Multiple-Echo抑制声传播建模和实验验证以及周期性钻使用双重接收器

文摘

在石油行业,伴随着混响是一个主要的传输速率和距离的约束,因为钻是一个异构的组装。基于瞬态脉冲响应在上行和下行通道,一种改进的简化的回声抑制模型有两个声接收器位置提出了考虑优化单声接收机。然后传播的声波接收特征信号length-limited周期性钻通道得到单-和双接收器模式。向下一个添加剂中还介绍了高斯白噪声信道。此外,实验平台建立了通过使用一个可旋转的电磁振动激励器和两个压电加速度计,其间距为四分之一波长在6.3米模拟周期性钻。的问、移频键控,PSK-modulated方波脉冲序列200比特/秒的传输速度应用于模拟钻的旋转速度0,80,和140 r / min,分别。实验结果表明,双接收器模式可以表现出显著提高平均误差比率,大约2.5到3倍低于single-receiver模式,尤其是条件下更高的旋转速度。

1。介绍

在勘探行业,需要有一些传输井下钻井信息的手段,如压力、温度、钻井方向,表面和地层信息,(1,2]。与电子电路和数字信号处理技术的发展,许多井下测量随钻测量工具(随钻测量)开发收集井下信息(3]。一直在尝试各种井下遥测方法,包括泥浆脉冲遥测、高速钻遥测、有线遥测,极低频电磁(EM)遥测和钻声波遥测。泥浆脉冲遥测是商业上最成功的方法。然而,数据传输速率是有限的几位/秒脉冲衰减和传播。当使用高度可压缩本文钻井液时,这种方法可能无法工作(4]。高速钻遥测可以通过使用一个独特的系统实现有线钻杆和相关的钻井工具连接字符串随钻测量表面(5]。因为特殊的钻杆和需要特殊的工具接头连接器,钻井作业的成本将大幅增加。在有线遥测,测量参数转换成电信号,通过同轴电缆传输。然而,不当使用电力电缆在钻探过程中,因为需要电气连接每10 - 15米或电缆的钻井必须停止被绊倒,以添加一个新的管道段。此外,油管外的可用空间限制和电缆很容易损坏6]。因此,无线遥测系统在钻井作业优先等测量。目前,EM遥测技术被用于随钻测量服务,但他们遇到高信号衰减地区地层电阻率较低。尤其是数据速率和传输范围有限,井眼周围的地层的电阻率7]。声学数据传输通过外延波沿钻提供了另一种沟通的可能性。声波传播的想法通过钻最初在1948年提出太阳石油公司也进行了现场试验测量声衰减的钻和报道一个信号损失大约12 dB / 1000英尺(8]。不幸的是,钻是一个周期性结构的管道和接头螺纹工具,从而以带状和分散行为。虽然多节点声学遥测网络能够传送数据以每秒超过30位已成功开发并部署在钻井应用,传播声学数据被多次反射所造成的短期和长期的影响在钻(9]。这些物理约束强烈恶化信噪比(信噪比),从而抑制严重的可用的传输距离和数据率为这种类型的声波遥测。因此,回声抑制是一个更关键的问题在多个声阻抗不匹配位置,上下呼应自由旅行的钻和混淆传输数据。

近年来,一些新的回波消除的发展被描述在电信领域,尤其是在移动通信10- - - - - -12]。这些回声消除器主要使用自适应滤波器来对抗干扰的传输信号集中的接收器为了实现全双工传输网络。回声路径包括延迟,它基本上由system-delay组件和一个传播时间从扬声器麦克风。然而,这将降低由于overparameterization收敛速度和性能。计算复杂度也延迟估计的一个主要问题,这甚至可能使该算法实现在实时系统中不可行。因此,一个简化的回声抑制算法更可取的声传播沿钻在不利的井下条件下实时。此外,“回声”一词代表了发射机信号的传输回在移动通信13),而回波干扰传输信号在接收机的接收井下声波通信。关于上述问题,校长和马里昂使用视执行反滤波反褶积算子的多声反射(14]。其主要缺点是,它可能由于相干噪声引起的信号失真。Drumheller和斯科特的回声抑制方法使用一种新颖的数字延时电路和一对间隔的传感器、应变式或加速度计等,执行回声抑制(15]。然而,两者之间旅行的确切时间延迟波传感器和自适应滤波器需要确定。Poletto了dual-sensor-based混响抑制分析方法通过测量加速度和应变与相对反射系数(16]。添加双波可以去除钻反射的一部分,而这是更容易减少单向反射噪声从钻的一端。考虑到表面噪声是主要的噪声源,Sinanović等人提出了一个理论two-receiver通道模型(17]。在这个模型中,不同的的两个信号之间的时间延迟两个接收器用于抑制噪声。然而,该模型只考虑一阶波反射管道末端为简单起见。事实上,声反射发生不仅管末端,而且在任何声阻抗不匹配职位钻。因此,将无法工作在实际操作中由于多次反射时被认为是过于简单化的解决方案。本文改进multiple-echo抑制模型使用两个声接收器提出了基于瞬态脉冲响应在上行和下行通道。和实验平台对扶轮模拟振动激发钻检查建立声学数据传输行为。传播的声波接收特征信号,包括单位正弦脉冲序列和方波调制数据,沿着模拟钻了单-和双接收器模式通过仿真和实验,分别。

2。模型适应问题

钻声学遥测方法研究了在上述文件(18]。巴恩斯和柯克伍德在1972年指出,管道和工具形成的周期性结构关节导致频率过滤和多重回声(19]。声阻抗不匹配所产生的不连续结构的钻也显化表面和井下噪声通过无数的峰值在每个通频带的透射谱。这个分析的结果说明抑制回波噪声的重要性和提高上行声学遥测信号接收器收集的旅行。在本节中,声波传输性能在有限长钻由时域有限差分方法模拟使用以下方程: 在哪里,,,的杨氏模量、密度、纵向位移,分别和钻的横截面积。针对周期性结构的事实将导致重新分配,而不仅仅是减少振幅和波的传播,衰减机制在实际现场环境,包括粘性耗散的能量向周围钻泥和身体接触的形成和套筒,不包括(1)。

通过引入质量协调以及声阻抗,(1)是写成 在哪里声音的速度在钻声阻抗。

线性的时域算法,一维波动方程有许多问题的优势具有复杂几何形状和边界条件的组合。钻分为部分。在每个部分中,假定密度和横截面积不变。网格点的位置贴上一个整数吗。在网格点之间的线段的位置和贴上一个号码吗。的位移场在网格点一组离散的值来近似。为了提高算法的稳定性,统一的临界时间步长和质量元素使用。和被定义为为一个统一的钻元素。通过使用一个simple-centered差分法(2)是由 在哪里表示时间;是至关重要的时间步长;表示位置。通过指定边界条件 声传播沿钻可以分析瞬态行为。

2.1。在钻声接收器位置

在声学遥测,特性阻抗是一个函数的频率和位置,位置依赖被周期按照钻。因此,接收到的信号是在钻影响接收器的位置。传输信号通过钻在两个方面。为简单起见,仅考虑一阶反射顶端(5),但结果概括当考虑多次反射。假设从底层向上传输信号,接收到的信号是由 在哪里接收机的距离相对于高端;是波长;发射机和接收机之间的距离;波的速度。

从(5),首选位置声接收器可以被定义为的最大价值,在那里是任何奇数大于零。然而,钻的上端是更紧密地建模为固定端,而非自由端由于钻的质量块暂停或钻井平台的质量。接收者也可能是附近钻的结束。因此,单个声接收器的首选位置附近钻或在年底大约的位置低于上限减少破坏性的干扰的信号反射(20.]。假设钻由九钻杆,关节由八个分离工具。根据通频带和stopand钻的频率响应,载波频率设置为1455 Hz。钻在年底的接收器被视为固定端。然后瞬时信道响应一个励磁信号,由十个正弦波脉冲,可以通过有限差分方法。钻的物理维度模拟表中列出1。

图1将接收到的信号的位置从高端的位置远离高端。混叠的直达波和反射波的位置产生更少的噪音达到顶峰,而反射干扰相消的位置与原信号在图1(一)。此外,信号强度在频域响应的位置是比两倍的位置吗在图1 (b)对信噪比的增加,传输性能,如传输速率和距离。因此,它是更合适的地方一个加速度计的距离从高端检测上行波在single-receiver旅行模式。

2.2。双钻声接收机模型

在钻井期间,两位噪声和表面噪声严重混淆数据的传输。当这两种类型的噪音是假定为添加剂和高斯,占主导地位的组件在信道容量是表面噪声对于一个给定的带宽(17]。因此,噪声通常被忽略为简单起见。不幸的是,声波遥测信号通常被多个反射产生的影响发生在声阻抗不匹配的位置。双测量记录反射波旅行在同一个方向,可以消除钻的反射波和不必要的噪音。

指图2、声接收器和间距为四分之一波长被放置在第一管的顶部钻记录的信号,和,他们的反映。噪音包括直接表面噪声以及下行回声直接表面噪声的混合信号和原始激励信号。基于驻波理论,接收器大约位于顶部钻,降低接收机是从接收机。由于存在多次反射的钻通道,介绍了上行和下行信道响应模型。假设一个单位脉冲激励的底部钻,获得的脉冲激励响应的接收器和被定义为和,分别。同样,假设一个单位脉冲激励的顶部钻,收集的脉冲激励响应被定义为两个接收器和,分别。在图的通道模型2(21),由此产生的信号和在接收时和是

通过快速傅里叶变换(FFT)算法,(6)被编写为 在哪里,,,代表的功能,,,分别在频域。

自从向下移动的声音令人不安的声学信号提取的混合噪声和数据以及多次反射波,可以通过以下结果(7)来减少噪音的传播对表面向上。考虑

与傅里叶反变换,原励磁信号可以计算

恢复的信号检测到双接收器将处理一个带通滤波器,使载波频率是有限的通频带的数据传输。它可以消除高频组件提出的算法。尤其重要的是要注意,上行和下行信道响应,和,在两个接收器和分别可以测量。这两个接收器可以压电或磁致伸缩加速度计在真实的应用程序中。相应的上行和下行信道响应首先取样后生成一个已知的线性调频信号在井下发射机和钻的表面位置。然后通道传递函数可以由cross-correlating参考线性调频信号的接收信号,利用接收信号的频谱和参考线性调频信号的频谱。因此,功能,,,在(8)可能最终解决。原来的激励信号可以被截取和恢复(9)。

3所示。使用双接收器模拟声波的传播

四钻管道由三关节所列在表的工具1瞬态模拟中使用。整个研究钻约37.8米的长度。从古典模式波光谱通带和阻带的,1.52 kHz的载波频率通带的确定。回顾图2,连续正弦或调制激发信号应用于左端。接收方位于右端0.95米的距离,和接收器吗在0.95米以下接收机吗。左右两端分别视为底部和顶部钻,在右端被建模为固定端,因为暂停的质量块钻或钻井平台的质量。加性高斯白噪声的信噪比4 dB行动在右端,该模拟向下表面噪声的影响。通过求解瞬态响应单位脉冲激励接收器和在上行和下行通道一维波动方程的形式,功能,,,在(6)确认。这样,原来的激励信号与上述双接收器可以提取方法。

3.1。正弦脉冲激

一包14 1.52 kHz的振荡行为在钻的左端。的接收器和同时检测瞬态波运动。然后实现信号在单-和双接收器模式比较如图3和4。在接收机接收到的信号严重衰减和扭曲的高频干扰较强组件,如2.15 kHz和2.86 kHz远离1.52 kHz励磁频率图吗3 (b)。相应的时域信号已经失去了原来的脉冲波形,这可能会导致糟糕的接收(约1.9米的位置离右端)。相反,在接收机信号的中心频率与传播重合在图1.52 kHz的频率3(一个)。在图4,双接收器信号平滑正弦波形状和更少的共振峰,尽管其振幅下降之间的信号由接收器接收和。这也在一定程度上表明,附近一个接收器插入这些更高的信噪比条件下的最优位置是可行的。的毛刺干扰信号多叠加,有限脉冲响应(杉木)60-order带通滤波器使用汉明窗(1400 - 1620赫兹)是应用于双接收器模式。过滤后的波形如图5。通过比较图4与图5毛刺和高频峰是遥远的过滤信号。从获得的彬彬有礼的信号包络,我们得出结论,建立了双接收器模型可以做到组织实施低信噪比条件下回波消除和减少噪音。

3.2。调制信号激励

与会的钻定期间隔横截面积的不连续性。人们已经发现,某些离散频率通带中存在一个钻,它允许一个声学信号的传播与衰减的最低水平。因此,至关重要的信号调制,使传输信号的频率范围在一个最佳的通频带。通常是传输二进制数据的三个基本方面,如振幅键控调制(问),频移键控调制(移频键控),和相移键控(相移键控)调制22]。,目前简单的通信调制方案,如问,移频键控、相移键控,及其衍生品,仍普遍应用于实际井下遥测系统。因此,从原理的角度试验和性能测试,这三个经典的数字通信调制方案是用来评估提出了双接收器的方法。一包50-bit调制伪随机二进制代码序列,它由一系列的1和0的适当的随机模式已知发射机和接收机,是带钻的左端。载波频率和数据速率是配置为1.52 kHz和450位/秒,分别。添加剂与零均值高斯白噪声和8是行动的一种变体的高端钻来模拟downward-going表面噪声的影响。在这种情况下,混合信号和噪声共存的周期性衰退模拟通道。接收机的输出在最优位置建议作为一个接收机的信号。每个数字调制方案是由模拟测试了20次评估声学数据通信的性能。然后误比特率(BER)曲线沿着一条37.8米钻的三种不同类型的调制单或双接收器模式呈现在图6。仿真结果表明,没有明显的区别在平均误码率的范围47% - -50.4%的三种类型的调制single-receiver模式,虽然平均误码率显著提高和降低超过94%时,双接收器模式可用。一般来说,相移键控调制不太容易被错误比其他两个调制方案在nonrotary钻通道,而它需要更复杂的相位恢复过程。具体来说,PSK-modulated脉冲信号的平均误码率时从0.8%减少到47%双接收器原型是代替single-receiver原型。相应的传播和接收的波形PSK-modulated信号显示在图7。事实证明,两个接收器的适当使用适当的调制方案可以提供一个更好的信噪比和高数据率的多路径通道钻。

4所示。实验结果和分析

图8说明了开发实验平台进行振动加速度测量和声学数据传输模拟钻在实验室。根据类比原则,一组圆形管道采用构造模拟周期性钻。45 #碳钢制成的圆形管道螺纹端到端来模拟实际钻螺纹工具关节。整个长度的模拟钻,由四个圆形管道和三个工具关节,大约是6.3米。模拟钻的尺寸表中列出2。

左边的低循环管模拟钻的铰链的一端卡盘。的另一端卡盘由螺纹连接轴与短管连接。短轴是由发动机驱动支持的固定框架,支持45 #碳钢制成的底座。电磁振动激励器和一个10 N动力输出装在固定螺栓的夹头,它以这种方式能够使励磁机施加所需的振动激励扶轮模拟钻。模拟钻的右端是固定在固定支撑架,右端被视为固定端。两个单轴集成电子压电(IEPE)加速度计的间距用于测量振动响应励磁信号。加速度计位于远离模拟钻的右端,和加速度计左边是加速度计吗。根据安排,在图8,信号发生器的输出是进口振动激励通过功率放大器,然后激励器可以应用相应的左端动力模拟钻。电机驱动模拟钻加工短轴,使其在一定的转速旋转。由于旋转励磁,利用加速度计的输出信号无法连接到一个基于计算机的数据采集设备使用直接电缆连接。因为这个原因,两个滑环和用于引导当前通过固定刷子或绕组的模拟钻。与此同时,他们可以执行振动激励扶轮与扶轮振动测量,分别。加速度计信号由接收器接收和是美联储YE6231四通道数据采集设备与计算机实时采样的时域振动数据处理恢复激励信号。图9揭示了发达的物理图像旋转振动激励装置。实验设备的典型性能参数表中列出3。

重要的是要注意,工具的阻抗关节大约五倍的阻抗管道。模拟钻也展现了古典特征类似于电子梳状滤波器(23]。从而最优通频带和载波频率应分配声学数据传输。通道响应实验首先由使用锤产生影响。一个脉冲负载影响的模拟钻管道的轴向方向的左端。后立即在图的影响10 (),结果right-traveling波记录单轴加速度计在右边的位置相邻的结束。脉冲响应图所示10 (b)。由于非理想的影响励磁和稍弯曲的耦合振动模拟钻锤冲击激励测量响应是不同的理论回应。然而,如图10 (b),频谱预测替代通带和阻带的周期性结构模拟钻。的频率区域,代表了通带和阻带,是用符号””和““在图10 (b),分别。信号的振幅在阻带低得多。此外,典型的峰值的数量在每个通频带与钻杆在钻的数量。因此,第二个通带内可取1.5 kHz的频率决定的载波频率调制振荡激励的锤冲击试验。

数字信息在本质上是二元的,它只有两个可能状态“1”或“0。“由于方波包含突然之间的振幅变化两种不同的价值观,这是首选的方法在短距离传输数字数据。每一位代表了波特的方波脉冲的持续时间是预先确定的。在考虑使用短6.3米在实验室模拟钻,一个问,移频键控或PSK-modulated方波脉冲序列信号发生器产生的普源精电5102年首先由功率放大器GF-20然后对length-limited组装模拟钻的旋转设备振动激励。声波发射器的激振力是大约10 N。平方脉冲传播的频率设置为100 Hz,这相当于200位/秒的波特率。一包100位二进制调制方波序列发送一次。然后检查声传输性能驱动的模拟钻时的转速0,80,和140 r / min在实验中,分别。每个传输表现为在每一个五倍转速一定的调制方案。在数据传输期间,影响脉冲信号,如图11,由一个锤子的右端模拟钻人工生成下行噪音令人不安的上行信号。脉冲的持续时间几乎是0.5毫秒。图12显示传输的误码率曲线要求,移频键控和PSK-modulated数据在不同的旋转速度。相应的测量平均误比特率(伯斯)在不同旋转速度表中列出4。

实验结果表明,三种调制方案有类似的平均误码率大约1.6% - -3.8%的范围内时单-和双接收器模式模拟钻不旋转,但总的来说相移键控调制更优于他人。这种验证上述数值模拟的有效性的BER性能。,在双接收器模式略低的误码率,如图12(一个)。换句话说,single-receiver模式是使用适当的接收器位置和更高的信噪比条件下。然而,随着转速的增加,从0到140 r / min, single-receiver模式的声传输性能变得更糟糕数据表示12 (b)和12 (c)。例如,见表4,平均误码率的相移键控调制逐渐变得更糟在不同旋转速度从2.6%到21.2%和32%,但较低的误码率从1.6%上升到8.2%和12.2%是在双接收器模式实现的。此外,相移键控调制的误码率较低的问调制在旋转的情况下模拟钻由于散射和调制波的相移产生的机械振动。相比之下,移频键控调制提供了一个更好的误码性能。指表4,平均误码率的移频键控调制相比几乎减少了一半的相移键控调制模拟钻旋转时的转速80 r / min和140 r / min single-receiver模式。然而,当启用了双接收器模式,相应的误码率的移频键控调制从13.6%急剧下降到3.8%和6.2%和16.2%,分别。此外,问调制患有高误码率略次于移频键控调制的双接收器原型。可以得出结论,相移键控调制更为适合稳定的通道的情况,因为声音更敏感的阶段,而移频键控调制时一个有吸引力的调制相位变化太快被跟踪。也表明,当正确实施,修改后的问,比如书(通断键控)调制不同的保护时间延迟的象征“1”或“0”可以表现出较低的误差概率和信噪比通过使用两个接收器,尤其是在有限带宽信道。

如前所述,通过钻声波遥测数据本身的传播已经周期性地考虑。声波遥测系统能够传输数据速度30位/ s。主要问题问题相关的声学传播沿钻在钻井作业是回波噪声会降低信噪比,无论噪声源。因此,声波传播速度和遥测范围减少,因为穷人的误码率。事实上,振动,在物理学中,通常是一个振荡运动。讨论了声传输性能测量的形式在管轴方向纵向振动。从实验结果执行,回波噪声也取消了该双接收器方案改进的平均误码率。如表所示4,分别减少了14.2%,9.9%,19.8%,问,移频键控和相移键控调制的最大转速140 r / min。然而,与误码率仿真结果如图6,测量结果代表一定更糟糕的平均概率的一些错误。这种现象可能导致从耦合波,主要是激发产生的轴偏差和扶轮的弯曲挠度模拟钻在实验中。在实践中,轴向、扭转和横向振动在旋转钻探独立并不存在。在一些模式,横向耦合模式是钻井失败的主要原因24]。然而,这从外延电波弯曲模式转换波占膨胀波衰减和扭曲的声学数据信号(25]。脉冲传播往往因为传输介质的相互作用,从而导致共振效应,最终产生一个额外的能量损失。虽然误码率仍略高与实际应用相比,提出的双接收器方法操作简单,可以允许响降至一个可容忍的水平。特别是,连同适当的符号间干扰和优化调制编码方案相结合,如MFSK(多状态频移键控)或OFDM(正交频分多路复用)调制,根据信噪比和多路径衰减强度,它可以实现回波干扰的有效抑制钻通道数据传输性能的改善。

5。结论

声波遥测是一种很有前途的技术来传输井下信息表面在钻井作业。然而,multiple-echo抑制是一个更关键的问题在回声自由旅行向上和向下的钻钻和混淆数据的传输。考虑到主要表面噪声源和上行信号传播方向相反,一种改进的简化回声抑制技术提出了使用双接收器通过引入上行和下行信道响应。声波传输性能的问、移频键控,和PSK-modulated信号的周期性钻通道模拟单-和双接收器模式。然后不同的接收器模式和旋转速度下的误码率性能测试通过实施动态振动激励扶轮模拟钻。实验结果表明,双接收器模式single-receiver模式有很大的优势,特别是钻条件下旋转。和两个间隔的声接收器的使用适当的调制方案可以提供一个更好的信噪比和进一步更大的数据速率或距离的多路径通道周期性钻。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢中国国家自然科学基金(50905095号,61121003)和长江学者和创新研究团队在大学(IRT1203)支持这项研究。

引用

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