無線隨鉆測量泥漿脈沖的信號檢測及處理技術

邊海龍 彭烈新

（1、北京市燃氣集團研究院，北京 100011 2、中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 100083）

在現代先進儀器的支持下，井下隨鉆測量技術在礦區鉆探開發工作中扮演的角色越來越重要。相比于光纜、電纜等有線傳輸方式，基于脈沖發生器的無線傳輸適用性更強，抗干擾效果好，信號損失低。但是目前的無線隨鉆測量技術核心專利多為國外企業所掌握，我國關于這一方面的技術研究還處于探索階段，在這一背景下探究一種性能可靠、操作簡便、成本較低的無線隨鉆側梁技術，對促進我國鉆探事業發展有積極幫助。

1 無線隨鉆測量系統

1.1 系統運作流程

無線隨鉆測量系統主要包含4 個部分，分別是泥漿液循環部分、井下測量部分、數據傳輸部分和地面部分。其中，井下測量是整個系統的關鍵組成，是獲取地質參數的核心裝置。將測量裝置（加速度傳感器、磁通門傳感器等）安裝到無磁鉆具中，然后在鉆井過程中，能夠實時獲取電阻率、自然伽馬、孔隙度等地質參數。這些數據在前端控制元件（PLC）的處理下，按照特定的規則，把各種信號統一轉化為編碼脈沖。利用脈沖發生器，通過改變鉆桿內部循環泥漿壓力的方式，用泥漿作為介質，以壓力波的形式將數據反饋至地面。地面系統中的壓力傳感器，能夠感知到壓力波信號，并將該型號傳入到地面接口箱，完成濾波、除噪、放大等一系列處理流程后，進入到計算機中。利用計算機上安裝的解碼軟件，將壓力信號重新轉化為數字信號，從而直觀地展示地層信息。

1.2 井下測量數據傳輸系統

1.2.1 數據傳輸方式

由于井下環境較為惡劣，因此如何在保證信號穩定可靠的前提下，最大程度上提高傳輸速率，也是該系統應用時必須要考慮的問題。另外，由于井下測量儀器采集到的數據量非常大，對通信容量也有較高的要求，避免在大流量數據傳輸中發生信道堵塞的問題。采用井下測量數據無線傳輸模式，根據信號傳輸介質的不同，又可以分成若干形式。例如，以泥漿作為傳輸介質的泥漿脈沖傳輸，以地層作為傳輸介質的電磁波傳輸等。綜合對比來看，基于泥漿的脈沖傳輸具有效率更高、穩定性更好等特點，是井下測量數據傳輸的首選方案。

1.2.2 脈沖發生器工作原理

在泥漿脈沖傳輸系統中，核心裝置之一是脈沖發生器。根據設備類型或人為設定，該裝置能夠以正脈沖、負脈沖和連續波3 種形式，傳遞測量數據，其傳輸原理和系統配置也存在較為明顯的差異。以正脈沖信號發生器為例，首先將脈沖發生器安裝在泥漿通道內，在脈沖發生器的前端，有一個可以受電磁鐵控制的節流閥。通過預先設定的程序，接收控制指令后的電磁閥，會調節節流閥的開閉狀態以及打開程度，這樣就實現了對泥漿通過量的靈活調節，泥漿壓力也隨之發生相應變化，進而在管道內部形成規律的正壓力脈沖。

1.3 地面系統

1.3.1 泥漿壓力傳感器

包含有測量數據的脈沖信號，以泥漿作為載體，自下而上地傳輸至地面，此時地面系統中的壓力傳感器會接收壓力信號。泥漿壓力傳感器的前端結構是一塊高靈敏度的濺射式壓力敏感元件，是一種由彈性不銹鋼膜、電阻材料薄膜等組合形成的復合材料。該裝置的基本參數如表1 所示。

表1 泥漿壓力傳感器基本參數

相比于目前常用的硅式壓力傳感器，除了具有耐高/低溫的優良特性外，還具有顯示結果精確度高，抗振動、抗沖擊等特點，對于精準識別泥漿壓力波，并將其轉化為計算機可識別的數字信號起到了幫助。

1.3.2 現場信號傳輸裝置

以泥漿為載體的無線傳輸模式，雖然可靠性和穩定性較好，但是基于數據處理的高精度要求，仍然要壓力傳感器接收到的信號進行處理。具體操作如下：第一步是完成信號轉化。計算機無法直接識別泥漿壓力信號，因此在接收該信號后要將其轉化為范圍在1-20mA 的電流信號。然后將電流信號通過帶屏蔽絲網的雙絞線，傳輸到地面接口箱內。在地面接口箱內，需要完成電流信號向電壓信號的轉換，得到范圍在1-10V 之間的電壓信號。然后將電壓信號做濾波、除噪處理，所得電壓信號還要通過功率放大器進行信號放大。最后，經過A/D 轉換器，將電壓信號轉化為數字信號，由計算機識別、處理。整個流程如圖1 所示。

圖1 現場信號傳輸示意圖

2 無線隨鉆測量地面接口箱設計

2.1 地面接口箱的硬件設計

地面接口箱的作用是將無線隨鉆測量裝置收集到的泥漿壓力脈沖信號，轉換成能夠被地面技術人員直接使用的各項參數。考慮到現場環境復雜，為保證系統裝置的可靠性，地面接口箱的硬件系統中加入了一個MTL5041 型隔離式安全柵，可有效隔離外部100Hz 以上的高頻干擾信號，保證信號精度。另外，鑒于信號信噪比較小，因此在電信號轉換成數字信號之前，需要經過濾波、放大處理，提高電信號的識別精度。之后再經過模數轉換電路，得到精確的數值信號。地面計算機接收到該信號后，技術人員可在顯示屏上直觀地了解井下情況。地面接口箱的硬件組成和泥漿脈沖信號處理流程如圖2 所示。

圖2 地面接口箱的硬件組成圖

2.2 信號處理系統設計

降噪處理是提高泥漿壓力脈沖信號質量的關鍵步驟。信號傳播過程中，因為受到外部干擾，隨著其傳播距離的增加，信號衰減現象也會更加明顯。其衰減程度可通過公式計算得出：

上式中，x 表示脈沖信號的傳輸距離，P（x）表示距離信號源x 處的脈沖信號波幅，P（0）表示脈沖源處的波幅，L 為脈沖信號衰減到信源幅值1/e 時的距離，u 為信號傳輸速度，d 為鉆桿內徑，v 為泥漿粘度，f 為信號頻率。由此可知，x、v、f 是影響信號衰減的主要因素，在無線隨鉆測量時刻通過縮短傳輸距離、適當減小泥漿粘度和提高信號頻率的方式，降低信號衰減程度，保證信號檢測精度。在信號處理系統中，在信號進入模塊前設計了電磁屏蔽盒，將NI6212 采集卡和信號濾波電路板保護起來，進一步提高防輻射、防干擾能力。電磁屏蔽盒的連接電路如圖3所示。

圖3 電磁屏蔽盒的連接電路

3 無線隨鉆測量泥漿脈沖的信號檢測與處理技術

3.1 定義脈沖編碼

計算機在接收到經過處理、轉化后的泥漿脈沖信號后，還要對該信號進行分析，以便于直觀、全面地呈現地層信息，方便鉆探人員對井下具體情況進行詳細掌控。處理泥漿脈沖信號的第一步，是對脈沖編碼進行定義，根據該定義判斷接收到的信號是否符合要求，剔除那些不符合定義的數據，從而顯著提高了分析結果的可信度。在脈沖編碼定義中，需要使用到二進制的OOK 編碼，其優勢主要體現在兩處：其一是編碼規則簡單、易用，尤其是脈沖數量較多的情況下，可以快速完成定義，節約了泥漿脈沖信號的處理時間。其二是只需要用較少的脈沖，就能代表大量數據，減少了發送脈沖的數量，對控制誤差也有積極效果。

3.2 識別編碼脈沖信號

根據定義，有安裝在上位機上的識別軟件，對編碼脈沖信號進行識別。識別流程如圖4 所示。

圖4 脈沖識別流程圖

在脈沖識別過程中，有兩點需要注意：（1）驅動程序的選擇。基于Windows 系統無法直接讀取LPT 狀態寄存器中的數據。這是就需要借助于VC 語言編寫底層WDM 驅動程序。然后通過通信串口，將該驅動程序燒錄到計算機中，實現驅動。（2）在軟件識別中，還會使用到時鐘來準確計算數據在兩個節點之間的傳輸時間。在時鐘類型的選擇上，優先考慮實時中斷時鐘，而不宜選擇實時性較差的多媒體時鐘。

3.3 泥漿壓力脈沖信號處理

在信號處理中，為進一步提高檢測精度，對儀器電源的低噪聲要求提出了較高要求。因此，在電源選擇上，要優先考慮那些電壓殘余紋波低、抗干擾能力強的電源模塊。以FEAS 公司的SNT3624 型電源模塊為例，其基本參數如表2。

表2 SNT3624 電源基本參數

上位機通電運行后，對經過前期處理后的泥漿脈沖信號進行自動處。同時，還會對同一組測量數據的最大誤差進行計算，將計算結果與標準值進行對比，若實測誤差超出允許范圍，則自動標記，從而保證最終結果的精確性。

4 結論

無線隨鉆測量技術作為現階段礦區勘探、開發的常用技術形式，在實際應用中應滿足數據實時傳遞、測量結果精確、分析處理快速等基本要求。以泥漿作為傳輸介質，通過發射脈沖信號來傳輸數據的方式，較好地滿足了測量數據傳輸的基本要求。但是在實際應用中，還需要重點做好脈沖編碼定義工作，以及熟練掌握脈沖識別流程和處理技術，才能提高脈沖信號的分析和利用價值，為地層參數分析和地質勘探作業提供有意義的參考與借鑒。