CN109312619A - 高速遥测信号处理 - Google Patents
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Abstract
一种钻井系统（100）包括传感器（110）、可操作地连接至传感器的编码器（112）和可操作地连接至编码器的压力脉冲发生器（114）。压力脉冲发生器配置成响应于来自编码器的输入产生初级信号。钻井系统还包括初级换能器（122）、参考换能器（124）以及连接至初级换能器和参考换能器的信号处理器（126）。信号处理器包括两级滤波器（128），其配置成从初级换能器处观测的噪声提取初级信号。
Description
技术领域
此发明大体上涉及遥测系统的领域，且更特别地涉及（但不作为限制）结合井眼钻孔操作中使用的声信号发生器使用的信号处理系统。
背景技术
井通常被钻井以用于来自地下储藏的石油流体的生产。在许多情况下，钻头连接至钻柱且由基于表面的钻机旋转。钻井泥浆通过钻柱流通，以在钻头开凿地下岩层时冷却钻头且将钻屑携带到井眼外。
随着钻井技术改进，已实现“钻井时测量”技术，其容许钻井者准确地识别钻柱和钻头的位置以及井眼中的条件。MWD设备通常包括一个或多个传感器，其检测环境条件或位置且将该信息往回传达到表面处的钻井者。可使用携带关于测量条件编码的数据的声信号来将此信息传达到表面。
用于发射这些声信号的系统使用波发生器，该波发生器在钻井泥浆的压力中产生快速变化。压力产生脉冲中的快速变化通过钻井泥浆传送到位于表面处或表面附近的接收器。压力脉冲发生器包括旋转式“泥浆警报器”和阻断泥浆流通过脉冲发生器的线性动作阀的使用。暂时的流中断可用来产生可在表面处记录、解析和解码的压力脉冲的图形。
MWD信号典型地通过位于表面上的直管上的一个或多个换能器接收。MWD信号包含多种频率，且这些信号可与井眼中的其他噪声源重叠。泥浆泵和其他钻井设备可产生噪声，该噪声阻挠提取MWD信号的处理。此外，在MWD穿过井眼和直管时，MWD信号可反射离开管路和设备（诸如泥浆泵）。取决于信号强度、频率和记录换能器的位置，反射信号可部分地或整体地消除初级MWD信号。因此，需要一种用于记录MWD信号的改进的方法和系统，其减轻在现有技术中所经历的缺陷。
发明内容
在各种实施例中，本发明包括钻井系统，该钻井系统包括传感器、可操作地连接至传感器的编码器和可操作地连接至编码器的压力脉冲发生器。压力脉冲发生器配置成响应于来自编码器的输入产生初级信号。钻井系统还包括初级换能器、参考换能器以及连接至初级换能器和参考换能器的信号处理器。信号处理器包括两级滤波器，其配置成从初级换能器处观测的噪声提取初级信号。
在另一实施例中，本发明包括用于在接收和解码由钻井时测量（MWD）工具生成的初级压力脉冲信号中使用的接收器系统。MWD工具可在包括泥浆泵的钻井系统中使用，该泥浆泵是压力脉冲信号噪声源。接收器系统包括初级换能器、参考换能器和信号处理器。初级换能器响应于初级压力脉冲信号和压力脉冲信号噪声的测量产生电信号。参考换能器主要响应于压力脉冲信号噪声的测量产生电信号。
信号处理器包括自适应滤波器和低通滤波器。自适应滤波器从由初级换能器和参考换能器产生的电信号产生第一滤波的电信号。低通滤波器从第一滤波的电信号产生第二滤波的电信号。第二滤波的电信号代表恢复的初级信号。
在另一方面，本发明包括一种用于处理由钻井系统中使用的钻井时测量（MWD）工具生成的初级压力脉冲信号的方法。该方法开始于如下步骤：主要响应于压力脉冲信号噪声的测量产生参考电信号以及响应于初级压力脉冲信号和压力脉冲信号噪声的测量产生初级电信号。该方法继续如下步骤：将自适应滤波器应用于参考电信号和初级电信号以产生第一滤波的电信号。接着，该方法包括如下步骤：将低通滤波器应用于第一滤波的电信号以产生第二滤波的电信号。该方法继续如下步骤：从第二滤波的电信号解码初级电信号。
附图说明
图1是根据本发明的实施例构造的钻井系统的正视图。
图2是本发明的MWD信号处理器的示意图。
图3是描绘处理MWD信号的方法的过程流程图。
具体实施方式
根据本发明的实施例，图1示出井眼102中的钻井系统100。钻井系统100包括钻柱104、钻头106和MWD（钻井时测量）工具108。将了解的是，钻井系统100将包括额外的构件，包括钻机、泥浆泵以及其他基于表面的设施和向下打眼的设备。尽管本发明的实施例结合钻井时测量（MWD）工具108公开，但将了解的是，本发明还将在钻井时记录（LWD）技术中找到效用。因此，对MWD的参考应理解成宽泛地参考涉及来自井眼102的压力脉冲信号遥测的使用的任何应用或技术。
MWD工具108包括一个或多个传感器110、编码器模块112和压力脉冲发生器114。将了解的是，MWD工具108可包括额外的构件，诸如扶正器。传感器110配置成测量钻井系统100上或井眼102中的条件，且产生用于测量的代表信号。例如，此类测量可包括温度、压力、振动、扭矩、倾斜度、磁方向和位置。来自传感器110的信号由编码器模块112编码到输送至压力脉冲发生器114的指令信号中。
加压的钻井泥浆由泥浆泵116通过直管118提供至钻井系统100。直管118和泥浆泵116可位于表面上或钻机的平台以下。基于来自编码器模块112的指令信号，压力脉冲发生器114可控制地调整钻井泥浆流或通过压力脉冲发生器114的其他流体。通过压力脉冲发生器114的流径的尺寸的快速变化提高和降低流过MWD工具108的钻井泥浆的压力。压力的变化产生包括来自传感器110的编码信号的声脉冲。
由压力脉冲发生器114生成的原始信号在本文中被称为“初级”信号。井眼102和直管118内的外来噪声在本文中被称为“噪声”。噪声包括由不同于压力脉冲发生器114的设备生成的压力脉冲、环境产生的脉冲以及来自初级信号的反射。初级信号和噪声在井眼102和直管118中通过钻井泥浆、设备和管路传递。
接收器系统120记录直管内的压力脉冲，且将初级信号与噪声隔离。在示例性实施例中，接收器系统120包括初级换能器122、参考换能器124和信号处理器126。参考换能器124相对紧密地接近于泥浆泵116定位在直管118中。在此位置中，由泥浆泵116产生的噪声支配由参考换能器124记录的压力脉冲。因此，在此位置中，参考换能器124配置成产生电信号，该电信号主要地反映由泥浆泵116产生的噪声和反射离开泥浆泵116的噪声。
初级换能器122在与泥浆泵116和参考换能器124间隔开的距离处定位在直管内。初级换能器122在最大限度地降低反射信号的程度的位置处定位在直管118内。初级换能器122配置成产生电信号，该电信号响应于直管118内初级信号和噪声的测量。
由初级换能器122和参考换能器124产生的信号被提供至信号处理器126。尽管信号处理器126描绘为独立的构件，但将了解的是，信号处理器126可并入与钻井或记录过程一起使用的计算机或计算机网络内。大体上，信号处理器126配置成实时地（带有短暂延迟或没有延迟）从直管118和井眼102中的噪声提取初级信号且将初级信号与该噪声隔离。初级信号与噪声的有效且快速的隔离扩展了从MWD工具108到表面的遥感的带宽，且允许带有增大的频谱密度的初级信号的传递。
转到图2，其中示出的是用来从初级信号和噪声的组合提取初级信号的两级滤波器128的示意图。两级滤波器128作为在信号处理器126内运行的计算机程序并入。在第一级中，将来自初级换能器122和参考换能器124的输出供给到自适应滤波器130中。自适应滤波器130产生第一滤波的电信号。在第二级中，来自自适应滤波器130的输出被提供至低通滤波器132。低通滤波器132产生第二滤波的电信号，其代表恢复的初级信号。恢复的初级信号由低通滤波器132提供至显示器134或其他输出装置，以用于向操作者显示恢复的信号或用于将恢复的信号传送至与钻井处理相关联的自动控制。
在示例性实施例中，自适应滤波器130是最小均方（LMS）自适应滤波器。自适应滤波器具有从大约0.0001到大约0.00001的步长和从大约500到大约10000的滤波长度。这些值选择成提供自适应滤波器130内快速且可靠的收敛。在一些实施例中，自适应滤波器130具有大约0.00003的步长和大约5000的滤波长度。这些设置可响应于收敛或发散结果由操作者调整或由信号处理器126自动地调整。自适应滤波器130使用主要由参考换能器124提供的参考信号来从由初级换能器122提供的信号移除噪声。
由自适应滤波器130提取的信号呈现至低通滤波器132（其中减少高频噪声）。在示例性实施例中，低通滤波器132是有限冲击响应（FIR）滤波器，其配置成仅允许与由MWD工具108生成的初级信号的已知频谱相关联的较低频率的信号通过。在其他实施例中，低通滤波器是汉明窗FIR滤波器或凯泽窗FIR滤波器。低通滤波器132的输出代表恢复的初级信号，其可呈现至解码器模块134。解码器模块134配置成从恢复的初级信号解码数据。将了解的是，为了显示、存储或使用处理过的信号的目的，显示器、控制系统或其他外围设备可连接至信号处理器126。
转到图3，其中示出的是用于减少来自由MWD工具108生成的信号的噪声的方法200的过程流程图。该过程在步骤202和204处开始，步骤202和204可同时或顺次进行。在步骤202处，参考电信号由信号处理器126获得。在示例性实施例中，获得参考电信号的步骤包括将参考换能器124紧密地接近于泥浆泵116定位以及生成参考电信号的步骤，该参考电信号代表由泥浆泵116产生和从泥浆泵116反射的压力脉冲。
在步骤204处，初级电信号由信号处理器126获得。获得初级电信号的步骤204包括将初级换能器122定位在与参考换能器124间隔开的距离处以及生成初级信号，该初级信号代表由初级换能器122测量的压力脉冲。初级换能器122放置在井眼102或直管118内最大限度地减小噪声与由MWD工具108产生的初级信号的比率的位置处。
该过程在步骤206处继续，在步骤206期间自适应滤波器130由信号处理器126应用于初级换能器122和参考换能器124的输出以产生第一滤波的电信号。自适应滤波器130可为最小均方（LMS）自适应滤波器。应用自适应滤波器130的步骤206可包括对于大约5000的滤波长度以大约0.00003的步长应用LMS自适应滤波器。应用自适应滤波器130的步骤206大体上使用参考信号作为用于从由初级换能器122产生的信号移除与泥浆泵116相关联的噪声的基础。
接着，在步骤208处，来自自适应滤波器130的输出传送通过低通滤波器132以产生第二滤波的电信号。低通滤波器132配置成移除与由MWD工具108产生的初级信号不关联的较高频率的信号。低通滤波器132可为有限冲击响应（FIR）低通滤波器。最后，在步骤210处，第二滤波的电信号从两级滤波器128传送至下游处理，在该处所提取的初级信号被解码、显示且用作用于观察由MWD工具108所做的测量的基础。
因此，在示例性实施例中，本发明提供一种用于从井眼102和直管118中呈现的噪声提取由MWD工具108产生的初级编码信号的系统和方法。两级滤波器128与策略上定位的初级换能器122和参考换能器124结合的使用呈现超过现有技术的信号处理系统的显著进步。应理解的是，即使在前面的描述中已连同本发明的各种实施例的结构和功能的细节阐述了本发明的各种实施例的许多特征和优点，此公开内容仅是说明性的，且可在细节上做出改变，特别是在其中表达所附权利要求的用语的宽泛大体意义所最大程度地指示的本发明的原理内关于部件的结构和布置。将由本领域技术人员了解的是，本发明的教导可在不脱离本发明的范围和精神的情况下应用于其他系统。
Claims (20)
1.一种钻井系统，其包括：
传感器；可操作地连接至所述传感器的编码器；可操作地连接至所述编码器的压力脉冲发生器，其中所述压力脉冲发生器配置成响应于来自所述编码器的输入产生初级信号；初级换能器；参考换能器；以及连接至所述初级换能器和所述参考换能器的信号处理器，其中所述信号处理器包括两级滤波器，其配置成从所述初级换能器处观测的噪声提取所述初级信号。
2.根据权利要求1所述的钻井系统，其特征在于，所述钻井系统还包括泥浆泵，且其中所述参考换能器紧密地接近于所述泥浆泵定位。
3.根据权利要求2所述的钻井系统，其特征在于，所述初级换能器定位成与所述参考换能器间隔开的关系。
4.根据权利要求3所述的钻井系统，其特征在于，所述两级滤波器包括：自适应滤波器；以及低通滤波器，其配置成接收来自所述自适应滤波器的输出。
5.根据权利要求4所述的钻井系统，其特征在于，所述自适应滤波器从所述参考换能器接收参考信号。
6.根据权利要求5所述的钻井系统，其特征在于，所述自适应滤波器是最小均方自适应滤波器。
7.根据权利要求6所述的钻井系统，其特征在于，所述自适应滤波器具有大约0.00003的步长和大约5000的滤波长度。
8.根据权利要求4所述的钻井系统，其特征在于，所述低通滤波器从由汉明窗有限冲击响应滤波器和凯泽窗有限冲击响应滤波器组成的组选择。
9.根据权利要求4所述的钻井系统，其特征在于，所述钻井系统还包括解码器模块，其配置成从所述低通滤波器解码所述输出。
10. 一种用于在接收和解码由钻井时测量（MWD）工具生成的初级压力脉冲信号中使用的接收器系统，所述钻井时测量（MWD）工具在包括泥浆泵的钻井系统中使用，所述泥浆泵是压力脉冲信号噪声源，所述接收器系统包括：
初级换能器，其中所述初级换能器响应于所述初级压力脉冲信号和所述压力脉冲信号噪声的测量产生电信号；参考换能器，其中所述参考换能器主要响应于所述压力脉冲信号噪声的测量产生电信号；以及
信号处理器，其中所述信号处理器包括：
自适应滤波器，其中所述自适应滤波器从由所述初级换能器和参考换能器产生的电信号产生第一滤波的电信号；以及低通滤波器，其中所述低通滤波器从所述第一滤波的电信号产生第二滤波的电信号。
11.根据权利要求10所述的接收器系统，其特征在于，所述参考换能器紧密地接近于所述泥浆泵定位。
12.根据权利要求11所述的接收器系统，其特征在于，所述初级换能器定位成与所述参考换能器间隔开的关系。
13.根据权利要求10所述的接收器系统，其特征在于，所述自适应滤波器是最小均方自适应滤波器。
14.根据权利要求13所述的接收器系统，其特征在于，所述自适应滤波器具有从大约0.0001到大约0.00001的步长和从大约500到大约10000的滤波长度。
15.根据权利要求10所述的接收器系统，其特征在于，所述低通滤波器是有限冲击响应滤波器。
16.根据权利要求10所述的接收器系统，其特征在于，所述接收器系统还包括解码器模块，其配置成从所述低通滤波器解码所述第二滤波的电信号。
17.一种用于处理由钻井系统中使用的钻井时测量（MWD）工具生成的初级压力脉冲信号的方法，所述钻井系统包括泥浆泵，所述泥浆泵是压力脉冲信号噪声源，所述方法包括如下步骤：
产生参考电信号，其中所述参考电信号主要响应于所述压力脉冲信号噪声的测量而产生；产生初级电信号，其中所述初级电信号响应于所述初级压力脉冲信号和所述压力脉冲信号噪声的测量而产生；将自适应滤波器应用于所述参考电信号和所述初级电信号以产生第一滤波的电信号；将低通滤波器应用于所述第一滤波的电信号以产生第二滤波的电信号；以及从所述第二滤波的电信号解码所述初级电信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，产生参考电信号的所述步骤还包括将参考换能器紧密地接近于所述泥浆泵定位的步骤。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，应用自适应滤波器的所述步骤还包括应用最小均方自适应滤波器。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，应用最小均方自适应滤波器的步骤还包括对于从大约500到大约10000的滤波长度以从大约0.001到大约0.0001的步长应用最小均方自适应滤波器。
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