CN102857194A - 钻井液连续压力波信号的频带噪声消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻井液连续压力波信号的频带噪声消除方法，采用自适应滤波器，以含有噪声的钻井液连续压力波信号作为自适应滤波器的期望信号，从同步信号中提取的载波作为滤波器的输入信号，根据误差信号的最小均方值来构建自适应滤波器算法。压力传感器检测钻井液的压力变化，计算机数据采集与处理***将压力传感器的电信号进行采样与量化变为数字信号，通过自动调整滤波器权系数矩阵，对数字信号进行自适应滤波处理，使自适应滤波器的输出值逼近于反映井下随钻测量信息的钻井液压力信号，实现钻井液连续压力波信号的频带噪声消除。

Description

钻井液连续压力波信号的频带噪声消除方法

技术领域：

本发明涉及一种油气钻井过程中的随钻测量/随钻测井上传信号的处理方法，特别涉及一种基于钻井液进行井下数据传输的钻井液连续压力波信号的频带噪声消除方法。

背景技术：

井下随钻测量/随钻测井（MWD/LWD）是一种在钻井过程中实时测量及传输井下信息的现代钻井辅助技术。钻井过程中，钻井液由地表通过钻柱被泵入井下，从钻头水眼喷出用于钻头的润滑和冷却并通过井壁与钻柱的环型空间向上返出井口，MWD/LWD工具安装在钻头上部的钻铤内，见附图1。在MWD/LWD工具中，安装在近钻头钻柱中的传感器获得测量数据并通过钻井液压力信息遥测***传输到地面，信息遥测通过对钻柱内的钻井液压力进行调制及压力波在钻柱中的传播来传输井下随钻测量/随钻测井数据。压力信息遥测通常采用基带压力脉冲或连续压力波来传输井下信息，其中连续压力波具有比基带压力脉冲高得多的井下信息传输速率，是压力信息遥测技术的发展方向；连续压力波信号主要有调制载波相位的钻井液压力相移键控（PSK）信号，包括钻井液压力差分相移键控（DPSK）信号和正交相移键控（QPSK）信号，信号频谱集中，具有频带传输的特点。钻井液连续压力波信号自井底向地面传输过程中会遇到很大的噪声干扰，噪声主要来自于钻头震动、井下动力钻具失速、钻柱屈曲等引起的压力波动，具有很大的随机性，由于频率较低，噪声频谱表现为限带高斯白噪声。尽管井下噪声源的频率不高，但由于钻井液连续压力波信号为一种频带信号，仍会有部分噪声进入信号频带，造成信号的信噪比严重降低，立管检测的井下压力信号含有相对幅度较大的随机压力噪声，且噪声与信号产生频谱混叠。目前的钻井液压力信号处理方法，如匹配滤波器法、自适应补偿法、小波分析法等主要针对传输速率较低的以基带方式传输的压力信号；而对于传输速率相对较高的钻井液连续压力波信号，上述钻井液压力信号的处理方法均无法有效消除已进入信号频带的噪声影响。

发明内容：

本发明的目的就是针对现有信号处理技术存在的缺陷，提供一种钻井液连续压力波信号的频带噪声消除方法。

本发明采用自适应滤波器来消除钻井液连续压力波信号的频带噪声。自适应滤波器是一种数字滤波器，由信号输入端、期望信号输入端、滤波器输出端、误差信号输出端、滤波器权系数矩阵和加法器组成，其中，滤波器的权系数矩阵的矩阵系数受控于误差信号。自适应滤波器通常用于处理无线电通信***的窄带信号，所谓窄带信号是指信号频带与载波的比值远小于1，频带内信号频率相对载波频率变化不大。而钻井液连续压力波信号作为一种机械调制信号，由于机械***惯性及压力信号在钻井液中传输，使其载波频率限制在很低的几十赫兹，其调制信号频带与载波的比值通常接近于1，是一种典型的宽带信号；为了应用自适应滤波器来处理钻井液连续压力波信号，本发明以含高斯噪声的井下信号为期望信号，从同步信号中提取的载波做为输入信号，期望信号与滤波器输出信号之差的均方值形成误差信号，自适应滤波器在误差信号作用下通过自适应地调整滤波器权系数矩阵的矩阵系数，使滤波器的输出信号不断逼近于期望信号；由于高斯噪声的均方值不为零，当误差信号为最小时，误差信号逼近于高斯噪声的均方值，此时滤波器的输出信号逼近于反映随钻测量信息的钻井液连续压力波信号。

自适应滤波器的权系数列矩阵W(n)是一个1×N维的权系数列矩阵，如果输入信号矩阵X(n)为N×1维行矩阵，则滤波器的输出信号矩阵Y(n)为一个1×1维矩阵，可以表示为一个多项式组成的输出信号

$Y\left(n\right)=W\left(n\right)X\left(n\right)=y\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\left(n\right)x(n-i)---\left(1\right)$

其中，w_i(n)为权系数矩阵W(n)的矩阵系数；x(n-i)为输入信号矩阵X(n)的矩阵系数，表示为输入信号的单位延迟采样值；n为离散变量。

设离散化的载波信号为x(n)=A_csin(ω_cn)，随钻测量信号引入的噪声为n_w(n)，滤波器的输出信号为

钻井液连续压力波信号为钻井液压力相移键控（PSK）信号s(n)=A_s sin[ω_cn-f(n)]，期望信号为d(n)=s(n)+n_w(n)，误差信号为e(n)=d(n)-y(n)，则误差信号的均方值为

$\mathrm{\ϵ}=E\left[e^2\left(n\right)\right]=E\left\{\right[s\left(n\right)-y\left(n\right){]}^2\}+E[n_w^2\left(n\right)]+2E\{n_w\left(n\right)[s\left(n\right)-y\left(n\right)]\}---\left(2\right)$

由于s(n)和y(n)分别与随机噪声n_w(n)不相关，因此2E{n_w(n)[s(n)-y(n)]}＝0。当误差均方值ε为最小时，必有E{[s(n)-y(n)]²}最小，因此有

$\min \mathrm{\ϵ}=\min E{\left[A_s\sin \right[{\mathrm{\ω}}_{c}n-f\left(n\right)]-\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\left(n\right)A_c\sin [{\mathrm{\ω}}_c(n-i)\left]\right]}^2+E\left[n_w^2\left(n\right)\right]$

则

$\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\left(n\right)A_c\sin \left[{\mathrm{\ω}}_c(n-i)\right]\→A_s\sin [{\mathrm{\ω}}_{c}n-f\left(n\right)]---\left(3\right)$

式（3）的物理意义为当误差信号均方值最小时，此时滤波器的权系数矩阵达到最佳，可以用载波某一时刻值A_csin(ω_cn)及N-1个过去时刻值A_csin[ω_c(n-i)]的加权线性叠加去逼近该时刻的钻井液连续压力波信号值s(n)=A_s sin[ω_cn-f(n)]，其中N为数字滤波器阶数。即可以利用

来重构钻井液连续压力波信号，此时滤波器的输出信号为

$y\left(n\right)=s\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i^{*}\left(n\right)A_c\sin \left[{\mathrm{\ω}}_c(n-i)\right]---\left(4\right)$

式（4）中，

为最佳权系数矩阵W^*(n)的矩阵系数。滤波器权系数矩阵W(n)的矩阵系数由式（5）确定

w(n+1)=w(n)+2μe(n)x(n)                （5）

在误差信号均方值达到最小，且满足

时，可得到最佳权系数矩阵W^*(n)。

式（5）中，μ为决定***稳定性和收敛速度的自适应步长因子。

式（4）和式（5）构成自适应滤波器算法，采用计算机进行压力信号的数据采集与处理。其中，钻井液连续压力波信号的重构依据式（4）来实现，由于重构信号中已无噪声，从而达到消除钻井液连续压力波信号频带噪声的目的。

本发明的有益效果是：采用自适应滤波器来消除钻井液连续压力波信号的频带噪声影响，提高信号的信噪比，为进一步的信号处理及信号解调奠定基础，达到降低数据传输的误码率及增加钻井液压力信号传输距离的目的。

附图说明：

图1是现有技术中包含有随钻测量/随钻测井工具及钻井液压力信号检测与处理的钻井装置示意图。

图2为本发明的自适应滤波器结构示意图。

图3是本发明计算机数据采集和处理软件框图。

图4a是本发明中10位二进制码元的钻井液压力DPSK原信号的波形仿真图。

图4b是本发明中钻井液压力DPSK原信号混入噪声的波形仿真图。

图4c是本发明中自适应滤波器输出的DPSK信号波形仿真图。

图4d是本发明中自适应滤波器输出的DPSK信号再经过普通带通滤波器后的信号波形仿真图。

图5a是本发明中10位二进制码元的钻井液压力QPSK原信号的波形仿真图。

图5b是本发明中钻井液压力QPSK原信号混入噪声的波形仿真图。

图5c是本发明中自适应滤波器输出的QPSK信号波形仿真图。

图5d是本发明中自适应滤波器输出的QPSK信号再经过普通带通滤波器后的信号波形仿真图。

图中：1-钻井液、2-地表、3-钻柱、4-钻井液泵、5-钻头、6-环形空间、7-地层、8-钻井参数及地层参数测量装置、9-钻井液连续压力波信号发生器、10-压力传感器、11-信号处理装置、12-钻铤、13-钻井液罐、14-期望信号输入端、15-滤波器输入端、16-滤波器权系数矩阵、17-加法器、18-误差信号输出端、19-滤波器输出端。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例来进一步描述本发明。

图1所示为现有的包含有随钻测量/随钻测井工具及钻井液压力信号检测与处理的钻井装置。钻井液罐14中的钻井液1通过地表2的钻井液泵4注入地层7的钻柱3中，到达钻柱3底端的钻头5，从钻头水眼流出后通过钻柱3与地层7之间的环形空间6返回至地表2，图中箭头表示钻井液1的流动方向。在钻柱3中靠近钻头5的钻铤12中放置仪器，钻铤重量大于其它钻柱，整个钻柱对钻头5施加足够的钻压用于钻进地层7。安装在钻铤12中的钻井参数及地层参数测量装置8用于监控钻井操作及评估地层的物理特性。

为了在钻井液中产生压力波动及通过钻井液传输井下数据，一个钻井液连续压力波信号发生器9安装在钻铤12的上部，钻井液压力信号通过钻柱上传至地面，经过安装在立管上的压力传感器10检测并送入信号处理装置11进行信号处理。

如图2所示，来自井下含有噪声的钻井液连续压力波信号接入期望信号输入端14，从同步信号中提取的载波接入滤波器的输入信号端15，载波通过与滤波器权系数矩阵16相乘得到输出信号，从滤波器输出端19输出，输出信号反相后再与期望信号输入端14的信号相加形成误差信号，从误差信号输出端18输出的误差信号再送入滤波器权系数矩阵16自动调整矩阵系数。

本发明所提出的钻井液连续压力波信号的频带噪声消除方法，按如下技术方案实现：

采用自适应滤波器消除钻井液连续压力波信号频带内噪声的影响，以含有噪声的钻井液连续压力波信号作为自适应滤波器的期望信号，从同步信号中提取的载波作为滤波器的输入信号，根据误差信号的最小均方值来构建自适应滤波器算法，在误差信号作用下通过自动调整滤波器权系数矩阵的矩阵系数，使自适应滤波器的输出值逼近于反映井下随钻测量信息的钻井液压力信号，达到消除信号频带内噪声的目的。

参照附图1，压力传感器10检测钻井液1的压力变化，信号处理装置11为计算机数据采集与处理***，采用的信号处理方法为本发明的自适应滤波法。

参照附图2，期望信号为来自于井下含有噪声的钻井液连续压力波信号，滤波器输入信号为载波，通过式（4）和式（5）构成的自适应滤波器算法将载波按时间抽样形成行输入矩阵，行输入矩阵与滤波器权系数列矩阵16相乘得到输出信号，输出信号与期望信号反相相加形成误差信号，误差信号送入滤波器权系数列矩阵16，以误差信号的最小均方值来自动调整滤波器权系数列矩阵16的矩阵系数；如此周而复始的运算直至误差信号最小为止，此时滤波器的输出将逼近于反映井下随钻测量信息的钻井液连续压力波信号，而信号频带内的噪声被极大地抑制或消除。

图3中，计算机根据式（4）和式（5）构成的自适应滤波器算法进行反复迭代运算得到滤波器的最佳权系数矩阵，由最佳权系数矩阵的矩阵系数与载波信号离散采样值乘积的线性叠加来重构钻井液连续压力波信号。

图4a中，钻井液压力DPSK原信号的调制数据编码为[1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]，载频20Hz，幅度1Pa。

图4b中，高斯白噪声均方值为0.5Pa，钻井液压力DPSK原信号混入高斯白噪声后，信号的功率信噪比为1，噪声进入信号频谱使信号波形难以分辨。

图4c中，经过自适应滤波处理后，信号信噪比提高到26，频带内噪声基本被消除，残余的信号噪声主要来自于频带外，可以通过普通的带通滤波器进一步消除。

图4d中，经过自适应滤波和带通滤波器处理后，频带外噪声被完全清除，只是钻井液压力DPSK信号的波形稍微有些失真，失真度为11%，但信号受码元调制的变化规律与附图4a中的原信号一致，信号得到较好恢复。

图5a中，钻井液压力QPSK原信号的调制数据编码为[0 0 0 1 1 0 1 1 0 0]，载频20Hz，幅度1Pa。

图5b中，高斯白噪声均方值为0.5Pa，钻井液压力QPSK原信号混入高斯白噪声后，信号的功率信噪比为1，噪声进入信号频谱使信号波形难以分辨。

图5c中，经过自适应滤波处理后，信号信噪比提高到24，频带内噪声基本被消除，残余的信号噪声主要来自于频带外，可以通过普通的带通滤波器进一步消除。

图5d中，经过自适应滤波和带通滤波器处理后，频带外噪声被完全清除，只是钻井液压力QPSK信号的波形稍微有些失真，失真度为7%，但信号受码元调制的变化规律与附图5a中的原信号一致，信号得到较好恢复。

Claims (1)

1.一种钻井液连续压力波信号的频带噪声消除方法，其特征是：采用自适应滤波器，以含有噪声的钻井液连续压力波信号作为自适应滤波器的期望信号，从同步信号中提取的载波作为滤波器的输入信号，通过式和式w(n+1)=w(n)+2μe(n)x(n)构成的自适应滤波器算法将载波按时间抽样形成行输入矩阵，式中，

为最佳权系数矩阵W^*(n)的矩阵系数，μ为决定***稳定性和收敛速度的自适应步长因子，行输入矩阵与滤波器权系数列矩阵相乘得到输出信号，输出信号与期望信号反相相加形成误差信号，误差信号送入滤波器权系数列矩阵，以误差信号的最小均方值来自动调整滤波器权系数列矩阵的矩阵系数；如此周而复始的运算直至误差信号最小为止，此时滤波器的输出值将逼近于反映井下随钻测量信息的钻井液连续压力波信号，而信号频带内的噪声被极大地抑制或消除。

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