一种用于钻柱声传输技术的井下噪声与回波被动抑制方法

摘要

本发明涉及一种用于钻柱声传输技术的井下噪声与回波被动抑制方法，属于钻井过程中井下数据传输技术领域，为克服现有技术中由于井下噪声、钻柱不连续结构等因素造成的低频噪声与回波使钻柱声信号传输性能降低的问题，本发明基于周期性管结构具有的梳状滤波器频谱响应特性，利用一种具有周期性凹槽的隔声体结构，在一定频带内实现钻柱内上行噪声与回波的被动隔离与抑制，从而可改善接收信号的信噪比，提高传输速率，缩短测井周期，节约钻井成本，且具有较宽的低频隔声带宽和结构简单的特点。

说明书

技术领域

本发明属于钻井过程中的井下数据传输的技术领域，具体涉及一种用于钻柱声传输技术 的井下噪声与回波被动抑制方法，用于有效地抑制随钻测井中钻柱信道内上行的来自钻柱底 部的井下噪声和回波干扰对声传输信号接收性能的影响。

背景技术

作为代替传统的电缆测井的一种新方法，随钻测井中的井下信息传输技术已成为国际上 的研究热点。目前广泛商用的泥浆脉冲技术存在传输速率很低的缺点，一般仅为10bit/s，其 信噪比更易受钻井液和现场噪声的严重影响。因此，作为一种可选择的井下高速数据传输方 式，声波传输技术近年来在国内外得到了广泛的关注。

声波传输技术是利用声波经过钻柱信道来传输信号，井下数据的测试过程是将测试仪器 和声波无线传输发射系统随钻柱或抽油泵下入，测试仪器将各种井下参数转化为数字信息， 然后编码、暂存，将代表井下参数的二进制码脉冲送至控制电路，发射声波振动信号，沿钻 柱或油管传输到地面，被安装在井口的声波接收换能器接收，经放大后送入存储介质记录， 进行数据处理和解释。声波传输方式具有前期投入少，传输速率相对较高的优点。而且，由 于声波在钢材料中的传输速率高达5000m/s，石油钻井中井下连续的钢质钻柱更为声波的井 下信息高速传输提供了条件。但在实际生产过程中，钻柱结构中的不同测井仪器而引起的声 阻抗不均匀也严重影响声传输性能。同时，钻井过程也会产生大量的噪声，它能使模拟信号 失真，使数字信号发生错误，导致钻柱传输信道的性能变差，并最终影响声传输信号的接收 效果。钻井过程中产生的噪声主要包括地面噪声和井下噪声，其中，井下噪声是钻头通过底 部钻具直接耦合到钻柱上，并对上行的发射信号质量影响较大，严重影响声波数据传输性能。 这些噪声会随着钻井参数的变化而变化，且噪声的高低将影响信噪比，并导致信道的传输能 力变化。工程研究发现，采用同样功率的发射信号，当噪声较严重时，信噪比将不到1dB， 其他情况则大于4dB。因此，为提高信道的传输能力，必须提高信噪比。

在随钻声波传输技术的研究方面，1972年Thomas G.Banres和Bill R.Kirkwood提出了 通阻带交替梳状滤波器结构特性（参见：Barnes,T.G，and Kirkwood,B.R.Passbands for  acoustic transmission in an idealized drill string[J].Journal of the Acoustic Society of America, 1972,51：1006-1008.）。从1985年开始，Drumheller和Poletto在声遥测理论方面取得进展， 分析了纵波沿理想钻杆的频带特性、通带内的细微频谱结构、钻杆外形尺寸以及管内外等效 简化损耗对传输的影响，建立了描述声传输通道的理论模型（参见：Douglas S.Drumheller. Attenuation of sound waves in drill strings[J].Journal of the Acoustic Society of America,1993, 94(4)：2387-2396.）。哈里伯顿（Halliburton）公司于1995年推出了补偿长源距随钻声波测 井仪（参见：王华，陶果，张绪健.随钻声波测井研究进展[J].测井技术，2009，33(3)： 197-203.）。

针对井下噪声及其回波的抑制，考虑到从声波发射器发出的声波信号会沿着钻铤传播并 率先被接收器接收，导致接收的声波信号主要为不携带地层信息的钻铤波，人们在开发随钻 声波测井仪器时探寻可减少钻铤直达波的方法。2001年Leggett利用在钻铤上切割凹槽的 方式增加对钻铤波的衰减以达到隔声目的，该结构可获得40dB的声衰减（参见：James V. Leggett.Field test results demonstrating improved real-time data quality in an advanced LWD  acoustic system[J].SPE71732,2001）。2007年Halliburton公司的Shah（参见：Shah V.V., Linyaev.Low frequency acoustic attenuator for use in down hole applications[P].USA:US 7210555,2007）等人也针对随钻声波测井中声信号接收，申请了用于随钻声波测井的隔声体 专利。国内在此方面也开展了一些理论研究。2009年杨勇等利用时域有限差分方法对随钻隔 声体隔声效果进行数值模拟研究（参见：杨勇,车小花,李俊等.基于时域有限差分法的随钻声 波测井仪隔声体隔声效果的数值模拟[J].中国石油大学学报(自然科学版),2009,33(3): 66-70），在2010年提出一种在钻铤上切割周期性轴对称凹槽方式构建隔声体的方法，以消 除钻铤模式波的影响（参见：闫向宏，苏远大，孙建孟，等.周期性轴对称凹槽结构隔声特 性数值模拟[J].计算物理，2010，27（6）：869-875）。但上述提出的隔声体结构主要用于声 波测井，即通过消除随钻声波测井中钻铤模式波以检测地层纵波，且部分研究并未明确井下 实际应用的具体结构及其影响因素分析，也不同于本专利中随钻测井声波通信对钻柱内纵波 或应力波的检测要求，但提供了相关的解决思路。而且，由于钻柱信道大部分由钻杆与管箍 周期性组合而成，具有梳状滤波器结构特性，以及钻杆与管箍连接处会产生较强的无方向性 多重反射回波，研究钻柱声波传输中的井下噪声及其回波抑制具有重要意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是为克服现阶段上述已有技术存在的问题，提供了一种用于钻柱声传输技 术的井下噪声与回波抑制方法。该方法利用具有周期性凹槽的组合隔声体结构，通过设计隔 声体的结构形状和尺寸，对具有不同隔声中心频率的隔声体短节进行组合，实现上行的井下 噪声与反射回波的被动抑制。该方法有助于井下声传输信号的有效提取，提高信噪比。

本发明提出的技术方案为：一种用于钻柱声传输技术的井下噪声与回波被动抑制方法， 该方法包括如下步骤：

步骤1、利用单结构隔声体对钻柱声传输技术中井下噪声与回波进行抑制；其中，

由于单结构隔声体使某一中心频率附近噪声达到最佳衰减效果的刻槽结构是槽宽和槽 间距等于该频率处波长的1/4，即：

$L_1=L_2=\frac{1}{4}\lambda ---\left(1\right)$

式中，L₁为槽的轴向长度；L₂两个槽之间的距离；λ为信道内声传输载波的波长；

则单结构隔声体具有周期性凹槽，该单结构隔声体的周期性凹槽的凹槽和凸起（相邻凹 槽间的部分）的长度相等，且凹槽的内、外径与钻杆的内、外径一致，凸起的内、外径与管 箍的内、外径一致；凹槽和凸起的长度与被抑制噪声的阻带中心频率有关，由式（1）确定；

步骤2、当上行的钻柱底部振动噪声较强时，单结构隔声体的隔声频带将变窄，导致不 能可靠地进行噪声抑制；针对单结构隔声体存在的隔声频带较窄的不足，根据实际传输信道 内井下噪声频谱特征，将噪声频谱范围相对划分为低频段、中频段和高频段；对于不同噪声 频段范围，通过对应频段范围的单结构隔声体依次螺纹连接组成组合结构隔声体，其中低频 抑制单结构隔声体与底部钻铤相连，高频抑制单结构隔声体与安装有声发射器的传输短节相 连；组合结构隔声体内的单结构隔声体尺寸可根据具体的载波频率而定，为优化隔声性能， 在每一单结构隔声体短节的尺寸选择上需遵循如下原则：使各相邻单结构隔声体的通阻带相 交，即，某一单结构隔声体的通带与其相邻单结构隔声体的阻带重叠或大部分相交，以获取 整体的较宽阻带带宽，从而可最大程度地隔离来自底部钻头的上行噪声对声传输信号的影 响，同时可减小回波干扰。

进一步的，改变单结构隔声体本身的材质能够调整隔声体结构和优化隔声性能。

进一步的，改变单结构隔声体的结构尺寸（如，周期性凹槽的凹槽与凸起的长度不相等） 或形状特征，可调整或优化隔声性能。

进一步的，利用高强度填充材料对单结构隔声体的凹槽结构进行填充，可调整或优化单 结构隔声性能。

进一步的，隔声体位于底部钻铤的上方，以及声发射器下方λ/4处，其中，λ为信道内 声传输载波的波长。

本发明的技术方案的主要原理为：

本发明基于低频纵波在声阻抗突变处和周期性管结构信道内的传输特性，即，声波在声 阻抗不匹配处发生反射导致透射波信号强度衰减，同时周期性管结构信道具有通阻带交替的 梳状滤波器频谱响应特性。针对钻柱内上行的井下噪声及其回波干扰，设计具有周期性凹槽 的组合隔声体结构，通过改变隔声体结构的形状和尺寸可调整隔声中心频带，并将其安装在 钻铤上方，以及声发射器下方λ/4处，其中，λ为信道内声传输载波的波长，实现上行的井 下噪声和反射回波的被动抑制，提取有用的井下激励信号。

本发明和已有技术相比具体如下的特点及技术效果：

1、本发明使用隔声体结构实现井下噪声与回波的被动抑制，具有结构简单的特点。

2、本发明通过隔声体结构的声阻抗设计，可克服周期性信道结构中的多重反射声波， 有助于对与有用信号传播方向一致的单向回波进行抑制。

3、本发明中的隔声体凹槽和凸起的内、外径分别与钻杆和管箍的内、外径保持一致， 具有制作与配接方便的特点。

4、本发明通过改变隔声体结构的形状、尺寸、材质等，可调整或优化整个传输信道的 隔声性能。

5、本发明中的组合隔声体由若干结构相对紧凑的单结构隔声体短节构成，可根据信道 内噪声频谱特性对单结构隔声体短节进行灵活地调整与组合。

6、本发明中的隔声体位于钻铤上方，以及声发射器下方λ/4处，其中，λ为信道内声传 输载波的波长。

7、本发明可用于随钻测井或生产测井，实现对基于钻柱或油管为信道的声信号传输性 能的优化，通过改善接收信号的信噪比，提高传输速率，从而缩短测井周期，节约钻井成本。

附图说明

图1为设计的单结构隔声体的结构示意图；

图2为以L₁=L₂=1.28m、0.64m和0.32m为例，图1所示隔声体的不同频率响应曲线；

图3为以L₁=L₂=1.28m、0.64m和0.32m为例，图1所示隔声体的隔声量变化曲线；

图4为设计的组合结构隔声体的结构示意图；

图5为以L₁＝L₂=1.28m、0.64m和0.32m为例，将分别设计的三个单结构隔声体短节以 图4所示方式构成的组合隔声体的频率响应及隔声量变化曲线；

图6为隔声体的安装位置及其与井下声发射器间的相对位置示意图；

图7为以“10根钻杆-9根管箍”组成的周期性钻柱信道为例，设计的单结构隔声体的 整体隔声性能；

图8为以“10根钻杆-9根管箍”组成的周期性钻柱信道为例，设计的组合结构隔声体 与单结构隔声体的整体隔声性能对比。

具体实施方式

现结合各附图及实施例进行详细说明如下：本发明提供一种用于钻柱声传输技术的井下 噪声与回波被动抑制方法，该方法通过设计一种用于钻柱声传输技术的井下噪声与回波抑制 的隔声体结构，实现了对钻柱信道内上行的来自钻柱底部的井下噪声和回波干扰的被动抑 制，改善声传输信号接收性能。该方法的具体步骤如下：

步骤1.单结构隔声体设计

由于隔声体使某一中心频率附近噪声达到最佳衰减效果的刻槽结构是槽宽和槽间距约 等于该频率处波长的1/4，即：

$L_1=L_2=\frac{1}{4}\lambda ---\left(1\right)$

式中，L₁为槽的轴向长度；L₂两个槽之间的距离；λ为波长。

基于上述方法，设计了如图1所示的具有周期性凹槽的单结构隔声体。该凹槽和凸起（相 邻凹槽间的部分）的长度相等，且凹槽的内、外径与钻杆的内、外径一致，凸起的内、外径 与钻杆管箍的内、外径一致。凹槽和凸起的长度与被抑制噪声的阻带中心频率有关，可由式 （1）确定。

步骤2.组合结构隔声体设计

针对单结构隔声体存在的隔声频带较窄的不足，可根据实际传输信道内井下噪声频谱特 征，将噪声频谱范围相对划分为低频段、中频段和高频段。对于不同噪声频段范围，通过不 同特定的单结构隔声体短节依次螺纹连接组成组合结构隔声体，其中低频抑制短节可与底部 钻铤相连，高频抑制短节可与安装有声发射器的传输短节相连。组合结构隔声体内的单结构 隔声体短节尺寸可根据具体的载波频率而定。

为优化隔声性能，在每一单结构隔声体短节的尺寸选择上需遵循如下原则：使各相邻单 结构隔声体的通阻带相交，即，某一单结构隔声体的通带与其相邻单结构隔声体的阻带重叠 或大部分相交，以获取整体的较宽阻带带宽，从而可最大程度地隔离来自底部钻头的上行噪 声对声传输信号的影响，同时可减小回波干扰。

通过回波噪声抑制的仿真分析对本发明的技术效果进行验证如下：

根据声波在钻柱中的传播原理，在下文阐述的仿真过程中，基于钻柱内一维纵波的波动 方程，利用有限差分算法将钻柱信道细分为若干质量微元，则波动方程可改写为：

$u_n^{j+1}+u_n^{j-1}=\frac{2{\mathrm{\Delta r}}_{n+1/2}}{\Delta r_{n+1/2}+{\mathrm{\Delta r}}_{n-1/2}}{u}_{n+1}^j+\frac{{2\mathrm{\Delta r}}_{n-1/2}}{{\mathrm{\Delta r}}_{n+1/2}+{\mathrm{\Delta r}}_{n-1/2}}{u}_{n-1}^j---\left(2\right)$

式中，表示j时刻x_n处质点位移，Δr_n表示x_n处微元质量。因此，利用该式（2）可 求解设计的单结构隔声体和组合结构隔声体的频响特性；以及得到钻柱信道中不同位置处质 量微元的振动情况，从而获得不同激励条件下钻柱的瞬态振动规律，实现声信号在钻柱信道 内的传输过程。

针对图1所示的隔声体结构，以“3凸起—3凹槽”构成的周期性结构为例，当凹槽L₁和凸起L₂的宽度相等，且分别依次均为1.28m、0.64m和0.32m时，对应的不同单结构隔声 体的频率响应特性如图2所示，则相应的第一隔声频带分别约为1kHz、2kHz和4kHz，从而 验证了改变周期性凹槽结构可调整信道隔声频带的特性。

在隔声体设计中，隔声量参数用于衡量隔声体隔声性能，它是指某一振动分量的某一频 率成份的幅度经过隔声体后的衰减量。设隔声体的衰减量α，则：

$\alpha =20\lg \left(\frac{A_o\left(f\right)}{A\left(f\right)}\right)---\left(3\right)$

式中，f为声波频率，A(f)为声波经过隔声体衰减后的声波幅度，A_o(f)为发射声波的 幅度。由于透射系数T=A(f)/A_o(f)，则隔声量还可表示为20lg(1/T)。

以“3凸起—3凹槽”构成的周期性结构为例，当凹槽L₁和凸起L₂的宽度相等，且分别 依次均为1.28m、0.64m和0.32m时，针对图2所示的不同单结构隔声体的频率响应特性， 图3示出了相应隔声体结构的隔声量变化曲线，则隔声量可达80dB，从而实现低频阻带范 围内振动噪声的有效抑制。

同时，为便于增加隔声体的隔声频带范围，提升噪声抑制效果，在单结构隔声体的基础 上，设计了如图4所示的组合结构隔声体。该组合结构隔声体的隔声频带可划分为三个频带， 依次取为低频段、中频段和高频段。每个隔声频带由单结构隔声体实现，其具体的结构尺寸 根据第一隔声阻带中心频率而定。为优化隔声性能，在每一单结构隔声体短节的尺寸选择上 需遵循如下原则：使各相邻隔声体短节的通阻带相交，即，某一短节的通带与其相邻短节的 阻带重叠或大部分相交，以获取整体的较宽阻带带宽，从而可最大程度地隔离来自钻柱底部 的上行噪声对声传输信号的影响，同时可减小回波干扰。

针对图4所示的组合结构隔声体，以L₁=L₂=1.28m、0.64m和0.32m为例，将分别设计 的三个单结构隔声体短节依次螺纹连接构成组合隔声体，其中，各个单结构隔声体结构如图 1所示，则组合结构隔声体的频率响应及隔声量变化曲线如图5所示。

为验证单结构隔声体和组合结构隔声体在钻柱声传输系统中的隔声效果，将隔声体以图 6所示的示意位置接入钻柱声传输信道，以“10根钻杆-9根管箍”组成的周期性钻柱为例， 进行了隔声体在钻柱信道内的整体隔声性能仿真。其中，钻杆和管箍的仿真结构参数如表1 所示。

表1钻柱的仿真结构参数

 长度(m)   密度(kg/m³)  横截面积(cm²)   弹性模量/Pa   钻杆  8.6868   7870  24.52   2.08×10¹¹  管箍  0.4572   7870  129.0   2.08×10¹¹

取声信号载波频率为1.5kHz，在声发射器位置处施加连续的单位连续正弦信号，并在钻 柱底部施加均值为0、方差为2个单位的高斯白噪声信号。为提高声传输信号的接收强度，隔 声体的中心阻带确定在1.5kHz附近，则根据式（1）可推算单结构隔声体的凹槽与凸起尺寸 为：L₁=L₂=0.855m。为分析隔声体对噪声的抑制效果，这里采用Welch法计算接收信号的功 率谱密度。图7示出了当在钻柱底部施加有上行的高斯白噪声时，设计的单结构隔声体对周 期性钻柱信道的整体隔声性能曲线。由此可知，在0~8kHz频率范围内，当使用隔声体时接收 信号的噪声水平均明显低于无隔声体的情况，一般低10~30dB；以及在1.5kHz的声传输有用 信号频率处，当使用隔声体时接收信号的信噪比也明显高于无隔声体的情况。仿真结果表明， 隔声体的使用可明显抑制上行的振动噪声和回波干扰，改善信噪比。

当上行的钻柱底部振动噪声较强时，单结构隔声体的隔声频带将变窄，导致不能可靠地 进行噪声抑制。如图8所示，当在钻柱底部施加均值为0、方差为8个单位的高斯白噪声信 号时，对于单结构隔声体，在0~8kHz频带范围内，其接收信号中噪声水平基本在10dB左 右，在部分频率处甚至超过20dB，这表明，当噪声较强时单结构隔声体的噪声隔离作用将 受到一定影响。针对上述问题，应用图4所示的组合结构隔声体，其由三个单结构隔声体短 节通过螺纹连接构成，每个单结构隔声体的凹槽L₁和凸起L₂均相等，并依次取为1.28m、 0.64m和0.32m。由图8可知，对于组合结构隔声体，在0~8kHz频带范围内接收信号的噪声 水平一般在-10dB以下，背景振动噪声得到了很好地抑制，且在声传输信号频率1.5kHz位置 处接收信号的信噪比也明显加强。仿真结果表明，相对于单结构隔声体，组合结构隔声体可 用于钻柱声传输技术中较强振动噪声抑制，具有更好的整体隔声性能。