隨鉆地層壓力測量系統下傳指令接收裝置研制*

宗艷波 王 磊 柯 珂 孫明光

(1. 中國石化石油工程技術研究院 北京 100101； 2. 頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室 北京 100101)

隨鉆地層壓力測量系統下傳指令接收裝置研制*

宗艷波1，2王 磊1，2柯 珂1，2孫明光1，2

(1. 中國石化石油工程技術研究院 北京 100101； 2. 頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室 北京 100101)

宗艷波,王磊,柯珂，等.隨鉆地層壓力測量系統下傳指令接收裝置研制[J].中國海上油氣，2016,28(6)：88-94.

Zong Yanbo,Wang Lei,Ke Ke,et al.R&D of downlink instruction receivers for FPWD systems[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):88-94.

為了從地面控制隨鉆地層壓力測量系統，研制了一套基于鉆井液脈沖的下傳指令接收裝置。該裝置通過測量管柱壓力和鉆鋌轉速，采用互相關算法提取壓力脈沖信號的上升沿和下降沿位置，實現了對鉆井液脈沖的指令接收和解碼。數值試驗表明，互相關算法是提取鉆井液脈沖壓力信號上升沿和下降沿的有效算法，通過將鉆鋌零轉速作為接收下傳指令的前置條件，軟件自動調用解碼算法，降低了誤碼風險。室內試驗和現場試驗結果表明，所研制的裝置解碼算法簡單實用，具有高可靠性、低誤碼率的特點，能夠滿足隨鉆地層壓力測量系統的實際需求。

隨鉆地層壓力測量； 指令下傳； 解碼接收；互相關算法

在隨鉆地層壓力測量系統中，下傳指令接收裝置負責接收地面指令，完成儀器參數配置和啟動控制，是在地面控制井下儀器工作的關鍵部件。在地面信號指令下傳中，調整鉆井液排量實現脈沖寬度和數量的調節是主要方式，該方法盡管速度慢，但適應范圍廣，信號可靠，目前已得到廣泛認同。在井下鉆井液脈沖信號接收和解碼算法方面，信號源可以取鉆井液流量信號[1]、管柱內壓力信號[2]、管柱內外壓差信號[3]，也可以取與流量變化一致的渦輪電機轉速信號[4-7]，由于指令編碼方式不同，脈沖邊沿提取算法不同等，目前尚無統一結論。

脈沖信號邊沿提取算法是指令解碼的關鍵，仍是當前指令下傳接收領域的研究熱點。Finke等[2]利用互相關算法提取了鉆井液負脈沖下降沿位置，其解碼算法未考慮上升沿；李峰飛 等[7]考察了鉆井液脈沖信號上升沿和下降沿時間；趙琦 等[8]以正常電壓值的40%～80%為閾值統計負脈沖時間，屬于直接閾值比較；湯楠 等[9]對比前后兩段數據的自相關程度，建立了基于信號相似性的下傳信號處理方法；Sugiura[10]利用管柱內外壓差信號測量開停泵信號；Krueger等[11]提出動態閾值法用于檢測信號跳變沿。此外，李建勛 等[12-13]采用小波熵法、小波閾值法，趙建輝 等[14]利用非線性“平頂消除”的方法，涂兵 等[15]采用聚類算法對鉆井液脈沖上傳信號進行了研究，但由于鉆井液脈沖信號下傳過程不完全等同于信號上傳過程，上傳信號處理算法較為復雜，上述方法不適用于下傳指令接收系統。

為滿足隨鉆地層壓力測量系統對于地面指令下傳的特殊需求，筆者在對幾種壓力脈沖指令接收算法進行對比的基礎上，研制出一套隨鉆地層壓力測量系統下傳指令接收方法和裝置，接收方法軟件部分由鉆井液脈沖解碼軟件和轉速計算兩部分組成，裝置硬件電路由管柱壓力測量和轉速測量電路組成。所研制的裝置在室內試驗和現場試驗中均取得了良好的試驗結果，可滿足隨鉆地層壓力測量系統的實際需求。

1 鉆井液脈沖下傳信號的接收與解碼

隨鉆地層壓力測量系統結構如圖1所示，主要由測量探頭、電機與液壓系統、抽吸活塞、中控模塊和數采模塊及蓄能器等構成。通過測量探頭建立與地層流體的聯系通道，在中控模塊和液壓系統的配合下實現探頭的推靠、抽吸、測量、回收等動作，實現隨鉆測量地層孔隙壓力的目的。指令接收裝置由壓力傳感器、轉速傳感器、數采電路和中控模塊的軟件程序組成，負責完成地面指令的接收和解碼。

圖1 隨鉆地層壓力測量系統結構示意圖

1.1 指令下傳與接收原理

完整的地面指令下傳系統主要包括地面指令下傳裝置、地面控制系統和井下信號接收裝置等3部分，其中地面指令下傳裝置大都采用調整泥漿泵的泵沖(也可由地面控制系統控制旁通閥進行泄壓)，實現鉆井液流量調整的目的，而井下信號接收裝置主要包括信號測量模塊和信號解碼算法兩部分。

當以鉆井液脈沖信號進行下傳指令時，為了避免井下儀器的誤動作，將多個脈沖按順序組成指令幀，常見組合是鉆井液脈沖三降三升形成的編碼方式，具體指令碼由脈沖持續時間的長短確定。設鉆井液循環等效水力系數為k，鉆井液排量為Q，則所測井下管柱壓力為p=kQ2，假設泄壓前后的鉆井液排量分別為Q1和Q2，則Q1>Q2,理想情況下，由于鉆井液排量不同引起的井下管柱壓力差，即井下壓力變化幅度為

(1)

圖2為井下管柱壓力信號接收原理圖。當默認狀態為開泵時，降排量形成的壓力脈沖為負脈沖；當默認狀態為停泵時，正常循環所對應的壓力脈沖則形成壓力正脈沖。用0和1分別代表脈沖信號的高低，在理想情況下，令閾值pt= (p1+p2)/2，將所測壓力信號與閾值進行比較，形成以p1為高電平1、以p2為低電平0的脈沖信號序列。以圖2為例，假設脈沖的最短時間間隔要求為0.5 min，則三降三升形成的信號可以解讀為一組下傳指令，改變脈沖的寬度時即可形成不同的下傳指令。對于隨鉆地層壓力測量系統來說，為了保證井下安全，當鉆鋌靜止時才允許下傳指令。

圖2 下傳信號接收原理圖

根據三降三升的波形編碼規則的不同，主要有兩類編碼算法：一類是將下傳指令分為命令幀和數據幀，此類編碼要求將第一個脈沖規定為命令幀的幀頭，后續脈沖定義為數據幀，只有當出現命令幀的時候才進行后續數據幀的信號高低電平辨識和解碼；另一類是不區分幀類型，將全部脈沖作為一組指令進行編碼，將負脈沖定義為0，正常排量定義為1，形成由0和1組合構成的命令數據。 對圖2所示壓力負脈沖形成的指令，如定義30 s為一個脈沖寬度，則按照前一種指令定義，可解釋為1010數據指令，若按后一種定義，應解釋為01010數據指令。不論有無命令幀幀頭，兩種編碼算法實質一樣。

1.2 邊沿提取算法

不同于地面指令發送過程，指令接收解碼過程必須考慮井下壓力信號在各種工況下的表現。在鉆井液正常循環時，井下壓力信號基本是一條直線；在發送地面指令時，井下壓力信號在固定的時間段內出現三降三升的波形；而其他事件引起的波形變化不能被認為是指令，如單次開停泵操作會引起井下壓力信號一降一升以及存在干擾等其他形式的信號波形。因此，解碼算法的關鍵是提取有效的三降三升壓力信號的邊沿位置。由于壓力負脈沖信號只有兩種信號形式分別是0和1，為提取有效的壓力負脈沖信號邊沿位置，其實質是進行準確的二值分類，需要選擇合適的邊沿提取算法。固定閾值法是一種常用邊沿提取算法，但由于泵排量不固定，固定閾值法缺乏靈活性，不能適應現場需要。聚類算法在二值分類算法中具有一定優勢，但是其計算過程復雜，計算量很大，不適于井下微處理的實時性要求。

互相關算法用于計算兩種信號之間的相關程度，由于壓力負脈沖的目的是形成方波信號，可以預期采用方波信號與所測壓力信號進行互相關計算，兩種信號在所測壓力信號跳變沿位置的相關性最大，在壓力信號沒有跳變沿時的相關性最小。基于上述思想，設計互相關算法的方波信號如下：

(2)

式(2)中N與原始信號的脈寬有關。N太大時，會導致計算結果的尖脈沖太寬，而且幅值不夠大；N太小時，計算結果的噪聲太大。假設當壓力信號的采樣頻率為5 Hz，脈寬定義為30 s時，N為150。

互相關算法的計算公式如下：

(3)

式(3)中p為所測壓力信號時間序列。互相關計算完成后，采用正負峰值查找法即可確定上升沿和下降沿的位置，從而完成開停泵序列的重建，解決指令解碼的關鍵問題。

實際計算時，須首先對測量信號進行滑動平均濾波和歸一化。為便于查找互相關計算的峰值及其位置，有必要將互相關計算結果歸一化到[-1,1]之間，并將幅度小于0.5的相關計算結果歸0處理。由于負峰值對應原始信號下降沿，而正峰值對應原始信號上升沿，分別提取負峰值和正峰值的位置即可確定原始信號的下降沿和上升沿的位置。在查找峰值時，為避免干擾信號的影響，須注意剔除2個相鄰很近的局部極大值或局部極小值。實際計算中，剔除寬度可取脈沖脈寬與采樣率乘積的一半。

圖3a、圖4a、圖5a、圖6a為數值試驗所用的3.5 min時間內的原始壓力信號，為了真實反映壓力脈沖信號的干擾和邊沿過渡過程，設定原信號的信噪比為過渡過程10 s時30、20、15、10 dB。圖3b、圖4b、圖5b、圖6b為將仿真的原始壓力信號進行滑動平均濾波后再進行歸一化的結果，可以看出，信噪比較高時歸一化結果與理論信號波形基本一致，信噪比降低時歸一化結果與理論信號波形的一致性越來越差。圖3c、圖4c、圖5c、圖6c為采用公式(2)和(3)進行互相關計算得到的相關結果。多次計算發現，當信噪比大于20 dB時，互相關算法能夠快速準確的計算出壓力脈沖信號的上升沿和下降沿；當信噪比降低到15 dB時，互相關算法偶爾能夠恢復出準確的脈沖邊沿；當信噪比繼續降低到10 dB時，難以恢復出準確的脈沖邊沿。這表明互相關算法可以用于信噪比高于20 dB的條件下。

圖3 信噪比為30 dB時的信號計算結果

圖4 信噪比為20 dB時的信號計算結果

圖5 信噪比為15 dB時的信號計算結果

圖6 信噪比為10 dB時的信號計算結果

1.3 鉆鋌轉速監測

對于隨鉆地層壓力測量系統來說，一定要保證探頭推靠和回收等動作執行時系統整體處于絕對靜止狀態，不允許鉆鋌旋轉，因此必須實時監測鉆鋌轉速。磁通門傳感器常與加速度計組合用于姿態測量，也可用于轉速測量。由于磁性工具面角能夠表征鉆鋌的旋轉角度位置，可由磁通門在探管截面上X軸和Y軸信號分量和的反正切函數計算得到，鉆鋌旋轉時磁性工具面角的差分值與旋轉速度成正比。設磁工具面角為Tm，則

Tm=-arctan(By/Bx) 0≤Tm<2π

(4)

式(4)中Bx、By分別是磁通門在探管截面上X軸和Y軸信號分量。設鉆鋌轉速為v，則

v=diff(Tm)=ΔTm/Δt

(5)

圖7 為使用磁通門信號進行轉速測量的計算過程。在實際使用中，需要根據鉆鋌轉速范圍合理選擇Δt。地層壓力隨鉆測量系統要求測量的轉速范圍較低，因此要選擇一個較小的Δt，如10 ms。

圖7 使用磁通門信號計算的鉆鋌轉速

2 下傳指令接收裝置研制

2.1 硬件組成

所研制的隨鉆地層壓力測量系統下傳指令接收裝置硬件部分主要由壓力傳感器、磁通門傳感器、溫度傳感器及測量電路、微處理器和機械結構組成，主要分布在圖1中的中控模塊、數采模塊和本體結構中，其中管柱壓力測量模塊主要由壓力傳感器、信號調理電路、AD轉換電路組成。壓力傳感器采用應變式壓力傳感器，特點是體積小，精度高，使用靈活方便。應變式壓力傳感器的輸出信號為mV級的信號，調理電路如圖8所示。應變式壓力傳感器輸出的是兩路共模信號，經過雙端變單端信號調理和運算放大獲得0～10 V的標準信號。將壓力信號、磁通門信號和溫度傳感器的輸出信號一起送到數據采集單元，在DSP微處理器的控制下完成數據采集。

圖8 壓力調理電路

2.2 軟件編程

所研制的隨鉆地層壓力測量系統下傳指令接收裝置軟件部分由鉆井液脈沖解碼軟件和轉速計算兩部分組成。在DSP微控制器完成必要的初始化后，進入指令下傳模塊監測程序，具體程序流程圖如圖9所示。軟件解碼程序由定時器的周期中斷啟動。定時器的周期與下傳指令的脈寬有關，周期太短會浪費控制器資源，周期太長會影響解碼的準確性。本文使用的定時器周期與脈沖時間一致。

圖9 監測系統流程圖

進入中斷后，首先執行鉆鋌轉速子程序進行鉆鋌轉速計算，然后判斷鉆鋌轉速是否為零。這是因為隨鉆地層壓力測量儀器具有伸出機構，必須確保鉆鋌靜止不動，才能保證儀器安全可靠工作。如果判斷鉆鋌靜止不動，即轉速為零，則調用下傳指令解碼子程序，執行采集、濾波、互相關、正負峰值位置檢測，壓力脈沖信號恢復，與設定好的地面開停泵序列編碼進行對比，完成下傳指令解碼。如果判斷鉆鋌轉速不為零，表示隨鉆地層壓力測量儀器不能進入工作狀態，將鉆鋌轉速信息返回主程序，提示主程序不能執行下傳指令動作。

3 試驗評價

在完成軟硬件設計、機械裝配和調試的基礎上，分別在室內模擬井和現場進行了下傳指令接收試驗。室內試驗在勝利油田鉆井井下工具實驗室開展，將儀器串放入模擬井筒，一旦收到地面發送的鉆井液壓力脈沖信號后，井下儀器自動記錄下傳指令接收成功次數，儀器出井后再通過數據回放檢查下傳指令接收是否成功。圖10為模擬井入口壓力變化記錄，共進行了3次壓力脈沖指令下傳。圖11為其中一次壓力脈沖指令。本次試驗脈沖寬度為1 min。儀器出井后數據回放結果表明，井下指令接收裝置成功接收到3次指令下傳。需要注意的是，由于在停泵模式下地層壓力的測量結果更準確，因此在圖10和圖11的室內測試中都將停泵狀態視為默認狀態，所以測量結果與圖2略有差異，這不影響指令接收算法的使用。

圖10 室內試驗井口壓力變化總圖

圖11 壓力變化形成的脈沖指令

隨后在勝利油田商8-斜112井的1 258、1 347 m處進行了5次地面指令下傳試驗，儀器出井后數據回放結果表明，井下指令接收裝置成功接收到4個下傳指令。分析圖12所示的井下管柱壓力數據，發現由于第一組指令的脈沖時間間隔超出了規定的時間間隔，導致井下接收裝置未識別出第一組下傳指令，而其余4組指令全部成功識別。這表明，所研制的井下指令接收裝置具有高可靠性、低誤碼率的特點，能夠滿足隨鉆地層壓力測量系統的實際需求。

圖12 現場試驗井下管柱壓力記錄數據

4 結論

地面指令下傳接收裝置通過測量管柱壓力和鉆鋌轉速信號，采用互相關算法進行解碼，實現了對鉆井液脈沖指令的解碼和接收，達到了從地面控制隨鉆地層壓力測量系統工作的目標。仿真試驗數據表明，在信噪比大于20 dB條件下，互相關算法可以有效提取壓力脈沖的上升沿和下降沿。同時，地面指令井下接收裝置以轉速測量作為下傳指令接收的前置條件，建立了自動調用解碼算法的決策函數，降低了指令誤碼風險，實現了下傳指令接收的準確性和系統工作的可靠性。試驗結果表明,該裝置的解碼算法簡單實用,具有高可靠性、低誤碼率的特點，能夠滿足隨鉆地層壓力測量系統的實際需求。

符號說明

p、p1、p2、Δp—壓力信號，MPa；

Q1、Q2—鉆井液排量，L/s；

k—系數；

B—方波信號；

n—方波信號變量；

N—方波信號長度；

RpB—互相關函數輸出；

m—互相關函數變量；

Bn*—互相關函數的基信號；

Tm—磁工具面角，rad；

Bx、By—分別在x軸和y軸上的磁信號強度，nT；

v—鉆鋌轉速，r/min；

t—時間，s。

[1] TREVIRANUS J,DOERGE H,KURELLA M. Method and apparatus for downlink communication:US,US7518950[P].2009.

[2] FINKE M D,WARREN II D R,SUN C,et al.Downlink telemetry system:US,US6920085 B2[P].2005.

[3] PATWA R S,DAS P,SUGIURA J.Downhole downlinking system employing a differential pressure transducer:US,US 8408331 B2[P].2013.

[4] 李琪,彭元超,張紹槐,等.旋轉導向鉆井信號井下傳送技術研究[J].石油學報,2007,28(4):108-111. Li Qi,Peng Yuanchao,Zhang Shaohuai,et al.Study on signal transmission technique in rotary steering drilling[J].Acta Petrolei Sinica,2007,28(4):108-111.

[5] 湯楠,霍愛清,汪躍龍,等.旋轉導向鉆井系統下行通訊接收功能的開發[J].石油學報,2010,31(1):158-160. Tang Nan,Huo Aiqing,Wang Yuelong,et al.Development of downward communication receiving function in rotary steerable drilling system[J].Acta Petrolei Sinica,2010,31(1):158-160.

[6] 霍愛清，湯楠，汪躍龍，等.導向鉆井下行指令傳輸的井下接收裝置研究[J].微特電機,2013,41(9):26-28,39. Huo Aiqing,Tang Nan,Wang Yuelong,et al.Study of downlink instruction transmission receiver based on turbo engine in steerable drilling[J].Small & Special Electrical Machines,2013,41(9):26-28,39.

[7] 李峰飛，蔣世全，李漢興，等.旋轉導向鉆井工具信號下傳系統研究[J].中國海上油氣，2012，24(6)：42-46，65. Li Fengfei,Jiang Shiquan,Li Hanxing,et al.Study on downward signaling system of rotary steerable drilling tool[J].China Offshore Oil and Gas,2012,24(6):42-46,65.

[8] 趙琦，霍愛清，湯楠.基于井下渦輪電機的導向鉆井工具下傳指令接收軟件設計[J].計算機測量與控制，2010，18(12)：2898-2900，2907. Zhao Qi，Huo Aiqing,Tang Nan.Design of receiving software of downward control commands of steering drilling tool using downhole motor[J].Computer Measurement & Control,2010，18(12)：2898-2900，2907.

[9] 湯楠，汪躍龍，霍愛清，等.基于信號相似性的導向鉆井下傳信號處理方法[J].石油勘探與開發,2012,39(1):111-117. Tang Nan,Wang Yuelong,Huo Aiqing,et al.A downward signal processing method for rotary steerable drilling system based on signal similarity[J],Petroleum Exploration and Development,2012,39(1):111-117.

[10] SUGIURA J.Downlinking communication system and method using signal transition detection:US,US 8792304[P].2014.

[11] KRUEGER S,KELCH T,TREVIRANUS J,et al.Method and apparatus for downlink communication using dynamic threshold values for detecting transmitted signals:US,US7983113[P].2011.

[12] 李建勛,薛菊華,柯熙政.脈沖隨鉆測斜儀中的信息檢測與識別[J].西安理工大學學報,2005,21(1):77-81. Li Jianxun,Xue Juhua,Ke Xizheng.Information detection and pattern identification in mud pulse testing slope sensor[J].Journal of Xi’an University of Technology,2005,21(1):77-81.

[13] 李建勛,王睿,柯熙政,等.隨鉆測量系統脈沖信號特征提取的多尺度方法[J].鉆采工藝,2008,31(1):25-27,30. Li Jianxun,Wang Rui,Ke Xizheng,et al.Feature extraction for mud pulse of MWD system based on multi-scale method[J].Drilling & Production Technology,2008,31(1):25-27,30.

[14] 趙建輝,王麗艷,盛利民，等.去除隨鉆測量信號中噪聲及干擾的新方法[J].石油學報,2008,29(4):596-600. Zhao Jianhui,Wang Liyan,Sheng Limin，et al.A nonlinear method for filtering noise and interference of pulse signal in measurement while drilling[J].Acta Petrolei Sinica,2008,29(4):596-600.

[15] 涂兵,李德勝,林恩懷.基于聚類算法的MWD泥漿脈沖信號識別研究[J].傳感技術學報,2012,25(8):1172-1176. Tu Bing，Li Desheng,Lin Enhuai.Research on MWD mud pulse signals recognition based on clustering algorithm[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,2012,25(8):1172-1176.

(編輯：孫豐成)

R&D of downlink instruction receivers for FPWD systems

Zong Yanbo1，2Wang Lei1，2Ke Ke1，2Sun Mingguang1，2

(1.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing100101,China；2.StateKeyLaboratoryofShaleOilandGasEnrichmentMechanismsandEffectiveDevelopment,Beijing100101,China)

In order to control the FPWD (Formation Pressure While Drilling) system from the surface, a downlink instruction receiver is developed based on the pressure pulse signal of drilling fluid. By measuring the pressure in the drill string and the RPM of drill string, the receiver decodes the downlink instructions with the cross-correlation algorithm which extracts the locations of rising and falling edges from pressure pulse signals. The numerical experiments verify that the cross-correlation algorithm is efficient in processing the pressure pulse signals of drilling fluid and risk in the decoding error is low, which sets the rotation speed of the drill string to zero as the precondition and automatically invokes the decoding program. The data from both lab and field tests have verified that the receiver could satisfy the FPWD system with simple design, high-reliability and low error rate.

formation pressure while drilling; downlink instruction; decoder and receiver; cross-correlation algorithm

*中國石油化工集團公司科技部項目“地層壓力隨鉆測量系統研制與應用(編號：P14116)”部分研究成果。

宗艷波，男，高級工程師，2009年畢業于天津大學電氣與自動化工程學院，獲博士學位，主要從事隨鉆測量及井下儀器研發工作。地址：北京市朝陽區北辰東路8號北辰時代大廈701室(郵編:100101)。E-mail:zongyb.sripe@sinopec.com。

TE271； TE927

A

2016-02-23 改回日期：2016-03-25