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DPSK信号解调及旋转阀控制脉冲重构

基于钻井液压力DPSK信号调制过程的数学分析,研究了钻井液压力DPSK信号相干解调的可行性。通过在相位相干解调的基础上增加反余弦和求导环节实现旋转阀控制脉冲的重构,钻井液压力DPSK信号可以采用相干方式进行解调,且无噪声影响条件下解调效果较好。仿真分析结果表明,噪声会对钻井液压力DPSK信号的幅度和相位产生干扰,对旋转阀控制脉冲的重构造成较大影响;旋转阀控制脉冲的重构受到信号频带内噪声垂直分量导数的严重影响;大幅提高输入信号信噪比是钻井液压力DPSK信号相干解调系统获得相对较小误码率的关键。     

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。     

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。     

基于优化变分模态分解和互相关的钻井液脉冲信号处理方法

随着油气勘探开发不断深入，钻井技术逐渐向深井、超深井和小井眼方向发展，对钻井液脉冲信号处理提出了更高的要求。通过分析脉冲位置调制编码的基本原理，提出了一种基于优化变分模态分解和互相关的钻井液脉冲信号处理方法，并利用在苏北地区某页岩油井采集的钻井液脉冲信号验证了该方法的可行性。基于优化变分模态分解算法，实现了在低信噪比条件下有用信号的有效提取；基于同步头相关器对去噪后的信号进行互相关处理，实现了数据帧起始位置的可靠计算；基于数据块相关器对数据块内波形进行互相关处理，实现了码值的准确获取。与传统的钻井液脉冲信号处理方法相比，上述方法具有可靠性高和误码率低的特点，能够很好地满足复杂井眼环境下钻井液脉冲信号处理的需求。     

钻井液连续波信号发生器控制方法

为了利用往复主阀产生钻井液连续波，从而实现井下信息高效、快速传递，研究了往复式钻井液连续波信号发生器的控制方法。在选择斜面凸轮作为控制机构的基础上，优选了普通无刷直流电动机并确定了改变电枢电压的调速方法，建立了往复主阀产生钻井液连续波时的电动机转速及负载转矩计算模型。经过算例分析，得到了能够产生正弦钻井液连续波的电动机转速、负载转矩和电枢电压随时间的变化规律:在半个周期内，电动机转速非线性减小，电动机负载转矩非线性增加，电动机最大负载转矩为0.46 N·m，电枢电压呈现先减小后增大的趋势。研究结果表明，改变电枢电压的调速方法是可行的，对连续波调频可以实现对井下信息的传输，提出的钻井液连续波信号发生器控制方法可以为井下信号发生装置的设计及现场应用提供参考。      

核磁共振测井仪高压发射控制时序设计与应用

为设计一种高压发射控制时序,基于核磁共振测井仪高压发射控制原理,分析采用DDS技术实现高压发射控制时序的可行性。描述DDS模块设计过程,其核心组件为32bit相位累加器,采用流水线性技术实现;功能仿真结果表明,满足不同初始相位不同频率正交信号合成。实际应用表明,设计的高压发射控制时序满足核磁共振测井仪多频工作模式、初始相位交替变换和高压发射控制要求。     

声波钻杆信道及信息传输仿真研究

为利用声波沿钻杆有效地随钻传输钻井数据,提出应用声波无缝传输模型将任意井下钻具组合(BHA)分解为单个声波无缝传输模型(RATO)的级联。建立了BHA中每个钻具的RATO,分别设计FIR滤波器模拟该模型,根据对信道通带位置最佳逼近原则应用相位均方误差最小准则获得最佳FIR长度;将子双口网络参数连乘得到模拟的多钻具级联构成的BHA的系统函数;应用有加工误差为±4%的5in同规格钻杆随机级联为例仿真声波钻柱信道验证了FIR滤波器的方法的正确性和可行性;在该信道上采用2FSK调制解调方式进行信息传输仿真,信号载频位于信道子通带内,约2 500m信道、传输波特率为20bit/s时误码率小于3%。可以应用FIR滤波器仿真声波钻柱信道进行信息传输研究,为随钻声波传输仪器的研制提供测试平台和技术支持。     

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.     

基于相关系数的连续波发生器转阀优化设计

在连续波发生器转阀设计中,仅以转阀的最大、最小通流面积为设计指标所得到的压力波信号畸变很大,不适合作为连续波信息传输的载波。为解决该问题,在最大、最小通流面积设计准则的基础上提出了相关系数最大的设计准则;建立了底边为直线的梯形阀口转阀通流面积的参数化计算模型;根据提出的设计准则建立了转阀阀口形状的优化模型。优化结果表明:该优化模型可以获得较理想的正弦波压力信号。为减少加工难度,对转阀的设计参数进行取整,并分析了参数取整对压力波信号特性的影响。     

频率误差和相位误差在同步解调中的失真分析

在同步解调中．本地载波的频率和相位必须与发送端载波同步，当本地载波存在频率或相位误差时，会使解调输出信号产生失真。以双边带调幅(DSB)信号和单边带调幅(SSB)信号为例，采取定量分析的方法。详细讨论了频率误差和相位误差所产生的失真问题，通过对它们的失真进行比较与分析。得出了一条重要结论：频率误差和相位误差在DSB中所产生的失真比在SSB中更为严重。     

高速率泥浆脉冲器工作模式设计与试验

转子往复摆动的脉冲器从结构上可实现转子快速摆动,载波频率高,调制方式选择空间大。为了适应钻进时地层参数,以及钻井工程参数,例如排量、密度、钻速、转速等,需要改变井下脉冲器工作模式,包括调制方式、运动频率、定转子开合角度、扫频、静默等。工作模式预置在脉冲器控制芯片中,由地面指令下传装置改变管汇中泥浆流量,切换井下脉冲器的工作模式。通过对工作模式的远程切换,可节省钻进辅助时间,提高生产效率。高速率泥浆脉冲器在新疆某井进行了应用试验,对作业过程实时数据的分析表明,模式切换可靠,数据上传速度高。为高速泥浆脉冲器的扩大使用积累了经验。     

钻井液连续波发生器转阀设计与信号特性分析

为了改善信号发生器的控制性能、提高连续波信号的产生速率与传输距离,需要设计合理的转阀阀口形状。根据压力-流量关系式推导出可以获得简谐波压力信号的阀口形状曲线方程,并据此方程对设计的转阀定转子形状进行了修正。通过三维流场仿真分析了不同定、转子轴向间隙对压力波信号的影响。结果表明,当轴向间隙小于1 mm时,推导所得的转阀阀口曲线可以获得较理想的简谐波压力信号。为了解决减小轴向间隙引起的阀口冲蚀和堵塞问题,建议在转阀设计中增加与转阀并联的旁路,在转阀入口处增加过滤装置。     

中空转子螺杆钻具转速软特性的改善

介绍了用稳流阀来稳定中空转子螺杆钻具中孔分流量，从而达到改善中空转子螺杆钻具转速软特性的方法；在分析稳流阀稳流特性的基础上，结合马达压降与钻压的关系导出了马达转速与钻压的关系。带稳流阀的中空转子螺杆钻具与普通中空转子螺杆钻具的转速－钻压特性对比，说明带稳流阀的中空转子螺杆钻具具有较硬的转速特性，改善了普通中空转子螺杆钻具在大负载下严重失速的特性；采用带稳流阀的中空转子螺杆钻具要比普通中空转子螺杆钻具有更高的效率，大负载下机械钻速可提高４０％。