CN105041303B - 钻井液随钻数据传输系统的泵冲干扰信号消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了钻井液随钻数据传输系统的泵冲干扰信号消除方法，该方法是通过获取泵冲干扰信号基频，并基于泵冲干扰信号基频，采用自适应傅立叶级数合成的方式合成泵冲干扰信号和对接收的井下数据信号同步，在此基础上从经同步后的接收的井下数据信号中消除合成后的所述泵冲干扰信号。本发明可有效去除泵冲干扰信号，使得钻井液随钻数据传输系统中的地面接收端可准确接收井下有用信号。

Description

钻井液随钻数据传输系统的泵冲干扰信号消除方法

技术领域

本发明涉及随钻测量领域，特别涉及一种钻井液随钻数据传输系统的泵冲干扰信号消除方法。

背景技术

随钻测量(MWD：Measurement While Drilling)是一种能在钻头钻井过程中测量、采集钻头附近测井数据，并将采集数据实时传输到地面系统的技术。测井数据通常包括地层特性信息和各种钻井工程参数。作为目前用于钻井随钻测量中最成熟的信息传输技术之一，钻井液压力信号传输方式的基本工作原理是将井下测得的信息转换成控制信息，并将控制信息作用于井下的钻井液压力信号发生器，使传输信道中的钻井液压力发生变化，从而产生钻井液压力脉动，压力脉动通过传输信道中的钻井液传递到地面，经地面处理系统处理而转换成所需的井下测量信息。

钻井液MWD系统的总体结构如图1所示；其中，泥浆泵驱动钻井液循环，井下发送端将数据以钻井液压力脉冲形式发送到地面，地面通过压力传感器将钻井液的压力变化转换为电信号送入地面接收单元，地面接收单元负责解码出井下发送的数据。

地面接收端常用的信号处理流程如图2所示；其中，钻井液随钻数据传输系统的各种干扰和噪声中，泥浆泵产生的泵冲干扰信号脉冲幅度较强，当其频率成分与井下发送的泥浆波信号混叠时会对有用信号形成较强的干扰，并且难以去除。地面接收端一般在预处理阶段消除泵冲干扰信号，处理后数据解码输出可以准确地解析到井下发上来的数据。

现有的钻井液随钻数据传输系统在消除泵冲干扰信号的工作上做了许多的尝试，例如利用限波器滤除带内泵冲干扰信号频率分量、利用泥浆泵活塞位置传感器及自适应算法合成泵冲干扰信号、利用自适应梳状滤波器消除泵冲干扰信号、以及采用非线性滤波方法消除泵冲干扰信号等。但是这些方法去除泵冲干扰信号的效果均不理想，效果较差。

因此，需要一种有效消除泵冲干扰信号的钻井液随钻数据传输系统的泵冲干扰信号消除方法。随钻测量(MWD：Measurement While Drilling)是一种能在钻头钻井过程中测量、采集钻头附近测井数据，并将采集数据实时传输到地面系统的技术。测井数据通常包括地层特性信息和各种钻井工程参数。作为目前用于钻井随钻测量中最成熟的信息传输技术之一，钻井液压力信号传输方式的基本工作原理是将井下测得的信息转换成控制信息，并将控制信息作用于井下的钻井液压力信号发生器，使传输信道中的钻井液压力发生变化，从而产生钻井液压力脉动，压力脉动通过传输信道中的钻井液传递到地面，经地面处理系统处理而转换成所需的井下测量信息。

钻井液MWD系统的总体结构如图1所示；其中，泥浆泵驱动钻井液循环，井下发送端将数据以钻井液压力脉冲形式发送到地面，地面通过压力传感器将钻井液的压力变化转换为电信号送入地面接收单元，地面接收单元负责解码出井下发送的数据。

地面接收端常用的信号处理流程如图2所示；其中，钻井液随钻数据传输系统的各种干扰和噪声中，泥浆泵产生的泵冲干扰信号脉冲幅度较强，当其频率成分与井下发送的泥浆波信号混叠时会对有用信号形成较强的干扰，并且难以去除。地面接收端一般在预处理阶段消除泵冲干扰信号，处理后数据解码输出可以准确地解析到井下发上来的数据。

现有的钻井液随钻数据传输系统在消除泵冲干扰信号的工作上做了许多的尝试，例如利用限波器滤除带内泵冲干扰信号频率分量、利用泥浆泵活塞位置传感器及自适应算法合成泵冲干扰信号、利用自适应梳状滤波器消除泵冲干扰信号、以及采用非线性滤波方法消除泵冲干扰信号等。但是这些方法去除泵冲干扰信号的效果均不理想，效果较差。

因此，需要一种有效消除泵冲干扰信号的钻井液随钻数据传输系统的泵冲干扰信号消除方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种钻井液随钻数据传输系统的泵冲干扰信号消除方法。

本发明的技术方案为：获取泵冲干扰信号基频，并根据所述泵冲干扰信号基频，采用自适应傅立叶级数的合成方式合成泵冲干扰信号；

将所述泵冲干扰信号基频与接收的井下数据信号同步，并从与所述泵冲干扰信号基频同步后的接收的井下数据信号中，消除所述采用自适应傅立叶级数合成的泵冲干扰信号。

根据一种具体的实施方式，所述泵冲干扰信号基频与接收的井下数据信号同步的方法为，

根据所述泵冲干扰信号基频对应的泵冲干扰信号的周期，对所述接收的井下数据信号进行内插，使与所述泵冲干扰信号基频同步后的接收的井下数据信号的采样频率为所述泵冲干扰信号基频的整数倍。

根据一种具体的实施方式，所述泵冲干扰信号基频与接收的井下数据信号同步的方法为，

根据所述接收的井下数据信号的采样频率和所述泵冲干扰信号基频，计算出变尺寸同步窗的窗口，使所述变尺寸同步窗的窗口内包含整数个泵冲干扰周期。

根据一种具体的实施方式，根据所述泵冲干扰信号基频，采用自适应傅立叶级数合成的方式合成的泵冲干扰信号为，

其中，为合成的泵冲干扰信号，a(k)和b(k)为自适应傅里叶级数的系数，n和k取值均为0，1，…，N-1，其中N为正整数，并且满足N个连续采样点包含整数个泵冲干扰信号的周期。

根据一种具体的实施方式，根据消除所述采用自适应傅立叶级数合成的泵冲干扰信号后的接收的井下数据信号，采用最小均方误差算法或递归最小二乘算法计算出所述自适应傅里叶级数的系数。

根据一种具体的实施方式，所述泵冲干扰信号基频与所述接收的井下数据信号同步时，对所述接收的井下数据信号进行分块处理。

根据一种具体的实施方式，对所述接收的井下数据信号进行分块处理时，使每个数据块包含整数个泵冲干扰周期。

根据一种具体的实施方式，获取所述泵冲干扰信号基频的方法为，

通过泵冲计数器测量泵冲干扰信号的周期或者对所述接收的井下数据信号分析并估计出所述泵冲干扰信号基频。

本发明的有益效果在于：本发明通过获取泵冲干扰基频，并基于泵冲干扰基频，采用自适应傅立叶级数合成的方式合成泵冲干扰信号和对接收的井下数据信号同步采样，在此基础上从经同步采样后的接收的井下数据信号中消除合成后的所述泵冲干扰信号。本发明可有效去除泵冲干扰信号，使得钻井液随钻数据传输系统中的地面接收端可准确接收井下有用信号。

附图说明

图1是钻井液MWD系统的总体结构图；

图2是地面接收端常用的信号处理流程图；

图3是钻井液噪声信号的时域波形图；

图4是钻井液噪声信号的统计分布图；

图5是钻井液噪声信号的自相关函数图；

图6是钻井液噪声信号的功率谱图；

图7是本发明同步自适应泵冲干扰对消方法的基本原理图；

图8是本发明数字采样频率同步结构示意图；

图9是本发明变尺寸同步窗的结构示意图；

图10是地面采集信号波形图；

图11是本发明泵冲干扰消除后的信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

在钻井液MWD系统中钻井液信道的环境十分恶劣，并且由于现场测量条件的影响，安装在立管上的用于检测钻井液压力脉动的压力传感器的输出信号不仅包含井下传来的有用信号，而且含有由于泥浆泵压缩钻井液而引起的大幅度周期性压力波动和其他各种机械作用所引起的压力波动以及随机噪声。其中，对井下传来的有用信号的干扰表现为与泵冲特性相关的周期性脉冲，噪声表现为宽带白噪声且幅度远大于有用信号幅度。造成井口处信号完全淹没在各种噪声中。根据实际测量，采集到如图3所示的钻井液信道噪声信号的时域波形，如图4所示的时域噪声的统计分布，根据对图3和4分析可以得到，钻井液噪声信号在时域的统计分布呈正态分布。如图5所示的钻井液噪声信号的自相关函数，如图6所示的钻井液噪声信号的功率谱，根据对自相关函数和功率谱的分析可以得到，钻井液噪声信号有很强的周期性分量，并且该周期性分量是由于泥浆泵的泵冲造成的周期性干扰。

针对泥浆泵产生的泵冲干扰信号的幅度较强，且具有明显的周期特性。本发明提出了一种钻井液随钻数据传输系统的泵冲干扰信号消除方法。结合图7所示的本发明同步自适应泵冲干扰对消方法的基本原理图；其中，

接收的井下数据信号为s_in(n)，基频测量及估计模块可通过对接收的井下数据信号s_in(n)分析，估计出接收的井下数据信号s_in(n)中的泵冲干扰信号的基频；或者通过泵冲计数器测量泵冲干扰周期，并计算出接收的井下数据信号s_in(n)中的泵冲干扰信号的基频。

获取泵冲干扰信号基频后，将泵冲干扰信号基频分别发送至同步模块和傅里叶级数合成模块。其中，傅里叶级数合成模块根据泵冲干扰信号基频，采用自适应傅立叶级数的合成方式合成泵冲干扰信号。

同步模块将泵冲干扰信号基频与接收的井下数据信号同步，并从与泵冲干扰信号基频同步后的接收的井下数据信号中，消除采用自适应傅立叶级数合成的泵冲干扰信号。

具体的，将与泵冲干扰信号基频同步后的接收的井下数据信号和采用自适应傅立叶级数合成的泵冲干扰信号同时输入波形合成器中，通过对输入采用自适应傅立叶级数合成的泵冲干扰信号的信道中的数据求反，从而从与泵冲干扰信号基频同步后的接收的井下数据信号中，消除采用自适应傅立叶级数合成的泵冲干扰信号。

具体的，接收的井下数据信号为s_in(n)表示为：

s_in(n)＝s_u(n)+w(n)+p(n)

其中，s_u(n)是有用信号，w(n)是非周期的噪声信号，p(n)是周期性的泵冲干扰信号。泵冲干扰信号可以用傅立叶级数表示为：

其中，p(n)为泵冲干扰信号，a(k)和b(k)为自适应傅里叶级数的系数，n和k取值均为0，1，…，N-1，其中N为正整数，并且满足N个连续采样点包含整数个泵冲干扰周期。

采用最小均方误差(LMS)算法来估计a(k)和b(k)，用和表示，从而合成出表示为：

通过将合成的泵冲干扰信号输入至波形合成器中，得到消除泵冲干扰后的信号s_out(n)即为：

计算和的迭代公式为：

其中j为迭代次数，μ是迭代步长因子，并且迭代的初始条件为随机值，和为：

在本发明消除消除采用自适应傅立叶级数合成的泵冲干扰信号后，将消除泵冲干扰后的信号s_out(n)作为误差信号，反馈到自适应算法模块，并由自适应算法模块计算出新的自适应傅里叶级数的系数。

本发明中实现自适应傅立叶级数合成的方法还可以是递归最小二乘(RLS)算法。

结合图8所示的本发明数字采样频率同步结构示意图；其中，接收的井下数据信号s_in(n)和由基频测量及估计模块输出的泵冲干扰信号基频分别输入至数字内插器中，数字内插器根据泵冲干扰信号基频对应的泵冲干扰信号的周期，对接收的井下数据信号s_in(n)进行内插，使与泵冲干扰信号基频同步后的接收的井下数据信号s_in(n)的采样频率为泵冲干扰信号基频的整数倍，并将该同步后的接收的井下数据信号s_in(n)输入至波形合成器中。

当采样周期与泵冲干扰周期相差不大时，则采用采样频率同步的方式来实现同步。本实施例中采用的数字采样频率同步的精度高但运算复杂。

结合图9所示的本发明变尺寸同步窗的结构示意图；其中，接收的井下数据信号s_in(n)和由基频测量及估计模块输出的泵冲干扰信号的基频分别输入至变尺寸同步窗模块中，变尺寸同步窗模块根据接收的井下数据信号s_in(n)的采样频率和基频测量及估计模块输出的泵冲干扰信号基频，计算出变尺寸同步窗的窗口，使变尺寸同步窗的窗口内包含整数个泵冲干扰周期，并将该同步采样后的接收的井下数据信号s_in(n)输入至波形合成器中。

当采样频率远大于泵冲干扰信号基频，则采用同步窗方式来实现同步。本实施例中采用的变尺寸同步窗同步计算简单，运算速度快，但是同步误差比数字采样频率的误差较大。

本发明根据泵冲干扰基频，对接收的井下数据信号s_in(n)同步目的就是对接收的井下数据信号s_in(n)进行变换，使得同步输出信号的连续N个采样点包含整数个泵冲干扰周期，即相当于同步输出信号采样频率为泵冲干扰信号基频的整数倍。

结合图10和图11分别所示的地面采集信号波形图和本发明泵冲干扰消除后的信号波形图；其中，图11中所示的泵冲干扰消除后的信号波形是采用的数字采样频率同步和采用LMS算法为自适应算法为例所得到的结果。因此，本发明可有效去除泵冲干扰信号，使得钻井液随钻数据传输系统中的地面接收端可准确接收井下有用信号。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种钻井液随钻数据传输系统的泵冲干扰信号消除方法，其特征在于，所述方法为，

获取泵冲干扰信号基频，并根据所述泵冲干扰信号基频，采用自适应傅立叶级数的合成方式合成泵冲干扰信号；

将所述泵冲干扰信号基频与接收的井下数据信号同步，并从与所述泵冲干扰信号基频同步后的接收的井下数据信号中，消除所述采用自适应傅立叶级数合成的泵冲干扰信号；

其中，当采样周期与泵冲干扰周期相差不大时，所述泵冲干扰信号基频与接收的井下数据信号同步的方法为，

根据所述泵冲干扰信号基频对应的泵冲干扰信号的周期，对所述接收的井下数据信号进行内插，使与所述泵冲干扰信号基频同步后的接收的井下数据信号的采样频率为所述泵冲干扰信号基频的整数倍；

当采样频率远大于泵冲干扰信号基频时，所述泵冲干扰信号基频与接收的井下数据信号同步的方法为，

根据所述接收的井下数据信号的采样频率和所述泵冲干扰信号基频，计算出变尺寸同步窗的窗口，使所述变尺寸同步窗的窗口内包含整数个泵冲干扰周期。

2.如权利要求1所述的钻井液随钻数据传输系统的泵冲干扰信号消除方法，其特征在于，根据所述泵冲干扰信号基频，采用自适应傅立叶级数合成的方式合成的泵冲干扰信号为，

其中，为合成的泵冲干扰信号，a(k)和b(k)为自适应傅里叶级数的系数，n和k取值均为0，1，…，N-1，其中N为正整数，并且满足N个连续采样点包含整数个泵冲干扰信号的周期。

3.如权利要求2所述的钻井液随钻数据传输系统的泵冲干扰信号消除方法，其特征在于，根据消除所述采用自适应傅立叶级数合成的泵冲干扰信号后的接收的井下数据信号，采用最小均方误差算法或递归最小二乘算法计算出所述自适应傅里叶级数的系数。

4.如权利要求1所述的钻井液随钻数据传输系统的泵冲干扰信号消除方法，其特征在于，所述泵冲干扰信号基频与所述接收的井下数据信号同步时，对所述接收的井下数据信号进行分块处理。

5.如权利要求4所述的钻井液随钻数据传输系统的泵冲干扰信号消除方法，其特征在于，对所述接收的井下数据信号进行分块处理时，使每个数据块包含整数个泵冲干扰周期。

6.如权利要求1所述的钻井液随钻数据传输系统的泵冲干扰信号消除方法，其特征在于，获取所述泵冲干扰信号基频的方法为，

通过泵冲计数器测量泵冲干扰信号的周期或者对所述接收的井下数据信号分析并估计出所述泵冲干扰信号基频。