旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速控制脈沖的重構(gòu)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種油氣鉆井過程中的隨鉆測量/隨鉆測井上傳信號(hào)的處理方法，特 別設(shè)及一種旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速控制脈沖的重構(gòu)方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 井下隨鉆測量/隨鉆測井（MWD/LWD)是一種在鉆井過程中實(shí)時(shí)測量及傳輸井下 信息的現(xiàn)代鉆井輔助技術(shù)。鉆井過程中，鉆井液由地面通過鉆柱被累入井下，從鉆頭水眼 噴出用于鉆頭的潤滑和冷卻并通過井壁與鉆柱的環(huán)型空間向上返出井口，MWD/LWD工具安 裝在鉆頭上部的鉆挺內(nèi)，見附圖1。在MWD/LWD工具中，安裝在近鉆頭鉆柱中的傳感器獲得 測量數(shù)據(jù)并通過鉆井液壓力信息遙測系統(tǒng)傳輸?shù)降孛?，信息遙測通過對(duì)鉆柱內(nèi)的鉆井液壓 力進(jìn)行調(diào)制及壓力波在鉆柱中的傳播來傳輸井下隨鉆測量/隨鉆測井?dāng)?shù)據(jù)。鉆井液壓力 信息遙測通常采用基帶壓力脈沖或連續(xù)壓力波來傳輸井下信息，其中連續(xù)壓力波具有比基 帶壓力脈沖高得多的井下信息傳輸速率，是鉆井液壓力信息遙測技術(shù)的發(fā)展方向。鉆井液 連續(xù)壓力波信號(hào)采用相移鍵控（PSK)調(diào)制方法產(chǎn)生，稱之為鉆井液壓力相移鍵控（PSK)信 號(hào)，信號(hào)頻譜集中，具有頻帶傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，實(shí)現(xiàn)方法是通過井下隨鉆測量/隨鉆測井?dāng)?shù)據(jù)經(jīng) 編碼形成的基帶脈沖幅度去控制旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)速，使旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速在一個(gè)載波周期的時(shí)間內(nèi)降 低，造成壓力載波的相位延遲來表示編碼信息，是一種機(jī)械調(diào)制方式，調(diào)制后的壓力載波相 位呈連續(xù)變化形式。根據(jù)調(diào)制時(shí)碼元進(jìn)制的不同，鉆井液壓力相移鍵控（PSK)信號(hào)包括二 進(jìn)制碼元調(diào)制的差分相移鍵控值PSK)信號(hào)及四進(jìn)制（雙二進(jìn)制）碼元調(diào)制的正交相移鍵 控（QPSK)信號(hào)；相同的載波頻率下，鉆井液壓力QPSK信號(hào)的信息傳輸速率是鉆井液壓力 DPSK信號(hào)的二倍，但對(duì)信號(hào)處理的要求更高。鉆井液壓力PSK信號(hào)經(jīng)過鉆柱中的鉆井液 傳輸?shù)骄冢ㄟ^安裝在井口的壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過放大、消除噪 聲、去除鉆井液累的累壓干擾、信號(hào)解調(diào)、解碼等處理得到井下MWD/LWD數(shù)據(jù)。重構(gòu)旋轉(zhuǎn)閥 轉(zhuǎn)速控制脈沖的目的是為了鉆井液壓力PSK信號(hào)的解碼，即得到旋轉(zhuǎn)閥調(diào)制鉆井液壓力載 波相位時(shí)的數(shù)據(jù)編碼，旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速控制脈沖的重構(gòu)需要對(duì)解調(diào)出的相位信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處 理來實(shí)現(xiàn)。鉆井液壓力PSK信號(hào)的解調(diào)為調(diào)制過程的逆處理，即通過解調(diào)得到鉆井液壓力 PSK信號(hào)中的相位信號(hào)；由于鉆井液壓力PSK信號(hào)的頻譜中不含載波頻率，只能采用單路同 步信號(hào)（與載波同頻同相正弦信號(hào)）的相干解調(diào)方法解調(diào)出相位信號(hào)。關(guān)于鉆井液壓力 PSK信號(hào)的解調(diào)與解碼，目前相關(guān)文獻(xiàn)均提出可采用常規(guī)通信的信號(hào)處理方法。如果采用常 規(guī)通信的信號(hào)處理方法，在相干解調(diào)中，同步信號(hào)要求與載波同頻同相，需要在鉆井液壓力 PSK信號(hào)調(diào)制過程中采用導(dǎo)頻插入法插入一段正交載波信號(hào)，從而增加了井下設(shè)備的復(fù)雜 性；此外，鉆井液壓力PSK信號(hào)在經(jīng)過消除噪聲及去除鉆井液累的累壓干擾等信號(hào)處理后， 信號(hào)會(huì)產(chǎn)生數(shù)值不定的相位延遲，造成鉆井液壓力PSK信號(hào)的載波與同步信號(hào)之間存在一 定的相位差，運(yùn)一相位差在相干解調(diào)時(shí)會(huì)引起相位信號(hào)的錯(cuò)誤，對(duì)后續(xù)的信號(hào)解碼產(chǎn)生嚴(yán) 重影響。常規(guī)通信中相移鍵控（PSK)信號(hào)的相位在調(diào)制過程中具有突變的特點(diǎn)，因此可W 通過對(duì)突變的相位信號(hào)幅度進(jìn)行邏輯判斷來實(shí)現(xiàn)解碼；但鉆井液壓力PSK信號(hào)的相位呈連 續(xù)變化形式，無法通過連續(xù)變化的相位信號(hào)幅度來直接實(shí)現(xiàn)信號(hào)解碼，需要采用一定方法 對(duì)相位信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算重構(gòu)出旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)速控制脈沖，再通過對(duì)重構(gòu)的旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速控制脈沖 幅度進(jìn)行邏輯判斷實(shí)現(xiàn)信號(hào)解碼。因此，如何簡單有效地獲取同步信號(hào)，如何消除鉆井液壓 力PSK信號(hào)相干解調(diào)時(shí)相位錯(cuò)誤對(duì)旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速控制脈沖重構(gòu)的影響，采用何種方法對(duì)解調(diào) 出的相位信號(hào)進(jìn)行處理W實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速控制脈沖的重構(gòu)，是隨鉆測量/隨鉆測井領(lǐng)域需 要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，但有關(guān)運(yùn)方面的有效解決方法和解決途徑目前尚未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速控制脈沖的重構(gòu)方法。
[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題按W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 陽0化]1.對(duì)相位信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)數(shù)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速控制脈沖的重構(gòu)
[0006] 鉆井液壓力相移鍵控（PSK)信號(hào)由若干個(gè)碼元周期構(gòu)成，一個(gè)碼元周期由4個(gè)載 波周期組成，在每個(gè)碼元周期的第一個(gè)載波周期內(nèi)通過降低旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速，使壓力載波的相 位發(fā)生延遲來表示編碼信息。對(duì)于鉆井液壓力DPSK信號(hào)的產(chǎn)生，第一個(gè)載波周期結(jié)束后的 載波相位狀態(tài)表示1位二進(jìn)制編碼；對(duì)于鉆井液壓力QPSK信號(hào)的產(chǎn)生，第一個(gè)載波周期結(jié) 束后的載波相位狀態(tài)表示2位二進(jìn)制編碼。對(duì)于一個(gè)n位二進(jìn)制碼元（或2m位碼元）的 編碼數(shù)據(jù)，PSK信號(hào)的調(diào)制過程為W-個(gè)脈沖序列來控制旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)速。W 10位二進(jìn)制碼 元的數(shù)據(jù)為例，產(chǎn)生鉆井液壓力DPSK信號(hào)的數(shù)據(jù)編碼格式為Cdpsk= a 1。曰9曰8曰7曰6曰5曰4曰3曰2曰1， 其中碼元曰。為"1"或"0" (n = 1，2,…，10);產(chǎn)生鉆井液壓力QPSK信號(hào)的數(shù)據(jù)編碼格 式為Cqpsk二a565曰丈4曰363曰zbz曰山，即廣生QPSK f曰號(hào)的數(shù)據(jù)編碼由右干個(gè)雙碼兀組曰。1\組 成，其中，碼元am為數(shù)據(jù)編碼的第m個(gè)雙碼元組a mbm中的高位二進(jìn)制碼元，碼元b m為數(shù)據(jù) 編碼的第m個(gè)雙碼元組ambm中的低位二進(jìn)制碼元，碼元a m和b m分別為"1"或"0" (m = 1，2,…，W ;當(dāng)碼元由曰1 一 a 1咸碼元組由a山一 a sbs順序傳送時(shí)，構(gòu)成恒定幅度的旋轉(zhuǎn) 閥轉(zhuǎn)速控制脈沖函數(shù)
或變幅度的旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速控制脈沖函數(shù)
，其中，Li(t) = G(t-T。/^為單脈沖調(diào)制函數(shù)；G(t) 為單位口函數(shù)；T。為載波周期。LdpskU)或LwsK(t)用于控制旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速W產(chǎn)生所需的鉆井 液壓力載波的相位變化，表1為鉆井液壓力PSK信號(hào)的調(diào)制規(guī)則。
[0007] 表1鉆井液壓力PSK信號(hào)調(diào)制規(guī)則
[0009] 鉆井液壓力PSK信號(hào)的數(shù)學(xué)模型可W表示為
[0010] (I)
[0011] 其中，A。為壓力載波幅度；CO。二2JTf。為載波角頻率；f。= 1/T。為載波頻率；T。 為載波周期：
為相移函數(shù)；LdpskW及 LqpskW為旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速控制脈沖函數(shù)。
[0012] 旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速控制脈沖函數(shù)與相移函數(shù)的關(guān)系為
[0013]
(2)
[0014] 從井口得到的鉆井液壓力PSKOPSK或QPSK)信號(hào)經(jīng)過消除噪聲及去除鉆井液累 的累壓干擾等信號(hào)處理后會(huì)產(chǎn)生相位延遲，存在相位延遲的鉆井液壓力PSK信號(hào)數(shù)學(xué)模型 可W表示為
[0015] (3)
[0016] 其中，目DPSK及0 ?PSK為經(jīng)過信號(hào)處理后DPSK信號(hào)及QPSK信號(hào)的相位延遲，可W認(rèn) 為信號(hào)處理后的鉆井液壓力PSK信號(hào)的載波增加了一個(gè)相位0DPSK或0 ?P?。
[0017] 根據(jù)相干解調(diào)理論，將鉆井液壓力PSK信號(hào)與同步信號(hào)（與PSK信號(hào)調(diào)制時(shí)的載 波c(t) =sinWct同頻的正弦信號(hào)）d(t) = 2sin(Wct+目1)相乘有 陽0化]y(t) =SpsK(t)*d(t) =AcC0S[fpsK(t)-目PSiT目J-AcCOS口Wct-fpsK(t)+目PSK+白1] (4)
[0019] 其中，AeCOS[fpsK(t)- 0PSK- 0 1]為零頻調(diào)制項(xiàng)，包含有鉆井液壓力PSK調(diào)制時(shí)產(chǎn)生 的載波相位變化信息fpSK(t);AcC0s|；2?ct-fpsK(t)+ 0PSK+ 0 1]為倍頻調(diào)制項(xiàng)；SpsK(t)為鉆 井液壓力DPSK信號(hào)SdpskW或QPSK信號(hào)SwsK(t) ;fpsK(t)為DPSK信號(hào)的相移函數(shù)fnPSK(t) 或QPSK信號(hào)的相移函數(shù)fwsK(t) ; 為DPSK信號(hào)的相位延遲0DPSK或QPSK信號(hào)的相位 延遲％PSK; 0 1為同步信號(hào)與載波之間的相位差。
[0020] 采用截止頻率為片=f。的低通濾波器對(duì)y(t)進(jìn)行濾波，將y(t)中的倍頻調(diào)制項(xiàng) 濾除后，得到零頻調(diào)制項(xiàng) 陽02U x(t) = Ac cos[fpsK(t)-目PSiT目1]妨 陽