王 偉，閆向宏，周建航，劉鈺姣

（1.中國石油大學(xué)（華東）理學(xué)院，青島 266580；2.中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū) 文理學(xué)院，克拉瑪依 834000）

隨著勘探開發(fā)的不斷深入，常規(guī)油氣資源增儲增產(chǎn)越發(fā)困難，而經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對石油與天然氣能源的需求卻不斷增大，故而頁巖油氣及深層致密油氣等非常規(guī)油氣資源的大力開發(fā)已是大勢所趨[1]。非常規(guī)油氣資源儲量十分豐富，但因儲層地質(zhì)結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，勘探開發(fā)難度極大，鉆井工藝要求也更為嚴(yán)苛，所以鉆進(jìn)過程中，及時(shí)掌握井底壓力、井眼軌跡等井下工程參數(shù)及儲層物性等地質(zhì)參數(shù)極為重要，這是保障鉆井安全、提高鉆探效率及降低鉆井成本的必然要求[2-5]，隨鉆測井技術(shù)正是滿足這一要求的最佳選擇。然而，鉆進(jìn)過程中鉆柱基本處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)[6]，這使得通過有線方式實(shí)時(shí)獲取井下測量數(shù)據(jù)的難度大為增加，故而通過無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)井底測量信息的高效上傳及地面指令的正確下達(dá)，至今仍是眾多科研工作者致力攻克的熱點(diǎn)難題之一。目前，常見的無線隨鉆測量技術(shù)（MWD）和無線隨鉆測井技術(shù)（LWD）都以鉆井液柱為信息傳輸通道，這種利用鉆井液脈沖波來實(shí)現(xiàn)井底測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⑦b測方法雖然技術(shù)相對比較成熟，但其傳輸速率比較低，無法滿足新一代隨鉆測井技術(shù)的高速率實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊骩7-10]。智能鉆桿通信技術(shù)的傳輸速率理論上可高達(dá)2 Mbit/s，是一種最為理想的井下信息傳輸方式[11-12]，但這種傳輸技術(shù)需要對現(xiàn)有鉆桿進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和特殊改造，花費(fèi)巨大，實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)困難。研究表明以井下鉆柱為信道，以正弦彈性波為載波的隨鉆聲波遙測技術(shù)的信息傳輸速率可以高達(dá)100 bit/s，能夠滿足當(dāng)前隨鉆遙測技術(shù)發(fā)展的需要，是目前國內(nèi)外井下隨鉆測量數(shù)據(jù)無線傳輸領(lǐng)域的重要研究方向之一[13-14]。

然而，在由鉆桿本體和接箍組成的周期性鉆柱中傳播時(shí)，聲波具有衰減速度較快的特點(diǎn)，隨著傳播距離的增大，信噪比不斷減小，這顯然會給接收端的信號解調(diào)造成不良影響而使誤碼率增大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)遙測質(zhì)量下降，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重差錯(cuò)。本文借助LabVIEW 編程語言，分別采用振幅鍵控、頻率鍵控及相位鍵控3 種典型的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法進(jìn)行測井?dāng)?shù)據(jù)遙測模擬實(shí)驗(yàn)，測取信噪比與誤碼率之間的關(guān)系曲線，進(jìn)而分析誤碼率對數(shù)據(jù)還原質(zhì)量的影響。

1 數(shù)據(jù)遙測模擬實(shí)驗(yàn)

本文以某實(shí)際油井795.0～1873.4 m 井段的高分辨率陣列感應(yīng)電阻率的實(shí)測數(shù)據(jù)（如圖1 所示）為遙傳對象。該測井?dāng)?shù)據(jù)序列的測量間隔為0.1 m，共計(jì)10785 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；遙傳前先將各數(shù)據(jù)點(diǎn)統(tǒng)一量化成由0 和1 碼元構(gòu)成的16 位二進(jìn)制碼組，再按先后順序?qū)⑦@些碼組串聯(lián)成二進(jìn)制碼元序列，然后采用二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）、頻率鍵控（2FSK）及相位鍵控（2PSK）數(shù)字調(diào)制方式分別對載波的幅度、頻率及相位3 個(gè)基本參量進(jìn)行控制，進(jìn)而以串行傳輸方式開展井下測量數(shù)據(jù)的無線傳輸模擬實(shí)驗(yàn)。

圖1 原始曲線圖Fig.1 Original curve

研究表明在鉆柱中傳播時(shí)，鉆柱信道具有通阻交替的梳狀濾波器特性，且信道的通帶范圍主要集中在1～5 kHz 之間，其中3 kHz 附近的頻段表現(xiàn)最佳[15-16]，且縱波波速保持不變，本模擬實(shí)驗(yàn)以頻率為3 kHz 的正弦波為載波；對于二進(jìn)制振幅鍵控，初相位設(shè)定為0°，碼元為0 時(shí)載波的幅度被調(diào)控為0，碼元為1 時(shí)載波的幅度被調(diào)控為10；對于二進(jìn)制頻率鍵控，載波幅度設(shè)定為10，初相位設(shè)定為0°，碼元為0 時(shí)載波的頻率被調(diào)控為2.5 kHz，碼元為1 時(shí)載波的頻率被調(diào)控為3.5 kHz；對于二進(jìn)制相位鍵控，載波幅度設(shè)定為10，頻率設(shè)定為3 kHz，碼元為0 時(shí)載波的初相位被調(diào)控為0°，碼元為1 時(shí)載波的初相位被調(diào)控為180°。

鉆井過程中，井下鉆柱信道的噪聲主要來源于鉆頭對巖石的破碎作用、鉆柱與井壁及套管間的碰撞作用、鉆井液的沖擊作用及地面動力設(shè)備的振動作用等；這些噪聲源均具備隨機(jī)產(chǎn)生的特性，因此本實(shí)驗(yàn)選用高斯白噪聲作為隨鉆聲波遙測模擬實(shí)驗(yàn)的干擾噪聲；其實(shí)，高斯白噪聲本身就是通信領(lǐng)域最為常見的一種信號干擾噪聲[17]。為直觀展現(xiàn)信噪比與誤碼率之間的關(guān)系，本模擬實(shí)驗(yàn)在未對輸出波形進(jìn)行任何處理的條件下，利用LabVIEW 自帶的波形信號虛擬檢測儀來直接檢測輸出載波信號的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而重現(xiàn)輸入的二進(jìn)制碼元序列。具體的實(shí)現(xiàn)方法如下，分別取3 種鍵控方式的碼元0和碼元1 所對應(yīng)的調(diào)控參數(shù)的平均值作為二進(jìn)制碼元還原的判決標(biāo)準(zhǔn)；即對于二進(jìn)制振幅鍵控，若波形信號虛擬檢測儀檢測到的幅度參數(shù)小于5，則判決碼元為0，若檢測到的幅度參數(shù)大于等于5，則判決碼元為1；對于二進(jìn)制頻率鍵控，若波形信號虛擬檢測儀檢測到的頻率參數(shù)小于3 kHz，則判決碼元為0，若檢測到的頻率參數(shù)大于等于3 kHz，則判決碼元為1；對于二進(jìn)制相位鍵控，若波形信號虛擬檢測儀檢測到的相位參數(shù)小于90°，則判決碼元為0，若檢測到的相位參數(shù)大于等于90°，則判決碼元為1。解調(diào)出二進(jìn)制碼元序列后，根據(jù)原始數(shù)據(jù)的二進(jìn)制量化方式實(shí)現(xiàn)井下測量數(shù)據(jù)的還原。圖2 為數(shù)據(jù)遙測模擬實(shí)驗(yàn)的示意框圖。

圖2 遙傳模擬框圖Fig.2 Telemetry simulation block diagram

遙傳模擬過程中，其它條件保持不變，僅通過改變高斯白噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差來獲取不同的信噪比，信噪比（SNR）的計(jì)算公式如式（1）所示，以分貝（dB）為單位。

式中：Ps為載波的平均功率；Pn為高斯白噪聲的平均功率；A 為載波的幅度；σ 為高斯白噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差。

圖3 為二進(jìn)制振幅鍵控、頻率鍵控及相位鍵控3 種調(diào)制方式的遙測模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤碼率與信噪比之間的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，頻率鍵控和相位鍵控的誤碼率與信噪比的關(guān)系曲線圖比較相似，在相同信噪比下，二進(jìn)制振幅鍵控的誤碼率最低。

圖3 信噪比與誤碼率關(guān)系曲線圖Fig.3 Relationship curve between signal-to-noise ratio and bit error rate

對于二進(jìn)制振幅鍵控，當(dāng)信噪比從0.34 dB 增大到11.88 dB 時(shí)，誤碼率由11.38%降低至0.10%，如圖4（a）所示；當(dāng)誤碼率小于等于0.10%時(shí)，遙測后的輸出曲線與輸入曲線具有很高的相似性，所反映的測井信息幾乎沒有損失；當(dāng)誤碼率大于0.10%且小于0.75%時(shí)，遙測后的輸出曲線會出現(xiàn)明顯的零星突變點(diǎn)，且這種離散突變點(diǎn)主要發(fā)生于高數(shù)值曲線段，如圖4（b）所示，此時(shí)，通過對零星突變點(diǎn)進(jìn)行簡單光滑處理后，曲線圖形仍可以較為準(zhǔn)確地反映出原始的測井信息；然而，當(dāng)誤碼率大于0.75%時(shí)，遙測后的輸出曲線開始出現(xiàn)較為嚴(yán)重的連續(xù)性突變，并且逐漸由高數(shù)值曲線段擴(kuò)散至整個(gè)曲線段，如圖4 中的（c）、（d）所示，曲線發(fā)生這種嚴(yán)重的連續(xù)性突變后，通過數(shù)據(jù)處理來修正并恢復(fù)遙測前的測井?dāng)?shù)據(jù)的可能性微乎其微。

圖4 誤碼率對數(shù)據(jù)還原質(zhì)量的影響（二進(jìn)制振幅鍵控）Fig.4 Influence of bit error rate on data recovery quality（binary amplitude keying）

對于二進(jìn)制頻率鍵控，當(dāng)信噪比從0.34 dB 增大到13.47 dB 時(shí)，誤碼率由29.88%降低至0.01%，且誤碼率小于等于0.01%時(shí)，遙測后的輸出曲線可以準(zhǔn)確地反映出原始的測井曲線，如圖5（a）所示，當(dāng)誤碼率大于0.01%且小于0.09%時(shí)，遙測后的輸出曲線會出現(xiàn)明顯的零星突變點(diǎn)，但與二進(jìn)制振幅鍵控不同的是，這些離散突變點(diǎn)主要發(fā)生于低數(shù)值曲線段，如圖5（b）所示，此時(shí)，對這些零星突變點(diǎn)進(jìn)行簡單光滑處理后，曲線圖形仍可以較為準(zhǔn)確地反映出原始的測井信息；不過當(dāng)誤碼率大于0.09%時(shí)，遙測后的輸出曲線開始出現(xiàn)較為嚴(yán)重的連續(xù)性突變，并且逐漸由低數(shù)值曲線段擴(kuò)散至整個(gè)曲線段，如圖5 中的（c）、（d）所示，曲線發(fā)生這種嚴(yán)重的連續(xù)性突變后，要想從中準(zhǔn)確提取出遙測前的測井?dāng)?shù)據(jù)幾乎不可能。

圖5 誤碼率對數(shù)據(jù)還原質(zhì)量的影響（二進(jìn)制頻率鍵控）Fig.5 Influence of bit error rate on data recovery quality（binary frequency keying）

對于二進(jìn)制相位鍵控，當(dāng)信噪比從0.34 dB 增大到12.91 dB 時(shí)，誤碼率由28.91%降低至0.09%，如圖6（a）所示，當(dāng)誤碼率小于等于0.09%時(shí)，遙測后的輸出曲線與原始測井曲線具有非常高的相似性，可以準(zhǔn)確地反映出遙測前的測井信息；當(dāng)誤碼率大于0.09%且小于0.93%時(shí)，遙測后的輸出曲線會出現(xiàn)明顯的零星突變點(diǎn)，類似于二進(jìn)制振幅鍵控，這些離散突變點(diǎn)主要發(fā)生于高數(shù)值曲線段，如圖6（b）所示，此時(shí)，對這些零星突變點(diǎn)進(jìn)行簡單光滑處理后，曲線圖形仍可以較為準(zhǔn)確地反映出原始的測井信息；然而，如圖6 中的（c）、（d）所示，當(dāng)誤碼率超過0.93% 時(shí)，遙測后的輸出曲線開始出現(xiàn)較為嚴(yán)重的連續(xù)性突變，并且逐漸由高數(shù)值曲線段擴(kuò)散至整個(gè)曲線段，曲線發(fā)生這種嚴(yán)重的連續(xù)性突變后，通過數(shù)據(jù)處理來準(zhǔn)確提取遙測前的測井?dāng)?shù)據(jù)的可能性微乎其微。

圖6 誤碼率對數(shù)據(jù)還原質(zhì)量的影響（二進(jìn)制相位鍵控）Fig.6 Influence of bit error rate on data recovery quality（binary phase keying）

2 結(jié)語

在本數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的3 種典型二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式中，二進(jìn)制振幅鍵控的測井?dāng)?shù)據(jù)遙測誤碼率的容忍度最高，為0.10%，二進(jìn)制相位鍵控次之，為0.09%，二者的共同特點(diǎn)是，隨著誤碼率的增大，都是從高數(shù)值曲線段開始發(fā)生明顯的離散性突變，具有先干擾強(qiáng)烈變化曲線段的特點(diǎn)，而測井曲線的強(qiáng)烈變化部分往往包含著井下油氣儲層的重要物性信息，是鉆井過程中需要高度重視的敏感井段。二進(jìn)制頻率鍵控的遙測誤碼率的容忍度最低，為0.01%，不過隨著誤碼率的增大，其突變點(diǎn)從變化較為平緩的曲線段開始。另外，隨著科技的快速發(fā)展，測井技術(shù)的分辨率越來越高，測井曲線上單一奇異變化點(diǎn)的參考價(jià)值極小，畢竟其對應(yīng)的油氣儲層的厚度比較薄，工業(yè)開采價(jià)值比較低，況且這種奇異變化點(diǎn)大多都是因外界因素而非儲層物性變化所引起的，因此儲層物性曲線上的單一突變點(diǎn)通常都會被直接處理掉。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，誤碼率在一定的范圍內(nèi)，遙測曲線也出現(xiàn)類似的離散性突變點(diǎn)，因此可以采用同樣的方法將這些離散性突變點(diǎn)處理掉，而且還可以比較準(zhǔn)確地還原出遙測前的測井?dāng)?shù)據(jù)；據(jù)此，儲層物性遙測曲線的誤碼率的上限可以適當(dāng)提高，信噪比的下限可以適當(dāng)減??；如本實(shí)驗(yàn)，二進(jìn)制振幅鍵控對應(yīng)的誤碼率上限可以由0.10%提高至0.75%，信噪比的下限可以由11.88 dB 減小至9.39 dB；二進(jìn)制頻率鍵控對應(yīng)的誤碼率上限可以由0.01%提高至0.09%，信噪比的下限可以由13.47 dB 減小至11.41 dB；二進(jìn)制相位鍵控對應(yīng)的誤碼率上限可以由0.09%提高至0.93%，信噪比的下限可以由12.91 dB 減小至10.55 dB；這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果對遙傳數(shù)據(jù)還原過程的處理方法具有一定的參考價(jià)值。另外，誤碼率是井下隨鉆遙測結(jié)果還原質(zhì)量的決定性因素，而探究抗噪聲干擾能力強(qiáng)的調(diào)制與解調(diào)方法是實(shí)現(xiàn)誤碼率降低的關(guān)鍵，也是當(dāng)前隨鉆聲波遙測技術(shù)急需解決的關(guān)鍵難題之一。嘗試將當(dāng)前比較熱門的人工智能算法引進(jìn)來，采取諸如尋找目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解的策略來實(shí)現(xiàn)遙測信號的解調(diào)，或許會有意想不到的收獲，這正是本研究項(xiàng)目下一步研究工作的重點(diǎn)所在。