一种随钻泥浆正脉冲信号的处理方法与流程

本发明涉及石油天然气工程随钻测量技术领域，特别涉及一种随钻泥浆正脉冲信号的处理方法。

背景技术：

近年来蓬勃发展的随钻测量、测井技术，在增强大位移井、高难度水平井、分支井的地质导向和地层评价能力，提高油层钻遇率等方面具有重大作用。随钻测量、测井系统主要由井下控制器、各种井下参数测量仪器、数据传输系统和地面信息单元组成。井下控制器用于配置各测量仪器、控制各仪器工作时序、接收和处理各种测量参数等；井下参数测量仪器负责获得各种几何、地质、工程及其他与当前钻井状态和地层相关的数据；数据传输系统则采用有线或无线的信道将得到的数据以一定的编码方式传输至井口；地面信息单元一方面负责与井下控制器的互联通信、另一方面对传输信号进行滤波、解码、接收、处理及显示等。其中，数据传输系统在随钻测量、测井技术簇中占有举足轻重的地位，而泥浆脉冲传输以其良好的可靠性、较低的开发成本、大范围的应用井深等整体优势，是目前使用最为广泛、发展潜力极大的数据传输方式。

泥浆脉冲发生器按脉冲类型有负脉冲、正脉冲、连续波脉冲三种。特别的，由于正脉冲传输方式信号稳定、可靠、井下仪器结构简单，便于操作维护，不需要专门的无磁钻铤，尽管其现行数据传输速度较慢，但依然是目前随钻测量、测井中使用最普遍、最稳定、最可靠的一种方法。正脉冲泥浆脉冲发生器的工作原理为：由井下数据驱动并调制泥浆正脉冲发生器中蘑菇头(针阀)与节流孔(小孔)的相对位置，以改变流道的截面积，从而引起钻柱内部的泥浆压力的升高或降低(针阀的运动由探管编码的测量数据通过调制器控制电路来实现)，通过在地面立管处连续检测立管压力的变化，经数据处理和解调后可得到传输波形，实现井下数据上传。

快速有效地检测出泥浆脉冲信号，有助于控制钻井轨迹、判断钻具工作状态及评估地层特性，对降低钻井风险和提高进尺效率意义重大。但从泥浆脉冲的地面检测来看，待检测的压力信号是一个被钻井泵噪声、反射噪声和一系列随机噪声(井底机械振动、钻柱失稳、泥浆摩擦等引起)所严重干扰的且强度随传输距离衰减明显的低信噪比微弱信号，尤其在某些情况下，根本无法有效检测，严重影响钻井正常工作。

发明申请公布号CN 102900430 A，申请日2012年9月16日，申请公布日2013年1月30日，发明创造的名称为钻井液连续压力波信号的泵压干扰消除方法，该案公开了一种采用两个压力传感器并将其采集信号相减得到延迟差动检测信号，而后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恢复连续波脉冲的方法。该案的亮点在于采用双压力传感器，具有积极意义，但在高压管道上多一个传感器势必增加安全隐患。此外，该案研究对象仅限于仿真波形，无法得知实际的运用效果。

发明申请公布号CN 104133982 A，申请日2014年6月27日，申请公布日2014年11月5日，发明创造的名称为一种泥浆脉冲信号泵冲噪声的消除方法，该案公开了一种利用梳状滤波器来抑制泵冲噪声得到有用泥浆脉冲的方法，但从其结果来看，滤波后数据依然存在较强噪声能量。

发明申请公布号CN 104265278 A，申请日2014年7月30日，申请公布日2015年1月7日，发明创造的名称为一种利用回音抵消技术消除随钻测井中的泵冲噪声的方法，该案公开了一种采用自适应滤波技术，将泵冲传感器采集的信号作为自适应滤波器参考值，泥浆泵噪声作为期望值，并将滤波器输出与原始信号反向相加以消除泵冲噪声对信号的影响。该案在常规单压力传感器的泥浆脉冲检测的基础上，增加了一个泵冲传感器来测量泥浆泵工作状态，有其特别之处，但其实际效果究竟增强多少，却不得而知；此外，该案并未说明如何即时获得泥浆泵噪声以实现实时地自适应滤波，其实时性尚显不足。

发明申请公布号CN 104343440 A，申请日2014年8月29日，申请公布日2015年2月11日，发明创造的名称为泥浆压力脉冲信号的检测方法及系统，该案公开了一种采用7步法从接收到的压力信号中解调出井下测量数据的方法，主要包括MAX292四阶硬件低通滤波、平均算法、切比雪夫低通滤波、相关放大及龙格-库塔减基值处理，其中一级滤波采用硬件方式，后期修正不够灵活，且增加成本。

发明申请公布号CN 105545292A，申请日2015年12月30日，申请公布日2016年5月4日，发明创造的名称为一种泥浆液连续波信号的处理方法，该案采用小波变换阈值去噪来实现泥浆连续波脉冲信号重构，从仿真结果看该方法具有良好的去噪效果，但考虑到现场实际信号远复杂于仿真模型，小波基与分解层次的选择均存在很大的不确定性，因此该案对于现场实际信号处理的效果有待验证。

因此，如何从幅值较大，带宽宽广的复杂噪声背景中检测出有效正脉冲信号依然是泥浆脉冲传输技术中的关键问题。

技术实现要素：

根据上述不足之处，本发明的目的在于：提供一种基于单立管压力传感器的适用于实际现场随钻泥浆脉冲的处理方法，以达到有效正脉冲信号的快速、准确、可靠识别，实现井下数据的高效传输。

为实现上述目的，本发明的技术方案在于：一种随钻泥浆正脉冲信号的处理方法，包括以下步骤：

S1，低通、带通并行滤波：对于在地面立管处连续采集的原始泥浆压力数据A(n)，同时通过低通滤波器和带通滤波器分别进行低通滤波和带通滤波，得到低通后数据LP(A(n))和带通后数据BP(A(n))；这一步主要是对原始压力数据A(n)进行预处理，滤除高频随机噪声及泵噪声，其中LP(A(n))主要包含有效正脉冲信号和低频泵噪声，而BP(A(n))主要为低频泵噪声。

S2，自适应噪声对消：将LP(A(n))作为自适应滤波器AF的期望输入，将BP(A(n))作为自适应滤波器AF的参考输入，依据自适应噪声抵消原理，经过自适应滤波器AF后，自适应滤波器AF输出会不断逼近期望信号中LP(A(n))的BP(A(n))成分，自适应滤波器AF输出误差Err中便含有有效正脉冲信号B(n)，

B(n)＝Err_{AF{LP[A(n)],BP[A(n)]}}；

自适应滤波器的阶数与步长因子随实际信号可灵活调整，以得到较佳的消噪信号输出。特别的，经过自适应滤波器AF后得到的有效正脉冲信号B(n)包含有更宽的正脉冲频谱却不含该段频谱内的泵噪声，因此较之常规低通或带通滤波得到的信号易于识别。

S3，去除基线漂移：采用中值滤波算法或最小二乘拟合算法去除B(n)的基线漂移，得到去除基线漂移后的信号C(n)，便于相关计算和阈值设定。

S4，构造特征信号相关整形：对于一个周期为T的正脉冲，分别构造正脉冲上升沿和下降沿波形，合并形成一个特征信号D(x)，并将D(x)与C(n)互相关，得到整形后的数组E(n)，

E(n)＝Xcross[C(n),D(x)]；

特别的，经互相关计算后，E(n)中与D(x)相似形态的波形将被放大，而其他数据幅值受到抑制，有助于进一步消除杂波干扰。

S5，置零极小值，调整信号幅值：求取E(n)中各极小值所在数组索引，形成索引数组E1(p)；根据索引数组E1(p)将E(n)中的各极小值置零，并调整各极小值后相应元素值，得到新数组F(n)；通过这一步，有效正脉冲信号将进一步凸显。

S6，设置阈值，确定峰位：首先对于数组F(n)，设置一个阈值，令小于等于该阈值的元素值为0，其他值保持不变，形成数组G(n)；然后求取G(n)中各极大值，所述各极大值所处时间位便是正脉冲信号峰位。该峰位代表的正脉冲便是由井下传输上来的含测控信息的有效正脉冲。

优选的是，所述低通滤波器的截止频率大于随钻现场所用泥浆泵泵冲的三次谐波频率；所述带通滤波器的低截止频率大于井下正脉冲发生器所产生正脉冲周期T的倒数，且小于所用泥浆泵泵冲的基波频率，所述带通滤波器的高截止频率与所述低通滤波器的截止频率相等。其中，低通滤波器和带通滤波器可采用FIR、巴特沃斯、契比雪夫等数字滤波器。

优选的是，所述自适应滤波器的自适应迭代算法为最小均方算法或递推最小二乘算法。

优选的是，所述中值滤波算法为对于B(n)，首先设定一个中值滤波窗口长度w，该长度为立管压力信号采样频率的3-5倍，且为偶数；将B(n)前后各扩展w/2个数得到B1(m)；然后对B1(m)进行中值滤波medfilt(B1(m),w)得到B2(m)；最后删除B2(m)的前后各w/2个数得到B3(n)，将该数组作为基线，并在B(n)中减去，以得到去除基线漂移后的信号C(n)。数组B1(m)的前w/2个数为0，后w/2个数与B(n)的最后一个数相等。

优选的是，所述最小二乘拟合算法为B(n)按时间间隔分段分别进行多项式最小二乘拟合，获得各段的拟合曲线，将该拟合曲线数组作为基线，并在B(n)中减去，以得到去除基线漂移后的信号C(n)。

优选的是，所述的时间间隔为5-20秒，所述最小二乘拟合后的多项式为一元三次或四次或五次多项式。

优选的是，所述特征信号D(x)的上升沿和下降沿分别由两个不同频率及不同相位范围的正弦曲线构成。

优选的是，所述D(x)上升沿的频率为2/3T，相位范围为-π/2～π/2；所述D(x)下升沿的频率为2/T，相位范围为π/2～3π/2。

优选的是，所述D(x)的最大值为1，最小值为0。

优选的是，所述根据索引数组E1(p)置零极小值，得到新数组F(n)的方法为：当E1(p)元素数目p为1时，则对E(n)中的极小值及以后各元素值减去该极小值，而对该极小值之前的元素值减去与该值最近的上一个最小值，形成新数组F(n)；当E1(p)元素数目p大于1时，则对E(n)中每相邻两个极小值间的元素值减去前一个极小值的值，E(n)中最后一个极小值及以后各元素值减去该极小值的值，而对该第一个极小值之前的元素值减去与该值最近的上一个最小值，形成新数组F(n)；当E1(p)元素数目p等于0，则新数组F(n)与E(n)同。

优选的是，设置阈值，确定峰位时还可以根据正脉冲上升沿宽度，进一步整形成方波，并结合井下产生正脉冲时所采用的时间编码规则，对相邻各方波上升沿间隔进行修正；最后对所述方波完成解码，实现基于泥浆正脉冲信号的随钻数据传输。阈值可在算法中灵活调整，其大小由正脉冲信号强度和噪声水平共同决定。其中，正脉冲上升沿宽度有0.51s、0.66s、0.81s、0.99s等；编码规则可以为密勒码、曼彻斯特码、组合编码和时长编码等。

本发明的有益效果在于：本发明在充分依据随钻泥浆正脉冲信号产生、传输及加噪特性的基础上，将单立管压力传感器的随钻泥浆压力信号分别同时经低通和带通后送入自适应噪声对消器，并对该对消器误差输出进行去除基线漂移、相关整形、调整幅值强度和确定峰位等后续处理，以获得正脉冲传输信号。该方法简便可靠，能有效锁定正脉冲信号，提升正脉冲泥浆脉冲传输系统的可靠性，具有很大的实用价值。

附图说明

附图1为本发明实施例正脉冲信号处理流程图；

附图2为本发明实施例含正脉冲信号的某原始泥浆压力数据；

附图3为本发明实施例原始泥浆压力数据频谱图；

附图4为本发明实施例原始泥浆压力经低通滤波后数据；

附图5为本发明实施例原始泥浆压力经带通滤波后数据；

附图6为本发明实施例自适应滤波器结构示意图；

附图7为本发明实施例自适应滤波后正脉冲信号；

附图8为本发明实施例自适应滤波后正脉冲信号与常规单纯低通和带通滤波后正脉冲信号的波形对比图；

附图9为本发明实施例去除基线漂移后的正脉冲信号；

附图10为本发明实施例构造的特征信号；

附图11为本发明实施例相关整形后的正脉冲信号；

附图12为本发明实施例各极小值置零后的正脉冲信号；

附图13为本发明实施例阈值整形后的正脉冲信号；

附图14为本发明实施例整形后的正脉冲方波信号。

图中，1-含正脉冲信号的原始泥浆压力数据；2-原始泥浆压力数据频谱；3-原始泥浆压力经低通滤波后数据；4-原始泥浆压力经带通滤波后数据；5-自适应滤波器；51-信号源；52-噪声源；53-期望输入；54-参考输入；55-迭代运算；56-输出；57-输出误差；6-自适应滤波后正脉冲信号；7-单纯低通后正脉冲信号；8-单纯带通后正脉冲信号；9-去除基线漂移后的正脉冲信号；10-特征信号；11-相关整形后的正脉冲信号；12-各极小值置零后的正脉冲信号；13-阈值整形后的正脉冲信号；14-正脉冲峰位；15-正脉冲方波信号；16-上升沿间隔修正后的正脉冲方波信号。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进一步清楚、完整地描述。需要进一步说明的是，本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种随钻泥浆正脉冲信号处理方法的流程图，针对如图2所示的地面立管处连续采集的含正脉冲信号的泥浆压力原始数据1，依次进行低通带通并行滤波S1，自适应噪声对消S2，去除基线漂移S3，构造特征信号相关整形S4，置零极小值调整信号幅值S5和设置阈值确定峰位S6六个步骤，以得到波形特征明显的正脉冲信号，并借以实现解码及后续数据处理。具体有：

1)低通、带通并行滤波

依据随钻泥浆正脉冲信号产生、传输及加噪特性，首先对于在地面立管处连续采集的原始泥浆压力数据1进行FFT变换，获得有关正脉冲信号、泵噪声及其他噪声的频谱特征2，如图3所示；根据该频谱特征分别设计基于FIR或巴特沃斯或契比雪夫等类型的低通滤波器和带通滤波器，并将原始泥浆压力数据1同时进行低通滤波和带通滤波，分别得到低通滤波后数据3(如图4所示)和带通滤波后数据4(如图5所示)。

特别的，本实施例所述低通滤波器类型为FIR，阶数为511，截止频率为5Hz；带通滤波器的类型为FIR，阶数为511，低截止频率为1Hz，高截止频率为5Hz。

2)自适应噪声对消

如图6所示为本发明实施例自适应滤波器结构示意图，信号源51和噪声源52是自适应滤波器5的原始输入。将低通滤波后数据3作为自适应滤波器5的期望输入53，而带通滤波后数据4作为自适应滤波器的参考输入54。依据自适应噪声抵消原理，经过自适应迭代运算55后，滤波器输出56会不断逼近低通滤波后数据3中含有的带通滤波后数据4成分，则自适应滤波器输出误差57中便含有有效正脉冲信号6，如图7所示。

信号6＝滤波器误差57_{滤波器5{低通滤波后数据3，带通滤波后数据4}} (1)

特别的，本实施例的自适应滤波器的自适应迭代算法为最小均方算法；其中，自适应滤波器的阶数与步长因子分别为100和0.021。

如图8为本发明实施例自适应滤波后正脉冲信号与常规单纯低通和带通滤波后正脉冲信号的波形对比图。不难看出，自适应滤波后正脉冲信号6较之于单纯低通后正脉冲信号7和单纯带通后正脉冲信号8具体更大的能量(幅值)和更接近与本原的波形形态，因而也更便于识别。

3)去除基线漂移

本实施例去除基线漂移采用中值滤波算法。对于自适应滤波后正脉冲信号6，首先设定一个中值滤波窗口长度w，将信号6前后各扩展w/2个数得到B₁(m)；然后对B₁(m)进行中值滤波medfilt(B₁(m),w)得到B₂(m)；最后删除B₂(m)的前后各w/2个数得到B₃(n)，将该数组作为基线，并在信号6中减去，以得到去除基线漂移后的正脉冲信号9，如图9所示。

特别的，本实施例所述中值滤波窗口长度w为600，立管压力信号采样频率为150Hz，数组B₁(m)的前75个数为0，后75个数与信号6的最后一个数相等。

4)构造特征信号相关整形

本实施例所述的正脉冲周期为1s，依据随钻泥浆正脉冲信号的产生机理，分别构造该正脉冲上升沿和下降沿波形，合并形成一个特征信号10，如图10所示。特征信号10的上升沿和下降沿分别由两个不同频率及相位范围的正弦曲线构成；特征信号10上升沿的频率为2/3Hz，相位范围为-π/2～π/2；特征信号10下升沿的频率为2Hz，相位范围为π/2～3π/2；特征信号10的最大值为1，最小值为0。

将去除基线漂移后的正脉冲信号9与特征信号10互相关后，得到相关整形后的正脉冲信号11，如图11所示。

信号11＝Xcross[信号9,特征信号10] (2)

5)置零极小值调整信号幅值

本实施例中，求取相关整形后的正脉冲信号11中各极小值所在数组索引，形成索引数组F(p)，且F(p)元素数目p＝6，则对相关整形后的正脉冲信号11中每相邻两个极小值间的元素值减去前一个极小值值，相关整形后的正脉冲信号11中最后一个极小值及以后各元素值减去该极小值，而对该第一个极小值之前的元素值减去与该值最近的上一个最小值，形成各极小值置零后的正脉冲信号12，如图12所示。

6)设置阈值确定峰位

首先各极小值置零后的正脉冲信号12，设置阈值0.7，令小于等于该阈值的信号12中所有值为0，其他值保持不变，形成阈值整形后的正脉冲信号13，如图13所示。然后求取信号13中各极大值，各极大值所处时间位便是有效正脉冲信号峰位14。

如图14所示，根据正脉冲上升沿宽度，可将阈值整形后的正脉冲信号13进一步整形成正脉冲方波信号15，并结合井下产生正脉冲时所采用的时间编码规则，得到上升沿间隔修正后的正脉冲方波信号16。

本发明实施例正脉冲上升沿宽度为0.99s；编码规则为组合编码。

最后对所述方波完成解码，即可实现基于泥浆正脉冲信号的随钻数据传输。

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。