泥浆脉冲随钻高速率遥传系统设计及应用

张松炜 王智明

（中海油田服务有限公司，北京 101149）

泥浆循环信道存在传输特性差和干扰强的问题，而泥浆信道的传输特性具有频率选择性衰落和时变特点。泥浆信道的干扰源多，如井下钻头切割岩石、地面钻井平台的振动以及泥浆泵影响等[1]。最强干扰主要来自泥浆泵。信道跟踪与均衡和噪声抑制是遥传系统的关键。针对泥浆循环信道的特点，以二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）调制技术为基础，设计泥浆脉冲高速率遥传系统。该系统经水循环测试、实钻测试及工程应用验证，最大传输速率可达到20 b·s-1，稳定作业速率可达到10 b·s-1。

泥浆脉冲随钻高速率遥传系统由井下的遥传发送系统和地面的遥传接收系统构成。井下仪器挂接在仪器总线上，产生的测量数据通过仪器总线输送到通信板，由通信板组帧后进行BPSK调制[2]。已调信号经驱动板控制脉冲发生器产生泥浆脉冲的连续波信号，经钻柱传输到地面。传输的信号帧格式如图1所示。

图1 传输的信号帧格式

信号帧中的C表示Chirp信号，主要用于信道质量评估，同步紧随其后的静默信号；
Q表示静默信号，主要用来初始化双传感器信号增强合并的参数；
P表示伪随机信号，同步测量数据和初始化数据均衡器参数；
D表示井下测量仪器输出的测量数据。测量过程中，P和D周期性发送。

地面遥传接收系统包括信号处理和信号解调两大任务。信号处理的主要任务是对接收的压力信号进行降噪处理。信号解调的主要任务是通信信号的解调、同步以及均衡等。地面接收系统的输入为压力传感器采集的泥浆脉冲压力信号和泵冲传感器采集的泵冲信号。泵冲信号主要用于指导接收系统，以消除泵冲干扰。压力信号经消噪、解调及均衡等步骤处理后，可以还原井下发送的数据。

3.1 试验测试

试验测试主要在中海油服的水循环系统和新疆试验基地完成。水循环测试系统如图2所示。循环管线长度为3 000 m。

图2中的P1和P2是压力传感器。P1靠近泥浆泵，模拟立管信号。P2靠近脉冲发生器，采集脉冲器端的发送信号。测试系统包括测量数据帧同步、载波频偏校正、泵冲干扰消除以及均衡器等关键单元[3-4]。

图2 水循环测试系统

3.2 载波频偏校正

频偏校正单元输出的载波频偏修正信号如图3所示。测试的比特率和载波频率分别为6 b·s-1和18 Hz。

图3 载波频偏修正信号

载波频偏信号为正弦信号。从图3中可以测量出地面本地载波与井下发送载波之间的频率偏差为0.012 Hz，意味着时间约为83 s，载波相位可旋转2π。如果不进行频偏修正，BPSK星座点会随时间不断旋转，导致解码错误。

3.3 帧同步

帧同步单元输出的帧同步信号如图4所示。测试的比特率和载波频率分别为6 b·s-1和24 Hz。

图4 帧同步信号

帧同步信号为归一化的脉冲信号。每一个脉冲定位一个测量数据帧的起始。为了便于对比，图4将直接检测和均衡检测算法输出的帧同步信号相差15 s。从图4可以看出，均衡检测算法的帧同步信号的噪底幅度约为0.3，而直接检测的同步脉冲最小幅值在0.5，因此有足够大的判别区间确保帧同步的可靠检测。由于受信道频率选择性衰落的影响，直接相关算法得到的帧同步脉冲的幅度波动较大，整体偏小。均衡相关算法在底噪不变的情况下，同步脉冲的最小幅度大于0.6[5-6]。因此，与直接检测相比，均衡检测提高了帧同步检测的可靠性。

3.4 单传感器消噪

测试的比特率和载波频率为分别为4 b·s-1和12 Hz，消噪算法结果如图5～图7所示。

图5 单传感器消噪前的功率谱密度

图7 时域消噪后的功率谱密度

图6中有1、2、3共3个标记点。标记点1对应的原始信号的泵噪分量并不明显，频域算法在此频率位置产生了过度衰减，时域算法在此处无此现象；
标记点2对应的原始信号有泵噪分量，频域算法在这个频率位置也产生了过度衰减，时域算法在此处无此现象；
标记点3对应的原始信号的泵噪分量明显，但由于这个分量不是频域算法预设的抑制频点，未被频域算法抑制，而时域算法对此频点抑制效果好。可以看出，频域算法容易造成衰减过度，造成信号能量损失，而时域算法只消除泵噪，不会影响信号能量。但是，在实际工况中，当泵冲频率不稳定时，时域算法的性能比频域算法差。因此，在实际应用中应当开发多种消噪算法，以应对不同的工况。

图6 频域消噪后的功率谱密度

3.5 双传感器消噪

双传感器消噪的测试采用的是一段在新疆试验基地采集的纯噪声信号，包括靠近泥浆泵和立管处2个压力传感器采集的信号。双传感器消噪使用泵端信号作为参考信号，能够对立管信号进行自适应消除。

由图8可以看出，大部分的噪声分量均得到了抑制，而标记1所示的分量没有被抑制，原因是作为参考信号的泵端信号在此频点与作为主信号的立管信号之间没有相关性。因此，在安装双传感器时需要注意2个传感器的位置关系，确保2个传感器都能采集到需要被消除的噪声信号。

图8 双传感器消噪后的立管信号

3.6 全系统实钻测试

全系统在新疆试验基地进行了多次测试，其中2020年的测试结果如表1所示。

表1 全系统实钻测试结果

在1 500～3 000 m的井段，对6 b·s-1、8 b·s-1以及10 b·s-1的传输速率进行测试。测试结果显示，解码正确率除10 b·s-1为98.5%外，其余均在99.0%以上。

3.7 作业应用

目前，该系统已经在渤海和山西等地区进行了多次工程应用。2021年和2022年累计作业60口井，累计循环时间4 440 h，累计进尺59 586 m。系统主要使用比特率和载波频率分别为3 b·s-1、24 Hz和8 b·s-1、24 Hz的工作模式，且2种工作模式下的解码正确率均保持在98%以上。

针对泥浆循环信道存在传输性能恶劣和干扰强的问题，提出以BPSK调制为基础的系统结构。系统结构中引入自适应均衡跟踪泥浆循环信道的频率选择性和时变特性，引入单/双传感器消噪技术消除各种干扰对通信信号的影响。在水循环试验、实钻试验及工程应用中，该系统传输速率达到10 b·s-1，且传输性能稳定，解码正确率均在98%以上。

猜你喜欢载波泥浆信道桥梁桩基处理泥浆固化技术应用建材发展导向(2022年14期)2022-08-19泥浆分离施工技术研究建材发展导向(2021年24期)2021-02-12无人能挡的“泥浆怪物”少儿美术(快乐历史地理)(2019年8期)2019-12-21基于导频的OFDM信道估计技术北京信息科技大学学报(自然科学版)(2016年5期)2016-02-27应急广播系统中副载波的构建与应用西部广播电视(2015年10期)2016-01-18一种改进的基于DFT-MMSE的信道估计方法华东理工大学学报(自然科学版)(2015年4期)2015-12-01基于MED信道选择和虚拟嵌入块的YASS改进算法电子设计工程(2015年8期)2015-02-27低压载波通讯测试仪的开发与应用电测与仪表(2014年15期)2014-04-04一种基于GPU的数字信道化处理方法现代防御技术(2014年6期)2014-02-28基于最优化搜索的迭代载波同步算法华东理工大学学报(自然科学版)(2014年2期)2014-02-27

推荐访问:泥浆 脉冲 速率