随钻地层压力测量系统下传指令接收装置研制*

宗艳波 王 磊 柯 珂 孙明光

(1. 中国石化石油工程技术研究院 北京 100101； 2. 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室 北京 100101)

随钻地层压力测量系统下传指令接收装置研制*

宗艳波1，2王 磊1，2柯 珂1，2孙明光1，2

(1. 中国石化石油工程技术研究院 北京 100101； 2. 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室 北京 100101)

宗艳波,王磊,柯珂，等.随钻地层压力测量系统下传指令接收装置研制[J].中国海上油气，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.

为了从地面控制随钻地层压力测量系统，研制了一套基于钻井液脉冲的下传指令接收装置。该装置通过测量管柱压力和钻铤转速，采用互相关算法提取压力脉冲信号的上升沿和下降沿位置，实现了对钻井液脉冲的指令接收和解码。数值试验表明，互相关算法是提取钻井液脉冲压力信号上升沿和下降沿的有效算法，通过将钻铤零转速作为接收下传指令的前置条件，软件自动调用解码算法，降低了误码风险。室内试验和现场试验结果表明，所研制的装置解码算法简单实用，具有高可靠性、低误码率的特点，能够满足随钻地层压力测量系统的实际需求。

随钻地层压力测量； 指令下传； 解码接收；互相关算法

在随钻地层压力测量系统中，下传指令接收装置负责接收地面指令，完成仪器参数配置和启动控制，是在地面控制井下仪器工作的关键部件。在地面信号指令下传中，调整钻井液排量实现脉冲宽度和数量的调节是主要方式，该方法尽管速度慢，但适应范围广，信号可靠，目前已得到广泛认同。在井下钻井液脉冲信号接收和解码算法方面，信号源可以取钻井液流量信号[1]、管柱内压力信号[2]、管柱内外压差信号[3]，也可以取与流量变化一致的涡轮电机转速信号[4-7]，由于指令编码方式不同，脉冲边沿提取算法不同等，目前尚无统一结论。

脉冲信号边沿提取算法是指令解码的关键，仍是当前指令下传接收领域的研究热点。Finke等[2]利用互相关算法提取了钻井液负脉冲下降沿位置，其解码算法未考虑上升沿；李峰飞 等[7]考察了钻井液脉冲信号上升沿和下降沿时间；赵琦 等[8]以正常电压值的40%～80%为阈值统计负脉冲时间，属于直接阈值比较；汤楠 等[9]对比前后两段数据的自相关程度，建立了基于信号相似性的下传信号处理方法；Sugiura[10]利用管柱内外压差信号测量开停泵信号；Krueger等[11]提出动态阈值法用于检测信号跳变沿。此外，李建勋 等[12-13]采用小波熵法、小波阈值法，赵建辉 等[14]利用非线性“平顶消除”的方法，涂兵 等[15]采用聚类算法对钻井液脉冲上传信号进行了研究，但由于钻井液脉冲信号下传过程不完全等同于信号上传过程，上传信号处理算法较为复杂，上述方法不适用于下传指令接收系统。

为满足随钻地层压力测量系统对于地面指令下传的特殊需求，笔者在对几种压力脉冲指令接收算法进行对比的基础上，研制出一套随钻地层压力测量系统下传指令接收方法和装置，接收方法软件部分由钻井液脉冲解码软件和转速计算两部分组成，装置硬件电路由管柱压力测量和转速测量电路组成。所研制的装置在室内试验和现场试验中均取得了良好的试验结果，可满足随钻地层压力测量系统的实际需求。

1 钻井液脉冲下传信号的接收与解码

随钻地层压力测量系统结构如图1所示，主要由测量探头、电机与液压系统、抽吸活塞、中控模块和数采模块及蓄能器等构成。通过测量探头建立与地层流体的联系通道，在中控模块和液压系统的配合下实现探头的推靠、抽吸、测量、回收等动作，实现随钻测量地层孔隙压力的目的。指令接收装置由压力传感器、转速传感器、数采电路和中控模块的软件程序组成，负责完成地面指令的接收和解码。

图1 随钻地层压力测量系统结构示意图

1.1 指令下传与接收原理

完整的地面指令下传系统主要包括地面指令下传装置、地面控制系统和井下信号接收装置等3部分，其中地面指令下传装置大都采用调整泥浆泵的泵冲(也可由地面控制系统控制旁通阀进行泄压)，实现钻井液流量调整的目的，而井下信号接收装置主要包括信号测量模块和信号解码算法两部分。

当以钻井液脉冲信号进行下传指令时，为了避免井下仪器的误动作，将多个脉冲按顺序组成指令帧，常见组合是钻井液脉冲三降三升形成的编码方式，具体指令码由脉冲持续时间的长短确定。设钻井液循环等效水力系数为k，钻井液排量为Q，则所测井下管柱压力为p=kQ2，假设泄压前后的钻井液排量分别为Q1和Q2，则Q1>Q2,理想情况下，由于钻井液排量不同引起的井下管柱压力差，即井下压力变化幅度为

(1)

图2为井下管柱压力信号接收原理图。当默认状态为开泵时，降排量形成的压力脉冲为负脉冲；当默认状态为停泵时，正常循环所对应的压力脉冲则形成压力正脉冲。用0和1分别代表脉冲信号的高低，在理想情况下，令阈值pt= (p1+p2)/2，将所测压力信号与阈值进行比较，形成以p1为高电平1、以p2为低电平0的脉冲信号序列。以图2为例，假设脉冲的最短时间间隔要求为0.5 min，则三降三升形成的信号可以解读为一组下传指令，改变脉冲的宽度时即可形成不同的下传指令。对于随钻地层压力测量系统来说，为了保证井下安全，当钻铤静止时才允许下传指令。

图2 下传信号接收原理图

根据三降三升的波形编码规则的不同，主要有两类编码算法：一类是将下传指令分为命令帧和数据帧，此类编码要求将第一个脉冲规定为命令帧的帧头，后续脉冲定义为数据帧，只有当出现命令帧的时候才进行后续数据帧的信号高低电平辨识和解码；另一类是不区分帧类型，将全部脉冲作为一组指令进行编码，将负脉冲定义为0，正常排量定义为1，形成由0和1组合构成的命令数据。 对图2所示压力负脉冲形成的指令，如定义30 s为一个脉冲宽度，则按照前一种指令定义，可解释为1010数据指令，若按后一种定义，应解释为01010数据指令。不论有无命令帧帧头，两种编码算法实质一样。

1.2 边沿提取算法

不同于地面指令发送过程，指令接收解码过程必须考虑井下压力信号在各种工况下的表现。在钻井液正常循环时，井下压力信号基本是一条直线；在发送地面指令时，井下压力信号在固定的时间段内出现三降三升的波形；而其他事件引起的波形变化不能被认为是指令，如单次开停泵操作会引起井下压力信号一降一升以及存在干扰等其他形式的信号波形。因此，解码算法的关键是提取有效的三降三升压力信号的边沿位置。由于压力负脉冲信号只有两种信号形式分别是0和1，为提取有效的压力负脉冲信号边沿位置，其实质是进行准确的二值分类，需要选择合适的边沿提取算法。固定阈值法是一种常用边沿提取算法，但由于泵排量不固定，固定阈值法缺乏灵活性，不能适应现场需要。聚类算法在二值分类算法中具有一定优势，但是其计算过程复杂，计算量很大，不适于井下微处理的实时性要求。

互相关算法用于计算两种信号之间的相关程度，由于压力负脉冲的目的是形成方波信号，可以预期采用方波信号与所测压力信号进行互相关计算，两种信号在所测压力信号跳变沿位置的相关性最大，在压力信号没有跳变沿时的相关性最小。基于上述思想，设计互相关算法的方波信号如下：

(2)

式(2)中N与原始信号的脉宽有关。N太大时，会导致计算结果的尖脉冲太宽，而且幅值不够大；N太小时，计算结果的噪声太大。假设当压力信号的采样频率为5 Hz，脉宽定义为30 s时，N为150。

互相关算法的计算公式如下：

(3)

式(3)中p为所测压力信号时间序列。互相关计算完成后，采用正负峰值查找法即可确定上升沿和下降沿的位置，从而完成开停泵序列的重建，解决指令解码的关键问题。

实际计算时，须首先对测量信号进行滑动平均滤波和归一化。为便于查找互相关计算的峰值及其位置，有必要将互相关计算结果归一化到[-1,1]之间，并将幅度小于0.5的相关计算结果归0处理。由于负峰值对应原始信号下降沿，而正峰值对应原始信号上升沿，分别提取负峰值和正峰值的位置即可确定原始信号的下降沿和上升沿的位置。在查找峰值时，为避免干扰信号的影响，须注意剔除2个相邻很近的局部极大值或局部极小值。实际计算中，剔除宽度可取脉冲脉宽与采样率乘积的一半。

图3a、图4a、图5a、图6a为数值试验所用的3.5 min时间内的原始压力信号，为了真实反映压力脉冲信号的干扰和边沿过渡过程，设定原信号的信噪比为过渡过程10 s时30、20、15、10 dB。图3b、图4b、图5b、图6b为将仿真的原始压力信号进行滑动平均滤波后再进行归一化的结果，可以看出，信噪比较高时归一化结果与理论信号波形基本一致，信噪比降低时归一化结果与理论信号波形的一致性越来越差。图3c、图4c、图5c、图6c为采用公式(2)和(3)进行互相关计算得到的相关结果。多次计算发现，当信噪比大于20 dB时，互相关算法能够快速准确的计算出压力脉冲信号的上升沿和下降沿；当信噪比降低到15 dB时，互相关算法偶尔能够恢复出准确的脉冲边沿；当信噪比继续降低到10 dB时，难以恢复出准确的脉冲边沿。这表明互相关算法可以用于信噪比高于20 dB的条件下。

图3 信噪比为30 dB时的信号计算结果

图4 信噪比为20 dB时的信号计算结果

图5 信噪比为15 dB时的信号计算结果

图6 信噪比为10 dB时的信号计算结果

1.3 钻铤转速监测

对于随钻地层压力测量系统来说，一定要保证探头推靠和回收等动作执行时系统整体处于绝对静止状态，不允许钻铤旋转，因此必须实时监测钻铤转速。磁通门传感器常与加速度计组合用于姿态测量，也可用于转速测量。由于磁性工具面角能够表征钻铤的旋转角度位置，可由磁通门在探管截面上X轴和Y轴信号分量和的反正切函数计算得到，钻铤旋转时磁性工具面角的差分值与旋转速度成正比。设磁工具面角为Tm，则

Tm=-arctan(By/Bx) 0≤Tm<2π

(4)

式(4)中Bx、By分别是磁通门在探管截面上X轴和Y轴信号分量。设钻铤转速为v，则

v=diff(Tm)=ΔTm/Δt

(5)

图7 为使用磁通门信号进行转速测量的计算过程。在实际使用中，需要根据钻铤转速范围合理选择Δt。地层压力随钻测量系统要求测量的转速范围较低，因此要选择一个较小的Δt，如10 ms。

图7 使用磁通门信号计算的钻铤转速

2 下传指令接收装置研制

2.1 硬件组成

所研制的随钻地层压力测量系统下传指令接收装置硬件部分主要由压力传感器、磁通门传感器、温度传感器及测量电路、微处理器和机械结构组成，主要分布在图1中的中控模块、数采模块和本体结构中，其中管柱压力测量模块主要由压力传感器、信号调理电路、AD转换电路组成。压力传感器采用应变式压力传感器，特点是体积小，精度高，使用灵活方便。应变式压力传感器的输出信号为mV级的信号，调理电路如图8所示。应变式压力传感器输出的是两路共模信号，经过双端变单端信号调理和运算放大获得0～10 V的标准信号。将压力信号、磁通门信号和温度传感器的输出信号一起送到数据采集单元，在DSP微处理器的控制下完成数据采集。

图8 压力调理电路

2.2 软件编程

所研制的随钻地层压力测量系统下传指令接收装置软件部分由钻井液脉冲解码软件和转速计算两部分组成。在DSP微控制器完成必要的初始化后，进入指令下传模块监测程序，具体程序流程图如图9所示。软件解码程序由定时器的周期中断启动。定时器的周期与下传指令的脉宽有关，周期太短会浪费控制器资源，周期太长会影响解码的准确性。本文使用的定时器周期与脉冲时间一致。

图9 监测系统流程图

进入中断后，首先执行钻铤转速子程序进行钻铤转速计算，然后判断钻铤转速是否为零。这是因为随钻地层压力测量仪器具有伸出机构，必须确保钻铤静止不动，才能保证仪器安全可靠工作。如果判断钻铤静止不动，即转速为零，则调用下传指令解码子程序，执行采集、滤波、互相关、正负峰值位置检测，压力脉冲信号恢复，与设定好的地面开停泵序列编码进行对比，完成下传指令解码。如果判断钻铤转速不为零，表示随钻地层压力测量仪器不能进入工作状态，将钻铤转速信息返回主程序，提示主程序不能执行下传指令动作。

3 试验评价

在完成软硬件设计、机械装配和调试的基础上，分别在室内模拟井和现场进行了下传指令接收试验。室内试验在胜利油田钻井井下工具实验室开展，将仪器串放入模拟井筒，一旦收到地面发送的钻井液压力脉冲信号后，井下仪器自动记录下传指令接收成功次数，仪器出井后再通过数据回放检查下传指令接收是否成功。图10为模拟井入口压力变化记录，共进行了3次压力脉冲指令下传。图11为其中一次压力脉冲指令。本次试验脉冲宽度为1 min。仪器出井后数据回放结果表明，井下指令接收装置成功接收到3次指令下传。需要注意的是，由于在停泵模式下地层压力的测量结果更准确，因此在图10和图11的室内测试中都将停泵状态视为默认状态，所以测量结果与图2略有差异，这不影响指令接收算法的使用。

图10 室内试验井口压力变化总图

图11 压力变化形成的脉冲指令

随后在胜利油田商8-斜112井的1 258、1 347 m处进行了5次地面指令下传试验，仪器出井后数据回放结果表明，井下指令接收装置成功接收到4个下传指令。分析图12所示的井下管柱压力数据，发现由于第一组指令的脉冲时间间隔超出了规定的时间间隔，导致井下接收装置未识别出第一组下传指令，而其余4组指令全部成功识别。这表明，所研制的井下指令接收装置具有高可靠性、低误码率的特点，能够满足随钻地层压力测量系统的实际需求。

图12 现场试验井下管柱压力记录数据

4 结论

地面指令下传接收装置通过测量管柱压力和钻铤转速信号，采用互相关算法进行解码，实现了对钻井液脉冲指令的解码和接收，达到了从地面控制随钻地层压力测量系统工作的目标。仿真试验数据表明，在信噪比大于20 dB条件下，互相关算法可以有效提取压力脉冲的上升沿和下降沿。同时，地面指令井下接收装置以转速测量作为下传指令接收的前置条件，建立了自动调用解码算法的决策函数，降低了指令误码风险，实现了下传指令接收的准确性和系统工作的可靠性。试验结果表明,该装置的解码算法简单实用,具有高可靠性、低误码率的特点，能够满足随钻地层压力测量系统的实际需求。

符号说明

p、p1、p2、Δp—压力信号，MPa；

Q1、Q2—钻井液排量，L/s；

k—系数；

B—方波信号；

n—方波信号变量；

N—方波信号长度；

RpB—互相关函数输出；

m—互相关函数变量；

Bn*—互相关函数的基信号；

Tm—磁工具面角，rad；

Bx、By—分别在x轴和y轴上的磁信号强度，nT；

v—钻铤转速，r/min；

t—时间，s。

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(编辑：孙丰成)

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

*中国石油化工集团公司科技部项目“地层压力随钻测量系统研制与应用(编号：P14116)”部分研究成果。

宗艳波，男，高级工程师，2009年毕业于天津大学电气与自动化工程学院，获博士学位，主要从事随钻测量及井下仪器研发工作。地址：北京市朝阳区北辰东路8号北辰时代大厦701室(邮编:100101)。E-mail:zongyb.sripe@sinopec.com。

TE271； TE927

A

2016-02-23 改回日期：2016-03-25