周期性钻柱声波信道的信号传输及检测方法研究

摘要

随着社会经济的高速发展，石油天然气等化石能源逐渐成为各行业不可或缺的重要资源。为了满足日益增长的能源需求、解决复杂油气勘探难题，自动化与智能化测井技术逐渐成为研究重点。作为智能测井的核心技术，随钻测井（Logging While Drilling, LWD）可以在钻进过程中对井下地层岩石特性进行测量并上传测井数据，地面系统根据地层评估结果实时指导钻井，实现地质导向。井下数据实时高效传输是随钻测井的一个技术难点，其研究对发展随钻测井技术具有重要意义。 目前，随钻测井数据传输速率很低，只能传输少量钻头工况信息，大量测井数据存储在井下电路中。当钻井作业完成提取出井下仪器后，才能获得测井数据，无法满足随钻测井实时传输需求。随钻数据声波传输利用声波为载波，钻杆和接箍周期性相连的钻柱为信道，可以实时传输井下测井数据，具有传输速率高、适用性强、开发成本低、操作简单等优点。然而，钻柱信道的多径时延、井下钻头和地面环境的强噪声干扰等严重影响了声波传输和检测，限制了随钻声波传输技术研究与开发。基于此，本文主要解决了声波在钻柱信道中传输和检测等问题，以期实现声波信号在钻柱信道中的高效传输。本文的主要工作和创新如下： （1）在分析弹性波在无限固体介质中的波动原理和波动类型的基础上，研究了声波在钻杆中三种波动特性，即纵波、扭转波及弯曲波，和声波传输的衰减特性，并基于声波纵波便于接收和分析的优点，选择纵波作为声波传输的载波。针对具有周期结构的钻柱，研究了钻柱的频散特性并分别建立了基于有限差分法、传输矩阵法和等效声透射法的钻柱信道模型。为了更加全面地获取钻柱信道的声波传输性能，分析了钻杆级联数、钻杆长度、接箍横截面积和非统一尺寸单元等钻柱结构参数和钻井液粘滞阻尼对声波传输性能的影响。同时，分析了在油田作业中随钻声波传输系统的设计需求，设计并搭建了声波传输的测试装置，给出了收发电路的设计方案，为后续技术方案的验证提供了实验平台。 （2）基于无线信道中信号传输理论，建立了随钻数据声波传输的系统模型，理论分析了钻柱的上下行信道容量，研究了声波在钻柱信道中传输的噪声来源及抑制方法，并基于周期性钻柱信道的声波传输特性，设计了一种简单的隔声体方案，该方案能够有效地抑制传输频带内的噪声干扰。同时，针对测井数据上行传输的高速率需求，根据具有空间分集增益的单输入多输出（Single Input Multiple Output，SIMO）系统，研究了基于双接收传感器阵列的设计方法，该方法能够有效地抑制井上地面环境噪声对上行传输的干扰，提高上行传输效率。 （3）针对周期性钻柱信道的梳状滤波特性，提出了基于非连续正交频分复用（Non-Contiguous Orthogonal Frequency Division Multiplexing，NC-OFDM）的随钻数据声波传输方法，该方法能够有效地利用多个非连续传输子通带，根据传输需求和钻柱的实时传输特性，自适应地分配传输子载波，提高传输速率。在传输系统发射端的设计中，研究了发送端峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）抑制技术，并基于井下仪器小型化低功耗的设计需求，应用了一种适合井下发送端低复杂度的PAPR抑制方法，该方法可以有效地降低系统发送端的PAPR。针对钻柱子通带的连续性，设计了一种自适应导频方案，能够满足接收端实时信道估计的需求。在传输系统接收端的设计中，研究了两种符号定时错误和载波频偏对接收性能的影响，提出了一种自适应定时同步技术，能够有效地完成符号定时同步和载波频偏估计。分别研究了最小二乘（Least Squares，LS）信道估计和基于离散傅里叶的最小二乘（Discrete Fourier Transform-Least Squares，DFT-LS）信道估计，最大似然（Maximum Likelihood，ML）均衡检测、迫零（Zero-Forcing，ZF）均衡检测和最小均方误差（Minimum Mean Square Error，MMSE）均衡检测技术的性能。同时，针对钻柱信道中传输子频带内可能出现的深衰落影响，设计了一种基于哈尔小波的简单预编码 NC-OFDM 传输方案，研究了发送端预编码矩阵的设计原理和接收端信号检测方法，该方案能够在满足井下发送端小型化低复杂度的设计需求下，降低发送端PAPR，提高系统在深衰落影响下的传输性能。 （4）针对复杂钻井工况下非统一尺寸的周期性钻柱信道，提出了基于矢量正交频分复用（Vector-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，V-OFDM）的随钻数据声波传输方法，该方法能够提高系统在较差钻柱信道下的传输性能，并实现发送端和接收端复杂度的转移，适合测井数据上行传输的设计需求。研究了V-OFDM的调制解调原理，V-OFDM与传统OFDM的关系，V-OFDM系统收发两端的复杂度和传输性能。在传输系统的接收端设计中，研究了两种符号定时错误对接收性能的影响，提出了系统的导频设计方案和信道估计方法。在接收端信号检测中，研究了最大似然（Maximum Likelihood，ML）均衡检测、ZF均衡检测和MMSE均衡检测技术的性能。基于实现V-OFDM发送端最优旋转性能，应用了一种矢量矩阵的预编码技术，并给出了发送端预编码矩阵设计方案和接收端信号检测方法，该技术能够在不显著增加系统发送端设计复杂度的前提下，进一步提高V-OFDM系统的传输性能。

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