專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于鉆柱聲傳輸技術(shù)的單向回波噪聲抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鉆井過(guò)程中的井下數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于鉆柱聲傳輸技術(shù)的單向回波噪聲抑制方法，用于有效地抑制隨鉆測(cè)井中鉆柱信道內(nèi)下行地面噪聲和反射回波對(duì)上行有用信號(hào)提取的影響。
背景技術(shù)：
作為代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電纜測(cè)井的一種新方法，隨鉆測(cè)井中的井下信息傳輸技術(shù)已成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。目前廣泛商用的泥漿脈沖技術(shù)存在傳輸速率很低的缺點(diǎn)，一般僅為 lObit/s，其信噪比更易受鉆井液和現(xiàn)場(chǎng)噪聲的嚴(yán)重影響。因此，作為一種可選擇的井下高速數(shù)據(jù)傳輸方式，聲波傳輸技術(shù)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的關(guān)注。聲波傳輸技術(shù)是利用聲波經(jīng)過(guò)鉆柱信道來(lái)傳輸信號(hào)，井下數(shù)據(jù)的測(cè)試過(guò)程是將測(cè)試儀器和聲波無(wú)線傳輸發(fā)射系統(tǒng)隨鉆柱或抽油泵下入，測(cè)試儀器將各種井下參數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，然后編碼、暫存，將代表井下參數(shù)的二進(jìn)制碼脈沖送至控制電路，發(fā)射聲波振動(dòng)信號(hào)，沿鉆柱或油管傳輸?shù)降孛?，被安裝在井口的聲波接收換能器接收，經(jīng)放大后送入存儲(chǔ)介質(zhì)記錄，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和解釋。聲波傳輸方式具有前期投入少，傳輸速率相對(duì)較高的優(yōu)點(diǎn)。 而且，由于聲波在鋼材料中的傳輸速率高達(dá)5000m/s，石油鉆井中井下連續(xù)的鋼質(zhì)鉆柱更為聲波的井下信息高速傳輸提供了條件。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，鉆柱結(jié)構(gòu)中的不同測(cè)井儀器而引起的聲阻抗不均勻也嚴(yán)重影響聲傳輸性能。同時(shí)，鉆井過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲，它能使模擬信號(hào)失真，使數(shù)字信號(hào)發(fā)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致鉆柱傳輸信道的性能變差，并最終影響聲傳輸信號(hào)的接收效果。鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲主要包括地面噪聲和井下噪聲，這些噪聲會(huì)隨著鉆井參數(shù)的變化而變化，且噪聲的高低將影響信噪比，并導(dǎo)致信道的傳輸能力變化。工程研究發(fā)現(xiàn)，采用同樣功率的發(fā)射信號(hào)，當(dāng)噪聲較嚴(yán)重時(shí)，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?？紤]到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(jié)構(gòu)特性，以及鉆桿與管箍連接處會(huì)產(chǎn)生回波現(xiàn)象，研究鉆柱聲波傳輸中的噪聲及回波抑制具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。在隨鉆聲波傳輸技術(shù)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(jié)構(gòu)特性(參見(jiàn)Barnes，T. G，and Kirkwood,B. R. Passbands for acoustictransmission in an idealized drill string[J]. Journal of the Acoustic Society of America，1972，51 :1006 1008.)。從 1985 年開(kāi)始，Drumheller 和Poletto在聲遙測(cè)理論方面取得進(jìn)展，分析了縱波沿理想鉆桿的頻帶特性、通帶內(nèi)的細(xì)微頻譜結(jié)構(gòu)、鉆桿外形尺寸以及管內(nèi)外等效簡(jiǎn)化損耗對(duì)傳輸?shù)挠绊懀⒘嗣枋雎晜鬏斖ǖ赖睦碚撃Ｐ?參見(jiàn)Douglas S. Drumhel ler. Attenuation ofsound waves in drill strings[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(bǔ)償長(zhǎng)源距隨鉆聲波測(cè)井儀(參見(jiàn)王華，陶果，張緒健.隨鉆聲波測(cè)井研究進(jìn)展[J].測(cè)井技術(shù)，2009，33(3) 197-203.)。自2001年以來(lái)，BakerHughes, DBI、IntelliServ等公司陸續(xù)申請(qǐng)了鉆柱聲波遙測(cè)系統(tǒng)的專(zhuān)利。例如，BakerHughes公司提出了 FSK、PSK、MSK的調(diào)制方法(參見(jiàn)=Green Robert. Method andapparatus for improved communication in a wellbore utilizing acoustic signals [P]. US6450258, 2002), DBI提出了正交頻分復(fù)用的調(diào)制方法(參見(jiàn) Hill Lawrence. W. Downhole telemetry andcontrol system[P] · US7019665,2006)。針對(duì)井下回波和噪聲的抑制，1998年Marr Joel. G提出了一種應(yīng)用互均衡濾波器去除雙換能器耦合誤差以及地震數(shù)據(jù)中混響的方法，該方法可以有效避免在質(zhì)點(diǎn)速度和壓力數(shù)據(jù)相結(jié)合過(guò)程中導(dǎo)致的自由表面反射噪聲(參見(jiàn)Joel G. Starr. Method of reverberation removalfrom seismic data and removal of dual sensor coupling errors[P], US5825716,1998.) ；2000年Flavio Poletto等對(duì)聲波在鉆頭與巖石端面的反射情況進(jìn)行了深入研究，在扁鉆頭的理想情況下估算了反射系數(shù)，并指出應(yīng)力波的反射系數(shù)取決于鉆桿與鉆孔的橫截面積的比值，該方法通過(guò)建立應(yīng)力方程組，得到了反射系數(shù)的具體表達(dá)式，然而，該推導(dǎo)過(guò)程僅在井下噪聲較小的情況下進(jìn)行，具有一定的局限性(參見(jiàn)Flavio Poletto,Massimo Malusa. Reflecton ofdrill-string extensional waves at the bit-rock contact[J]. Acoustical Society of America,2002,111(6) :2561-2565.)； 2004年Sinan Sinanovic研究了井下噪聲和地面噪聲對(duì)隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸影響，指出地面噪聲對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊戄^大，提出了應(yīng)用雙聲接收器法抑制地面噪聲的模型，指出利用兩個(gè)聲接收器可實(shí)現(xiàn)地面噪聲的抑制，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證(參見(jiàn)=Sinan Sinanovic, Don H. Johnson. Direction propagation cancellation for acoustic communication along the drillstring[C]. ICASSP，2006.)，但 Sinan Sinanovic 提出的模型主要考慮鉆柱端面反射的簡(jiǎn)單情況。實(shí)際上，鉆柱主要具有由多節(jié)鉆桿和管箍組成的周期性結(jié)構(gòu)，這種復(fù)雜的周期性結(jié)構(gòu)對(duì)聲信號(hào)的傳輸性能產(chǎn)生較大影響。特別是，由于鉆桿和管箍的聲阻抗差異明顯，在它們的相連處會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的反射回波，且多重反射回波相互疊加，干擾有用信號(hào)的接收。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)階段上述已有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供了一種用于鉆柱聲傳輸技術(shù)的單向回波噪聲抑制方法。該方法利用兩個(gè)聲接收器、相應(yīng)濾波器，通過(guò)改進(jìn)的回波噪聲抑制的建模方法，實(shí)現(xiàn)下行的地面噪聲與反射回波的抑制。該方法有助于井下聲傳輸信號(hào)的有效提取，提高信噪比。本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種用于鉆柱聲傳輸技術(shù)的單向回波噪聲抑制方法， 該方法的具體步驟如下步驟1.傳輸信道容量分析，具體分析方法如下步驟al、隨鉆聲波傳輸系統(tǒng)中噪聲來(lái)源的分析隨鉆聲波傳輸系統(tǒng)中存在兩種噪聲，一種來(lái)源于鉆頭處，由井下鉆頭擊破巖層所產(chǎn)生，以nd表示，其可通過(guò)鉆柱信道上傳至地面；另一種噪聲來(lái)自于地面設(shè)備，由地面設(shè)備的電力或機(jī)械系統(tǒng)等引起，以ns表示；步驟a2、上行通道以及下行通道的容量的計(jì)算由信道容量的定義可知，上行通道的容量為
權(quán)利要求
1. 一種用于鉆柱聲傳輸技術(shù)的單向回波噪聲抑制方法，其特征在于該方法的具體步驟如下步驟1.傳輸信道容量分析，具體分析方法如下 步驟al、隨鉆聲波傳輸系統(tǒng)中噪聲來(lái)源的分析隨鉆聲波傳輸系統(tǒng)中存在兩種噪聲，一種來(lái)源于鉆頭處，由井下鉆頭擊破巖層所產(chǎn)生， 以nd表示，其可通過(guò)鉆柱信道上傳至地面；另一種噪聲來(lái)自于地面設(shè)備，由地面設(shè)備的電力或機(jī)械系統(tǒng)等引起，以\表示；步驟a2、上行通道以及下行通道的容量的計(jì)算由信道容量的定義可知，上行通道的容量為Ct7i = log2(l +--bit I s(1)h Pnb(J) + PnM)\H if )\式中，B為信道通帶帶寬，Ps(f)、&(/)和叉(/)分別為激勵(lì)信號(hào)、鉆頭噪聲、地面噪聲的功率譜密度；由于系統(tǒng)信號(hào)在傳輸過(guò)程中本身的衰減很大，因此，|H(f)| <<1，以及|H(f)|_2>> 1 ；若及(/)和&(/)在同一數(shù)量數(shù)量級(jí)，則&(/)可忽略不計(jì)，即，可認(rèn)為地面噪聲的影響遠(yuǎn)大于井下噪聲，從而可忽略鉆頭噪聲nd的影響； 相應(yīng)地，下行通道的容量可為Cdl = log2(l +-^^-T)df bit I s (2)Pnb(J) ^ ρηΜψ( )\2)步驟a3、主要噪聲的分析由于雙聲接收器安裝在鉆柱頂端，用于接收由鉆頭處上傳的井下數(shù)據(jù)，因此，主要考慮上行通道，則僅需考慮地面噪聲ns的影響；步驟2.對(duì)回波噪聲進(jìn)行抑制，具體抑制方法為 步驟bl、在鉆桿上布置聲接收器由于聲波傳播沒(méi)有方向性，鉆柱信道內(nèi)同時(shí)存在上行波和下行波，這樣，鉆柱頂端處的聲接收器不僅接收到上行傳輸信號(hào)，同時(shí)還接收到地面噪聲以及下行傳輸?shù)亩嗣娣瓷湫盘?hào)，以及在各個(gè)“鉆桿-接箍”連接處的反射回波信號(hào)；為消除地面噪聲和回波，在鄰近地面的單節(jié)鉆桿上以1/4載波波長(zhǎng)為間隔布置兩個(gè)聲接收器；步驟1^2、通過(guò)檢測(cè)雙聲接收器處上、下行信道響應(yīng)進(jìn)行回波噪聲抑制的建模方法在忽略外界耦合噪聲的影響下，整個(gè)傳輸系統(tǒng)內(nèi)僅存在地面噪聲~(0和激勵(lì)輸入信號(hào)x(t)兩個(gè)未知變量，因此，理論上僅利用兩個(gè)聲接收器可實(shí)現(xiàn)地面噪聲和端面反射回波的抑制；根據(jù)信號(hào)與系統(tǒng)的基本理論，信道的輸入與輸出之間存在卷積關(guān)系，其中假設(shè)當(dāng)在鉆柱底端施加單位脈沖激勵(lì)時(shí)，位于兩個(gè)聲接收器yi、y2處的脈沖響應(yīng)分別為hjt)和h2(t)，以及當(dāng)在鉆柱頂端施加單位脈沖激勵(lì)時(shí)，兩個(gè)聲接收器處的脈沖響應(yīng)分別為h' Jt)和h' 2(t)，則考慮地面下行噪聲ns(t)條件下，當(dāng)鉆柱底端施加上傳的輸入信號(hào)x(t)時(shí)，兩個(gè)聲接收器yi(t)、y2(t)的時(shí)域信號(hào)可表示為Y1 (t) = X (t) ^h1 (t) +ns (t) *h ‘ ！ (t)(3)y2(t) = x(t)*h2(t)+ns(t)*h' 2(t)(4)式中，h^O.h^t)可表示為鉆柱上行通道的瞬態(tài)脈沖響應(yīng)；h' 為鉆柱下行通道的瞬態(tài)脈沖響應(yīng)；對(duì)式(3)、(4)進(jìn)行傅里葉變換，可得其頻域表達(dá)式為(t)、h' 2(t)可表示Y人 f) = Hx 人 f)X〈f) + HNi〈f)N人 f)Y2(f) = HXi(f)X(f) + HNi(f)Ns(f)聯(lián)立式(5)、(6)，可得如下的矩陣形式 _(Ηχι ΗΝΛ Χ Ζ,Hm Ν‘.通過(guò)運(yùn)算可消除地面噪聲信號(hào)Ns(f)，則X(I) =ΗΝ2( )ΥΑ )-ΗΝχ )Υ2( )W1'D(f)(5)(6)(7) (8)式(8)中，丑々(/)、丑;r2(/)、丑Wl(/)、丑 (/)分別為 Mtht^thh' “thh' 2(t)的頻域形式，且糾/) = ΗΧι {f)HNi {f)-HXi {f)HNi (/)；對(duì)式(8)進(jìn)行傅里葉逆變換，可反求出施加于鉆柱底端的原始激勵(lì)信號(hào)χ' (t)，即x\t) = <F~HNSf)Uf)-HNXf)Y2(f)N1D(f)(9)根據(jù)聲波在鉆柱中的傳播原理，基于鉆柱內(nèi)一維縱波的波動(dòng)方程，利用有限差分算法將鉆柱信道細(xì)分為若干質(zhì)量微元，則波動(dòng)方程可改寫(xiě)為uj+l+Uj'1 =ηη2Ar +1/2Ar + Ar +1/2n-l/2K+l +2Δγn-l/2Ar + Ar 1/0 +1/2n-l/2U(10)式中，<表示j時(shí)刻I處質(zhì)點(diǎn)位移，ΔΓη表示ι處微元質(zhì)量；因此，利用該式(10)可得到鉆柱信道中不同位置處質(zhì)量微元的振動(dòng)情況，從而獲得不同激勵(lì)條件下鉆柱的瞬態(tài)振動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)在鉆柱信道內(nèi)的傳輸過(guò)程；在鉆柱底端施加單位脈沖激勵(lì)，利用式 (10)可仿真得到鉆柱上行通道的瞬態(tài)沖擊響應(yīng)Ii1 (t)和Ii2 (t)，再通過(guò)傅立葉變換，可求的hi (t) ,h2(t)的頻域表達(dá)式Hz1C/)、HxSf)；同理，在鉆柱頂端施加單位脈沖激勵(lì)，可仿真得到鉆柱下行通道的瞬態(tài)沖擊響應(yīng)h' Jt)和h' 2(t)，以及對(duì)應(yīng)的頻域表達(dá)式HWl(/)、HNSfh步驟b3、求解施加于鉆柱底端的原始激勵(lì)信號(hào)通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)聲接收器71(0、^(0的信號(hào)，利用式(9)可求解施加于鉆柱底端的原始激勵(lì)信號(hào)；從而該用于鉆柱聲傳輸技術(shù)的單向回波噪聲抑制方法通過(guò)改進(jìn)的回波噪聲抑制分析模型，實(shí)現(xiàn)下行的地面噪聲與反射回波的抑制。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于鉆柱聲傳輸技術(shù)的單向回波噪聲抑制方法，其特征在于，將經(jīng)過(guò)雙聲接收器檢測(cè)處理后的時(shí)域信號(hào)χ' (t)送入帶通濾波器，以實(shí)現(xiàn)較好的接收效果。
3.如權(quán)利要求1所述的一種用于鉆柱聲傳輸技術(shù)的單向回波噪聲抑制方法，其特征在于，所述聲接收器為壓電式換能器，且兩個(gè)聲接收器之間的安裝距離相距為1/4的載波波長(zhǎng)。
4.如權(quán)利要求3所述的一種用于鉆柱聲傳輸技術(shù)的單向回波噪聲抑制方法，其特征在于，所述壓電式換能器為壓電式加速度計(jì)或磁致伸縮式換能器。
5.如權(quán)利要求2所述的一種用于鉆柱聲傳輸技術(shù)的單向回波噪聲抑制方法，其特征在于，所述帶通濾波器可選取100階HR數(shù)字帶通濾波器，窗函數(shù)取Hamming窗，通帶范圍取為 1400Hz 1620Hz。
6.如權(quán)利要求1所述的一種用于鉆柱聲傳輸技術(shù)的單向回波噪聲抑制方法，其特征在于，所述的建模方法可利用DSP或嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于鉆柱聲傳輸技術(shù)的單向回波噪聲抑制方法，屬于鉆井過(guò)程中井下數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)領(lǐng)域。為克服現(xiàn)有技術(shù)中由于地面噪聲、鉆柱不連續(xù)結(jié)構(gòu)等因素造成的回波噪聲使鉆柱聲信號(hào)傳輸性能降低的問(wèn)題，本發(fā)明利用鉆柱上、下行信道的瞬態(tài)脈沖響應(yīng)，采用雙聲接收器的接收方式，通過(guò)改進(jìn)的回波噪聲抑制的建模方法，實(shí)現(xiàn)井下回波噪聲抑制的目的，從而可改善接收信號(hào)的信噪比，提高傳輸速率，縮短測(cè)井周期，節(jié)約鉆井成本，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)E21B47/14GK102354501SQ201110294240
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者井中武, 劉釗, 李成, 樊尚春 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)