張 爽

（中海油田服務(wù)股份有限公司，三河 065201）

泥漿脈沖隨鉆數(shù)據(jù)傳輸是隨鉆數(shù)據(jù)上傳至地面的主流方式[1-2]。采用擺動(dòng)閥式脈沖發(fā)生器可以發(fā)出連續(xù)型泥漿脈沖，實(shí)現(xiàn)3～12 b·s-1甚至更高的數(shù)據(jù)傳輸速率[3-4]。該高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有低通性，同時(shí)由于井場環(huán)境中的外源性，不確定性噪聲較多，因此解調(diào)效果受多種因素影響。

1 解調(diào)效果影響因素分析方法

壓力波信號(hào)經(jīng)過濾波、消噪、同步、均衡判決幾個(gè)步驟[5]得到輸出結(jié)果，算法流程如圖1所示。

在現(xiàn)場解調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，所解得的數(shù)據(jù)應(yīng)與井下上傳的測井?dāng)?shù)據(jù)一致。但是，現(xiàn)場無法讀取測井儀器的內(nèi)存數(shù)據(jù)，即無法通過直接方法來計(jì)算解調(diào)誤碼率。因此，需要引入其他參考參數(shù)側(cè)面反映解調(diào)效果。針對(duì)上述問題，本文提出功率譜、同步峰值和參考誤碼率3種參考參數(shù)。

1.1 功率譜

功率譜是功率譜密度函數(shù)的簡稱，定義為單位頻帶內(nèi)的信號(hào)功率。它表示信號(hào)功率隨頻率的變化情況，即信號(hào)功率在頻域的分布狀況。功率譜曲線一般橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為功率。

功率信號(hào)f(t)在時(shí)間段t∈[-T/2,T/2]上的平均功率可表示為：

如果f(t)在時(shí)間段t∈[-T/2,T/2]上可以用fT(t)表示，且fT(t)的傅里葉變換為FT(ω)=F[fT(t)]，其中F[]表示傅里葉變換。當(dāng)T增加時(shí)，F(xiàn)T(ω)和|FT(ω)|2的能量增加。當(dāng)T→∞時(shí)，fT(t)→f(t)，此時(shí)|FT(ω)|2/2πT可能趨近于一極限。若此極限存在，則其平均功率可以用頻域表示，即：

定義|FT(ω)|2/2πT為f(t)的功率密度函數(shù)，簡稱功率譜，表達(dá)式為：

1.2 同步峰值

同步峰值是同步信號(hào)處理結(jié)果峰值。該峰值與非峰值差距越大，同步檢測效果越好，同時(shí)側(cè)面反映信號(hào)質(zhì)量越優(yōu)良。因此，可通過峰值與非峰值的差異程度判斷信號(hào)質(zhì)量。差異越大，信號(hào)質(zhì)量越佳。

1.3 參考誤碼率

條件允許時(shí)，可以直接對(duì)比解調(diào)數(shù)據(jù)與原始發(fā)送數(shù)據(jù)計(jì)算誤碼率，也可通過校驗(yàn)機(jī)制間接計(jì)算誤碼率。后者得到的誤碼率并非精確值，但可以用于判斷解調(diào)效果。

2 解調(diào)效果影響因素分析及處理方法

2.1 信道噪聲及處理方法

2.1.1 低通特性

隨鉆泥漿傳輸信道具有低通特性，因此在信號(hào)調(diào)制方式設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)減少采用高頻信號(hào)或含有較多高頻分量的信號(hào)作為載波信號(hào)。

2.1.2 鉆頭及變徑反射

在儀器應(yīng)用過程中可發(fā)現(xiàn)，泥漿脈沖信號(hào)強(qiáng)度和波形質(zhì)量并非單純地與頻率反相關(guān)。推測是鉆頭反射、儀器內(nèi)部變徑反射等因素導(dǎo)致傳輸至地面的信號(hào)存在碼間串?dāng)_的問題。這類問題可從兩方面予以解決：一方面，可以在儀器結(jié)構(gòu)方面通過減少儀器內(nèi)部變徑、調(diào)整脈沖發(fā)生位置距離鉆頭的距離等方法減少信號(hào)反射干擾；另一方面，可以在解調(diào)算法方面針對(duì)碼間串?dāng)_問題在解調(diào)算法中加入均衡器，消除碼間串?dāng)_對(duì)解調(diào)判決的影響。

2.1.3 渦發(fā)噪聲

儀器串中含有渦輪發(fā)電機(jī)，渦輪發(fā)電機(jī)的葉輪在泥漿帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過多次試驗(yàn)及作業(yè)，針對(duì)675型儀器一般采用中排量導(dǎo)輪和中低排量渦輪，最佳工作區(qū)為1500～2020 L·min-1，對(duì)應(yīng)渦發(fā)轉(zhuǎn)速一般在2800～6200 r·min-1，此時(shí)現(xiàn)場并未對(duì)解調(diào)效果產(chǎn)生影響。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，渦發(fā)旋轉(zhuǎn)噪聲屬于高頻噪聲，在有效信號(hào)頻帶外對(duì)信號(hào)影響較小。此外，試驗(yàn)表明，渦發(fā)連接在脈沖器的上游或下游均對(duì)解調(diào)沒有影響。

2.1.4 信道頻率選擇特性

在多次作業(yè)中可發(fā)現(xiàn)，每一口井的泥漿傳輸信道都具有相對(duì)穩(wěn)定的噪聲頻帶和衰減頻帶，可以通過時(shí)頻功率譜密度評(píng)判各頻率的信道傳輸特性。以時(shí)間為橫軸，以頻率為縱軸，以顏色表示功率譜密度值，可以繪制功率譜密度圖。以中原某頁巖氣井作業(yè)信號(hào)段1為例，該段信號(hào)時(shí)頻功率譜密度如圖2所示。

圖2中0～10 s脈沖器未動(dòng)作，可視為系統(tǒng)噪聲。此時(shí)，泵沖頻率單沖約為1.13 Hz，三沖約為3.40 Hz，且其二次、三次諧波均具有較強(qiáng)能量，在24 Hz、28 Hz 附近具有高能量譜線。第10～30 s內(nèi)發(fā)送了一段0～40 Hz頻率線性連續(xù)變化的掃頻信號(hào)，可觀察到12 Hz及30 Hz附近存在功率譜低值帶，可認(rèn)為該傳輸信道對(duì)這兩個(gè)頻帶的信號(hào)有較強(qiáng)的衰減作用。

在選擇載波頻率時(shí)，應(yīng)使有效信號(hào)頻帶避開信道噪聲頻帶和衰減頻帶。針對(duì)本例12～24 Hz區(qū)間噪聲能量較小且信號(hào)衰減較小，可在該頻帶范圍內(nèi)選擇信號(hào)載波頻率。本文選擇18 Hz作為載波頻率，采用相移鍵控調(diào)制方式，50～100 s為發(fā)送信號(hào)的時(shí)間段，可見信號(hào)頻帶恰好處于信道噪聲較少的頻帶范圍內(nèi)。經(jīng)現(xiàn)場作業(yè)驗(yàn)證，在當(dāng)前噪聲背景下采用該種調(diào)制方式取得了較好的解調(diào)效果。

2.2 泵噪聲及處理方法

在泥漿脈沖隨鉆數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，泵噪聲一般具有幅值大、波形不規(guī)則但周期性較好的特點(diǎn)。但若泵噪的周期浮動(dòng)，會(huì)間接導(dǎo)致立管壓力浮動(dòng)，進(jìn)而影響解調(diào)效果。以山西某頁巖氣井作業(yè)數(shù)據(jù)段2為例，該段數(shù)據(jù)前半段泵沖頻率穩(wěn)定，立管壓力穩(wěn)定，后半段泵沖頻率波動(dòng)約為0.1 Hz，立管壓力隨之波動(dòng)，采用相同解調(diào)算法和解調(diào)參數(shù)配置，統(tǒng)計(jì)解調(diào)誤幀率如表1所示。該誤幀率計(jì)算方法為檢測每一幀尾校驗(yàn)位，若校驗(yàn)不通過，判定為誤幀。

表1 誤幀率統(tǒng)計(jì)表

針對(duì)存在泵沖頻率波動(dòng)的泵噪，可通過調(diào)整消噪?yún)?shù)削弱其對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響來提高解調(diào)正確率。

2.3 采集噪聲及處理方法

在井場環(huán)境中，可觀察到時(shí)頻功率譜密度圖中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)異常高能量頻率帶。以中原某頁巖氣井?dāng)?shù)據(jù)段2為例，如圖3所示，25 Hz處高能量譜線，18～13 Hz高能量譜線，5 Hz以下多條高能量譜線。

通過調(diào)整線纜與某些設(shè)備或供電線纜間的距離可發(fā)現(xiàn)，該噪聲得以增強(qiáng)或削弱，推測是井場存在多種機(jī)械設(shè)備、線纜的屏蔽能力限制等因素所導(dǎo)致。這樣的噪聲位于信號(hào)頻帶范圍內(nèi)，能量較大，嚴(yán)重影響信號(hào)質(zhì)量。若通過軟件方法進(jìn)行消噪處理會(huì)同時(shí)削弱有效信號(hào)能量，造成無法解調(diào)的問題。

通過在現(xiàn)場配置光纖及電纜兩套地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，光纖傳輸質(zhì)量優(yōu)于電纜傳輸質(zhì)量。因此，處理由采集系統(tǒng)侵入的環(huán)境噪聲，可采用以下方法：

（1）在傳輸線纜上加裝抗干擾磁環(huán)，在數(shù)據(jù)采集箱中加入隔離柵等物理方法避免高頻噪聲的侵入；

（2）在解調(diào)系統(tǒng)中添加低通濾波器濾除已侵入的高頻噪聲；

（3）在鉆臺(tái)上，離壓力傳感器較近的地方設(shè)置電信號(hào)采集箱及處理裝置；將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過光纖將信號(hào)傳輸至工房的二級(jí)信號(hào)采集系統(tǒng)，從而減少信號(hào)通過電纜傳輸?shù)木嚯x，避免電噪聲的侵入干擾。

2.4 信號(hào)處理參數(shù)對(duì)解調(diào)效果的影響

解調(diào)參數(shù)配置會(huì)直接影響消噪效果。泵沖頻率頻繁波動(dòng)時(shí)，時(shí)域消噪算法因其具有延遲特性，難以及時(shí)跟蹤泵沖頻率變化，因此消噪效果較差。若選用頻域消噪算法，可取得更好的消噪效果。以中原某頁巖氣井作業(yè)數(shù)據(jù)段3為例，該段數(shù)據(jù)時(shí)域信號(hào)如圖4所示，泵沖頻率曲線如圖5所示。采用兩組離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）消噪?yún)?shù)對(duì)該段信號(hào)消噪，第1組參數(shù)為（A=10 dB，Δf=0.10 Hz，B=0.10 Hz）；第2組參數(shù)為（A=30 dB，Δf=0.25 Hz，B=0.25 Hz）。其中：A表示DFT消噪的衰減系數(shù)；Δf表示DFT消噪的頻率分辨率；B表示DFT消噪的帶寬。兩組參數(shù)消噪后的帶內(nèi)信號(hào)分別如圖6（a）、圖6（b）所示。

從圖6可以看出，泵沖頻率的突變與帶內(nèi)信號(hào)的干擾強(qiáng)度相關(guān)。該段信號(hào)采用第二組消噪?yún)?shù)效果明顯優(yōu)于第一組參數(shù)，但始終無法消除跳變邊沿處的干擾。這是因?yàn)楸脹_頻率突變的時(shí)候DFT消噪算法需要一定的反應(yīng)時(shí)間，也是DFT變換的時(shí)間和頻率分辨率在理論上相互矛盾造成的。

對(duì)兩組消噪結(jié)果分別通過m序列相關(guān)法計(jì)算同步峰值，可得到幀同步信號(hào)如圖7（a）、圖7（b）所示?？梢?，加大DFT消噪算法對(duì)泵噪分量的抑制力度可以明顯改善幀同步的檢測。

3 結(jié)語

泥漿脈沖隨鉆數(shù)據(jù)傳輸解調(diào)效果受多重因素影響。針對(duì)可避開的噪聲信號(hào)，可采取合理避讓或限波濾除的方式消除影響。針對(duì)無法避開的噪聲信號(hào)，可通過參考信息對(duì)影響因素進(jìn)行評(píng)估。需要注意，實(shí)際信號(hào)含有多重干擾，單一影響因素的影響程度僅可作為參考。