一种随钻泥浆连续波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连续波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，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。但值得注意的是，连续波脉冲传输速率较高，抗干扰能力强，是泥浆脉冲器当前重要前沿发展方向。连续波泥浆脉冲发生器的核心部件是转子和定子，每个定子和转子上带有多个叶片。工作时，通过改变旋转转子与定子的过流断面的相对位置而产生连续的压力波，当开口面积增大时，泥浆流动畅通，压力减小；反之，泥浆流动受阻，压力增大，通过在地面立管处连续检测该压力的变化，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。为此，众多的科技人员在泥浆脉冲信号处理方向做了许多有益的工作，其中：

发明申请公布号CN 102900430A，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，无法得知其实际效果。

发明申请公布号CN 104133982A，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 104265278A，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 104343440A，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。

由于泥浆连续波脉冲信号的频谱多于泵噪声及其他各种噪声相互交叠，单纯频域滤波方式难以得到较为明显的脉冲波形。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用信号成为了连续波泥浆连续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连续脉冲信号的处理方法，以达到有效连续波脉冲信号的快速、准确、可靠识别，实现井下数据高效传输。

为实现上述目的，本发明的技术方案在于：一种随钻泥浆连续波脉冲信号的处理方法，它包括如下步骤：

S1、分时发码与信号采集：将连续波脉冲发生器的一个工作周期T，分为不发码时间T1和发码时间T2，在地面立管处分别采集不发码时间T1内的原始泥浆压力数据A(m)和发码时间T2内的原始泥浆压力数据B(n)，以提供用于后续信号处理的基础数据。

S2、带通滤波与数据整理：对于不发码时间T1内的原始泥浆压力数据A(m)和发码时间T2内的原始泥浆压力数据B(n)分别进行带通滤波，得到带通后不发码数据BP(A(m))和带通后发码数据BP(B(n))；将BP(A(m))和BP(B(n))顺序合并成新数据C(x)，将BP(A(m))按周期延拓得到与C(x)具有相同元素个数的新数据D(x)；这一步主要是对原始压力数据A(m)和B(n)分别进行预处理，滤除明显位于连续波脉冲信号载波频谱范围外的低频和高频随机噪声及泵噪声；

S3、自适应噪声对消：将C(x)作为自适应滤波器AF的期望输入，将D(x)作为自适应滤波器的参考输入，依据自适应噪声抵消原理，经过自适应滤波器后，滤波器输出不断逼近期望信号中C(x)的D(x)成分，自适应滤波器输出误差Err中含有有效连续波脉冲信号E(x)；

特别的，经过自适应滤波器AF后得到的含有效连续波脉冲信号E(x)包含有更宽的连续波脉冲频谱却不含该段频谱内的泵噪声，因此较之常规带通滤波得到的信号易于识别。

S4、经验模态分解：对E(x)进行经验模态分解，按照所含频率分量从高到底，依次获得IMF1、IMF2、IMF3、……、IMFn多个本征模态函数，依据井下连续波脉冲调制方式，选择各个本征模态函数的叠加组合，得到连续波脉冲信号的最佳输出数据F(x)。

特别的，依据数据自身的时间尺度特征来进行信号分解的经验模态分解方法与建立在先验性的谐波基函数和小波基函数上的傅里叶分解与小波分解方法存在本质性的差别，该方法将E(x)分解为有限个本征模函数IMF1、IMF2、IMF3、……、IMFn，且各IMF分量包含了E(x)在不同时间尺度的局部特征信号，然后可通过各IMF分量间的有效组合，进一步得到高信噪比的连续波泥浆脉冲信号，便于解调和解码。进一步地，工作周期T由待发送序列码长、连续波脉冲载波频率、数据调制方式和编码方法决定。

优选的是，所述发码时间T2紧随不发码时间T1，发码时间T2和不发码时间T1之间不存在时间间隔。

优选的是，所述发码时间T2是不发码时间T1的整数倍。

优选的是，所述不发码时间T1内采集的原始泥浆压力数据A(m)中含有各种噪声而不包括连续波脉冲信号；在发码时间T2内采集的原始泥浆压力数据B(n)中含有连续波脉冲信号和各种噪声。各种噪声包括泵的噪声及其他噪声，且泵噪声及其他各种噪声的频谱与连续波脉冲信号的频谱相互交叠。

优选的是，所述带通滤波采用的带通滤波器为FIR、巴特沃斯或契比雪夫数字滤波器。

优选的是，所述带通滤波器的低截止频率小于连续波脉冲信号载波频率下限；所述带通滤波器的高截止频率大于连续波脉冲信号载波频率上限。具体的说，带通滤波器的低截止频率为靠近连续波脉冲信号载波频率下限的小整数值减2或减3；所述带通滤波器的高截止频率为靠近连续波脉冲信号载波频率上限的大整数值加2或加3。

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。

进一步地，所述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。

优选的是，所述经验模态分解为原始的分解方法或各种改进的分解方法。

优选的是，所述改进的分解方法包括集合经验模态分解、基于镜像延拓、小波预处理或高斯过程回归的改进方法。

优选的是，还包括采用与井下连续波脉冲调制方式相对应的解调方法，对输出数据F(x)进行解调，并结合其编码规则完成解码，以实现基于泥浆连续波脉冲信号的随钻数据传输。进一步地，所述连续波脉冲调制方式有频移键控FSK、相移键控PSK等；优选的有二进制频移键控BFSK、二进制相移键控BPSK、四进制相移键控QFSK等；所述连续波脉冲编码规则有奇偶监督码、汉明码、戈莱码和RS码等。

本发明的有益效果在于：本发明在充分依据随钻泥浆连续脉冲信号产生、传输及加噪特性的基础上，将不发码时间T1和发码时间T2内的单立管压力传感器采集的随钻泥浆压力信号进行带通滤波与数据整理后，送入自适应噪声对消器，并对该对消器误差输出进行经验模态分解，以获得连续波脉冲传输信号。该方法简便可靠，能有效获得高信噪比的连续波泥浆脉冲信号，具有很大的实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例连续波脉冲信号处理流程图；

图2为本发明实施例含连续波脉冲信号的某原始泥浆压力数据；

图3为本发明实施例不发码时间原始泥浆压力经带通滤波后数据；

图4为本发明实施例发码时间原始泥浆压力经带通滤波后部分数据；

图5为本发明实施例不发码时间和发码时间的带通滤波后数据合并成的新数据；

图6为本发明实施例不发码时间带通滤波后数据按周期延拓得到的新数据；

图7为本发明实施例自适应滤波器结构示意图；

图8为本发明实施例自适应滤波后部分连续波脉冲信号；

图9为本发明实施例自适应滤波后部分连续波脉冲信号的本征模态函数；

图10为本发明实施例经验模态分解后部分连续波脉冲信号。

图中，含连续波脉冲信号的某原始泥浆压力数据1，不发码时间原始泥浆压力数据11，发码时间原始泥浆压力数据12，不发码时间原始泥浆压力经带通滤波后数据2，发码时间原始泥浆压力经带通滤波后部分数据3，不发码时间和发码时间的带通滤波后数据合并成的新数据4，不发码时间带通滤波后数据按周期延拓得到的新数据5，自适应滤波器6，信号源61，噪声源62，期望输入63，参考输入64，迭代运算65，输出66，输出误差67，自适应滤波后部分连续波脉冲信号7，自适应滤波后高频连续波脉冲信号71，自适应滤波后低频连续波脉冲信号72，第1层分解的本征模态函数IMF1，第2层分解的本征模态函数IMF2，第3层分解的本征模态函数IMF3，第4层分解的本征模态函数IMF4，第5层分解的本征模态函数IMF5，第6层分解的本征模态函数IMF6，第7层分解的本征模态函数IMF7，第8层分解的本征模态函数IMF8，经验模态分解后部分连续波脉冲信号8，经验模态分解后高频连续波脉冲信号81，经验模态分解后低频连续波脉冲信号82。

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所示为一种随钻泥浆连续波脉冲信号处理方法的流程图，主要包括分时发码与信号采集S1、带通滤波与数据整理S2、自适应噪声对消S3、经验模态分解S4四个步骤，以得到波形特征明显的连续波脉冲信号，并借以实现解码及后续数据处理。

进一步的，本发明实施例以二进制频移键控BFSK的随钻泥浆连续波脉冲为例，对发明内容深入阐述。

1)分时发码及信号采集

将连续波脉冲发生器的某一工作周期T，分为不发码时间T1和发码时间T2，且发码时间T2紧随不发码时间T1。

如图2所示为本发明实施例含连续波脉冲信号的某原始泥浆压力数据1。其中，不发码时间原始泥浆压力数据11中含有泵噪声及其他各种噪声而不包括连续波脉冲信号，而发码时间原始泥浆压力数据12中则含有连续波脉冲信号、泵噪声及其他各种噪声。

进一步地，工作周期T由待发送序列码长、连续波脉冲载波频率、数据调制方式和编码方法决定。

本发明实施例工作周期T为110s，其中不发码时间T1＝10s(60～70s)，发码时间T2＝100s(70～170s)。

本发明实施例的随钻泥浆连续波脉冲采用二进制频移键控BFSK调制方式，其中低频f1＝6Hz，高频f2＝12Hz。在实际工况下，泵噪声及其他各种噪声的频谱与连续波脉冲信号的频谱相互交叠。

2)带通滤波与数据整理

对如图2所示为本发明实施例含连续波脉冲信号的某原始泥浆压力数据进行FFT变换，获得有关连续波脉冲信号、泵噪声及其他噪声的频谱特征；而后分别对不发码时间原始泥浆压力数据11和发码时间原始泥浆压力数据12进行带通滤波，以消除远离连续波脉冲信号的低频和高频噪声，如图3和图4分别为不发码时间原始泥浆压力经带通滤波后数据2和发码时间原始泥浆压力经带通滤波后数据片段3；然后将不发码时间和发码时间的带通滤波后数据合并成新数据4，如图5所示；并将不发码时间原始泥浆压力经带通滤波后数据2按周期延拓得到与新数据4具有相同元素个数的新数据5，如图6所示。

特别的，本实施例所述带通滤波器类型为FIR，阶数为511，低截止频率为4Hz，高截止频率为6Hz。

3)自适应噪声对消

如图7所示为本发明实施例自适应滤波器结构示意图，信号源61和噪声源62是自适应滤波器6的原始输入。将新数据4作为自适应滤波器6的期望输入63，而新数据5作为自适应滤波器的参考输入64。依据自适应噪声抵消原理，经过自适应迭代运算65后，滤波器输出66会不断逼近新数据4中含有新数据5成分，则自适应滤波器输出误差67中便含有有效连续波脉冲信号。

信号7＝滤波器误差67_{滤波器6{新数据4，新数据5}} (1)

如图8所示为自适应滤波后的部分连续波脉冲信号7，从中可以看到自适应滤波后高频连续波脉冲信号71和自适应滤波后低频连续波脉冲信号72。特别的，本实施例所述自适应滤波器的自适应迭代算法为最小均方算法；所述自适应滤波器的阶数与步长因子分别为200和0.02。

4)经验模态分解

对自适应滤波后的部分连续波脉冲信号7进行8层经验模态分解后，按照所含频率分量从高到底，依次获得IMF1、IMF2、IMF3、……IMF8共8本征模态函数，如图9所示。依据井下连续波脉冲调制方式，优选本征模态函数IMF1、IMF3和IMF4之和，作为具有高信噪比的连续波脉冲信号最佳输出数据。

如图10所示为经验模态分解后部分连续波脉冲信号8，从中可以看出经验模态分解后高频连续波脉冲信号81和经验模态分解后低频连续波脉冲信号82较之与自适应滤波后高频连续波脉冲信号71和自适应滤波后低频连续波脉冲信号72更加明显清晰，更便于后续解码。

特别的，本发明实施例所述经验模态分解为基于镜像延拓的改进方法，也可采用其他改进的分解方法，如集合经验模态分解、基于小波预处理或高斯过程回归等的改进方法。

进一步地，可采用与井下连续波脉冲调制方式相对应的解调方法，对所述经验模态分解后连续波脉冲信号进行解调，并结合其编码规则完成解码，以实现基于泥浆连续波脉冲信号的随钻数据传输。

进一步地，所述连续波脉冲调制方式有频移键控FSK、相移键控PSK等；优选的有二进制频移键控BFSK、二进制相移键控BPSK、四进制相移键控QFSK等；所述连续波脉冲编码规则有奇偶监督码、汉明码、戈莱码和RS码等。

本发明在充分依据随钻泥浆连续波脉冲信号产生、传输及加噪特性的基础上，提出一种新颖的基于单立管压力传感器的随钻泥浆连续波脉冲信号处理方法，经现场实际数据测试表明，该方法简便可靠，能有效获得高信噪比的连续波泥浆脉冲信号，降低误码率，具有很大的实用价值。

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。