泥漿脈沖隨鉆高速率遙傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張松煒 王智明

（中海油田服務(wù)有限公司，北京 101149）

泥漿循環(huán)信道存在傳輸特性差和干擾強(qiáng)的問題，而泥漿信道的傳輸特性具有頻率選擇性衰落和時(shí)變特點(diǎn)。泥漿信道的干擾源多，如井下鉆頭切割巖石、地面鉆井平臺(tái)的振動(dòng)以及泥漿泵影響等[1]。最強(qiáng)干擾主要來自泥漿泵。信道跟蹤與均衡和噪聲抑制是遙傳系統(tǒng)的關(guān)鍵。針對(duì)泥漿循環(huán)信道的特點(diǎn)，以二進(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)泥漿脈沖高速率遙傳系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)水循環(huán)測(cè)試、實(shí)鉆測(cè)試及工程應(yīng)用驗(yàn)證，最大傳輸速率可達(dá)到20 b·s-1，穩(wěn)定作業(yè)速率可達(dá)到10 b·s-1。

1 井下發(fā)送系統(tǒng)及幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泥漿脈沖隨鉆高速率遙傳系統(tǒng)由井下的遙傳發(fā)送系統(tǒng)和地面的遙傳接收系統(tǒng)構(gòu)成。井下儀器掛接在儀器總線上，產(chǎn)生的測(cè)量數(shù)據(jù)通過儀器總線輸送到通信板，由通信板組幀后進(jìn)行BPSK調(diào)制[2]。已調(diào)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)板控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生泥漿脈沖的連續(xù)波信號(hào)，經(jīng)鉆柱傳輸?shù)降孛妗鬏數(shù)男盘?hào)幀格式如圖1所示。

圖1 傳輸?shù)男盘?hào)幀格式

信號(hào)幀中的C表示Chirp信號(hào)，主要用于信道質(zhì)量評(píng)估，同步緊隨其后的靜默信號(hào)；Q表示靜默信號(hào)，主要用來初始化雙傳感器信號(hào)增強(qiáng)合并的參數(shù)；P表示偽隨機(jī)信號(hào)，同步測(cè)量數(shù)據(jù)和初始化數(shù)據(jù)均衡器參數(shù)；D表示井下測(cè)量?jī)x器輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量過程中，P和D周期性發(fā)送。

2 地面接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地面遙傳接收系統(tǒng)包括信號(hào)處理和信號(hào)解調(diào)兩大任務(wù)。信號(hào)處理的主要任務(wù)是對(duì)接收的壓力信號(hào)進(jìn)行降噪處理。信號(hào)解調(diào)的主要任務(wù)是通信信號(hào)的解調(diào)、同步以及均衡等。地面接收系統(tǒng)的輸入為壓力傳感器采集的泥漿脈沖壓力信號(hào)和泵沖傳感器采集的泵沖信號(hào)。泵沖信號(hào)主要用于指導(dǎo)接收系統(tǒng)，以消除泵沖干擾。壓力信號(hào)經(jīng)消噪、解調(diào)及均衡等步驟處理后，可以還原井下發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)測(cè)試主要在中海油服的水循環(huán)系統(tǒng)和新疆試驗(yàn)基地完成。水循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。循環(huán)管線長度為3 000 m。

圖2中的P1和P2是壓力傳感器。P1靠近泥漿泵，模擬立管信號(hào)。P2靠近脈沖發(fā)生器，采集脈沖器端的發(fā)送信號(hào)。測(cè)試系統(tǒng)包括測(cè)量數(shù)據(jù)幀同步、載波頻偏校正、泵沖干擾消除以及均衡器等關(guān)鍵單元[3-4]。

圖2 水循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)

3.2 載波頻偏校正

頻偏校正單元輸出的載波頻偏修正信號(hào)如圖3所示。測(cè)試的比特率和載波頻率分別為6 b·s-1和18 Hz。

圖3 載波頻偏修正信號(hào)

載波頻偏信號(hào)為正弦信號(hào)。從圖3中可以測(cè)量出地面本地載波與井下發(fā)送載波之間的頻率偏差為0.012 Hz，意味著時(shí)間約為83 s，載波相位可旋轉(zhuǎn)2π。如果不進(jìn)行頻偏修正，BPSK星座點(diǎn)會(huì)隨時(shí)間不斷旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致解碼錯(cuò)誤。

3.3 幀同步

幀同步單元輸出的幀同步信號(hào)如圖4所示。測(cè)試的比特率和載波頻率分別為6 b·s-1和24 Hz。

圖4 幀同步信號(hào)

幀同步信號(hào)為歸一化的脈沖信號(hào)。每一個(gè)脈沖定位一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)幀的起始。為了便于對(duì)比，圖4將直接檢測(cè)和均衡檢測(cè)算法輸出的幀同步信號(hào)相差15 s。從圖4可以看出，均衡檢測(cè)算法的幀同步信號(hào)的噪底幅度約為0.3，而直接檢測(cè)的同步脈沖最小幅值在0.5，因此有足夠大的判別區(qū)間確保幀同步的可靠檢測(cè)。由于受信道頻率選擇性衰落的影響，直接相關(guān)算法得到的幀同步脈沖的幅度波動(dòng)較大，整體偏小。均衡相關(guān)算法在底噪不變的情況下，同步脈沖的最小幅度大于0.6[5-6]。因此，與直接檢測(cè)相比，均衡檢測(cè)提高了幀同步檢測(cè)的可靠性。

3.4 單傳感器消噪

測(cè)試的比特率和載波頻率為分別為4 b·s-1和12 Hz，消噪算法結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 單傳感器消噪前的功率譜密度

圖7 時(shí)域消噪后的功率譜密度

圖6中有1、2、3共3個(gè)標(biāo)記點(diǎn)。標(biāo)記點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的原始信號(hào)的泵噪分量并不明顯，頻域算法在此頻率位置產(chǎn)生了過度衰減，時(shí)域算法在此處無此現(xiàn)象；標(biāo)記點(diǎn)2對(duì)應(yīng)的原始信號(hào)有泵噪分量，頻域算法在這個(gè)頻率位置也產(chǎn)生了過度衰減，時(shí)域算法在此處無此現(xiàn)象；標(biāo)記點(diǎn)3對(duì)應(yīng)的原始信號(hào)的泵噪分量明顯，但由于這個(gè)分量不是頻域算法預(yù)設(shè)的抑制頻點(diǎn)，未被頻域算法抑制，而時(shí)域算法對(duì)此頻點(diǎn)抑制效果好。可以看出，頻域算法容易造成衰減過度，造成信號(hào)能量損失，而時(shí)域算法只消除泵噪，不會(huì)影響信號(hào)能量。但是，在實(shí)際工況中，當(dāng)泵沖頻率不穩(wěn)定時(shí)，時(shí)域算法的性能比頻域算法差。因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)開發(fā)多種消噪算法，以應(yīng)對(duì)不同的工況。

圖6 頻域消噪后的功率譜密度

3.5 雙傳感器消噪

雙傳感器消噪的測(cè)試采用的是一段在新疆試驗(yàn)基地采集的純?cè)肼曅盘?hào)，包括靠近泥漿泵和立管處2個(gè)壓力傳感器采集的信號(hào)。雙傳感器消噪使用泵端信號(hào)作為參考信號(hào)，能夠?qū)α⒐苄盘?hào)進(jìn)行自適應(yīng)消除。

由圖8可以看出，大部分的噪聲分量均得到了抑制，而標(biāo)記1所示的分量沒有被抑制，原因是作為參考信號(hào)的泵端信號(hào)在此頻點(diǎn)與作為主信號(hào)的立管信號(hào)之間沒有相關(guān)性。因此，在安裝雙傳感器時(shí)需要注意2個(gè)傳感器的位置關(guān)系，確保2個(gè)傳感器都能采集到需要被消除的噪聲信號(hào)。

圖8 雙傳感器消噪后的立管信號(hào)

3.6 全系統(tǒng)實(shí)鉆測(cè)試

全系統(tǒng)在新疆試驗(yàn)基地進(jìn)行了多次測(cè)試，其中2020年的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 全系統(tǒng)實(shí)鉆測(cè)試結(jié)果

在1 500～3 000 m的井段，對(duì)6 b·s-1、8 b·s-1以及10 b·s-1的傳輸速率進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，解碼正確率除10 b·s-1為98.5%外，其余均在99.0%以上。

3.7 作業(yè)應(yīng)用

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在渤海和山西等地區(qū)進(jìn)行了多次工程應(yīng)用。2021年和2022年累計(jì)作業(yè)60口井，累計(jì)循環(huán)時(shí)間4 440 h，累計(jì)進(jìn)尺59 586 m。系統(tǒng)主要使用比特率和載波頻率分別為3 b·s-1、24 Hz和8 b·s-1、24 Hz的工作模式，且2種工作模式下的解碼正確率均保持在98%以上。

4 結(jié)語

針對(duì)泥漿循環(huán)信道存在傳輸性能惡劣和干擾強(qiáng)的問題，提出以BPSK調(diào)制為基礎(chǔ)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中引入自適應(yīng)均衡跟蹤泥漿循環(huán)信道的頻率選擇性和時(shí)變特性，引入單/雙傳感器消噪技術(shù)消除各種干擾對(duì)通信信號(hào)的影響。在水循環(huán)試驗(yàn)、實(shí)鉆試驗(yàn)及工程應(yīng)用中，該系統(tǒng)傳輸速率達(dá)到10 b·s-1，且傳輸性能穩(wěn)定，解碼正確率均在98%以上。