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1、10申请公布号CN102231696A43申请公布日20111102CN102231696ACN102231696A21申请号201110149784022申请日20110523H04L12/56200601E21B47/1220060171申请人中国石油大学华东地址257061山东省东营市东营区北一路739号72发明人李忠伟王瑞和54发明名称一种用于随钻测量系统数据报报文封装的方法57摘要本发明提供了一种用于随钻测量系统数据报报文封装的方法，尤其是将石油随钻测量系统井下测量的参数封装成数据报的一种方法，主要通过对数据报进行编号，确定具体类型的数据报、数据域定界，主要规则是根据各参数域的长度计。
2、算“数据域定界”字段的值和数据报分类，将数据报分为随钻测量参数、数据传输模式、HUFFMAN编码数据报三个步骤来实现，用于石油钻井、测井、录井等随钻测量系统中进行报文的封装，实现灵活、通用、高效地数据传输协议。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书6页CN102231698A1/1页21一种用于随钻测量系统数据报报文封装的方法，其特征在于按以下三个步骤实现1对数据报进行编号，确定具体类型的数据报，不同的编号代表数据报中具有不同的参数组合形式和排列顺序，其中随钻测量参数数据报使用编号080，数据传输模式数据报使用编号8198，HUFFMAN权值表数据报。
3、使用99；2数据域定界用数据报中的“数据域定界”字段的值来为各参数数据域确定边界，定界规则如下生成井下参数数据报时，根据当次各参数域的实际长度计算获得“数据域定界”字段的值，由各域值的十进制的表示位数依次排列组合得到，负号和小数点各占一位；地面拆分使用数据报时，根据“数据域定界”字段的值依次确定各数据域的边界，提取参数；3数据报分类，将数据报分为随钻测量参数数据报，数据传输模式数据报和HUFFMAN编码数据报。2根据权利要求1所述的用于随钻测量系统数据报报文封装的方法，其特征在于数据传输模式数据报是从井下向地面接收端发送的完全数据报，通过改变信号发送频率和信号载波周期来实现数据传输速率和数据传。
4、输误码率之间的动态调整。3根据权利要求1所述的用于随钻测量系统数据报报文封装的方法，其特征在于随钻测量参数数据报分为增量数据报和完全数据报，其中完全数据报是井下仪器所测量到的参数的真实完整的数值，增量数据报是参数的增加或减少的量，是当次测量数值与上次测量数值的差。4根据权利要求1所述的用于随钻测量系统数据报报文封装的方法，其特征在于在随钻测量参数数据报中采用非固定长度的数据域，每个数据域存放的是其真正的十进制数据，并不是二进制数据，在压缩时才转换为二进制，其定义的格式为5根据权利要求1所述的用于随钻测量系统数据报报文封装的方法，其特征在于在数据传输模式数据报中定义的数据报格式为6根据权利要求1。
5、所述的用于随钻测量系统数据报报文封装的方法，其特征在于在HUFFMAN编码数据报中定义的数据报格式为权利要求书CN102231696ACN102231698A1/6页3一种用于随钻测量系统数据报报文封装的方法技术领域0001本发明涉及一种数据报报文封装方法，尤其是将石油随钻测量系统井下测量的参数封装成数据报的一种方法，从而实现灵活、通用、高效地数据传输。背景技术0002从井下到地面的信息传输技术是导向钻进与定向钻进领域中研究的热点与难点问题，也是随钻测量系统应用和发展的技术“瓶颈”。基于钻井液压力的信息传输方式，具有经济、方便、传输可靠性强、传输距离远等优点，是目前发展最成熟、应用最广泛的传输。
6、方法。但是，目前的研究主要集中在测量仪器的硬件设备设计与开发方面，注重仪器的“硬件”实现，而缺乏对其“软件”通信协议标准化、通用性的研究，现有的协议具有很强的针对性，只能匹配特定的仪器。随钻测量系统中的数据报与其他常见网络传递的数据报有很大不同，所以不能直接套用现有的网络传输中的相关协议。0003自20世纪30年代JCKARCHER等研制的随钻电阻率测井系统和50年代ARPSJJ发明的泥浆遥测系统获得成功以来，随钻测量技术开启了加速发展的时代。井下测量参数也从最初基本的方位数据和地层评价数据电阻率和伽马射线，发展到如今的包括几何参数、定向参数和井下工况参数等共计约20种之多，例如井斜角、方位角。
7、、工具面角、井底钻压、钻头扭矩、马达转速、井底温度、自然伽马、地层电阻率、地层倾角、孔隙度、密度、中子测井、电压等。而且，随着钻井技术不断地向自动化、智能化方向发展，越来越多的井下测量仪器将会得以研制与应用，可以测量获得的井下参数也将会越来越多，所以不可能通过一个固定的协议将所有的参数都包含在内。0004目前在无线随钻测量系统中尚没有一种用户可以动态配置的，具有数据压缩功能的数据报封装的方法，目前常见的是固定格式的，只能针对于特定厂家自己设备的固定的协议。体现为报文中参数的组合形式、排列顺序以及每个数据域的长度都固定不变。这类数据报对井下参数类型的增减、取值范围和精度的变化要求，以及参数实时测。
8、量值比特长度的变化适应性差，而且固定长度的数据域在传输变化平稳的增量数据时效率低下，已经难以满足实际工作的需要。发明内容0005本发明所要解决的技术问题是提供一种用于随钻测量系统数据报报文封装的方法，实现灵活、通用、高效地数据传输。0006本发明解决其技术问题是按以下三个步骤实现的00071对数据报进行编号，确定具体类型的数据报，不同的编号代表数据报中具有不同的参数组合形式和排列顺序，其中随钻测量参数数据报使用编号080，数据传输模式数据报使用编号8198，HUFFMAN权值表数据报使用99。00082数据域定界，用数据报中的“数据域定界”字段的值来为各参数数据域确定边界，定界规则如下说明书C。
9、N102231696ACN102231698A2/6页40009生成井下参数数据报时，根据当次各参数域的实际长度计算获得“数据域定界”字段的值，由各域值的十进制的表示位数依次排列组合得到，负号和小数点各占一位；0010地面拆分使用数据报时，根据“数据域定界”字段的值依次确定各数据域的边界，提取参数；00113数据报分类，将数据报分为0012A随钻测量参数数据报；0013B数据传输模式数据报；0014CHUFFMAN编码数据报。0015上述第1步中所述的数据传输模式数据报是从井下向地面接收端发送的完全数据报，通过改变信号发送频率和信号载波周期来实现数据传输速率和数据传输误码率之间的动态调整。所述。
10、的随钻测量参数数据报分为增量数据报和完全数据报，其中完全数据报是井下仪器所测量到的参数的真实完整的数值，增量数据报是参数的增加或减少的量，是当次测量数值与上次测量数值的差。随钻测量参数数据报中采用非固定长度的数据域，每个数据域存放的是其真正的十进制数据，并不是二进制数据，在压缩时才转换为二进制，其定义的格式如下表00160017在数据传输模式数据报中定义的数据报格式如下表00180019在HUFFMAN编码数据报中定义的数据报格式如下表00200021本发明的有益效果是采用了数据报格式自定义的方式，用户可以在地面通过计算机对准备下井的单片机进行设置，根据参数的相关度以及参数变化的频率和幅度对参。
11、数进行任意组合，组合后给每个数据报进行编号；提出了数字排列数据域定界方法，就是用数据报中的“数据域定界”字段的值来为各参数数据域确定边界；预设了18种数据传输模型，分别对应不同的载波频率和不同的载波周期个数，从而实现灵活、通用、高效地数据传输。具体实施方式0022下面结合具体实施方式来进一步说明本发明。0023本发明提出的用于随钻测量系统数据报报文封装的方法，按以下步骤实现00241对数据报进行编号0025由于井下可测参数已达20余个，而从井下到地面的数据传输率很低，所以不能也说明书CN102231696ACN102231698A3/6页5没有必要一次性地将所有的参数都封装在一个数据报中。另外。
12、，有些井下参数长时间不变、有些参数用户可能在某个时间不太关心、有些需要以较高的频率上传到地面，所以可以将参数进行分类组合形成不同的数据报。每个数据报里面的参数是相对固定的设备下井前在地面对其进行配置。但是目前都采用的是固定数据报格式，这种数据报协议有个缺点就是该数据报协议只能用来开发某一种随钻测量设备，当设备升级或者研发新的设备时均需要重新设计数据报，而且数据报格式无法做到通用。0026如表1所示，本发明采用数据报格式自定义的方式，用户可以在地面通过计算机对准备下井的单片机进行设置，根据参数的相关度以及参数变化的频率和幅度对参数进行任意组合，组合后给每个数据报进行编号，数据报编号是用来确定具体。
13、类型的数据报，不同的编号代表数据报中具有不同的参数组合形式和排列顺序。0027表1对数据报进行编号00280029采用2位十进制对数据报进行编号，所以共可以编排出99种数据报。而且为了减少数据报编码的长度，应该将使用频率最大的数据报排在最前方。0030为了区分随钻测量参数数据报、数据传输模式数据报、HUFFMAN权值表数据报三种不同的数据报，约定编号为99的数据报为HUFFMAN权值表数据报，编号为8198的数据报为数据传输模式数据报共18种，编号为080的数据报为随钻测量参数数据报。对于随钻测量参数数据报共有81种，足以应对未来参数数量的扩展，以及用户的自定义和系统的通用性、灵活性。0031。
14、2数据域定界0032在传统数据报的参数域进行定界时，常采用固定数据域长度或域间插入特殊分隔符的方法，前者以预先为每个参数设置的固定长度来确定边界，其缺点是无法根据参数的实际取值来调整相应的数据域长度，容易造成数据报空间的冗余浪费；后者通过在各数据域之间插入特殊字符来确定参数边界，能够使各数据域的长度灵活可变，但是插入的分界字符占用了大量的数据报空间，效率低下。0033本发明提出了数字排列数据域定界方法，就是用数据报中的“数据域定界”字段的值来为各参数数据域确定边界，定界规则如下00341生成井下参数数据报时，根据当次各参数域的实际长度计算获得“数据域定说明书CN102231696ACN1022。
15、31698A4/6页6界”字段的值，由各域值的十进制的表示位数负号和小数点各占一位依次排列组合得到。00352地面拆分使用数据报时，根据“数据域定界”字段的值依次确定各数据域的边界，提取参数。0036“数据域定界”字段的第一位表示“数据报编号”的长度，取值为0、1、2。例如，“数据域定界”的值为“2452”，表明本次传输的“数据报编号”长度位2，包含三种参数，参数1的数据长度为“4”，参数2的数据长度为“5”，参数3的数据长度为“2”。00373数据报的分类0038从井下到地面的上行数据流主要传输的是井下仪器采集的参数、HUFFMAN编码的权值表、数据报传输模式等。其中井下仪器采集的参数组成的。
16、数据帧是传输的最多的数据帧，又可以分为完全数据帧和增量数据帧。HUFFMAN编码的权值表和数据报传输模式都属于控制帧，采用的都是完全数据帧，要确保传输数据的正确性。00391随钻测量参数数据报0040随钻测量参数数据报是用来传输井下测量仪器测得的参数的数据报，该类数据报又可以分为增量数据报和完全数据报。0041完全数据报井下仪器所测量到的参数的真实完整的数值。0042增量数据报参数的增加减少量，是当次测量数值与上次测量数值的差。00432数据传输模式数据报0044从井下向地面接收端发送的一类特殊的完全数据报，通过改变数据传输模式信号发送频率、信号载波周期来实现数据传输速率和数据传输误码率之间的。
17、动态调整。该类数据报主要是通知地面要发送的数据拟采用的载波频率以及传递一个码元所需要的载波周期个数。本发明预设了18种数据传输模型，分别对应不同的载波频率和不同的载波周期个数。例如可以设定6种载波频率及3种载波周期个数或者9种载波频率及2种载波周期等。00453HUFFMAN编码数据报0046在进行HUFFMAN压缩时，需要定期向地面发送各个符号的权值表。因为这些权值直接影响到HUFFMAN压缩和解压缩的正确性，所以需要采用完全数据报的方式，确保数据被正确传输。HUFFMAN编码数据报的设置是由井下系统自动完成的，不需要人工进行设置。0047实施例0048一数据报分类00491随钻测量参数数据。
18、报0050为了减少随钻测量数据报的长度，不采用固定长度的数据域，而且每个数据域存放的是其真正的十进制数据，并不是二进制数据，在压缩时才转换为二进制。数据报的格式如表2所示。表3是一个具体的数据报格式的实例，画斜线的单元格表示该域在真正发送的数据报中并不存在。0051表2随钻测量参数数据报的格式0052说明书CN102231696ACN102231698A5/6页70053表3随钻测量参数数据报的格式举例0054数据报类型标识数据域定界数据报编号数据域1数据域2数据域3数据域41034050020030012100551数据报类型标识1表示完全数据报、0表示增量数据报。00562数据报编号采用十。
19、进制，在压缩时转换为二进制。最多2位即最多100种数据报格式。将使用频率高的数据报排成个位数，使用频率低的数据报排成2位数，使用频率最高的数据报的编号设置为0，这样可以压缩数据报的长度。00573数据域定界表明后边各个域的长度。其中第一位表示的是“数据报编号”的长度，第一位的取值只能是0、1、2。后边各位表示的是各个参数当前取值的长度并不是固定长度。小数点、符号都算作1位长度。例如02的长度为4。另外，因为有的参数可能长期不变化，对于增量数据报其数据域就为0，这样的数据在数据域中就不出现了，例如表3的数据域3和数据报编号，因为取值都为0所以其长度就为0，从数据域定界中可以得到。00584数据域。
20、数据域填写该参数的真实取值或者增量取值，注意数据域的长度为变长的，从09位十进制都可以，所以可以表示的最大数为9999999999、最小数为999999999。如果某个数据域为0，则该数据域在报文中就不出现。但是，在“数据域定界”中对应位置处为0。在接收方根据“数据域定界”处的0就知道该位置的参数的数值为0。0059例如采用表3所示的数据报的格式，在接收端，假设收到的数据报为101023120320060根据第1位“1”，接收方知道该数据报发送的是完全数据报。0061根据表3所示的数据报的格式知道数据域定界共应该有1数据报编号长度44个参数的长度5个数字，即01023。第2位“0”，表明该数据。
21、报的编号为0，所以数据报编号这个域在后边将被省略。第3位“1”表明参数1的长度为1。第4位“0”表明参数2的长度为0，所以数据报编号这个域在后边将被省略。第5位“2”表明参数3的长度为2、第6位“3”表明参数4的长度为3。0062因为数据报编号这个域被省略，所以从第7位后接下来的数字应该是参数1的取值，因为参数1的长度为1，所以从第7位开始的1位为第1个参数的取值即参数11。0063因为参数2的长度为0，所以这个或被省略，即参数20。0064因为参数3的长度为2，从第8位开始的2位为第3个参数的取值即参数320。0065因为参数4的长度为3，从第10位开始的3位为第4个参数的取值即参数432。。
22、00662数据传输模式数据报说明书CN102231696ACN102231698A6/6页80067数据传输模式数据报是一类特殊的完全数据报，如表4所示，所以其数据报类型标识总是1。数据报编号也是固定的两位8198，所以数据域定界的第一位一定是2，后两位分别是载波频率和载波周期的长度。0068表4数据传输模式数据报的格式006900703HUFFMAN权值表数据报0071HUFFMAN权值表数据报也是一类特殊的完全数据报，如表5所示，所以其数据报类型标识总是1。数据报编号也是固定的99两位十进制，所以数据域定界共14位，第一位一定是2。编号表示的是该HUFFMAN权值表属于哪个数据报。0072表5HUFFMAN权值表数据报的格式00730074本发明研究了一种通用、高效、灵活、可扩展、可压缩的数据报协议，为随钻测量系统的进一步发展和应用提供了一种新的方法。说明书CN102231696A。