專利名稱：一種用于鉆柱聲傳輸技術的井下噪聲與回波被動抑制方法
技術領域：
本發明屬于鉆井過程中的井下數據傳輸的技術領域，具體涉及一種用于鉆柱聲傳輸技術的井下噪聲與回波被動抑制方法，用于有效地抑制隨鉆測井中鉆柱信道內上行的來自鉆柱底部的井下噪聲和回波干擾對聲傳輸信號接收性能的影響。
背景技術：
作為代替傳統的電纜測井的一種新方法，隨鉆測井中的井下信息傳輸技術已成為國際上的研究熱點。目前廣泛商用的泥漿脈沖技術存在傳輸速率很低的缺點，一般僅為lObit/s，其信噪比更易受鉆井液和現場噪聲的嚴重影響。因此，作為一種可選擇的井下高速數據傳輸方式，聲波傳輸技術近年來在國內外得到了廣泛的關注。聲波傳輸技術是利用聲波經過鉆柱信道來傳輸信號，井下數據的測試過程是將測試儀器和聲波無線傳輸發射系統隨鉆柱或抽油泵下入，測試儀器將各種井下參數轉化為數 字信息，然后編碼、暫存，將代表井下參數的二進制碼脈沖送至控制電路，發射聲波振動信號，沿鉆柱或油管傳輸到地面，被安裝在井口的聲波接收換能器接收，經放大后送入存儲介質記錄，進行數據處理和解釋。聲波傳輸方式具有前期投入少，傳輸速率相對較高的優點。而且，由于聲波在鋼材料中的傳輸速率聞達5000m/s,石油鉆井中井下連續的鋼質鉆柱更為聲波的井下信息高速傳輸提供了條件。但在實際生產過程中，鉆柱結構中的不同測井儀器而引起的聲阻抗不均勻也嚴重影響聲傳輸性能。同時，鉆井過程也會產生大量的噪聲，它能使模擬信號失真，使數字信號發生錯誤，導致鉆柱傳輸信道的性能變差，并最終影響聲傳輸信號的接收效果。鉆井過程中產生的噪聲主要包括地面噪聲和井下噪聲，其中，井下噪聲是鉆頭通過底部鉆具直接耦合到鉆柱上，并對上行的發射信號質量影響較大，嚴重影響聲波數據傳輸性能。這些噪聲會隨著鉆井參數的變化而變化，且噪聲的高低將影響信噪比，并導致信道的傳輸能力變化。工程研究發現，采用同樣功率的發射信號，當噪聲較嚴重時，信噪比將不到ldB，其他情況則大于4dB。因此，為提高信道的傳輸能力，必須提高信噪比。在隨鉆聲波傳輸技術的研究方面，1972年Thomas G. Banres和Bill R. Kirkwood提出了通阻帶交替梳狀濾波器結構特性(參見Barnes, T. G, and Kirkwood, B. R. Passbandsfor acoustic transmission in an idealized drill string[J] · Journal of theAcoustic Society of America, 1972,51 1006-1008.)。從 1985 年開始,Drumheller 和Poletto在聲遙測理論方面取得進展，分析了縱波沿理想鉆桿的頻帶特性、通帶內的細微頻譜結構、鉆桿外形尺寸以及管內外等效簡化損耗對傳輸的影響，建立了描述聲傳輸通道的理論模型(參見Douglas S. Drumheller. Attenuation of sound waves in drillstrings[J]. Journal of the Acoustic Society of America, 1993, 94(4) :2387-2396.)。哈里伯頓(Halliburton)公司于1995年推出了補償長源距隨鉆聲波測井儀(參見王華，陶果，張緒健.隨鉆聲波測井研究進展[J].測井技術，2009，33 (3) :197-203.)。針對井下噪聲及其回波的抑制，考慮到從聲波發射器發出的聲波信號會沿著鉆鋌傳播并率先被接收器接收，導致接收的聲波信號主要為不攜帶地層信息的鉆鋌波，人們在開發隨鉆聲波測井儀器時探尋可減少鉆鋌直達波的方法。2001年Leggett利用在鉆鋌上切割凹槽的方式增加對鉆鋌波的衰減以達到隔聲目的，該結構可獲得40dB的聲衰減(參見James V. Leggett. Field test results demonstrating improved real-time dataquality in an advanced LffD acoustic system[J]· SPE71732, 2001 )。2007年Halliburton公司的 Shah (參見Shah V. V. , Linyaev. Low frequency acoustic attenuator for usein down hole applications[P]· USA:US7210555, 2007)等人也針對隨鉆聲波測井中聲信號接收，申請了用于隨鉆聲波測井的隔聲體專利。國內在此方面也開展了一些理論研究。2009年楊勇等利用時域有限差分方法對隨鉆隔聲體隔聲效果進行數值模擬研究(參見楊勇，車小花，李俊等.基于時域有限差分法的隨鉆聲波測井儀隔聲體隔聲效果的數值模擬[J]·中國石油大學學報(自然科學版)，2009，33 (3) :66-70)，在2010年提出一種在鉆鋌上切割周期性軸對稱凹槽方式構建隔聲體的方法，以消除鉆鋌模式波的影響(參見聞向宏，蘇遠大，孫建孟，等.周期性軸對稱凹槽結構隔聲特性數值模擬[J].計算物理，2010，27(6) :869-875)。但上述提出的隔聲體結構主要用于聲波測井，即通過消除隨鉆聲波測井中 鉆鋌模式波以檢測地層縱波，且部分研究并未明確井下實際應用的具體結構及其影響因素分析，也不同于本專利中隨鉆測井聲波通信對鉆柱內縱波或應力波的檢測要求，但提供了相關的解決思路。而且，由于鉆柱信道大部分由鉆桿與管箍周期性組合而成，具有梳狀濾波器結構特性，以及鉆桿與管箍連接處會產生較強的無方向性多重反射回波，研究鉆柱聲波傳輸中的井下噪聲及其回波抑制具有重要意義和應用價值。
發明內容
本發明的目的是為克服現階段上述已有技術存在的問題，提供了一種用于鉆柱聲傳輸技術的井下噪聲與回波抑制方法。該方法利用具有周期性凹槽的組合隔聲體結構，通過設計隔聲體的結構形狀和尺寸，對具有不同隔聲中心頻率的隔聲體短節進行組合，實現上行的井下噪聲與反射回波的被動抑制。該方法有助于井下聲傳輸信號的有效提取，提高信噪比。本發明提出的技術方案為一種用于鉆柱聲傳輸技術的井下噪聲與回波被動抑制方法，該方法包括如下步驟步驟I、利用單結構隔聲體對鉆柱聲傳輸技術中井下噪聲與回波進行抑制；其中，由于單結構隔聲體使某一中心頻率附近噪聲達到最佳衰減效果的刻槽結構是槽寬和槽間距等于該頻率處波長的1/4，即Li = L· = — λ11)
-4式中，L1為槽的軸向長度；L2兩個槽之間的距離；λ為信道內聲傳輸載波的波長；則單結構隔聲體具有周期性凹槽，該單結構隔聲體的周期性凹槽的凹槽和凸起(相鄰凹槽間的部分)的長度相等，且凹槽的內、外徑與鉆桿的內、外徑一致，凸起的內、外徑與管箍的內、外徑一致；凹槽和凸起的長度與被抑制噪聲的阻帶中心頻率有關，由式(I)確定;步驟2、當上行的鉆柱底部振動噪聲較強時，單結構隔聲體的隔聲頻帶將變窄，導致不能可靠地進行噪聲抑制；針對單結構隔聲體存在的隔聲頻帶較窄的不足，根據實際傳輸信道內井下噪聲頻譜特征，將噪聲頻譜范圍相對劃分為低頻段、中頻段和高頻段；對于不同噪聲頻段范圍，通過對應頻段范圍的單結構隔聲體依次螺紋連接組成組合結構隔聲體，其中低頻抑制單結構隔聲體與底部鉆鋌相連，高頻抑制單結構隔聲體與安裝有聲發射器的傳輸短節相連；組合結構隔聲體內的單結構隔聲體尺寸可根據具體的載波頻率而定，為優化隔聲性能，在每一單結構隔聲體短節的尺寸選擇上需遵循如下原則使各相鄰單結構隔聲體的通阻帶相交，即，某一單結構隔聲體的通帶與其相鄰單結構隔聲體的阻帶重疊或大部分相交，以獲取整體的較寬阻帶帶寬，從而可最大程度地隔離來自底部鉆頭的上行噪聲對聲傳輸信號的影響，同時可減小回波干擾。進一步的，改變單結構隔聲體本身的材質能夠調整隔聲體結構和優化隔聲性能。進一步的，改變單結構隔聲體的結構尺寸(如，周期性凹槽的凹槽與凸起的長度不相等)或形狀特征，可調整或優化隔聲性能。 進一步的，利用高強度填充材料對單結構隔聲體的凹槽結構進行填充，可調整或優化單結構隔聲性能。進一步的，隔聲體位于底部鉆鋌的上方，以及聲發射器下方λ/4處，其中，λ為信道內聲傳輸載波的波長。本發明的技術方案的主要原理為本發明基于低頻縱波在聲阻抗突變處和周期性管結構信道內的傳輸特性，S卩，聲波在聲阻抗不匹配處發生反射導致透射波信號強度衰減，同時周期性管結構信道具有通阻帶交替的梳狀濾波器頻譜響應特性。針對鉆柱內上行的井下噪聲及其回波干擾，設計具有周期性凹槽的組合隔聲體結構，通過改變隔聲體結構的形狀和尺寸可調整隔聲中心頻帶，并將其安裝在鉆鋌上方，以及聲發射器下方λ/4處，其中，λ為信道內聲傳輸載波的波長，實現上行的井下噪聲和反射回波的被動抑制，提取有用的井下激勵信號。本發明和已有技術相比具體如下的特點及技術效果I、本發明使用隔聲體結構實現井下噪聲與回波的被動抑制，具有結構簡單的特點。2、本發明通過隔聲體結構的聲阻抗設計，可克服周期性信道結構中的多重反射聲波，有助于對與有用信號傳播方向一致的單向回波進行抑制。3、本發明中的隔聲體凹槽和凸起的內、外徑分別與鉆桿和管箍的內、外徑保持一致，具有制作與配接方便的特點。4、本發明通過改變隔聲體結構的形狀、尺寸、材質等，可調整或優化整個傳輸信道的隔聲性能。5、本發明中的組合隔聲體由若干結構相對緊湊的單結構隔聲體短節構成，可根據信道內噪聲頻譜特性對單結構隔聲體短節進行靈活地調整與組合。6、本發明中的隔聲體位于鉆鋌上方，以及聲發射器下方λ/4處，其中，λ為信道內聲傳輸載波的波長。7、本發明可用于隨鉆測井或生產測井，實現對基于鉆柱或油管為信道的聲信號傳輸性能的優化，通過改善接收信號的信噪比，提高傳輸速率，從而縮短測井周期，節約鉆井成本。
圖I為設計的單結構隔聲體的結構示意圖；圖2為以L1=L2=USnuO. 64m和O. 32m為例，圖I所示隔聲體的不同頻率響應曲線.
-^4 ，圖3為以L1=L2=L 28m、0. 64m和O. 32m為例，圖I所示隔聲體的隔聲量變化曲線；
圖4為設計的組合結構隔聲體的結構示意圖；圖5為以L1 = L2=L 28m、0. 64m和O. 32m為例，將分別設計的三個單結構隔聲體短節以圖4所示方式構成的組合隔聲體的頻率響應及隔聲量變化曲線；圖6為隔聲體的安裝位置及其與井下聲發射器間的相對位置示意圖；圖7為以“10根鉆桿-9根管箍”組成的周期性鉆柱信道為例，設計的單結構隔聲體的整體隔聲性能；圖8為以“ 10根鉆桿-9根管箍”組成的周期性鉆柱信道為例，設計的組合結構隔聲體與單結構隔聲體的整體隔聲性能對比。
具體實施例方式現結合各附圖及實施例進行詳細說明如下本發明提供一種用于鉆柱聲傳輸技術的井下噪聲與回波被動抑制方法，該方法通過設計一種用于鉆柱聲傳輸技術的井下噪聲與回波抑制的隔聲體結構，實現了對鉆柱信道內上行的來自鉆柱底部的井下噪聲和回波干擾的被動抑制，改善聲傳輸信號接收性能。該方法的具體步驟如下步驟I.單結構隔聲體設計由于隔聲體使某一中心頻率附近噪聲達到最佳衰減效果的刻槽結構是槽寬和槽間距約等于該頻率處波長的1/4，即L1 = L1 =^/,U )式中，L1為槽的軸向長度；L2兩個槽之間的距離；λ為波長。基于上述方法，設計了如圖I所示的具有周期性凹槽的單結構隔聲體。該凹槽和凸起(相鄰凹槽間的部分)的長度相等，且凹槽的內、外徑與鉆桿的內、外徑一致，凸起的內、外徑與鉆桿管箍的內、外徑一致。凹槽和凸起的長度與被抑制噪聲的阻帶中心頻率有關，可由式(I)確定。步驟2.組合結構隔聲體設計針對單結構隔聲體存在的隔聲頻帶較窄的不足，可根據實際傳輸信道內井下噪聲頻譜特征，將噪聲頻譜范圍相對劃分為低頻段、中頻段和高頻段。對于不同噪聲頻段范圍，通過不同特定的單結構隔聲體短節依次螺紋連接組成組合結構隔聲體，其中低頻抑制短節可與底部鉆鋌相連，高頻抑制短節可與安裝有聲發射器的傳輸短節相連。組合結構隔聲體內的單結構隔聲體短節尺寸可根據具體的載波頻率而定。為優化隔聲性能，在每一單結構隔聲體短節的尺寸選擇上需遵循如下原則使各相鄰單結構隔聲體的通阻帶相交，即，某一單結構隔聲體的通帶與其相鄰單結構隔聲體的阻帶重疊或大部分相交，以獲取整體的較寬阻帶帶寬，從而可最大程度地隔離來自底部鉆頭的上行噪聲對聲傳輸信號的影響，同時可減小回波干擾。
通過回波噪聲抑制的仿真分析對本發明的技術效果進行驗證如下根據聲波在鉆柱中的傳播原理，在下文闡述的仿真過程中，基于鉆柱內一維縱波的波動方程，利用有限差分算法將鉆柱信道細分為若干質量微元，則波動方程可改寫為
權利要求
1.一種用于鉆柱聲傳輸技術的井下噪聲與回波被動抑制方法，其特征在于該方法包括如下步驟 步驟I、利用單結構隔聲體對鉆柱聲傳輸技術中井下噪聲與回波進行抑制；其中， 由于單結構隔聲體使某一中心頻率附近噪聲達到最佳衰減效果的刻槽結構是槽寬和槽間距等于該頻率處波長的1/4，即 L, = L2 = —Λ(I) 1 2 4 式中，L1為槽的軸向長度；L2兩個槽之間的距離；λ為信道內聲傳輸載波的波長； 則單結構隔聲體具有周期性凹槽，該單結構隔聲體的周期性凹槽的凹槽和凸起的長度相等，該凸起為相鄰凹槽間的部分，且凹槽的內、外徑與鉆桿的內、外徑一致，凸起的內、夕卜徑與管箍的內、外徑一致；凹槽和凸起的長度與所抑制噪聲的阻帶中心頻率有關，由式(I)確定； 步驟2、當上行的鉆柱底部振動噪聲較強時，單結構隔聲體的隔聲頻帶將變窄，導致不能可靠地進行噪聲抑制；針對單結構隔聲體存在的隔聲頻帶較窄的不足，根據實際傳輸信道內井下噪聲頻譜特征，將噪聲頻譜范圍相對劃分為低頻段、中頻段和高頻段；對于不同噪聲頻段范圍，通過對應頻段范圍的單結構隔聲體依次螺紋連接組成組合結構隔聲體，其中低頻抑制單結構隔聲體與底部鉆鋌相連，高頻抑制單結構隔聲體與安裝有聲發射器的傳輸短節相連；組合結構隔聲體內的單結構隔聲體尺寸可根據具體的載波頻率而定，為優化隔聲性能，在每一單結構隔聲體短節的尺寸選擇上需遵循如下原則使各相鄰單結構隔聲體的通阻帶相交，即，某一單結構隔聲體的通帶與其相鄰單結構隔聲體的阻帶重疊或大部分相交，以獲取整體的較寬阻帶帶寬，從而可最大程度地隔離來自底部鉆頭的上行噪聲對聲傳輸信號的影響，同時減小回波干擾。
2.如權利要求I所述的一種用于鉆柱聲傳輸技術的井下噪聲與回波被動抑制方法，其特征在于改變隔聲體本身的材質能夠調整隔聲體結構和優化隔聲性能。
3.如權利要求I所述的一種用于鉆柱聲傳輸技術的井下噪聲與回波被動抑制方法，其特征在于改變隔聲體的結構尺寸或形狀特征，可調整或優化隔聲性能；所述的改變隔聲體的結構尺寸或形狀特征為使周期性凹槽的凹槽與凸起的長度不相等。
4.如權利要求I所述的一種用于鉆柱聲傳輸技術的井下噪聲與回波被動抑制方法，其特征在于利用高強度填充材料對隔聲體的凹槽結構進行填充，可調整或優化隔聲性能。
5.如權利要求I所述的一種用于鉆柱聲傳輸技術的井下噪聲與回波被動抑制方法，其特征在于隔聲體位于底部鉆鋌的上方，以及聲發射器下方λ/4處,其中，λ為信道內聲傳輸載波的波長。
全文摘要
本發明涉及一種用于鉆柱聲傳輸技術的井下噪聲與回波被動抑制方法，屬于鉆井過程中井下數據傳輸技術領域，為克服現有技術中由于井下噪聲、鉆柱不連續結構等因素造成的低頻噪聲與回波使鉆柱聲信號傳輸性能降低的問題，本發明基于周期性管結構具有的梳狀濾波器頻譜響應特性，利用一種具有周期性凹槽的隔聲體結構，在一定頻帶內實現鉆柱內上行噪聲與回波的被動隔離與抑制，從而可改善接收信號的信噪比，提高傳輸速率，縮短測井周期，節約鉆井成本，且具有較寬的低頻隔聲帶寬和結構簡單的特點。
文檔編號E21B47/14GK102881280SQ20121034559
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月17日 優先權日2012年9月17日
發明者李成, 井中武, 樊尚春, 劉釗 申請人:北京航空航天大學