基于脉宽及脉位调制的钻井液压力MPSK信号的数学建模及信号特性分析

论文摘要

钻井液压力信息遥测技术是随钻测量(MWD)中最常用的井下数据传输技术,采用钻井液压力多进制相移键控(MPSK)方式进行数据调制,是进一步提高井下信息传输速率的行之有效方法。本文根据旋转阀式钻井液连续压力波信号发生器的逻辑控制分析,构建基于脉宽调制(PWM)及脉位调制(PPM)的钻井液压力MPSK信号的旋转阀控制逻辑脉冲序列函数,通过控制脉冲序列函数的数学分析得到相移函数表达式,根据相移函数的傅利叶正、逆变换及数字通信理论,构建出基于脉宽调制及脉位调制的钻井液压力MPSK信号时域数学模型。通过MPSK信号数学模型的短时傅利叶变换,对基于脉宽调制及脉位调制的钻井液压力MPSK信号的频域特性进行了分析。数值计算表明,基于脉位调制钻井液压力MPSK信号的平均功率谱优于脉宽调制,由于基于脉位调制的基带控制脉冲宽度窄,信号调制过程短,MPSK调制后常规频带内信号能量相对较大,信号能量集中,有利于信号的频带传输。相对于数据的二进制差分相移键控(BPSK)调制,基于脉宽和脉位调制的MPSK信号在相同带宽下,信息传输速率和频带利用率提高了一倍,但调制后常规频带内信号能量远小于BPSK信号,且对旋转阀转速的控制要求很高,这也是目前钻井液压力多进制相移键控调制方式没有采用基于脉宽调制及脉位调制的主要原因。通过对MPSK钻井液压力信号进行的数值仿真,从信号波形反映的调制规律上验证了所构建数学模型的正确性。根据流体力学理论及理想气体状态方程,结合钻柱内的压力和温度分布,分析了钻井液含气率沿定向井井深长度的变化;通过信号在钻井液信道中的传输特性分析,采用数值分析方法研究了传播距离、钻柱内径、载波频率、钻井液粘度及体积含气率对钻井液压力MPSK信号传输的影响,数值分析表明,钻井液粘度和含气率对信号传输的影响最大。通过对基于脉宽调制及脉位调制钻井液压力MPSK信号的数学建模及信号特性分析,从理论上解释了将其作为井下数据传输的局限性,对于采用更合理的多进制相移键控数据调制的井下信息遥测技术的探索性研究具有相对大的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 随钻测量（MWD）系统概述
• 1.1.1 MWD 系统的信息传输系统
• 1.1.2 MWD 系统的信息传输技术
• 1.2 常规通信系统的数字调制理论
• 1.2.1 数字信号的基带传输
• 1.2.2 数字信号的频带传输及多进制相移键控（MPSK）调制
• 1.3 国内外研究现状和发展趋势
• 1.4 课题来源及研究意义
• 1.5 课题研究内容及创新点
• 第二章 钻井液压力信号的产生与调制原理
• 2.1 钻井液压力信号的产生
• 2.2 钻井液压力的脉宽及脉位MPSK 调制方案
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于脉宽及脉位调制钻井液压力MPSK 信号的数学模型
• 3.1 旋转阀逻辑控制脉冲序列对钻井液压力载波的脉宽调制
• 3.2 旋转阀逻辑控制脉冲序列对钻井液压力载波的脉位调制
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于脉宽及脉位调制的钻井液压力MPSK 信号频域分析
• 4.1 基于脉宽及脉位调制的MPSK 信号的频谱分析
• 4.2 基于脉宽及脉位调制的MPSK 信号的信息速率Rb 分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 钻井液压力MPSK 信号沿定向井钻柱的传输特性分析
• 5.1 钻井液信道的传递函数
• 5.2 传递函数沿定向井钻柱的分布
• g和含气率β_g 的影响'>5.3 压力对气体弹性模量K_g和含气率β_g的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 钻井液压力MPSK 信号的仿真及传输特性的数值分析
• 6.1 信号仿真的计算条件及步骤
• 6.2 传输信号的波形分析及井筒参数对信号传输的影响
• 6.2.1 信号传输的影响因素
• 6.2.2 沿钻柱分布的信号传递函数分析
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢