钻井液正脉冲信号的衰减分析

地面与井下的信息传输是井眼轨迹监测与控制的重要环节,目前,大多数的无线随钻测量系统都采用钻井液脉冲的传输方式,而如何提高传输深度和传输速率一直都是钻井液脉冲传输系统的研究主题,文中根据钻井液脉冲传输的静,动态理论模型,研究了正脉冲信号衰减规律。结果表明,脉冲信号在井眼中的往复传播类似于阻尼振荡,并逐渐衰竭,信号频率和钻井液粘度是影响钻井液脉冲信号衰减的主要可控因素。     

随钻测量钻井液脉冲传输理论中幂律流体水击方程的建立

针对随钻测量（MWD）系统中钻井液脉冲信号传输方式存在的问题,依据流体力学原理,深入开展了MWD信号传输系统非牛顿流体水击问题基础理论研究。提出了一种线性化处理方法和幂律流体微分黏度近似表达式,建立了幂律流体瞬变流扰动量的变系数线性动量平衡方程,在此基础上建立了幂律流体水击方程。幂律流体瞬变流不仅取决于流体性质,而且还取决于其稳定流流动状态;方程中的变系数揭示了牛顿流体瞬变流与非牛顿流体瞬变流的主要区别。该方程的理论创新之处在于,一是考虑了非牛顿流体的影响,二是没有采用Darcy-Weisbach经验系数计算,而是进行了严格的解析解。     

钻井液脉冲信号传输影响因素分析

在应用钻井液脉冲式无线随钻测量仪器进行井眼轨迹监测与控制时,钻井液脉冲信号在传输过程中经常会受到井深、钻井液性能、空气包、井底动力钻具等因素的影响,给正常的井眼轨迹监测与控制带来一定困难。详细分析了这些不利因素对脉冲信号传输带来的影响,并结合具体施工经验给出了解决的方法。      

钻井液脉冲信号的传输特性分析

井眼轨迹自动控制技术是当前国内外钻井技术领域的研究热点,其技术关键是地面与井下的信息通信问题。钻井液脉冲作为这种信息通信的一种有效方式,越来越受到人们的重视和青睐。但是,目前对钻井液脉冲传输特性的研究多是以试验为手段进行产品开发,而对其传输机理的研究甚少。根据钻井工艺技术的具体特点,建立了钻井液脉冲信号传输系统的数学模型,并给出了求解方法。最后,通过实例分析了钻井液脉冲信号的传输特性。研究的结果对现有钻井液脉冲信号传输系统的改进以及新系统的开发都具有参考价值。     

井筒内钻井液连续脉冲信号传输频率相关摩阻模型

随钻测量的连续脉冲信号在井下传输的能量损失大部分来自于钻井液内部及其与管壁之间的摩擦。引入复频率概念,考虑到钻井液流体非牛顿流动特性,应用拉普拉斯变换,对脉冲信号在井筒内传输过程的衰减情况进行了频域分析,建立了钻井液连续脉冲信号传输频率相关摩阻模型;应用现场工程数据,分析了频率相关摩阻的影响因素及影响规律。结果表明,连续脉冲信号在低频段内衰减强度小,传输距离更远;在高频段内,连续脉冲信号传输稳定性更好。频率相关摩阻主要由脉冲信号频率特性和钻井液流体性质决定,在低频段内,其对脉冲信号衰减强度的影响更为显著;钻井液黏度越小,频率相关摩阻越小。     

钻井液正脉冲器原理研究

对钻井液正脉冲的基本原理进行了描述,并推导出了正脉冲幅值的理论计算公式。对国内外使用非常广泛、技术最成熟的钻井液正脉冲器的原理和工作过程进行了分析。提出了正向设计此类脉冲器的方法和思路。     

随钻测井钻井液脉冲信号基线漂移的矫正

钻井液脉冲信号携带了随钻测量系统的参数信息，其在传输过程中受到各种噪声的干扰，信号不平稳且存在基线漂移。为去除钻井液脉冲信号的噪声和基线漂移，使其能满足信号解码的要求。采用小波变换技术过滤信号噪声，检测出脉冲位置，并采用中值滤波的方法矫正信号中出现的基线漂移。实验结果表明，小波变换能够有效地去除钻井液波信号中的噪声，中值滤波很好地解决了钻井液脉冲信号中的基线漂移现象。采用中值滤波的方法去除基线漂移完全满足现场的要求，为钻井液波信号的解码奠定了基础。     

基于可信度分析的钻井液脉冲信号识别方法

针对随钻测量过程中钻井液脉冲信号识别困难的问题,在分析钻井液脉冲信号的产生原理及噪声特性的基础上,通过研究信号波形特征属性和信号相似度,建立了基于可信度分析的钻井液脉冲信号识别方法。根据该方法设计的钻井液脉冲信号识别原型系统能够实现灵活多变的交互式控制、动态参数调整和处理过程可视化实时呈现,在真实数据模拟中获得了很好的效果。基于可信度分析的钻井液脉冲信号识别方法有较好的适应性,可以准确、智能地识别复杂矿场环境中的真实信号波形,为随钻测量工作的顺利进行提供了技术支撑。      

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。     

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.     

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。     

基于卡尔曼滤波的钻井液脉冲信号处理方法

影响信号处理及信号解码的最大问题是噪声干扰,有效的信号处理方法能够提高接收信号分析处理的正确性及可靠性。为此,提出了一种基于卡尔曼滤波的钻井液脉冲信号处理方法。首先根据钻井泵噪声与泵冲之间的关系,求出泵噪声的谐波频率及对应的幅值相位,实现泵噪声的重构,从而实现了泵噪声的去除。对于去除泵噪声后的信号,其余的噪声可以作为加性噪声来处理,进而采用卡尔曼滤波方法实现信号的实时滤波。试验结果表明,泵噪声是钻井液脉冲信号的主要干扰源,对于钻井液脉冲信号的滤波,所提出的卡尔曼滤波方法实用且有效。     

基于曼彻斯特编码的钻井液脉冲信号提取算法

为了提取出无线随钻测量中的钻井液脉冲信号并正确识别,对钻井液脉冲信号有效提取算法进行了研究。采用形态滤波算法来提取钻井液脉冲信号,运用膨胀与腐蚀运算来设计信号形态滤波器;在此基础上,根据曼彻斯特编码井下信号同步的特点,提出了一种基于周期内信号等份分割来精确分辨钻井液脉冲信号开始时刻的算法;采用模式相似度的波形识别算法,用来识别钻井液脉冲信号。仿真分析表明,运用形态滤波算法能有效提取出微弱的钻井液脉冲信号,能够提取去信噪比为20 dB的钻井液脉冲信号;运用模式相似度波形识别算法能有效对曼彻斯特编码的钻井液脉冲信号进行识别,能够对0.034 5~0.069 0 MPa的微弱脉冲信号进行识别,识别出来的比特流数据分析表明,采用该识别算法的误码率低于1.5%。研究结果表明,形态滤波算法和模式相似度波形识别算法能精确地提取和识别出钻井液脉冲信号,提高解码正确率,满足工程应用的要求。      

钻井液水力通信通道传输信号的时频特性分析

传送随钻测量遥测信号的钻井液水力信道对信号有很大干扰,为把该信号从干扰信号中分离出来,采用脉冲编码组合克服传输通道的干扰。建立脉冲编码信号的时频特性基本方程,分析了脉冲编码信号的时频特性,提出了钻井液信道信号传输的通用准则。认为信号的脉冲长度与脉冲频谱宽度的乘积最小既可增大信号沿水力通道传送的速度,又可增加通信系统的有效距离。     

负脉冲MWD的原理及其在可泡沫钻井液中的应用

简要介绍了负脉冲无线随钻测量仪MWD系统的基本结构和原理，提出负脉冲MWD系统能够在泡沫钻井液中使用的主要观点。通过在胜利油田草古100-平5水平井中的使用，证明了在泡沫钻井液中使用负脉冲、MWD系统是可行的。     

钻井液脉冲传输速度的分布规律研究

地面与井下的信息传输是井眼轨道自动闭环控制的技术。目前,地面与井下的无线信息传输系统主要是采用钻井液脉冲方式,研究钻井液脉冲传输速度的分布规律,可以了解钻井液脉冲的传输机理及其影响因素,进而为建立井眼轨迹的自动闭环控制系统奠定基础。     

CGMWD新型正脉冲无线随钻测量系统及应用

CGMWD新型正脉冲无线随钻测量系统以正脉冲发生器产生上传泥浆脉冲压力信号，大大提高了信号传输能力和效率。文章简述了该仪器的结构、性能指标和功能特点，同时介绍了该仪器第一次现场应用的情况及效果。     

有保护时隙的高效PPM钻井液脉冲信号编码

为了提高井下数据的传输速率,降低电池能耗和脉冲发生器动作频次,需要研究并选择具有高编码效率和节电效率的钻井液脉冲信号编码方法。为此,选择具有较高节电效率的脉冲位置调制（PPM）编码方法,分别计算了有不同数量保护时隙的多脉冲位置调制（MPPM）与差分脉冲位置调制（DPPM）的编码效率和节电效率。计算结果表明:MPPM的编码效率随着待编码信息位数增加而升高,而DPPM编码信息位数可以取定值来实现组合编码;在待编码信息位数较少的情况下,DPPM编码、译码算法更易实现,有更高的编码效率及节电效率,在保护时隙数量为2时,DPPM编码效率可达46.2%,节电效率可达84.6%。研究结果表明,有保护时隙的DPPM编码具有较高的编码效率及节电效率,其编码映射方法更简单,是适合钻井液脉冲信号的高效编码方法。      

国外井下随钻测量传输系统概述

概述了国外随钻测量技术的发展过程,较系统地介绍了随钻测量的电缆传输系统、电磁传输系统、声能传输系统和钻井液压力传输系统的基本原理、传输方式及应用范围,还对钻井液涡流脉冲传输系统作了较详细的阐述。