随钻测量系统信号测量的关键技术研究

摘要

石油天然气是一个国家重要的能源和战略物资，关系到一个国家的生产和日常生活，更关系到国家的安全。随钻测量(MWD,MeasurementWhileDrilling)系统是综合了钻井、测井、计算机信号处理、数学建模、电路设计、机械加工、自动控制等多学科的一种高新技术，是石油、天然气开采中进行定向钻井必不可少的测量系统。
　　随钻测量是在总结了虹吸测斜仪、照相测斜仪和电子单、多点测斜仪的优、缺点的基础上，通过不断改进发展起来的，同时又是随钻测井(LWD,LoggingWhileDrilling)和旋转导向技术的基础。随钻测量系统属于智能控制系统中的一种，包括信号测量、信号传输及机械控制三大模块，涵盖软件系统、电子元器件和机械加工等方面。本文以系统模块的划分为线索。首先对随钻测量系统的信号测量原理及其测量误差进行了分析并提出校正方法。然后针对泥浆脉冲信号传输技术中去除噪声信号的问题，提出了一种基于脉冲编码的小波变换去噪及信号提取算法，可以有效的恢复原始信号。最后对于机械控制部分、系统结构及系统使用做了简单的介绍。论文的主要研究内容是MWD系统中信号测量的误差校正方法和泥浆脉冲信号的去噪及信号提取方法研究。
　　MWD系统中信号的测量是利用地球重力场和磁场，通过使用三轴的重力传感器（MEMS加速度计）和三轴的磁传感器（磁通门磁力计）测量探管在井下时的重力加速度分量和磁场强度分量，并转换成电流信号，经过模数转换后，计算出井斜、方位等参数。为了能够准确地测量出井下参数信息，需要保证传感器安装的准确，同时保证传感器在任何状态下都工作正常。然而，测量仪器在实际生产中肯定存在着一定的误差，这些误差主要包括由于在传感器安装时相互之间非正交的安装误差，以及微电子传感器（MEMS）由于温漂现象带来的测量误差，即在同一个姿态下由于温度不同导致传感器输出值不同的问题。因此信号测量中的一个关键问题是消除误差或者把误差降到尽可能的小，本文提出基于传感器的角差补偿算法来校正安装误差（三轴传感器相互之间非正交和测量坐标系与大地坐标系不重合）和温补曲线拟合法校正测量误差（MEMS温漂现象），并结合实际生产总结出一套操作简单快速的误差校正方法及实现流程。
　　对于泥浆脉冲信号中的噪声问题，本文首先介绍了泥浆脉冲传播技术的基本原理。然后讲解了脉冲编码的规则。由于泥浆脉冲信号受到噪声干扰，所以根据油田钻井中的实际情况，通过压力传感器采样并记录泥浆脉冲信号的原始波形数据，再分析噪声类型之后，利用matlab做信号仿真模拟实验，比较几种滤波方法对噪声信号的去噪效果。最后，应用小波变换方法来去除实际信号中的噪声信号，同时结合脉冲编码的先验知识对滤波后的信号进行波形整形，并解码还原数据。
　　在论文的最后，首先总结了随钻测量系统的测量原理。然后，介绍了MWD系统硬件相关设备及其产品实体图。最后，简要展示了MWD系统的软件实现框架与基本界面。

目录

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英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外无线随钻现状及问题

1.3 本论文主要工作

1.4 本文的内容安排

2 MWD测量原理及误差校正

2.1 MWD测量原理

2.2 传感器误差分析及校正

2.3 传感器误差补偿

2.4 测量误差校正流程

2.5 本章小结

3 泥浆脉冲信号去噪及信号提取

3.1 泥浆脉冲信号传输技术

3.2 泥浆脉冲信号

3.3 泥浆脉冲信号去噪

3.4 小波去噪

3.5 基于脉冲编码的信号提取

3.6 脉冲解码

3.7 对比实验

3.8 本章小结

4 系统实现

4.1 MWD系统的结构

4.2 MWD系统硬件的模块

4.3 MWD系统的软件模块

4.4 本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献

附 录