专利名称：钻井液连续压力波信号的泵压干扰消除方法
技术领域：
本发明涉及一种油气钻井过程中的随钻测量/随钻测井上传信号的处理方法，特别涉及一种基于钻井液进行井下数据传输的钻井液连续压力波信号的泵压力干扰消除方法。
背景技术：
井下随钻测量/随钻测井(MWD/LWD)是一种在钻井过程中实时测量及传输井下信息的现代钻井辅助技术。钻井过程中，钻井液由地表通过钻柱被泵入井下，从钻头水眼喷出用于钻头的润滑和冷却并通过井壁与钻柱的环型空间向上返出井口，MWD/LWD工具安装在钻头上部的钻铤内，见附图
I。在MWD/LWD工具中，安装在近钻头钻柱中的传感器获得测量数据并通过钻井液压力信息遥测系统传输到地面，信息遥测通过对钻柱内的钻井液压力进·行调制及压力波在钻柱中的传播来传输井下随钻测量/随钻测井数据。压力信息遥测通常采用基带压力脉冲或连续压力波来传输井下信息，其中连续压力波具有比基带压力脉冲高得多的井下信息传输速率，是压力信息遥测技术的发展方向；连续压力波信号主要有钻井液压力差分相移键控(DPSK)信号和正交相移键控(QPSK)信号，信号频谱集中，具有频带传输的特点。钻井液压力信号自井底向地面传输及地面信号检测过程中会遇到很大的噪声与干扰，其中对信号影响最大的是钻井液泵产生的压力脉动干扰。钻井液泵产生的压力干扰与泵冲速率有关，包括基波和高次谐波，当钻井液泵各缸活塞存在密封问题造成工作的不平衡或泵处于非正常工作状态时，某些高次谐波的幅值会变得很大，尽管钻井液泵管路均安装有压力缓冲器或阻尼器，但钻井液泵产生的压力脉动仍可达到或超过地面立管检测到的井下钻井液压力信号强度，这些高次谐波会进入钻井液连续压力波信号的频带产生极大的干扰，使得信号的信噪比严重降低，从而影响井下随钻测量信号的提取。目前的钻井液压力信号检测主要采用一个压力传感器安装在地面立管处测量钻井液压力，采用的信号处理方法，如匹配滤波器法、自适应补偿法、小波分析法等主要针对传输速率较低的以基带方式传输的压力信号；而对于传输速率相对较高的钻井液连续压力波信号，由于信号具有频带传输特点，钻井液泵产生的压力干扰极易进入信号频带，上述井下钻井液压力信号的检测与处理方法均无法有效消除已进入信号频带的钻井液泵压力干扰影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是针对现有信号处理技术存在的缺陷，提供一种钻井液连续压力波信号中的泵压干扰消除方法。本发明所要解决的技术问题按以下技术方案实现I.采用延迟差动检测法消除钻井液泵的泵压力干扰影响在井口与钻井液泵之间的一段钻井液直管道上安装压力传感器A和压力传感器B，其中压力传感器A靠近井口，压力传感器B靠近钻井液泵，井下随钻测量数据通过调制钻井液压力转变为钻井液压力信号，以波动方式自井底通过钻柱传输到井口后首先到达压力传感器A，然后到达压力传感器B，两传感器接收到的压力信号均包含井下钻井液压力信号及钻井液泵产生的泵压力干扰；根据信号流向分析，泵压力干扰的传输方向与井下钻井液压力信号相反，因此压力传感器A接收到的井下钻井液压力信号将延迟到达压力传感器B，这段延迟的时间为钻井液压力波通过两个压力传感器之间距离的传输时间，而压力传感器B接收到的泵压力干扰将经过该段时间的延迟后到达压力传感器A ;因此，A、B两个压力传感器接收到的信号可以表示为以下数学模型PaU) = s(/.) +<v])
[pB{i) = h(t)*s{i) + nv(t)式(I)中，pA (t)为压力传感器A接收到的信号；pB(t)为压力传感器B接收到的信号；s(t)为井下钻井液压力信号；np(t)为钻井液泵产生的泵压力干扰；h(t)为安装压力传感器A和压力传感器B段管道的单位冲击响应；符号代表卷积运算。 将式(I)中的pB⑴卷积h⑴，有pB(t)*h(t) = [h(t)*s(t)]+np(t)*h(t)(2)将式(I)中的pA(t)与式(2)相减得到延迟差动检测信号的数学模型Δ P (t) =pA(t)-pB (t) *h (t) =s (t) _h (t) *h (t) *s (t)(3)由式(3)可以看出，泵干扰项np(t)通过pB(t)与h(t)的卷积并与pA(t)的差动运算被消除掉，延迟差动检测信号Λρα)中已无泵压力干扰成分。由于泵干扰的传播路径为从压力传感器B到压力传感器Α。式(2)意味着将压力传感器B的检测信号ρΒ⑴再通过一个单位冲击响应为h(t)的线性系统，由于h(t)包含有信号通过安装压力传感器A和压力传感器B段管道产生的延迟τ 0,其物理意义为将pB (t)中的泵压干扰项再延迟一个Ttl时间后，将与pA(t)中的泵压干扰项具有相同的时间延迟，由于信号口^0与信号pB(t)*h(t)中泵压干扰出现的时间相同，通过信号pA(t)与信号PB(t)*h(t)相减可以达到消除泵压干扰的目的。但由于式(2)只是一种数学表达式，实施过程中不可能使pB (t)再通过一个具有单位冲击响应为h(t)的物理系统，因此延迟差动检测信号的获取必须能够物理实现。而按照式(3)同样的思路，如果延迟τ C1时间再对压力传感器A的信号进行检测，则压力传感器A检测信号p' A(t)中的泵压干扰即是由安装压力传感器A和压力传感器B段管道经过压力传感器B传播过来的泵压干扰，通过信号P' A(t)与信号PB(t)相减同样可以消除泵压干扰的影响，从而在物理上实现式(3)描述的延迟差动检测信号Λρα)。因此，延迟差动检测信号的获取是通过延迟％时间再检测压力传感器A的信号p' A(t)并与压力传感器B的检测信号pB (t)相减来实现，即Δ P (t) =p' A(t)-pB(t)(4)延迟差动检测信号Ap(t)中包含的井下钻井液压力信号s (t)可以通过数学重构得以恢复。2.井下钻井液压力信号的数学重构从延迟差动检测信号中恢复井下钻井液压力信号的过程称之为重构，要实现井下信号的重构，h(t)的构建是个关键问题，本发明是这样实现的受传输距离和信号传输速率的限制，钻井液连续压力波信号频谱的最高频率通常为几十赫兹，因此信号的频率是有限的；在有限频带内，如果将安装压力传感器A和压力传感器B之间的管道看做无失真传输系统，则其构成理想低通滤波器，系统的频域传递函数为H {>(0) = α6(ω)β~ 0}τ°(5)式(5)中，a为信号通过安装压力传感器A和压力传感器B段管道产生的信号衰
减系数
权利要求
1.一种钻井液连续压力波信号的泵压干扰消除方法，其特征是按以下步骤进行 (1)采用延迟差动检测法消除钻井液泵的泵压力干扰影响 在井口与钻井液泵之间的一段钻井液直管道上安装压力传感器A和压力传感器B，其中压力传感器A靠近井口，压力传感器B靠近钻井液泵，井下随钻测量数据通过调制钻井液压力转变为钻井液压力信号，以波动方式自井底通过钻柱传输到井口后首先到达压力传感器A，然后到达压力传感器B，两个传感器接收到的压力信号均包含井下钻井液压力信号及钻井液泵产生的泵压力干扰；根据信号流向分析，泵压力干扰的传输方向与井下钻井液压力信号相反，因此压力传感器A接收到的井下钻井液压力信号将延迟到达压力传感器B，所延迟的时间为钻井液压力波通过两个压力传感器之间距离的传输时间，而压力传感器B接收到的泵压力干扰将经过该段时间的延迟后到达压力传感器A ;某一时刻，压力传感器B测量出管道压力值，压力传感器A延迟该段时间后测量出管道压力值，压力传感器A的测量值与压力传感器B的测量值相减得到延迟差动检测信号；泵压力干扰在这一过程中被消除，延迟差动检测信号中已无泵压力干扰成分，而延迟差动检测信号中包含的井下钻井液压力信号可以通过数学重构得以恢复； (2)井下钻井液压力信号的数学重构 采用基于时域差分方程的信号重构及基于傅里叶变换的信号重构方法，基于时域差分方程的信号重构过程是使延迟差动检测信号通过一个具有递归结构的闭环延迟反馈系统，以递推算法获得延迟差动检测信号中包含的井下钻井液压力信号，基于傅里叶变换的信号重构通过构建安装压力传感器A和压力传感器B之间管道的有限带宽理想低通滤波器数学模型，建立井下钻井液压力信号恢复系统的频域传递函数，以延迟差动检测信号通过井下钻井液压力信号恢复系统时输出函数的傅里叶逆变换获得井下钻井液压力信号； (3)压力传感器间距的确定 两个压力传感器的间距应小于压力波速除以2倍的安装两个压力传感器之间管道的有限带宽理想低通滤波器通带频率。
全文摘要
本发明提供了一种钻井液连续压力波信号的泵压干扰消除方法，采用两个压力传感器安装在直管道上并相距一段距离，直管道一端与钻井液泵连接，另一端与井口连接，反映井下随钻测量信息的井下钻井液压力信号由井口通过直管道传输到地面并被安装在直管道上的压力传感器接收，将两个压力传感器的测量信号相减得到延迟差动检测信号，由于泵压力干扰的传输方向与井下钻井液压力信号传输方向相反，因此钻井液泵产生的压力干扰在这一过程中被消除，延迟差动检测信号中已无泵压干扰成分，而延迟差动检测信号中包含的井下钻井液压力信号通过基于时域差分方程或基于傅里叶变换的信号重构方法得以恢复，从而达到消除信号中的泵压干扰影响，提高信号信噪比的目的。
文档编号E21B47/18GK102900430SQ20121034277
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月16日 优先权日2012年9月16日
发明者沈跃 申请人:中国石油大学(华东)