基于卡尔曼滤波的钻井液脉冲信号处理方法.pdf

2 0 1 5年第 4 3卷第 4期 石 油机械 CHI NA P ET ROL EUM MACHI NERY 一3 9 一 钻 井技术与装备 基 于卡尔曼滤 波的钻 井液脉 冲信 号处理方法 张中伟 孙 峰 中石化胜利石油S - 程有限公司钻井工艺研究院 摘要 影响信号处理及信号解码 的最大问题是噪声干扰 ，有效 的信号处理方法能够提高接 收 信号分析处理的正确性及可靠性。为此 ，提 出了一种基于卡尔曼滤波的钻 井液脉冲信号处理 方法。 首先根据钻井泵噪声与泵冲之间的关系，求出泵噪声 的谐波频率及对应 的幅值相位，实现泵噪声 的重构 ，从而实现 了泵噪声的去除。对于去除泵噪声后 的信号，其余的噪声可 以作 为加性噪声来 处理，进而采用卡尔曼滤波方法实现信号的实时滤波。试验结果表 明，泵噪声是钻井液脉冲信号 的主要干扰源，对于钻井液脉冲信号 的滤波，所提 出的卡尔曼滤波方法实用且有效。 关键词卡尔曼滤波；钻井液；脉冲信号；信号处理；泵噪声 中图分类号 T E 2 4 9 文献标识码 A d o i 1 0 ． 1 6 0 8 2 ／ j ． c n k i ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 0 9 M ud Pul s e S i g n a l Pr o c e s s i n g M e t h o d Ba s e d o n Ka l m a n Fi l t e r i ng Z ha n g Z ho n g we i S un F e n g D r i l l i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e o f S h e n g l i P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g C o ． ，L t d ． ，S I N O P E C Abs t r a c t No i s e d i s t u r ba n c e i s t h e b i g g e s t pr o b l e m wh i c h a f f e c t s s i g na l p r o c e s s i n g a n d s i g n a l d e c o - di n g ．Ef f e c t i v e s i g n a l p r o c e s s i n g me t h o d c a n i mp r o v e c o r r e c t n e s s a nd r e l i a bi l i t y o f r e c e i v e d s i g na l a n a l y s i s a n d p r o c e s s i n g ． T h e r e f o r e ，a Ka l ma n fi l t e r - b a s e d mu d p u l s e s i g n a l p r o c e s s i n g me t h o d i s g i v e n ． T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n d r i l l i n g p u mp n o i s e a n d pu mp s t r o k e i s u s e d f o r c a l c u l a t i n g h a r mo n i c fre qu e n c y o f p u mp n o i s e a n d c o r r e s p o n d i n g a mp l i t ud e a n d ph a s e t o a c h i e v e p ump n o i s e r e c o n s t r u c t i o n， t hu s r e mo v i ng p ump n o i s e s ．F o r t he s i g na l wi t h o u t p u mp no i s e， o t h e r n o i s e s c a n b e t a k e n a s a d de d n o i s e for p r o c e s s i n g a n d t he n Ka l ma n fi l t e r me t h o d i s us e d t o a ． c h i e v e r e a l t i me fil t e ring ．T e s t r e s ul t s s h o w t h a t t h e p ump n o i s e i s p r i ma r y di s t u r b a nc e s o u r c e o f mud p u l s e s i g na l s a n d t h e p r o p o s e d Ka l ma n fi l t e r me t h o d i s p r a c t i c a l a n d e f f e c t i v e f o r fi l t e ri n g o f mu d p u l s e s i g n a l s ． Ke y wo r d s Ka l ma n fil t e r ； mu d； p u l s e s i g n a l ； s i g na l p r o c e s s i n g； p ump n o i s e 0 引 言 M WD ／ L WD系统 中一个重要 问题 是如何将 井 下钻井数据传输到地面上 ，目前应用最广泛的数据 传输方式是钻井液脉冲法 j 。在钻井作业中 ，钻 井泵将钻井液泵人钻杆 ，并经钻杆底部的钻井液脉 冲发生器产生压力信号 ，该压力信号沿着钻柱中钻 井液柱 向上传播至地面。通常是在立管上安装压力 传感器接收该信号，并将其传送到信号处理器 ，通 过信号处理及解码得到井下实时信息。影响信号处 理及信号解码的最大问题是噪声干扰 ，有效的信号 处理方法能够提高接收信号分析处理的正确性及可 靠性。 对钻井液脉冲信号的处理是随钻测量及随钻测 井 中的关键技术和研究热点 ，目前最常用的处理方 法是低通滤波 、相关滤波 、小波包去噪和 自适应滤 波等方法 ，这些方法将具有周期性特征的泵噪 声等同于加性噪声进行处理。将泵噪声独立出来， 采用频谱分析的方法直接去除。去除泵噪声后的信 号所包含的噪声近似看作为加性噪声或 白噪声 ，采 用卡尔曼滤波方法实现信号的进一步处理 ，最后通 基金项 目中国石油化 工集 团公 司科技攻关项 目 “ 捷联式旋转导向系统完善及应用技术研 究” J P 1 4 0 1 7 的部 分研究 内容 。