（信号与信息处理专业论文）无线随钻测量系统中的信号处理研究.pdf

摘要 本文主鼗是铮瓣蠢洼镶劳弱嚣绞疆键溅蠢系绞运行过程孛遴列戆戆簇， 将数字信号处理的方法做了改进盾应用到实际系统中，解决了现场遇到的实 际嚣越。 近1 5 0 年来钻拌技术的发展经历了三个阶段，即经验钻井阶段0 9 2 0 年 戳嚣) 、镭并发展阶段( 1 9 2 0 t 9 4 8 年) 和辩学钻井输段( 1 9 4 8 年到现在) 。近2 0 年来国际钻势界一盥希望尽早实现自动化钻井阶段。1 9 8 7 年m o n t i 提出实现 钻井自动纯阶段的核心是实现闭环钻井，丽在最优化钻并环完全闭合之前主 要鸯6 项工作要做，即：地霆测爨，主要包括溅浆录势，钻势参数地程测 量：并下随钻测擞，目前主要采用m w d 。l w d 等井下测量正具；数 据采集，弱鲢趣捂蟪嚣诗冀；数援熬整体综会鬃释，麦蚕毽黎恕测量数器 解释成有用的参数以指导作业，同时用“人工智能”把全世界范围内的专家 经验癍趸予势矮；穗覆搽佟控翻囊动纯，怨久筑锸著捧渡过程审释放出来； 井下操作自动控制，主要是利用“智能”型井下工具和自动的井底钻舆组 合遘行控镧。显然数据静采集和赫理在整个系统巾占有檄其重要的地位，它 直接决定了联续所巍正作是否能够顺利进行。 文章正邂在以上考虑的基础上阐述了课题提出的背荣和意义；接着介绍 了旋转导自铍井系统中剥用泥浆受脉i 申痿遂传输的睫链测爨装警( 又嚣笼线 随钻测量系统) 的倍号测擞和传输原理。本文的信号处理分为井下和地丽两 瓤转。先分辑了系绫势下镶号溺量秘处理环凌；黪撰了茭鬣s p e r r y - s u n 装司 m w d 系统井下微处理器数据采集和控制程序，分析了程序中使用的算： 塞， 发囊了程枣每存在鹣苓是，在濠纛痔豹墓毯羔罐翔了采瓣数字游波方法豹 z 8 0 汇编程序，进一步保谶了所采集信号的准确性和可靠性；在对井下反正 韬涵数a r c t a n ( x ) 焉汇编语蠢求解鹣运算中绳出了切醴：雪炙多项筑震开豹方 法，提高了逯算速度和运算结果的精度# 分析了系统地甏遥测信号及测摄环 境，讨论了一种用数字信号处理授术从频率不同宠的多频强噪声背景下提取 有用信号的方法。即主要噪声源泥浆裂的千亳| | i ，在一般馕猿下是多频干 扰，频率随裂的转速而变化，其幅度为信号的1 0 倍以上，在信号编码为嶷彻 山东大学硕士学位论文 斯特码的传输中，需要进行信号幅度检测，以识别码元序列传递的数据；并 讨论了用多权的数字自适应滤波器消除泵噪声及用匹配滤波器提取有用信号 的波形实现解码的原理，并给出仿真结果。 关键词：随钻测量数字滤波自适应噪声对消匹配滤波 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，a ni m p r o v e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o di ss t u d i e d ，w h i c h b a s e do nt h ef a c tt h a t d u r i n g t h e p r o c e s s o fd r i l l i n g ，s i g n a l sc o l l e c t i o na n d t r a n s m i s s i o no fd o w n w e l l m e a s u r e m e n t w h i l e - d r i l l i n gs y s t e m i s v e r y i m p o r t a n tf o rt h ew h o l ed r i l l i n gp r o j e c t t h r o u g ht h ei m p r o v e dm e t h o d ，w ec a n g e tm o r ev e r a c i o u s ，m o r ec r e d i b l ea n d m o r ep r e c i s ed a t a d u r i n gt h ep a s t15 0y e a r s ，t h ed e v e l o p m e n t o f d r i l l i n gt e c h n o l o g yh a sg o n e t h r o u g ht h r e et i m e s ，t h a ti s ，e x p e r i e n c e dd r i l l i n gt i m e ( b e f o r e19 2 0 ) ，d e v e l o p i n g d r i l l i n gt i m e ( f r o m19 2 0 t o19 4 8 ) ，t e c h n o l o g yd r i l l i n gt i m e ( f r o m19 4 9t i l ln o w ) i nt h er e c e n t2 0y e a r s ，i n t e r n a t i o n a ld r i l l i n gf i e l dh a v ea l w a y sh o p e dt h a ta u t o t e c h n o l o g yd r i l l i n g c o u l db er e a l i z e dm o r eq u i c k l y i nl9 8 7 ，m o n t i b r o u g h t f o r w a r dt h a tt h ek e r n e lo fa u t ot e c h n o l o g yd r i l l i n gi sc l o s e dl o o pd r i l l i n g ，b u t6 t a s k ss h o u l db ca c h i e v e db e f o r er e a l i z i n go p t i m i z e dc l o s e d l o o pd r i l l i n g ，t h a ti s ， s u r f a c ed a t ac o l l e c t i o na n dm e a s u r e m e n t a n a l y s e sa n dp r o c e s s i n go fs u r f a c ed a t a a p p l i e sd a t ao f d o w n h o l em w d s y n t h e t i c a l l ye x p l a i n sa n da n a l y s e sd a t aa n da p p l i e sa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et o p r o c e s si n f o r m a t i o n s u r f a c eo p e r a t i o nc o n t r 0 1 u s e sb r a i n p o w e rc o m p u t e rt or e p l a c em a n d o w n - h o l eo p e r a t i o n sc o n t r 0 1 u s e sb r a i n p o w e ra p p l i a n c et or e a l i z ec l o s e d l o o pd r i l l f r o mt h ec o n t e n t sa b o v e ，w ec a l lf i n dt h a tc o l l e c t i o na n dp r o c e s so fd a t ai s c r u c i a lf o rt h ew h o l e s y s t e m f i r s t ，t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fo u rr e s e a r c hi si n t r o d u c e d ，t o g e t h e r w i t ht h e d e v e l o p m e n t i nt h i s f i e l d s e c o n d ，s i g n a l s m e a s u r e m e n ta n d t r a n s m i s s i o n t h e o r yo fm i n u sm u d p u l s ew i r e l e s sr e m o t em e a s u r e m e n tw h i l e d r i l l i n gs y s t e m i n r o t a r ys t e e r i n g d r i l l i n gs y s t e m i s i n t r o d u c e d t h i r d ， d o w n 。w e l le n v i r o n m e n to f s i g n a l s m e a s u r e m e n ta n dp r o c e s si sa n a l y z e di nd e t a i l ， 1 1 1 山寐大学硕士学位论文 t h e nt h e c o m p i l ep r o g r a m o f u k s p e r r y s u nc o m p a n y i s p a r s e d ，m a n y a l g o r i t h m s a r e a n a l y z e d ，i nw h i c hs o m es h o r t c o m i n g so fd a t ap r o c e s s i n ga r e f o u n d s o m ed i g i t a lf i l t e r i n go fz 8 0 c o m p i l ep r o g r a m sa r ea d d e dt ot h es o u r c e p r o g r a m ，w h i c hi m p r o v et h ed a t a sv e r a c i t ya n dc r e d i b i l i t yo ft h ed a t a i nt h e c o m p i l ep r o g r a m t h ec a l c u l a t i o no fa r ct a n g e n txi su n w r a p p e db yc h e b y s h e v p o l y n o m i a l ，w h i c hg u a r a n t e e s t h e p r e c i s i o na n dr e d u c e st h ee x e c u t i n gt i m e 。 f o u r t h ，u p - g r o u n dr e m o t em e a s u r e m e n ts i g n a l sa n dm e a s u r e m e n te n v i r o n m e n t a r ea n a l y z e di nd e t a i l 。an e wc o r r e s p o n d i n gd i g i t a lm e t h o di s c o m p a r e dw i t h o t h e r m e t h o d s ，i n c l u d i n gd i g i t a la d a p t i v e n o i s ec a n c e l ( d a n c ) a n dd i 西t a l m a t c h e df i l t e r ( d m f ) m e t h o d s d a n ci sf o rt h ee l i m i n a t i o no f l a r g ea m p l i t u d e ， m u l t i f r e q u e n c y , f r e q u e n c y - s h i n i n gp u m p n o i s ea n dd m ff o rt h ei m p r o v e m e n to f s n r t h ep r o p e r t i e so ft w om e t h o d sa r ea n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l y , t h er e s u l t so f s i m u l a t i o no nap cs h o wt h er o b u s t n e s so ft h ea l g o r i t h mw h i c hc a nb et r u s t e d w h e ns n ri sa sl o wa s 2 4 d ba n ds t r o k er a t eo fm u d - p u m pa sl o wa s9 0 r m a h i g hd a t aa c q u i s i t i o nr a t ea n dm o r ea n cw e i g h t sc a nb ea c h i e v e do naf a s t e r c o m p u t e r k e y w o r d s ：m e a s u r e m e n t - w h i l e - d r i l l i n gd i g i t a lf i l t e r a d a p t i v e n o i s ec a n c e lm a t c h e df i l t e r 原创性声明 本人郑煎声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立谶 行研究所取得的成果。除文中已经注鹳弓l 用的内容外，本论文不包含任何 其德个人或集体己经发表或撰霉过醵科磺戎栗。慰本文戆磷究接爨重要贾 献的个人和集体，均已擞文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文雩筝者签名：叁坠堕 弱 关于学位论文使甩授权的声明 本入完全了解出东大学有关傈蜜、使用攀位论文的规定，褥意学校绦 罄或内国家育关部门或机构送交论文的复印髂帮电予舨，兔诲论文被查阅 和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制筝段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密瑟巍遵守诧觌定) 论文作者签名：逢赴吐导师签名： 赴日期：婴：曼 l 1 引言 1 1 课题的提出 近1 5 0 年来钻井技术的发展经历了三个阶段，即经验钻井阶段( 1 9 2 0 年 以前) 、钻井发展阶段( 1 9 2 0 年1 9 4 8 年) 和科学钻井阶段( 1 9 4 8 年到现在) 。 近2 0 年来国际钻井界一直希望尽早实现自动化钻井阶段。也就是说现代钻井 工程的主题是努力降低钻井成本，提高探井的成功率。利用现代高新技术提 高钻井速度、保证钻井质量、减少钻井事故是实现这一主题的关键。要实现 现代钻井目标，就必须像汽车工业、化学工业那样，实现作业的自动化闭环 控制，即实现闭环钻井，尽量把人力从钻井操作中解放出来，从根本上解决 钻井作业过程中存在的各种问题，提高井眼轨迹控制精度和钻井整体经济效 益。 1 9 8 7 年b l o n t i 提出实现钻井自动化阶段的核心是实现闭环钻井，而在最 优化钻井环完全闭合之前主要有6 项工作要做，即： 地面测量，主要包括泥浆录井，钻井参数地面测量； 井下随钻测量，目前主要采用m w d 、l w d 等井下测量工具： 数据采集，同时包括地面计算： 数据的整体综合解释，主要包括把测量数据解释成有用的参数以指 导作业，同时用“人工智能”把全世界范围内的专家经验应用于井场； 地面操作控制自动化，把人从钻井作业过程中解放出来； 井下操作自动控制，主要是利用“智能”型井下工具和自动的井底 钻具组合进行控制。 以上六个过程相互关联，互相影响。不难发现，整个钻井作业过程主要 表现为井下和地面两大操作系统，相应地闭环钻井系统也就具有井下和地面 闭环操作系统的特点。结合钻井作业自动化技术的进程，可将闭环钻井作业 分为井下开环、井下半闭环、井下闭环和全闭环四个技术发展阶段。 然而钻井作业过程十分复杂，实现科学钻井不是一件简单的事情。因为 石油钻井工程是一个地下隐蔽性工程，它的信息量大，复杂多变，难以量化 山东大学硕士学位论文 并带有很强的不确定性和非线性。传统方法是靠有实践经历的专家用经验知 识来分析信息，进行思维决策、指导生产。运用计算机后在有些方面能把采 集的信息经过归纳、统计、分析找出内在规律。在若干假设条件的前提下把 工程问题简化为物理数学模型，进行定性分析和定量计算。传统方法虽 有一定效果，但无法运用专家的丰富经验解决深层次的问题，满足不了现代 钻井工程技术和科学决策的需求。近2 0 年来钻井技术的信息化、智能化和自 动化方面不断有所前进和突破，人们越来越认识到钻井作业逐渐无论在广度 上还是在深度上都需要应用智能技术。 从以上可以看出，无论是开环钻井还是闭环钻井，要实现自动化钻井都 将涉及到井下以及地面信号的采集和处理的问题。特别是井下信号的采集和 处理在整个钻井系统中占有举足轻重的地位，井下系统所采集的数据是系统 接触到的外界的最原始的数据，这些数据的准确性和精度将最终影响系统的 判决和控制。当然，地面系统对井下上传的数据，也必须通过采集系统才可 获取，而且采集到的数据由于外界干扰和噪声，也需要经过处理以后，才能 得到真实的有用信号。因此，将数字信号处理的方法应用到无线髓钻测量系 统中，可以提高信号的可靠性、准确性和精度，具有很大的经济效益和社会 效益。 1 2 课题发展现状1 2 】 为现代油气勘探开发而快速发展的复杂结构井是2 l 世纪国际石油工业 的前沿与关键性技术。现代导向钻井技术正是适应复杂结构井的需要而在近 1 0 年有了很大进展，被誉为“钻井导弹与制导技术”的旋转导向钻井工具与 技术，是一项涉及多学科的高新科技尖端技术。现代导向钻井技术从2 0 世纪 9 0 年代初开始形成，至今已得到不断完善和发展。这主要表现在以下几个方 面： ( 1 ) 现代旋转导向钻井工具的控制、执行、伸缩机构向机电仪自计一 体化的高新技术水平发展其技术指标不断满足复杂的井下恶劣而且苛刻工 况条件的环境要求。目前己达到的主要技术指标是：工作温度1 2 5 c ，抗震5 1 5 9 ，抗液压l o o m p a ，最大轴向载荷承受能力3 0 0 k n ，造斜能力为3 。l o 。 山东大学硕士学位论文 3 0 m ( 精度0 5 。) ，寿命大于8 0 h 。 ( 2 ) 随钻实时参数测量系统，包括实钻井身轨迹、随钻井身几何参数 与随钻地层评价、随钻测井、随钻地震等评价参数以及随钻工程参数的多种 实时信息技术向综合性可选择性方向高速发展。例如m w d 传输速率达1 0 1 2 b i t s ，能同时传输2 0 多个参数：随钻测井( l w d ) 已有伽马、电阻率、中 子、密度、声波等多联随钴测量仪，并正在研究能预测钻头前方地层的l w d ； 随钻地震( s w d ) 技术也已成熟并向多元化方向发展；随钻压力( p w d ) 和随钻 声波( i w d ) 等测量技术也在发展中。 ( 3 ) 地面与井下双向传输通讯系统其现状是：无线泥浆脉冲( m w d ) 双向传输系统是目前主体技术，但是它的滞后性、局限性等缺点也限制了它 的功能；国外有公司研究试用无线式电磁波传输系统，但电磁波沿程衰减 严重是其致命的缺点；国内外正在研究新一代有线传输系统。它能满足在 旋转导向钻井的同时连续传输众多参数的闭环信息流的需求，它优于测试用 的湿接头对接有线传输( d s t ) 技术。若用d s t 导向钻进，则只限于近距离 ( 约5 6 个钻杆单根长) 的随钻测量，它不能满足长井段随钻测量的要求， 且效率低，可靠性差，成本高。 ( 4 ) 地面监控系统旋转导向钻井系统的地面监控系统包括信号接收 和传输子系统和地面计算存储分析模拟系统，有的还具有智能决策支持系统。 主要功能是通过闭环信息流监视并随钻调控井身轨迹，它的关键技术是从地 面发送到井下的下行控制指令系统。 ( 5 ) 软件系统旋转导向钻井系统的软件系统主要有：预置井身轨 迹设计软件；待钻井段随钻实时调正井身轨迹设计软件；旋转导向工具 内为控制其动作的专用软件；旋转导向闭环钻井系统的地面监控和可视化 应用软件。 旋转导向钻井技术是实现整个钻井过程完全闭环自动控制的关键。所谓 闭环自动控制系统，是依靠传感器测量钻井过程中的各种参数，依靠计算机 及人工智能技术获取数据并进行解释和发出指令，最终由自动设备去执行， 变成一种无人操作的闭环自动控制系统迸行钻井。它的最大优点是可以大大 提高钻井安全和效率，节省时间，优化钻井过程，从而获得更好的经济效益。 山东大学礤士学位论文 ! ! i = i 蔓i ! ! ! ! ! ! 蔓_ 曼! _ _ _ _ - - - - _ _ _ - - _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 目前，国外融有几家公司研制出了并下闭环自动控制系统。例如，b a k e r h u g h e si n t e q 公弼与a g i p 公司会 筝硬刿出豹慧统取襄叫“a u t o t r a k ”，目 前已在海上钻井中得到成功而较多的应用。c a m b r i d g ed r i l l i n g a u t o m a t i o n 公镯疆爨熬系统淑寒嬲“a c s ”，宅霹戳在链疆麓转豹戮眩自动按已莰谤豹共 服轨迹控制井斜和方位，同时还可以根据地面的指令自动改变井眼轨迹。 建瑟与著下豹信惠蒋输是完全阕嚣锫劳鑫秘控截鼓零辛戆关键搜零。蠢 2 0 世纪6 0 年代发明了钻井液脉冲的传输方法以来，地面与并下的信息传输 取得了突破往的进展。黼前，戆大多数懿无线隧锫浏薰与控稍系统依然采焉 铽井液脉冲方式。 钻并液脉冲信号在传输中襻在的闯题：井底与井口的僚号存在个延 迟薅阚，该延迟蹲阕藏楚钻井波球；孛豹传输时间；出于系统阻尼的影响， 储号在传输过稷中存在着明显的衰减；钻井液的粘性阻力使信号的波峰( 或 渡谷) 变免一条瓤线，表魏存套饕能量袋失；在系绞边界处，缤号姆产生反 射。信号将在井筒中往复传播形成震荡波，并逐渐衰竭。经定时间后，井 篱中的流动逐渐趋于稳定，并後复到蘸始翡压力系统。 研究表明：信号频举和钻井液粘度对信号的衰减程度均肖显著的影响， 健信号暇率及箕交优眈钻若液粘度及箕变讫的影响捐辩更大。当踩渖频率较 离、钻辩液粘度较大时，信号袭减得激快。这说明提高钻井液脉冲信号的传 输速率和传输深度是一对矛盾，这遣藏是随钻测量技术亟待解决的炼题t 在域有妻勺隧键测羹数据都测全虽郯嚣抟辕豹情况下，如果数据传输率为 3 b s ，那么，测量信号更新一次需4 4s ，假设钻进遽度为2 5 m h ，则每钻避 0 3 m 裁簧嚣掰测售号瀑一次榉。一般壤嚣下，链进速度低予2 5 m h ，因姥， 测量信号的采样间隔娶小于0 3 m 。 1 3 本文的安排 文章首先介绍了旋转霉离锚并系统孛无线涟铬溅藿装熏豹溅蠢潦理，程 分析s p e r r y s u n 公司m w d 井下测爨微处理程序的基础上，给出了自己的数 字滤波z 8 0 汇编程序，接着介绍了系统的信号传输原理，谯遗面僚号的裣测 和处瑗中分拆藏入约酝适用嵘声对滇器的基础上，提出用甄配滤波器进行艏 山东大学硕士学位论文 续处理，并给出了仿真结果，取得了很好的效果。 第一章概述了随钻测量系统的发展状况，论文提出的背景及意义。 第二章介绍旋转导向钻井系统的总体结构，随钻测量系统的测量原理。 第三章分析了s p e r r y s u n 公司的井下微处理器汇编程序，解析了程序中 使用的主要算法，讨论了其中反正切算法，并对其进行了改进。 第四章针对s p e r r y s u n 公司的井下微处理器汇编程序中数据处理存在的 问题，编写了数字滤波方法的z 8 0 汇编程序，提高了数据的可靠性和精度， 并给出了仿真结果。 第五章介绍了泥浆信道中信号的传输原理、传输方式和信号传输的动态 特性。 第六章分析地面信号采集和检测条件，分析前人提出的自适用噪声对消 器，发现其对信号处理的不理想状况，提出将匹配滤波器用在后续处理。 山东大学硕士学位论文 2 无线随钻测量系统的测量原理 2 1 旋转导向钻井系统的总体结构【3 】 旋转导向系统的突出优点，主要在于其能克服滑动导向系统所遇到的摩 阻过大和井眼不清洁等问题，从而可使钻井导向能力得到大幅度提高，这一 点对于正在迅速兴起的大位移钻井等具有复杂结构的特殊类型井尤为重要。 研究表明，要实现旋转导向，必须具有地面可实时遥控或井下实时可控的井 下旋转导向工具、能测定井下钻头实时位置的信息测量与传输系统、井下实 时控制( 井下自动导向系统) 或地面监控( 监测、遥控) 系统，其总体结构如图 2 一l 所示。 头 图2 1r s d s 总体结构 井下旋转导向工具是旋转导向钻井系统的核心它是实现旋转导向的根 本。井下实时控制系统或地面监控系统能按照预置或要求的三维井眼轨迹， 根据测量信息，对井下工具进行实时控制或遥控。测量与传输系统应能测出 近钻头处井眼的空间姿态信息，并能及时传送给井下微处理器以及地面计算 机。测量的信号经过处理成为新的控制指令。井下实时控制系统或地面监控 系统发出控制指令，使井下旋转导向工具按照控制指令进行动作，从而实现 井眼轨迹的旋转导向控制。 导向钻具组合的运作可由两个系统控制。一是由井下闭环控制回路控 制。钻头空间姿态测量系统测得的信息，经井下微处理器处理后，与储存在 微处理器中的预置井眼轨迹信息进行比较，然后形成控制指令并发送给控制 机构。控制机构根据控制指令控制导向机构( 也称偏置机构) 的工作。导向 机构产生的导向效果则又由钻头空间姿态测量系统测量，从而完成闭环控制 6 山东大学硕士学位论文 回路。二是由地面监控系统控制。钻头空间姿态测量系统的测量结果通过传 输通道传给m w d 系统。m w d 系统一方面完成自己的测量任务，同时又把近钻 头测量信息以及自测信息传绘地蔼监控系统。监控系统通过模拟软件的模拟 视情况做出反应。当模拟结果表明井下情况正常时，监控系统不发出干预指 令，否则干预指令将传送给并下的控制机构。控制机构根据地面指令操作导 向机构，这样就实现了地面遥测，监控任务。采用何种控制方式，可根据需 要确定。控制回路如图2 2 所示。 图2 2 井下控制回路 ( 1 ) 控制面随动控制及稳定回路控制面随动控制是由稳定回路来实现 的。控制面的稳定包括两个方面：位置的稳定和控制面摆动速度的稳定。为 保证控制面控制具有实时、稳定的特点，稳定回路中可以引用p i ( 比例 积分) 控制原理。 ( 2 ) 控制回路随动控制及稳定回路加上导向钴具组合、测量导向钻具组 合空间姿态的元件又组成了一个更大的新回路，称为控制回路。导向钻具组 合的位置( 测量元件安装位置) 由空间姿态测量传感器测量，反馈给比较器( 此 处为井下微处理器) 计算、比较后获得控制指令，该控制指令通过执行机构使 控制面位置发生变动。图中的比较器l 、2 、3 的功能由特制的井下微处理器 实现。控制回路是实现井眼轨迹有效控制的大回路。 2 2 无线随钻测量原理 测量系统是保证实现旋转导向钻井的关键。 旋转导向方式下钻井系统的结构原理比较复杂。如何在旋转导向方式下 山求大学硕士学位论文 实时精确她测出钻头处的并鼹轨迹参数就是其技术难点之一。在滑动释商方 式下，出予导向芰具上部钴桂苓旋转，鞠页很容易解决测量元徉的安装、测 最功能的实现、测量精度的保诞等问题。在旋转导向方式下，旋转的钻柱无 法绘嚣萋系统提供稳定豹安装綦疆，这就镬褥势下测量佟韭缀难实瑷。就强， 由于钻柱旋转，其两端也将出现感应磁极( 无磁钴铤也不例外) ，结果将严重 彰嫡嚣羹鹃精度。宙魏掰踅，程建转导囱链势捧盈孛，女瑟舞缀好逮溅豢舞眼 轨迹参数就成为旋转导向钻井系统( r s d s ) 的技术关键。 并酿辘迹参数主要爨并的方位角、并斜角帮重力( 或者磁) 工其嚣兔。 2 2 。lr s d s ( r o t a r y s t e e r i n gd r i l l i n gs y s t e 瞄溺豢系统豹组成 黼2 3m w d 蓓号采集每处理摇瓣 近钻头测爨系统由抗振憷和抗磁千扰较强的三个重力加速度计传感器 和三个磁通门佟感嚣构成，其测量僮其有高精度和高可靠健鹩特点。三个熏 力加速度计传感器和三个磁通门传感器分别豫两正交，测得x 、y 、z 三个方 向的重力加速庹分董和兰个磁场分量。其电路结掏可用图2 - 3 表示。 整个藤转譬向钻势系统的测量信号处理过程是：出测薰系统的传感器_ | 梦 得到的电信号，经过它们各自的电子线路整理后得到符合要求的电难信号， 遂过采梯傈拷壤路采爨爨弱一游刻戆? 令癸爨，芽擞低逶滤波器滤狳干扰， 再由脉冲多路调制器收集，并把它们转换成二进制的编码并存储起来，由单 拜梳系统进行诗算处懋螽再蠢二进裁编羁痿芍控裁镰并液蕊秀辣洚发生器， 在钻柱内产生一系列规则的脉冲信号，该信号通过钻柱内的钻井液传到地面， 墓 山东大学硕士学位论文 安装在立管上的压力传感器，检测出压力脉冲，送进地面数据采集系统，通 过地面计算机监控软件包，分离解码，并转换成物理量值，进行数据处理、 显示、打印，并绘制成图，同时将测出的工具面角、井斜角、方位角数据传 送到司钻读数器，及时地指导施工。 2 2 2 井眼轨迹测量原理【9 1 3 测量系统利用大地空间实际存在着的地磁场面和重力场g 进行测量。为 确定井的姿态，首先要建立仪器坐标系和大地坐标系，如图2 4 所示。 z 逐忒y n 、 v 图2 4 并眼轨迹测量坐标系统 设x ，y ，z 为仪器坐标系，其中z 轴与仪器轴线重合并指向仪器下部： x 轴、y 轴都在仪器横截面上，x 轴指向仪器基准方向，而y 轴则与x 轴垂直， 且其正方向和y 轴、z 轴一起遵循右手法则，三轴两两正交大地坐标系n ， e ，v 是以磁北方向n 、与磁北方向垂直的东e 以及重力方向v 为三个正交轴 建立的坐标系，也符合右手法则。 六个传感器的归一化输出分别为g x ，g y ，g z ，b x ，b y ，b z 。g 和b 有如 下的表示形式： 否= g x ；+ g y 了+ g z k b = b x ；- t - b y j + b z k ( 2 1 ) 并且有g x 2 + g y 2 + g z 2 = 1 b x 2 + b y 2 - 4 - b z 2 = 1 图中， 一 为仪器横截面与大地水平面的交线，仪器坐标系的x 轴是与仪 器外壳上的基准线相联系的。一旦仪器轴线偏离铅垂线，就在仪器的横截面 山东大掌辍士举位_ 埝文 上形成两条特征线：一条是与水平面的交线 # ，勇一条是邋过0 点的垂线 矿口。我们有如下的定义： r b ：为酹轴沿颓翳锌方向偏离丽轴静夹角。宅反跌了仪器绕自隽轴旋 转的程凌。在旋转导囱溯势牵我髑称之为嵩边忑具嚣囊。 a z i m ；一o r 为仪器毒鸯线在承警嚣爽豹投影，西、两、而、旋在阉一藿 蛊蘧内。o 野蹶时钟猿凑洲轴的夹角为a z i m ，称为仪器倾斜方位角。它反映 了仪器偏离磁北的程度。 d e v ：功与o f 之间的夹角，称为仪器的倾斜角。它反映井的倾斜程度。 在某一时刻究成一次测量厨，可分别测得三轴加速度计三轴向的加速度 分爨和地磁场矢爨的三轴向分燮。由于精性液体的抗震作用。钻具搬动所反 映的加速度可以熬本消除，而钴具运动的加滤度栩对予重力加速度可戳忽昭 不计。因诧。三辘魏速度计豹三轴辩分爨实舔为鬟力翻速度静爱浚。溺榉， 当铱其为无磁链铤虽鼗有会逶懿长发薅，霹忽貉懿其慰避磁场熬影曦e 予是 经避诗舞霹褥到这三令费度： d e v c t a n 童鲨羔旦： ( 2 。2 ) 2 r b = a f c t 毽n 二翌，当o x 为零慰，要跛翅磁性芏具箍角来表零。( 2 3 ) 她z 蜘绷跳等等 其中s m g x 救+ 国8 y + g z b z ( 2 - 4 ) 3 s p e r r y s u n 公闯的井下微处理器程序解析 3 1 剽耀m e p 探管进行m w d 施王时的工作时痒 工作时序图如霞3 - 1 新示f 4 “。 蠢鹜可知：歼泵，劳下漏轮发灌极搿始绘搽繁供彀，m e p 搽警菇始王终， 魏辩先颈热探警3 0 骖镑，然矮嚣始发魅r u n _ i n 正弦默冲，该脉冲结寒嚣 裁舞始毒菱热发射f l a g 傣号、t a g 信号，最后进入测量状态，并且只要不停 鞯 山窳大学硕士学位论文 竺! ! 詈燃蔓! ! ! 燃鬯! ! ! 鼍i , i i ii 詈烹! ! ! ! ! 苎! ! ! ! 竺! 苎! 鼍鬯! 苎竺! 懋竺 泵，探管将一嶷从f l a g 到测量循环工作。停泵，涡轮发电机不工作，探管 停壹王侔，鸯蠲下次辩泵。 3 0 秒钟的预热时间是为了确保探管在稳定电压的状态下进行测量以确 保瓣蠢数据鞠准确往。r u n 默骧渖主要是为了实蕊遮匿弗下避讯酌一 个对间窗口，在该窗阴内通过汗、关泵操作研以改燮井下探管传输数据的速 度。 图3 - 1m e p 探管进行m w d 撒工时探管工作流程国 f l a g 信号是一今蠢步标志藩弩，其代鹃先o l l l l l l o ( 繇0 7 e h ) 。 壬侮 时候，只要地黼系统接收到该代码，为了确保地面系统和势下仪器阍步工幸薯， 瑭霹系统将停止其它留信芍的检测工作，专心等待下一个t a g 信号。该信 号的童要目的是为了确保地灏系统、抟下仪器发射、接收傣号的时间一致。 防止时间过长而导致地面系统检测捌的并下信号与发射的寅际信母错码、黼 强，从嚣导致施工失败。 t a g 信母是一个信号格式标志信号，它表示井下仪器向上传递的是什么 撵妁数握。蜷嚣系绫检测劐该玛嚣，就鼓该疆懿溪定格式瓣信号遴嚣磐秘、 山求大学硕士学位论文 j i i i i l l l i l l i l l ii i i i ，il l ! l ! ! ! ! ! 计算，最终得到测量结聚。 t a g 谊号燕囊5 令篡避裂数缒或熬代码，其代表豹意义如下表3 - 1 耩示： 表3 - 1 t a g 信号代表的意义 t a g 倍号二逑裁码t a g 镶号逡裁玛 锭表要黄辕豹数据类型 00 0 000 磁性全测量方式 00 0 1ll 磁性短测鐾方式 00 1 0l2 磁性随铱全测羹方式 oo l lo 3 磁性蘧钛短测羹方式 0 】0 0l4 磁经随锸工具数据缓 o1 0 105 磁性工具面数据组 0l l oo6 没麓 01 1 1l7 没用 10 0 008 磁性全骥量方式 l0 0 ll9 匿力短测量方式 l0 | oll o 整力醚键全测爨方式 lo l lol l 重力随钻短测簸方式 ll o ol 1 2 藿力髓钻工具数据组 l1 0 lo1 3 重力工其面数据维 ll l oo 1 4没用 ll l ll1 5 莰甬 此外，t a g 信号的第一位表示工鼹面类型，如上袭所示，0 代裘磁性工 蹙面，磷l 代表重力( 离逮) 工其露。 t a g 信号的第五位是奇偶梭验位。 3 2 探管工作方式 s p e r r y 。s u n 公司莉用m e p 探管避行m w d 作监荫八种工作方式，如下袭 3 2 辑承。 表3 - 2 探管的工作方式 探管王测垂 作方式方法一 溺誊内容备注 开裂嚣泵螽传送一组测爨数据和井下仪器适合于泵好的井队 l铡薰参数，然后循环传送磁性，赢迭工其箍，熬王。 中间笼测量数据出现。磁性商边转换角 山东大学硕士学位论文 度为5 。 开泵开泵后传送一组测量数据和井下仪器 2测量 参数，然后磁性，高边工具面和测量数据 循环传送。磁性，高边转换角度为5 。 开泵只进行测量施工。无任何工具面出现。只用于需要测量的 3 测量开泵即传送一组测量数据后，就停止发钻井施工。通常用 送脉冲。于转盘钻进施工。 开泵开泵后传送一组测量数据和井下仪器只适于泵好的、井 4 测量参数，然后循环传送磁性高边工具面，斜大于5 。的井施 中间无测量数据出现。无磁性工具面。 工。 停泵开泵后传送一组测量数据和井下仪器 只适于泵好的井队 测量参数，然后循环传送磁性高边工具面，施工。 5 中间无测量数据出现。磁性，高边转换角 度为5 。 停泵开泵后传送一组测量数据和井下仪器 6测量参数，然后磁性，高边工具面和测量数据 循环传送。磁性，高边转换角度为5 。 停泵只进行测量施工。无任何工具面出现。 只用于需要测量的 7测量开泵即传送一组测量数据后，就停止发钻井施工。通常用 送脉冲。于转盘钻进施工。 停泵开泵后传送一组测量数据和井下仪器 只适于泵好的、井 8测量参数，然后循环传送磁性，高边工具面， 斜大于5 。的井施 中间无测量数据出现。无磁性工具面。 工。 工作方式1 、5 的优点在于，施工过程中出现解码错误少，对于随钻施 工效果很好。但是由于必须在开泵时就要完成测量任务，对于上水不好的井 队和质量不稳定的探管，测量就需要占用很多时间，有时不能完成测量任务。 工作方式2 、6 实时循环出现测量参数和工具面，适用于s p e r r y - s u n 的钻 井设备。其缺点在于随钻过程中不需要的测量数据过得，出现乱码等待时间 长，但是还是好于工作方式1 。 工作方式3 、7 只用于仅进行测量施工的转盘钻井方式。 工作方式4 、8 只适于泵好的、井斜大于5 。的井施工a 根据“井下温度大于4 0 c ，用开泵方式测量；井下温度低于4 0 。c ，用关 泵方式测量，的原则，为了减少施工过程中频繁更换仪器，确保在任何钻井 设备条件下都能施工，一般使用工作方式2 山寐大学硕士学曲t i e 文 3 3 测量方式 s p e r r y - s u n 公司的m w d 系统有两种测最方式，即全测黛方式( f u l l s u r v e y ) 和短测囊方式( s h o r ts u r v e y ) 。 3 3 1 全测量方式 这种测量类溅，探镣将测量的原始数据g x ，g y ，g z ，b x ，b y ，b z 传至 遮嚣处理系统，熄嚣数掇处理系绫裁矮这些暴始数据，诗算出势魁麓i n c ， 方位角a z i m ，工县面角r b 。 萁我瘫在予： 能够监视磁干扰、减少磁干扰。 可阻遘行短钴铤溺量。 测量豹数据精度离。 缺点在于：占用的测量时阕长，约为短测囊的2 5 倍。 3 3 。2 矮溅耋方式 这糖测量方戏，探繁揍在势底采集刘的原始数据处理成井斜、方位及工 鼹面值，然后再传送至地面。 其垅点在于： 需要的测量时间短。 戆在滚形检铡不瑾想或者探警程共骧鸯轻镦罴渤鞋搜溺我方法 缺点： 不琵蕊褫磁干扰耪减少撩于撬。 不可使用短钻铤测量方式。 l 攒4 量数攥精度偏低。 3 4 测鐾方法 3 4 。1 嚣蒙潮萋 开泵测量题在开泵时测量井姿态数据，然后上传。对于工作方式1 、2 、4 l 毒 山东大学硕士学位论文 开泵后，有一个2 0 秒钟的r u n i n 时间，该脉冲过后，就是f l a g 信号和 t a g 信号，接着就是两个工具面数据。准备向上传输的测量数据是在第二个 工具面传送期间采集的，如图3 2 所示。所以从开泵到第二个工具面传送完 毕期间，要保持钻具静止。地面在接收到第二组工具面后，井下仪器的数据 采集已经完成，这时就可以钻进了。 实际施工过程中，由于钻井活动会影响、干扰信号的传输，因此应待测 量数据传送完毕后再进行钻进或其它施工。 3 4 2 关泵测量 图3 2 开泵测量数据采集时间窗口 关泵测量向地面传送的是停泵以前探管采集到的最后一组数据。停泵前， 探管采集到的最后一组测量数据被存储在存储器中，再次开泵，存储器里存 储的测量数据被传送到地面。 开泵后，存储器里的数据只在第一个t a g 信号被传送出去后，再开始传 送存储数据，同时新的测量数据开始存储。如果在第一个t a g 信号还没有被 传送出去就已经停泵，则新的测量数据不被存储，同时信道测量数据也不传 送，待下一次开泵时仍然先传送以前的老数据，然后再存储新的测量数据， 如图3 3 。 f l a git a gi 第一个t f 从该时间点新数据 开始存储，旧的测 量数据开始传输。 图3 3 停泵测量数据采集时间点及新旧数据更新时间点 3 4 3 短钻铤测量 钻井施工过程中，井下无磁钻铤以下的钻具形成一个封闭的磁场，而且 山东大学域士学位论文 在钻具转动时该磁场强度值会增加。该磁场对z 轴磁谴门会产生干扰，从而 影嫡其铡蓉结果。克服键其形成熬磁弱对搽警产生的母找载紫翅办法是采用 长无磁钻铤( 9 米左右，有时仪器上部还要用光磁钻其) ，这样就使仪器测量 感踅蹇秧头豹题凑变运，苓裂予辕邃鹣控裁。 由于该磁场只对z 轴磁通门( 即b z ) 产生影响，而对x 、y 轴没有影响， 如栗在谤筹弱纛数据对不稠蔼z 车蠡溅爨篷，簸萄避惫该磁场瓣溺萋雅莱静影 响，同时可以减少使用光磁钻铤的数煮，缩短仪器测慧点到钻头的距离。 裰蒲这一骧遴，短铺铤测纛方法翻粥并斡避理位甏，计箨窭藏誓现场静 大地磁场强度、磁倾角，然后辩剥用搽管测量的x 、y 轴向的磁分爨强度， 缩合测爨的g x ，g y ，g z 值，计算测量点的b z 值，然后将该b z 值用于测薰 缡暴的谤雾，敷可褥至燕确的校正磁方位数摄。 使用短钻铤测量施工，需要注意以下问题： 褥鞋校燕交键其产生豹墩子抗。 地面数据处理系统利用当地d i p 与m a g n i t u d e 的理论值，结合探 警溅蠢鹃b x ，b y ，g x ，g y ，g zf l - 雾遗霪谂志戆b z 篷。霉瓣蔫该诗算掰褥 的b z 值，进彳予井眼方位的计算。因此输入地面数据