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随钻测量(Measurement While Drilling,简称MWD)是在钻井过程中对井下信息进行实时测量与传输的技术的简称。地面与井下的信息传输是实现地质导向钻井和井眼轨迹自动控制的关键技术,担负着对井下工况和参数的监测以及对井下执行系统实施决策、干预等控制功能的双向通信任务。立管上的地面压力传感器采集到的钻井液压力信号往往被各种噪声所污染,这直接影响地面信号解码结果的正确性,如何有效地去除噪声及干扰,高质量地复原有用信号成为随钻测量中非常重要的环节。
本文先对井下压力信号在传输过程中引入噪声的途径和原因进行分析,了解噪声的幅值及其频谱特性。通过钻井液压力信号基础理论分析,针对噪声的频谱特性和钻井液压力信号主要频谱能量集中在载波频率附近的特性,提出利用数字带通滤波器对钻井液压力信号进行信号处理。从数字带通滤波器的频率特性出发,利用傅里叶级数对滤波器的频率响应进行展开,通过傅里叶逆变换得到理想带通滤波器无限冲击响应(IIR)的单位冲激响应,并用窗函数进行截断和移位,得到满足因果的有限冲击响应(FIR)单位冲激响应,进而获得滤波器的传递函数。利用带通滤波器可以有效地消除由钻头与地层之间相互作用、钻柱屈曲等引起的压力变化,部分消除由井下动力钻具引起的压力噪声,抑制泵干扰的基波及低频主、次谐波分量。在此基础上,设计基于以载波信号作为参考输入的以最小均方(LMS)误差函数为目标的自适应滤波算法模型,在建立滤波器的结构基础上提出调整滤波器权系数向量的自适应控制算法,并对收敛速度及系统稳定性进行了分析。数值计算及仿真结果表明,基于该算法的自适应滤波器可以消除由井下动力钻具引起的压力噪声。
通过钻井液压力信号基础理论分析,研究消除井下压力信号噪声的有效方法,为钻井液连续压力波信号的检测与处理提供了相关理论指导,具有较大的实际应用意义。