井下随钻测量系统连续压力波BPSK信号传输特性的研究

摘要

随钻测量(MWD)是一种在钻井过程中实时测量井下地层信息和遥测钻井的现代钻井技术。随钻测量技术通过在钻头附近测取与钻井过程有关的井下信息，在不中断正常的钻进操作情况下将信息传送到地面，供现场技术人员进行实时分析并指导正确的钻井操作。随钻测量的泥浆信道遥测技术是用井下测量数据去控制压力阀产生压力脉冲，并通过钻柱中钻井液传递到地面，在地面被解调后得到测量数据。在国外，传统的依据基波传输的压力脉冲传输方式已被载波方式所取代，压力信号的载波传输通常采用二进制相移键控法(BPSK)进行数据调制，利用一个载波周期内的相位偏移来表示二进制数据；相对于基频传输，载波传输具有传输信息量大和抗干扰能力强等特点。国内目前正进行可实现载波传输的连续压力波信号发生器的研制与技术攻关。 本文从BPSK控制信号入手，通过傅利叶正、逆变换，得到BPSK控制信号的复杂正弦函数组合式，根据通信原理用该控制信号控制载波相移，构成BPSK信号的时域表达式，对该表达式进行短时傅利叶变换，分析了BPSK信号的频域特性，采用理论和数值分析手段研究了BPSK信号通过泥浆传输信道的稳态幅度传输特性。 压力信号在钻井液中的传输是一种能量传递过程，传输过程存在着衰减，衰减程度主要与钻柱的尺寸及材料特性、信号频率以及钻井液的类型、组分、粘度和压缩性等有关。根据非理想流体的伯努力能量方程分析，钻柱温度和压力为非定值，钻柱温度和压力分布影响钻井液的含气率和压缩性。论文针对水基钻井液，根据钻柱压力剖面将钻柱沿垂直方向划分为多个井段，通过对各个井段传输函数的精确描述得到信号沿整个钻柱长度分布的数值解。数值计算表明，传播距离、钻柱内径、载波频率、钻井液粘度及含气率对信号幅度的影响最为显著。通过对钻柱BPSK压力信号的传输特性研究，为载波传输信号的效率和失真度分析及钻井液参数对信号传输的影响研究提供了一定的理论指导作用。

目录

文摘

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声明

第一章前言

1.1引言

1.2随钻测量(MWD)系统与随钻测井(LWD)系统

1.2.1随钻测量(MWD)系统

1.2.2随钻测井(LWD)系统

1.3 MWD的系统信号传输方式

1.4国内外研究现状

1.5课题的来源及研究的意义

1.6研究目标、研究方法、研究内容及关键问题

第二章钻井液压力信号的产生与传输原理

2.1经典数字信号传输理论

2.1.1基带传输原理

2.1.2频带(载波)传输原理

2.2钻井液压力信号的传输系统

2.3连续压力波信号形成的逻辑控制过程

2.3.1压力信号的产生

2.3.2信号的调制

第三章BPSK信号的数学模型

3.1逻辑脉冲序列

3.2单脉冲调制

3.3逻辑脉冲序列的调制

3.4钻井液压力信号的仿真

第四章BPSK信号的频谱分析

4.1单音调制信号的调相信号频谱分析

4.2多音调制信号的调相信号频谱分析

4.3 BPSK压力信号的频谱分析

4.4信息速率Rb与频带宽度B的关系

第五章连续压力波BPSK信号的传输特性

5.1 BPSK信号的传输特性

5.2传输特性的影响因素分析

5.2.1钻柱内的压力分布

5.2.2压力对气体弹性模量Kg和含气率βg的影响

5.2.3传输函数沿钻柱的分析

第六章BPSK信号传输特性的数值分析

6.1分析步骤及计算条件

6.1.1分析步骤

6.2.2计算条件

6.2传输特性数值分析

6.2.1信号衰减的影响因素

6.2.2沿钻柱分布的信号强度分析

总结

参考文献

致谢