隨鉆聲波遙測數據還原質量的數值模擬分析

王 偉，閆向宏，周建航，劉鈺姣

（1.中國石油大學（華東）理學院，青島 266580；2.中國石油大學（北京）克拉瑪依校區 文理學院，克拉瑪依 834000）

隨著勘探開發的不斷深入，常規油氣資源增儲增產越發困難，而經濟社會發展對石油與天然氣能源的需求卻不斷增大，故而頁巖油氣及深層致密油氣等非常規油氣資源的大力開發已是大勢所趨[1]。非常規油氣資源儲量十分豐富，但因儲層地質結構極為復雜，勘探開發難度極大，鉆井工藝要求也更為嚴苛，所以鉆進過程中，及時掌握井底壓力、井眼軌跡等井下工程參數及儲層物性等地質參數極為重要，這是保障鉆井安全、提高鉆探效率及降低鉆井成本的必然要求[2-5]，隨鉆測井技術正是滿足這一要求的最佳選擇。然而，鉆進過程中鉆柱基本處于旋轉狀態[6]，這使得通過有線方式實時獲取井下測量數據的難度大為增加，故而通過無線傳輸方式實現井底測量信息的高效上傳及地面指令的正確下達，至今仍是眾多科研工作者致力攻克的熱點難題之一。目前，常見的無線隨鉆測量技術（MWD）和無線隨鉆測井技術（LWD）都以鉆井液柱為信息傳輸通道，這種利用鉆井液脈沖波來實現井底測量數據傳輸的信息遙測方法雖然技術相對比較成熟，但其傳輸速率比較低，無法滿足新一代隨鉆測井技術的高速率實時數據傳輸的要求[7-10]。智能鉆桿通信技術的傳輸速率理論上可高達2 Mbit/s，是一種最為理想的井下信息傳輸方式[11-12]，但這種傳輸技術需要對現有鉆桿進行重新設計和特殊改造，花費巨大，實現起來相當困難。研究表明以井下鉆柱為信道，以正弦彈性波為載波的隨鉆聲波遙測技術的信息傳輸速率可以高達100 bit/s，能夠滿足當前隨鉆遙測技術發展的需要，是目前國內外井下隨鉆測量數據無線傳輸領域的重要研究方向之一[13-14]。

然而，在由鉆桿本體和接箍組成的周期性鉆柱中傳播時，聲波具有衰減速度較快的特點，隨著傳播距離的增大，信噪比不斷減小，這顯然會給接收端的信號解調造成不良影響而使誤碼率增大，導致數據遙測質量下降，甚至出現嚴重差錯。本文借助LabVIEW 編程語言，分別采用振幅鍵控、頻率鍵控及相位鍵控3 種典型的二進制數字調制方法進行測井數據遙測模擬實驗，測取信噪比與誤碼率之間的關系曲線，進而分析誤碼率對數據還原質量的影響。

1 數據遙測模擬實驗

本文以某實際油井795.0～1873.4 m 井段的高分辨率陣列感應電阻率的實測數據（如圖1 所示）為遙傳對象。該測井數據序列的測量間隔為0.1 m，共計10785 個數據點；遙傳前先將各數據點統一量化成由0 和1 碼元構成的16 位二進制碼組，再按先后順序將這些碼組串聯成二進制碼元序列，然后采用二進制振幅鍵控（2ASK）、頻率鍵控（2FSK）及相位鍵控（2PSK）數字調制方式分別對載波的幅度、頻率及相位3 個基本參量進行控制，進而以串行傳輸方式開展井下測量數據的無線傳輸模擬實驗。

圖1 原始曲線圖Fig.1 Original curve

研究表明在鉆柱中傳播時，鉆柱信道具有通阻交替的梳狀濾波器特性，且信道的通帶范圍主要集中在1～5 kHz 之間，其中3 kHz 附近的頻段表現最佳[15-16]，且縱波波速保持不變，本模擬實驗以頻率為3 kHz 的正弦波為載波；對于二進制振幅鍵控，初相位設定為0°，碼元為0 時載波的幅度被調控為0，碼元為1 時載波的幅度被調控為10；對于二進制頻率鍵控，載波幅度設定為10，初相位設定為0°，碼元為0 時載波的頻率被調控為2.5 kHz，碼元為1 時載波的頻率被調控為3.5 kHz；對于二進制相位鍵控，載波幅度設定為10，頻率設定為3 kHz，碼元為0 時載波的初相位被調控為0°，碼元為1 時載波的初相位被調控為180°。

鉆井過程中，井下鉆柱信道的噪聲主要來源于鉆頭對巖石的破碎作用、鉆柱與井壁及套管間的碰撞作用、鉆井液的沖擊作用及地面動力設備的振動作用等；這些噪聲源均具備隨機產生的特性，因此本實驗選用高斯白噪聲作為隨鉆聲波遙測模擬實驗的干擾噪聲；其實，高斯白噪聲本身就是通信領域最為常見的一種信號干擾噪聲[17]。為直觀展現信噪比與誤碼率之間的關系，本模擬實驗在未對輸出波形進行任何處理的條件下，利用LabVIEW 自帶的波形信號虛擬檢測儀來直接檢測輸出載波信號的相關參數，進而重現輸入的二進制碼元序列。具體的實現方法如下，分別取3 種鍵控方式的碼元0和碼元1 所對應的調控參數的平均值作為二進制碼元還原的判決標準；即對于二進制振幅鍵控，若波形信號虛擬檢測儀檢測到的幅度參數小于5，則判決碼元為0，若檢測到的幅度參數大于等于5，則判決碼元為1；對于二進制頻率鍵控，若波形信號虛擬檢測儀檢測到的頻率參數小于3 kHz，則判決碼元為0，若檢測到的頻率參數大于等于3 kHz，則判決碼元為1；對于二進制相位鍵控，若波形信號虛擬檢測儀檢測到的相位參數小于90°，則判決碼元為0，若檢測到的相位參數大于等于90°，則判決碼元為1。解調出二進制碼元序列后，根據原始數據的二進制量化方式實現井下測量數據的還原。圖2 為數據遙測模擬實驗的示意框圖。

圖2 遙傳模擬框圖Fig.2 Telemetry simulation block diagram

遙傳模擬過程中，其它條件保持不變，僅通過改變高斯白噪聲的標準差來獲取不同的信噪比，信噪比（SNR）的計算公式如式（1）所示，以分貝（dB）為單位。

式中：Ps為載波的平均功率；Pn為高斯白噪聲的平均功率；A 為載波的幅度；σ 為高斯白噪聲的標準差。

圖3 為二進制振幅鍵控、頻率鍵控及相位鍵控3 種調制方式的遙測模擬實驗結果的誤碼率與信噪比之間的關系曲線圖。從圖中可以看出，頻率鍵控和相位鍵控的誤碼率與信噪比的關系曲線圖比較相似，在相同信噪比下，二進制振幅鍵控的誤碼率最低。

圖3 信噪比與誤碼率關系曲線圖Fig.3 Relationship curve between signal-to-noise ratio and bit error rate

對于二進制振幅鍵控，當信噪比從0.34 dB 增大到11.88 dB 時，誤碼率由11.38%降低至0.10%，如圖4（a）所示；當誤碼率小于等于0.10%時，遙測后的輸出曲線與輸入曲線具有很高的相似性，所反映的測井信息幾乎沒有損失；當誤碼率大于0.10%且小于0.75%時，遙測后的輸出曲線會出現明顯的零星突變點，且這種離散突變點主要發生于高數值曲線段，如圖4（b）所示，此時，通過對零星突變點進行簡單光滑處理后，曲線圖形仍可以較為準確地反映出原始的測井信息；然而，當誤碼率大于0.75%時，遙測后的輸出曲線開始出現較為嚴重的連續性突變，并且逐漸由高數值曲線段擴散至整個曲線段，如圖4 中的（c）、（d）所示，曲線發生這種嚴重的連續性突變后，通過數據處理來修正并恢復遙測前的測井數據的可能性微乎其微。

圖4 誤碼率對數據還原質量的影響（二進制振幅鍵控）Fig.4 Influence of bit error rate on data recovery quality（binary amplitude keying）

對于二進制頻率鍵控，當信噪比從0.34 dB 增大到13.47 dB 時，誤碼率由29.88%降低至0.01%，且誤碼率小于等于0.01%時，遙測后的輸出曲線可以準確地反映出原始的測井曲線，如圖5（a）所示，當誤碼率大于0.01%且小于0.09%時，遙測后的輸出曲線會出現明顯的零星突變點，但與二進制振幅鍵控不同的是，這些離散突變點主要發生于低數值曲線段，如圖5（b）所示，此時，對這些零星突變點進行簡單光滑處理后，曲線圖形仍可以較為準確地反映出原始的測井信息；不過當誤碼率大于0.09%時，遙測后的輸出曲線開始出現較為嚴重的連續性突變，并且逐漸由低數值曲線段擴散至整個曲線段，如圖5 中的（c）、（d）所示，曲線發生這種嚴重的連續性突變后，要想從中準確提取出遙測前的測井數據幾乎不可能。

圖5 誤碼率對數據還原質量的影響（二進制頻率鍵控）Fig.5 Influence of bit error rate on data recovery quality（binary frequency keying）

對于二進制相位鍵控，當信噪比從0.34 dB 增大到12.91 dB 時，誤碼率由28.91%降低至0.09%，如圖6（a）所示，當誤碼率小于等于0.09%時，遙測后的輸出曲線與原始測井曲線具有非常高的相似性，可以準確地反映出遙測前的測井信息；當誤碼率大于0.09%且小于0.93%時，遙測后的輸出曲線會出現明顯的零星突變點，類似于二進制振幅鍵控，這些離散突變點主要發生于高數值曲線段，如圖6（b）所示，此時，對這些零星突變點進行簡單光滑處理后，曲線圖形仍可以較為準確地反映出原始的測井信息；然而，如圖6 中的（c）、（d）所示，當誤碼率超過0.93% 時，遙測后的輸出曲線開始出現較為嚴重的連續性突變，并且逐漸由高數值曲線段擴散至整個曲線段，曲線發生這種嚴重的連續性突變后，通過數據處理來準確提取遙測前的測井數據的可能性微乎其微。

圖6 誤碼率對數據還原質量的影響（二進制相位鍵控）Fig.6 Influence of bit error rate on data recovery quality（binary phase keying）

2 結語

在本數值模擬實驗的3 種典型二進制數字調制方式中，二進制振幅鍵控的測井數據遙測誤碼率的容忍度最高，為0.10%，二進制相位鍵控次之，為0.09%，二者的共同特點是，隨著誤碼率的增大，都是從高數值曲線段開始發生明顯的離散性突變，具有先干擾強烈變化曲線段的特點，而測井曲線的強烈變化部分往往包含著井下油氣儲層的重要物性信息，是鉆井過程中需要高度重視的敏感井段。二進制頻率鍵控的遙測誤碼率的容忍度最低，為0.01%，不過隨著誤碼率的增大，其突變點從變化較為平緩的曲線段開始。另外，隨著科技的快速發展，測井技術的分辨率越來越高，測井曲線上單一奇異變化點的參考價值極小，畢竟其對應的油氣儲層的厚度比較薄，工業開采價值比較低，況且這種奇異變化點大多都是因外界因素而非儲層物性變化所引起的，因此儲層物性曲線上的單一突變點通常都會被直接處理掉。實驗發現，誤碼率在一定的范圍內，遙測曲線也出現類似的離散性突變點，因此可以采用同樣的方法將這些離散性突變點處理掉，而且還可以比較準確地還原出遙測前的測井數據；據此，儲層物性遙測曲線的誤碼率的上限可以適當提高，信噪比的下限可以適當減小；如本實驗，二進制振幅鍵控對應的誤碼率上限可以由0.10%提高至0.75%，信噪比的下限可以由11.88 dB 減小至9.39 dB；二進制頻率鍵控對應的誤碼率上限可以由0.01%提高至0.09%，信噪比的下限可以由13.47 dB 減小至11.41 dB；二進制相位鍵控對應的誤碼率上限可以由0.09%提高至0.93%，信噪比的下限可以由12.91 dB 減小至10.55 dB；這一實驗結果對遙傳數據還原過程的處理方法具有一定的參考價值。另外，誤碼率是井下隨鉆遙測結果還原質量的決定性因素，而探究抗噪聲干擾能力強的調制與解調方法是實現誤碼率降低的關鍵，也是當前隨鉆聲波遙測技術急需解決的關鍵難題之一。嘗試將當前比較熱門的人工智能算法引進來，采取諸如尋找目標函數最優解的策略來實現遙測信號的解調，或許會有意想不到的收獲，這正是本研究項目下一步研究工作的重點所在。