旋转阀转速控制脉冲的重构方法技术

本发明专利技术提供了一种旋转阀转速控制脉冲的重构方法。从井口压力传感器得到的钻井液压力差分相移键控信号或钻井液压力正交相移键控信号，经过信号处理消除泵压干扰与噪声后，通过相干解调及反余弦运算，得到反映钻井液压力差分相移键控调制时载波相位变化的相位信号或反映钻井液压力正交相移键控调制时载波相位变化的相位信号，通过对相位信号进行导数运算实现旋转阀转速控制脉冲的重构，且重构的旋转阀转速控制脉冲不受相干解调时相位错误的影响；根据数据编码规则，对重构的旋转阀转速控制脉冲幅度进行逻辑判断确定出脉冲代表的码元状态，根据脉冲出现的时间顺序排列出数据编码，实现钻井液压力差分相移键控信号或钻井液压力正交相移键控信号的解码。

【技术实现步骤摘要】

： 本专利技术设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 别设及一种。
技术介绍
： 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，钻井液由地面通过钻柱被累入井下，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 装在钻头上部的钻挺内，见附图1。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。钻井液压力 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，是钻井液压力信息遥测技术的发展方向。钻井液 连续压力波信号采用相移键控（PSK)调制方法产生，称之为钻井液压力相移键控（PSK)信 号，信号频谱集中，具有频带传输的特点，实现方法是通过井下随钻测量/随钻测井数据经 编码形成的基带脉冲幅度去控制旋转阀的转速，使旋转阀转速在一个载波周期的时间内降 低，造成压力载波的相位延迟来表示编码信息，是一种机械调制方式，调制后的压力载波相 位呈连续变化形式。根据调制时码元进制的不同，钻井液压力相移键控（PSK)信号包括二 进制码元调制的差分相移键控值PSK)信号及四进制（双二进制）码元调制的正交相移键 控（QPSK)信号；相同的载波频率下，钻井液压力QPSK信号的信息传输速率是钻井液压力 DPSK信号的二倍，但对信号处理的要求更高。钻井液压力PSK信号经过钻柱中的钻井液 传输到井口，通过安装在井口的压力传感器将压力信号转换为电信号，再经过放大、消除噪 声、去除钻井液累的累压干扰、信号解调、解码等处理得到井下MWD/LWD数据。重构旋转阀 转速控制脉冲的目的是为了钻井液压力PSK信号的解码，即得到旋转阀调制钻井液压力载 波相位时的数据编码，旋转阀转速控制脉冲的重构需要对解调出的相位信号进行相关处 理来实现。钻井液压力PSK信号的解调为调制过程的逆处理，即通过解调得到钻井液压力 PSK信号中的相位信号；由于钻井液压力PSK信号的频谱中不含载波频率，只能采用单路同 步信号（与载波同频同相正弦信号）的相干解调方法解调出相位信号。关于钻井液压力 PSK信号的解调与解码，目前相关文献均提出可采用常规通信的信号处理方法。如果采用常 规通信的信号处理方法，在相干解调中，同步信号要求与载波同频同相，需要在钻井液压力 PSK信号调制过程中采用导频插入法插入一段正交载波信号，从而增加了井下设备的复杂 性；此外，钻井液压力PSK信号在经过消除噪声及去除钻井液累的累压干扰等信号处理后， 信号会产生数值不定的相位延迟，造成钻井液压力PSK信号的载波与同步信号之间存在一 定的相位差，运一相位差在相干解调时会引起相位信号的错误，对后续的信号解码产生严 重影响。常规通信中相移键控（PSK)信号的相位在调制过程中具有突变的特点，因此可W 通过对突变的相位信号幅度进行逻辑判断来实现解码；但钻井液压力PSK信号的相位呈连 续变化形式，无法通过连续变化的相位信号幅度来直接实现信号解码，需要采用一定方法 对相位信号进行运算重构出旋转阀的转速控制脉冲，再通过对重构的旋转阀转速控制脉冲 幅度进行逻辑判断实现信号解码。因此，如何简单有效地获取同步信号，如何消除钻井液压 力PSK信号相干解调时相位错误对旋转阀转速控制脉冲重构的影响，采用何种方法对解调 出的相位信号进行处理W实现旋转阀转速控制脉冲的重构，是随钻测量/随钻测井领域需 要解决的关键技术问题，但有关运方面的有效解决方法和解决途径目前尚未见报道。
技术实现思路
： 本专利技术所要解决的技术问题是提供一种。 本专利技术所要解决的技术问题按W下技术方案实现： 阳0化]1.对相位信号进行导数运算实现旋转阀转速控制脉冲的重构 钻井液压力相移键控（PSK)信号由若干个码元周期构成，一个码元周期由4个载 波周期组成，在每个码元周期的第一个载波周期内通过降低旋转阀转速，使压力载波的相 位发生延迟来表示编码信息。对于钻井液压力DPSK信号的产生，第一个载波周期结束后的 载波相位状态表示1位二进制编码；对于钻井液压力QPSK信号的产生，第一个载波周期结 束后的载波相位状态表示2位二进制编码。对于一个n位二进制码元（或2m位码元）的 编码数据，PSK信号的调制过程为W-个脉冲序列来控制旋转阀的转速。W 10位二进制码 元的数据为例，产生钻井液压力DPSK信号的数据编码格式为Cdpsk= a 1。曰9曰8曰7曰6曰5曰4曰3曰2曰1， 其中码元曰。为"1"或"0" (n = 1，2,…，10);产生钻井液压力QPSK信号的数据编码格 式为Cqpsk二a565曰丈4曰363曰zbz曰山，即广生QPSK f曰号的数据编码由右干个双码兀组曰。1\组 成，其中，码元am为数据编码的第m个双码元组a mbm中的高位二进制码元，码元b m为数据 编码的第m个双码元组ambm中的低位二进制码元，码元a m和b m分别为"1"或"0" (m = 1，2,…，W ;当码元由曰1 一 a 1咸码元组由a山一 a sbs顺序传送时，构成恒定幅度的旋转 阀转速控制脉冲函数或变幅度的旋转阀转速控制脉冲函数，其中，Li(t) = G(t-T。/^为单脉冲调制函数；G(t) 为单位口函数；T。为载波周期。LdpskU)或LwsK(t)用于控制旋转阀转速W产生所需的钻井 液压力载波的相位变化，表1为钻井液压力PSK信号的调制规则。 表1钻井液压力PSK信号调制规则 钻井液压力PSK信号的数学模型可W表示为 (I) 其中，A。为压力载波幅度；CO。二2JTf。为载波角频率；f。= 1/T。为载波频率；T。 为载波周期：为相移函数；LdpskW及 LqpskW为旋转阀转速控制脉冲函数。 旋转阀转速控制脉冲函数与相移函数的关系为(2) 从井口得到的钻井液压力PSKOPSK或QPSK)信号经过消除噪声及去除钻井液累 的累压干扰等信号处理后会产生相位延迟，存在相位延迟的钻井液压力PSK信号数学模型 可W表示为 (3) 其中，目DPSK及0 ?PSK为经过信号处理后DPSK信号及QPSK信号的相位延迟，可W认 为信号处理后的钻井液压力PSK信号的载波增加了一个相位0DPSK或0 ?P?。 根据相干解调理论，将钻井液压力PSK信号与同步信号（与PSK信号调制时的载 波c(t) =sinWct同频的正弦信号）d(t) = 2sin(Wct+目1)相乘有 阳0化]y(t) =SpsK(t)*d(t) =AcC0S (4) 其中，AeCOS为零频调制项，包含有钻井液压力PSK调制时产生 的载波相位变化信息fpSK(t);AcC0s|；2?ct-fpsK(t)+ 0PSK+ 0 1]为倍频调制项；SpsK(t)为钻 井液压力DPSK信号SdpskW或QPSK信号SwsK(t) ;fpsK(t)为DPSK信号的相移函数fnPSK(t) 或QPSK信号的相移函数fwsK(t) ; 为DPSK信号的相位延迟0DPSK或QPSK信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
旋转阀转速控制脉冲的重构方法，其特征是按以下步骤实现：S1:从井口压力传感器得到的钻井液压力差分相移键控信号或钻井液压力正交相移键控信号，经过消除噪声及干扰后进行相干解调，相干解调时，由地面信号发生器产生的同步信号为与钻井液压力差分相移键控信号或钻井液压力正交相移键控信号的载波同频率的正弦信号，已消除噪声及干扰的钻井液压力差分相移键控信号或钻井液压力正交相移键控信号与同步信号在乘法器中相乘产生公式y(t)＝sPSK(t)·d(t)＝Accos[fPSK(t)‑θPSK‑θ1]‑Accos[2ωct‑fPSK(t)+θPSK+θ1]表示的零频调制项及倍频调制项并送入低通滤波器，其中Accos[fPSK(t)‑θPSK‑θ1]为零频调制项，包含有钻井液压力PSK调制时产生的载波相位变化信息fPSK(t)；Accos[2ωct‑fPSK(t)+θPSK+θ1]为倍频调制项；sPSK(t)为钻井液压力DPSK信号sDPSK(t)或QPSK信号sQPSK(t)；fPSK(t)为DPSK信号的相移函数fDPSK(t)或QPSK信号的相移函数fQPSK(t)；θPSK为DPSK信号的相位延迟θDPSK或QPSK信号的相位延迟θQPSK；Ac为压力载波幅度；θ1为同步信号与载波之间的相位差；S2：低通滤波器的截止频率与钻井液压力差分相移键控信号或钻井液压力正交相移键控信号的载波频率相同，在低通滤波器中，倍频调制项被滤除，由低通滤波器输出的零频调制项为式x(t)＝Accos[fPSK(t)‑θPSK‑θ1]表示的余弦相位信号，其中fPSK(t)为DPSK信号的相移函数fDPSK(t)或QPSK信号的相移函数fQPSK(t)；θPSK为DPSK信号的相位延迟θDPSK或QPSK信号的相位延迟θQPSK；x(t)为低通滤波器的输出信号；S3：余弦相位信号被送入运算处理器进行运算处理，在运算处理器中，余弦相位信号首先按照式进行反余弦运算得到相位信号，其中fPSK(t)为DPSK信号的相移函数fDPSK(t)或QPSK信号的相移函数fQPSK(t)；θPSK为DPSK信号的相位延迟θDPSK或QPSK信号的相位延迟θQPSK；θ1为同步信号与载波之间的相位差；x(t)为低通滤波器的输出信号；AC为压力载波幅度，然后对相位信号按照下式或式进行导数运算实现旋转阀转速控制脉冲的重构，其中为DPSK信号相干解调产生的相位信号；信号相干解调产生的相位信号；TC为载波周期；LDPSK(t)为重构的DPSK调制时的旋转阀转速控制脉冲函数；LQPSK(t)为重构的QPSK调制时的旋转阀转速控制脉冲函数；S4：钻井液压力差分相移键控信号或钻井液压力正交相移键控信号解码，以重构的旋转阀转速控制脉冲为基础，通过式或式对式或式重构的旋转阀转速控制脉冲幅度进行逻辑判断确定出各个脉冲代表的码元状态，再根据脉冲出现的时间顺序排列出数据编码，实现钻井液压力差分相移键控信号或钻井液压力正交相移键控信号的解码，上述式中，LDPSK为重构的DPSK调制时的旋转阀转速控制脉冲幅度；LQPSK为重构的QPSK调制时的旋转阀转速控制脉冲幅度；an为钻井液压力DPSK调制时数据编码的第n位二进制码元；am为钻井液压力QPSK调制时数据编码的第m个双码元组ambm中的高位二进制码元，bm为钻井液压力QPSK调制时数据编码的第m个双码元组ambm中的低位二进制码元。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈跃，盛利民，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，中国石油集团钻井工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：山东;37