（无线电物理专业论文）井下随钻测量系统连续压力波bpsk信号传输特性的研究.pdf

摘要 随钻测量( m w d ) 是一种在钻井过程中实时测量井下地层信息和遥测钻井的现代 钻井技术。随钻测量技术通过在钻头附近测取与钻井过程有关的井下信息，在不中断正 常的钻进操作情况下将信息传送到地面，供现场技术人员进行实时分析并指导正确的钻 井操作。随钻测量的泥浆信道遥测技术是用井下测量数据去控制压力阀产生压力脉冲， 并通过钻柱中钻井液传递到地面，在地面被解调后得到测量数据。在国外，传统的依据 基波传输的压力脉冲传输方式已被载波方式所取代，压力信号的载波传输通常采用二进 制相移键控法( b p s k ) 进行数据调制，利用一个载波周期内的相位偏移来表示二进制 数据；相对于基频传输，载波传输具有传输信息量大和抗干扰能力强等特点。国内目前 正进行可实现载波传输的连续压力波信号发生器的研制与技术攻关。 本文从b p s k 控制信号入手，通过傅利叶正、逆变换，得到b p s k 控制信号的复杂 正弦函数组合式，根据通信原理用该控制信号控制载波相移，构成b p s k 信号的时域表 达式，对该表达式进行短时傅利叶变换，分析了b p s k 信号的频域特性，采用理论和数 值分析手段研究了b p s k 信号通过泥浆传输信道的稳态幅度传输特性。 压力信号在钻井液中的传输是一种能量传递过程，传输过程存在着衰减，衰减程度 主要与钻柱的尺寸及材料特性、信号频率以及钻井液的类型、组分、粘度和压缩性等有 关。根据非理想流体的伯努力能量方程分析，钻柱温度和压力为非定值，钻柱温度和压 力分布影响钻井液的含气率和压缩性。论文针对水基钻井液，根据钻柱压力剖面将钻柱 沿垂直方向划分为多个井段，通过对各个井段传输函数的精确描述得到信号沿整个钻柱 长度分布的数值解。数值计算表明，传播距离、钻柱内径、载波频率、钻井液粘度及含 气率对信号幅度的影响最为显著。通过对钻柱b p s k 压力信号的传输特性研究，为载波 传输信号的效率和失真度分析及钻井液参数对信号传输的影响研究提供了一定的理论 指导作用。 关键词：随钻测量，二进制相移键控，载波传输，信号传输特性，传递函数 ar e s e r c ho nt h et 1 a n s m i s s i o mc h a r a c t e s t i co fm u d p u l s es i g n a l sg e n e r a t e db y i w ds y s t e m l u ok a n g x i o n g ( r a d i op h y s i c s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rs h e ny u e a b s t r a c t m e a s u r e m e n tw h i l ed r i l l i n g ( m w d ) i sam o d e md m l i n gt e c l 1 0 1 0 9 yo fr e a l t i m e m e a s u r e m e n to fd o 瑚【1 l 1 0 1 es t r a t i 伊a p l l i ci n f o m a t i o na n dt e l e m e t r ) ，d r i l l i n gi i l 血l l i n gp r o c e s s m w dt e c h n 0 1 0 9 ym e a s u r e s “l l i i l g r e l a t e di 止m a t i o nn e a rt 1 1 ed r i l lb i ta 1 1 d 仃a 1 1 s m i t s i m 册a t i o nt ot l l eg r o u l l dw i t l l o u td i s n i p t i n gn o m a l 碱1 l i n go p e r a t i o n s ，f o rf i e l dt e c l l l l i c i a i l s t 0c o n d u c tr e 越一t i m ea n a l y s i sa n dg u i d a i l c eo nt l l ec o 玎e c td r i l l i l l go p e r a t i o n m u dc h 籼e l t e l e m e 仃yo fm w d u s e sd o 血0 1 em e a s u r 删d a t at 0c o 曲r o ln l ep r e s s u r ep u l s ev a l v e ，a 1 1 d 也ep r e s s u r ep u l s eg e n e r a t e db yt 1 1 ev a l v ei s 仃a 1 1 s f 孤dt 1 1 r o u 曲m em u di nm ep i p et ot 1 1 e 铲o u l l d ，a 1 1 d 廿l em e a s u r e m e n td a t aw a so b t 咖e da f t e rd e m o d u l a t i o n i 1 1t l l eg r o u l l d i na b r o a d ， n l e 仃a d i t i o n a lb a s e b a i l d 仃a n s m i s s i o no fp r e s s u r ep u l s eh a sb e e nr 印l a c e db yc a 玎i e r t r a n s m i s s i o n 1 1 1 ec a 仃i e rn 孤s m i s s i o nm e t l l o dm o d u l a t e sd a _ t am o s t l yb yb i m r yp h a s es 1 1 i r k e y i n g ( b p s k ) ，u s i n gt l l ep h a s es m ro fac a r r i e rc y c l et oe x p r e s sb i n a 巧d a t a c o m p a r e dt o b a s e b a n d 仃a i l s m i s s i o n ， c a i e rt r a i l s m i s s i o nd e l i v e r sm o r c 埘f i o 衄a t i o na i l dh a sb e t t e r a 1 1 t i i n t e r f e r e n c ec 印a b i l i 够c h i n ai sc l l r r e n t l y 、o r k i n go nt 1 1 er e s e a r c ho fp r e s s u r es i g n 2 l l g e n e r a t o r w k c hc a nr e a l i z ec 州e rt r a i l s m i s s i o no fs i g n a l i nt 1 1 i sp a p e r ，ac o m p l e xs i n e 缸l c t i o nc o m b i n e de x p r e s s i o no fb p s kc o n t r 0 1s i g n a li s o b t a i n e db yf o u r i e ra 1 1 di n v e r s e 仃a i l s f o m a c c o r d i n gt 0p r i n c i p l e so fc o l i i l 砌c a t i o n ，t 1 1 e c o n t r o ls i g l l 出i su s e dt 0p r o d u c ec 硎e rp h a s e 出f ta 1 1 dm e nt 0o b t a i nt l l et i m ed o m a i n e x p r e s s i o no fb p s ks i g l l a l w i t hs h o r t - t e mf o u r i e rt m s f i o 肋o fb p s ks i g i l a l ，t 1 1 e 能q u e n c y d o m a j nc h a r a c t e r i s t i co ft h es i g n a li sa i l a l y z e d r e s p e c t i v e l yi nt 1 1 e o r e t i c a la r l dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t l l o d ， t h es t e a d y 锄p l i t u d e t 1 i a i l s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co fb p s ks i g n a l t r a n s m i t t e di nm u dc h 锄e li sr e s e a r c h e d p r e s s u r es i g n a l 仇m s m i s s i o ni nd r i l l i n gn u i d si sa ne n e 玛yt 舢s f e rp r o c e s s ，访w h i c h l l a t t e n u a t i o no c c u r s ，a i l da t t e n u a t i o ne x t e n ti sr e l a t e dt ot h es i z ea i l dm a t e r i a lp r o p e n i e so ft h e d r i l l p i p e ，t 1 1 e 行e q u e n c yo ft l l es i g n a l ，t h et y p e ，c o m p o s i t i o n ，v i s c o s i t ) ra n dc o m p r e s s i o no f d r i l l i n gf l u i d s ，a i l do t h e rr e l e v a n t a c c o r d i n gt o b e m o u l l ie n e f g ye q u a t i o na 1 1 a l y s i so f n o n - i d e a lf l u i d ，w e l l b o r ep r e s s u r ea 1 1 dt e m p e r a t u r ea r eb o t l ln o n f i x e d - v a l u e ，a 1 1 dg a s r a t ea l l d g a s c o m p r e s s i o ni n “l l i n gf l u i d sa r ei n n u e n c e db yt 1 1 ed i s t r i b m i o no f w e l l b o r ep r e s s u r ea 1 1 d t e m p e r a t l l r e i i lt 1 1 ec o n d i t i o no fw a t e r - b a s e dd r i l l i n gf l u i d s ，d r i l l p i p ei sd i v i d e di n t oa m l m b e r o fs e c t i o n sa j o n gt 1 1 ev e n i c a ls h 硪i na c c o r d a l l c e 谢t h 、v e l l b o r cp r e s 沁ed i s 仃i b u t i o n t h r o u 出 a c c u r a t et r a l l s f e h c t i o n - a 1 1 a l y s i so fa l l t h es e c t i o n s ，an u m e r i c a le x p r e s s i o no ft l l es i 驴a l a l o n gt h ee n t i r e1 e n g i l lo f 也es h 旅i so b t a i n e d n 啪e r i c a lc a l c u l a t i o ns h o w st h a tt 1 1 e i n n u e n c e so f 仃a n s m i s s i o nd i s t a l l c e ，d i 锄e t e ro fd r i l l p i p e ，c a 玎i e r 丘e q u e n c y ，n u i dv i s c o s i t ) ， a 1 1 dw e l l h e a dg a s - r a t eo nt 1 1 es i 弘a la m p l i t u d ea r et 1 1 em o s tn o t a b l e t h er e s e a r c ho nt 1 1 e 仃a 1 1 s m i s s i o nc h a r a c 乜e r i s t i co fb p s kp r e s s u r ep u l s es i 印a lp r o v i d e sr a t i o n a l 鲥d a n c ei nm e o 巧 f o r 也ea l l a l y s i so f 缸强s m i s s i o ne m c i e n c y ，s i 印a ld i s t o r t i o na 1 1 dt l l ei 1 1 f l u e n c eo fn u i d p 猢e t e r so ns i 印a lt r a n 跚【1 i s s i o n k q 啊o r d s ：m w d ，b p s k ，c a r r i e rt r a i l s m i s s i o n ，t r a i l s i i l i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c ，t r a n s f e r f u n c t i o n 1 1 1 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： n 日期：硝年4 月砭徊 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名：抱壁垒 日期：) 勰年4 月) 心日 日期：遗年乓月必日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 引言 第一章前言 油气资源是一个国家最重要的战略性资源之一，关系国计民生与国防安全。在中国， 石油开采和石油化工产业已成为国民经济的主要支柱产业。 油气井是获取原油和天然气的通道。要把深埋在地下的油气资源开发出来，就必须 进行钻井。包括钻井工程在内的油气井工程是石油工业上不可缺少的部分，与油气勘探 和油气开发合称为三大支柱。油气勘探开采历来就是一个高投入、高风险、高收益的行 业，国内外的统计资料表明，钻井费用一般要占油气勘探开采总费用的4 0 左右。为了 满足现代社会对油气日益增长的需求，油气勘探和开采面临着更为艰巨的任务。今后必 须投入更多的资金以寻求新的原油储量；开展一系列的科学研究，以进一步提高已探明 储量的采收率：采用多种高新技术，以提高钻井的成功率，增加原油产量，降低生产成 本。所以，“四高”( 高投入、高风险、高收益和高技术) 就成为当代油气钻井工程和其 他油气井工程技术的重要特征【1 】。 自2 0 世纪5 0 年代以来，井眼轨迹控制技术一直是钻井工程中的研究热点。为此， 国内外专家和学者从钻柱力学特性分析、钻头与地层相互作用关系以及井眼轨迹预测方 法等方面做了大量的研究工作，取得了丰硕的研究成果，从而使井眼轨迹控制理论和技 术得到了不断的发展和完善【2 】。进入8 0 年代后期，地质导向钻井技术和井眼轨迹自动控 制技术又掀起了新一轮的研究热潮。 地面与井下的信息传输是实现地质导向钻井和井眼轨迹自动控制的关键技术，担负 着对井下工况和参数的监测以及对井下执行系统实施决策、干预等控制功能的双向通信 任务，直接关系到整个控制系统的成败。 1 2 随钻测量( m w d ) 系统与随钻测井( i ，w d ) 系统 1 2 1 随钻测量( m w d ) 系统 m w d 是在钻井过程中进行井下信息实时测量和上传的技术的简称，是指在钻头附 近测得某些信息，不需中断正常钻进操作而将信息传送到地面上来这一过程。信息的种 第一章前言 类：( 1 ) 定向数据( 井斜角、方位角、工具面角) ；( 2 ) 地层特性( 伽马射线、电阻率 测井记录) ；( 3 ) 钻井参数( 井底钻压、扭矩、每分钟转数) 。 传感器装在作为底部钻具组合一部分的特殊井下仪器中。井下仪器中有一个发射 器，通过某种遥测信道将信号发送到地面【3 1 。目前使用的最普遍的遥测信道是钻柱内的 钻井液柱。信号在地面上被检测到后，经译码和处理，提供所需的信息。m w d 的最大 优点是可实时地“看”到井下正在发生的情况，从井底测量参数到地面接收到数据只延误 几分钟，所以可以改善决策过程。 1 2 2 随钻测井( 啪) 系统 m 是在m w d 基础上发展起来的一种功能更全、结构更复杂的随钻测量系统【4 】， 与m w d 相比，l w d 传输的信息更多。l w d 在m w d 的基础上，增加若干用于地层评 价的参数传感器，如补偿双侧向电阻率、自然伽马、方位中子密度、声波、补偿中子密 度等。随钻测井技术的发展与完善，使其成为电缆测井的一个重要补充手段，并因其“随 钻”功能，使它具备以下的技术优势：( 1 ) 利用伽马射线确定页岩层来选择套管下入深 度；( 2 ) 选定储层顶部开始取心作业；( 3 ) 钻进过程中与邻井对比；( 4 ) 识别易发生复 杂情况的地层；( 5 ) 如果在电缆测井作业前报废井眼的话，至少还有一些地层数据可以 利用；( 6 ) 对电缆测井不适合的大斜度井能够进行测井作业；( 7 ) 电阻率测井可以发现 薄的气层的存在；( 8 ) 在钻进时利用伽马射线和电阻率测井可以评价地层压力；( 9 ) 在 地层尚未有钻井液侵入污染前能获得真实的地层特性和最新资料，这对正确评价地层是 绝对重要和必要的。 正是由于上述的这些技术优势，l w d 在大位移井、水平井中获得了日益广泛的应 用。 2 0 世纪8 0 年代中期在钻定向井中首次使用m w d 【5 】，8 0 年代末l w d 问世，9 0 年 代以来m w d 和l w d 的发展日趋结合，是信息化和智能化钻井的基础和重要组成部分。 在m w d 、啪和随钻录井工具间，m w d 随钻测量系统是基础，在井下测量技术发 展过程中，二者之间的明确划分逐步显得没有太大意义，在井下比较高级的随钻测量系 统中已将二者溶于一体【6 1 。在钻大位移水平井时，m w 删d 是不可缺少的工具。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3m w d 的系统信号传输方式 m w d 的信号传输方式分为有线( 电缆) 和无线两种。电缆方式的优点是可直接向 井内传感器供电，实现井内和地表设备之间的双向通讯，数据传输率高等，但电缆往往 影响正常钻进过程。无线方式不使用电缆，导向钻迸和自动定向钻进等现代钻探技术都 以无线方式为基础。无线m 蛐按传输通道分为( 钻井液) 泥浆压力脉冲、曳磁波和声 波传播三种方式，最新的组合式目前还处在研究阶段。其中泥浆压力脉冲和电磁波传播 方式已经应用到实际生产中，以泥浆压力脉冲式使用最为广泛。 1 4 国内外研究现状 无线随钻测量技术的关键是建立条有效的、可靠的信号通道，用于井下和地面信 息的传递。2 0 世纪鞠年代后期，却si 。j 。发明了钴并液压力脉冲传输技术，促进了随 钻测量技术的发展。实践表明，钻井液压力脉冲传输技术是用于钻井随钻测量中最好的 信息传输技术，现有的无线随钻测量系统大部分都是采用这种技术【刀。 钻井液脉冲技术的基本原理是将井下测量的信息转换成控制信息，用控制信息控制 井下仪器的钻井液脉冲发生器，使钻柱中的钻并液压力发生变化，从而产生钻井液压力 脉冲，压力脉冲通过钻柱中的钻井液传递到地瑟，地面的压力传感器检测到压力脉冲， 并经地面仪器转换，从而得到井下测量信息。 钻井液脉冲信号的类型有三种：正脉冲、受脉冲和连续波信号。正脉冲信号产生的 原理是用特殊的结构来快速阻止钻柱中钻井液的流动，使钻井液压力高于正常钻进时的 泵压，从两雩l 起正压力波动。负脉冲信号的原理是将钻柱巾少量的高压钻势液瞬时释放 到低压的环空中，使钻柱中的钻井液压力降低。连续波信号发生器利用旋转阀或振荡剪 切润产生固定频率的连续压力波，压力波产生的机理与正脉冲发生器类似。正脉冲和负 脉冲信号以基带方式传输，连续波信号以载波方式传播。由于国内m w d 技术及研究落 后国外近二十年，以往对钻井液压力脉冲的研究多集中在数字信号的基带传输方式，对 钻井液压力脉冲的载波方式传输研究的甚少。 由于载波信号的传输效率较高且抗环境干扰能力较强，目前连续波脉冲发生器在国 外 ! 导到广泛的应用。m w d 系统中连续波信号发生器通常采用旋转阀来产生连续压力波， 3 第一章前言 旋转阀由圆盘状定子和转子组成，安装在钻柱轴心处，在定子盘片上预留有多个通孔， 转子盘片上有与定子通孔同数量的挡片，当转子在电机驱动下相对于定子旋转时，转子 挡片周期性地遮挡定子通孔，使通过定子通孔的钻井液受到间歇性阻碍并产生连续的正 弦压力变化，形成的压力波作为通信载波，载波频率与转子转速及定子通孔的数目有关。 由于旋转阀转子的运动垂直于流体方向，所受流体压力较小，因此它的驱动能量较小。 利用载波传递井下测量信息时，通常采用二进制编码信号调制载波产生二进制相移键控 ( b p s k ) 或二进制频移键控( b f s k ) 信号。以b p s k 信号的产生为例，二进制编码信 号控制转子驱动电机在一个载波周期内突然降低旋转速度一倍，使载波频率降至1 2 ， 则在一个载波周期内相位由3 6 0 0 变为1 8 0 0 ，产生1 8 0 0 的相位滞后，此代表信号“1 ”，如 果没有相位滞后则代表信号“o ”，以此产生b p s k 压力信号进行频带传输。井底产生的 压力波动向上通过钻井液传播至井口，通过安装在井口立管处的压力传感器将压力信号 拾取，通过信号放大、噪声去除、相敏检波来识别相位位移并译码，获取井下测量信息。 为了使m w d 系统处于最佳状态，必须采用压力补偿器来减小泥浆( 钻井液) 泵产生的 脉动压力干扰，专用的压力补偿器可把泥浆泵产生的压力脉动降至小于o 0 0 7 m p a 。 目前，对于钻井液脉冲信号传输特性的研究主要是如何提高传输距离和信息传输速 率。研究表吲8 】： ( 1 ) 钻井液各组分的含量和密度直接影响到其密度和压缩性。通常，随着钻井液 密度和压缩性的提高，压力波传输速度是降低的。压力传输速度对含气量非常敏感，随 着含气量的增加，传输速度急剧下降。水基钻井液中压力波传输速度一般高于油基钻井 液，负脉冲速度高出正脉冲信号约1 0 左右。 ( 2 ) 压力信号的传输过程是一种能量转换过程，存在着延迟和衰减，并且在系统 边界处，信号将产生反射。钻井液脉冲信号在钻柱中的传播类似于阻尼振荡。 ( 3 ) 压力信号的衰减程度主要与钻柱的尺寸及材料特性、脉冲频率以及钻井液的 类型、组分、粘度和压缩性等有关，而与钻井液密度基本无关。在常规钻井作业中，信 号频率和钻井液粘度对信号的衰减程度均有显著的影响，其中信号频率比钻井液粘度的 影响相对更大，频率较高、钻井液粘度较大时，信号衰减得更快。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 5 课题的来源及研究的意义 随着国内油气勘探开发难度的不断增加，地质导向技术的开发与应用对m w d 的技 术要求日益增大，采用连续压力波进行信息遥测是井下数据传输的发展趋势。本课题为 中石油集团钻井技术重点实验室科研项目，通过对泥浆压力波b p s k 信号传输特性的基 础理论研究，为井筒信息传输的影响因素分析及系统优化设计提供必要的理论指导，具 有较大地实际应用意义。 1 6 研究目标、研究方法、研究内容及关键问题 本课题的研究目标是通过井下随钻测量系统连续压力波b p s k ( 二进制相移键控) 信号的数学模拟及压力波钻柱传输特性方程的建立，对信号的传输特性进行理论研究与 数值分析。 研究方法为理论分析与数值分析。 研究内容： l 、根据连续波压力信号发生器和b p s k 信号的特点，确立信号形成的逻辑控制过 程。 2 、以数字信号载波通信技术为基础建立合理的数学模型，对信号的组成及频谱特 性进行分析研究。 3 、泥浆压力脉冲的钻柱传输特性研究及影响因素分析。 4 、连续压力波b p s k 信号输出特性的数值计算与分析。 关键问题： l 、连续压力波b p s k 信号的数学模拟。 2 、连续压力波b p s k 信号传输特性的数值分析。 5 第二章钻井液压力信号的产生与传输原理 第二章钻并液压力信号的产生与传输原理 2 1 经典数字信号传输理论 按在传输中把数字信号对应为哪种波形分类，可以把数字信号的传输方式分为基带 传输和频带( 载波) 传输两种。例如在二进制编码中，符号“l 和“o ，用相应的电脉冲波 形的“正 和“负 或脉冲的“有 和“无”表示时，由于它们的频谱基本上是从零开 始一直扩展到很宽，因此它们属于基带信号。将基带信号直接在信道中传输的方式称为 基带传输方式。此外，还可以将“1 和“o ”对应为适当载波的振幅、频率、相位诸状态， 这种方式嚣q 频带( 载波) 传输方式瑚。 2 1 1 基带传输原理 在实际基带传输系统中，并非所有原始基带数字信号都能在信道中传输。例如，原 始基带信号含有丰富的直流和低频成分；不便于提取同步信息；易于形成码问串扰等， 这些情况下都不适合在信道中传输。因此，基带传输系统首先面临的问题是选择什么样 的信号形式，包括确定码元脉冲的波形及码元穿列的格式( 码型) f l l 】。为了在传输信道 中获得优良的传输特性，一般要将信码信号变换为适应于信道传输特性的传输码( 又叫 线路码) ，即进行适当的码型变换。 选择传输码型主要考虑以下几点： 码型中低频。高频分鳖要尽量少； 码型中应包含定时信息，以便于定时提取； 码型变换设备要简单可靠； 码型具有一定的检错能力，若传输码型有一定的规律，就可以根据这一规律检测 传输质量，以便做到自动监测。 可见，传输码型的统计频谱应具有低频截止、频带窄、易提取定时时钟等特性。 2 1 2 频带( 载波) 传输原理 由子实际通信中许多信道不能壹接传送基带信号。为了在模拟信道，或其他高频信 道传送数字信号，就必须用基带信号对载波进行调制，使之变换为适于带通信道传输的 数字频带信号。焉正弦波佟载波的数字调制有调幅、调频、调相三种基本形式1 戮。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 蒸燃芒兰f 乇f 互芒f e 一 双极性数字基带信号l l _ jl jl c 黝艄觥嗍w 栅献肿 2 粼信号艄舻峭觥m 刑掀卜 g c o s 应) 娩粼 g ( ，) ( c ) 仍粼器) f 酶2 - lw h v e f o 珊a 们g e n e 豫t i n gd i a g 磁mo f 瑚陷ks i l 驷a l b p s k 是用已调信号相位相对予未调载波相位的交化来表示= 进制数字消息。如规 定，己调信号与未调载波同相表示信码l ，反相表示信码0 ，如图2 1 ( a ) 所示。 由图2 - l ( a ) 可知，b p s k 信号可表示成与绝对码对应的双极性数字基带信号gv ) 与未调载波s 憋乘积，鼯 ( f ) = g 9 ) c o s 魄f 其中gt ( f ) 是与绝对码( 锄) 对应的双极性矩形脉冲序列f 2 8 l ： ll ，以概率p 锄2 lo ，以概率1 p 因而，把g ( ，) 通过乘法器与c o s f 相乘，即可产生b p s k 信号，如图2 一l ( b ) 所示，这 是模拟产生方法。另外，还可用g | ( f ) 作为开关门电路的选通脉冲来选通两种相位的载波 输出，此方法又称为相位选择法，如图2 1 ( c ) 所示。 7 第= 章钻井渡压力信号的产生与传输原理 22 钻井液压力信号的传输系统 在l w d ( 随钻测井) 和m w d ( 随钻测量) 技术中，钻井通过使用与钻柱相连的钻 具完成，测井或测量工具安装在接近钻具和井眼的钻柱中，测井或测量数据被传送到地 面。 目前有许多方法用于数据的传输。数据的传输可以通过钻柱中的导电体以电信号方 式实现，也可以通过钻柱中的水声信号形式实现。这些方法都具有相对较高的数据传输 率，但前者花费较高并且钻柱中导电体的连接会产生很多问题，而后者由于钻井过程中 会产生很大的噪声而缺乏可靠性。 常规的数据传输技术采用钻井液传输测井和井下测量数据调制的压力波。 2 3 i 一，：一， 圈2 2 钻井装置图 f i 啦od n 班n g _ p 阳n 恤$ 图2 2 描述了可进行测井和井下测量的钻井装置。泥浆罐1 4 中的钻井液1 通过 2 ，ll1l 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 地面2 的泥浆泵4 注入钻进地质地层7 的钻柱3 中，钻井液l 到达钻柱3 底端的钻头5 ， 然后钻井液l 流出钻柱3 并通过钻柱3 与地层7 之间的空间6 返回至地表2 ，钻井液1 的流动路径用箭头表示。 钻柱3 中的靠近钻头5 的一根钻柱3 1 中放置仪器，放置仪器的钻柱3 1 中所包含 的仪器中至少有一种测量装置8 用于评估地层的物理特性，例如：地层密度、孔隙度、 电阻率等等，测量装置8 是随钻测井或啪工具1 3 的一部分。 当测量装置8 测量与钻井相关的参数时，例如：温度、压力、工具方向等，它是随 钻测量或m w d 的一部分。 放置仪器的钻柱3 1 通常为一根钻铤，钻铤重量大于其它钻柱，整个钻柱对钻头5 施加足够的钻压用于钻进地层7 。 为了在钻井液1 中产生压力波动及通过钻井液传递数据，一个压力脉冲发生器9 安 装在放置有测量装置8 的仪器钻柱3 1 上部。压力脉冲发生器9 是遥测模块1 2 的一部分， 遥测模块用于控制井下测量装置8 与地面压力传感器1 0 之间的数据传输。遥测模块1 2 是随钻测井装置( l ) 和随钻测量装置( m w d ) 的一部分。 钻井液脉冲系统的信息传输方式有压力正脉冲、负脉冲和连续压力波三种1 5 】。其中 正脉冲、负脉冲使用基带方式传输，而连续压力波信号采用载波方式传输。 2 3 连续压力波信号形成的逻辑控制过程 2 3 1 压力信号的产生 旋转压力脉冲发生器通过其内部旋转阀的转动，重复限制钻井液1 的流动，引起压 力脉冲发生器产生与旋转频率成比例的载波压力脉冲频率【1 6 1 。通过脉冲发生器内旋转阀 的加速或减速来调制压力脉冲波的相位或频率，以此来传送测量装置8 的数据到地面2 ， 地面2 的压力传感器l o 接收通过钻井液l 传播的压力波。由地面压力传感器接收的压 力波信号被解调之前，要经过处理装置1 1 的滤波器来消除不可避免的信号噪声。由压 力脉冲发生器9 、信号处理装置1 1 和压力传感器1 0 构成的遥测模块1 2 称之为“遥测系 统”。 现对旋转阀压力脉冲发生器的工作原理进行分析。参照图2 3 a 和图2 3 b ，该压力 脉冲发生器有着一个定子1 和一个转子2 ，定子1 有着多个外围的孔口4 ，转子2 有着 9 第二章钻井液压力信号的产生与传输原理 多个呈十字型的翼片3 ，转予2 贴近定子l 靠一个马达( 未画出) 驱动旋转。图中以箭 头表示的钻井液通过定子l 的多个外围孔日4 ，当转子2 旋转时部分堵往定子孙圈孔墨 4 ，可以极大地限制流体的通过或允许大量流体通过。在图2 3 a 中，压力脉冲发生器处 予所谓的“打开”位置，此时转子的翼片3 与定子孔口4 不一致，使得流体通过压力脉冲 发生器呈最大化。 在图2 3 b 孛，压力脉冲发生器处于所谓的“关闭”位置，转子的翼片部分堵住定子l 的外围孔口4 ，使得流体通过压力脉冲发生器呈最小化。 ( a ) 泥浆压力 关闭 鹾 打开 ( c ) 闰2 - 3 旋转阕压力脉冲发生器的工佟原理 f i g 2 3w b r i i n gp r i n c i p l eo fm t a r yv | a l v ei np 糟鹞u 他p l l b 蜡g 恤e 豫t o r 当转予2 旋转时，在压力脉冲发生器上游产生的流体压力以旋转速率上升和下降。 从圈2 3 c 可以看出，以恒定速度旋转的压力脉冲发生器可以产生呈正弦( 或余弦) 曲 线的连续压力脉冲波。 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 - 3 2 信号的调制 井下测量所得的信息均以二进制数据的形式向上传输。m w d ( 随钻测量) 工具首 先其编码，即用二进制数据对泥浆压力脉冲器产生的压力波进行调制，调制后的压力信 号通过泥浆信道传输至地面f 1 7 l 。 根据旋转阀泥浆压力脉冲发生器的工作原理，可以得知：当旋转阀匀速转动的时候， 泥浆脉冲发生器产生的载波是标准的正弦波，其周期为t ，如下图2 4 。 八八八八八八八八 vvlvvvu 图2 - 4 载波 t h g 2 - 4 v e 如珊o f 船1 1 r i 盯 当旋转阀在某一载波周期内旋转速度减慢，则波形将会发生变化。现假设旋转阀在 匀速转动的过程中，在某一个载波周期t 内旋转速度减半，使得载波信号在这段期间频 率变成原先的1 2 ，之后，旋转阀转速又立即复原。这一过程将使载波的波形由图2 - 4 变成图2 5 的形状。 八八八八 八 八八介 vvvu +uvv t 一个周期t 内旋 转阀转速减半 图2 5 调相波 f i g 2 - 5 w a v e f o 珊o fp h a 靶s h ms i 印们 对比图2 4 和图2 5 不难发现，通过旋转阀在一个载波周期t 内的减速之后，波形 相对于图2 4 中的波形，相位发生了偏移，即比旋转阀减速前的载波相位落后了1 8 0 0 。 m w d 工具正是利用这一原理对载波信号进行调制，并利用调制后的信号来表示二进制 数据。这种利用发生相位偏移( 相移) 的信号来表示二进制数据的方法，叫做二进制相 移键控( b p s k ) 。下面举一例对井下随钻测量系统的信号调制方法进行说明。 第二章钻井液压力信号的产生与传输原理 对照图2 6 。假设现在要对一个4 位二进制数据进行编码，即用这个4 位二进制数 对载波信号进行调制。在m w d 系统中，通常用4 个载波周期的信号表示1 位二进制码 ( 0 或1 ) ，即每个数码周期中含有4 个载波周期。如果在这4 个载波周期内，载波信号 波形不发生改变，则表示数码o ；如果在4 个载波周期内，载波的相位发生了偏移，则 表示数码1 。需要注意的是：在1 个数码周期内，相位的改变仅仅发生在第1 个载波周 期。在第1 个载波周期里，通过改变旋转阀的转速来改变载波的频率，使得载波信号在 这段期间频率变成原先的1 2 ，调制后信号整体相位比调制前滞后了1 8 0 0 ，在其余的3 个载波周期内，信号又恢复到最原始的频率。 脉冲信号 载波信号 调制信号 表示数据 图2 _ 6b p s k 信号的调制方法 f i g 2 _ 6 m o d u h 6 0 nm e 他o do fb p s k s i g n a l 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第三章b p s k 信号的数学模型 为了对信号进行分析，必须先对其进行数学模拟，确定输入信号的模拟数学表达式。 然丽，根据泥浆压力脉冲发生器的工作特性可知，经过调制蜃的载波信号不再是单一频 率的正弦信号，虽然调制后的波形和正弦波相似，但其组成已经非常复杂，有着多次的 谐波分量l 强l 。因此，要壹接从其时域特性推导爨信号静数学表达式菲常的澄难，只能从 信号的频域特性入手，先对其进行频谱分析，得出它的频谱密度函数，樽将频谱密度函 数进行傅利时逆交换，褥到其时域下的数学表达式。 3 。l 逻辑脉冲序列 为便于对已调信号进行分析，将调相信号( 二进制数) 定义为逻辑脉冲序列： 上= 譬需扎该逻辑脉恫舻组矩形黼脚山 五( f ) l o l f = 瓦 一 i 一 ，= 4 5 r 图孓l 逻辑脉冲序歹l l f i g 孓lk 嚼c 则b 潜q u 栅他 矩形脉冲的幅度为l ，宽度f = 死，瓦是载波的周期。脉冲出现时，代表二进制码 元l ，脉冲信号在数码检测周甥中的第1 个载波周期内对载波进行键控；如果没有脉冲 出现，则不发生键控。根据压力波信号的调制特点可知，相邻两个脉冲的距离最少为4 f ， 等间于数璃检测周麓。 在不进行任何调制的情况下，由旋转阀产生的压力脉冲信号是标准的正弦( 或余弦) 载波信号，假定信号振幅为l ，初相角为o ，其数学表达式为： 认f ) = s i n f ( 3 1 ) 1 3 第三章b p s k 信号的数学模型 上式中：孕为载波角频率 1 0 当脉冲信号出现时，脉冲信号对载波进行调制，致使调制后的信号相比调制前相位 滞后万，实现相移键控。由于已调信号的波形振幅不变，只是在调制的过程中，即出现 脉冲信号的时候频率变成2 ，因此可以把已调信号设定为【1 9 】： 眦( f ) = s i n 【q f 一厂( f ) 】 ( 3 - 2 ) 其中一厂( f ) 表示相位的变化量，“一”号表示b p s k 信号的相位相比未调载波滞后， 而且厂( f ) 是和脉冲信号三( ，) 有关的量。前面提到，已调信号纯脓( f ) 的波形无法用一个 完整的解析式来表示，所以厂( f ) 也没有一个完整的解析式，只能用数值式来表示。从式 ( 3 1 ) 可以看出，厂( f ) 是求得已调信号仍粼( f ) 表达式的关键。 3 2 单脉冲调制 脉冲 未调载波 b p s k 信号 厶 f ) j l i o f = 瓦 t jl 缈【。) l 八八八、 0 ，uv、l t 。 jl 甲b p s x v ) 1 八八八 一 o vvv 7 伊( f ) = s i n o ( f ) ：s i l l 警如 【s i n ( f - 万) ， ff 图3 _ 2 单脉冲对载波的调制原理 f i g 3 - 2p r i n c i p l eo fs i g l ep u i s em o d u i a t i o no n 恤e r r i e r 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 何一组脉冲序列都是由若干个单脉冲组成，一组脉冲对信号的调制是其中所有单脉冲共 图3 2 表示的是单脉冲厶( f ) 对未调载波信号缈( f ) = s i n f 进行相移键控，得到调制 后的信号瞅( f ) = s i n 纰f 一( f ) 。根据已调b p s k 信号的波形特征，进而得到 “n w 川纠：卜孚，心 ( 3 _ 3 ) 【s i n ( f 一万) ， f f m ) ：孚，纽 ( 3 - 4 ) ( f ) = 2 ( 3 - 4 ) k ， f f 其中：簪：丝，故又有 l o f 儿，学三 俘5 ) 系 - ，、， j l 万 、 ： o f = 兀 f 图3 - 3 单脉冲下的相位偏移 f i g 孓3 p h a s es h m u s e db ys i n g l e g a 协p u l s e 图3 - 3 做出了( f ) 的曲线。不难发现，( f ) 与图3 2 中的单脉冲曲线积分成正比关 邝) = 吾l 厶( ，矽 f “ 1 5 ( 3 6 ) 第三章b p s k 信号的数学模型 图3 - 2 中的矩形脉冲厶( ，) 可看作门脉冲厶( f ) 延迟三，如图3 - 4 所示，厶( r ) = 厶。一三) 。 jl 工o ( f ) 1 f o 一 - f t ， _ 一 ji 三- ( f ) = 三。( f 一手) 1 o f t 图孓4 门脉冲的延迟 f i g 3 - 4 g a t ep u l s ed e l a y 设门脉冲厶( f ) 的频谱函数为磊( ，缈) ，对厶o ) 进行傅利叶变换【2 0 j ，得到： 磊( ，国) ：广厂( f 弘一埘衍：仨1 e 一埘班磊( ，国) = i 厂( f 弘。埘衍= 1 2 f 1 e 吖科班 -j一 2 p 一等一p 一孚2 s 酞等) e2 8 2 。“q ，。， =：一=j!一 一j ( i ) = f 勋争 ( 3 7 ) 设单脉冲厶( ，) 的频谱函数为巧( 埘，因为厶( ，) = 厶( ，一习，根据傅利叶交换的时移 特性得出： 互( _ ，彩) ：e ( 歹国) p 晋= f 黝( 争p