CN106089188A - 一种泥浆脉冲信号泵噪声实时去除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥浆脉冲信号泵噪声去除方法，包括以下步骤，步骤1采用转速传感器测量泥浆泵曲轴转速；采用压力传感器检测钻井液压力信号并将其转换成数字信号；步骤2利用测得的泥浆泵曲轴转速计算泵噪声的瞬时基频；步骤3采用瞬时基频与钻井液压力数字信号计算泵噪声谐波的幅值与相位；步骤4采用泵噪声谐波频率、幅值与相位重构泥浆脉冲信号泵噪声，采用钻井液压力数字信号直接减去重构的泵噪声实现泵噪声的实时去除。

Description

一种泥浆脉冲信号泵噪声实时去除方法

技术领域

本发明涉及随钻测量系统领域，适用于泥浆脉冲随钻信号传输系统，能够实时有效去除泥浆脉冲信号中的泵噪声，提高泵噪声去除的鲁棒性。

背景技术

随钻测量系统(Measurement-While-Drilling，简称MWD)是指在钻头附近测得井下信息，不需中断正常钻进操作而将井下信息实时传送到地面上来的系统。所测量的井下信息包括井眼轨迹参数、地质参数及钻井参数等，井下信息的实时传输是提高钻井安全性、可靠性、最大化节省钻井成本的关键因素。

井下数据传输方法主要包括有线电缆法、钻井液脉冲法、声波法、电磁波法及光纤法，每种方法均有其适用范围及局限性，其中钻井液脉冲法应用最为广泛、鲁棒性更好，目前在深井中的应用很难被取代。钻井液脉冲法是通过阻断周期性钻柱中的流体流动，改变钻柱里的钻井液压力，从而形成一定频率、波幅的压力波，将该系列压力波以脉冲的形式传递到地面，并形成电信号以便采集、处理，其主要包括正脉冲、负脉冲和连续波。

噪声对钻井液脉冲信号的影响非常大，合理的检测方式、去噪方法及信号处理方法能够有效提高接收数据的正确性及可靠性。影响钻井液脉冲信号的一部分噪声由井下工具引起，传输方向跟上传脉冲信号方向一致，如钻头与井底的作用、钻柱与井壁的作用、井下涡轮发电机等所产生的钻井液压力噪声；另一部分噪声来源于地面设备，如泥浆泵等，传输方向跟上传脉冲信号方向相反。其中影响最大的是泥浆泵的泵噪声。

钻井的泥浆泵通常采用三缸柱塞泵实现近似恒定流量的控制。根据三缸柱塞泵的原理可知，泥浆泵输出的流量是小范围周期波动的，该流量波动引起的压力波动即为影响钻井液脉冲信号的泵噪声。从现场数据上得知泵噪声已经完全淹没了钻井液脉冲信号，所以在不影响钻井液脉冲信号的条件下，有效地去除泵噪声非常关键。

专利US6741185与CN201210344955.X中通过分析原始信号得到噪声相关参数，采用自适应滤波的方式实现噪声去除，该方法不能在整个泵噪声带宽上实现对泵噪声的去除。US20100314169A1中根据泵的个数计算出接近泵频率的谐波频率，根据该频率去除泵噪声。上述方法在其它噪声强度很大时很难判断出谐波频率点的位置。专利US4642800中采用泵冲计数器估算瞬时频率，然而，这是在假定瞬时频率与单位时间内的泵冲呈线性变化的条件下，这种假设通常存在偏差，而且采集泵冲数的时间间隔太大，不利于高频信号的实时处理。此外，上述噪声去除方法仅在短时采样数据段泵压稳定的情况下可以使用，泵压不稳有可能会导致泵压谐波频率不稳定，而钻井现场泵压不稳定是非常常见的现象，已有泵噪声去除方法难以解决泵谐波频率时变的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种泥浆脉冲信号泵噪声去除方法，该方法通过检测泥浆泵主轴的实时转速，重构泵噪声，然后采用原信号直接减去重构后的泵噪声实现泵噪声的实时去除。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种泥浆脉冲信号泵噪声去除方法，包括以下步骤：

步骤1采用转速传感器测量泥浆泵曲轴转速；利用压力传感器检测钻井液压力信号并将其转换成数字压力信号；

步骤2利用测得的泥浆泵曲轴转速计算泵噪声的瞬时基频；

步骤3采用瞬时基频与钻井液的数字压力信号计算泵噪声谐波的幅值与相位；

步骤4采用泵噪声谐波频率、幅值与相位重构泥浆脉冲信号中的泵噪声，采用钻井液的数字压力信号直接减去重构的泵噪声，实现泵噪声的实时去除。

进一步的，步骤1中所述的转速传感器安装在泥浆泵曲轴上，并采用滤波法实现泥浆泵主轴转速的实时获取。

进一步的，步骤1中所述的转速传感器安装在泥浆泵曲轴上，采用单位时间内平均值法实现泥浆泵曲轴转速的实时获取。

进一步的，在泥浆泵将泥浆池中的钻井液泵入立管后，所述的压力传感器检测立管处的钻井液压力信号。

进一步的，所述的压力传感器实时检测钻井液压力信号，通过地面检测装置中的A/D采集模块将立管压力信号转换为数字压力信号，并经过通信接口传输给计算机。

进一步的，采用转速传感器检测泥浆泵曲轴的实时转速信号，通过地面检测装置中的接收模块将转速信号转换为数字转速信号，并经过通信接口传输给计算机。

进一步的，所述泵噪声的重构采用泵噪声的谐波频率，以及对应的谐波幅值与相位，通过信号叠加的方法实现泵噪声的重构。

进一步的，所述的泵噪声瞬时基频与泥浆泵曲轴的瞬时转速呈正比关系，比例系数恒定不变，泵噪声的谐波频率是瞬时基频的正整数倍。

进一步的，所述的泵噪声的谐波幅值与相位采用数字压力信号的采样频率、数字压力信号以及泵噪声的瞬时谐波频率来计算，采用傅里叶变换，提取泵噪声在谐波频率处的幅值与相位，根据泵噪声的谐波频率及其对应的幅值与相位构建泵噪声的谐波方程。

本发明所述的泥浆脉冲信号泵噪声实时去除方法具有的有益效果是：

1.该发明采用实时转速计算的泵噪声瞬时基频，不要求泵噪声瞬时基频与时间呈线性关系，提高了泵噪声去除的鲁棒性；

2.该发明中转速传感器或位置传感器的转速或位置信号的采集处理时间间隔远小于两个相邻泵冲之间时间间隔，相比以泵冲为参考实现泵噪声的处理方法，该发明更有利于实时数据的分析处理；

3.该发明能够捕捉到泵噪声瞬时频率，所以在泵冲随时间变化相对较快场合下也有很好的适用性。

附图说明

图1为本发明的检测方案图；

图2为本发明中角度传感器在三缸柱塞泵中的布置方式；

图3为本发明的泵噪声检测去除流程图；

图4为实际采集压力波信号；

图5为实际采集压力波信号的幅频图；

图6为采用本发明所提方法处理后信号；

图7为处理后信号的幅频图。

其中：1为计算机，2为地面检测装置，3为转速传感器，4为泥浆泵，5为立管，6为压力传感器，7为钻井液，8为泥浆池，9为回水管汇，10为钻柱，11为钻井液压力波，12为泥浆脉冲发生器，13为环空，14为钻头，15为泥浆泵曲轴，16为泥浆泵柱塞，17为曲轴转速，18为A/D采集模块，19为转速采集模块，20为通信接口I，21为通信接口II，22为数字压力信号，23为曲轴数字转速信号，24为傅里叶变换，25为压力信号的幅频相频特性表，26为滤波，27为泵噪声瞬时基频，28为泵噪声谐波瞬时频率，29为查表法，30为泵噪声谐波的瞬时相位与强度，31为信号叠加，32为重构后泵噪声，33为去除后泵噪声。

具体实施方式

如图1所示，泥浆泵4将泥浆池8中的钻井液7泵入立管5中，钻井液7经立管5流入钻柱10中，并经过井底钻头14进入井筒环空13，然后携带岩屑流至地面，并经回水管汇9返回泥浆池8。

在钻柱10底部，钻头14的上方，安装有钻井液脉冲发生器12，用于传输井下随钻测量信息。将井下信息编码，并通过泥浆脉冲发生器12调制，泥浆脉冲发生器12按一定的编码调制规则周期性阻断钻柱10中钻井液7的流动，改变钻柱10中的钻井液7压力，从而形成一定频率、波幅的压力波信号11，该压力波信号11携带井下信息，沿着钻柱10内钻井液7向上传播，传输至地面。

为了实现井下信息的还原，在立管5上安装压力传感器6可将该压力波信号11转换为数字压力信号。该压力波信号受泵噪声的干扰很大，必须采用有效的方法去除泵噪声。

如图2所示，在地面检测装置中，首先采用立管5上压力传感器6检测钻井液的压力波信号11，并通过地面检测装置2中的A/D采集模块18将立管压力信号11转换为数字压力信号，并经过通信接口I20传输给计算机1中的通信接口II21。采用转速传感器3检测泥浆泵4的曲轴15的实时转速信号17，通过地面检测装置2中的接收模块20将转速信号17转换为数字转速信号23，并经过通信接口20传输给计算机1中的通信接口21。

在计算机1中，通信接口21实时同步接收来源于地面检测装置的转速信号17和压力波信号11，得到数字压力信号22和数字转速信号23。对数字压力信号22采用离散傅里叶变换法24求解数字压力信号23的幅频相频特性表25，幅频相频特性表是表达压力波信号11在所有频点下的幅值与相位。对数字转速信号23采用卡尔曼滤波法或均值滤波法26处理，并根据泥浆泵4曲轴15的实时转速17与泵冲频率之间的关系计算得到泵噪声瞬时基频27，然后根据泵噪声瞬时基频27求解高次谐波瞬时频率28。然后采用查表法29得到所有谐波下泵噪声的瞬时强度与瞬时相位30，进而采用信号叠加原理31得到重构泵噪声32。最后，数字压力信号22减去重构泵噪声32，得到泵噪声去除后信号33，从而实现泵噪声的去除。

如图3所示，为检测泥浆泵4曲轴15的实时转速17，在泥浆泵4处设置一个转速传感器3。转速信号与压力波信号通过地面检测装置2同步采集，并同步传入计算机1中，通过曲轴8的实时转速17重构泵噪声32，进而实现泵噪声的实时去除。

对于泵噪声瞬时基频27的求解，因很短时间Δt内，曲轴15的实时转速17(ω，单位，r/min)几乎不变，曲轴15每转一圈泥浆泵4的三个柱塞16各往复一次，产生3个泵冲。因此，泵冲基频可以表示为

f₁＝ω/20 (1)

假设泵噪声信号32可以采用曲轴15的转速来构建，设为P_N(ω)，并设该Δt时间内的压力信号22为x，则去除泵噪声后信号33可以表示为

$\tilde{x}=x-P_N\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(2\right)$

根据泥浆泵4的流量特性可知，其输出的流量可以表示为

$Q\left(t\right)=\frac{a_0}{2}+\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{a}_{n}cos\left(2{\mathrm{n\πf}}_{1}t\right)+\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{b}_{n}sin\left(2{\mathrm{n\πf}}_{1}t\right)---\left(3\right)$

根据流量-压力特性可知，泥浆泵4产生的压力波动的谐波频率为泵冲频率的正整数倍，即f_M＝Mf₁，该泵压力波动即为泵噪声，M为泵噪声的谐波阶数。

关于泵噪声的叠加重构31，设地面压力波信号的采样频率为f，信号x(n)中的泵噪声P_N(n,ω)可以离散为

$P_N(n,\mathrm{\ω})=\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{a}_{m}cos(0.1\mathrm{\π}m\mathrm{\ω}n/f+{\mathrm{\θ}}_m)---\left(4\right)$

式中：M为泵噪声谐波次数；a_m为谐波幅值，MPa；θ_m为对应谐波相位。

采用快速傅里叶变换24实现频率、幅值及其瞬时相位的求解，进而构建泵噪声的幅频相频特性表25，泵噪声信号的傅里叶变换24可表示为

$X\left(m\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(n\right){\mathrm{\ω}}_N^{nm}---\left(5\right)$

式中，m∈[0,N]为信号的谐波次数，ω_N＝e^-2πj/N。

泵噪声谐波信号的幅值可以表示为

a_m＝2||X(m)||/N (6)

泵噪声谐波信号的相位可以表示为

θ_m＝Atan2(Im[X(m)],Re[X(m)]) (7)

因此，泵噪声的去除可以根据式(2)实现，泵噪声去除后信号33可以描述为

$\tilde{x}\left(n\right)=x\left(n\right)-P_N(n,\mathrm{\ω})---\left(8\right)$

如图4所示，现场采集的钻井液脉冲信号完全被噪声信号淹没，频谱图如图5所示，其中泵噪声影响较为严重，且泵噪声的谐波频率均匀分布在频域区间内。采用本发明所提方法对实现泵噪声的去除，去除后信号如图6所示，信号频谱图如图7所示，可以看出信号的强度增强，信噪比增大，去除噪声后的信号特征也非常明显。因此，采用本发明所提方法能够实现泵噪声的有效去除。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种泥浆脉冲信号泵噪声实时去除方法，包括以下步骤，其特征在于，

步骤1采用转速传感器实时测量泥浆泵曲轴转速；采用压力传感器实时检测钻井液压力信号并将其转换成数字压力信号；

步骤2利用测得的泥浆泵曲轴转速计算泵噪声的瞬时基频；

步骤3采用瞬时基频与钻井液数字压力信号计算泵噪声谐波的幅值与相位；

步骤4采用泵噪声谐波频率、幅值与相位重构泥浆脉冲信号泵噪声，采用钻井液数字压力信号直接减去重构的泵噪声实现泵噪声的实时去除。

2.如权利要求1所述的泥浆脉冲信号泵噪声实时去除方法，其特征在于，步骤1中所述的转速传感器安装在泥浆泵曲轴上，并采用滤波法实现泥浆泵曲轴转速的实时获取。

3.如权利要求1所述的泥浆脉冲信号泵噪声实时去除方法，其特征在于，步骤1中所述的转速传感器安装在泥浆泵曲轴上，采用单位时间内平均值法实现泥浆泵转速的实时获取。

4.如权利要求1所述的泥浆脉冲信号泵噪声实时去除方法，其特征在于，在泥浆泵将泥浆池中的钻井液泵入立管后，所述的压力传感器检测立管处的钻井液压力信号。

5.如权利要求1所述的泥浆脉冲信号泵噪声实时去除方法，其特征在于，所述的压力传感器实时检测钻井液压力信号，通过地面检测装置中的A/D采集模块将立管压力信号转换为数字压力信号，并经过通信接口传输给计算机。

6.如权利要求1所述的泥浆脉冲信号泵噪声实时去除方法，其特征在于，采用转速传感器检测泥浆泵曲轴的实时转速信号，通过地面检测装置中的接收模块将转速信号转换为数字信号，并经过通信接口传输给计算机。

7.如权利要求1所述的泥浆脉冲信号泵噪声实时去除方法，其特征在于，所述泵噪声的重构采用泵噪声的谐波频率，以及对应的谐波幅值与相位，通过信号叠加的方法实现泵噪声的重构。

8.如权利要求1所述的泥浆脉冲信号泵噪声实时去除方法，其特征在于，所述的泵噪声瞬时基频与泥浆泵曲轴的瞬时转速呈正比关系，比例系数恒定不变，泵噪声的谐波频率是瞬时基频的正整数倍。

9.如权利要求1所述的泥浆脉冲信号泵噪声实时去除方法，其特征在于，所述的泵噪声的谐波幅值与相位采用数字压力信号的采样频率、数字压力信号以及泵噪声的瞬时谐波频率来计算，采用傅里叶变换，提取泵噪声在谐波频率处的幅值与相位，根据泵噪声的谐波频率及其对应的幅值与相位构建泵噪声的谐波方程。