CN102200009A - 用于mwd井下连续波信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于MWD井下连续波信号处理方法，解决了原有处理方法没有考虑信号的反射、叠加、回响等因素的影响问题；该方法首先建立井下MWD系统结构模拟图，然后依据钻头水眼面积与钻头截面积的比例关系分钻头为开路端点反射器，钻铤-钻柱波阻抗不匹配及钻头为闭路端点，且为固体反射面，钻铤-钻柱截面积不匹配这两种情况分别进行处理；基于本发明特定的信号处理算法，可去除地面接收信号中包含的反射、叠加和回响的干扰，恢复出原始的ΔP信号，进一步，通过解析ΔP信号获取MWD随钻测量信息。

Description

用于MWD井下连续波信号处理方法

技术领域

本发明涉及石油、矿山、地质勘探等随钻测量或随钻测井中的一种基于连续波测量信号的解卷积处理方法。文中的发明与随钻测量系统相关，并与井下数据在随钻测量过程中的传播密切相关。。

背景技术

在MWD连续波信号处理过程中，通常认为“井下信号”是由安装于靠近井下仪器串MWD钻铤末端的脉冲发生器发出。在连续波信号发生器两侧产生对应的两个信号，我们称之为ΔP信号，他们分别向地面和井下传播。

在井下MWD钻铤中，钻井液流过MWD脉冲发生器，这一发生器可能是正脉冲、负脉冲或者是泥浆汽笛。安置在记录仪上的传感器检测代表井下信息的有用信号，例如：电阻率、伽马、方位角、倾斜角等等数据。这些数据都以二进制的方式进行编码，即0或者1。数据通过脉冲发生器的关闭和打开模拟数字的0、1，从而产生脉冲信号进行传输。相应的压力变化能够在远端(地面)接收，并解释为数字的0或者1。

对于上述的信号传播过程，传统的处理方法认为：1)连续波信号沿两端无限长的管道进行传输，在其中不存在声波阻抗的不连续性；2)连续波信号在向下传播到钻头处时，由于钻头表面存在水眼，所以可以将钻头表面视为开路端面，信号发生反射后可以近似认为其大小不变，符号相反。

不幸的是，上述的假设是不正确的。

首先分析1)：井下仪器串的末端是钻头，上面确实存在水眼，向下传输的信号波在这里受到冲击，发生反射向井上传输，与原有的信号波相互叠加。但是，钻头反射面的情况却绝不是简单认为其是开路端面就可以。根据钻具组合的不同，以及钻具向井下钻进过程遇到的岩层情况的不同，钻头表面声波阻抗特性有着截然的不同。当钻头水眼面积较大时，可以将其认为是声波开路反射面；但是当水眼面积较小，或者是钻头打在了硬质岩层上的时候，此时的钻头表面就绝不是声波的开路反射面了。

其次分析2)：在典型的钻具组合通道中，钻柱、钻铤、钻头等各个短节的内部截面积不同，所以对于声波信号，其特征阻抗也不相同。这些MWD钻铤、钻柱和钻头连接处的不连续性，造成叠加后的信号在MWD钻铤中形成回响。因此，传统的分析方法认为“沿着钻柱无限传输”并不能代表ΔP信号传输的真实情况。

基于上述分析，寻找一种能够在真实工程背景中，利用地面接收到的包含了井下反射、叠加和回响等噪声的连续波随钻测量信号，恢复出原始的井下随钻测量信息的信号处理方法成为解决问题的关键。因此，需要建立合适的信号处理方法，从地面检测到的连续波信号中去除其在传播过程中反射、叠加和回响的影响，有效恢复出ΔP信号。这一处理过程需要借助更多的与系统相关的附加信息，例如：钻铤和钻柱的截面积、钻铤长度、钻铤中脉冲发生器的位置、泥浆声速、钻头处信号波的反射情况等等。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中存在的问题，提供MWD井下连续波信号处理的方法，该方法利用地面接收到的包含了井下反射、叠加和回响等噪声的连续波随钻测量信号，恢复出原始的井下随钻测量信息。

为实现上述发明目的，本申请所采用的技术方案是：用于MWD井下连续波信号处理方法，首先建立井下MWD系统结构模拟图，该系统由有限长度的钻铤和半无限长的钻柱构成，钻头位于

处，泥浆脉冲发生器位于

钻铤的长度为L_c，截面积为A_c，钻柱的截面积为A_p；然后依据钻头水眼面积与钻头截面积的比例关系分为两种情况进行处理，具体的是：(1)钻头为开路端点反射器，钻铤-钻柱波阻抗不匹配：1)在钻铤和钻柱的连接处，利用描述流量和压力变化的方程(1)对这一阻抗进行求解；

2)通过对上述情况建立方程，并应用算法分析的前提“钻头为开路端点反射器，钻铤-钻柱波阻抗不匹配”的边界条件，并用P₃表示井下连续波信号，从P₃中抽取出ΔP，所用算法为：

3)对公式(2)利用时延差分法进行求解，获得了编码的0、1信息；4)估计上行波P_pipe(t)的参数，注意到P_pipe(t)是指从MWD钻铤进入到钻柱的信号，其位置在

所用算法为：

同样沿着x＞＞0的方向的衰减可以通过下述算法获得：

(4)

其中：A因子是指数衰减因子，其值取决于钻井液的属性和信号频率。(2)假设钻头为闭路端点，且为固体反射面，钻铤-钻柱截面积不匹配整个信号处理过程与(1)节中描述的步骤相同，只是在第2)、3)、4)步中，将相应算法中的公式(2)替换为下述的公式(5)，公式(3)替换为公式(6)，公式(4)替换为公式(7)即可；(5)

上述处理方法的基础是建立在ΔP信号传输反射、叠加理论模型上，该模型显示，信号开始产生时，ΔP信号在脉冲发生器处发出，然后分为两个部分，并且向相反的方向传播，每一部分的强度为原有信号的一半；在后续的过程中，向下传播的信号在钻头处发生反射，向上传播的信号同样在钻铤和钻柱的连接处发生部分反射；进过一段时间后，在钻铤中就形成了信号波的回响，在这一过程中，一部分信号进入了钻柱，并传播到地面，因此，地面接收到的信号只是ΔP的一部分。

本发明的有益效果：基于本发明特定的信号处理算法，去除地面接收信号中包含的反射、叠加和回响的干扰，恢复出原始的ΔP信号，进一步，通过解析ΔP信号获取MWD随钻测量信息。

附图说明

图1：井下MWD系统结构及信号传输信道模拟图；图2：ΔP信号传输反射、叠加示意图；其中A：信号开始产生状态，ΔP信号传输方式示意图；B：ΔP信号在传输通道内发生反射示意图；C：ΔP信号在传输通道内发生回响示意图；图3：键控相移、12Hz载波情况下信号处理结果；图4：键控相移、24Hz载波情况下的信号处理结果；图5：键控相移、96Hz载波情况下的信号处理结果；图6：方波脉冲下信号恢复图；图7：键控相移、12Hz载波情况下信号处理结果；图8：键控相移、24Hz载波情况下信号处理结果；图9：键控相移、96Hz载波情况下信号处理结果；图10：方波脉冲下信号恢复图。

具体实施方式

图1是井下MWD系统结构及信号传输信道模拟图，这一系统由有限长度的钻铤和半无限长的钻柱构成。连续波信号在钻铤和钻柱传输过程中由于不可逆转的热力学损失，信号会发生衰减；然而，就目前讨论的信号处理模式中，其损失因子可以视为常数，且其动态响应无关紧要。

根据图1所示，钻头位于处，泥浆脉冲发生器位于

钻铤的长度为L_c，截面积为A_c，钻柱的截面积为A_p。图1同样显示出系统中的三个截面积的不同，用1、2、3来标注。

图2中的A表明了信号的开始产生状态：ΔP信号在脉冲发生器处发出，然后分为两个部分，并且向相反的方向传播，每一部分的强度为原有信号的一半。图2中的B显示了在后续的过程中，向下传播的信号在钻头处发生反射，向上传播的信号同样在钻铤和钻柱的连接处发生部分反射。图2中的C显示，进过一段时间后，在钻铤中就形成了信号波的回响，在这一过程中，一部分信号进入了钻柱，并传播到地面。因此，地面接收到的信号只是ΔP的一部分，必须利用一定的处理方法，来从中提取出ΔP。注意到ΔP是一个瞬时信号，它处于不断变化过程中。

在实际工程环境中MWD钻铤和钻柱中的截面积往往不同，必然会引起声波阻抗的不匹配。通常，有可能是A_p(钻柱截面积)＞A_c(钻铤截面积)，也有可能是A_p＜A_c，这依赖于工程应用。在这样连续波阻抗的不匹配下，信号的回响状态更为复杂，最终导致传播进入钻柱中的信号是一个完全失真了的信号。在本文的发明中，我们开发处理一种可完全恢复信号ΔP的方法。

在井下钻具组合通道中，如果钻铤、钻柱等各个短节的截面积相同，则整个通道中的声波阻抗一致，不存在不匹配，相应的声波传输特性描述就简易很多。但是在实际的井下钻具组合中，该种情况并不存在，所以在本专利中对通道声波阻抗一致的情况不做讨论。

针对典型的钻具组合，本专利讨论两种情况：依据钻头水眼面积与钻头截面积的比例关系，可以信号传播的理论模型中将钻头等效为开路端面或者固体闭合端面，其中算法1假设钻头是一个开路端面反射器，而算法2则假设钻头是一个固体闭合端面反射器。

1、钻头为开路端点反射器，钻铤-钻柱波阻抗不匹配考虑如图2所示的工程问题。遥感通道由MWD钻铤(有限长度)、钻柱(半无限)构成。脉冲发生器位于钻铤内，为了允许发生器向左向右都能都实现信号波的传输，要求信号波长大于发生器截面直径。

这里考虑两个问题：1)信号ΔP经过在钻铤中的回响进入到钻柱以后的瞬态压力判断方法；2)在钻柱上的信号传感器测得瞬态信号以后如何从中恢复出ΔP信号；图1中，信号传输的3个短节分别表示为1、2、3。短节1、2中同时存在向左和向右传播的信号波，而在3中只存在向右传播的信号波。短节1满足开路端点的情况通常发生在钻头水眼很大的时候。

下面给出具体处理过程：1)在短节2和3的连接处，利用描述流量和压力变化的方程(1)对这一阻抗进行求解；2)通过对上述情况建立方程，并应用算法分析的前提“钻头为开路端点反射器，钻铤-钻柱波阻抗不匹配”的边界条件，并用P₃表示图2中所示的井下连续波信号，从P₃中抽取出ΔP，所用算法为：

3)对公式(2)利用时延差分法进行求解，获得了编码的0、1信息；4)估计上行波的参数，注意到是指从MWD钻铤进入到钻柱的信号，其位置在

所用算法为：

同样沿着x＞＞0的方向的衰减可以通过下述算法获得：

其中：A因子是指数衰减因子，其值取决于钻井液的属性和信号频率。

2、假设钻头为闭路端点，且为固体反射面，钻铤-钻柱截面积不匹配如果钻头被认为是理想的固体反射面(例如：水眼的面积非常小或者是钻头打在了岩石上)，那么声波在钻头处的位移为0。

则整个信号处理过程与1节中描述的步骤完全类似，只是在第2)、3)、4)步中，将相应算法中的公式(2)替换为下述的公式(5)，公式(3)替换为公式(6)，公式(4)替换为公式(7)即可得到钻头为闭路反射面时信号处理步骤。

发明内容的仿真验证，仿真实验基于MATLAB7.0环境进行：下面利用本申请的信号处理方法，对于算法1中4种不同的具体工程应用进行验证，这4种工程应用分别为：1)信号12Hz载波，利用相移键控进行编码，信号采样间隔为0.001秒；2)信号24Hz载波，利用相移键控进行编码，信号采样间隔为0.0001秒；3)信号96Hz载波，利用相移键控进行编码，信号采样间隔为0.001秒；4)信号为方波脉冲信号，信号采样间隔为0.001秒；下面分别针对上述4种情况进行信号处理分析，每一种选择的情况下都会在结果图中给出3条曲线。顺序从下向上，最下端曲线代表原始信号ΔP；中间曲面代表沿钻柱传输的上行连续波信号，这一信号在受到反射、叠加、回响和噪声的影响后，与原始信号相比，往往发生了严重的失真；最上方曲线是在中间曲线的基础上恢复出的ΔP信号，即，通过本专利所述算法，利用钻柱上安置的传感器检测到的上行连续波信号，恢复处井下实时的随钻测量信号。具体见下列例程的信号处理结果图。

例程1键控相移，12Hz载波信号处理结果见图3；例程2键控相移、24Hz载波信号处理结果见图4；例程3键控相移、96Hz载波信号处理结果见图5；例程4方波脉冲信号处理结果见图6；方波周期为0.5秒，在图6中可以看出，失真了的原始曲线所示的方波脉冲边沿产生了严重的振荡，这是由于信号在钻铤和钻杆内部信号阻抗不匹配所导致的。但在这一情况下，经过本专利算法处理，原始信号仍然得到了很好的恢复。

发明内容2的程序验证同样，对于算法2的检验程序也运行了多次。参照验证算法1的过程，在本方法中，信号的恢复也是非常完美的，即经过本专利所述的处理，检测到的信号与原始信号一致。具体见以下例程的信号处理结果图。

例程5键控相移，12Hz载波信号处理结果见图7；例程6键控相移、24Hz载波信号处理结果见图8；例程7键控相移、96Hz载波信号处理结果见图9；例程8方波脉冲下信号恢复图见图10。

Claims (2)

1.用于MWD井下连续波信号处理方法，其特征在于：首先建立井下MWD系统结构模拟图，该系统由有限长度的钻铤和半无限长的钻柱构成，钻头位于x＝0处，泥浆脉冲发生器位于x＝L_m，钻铤的长度为L_c，截面积为A_c，钻柱的截面积为A_p；然后依据钻头水眼面积与钻头截面积的比例关系分为两种情况进行处理，具体的是：

(1)钻头为开路端点反射器，钻铤-钻柱波阻抗不匹配

1)在钻铤和钻柱的连接处，利用描述流量和压力变化的方程(1)对这一阻抗进行求解；

p₁(t)-p₂(t)＝Δp(t)                            (1)

2)通过对上述情况建立方程，并应用算法分析的前提“钻头为开路端点反射器，钻铤-钻柱波阻抗不匹配”的边界条件，并用P₃表示井下连续波信号，从P₃中抽取出ΔP，所用算法为：

Δp(t)+Δp(t-2L_m/c)＝(A_p/A_c+1)×p₃(t-L_m/c)

                     -(A_p/A_c-1)×p₃(t-L_m/c-2L_c/c)          (2)

3)对公式(2)利用时延差分法进行求解，获得了编码的0、1信息；

4)估计上行波P_pipe(t)的参数，注意到P_pipe(t)是指从MWD钻铤进入到钻柱的信号，其位置在x＝L_c，所用算法为：

P_pipe(t)-{(A_p-A_c)/(A_p+A_c)}×P_pipe (t-2L_c/c)＝

                                                                            (3)

{Δp(t-L_m/c-L_c/c)+Δp(t+L_m/c-L_c/c)}/(A_p/A_c+1)

同样沿着x＞＞0的方向的衰减可以通过下述算法获得：

Δp(t)+Δp(t-2L_m/c)＝e^-αL(A_p/A_c+1)×p₃(t-L_m/c)

                                                                            (4)

-(A_p/A_c-1)×p₃(t-L_m/c-2L_c/c)

其中：A因子是指数衰减因子，其值取决于钻井液的属性和信号频率。

(2)假设钻头为闭路端点，且为固体反射面，钻铤-钻柱截面积不匹配

整个信号处理过程与(1)节中描述的步骤相同，只是在第2)、3)、4)步中，将相应算法中的公式(2)替换为下述的公式(5)，公式(3)替换为公式(6)，公式(4)替换为公式(7)即可；

Δp(t)+Δp(t-2L_m/c)＝(A_p/A_c+1)×p₃(t-L_m/c)

                                                                            (5)

+(A_p/A_c-1)×p₃(t-L_m/c-2L_c/c)

P_pipe(t)-{(A_p-A_c)/(A_p+A_c)}×P_pipe(t-2L_c/c)＝

                                                                            (6)

{-Δp(t-L_m/c-L/c)+Δp(t+L_m/c-L/c)}/(A_p/A_c+1)

P_surface(t)-{(A_p-A_c)/(A_p+A_c)}×P_surface(t-2L_c/c)＝

                                                                            (7)

{-Δp(t-L_m/c-L/c)+Δp(t+L_m/c-L/c)}/(A_p/A_c+1)

2.根据权利要求1所述的用于MWD井下连续波随钻测量信号处理方法，其特征在于：上述处理方法的基础是建立在ΔP信号传输反射、叠加理论模型上，该模型显示，信号开始产生时，ΔP信号在脉冲发生器处发出，然后分为两个部分，并且向相反的方向传播，每一部分的强度为原有信号的一半；在后续的过程中，向下传播的信号在钻头处发生反射，向上传播的信号同样在钻铤和钻柱的连接处发生部分反射；进过一段时间后，在钻铤中就形成了信号波的回响，在这一过程中，一部分信号进入了钻柱，并传播到地面，因此，地面接收到的信号只是ΔP的一部分。

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