本發(fā)明屬于石油天然氣勘探，涉及隨鉆測量技術(shù)，具體地說，涉及一種隨鉆連續(xù)波泥漿脈沖信號的泵噪聲抑制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在石油勘探過程中，對井下信息的測量是確保鉆井操作精確、高效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過隨鉆測量(英文：measurement?while?drilling，簡稱：mwd)技術(shù)，能夠在鉆進(jìn)過程中通過測量短接實時獲取井下信息，并通過某些特定的介質(zhì)將這些井下信息經(jīng)編碼調(diào)制傳輸至地面系統(tǒng)，由地面系統(tǒng)進(jìn)行信號處理、存儲和顯示，復(fù)原井下傳輸數(shù)據(jù)，提高鉆進(jìn)效率。隨著隨鉆測量技術(shù)的不斷發(fā)展，測量對象的范圍也不斷擴(kuò)大。從最初的井斜、方位和工具面參數(shù)等基本測量數(shù)據(jù)，逐步發(fā)展到對地層壓力、伽馬射線、地層密度、中子孔隙度等地質(zhì)參數(shù)的測量，并且可以通過這些信息實現(xiàn)實時的測井和導(dǎo)向功能。

2、在隨鉆測量中，數(shù)據(jù)的傳輸方式是至關(guān)重要的。目前，常見的信號傳輸方式主要包括電纜傳輸、泥漿脈沖傳輸、聲波傳輸和電磁傳輸?shù)?。其中，泥漿脈沖傳輸技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，它利用鉆井泥漿液作為傳輸介質(zhì)，通過井下脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的正脈沖、負(fù)脈沖或連續(xù)波脈沖，將井下測量數(shù)據(jù)實時傳輸至地面系統(tǒng)。在這些傳輸方式中，連續(xù)波泥漿脈沖傳輸憑借其穩(wěn)定性、靈活性和可靠性等優(yōu)勢，已成為主流的隨鉆測量信號傳輸方式。

3、然而，由于井下復(fù)雜的環(huán)境，連續(xù)波泥漿脈沖傳輸技術(shù)仍然面臨許多挑戰(zhàn)。首先，泥漿泵在提供動力時，會產(chǎn)生幅值極高的強周期性壓力噪聲，這是影響信號傳輸質(zhì)量的主要噪聲源。其次，鉆具在切割巖層或與井壁發(fā)生碰撞時，會產(chǎn)生強烈的機械振動，這些振動也會引發(fā)附加的噪聲信號。因此，地面壓力傳感器所接收到的泥漿脈沖信號中，往往含有大量的背景噪聲，導(dǎo)致井下信息的信噪比顯著降低。更加嚴(yán)重的是，當(dāng)泥漿泵的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定時，泵噪聲的諧波頻譜會隨之發(fā)生變化，不穩(wěn)定的頻譜與脈沖信號重疊，進(jìn)一步增大了信號提取的難度。微弱的脈沖信號在復(fù)雜多變的背景噪聲中容易被湮沒，嚴(yán)重影響了地面系統(tǒng)對井下信息的準(zhǔn)確解析，甚至使隨鉆測量系統(tǒng)失效。因此，如何有效減少噪聲干擾、提高信號的質(zhì)量與傳輸速率，仍是隨鉆測量技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題。

4、公開號為cn?116955941?b的中國專利公開了一種隨鉆測量連續(xù)波信號去噪方法，利用帶通濾波器去除脈沖信號頻帶外的泵噪聲和其它噪聲，采用無跡卡爾曼濾波重構(gòu)并去除頻帶內(nèi)的泵噪聲。此方法能夠在極低信噪比的情況下實時去除泥漿泵噪聲，實現(xiàn)對連續(xù)波信號的準(zhǔn)確識別和提取，并在信號與噪聲頻率同頻干擾時仍具有效的去噪能力。該專利的去噪方法需要多次迭代來調(diào)整無跡卡爾曼濾波參數(shù)，并且算法復(fù)雜度較高，限制了在高實時性環(huán)境中的應(yīng)用。

5、公開號為cn?111535802?b的中國專利公開了一種泥漿脈沖信號處理方法，將單壓力傳感器采集的泥漿脈沖信號依次進(jìn)行泵噪聲狀態(tài)空間模型構(gòu)建、卡爾曼濾波、去除隨機噪聲、去除基線漂移和設(shè)置自適應(yīng)閾值處理，獲得明顯的有效傳輸脈沖信號。該專利方法簡單可靠，能夠快速、可靠識別有效脈沖信號，但是該方法對卡爾曼濾波參數(shù)的設(shè)定依賴較大，如果信號特性發(fā)生突變，可能影響濾波效果。

6、公開號為cn?111832332?a的中國專利申請公開了一種泥漿脈沖信號處理方法及裝置，該專利申請利用幀同步小波去噪對泥漿脈沖采樣信號進(jìn)行一級強制去噪，進(jìn)而再利用指令小波去噪對原始指令信號進(jìn)行二級強制去噪，得到去噪后的指令信號，提高泥漿脈沖信號的去噪效果。但是該專利申請的去噪方法需要精確的幀同步和指令信號的檢測，對信號質(zhì)量要求過高，并且去噪性能受所選小波基函數(shù)和閾值的影響較大。

7、公開號為cn?115059458?a的中國專利公開了一種井下隨鉆測量的泥漿脈沖信號的產(chǎn)生及識別方法，通過旋轉(zhuǎn)編碼盤產(chǎn)生不同波形的信號并記錄旋轉(zhuǎn)角度，對地面高頻采集信號低通濾波和平滑處理，提取有效的泥漿脈沖壓力信號。并利用幅值對比逼近法和灰色關(guān)聯(lián)度算法識別信號編碼，實時測量井下信息。該專利申請通過頻率與幅值的雙重編碼形式有效地獲取井下測量信息，提高井下信號的可辨識性。但是該專利申請的編碼盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受井下環(huán)境影響，且灰色關(guān)聯(lián)度算法和相位分析過程復(fù)雜，增加了實時處理的難度。

8、由上可知，現(xiàn)有的去除泵噪聲干擾的方法，雖然可以對泵沖噪聲進(jìn)行消除，但仍存在實時性較差、過于依賴濾波參數(shù)和去噪效果相對較差等問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的去噪效果較差等上述問題，提供了一種簡單可靠的隨鉆連續(xù)波泥漿脈沖信號的泵噪聲抑制方法及系統(tǒng)，能夠有效抑制不穩(wěn)定的泵噪聲信號，無需過多調(diào)整濾波參數(shù)即可適應(yīng)不同工況。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明第一方面，提供了一種隨鉆連續(xù)波泥漿脈沖信號的泵噪聲抑制方法，其步驟為：

3、s1、采集含連續(xù)波脈沖信號的原始泥漿脈沖信號；

4、s2、識別原始泥漿脈沖信號中泵噪聲的基波頻率，根據(jù)基波頻率確定泵噪聲基波；

5、s3、利用泵噪聲基波構(gòu)建非穩(wěn)態(tài)泵噪聲模型，根據(jù)非穩(wěn)態(tài)泵噪聲模型構(gòu)建k次諧波的線性時不變狀態(tài)空間模型，根據(jù)設(shè)定的測量噪聲構(gòu)建k次諧波的線性時不變測量模型；

6、s4、利用自適應(yīng)卡爾曼濾波對構(gòu)建的線性時不變狀態(tài)空間模型進(jìn)行泵噪聲預(yù)測得到每時刻最佳的泵噪聲后驗估計值；

7、s5、通過泵噪聲后驗估計值對由線性時不變測量模型計算得到的連續(xù)波泥漿脈沖觀測信號中的泵噪聲信號進(jìn)行重構(gòu)得到包含所有階次諧波的重構(gòu)泵噪聲信號；

8、s6、原始泥漿脈沖信號減去重構(gòu)噪聲信號得到抑制泵噪聲后的連續(xù)波泥漿脈沖信號。

9、在一些實施例中，在所述步驟s2中，識別原始泥漿脈沖信號中泵噪聲的基波頻率的方法為：對原始泥漿脈沖信號進(jìn)行快速傅里葉變換，獲得原始泥漿脈沖信號頻譜，從頻譜中尋找泵噪聲的基波頻率；在低頻噪聲覆蓋泵噪聲的基波頻率時，對原始泥漿脈沖信號進(jìn)行倒頻譜分析得到倒頻譜，通過求解倒頻譜內(nèi)峰值處橫坐標(biāo)時間的倒數(shù)得到基波頻率。

10、在一些實施例中，在所述步驟s2中，根據(jù)基波頻率確定泵噪聲基波的方法為：

11、根據(jù)基波頻率計算基波角頻率；

12、ω0＝2πf0

13、式中，ω0為基波角頻率，f0為基波頻率；

14、根據(jù)基波角頻率計算泵噪聲基波；

15、

16、式中，為n時刻泵噪聲基波；n為連續(xù)采樣點，n＝1,2,...,n，n為采樣點總個數(shù)；am為泵噪聲基波的幅值；φ為泵噪聲基波的相位。

17、在一些實施例中，在所述步驟s3中，利用泵噪聲基波構(gòu)建非穩(wěn)態(tài)泵噪聲模型的方法為：

18、利用三角橫等式，泵噪聲基波表示為：

19、

20、式中，為n+1時刻泵噪聲基波；為n-1時刻泵噪聲基波；

21、引入一個零均值的隨機誤差wn，利用泵噪聲基波構(gòu)建非穩(wěn)態(tài)泵噪聲模型表示為：

22、

23、在一些實施例中，在所述步驟s3中，根據(jù)非穩(wěn)態(tài)泵噪聲模型構(gòu)建k次諧波的線性時不變狀態(tài)空間模型的方法為：

24、設(shè)含k階次諧波的泵噪聲的狀態(tài)向量其中，各元素表示為：

25、根據(jù)非穩(wěn)態(tài)泵噪聲模型構(gòu)建k次諧波的線性時不變狀態(tài)空間模型表示為：

26、pn＝apn-1+bwn

27、式中，pn-1為n-1時刻泵噪聲的狀態(tài)向量；a為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，b為控制矩陣，t為轉(zhuǎn)置。

28、在一些實施例中，在步驟s3中，根據(jù)設(shè)定的測量噪聲構(gòu)建k次諧波的線性時不變測量模型表示為：

29、yn＝htpn+vn

30、式中，yn為連續(xù)波泥漿脈沖信號的測量值；h為測量轉(zhuǎn)移矩陣，t為轉(zhuǎn)置；vn為測量噪聲。

31、在一些實施例中，在步驟s4中，利用自適應(yīng)卡爾曼濾波預(yù)測泵噪聲后驗估計值的具體方法為：

32、狀態(tài)更新步驟：根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣a計算先驗估計值

33、

34、式中，為n-1時刻的后驗估計值；

35、根據(jù)測量轉(zhuǎn)移矩陣h計算測量值yn和先驗估計值的殘差

36、

37、以l為窗口大小，計算殘差的方差平均值

38、

39、設(shè)tλ為自適應(yīng)因子的閾值，且tλ≥0，計算自適應(yīng)因子λ：

40、

41、式中，為n-1時刻的后驗估計誤差協(xié)方差，qn為過程噪聲協(xié)方差，rn為測量噪聲協(xié)方差；將自適應(yīng)因子λ按照以下公式自適應(yīng)改變過程噪聲協(xié)方差qn，調(diào)整不同諧波的陷波屬性，計算先驗估計誤差協(xié)方差

42、

43、卡爾曼增益計算步驟：根據(jù)先驗估計誤差協(xié)方差計算卡爾曼增益kn；

44、

45、測量更新步驟：根據(jù)先驗估計值和卡爾曼增益kn更新后驗估計值

46、

47、根據(jù)先驗估計誤差協(xié)方差和卡爾曼增益kn更新后驗估計誤差協(xié)方差

48、

49、循環(huán)遞推狀態(tài)更新步驟至測量更新步驟，即可獲得各時刻泵噪聲最佳的泵噪聲后驗估計值。在一些實施例中，在所述步驟s5中，所述重構(gòu)泵噪聲信號表示為：

50、

51、式中，bn為重構(gòu)泵噪聲信號。

52、本發(fā)明第二方面，提供了一種隨鉆連續(xù)波泥漿脈沖信號的泵噪聲抑制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)本發(fā)明第一方面所述隨鉆連續(xù)波泥漿脈沖信號的泵噪聲抑制方法，包括：

53、數(shù)據(jù)采集裝置，采集含連續(xù)波脈沖信號的原始泥漿脈沖信號；

54、泵噪聲基波確定模塊，識別原始泥漿脈沖信號中泵噪聲的基波頻率，根據(jù)基波頻率確定泵噪聲基波；

55、模型構(gòu)建模塊，利用泵噪聲基波構(gòu)建非穩(wěn)態(tài)泵噪聲模型，根據(jù)非穩(wěn)態(tài)泵噪聲模型構(gòu)建k次諧波的線性時不變狀態(tài)空間模型，根據(jù)設(shè)定的測量噪聲構(gòu)建k次諧波的線性時不變測量模型；泵噪聲預(yù)測模塊，利用自適應(yīng)卡爾曼濾波對構(gòu)建的線性時不變狀態(tài)空間模型進(jìn)行泵噪聲預(yù)測得到每時刻最佳的泵噪聲后驗估計值；

56、重構(gòu)模塊，通過泵噪聲后驗估計值對由線性時不變測量模型計算得到的連續(xù)波泥漿脈沖觀測信號中的泵噪聲信號進(jìn)行重構(gòu)得到包含所有階次諧波的重構(gòu)泵噪聲信號；

57、泵噪聲抑制模塊，將采集的原始泥漿脈沖信號與重構(gòu)噪聲信號做差去除重構(gòu)噪聲信號得到抑制泵噪聲后的連續(xù)波泥漿脈沖信號。

58、在一些實施例中，所述泵噪聲預(yù)測模塊包括：

59、狀態(tài)更新模塊，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣計算先驗估計值，根據(jù)測量轉(zhuǎn)移矩陣計算測量值和先驗估計值的殘差，根據(jù)殘差的方差平均值計算自適應(yīng)因子，根據(jù)自適應(yīng)因子自適應(yīng)改變過程噪聲協(xié)方差，調(diào)整不同諧波的陷波屬性，計算先驗估計誤差協(xié)方差；

60、卡爾曼增益計算模塊，根據(jù)先驗估計誤差協(xié)方差計算卡爾曼增益；

61、測量更新模塊，根據(jù)先驗估計值和卡爾曼增益更新后驗估計值和后驗估計誤差協(xié)方差。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果在于：

62、(1)本發(fā)明提供的隨鉆連續(xù)波泥漿脈沖信號的泵噪聲抑制方法及系統(tǒng)，在充分依據(jù)隨鉆連續(xù)波泥漿脈沖信號產(chǎn)生和輸出的基礎(chǔ)上，考慮了實際情況下會出現(xiàn)頻譜拓展的特征，將采集的泥漿脈沖信號依次進(jìn)行基波頻率識別、基于基波頻率確定的泵噪聲基波構(gòu)建非穩(wěn)態(tài)噪聲模型、根據(jù)非穩(wěn)態(tài)噪聲模型構(gòu)建狀態(tài)空間模型、利用自適應(yīng)卡爾曼濾波對構(gòu)建的線性時不變狀態(tài)空間模型進(jìn)行泵噪聲預(yù)測得到各時刻最佳的泵噪聲后驗估計值、去除根據(jù)泵噪聲后驗估計值重構(gòu)泵噪聲信號，有效抑制不穩(wěn)定的泵噪聲信號。

63、(2)本發(fā)明提供的隨鉆連續(xù)波泥漿脈沖信號的泵噪聲抑制方法及系統(tǒng)，采用的自適應(yīng)卡爾曼濾波具有陷波特性，通過引入自適應(yīng)因子，能根據(jù)信號特性自適應(yīng)調(diào)整協(xié)方差參數(shù)值，進(jìn)而調(diào)節(jié)卡爾曼增益，來適應(yīng)各階次諧波不同的陷波深度和寬度，自適應(yīng)能力強，無需過多調(diào)整濾波參數(shù)即可適應(yīng)不同工況，簡化了自適應(yīng)卡爾曼濾波的復(fù)雜度，實現(xiàn)高效、可靠抑制不穩(wěn)定的泵噪聲信號，具有很大的適用價值。

64、(2)本發(fā)明提供的隨鉆連續(xù)波泥漿脈沖信號的泵噪聲抑制方法及系統(tǒng)，操作簡單，適合處理窄帶拓寬的泵噪聲。