基于信号相似性的导向钻井下传信号处理方法.pdf

2 0 1 2 年 2 月 石油勘探与开发 PETR0LEUM EXPL0RAT1 0N AND DEVELOPM ENT VO1 ． 3 9 No． 1 1 1 1 文 章编 号 1 0 0 0 ． 0 7 4 7 2 0 1 2 0 1 0 1 1 1 - 0 7 基于信号相似性 的导 向钻井下传信号处理方法 汤楠，汪跃龙，霍爱清，程为彬 西安石油大学陕西省钻机控制技术重点实验室 基金项目陕西省科学技术研究发展计划项目 2 0 1 0 K0 7 ． 0 9 ；陕西省教育厅专项研究计划 0 9 J K 6 8 7 摘要为 了准确、高效识别导向钻井 中以钻井液排量负脉冲间隔方式下传 的指令信号，解决井下接收装置中指令识 别和解释方法运算较复杂和误码率较高等 问题，提出 了一种基于信号相似性原理的信 号识别处理技术。该技术通过 比较各段采样信号幅值的 自相 关程度求取 由钻井液排量脉宽所表示的导向钻井下传指令 ，并对井下采样信号按一定 规律逐段 比较，通过判断信号下传 的开始点、解算信号各位的值和求取指令字等 3个步骤 ，完成指令识别。给出了 适合井下处理的递推式实用算法，设计 了钻井液排量信号采集试验装置。研究和试验结果表明，利用该方法可简化 运算程序、提高钻井液排量信 号识别的可靠性和抗扰 能力 ，特别有利 于克服尖峰和周期干扰对计时求取的影响以及 传输通道惯性及低频噪音对信号跳变沿判断的影响。图4参 1 5 关键词导向钻井；下传信号；接收装置；相关函数 中图分 类号 T E 2 4 2 T P 1 4 文献标识 码 A A d o wn wa r d s i g na l p r o c e s s i n g m e t h o d f o r r o t a r y s t e e r a b l e d r i l l i ng s y s t e m b a s e d o n s i g na l s i m i l a r i t y Ta ng Na n ， W a n g Yu e l o n g， Huo Ai qi ng ， Ch e n g W e i bi n S h a a n x i Ke y L a b o r a t o r y o fOi l Dr i l l i n g R i g s C o n t r o l l i n g T e c h n i q u e ， Xi ’a n S h O U U n i v e r s i ty ， X i ’ a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a Abs t r ac t To i d e n t i f y do wn ho l e c o mma n d s i g na l s a c c u r a t e l y a n d e ffi c i e n t l y wi t h n e ga t i v e flu i d p ul s e i n t e r va l s i n t h e r o t a r y s t e e r a bl e d r i l l i ng e n gi n e e r i n g a nd s o l ve t he c o mpl e x o pe r a t i o n a n d hi g h e r r o r r a t e pr o b l e ms i n t h e c o mma n d i de nt i fic a t i o n a nd e x pl a na t i o n p r o c e s s o f d o wn ho l e r e c e i v e r s ，t hi s pa pe r p r e s e n t s a s i g na l p r o c e s s me t h o d ba s e d o n s i g n a l s i mi l a r i t y p r i n c i pl e ．I n t h i s me t ho d ，c o mma n d i n s t r u c t i o n s e x pr e s s e d b y d r i l l i ng flu i d pu l s e wi dt h s i g n a l a r e o b t a i n e d b y c o mpari n g t h e s e l f - c o r r e l a t i o n de g r e e o f s a mp l i n g s i g na l a mp l i t ud e s a t e a c h i n t e r v a l ， a nd t h e d o wn ho l e s a mp l i n g s i gn a l s a r e c o mp a r e d i n t e rva l by i n t e rva l a c c o r d i ng t o a fixe d r ul e ， a n d c o mman d i d e n t i fi c a t i o n i s a c h i e v e d b y t h r e e s t e p s ， i ． e ． j u d g me n t f o r t h e s t a r t o f s i g n a l ， c a l c u l a t i o n for d i g i t a l b i t s o f t h e c o mma n d ， a n d a s s e mb l i n g o f c o mma nd wo r d． The r e c ur s i ve p r a c t i c a l a l go rit hms s u i t a bl e f o r d o wn h ol e p r oc e s s i n g a r e p r o po s e d． Th e r e s u l t s s h o w t ha t t h e me t h o d C an s i mp l i f y o p e r a t i o n p r o g r a m an d i mpr o v e t he r e l i a b i l i t y a n d a b i l i t y of i n t e r f e r e nc e k i l l i n g f o r t h e s i gn a l i d e n t i fic a t i o n， a n d i s es pe c i a l l y g o od for o v e r c o mi n g the e ffe c t s o f pe a k a n d p e rio di c i n t e r f e r e n c e o n t i me c o u n t i ng a n d t h e e ffe c t s o f i ne rti a of t r a n s mi t t i ng c h a n ne l an d l o w fr e q u e n c y n o i s e o n s i g n a l j u mp e d g e j u d g i n g ． Ke y wor ds r o t a ry s t e e r a bl e d r i l l i ng ； do wn ward s i g na l ； r e c e i v e r ； c o rre l a t i o n f u nc t i o n 0 引言 在旋转导 向钻井作业过程中，需要地面监控系统 和操作人员向井下导 向工具发送导向控制指令 ，通过 地面和井下双向通信 ， 实现井眼轨迹的闭环控制[ 1 ] ， 从 而提高油藏钻遇率 。 目前有缆钻杆[ 2 】 尚未在国内钻井工 程 中得到实际应用 ，地面监控下传指令信号一般通过 钻柱中钻井液压力或排量 的变化来传送 ，这种方法虽 然 传输 速 度较 慢 ，但 由于具 有对 钻井 工 艺无 特殊 限制 和要求、信号 的接收检测相对容易等优点 ，在应用中 也 得 到 了 比较广 泛 的认 同[ 3 】 。 在调制 式旋 转导 向钻井 作 业 的一种下传信号传输方案 中，通过调节脉冲阀的开 启与闭合及开闭的持续时间，控制分流立管正常钻井 液排量 ，产生不 同脉宽的钻井液压力负脉冲信号 ，以 达到下传控制指令的 目的【 4 】 。 在电驱动钻机系统 中则是 通过调频的方法产生下传信号。 为 了在井 下接收钻井液压力 脉冲传输 的下传信 号 ，可以在井下设置专门的压力传感器及相应的电路 ， 但在井底环境压力异常时这种方法的测量结果会受到 较大 影响 。由于井 下特殊 的工作 环境 ， 井 下流量传感 器 测 量结 果 的可靠 性 和精 度也 存在 不 足 。对于 调制 式旋 转 导 向钻 井 系统 ，井下 导 向工 具 中一般 设置 有钻 井 液 l 1 2 石油勘探与开发 石油工程 涡轮发电机 ，为井下工具 中的检测和控制电路供电【 5 】 。 本文提出并讨论的旋转导 向钻井信号接收方法 ，利用 导 向钻 井 系统 中已有 的涡 轮发 电机在 线 检测 钻井 液 排 量变化 ，并通过与之相连接的接收装置完成钻井下传 信号的检测 、处理 、识别和解释任务 ，具有结构简单 和操作方便的优点。 1导向钻井下传信号的基本特征 地面监控装置产生下传信号_ 5 ] ， 通过地面指令发送 装置将信号转换成一定脉宽的钻井液排量变化 1 0 ％～ 2 0 ％ 。排量的 “ 三降三升”变化共形成三负两正 5个 脉宽 ， 分别为约定最小信号脉宽时间 i 的整数倍 。 所得的这 5个倍数值按传输顺序构成一个代表一定控 制命令的指令字 ，送井下工具 的控制单元作为导 向钻 井系统的控制指令 。每个指令字由上述 5位指令码组 合而成 ， 分别表示相应的导向力级别和工具面角【 4 】 。这 种指令字信号的特点是其编码采取 了 “ 三降三升” 即 由 3个排量负脉冲组成的控制指令信号共有 3个下降 沿和 3 个上升沿 脉冲间隔方式。 在上述下传信号指令字的识别运算中 ，主要难点 如下 ①信号上升沿和下降沿的判断。信号上升沿和下 降沿的判断需要根据预先设定 的阈值判断下传信号 的 开始，同时还需判断指令 中每位指令码的开始和结束。 但如果信号传输通道 中存在有较大的噪声干扰和惯性 时间常数 ，会给信号阈值的判断带来很大影 响。此外 ， 在 钻井 作 业 中 ，钻 井 液排 量 不是 一个 定 值 可 据实 际 情况设计 ， 所以在算法中还必须通过一个不涉及具体 排量 的相 对排 量变 化关 系来进 行判 断 。 ②脉宽时间 T的确定。 在理论上为钻井液脉 冲信号中每个脉宽 的时间 ，通过求取 与最小信号脉 宽 时间 T m j 的整倍 数关 系可得 到 实际指 令字 中的每 一 位指令码。但是实践中无论 系统 自动控制还是人工 对脉冲阀的开闭时间进行控制 ，都很难获得十分准确 的 值且信号 中的低频噪音和通道惯性都会给 值带 来误差 ，定时器和软件计算也会有一定的累计误差 。 所 以为了确保指令 的正确接收 ，井下接收装置中的指 令解释识别部分必须给正常脉宽时间判断留有一定 的 正 负裕量 一 般 可取 1 0 ％左 右 ，同时又 能把 由各种 原 因产生 的 异 常脉宽 信 号 较 长 和较短 的脉宽 信 号 正 确地 处理 或剔 除 。 ③钻 井 液排 量 信 号 中噪声 干 扰 的抑 制 。钻井 作业 过程中，钻井液循环系统中影响下传信号的因素较多。 噪声干扰是其中的重要影响因素之一 ，下传信号 中的 噪声源主要包括泵噪声 、钻井液 中气泡的影响等 ；井 下导 向工具中永磁式交流钻井液涡轮发电机和力矩发 生器在工作中产生的强磁场对接收装置 中互感线圈检 测信号产生影响。在检测到的信号中除了较 明显 的高 频 噪声外 ，也有可能会有一些低频甚至与信号基频相 近的噪声。图 1所示为试验中常见的两种噪音信号 。 研究表明，下传信号接收装置的指令字识别过程易受 到噪音信号的影响 ，特别是如果噪声在电压上有较高 的幅值 ，即使是脉宽很窄 ，也可能导致脉冲跳变沿判 断及脉宽计时错误。应用中需在硬件和软件方面采用 各种专门措施 ，例如带条件的限幅 、带条件 的惯性等 复合数字滤波方法 ，力求在不影响脉宽识别 的情况下 尽 量提 高抗 干扰 能力 。 时间／ s a 低频噪音信号示例 时间／ s b 尖脉冲噪音信号示例 图 1 导 向钻井 下传 指令信 号 中的典型 噪音 示例 2下传信号的基本数字处理方法 鉴于钻井液下传信号及噪声 的特点 ，其数字信号 的 预处理 主 要采 用 滑动 平均 低通 滤 波法 。但 为 了避 免 对实际信号的跳变沿造成影响 ，数字滤波运算程序 中 对 电压数 据 进行 了简单 的处 理 ，即两次 数 据差 的绝 对 值 超 过 某 个 特 定 阈值 的 采 样 数 据 不 参 与低 通 滤 波 运 算 ，否则 会 使信 号 中有 用 的跳变 沿 陡度 变差 ，从 而影 响脉宽的计时运算。但这种滤波方法对幅值较大的高 频 噪音抑 制 能力较 差 。 对于因多缸钻井液泵排量不平衡等现象造成 的多 2 0 1 2年 2 月 汤楠等 基 于信号相似性的导向钻井下传信号处理方法 频率噪声 干扰的情形 ，原则上也可 以采用基于 “ 平顶 消除”的非线性滤波法【 刚、小波熵法或者小波阈值法[ ] 等随钻测量系统中用于处理钻井液压力脉冲上传信号 的方法来处理。但是由于旋转导向下传信号接收装置 位于近钻头的井下工具 中，井下微处理器的工作环境 较差且性 能有限 ，所以，位于井下 的下传接收装置中 的数据处理软件算法只有 比位于地面的随钻测量系统 常用 的钻井液上传信号解算方法更加简单 、可靠 ，才 能真正具有实用性 J 。 对于以脉冲间隔编码方式表示的下传信号 ，通常 是利 用 井下 微 处理 器 中 的定时 器进 行指 令 时域 的 直接 识别和解释 ，并基于两次电压信号跳变之间的时间计 算 各位 指令 码 [ 9 ] 。 这 种算 法在 实际应 用 中必须通 过 如下 处理才能得到所需结果 ①带一定 自适应功能的信号 幅值相对变化的识别方法 ，以适应不同钻井工程条件 下 的工作排量及井下涡轮发电机 的电压输出；②定时 器计时时间与最小信号脉宽倍数求取中的特殊取整技 术 ，以适应地面监控装置下传信号脉宽产生时的不 同 误差 ；⑧信号高电平窄脉宽噪音 的处理和低频干扰的 不同处理 ；④对正负脉冲跳变沿分别处理的 5位指令 码的位数识别处理等。 这 种基 于 正负 脉 宽时 间计 时 的信 号处 理算 法 虽然 看起 来 原理 较 简单 ，也 能 得 到所需 的结果 ，但 在 实 际 应 用 中却 发现 该方 法 对信 号 噪音 的抑 制 能力 比较 弱 ， 完成 上 述 4项处 理任 务 的能力 有 限 ，且 软件处 理 中的 实际判断和运算逻辑也比较复杂 。例如 ，对于尖峰干 扰 的处理 ，首先要判断电压跳变方向与上一次是否相 反 ，还要根据峰值在一定 阈值以上存在的时间作 出不 同的判断和处理。实际上就是根据脉冲宽度来 区别和 处理 ，过窄的脉冲信号需要剔除，但又不能影响原脉 宽 的计时 。正常脉宽变化范围内的脉冲信号需要按照 正确下传信号 的一位来处理 ，若接收结果 中含有幅值 较高且宽度超过正常值的脉动 ，实际上意味着本次信 号传输失败[ 1 刚 ，需要重新传输信号。 在应用 中，这种分别以幅值和宽度固定阈值的判 断方式显得过于死板 。主要是其对实际信号中不同形 式噪音和失真的适应能力不强 ，同时信号 的跳变沿还 极 易受 到钻 井 液容 积对 象 惯性 时 间常 数及 传输 通 道 中 其他 因素的影响。较为合理的做法应该是 ，通过信号 幅值和宽度两个量 的值及其二者的相互关系来判断指 令码。例如通过一定 的隶属度关系 ，采用模糊推理的 算法对信号中各种噪音进行判别并分别加以处理 ，可 以提高下传信号的可靠性 ，特别是克服尖峰干扰对计 时的影响和低频噪声对信号跳变沿判断的影响。 基于信号相似性的指令判断和识别方法 ，原理上 有些类似于随钻测斜钻井液压力脉冲上传信号的人工 透明模板信号识别方法_ 1 ” ，由于其算法简单 、容错能 力强 且对 原信 号 中 的滤波 等预 处理 要求 不 高 ，更 适 合 井下微 处理器 的软 件处理 。 3基于相似性 的下传指令识别原理 本文提出的识别方法 ，采取了信号相似性运算 ， 以信号图形的相似程度 如误差能量信号最小 为基 本判断准则。处理 中不再需要直接判断信号的跳变时 刻 、脉宽时间的整数值及各种类型的噪音等 。试验结 果对 比证明 ，该方法解决了钻井液下传信号中存在低 频噪声 、高幅值的窄脉冲 、工作排量变化等情况下的 指令识别 问题 用井下常规算法难 以准确识别 和解 码 ，使之不再对指令码的判断和解释造成实际影响， 在一定程度上提高了信号接收的可靠性 ，为导向钻井 下传指令的准确接收提供了保证 。在信息处理中也不 再 占用 处 理器 、定 时器 和 中断 资源 。另外 ，其 算 法原 理也可供钻井 工程中随钻测 量上传信号的处理作参 考 。应用 该 方法 的 唯一要 求 是下 传信 号要 在至 少 一个 i 的正常排量后才能发送下传指令 ， 而正常工作 中这 个要求 一般 均可 满足 。 这种基于信号相似性原理的下传指令识别方法主 要通过以下 3 个阶段运算完成 。 1 在排量信号中不断地寻找下传指令信号的开 始点，即通过连续运算判断 i 内是否有一个信号幅 值下降约 2 0 ％的点 。其基本运算判断过程如下 首先在 i 内采集信号数据建立一个信号数据段 作为标准信号数据段 简称 数据段或 序列 ，其数 据 序列表 达式 为 1 ， 2 ，⋯ ， i ／ ， 为采样 周期 ，例如若 T m 3 0 8 、 0 ． 3 s ，则 0 ～3 0 S的信号 ， 数 据序 列 为 X 1 ， 2 ，⋯ ，x 1 o o ；然后 在 下 一个 i 内采集信号数据再建立一个采样数据段 简称 数据段或 序列 ，其数据序列表达式为 x i ／ 1 ， x i ／ 2 ，⋯ ， x 2 T m i ／ ，例 如 图 2中 3 0 ． 3 ～6 O ． 3 S 的信号，数据序列为 x 1 0 1 ，x 1 0 2 ，⋯，x 2 0 0 ，将 B 数据 段与 数据段 进行 比较 ，对 比较 结果 分别处 理 如下 。 ①B数据段与 数据段所表示的信号幅值基本相 同 ，说 明钻 井液 排 量没 有变 化 。这 时从下 一采 样 时 间 开 始 的一 个 i 内采 集数据 建立新 数据 段 数 据序 列 为 x 2 ， x 3 ，⋯ ， i ／ 1 ，再 在其后 一个 T m i 1 l 4 石油勘探与开发 石油工程 内采集数据建立新 数据段 数据序列为 ／ 2 ， i ／ 3 ，⋯，x 2 T m i ／ 1 ，再将新 数据段与 新 数 据段 进行 比较 ，如果 比较 结果 同前 ，则需 继续 建立新的 A、B数据段进行 比较 。照此以 为运算步 长不断循环向后计算 ，直至得到一个满足要求的结果。 ② 数据段信号平均幅值约等于 数据段的 8 0 ％， 表明在 j 内排量出现约 2 0 ％的降幅，即检测到下传 指令传输的开始点。 ③若 比较结果与①和②的要求都相差很远 ，置信 号异常标志 ，用原 数据段下一个采样周期开始的数 据建立新的标准数据段和新的采样数据段重新判断下 传指令的开始点。 2 根据每个脉宽的长度分别求取指令字 中每个 位码 的具体值 。其基本过程如下。 找到下传指令开始点所在的第 1个 i 后 ，对指 令字的第 1 位 m 赋值 1 ，然后开始求取指令 中这一位 的具体值 。具体做法是 以找到下传信号开始点的 数据段作为标准信号数据段 ，与据原 B数据段下一个 i 内的信 号数 据建立 的新 数 据段 进行 比较 ，即如 果据第1个 i 内数据建立 的 B 序列 为 x k 1 ， x k 2 ， ⋯ ， i ／ ， 则新 序 列 即为 斛 i ／ 1 ， 抖 i ／ 2 ，⋯ ，x k 2 T m i ／ ，将 数 据段 与 数 据段进行 比较 ，对 比较结果分别处理如下 。 ①B数据段与 数据段 的信号幅值基本相同 ，说 明排量回到正常值 ，表示代表第 1位指令码 的脉宽结 束和下一位 的开始。m 不变 ，赋值 m 1 ，用标准数据 段 数据段与据下一个 i 内的数据信号建立的新 数 据段进行 比较识别 ，直至找到下一次排量的下降时刻 ； ②B数据段信号平均幅值约等于 数据段的 8 0 ％， 说明脉宽又持续了一个 i ， 赋值 m。 l 并继续用 数据段作为标准数据段与据下一个 t 内采集的信号 数据建立的新 数据段进行 比较识别 ， 直至脉宽结束 ， 获 得确 切 的 m 值 ； 以 j 为单位不断向下比较 ， 分别求取m 一 s 的值。 ③当指令字最后一位 m 接收结束时 ， 将 5 位字符 按顺序拼为一个完整的指令字并置接收结束标志。 这种基于信号相似性 的指令识别技术对下传指令 开始点 的判断和具体指令码 的求取区别对待 ，其算法 决定其具有几个主要优点 ①应用相似性原理判断指 令 脉宽 ，抗 干扰 能力强 ；② 以 为计算 步长逐 一判 断 下传指令的开始点 ，以确保下传信号不丢失 ；③检测 到下传指令开始的信号前 ，工作排量所对应 的标准信 号随程序执行不断更新 ，确保判断不受实际排量变化 的影响 ；④在检测到下传指令 的开始点后 ，改用 i 为单位逐一判断 5位指令码 ，进一步提高了信号识别 的可靠性 ，也减少了运算量 。 4基于相似性 的下传指令算法 完成上述指令识别 的核心是需要有一种较为简单 的数字处理算法 ，算法尽量简单且 占用运算时间和存 储单元少。 算法的核心是 以一段正常排量 的采样数据作为标 准 ，比较其与该信号 中其他时间段数据的相似性 。比 较 的目的是找到以下结果 ①两个数据段 的信号幅值 基本相同；②被 比较数据段的信号幅值基本为标准数 据段信号幅值 的 8 0 ％。完成这种信号相似性运算的数 学方法有多种 ，研究中用到的算法如下。 4 ． 1基 于有 限序 列 自相 关 函数 概念 的算 法 信号处理技术中常用相关函数研究能量有限信号 的相似程度 一个序列和另外一个左移若干个采样周 期的系列对应相乘后的累加结果定义为两个信号的互 相关函数 ；反映信号与其本身延迟若干个采样周期后 信号的相似程度的相关函数则被称为 自相关函数 。本 研 究 利 用 白相关 函数 的概 念 ，计 算 中从 第1次 运 算 n 1 起 连续 递推计 算 E 的值 ， 分 别求取 1 、 E 2 、 E 3 ，⋯ ， 并根 据 E ” 进 行相 应 的指令 判断 。考 虑 到导 向钻井下传信号需要判别相似程度数据的有限点数和 判别方便 ，指令识别应用 中采用的具体算法构建为 1 F4n x n k x n k ， 1 式 中 E 信号 和 x n 1 的相关 函数值 ； x n 1 井下接收装置得到的电压采样信号 ； 数 据归一 化处理 系数 ；Ⅳ i 内的采样 点数 ， T m i ／ ； 运算序号 ，n l ，2 ，⋯； 一 采样序号 ， k - I ，2 ，⋯；卜一运算数据起点值 ，根据程序不同执 行阶段分别取值 ，如识别下传指令开始时，， Ⅳ；识别 每位指令码时 ，l p N，P为一正整数。 实际应用中 ，对于钻井液排量变化这样 的信号 ， 并不需要太高的采样频率。根据归一化处理原理 ， 数值上等于 数据段信号幅值的平均值 ，其随程序中 数据段数据的不断变化而变化 2 Ⅳ 。 故 1 式中的 在数值上等于 A数据段 的信号功率。 经过归一化处理 ，使运算程序只按照信号变化 的 相对关系完成对指令的识别 ，与钻井工程中具体排量 2 0 1 2年 2月 汤 楠 等 基于信 号相似性 的导 向钻井下传信号处理方法 值无关 。因此 ，试验得到比较运算判断的条件是 当 标准排量为 2 0 L ／ s 时，E 1 试验 中曾取 E 1 ． 0 0 ． 0 2，应用中也可根据信号和噪音的具体情况适 当调 整 ， 为 2 0 L ／ s 排量对应的一段 i 长度信号。 而 E ， z 0 ． 8 试 验 中取 O ． 8 0 ． 0 2 为 1 8 L ／ s 排 量对应 的一 段 i 长度信号。 4 ． 2 基 于信号 能 量误差概 念 的算法 信号能量误差也可以被用来研究两个信号的相关 程度 ，信号能量误差最小准则也是信号处理 中最常用 的准则之一。为适应下传信号幅值变化的判断 ，试验 中对能量误差运算也做 了归一化处理 ， 具体算法如下 1 E n [ 尼 一 x k 『 ] 3 ， ， 』 V k 1 该算法判断与标准排量相同和排量变化 8 0 ％的条 件分别为 E 0和 E 0 ． 6 4 ， 这种算法判断条件简单 但也有一个缺点， 即不能判别 8 0 ％排量变化的正负方向， 尽管负脉冲传输的导 向钻井系统钻井液下传信号一般 不会 出现一定宽度的正向 8 0 ％排量或压力脉冲变化。 5算法的具体实现与试验结果 应用上述算法 ，对井下钻井液发电机进行 了电力 和水力两种驱动方式 的指令数据传输与解算试验。 图 2 所示为 2 0 1 0 年 8月进行的水力驱动试验 中得到的下传 指令信号 的试验数据 曲线。试验地点在陕西宝鸡石油 之 时 间／ s a 钻井液排量变化原始曲线 时间／ s b 数字滤波后的井下钻井液发电机输出电压数据曲线 图 2 导 向钻井 下传指 令信 号试验 数据 曲线 机械有限责任公司总装成套分厂试验井场 。试验装置 以参考文献[ 1 2 ] 所述井下导 向工具稳定平台实验装置 为基础改造而成 ，将其安装在设计制造的专用水力 涡 轮驱动试验短节 中。水力驱动试验装置基本结构及工 作原理见图 3 。正常排量下， 试验装置是在稳定平台工 作的同时接收并识别下传指令 ，装置的接收部分由给 电子仓提供工作 电源的钻井液发 电机及其他相应硬件 和 软件部分 组成 【 1 3 - 1 4 ] 。 涡轮 稳定平台电子仓 钻井液泵 钻井液发电机 钻铤 a 下传指令实验装置结构示意图 交流 数字 指 令 字 蛩 雯 垦 指 令 字 b 下传指令试验装置工作原理框图 图 3 导向钻井下传指令实验装置结构及工作原理示意图 受条件限制 ，试验中的钻井液由清水替代 ，采用 单台往复式变频调速钻井液泵通过管汇向试验短节注 入 设 定排 量 和脉 宽变 化 的钻井 液 。试验 所用 调 速钻 井 液泵缸径为 1 5 0 mm， 信号传输对应的高低排量分别为 2 0 L ／ s 和 1 8 L ／ s ；试验短 节长度 为 2 9 7 0 mm，内径 为 1 2 0 mm；导 向工 具稳定 平 台含发 电机 和电子仓 总长 度 为 2 3 4 0 mm。永 磁式钻 井液 交流 发 电机 的额定 电压 为 3 6 v。试验 中按照下传信号指令字的组合时序 ，以不 同编码 的变排量脉宽 ，先后发送若干组下传指令信号 并全部得到了正确的接收和识别结果。试验 中井下工 具接收系统数字部分的采样周期 取 0 I 3 S ，共接收处 理与下传指令相关的经 1 2 位A ／ D转换的数字信号万余 个 ，图 2所示为其中一组指令字的试验数据 ，其中图 2 a 为钻井液排量变化原始曲线 ， 图 2 b为经过接收装置 数字滤波运算后的井下钻井液发电机输 出电压数据 曲 线。例 中的指令有效传输总时间为 2 4 0 S 。约定 j 为 3 0 S ， 故该例试验曲线所对应的下传指令字应被解释为 “1 l 2 2 2”。 为 了确保 对井 下 工具 工作 状态 的掌 握 ，在 导 向钻 井 井 下工 具 的检测 控 制 电子装 置部 分设 置有 专 门 的大 容量数据存储区【 ] ，其 中也包括井下工具 中涡轮发 电 机输 出电压的数据 。所以对程序中数值累加运算 的原 始数据不需要再设置专门的存储 区。 为了使软件程序长度及执行时间都能满足井下微 处理器的要求 ，程序中设定一个累加器通过递推过程 2 0 1 2年 2月 汤 楠 等 基 于信号相似性的导向钻井下传信号处理方法 l 1 7 行识别时 ，首先应 以采样周期为间隔寻找下传指令 的 开始 ，再 以 i 为间隔逐一判断下传指令中的每一位 指令码并将其构成一个完整的 5位指令字。由于运算 所采用数据是基于函数 自身相对变化经 比较得到的， 所以对钻井液泵工作的排量没有任何专 门要求 。实验 表明 ，该方法具有信号识别可靠性高 、白适应和抗干 扰能力强等显著优点。同时该法对地面信号精度要求 不 高，井下解释的算法简单且程序量小 ，具有较强的 实 用性 。 参 考文献 [ 1 ] 张绍槐 ．现代 导向钻 井技术 的新 进展及 发展方 向 ．石油学 报， 2 0 0 3 ，2 4 3 8 2 - 8 5 ． Zh a n g S h a o h ua i ． Ne w p r o g r e s s a n d d e ve l o p me n t d i r e c t i o n o f mo d e r n s t e e r i n g d r i l l i n g t e c h n i q u e [ J ] ．Ac t a P e t r o l e i S i n i c a ，2 0 0 3 ，2 4 3 8 2 8 5 ． [ 2 ] 黄 昌武． 2 0 0 9 年 国外石油科技十大进展[ 石油勘探与开发， 2 0 1 0 3 7 f 2 1 1 6 6 ． Hua n g Ch a n g wu T e n f o r e i g n p r o g r e s s e s o f p e t r o l e u m t e c h n o l o g y i n 2 0 0 9[ J ] ． P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 0 1 0 ， 3 7 2 1 6 6 ． [ 3 ] 刘修善 ，苏义脑 ．地面信号下传 系统的设计[ J 】 石油学报，2 0 0 0 ， 2 1 6 8 8 9 2 ． L i u Xi u s h a n ，S u Yi ’ n a o ．Sc h e me d e s i g n o f d o wn wa r d s i g n a l i n g s y s t e m[ J ] ． A c t a P e t r o l e i S i n i c a 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