钻井液连续压力波差分相移键控信号的传输特性分析

对随钻测量旋转阀的控制进行了逻辑分析,利用编码逻辑控制信号的积分运算及傅里叶正、逆变换,得到差分相移键控(DPSK)调制信号的函数表达式。根据通信原理,用调制信号控制载波相移构成DPSK信号的数学模型,分析了DPSK信号的频谱特性。对于水基钻井液,根据钻柱压力剖面将钻柱沿垂直方向划分为多个井段,通过对各个井段传递函数的分段描述,得到信号沿垂直钻柱分布的数值解。分析了信号传输距离、钻柱内径、载波频率、钻井液黏度及含气率对信号传输的影响,并对数值计算结果进行了分析。数值计算表明,钻井液黏度和含气率对信号传输的影响最大。对DPSK压力信号的井筒传输特性进行了研究,利用传输特性可以分析频带传输信号的传输效率和失真度以及钻井液参数对信号传输的影响。     

基于相移键控技术的旋转阀调控技术及仿真

为了进一步加快正交相移键控(QPSK)和多进制相移键控(MPSK)钻井液连续压力波信号调制过程中传输速率,提高带宽利用率,基于无线随钻测量系统对于传输速度和可靠性的需求,提出了钻井液连续压力波双周期QPSK调制方案。根据钻井液连续压力波的产生原理,分析了钻井液连续压力波双周期QPSK调制机理,构建了钻井液连续压力波双周期QPSK时域数学模型。对钻井液连续压力波双周期QPSK信号数学模型进行了频域特性分析。利用Matlab和Python的Scipy模块对钻井液连续压力波双周期QPSK信号方案进行了调制,根据模糊聚类算法,对仿真信号进行了解调。仿真数值分析结果表明:钻井液连续压力波双周期QPSK信号传输的传输速率比QPSK和MPSK钻井液连续压力波提高了一倍,带宽利用率提高了一倍。研究结果可为连续波无线随钻测量系统的研制提供理论指导。     

钻井液压力正交相移键控信号沿定向井筒的传输特性

根据旋转阀的控制逻辑规则,利用门函数构成可变幅度逻辑控制脉冲序列函数,通过数学分析,结合通信原理,构成了钻井液压力正交相移键控（QPSK）信号数学模型,研究了QPSK信号的频谱特性及沿定向井钻柱内压力波的传播特性。根据声学理论,分析了压力波通过定向井造斜段钻柱的声学特征;通过建立沿定向井钻柱分布的信号强度表达式,针对水基钻井液,研究了信号载频、钻柱尺寸、钻井液特性和井眼轨道类型对信号传输的影响。数值计算和分析表明,使用QPSK调制方式,带宽内信号能量比较高,适合于频带传输;QPSK压力信号在传输中受钻井液黏度和含气率的影响较大,当钻井液含气率大于0.5%时,井眼轨道类型对信号传输的影响不可忽略,总井深相同时,浅垂直深井产生的信号损失大于大垂直深井。     

钻井液压力DPSK信号传输的误码率分析

通过钻井液压力DPSK信号的相位解调及旋转阀转速控制脉冲的重构,可以恢复信号调制过程中的数据编码,但解调系统产生的固有干扰及信号噪声会对旋转阀转速控制脉冲重构的正确性产生很大影响。鉴于此,基于无码间串扰单极性脉冲PCM(脉码调制)系统的误码率分析,通过建立重构的旋转阀转速控制脉冲信噪比数学模型,对重构脉冲的误码率进行了理论研究。研究结果表明,旋转阀转速控制脉冲的重构会受到解调系统产生的固有随机干扰及信号噪声的双重影响,二者通过影响重构脉冲的幅度信噪比使误码率增大。误码率的数值仿真结果与理论计算结果基本一致,验证了理论分析的正确性。研究结果为解调系统参数的优化设计及信号噪声的控制研究提供了理论指导,并且为钻井液压力DPSK信号传输的可靠性评估提供了理论基础。     

Numerical modeling of DPSK pressure signals and their transmission characteristics in mud channels

A numerical model and transmission characteristic analysis of DPSK （differential phase shift keying） pressure signals in mud channels is introduced. With the control logic analysis of the rotary valve mud telemetry, a logical control signal is built from a Gate function sequence according to the binary symbols of transmitted data and a phase-shift function is obtained by integrating the logical control signal. A mathematical model of the DPSK pressure signal is built based on principles of communications by modulating carrier phase with the phase-shift function and a numerical simulation of the pressure wave is implemented with the mathematical model by MATLAB programming. Considering drillpipe pressure and drilling fluid temperature profile along drillpipes, the drillpipe of a vertical well is divided into a number of sections. With water-based drilling fluids, the impacts of travel distance, carrier frequency, drillpipe size, and drilling fluids on the signal transmission were studied by signal transmission characteristic analysis for all the sections. Numerical calculation results indicate that the influences of the viscosity of drilling fluids and volume fraction of gas in drilling fluids on the DPSK signal transmission are more notable than the others and the signal will distort in waveform with differential attenuations of the signal frequent component.     

钻井液脉冲沿井筒传输的多相流模拟技术

在随钻测量系统和闭环钻井系统中,把钻井液看作气相、液相和固相的多相流体,研究了钻井液脉冲的传输速度计算方法,分析了钻井液的组份含量和特性对脉冲信号传输速度的影响.根据多相流的动力学方程,建立了模拟钻井液脉冲动态传输特性的数学模型.研究结果表明,钻井液中的气相和固相将对钻井液密度和压缩性产生影响,进而影响钻井液脉冲的传输速度和传输特性.随着钻井液密度和压缩性的提高,脉冲信号的传输速度降低.脉冲传输速度对含气量非常敏感,随着含气量的增加,传输速度迅速下降;沿井筒往复传播的钻井液脉冲在系统边界处将产生折射和反射,类似于阻尼振荡;钻井液粘度是影响脉冲信号衰减速度的一个重要因素.该数值模拟方法简便易行,可以替代部分室内实验,对现有钻井液脉冲传输系统的改进以及新系统的开发都具有参考价值.     

连续波钻井液脉冲发生器用磁力耦合器设计

为了解决工作在井下高温高压等恶劣环境下转子与定子之间的旋转动密封问题,设计了磁力耦合机构,通过磁场的相互作用来传递动力。内磁钢与轴组成转子,外磁钢与外磁钢套组成定子,转子和定子由隔离套隔离,实现密封,定子、转子通过磁力耦合来传递转矩。通过数值分析来确定耦合器的相关参数,用有限元法计算出不同极对数情况下的转矩特性,并将仿真结果与试验曲线对比,验证了设计的耦合器是合理的,技术指标符合要求,用磁力耦合机构替代动密封,可以简化传动系统。     

新型随钻堵漏钻井液体系的研制

针对平方王油田钻井过程中钻井液漏失的难题,研制了一种新型多功能随钻堵漏钻井液体系。介绍了新型随钻堵漏钻井液体系的配方优选,探讨了该体系的最佳流变性能、防塌抑制性和悬浮稳定性,研究了该体系的承压能力和封堵能力。实验结果表明,该体系具有较强的抗温抗污染能力,悬浮稳定性好,密度调节范围广,封堵填充加固能力强,具有常规钻井液及随钻堵漏钻井液的性能特点,易操作、可调整。     

环空压力随钻测量系统研究

介绍了环空压力随钻测量系统的基本结构、工作原理以及关键技术。对环空压力随钻测量系统进行了地面综合试验和现场试验。试验结果表明,整套仪器设计合理,工作可靠性高,压力和温度测量精度都达到了1%FS;解决了井下大功率长时间供电的难题,开泵时采用井下发电机供电,停泵时采用蓄电池供电,保证了系统能够长期稳定地工作;能够实现测量数据的实时上传和井下存储功能,在地面可随钻获知井底准确、实时的压力和温度数据。最后指出,环空压力随钻测量系统必须在单参数或少参数的测量上首先获得突破,才有可能向多参数的更高层次方向发展。     

去除随钻测量信号中噪声及干扰的新方法

由于受到钻井特殊条件的限制,井底和地面之间的随钻测量信号难以通过有线方式进行传输,目前工程中主要采用井液脉冲位置编码调制的无线传输方式.但是,由于泥浆压力、井深、泵压等信道传输特性会对信号造成影响,随钻测量中采集到的钻井液脉冲信号往往包含了各种噪声和干扰,直接影响地面信号解码结果的正确性.对钻井液脉冲脉位编码无线通信原理、噪声及干扰进行了分析,根据干扰与噪声的特点.采用线性滤波方法还原脉冲信号,又利用一种非线性"平顶消除"的方场采集的信号进行了处理.与线性滤波方法处理结果的综合对比表明,该方法能更有效地去除钻井泵噪声及其他干扰.现场应用结果表明,该方法对脉冲信号位置复原误差影响小,解码过程简单实用,具有误码率低、可靠性高等特点.     

基于自适应滤波的钻井液连续压力波信号噪声抑制

根据钻井液连续压力波信号频带传输特性及自适应滤波器数学原理,针对钻井液连续压力波信号的宽带特征,基于钻井液压力相移键控（PSK）信号数学模型,以最小均方误差（LMS）为评价标准构建自适应滤波器算法,从理论上研究了采用自适应滤波方法实现钻井液连续压力波信号噪声消除及信号重构的可行性。建立了以载波信号作为输入及含噪声井下信号为期望输入的适于宽带信号处理的自适应滤波器结构及数学模型,在自适应控制算法作用下,通过自适应地调整滤波器权系数,以载波延迟采样值的加权线性叠加来逼近井下连续压力波信号;通过建立滤波器权系数的自适应控制算法,分析了滤波器的自适应步长因子对重构信号信噪比及失真度的影响。数值计算及仿真结果表明,基于该数学模型的自适应滤波器可以有效消除进入信号频带的各种随机噪声并实现钻井液压力相移键控信号的重构,通过合理选择自适应步长因子可以降低重构信号的波形失真度,获得较高质量的重构信号。     

HDS1信号发生器脉冲响应速度的影响因素分析

针对已建立的“二通阀进液控制式液压信号发生器”液压模型升、降压过程各个阶段的非线性状态方程,应用MATLAB软件设计该信号发生器脉冲响应的计算程序;并通过数值计算研究HDS1脉冲信号发生器的性能及其脉冲速度响应速度的主要影响因素;分析了主阀弹簧压缩量、最大开度对脉冲压力上升时间的影响、溢流阀初始开度对脉冲压力上升时间的影响、溢流阀弹簧压缩量对脉冲压力下降时间的影响。