沈 躍，李 翠，朱 軍，蘇義腦，李 林

（1.中國(guó)石油大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東東營(yíng) 257061;2.中石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100083）

鉆井液壓力多進(jìn)制相移鍵控信號(hào)的數(shù)值建模及特性分析

沈 躍1，李 翠1，朱 軍1，蘇義腦2，李 林2

（1.中國(guó)石油大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東東營(yíng) 257061;2.中石油鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100083）

通過理論建模和數(shù)值分析研究3種鉆井液壓力多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）調(diào)制方式應(yīng)用于鉆井液壓力信號(hào)傳輸?shù)目尚行?。利用二進(jìn)制數(shù)據(jù)中相鄰兩位碼元的組合形成攜帶四進(jìn)制信息的數(shù)字基帶控制信號(hào)，建立脈寬及脈位鉆井液壓力多進(jìn)制相移鍵控調(diào)制以及正交相移鍵控（QPSK）多進(jìn)制調(diào)制的旋轉(zhuǎn)閥控制邏輯規(guī)則。通過構(gòu)建鉆井液壓力多進(jìn)制相移鍵控信號(hào)數(shù)學(xué)模型，研究3種MPSK信號(hào)的頻域特性和傳輸特性。數(shù)值分析表明:由于脈位MPSK和QPSK調(diào)制方式帶寬內(nèi)信號(hào)能量比較大，適于數(shù)據(jù)傳輸;在井筒參數(shù)和載頻相同條件下，鉆井液信道對(duì)QPSK信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸笥诿}位MPSK調(diào)制，但從旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速控制角度分析，QPSK相對(duì)于脈位MPSK調(diào)制更容易實(shí)現(xiàn)，只是信號(hào)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)相對(duì)要求較高。

隨鉆測(cè)井;鉆井液壓力;多進(jìn)制相移鍵控;數(shù)學(xué)模型;特性分析;數(shù)值計(jì)算;信號(hào)

地質(zhì)導(dǎo)向鉆井及閉環(huán)鉆井等現(xiàn)代鉆井技術(shù)需要較高的井下信息傳輸速率［1-2］。目前先進(jìn)的鉆井液信息遙測(cè)系統(tǒng)均采用連續(xù)壓力波技術(shù)結(jié)合鉆井液壓力多進(jìn)制相移鍵控調(diào)制技術(shù)，以頻帶方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［3］，鉆井液壓力調(diào)制通常分為二進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK）調(diào)制［4-5］及多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）調(diào)制，MPSK調(diào)制在與DPSK相同載頻和信號(hào)帶寬下可以成倍提高信息傳輸速率，例如，Schlumberger公司的PowerPulse旋轉(zhuǎn)閥系統(tǒng)，采用四進(jìn)制的正交相移鍵控（QPSK）方式進(jìn)行鉆井液壓力調(diào)制，信息傳輸速率達(dá)到16 bit/s。由于目前采用的鉆井液壓力MPSK調(diào)制技術(shù)僅限于QPSK方式，其他基于鉆井液壓力的MPSK調(diào)制方法與QPSK方式相比有何特點(diǎn)及可行性研究還未見報(bào)道，筆者通過構(gòu)建鉆井液壓力MPSK信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，研究3種MPSK調(diào)制方式應(yīng)用于鉆井液壓力信號(hào)傳輸?shù)目尚行浴?/p>

1 鉆井液壓力MPSK信號(hào)數(shù)學(xué)建模

1.1 多進(jìn)制相移鍵控調(diào)制的旋轉(zhuǎn)閥控制邏輯規(guī)則

根據(jù)數(shù)字通信理論，每個(gè)二進(jìn)制位為一個(gè)二進(jìn)制碼元，多個(gè)相鄰的二進(jìn)制碼元可組成一位多進(jìn)制碼元，由于多進(jìn)制碼元攜帶的信息量大，有利于提高通信系統(tǒng)的傳輸效率。鉆井液壓力的多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）調(diào)制利用載波的4種相位狀態(tài)來(lái)代表四進(jìn)制信息，通過二進(jìn)制數(shù)據(jù)中相鄰兩位碼元的組合形成攜帶四進(jìn)制信息的數(shù)字基帶信號(hào)，數(shù)字基帶信號(hào)作用于載波相位實(shí)現(xiàn)相移鍵控調(diào)制［6］。數(shù)字基帶信號(hào)以比特（bit）周期構(gòu)成，載波相位受調(diào)制后，MPSK信號(hào)的一個(gè)比特周期由4個(gè)載波周期組成［7］。QPSK信號(hào)的產(chǎn)生通過編碼數(shù)字基帶信號(hào)構(gòu)成一個(gè)脈寬為Tc的可變幅度邏輯控制脈沖序列LQPSK（t）作用在旋轉(zhuǎn)閥電機(jī)上，通過在比特周期的第一個(gè)載波周期時(shí)間內(nèi)降低旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速對(duì)壓力載波進(jìn)行四進(jìn)制鍵控移相。脈位MPSK調(diào)制的鉆井液壓力MPSK信號(hào)產(chǎn)生是通過編碼數(shù)字基帶信號(hào)構(gòu)成一個(gè)脈寬為Tc的固定幅度邏輯控制脈沖序列LMPSKP（t）作用在旋轉(zhuǎn)閥電機(jī)上，通過在比特周期內(nèi)某一位置的載波周期內(nèi)降低旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速一半對(duì)壓力載波進(jìn)行四進(jìn)制鍵控移相。脈寬MPSK調(diào)制的鉆井液壓力MPSK信號(hào)產(chǎn)生是通過編碼數(shù)字基帶信號(hào)構(gòu)成一個(gè)寬度為k1Tc（k1為四進(jìn)制碼元值）的固定幅度邏輯控制脈沖序列LMPSKW（t）作用在旋轉(zhuǎn)閥電機(jī)上，通過在比特周期內(nèi)前k1個(gè)載波周期降低旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速一半對(duì)壓力載波進(jìn)行四進(jìn)制鍵控移相。因此，對(duì)于某一個(gè)二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)，將其用四進(jìn)制描述后依據(jù)不同的MPSK調(diào)制規(guī)則會(huì)產(chǎn)生3種數(shù)字基帶信號(hào)，見圖1。

根據(jù)信號(hào)相位與角頻率關(guān)系θ（t）=ωnt，在基帶脈沖寬度Tp內(nèi)通過降低旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速使壓力載波產(chǎn)生的相位滯后或相移為

式中，ωn為基帶脈沖作用下的載波角頻率;ωc為無(wú)基帶脈沖時(shí)載波角頻率;n為基帶脈沖作用下的旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速;nc為無(wú)基帶脈沖時(shí)旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速;q為旋轉(zhuǎn)閥的閥孔數(shù)。遵循通信理論的2π/M信號(hào)矢量分配規(guī)則［8］，旋轉(zhuǎn)閥的控制邏輯規(guī)則見表1。

圖1 旋轉(zhuǎn)閥控制數(shù)字基帶信號(hào)Fig.1 Digital baseband signal for rotary valve control

表1 多進(jìn)制相移鍵控調(diào)制的旋轉(zhuǎn)閥控制邏輯規(guī)則Table 1 Rotary valve control logic rule of MPSK modulation

1.2 數(shù)學(xué)建模

根據(jù)通信原理，在數(shù)字調(diào)制信號(hào)作用下，鉆井液壓力MPSK信號(hào)可表示為［9］

式中，Ac為壓力載波幅度，Pa;θ0為載波初相位，（°）;f（t）為與數(shù)字調(diào)制信號(hào)有關(guān)的相移函數(shù)。

以10位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行多進(jìn)制相移鍵控調(diào)制為例，設(shè)數(shù)據(jù)編碼為C=c10c9c8c7c6c5c4c3c2c1，其中cn為二進(jìn)制碼元，將C分為5組，每組的兩位二進(jìn)制碼元ambm可組合成四進(jìn)制碼元dm=ambm，則數(shù)據(jù)編碼又可表示為

其中dm有00，01，10，11四種狀態(tài)，m=1，2，…，5。當(dāng)四進(jìn)制碼元由d1→d5順序傳送時(shí)，即構(gòu)成圖1所示的數(shù)字基帶信號(hào)。

1.2.1 QPSK信號(hào)數(shù)學(xué)模型

設(shè)可變幅度單脈沖函數(shù)為

其中G（t）為門函數(shù)，根據(jù)信號(hào)的數(shù)學(xué)分析，在可變幅度單脈沖作用下的相移函數(shù)為

由于f1（t）為分段函數(shù)，需通過傅里葉正、逆變換轉(zhuǎn)換成連續(xù)函數(shù)。由G（t）的頻譜密度函數(shù)G（jω）=TcSa（ωTc/2），根據(jù)傅里葉變換的時(shí)移特性，對(duì)L1（t）進(jìn)行傅里葉變換得

根據(jù)傅里葉變換的時(shí)域積分性質(zhì)得f1（t）的頻譜密度函數(shù)為

對(duì)F1（jω）進(jìn)行傅里葉逆變換得到單脈沖調(diào)相時(shí)的相移函數(shù)為

對(duì)于圖1所示的數(shù)字基帶信號(hào)LQPSK（t），每個(gè)四進(jìn)制碼元代表的脈沖在時(shí)間軸上間隔4Tc出現(xiàn)，相當(dāng)于相對(duì)于第一個(gè)碼元脈沖分別延遲了4（m－

1）Tc，脈沖幅度為（2am+bm）/3。因此QPSK調(diào)制的數(shù)字基帶信號(hào)可表示為

根據(jù)相移函數(shù)與調(diào)相數(shù)字基帶信號(hào)的積分關(guān)系，通過傅里葉正、逆變換轉(zhuǎn)換成連續(xù)函數(shù)得

因此，由5位四進(jìn)制碼元構(gòu)成的鉆井液壓力QPSK信號(hào)數(shù)學(xué)模型為

1.2.2 脈位MPSK調(diào)制的數(shù)學(xué)模型

對(duì)于圖1所示的數(shù)字基帶信號(hào)LMPSKP（t），每個(gè)四進(jìn)制碼元在時(shí)間軸上間隔4Tc出現(xiàn)，碼元脈沖的位置與數(shù)據(jù)編碼有關(guān)，以第一個(gè)碼元位置為基準(zhǔn)，碼元脈沖相當(dāng)于分別延遲［4（m－1）－（2am+bm－1）］Tc出現(xiàn)。設(shè)單脈沖函數(shù)為L(zhǎng)1（t）=G（t－Tc/2），則脈位MPSK調(diào)制的數(shù)字基帶信號(hào)可表示為

該函數(shù)只適用于調(diào)相過程，對(duì)于不發(fā)生調(diào)相的情況，即ambm=00時(shí)該函數(shù)不適用，故在編程運(yùn)算時(shí)對(duì)ambm=00情況進(jìn)行特殊處理。

根據(jù)相移函數(shù)f（t）與LMPSKP（t）的積分關(guān)系，利用傅里葉變換的時(shí)移性質(zhì)和時(shí)域積分定理，通過傅里葉正、逆變換得到相移函數(shù)

由5位四進(jìn)制碼元構(gòu)成的脈位MPSK調(diào)制鉆井液壓力MPSK信號(hào)數(shù)學(xué)模型為

1.2.3 脈寬MPSK調(diào)制的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)脈寬MPSK調(diào)制的鉆井液壓力調(diào)制規(guī)則，四進(jìn)制碼元產(chǎn)生的脈寬應(yīng)使調(diào)制后的載波相位滯后（2am+bm）π，即脈沖寬度以標(biāo)準(zhǔn)單脈沖函數(shù)L1（t）=G（t－Tc/2）為基準(zhǔn)沿時(shí)間坐標(biāo)展寬，則脈寬MPSK調(diào)制的數(shù)字基帶信號(hào)可表示為

在ambm=00情況下同樣要進(jìn)行特殊處理。根據(jù)相移函數(shù)f（t）與LMPSKW（t）的積分關(guān)系，利用傅里葉變換性質(zhì)得到相移函數(shù)

由5位四進(jìn)制碼元構(gòu)成的脈寬MPSK調(diào)制鉆井液壓力MPSK信號(hào)數(shù)學(xué)模型為

2 鉆井液壓力MPSK信號(hào)特性分析

2.1 頻域特性

由于調(diào)制和傳輸過程中每種數(shù)據(jù)編碼的出現(xiàn)具有隨機(jī)性，以10位二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為5位四進(jìn)制數(shù)為例，數(shù)據(jù)編碼有210=45=1024種組合，因此可以將已調(diào)鉆井液壓力信號(hào)看作隨機(jī)信號(hào)，其平均功率譜密度［10］為

式中，Pk（ω）為第k個(gè)樣本信號(hào)的功率譜密度函數(shù);ψMPSK（jω）為φMPSK（t）的傅里葉變換;M1=1024為隨機(jī)信號(hào)樣本數(shù)。

圖 2 為Ac=1，fc=20 Hz，θ0=0°條件下，由5位四進(jìn)制碼元組成的數(shù)據(jù)在3種多進(jìn)制相移鍵控調(diào)制方式下產(chǎn)生的鉆井液壓力MPSK信號(hào)平均功率譜密度。

圖2 鉆井液壓力MPSK信號(hào)平均功率譜密度Fig.2 Average power spectrume density of drilling fluid pressure MPSK signals

從圖中看出，3種調(diào)制方式的平均功率譜密度（頻譜）均存在明顯頻帶，且相同載頻下信號(hào)頻譜的主瓣帶寬均相同。其中QPSK和脈寬調(diào)制MPSK信號(hào)存在明顯的主、副瓣，QPSK信號(hào)副瓣較小，脈寬調(diào)制MPSK信號(hào)副瓣較大，脈位調(diào)制MPSK信號(hào)頻譜只能看出主瓣，但形狀不規(guī)則。通常信號(hào)傳輸后只有主瓣帶寬內(nèi)的信號(hào)分量被接收到，如果副瓣過大將造成主瓣內(nèi)信號(hào)能量的降低，使信號(hào)接收質(zhì)量下降。根據(jù)通信原理，四進(jìn)制相移鍵控調(diào)制的信息傳輸速率為載頻的一半，因此3者的頻帶利用率相等，但帶寬內(nèi)信號(hào)分量占信號(hào)總能量的比率（信號(hào)能量比）有所區(qū)別，見表2。

由表2看出，相同載頻下脈寬MPSK調(diào)制帶寬內(nèi)信號(hào)能量比遠(yuǎn)小于其他兩種調(diào)制方式，表明經(jīng)過相同傳輸距離后脈寬MPSK調(diào)制信號(hào)的接收質(zhì)量相對(duì)要降低很多，從頻譜角度看不能保證信號(hào)的有效傳輸;脈位MPSK調(diào)制及QPSK調(diào)制帶寬內(nèi)信號(hào)能量比相對(duì)較高，適用于井下數(shù)據(jù)的調(diào)制與傳輸，但從旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速控制角度分析，QPSK調(diào)制相對(duì)于脈位MPSK調(diào)制更容易實(shí)現(xiàn)。

表2 鉆井液壓力MPSK信號(hào)的頻域特性分析Table 2 Frequency domain characteristics analysis of drilling fluid pressure MPSK signals

2.2 傳輸特性

壓力波信號(hào)在鉆柱中傳播時(shí)，由于鉆柱特性、管壁對(duì)鉆井液質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙、鉆井液質(zhì)點(diǎn)間的摩擦及鉆井液壓縮性的影響會(huì)產(chǎn)生信號(hào)傳輸?shù)哪芰繐p失。

考慮壓力信號(hào)在總井深為D的定向井中傳輸情況，將定向井鉆柱分為垂直段OA、造斜段AB和水平段BC，壓力波由井底經(jīng)水平段傳輸至造斜段，然后進(jìn)入垂直段鉆柱到達(dá)井口。設(shè):垂直段井深為DA，垂直段與造斜段井深之和為DB，造斜段鉆柱曲率半徑為R;將定向井鉆柱均分成N段，每段長(zhǎng)度為ΔD=D/N;井口鉆井液溫度為T0，井底鉆井液溫度為地層溫度Td=0.03（DA+R），井溫隨定向井的垂深呈線性分布。對(duì)塑性鉆井液流體應(yīng)用伯努利方程，可得到任一井深處的壓力和溫度。

垂直段井深:

式中，pi為任一井深處鉆井液壓力;Ti為任一井深處鉆井液溫度;Di為任一井深;pm為井口泵壓;λ為水力摩阻系數(shù);ν為鉆井液平均流速;γ=ρg為鉆井液重度;ρ為鉆井液密度。

根據(jù)鉆井液壓力波的傳播特性方程［7］，得到任一井深處壓力波的幅度為

式中，ps為信號(hào)源壓力;p（Di）為傳輸后在任一井深處的信號(hào)壓力;Si為各段信道壓力衰減指數(shù)［11-12］;βg0為井口鉆井液含氣率;m=1.2為氣體比熱容比;βs為鉆井液中固相體積分?jǐn)?shù);Ks為鉆井液固相體積彈性模量;Kl為液體彈性模量;E為鉆柱彈性模量;e為鉆柱壁厚;d為鉆柱內(nèi)徑;δ為鉆柱材料泊松比;μ為鉆井液動(dòng)力黏度;f為信號(hào)頻率。

3 信號(hào)的時(shí)域仿真及傳輸特性分析

數(shù)值計(jì)算針對(duì)定向井情況，設(shè):總井深3.225 km，其中垂直段井深2.0 km;造斜段井眼曲率半徑143 m;造斜段井眼長(zhǎng)度225 m;水平段長(zhǎng)度1.0 km。根據(jù)文獻(xiàn)［13］中提供的鉆柱及鉆井液參數(shù):鉆柱內(nèi)徑108.6 mm，壁厚9.2 mm，彈性模量2.1×105MPa，泊松比0.3;水基鉆井液的固相體積分?jǐn)?shù)15%，鉆井液固相彈性模量16.18 GPa，鉆井液動(dòng)力黏度20 mPa·s，密度1 245 kg/m3，液體彈性模量2.04 GPa，井口鉆井液含氣率1%，井口鉆井液溫度30℃，流量30 L/s;井口泵壓20 MPa;鉆柱沿井深分成645段;載波幅度Ac=1 Pa，載頻fc=20 Hz，初相θ0=0°;QPSK 調(diào)制數(shù)據(jù)編碼為 C=1101100110，脈寬MPSK調(diào)制數(shù)據(jù)編碼為C=0101010101，脈位MPSK調(diào)制數(shù)據(jù)編碼為C=0001101100。數(shù)值分析表明，相應(yīng)MPSK調(diào)制信號(hào)頻譜的高頻成分最豐富，鉆井液信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懽畲蟆?/p>

3.1 信號(hào)的時(shí)域仿真與特性分析

根據(jù)鉆井液壓力MPSK信號(hào)數(shù)學(xué)模型，通過MATLAB 編程對(duì) φQPSK，φMPSKW（t）和 φMPSKP（t）進(jìn)行數(shù)值仿真，同時(shí)模擬出源信號(hào)傳輸全井段3.225 km距離后的信號(hào)波形，見圖3～5。

圖4 脈寬調(diào)制MPSK信號(hào)波形及隨距離傳輸結(jié)果Fig.4 Waveform of MPSK signal based on PWM and transmitted results with propagation distance

圖5 脈位調(diào)制MPSK信號(hào)波形及隨距離傳輸結(jié)果Fig.5 Waveform of MPSK signal based on PPM and transmitted results with propagation distance

由圖中源信號(hào)可以看出，3種MPSK調(diào)制信號(hào)波形均符合鉆井液壓力載波相位受碼元控制的調(diào)制規(guī)律，說(shuō)明通過相應(yīng)的數(shù)字基帶信號(hào)數(shù)學(xué)分析所建立MPSK信號(hào)數(shù)學(xué)模型的正確性。信號(hào)傳輸過程中由于存在能量損耗，信號(hào)幅度隨傳輸距離逐漸減小;由于鉆井液信道對(duì)信號(hào)不同頻率成分的衰減程度不同，高頻分量相對(duì)低頻分量衰減更大，信號(hào)出現(xiàn)不同程度的失真。

3.2 信號(hào)傳輸特性及調(diào)制方式對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?/h3>

設(shè)信號(hào)傳遞函數(shù)為鉆井液信道某一井深處的信號(hào)幅度與源信號(hào)幅度之比，根據(jù)鉆井液信道的傳輸特性分析，信號(hào)傳遞函數(shù)與傳輸距離、信號(hào)頻率、井筒與鉆井液參數(shù)有關(guān)。數(shù)值計(jì)算與分析表明，在載波頻率、鉆柱內(nèi)徑、鉆井液黏度和含氣率影響下，3種MPSK調(diào)制信號(hào)的傳遞函數(shù)隨傳輸距離均呈近指數(shù)規(guī)律下降。3種MPSK調(diào)制信號(hào)的平均功率譜形狀不同，說(shuō)明頻率分布是有差別的，如果信號(hào)頻譜的高頻成分越豐富，信道對(duì)信號(hào)的衰減程度越大。在信道參數(shù)和載頻相同條件下，MPSK信號(hào)傳輸過程中信號(hào)傳遞函數(shù)隨傳輸距離的變化曲線見圖6。從圖中可以看出，信道對(duì)脈寬與脈位MPSK信號(hào)傳輸?shù)挠绊懛浅＝咏?，?duì)QPSK信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸笥诿}寬與脈位 MPSK信號(hào)。這一結(jié)果可以從3種MPSK調(diào)制信號(hào)的平均功率譜分析得出，通過數(shù)值計(jì)算，在 0～fc頻帶內(nèi) QPSK信號(hào)的能量比為59.33%，脈寬 MPSK調(diào)制信號(hào)的能量比為76.53%，脈位 MPSK調(diào)制信號(hào)的能量比為70.42%，說(shuō)明QPSK信號(hào)頻譜的高頻分量相對(duì)比較豐富，信道對(duì)QPSK信號(hào)的衰減較大。

圖6 調(diào)制方式對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊慒ig.6 Impacts of modulating type on signal propagation

載波頻率的選取關(guān)系到井下信息的最大上傳速率，在鉆井過程中通常要根據(jù)不同的鉆進(jìn)深度、井筒參數(shù)和井眼軌道類型等來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整載波頻率，以保證最大信息傳輸速率，因此如何確定最佳載波頻率是非常關(guān)鍵的。通過鉆井液壓力MPSK信號(hào)的數(shù)學(xué)模型和式（17）的信號(hào)傳遞函數(shù)表達(dá)式，根據(jù)鉆進(jìn)過程中的鉆柱和鉆井液參數(shù)、井眼軌道類型、井深及地面可檢測(cè)和處理的最小信號(hào)幅度，選擇不同的頻率值通過數(shù)值計(jì)算得到地面處的信號(hào)強(qiáng)度，然后用比對(duì)法可以確定出最佳參考載波頻率。通過上述MPSK的信號(hào)特性分析編制相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度預(yù)測(cè)軟件，可以為載波頻率的合理選取提供參考依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)多進(jìn)制相移鍵控調(diào)制的旋轉(zhuǎn)閥控制邏輯規(guī)則，通過數(shù)字基帶信號(hào)控制旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)鉆井液壓力的MPSK調(diào)制。載波相位受碼元調(diào)制的結(jié)果符合MPSK信號(hào)的調(diào)制規(guī)律，從而說(shuō)明3種鉆井液壓力MPSK信號(hào)數(shù)學(xué)模型的正確性。

（2）脈位MPSK調(diào)制及QPSK調(diào)制帶寬內(nèi)信號(hào)能量比相對(duì)較高，適于井下數(shù)據(jù)的調(diào)制與傳輸，但從旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速控制角度分析，QPSK調(diào)制相對(duì)于脈位MPSK調(diào)制更容易實(shí)現(xiàn)，這是目前國(guó)外采用QPSK調(diào)制方式進(jìn)行井下測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕颉?/p>

（3）信道參數(shù)和載頻相同條件下，鉆井液信道對(duì)QPSK信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸笥诿}寬與脈位MPSK調(diào)制，因此對(duì)于鉆井液壓力QPSK信號(hào)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)要求較高。

［1］ 張紹槐.現(xiàn)代導(dǎo)向鉆井技術(shù)的新進(jìn)展及發(fā)展方向［J］.石油學(xué)報(bào)，2003，24（3）:82-89.

ZHANG Shao-huai.New progress and development direction of modern steering drilling techniques［J］.Acta Petrolei Sinica，2003，24（3）:82-89.

［2］ 沈忠厚，黃洪春，高德利.世界鉆井技術(shù)新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)分析［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，33（4）:64-70.

SHEN Zhong-hou，HUANG Hong-chun，GAO De-li.A-nalysis on new development and development trend of worldwide drilling technology［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2009，33（4）:64-70.

［3］ MARTIN C A，PHILO R M，DECKER D P，et al.Innovative advances in MWD［R］.SPE 27516，1994.

［4］ SHEN Yue，SU Yinao，LI Gensheng，et al.Numerical modeling of DPSK pressure signals and their transmission characteristics in mud channels［J］.Petroleum Science，2009，6（3）:266-270.

［5］ 沈躍，蘇義腦，李林，等.鉆井液連續(xù)壓力波差分相移鍵控信號(hào)的傳輸特性分析［J］.石油學(xué)報(bào)，2009，30（4）:593-597.

SHEN Yue，SU Yi-nao，LI Lin，et al.Analysis on transmission characteristics of differential phase shift keying signal of continuous pressure wave in drilling fluid channel［J］.Acta Petrolei Sinica，2009，30（4）:593-597.

［6］ 王秉鈞，馮玉珉，田寶玉.通信原理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006:180-252.

［7］ HUTIN R，TENNET R W，KASHIKAR S V.New mud pulse telemetry techniques for deepwater applications and improved real-time data capabilities［R］.SPE 67762，2001.

［8］ 李宗豪.基本通信原理［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2006:365-370.

［9］ 江力，吳海紅，嚴(yán)素清，等.通信原理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007:36-38.

［10］ 周娟.信號(hào)分析與處理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:79-85.

［11］ 石在虹，劉修善.井筒中鉆井信息的傳輸動(dòng)態(tài)分析［J］.天然氣工業(yè)，2002，22（5）:68-71.

SHI Zai-hong，LIU Xiu-shan.An analysis of drilling information transmission behavior in wellbore［J］.Natural Gas Industry，2002，22（5）:68-71

［12］ 何樹山，劉修善.鉆井液正脈沖信號(hào)的衰減分析［J］.鉆采工藝，2001，24（6）:1-12.

HE Shu-shan，LIU Xiu-shan.Analysis of signal attenuation for positive drilling fluid pulse［J］.Drilling＆ Production Technology，2001，24（6）:1-12.

［13］ 劉修善，蘇義腦.泥漿脈沖信號(hào)的傳輸速度研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2000，28（5）:24-26.

LIU Xiu-shan，SU Yi-nao.Study on transmission velocity of mud pulse signal［J］.Petroleum Drilling Techniques，2000，28（5）:24-26.

Numerical modeling and characteristics analysis of drilling fluid pressure MPSK signals

SHEN Yue1，LI Cui1，ZHU Jun1，SU Yi-nao2，LI Lin2

（1.College of Physics Science and Technology in China University of Petroleum，Dongying257061，China;2.CNPC Drilling Research Institute，Beijing100083，China）

The feasibility for the downhole data transmission of the drilling fluid pressure multiple phase shift keying（MPSK）modulation was researched by theoritical modeling and numerical analysis.The rotary valve control logic rules were built for drilling fluid pressure MPSK modulation based on the pulse width and pulse position control and the quadrature phase shift keying（QPSK）modulation by digital baseband control signal formed with the combination of adjacent double bits symbol in binary data.The frequency domain characteristics and transmission characteristics of the MPSK signals were studied by numerical modeling of the drilling fluid pressure MPSK signals.Numerical calculation results show that the MPSK signal based on pulse position modulation and the QPSK signal are fit for transmitting downhole data for their higher signal power in the bandwidth.The impacts on the QPSK signal transmission are greater than the MPSK signal based on pulse position modulation with the signal transfer function analysis in the condition of the same wellbore parameter and carrier frequency，but the QPSK modulation is correspondingly easy to be actualized by analysis of the rotary valve rotary speed control and better signal detecting and data recovering technology are needed in the QPSK signal processing.

logging while drilling;drilling fluid pressure;multiple phase shift keying（MPSK）;mathematical model;characteristic analysis;numerical calculation;signal

TE 927.6

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.05.014

1673-5005（2010）05-0077-07

2010－06－01

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃重大項(xiàng)目（2006AA06A101）;中國(guó)石油大學(xué)（華東）自主創(chuàng)新科研計(jì)劃項(xiàng)目（09CX04058A）

沈躍（1961－），男（漢族），四川大竹人，副教授，博士，從事井下系統(tǒng)、信息與控制工程及智能檢測(cè)技術(shù)的研究。

（編輯 修榮榮）