[发明专利]钻井液连续压力波信号的频带噪声消除方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种油气钻井过程中的随钻测量/随钻测井上传信号的处理方法，特别涉及一种基于钻井液进行井下数据传输的钻井液连续压力波信号的频带噪声消除方法。

背景技术：

井下随钻测量/随钻测井（MWD/LWD）是一种在钻井过程中实时测量及传输井下信息的现代钻井辅助技术。钻井过程中，钻井液由地表通过钻柱被泵入井下，从钻头水眼喷出用于钻头的润滑和冷却并通过井壁与钻柱的环型空间向上返出井口，MWD/LWD工具安装在钻头上部的钻铤内，见附图1。在MWD/LWD工具中，安装在近钻头钻柱中的传感器获得测量数据并通过钻井液压力信息遥测系统传输到地面，信息遥测通过对钻柱内的钻井液压力进行调制及压力波在钻柱中的传播来传输井下随钻测量/随钻测井数据。压力信息遥测通常采用基带压力脉冲或连续压力波来传输井下信息，其中连续压力波具有比基带压力脉冲高得多的井下信息传输速率，是压力信息遥测技术的发展方向；连续压力波信号主要有调制载波相位的钻井液压力相移键控（PSK）信号，包括钻井液压力差分相移键控（DPSK）信号和正交相移键控（QPSK）信号，信号频谱集中，具有频带传输的特点。钻井液连续压力波信号自井底向地面传输过程中会遇到很大的噪声干扰，噪声主要来自于钻头震动、井下动力钻具失速、钻柱屈曲等引起的压力波动，具有很大的随机性，由于频率较低，噪声频谱表现为限带高斯白噪声。尽管井下噪声源的频率不高，但由于钻井液连续压力波信号为一种频带信号，仍会有部分噪声进入信号频带，造成信号的信噪比严重降低，立管检测的井下压力信号含有相对幅度较大的随机压力噪声，且噪声与信号产生频谱混叠。目前的钻井液压力信号处理方法，如匹配滤波器法、自适应补偿法、小波分析法等主要针对传输速率较低的以基带方式传输的压力信号；而对于传输速率相对较高的钻井液连续压力波信号，上述钻井液压力信号的处理方法均无法有效消除已进入信号频带的噪声影响。

发明内容：

本发明的目的就是针对现有信号处理技术存在的缺陷，提供一种钻井液连续压力波信号的频带噪声消除方法。

本发明采用自适应滤波器来消除钻井液连续压力波信号的频带噪声。自适应滤波器是一种数字滤波器，由信号输入端、期望信号输入端、滤波器输出端、误差信号输出端、滤波器权系数矩阵和加法器组成，其中，滤波器的权系数矩阵的矩阵系数受控于误差信号。自适应滤波器通常用于处理无线电通信系统的窄带信号，所谓窄带信号是指信号频带与载波的比值远小于1，频带内信号频率相对载波频率变化不大。而钻井液连续压力波信号作为一种机械调制信号，由于机械系统惯性及压力信号在钻井液中传输，使其载波频率限制在很低的几十赫兹，其调制信号频带与载波的比值通常接近于1，是一种典型的宽带信号；为了应用自适应滤波器来处理钻井液连续压力波信号，本发明以含高斯噪声的井下信号为期望信号，从同步信号中提取的载波做为输入信号，期望信号与滤波器输出信号之差的均方值形成误差信号，自适应滤波器在误差信号作用下通过自适应地调整滤波器权系数矩阵的矩阵系数，使滤波器的输出信号不断逼近于期望信号；由于高斯噪声的均方值不为零，当误差信号为最小时，误差信号逼近于高斯噪声的均方值，此时滤波器的输出信号逼近于反映随钻测量信息的钻井液连续压力波信号。

自适应滤波器的权系数列矩阵W(n)是一个1×N维的权系数列矩阵，如果输入信号矩阵X(n)为N×1维行矩阵，则滤波器的输出信号矩阵Y(n)为一个1×1维矩阵，可以表示为一个多项式组成的输出信号