無(wú)線隨鉆測(cè)量泥漿脈沖的信號(hào)檢測(cè)及處理技術(shù)

邊海龍 彭烈新

（1、北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院，北京 100011 2、中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 100083）

在現(xiàn)代先進(jìn)儀器的支持下，井下隨鉆測(cè)量技術(shù)在礦區(qū)鉆探開(kāi)發(fā)工作中扮演的角色越來(lái)越重要。相比于光纜、電纜等有線傳輸方式，基于脈沖發(fā)生器的無(wú)線傳輸適用性更強(qiáng)，抗干擾效果好，信號(hào)損失低。但是目前的無(wú)線隨鉆測(cè)量技術(shù)核心專利多為國(guó)外企業(yè)所掌握，我國(guó)關(guān)于這一方面的技術(shù)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(jiǎn)便、成本較低的無(wú)線隨鉆側(cè)梁技術(shù)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)鉆探事業(yè)發(fā)展有積極幫助。

1 無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)運(yùn)作流程

無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要包含4 個(gè)部分，分別是泥漿液循環(huán)部分、井下測(cè)量部分、數(shù)據(jù)傳輸部分和地面部分。其中，井下測(cè)量是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成，是獲取地質(zhì)參數(shù)的核心裝置。將測(cè)量裝置（加速度傳感器、磁通門(mén)傳感器等）安裝到無(wú)磁鉆具中，然后在鉆井過(guò)程中，能夠?qū)崟r(shí)獲取電阻率、自然伽馬、孔隙度等地質(zhì)參數(shù)。這些數(shù)據(jù)在前端控制元件（PLC）的處理下，按照特定的規(guī)則，把各種信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為編碼脈沖。利用脈沖發(fā)生器，通過(guò)改變鉆桿內(nèi)部循環(huán)泥漿壓力的方式，用泥漿作為介質(zhì)，以壓力波的形式將數(shù)據(jù)反饋至地面。地面系統(tǒng)中的壓力傳感器，能夠感知到壓力波信號(hào)，并將該型號(hào)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(jìn)入到計(jì)算機(jī)中。利用計(jì)算機(jī)上安裝的解碼軟件，將壓力信號(hào)重新轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，從而直觀地展示地層信息。

1.2 井下測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

1.2.1 數(shù)據(jù)傳輸方式

由于井下環(huán)境較為惡劣，因此如何在保證信號(hào)穩(wěn)定可靠的前提下，最大程度上提高傳輸速率，也是該系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)必須要考慮的問(wèn)題。另外，由于井下測(cè)量?jī)x器采集到的數(shù)據(jù)量非常大，對(duì)通信容量也有較高的要求，避免在大流量數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)生信道堵塞的問(wèn)題。采用井下測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模式，根據(jù)信號(hào)傳輸介質(zhì)的不同，又可以分成若干形式。例如，以泥漿作為傳輸介質(zhì)的泥漿脈沖傳輸，以地層作為傳輸介質(zhì)的電磁波傳輸?shù)?。綜合對(duì)比來(lái)看，基于泥漿的脈沖傳輸具有效率更高、穩(wěn)定性更好等特點(diǎn)，是井下測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x方案。

1.2.2 脈沖發(fā)生器工作原理

在泥漿脈沖傳輸系統(tǒng)中，核心裝置之一是脈沖發(fā)生器。根據(jù)設(shè)備類型或人為設(shè)定，該裝置能夠以正脈沖、負(fù)脈沖和連續(xù)波3 種形式，傳遞測(cè)量數(shù)據(jù)，其傳輸原理和系統(tǒng)配置也存在較為明顯的差異。以正脈沖信號(hào)發(fā)生器為例，首先將脈沖發(fā)生器安裝在泥漿通道內(nèi)，在脈沖發(fā)生器的前端，有一個(gè)可以受電磁鐵控制的節(jié)流閥。通過(guò)預(yù)先設(shè)定的程序，接收控制指令后的電磁閥，會(huì)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開(kāi)閉狀態(tài)以及打開(kāi)程度，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)泥漿通過(guò)量的靈活調(diào)節(jié)，泥漿壓力也隨之發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)而在管道內(nèi)部形成規(guī)律的正壓力脈沖。

1.3 地面系統(tǒng)

1.3.1 泥漿壓力傳感器

包含有測(cè)量數(shù)據(jù)的脈沖信號(hào)，以泥漿作為載體，自下而上地傳輸至地面，此時(shí)地面系統(tǒng)中的壓力傳感器會(huì)接收壓力信號(hào)。泥漿壓力傳感器的前端結(jié)構(gòu)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(fù)合材料。該裝置的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 泥漿壓力傳感器基本參數(shù)

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(yōu)良特性外，還具有顯示結(jié)果精確度高，抗振動(dòng)、抗沖擊等特點(diǎn)，對(duì)于精準(zhǔn)識(shí)別泥漿壓力波，并將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)起到了幫助。

1.3.2 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸裝置

以泥漿為載體的無(wú)線傳輸模式，雖然可靠性和穩(wěn)定性較好，但是基于數(shù)據(jù)處理的高精度要求，仍然要壓力傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行處理。具體操作如下：第一步是完成信號(hào)轉(zhuǎn)化。計(jì)算機(jī)無(wú)法直接識(shí)別泥漿壓力信號(hào)，因此在接收該信號(hào)后要將其轉(zhuǎn)化為范圍在1-20mA 的電流信號(hào)。然后將電流信號(hào)通過(guò)帶屏蔽絲網(wǎng)的雙絞線，傳輸?shù)降孛娼涌谙鋬?nèi)。在地面接口箱內(nèi)，需要完成電流信號(hào)向電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，得到范圍在1-10V 之間的電壓信號(hào)。然后將電壓信號(hào)做濾波、除噪處理，所得電壓信號(hào)還要通過(guò)功率放大器進(jìn)行信號(hào)放大。最后，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)識(shí)別、處理。整個(gè)流程如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸示意圖

2 無(wú)線隨鉆測(cè)量地面接口箱設(shè)計(jì)

2.1 地面接口箱的硬件設(shè)計(jì)

地面接口箱的作用是將無(wú)線隨鉆測(cè)量裝置收集到的泥漿壓力脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)換成能夠被地面技術(shù)人員直接使用的各項(xiàng)參數(shù)?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，為保證系統(tǒng)裝置的可靠性，地面接口箱的硬件系統(tǒng)中加入了一個(gè)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(hào)，保證信號(hào)精度。另外，鑒于信號(hào)信噪比較小，因此在電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之前，需要經(jīng)過(guò)濾波、放大處理，提高電信號(hào)的識(shí)別精度。之后再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，得到精確的數(shù)值信號(hào)。地面計(jì)算機(jī)接收到該信號(hào)后，技術(shù)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(hào)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(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

降噪處理是提高泥漿壓力脈沖信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。信號(hào)傳播過(guò)程中，因?yàn)槭艿酵獠扛蓴_，隨著其傳播距離的增加，信號(hào)衰減現(xiàn)象也會(huì)更加明顯。其衰減程度可通過(guò)公式計(jì)算得出：

上式中，x 表示脈沖信號(hào)的傳輸距離，P（x）表示距離信號(hào)源x 處的脈沖信號(hào)波幅，P（0）表示脈沖源處的波幅，L 為脈沖信號(hào)衰減到信源幅值1/e 時(shí)的距離，u 為信號(hào)傳輸速度，d 為鉆桿內(nèi)徑，v 為泥漿粘度，f 為信號(hào)頻率。由此可知，x、v、f 是影響信號(hào)衰減的主要因素，在無(wú)線隨鉆測(cè)量時(shí)刻通過(guò)縮短傳輸距離、適當(dāng)減小泥漿粘度和提高信號(hào)頻率的方式，降低信號(hào)衰減程度，保證信號(hào)檢測(cè)精度。在信號(hào)處理系統(tǒng)中，在信號(hào)進(jìn)入模塊前設(shè)計(jì)了電磁屏蔽盒，將NI6212 采集卡和信號(hào)濾波電路板保護(hù)起來(lái)，進(jìn)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(wú)線隨鉆測(cè)量泥漿脈沖的信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)

3.1 定義脈沖編碼

計(jì)算機(jī)在接收到經(jīng)過(guò)處理、轉(zhuǎn)化后的泥漿脈沖信號(hào)后，還要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析，以便于直觀、全面地呈現(xiàn)地層信息，方便鉆探人員對(duì)井下具體情況進(jìn)行詳細(xì)掌控。處理泥漿脈沖信號(hào)的第一步，是對(duì)脈沖編碼進(jìn)行定義，根據(jù)該定義判斷接收到的信號(hào)是否符合要求，剔除那些不符合定義的數(shù)據(jù)，從而顯著提高了分析結(jié)果的可信度。在脈沖編碼定義中，需要使用到二進(jìn)制的OOK 編碼，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩處：其一是編碼規(guī)則簡(jiǎn)單、易用，尤其是脈沖數(shù)量較多的情況下，可以快速完成定義，節(jié)約了泥漿脈沖信號(hào)的處理時(shí)間。其二是只需要用較少的脈沖，就能代表大量數(shù)據(jù)，減少了發(fā)送脈沖的數(shù)量，對(duì)控制誤差也有積極效果。

3.2 識(shí)別編碼脈沖信號(hào)

根據(jù)定義，有安裝在上位機(jī)上的識(shí)別軟件，對(duì)編碼脈沖信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。識(shí)別流程如圖4 所示。

圖4 脈沖識(shí)別流程圖

在脈沖識(shí)別過(guò)程中，有兩點(diǎn)需要注意：（1）驅(qū)動(dòng)程序的選擇?；赪indows 系統(tǒng)無(wú)法直接讀取LPT 狀態(tài)寄存器中的數(shù)據(jù)。這是就需要借助于VC 語(yǔ)言編寫(xiě)底層WDM 驅(qū)動(dòng)程序。然后通過(guò)通信串口，將該驅(qū)動(dòng)程序燒錄到計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。（2）在軟件識(shí)別中，還會(huì)使用到時(shí)鐘來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算數(shù)據(jù)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸時(shí)間。在時(shí)鐘類型的選擇上，優(yōu)先考慮實(shí)時(shí)中斷時(shí)鐘，而不宜選擇實(shí)時(shí)性較差的多媒體時(shí)鐘。

3.3 泥漿壓力脈沖信號(hào)處理

在信號(hào)處理中，為進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，對(duì)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(yōu)先考慮那些電壓殘余紋波低、抗干擾能力強(qiáng)的電源模塊。以FEAS 公司的SNT3624 型電源模塊為例，其基本參數(shù)如表2。

表2 SNT3624 電源基本參數(shù)

上位機(jī)通電運(yùn)行后，對(duì)經(jīng)過(guò)前期處理后的泥漿脈沖信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)處。同時(shí)，還會(huì)對(duì)同一組測(cè)量數(shù)據(jù)的最大誤差進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，若實(shí)測(cè)誤差超出允許范圍，則自動(dòng)標(biāo)記，從而保證最終結(jié)果的精確性。

4 結(jié)論

無(wú)線隨鉆測(cè)量技術(shù)作為現(xiàn)階段礦區(qū)勘探、開(kāi)發(fā)的常用技術(shù)形式，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞、測(cè)量結(jié)果精確、分析處理快速等基本要求。以泥漿作為傳輸介質(zhì)，通過(guò)發(fā)射脈沖信號(hào)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的方式，較好地滿足了測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕疽蟆５窃趯?shí)際應(yīng)用中，還需要重點(diǎn)做好脈沖編碼定義工作，以及熟練掌握脈沖識(shí)別流程和處理技術(shù)，才能提高脈沖信號(hào)的分析和利用價(jià)值，為地層參數(shù)分析和地質(zhì)勘探作業(yè)提供有意義的參考與借鑒。