高速随钻遥传系统解调效果影响因素分析

张 爽

（中海油田服务股份有限公司，三河 065201）

泥浆脉冲随钻数据传输是随钻数据上传至地面的主流方式[1-2]。采用摆动阀式脉冲发生器可以发出连续型泥浆脉冲，实现3～12 b·s-1甚至更高的数据传输速率[3-4]。该高速数据传输系统具有低通性，同时由于井场环境中的外源性，不确定性噪声较多，因此解调效果受多种因素影响。

1 解调效果影响因素分析方法

压力波信号经过滤波、消噪、同步、均衡判决几个步骤[5]得到输出结果，算法流程如图1所示。

在现场解调系统应用时，所解得的数据应与井下上传的测井数据一致。但是，现场无法读取测井仪器的内存数据，即无法通过直接方法来计算解调误码率。因此，需要引入其他参考参数侧面反映解调效果。针对上述问题，本文提出功率谱、同步峰值和参考误码率3种参考参数。

1.1 功率谱

功率谱是功率谱密度函数的简称，定义为单位频带内的信号功率。它表示信号功率随频率的变化情况，即信号功率在频域的分布状况。功率谱曲线一般横坐标为频率，纵坐标为功率。

功率信号f(t)在时间段t∈[-T/2,T/2]上的平均功率可表示为：

如果f(t)在时间段t∈[-T/2,T/2]上可以用fT(t)表示，且fT(t)的傅里叶变换为FT(ω)=F[fT(t)]，其中F[]表示傅里叶变换。当T增加时，FT(ω)和|FT(ω)|2的能量增加。当T→∞时，fT(t)→f(t)，此时|FT(ω)|2/2πT可能趋近于一极限。若此极限存在，则其平均功率可以用频域表示，即：

定义|FT(ω)|2/2πT为f(t)的功率密度函数，简称功率谱，表达式为：

1.2 同步峰值

同步峰值是同步信号处理结果峰值。该峰值与非峰值差距越大，同步检测效果越好，同时侧面反映信号质量越优良。因此，可通过峰值与非峰值的差异程度判断信号质量。差异越大，信号质量越佳。

1.3 参考误码率

条件允许时，可以直接对比解调数据与原始发送数据计算误码率，也可通过校验机制间接计算误码率。后者得到的误码率并非精确值，但可以用于判断解调效果。

2 解调效果影响因素分析及处理方法

2.1 信道噪声及处理方法

2.1.1 低通特性

随钻泥浆传输信道具有低通特性，因此在信号调制方式设计时应减少采用高频信号或含有较多高频分量的信号作为载波信号。

2.1.2 钻头及变径反射

在仪器应用过程中可发现，泥浆脉冲信号强度和波形质量并非单纯地与频率反相关。推测是钻头反射、仪器内部变径反射等因素导致传输至地面的信号存在码间串扰的问题。这类问题可从两方面予以解决：一方面，可以在仪器结构方面通过减少仪器内部变径、调整脉冲发生位置距离钻头的距离等方法减少信号反射干扰；另一方面，可以在解调算法方面针对码间串扰问题在解调算法中加入均衡器，消除码间串扰对解调判决的影响。

2.1.3 涡发噪声

仪器串中含有涡轮发电机，涡轮发电机的叶轮在泥浆带动下高速旋转。经过多次试验及作业，针对675型仪器一般采用中排量导轮和中低排量涡轮，最佳工作区为1500～2020 L·min-1，对应涡发转速一般在2800～6200 r·min-1，此时现场并未对解调效果产生影响。经分析发现，涡发旋转噪声属于高频噪声，在有效信号频带外对信号影响较小。此外，试验表明，涡发连接在脉冲器的上游或下游均对解调没有影响。

2.1.4 信道频率选择特性

在多次作业中可发现，每一口井的泥浆传输信道都具有相对稳定的噪声频带和衰减频带，可以通过时频功率谱密度评判各频率的信道传输特性。以时间为横轴，以频率为纵轴，以颜色表示功率谱密度值，可以绘制功率谱密度图。以中原某页岩气井作业信号段1为例，该段信号时频功率谱密度如图2所示。

图2中0～10 s脉冲器未动作，可视为系统噪声。此时，泵冲频率单冲约为1.13 Hz，三冲约为3.40 Hz，且其二次、三次谐波均具有较强能量，在24 Hz、28 Hz 附近具有高能量谱线。第10～30 s内发送了一段0～40 Hz频率线性连续变化的扫频信号，可观察到12 Hz及30 Hz附近存在功率谱低值带，可认为该传输信道对这两个频带的信号有较强的衰减作用。

在选择载波频率时，应使有效信号频带避开信道噪声频带和衰减频带。针对本例12～24 Hz区间噪声能量较小且信号衰减较小，可在该频带范围内选择信号载波频率。本文选择18 Hz作为载波频率，采用相移键控调制方式，50～100 s为发送信号的时间段，可见信号频带恰好处于信道噪声较少的频带范围内。经现场作业验证，在当前噪声背景下采用该种调制方式取得了较好的解调效果。

2.2 泵噪声及处理方法

在泥浆脉冲随钻数据传输系统中，泵噪声一般具有幅值大、波形不规则但周期性较好的特点。但若泵噪的周期浮动，会间接导致立管压力浮动，进而影响解调效果。以山西某页岩气井作业数据段2为例，该段数据前半段泵冲频率稳定，立管压力稳定，后半段泵冲频率波动约为0.1 Hz，立管压力随之波动，采用相同解调算法和解调参数配置，统计解调误帧率如表1所示。该误帧率计算方法为检测每一帧尾校验位，若校验不通过，判定为误帧。

表1 误帧率统计表

针对存在泵冲频率波动的泵噪，可通过调整消噪参数削弱其对信号质量的影响来提高解调正确率。

2.3 采集噪声及处理方法

在井场环境中，可观察到时频功率谱密度图中有时会出现异常高能量频率带。以中原某页岩气井数据段2为例，如图3所示，25 Hz处高能量谱线，18～13 Hz高能量谱线，5 Hz以下多条高能量谱线。

通过调整线缆与某些设备或供电线缆间的距离可发现，该噪声得以增强或削弱，推测是井场存在多种机械设备、线缆的屏蔽能力限制等因素所导致。这样的噪声位于信号频带范围内，能量较大，严重影响信号质量。若通过软件方法进行消噪处理会同时削弱有效信号能量，造成无法解调的问题。

通过在现场配置光纤及电缆两套地面传输系统进行对比发现，光纤传输质量优于电缆传输质量。因此，处理由采集系统侵入的环境噪声，可采用以下方法：

（1）在传输线缆上加装抗干扰磁环，在数据采集箱中加入隔离栅等物理方法避免高频噪声的侵入；

（2）在解调系统中添加低通滤波器滤除已侵入的高频噪声；

（3）在钻台上，离压力传感器较近的地方设置电信号采集箱及处理装置；将电信号转换为光信号，通过光纤将信号传输至工房的二级信号采集系统，从而减少信号通过电缆传输的距离，避免电噪声的侵入干扰。

2.4 信号处理参数对解调效果的影响

解调参数配置会直接影响消噪效果。泵冲频率频繁波动时，时域消噪算法因其具有延迟特性，难以及时跟踪泵冲频率变化，因此消噪效果较差。若选用频域消噪算法，可取得更好的消噪效果。以中原某页岩气井作业数据段3为例，该段数据时域信号如图4所示，泵冲频率曲线如图5所示。采用两组离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）消噪参数对该段信号消噪，第1组参数为（A=10 dB，Δf=0.10 Hz，B=0.10 Hz）；第2组参数为（A=30 dB，Δf=0.25 Hz，B=0.25 Hz）。其中：A表示DFT消噪的衰减系数；Δf表示DFT消噪的频率分辨率；B表示DFT消噪的带宽。两组参数消噪后的带内信号分别如图6（a）、图6（b）所示。

从图6可以看出，泵冲频率的突变与带内信号的干扰强度相关。该段信号采用第二组消噪参数效果明显优于第一组参数，但始终无法消除跳变边沿处的干扰。这是因为泵冲频率突变的时候DFT消噪算法需要一定的反应时间，也是DFT变换的时间和频率分辨率在理论上相互矛盾造成的。

对两组消噪结果分别通过m序列相关法计算同步峰值，可得到帧同步信号如图7（a）、图7（b）所示。可见，加大DFT消噪算法对泵噪分量的抑制力度可以明显改善帧同步的检测。

3 结语

泥浆脉冲随钻数据传输解调效果受多重因素影响。针对可避开的噪声信号，可采取合理避让或限波滤除的方式消除影响。针对无法避开的噪声信号，可通过参考信息对影响因素进行评估。需要注意，实际信号含有多重干扰，单一影响因素的影响程度仅可作为参考。