钻井液脉冲信号传输的研究现状及发展
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１ 脉冲信号的研 究现状
ｆ） 根据实 际工况和 以及 目前对 钻井液传输 速度的 分析 ，不难 ２ 发现其传 输速度以及衰减主要受以下几个方 面因素影响 ：①钻井 液密 度 以及 三相物质含量的影响。钻井液应 当尽可能得 均匀 ，保证气泡尽 可 能的小 而且少 ， 含气 量越 高导致传输速度越慢 。固体 的含量对传输 速度 的影 响也较 大 ，其影响的相对 程度取决于固体和液体之 问密度和 压缩性 的相对程 度 ； 钻柱径厚 比以及材料特性 的影 响。通常对于不 ② 同的脉冲信号 ，径厚 比的影响不 同 ，对于正脉冲 ，传输速度会随着径 厚 壁的增 加而 降低 ，对于 负脉冲 则相反 ；③脉 冲类型 的影响 也很明 显 ，一般情况下负脉冲信号 的传输速 度比正脉冲信号传输速度约高出 １％； ０ ④在 传输过程 中，高频信号更 易于衰减 ，当钻井 液粘度、较大 脉冲频率也较高时 ，信号衰减加速 。 针对脉冲信号的传输特性 ，在研究其传 输速度 的基础上 ，研究其 衰减规律 非常必要 。完成对钻井液脉冲信号传输速 度与衰减规律 的研 究 ，是对 下一步研 究的准备。 １ 脉冲信号 的噪声处理 ． ２ 在进 行信号的提取 之后 ，必须做信号的噪声处理 ，因为在信号的 发 出和传输 过程 中 ，不能避免 地要受到钻采泵 、井底动力机 、泥浆中 的气泡破裂 、活动钻具等 因素 的影响 ，这些噪声直接影响到信号提取 的真实性 。目前的研究过程 中主要用 以下方法做噪声处理 。 （ ） 规性滤波 法。低通 、高通 、带通 等方法均属于 常规 性滤 １常 波法 ，但是这种方法不是普遍适用 。比如频 谱与信 号发生交叠的情 况 就无法使用常规性滤波方法 ，应改用非线性滤波方法 。 （） 于 “ ２ 基 平顶消 除”的非线性 滤波方法 。这 种方法是在提 取 低频信号以后 ，以此信号为中心 ，以某一参数 为阀值 的带状 区域截取 原始信号 。这种方法用于减小或者删除信号频 谱区域 的干扰噪声 、 反 射噪声效 果明显 ，且误差小 ， 码操 作也很方便 ，误码少 。 解 （） ３ 小波 阅值 去噪法 。基于 滤掉高斯 白噪声 、修正 低频基线的 目的 ， 以使用小波阀值法。小波阀值法是通过在不 同尺度上设定 阀 可 值， 将小 于该阀值的小 波系数 置为零 ，从而抑制低频噪声 。在抑制低 频噪声的功能上 ，小波 阀值法 比小波熵 法效果更好 。 （ ）小波熵法 。基于小波 多尺度分析理 论结合熵原理 ， 各尺 ４ 对 度间 的能量分布差异进行 区分考虑 ， 消除基线的多频波动的情况下 在 使脉冲特征显现 出来 ，达到对噪声不敏 感 ， 信号能量变化敏感分析 对 的效果 。总 的来说小波熵法是原始信号在 能量域的一种映射 ， 是信 号 基于多尺度能量谱的一种综合。
Ｉ３ 脉 冲信 号 的矫 正 ．
钻井液脉冲信号是一种压力波 ，其原理是采用脉冲位置组合编码 方式 ，首先将井下信息转化为电信号 ， 然后通 信号 类 型 的 选择 过泥浆泵转换为压力脉 冲信号 ，以钻井 液为传 输介质完成传输 ，其传输过程是一种能量转换 过程 。通常 － ￣ 为正压力信号和负压力信号 。 ．ｙ ｆ 脉 冲信 号 发 出
关键词 钻井液脉冲 传输速度 噪声 处理 信号矫 正
由于钻井过程特殊 ，井底和地面的信．传输非常困难 。 目前，有 息 多种传输方式处于探索和研究 中，按传输方式分为 ：①有线传输 ：电 缆传输 、特质钻杆传输 、光纤传输等 ；②无线传输 ：钻井液脉冲信号 传输、电磁波传输 、声 波传输 等。 这些传输方式都各有优缺点 ，电缆传输传输距离远 、传输速度很 快 、可靠性好 ，但不适用于旋转钻井 ，且成本较高 ；特质钻杆传输距 离也很远、传 输速度也 很快 、适 用于旋转 钻井 ， 可靠性一般 、成本 但 很高 ；光纤传 输不适 用于旋转钻井 ；电磁 波传输 距离相对较短 、传输 速度快 ，也适 用于旋转 钻井 ，但是成本高 ；声波成本低、速度快 ，但 是传输距离太短 ， 不适 用于高深井 。就 目 来看是 钻井 液脉冲信号传 前 输方式 用的最 为广泛 ，当前 已有很 多专家从脉 冲信 号的传 输速度 、衰 减过程 、噪声处理 以及信号矫 正等方 面都进 行了研究 ，为钻井信号传 输 做出了贡献 。
获Leabharlann Baidu 脉 冲 信 号
ｌ 噪 处 Ｉ 声理 Ｉ
ｌ信 矫 Ｉ 号正 ｌ
钻井液属于三相流体物质 ，但是由于它在 管道 中的流动过程 中保持浓度均匀 ，固相物质
处于充分悬浮状态 ，即使在流速突变时 ，三相
物质的流动状态也基本一致 ，因此称之 为伪均 图１ 信号处理流程 质流 ，通常按单向流处 理。 （ ）以刘 修善教授为代表 的专家在研究过程 中采用非 定常流动 １ 理论 ，由连续方程 推导 出钻井 液脉冲传输速度的计算公式 ：
测是 否同步、准确 ，能否使工作人 员做 出正确 的钻 井控 制。 目前 ，无线 随钻测量 系统信 号的传输方式主要有 电磁 波和钻井液脉冲 及 声波三种 。通过对钻井液脉冲信号传输原理 、传输速度 、噪声处理 以及信号矫 正研 究现 状的总结 ，希望 能为钻 井液脉冲信号传榆吾 研 々
究提 供 帮助 ：
由于在整个传输过程中是 以钻井液作为传 输介质 ，钻井液中含有岩 屑 、 粘土 、气体以及
重晶石粉等固体 物质 ，同时还有各种噪声存在 ， 信 号在这种环境 下传输 非常容易导致结果失真 ， 因此在整个信号处理过程 中必须做以下几个方 面工作 （ 图所示 ）。 如
１１ 脉 冲 信 号 的 传 输 速 度 及 衰减 规 律 ．
学 术 研 讨
ｉ 冬第 期 煞 Ｑ９ § …２
钻 井 液脉 冲信 号传 输 的研 究 现 状 及 发 展
方 倩 魏 晓 东 王 德 贵
（ 南石 油大学 ） 西
摘 要 地面与井 下的信 息传 榆是 实现钻 井导 向和 并眼轨 迹控制 的关键 ，信息传输的成功与 否直接 关 系着对井下工况和参数 的监
ｆ） 根据实 际工况和 以及 目前对 钻井液传输 速度的 分析 ，不难 ２ 发现其传 输速度以及衰减主要受以下几个方 面因素影响 ：①钻井 液密 度 以及 三相物质含量的影响。钻井液应 当尽可能得 均匀 ，保证气泡尽 可 能的小 而且少 ， 含气 量越 高导致传输速度越慢 。固体 的含量对传输 速度 的影 响也较 大 ，其影响的相对 程度取决于固体和液体之 问密度和 压缩性 的相对程 度 ； 钻柱径厚 比以及材料特性 的影 响。通常对于不 ② 同的脉冲信号 ，径厚 比的影响不 同 ，对于正脉冲 ，传输速度会随着径 厚 壁的增 加而 降低 ，对于 负脉冲 则相反 ；③脉 冲类型 的影响 也很明 显 ，一般情况下负脉冲信号 的传输速 度比正脉冲信号传输速度约高出 １％； ０ ④在 传输过程 中，高频信号更 易于衰减 ，当钻井 液粘度、较大 脉冲频率也较高时 ，信号衰减加速 。 针对脉冲信号的传输特性 ，在研究其传 输速度 的基础上 ，研究其 衰减规律 非常必要 。完成对钻井液脉冲信号传输速 度与衰减规律 的研 究 ，是对 下一步研 究的准备。 １ 脉冲信号 的噪声处理 ． ２ 在进 行信号的提取 之后 ，必须做信号的噪声处理 ，因为在信号的 发 出和传输 过程 中 ，不能避免 地要受到钻采泵 、井底动力机 、泥浆中 的气泡破裂 、活动钻具等 因素 的影响 ，这些噪声直接影响到信号提取 的真实性 。目前的研究过程 中主要用 以下方法做噪声处理 。 （ ） 规性滤波 法。低通 、高通 、带通 等方法均属于 常规 性滤 １常 波法 ，但是这种方法不是普遍适用 。比如频 谱与信 号发生交叠的情 况 就无法使用常规性滤波方法 ，应改用非线性滤波方法 。 （） 于 “ ２ 基 平顶消 除”的非线性 滤波方法 。这 种方法是在提 取 低频信号以后 ，以此信号为中心 ，以某一参数 为阀值 的带状 区域截取 原始信号 。这种方法用于减小或者删除信号频 谱区域 的干扰噪声 、 反 射噪声效 果明显 ，且误差小 ， 码操 作也很方便 ，误码少 。 解 （） ３ 小波 阅值 去噪法 。基于 滤掉高斯 白噪声 、修正 低频基线的 目的 ， 以使用小波阀值法。小波阀值法是通过在不 同尺度上设定 阀 可 值， 将小 于该阀值的小 波系数 置为零 ，从而抑制低频噪声 。在抑制低 频噪声的功能上 ，小波 阀值法 比小波熵 法效果更好 。 （ ）小波熵法 。基于小波 多尺度分析理 论结合熵原理 ， 各尺 ４ 对 度间 的能量分布差异进行 区分考虑 ， 消除基线的多频波动的情况下 在 使脉冲特征显现 出来 ，达到对噪声不敏 感 ， 信号能量变化敏感分析 对 的效果 。总 的来说小波熵法是原始信号在 能量域的一种映射 ， 是信 号 基于多尺度能量谱的一种综合。
Ｉ３ 脉 冲信 号 的矫 正 ．
钻井液脉冲信号是一种压力波 ，其原理是采用脉冲位置组合编码 方式 ，首先将井下信息转化为电信号 ， 然后通 信号 类 型 的 选择 过泥浆泵转换为压力脉 冲信号 ，以钻井 液为传 输介质完成传输 ，其传输过程是一种能量转换 过程 。通常 － ￣ 为正压力信号和负压力信号 。 ．ｙ ｆ 脉 冲信 号 发 出
关键词 钻井液脉冲 传输速度 噪声 处理 信号矫 正
由于钻井过程特殊 ，井底和地面的信．传输非常困难 。 目前，有 息 多种传输方式处于探索和研究 中，按传输方式分为 ：①有线传输 ：电 缆传输 、特质钻杆传输 、光纤传输等 ；②无线传输 ：钻井液脉冲信号 传输、电磁波传输 、声 波传输 等。 这些传输方式都各有优缺点 ，电缆传输传输距离远 、传输速度很 快 、可靠性好 ，但不适用于旋转钻井 ，且成本较高 ；特质钻杆传输距 离也很远、传 输速度也 很快 、适 用于旋转 钻井 ， 可靠性一般 、成本 但 很高 ；光纤传 输不适 用于旋转钻井 ；电磁 波传输 距离相对较短 、传输 速度快 ，也适 用于旋转 钻井 ，但是成本高 ；声波成本低、速度快 ，但 是传输距离太短 ， 不适 用于高深井 。就 目 来看是 钻井 液脉冲信号传 前 输方式 用的最 为广泛 ，当前 已有很 多专家从脉 冲信 号的传 输速度 、衰 减过程 、噪声处理 以及信号矫 正等方 面都进 行了研究 ，为钻井信号传 输 做出了贡献 。
获Leabharlann Baidu 脉 冲 信 号
ｌ 噪 处 Ｉ 声理 Ｉ
ｌ信 矫 Ｉ 号正 ｌ
钻井液属于三相流体物质 ，但是由于它在 管道 中的流动过程 中保持浓度均匀 ，固相物质
处于充分悬浮状态 ，即使在流速突变时 ，三相
物质的流动状态也基本一致 ，因此称之 为伪均 图１ 信号处理流程 质流 ，通常按单向流处 理。 （ ）以刘 修善教授为代表 的专家在研究过程 中采用非 定常流动 １ 理论 ，由连续方程 推导 出钻井 液脉冲传输速度的计算公式 ：
测是 否同步、准确 ，能否使工作人 员做 出正确 的钻 井控 制。 目前 ，无线 随钻测量 系统信 号的传输方式主要有 电磁 波和钻井液脉冲 及 声波三种 。通过对钻井液脉冲信号传输原理 、传输速度 、噪声处理 以及信号矫 正研 究现 状的总结 ，希望 能为钻 井液脉冲信号传榆吾 研 々
究提 供 帮助 ：
由于在整个传输过程中是 以钻井液作为传 输介质 ，钻井液中含有岩 屑 、 粘土 、气体以及
重晶石粉等固体 物质 ，同时还有各种噪声存在 ， 信 号在这种环境 下传输 非常容易导致结果失真 ， 因此在整个信号处理过程 中必须做以下几个方 面工作 （ 图所示 ）。 如
１１ 脉 冲 信 号 的 传 输 速 度 及 衰减 规 律 ．
学 术 研 讨
ｉ 冬第 期 煞 Ｑ９ § …２
钻 井 液脉 冲信 号传 输 的研 究 现 状 及 发 展
方 倩 魏 晓 东 王 德 贵
（ 南石 油大学 ） 西
摘 要 地面与井 下的信 息传 榆是 实现钻 井导 向和 并眼轨 迹控制 的关键 ，信息传输的成功与 否直接 关 系着对井下工况和参数 的监