（测试计量技术及仪器专业论文）井下数据解码方法研究.pdf

论文题目： 专业： 指导教师： 硕士生 井下数据解码方法研究 测试计量技术及 周静教授( 签 付鑫生教授( 签 王艳丽( 签名) 摘要 本文是以国家“十五”8 6 3 计划能源领域重大专项：渤海大油田勘探开发关键技术 可控( 闭环) 三维轨迹钻井技术研究和国家自然科学基金项目“井下闭环旋转导向 智能钻井系统控制理论研究”为依托撰写的。运用“井下闭环旋转导向智能钻井系统” 钻井，犹如向地底发射导弹。钻头将在无人干预的情况下，根据预置设计轨迹、钻具组 合及钻头所在油藏特征的具体状况，自动沿最佳路线钻达靶心。当井下出现异常情况， 通过地面进行遥控将干预指令送到井下工具中，从而改变工具的工作参数。在地面按一 定的编码方法传递命令到井下，控制钻具组合，在井下要得到高保真的命令，就要有相 应的数据处理解码方法，以正确的接收地面命令，并按地面操作员的意愿沿预置轨迹前 进。信号传输样机就是x t c s 中实现地面向井下传输信号的系统。 信号传输样机解码方法是本论文研究的核心。本论文研究了温度对样机解码影响， 并对样机的实验振动源和实际钻井振动源做了相似性研究，验证了样机依靠实验振动源 进行误码率研究的可靠性，在此基础上，着重对现解码方法做了误码率实验和分析，提 出新解码方法，即神经网络解码方法，并用实际数据做了仿真分析。 关键词：信号传输样机解码神经网络 论文类型：应用基础与实验 ( 本文得到国家“十五”8 6 3 计划重大专项和国家自然科学基金的资助) s u b j e c t ：d e c o d i n g o ft h e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e lf r o ms u r f a c e t od o w n h o i e d r i l l i n g w e l l s p e c i a l i t y ： i n s t r u c t o r n a m e ： a b s t r a c t n t t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h en a t i o n a lm o s ts p e c i a li m p o r t a n tk e yp r o j e c t so f8 6 3 s t e n t hf i v ey e a r sp l a no ne n e r g yd o m a i n - - k e y t e c h n o l o g yo fe x p l o r i n ga n de x p l o i t i n gt h es u p e r o i l f i e l d i nb o h a iw h i c hi s n a m e dt h r e e d i m e n s i o nc o n t r o l l a b l e c l o s e d 1 0 0 pd r i l l i n g t e c h n o l o g ya n dt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n dp r o j e e t - r e s e a r c ho n t h ew a yo fc o n t r o l d o w n h o l ec l o s e - l o o pi n t e l l i g e n tr o t a t e ds t e e r i n gd r i l l i n g s y s t e m t h es y s t e mm a k eh o l e l i k ef i r i n gm i s s i l eu n d e r g r o u n d d r i l lb i tw i l la u t o m a t i cr e a c hb u l l s e y ea l o n go p t i m a lr o n t e a c c o r d i n gt op r e e s t a b l i s h e dw e l lt r a j e c t o r y , b h aa n dg e o p h y s i e a lp a r a m e t e r so ff o r m a t i o n s p e n e t r a t e db yt h ed r i l lb i t i n s t r u c t i o n st od o w n h o l e t o o l sa r et r a n s m i t t e df r o ms u r f a c eo ft h e e a r t hi fn e c e s s a r y a tt h es u r f a c es e q u e n t i a l l yc o m m a n dc o d e si st r a n s m i t t e dt od o w n h o l et o c o n t r o lb h a ，w h i l em i c r o p r o c e s s o ru n d e r g r o u n di d e n t i f yt h ec o m m a n d m e s s a g e ，t h a ti st os a y m i c r o p r o c e s s o ru n d e r g r o u n dm u s te x a c t l yd e c o d e st o m a k ed r i l lb i td r i l lf o r w a r d a l o n g p r e e s t a b l i s h e dw e l lt r a j e c t o r y p r o t o t y p ea e r o p l a n et r a n s m i t t i n gs y s t e mi nt h i sp a p e ri ss u c h a s y s t e m i nx t c s t h i sp a p e rl a y se m p h a s i so nd e c o d e r o f p r o t o t y p ea e r o p l a n et r a n s m i t t i n gs y s t e m t h i s p a p e rs t u d i e si f t h et e m p e r a t u r e a f f e c td e c o d e r ，c o m p a r e sv i b r a t i o no f t e s t e ro f p r o t o t y p e a e r o p l a n et r a n s m i t t i n gs y s t e m t ot h a to f d r i l ls t r i n gi no r d e rt op r o v er e l i a b i l i t yo f c o d ee r r o r r a t es t u d yo nt h et e s t e gg i v e se m p h a s i st oa n a l y - z i n gc o d ee r r o rr a t eo f d e c o d e ro nt h eb a s i so f e x p e r i m e n t a t i o n o nt h et e s t e r , d e s i g nan e w p r o j e c t t od e c o d e , n a m e l yau e wd e c o d e ro f n e u r a l n e t w o r k k e yb o a r d ：p r o t o t y p ea e r o p l a n et r a n s m i t t i n gs y s t e m ，n e wd e c o d e r , n e u r a l n e t w o r k t h e s i s ：a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t a n d e x p e r i m e n t ( t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db y t h en a t i o n a lm o s ts p e c i a li m p o r t a n tk e yp r o j e c t so f8 6 3 st e n t h f i v e y e a r sp l a no ne n e r g y d o m a i na n dt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n dp r o j e c t ) 学位论文创新性声明 本人声唆魇呈交鲢学位论文是浚个人褒导灏指导下进行懿研究 工作及取褥懿磷究成暴。尽我凝聚，豫了文中游剽翻以拣注释致落中 所罗列酶内容以外，论文中不包含冀继入已经发表藏撩写过酶研究成 果，也不包含为虢樗西安石油大学藏其它教育橇构学位或证书雨使蠲 过的材料。与我一同工俸的同志对本磅究所傲的任何羹献均西在论文 孛擞了明确的谖鳃并表示了潋懑。 牵诲擎德论文与炎辨萋毒不窭之娥，零入承糖一臻裰关蠹任。 论文作者签名：翅杰酶播麓：擞：! g 学位论文使用授权说明 本人完全了解疆蜜夏油大学有关保螫和健麓攀使论文醵趣定， 郯：磷究生在校玫读学徒期闻论文工作懿翔谖产权单位耩谣安石油大 学。学校率有以任何方法发表、复带l 、公开阔菱、借阅醴及率请专裂 等权摹| 。零人离液赋发表或使用学谯论文或与该论文藏接相关的学术 论文或成果时，署名孽位仍然为疆安石油大学。 论文终赣签名；搬 霾期： 逊! 主l 渗 搏颓虢胜缪于蹴堕埠 第一章绪论 第一章绪论 1 1 项目背景 世界上第一口定向井子1 9 3 2 年诞生在美国，半个多世纪以来，随着易 开采石油资源的日益枯竭，国内外各大石油公司已经开始向滩海、湖泊、沙 漠、海洋及复杂构造地层的油藏索取油气资源。今天的油气钻井已越来越深， 所采用的技术也越来越复杂，定向钻井家族的规模在不断的扩大，在过去 2 0 年间，钻井技术取得了划时代的进步，一个海上石油平台上通常要钻十 几口井眼，每一口井眼都要被导向特定的目标，也就是要钻成“定向井 ( d i r e c t i o n a lw e l l ) ”。 为了获得更多的石油资源，越来越多地采用丛式井、大位移井和水平井， 从而推动了定向井控制技术的发展。但随着油气勘探开发领域的加宽，钻井 工程所面临的地面和地下条件更趋复杂，使井眼轨迹的控制难度增加。另外， 钻井业要实现的总目标是：尽可能地减少起下钻次数、节约钻时、降低钻井 费用和提高井身质量。因此，钻井科技的进步长期以来一直是石油界关注的 焦点。特别是8 0 年代以来，两次石油危机，石油价格长期低迷和由此造成 的石油行业不景气，更促使世界各产油国纷纷实旖新的战略措施，以寻求油 气资源产业新的突破与新的进展。世界石油发展总的战略目标是相同的，即 降低每一桶原油的成本，为此目标，国内外发展了各种先进的钻井技术与工 艺。比如钻井集合( 或者被称为b h a ) 设备钻井眼时，b h a 包括各种的传 感器件用来与电路和微机一起搜集有关井眼与地面参数的各种信息。从地面 传递数据与信号控制b h a 中的各种器件诸如驱动器，液压等设备的运转操 作。同时测量钻头穿透地层的物理学特性，利用测量到的地质信息就控制钻 头在目的层内钻进等技术。而在这些先进装备和技术中最具突破性和最有战 略意义的当属最适用于特殊工艺井作业的“井下闭环旋转导向智能钻井系 统”。井下闭环旋转导向智能钻井系统是定向钻井技术未来的发展方向，是 钻井发展的必然趋势1 j 【2 1 吼 井下闭环旋转导向智能钻井系统的特点就是测控在井下由微电脑控制 的智能执行机构完成，与此同时地面也可以遥控。具体的来说就是井下闭环 西安石油大学硕士学位论文 旋转导向智能钻井系统在很少地面人员干预情况下，自动沿在地面预先设定 的三维井眼轨迹钻进；实际钻进的情况和井下工具的状态可以实时通过泥浆 脉冲信号发生器送到地面，由现场操作人员监控；当井下出现异常情况时， 通过地面进行遥控将干预指令送到井下工具中，从而改变工具的工作参数。 作为遥控的实现手段，地面到井下的数据传送方法就成了相关人员的热点研 究问题之一。这就是现今被称为“d o w n l i n k ”的通讯技术。 通常用“u p l i n k ”表示由井下到地面的通讯系统，用“d o w n l i n k ”表示 由地面到井下的通讯系统，“u p l i n k ”和“d o w n l i n k ”构成地面和井下钻头附 近的双向通讯技术 4 1 ，“d o w l i n k ”技术不仅用于在地面控制井下各种不同组 合的钻井装置，而且还可以用来在钻井的同时激活或关闭m w d 系统中的传 感器。从地面向井下b h a 中的设备传送信号已经使用过很多种方法。其中 一种利用泥浆流速传递信号1 5 1 ，还有一种利用泥浆和钻井柱传递声音信号 6 】。 1 2 国内外研究现状 多年来，人们在地面与井下设备间如何传递命令信号作了许多的研究， 即要有怎样的一个通讯系统。这样的通讯系统包括上行( g o 将井下传感器的 响应信号传递到地面的通道) 和下行( a p 将地面的信号传递给井下设备进而 控制钻井路线) 。简单来说就是下行的信号在钻井过程中刺激激励各种随钻 传感器，解码后得到地面下达的控制指令 最早比较典型的地面传递信号方法就是利用泥浆为介质将命令传送下 去，即在地面完成压力脉冲的调制，压力脉冲在井下由压力或流量传感器敏 感然后解码。g r u e n h a g e n 在1 9 9 9 年的发明“1 就是用一个主泵以恒定的流速 从一个泥浆池中抽取泥浆送入井下以保证钻井所需的充分的泥浆循环。电控 制器控制旁通管的关闭阀门，关闭或打开阀门，产生容积流量脉冲，并且可 以控制这个脉冲的周期和幅度。用诸如压力检波器，流速检测设备等检测流 速脉冲，用二进制调制脉冲作为传递的数据。由于传送过程中压力容易受到 外界条件变化的干扰，比如地层压力的变化的影响，这种方法有时并不可靠。 国外有关科学家在9 0 年代还提出了一种d o w n l i n k 系统是通过控制钻井 管旋转与泥浆流速的变化来进行各种井下操作。将钻井柱旋转速率作为传递 西安石油大学硕士学位论文 命令。连在控制杆上的敏感器件敏感到旋转速率，此时敏感器件的旋转轴与 钻井柱的旋转轴是致的。因为离心力的增加，钻井柱旋转速率增加使得敏 感器升出，相反，钻井柱旋转速率降低使得敏感器缩回。也就是说敏感器的 径向伸缩是钻井柱旋转速率的象征。敏感器与一个弹簧和激励源一起执行以 钻井柱的旋转速率为基础的命令。更进一步的说操作命令由激励催化剂的泥 浆压力来定义。完整的敏感器与激励系统在机械上是复杂的，并且只能敏感 到钻井柱的旋转速率，不能敏感到钻井柱旋转角度的增加量。用这种方法在 斜眼井中以及因为作用在敏感器上的离心力混乱导致钻井柱旋转角速率较 低而最终可能出现较大的误差。 人们也曾提出检测井下泥浆涡轮的旋转速度接收命令呻3 。钻倾斜井采用 过这种方法，即用缚在钻柱底部的泥浆涡轮激励钻头进行钻井，而涡轮的驱 动源又是泥浆的压力，也可以不用涡轮，通过旋转钻柱旋转钻头。但是当遇 到转方向时，就得停钻，提钻重新确定钻井方向。检测涡轮的旋转速度，主 要用三轴磁通门测量。但这项发明也仅仅能检测到泥浆涡轮的速度而不是钻 柱的旋转速度，而且只能用于裸井眼，在其它井中，三轴磁通门的输出毫无 意义。 在文献阻1 基础上提出了用倾斜计和三轴磁力计检测钻柱的旋转角度或 钻柱的旋转速率口1 。通过井下设备，微机处理井下倾斜计与三轴磁力计的输 出变为命令信号。但是在这种方法中，磁力计的响应会受到地层参数的影响， 并且仅仅能用于裸眼井，在其它井中，磁力计的输出毫无意义。 这时人们已经想在另一条不需要泥浆柱作为物理通道的领域寻找更好 的下行传输系统。如用磁方向传感器来敏感钻柱旋转或不旋转信息，给井下 工具传递开或关命令。即此方法敏感钻柱旋转发生与否，但这种方法要求钻 柱非磁性以及要考虑其它较复杂的因素。还有利用声波传递信号系统，这种 传递系统通过机械、电子、水力操作产生扭矩脉冲，但这种做法增加了操作 的复杂性。 2 0 0 1 年s c h l u r n b e r g e r 发明了一种是钻柱连续的以不同的方位角旋转生 命令代码，由井下回转仪敏感，然后在微机中解码的下行传输系统；另一种 西安石油大学硕士学位论文 是井下回转仪敏感钻柱旋转角速度命令代码，在微机中解码。微机传递解码 的命令控制井下设备。这项发明提供的下行通道不需要泥浆循环系统，不需 要泥浆柱作为物理通道。这项发明适用于各种井眼而不仅仅是裸眼井，这项 发明提供了比较经济的井下传输系统，尽量少的用较昂贵的器件。同时这项 发明提供的井下传输系统比较完整，即它有检错功能，另外它的井下检测系 统不受地层因素的影响。 后来有一项发明提出了一种通过旋转钻柱给井下工具传递信号的方法。 在过去，改变泵流向钻柱的泥浆流动状态，以此指导井下工具进行包括运转 模式的改变的各种操作。当流体流动时，测量压差的压力传感器敏感流体流 动，用流体流动或停止流动的方法传递命令。一般来说，流体流动或停止分 别解释为二进制的1 或者0 。同样的，我们可用加速度计代替压力传感器， 因为流体流动时，在钻柱以及与钻柱相连的井下工具上都会产生相应的振 动。这项发明提出了这样一种方法：通过旋转轮盘或转盘转动井下钻柱，测 量相应的代表井下状态信息的调制信号进行编码或接收给井下工具的编码 信号。旋转信号传递给钻柱底部，并且将多种能够测量的井下信息进行调制。 这些可测量的井下信息可以是：线性振动或角振动，绕钻柱轴的角速率，磁 偏角( 与地磁北极的夹角) 、高边工具面角( 相对于重力的钻柱旋转角度) 。 这种方法相比泥浆泵控制传递信号方法具有很多优势，因为旋转传动机构能 很容易且很精确的得到控制。比如说：用流体流动或不流动的分钟时间很容 易将泥浆信号编码，此处泥浆流动或不流动可能代表编码位信号。测量因流 体流动产生的线性振动现在也可用来给井下工具传递信号，但是这项技术可 能敏感不到大钻柱的振动，而且这种方法仍通过打开或关闭泥浆泵调制泥浆 流速。测量由钻柱旋转产生的线性或角度振动对钻柱尺寸较不敏感。 虽然人们一直在传递命令方法上不停的改进，但归结下来主要是两种， 即利用泥浆循环液传递信号，和利用旋转传递信号。现在人们在泥浆脉冲和 旋转办法传递信号中研究如何提高信号传递质量的同时也在努力的寻求其 他传递信号的方式。相应的，这些信号发送下去相应的有解码方法，使得井 下控制器能正确的接收到这些命令。人们已开始在接收端对接收信号在算法 西安石油大学硕士学位论文 上寻求更好的解码方法。近年来人们在井下数据处理方法上不停的改进。在 信号处理方法上，石油界研究人员提出了以下方法：1 9 9 1 年提出的一种识 别加载在钻井液中的信号的方法和系统 10 1 。1 9 9 9 年提出的用贝页斯方法识 别地面发送到井下的信号【l ”。2 0 0 0 年提出的一种井下数据噪声检测和滤出 系统 12 1 。2 0 0 0 年提出的非理想噪声环境下的非线性自适应滤波处理数据方 法1 3 l 。2 0 0 1 年提出的在自适应滤波法处理泥浆脉冲信号1 4 。 国内有关井下信号传输的论文，主要是刘修缮、苏义脑等人对泥浆脉冲 信号在井筒中的传输特性1 5 】【1 6 】、速率【1 8 】【1 9 1 的研究，根据此提出泥浆负脉 冲通道方案口0 1 ，并对信号传输方式做了研耕2 。西安石油大学井下测控重 点试验室在国家“九五”项目中提出利用钻杆静止与振动时振动频率的不同 进行信号传输【2 3 1 1 2 4 1 。 1 3 本课题的意义 综观定向钻井技术发展的历史，“井下闭环旋转导向钻井系统”将体现 现代高新科技的信息论、控制论和系统论融于一体，在钻井领域，它正致力 于用尽可能少的钻时、尽可能低的钻井费用以获得最佳的钻井质量和最高的 开采效益。“井下闭环旋转导向钻井系统”在这方面展示了了巨大的潜力。 运用“井下闭环旋转导向智能钻井系统”钻井，犹如向地底发射导弹。 钻头将在无人干预的情况下，根据预置设计轨迹、钻具组合及钻头所在油藏 特征的具体状况，自动沿最佳路线钻达靶心。其中，“随钻钡n 量( m w d ) 、 随钻测井( 啪) ”为智能钻井系统提供必要的井底工程和地质信息，“可 控导向工具”是改变钻头前进方向的执行机构。 而如果出现异常，地面能够通过“下行传输系统”向井下控制器发送干 预命令，从而改变井下工具参数。在地面按一定的编码方法传递命令到井下， 控制钻具组合。在井下要得到高保真的命令，就要有相应的数据处理解码方 法，以正确的接收地面命令，并按地面操作员的意愿沿预置轨迹前进。所以 由地面编码和井下解码构成的井下信息传输通道在井下闭环旋转导向智能 钻井系统中至关重要作用。 我们的“井下闭环旋转导向智能钻井系统”中的井下信息传输通道通过 西安石油大学硕士学位论文 泥浆脉冲和旋转钻柱传递信号，在井下利用各种传感器以及单片机电路收集 由于地面激励而具有的有用参数进行处理解码，以达到控制井下工具操作的 目的。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文以国家“十五”8 6 3 计划能源领域重大专项：渤海大油田勘探开 发关键技术可控( 闭环) 三维轨迹钻井技术研究和国家自然科学基金项 目“井下闭环旋转导向智能钻井系统控制理论研究”为研制背景，以x t c s 中“信号传输样机”为研究对象，从样机的机械设计入手，经硬件、软件调 试，并对样机的温度特性作了研究，重点对样机的现解码方法作了实验和仿 真研究，并在另外一领域开辟了新的解码方法，即神经网络分析法。 第二章样机设计与温度性能研究 第二章样机设计与温度性能研究 井下信息传输是井眼轨迹遥控及对轨迹自动控制进行人工干预的咽喉 要道，因而其设计和研究具有十分重要的意义。地面控制指令按一定规则编 码后以钻柱振动或泥浆脉冲的形式发送到井下，井下微处理器接收解码。由 于钻柱本身具有良好的传递机械波的内在特征，利用钻柱的纵向加速度变化 或钻柱的旋转速度变化组合表示传输信息成为可能。在实际操作时，首先将 要传输的信息编码，转换为适于传输的信号，即司钻人员可以方便操作的起 下钻动作或转盘旋转动作，然后由安装在井底的接收部件予以检测并处理， 提取有效信息。为研究井底接收部件检测接收地面信号方法，单独设计信号 传输样机，研究钻柱振动传递命令系统解码方法，即振动通道解码。 2 1 样机组成 样机由电池桶，电子腔，压力传感器安装桶，七芯插件四部分组成。电 池提供电子腔中心处理单元的7 2 v 工作电压，电子腔内安装了样机核心部 分：中心处理单元，包括振动传感器、信号调理板和采集处理板。压力传感 器安装在所设计的桶内，七芯插件连接压力传感器安装桶和中心处理单元。 机械安装示意图如2 - i 。有关传感器和电路设计原理及软件详见内部技术资 料。 图2 1样机机械安装示意图 2 2 编码原则 编码的内容包括两个部分，一是信源编码，也就是逻辑“1 ”与逻辑“0 ”， 振动通道利用钻杆不同状态输出幅度的不同进行0 与1 编码。二是信息编码， 也就是信源编码的不同组合所代表的不同信息。现编码规则如图2 2 表示。 t 1 、t 2 、t 3 、t 4 为同步字信号，t 为命令段，t 的不同时间代表不同的命 令。 西安石油大学硕士学位论文 丁2命令t 厂 厂 厂 t 1 t 3 1 4 图2 - 2 地面编码方式 2 3 温度性能测试 作为下井工具，能否在井下高温环境下正常工作是人们所关心的问题， 所以对样机进行温度性能测试，研究温度对样机解码影响。 2 3 。l 传感器静止温度性能测试及结论 振动传感器a d x l 2 0 2 用来敏感加载在钻柱上的振动信息。它的分辨率 达到o 0 0 5 9 ，最大量程范围+ 一2 9 ，输出范围2 0 0 m v g ，抗振环境达1 0 0 0 9 ， 最大工作范围5 5 0 c + 1 2 5 0 c ，温漂士o 5 。 ( a ) n 试方法：将传感器的两路输出x 轴和y 轴连接采集板，一并放入 d g 2 0 0 0 2 台式干燥箱加温，以1 0 摄氏度为间隔进行测试。测试时采集传 感器输出1 0 0 点，采集间隔1 秒。取1 0 0 点的平均值作为此温度点传感器测 试值。分别进行正行程和反行程测试。 ( b 1 测试结果及分析：通过测试传感器的输出，两路温漂：正行程x ： 1 1 4 0 8 ；正行程y ：一1 1 9 加8 ；反行程x ：1 1 7 0 8 ；反行程y ： 一2 _ 3 1 4 。 f c l 结论：通过数据分析可知样机所选传感器可能会造成温漂现象，但 根据地面传输信号特性，需进一步测试总体温度性能以验证对解码影响。 表p 1 传感器温度测试( 记录量化台阶) 正行程温度x 轴平均值y 轴平均值 反行程温度x 轴平均值y 轴平均值 2 3 1 ”c1 7 6 1 7 4 8 1 5 5 8 1 5 99 7 0 c1 7 2 2 7 3 71 5 3 4 2 1 3 2 3 9 ”c 17 6 0 9 7 2l5 5 9 9 2 59 7 ”c1 7 1 9 9 2 61 5 3 8 4 4 2 2 1 0 c1 7 5 6 8 11 5 5 5 3 6 1 9 1 7 ”c1 7 2 5 6 5 31 5 5 7 3 9 2 2 3 4 0 c1 7 5 6 0 1 4 1 5 5 4 7 8 29 1 “c1 7 2 5 2 7 41 5 5 7 0 1 7 3 4 。6 0 c1 7 5 7 9 。7 8 1 5 6 6 5 1 18 4 。8 0 c1 7 2 9 4 0 31 5 6 2 3 。0 5 3 4 6 0 c1 7 5 6 5 2 4 15 6 4 8 0 29 4 8 ”c1 7 2 9 6 5 l1 5 6 2 5 9 4 2 6 0 c1 7 5 6 4 5 4 15 6 4 2 5 47 5 4 u c1 7 3 6 1 4 71 5 7 0 0 ，4 7 4 2 5 0 c 1 7 5 4 1 0 41 5 6 4 0 3 67 5 4 ”c1 7 3 5 3 5 8 1 5 6 9 3 4 7 5 5 9 ”c 5 6 3 ”c 1 7 4 7 3 0 61 5 5 8 6 _ 2 17 5 4 ”c1 7 3 5 3 9 5 l5 6 9 4 4 7 5 5 3 ”c 1 7 4 7 6 4 7 15 5 9 0 4 86 4 8 ”c1 7 4 2 8 9 815 7 7 8 7 6 6 4 1 ”c 6 4 9 。c 1 7 3 9 7 6 l1 5 4 9 1 2 1 6 4 8 ”c1 7 4 2 7 3 715 7 7 9 9 7 堕窒互垫奎兰堡主兰笙笙奎 6 5 3 ”c 6 5 4 0 c1 7 4 0 3 8 l15 4 9 5 6 95 4 8 ”c1 7 4 8 7 - 3 615 8 4 5 7 8 7 6 3 ”c 7 7 0 c1 7 3 3 9 4 51 5 4 3 6 3 45 4 8 ”c1 7 4 8 8 3 21 5 8 4 5 8 1 7 63 ”c 7 7 ”c17 3 4 2 7 515 4 3 9 0 54 6 9 ”c17 5 2 4 ，8 21 5 8 8 4 1 4 8 4 5 0 c - 8 4 7 ”c1 7 2 7 5 1 31 5 3 5 4 64 6 9 ”c17 5 2 7 ，5 415 8 8 4 0 3 8 3 5 ”c 8 4 0 c17 2 9 0 6 71 5 3 7 7 3 8 3 4 6 0 c1 7 5 5 6 3 915 9 2 8 2 7 3 4 6 ”c1 7 5 5 7 3 91 5 9 2 8 9 l 2 5 5 0 c1 7 4 9 4 7 715 6 7 8 5 4 2 4 6 ”cl7 4 8 4 2 21 5 6 8 0 9 3 2 4 4 ”c1 7 4 8 0 11 5 6 8 1 7 4 2 3 2 样机总体温度性能测试 a 、样机静止温度性能测试：( 1 ) 钡t j 试方法：将样机电子腔放入d g 2 0 - 0 0 2 台式干燥箱加温，从4 5 摄氏度开始以1 0 摄氏度为间隔进行测试。测试时采 集输出3 6 0 0 点，采集间隔1 秒。取3 6 0 0 点的平均值作为此温度点振动通道 静止测试值；( 2 ) 钡l j 试结论：由表2 2 看出，样机在在4 5 - 8 5 摄氏度范围内静 态工作点发生漂移，但没有超过2 0 0 0 量化台阶。 表格2 - 2 总静止输出( 记录量化台阶) 温度x 轴平均值y 轴平均值 方差x方差y 1 2 0 4 11 5 1 5 7 4 2 8 2 6 41 3 6 6 4 4 4 5 0 c 1 1 3 4 21 5 0 i2 6 2 1 0 3 1 2 0 2 3 4 1 0 1 2 61 5 8 6 5 4 8 4 7 2 84 7 2 7 9 8 5 5 0 c 1 4 9 1 2 1 5 5 6 31 1 1 4 0 5 8 2 1 9 5 2 6 1 2 7 0 71 6 0 5 2 9 7 6 0 85 7 3 0 0 8 6 5 0 c 1 1 7 0 21 5 9 7 5 2 8 9 6 7 32 0 9 2 6 4 1 2 6 8 21 6 5 8 1 2 5 6 4 8 62 2 7 1 2 6 7 5 0 c 1 3 3 31 6 4 4 1 2 4 0 0 3 l1 2 5 6 7 8 1 5 4 51 7 2 1 。8 2 5 2 4 4 l3 6 3 7 5 5 8 5 0 c 1 6 3 0 71 7 4 1 4 1 1 5 9 9 72 6 2 0 4 4 b 、样机动态温度性能测试：( 1 ) ；n - i 式方法：将样机电子腔放入d g 2 0 0 0 2 台式干燥箱加温，扶4 5 摄氏度开始以l o 摄氏度为间隔进行对x 轴动态发送 命令测试。测试时采集输出1 5 0 0 点，采集f n - j 隔5 秒，这时y 轴振动较小； f 2 ) n - i , 式结论：低温时x 轴动态工作点相对于静止相差较大，所以可以忽略 传感器温漂。温度越高，x 轴的动态和静态工作点差值越大，同时虽然没有 给y 轴激励，但温度越高，y 轴动态工作点升高，与静态工作点差值增大， 即此时振动传感器更加敏感。这种现象有利于并下高温解码。 西安石油大学硕士学位论文 表2 - 3 总动态输出( 记录量化台阶) 温度x 振动x 振动x 振动偏差y 振动y 振动 y 振动偏差 最大值最小值平均值最大值最小值平均值 【4 5 ”c 3 2 7 6 75 1 2 01 3 3 5 84 1 9 8 67 8 1 31 5 1 41 6 9 7 85 2 4 9 7 8 1 l 5 5 ”c3 2 7 6 75 1 3 13 1 9 6 33 0 8 5 ，25 7 9 01 6 2 92 2 9 8 85 2 3 5 2 8 3 6 5 。c3 2 7 6 7 7 2 5 4 3 0 1 0 04 6 3 5 17 7 0 01 6 1 12 1 3 5 64 3 9 8 8 5 ”c3 2 7 6 77 7 0 53 1 8 9 83 3 4 7 52 9 0 3 93 2 6 51 0 5 7 84 4 1 9 3 2 3 3 温度性能结论 通过以上测试，温度升高时，样机振动与静止数据幅度差异增大，当温 度升高时，x 方向振动对y 轴也有影响，使得y 轴振动能量增大。而振动通 道就是利用钻杆振动与静止输出幅度的差异进行传递信号。所以这种现象更 有利于井下解码。 第三章钻床与钻井平台振动源相似性研究 第三章钻床与钻井平台振动源相似性研究 振动通道依靠钻柱振动传输命令。在完成样机的机械设计、软硬件设计 调试以及温度性能研究后，需要通过大量的解码实验研究验证振动通道现解 码方法的解码可靠性，即误码率研究。实验室的模拟井台更接近于井场钻井 环境，能做样机振动源，但操作费时费力，对现解码方法的误码率研究工作 很不现实，而现有立式钻床就具有体积小、操作简单的优点。所以大量的解 码研究选择钻床作振动源，为确定钻床解码研究工作的可信性，需对钻井平 台和钻床提供的振动源信号作相似性研究。 3 1 实验设计 3 1 1 钻床实验设计 a 、钻床简介：钻床是立式钻床，钻速档位可变，实验选用1 8 0 r m i n 、 2 5 0 r m i n 、3 0 0 r m i n 和4 0 0 r m i n 转速档位，将样机固定在钻床旋转头上，开 动钻床，旋转头带动样机转动，样机旋转离心力为振动通道提供y 轴方向振 动能量。 b 、软硬件说明：硬件包括传感器、信号调理和采集单元，地面软件控 制样机采集、提取6 5 5 3 4 点，采样间隔4 m s 。 c 、实验过程说明：采集过程中，旋转钻床与停转钻床交替 d 、实验数据说明：每点包括四路数据，分别是x 轴总输出， 器输出，y 轴总输出，y 轴传感器输出。 3 1 2 钻井平台实验设计 a 、实验装置：模拟钻井平台装置比较接近于实际钻井环境， 实验装置如下图。 x 轴传感 钻井平台 西安石油大学硕士学位论文 大钩及钢 图3 1 模拟井架装置 b 、实验过程说明：通过离合器和电机控制钻杆转动状态，通过控电柜 控制钻杆旋转转速，钻井平台样机软硬件与钻床相同。采集过程中，钻杆旋 转与停转交替。 c 、实验数据说明：每点包括四路数据，分别是x 轴总输出，x 轴传感 器输出，y 轴总输出，y 轴传感器输出。 3 2 实验数据分析 3 2 1 信号输出幅度及门限研究 样机信号输出幅度反映钻杆振动能量大小，而振动通道就是利用钻杆振 动与静止输出幅度差异进行传送命令，所以输出幅度是衡量此传送命令方法 是否可行的关键性标准，并且依据振动与静止幅度就可确定门限。 a 、分析说明：( 1 ) 钻床旋转时y 轴方向几乎没有振动能量，在研究时忽 略此方向；( 2 ) 分别取每组实验数据的稳定静止段和稳定振动段；( 3 ) 钻床与 井台振动都是非固定周期的正弦信号，为分析方便，对比稳定静止段传感器 最大值和稳定振动段传感器最大值；( d ) 对比振动段总输出最小值和静止段 总输出最大值。 b 、分析结论：表3 1 是钻井平台和钻床实验输出幅度表格；( 1 ) 传感器 输出：钻床作振动源时，随着转速的提高，y 轴传感器振动输出也增大，当 1 2 西安石油大学硕士学位论文 钻床转速为1 8 0 r m i n 时，y 轴振动0 1 6 9 ，静止0 0 4 5 9 ，当转速增大到4 0 0 r m i n 时，y 轴振动o 8 锯，静止o 0 5 9 。钻井平台做振动源时，两轴静止大小在 o 0 0 6 9 - - o 0 9 6 9 范围内，转速6 0 r m i n 时，x 轴振动大小o 4 5 9 左右，y 轴振 动大小o 5 5 9 左右，当转速提高到1 2 0 r m i n 时，两轴振动大小都在0 6 9 左 右，x 轴振动略小于y 轴振动；( 2 ) 总输出：钻床作振动源时，随着转速的提 高，y 轴振动总输出也增大，当转速为1 8 0 r m i n 时，y 轴振动总输出2 6 5 m v ， 静止总输出8 0 m v ，当转速提高到4 0 0 r m i n 时，y 轴振动总输出4 v ，静止总 输出3 0 0 m v 左右。钻井平台作振动源时，两轴静止总输出在8 0 7 0 0 m v 之 间，转速6 0 r m i n 时，x 轴振动总输出4 3 v 左右，y 轴振动总输出2 6 v 左右， 转速提高到1 2 0 r m i n 时，x 轴振动总输出4 3 v 左右，y 轴振动总输出3 7 v 左右；( 3 ) 结论：可以看出，钻床钻速较低时，振动与静止数据输出幅度差异 不大，不到5 0 0 m v ，这样抗干扰能力就会较差，门限设置就比较受限制，比 如在2 5 0 r m i n 时，钻床静止时x 轴干扰信号的输出幅度0 6 9 v ，比振动总输 出大，这样会对解码有影响，易造成误码。而钻井平台x 轴的能量差异在 4 v 左右，y 轴在2 5 v 以上，抗干扰能力较好，门限设置比较灵活。 表3 1 相似实验幅度输出表格 性 转速对应轴 传感器振动传感器静总数出静高电平高电平 质最大值止最大值止最大值最小值最大值 x 0 4 7 90 0 6 9 o 1 7 v4 3 v4 9 6 v y0 5 3 90 0 6 9 0 1 0 3 v2 5 8 v4 7 7 v x 0 4 6 90 0 8 9 o 3 1 3 v4 1 5 v4 8 3 v y0 5 1 90 0 8 9 0 1 3 v2 6 5 v4 7 9 v 6 0 f r a i n x o 4 4 90 0 0 6 9 o 1 4 v4 0 2 v4 7 9 v y0 5 3 90 0 0 8 9 o 0 7 4 v2 6 v4 5 5 v 钻 x 0 4 5 9o 0 8 9 o 2 9 2 v3 7 4 v4 8 0 v 井 y0 5 7 90 0 8 7 9 o 6 1 9 v2 6 5 v4 5 4 v 皿 x 0 5 0 9o 0 8 9 0 4 0 9 v4 2 v4 6 8 4 v y0 5 7 90 0 8 9 0 1 5 3 v3 0 l v4 6 6 v 口 x 0 6 3 9o 0 8 9 o 3 1 4 v4 3 v4 7 0 5 v yo 6 7 90 0 9 6 9 0 2 5 8 v3 8 9 v4 7 v 1 2 0 r m i n x 0 6 2 90 0 0 7 9 0 1 5 v4 2 7 v4 6 4 9 v y0 6 3 90 0 1 3 9 0 0 b y3 7 v4 6 1 4 v x 0 4 5 90 0 1 5 9 o 1 5 v3 7 4 v4 8 v y0 5 7 90 0 1 3 9 o 0 7 5 6 v2 6 5 v4 ，5 4 v y0 1 6 90 0 4 5 9 8 6 0 l m v0 2 6 5 v1 6 2 5 v l8 0 r m i n x o 0 4 90 0 3 3 5 9 1 6 2 7 m v1 5 2 7 m y15 9 4 5 m y 西安石油大学硕士学位论文 钻 2 5 0 r m i n y0 3 1 2 9 o 0 4 4 5 9 8 20 5 m v19 l v 4 ，0 9 v 床 x o 0 3 2 9 0 0 3 6 5 1 5 9 1 5 m vl4 9 5 5 m y 1 5 33 m v 3 0 0 r r a i n y0 3 3 7 9 0 0 0 9 9 7 5 7 5 m v1 8 2 v 4 6 l v x 0 0 5 8 9 0 0 0 3 9 1 5 0 1 5 m v1 5 3 6 m v 17 7 7 5 m y y0 8 3 5 9 0 0 5 4 5 9 9 0 m y 4 1 9 v4 3 5 v x 0 1 2 2 90 0 2 3 5 92 0 0 4 m v5 3 3 2 5 m y1 3 1 v 4 0 0 r r a i n y0 8 4 4 9 0 1 0 2 5 9 3 7 7 7 m v3 8 2 v 4 3 2 v x 0 1 0 9 5 90 0 5 5 9 2 1 4 2 m y5 8 7 2 5 r n v 1 3 9 5 v 3 2 2 传送信号波特率研究 f t 、惯性对比研究：当通过离合器和电机控制钻杆停止时，钻杆由于惯 性，缓慢停止，振动通道依靠钻柱转动和停止发送码元0 与1 ，所以惯性及 上升沿和下降沿的时间影响波特率的设置；( 1 ) 分析说明：振动通道实际发 送命令可用图3 - 2 形象表示。分别记录此8 个时间，与实际记录时间比较。 ( 2 ) 分析结论：钻床的惯性很小，人为操作停止时，钻床也会立即停止，从 数据看高电平时间与操作时间一致；钻井平台惯性较大，地面人为操作停止 时，从数据看，高电平还会再持续2 4 s 时间。 t 1 图3 _ 2 钻杆旋转信号最币 b 、上升沿对比研究：( 1 ) 分析说明：计算t 2 t 1 。钻床在低速时只记录 y 轴；( 2 ) 分析结论：表3 2 是钻井平台和钻床相似实验输出上升沿时间记录 表格。钻床上升沿很短，只有l o o m s 左右。钻井平台的y 轴上升沿长于x 轴上升沿，转速提高，信号上升沿时间增大。转速6 0 r m i n 时，x 轴上升沿 时间l s ，y 轴上升沿1 5 s 左右。转速提高到1 2 0 r m i n 时，x 轴上升沿时间 1 2 5 s 左右，y 轴上升沿时间2 s 左右。 表3 - 2 相似实验上升沿表格 性质转速对应轴上升沿时间 1 8 0 r m i n y 1 1 6 m s 2 5 0r m i n y 1 0 0 m s 3 0 0r m i n y 9 2 m s 钻床4 0 0r m i n y 8 4 m s x1 0 0 m s y 8 4 m s 西安石油大学硕士学位论文 x9 6 m s x5 4 0 m s y 1 5 s x9 2 0 m s 6 0 r r a i n y 1 2 8