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钻井液连续压力波井下信息传输技术目前广泛应用于国外的随钻测量(MWD)系统,其数据传输速率远高于国内的MWD系统,目前国内仍处于研究过程中,但应用前景很大。钻井液压力信号通过钻柱自井底向地面传输及地面信号检测过程中会遇到很大的噪声与干扰,使得信号的信噪比极低,信号处理非常困难,其中对信号影响最大的是地面泥浆泵产生的压力波动干扰。
本文从分析泥浆泵干扰与井下钻井液压力信号的传输方向入手,建立了双传感器检测模型,尝试利用相关分析的方法,从两个传感器的互相关运算中提取出钻井液压力差分相移键控(DPSK)信号的相位信息。首先根据泵干扰的特征建立泵干扰的谐波表达式;然后根据相关分析得到了DPSK信号与泵干扰的互相关系数项、泵干扰的自相关系数项及DPSK信号的自相关系数项。计算结果表明,由于无法从两路信号的互相关运算中消除泵干扰影响,采用相关系数分析的方法不适于井下上传信号的处理。
通过改变信号检测与处理方法,采用数字延时差动检测法可以消除泵干扰的影响。以数学分析为基础得到了钻井液连续压力波信号的恢复模型,分别在时域和频域对信号进行时域恢复。其中频域恢复直接采用傅里叶逆变换,时域恢复则基于无限冲击响应(ⅡR)理论建立时域差分方程,以特殊的数字低通滤波方式实现信号恢复。数学分析表明,频域恢复方法会产生极点,且极点在傅里叶变换中可能会与傅里叶变换频率点重合而成为极大极点,对信号的恢复不利。通过理论分析,建立了极点频率与信号延时之间的理论关系及两传感器之间距离的约束条件,基于该约束条件通过合理的距离确定可以使钻井液连续压力波信号的频带远离极点频率,从而保证了信号的正常恢复,同时为压力传感器的布置安装提供了理论指导。经过数值仿真,时域恢复法与频域恢复法均可实现DPSK信号的正常恢复,且频域恢复法的效果要优于时域法,但时域恢复法相对频域法在数学运算上要简单。
最后,研究了钻井液压力DPSK信号的解调方法并对误码率进行了理论分析。基于钻井液压力DPSK信号的建模理论,通过相干解调运算及钻井液压力DPSK信号模型的逆向推演建立了DPSK信号的解调模型,经过数值计算和仿真得到了DPSK信号所对应的数据编码逻辑脉冲序列,证明了DPSK信号解调模型的正确性。