无线随钻测量泥浆脉冲的信号检测及处理技术

边海龙 彭烈新

（1、北京市燃气集团研究院，北京 100011 2、中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京 100083）

在现代先进仪器的支持下，井下随钻测量技术在矿区钻探开发工作中扮演的角色越来越重要。相比于光缆、电缆等有线传输方式，基于脉冲发生器的无线传输适用性更强，抗干扰效果好，信号损失低。但是目前的无线随钻测量技术核心专利多为国外企业所掌握，我国关于这一方面的技术研究还处于探索阶段，在这一背景下探究一种性能可靠、操作简便、成本较低的无线随钻侧梁技术，对促进我国钻探事业发展有积极帮助。

1 无线随钻测量系统

1.1 系统运作流程

无线随钻测量系统主要包含4 个部分，分别是泥浆液循环部分、井下测量部分、数据传输部分和地面部分。其中，井下测量是整个系统的关键组成，是获取地质参数的核心装置。将测量装置（加速度传感器、磁通门传感器等）安装到无磁钻具中，然后在钻井过程中，能够实时获取电阻率、自然伽马、孔隙度等地质参数。这些数据在前端控制元件（PLC）的处理下，按照特定的规则，把各种信号统一转化为编码脉冲。利用脉冲发生器，通过改变钻杆内部循环泥浆压力的方式，用泥浆作为介质，以压力波的形式将数据反馈至地面。地面系统中的压力传感器，能够感知到压力波信号，并将该型号传入到地面接口箱，完成滤波、除噪、放大等一系列处理流程后，进入到计算机中。利用计算机上安装的解码软件，将压力信号重新转化为数字信号，从而直观地展示地层信息。

1.2 井下测量数据传输系统

1.2.1 数据传输方式

由于井下环境较为恶劣，因此如何在保证信号稳定可靠的前提下，最大程度上提高传输速率，也是该系统应用时必须要考虑的问题。另外，由于井下测量仪器采集到的数据量非常大，对通信容量也有较高的要求，避免在大流量数据传输中发生信道堵塞的问题。采用井下测量数据无线传输模式，根据信号传输介质的不同，又可以分成若干形式。例如，以泥浆作为传输介质的泥浆脉冲传输，以地层作为传输介质的电磁波传输等。综合对比来看，基于泥浆的脉冲传输具有效率更高、稳定性更好等特点，是井下测量数据传输的首选方案。

1.2.2 脉冲发生器工作原理

在泥浆脉冲传输系统中，核心装置之一是脉冲发生器。根据设备类型或人为设定，该装置能够以正脉冲、负脉冲和连续波3 种形式，传递测量数据，其传输原理和系统配置也存在较为明显的差异。以正脉冲信号发生器为例，首先将脉冲发生器安装在泥浆通道内，在脉冲发生器的前端，有一个可以受电磁铁控制的节流阀。通过预先设定的程序，接收控制指令后的电磁阀，会调节节流阀的开闭状态以及打开程度，这样就实现了对泥浆通过量的灵活调节，泥浆压力也随之发生相应变化，进而在管道内部形成规律的正压力脉冲。

1.3 地面系统

1.3.1 泥浆压力传感器

包含有测量数据的脉冲信号，以泥浆作为载体，自下而上地传输至地面，此时地面系统中的压力传感器会接收压力信号。泥浆压力传感器的前端结构是一块高灵敏度的溅射式压力敏感元件，是一种由弹性不锈钢膜、电阻材料薄膜等组合形成的复合材料。该装置的基本参数如表1 所示。

表1 泥浆压力传感器基本参数

相比于目前常用的硅式压力传感器，除了具有耐高/低温的优良特性外，还具有显示结果精确度高，抗振动、抗冲击等特点，对于精准识别泥浆压力波，并将其转化为计算机可识别的数字信号起到了帮助。

1.3.2 现场信号传输装置

以泥浆为载体的无线传输模式，虽然可靠性和稳定性较好，但是基于数据处理的高精度要求，仍然要压力传感器接收到的信号进行处理。具体操作如下：第一步是完成信号转化。计算机无法直接识别泥浆压力信号，因此在接收该信号后要将其转化为范围在1-20mA 的电流信号。然后将电流信号通过带屏蔽丝网的双绞线，传输到地面接口箱内。在地面接口箱内，需要完成电流信号向电压信号的转换，得到范围在1-10V 之间的电压信号。然后将电压信号做滤波、除噪处理，所得电压信号还要通过功率放大器进行信号放大。最后，经过A/D 转换器，将电压信号转化为数字信号，由计算机识别、处理。整个流程如图1 所示。

图1 现场信号传输示意图

2 无线随钻测量地面接口箱设计

2.1 地面接口箱的硬件设计

地面接口箱的作用是将无线随钻测量装置收集到的泥浆压力脉冲信号，转换成能够被地面技术人员直接使用的各项参数。考虑到现场环境复杂，为保证系统装置的可靠性，地面接口箱的硬件系统中加入了一个MTL5041 型隔离式安全栅，可有效隔离外部100Hz 以上的高频干扰信号，保证信号精度。另外，鉴于信号信噪比较小，因此在电信号转换成数字信号之前，需要经过滤波、放大处理，提高电信号的识别精度。之后再经过模数转换电路，得到精确的数值信号。地面计算机接收到该信号后，技术人员可在显示屏上直观地了解井下情况。地面接口箱的硬件组成和泥浆脉冲信号处理流程如图2 所示。

图2 地面接口箱的硬件组成图

2.2 信号处理系统设计

降噪处理是提高泥浆压力脉冲信号质量的关键步骤。信号传播过程中，因为受到外部干扰，随着其传播距离的增加，信号衰减现象也会更加明显。其衰减程度可通过公式计算得出：

上式中，x 表示脉冲信号的传输距离，P（x）表示距离信号源x 处的脉冲信号波幅，P（0）表示脉冲源处的波幅，L 为脉冲信号衰减到信源幅值1/e 时的距离，u 为信号传输速度，d 为钻杆内径，v 为泥浆粘度，f 为信号频率。由此可知，x、v、f 是影响信号衰减的主要因素，在无线随钻测量时刻通过缩短传输距离、适当减小泥浆粘度和提高信号频率的方式，降低信号衰减程度，保证信号检测精度。在信号处理系统中，在信号进入模块前设计了电磁屏蔽盒，将NI6212 采集卡和信号滤波电路板保护起来，进一步提高防辐射、防干扰能力。电磁屏蔽盒的连接电路如图3所示。

图3 电磁屏蔽盒的连接电路

3 无线随钻测量泥浆脉冲的信号检测与处理技术

3.1 定义脉冲编码

计算机在接收到经过处理、转化后的泥浆脉冲信号后，还要对该信号进行分析，以便于直观、全面地呈现地层信息，方便钻探人员对井下具体情况进行详细掌控。处理泥浆脉冲信号的第一步，是对脉冲编码进行定义，根据该定义判断接收到的信号是否符合要求，剔除那些不符合定义的数据，从而显著提高了分析结果的可信度。在脉冲编码定义中，需要使用到二进制的OOK 编码，其优势主要体现在两处：其一是编码规则简单、易用，尤其是脉冲数量较多的情况下，可以快速完成定义，节约了泥浆脉冲信号的处理时间。其二是只需要用较少的脉冲，就能代表大量数据，减少了发送脉冲的数量，对控制误差也有积极效果。

3.2 识别编码脉冲信号

根据定义，有安装在上位机上的识别软件，对编码脉冲信号进行识别。识别流程如图4 所示。

图4 脉冲识别流程图

在脉冲识别过程中，有两点需要注意：（1）驱动程序的选择。基于Windows 系统无法直接读取LPT 状态寄存器中的数据。这是就需要借助于VC 语言编写底层WDM 驱动程序。然后通过通信串口，将该驱动程序烧录到计算机中，实现驱动。（2）在软件识别中，还会使用到时钟来准确计算数据在两个节点之间的传输时间。在时钟类型的选择上，优先考虑实时中断时钟，而不宜选择实时性较差的多媒体时钟。

3.3 泥浆压力脉冲信号处理

在信号处理中，为进一步提高检测精度，对仪器电源的低噪声要求提出了较高要求。因此，在电源选择上，要优先考虑那些电压残余纹波低、抗干扰能力强的电源模块。以FEAS 公司的SNT3624 型电源模块为例，其基本参数如表2。

表2 SNT3624 电源基本参数

上位机通电运行后，对经过前期处理后的泥浆脉冲信号进行自动处。同时，还会对同一组测量数据的最大误差进行计算，将计算结果与标准值进行对比，若实测误差超出允许范围，则自动标记，从而保证最终结果的精确性。

4 结论

无线随钻测量技术作为现阶段矿区勘探、开发的常用技术形式，在实际应用中应满足数据实时传递、测量结果精确、分析处理快速等基本要求。以泥浆作为传输介质，通过发射脉冲信号来传输数据的方式，较好地满足了测量数据传输的基本要求。但是在实际应用中，还需要重点做好脉冲编码定义工作，以及熟练掌握脉冲识别流程和处理技术，才能提高脉冲信号的分析和利用价值，为地层参数分析和地质勘探作业提供有意义的参考与借鉴。