联合声学回声的特点分析和噪声抑制周期性钻波导

文摘

一种新的无线数据遥测方法所使用的石油工业使用压缩声波传输井下信息从井底到表面。不幸的是,声学回声和钻井振动噪音在周期性钻传输性能的一个主要问题。结合基于波动声学回声和噪声抑制方法特点在钻采用提高一个upward-going声信号传播。提出方案由两个加速度计的主要声学回声消除器使用一个数组来处理downward-going噪音和二级隔音结构抑制upward-going振动噪音。此外,二级隔音结构展品带状和色散谱结构由于周期性槽配置。通过使用有限差分算法纵向一维传播的波,声波接收传输的特点与加性高斯噪声信号是模拟周期管结构的有限长度对传输性能优化的影响进行调查。研究结果表明,该方案可以实现更低的错误比特率在一个指定的声音隔离频率范围与减少30 - 40分贝,比传统的平均噪音水平single-receiver方案。

1。介绍

在石油行业,measurement-while-drilling(随钻测量)测量是非常重要的成功完成钻井过程(1]。这类信息,如果传输到表面,可用于优化钻井的钻井通过调整方向,实时了解井下地层条件(2]。这些有用的数据与地下地球的形成可以通过多种方式(3]。常见的方法被称为随钻测量或记录随钻(LWD),因为井下信息可以以较低的成本获得更快、使用的技术(4]。目前,遥测方法用于随钻测量和LWD工具主要包括泥浆脉冲遥测、极低频电磁(EM)遥测、高速有线遥测管,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,这种方法可能成为无效的(5]。EM遥测一直被认为对随钻测量服务,但是他们也遇到高衰减信号的地区地层电阻率低、下套管洞,井眼流体高度导电。也就是说,它被认为是有限的范围,取决于特征,特别是电阻率、井眼周围的地层,也有有限的数据率(6]。高速有线遥测管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随钻测量字符串连接到表面。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。通过声压力波沿钻数据传输提供了另一种沟通的可能性。早在1948年,声波遥测被确认为一个潜在的高速通信的方法。事实上,钻没有一个统一的横截面积,和个人管连接在一起,每间隔10米重螺纹联轴器(7]。因此,传输特性表现出带状和色散结构理论分析的基础上提出的一个理想化的钻巴恩斯和柯克伍德(1972年8]。与其他传播方式相比,钻声波遥测有潜在的优势提供高数据率和相对地层属性的影响。此外,一个独特的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程序(9]。在这种情况下,可以测量钻波的传播信息从钻头表面。不幸的是,一个严重的问题与随钻声波的传播数据,进行钻井作业往往产生宽的带宽噪声污染的声学数据传输通道声学数据被转移。这样的声音的一个来源是钻头通常位于钻,这将产生更强的upward-going钻井噪声干扰旅行所需的向上声学数据。另一个是顶部驱动器或其他机械设备位于表面和耦合的钻,这将生成downward-going表面噪声干扰上行声学数据。由于声学性质,传播声学数据被多次反射产生的短期和长期的影响发生在钻。不管其来源,这样的声音强烈恶化信噪比(信噪比),从而使这种类型的数据难以识别和分析声波遥测。因此,声学回声和噪声抑制是一个更关键的问题在多个声阻抗不匹配位置在钻声波上下自由旅行钻和混淆传输数据。

关于上述问题,理论模型和有关声学回声或井下噪声抑制方案独立研究在某种程度上。作为声学回波消除而言,校长和马里昂使用视执行反滤波反褶积算子的多声反射(10),这可能会导致信号失真由于表面的相干噪声测量。Drumheller和斯科特展示了硬件设计的回声抑制的方法使用一种新颖的数字延时电路和两个间隔的传感器,如应变式或加速度计(11]。精确的延时控制两个传感器之间的行波和适应的过滤器是必需的在这个方法中。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(12]。添加双重电波可以去除钻反射的一部分,但它是容易减少单向反射噪声从钻当接收器的一端在中间位置。Sinanovićtwo-receiver等人理论通道模型描述和分析方案,利用这一事实主要表面噪声源和信号,分别在上下方向上传播(13]。不同的两个信号之间的延迟两个接收器利用抑制下行表面噪声通过应用适当的过滤器在这个模型。然而,它只考虑一阶波反射管道末端为简单起见,将变得复杂时多次反射。除此之外,从钻头井下噪声往往产生广泛的带宽噪声,降低了声波传输性能的数据。Meehan演示了一个挡板过滤器,包括通常20米的周期性结构插入高于或低于声接头,可以减少钻头噪音调制扭转波的影响(14]。然而,该计划并没有解决下行波的更严重的问题反映在一个相对非衰减的回到发射机可能恶化上行波声波遥测。根据声阻抗不匹配引起的波反射现象,Drumheller等人披露一个包含多个管状成员声隔离器串联连接,以减轻潜在破坏性的反射从干扰波(15]。这个披露方案要求应用程序调优酒吧的长度不同于一个奇怪的四分之一波长的倍数的代表声波和井下噪声隔离器在预定的范围内的声波频率是不考虑。然后国王等人介绍了多种抑制成员包括一个或一组两个或两个以上的嵌套圆柱袖子在径向方向上配置一个低频井下声波衰减器压低声音信号频率低于5 kHz [16),而是一个复杂的隔音结构(AIS)是必需的,特别是其径向尺寸还在钻钻孔的大小。其他几个专利也已在声学光电隔离器,但他们中的大多数是专门用于地震信号传播形态,而不是声信号诱导钻。此外,他们的声学模型、物理结构和隔音性能不提供细节。本文考虑井下/表面噪声的影响和周期性钻通道,一种改进的联合回波消除和噪声抑制方法是开发来优化通信信号在接收机收到的基于多个膨胀波传播特征在上行和下行钻通道。

2。方法架构

应用声学遥测实时钻井情况是更具挑战性。这主要是由于增加的噪音从地面设备和钻井作业和不必要的声波反射的问题与射线钻结构和井下组件,如底部钻具组合(BHA),通常在年底钻(17]。钻头形成,创建压缩在钻声波传播。正常钻井作业还生产带内噪声在多个源强度与声波换能器的输出。表面噪声从表面钻探业务进一步降低发射机发送的信号。我们使用理想化模型如图1分析声波遥测的性能。

根据图解模型,两声接收器可能定位在或接近顶部的钻在表面。都有点噪音和表面噪声严重混淆原始激励信号的传播在钻探。一方面,噪音旅行向上沿底部钻具组合与发射机的输出信号混合。另一方面,噪音旅行向下沿钻是由接收器接收。考虑到压缩声波在钻两个方向旅行,混合混响信号形成的声信号,,在多个路径到达接收方钻杆。根据声波的上行和下行传输路径,一个声学回声消除器(AEC)和AIS,分别介绍了双方的接收机和发射机如图1获得更高的信噪比和较低的误比特率(BER)。

2.1。使用双波取消下行回声

声波遥测信号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方向相同和钻可以消除反射波和不必要的噪音。为简单起见,钻头噪声的影响和相应的声隔离器将被忽略。指图2为简单起见,两声接收器和间距为四分之一波长的载波频率被放置在第一管的顶部钻记录两个信号,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。由于驻波理论,接收器大约位于顶部钻,降低接收机是从接收机。考虑钻通道中多次反射的影响,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分别定义为和。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两个接收器,分别定义为和。因此,在通道模型图2,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,(1)是写成 在哪里,,,傅里叶变换的函数吗,,,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信号噪声和数据由于多次反射,可以通过以下结果(2)来减少噪音的传播向上向表面:

应该提到的功能和在(1)可以确定模型模拟在两声接收器通过求解瞬态响应和根据一维周期性钻膨胀波传播方程,当一个单位脉冲激励应用于底部钻的结束。同样的,功能和也可以确认当一个单位脉冲激励应用于高端钻。通过这种方式,,,,由傅里叶变换可以获得。此外,相应的上行和下行信道响应之间的通信信道接收器表面和井下发射机在真实的应用程序中采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,分别。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。基于确定传递函数,函数,,,在(3)可能最终解决。

与傅里叶反变换,原励磁信号可以计算

然后,恢复信号检测到双接收器将处理一个带通滤波器,通频带的频率含量是有限的或乐队用于数据传输。此外,它可以消除高频内容提出的算法计算。

2.2。为抑制上行井下噪声声隔离器

正如上面提到的,井下噪声也是声波遥测的关切。传统反应这个问题会将上述声学遥测设备底部钻具组合和简单直接的声能钻,远离底部钻具组合的组件。不幸的是,典型的声波发射器发射电波同等幅度的“向上”和“向下”的方向,特别是下行波旅行可能会向上反映导致破坏性的干扰波旅行。针对带状光谱响应特性的周期性钻,一个单一的AIS与周期性的环形凹槽隔音设计近似地作为显示在图3根据机械振动隔离的原则。

它可以插入在发射机和钻铤阻止不必要的强烈反射发射机和接收机。从图3、隔音性能相关声学隔离器的长度槽的长度凸的部分相邻凹槽,号码的凹槽。根据声波测井的隔音理论,在本文的长度和设置等于四分之一波长的载波频率,使中心频率来实现最优噪声衰减可以确定。和是平等的实现为简单起见,由相同的信吗本文的内外直径凹槽和凸部分,分别有相同大小的管道和关节所列在表的工具1。AIS材料一样可以使用钻杆。

然后,隔音性能可以用传输损耗见以下方程: 在哪里和分别是前后事件和传播声音振幅声波在频域隔离器,和透射系数有关声波的传播特性隔离器可以解决通过使用马尔可夫链(18]。假设在钻杆接头的反射和透射系数是用和,转移矩阵声音的反射和传输之间的钻杆接头1,是由

然后,透射系数可以通过设置传输通道和边界条件决定的。指图中描述的基本结构3组成的,单个AIS三个均匀间隔的凹槽用于数值模拟单元对声隔离器脉冲的影响。脉冲响应和减毒声学信号的传输损耗,通过声隔离器,可以在频域内解决按照(5)和(6基于马尔可夫链的方法。图4显示脉冲频率响应和不同声学光电隔离器的传声损失时的长度槽和凸的部分都是1.28米,0.64米,0.32米,分别。结果表明,声隔离器与uniformed-spaced周期性环形凹槽也呈现出带状和分散多通带和阻带频率响应。一个复杂的频谱峰值模式产生每个通频带。和所有的通频带具有相同数量的峰值。这个数字与凹槽的声学隔离器的数量。如图4(一),结果得到一个声波隔离器有三个凹槽生产三峰两座山峰的独家边缘在每个通频带。相应的传声损失的AIS是显示在图4 (b)。相比之下,阻带中传播的信号振幅急剧下降,这也解释了为什么这类机械结构配置可以抑制上行井下噪声。然而,在第一声绝缘阻带中心频率大约从4千赫至1 kHz时减少长度槽和凸部分从0.32增加到1.28,导致隔音窄带宽的最大隔音80分贝。换句话说,声隔离器的外形尺寸可以调整以适应所需的降噪预定的频率范围。

不幸的是,除了进一步导致更多的反思往往发生在钻井底部钻具组合组件操作。单个声隔离器的性能在很大程度上有限振幅和阻带带宽的限制结构维度。因此,结合声隔离器是有益的。一个例子是显示在图5。合并后的声学隔离器是由相对较低,中期,高频单subisolators串联连接。在这三个subisolators中,低频钻铤接头连接,和高频子连接到变速箱总成包括一个声波发射器。每个子都有以下特点:一子的通频带重叠的阻带相邻子有一个宽阻带带宽比单个声隔离器。回顾图4 (b),在第一声绝缘阻带中心频率是1 kHz, 2 kHz和4 kHz时长度设置为1.28米,0.64米,0.32米,分别。他们的隔音曲线comb-like频谱相互重叠。出于这个原因,频率1 kHz, 2 kHz,和4 kHz的频率低于5 kHz用于钻声波遥测用作隔音的中心频率较低,中期,和高频乐队。脉冲频率响应的传声损失结合声隔离器如图6。

脉冲频率响应曲线在图6也表现出一种独特的功能特点是通带和阻带的存在。然而,这个特性是不同于单一声隔离器,因为第一个阻带是扩大和延伸到大约0.5 - -7.5 kHz。虚线隔音曲线显示了一个类似的钟形对称分布的中心频率4 kHz的规律好峰值。与单一声隔离器相比,在图4,结合声学隔离器改进的性能作为一个整体增加最大隔音的280分贝。因此,通过将一个或多个设备能够吸收低频声波能量到一个钻,井下钻头的数量进入钻通道噪声会减少。然而,最大的隔音发生在第一个阻带邻5 kHz代替4 kHz的中心频率。这种现象归因于一个驻波效应产生的交集的通带和阻带之间的相邻subisolators。结构中的缺陷会影响噪声抑制,这之间存在很强的相关性结构传递隔音、降噪隔音隔离器内的分布。

3所示。传输性能仿真

部分2提出了一个详细的分析的联合声回声,在钻通道降噪方法。巴恩斯和柯克伍德指出,1972年形成的周期性结构管和钻杆接头部分结果的频率过滤和多重回声(8]。钻的声阻抗不匹配所产生的不连续结构也明显地表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消除回声的声音的重要性和提高上行旅行收集的声学遥测信号接收器。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,,,杨氏模量、密度、纵向位移,分别和钻的横截面积。

方程(7)是一个经典波动方程的形式。衰减机制存在于实际现场环境不包括在分析中。这些机制包括粘性耗散的能量向周围钻泥和物理接触形成和套筒。然而,由于周期性结构将导致财富的再分配,而不仅仅是减少振幅和波的传播,传播回声的影响和噪声在钻本文主要关注。

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。钻分为段。在每个段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使用。通过使用simple-centered差异,(7)是写成 在哪里表示时间;是至关重要的时间步长;表示位置,是轴向的字符串阻抗(或外延)波。通过指定边界条件 声传播沿钻可以分析瞬态行为。

3.1。隔音性能

由于钻的周期性结构,十钻杆相隔九关节所列在表的工具1用于瞬态模拟。整个钻的长度约为95.4米。回顾图1,声波发射器附近的底部钻的结束。结合声隔离器的长度13.4米放置在声波发射器。的高端钻建模为固定端,因为暂停的质量块钻或钻井平台的质量。根据上行信道的容量曲线获得和使用测量信噪比,表面噪声数据和数学模型为一个约2公里钻在文献[19),一个上行容量可能会达到一个信噪比略小于0分贝考虑几乎可以实现的几百位/秒的数据速率。在这种情况下,假设upward-going从一些添加剂和高斯噪声,高斯白噪声零均值和变异的8是低端的声学隔离器。模式的通带和阻带模拟钻通道,连续正弦波脉冲1.52 kHz的频率和通频带地区单位振幅在发射机应用。因此−1.17 dB的信噪比在模拟井下发射机产生接近实际情况的。两声接收器和间距为四分之一波长被放置在第一管顶部的钻来记录两个信号。双通道信号处理检索原始励磁信号回波消除器根据过滤(4)。然后检索到的信号在频域响应如图7,结合声学隔离器使用或者不使用。结果表明,白噪声的接收信号已经出现,这意味着upward-going噪声干扰传输数据。没有声隔离器相结合,整个信道噪声几乎是一样强烈的反应令人兴奋的1.52 kHz的频率的信号强度0 8 kHz频率范围。自传播信号覆盖的噪音,没有声隔离器可能会导致在表面没有信号接收。然而,日益得到更好的信噪比,如果结合声隔离器是可用的。图中的实线7表明,信号强度为1.52 kHz励磁频率高于噪声强度超过50分贝。同时,结合声隔离器使噪声有效地减少30 - 40 dB的平均噪音水平。因此,一个适当的声学隔离器,形成沿钻在井下声波发射器,有效地反映了“向上”传播波来自以下隔离器,因此进一步保护声波资料来源可能有害的干扰。

3.2。调制信号传输

人们已经发现,某些离散频率通带允许一个声学信号的传播与衰减的最低水平组装钻(20.]。至关重要的是,声学信号传输性能是评价通过发送调制数据最优通频带内的钻。发送的二进制数据通常是在三个基本方面,包括振幅键控调制(问),频移键控调制(移频键控)和相移键控(相移键控)调制(21]。,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,我们得出一个问,移频键控,或相移键控调制应用于基带数字信号,分别。一袋50位调制伪随机二进制代码序列是带钻的左端。载波频率和数据速率分别配置为1.52 kHz和450位/秒。每个数字调制方案的仿真测试的十倍评估声学数据通信的性能。仿真条件,关于钻,声隔离器相结合,upward-going噪音和双接收器配置节3.1在本节,共享。此外,添加剂与零均值高斯白噪声和8的一个变体是高端的钻,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。

首先,为了证明原子能委员会的可用性,与声学噪音隔离器和相关的影响因素可以忽略。接收机的输出在最优位置推荐single-receiver信号。然后沿着95.4米钻的误码率曲线的三种不同类型的调制一个单或双接收器模式呈现在图8。仿真结果图8(一个)显示没有明显区别的伯斯single-receiver模式。他们47% - -50.4%的范围内变化。然而,平均误码率显著减少超过94%双接收器模式时,在图8 (b)。一般来说,相移键控不太容易被错误比其他两个调制方案,而它需要更复杂的相位恢复过程。尤其是PSK-modulated脉冲信号的平均误码率从0.8%减少到47%,如果双接收器方案代替single-receiver方案。这证明适当的使用两个声接收器通过适当的调制方案能提供更高的信噪比和数据速率的多路径通道钻。

随后,结合声学隔离器和噪音介绍了考虑原子能委员会的功能和AIS为了评估隔音的性能和回声抑制。的误码率曲线沿钻在没有和结合声隔离器的存在是呈现在图9。相比与误码率曲线在图8 (b)上述三种,平均误码率调制在不同边界条件下设置表2。

如前所述,回波噪声会降低信噪比,无论噪声源。声传播速度和遥测范围是有限的,因为穷人的误码率。它可以推断出从表2是必要的井下声波遥测插入适当的声学隔离器在发射机由于钻头噪音和强劲的底部钻具组合影响恶化检索传输信号。例如,平均误码率变得更糟在缺乏声学噪声时隔离器通过钻然后传播到达接收器。问或移频键控调制的数量是增加了17%以上,但与一个相对相移键控调制更优于其他4%的低误码率。提出结合声学使用隔离器后,最糟糕的情况是克制大幅改善误码率的6.4%,7%,0.6%,上述三种基本的调制模式。特别是,相移键控调制代表更好的误码性能略超过0.8%的方方面面的情况下忽略声隔离器和噪音如图8 (b)。这种现象可能导致不仅从选中的相敏解调阈值,而且增强引起的声波信号隔离器。它可以得出结论,相移键控调制更适合稳定的通道的情况,因为对相位噪声的敏感性,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。相比之下,问调制受到最高的误码率。然而,当正确实施,问也可以表现出较低的误差概率和信噪比两个接收器,尤其是有限带宽信道。在结论中,误码率曲线在图9表明,声波传输性能大大提高了拟议的新方案联合双波峰接收和隔音。它可以允许响降至可以接受的水平,以及适当的组合符号间干扰(ISI)和调制编码方案,进而导致取消在钻波导声干扰。

4所示。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,情况变得更具挑战性重要表面和井下噪声通常有经验。钻作为传输介质的周期结构也使得回波噪声和信号失真的问题更严重。对声学回声和噪音的传播路径钻,联合声学回声和噪声抑制方案使用一个声学回声消除器和一个隔音结构为衰减的多个扰动干扰所需的上行波旅行之前的接收器。尽管三种类型的波,包括拉伸、弯曲、扭转波,将传播钻在实际钻井条件下,波浪弯曲引起的横向运动容易夫妇和周围的钻井液和外延的电波,导致大的衰减和强大的井下噪声。不幸的是,扭转波进行强反射在关节的工具,因为他们的反应取决于极转动惯量的比值的横截面区域和大多数钻井噪声驻留在扭转模式。因此,外延波为通信提供优异的传输性能。通过使用有限差分算法外延的一维传播的波,声波传输性能沿周期性管结构通道模拟在一个接收器或双接收器和通过一个声隔离器在井下发射机。结果验证方案的适当使用可以提供更低的误码率和一种改进的多路径信道的传输性能钻通过消除这些干扰波在“向上”和“向下”的方向。

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支持这项研究。

引用

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