CN85108732A - 井孔内两地间通讯的方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在钻井时，表示井下状态的数据从井底到地面的传输。在一些现有技术的建议中，有的利用钻井流体中的压强脉冲传送信息，它是通过钻具组内慢动作阀门来完成的，在地面检测由该阀门产生的泥浆压强的缓慢的增加和减小，这种测量不够精确。本发明能产生并检测由预定时间间隔分开的泥浆压强脉冲，获得了井下状态测量的改进。用这种测量来获得诸如钻压、井孔的倾斜和方位、井底的压强，温度和放射性等信息。

Description

本发明涉及的是用于钻井过程中从井底向地面传送数据的几种数据传送系统。

在石油工业中很早以前人们就认识到，在钻井过程中从井下获得数据会为钻井操作人员提供有意义的宝贵信息。诸如钻头上的实际荷重、钻孔的倾角和方位、刀具表面状况、液体压强、井底温度、以及钻头周围物质或钻头遇到的物质的放射性等信息都需要表示成对钻井操作人员有意义的量值。现有技术中曾经有过若干建议，在钻井过程中测量这些量值并把它们传送到地面。为此，曾经提出过各种传输方法。关于这些现有技术的描述可参阅下列专利。这些专利是：颁发给J.J.Arps的美国专利2，787，795号，颁发给H.D.Hampton的美国专利2，887，298号，颁发给J.H.West    Lake等人的美国专利4，078，620号，颁发给A.E.Lamel等人的美国专利4，001，773号，颁发给Marvin    Gearhart等人的美国专利3，964，556号，颁发给J.D.Jeter的美国专利3，983，948号，颁发给M.K.Russell的美国专利3，791，043号。上述所有专利均作为参考资料融入本说明之中。

就其实用性而言，在这些现有技术的建议中或许最有前途的是利用钻井流体的压力脉冲传递信息。在现有技术中曾经有人提出过各种方法来产生这类泥浆脉冲;或者在泥浆流中的适当位置上放置限制泥浆流的阀门，由它控制对泥浆流环路的约束从而产生脉冲，或者利用钻具组内 部（高压一侧）与钻具组周围的环形空间（低压一侧）之间放置的分路阀门来实现。

在现有技术中曾经有人建议利用阀门产生泥浆脉冲，这些阀门或者用于限制钻具组内部的泥浆流或者分流一部分泥浆使之进入钻具组周围的环形空间中的低压区。这类阀门都必须是慢速阀门，因为当把它用于钻具组内部时必须去控制非常大量的泥浆，而当用于控制一个分路时，由于很高的压强差，也必须是一个慢速的机动阀门。例如，把这样的机动阀门放在钻具组内部与环形空间之间，根据地下的测量结果使泥浆压强缓慢地增大或减小。然后，再在地向上检测出泥浆压强的这种升降变化。

为了更充分地理解现有技术中所采用的方法与本说明书中所描述的方法之间相应的差别，先要明确地区分有关井下信息向地面传送和利用于这种传送钻井流体压强变化的两种工作方式。这两种工作方式是：如图1A和图1B所示的“压强缓慢变化方式”和图2A及图2B描述的“流体冲击波方式”。在以下段落中对这两种方式都做了较详细的描述。

现在让我们具体地分析图1A。图1A中横坐标代表时间t，纵坐标代表阀门开启度R，

R= (S(t))/(S_O) （1）

这里S₀是开启的总面积，S（t）是阀门开启或关闭过程中t时刻开启的面积。这样，当R＝0时阀门是关闭了的，而当R＝1时阀门是完全打开的。在阀门运转过程中涉及到的几个时刻是：

t^（v） _a＝OA₁，是阀门开始打开的时刻;

t^（v） _b＝OB₁，是阀门完全打开的时刻;

t^（v） _c＝OC₁，是阀门开始关闭的时刻;

t^（v） _d＝OD₁，是阀门完全关闭的时刻;

时间间隔

T^（v） _a＝t^（v） _b-t^（v） _a＝t^（v） _d-t^（v） _c（2）

把T^（v） _a称作“阀门开启或关闭时间”。时间间隔

T^（v） _b＝t^（v） _c-t^（v） _b（3）

把T^（v） _b称作“开流时间”。这样，阀门的总开动时间就是

T^（v） _t＝2T^（v） _a+T^（v） _b（4）

在前述的各种试验方法中，有一种取T^（v） _a＝1秒，

T^（v） _b＝2秒，于是阀门的总开动时间就是T^（v） _t＝4秒。阀门的这种相对比较缓慢的开启与关闭在地面上就产生出相应的泥浆压强的缓慢减小与增加（见图1B）。

可以看到，泥浆压强从它的正常值例如1000磅/英寸²（当阀门关闭时）下降到它的最低值750磅/英寸²（当阀门打开时）。这些观测到的压强变化所涉及的各个时刻是：

t^（s） _1a＝OE₁，是泥浆压强从其正常值1000磅/英寸²开始下降的时刻;

t^（s） _1b＝OF₁，是泥浆压强达到其最低值750磅/英寸²的时刻，之后将维持在这一水平，直到t^（s） _1c＝OG₁;

t^（s） _1c＝OG₁，是泥浆压强开始回升的时刻;

t^（s） _1d＝OH₁，是泥浆压强达到正常水平1000磅/英寸²的时刻。

这样，在时间区间T^（s） ₁＝t^（s） _1b-t^（s） _1a，压强下降，而在时间区间T^（s） ₂＝t^（s） _1c-t^（s） _1b，压强保持常数，然后，在时间区间T^（s） ₃＝t^（s） _1d-t^（s） _1c，压强从它的低值上升到正常水平。于是，对于阀门的一次动作，泥浆流通过分路阀门的总时间是

T^（s） _t＝T^（s） ₁+T^（s） ₂+T^（s） ₃（5）

我在图1A中将各个量标出上标“v”（如t^（v） _a，t^（v） _b，t^（v） _c，t^（v） _d，T^（v） _a，T^（v） _b，和T^（v） _t），用以表明这些量与地面下的阀门的运转有关。另一方面，图1B中的各量（t^（s） _1a，t^（s） _1b，t^（s） _1c，t^（s） _1d，T^（s） ₁，T^（s） ₂，T^（s） ₃，和T^（s） _t）有上标“s”，表明这些量与地面上的测量有关。将带有上标“v”的是与带有上标“s”的量加以区分对于充分理解我的发明的一些新特点有重要意义。它的重要意义在于它联系到区分原因与效果，或者说联系到区分井下阀门附近发生的现象与地面上检测器处的现象。

先前提议的方法的一个主要特征是以下列关系为基础：

T^（s） ₁＝T^（v） _a（6）

T^（s） ₂＝T^（v） _b（7）

T^（s） ₃＝T^（v） _a（8）

这些关系表明，在地面上的压强减小或增大时段与阀门开启与关闭的相应时段相同，而压强基本上保持常数（在低压强水平上）的时段与阀门完全开启的时段相同。换句话说，在地面上泥浆压强的减小及随后的增加与阀门的打开与关闭过程精确地对应。在本说明中，将把关系式（6）、（7）和（8）所表示的条件称作与“压强缓慢变化方式”相关联的条件。

现有技术中所建议的压强缓慢变化方式不适于在钻井作业过程中遥测井下参数，特别是要测量几个井下参数时更不适用。当第一个参数被测量、编码、传送到地面、再解码等过程均完成之时，井孔可能已经加深了，因而第二个参数就可能再也测不到了。为将测量数据转换成适于检测和记录的形式，需要比较长的时间间隔。全部测井过程较长因而费时间。再有，诸如泥浆泵引起的振动和各种钻井作业中伴随的噪声等多种干扰因素更增加了困难。人们确信，现有技术中所建议的慢动作机动阀门不适合于当今的产业需要。

通过提供一种以“流体冲击波方式”运行的遥测系统（图2A和2B）以区别于压强缓慢变化方式（图1A和图1B），从而实现了本发明的一些目标。我的发明是根据观测事实作出的，即当逐渐增加阀门运转速度时便实现了区分这两种工作方式的一个过渡。这一过渡已被定量地确定了。根据本发明，流体冲击波是由一个非常快速动作的（实际使用时几乎是瞬时动作的）置于钻具内部和钻具组周围环状空间之间的分流阀门产生的。当分流阀门突然打开时，在阀门附近的压强几乎是瞬时地下降并随即恢复正常，于是产生一个尖锐的负脉冲;反过来，当分路阀门突然关闭时，则产生一个尖锐的正脉冲。在产生和传递这类冲击波时借助了泥浆体的弹性。这种现象类似于以前在流体传动系统中遇到的有名的水锤效应，可参阅John    Parmakian的《水锤分析》一书，Prentice出版社，纽约，1955，或者V.L.Streeter和E.B.Wylie合写的《流体瞬变过程》，Mc    Graw-Hill印书公司，纽约）。本发明的另一个目的是用一串子波来表示井下信息，每个子波由极性相反的两个可区分的脉冲组成。“负”脉冲表示分路阀门的开启，而“正”脉冲表示分路阀门的关闭。

关于我的发明诸如流体冲击波的产生与检测这样的一些重要的技术特征，均在图2A及图2B中示意性地作了说明。图2A中表示出一个快速动作的产生冲击波的阀门的开启和关闭，而图2B表示出地面上检测出的压强变化，它是图2A所示阀门运转的结果。图2A中的符号（如A₁，B₁，C₁，D₁，t^（v） _a，t^（v） _b，t^（v） _c，t^（v） _d，T^（v） _a，T^（v） _b和T^（v） _t）均与图1A中的相应符号有类似的意义。然而，为了便于描述和清楚地加以解释，图1A，1B，2A和2B中的时间尺度已作了相当大的变动。

在考察图2A时，应该注意的第一件事是本发明中的阀门打开与关闭的时间比由图1A说明的用机动阀门得到的相应时间短几个数量级。←在以前建议过的结构（如图1A所示）中，T^（v） _a＝1秒，而根据本发明，如图2所示，T^（v） _a＝5毫秒。对于阀门保持开启状态的时间间隔长度也有类似情况。在以前建议过的结构（如图1A所示）中T^（v） _b＝2秒，而在图2A中有T^（v） _b＝100毫秒。于是在所有实际使用时，图2A中的阀门开启与关闭可以认为是瞬时的或几乎是瞬时的。

阀门迅速地或者说几乎是瞬时地开启与关闭对于一个钻井过程中的遥测系统的性能有重要的和深远的影响。根据本发明在地面上检测出的压强变化（图2B）与使用慢动作阀门（图1B）得到的压强变化无任何相似之处。我曾经指出过存在有关系式（6）、（7）和（8），它们给出图1A和图1B所示事件之间的关系。而在图2A和图2B所示事件之间不存在其类似的关系。

如图1A和图1B所示，阀门开启会使地面上泥浆压强产生相应的减小;反过来，阀门的关闭会产生压强的相应增加。

为了强调，我想重复一下，在现有技术中阀门开启产生一个事件，即压强的减小，而随后阀门的关闭产生另一个事件-压强的增大。另一方面，在我的发明中，图2A所示的阀门快速开启产生两个事件：压强的迅速减小及随后的增加（如图2B中的负脉冲“M”）。这与图1A和图1B的情况正相反。在图1A和图1B的情况中需要阀门打开及随后闭合才能产生一次压强的减小及随后的增加。再有，图2A所示的阀门快速闭合产生泥浆压强的增大及随后的减小（如图2B中的正脉冲“N”）。在现有技术所提出的结构里不发生这种压强增大再随之减小。在我的发明中阀门的一次动作产生二个冲击波。在图2B中所示的一个波形中包含一个负脉冲和一个正脉冲，在本说明中将把这个波形称作“阀门子波（Valve Wavelet）”。与阀门子波相联系的压强脉冲的上升速率可达几千磅/英寸²/秒，但持续时间很短。

指出与所观测的阀门子波相关联的各种现象的快速性是很有意义的。图2B中涉及的时刻是

t^（s） ₁＝OK，是负脉冲“M”出现的时刻;

t^（s） ₂＝OL，是负脉冲“M”消失的时刻;

t^（s） ₃＝OM，是正脉冲“N”出现的时刻;

t^（s） ₄＝ON，是正脉冲“N”消失的时刻。

表示负脉冲“M”（或正脉冲“N”）的“宽度”的时间间隔T^（s） _n为100毫秒，而从负脉冲“M”出现到正脉冲“N”出现之间的时间间隔T^（s） _m为110毫秒。于是，图2B所示流程的全周期，即

T^（s） _u＝T^（s） _n+T^（s） _m（9）

为210毫秒，而图1B所示流程的总周期（见方程5）为

T^（s） _t＝4秒。

图1A，1B，2A和2B各图已经过简化和理想化，去掉了波动及其他外部效应。还需要说明的是（见图2B）在t^（s） ₁到t^（s） ₄这段时间内分路阀门至少是部分开启的。在这一时间段内有一个缓慢的压强下降，这种下降是由适当的滤波器在检测点处予以消除的。在图2B中未示出这一压强下降。

还应该指出，图2A和2B中所附的数值仅用作举例。不应把这些数值看成是把我的发明限定在任何给定的具体实例上。

把由图2A和2B解释的过程称作为“流体冲击波方式”相关联的过程。这样就把图2A和2B所示的流体冲击波方式与图1A和1B所示的压强缓慢变化方式区分开来。

由于提出了流体冲击波方式，我得到了一种遥测系统，用它能在单位时间内传送大量的信息。同基于压强缓慢变化方式的系统相比，这样的系统更加适合于满足当今大规模生产上的要求。

根据我的发明，阀门由一个或多个传感器的输出来控制，而这些传感器用于感知地面下钻头附近的一个或几个井下参数。每个参数的一次侧量值由一串阀门子波来表示。每个阀门子波相应于阀门的单次开启及关闭。

当这串阀门子波（它代表有用信号）在地面上被检测到时通常混有各种干扰信号，例如由泵机的运行以及其他钻井作业所产生的干扰信号。在一个典型的钻井配置中，有一台放在地面的大泵，用于将钻井过程中的井下泥浆抽上来，泥浆沿钻杆向下穿过钻头再经钻管与井腔之间的环形空间返回地面。在本发明中利用泵机效应的周期性进行处理，来消除这些干扰效应。与钻井作业有关的其他干扰效应通常表现为含有较宽频谱的噪声信号。这种噪声信号在某些情况下是白噪声，而在另一些情况下与白噪声有相当大差异。为消除这种噪声信号，采用了数字滤波系统，这可以是一个匹配的滤波器，或者脉冲成形滤波器，或者是尖峰滤波器。匹配滤波器在接收点使信噪比达到极大，脉冲成形滤波器使所希望的输出与实际输出间的均方差异达到极小，而尖峰滤波器对有用信号进行变换，把它压缩成足够尖锐的信号，从而与背景噪声区分开。采用了一种特殊的技术使这些滤波器适用于本发明的目的。这种技术要求存贮并随之再生两个参考信号。第一个参考信号是由阀门开启和关闭产生的一个子波，第二个参考信号代表由于钻井作业产生的噪声。第一个参考信号是在去掉钻头荷重并停止实际钻井作业（但保持泥浆泵机正常运行）的情况下检测到并存贮起来的。这样便得到了一个没有环境噪声的信号。第二个参考信号是在钻井过程中阀门处于关闭状态的时间段内检测到并存贮起来的。利用适当配置的数字计算系统来接收代表这些参考信号的数据并由这些数据导出用于匹配滤波器、脉冲成形滤波器、或者尖峰滤波器的记忆函数。

我的发明所具有的新颖性特征将在所附权利要求中详细列出。至于本发明的结构和运行方式及其由此引出的更多的目的和优点，会通过具体实例结合附图给予最充分的说明。

图1A，1B，2A和2B部分地与本说明的技术领域及其现有技术有关。图1A，1B;2A，2B以及其余附图与本说明书中的发明概述和几个最佳实施方案的描述有关。

图1A给出了现有技术中的慢动作阀门运行示意图。图1B给出了由图1A所示的阀门运行产生的并在地面上检测到的压强变化示意图。图1A和图1B所描述的状况在本说明书中称作“压强缓慢变化方式”。

图2A给出了本发明的快动作阀门运行示意图。

图2B给出了由图2A所示的阀门运行产生的并在地面上检测到的压强变化示意图。图2A和图2B所描述的状况在本说明书中称作“流体冲击波方式”。

图3是根据本发明的一些方面装备起来的用于同时钻井和测量的钻井系统的一般性示意图。

图4A给出了地下设备的部分示意图，其中包括根据本发明的特殊遥测器具。

图4B给出了图4A中配置的部分示意图。

图5A给出了图4A中虚线所示方框内的电子处理部件的更详细的示意图。

图6A到6E表示地面侧出的压强变化，分别对应于T^（v） _a（阀门打开或关闭时间）和T^（v） _b（开流时间）的不同值。这些图中的曲线给出为了得到流体冲击方式的最佳状态我曾完成的某些试验的结果。图6A到图6E可以更具体地说明如下：

图6A相应于T^（v） _a＝1秒，T^（v） _b＝2秒。

图6B相应于T^（v） _a＝200毫秒，T^（v） _b＝1秒。

图6C相应于T^（v） _a＝60毫秒，T^（v） _b＝0.5秒。

图6D相应于T^（v） _a＝20毫秒，T^（v） _b＝0.25。

图6E相应于T^（v） _a＝5毫秒，T^（v） _b＝10^-1秒。

图6F给出的曲线精确地再现了在德克萨斯东部钻孔的一口实际油井在地面接收的9，800英尺深处一个阀门子波的压强信号。

图7是与本发明中的井下压强脉冲信号装置连用的典型的地上设备简图。设备中包含一个用于消除白噪声类随机噪声的匹配滤波器。

图8A到8G给出一些波形和脉冲随时间变化曲线，用于帮助解释图7中设备的运行过程。图8A至图8C的时间轴及图8D到图8G的时间轴是逐个自上而下对齐排列的，以便于比较这些信号和波形的时间 关系。图8A到图8G可以更具体地说明如下：

图8A包含三个曲线图，表示出在钻孔顶端检测到的信号的三个分量。它们分种代表：一个载有信息的信号，泵机噪声（或者当串联使用几个泵机时来自这组泵机的噪声），以及随机噪声。

图8B包含三个曲线图，分别代表延迟的载有信息的信号、延迟的泵机噪声和延迟的随机噪声。延迟时间为T_p，代表泵机的运转周期。（当使用几个泵机时，压强变化虽不是正弦形的，但仍然是周期性的，因为把串联泵机维持在比较接近于“同相位”状态）。

图8C包含二个曲线图，分别代表图8A和图8B中相应曲线的差值。其中之一代表随机噪声，另一个代表载有信息的信号。

图8D给出的函数表示本发明的实施方案中的数字滤波器或互相关器的输出。这个函数实质上与图8C中代表载有信息的信号的函数相似。这里所用的数字滤波器可以是一个匹配滤波器、脉冲成形滤波器或者尖峰滤波器。

图8E所示函数与图8D中的函数相似，但有一个适当的时间延迟。

图8F所示函数与图8E的函数相同，但在时间上是反相的。

图8G的结果来自图8D和图8F两图的比较，表示出这些图中同时发生的各脉冲所对应的时刻。

图9给出一个数字滤波器完成的某些操作的简图。

图10给出用于存贮载有信息信号或存贮噪声信号的系统配置简图。

图11是包含一个消除噪声用的相关器的部分地面设备示意图。

图12是一个包含消除非白噪声类噪声的匹配滤波器的部分地面设备示意图。

图13是包含一个脉冲成形滤波器的部分地面设备示意图。

图14是由脉冲成形滤波器完成的某些操作的示意图。

图15是包含一个尖峰滤波器的部分地面设备示意图，这里的尖峰滤波器用于将一个双子波变换成相应的一对尖脉冲。

图16A至图16F给出了由图15的系统配置所产生的一对尖脉冲的可供选择的六种尖峰延迟。

图17是包含一个尖峰滤波器的部分地面设备示意图，这里的尖峰滤波器用于将一个单阀门子波变换成相应的单个尖脉冲。

图18A至图18F给出为得到图17的系统配置所产生的单个尖脉冲可供选择的六种尖峰延迟。

图19A至图19C表示对应于不同时间延迟的尖峰滤波器的某些操作。更具体地说，图19A相应于在时刻O处出现所需的尖脉冲;图19B相应于在时刻1处出现所需的尖脉冲;图19C相应于在时刻2处出现所需的尖脉冲。

图20是用于确定一个尖峰滤波器的性能参数P的配置示意图。

图21表示对于一个固定持续时间的滤波器，其性能参数P如何随尖峰延迟的变化而变化的曲线图。

图22表示对于一个尖峰滤波器，当尖峰延迟时间固定时其性能参数P如何随滤波器长度（或记忆函数持续时间）而变化的曲线图。

图23包含有表示尖峰滤波器的性能参数P如何随着滤波器长度和滤波器时间延迟的变化而变化的若干曲线。

图31是在地面上的流体循环系统中产生压强信号的一种设备和方法的图示说明。

图32是在地面上产生信号的另一种设备和方法，用于在井孔中向下传送钻具组，并且在井孔中没有任何钻井流体从循环系统中泄漏出去。

图33是用于在钻井系统中产生压强信号的另一种设备配置，其中采用了一个由马达驱动的泵机。

图34示意性地绘出了与图4A相似的几部分地下设备，但其中的信号检测设备与回路不同于图4A。

图35A给出的曲线代表由图31和图32所示的设备等引入循环系统中的压强变化曲线图，表示出本发明的一种最佳的信号系统。

图35B所示曲线与图35A相同，但所示的是由图33给出的设备产生的典型信号。

图36是用于旋转式钻井系统中当钻头喷嘴阻塞时用来恢复钻井流体循环的设备图解。

应当说明的是，在上述附图中有些附图的相似元素采用了相同的参考序号。因而，以下将不再重复描述这些元素及其功能，因为就解释那些实施方案而言这种赘述并无必要。

下面描述几个最佳实施方案

Ⅰ.钻孔时传送数据设备的一般描述

图3给出具体实现本发明原理的一个系统的典型配置。数字20表示一个标准的石油油井钻机架，带有转盘21、凯氏方钻杆22、软管23、竖管24、钻管25、以及钻杆套筒26。泥浆泵（或泥浆泵组）27与泥浆槽28以通常方式联接并向竖管压入钻孔泥浆。高压泥浆通过钻管25和标准钻杆套筒26泵入钻具组，然后通过特殊的遥测器具50到达钻头31。钻头31带有用33表示的通常的钻孔喷射装置。套筒26和遥测器具50的直径均画得较大，与钻管25的直径不成比例，为的是更清楚地说明它们的机械结构。钻孔泥浆通过钻具组沿箭头所示方向向下流动，然后通过钻管和井腔壁之间的环形空间向上流动。泥浆到达地面后，又通过管道（图中未画出）送回泥浆槽，在泥浆槽中使切碎的石块及井中的其他碎屑沉淀下来。在泥浆重新由泥浆泵吸出和循环之前，泥浆还要进一步过滤。

在钻头33和套筒26之间放置了特殊的遥测发送部件，或者说遥测器具，用数字50表示。这个特殊的遥测发送部件50包括一个机盒250，它装有一组阀门或只是简单的一个阀门40、一个电子处理部件96和传感器101。将阀门40设计成可以瞬时地从钻杆套筒内部向环形空间60分流出一些泥浆。通常（当阀门40关闭时）钻孔泥浆必须全部通过喷口33挤出，因此在竖管24处随之就存在有相当大的泥浆压强（约2000到3000磅/英寸²的量级）。当阀门40在传感器101和电子处理部件96的指挥下开启时，一些泥浆便分流出来，于是对泥浆流的总阻力瞬时减小，在竖管24处便能够检测出一个压强变化。由电子处理部件96产生一个电脉冲编码序码序列代表着由所选择的传感器101测得的参数，于是阀门40产生相应的打开与关闭，随之在竖管24处出现相应的压强脉冲。

数字51标明一个压强换能器，它产生的电压信号代表竖管24处的压强变化。这些代表压强变化的信号由电子部件53处理，产生适于在记录器54或任何其他显示设备上记录的信号。记录器54的记录纸由代表钻头深度的一个驱动器以大家熟知的方式（图中未画出）来驱动。

Ⅱ.特制遥测发送机的一般描述

图4A给出特制的遥测发送机50的一些细节。这些细节及其他一些细节的某些部分已经在前面提到的正在待批准的由S.A.Scherbatskoy提出的，申请号为857，677的专利申请中进行了描述，这是一份部分后续专利申请。图4A只是一个略图。在实 际的器具中，装有阀门40、电子处理部件96及传感器10的机壳250分成两部分：250a和250b。上半部250a（虚线249以上）包含有阀门组40及其连带着的机械结构。它的直径比250b的直径大得多。这将在本说明书的后面部分再予以说明。下半部250b（虚线249以下）包含有电子处理部件96、传感器组101以及连带着的机械结构。这一部分的直径比上半部250a的小得多。这将在本文后面部分加以解释。如图4A所示，钻孔泥浆循环时通过特制遥测器具250a、250b向下流（如箭头65所示）穿过钻头喷嘴33，然后沿环形空间60向上（沿箭头66方向）返回地面并通过管道（未画出）回到泥浆槽。阀门部件40由阀门杆68和阀门座69组成。阀门杆和阀门座的结构方式是：阀门塞A的截面积稍大于补偿活塞70的截面积B。这样，当腔室77内的压强大于腔室78内的压强时，阀门杆68被迫向下运动;而且当所加压强差增大时阀门趋于更紧密地闭合。

腔室77内的流体（泥浆）压强总是基本上等于钻杆套筒（图3中标为26，图4A中标为50）内部的流体（泥浆）压强，因为在部件250的壁上有开口77a。在通道77a处放置一个流体过滤器，用以防止固体颗粒和碎屑进入腔室77。当阀门40关闭时，腔室78中的流体（泥浆）压强等于环形空间60中的流体（泥浆）压强。当阀门40打开而且泥浆泵在运行时，产生从腔室77到腔室78的泥浆流，它通过小孔81流入环形空间60，并产生相应的压强降落。

设置双向作用的电磁螺旋线圈79，根据由引线90提供的电流来打开和关闭阀门40。

令P₆₀表示环形空间60中的泥浆压强，P₇₇表示腔室77中的压强，P₇₈表示腔室78中的压强。于是，当阀门40阀合时有P₇₈＝P₆₀。当泵机27在运转而且阀门40是“闭合”的或几乎闭合时，若P₇₇＞P₇₈则将阀门杆68推向阀门座69。当阀门处于“打开”状态（即图中的阀门向上移动后的状态）时，便造成泥浆从腔室77向环形空间60流动;由于小孔C（图4B）处对液流的阻力，由关系式P₇₇＝P₇₈＞P₆₀。在腔室83和94中充满粘滞性很低的油类（例如DOW CORNING 200液体，最好是粘度不超过5厘沲）并通过通道86彼此联接。浮动活塞82使充油腔室83内压强P₈₃总是等于P₇₈。这样，在任何时候都有P₇₈＝P₈₃＝P₈₄。所以，当阀门40“开启”时，由于P₇₈＝P₈₄而且P₇₇＞P₈₄，由力F＝（面积B）。（P₇₇-P₈₄）就使阀门40推向“开启”状态。因此，阀门40可称为双稳态的，即当“开启”时它趋于保持“开启”状态，而当“关闭”时它趋于保持“关闭”状态。再有，当它几乎开启时，它就趋于开启状态，而当它几乎关闭时，它就趋于关闭状态。所以阀门40能以相对比较小的能量从一种状态“翻转”到另一种状态。这种阀门动作可以看作是在电子技术中公知的电子双稳态触发器的机械等效物。

图4B中的阀门40处于开启状态，而在图4A中它是闭合的。

再参阅图4A，数字91标明一个电子“压强开关”，当P₇₇＞P₇₈（泵机转动）时它是导电的，而当P₇₇＝P₇₈（泵机关闭-不运转）时它是不导电的。因此，从压强开关91到电源93的导线92能够打开或关掉电源。还有，利用电子计数器94和电磁时序开关95，四个传感器101的任何一个都能动态地与电子处理单元96相连接，其方法是依次停止和运转泥浆泵27或表根据事先确定的可以用部件94中的电路译码的代码来停止或运行该泥浆泵。

Ⅲ.特制遥测器具的电子处理部件部分的描述

我们已经描述过双稳态阀门40和时序开关95的运行情况。时序开关95使101的各个传感器与电子处理部件96实现有选择的电连接。

为了了解电子处理单元96的更多细节，可参阅图5A。图5A和图4A的相同数字的意义相同。

能产生电信号以指示井下参数的各种传感器是众所周知的。例如γ-射线传感器、温度传感器、压强传感器、气体成分传感器、磁罗盘、应变计、倾斜仪、磁力仪和陀螺罗盘等等。为了说明起见，在图5A所示实施例中我选取了一种γ-射线传感器，诸如电离室、盖革计数器或者闪烁计数器（配以适当的电子电路）。所有这些传感器都可用来产生一个与传感器截获的γ-射线通量成正比的直流电压。

可以理解，由图4A中的开关机构95完成的从一种传感器到另一种传感器的切换是属于现有技术的（在大多数情况下人们宁愿采用电子开关而不用此类机械开关）。因此，为了描述清楚起见，在图5A中只画出了一个传感器101。同样，图4A中的电源93及由泥浆压强驱动的开关91均未画在图5A中。

在图5A中，将传感器101与A/D（模拟/数字）转换器102、处理器103、功率驱动器104相串联起来。把功率驱动器104与如图4中标明螺旋线圈79的双向作用螺旋圈105及106相连。功率驱动器104可能与其母申请中的图3E所示驱动器相似。其运行过程是：传感器101产生一个模拟量输出电信号，它就像由传感器方框101正上方的小图中的曲线表示的那样。该曲线表明，传感器输出是遥测发送机50在井孔中深度的函数。模数转换器依次测量曲线101a上的大量的纵坐标幅度，并把每一个纵坐标值转换成由二进制字代表的二进制数，从而将101的模拟信号变换成数字形式。这一 过程现今已为人们熟知，无需在此加以解释，然而，重要之点是要理解到，尽管图101a可能代表几小时内传感器输出信号的变化，图102a所表示的却是一个纵坐标值（例如曲线101a中的AB）。这样，图102a上的横坐标轴时间尺度就会是以秒计算，而整个图102a代表一个二进制12位字，它实际上代表十位制数2649。就是说，图102a上的每一个12位字代表图102a中的一个纵坐标值（例如纵坐标AB之值）。通常的二进制编码包括有每个二进制字之间的时间间歇。在此时间间歇之后便送出一个起始脉冲或者说先兆脉冲，用以指示该二进制字所指定的时间间隔的起始。这个先兆脉冲并不是二进制字的组成部分，而是用于指明一个二进制字就要到来。然后把该二进制字传送出去，它指示出图101a中一个纵坐标之值;而后是一个时间间歇，随后是代表下一个纵坐标幅度值的下一个二进制字。如此下去，依次迅速地进行。这样，图101a的连续曲线就由一系列二进制数或字表示出来了，每个字代表图101a上的单个点。这里，要知道在每个二进制字之间总是要有一个时间间歇的，这一点很重要。这一间歇（其间无任何信号被传送）常常是几个二进制字那样长，这个时间间歇将用于一个重要目的，在本说明中还将进一步解释。为了能在地面上解码，第一号时钟必须严格稳定（而且与位于地面上相应的时钟212或309同步），并且它产生一系列等时间间隔的脉冲，其产生脉冲的方法是电子技术中所公知的。

图103a代表二进制字102a的一个二进制位，而且这里的横坐标轴与前面各图中的坐标完全不同。图103a中的时间以毫秒表示，因为该图只代表一个二进制位。将每一位变换成为二个电脉冲，每个脉冲的宽度为t_x，二个脉冲之间的时间间隔是t_y。图104a与图103a一模一样，它已由功率驱动器104放大了许多。将电脉冲104b加到螺旋线圈绕组105（它是阀门“开启”绕组）上，而将脉冲104c加到螺旋线圈绕组106（它是阀门“关闭”绕组）上。这样，图4A中的阀门40由脉冲104b开启，由脉冲104c关闭。因此，阀门40保持“开启”状态的时间近似于t_y。把时间t_x调整得适用于正确地激励螺旋线圈绕组，而将时间t_y调整得使阀门40具有正确的开启时间长度。这两个时间都由第二号时钟来确定和控制。

为把遥测信息从传感器送到地面，我在相继的二进制字传送之间插入适当的间歇时间。由于有了这些间歇时间，便有可能将仅由于钻井操作引起的噪声（不包含子波）存入地表面设备适当的电子存贮器之中。为做到这一点所需的必要配置及工作程序将在本文后面的部分予以描述。

Ⅳ.特制遥测发送机的电源的描述

如前面所指出的，图4A中的阀门40必须极快速地动作，而且为了快速驱动它便需要相当大的功率。（通过适当的测试确定，这类阀门需要大约1/2至3/4马力才能以必须的速度运转）。

虽然这一功率很大，但只用于很短的时间，因此每次操作只需很少的能量。

在测试期间的实际运行中发现，1/2马力作用约40毫秒所提供的能量就能产生一次满意的阀门动作。可以算出这个能量是15焦耳左右。因此用装在图4A的机壳250b（图4A）内的一组电池就能产生大约4百万焦耳，而且无需中途充电或更换。因此，该系统能产生130，000个完整的阀门动作（开启加关闭）。实际上每次动作的能量消耗小于15焦耳。螺旋线圈绕组的电感、Q值、以及动态阻抗使电流增大较慢，沿着图5c中的曲线272A和图6E中的300、301曲线上升。这样，每个脉冲的总能量大大小于15焦耳，曾测得为9焦耳，这样就能产生216，000个完整的阀门动作。

从上述分析可以看出，对于实际的遥测器具，利用电池组提供井下所需的能量是完全现实可行的。然而，要提供必要的很大的功率（ 1/2 马力）却存在着若干难题。

很清楚，要解决这一问题就要把能量存贮在某机构中，它能导致突然释放出这一能量（在一极短时间内释放），从而提供一个必要的短时大功率爆发。这种机构之一是“锤击作用”，它曾用于我的待批准专利申请所揭示的器具中。但发现它有时不够用。其他先前考虑过的机构是利用压缩空气、压缩弹簧或其他办法。电容储能系统需要大电容值;在电容器中存贮的能量与电容量的一次方成正比，而且与存贮电压的平方成正比。由于需要低电感、快动作的螺旋线圈驱动绕组，显然需要低电压设备。初步计算表明需要特别大的电容。

经过进一步评价，看来一种可能用于操作的系统是完全可行的。通过数学分析、实验与测试、确定了一组最佳电路参数。它们是：

1.螺旋线圈绕组的电感：当处于被驱动位置时为0.1亨利，当处于非驱动状态时为0.07亨利（即为一个锥形衔铁螺线管）。

2.螺旋线圈绕组的电阻：4.5欧姆。

3.贮能电压：50伏。

4.贮能电容器的电容量：10，000微法拉。

5.驱动电路的电流容量：10安培。

曾经确定，为了获得螺旋线圈的快速动作，希望线圈绕组是低电感的。还曾确定电子驱动电路的电流容量可以大大超过10安培。然而低电压就需要特别大的电容值。

在所谓熔盐电池方面的新进展已产生了体积很小的能源。同样的新 技术还研制出具有超乎寻常的高电容的电容器，10法拉的电容只占约1立方英寸的空间。但这些都是不能采纳的，因为需要把它加热到很不实际的高温（500℃），而且价格过高。因此，需要作进一步努力。通过彻底的和长时间的研究，终于发现根据最新技术发展制成的钽芯电容器（tantalum    slug    capacitor）会满足性能指标，只要上述其他参数和因素能够最佳地匹配这类电容器的特性。

由上述内容可知，由一次电池组充电能实现至少216，000次完整的阀门动作。假定遥测系统每分钟传送5个脉冲便能提供适用的连续数据，该系统就能在一口井内连续运行440小时。然而，需要指出的是，往往并不需要连续运行。该设备可以根据图4A中的开关91及部件94和95控制的电路所发出的指令仅仅间歇性地使用。

Ⅴ.确定流体冲击波方式的最佳状态（参数K₁（或K₂）和T^（v） _b确定）。

为确定流体冲击波方式的最佳状态，我完成了一系列实验。

流体冲击波的产生类似于水锤效应的产生。在流线上的局部区域里突然阻止液流，便在这个区域里突然增大了压强。这种开始时在局部发生的压强增大沿着流线传播，成为“水锤”。众所周知，局部速度的突变（减小或增加）会使压强发生相应的局部变化（增大或减小）。反之，局部压强的突然变化会产生局部速度的突然变化。由于流体的弹性和惯性作用，这种变化从它起源的体积元以压缩波的传播速度向邻近的体积元传播。而冲击波的传播问题是相当复杂的。为满足实际要求，我们需要确定一个参数，从获得清楚确定的冲击波的角度看，它应是最有代表性的参数。这里将考虑两个参数，我们称它们为参数K₁和参数K₂。当这两个参数之一超过一个适当值时便产生一个清楚确定的冲击波。

（a）参数K₁

这个参数是在分路阀门打开（或关闭）期间内通过该阀门的泥浆流速度的平均变化率：

令V（t）为泥浆流穿过分路阀门的速度，它随时间变化（单位为厘米/秒或英尺/秒）。在时刻t＝0时阀门开始打开，此时速度为零，即V（O）＝0。在t＝T^（v） _a时刻阀门完全打开，此时阀门处具有某一速度值V_f，它是在完全流通的期间内的分路速度。于是

V（T^（v） _a）＝V_f（10）

于是，在时间段T^（v） _a内的平均速度变化率参数K₁是

K₁= (V_f)/(T_a ^(V)) （11）

K₁的测量单位是厘米/秒²

我们假定当K₁超过某一适当的阈值时，即当

K₁＞M₁（12）

时，我们得到一个清楚确定的冲击波。在所完成的实验中确定

M₁＝2×10⁵厘米/秒²（13）

（b）参数K₂

这个参数表示时间段T^（v） _a期间阀门开启面积的平均变化率。

我们曾定义〔见等式（1）〕S（t）为时刻t的阀门开启面积。这样，当t＝0时有S（O）＝0，在t＝T^（v） _a时有

S（T^（v） _a）＝S₀（14）

这里S₀是阀门的全开启面积。参数K₂为

K₂= (S_O)/(T_a ^(V)) 厘米²／秒（15）

我们假定当K₂超过某一适当阈值时，即当

K₂＞M₂（16）

时，我们得到一个清楚确定的冲击波。在所完成的实验中确定M₂＝100厘米²/秒。

粗略地说，K₁与K₂成正比。参数K₂或许更有用，因为它直接告诉我们如何设计和操纵阀门。

在讨论图6A至图6E时，还有一个参数T^（v） _b（见图2A中的B₁C₁）需要考虑。这些图中每一个曲线都相应于K₁和T^（v） _b或K₂和T^（v） _b的一组数值。

图6A至6E表示出K₁和T^（v） _b的变化或者K₂和T^（v） _b的变化在影响从缓慢压强变化方式到流体冲击波方式的过渡方面所起的作用。更具体地说，这些图中每一个曲线都给出在地面上检测到的压强（纵坐标）如何随时间t（横坐标）的变化。在这些实验中，小通道口的尺寸是0.5平方厘米。在若干井孔中得到了一些实验数据。这些钻井选自美国的奥克拉荷马、西德克萨斯、东德克萨斯以及荷兰。再有一些试验是在一口“实验井”中进行的，它是专为完成遥测试验而开钻的。

在进行上述实验时，考虑了现有泥浆泵装备的极其多样性和多种干扰作用。有很多种泥浆泵：单动双缸机、复动双缸机、单动三缸机、复动三缸机，而且对给定的平均泥浆压强，其泵机压强的变化随泵机装备的不同也有很大不同。消除大的泥浆压强干扰信号是很复杂的事。单动双缸系统的泵机压强信号可能比仔细调整过的复动三缸泵的泵机压强信号大10倍甚至20倍之多。为了确定K₂（或K₁）及T^（v） _b的最佳值，把钻井作业停止并使用一个很好的（平稳的）三缸泵。因此，图6A至6E并不代表典型状态，它代表的状态是使各种噪声（来自泵机和其他噪声源）达到极小并借助计算和画图将噪声平均掉，从而得到参数K₂（或K₁）及T^（v） _b的最佳值。图6A至6E中每一个曲线所对应的K₂（或K₁）和T^（v） _b值列于下表之中：

表

K₂（厘米²/秒） T^（v） _b（秒）

图6A    5    2

图6B    2.5    1

图6C    8.5    0.5

图6D    2.5    0.25

图6E    100    0.1

图6A至6E代表大量试验得到的平均值。在这些试验中的正常竖管压强是3000磅/英寸²，压强的变化范围是100磅/英寸²。上述试验中使用了各类阀门：马达驱动的、回转式的以及提动式的等等。 图6F是在西德克萨斯的一口油井实际钻井时进行的试验中（9800英尺深，竖管压强2800磅/英寸²）获得的竖井压强记录器记录图的精确复制品。

图6A是用慢动作阀门得到的。图6A中相应的参数值是K₂＝0.5厘米²/秒和T^（v） _b＝2秒，即它们类似于如图1A和1B所示之现有技术中提出的那些值。因此，图6A和图6B代表的是缓慢压强脉冲方式。另一方面，图6E是用K₂＝100厘米²/秒、T^（v） _b＝10^-1秒的快动作阀门得到的。因此，图6E代表流体冲击波方式，而且图6E中的阀门子波很类似于图2B中的阀门子波。

如上表中所确定的那样，图6B、6C和6D表明了从压强缓慢变化方式向流体冲击波方式的过渡。

在图6B、6C和6D所示试验中的状态尽可能地保持相似。仪器放在钻孔底部附近约8000英尺深处。泥浆粘度约为40芬内尔（Funnel），每加仑12磅重。阀门开启时的有效开启面积为0.7厘米²。正常竖管压强是3000磅/英寸²。在这些试验中使用的阀门与阀门40相似，但修改成允许较慢地动作（没有双稳态动作）;即阀门是一个简单的压强平衡阀门，并且液流速率由入口通道处的节制阀来控制。应该指出，由图6B得到的阀门动作速度相当快，但它并不产生所期望的流体冲击波方式。然而，尖锐的起始表明需要更快的动作。排液速率是5加仑/秒²量级。

通过调整入口节制阀、出口节制阀和供给驱动螺线管的电功率，得到不同的阀门运转速度。

从上述试验看出，当K₂＝0.5厘米²/秒时没有产生任何冲击波，而当K₂＝100厘米²/秒时产生了几乎是理想的冲击波。

Ⅵ.获得压倒噪声的冲击波（另一种方法）

我将引入另一个参数来表示对冲击波强度的要求。将考虑两种不同的途径。其一以参数K₃为基础，它表示时间段T^（v） _a内通过阀门流过的泥浆量（以厘米³或加仑为单位测量）（这个量称作流量）。另一种途径是以参数K₄为基础，它代表时间段T^（v） _b内泥浆流的平均能量。因此，

$K_4=\frac{T^{\mathrm{(V)}}{}_a\mathrm{时间段内通过的泥浆量}}{T_a{}^{\mathrm{（\; V）}}}\mathrm{(17)}$

考虑阀门打开的时间段，即时间段T^（v） _a。为使问题简化，我们假定时间段T^（v） _a内的流速增加率为常数且等于K₁。于是

V（t）＝K₁t（厘米/秒） （18）

还假定阀门开启面积的增加率为常数且等于K₂。于是有

S（t）＝K₂t（厘米²） （19）

结果在时间段T^（v） _a内通过阀门的泥浆体积是

$K_3=\frac{{\mathrm{(K}}_1{K}_2{T}^{\mathrm{(\; V\; )}}{}_a{)}^3}{3}{\mathrm{（厘米}}^3\mathrm{）\; （20）}$

于是，K₃是在T^（v） _a时间段通过阀门流过的液体量（厘米³）。这是在单次打开或关闭阀门时间段内的流量。另一种途径是取参数K₄代替参数K₃，K₄表示时间段T^（v） _a的流体通量，即

$K_4=\frac{K_3}{T^{\mathrm{(V)}}{}_a}\mathrm{(21\; )}$

Ⅶ.消除噪声的一般程序

现在考虑对来自压强换能器51的信号进行解码的一般程序。图7给出设备配置。图8A至8G给出用图7所示装置对信号解码所涉及的一些波形和脉冲。

由压强换能器51得到的信号中包含载有有用信息的信号和干扰信号，这些干扰信号往往会模糊或掩盖有用的信号。载有有用信息的信号表示出由阀门40响应某一传感器而得到的编码信息。干扰信号是多种多样的，其中由泵机27产生的干扰信号含有由泵机产生的高度稳定的泥浆压强分量。这个分量引起了泥浆通过钻杆再通过钻杆与井壁之间的环形空间返回地面的循环。在这个分量上重叠一个交变分量，它是由泵机中的往复式活塞的周期性运动产生的。

为了改进信号接收，希望从换能器51的输出中除掉由泵机27产生的稳定压强分量。为此，将一个选频滤波器150与换能器51相连，以传送0.1至10赫兹范围的频率成分，衰减这一范围以外的频率成分。在稳定压强分量中包含的频率成分低于0.1赫兹。

在本说明书中使用的术语中将明确区分“滤波器”和“数字滤波器”，前者如选频滤波器150，后者将在我的发明的描述中用到。在滤波器150那一类“滤波器”中利用模拟量类型的电子网络完成传统的滤波功能，对这种滤波器性能的论述通常是在频率域内。术语“滤波器”可以用于称作“波形滤波器”、“谢伊（Shea）滤波器”（例如可参阅T.E.Shea所著《传输网络和波形滤波器》一书，纽约VanNostrand公司1929年出版）以及其他滤波器，诸如切比雪夫滤波器和巴特沃斯滤波器等。然而，一个数字滤波器，例如匹配滤波器、脉冲成形滤波器或尖峰滤波器，在时间域里处理效果更好。将数字化的输入波形与滤波器的加权系数进行褶积即得到数字滤波器的输出。一个数字滤波器就是一个计算机。

在滤波器150的输出端151上产生的信号由函数F（t）表示，它是

F（t）＝B（t）+P（t）+U（t）    （22）

这里B（t）是载有有用信息的信号，P（t）是由泵机的周期性压强变化造成的干扰信号（泵机噪声），U（t）代表随机噪声。随机噪声是由各种效应产生的，诸如钻井时切削钻头齿牙的作用（如齿牙岩心钻头）、机械钻具组中的齿轮传动装置的效应、以及回转钻井作业过程中其他有关设备的作用等。在某些情况下U（t）近似于白噪声，而在其他情况下U（t）可能与白噪声有很大差异。

由载有信息的信号B（t）表示的编码信息是一系列二进制字，而每一个这种二进制字又包含了一串二进制位（比特）。在二进制字中的一个比特是由阀门40的一次单一“动作”（即单次开闭）产生的。这个单一动作产生一个流体冲击波，它在地面上表现为一个单阀门子波，如同图2B所示的阀门子波，因此，由B（t）表示的信息是以阀门子波的编码序列的形式出现的，每一个所说的阀门子波都是如图2B所示类型。图8A至8G给出为把载有信息的信号B（t）与干扰信号分离开所要完成的各个步骤。为便于解释，在图8A中我用一个单一阀门子波来代表B（t），没有使用多个阀门子波的编码序列。因此，在图8A中的阀门子波与图2B中的单一阀门子波类型相同。但所用符号稍有改变。我在图8A中删掉了图2B中出现的上标“S”。于是，在图8A至8G中各个时刻表示成t₁，t₂，……t₁₅，t₁₆，不带有上标“S”。图8A至8G中的各个曲线图均已适当地编了号。为了清楚和便于解释，相应于这些图形的时间尺度已做了改变。

为了消除干扰噪声信号（泵机噪声和随机噪声）并产生出代表编码信息的信号，提供了三个连续的操作步骤，详见如下说明：

步骤1：在这一步，将具有三个分量的信号（如图8A所示）变换成含有二个分量的信号（如图8C所示）。这一步的目的是消除泵机噪声P（t）。这一步的结果是将图8A所示的阀门子波变换成“双子波”。这种双子波示于图8C。

步骤2：这一步的目的是消除随机噪声信号。

步骤3：这一步，将每个双子波（如图8D所示）变换成一个单脉冲（如图8G所示）。结果，我们得到了由单脉冲组成的编码序列，它以数字化格式表示出传感器101在井孔中适当深度上测出的参数。

Ⅷ.泵机噪声的消除（步骤1）

现在考虑图8A。这张图给出由等式（22）表示的信号F（t）的三个分量。它们是：阀门子波B（t），泵机噪声P（t）和随机噪声U（t）。如先前指出的，信号F（t）是由滤波器150得到的。这个滤波器与延时单元152相连，它的作用是使输入信号F（t）延迟一段时间T_p，T_p是泵机27产生的振动的一个周期。这样，在延时单元152的输出端153处得到的信号可表示F（t-T_p）。信号F（t-T_p）的三个分量示于图8B。它们是：延迟阀门子波B（t-T_p）、延迟泵机噪声P（t-T_p）及延迟随机噪声U（t-T_p）。时间段T_p依赖于泵机的回转速度，由于泵机的速度并非常数，故延迟T_p是一个可变延迟。因此，必须对延时单元152提供适当的控制，以适应泵机27的回转速度。于是，使延时单元152通过引线154接收来自脉冲发生器155的计时脉冲，而这个脉冲发生器是由泵机以机械方式驱动的，用以在泵机的每个回转周期内产生适量的脉冲。为此目的配备了链驱动传动装置156。延时单元152可以是Reticon公司（在美国加利福尼亚州的Sunnyvale）出售的Reticon    SAD-1024型双模拟延时线路（Dual    Analog    Delay    Line）。

假定泵机27每秒产生N₁次冲击。于是T_p＝1/N₁。脉冲发生器155以较高的速率N₂产生计时脉冲，N₂为N₁的倍数。故有N₂＝KN₁，此地K为一常数，已选定为512。这样，如果泵机每秒钟冲击一次，便需要信号发生器每秒产生512个脉冲。显然，泥浆泵27的振动速率是随时间变化的，而N₂也相应地变化着，从而保证由延时单元152产生的延迟总是等于泥浆泵27产生的泥浆压强摆动的一个周期。

将由延时单元152得到的信号F（t-T_p）加到减法器160的输入端153上。减法器160还在它的输入端161上接收由滤波器150产生的信号F（t），并在它的输出端162上产生一个差值信号，即

X（t）＝F（t）-F（t-T_p）

＝B（t）-B（t-T_p）+P（t）-P（t-T_p）+U（t）-U（t-T_p） （23）

因为P（t）是周期性的而且周期为T_p，故有

P（t）-P（t-T_p）＝0 （24）

于是，由于泥浆泵27产生的振动的周期性，使泵机噪声被消除了，并且在减法器160的输出端162上得到的信号可表示为

X（t）＝b（t）+U（t）    （25）

这里 b（t）＝B（t）-B（t-T_p） （26）

是载有信息的信号，而

u（t）＝U（t）-U（t-T_p） （27）

是随机噪声信号。

载有信息信号b（t）和噪声信号u（t）均示于图8C。现在可以看到，通过上面概述的步骤1，我已把形式为阀门子波的载有信号B（t）（如图8A所示）变换成一个不同的载有信息信号b（t）（如图8C所示）。信号b（t）将称作“双子波”，以区别于代表“阀门子波”的信号B（t）。一个双子波由两个阀门子波构成，如图8C中的两个阀门子波“A”和“B”。这些阀门子波彼此分开，相距时间间隔是T_p。阀门子波“A”与图8A中的阀门子波相似，而阀门波“B”代表了阀门子波“A”的反相形式。

将信号X（t）〔见等式（25）〕再送到模拟-数字转换器（A/D）163，它是由时钟178控制的。在A/D变换器的输出端164得到的信号可表示为

X_t＝b_t+u_t（28）

根据在此所用的符号，X_t、b_t、U_t分别是模拟信号X（t）、b（t）、U（t）的数字化形式。信号X_t和U_t都分别是时间序列形式，即

X_t＝（…X_-2，X_-1，X₀，X₁，…X₉…） （29）

U_t＝（…U_-2，U_-1，U₀，U₁，…U₉，…） （30）

而信号b_t是有限长子波

b_t＝（b₀，b₁，b₂，…，b_n） （31）

Ⅸ.白噪声型随机噪声的消除（步骤2）

现在把双子波b_t与噪声信号U_t的混合信号送到长度为（n+1）的数字滤波器170，它的记忆函数是

a_t＝（a₀，a₁，a₂，…，a_n） （32）

在这个实施方案中我选择的数字滤波器叫作匹配滤波器，研选取的记忆函数a_t是要使滤波器的作用达到最佳。当滤波器170的输出信噪比达到其极大值时便满足了最佳化条件，（为查找有关匹配滤波器的描述，可参阅Sven Treitel和E.A.Robinso合写的“用于提高信噪比的最佳数字滤波器”，地球物理勘探（Geophysical Prospecting）第17卷，第3期，1969，第248-293页，或者参阅由E.A.Robinson写的《统计通信和检测，着重讨论雷达和地震信号的数字数据处理》，纽约Hafner出版公司出版，1967，第250-269页。）

我使匹配滤波器170的记忆函数a_t为可控制的，从而保证在测量操作过程中滤波器的工作总是处于最佳状态。用计算机172来实现对滤波器的控制。计算机172接收来自存贮器与调用单元173的合适的数据。其接收方式将在下面描述。

在匹配滤波器170的输出端174得到的信号y_t可以表示成输入函数X_t和记忆函数a_t的褶积，即

y_t＝x_t＊a_t＝a₀x_t+a₁x_t-i+…+a_nx_t-n（33）

这里的＊号表示褶积。将x_t＝b_t+u_t代入（33）式，得到

y_t＝C_t+V_t（34）

这里 C_t＝b_t＊a_t（35）

是滤波器对纯信号输入的响应，而

V_t＝U_t＊a_t（36）

是噪声输出。图11给出了表示这些关系的简要方框图。

为了保证匹配滤波器170工作在最佳状态，要选定一个时刻（例如时刻t＝t₀），并要求在这时刻t＝t₀上包含信号的滤波器输出的瞬时功率要尽量大于在这一时刻的滤波后噪声的平均功率。因此，为了在滤波后的输出U_t中检测出信号C_t，使用了如下定义的信噪比：

$\mathrm{\mu \; =}\frac{{\mathrm{（在时刻t}}_o{\mathrm{滤波后的信号值\; ）}}^2}{\mathrm{滤波后的澡声功率}}\mathrm{(37)}$

如果将长度为（n+1）的信号（b₀，b₁，…，b_n）与长度为（n+1）的滤波器作褶积，便得到长度为（2n+1）的输出序列（C₀，C₁，…，C_n，…，C_2n-1，C_2n），这里C_n是这一输出序列的中心值。这样，在时刻t₀＝t_n，μ值变为

$\mathrm{\mu \; =}\frac{C^2{}_n}{{\mathrm{〔EV}}^2{}_n〕}=\frac{{\mathrm{(a}}_O{b}_n{\mathrm{+\; a}}_1{b}_{\mathrm{n\; -\; 1}}{\mathrm{+\; \dots +a}}_n{b}_O{)}^2}{{\mathrm{E\; 〔V}}^2{}_n〕}\mathrm{(38)}$

这里E〔V² _n〕是噪声输出功率的平均值。

这里，我假定随机噪声U_t是白噪声。于是，可以说明（例如参阅Sven Treitel和E.A.Robinson合写的“用于提高信噪比的最佳数字滤波器”，地球物理勘探（Geophysical Prospecting），第17卷，第3期，1969，第240-293页），当

（a₀，a₁，…，a_n）＝（Kb_n，Kb_n-1，…，Kb_o） （39）

信噪比μ能够达到极大值，这里的K已选为1。于是，当信号淹没于噪声之中时，若噪声为白噪声，则当通过逆相信号给定该滤波器的记忆函数时，即通过系数序列（b_n，b_n-1，…，b₀）给定时可以达到最佳状态。

滤波器170的记忆函数总是由计算机172来确定，它通过通道175与滤波器相连。这里使用的术语“通道”是指适当的导线、接头、或传输装置，视其具体情况而定。所提供的存贮与调用单元173用于存贮函数b_t，供以后经过通道176把b_t传送到计算机172。计算机的功能是把表示为序列（b₀，b₁，…，b_n）的输入数据逆转，从而在其输出通道175提供一个序列（b_n，b_n-1，…，b₀），它再经过通道175依次送入匹配滤波器，并根据等式（39）把它作为滤波器的记忆函数存贮在滤波器中。

把匹配滤波器170的输出端174得到的滤波输出y_t再送入数字模拟（D/A）转换器181。由于y_t代表数字化形式的信号，在D/A转换器的输出端182得到的相应的模拟函数将按这里所用的符号表示成y（t）。

应该指出，当与载有信息的信号C_t（或其等效的模拟量C（t））相比时，使滤波后的输出y_t的信噪比极大化等效于使噪声信号V_t（或其等效的模拟量V（t））极小化。故有

V（t）＜＜C（t）    （40）

及    y（t）～C（t）～b（t）    （41）

所以匹配滤波器的输出函数y（t）（如图8D所示）与函数b（t）（如图8C所示）十分相象。

我的发明的一个重要特征在于利用存贮与调用单元173将函数b_t存贮起来（供后面的再生）。现在联系图10来解释存贮b_t所需要的过程。这一过程由以下几个步骤组成：

步骤（a），钻井操作停止;即钻头31从井底向上稍稍提起，抽取工作（draw    works）稳定地维持，转盘21停止转动。

步骤（b）.泵机27继续运转，如同正常钻井过程中那样;即以均一的泵速率运转，泵机压强代表实际的在“钻井时测量”过程中所使用的压强。所有其他干扰源（如发电机的交流集电头，升降机的运转等）均停止。在海上作业时还要尽可能消除“波动”及其他噪声源（选择平静的日子作业）。

步骤（c）.如前面联系图5A所作的描述和说明，地下编码过程由一个与地面设备中的“时钟”严格同步的“时钟”确定。因此，便有可能在地面上确定何时在地下产生了一个单脉冲（例如先兆脉冲）;而且由于知道通过泥浆柱的传播速度，故可知道在地面上接收到流体脉冲的确切时刻。就这样就有可能在地面上接收到一个单个“子波”而且予先知道该子波的出现时刻，即使它可能会受到噪声的掩盖。（在很多情况下单个子波幅度会超过噪声，故实践中可在示波器上看到子波。）于是，在已知的时刻由换能器51能接收到由阀门40产生的流体瞬时信号。

步骤（d）.由换能器51得到的信号通过滤波器150传送出去，使传送出去的信号频率选择在0.1赫兹至10赫兹范围内。因为钻井操作已经停止了（如前面的步骤（a）所述），随机噪声U（t）可以忽略，故在滤波器150输出端得到的信号为F（t）＝B（t）+P（t）。

步骤（e）.由滤波器150得到的信号F（t）以前面解释过的方式通过延时单元152，减法器160和模数转换器163。通常，当钻井作业进行时，在模数转换器163输出端得到的信号形式是x_t＝b_t+u_t，这里的u_t是由于钻井作业造成的噪声。然而，这里也是因为钻井作业已经停止，随机噪声信号u_t可以忽略。在这种条件下就有x_t～b_t。该信号x_t近似地代表一个“无噪声信号”，这在实践上几乎是完全可行的，它对应于代表载有信息的信号的一个子波。

步骤（f）.将函数x_t～b_t存贮起来。

操作步骤（a），（b），（c），（d），（e）及（f）已由上文介绍，这些步骤通过图10所示的操作配置来实现。在这种配置中将模数转换器163的输出送到存贮与调用单元173的输入端，以便记录x_t～b_t。

应该指出，在频率域内匹配滤波器170的记忆函数可表示为

A（f）＝e^-2πvfnB^＊（f） （42）

这里f是频率，B^＊（f）是信号b_t的付立叶变换的复共轭。

在某些情况下，当噪声是白噪声时可以用自相关器来消除随机噪声，而不必使用图7所示那样的匹配滤波器170。为此，图7中的框图应作如下修改：去掉匹配滤波器170、计算机172和存贮与调用单元173，代之以一个自相关器。将自相关器的输入端与模数转换器163的输出端164相连。同时，自相关器的输出端将与数模（D/A）转换器181的输入端174相连。数模转换器的输出可由延时单元190、极性反转单元192、与（AND）门193等进行处理（见图7）。然而，有时数模转换器的输出可以直接送到记录器。

Ⅹ.从双子波编码序列到短脉冲编码序列的变换（步骤3）

让我们再来考虑图7中的操作配置。我现在在数模转换器181的输出端182得到一个由图8D中的函数y（t）表示的信号，它的形状与双子波b（t）的形状相似，即y（t）～b（t）。

函数y（t）～b（t）代表操纵阀门40的数字化信号的一个二进制位。显然，用这种函数表示相应于阀门40的单次开启与关闭的极短的时间间隔并不很方便。因此，有必要如步骤3所概括的那样，将双子波变换成与阀门运转相符合的单个短时脉冲。我实现了这一目标，办法是利用一个由时钟191控制的延时单元190与极性反转单元192和与门193（符合网络）结合，它们的配置如图7所示。延时单元190通过引线182接收来自数模转换器181的信号y（t）。这个延时单元由时钟191控制，从而在输出端195得到一个延迟时间，它等于时间段T_m。把图8E所示的延迟函数b（t-T_m）通过引线195再送到极性反转单元192，以在单元192的输出端197产生一个表示成-b（t-T_m）的反向延迟双子波，如图8F所示。

将信号-b（t-T_m）通过引线197送入与门193。与此同时，将从数模转换器181得到的信号b（t）通过引线182和200送入与门193。信号b（t）和-b（t-T_m）各包含有正极性和负极性的脉冲。比较图8D中的信号b（t）与图8F中的信号-b（t-T_m），可以看到图8D中只有一个脉冲与图8F中的脉冲在时间上相符。这个脉冲发生在图8D中的t₃至t₄及图8F中的t₉至t₁₀时段上。我们注意到时刻t₃与t₉相符合，因为t₃＝t₁+T_m，t₉＝t₁+T_m。同样，t₄与t₉时刻相符，因为t₄＝t₁+T_n+T_m，t₁₀＝t₁+t_n+T_m。这样便由双子波b（t）得到了一个信号符合脉冲，并示于图8G。结果，与门193在其输入端200和197接收分别代表函数b（t）和-b（t-T_m）的信号，而在其输出端210产生一个信号脉冲，如图8G所示。

应该提醒的一点是，为了简化起见，我在这一实施方案中给出了一个单一脉冲的产生，它基本上与打开和关闭阀门的信号相符合。要注意，在实际钻井和同时进行测量作业时，在输出端210得到的是编码的一组单脉冲，它表示由选定的传感器对选定参数的测量结果。

将在与门193的输出端210得到的编码单脉冲组送到由时钟212控制的数模转换器211。在数模转换器211的输出端214得到模拟量形式的信号，它表示出所选参数的测量结果。这个信号由记 录器54记录下来。

Ⅺ.互相关技术的使用

在本发明的另一实施方案中，可以用互相关器代替匹配滤波器来消除噪声。由等式（20a）表示的两个函数的褶积与互相关之间有极大的相似性。一个函数与另一个函数互相关所得结果与第一个函数通过一个滤波器（匹配滤波器，该滤波器的记忆函数为第二个函数的逆转）所得到的结果相同。（例如，可参阅N.A.Anstey写的“相关技术评述”，地球物理勘探，第12卷，1964，第355-382页，或Y.W.Lee写的《通信统计理论》，John    Wiley    and    Sons公司，纽约，1960，第45页）。

我在图11中说明了如何用互相关器200来完成匹配滤波器所能完成的操作。互相关器200有两个输入端201和202，有一个输出端203。把由模数转换器163产生的信号送到输入端201，而将来自存贮与调用单元173的信号b_t送到输入端202。这样在输出端203得到x_t和b_t的互相关信号。很容易看出，在输出端203处得到的互相关信号完全等同于图7中的匹配滤波器170产生的由等式（33）表示的褶积信号y_t。互相关信号的进一步处理如图11所示，其处理方式与匹配滤波器170产生的信号在图7所示配置下的处理方式相同。互相关器200可以是加利福尼亚州Palo Alto的Hewlett Packard公司制造的3721A型互相关器。

Ⅻ.当随机噪声不是白噪声时对随机噪声的消除

当随机噪声是白噪声时，在t≠0时，噪声函数的自相关函数q_t为零。现在考虑这样一种情况：不需要的噪声u_t有一个已知的自相关函数q_t，这里的系数q_t在t≠0时不一定为零。这是“自相关噪声”的情况，不同于纯粹白噪声，白噪声的唯一非零自相关系数是η₀。一个匹配滤波器的适当形式及有关的分量示于图12。在这种情况下，不仅需要存贮载有信息的信号b_t（通过单元173），而且要存贮噪声信号u_t。因此，图12的配置中包含二个存贮与调用单元173和224。存贮与调用单元173完成的功能与图7和图10中用同样数码标出的单元所完成的功能相同。它用于存贮和再生函数b_t。另一方面，存贮和调用单元224的功能是存贮和再生噪声函数u_t。将分别从存贮单元173和224得到的代表函数b_t和u_t的数据分别经过通道225和226送入计算机228。计算机228的功能是把从输入通道225和226接收的数据变换成确定匹配滤波器220的记忆函数所需要的数据。这后一组数据经过通道230送入匹配滤波器220。

现在所用的符号与以前的相同，只是要记住噪声u_t不再是白噪声。这里所讨论的匹配滤波器中有一个任意的放大因子K，在这个意义上说匹配滤波器是不确定的。为了方便，取放大因子K等于1。

将采用同样定义的信噪比μ。于是

$\mathrm{\mu \; =}\frac{C^2{}_n}{{\mathrm{E\; 〔V}}^2{}_n〕}\mathrm{(43)}$

在假定输入噪声u_t为自相关类型的条件下，希望使μ取极大值。在此处引入矩阵符号将会很方便。令

a＝（a₀，a₁，…，a_n） （44）

表示（n+1）行的矢量，它表征匹配滤波器220的记忆函数。再有，令

b＝（b_n，b_n-1，…，b₀） （45）

为（n+1）行矢量，定义了信号b_t的时间逆转函数。令

为噪声的（n+1）乘（n+1）自相关矩阵。于是可写出

$u=\frac{\left({\mathrm{ab}}^{\′}\right)\left({\mathrm{ba}}^{\′}\right)}{{\mathrm{aqa}}^{\′}}\left(46\right)$

这里的上撇（′）表示矩阵的转置。

为使μ取极大值，将（46）式对滤波器因子a求微商并令其等于零。于是得到关系式

qa′＝b′    （47）

它可以写成如下形式

这是有（n+1）个未知滤波器系数（a₀，a₁，…，a_n）的由（n+1）个线性联立方程构成的方程组的矩阵形式。它的解给出存在自相关型噪声时所希望的最佳匹配滤波器。方程（48）可用Wiener-Levinson递推方法求解（见N.Levison的“滤波器设计和预测中的维纳均方根误差判据”，数学和物理杂志（Jour of Mat.and phys.）1947，第25卷，第261-278页，及S.Treitel和E.A.Robinson合写的“用通信理论研究地震波的传播”，地球物理（Geophysics），1966，第31卷，第17-32页）。这种递归方法非常有效，因而能利用计算机228来计算长度很大的匹配滤波器。在计算中，已知量是噪声自相关矩阵q和信号子波b_n-t的时间逆转（反序），而未知量是滤波器系数a_t。这些滤波器系数表示匹配滤波器220的记忆函数。

为确定匹配滤波器220的记忆函数所需要的计算由计算机228完成。计算机分别从存贮和调用单元173和224接收关于函数b_t和u_t的数据。根据接收到的u_t计算出噪声自相关矩阵，根据接收到的b_t确定出这个信号的时间逆转（反序）。然后计算出未知的滤波器系数a_t并经过通道230将滤波器系数送到匹配滤波器220

把匹配滤波器220的输出送入数模转换器181，进一步的处理与图7配置中对匹配滤波器170的输出所作处理相同。

在频率域，匹配滤波器220的记忆函数可表示成

A（f）＝e^-2πfn(B* (f))/(Q(f)) （49）

这里B^＊（f）是信号b＝（b₀，b₁，…，b_n）的时间反序信号的付立叶变换，Q（f）是噪声在频率区间（f，f+df）的功率谱。表达式（49）的物理意义是简单的。信号的振幅谱｜B（f）｜越大，噪声在区间（f，f+df）内的功率谱密度Q（f）就越小，那么匹配滤波器在那个频率区间传送的瞬时频谱成分就越多。这样，如果在信号所占频段的某一区间内噪声功率谱密度Q（f）很小，则匹配滤波器在这一频率区间实质上是“透明的”（几乎没有衰减）。

现在考虑信号存贮与调用单元173和224。用单元173存贮信号b_t所需程序先前已描述过，即用图10的配置完成步骤（a）至步骤（f）。

为了使用单元224存贮噪声信号u_t，需要采取不同的途径。如前面结合图10所指出的，接收和存贮一个“无噪声信号”是可能的。类似的，由于地下和地上“时钟”的同步性，接收和存贮“无信号噪声”也是可能的;此“无信号噪声”就是在正常钻井作业时由换能器51接收到的信号（它包含所有与钻井作业同时发生的噪声但不含载有信息的信号）。在这种情况下图10的配置也可用来演示所需步骤。为得到函数u（t）的记录所需步骤可陈述如下：

步骤（α）.在钻头加上荷重并进行正常的钻井作业。

步骤（β）.选择一个不存在载有信息的信号的时刻，即二进制字之间的间歇时刻。

步骤（γ）.得到一个表示在换能器51处钻井流体压强变化的信号。该信号被送到滤波器150。由于上述步骤（β）所选的时刻信号b（t）不存在，因此，从滤波器150输出所获得的信号的形式是F（t）＝P（t）+U（t）。

步骤（δ）.泵机噪声信号P（t）被消除掉。这是由延时单元152和减法器160完成的。然后，将结果信号送入模数转换器163。由于不存在载有信息的信号，即b_t＝0，因而在模数转换器163输出端得到的信号的形式是x_t＝u_t。

步骤（ε）.如图10所示，利用模数转换器163输出端的存贮与调用单元224得到函数x_t＝u_t的记录。

概括上述内容可以看到，如果噪声是白噪声，则图7所示的匹配滤波器170及其有关的组成部分保证了信噪比μ取最佳值。如果噪声不是白噪声但其自相关函数为已知的，则如图12所示的匹配滤波器220及有关的组成部分保证了μ的最佳值。

ⅩⅢ.维纳型脉冲成形滤波器

图13显示出包含有一个滤波器的部分地面设备，这个滤波器的工作原理与图7和图12中的匹配滤波器的工作原理不同。图7或图12中的匹配滤波器是一个线性滤波器，它使信噪比达到极大，在这个意义说它是最佳滤波器。而图13中的滤波器240（称之为脉冲成形滤波器或维纳滤波器）是一个线性滤波器，它使期望的输出与实际输出的均方差达到极小，在这个意义上说它是最佳的。（查阅这类滤波器的描述，可参阅E.A.Robinson和Sven    Treitel写的“数字维纳滤波原理”，Geophysical    Prospecting（地球物理勘探）第15卷，1967，第312-333页、或者Sven    Treitel和E.A.Robinson写的“高分辨数字滤波器的设计”，IEEE    Transactions    on    Geoscience    Electronics（电气与电子工程师学会会刊地学电子学专集，卷GE-4，第1期，1966，第25-38页。）

图13中的脉冲成形滤波器240，通过它的输入通道接收模数转换器163输出的关于函数x_t＝b_t+u_t的数据。该脉冲成形滤波器是一个长度为（m+1）的滤波器，它的记忆函数是

f_t＝（f₀，f₁，…，f_m） （50）

它在使误差能量达到最小的意义下将长度为（n+1）的输入x_t＝（x₀，x₁，…，x_n）转换成长度为（m+n+1）的输出Z_t＝（Z₀，Z₁，…，Z_m+n）。图14给出这种滤波器的一个模型。在此模型中有三个信号，即：（1）输入信号x_t，（2）实际输出信号Z_t，（3）期望的输出信号b_t。信号b_t是如图8C所示的双子波。

输出信号Z_t是滤波器记忆函数f_t与输入函数x_t的褶积，即

Z_t＝f_t＊x_t（51）

我们的问题是确定记忆函数f_t，使得实际输出Z_t尽可能地（在最小误差能量意义下）接近于期望的输出b_t。为选择此记忆函数，使下述变量取极小值：

I＝（期望输出与滤波后信号子波之间的平方误差之和）+ν（滤波后噪声功率）。

这里ν是预先设定的加权参数。

为使I极小化所需的计算由计算机245完成。计算机245有三个输入通道：246、247及248。存贮与调用单元173通过通道246向计算机245传送关于函数b_t的数据。同样，存贮与调用单元224通过通道247向计算机245传送关于函数u_t的数据。通道248用于向计算机245传送关于函数x_t的数据，这些数据还送到脉冲成形滤波器240的输入端241。

当计算机245通过通道246、247和248分别接收了输入信号b_t，u_t和x_t后，便完成若干计算（见下文中的描述）并通过输出通道251向脉冲成形滤波器240传送关于滤波器240的记忆函数的必要数据。这样，实际滤波器输出Z_t在最小误差能量的意义下，尽可能地接近于期望信号b_t。换句话说，如图10D所示，

Z_t～b_t（52）

现在更详细地考虑计算机245完成的运算。要使其极小的量I可用符号表示成

I＝ $\underset{\mathrm{t\; =\; 0}}{\overset{\mathrm{m\; +\; n}}{\mathrm{\Σ}}}$ （b_t-Z_t）²+VE〔V² _t〕 （53）

这里的记号E〔〕表示集合平均，而

$V_t=\underset{\mathrm{s=0}}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{S}u{}_{\mathrm{t\; -\; s}}$

代表滤波后的噪声。简化I的表达式，得到

$\mathrm{I\; =}\underset{\mathrm{t\; =\; 0}}{\overset{\mathrm{m\; +\; n}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{(b}}_t\underset{\mathrm{s\; =\; 0}}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{s}x{}_{\mathrm{t\; -\; s}}){}^2\mathrm{+\; v}\underset{\mathrm{s\; =\; 0}}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{t\; =\; 0}}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{S}q{}_{\mathrm{t\; -\; s}}f{}_t\mathrm{(54)}$

这里q_t-s＝E〔U_τ-sU_τ-s〕 （55）

式中是一个哑时间脚标，q_t-s是接收噪声的自相关。对每个滤波器系数求I的表达式的导数并定其等于零，便得到一组联立方程式，

即 $\underset{\mathrm{s=0}}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}$ f_sγ_t-s+νq_t-s＝g_t（56）

这里t＝1，2，…，m。在这组方程式中，是γ_t-s，q_t-s和g_t都是已知的，而量f_s是未知的。

计算机245所完成的计算用于根据分别加到通道248、247和246的输入函数来确定参数γ_t-s、q_t-s和g_t，

求解方程组（56），获得未知量f_s之值。参数γ_t-s、q_t-s、ν和g_t定义如下：

参数γ_t-s是通过通道248送到计算机245的输入信号x_t的自相关。参数q_t是通过通道247送到计算机245上的噪声信号u_t的自相关。g_t定义为期望输出b_t与输入x_t的叉积系数。即对于t＝0，1，2，…，m，

$g_t=\underset{\mathrm{s\; =\; 0}}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{s}x{}_{\mathrm{s\; -\; t}}\mathrm{(57)}$

在g_t的表达式中其期望输出b_s是经过通道246送入计算机245的，而输入x_t是通过通道248送入的。参数ν是一个加权参数，对它赋予了一个适当的值，这将在本说明的后面部分讨论。

这样由计算机245就确定了参数γ_t-s，q_t-s和g_t。然后再由该计算机求解方程组，于是在输出通道251上产生量f_s。将这些量用作脉冲成型滤波器240的记忆函数。滤波器240的实际输出Z_t在最小误差的量意义下尽可能地接近于期望的输出b_t。

由于方程矩阵（即矩阵〔γ_t-s+νq_t-s〕是自相关矩阵的形式，这些方程能用递归方法有效地求解。这种递归方法已在下列两篇出版物中描述过：N.Levinson的“滤波器设计和预测中的维纳根均方（RMS）判据”，此为N.Wiener的《平稳时间序列的外推、内推和平滑》一书的附录B，John Wiley出版，纽约，1949，以及Enders A.Robinson所著《统计通讯与检测，特别涉及雷达和地震信号的数字信号处理》第274-279页，Hafner出版公司，纽约，1967。

应当指出，对于一个有m个系数的滤波器求解上述联立方程组，用递归方法所需要的计算机的时间与m²成正比，而对于使用传统的联立方程求解方法其计算时间与m³成正比。使用这种递归方法的另一个好处是它所需要计算机存贮空间与m成正比，而不像传统方法中那样与m²成正比。

在设计脉冲成形滤波器时应考虑两点要求：

（a）使函数Z_t的形状尽可能接近于期望的函数b_t，

（b）当不需要的平稳噪声是其唯一的输入时，应产生尽可能小的输出功率。

在很多实际问题中需要一个滤波器能同时满足上述两个要求，于是面临的课题是在这两个要求之间找出一种适当的折衷方案。因此，要对参数ν选定一个适当值，它给出这两个要求之间的相对权重。

有些场合指定ν值为零。此时表达式（53）取其较简单的形式，即

$\mathrm{I\; =}\underset{\mathrm{t\; =\; 0}}{\overset{\mathrm{m\; +\; n}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{(b}}_t\mathrm{-z}{}_t){}^2\mathrm{(58)}$

而计算机245便不需要表示u_t的数据。在这种情况下，图13中的存贮与调用单元224被去掉了，而计算机245只有两个输入通道，即通道246和通道248。

现在应该看出，脉冲成形滤波器和匹配滤波器的性能不是完全相似的;就是说，对于给定的输入信号，这两个滤波器的输出是不同的。上面用到了适用于匹配滤波器的表达式y_t～b_t，为的是指明由y_t表示的信号（它代表匹配滤波器的输出）密切近似于双子波b_t。

相应地，曾经指出过图8D中的同一张图既代表函数y（t）也代表函数b（t）。还应当指出，上面用到了适用于脉冲成形滤波器的表达式Z_t～b_t，为的是指明由Z_t表示的信号（它代表脉冲成形滤波器的输出）密切近似于双子波b_t。相应地，曾经指出过图8D中的同一张图既代表函数Z（t）也代表函数b（t）。严格地说，不应该用图8D中的同一张图来表示函数b（t）、Y（t）和Z（t）。然而，既然Y（t）和Z（t）都密切接近于b（t），为便于解释而使用图8D中的同一张图来讨论匹配滤波器和脉冲成形滤波器的性能，应该确信是适当的。

ⅩⅣ.子波尖峰化

现在考虑图15所示的操作配置。我已在减法器160的输出端162上得到了载信息信号b（t）和噪声信号U（t）。信号b（t）是如图8C所示的双子波。把信号b（t）和U（t）的混合物送到模数转换器163，由此在转换器的输出端164产生数字化信号b_t和U_t;这些信号分别相应于模拟信号b（t）和U（t）。将这两个信号b_t和U_t依次送到尖峰滤波器351的输入端300。尖峰滤波器是维纳型脉冲成形滤波器的一个特殊情况：其中所期望的波形只是一个尖峰。（为查阅有关尖峰滤波器的描述，可参考S.Treitel和E.A.Robinson合写的“高分辨数字滤波器的设计”，IEEE Transcations on Geoscince Electronics（电气与电子工程师协会会刊地学电子学专号，第GE-4卷，第1期，1966，第25-38页。）

我们记得，如图8C所示的一个双子波b（t）由两个阀门子波组成，即阀门子波“A”和阀门子波“B”，阀门子波“B”跟在阀门子波“A”的后面，迟后时间为T_p。在图15的实施方案中要使用的尖峰滤波器的作用是把阀门子波“A”和阀门子波“B”变换成各个清楚分辨出来的尖峰。这样，利用尖峰滤波器351就将一个双子波b_t变换成一对尖峰。

图16A至16F分别给出一对尖峰（例如M₁和N₁）相对于加到尖峰滤波器351的输入端300的双子波的六种可能的状态。令T_k为尖峰M₁和N₁之间的时间间隔，这在图16A至16F中都是相同的。令H₁为尖峰M₁与横坐标的交点（以毫秒表示），这样，距离OH₁（以毫秒计）将表示尖峰相对于双子波的时间延迟。因此，图6A中的时间延迟OH₁＝0，即初始尖峰M₁处在双子波的最开始点。图16B至16F中的五种情况相应于时间延迟OH₁值的增加。这些图中有一个代表时间延迟的最佳值;对于此值，其尖峰滤波器的分辨力最高。对于这种最佳延迟的，由尖峰滤波器产生的输出信号要比对任何其他时间延迟得到的信号要显著地尖锐。在下文中将描述获得时间延迟最佳值、滤波器记忆函数的最佳长度以及时间间隔T_k最佳值的程序。

在尖峰滤波器351的输出端得到的双尖峰代表操纵阀门40的数字化信号的一个比特（二进制位）。如前面结合图7的讨论所指出的那样，我们希望把双尖峰转换成单尖峰或者脉冲。这里我应用了与图7的系统相似的处理系统（见本说明的第Ⅹ部分：“从双子波编码序列到短脉冲编码序列的变换（步骤3）”）。据此，我采用了一个延迟单元303，它由时钟304控制并与极性反转单元306和与（AND）。（符合网络）307相连。这些部分的配置与图7所示配置相似。然而，图15中的延时量与图7中的延时量不同。就是说，在图15中延迟单元303产生的输出信号相对于输入信号的延时应为T_k，而图7中相应的延迟单元193产生的延时为T_m。把在与门307输出端得到的单脉冲编码序列送到由时钟309控制的数模转换器308上。在数模转换器308的输出端上得到了一个模拟量形式的信号，它代表井孔内所选参数的测量值。这个信号由记录器54记录。

应当指出，在某种情况下，根据图15所示各功能块所选用的具体电子线路的不同，极性反转单元306可能并不需要，因为它的功能可以由适当设计的与门来完成。

图17给出用尖峰滤波器消除噪声的另一种配置。在图15中提供了一种特殊装置用来消除泵机噪声（即与减法器160相连的延时单元152）。而在图17中消除噪声的过程被简化了。这样就去掉了使用延迟单元152和减法器160进行的信号处理。于是，在图17中滤波器150的输出端151处得到的信号F（t），用模数转换器350进行数字化，然后送到尖峰滤波器351a。该尖峰滤波器351a的设计与图15中的尖峰滤波器351不同。在图15中所设计的尖峰滤波器用于将图16A至16F所示的双子波变换成一对尖峰，并且彼此时差为T_k。而图17中的尖峰滤波器351a被设计成将单阀门子波变换成单尖峰。图18A至18F给出单尖峰相对于单个阀门子波的各种不同位置。

我们记得，加到滤波器351a输入端的每一个单阀门子波和在滤波器351a输出端得到的每一个单尖峰代表操纵阀门40的数字化信号的一个二进制位。将在尖峰滤波器351a输出端得到的数字化形式尖峰编码序列又送到数模转换器352，由它转换成尖峰编码序列，每一个尖峰代表由地下仪器编码信息的一个二进制位。这一串二进制位以数字化格式表示出所选参数的测量值。然而，为了便于记录和/或显示，有必要以模拟量形式来表示测量结果。因此，将数模转换器352的输出信号送到数模转换器362，在转换器362的输出端产生的信号的大小代表所选参数的测量值。这个信号由记录器54记录。

应该指出，如图15所示用尖峰滤波器351把双子波转换成双尖峰或如图17所示用尖峰滤波器351a把单阀门子波转换成单尖峰都只能是近似的。一个纯粹的尖峰，即一个δ-函数是得不到的。然而这一发明的目的是为了增加分辨力，即指要得到的输出信号比输入信号要显著地尖锐。

现在考虑设计一个尖峰滤波器应采用的方式。在理论上，如果能使用一个记忆函数可为无限长的滤波器便能精确地实现这一目的。为获得严格精确的滤波器性能指示，一般还需要使期望的尖峰相对于输入子波延迟无限长的时间。（见J.C.Claerbout和E.A.Robinson合写的“最小平方反演滤波中的误差”，Geophysics（地球物理），第29卷，1964，第118-120页。）在实践中，所设计的数字滤波器的记忆函数必须是有限长的，因此，最好的情况也只能是近似地达到以上目的。

假定由于实际原因要考虑一个滤波器，它的记忆函数长度与输入子波的持续时间同数量级。假定可以将所希望的尖峰自由地置于任何所选定的位置。例如，图16A至16F给出对于图15中的尖峰滤波器301的六种可能的尖峰状态或位置。类似地，图18A至18F给出了对于图17中的尖峰滤波器351的六种可能的尖峰位置。对这些情况中的每一种情况都确定了尖峰的最佳位置。应该指出，尖峰的位置是控制实际输出与所期望的尖峰相象程度（保真度）的一个重要因素。

尖峰滤波器是前面描述过的维纳型脉冲成形滤波器的一个特殊情况。因此，设计这类滤波器所需程序与前面描述过的设计程序相似。我们关心的是对输出信号是尖峰的一个滤波器确定其最小误差能量。

为了对图15中的尖峰滤波器301确定出时间延迟最佳值和记忆函数的最佳长度，有必要得到一个双子波b_t（它是b（t）的数字化形式）的记录。得到这个记录的必要步骤（即步骤（a）、（b）、（c）、（d）、（e）和（f）已在前面参照图12描述过了。这样，在图10的配置中就把b_t的记录存贮在单元173中了。类似地，为了对尖峰滤波器351a确定出时间延迟最佳值和记忆函数最佳长度，有必要得到一个单阀门子波B_t（它是B（t）的数字化形式）。

考虑图19中的尖峰滤波器351a。相应于各个不同延迟（图18A至18F）的尖峰位置可表示成：

（1，0，0，…0，0）：尖峰位于时间标号0或称零时尖峰滤波

器。

（0，0，0，…1，0）：尖峰在时间标号m+n-1或称

（m+n-1）-延时尖峰滤波器。

（0，0，…0，1）：尖峰在时间标号m+n;（m+n）-延时

尖峰滤波器。

图19A，19B和19C图示出相应于各种延时的尖峰滤波器的性能。在这些图中的输入子波都是相同的，即阀门子波B_t，它已知如上所述被记录和存贮起来。图19A的期望输出是尖峰（1，0，0），即该尖峰有零延时。对零延时的尖峰滤波器，其相应的记录函数是F°＝（F°₁，F°₂，F°₃…，F°_n），而实际输出是W°_t＝（W°₁，W°₂，…，W°_n）。可将类似的符号用于图19B和19C。对每个尖峰位置存在相应的能量误差E。归一化最小能量误差E表示测量维纳型脉冲成形滤波器性能，特别是尖峰滤波器性能的一种很方便的办法。如果滤波器性能完美，E＝0意味着对于所有的时间值，期望信号与实际滤波器输出相一致。另一方面，E＝1的情况相应于最坏的可能情况，即期望的信号与实际输出完全不一致。人们希望考虑E的对于1的余数，并不是量值E。并应把它称作滤波器的性能参数P。

P＝1-E    （46）

于是当P＝1时为完美的滤波器性能，而当P＝0时出现最坏的可能情况。

图20给出测量性能参数P的过程示意图。计算机400有三个输入通道：401，402，404。输入通道401从存贮与调用单元403接收表示一个阀门子波B_t的数据;输入通道402从时间延迟控制器405接收关于不同时间延迟的尖峰的数据;输入通道404从记忆长度控制器接收关于不同记忆长度的尖峰的数据。在计算机400的输出端410，由表头411给出性能参数P的测量值。

对于滤波器长度不变的情况，可以假设必定至少存在一个时间延迟值使P尽可能地大。图21是对于一族固定记忆长度的滤波器来说，参数P对输出尖峰延迟时间的关系曲线。可以看到，曲线最高点（点M₁）相应于时间延迟ON₁，选择这个时间延迟便得到最佳时间延迟滤波器，应该提醒一点，即图21中的曲线是针对着固定记忆长度的滤波器得到的。

还能看到当延迟时间不变时，随着滤波器记忆长度的增加会出现什么情况。图22是对于一个所期望的固定的尖峰时间延迟来说，参数P对滤波器长度的曲线图。可以看到，这条曲线是单调曲线，当滤波器长度变得越来越长时曲线渐近于P的最大值。图21和22所示曲线是用图20所示的装置得到的。

这里所讨论的两个重要的设计标准是滤波器时间延迟和滤波器记忆长度。靠增加记忆函数长度总能改进性能，但物理条件不允许使这个记忆函数无限加长。另一方面，可以找到一个所期望的输出时间延迟，它对于给定的滤波器记忆长度产生最高的P值。滤波器输出中的这个时间延迟并无害处，相反能大大改进滤波输出。

把滤波器性能参数P作为时间延迟的函数而滤波器长度固定（图21），或把参数P作为相对某一固定时间延迟的滤波器记忆函数长度的函数（图22），这都是很有帮助的，但并未反映出它的全貌。理想情况是希望对于这些变量的所有物理上合理的值去研究P对时间延迟和记忆函数长度的依赖关系。能这样做的一种途径是取滤波器的时间延迟为纵坐标而以滤波器记忆函数长度为横坐标绘出P图。P值数组便可以绘制成等值线，因此人们一眼可以看出哪一个时间延迟与记忆长度的组合能得出最佳的滤波器性能。图23给出这种等值线图。这张图只绘出P₁，P₂和P₃的等值线。显然，最感兴趣的是较大的P值，因为正是在那里才能得到最好的滤波器性能。这种显示方式使人们能够通过查看图形来选择滤波器时间延迟和记忆长度的最好组合。

ⅩⅤ    附加说明

（1）为了得到本文前面所描述的冲击波，对于K₂（阀门开口面积的平均变化速率）和T^（v） _b（开流时间）有某些限制。实验表明K₂应至少不小于5厘米²/秒，最好在20厘米²/秒至150厘米²/秒范围内。T^（v） _b最大不应超过500毫秒，最好在50毫秒至150毫秒范围内。

（2）必须说明，尽管所举实例中的同步脉冲（钟155）是由连在泵轴上的发生器产生的，或者由在其母专利申请案中所描述的锁相环产生，但也能提供其他手段来产生与泵机动作同步的钟频。例如，通常与泵机连杆相连的公知的“泵机冲程计数器”就可以用于每冲程产生一个电脉冲。这种序列脉冲的每相邻两个之间的时间间隔可以分成适当数目（例如512或1024）的等时间隔，为此可使用微处理机或锁相 环，或者计算机与电子技术中熟知的其他手段。在这种配置中不需要接触泵机传动轴，与发生器155产生的频率相等的钟频可以由微处理机或泵冲程计数器开关产生。

（3）在本说明的头一部分已较详细描述过产生流体冲击波的条件和有关的“阀门子波”。在某些深度（例如深度较浅时）可能出现上述阀门子波不能很好形成的情况。对于这种阀门子波，在钻杆中，必须有足的泥浆流量，而且在发送机端点有足够大的流体静压强。应该清楚地知道，我的发明并不限定于文中所示的特定的子波，而是可以应用于其他形式的压强脉冲，这些形式的脉冲作为阀门40动作的结果在地面上能够被检测到。

（4）上面相当详细地描述了几种数字滤波器，包括匹配滤波器、脉冲成形滤波器和尖峰滤波器，特别是给出了要完成的一系列操作的细节，从而清楚地解释了每个数字滤波器的性能。对这些操作作了解释并通过适当的数学公式表示出来了。可以清楚地知道，利用现代计算机技术，一个具有这方面技能的人能够根据本说明书的描述写出必要的计算机程序，从而由图7、10、11、12、14、15、17、19所描述的各项操作可由适当的软件来完成。

（5）除了本文描述的分路阀门型方法以外，对于使用泥浆脉冲进行传输测量的其他形式，我所描述过的各种数字滤波器均可以应用。这些其他测量形式可以包括如颁发给J.J.Arps的美国2，787，795号专利所描述的方式，其基础是利用主泥浆流中适当位置上放置的限流阀门实现对泥浆流环路的可控约束。广义地说，我所描述的数字滤波系统可以应用于钻井过程中进行测量的任何形式的遥测系统以及为了将测量仪器放入钻井中需要将钻井设备移走的其他测量方式。它可应用于利用脉冲代表任何形式能量的遥测系统，例如电脉冲、电磁脉冲、声脉冲以及其他脉冲。

（6）有两种妨碍接收有用信号B（t）的干扰噪声信号（见等式（22）），其中之一代表泵机噪声P（t），另一个代表泵机动作以外的其他各种钻井作业所产生的噪声U（t）。为了消除这些干扰信号，我提供了三种滤波系统、称为滤波系统1、系统2和系统3。

滤波系统1是模拟滤波器150。这个滤波器的目的是抑制换能器输出中代表泵机27产生的压强稳态分量以及感兴趣频段以外的其他频率分量。

滤波系统2包括延时单元152和减法器160。这个系统的目的是抑制或消除泵机噪声P（t）。

滤波系统3包括一个相关器、或一个数字滤波器（如匹配滤波器、脉冲成形滤波器或尖峰滤波器）以及其他有关的单元（如存贮和调用单元）和用于确定相关数字滤波器记忆函数元素最佳值的计算机（见图7，10，11，12和13）。系统3的目的是消除或抑制噪声U（t）。

滤波系统1，2，3是串联起来的。在上面描述的我的发明的若干实施方案中，滤波器系统1与压强换能器51相连，系统2与输出端151相连，系统3与系统2的输出端164相连。

上述滤波系统均为线性系统。因此，这些系统的功能可以互换或反向。就可以首先从滤波系统1开始，然后将滤波系统2和3的顺序互换。在某些情况下也不一定把这三个滤波系统都用上。其中任意二个可能已足够了，在某些情况下可能只用一个就可以。还有，导线182和210之间的系统有时也可取消，这时用数模转换器211接收双子波。

（7）当由第ⅩⅢ部分（步骤a至f）所描述的过程产生的信号被 捕获并存贮起来的时候，它可以与换能器51等产生的原始信号作互相关，或者与图7至17的导线162处的预先处理过的信号互相关，当与换能器51处的原始信号互相关时，“双子波”中的第二个子波要通过公知技术中适当的办法消除掉，以便能与换能器51输出处的单个子波互相关。

图31、32、33给出了用于实践本发明的各种方法的设备。这些不同的系统能用于地面上向泥浆柱中发送压强信号，这些信号可为井下设备（例如位于钻具组中钻头的正上方靠近钻头处）所接收。首先看图31，这张图给出相应于图3的位于地面上的设备，其中未画出钻具和钻杆。泥浆泵27从泥浆槽28向竖管24提供稳定的泥浆流，竖管24又与软管和钻具相连（见图3）。

与竖管24相连的压强换能器接收从钻井具中的设备传输出来的泥浆柱中的压强信号。

为了在流体柱中传送指令信号，把分路阀门700的一侧与分支管704相连，它是从泥浆泵出口管703延伸而来的，把泥浆返回管104连到阀门的另一侧。当阀门700打开时，由导管703提供的小量钻井液体通过管704返回泥浆槽28，从而供给竖管24的泥浆压强减小了，因而向整个钻具供给的泥浆压强也减小了。阀门700由放大电路706提供的信号控制，而此放大电路706又依次由一个电子信号发生电路708控制，后者又是依次响应命令信号输入710而动作的。

这个命令信号可以是代码形式，它可以按操作人员的意志由开关710A启动。这个代码可以是串行码。图31中的装置是专为传送这类串行码的。代码也可以是二进制码，由有一定间隔的脉冲组成，用以代表“1”或“0”。这类代码已为人们公知。

图31的设备存在的问题之一是分流钻井流体或泥浆必须返回泥浆槽28。当阀门70瞬时开启时，在短时间内产生较大的钻井液流速。为了防止出现反压，当阀门打开时，它将限制泥浆流穿过此打开的阀门，导管704的截面积通常必须至少如分支导管702及阀门开口截面积那样大。这就要求一个直径相当大的导管从阀门700返回到泥浆槽28。为了免除这种必要性，利用了一个波动吸收器712。这类波动吸收器在石油工业中是公知的，可以是“Hydrill    Surge    Absorber（Hydrill波动吸收器）”K型或V15型，由Hydrill公司生产（公司地址：714    W.Olympic    Blvd.，Los    Angeles，california    90015）。波动吸收器是一个密封容器，有一开口714。经支管716与导管704相通。装置712的内部由隔膜718分成两部分。在隔膜上部的密封区充以可压缩气体720，当打开阀门700时，在泵机27输出端的液流柱的压强立即通过供压支管716加到这个流体阻尼器内的下半部722。这使隔膜718弯曲，使气体720被压缩。当闭合阀门700时，供压支管716的返回管704中的流体压强立即开始降低，使气体720可以膨胀，推动隔膜716返回其正常位置。这样，波动吸收器使液流平稳了。这使从支管716回到泥浆槽28的泥浆返回管部分704A中的液流速率可以相当小，这个流速一般不超过每分钟几夸脱。一般说来，由于使用了波动吸收器712，会得到足够小的流速，从而可以使用小的软管（如花园用水龙带）把泥浆回送到泥浆槽28。为进一步使液流平稳到比较小的流速，可以在管704A中插入一个节流挡板721。

图32是实现图31装置的基本概念的一种改进手段，其中不需要具备将泥浆返回泥浆槽的设备。支管702从泥浆泵的出口703延 伸，连接到分流器726的入口724。阀门700由一个短管728连到分流器的第二个入口730。导管734与T形接头732相连接并延伸到一个小液体动泵736。泵736的一个端口与导管738相连。导管738又返回阀门700。支管740从导管738通到波动吸收器744的只入开口742。波动吸收器744内部由隔膜750分成充气的上半部746和充液的下半部748。类似地，分流器726由隔膜752分成分开的两个液体腔。

图32所示装置的运行过程如下：当启动泥浆泵，钻井液经过导管703和竖管24进入钻井具，这时操作员可利用命令信号输入装置710、信号发生电路708和放大器706来启动阀门700，从而传送出去选定的命令信号。当阀门700瞬时打开时，液体将从波动吸收器744的下半部充液腔经导管738、阀门700和导管728进入分流器726的上半腔。这就是当波动吸收器的充气腔746中的气体压强大于导管703中钻井液体压强时的情况。这样，当阀门700瞬时打开时，高压液体便注入分流器726的隔膜752以上的部分。这将迫使隔膜752向下产生一个正压强脉冲，它通过管道702传入与竖管24相连的流体循环系统。把这个压强信号向下传送到井孔中的整个液柱和钻管中包含的仪器上。当阀门700关闭时，液流中止。然后把小泵机736启动，它把液体从分流器隔膜752上部经导管734和738泵入波动吸收器的下部748，再次使充气部分746中的压强增加到超过钻井液压强。当完成这一过程之后，阀门700可以再次被开启，产生下一个要传送到井孔内液柱上的正压强脉冲。可以看出，泵机736能连续运行。利用减压阀门（图中未画出）可以使充气腔746中的压强维持在大于钻井液压强的一个预先选定的水平之上。此外，可以看出，若选择一个大尺度的波动吸收器744，可以在必须启动泵机736使压缩空气压强恢复到预选水平之前，通过顺序地打开和关闭阀门700传送多个压强脉冲。

图32的设备不需将泥浆送回泥浆槽。在图31中，当阀门700打开时，向井孔中的液柱加了一个负压强脉冲，而在图32中，如所描述的运行过程所表明的，是传送出一个正压强脉冲。用图32的装置，在阀门700开启时也能发送出一个负压强脉冲。在这种运行方式下，液流阻尼器744的充气部分746中的压强低于导管703中的钻井液压强。在这种运行方法中由小泵机736泵出的液体沿图32所指方向的相反方向流动。在每种情况中都假定泵机736包含一个单向阀，它只允许液体沿一个方向流动。

图33给出在地面上向钻井泥浆柱发送压强脉冲的第三种方法。支管702从泥浆泵出液管伸出来连到分流器756的入口754。隔膜758将分流器分成上腔与下腔。上腔有一开口760，连接从活塞缸764出口伸出的导管762。活塞766在活塞缸中往复运动。活塞有一连杆768、曲柄770由马达772转动。曲柄由连杆774与活塞杆768相连。

马达772由控制电路776控制，它可以是一个可控硅整流器电路，由它控制启动、停止及可变的速度。例如，由General    Electric    Company（通用电气公司生产的可调速驱动器。（型号DC-SCR，商标“VALUTROL”。）利用一个小的操作员控制器778，马达772能够被启动、停止和变速。为保证所产生的正弦信号有预先选定的频率，由马达772驱动一个测速表779。测速表779的输出被送入控制器778，从而可以选择马达772的转速，以便按照向井中液柱发出的压强脉冲的要求提供所需频率。

在图33设备的实现中，最好是在活塞缸764中的活塞766两侧充以液体。平衡管780与活塞缸内活塞766尾部相通并连接波动吸收器782的下部。该波动吸收器的上部784充以具有一定压强的气体，而下部786充以液体，例如液压油。

当操作员要产生一个信号传送到井孔中某一位置时，便启动马达772。当马达转动推动活塞向左时，流体被迫从活塞缸进入分流器756的上部，使隔膜758向下运动，迫使一个压强脉冲通过竖管724，该竖管与钻井具内部相通。当活塞766向左运动时，液体从流体平衡器782的下部786吸入活塞缸。于是使上部784中的气体压强与导管703中的泵压强相等。这样，活塞766的两侧压强通常相等，除非在马达772启动时及之后，这时的压强正需要向液柱施加压强信号。

当曲柄770使活塞766向右运动时，隔膜758上部的流体压强减小，造成对液柱的负压强脉冲。这样，当曲柄770转动时，便在液柱上加以正弦形正负压强信号。通过控制马达772的旋转速度，可以改变该正弦信号的特性。以这种方式，从地面传向地下的信号能由马达772的启停或由马达的转速来控制。

可以看出，由图31、32和33所示装置实例说明的各种提供压强信号的手段并不需要泥浆泵27被停止、启动或减速。用这些图中所示装置不会干扰钻井液的流动，因而避免了以前实践中使用的靠启停泥浆泵来传送命令信号的方法所带来的问题。

图4绘出的设备可用于井下接收来自地面的信号，以向钻具组中位于钻头附近的仪器发出命令。图34与图3A相对应，只是为在井底产生信号的阀门运行细节由虚框788表示。压强换能器790位于井下仪器壳的上部250A。在钻管内部的压强经通道792与换能器790通讯。经过通道86A，换能器790的另一侧受到环形空间 66中的压强，这是因为该压强通过阀门口85传送，再由活塞82经由腔室83传递过去，而腔室83与通道86A相连。这样，换能器796受到钻具组内部与井孔环形空间之间压强涨落的作用。通过钻具组内部向下传送的压强信号由换能器790转换成电信号，再经导线92A送给位于仪器壳下部250B中的仪器。这仪器中包括一个滤波器794，它只允许通过由地面传下的压强脉冲产生的电信号。滤波器794的特性将在下文中详细描述。把滤波器794的输出送到放大器796，再送到脉冲发生器798，它向步进开关795的线圈送入脉冲信号，以此推动开关以获得以前描述过的各种仪器功能。

与现有技术的装置相比较，我们发明的一个突出特点在于由地面向井下接收装置传送的命令信号的类型。在现有技术的装置中（例如由Westlake等人所描述的）命令信号是由钻井工产生“启/停泵机事件”（即启动或关掉泵机）得到的。这些“事件”表现为压强的变化，它在井下被一个压强变化率开关（Westlake等人用符号表示成（ (dp)/(dt) ）的开关）检测出来的。这样，在Westlake等人的装置中有两个相关联的量，即时间间隔dt及在此时间段内发生的压强变化dp。然后把这两个量转化成单个量，将它表示成压强变化率 (dp)/(dt) 。在Westlake等人的装置中的一个重要元素是 (dp)/(dt) 的阈值，它可用符号“M”表示。Westlake提供一个当上仅当dp/dt超过“M”时才被启动的信号。

要选择一个“M”值使Westlake系统可靠运行，如果说不是不可能的，也是极其困难的。由于各种钻井作业，会在钻井循环系统中产生大量的附加压强变化。这些变化会使压强变化速率不规则地或偶然地增大，以致使dp/dt会增大到超过临界值“M”。这将产生钻井工完全控制不了的无规则干扰压强脉冲。于是该装置因这类干扰而无法运行。钻井工可能决定发送命令信号启动该装置，但这种干扰信号可能使该装置不可能执行这个命令。

我的发明的目的是提供一种命令和问答系统，它的工作原理不同于现有技术：在我的装置中，通过把命令信号表示成窄频带内的周期性压强变化，来获得选择性。把这些压强变化在适当的时间区间内作传送。这样在我的接收系统中的有关量是接收信号的频带和接收时间。通过压缩频带和相应地增大接收时间。我们能获得相当好的选择性，从而得到很有效的噪声-信号接收能力。原则上，通过减小频带宽度和采用适当长的接收时间，我可以获得任何所希望的高选择性。我所得到的选择性较现有技术中的装置的选择性大得多。

图35A和35B给出用本发明的原理可以传送的压强信号的类型。在这些图中横坐标是时间，纵坐标是钻井液压强。请理解这里所示的压强波形并不与通常的总液压成比例，而是大大跨张了，再有，由泵机产生的压强波动和噪声也未画出。图中绘出的压强波被叠加在钻井过程中钻井液系统存在的这些其他压强变化上。

图35A给出的信号脉冲类型（绘出的是理想形态）可以由图31和32所示系统产生，在这些系统中阀门700以予选频率开闭，用来产生二进代码。信号的第一部分使仪器处于接收信息状态。然而利用计时的时间段，将二进制数传送出去例如图35A中的100101（通常它代表数字27），这可利用通常的二进制编码技术来实现。

图35B绘出由图33的机构产生的理想的信号，在这种机构中泵机772和764以选定的信号频率操作。该图指出二进制数101001（它通常可代表数字41）的传送方式。

当所用信号接收系统要检测混有泵机产生的压强波动及钻井系统产生的压强变化噪声的弱压强脉冲信号系统时，图35A和35B中的信号格式的优越性显得特别重要。

图35A和35B所示的这类压强脉冲由图34的井下仪器中的换能器790转换成相应的成形电信号并给导线92A馈送到滤波器794。请注意到这些信号是叠加在代表泵机压强波动和钻井噪声的大得多的电信号之上的。滤波器794的作用是尽可能成功地扼制住全部额外的电信号，而只允许由图31或32中的阀门700或图33中的泵机764和772引进钻井流系统中的信号所对应的电信号通过。尽管多种滤波器都可用于这一目的，一种特别适用于这一目的的滤波器系统是锁定放大器型滤波器。利用锁定放大器作为滤波器794便可能将窄带信号从干扰噪声中分开。利用精确的时钟795（例如石英品体控制的时钟或者振荡器与频率倍减器）向井下滤波器794提供相应于图35A和35B所示地面发生的信号的频率，这样在存在大量不相关噪声的情况下也能检测出很小的信号。

锁定放大器基本上是一个后面接有低通滤波器的同步解调器。利用这种技术，信号可以从几乎比它大100，000倍的噪声中恢复出来，这是100分贝的动态范围。

满足滤波器794要求的锁定放大器可以用市场上买到的集成电路，例如Analog    Devices    Company（模拟设备公司）生产的AD    630型集成电路。

图36是所描述的信号传送系统的一个实际应用。钻深井找油找气的通用手段是使用回转式钻机，其中的一组钻管由地面上的转盘来转动。在钻具组下端是旋转钻头31，它有一小孔（或称喷嘴）33，这些组成部分已在图中示意性给出。把钻井液压入钻具组并经喷嘴33进入钻井环形空间60。当钻井流体在环形空间60中向上流动时便将钻头31切削下来的碎屑带到地面供处理。

在钻井过程中常常需要向钻井液中补充失掉的循环物质以避免钻井液漏到透水地层中去。而这种失掉的循环物质偶而会使喷嘴33阻塞，结果中止钻井液在井孔环形空间中向上流动。当发生这种情况时，悬浮在钻井液中的固态物（诸如切削碎屑等）便从环形空间中的钻井液向下沉落，积聚在钻具组下端周围。这种情况偶而会使钻具被卡住，造成严重后果。

图36给出避免喷嘴堵塞时钻井液停止循环的装置。容器800包括一个阀门802，它通常关闭钻井具组内部与井孔环形空间60之间的通道804和806，阀门坐808构成通道的一部分。在容器800中有一个压强换能器790A它经由液体通道810在钻具组内探测循环液体压强的变化。该换能器将压强变化变换成电信号，这些电信号经放大器796A连到滤波器电路798A。滤波器798A的输出又连到控制阀门802的分路开启器810。

这个分路开启器可以是一个如图4A所示的螺旋线圈，这时的开启器也将包括一个电功率源。分路开启器810也可包含一个弹簧驱动器，在启动时提供机械能把阀门802推到开启状态;或者它可以包含一个高压强源作用于活塞缸中的一个活塞或者作用于一个液动马达来把阀门推到开启状态。

当地面钻井操作人员检测到因钻头喷嘴33被阻塞而使钻井液循环中止时（例如由于钻井液压强的增大造成的），他可以用前面描述的技术（如图31、32，或33所示信号传送系统）发出一个信号。这些信号将由换能器790A接收和处理，采取如图34，35A和35B所描述的仪器生成一个启动阀门的电信号。

当阀门802开启后液体再次循环，从钻具组内向下再从井孔环形空间向上返回，从而避免了碎屑脱离循环下落。然后可将钻具从井孔中拨出，除去钻头喷嘴的阻塞物，从而避免钻具组卡在井孔之中。最好是将阀门802和通道804、806的开口做得大于钻头喷嘴，从而减小这些通道被阻塞的可能性。还可以看到，阀门802的实际机构并不局限于图36所示的类型，因为这张图只是用于说明本发明的原理而已。

Claims (8)

1、一种在钻井作业中使用的远距离通信装置。利用了存在干扰压强变化的泥浆循环系统。上述装置包括该系统内第一位置上的泥浆压强脉冲发送机装置和该系统内第二位置上的泥浆压强脉冲接收机装置。本发明的特征在于包括：

一个泥浆压强脉冲发生器。适用于在上述第一位置上产生由予定时间间隔分开的泥浆压强脉冲；

一个位于上述第二位置上的接收机装置。适用于有选择地响应由上述予定时间间隔分开的压强脉冲。

2、利用泥浆压强变化在井孔泥浆循环系统中第一位置和第二位置之间传送信息的远距离通信方法，其特征在于包括：

在上述第一位置上产生压强变化的第一序列组，该压强变化序列组具有代表上述信息的第一种时间分布;

上述压强变化序列组中的每一组包括具有予先确定的第二时间分布的第二压强变化序列;

在上述第二位置上有选择地接收具有予定时间分布的压强变化。

3、根据权利要求2的方法，其特征在于，上述压强变化是通过从上述循环系统中顺序地分引泥浆流产生的。

4、根据权利要求2的方法，其特征在于，上述压强变化序列组在时间上按数字编码分布。

5、在充满钻井液的井孔循环系统中使用的，在上述系统中两个分开的位置之间遥测信息的方法的特征在于包括步骤：从第一位置发出一个压强变化序列，每个上述变化都有一个予选的压强图象;在第二位置上有选择地接收那些具有上述予选图象的压强变化。

6、一种在井孔钻进作业中使用的系统，包括有：一个中空的钻具组，一个在上述钻具组下端的钻进器具;一个在地面上向上述钻具组内注入液体的泵机，液体向下流经上述钻具组和钻进器具，然后经过上述钻具组和上述井孔壁之间的环形空间向上流，从而构成一个循环系统，本发明的特征在于：在所述钻具组下半部的一个分流器具，用于将下流液体从上述钻井具组内部分流到上述环形空间;一个从地面上控制上述分流器具的装置。

7、根据权利要求6的系统，其特征在于上述分流器具包括一个阀门和开启该阀门以分流其液流的装置。

8、根据权利要求6的系统，其特征在于所述控制该分流器具的装置包括有：在地面上的一个信号发生器，用于在其循环系统中产生予定图象的压强变化，一个井下压强传感器。用于检测所述压强变化，一个响应该传感器输出的选择装置，用于有选择地接收予定图象的那些压强变化，以及响应所述选择装置用以控制上述分流器具的装置。

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