宗艷波 王 磊 柯 珂 孫明光

(1. 中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院 北京 100101； 2. 頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101)

隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)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(guó)石化石油工程技術(shù)研究院 北京 100101； 2. 頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101)

宗艷波,王磊,柯珂，等.隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)下傳指令接收裝置研制[J].中國(guó)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(cè)量系統(tǒng)，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(guò)測(cè)量管柱壓力和鉆鋌轉(zhuǎn)速，采用互相關(guān)算法提取壓力脈沖信號(hào)的上升沿和下降沿位置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆井液脈沖的指令接收和解碼。數(shù)值試驗(yàn)表明，互相關(guān)算法是提取鉆井液脈沖壓力信號(hào)上升沿和下降沿的有效算法，通過(guò)將鉆鋌零轉(zhuǎn)速作為接收下傳指令的前置條件，軟件自動(dòng)調(diào)用解碼算法，降低了誤碼風(fēng)險(xiǎn)。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的裝置解碼算法簡(jiǎn)單實(shí)用，具有高可靠性、低誤碼率的特點(diǎn)，能夠滿足隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際需求。

隨鉆地層壓力測(cè)量； 指令下傳； 解碼接收；互相關(guān)算法

在隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)中，下傳指令接收裝置負(fù)責(zé)接收地面指令，完成儀器參數(shù)配置和啟動(dòng)控制，是在地面控制井下儀器工作的關(guān)鍵部件。在地面信號(hào)指令下傳中，調(diào)整鉆井液排量實(shí)現(xiàn)脈沖寬度和數(shù)量的調(diào)節(jié)是主要方式，該方法盡管速度慢，但適應(yīng)范圍廣，信號(hào)可靠，目前已得到廣泛認(rèn)同。在井下鉆井液脈沖信號(hào)接收和解碼算法方面，信號(hào)源可以取鉆井液流量信號(hào)[1]、管柱內(nèi)壓力信號(hào)[2]、管柱內(nèi)外壓差信號(hào)[3]，也可以取與流量變化一致的渦輪電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)[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(wú)統(tǒng)一結(jié)論。

脈沖信號(hào)邊沿提取算法是指令解碼的關(guān)鍵，仍是當(dāng)前指令下傳接收領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Finke等[2]利用互相關(guān)算法提取了鉆井液負(fù)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(hào)上升沿和下降沿時(shí)間；趙琦 等[8]以正常電壓值的40%～80%為閾值統(tǒng)計(jì)負(fù)脈沖時(shí)間，屬于直接閾值比較；湯楠 等[9]對(duì)比前后兩段數(shù)據(jù)的自相關(guān)程度，建立了基于信號(hào)相似性的下傳信號(hào)處理方法；Sugiura[10]利用管柱內(nèi)外壓差信號(hào)測(cè)量開(kāi)停泵信號(hào)；Krueger等[11]提出動(dòng)態(tài)閾值法用于檢測(cè)信號(hào)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(lèi)算法對(duì)鉆井液脈沖上傳信號(hào)進(jìn)行了研究，但由于鉆井液脈沖信號(hào)下傳過(guò)程不完全等同于信號(hào)上傳過(guò)程，上傳信號(hào)處理算法較為復(fù)雜，上述方法不適用于下傳指令接收系統(tǒng)。

為滿足隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于地面指令下傳的特殊需求，筆者在對(duì)幾種壓力脈沖指令接收算法進(jìn)行對(duì)比的基礎(chǔ)上，研制出一套隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)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(zhuǎn)速計(jì)算兩部分組成，裝置硬件電路由管柱壓力測(cè)量和轉(zhuǎn)速測(cè)量電路組成。所研制的裝置在室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中均取得了良好的試驗(yàn)結(jié)果，可滿足隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際需求。

1 鉆井液脈沖下傳信號(hào)的接收與解碼

隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由測(cè)量探頭、電機(jī)與液壓系統(tǒng)、抽吸活塞、中控模塊和數(shù)采模塊及蓄能器等構(gòu)成。通過(guò)測(cè)量探頭建立與地層流體的聯(lián)系通道，在中控模塊和液壓系統(tǒng)的配合下實(shí)現(xiàn)探頭的推靠、抽吸、測(cè)量、回收等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)量地層孔隙壓力的目的。指令接收裝置由壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)采電路和中控模塊的軟件程序組成，負(fù)責(zé)完成地面指令的接收和解碼。

圖1 隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)主要包括地面指令下傳裝置、地面控制系統(tǒng)和井下信號(hào)接收裝置等3部分，其中地面指令下傳裝置大都采用調(diào)整泥漿泵的泵沖(也可由地面控制系統(tǒng)控制旁通閥進(jìn)行泄壓)，實(shí)現(xiàn)鉆井液流量調(diào)整的目的，而井下信號(hào)接收裝置主要包括信號(hào)測(cè)量模塊和信號(hào)解碼算法兩部分。

當(dāng)以鉆井液脈沖信號(hào)進(jìn)行下傳指令時(shí)，為了避免井下儀器的誤動(dòng)作，將多個(gè)脈沖按順序組成指令幀，常見(jiàn)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(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短確定。設(shè)鉆井液循環(huán)等效水力系數(shù)為k，鉆井液排量為Q，則所測(cè)井下管柱壓力為p=kQ2，假設(shè)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(hào)接收原理圖。當(dāng)默認(rèn)狀態(tài)為開(kāi)泵時(shí)，降排量形成的壓力脈沖為負(fù)脈沖；當(dāng)默認(rèn)狀態(tài)為停泵時(shí)，正常循環(huán)所對(duì)應(yīng)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(hào)的高低，在理想情況下，令閾值pt= (p1+p2)/2，將所測(cè)壓力信號(hào)與閾值進(jìn)行比較，形成以p1為高電平1、以p2為低電平0的脈沖信號(hào)序列。以圖2為例，假設(shè)脈沖的最短時(shí)間間隔要求為0.5 min，則三降三升形成的信號(hào)可以解讀為一組下傳指令，改變脈沖的寬度時(shí)即可形成不同的下傳指令。對(duì)于隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為了保證井下安全，當(dāng)鉆鋌靜止時(shí)才允許下傳指令。

圖2 下傳信號(hào)接收原理圖

根據(jù)三降三升的波形編碼規(guī)則的不同，主要有兩類(lèi)編碼算法：一類(lèi)是將下傳指令分為命令幀和數(shù)據(jù)幀，此類(lèi)編碼要求將第一個(gè)脈沖規(guī)定為命令幀的幀頭，后續(xù)脈沖定義為數(shù)據(jù)幀，只有當(dāng)出現(xiàn)命令幀的時(shí)候才進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)幀的信號(hào)高低電平辨識(shí)和解碼；另一類(lèi)是不區(qū)分幀類(lèi)型，將全部脈沖作為一組指令進(jìn)行編碼，將負(fù)脈沖定義為0，正常排量定義為1，形成由0和1組合構(gòu)成的命令數(shù)據(jù)。 對(duì)圖2所示壓力負(fù)脈沖形成的指令，如定義30 s為一個(gè)脈沖寬度，則按照前一種指令定義，可解釋為1010數(shù)據(jù)指令，若按后一種定義，應(yīng)解釋為01010數(shù)據(jù)指令。不論有無(wú)命令幀幀頭，兩種編碼算法實(shí)質(zhì)一樣。

1.2 邊沿提取算法

不同于地面指令發(fā)送過(guò)程，指令接收解碼過(guò)程必須考慮井下壓力信號(hào)在各種工況下的表現(xiàn)。在鉆井液正常循環(huán)時(shí)，井下壓力信號(hào)基本是一條直線；在發(fā)送地面指令時(shí)，井下壓力信號(hào)在固定的時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)三降三升的波形；而其他事件引起的波形變化不能被認(rèn)為是指令，如單次開(kāi)停泵操作會(huì)引起井下壓力信號(hào)一降一升以及存在干擾等其他形式的信號(hào)波形。因此，解碼算法的關(guān)鍵是提取有效的三降三升壓力信號(hào)的邊沿位置。由于壓力負(fù)脈沖信號(hào)只有兩種信號(hào)形式分別是0和1，為提取有效的壓力負(fù)脈沖信號(hào)邊沿位置，其實(shí)質(zhì)是進(jìn)行準(zhǔn)確的二值分類(lèi)，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(yīng)現(xiàn)場(chǎng)需要。聚類(lèi)算法在二值分類(lèi)算法中具有一定優(yōu)勢(shì)，但是其計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算量很大，不適于井下微處理的實(shí)時(shí)性要求。

互相關(guān)算法用于計(jì)算兩種信號(hào)之間的相關(guān)程度，由于壓力負(fù)脈沖的目的是形成方波信號(hào)，可以預(yù)期采用方波信號(hào)與所測(cè)壓力信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，兩種信號(hào)在所測(cè)壓力信號(hào)跳變沿位置的相關(guān)性最大，在壓力信號(hào)沒(méi)有跳變沿時(shí)的相關(guān)性最小?；谏鲜鏊枷?，設(shè)計(jì)互相關(guān)算法的方波信號(hào)如下：

(2)

式(2)中N與原始信號(hào)的脈寬有關(guān)。N太大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的尖脈沖太寬，而且幅值不夠大；N太小時(shí)，計(jì)算結(jié)果的噪聲太大。假設(shè)當(dāng)壓力信號(hào)的采樣頻率為5 Hz，脈寬定義為30 s時(shí)，N為150。

互相關(guān)算法的計(jì)算公式如下：

(3)

式(3)中p為所測(cè)壓力信號(hào)時(shí)間序列?；ハ嚓P(guān)計(jì)算完成后，采用正負(fù)峰值查找法即可確定上升沿和下降沿的位置，從而完成開(kāi)停泵序列的重建，解決指令解碼的關(guān)鍵問(wèn)題。

實(shí)際計(jì)算時(shí)，須首先對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波和歸一化。為便于查找互相關(guān)計(jì)算的峰值及其位置，有必要將互相關(guān)計(jì)算結(jié)果歸一化到[-1,1]之間，并將幅度小于0.5的相關(guān)計(jì)算結(jié)果歸0處理。由于負(fù)峰值對(duì)應(yīng)原始信號(hào)下降沿，而正峰值對(duì)應(yīng)原始信號(hào)上升沿，分別提取負(fù)峰值和正峰值的位置即可確定原始信號(hào)的下降沿和上升沿的位置。在查找峰值時(shí)，為避免干擾信號(hào)的影響，須注意剔除2個(gè)相鄰很近的局部極大值或局部極小值。實(shí)際計(jì)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(shù)值試驗(yàn)所用的3.5 min時(shí)間內(nèi)的原始?jí)毫π盘?hào)，為了真實(shí)反映壓力脈沖信號(hào)的干擾和邊沿過(guò)渡過(guò)程，設(shè)定原信號(hào)的信噪比為過(guò)渡過(guò)程10 s時(shí)30、20、15、10 dB。圖3b、圖4b、圖5b、圖6b為將仿真的原始?jí)毫π盘?hào)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波后再進(jìn)行歸一化的結(jié)果，可以看出，信噪比較高時(shí)歸一化結(jié)果與理論信號(hào)波形基本一致，信噪比降低時(shí)歸一化結(jié)果與理論信號(hào)波形的一致性越來(lái)越差。圖3c、圖4c、圖5c、圖6c為采用公式(2)和(3)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算得到的相關(guān)結(jié)果。多次計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信噪比大于20 dB時(shí)，互相關(guān)算法能夠快速準(zhǔn)確的計(jì)算出壓力脈沖信號(hào)的上升沿和下降沿；當(dāng)信噪比降低到15 dB時(shí)，互相關(guān)算法偶爾能夠恢復(fù)出準(zhǔn)確的脈沖邊沿；當(dāng)信噪比繼續(xù)降低到10 dB時(shí)，難以恢復(fù)出準(zhǔn)確的脈沖邊沿。這表明互相關(guān)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(shí)的信號(hào)計(jì)算結(jié)果

圖4 信噪比為20 dB時(shí)的信號(hào)計(jì)算結(jié)果

圖5 信噪比為15 dB時(shí)的信號(hào)計(jì)算結(jié)果

圖6 信噪比為10 dB時(shí)的信號(hào)計(jì)算結(jié)果

1.3 鉆鋌轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)

對(duì)于隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一定要保證探頭推靠和回收等動(dòng)作執(zhí)行時(shí)系統(tǒng)整體處于絕對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，不允許鉆鋌旋轉(zhuǎn)，因此必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆鋌轉(zhuǎn)速。磁通門(mén)傳感器常與加速度計(jì)組合用于姿態(tài)測(cè)量，也可用于轉(zhuǎn)速測(cè)量。由于磁性工具面角能夠表征鉆鋌的旋轉(zhuǎn)角度位置，可由磁通門(mén)在探管截面上X軸和Y軸信號(hào)分量和的反正切函數(shù)計(jì)算得到，鉆鋌旋轉(zhuǎn)時(shí)磁性工具面角的差分值與旋轉(zhuǎn)速度成正比。設(shè)磁工具面角為T(mén)m，則

Tm=-arctan(By/Bx) 0≤Tm<2π

(4)

式(4)中Bx、By分別是磁通門(mén)在探管截面上X軸和Y軸信號(hào)分量。設(shè)鉆鋌轉(zhuǎn)速為v，則

v=diff(Tm)=ΔTm/Δt

(5)

圖7 為使用磁通門(mén)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量的計(jì)算過(guò)程。在實(shí)際使用中，需要根據(jù)鉆鋌轉(zhuǎn)速范圍合理選擇Δt。地層壓力隨鉆測(cè)量系統(tǒng)要求測(cè)量的轉(zhuǎn)速范圍較低，因此要選擇一個(gè)較小的Δt，如10 ms。

圖7 使用磁通門(mén)信號(hào)計(jì)算的鉆鋌轉(zhuǎn)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(cè)量系統(tǒng)下傳指令接收裝置硬件部分主要由壓力傳感器、磁通門(mén)傳感器、溫度傳感器及測(cè)量電路、微處理器和機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，主要分布在圖1中的中控模塊、數(shù)采模塊和本體結(jié)構(gòu)中，其中管柱壓力測(cè)量模塊主要由壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換電路組成。壓力傳感器采用應(yīng)變式壓力傳感器，特點(diǎn)是體積小，精度高，使用靈活方便。應(yīng)變式壓力傳感器的輸出信號(hào)為mV級(jí)的信號(hào)，調(diào)理電路如圖8所示。應(yīng)變式壓力傳感器輸出的是兩路共模信號(hào)，經(jīng)過(guò)雙端變單端信號(hào)調(diào)理和運(yùn)算放大獲得0～10 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。將壓力信號(hào)、磁通門(mén)信號(hào)和溫度傳感器的輸出信號(hào)一起送到數(shù)據(jù)采集單元，在DSP微處理器的控制下完成數(shù)據(jù)采集。

圖8 壓力調(diào)理電路

2.2 軟件編程

所研制的隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)下傳指令接收裝置軟件部分由鉆井液脈沖解碼軟件和轉(zhuǎn)速計(jì)算兩部分組成。在DSP微控制器完成必要的初始化后，進(jìn)入指令下傳模塊監(jiān)測(cè)程序，具體程序流程圖如圖9所示。軟件解碼程序由定時(shí)器的周期中斷啟動(dòng)。定時(shí)器的周期與下傳指令的脈寬有關(guān)，周期太短會(huì)浪費(fèi)控制器資源，周期太長(zhǎng)會(huì)影響解碼的準(zhǔn)確性。本文使用的定時(shí)器周期與脈沖時(shí)間一致。

圖9 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖

進(jìn)入中斷后，首先執(zhí)行鉆鋌轉(zhuǎn)速子程序進(jìn)行鉆鋌轉(zhuǎn)速計(jì)算，然后判斷鉆鋌轉(zhuǎn)速是否為零。這是因?yàn)殡S鉆地層壓力測(cè)量?jī)x器具有伸出機(jī)構(gòu)，必須確保鉆鋌靜止不動(dòng)，才能保證儀器安全可靠工作。如果判斷鉆鋌靜止不動(dòng)，即轉(zhuǎn)速為零，則調(diào)用下傳指令解碼子程序，執(zhí)行采集、濾波、互相關(guān)、正負(fù)峰值位置檢測(cè)，壓力脈沖信號(hào)恢復(fù)，與設(shè)定好的地面開(kāi)停泵序列編碼進(jìn)行對(duì)比，完成下傳指令解碼。如果判斷鉆鋌轉(zhuǎn)速不為零，表示隨鉆地層壓力測(cè)量?jī)x器不能進(jìn)入工作狀態(tài)，將鉆鋌轉(zhuǎn)速信息返回主程序，提示主程序不能執(zhí)行下傳指令動(dòng)作。

3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)

在完成軟硬件設(shè)計(jì)、機(jī)械裝配和調(diào)試的基礎(chǔ)上，分別在室內(nèi)模擬井和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了下傳指令接收試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)在勝利油田鉆井井下工具實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展，將儀器串放入模擬井筒，一旦收到地面發(fā)送的鉆井液壓力脈沖信號(hào)后，井下儀器自動(dòng)記錄下傳指令接收成功次數(shù)，儀器出井后再通過(guò)數(shù)據(jù)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(jìn)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(yàn)脈沖寬度為1 min。儀器出井后數(shù)據(jù)回放結(jié)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(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確，因此在圖10和圖11的室內(nèi)測(cè)試中都將停泵狀態(tài)視為默認(rèn)狀態(tài)，所以測(cè)量結(jié)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(nèi)試驗(yàn)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(jìn)行了5次地面指令下傳試驗(yàn)，儀器出井后數(shù)據(jù)回放結(jié)果表明，井下指令接收裝置成功接收到4個(gè)下傳指令。分析圖12所示的井下管柱壓力數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)由于第一組指令的脈沖時(shí)間間隔超出了規(guī)定的時(shí)間間隔，導(dǎo)致井下接收裝置未識(shí)別出第一組下傳指令，而其余4組指令全部成功識(shí)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(diǎn)，能夠滿足隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際需求。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井下管柱壓力記錄數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

地面指令下傳接收裝置通過(guò)測(cè)量管柱壓力和鉆鋌轉(zhuǎn)速信號(hào)，采用互相關(guān)算法進(jìn)行解碼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆井液脈沖指令的解碼和接收，達(dá)到了從地面控制隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)工作的目標(biāo)。仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在信噪比大于20 dB條件下，互相關(guān)算法可以有效提取壓力脈沖的上升沿和下降沿。同時(shí)，地面指令井下接收裝置以轉(zhuǎn)速測(cè)量作為下傳指令接收的前置條件，建立了自動(dòng)調(diào)用解碼算法的決策函數(shù)，降低了指令誤碼風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了下傳指令接收的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)工作的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明,該裝置的解碼算法簡(jiǎn)單實(shí)用,具有高可靠性、低誤碼率的特點(diǎn)，能夠滿足隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際需求。

符號(hào)說(shuō)明

p、p1、p2、Δp—壓力信號(hào)，MPa；

Q1、Q2—鉆井液排量，L/s；

k—系數(shù)；

B—方波信號(hào)；

n—方波信號(hào)變量；

N—方波信號(hào)長(zhǎng)度；

RpB—互相關(guān)函數(shù)輸出；

m—互相關(guān)函數(shù)變量；

Bn*—互相關(guān)函數(shù)的基信號(hào)；

Tm—磁工具面角，rad；

Bx、By—分別在x軸和y軸上的磁信號(hào)強(qiáng)度，nT；

v—鉆鋌轉(zhuǎn)速，r/min；

t—時(shí)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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號(hào)井下傳送技術(shù)研究[J].石油學(xué)報(bào),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(ài)清,汪躍龍,等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)下行通訊接收功能的開(kāi)發(fā)[J].石油學(xué)報(bào),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(ài)清，湯楠，汪躍龍，等.導(dǎo)向鉆井下行指令傳輸?shù)木陆邮昭b置研究[J].微特電機(jī),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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具信號(hào)下傳系統(tǒng)研究[J].中國(guó)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(ài)清，湯楠.基于井下渦輪電機(jī)的導(dǎo)向鉆井工具下傳指令接收軟件設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)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(ài)清，等.基于信號(hào)相似性的導(dǎo)向鉆井下傳信號(hào)處理方法[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),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(cè)斜儀中的信息檢測(cè)與識(shí)別[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào),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(cè)量系統(tǒng)脈沖信號(hào)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(cè)量信號(hào)中噪聲及干擾的新方法[J].石油學(xué)報(bào),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(lèi)算法的MWD泥漿脈沖信號(hào)識(shí)別研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),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(guó)石油化工集團(tuán)公司科技部項(xiàng)目“地層壓力隨鉆測(cè)量系統(tǒng)研制與應(yīng)用(編號(hào)：P14116)”部分研究成果。

宗艷波，男，高級(jí)工程師，2009年畢業(yè)于天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，獲博士學(xué)位，主要從事隨鉆測(cè)量及井下儀器研發(fā)工作。地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)北辰東路8號(hào)北辰時(shí)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