专利名称：一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法
技术领域：
本发明属于钻井过程中的井下数据传输技术领域，具体涉及一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，用于有效地抑制随钻测井中钻柱信道内下行地面噪声和反射回波对上行有用信号提取的影响。
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 lObit/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勻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，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ldB，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。考虑到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回波现象，研究钻柱声波传输中的噪声及回波抑制具有重要意义和应用价值。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 acoustictransmission 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. Drumhel ler. Attenuation ofsound 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.)。自2001年以来，BakerHughes, DBI、IntelliServ等公司陆续申请了钻柱声波遥测系统的专利。例如，BakerHughes公司提出了 FSK、PSK、MSK的调制方法(参见=Green Robert. Method andapparatus for improved communication in a wellbore utilizing acoustic signals [P]. US6450258, 2002), DBI提出了正交频分复用的调制方法(参见 Hill Lawrence. W. Downhole telemetry andcontrol system[P] · US7019665,2006)。针对井下回波和噪声的抑制，1998年Marr Joel. G提出了一种应用互均衡滤波器去除双换能器耦合误差以及地震数据中混响的方法，该方法可以有效避免在质点速度和压力数据相结合过程中导致的自由表面反射噪声(参见Joel G. Starr. Method of reverberation removalfrom seismic data and removal of dual sensor coupling errors[P], US5825716,1998.) ；2000年Flavio Poletto等对声波在钻头与岩石端面的反射情况进行了深入研究，在扁钻头的理想情况下估算了反射系数，并指出应力波的反射系数取决于钻杆与钻孔的横截面积的比值，该方法通过建立应力方程组，得到了反射系数的具体表达式，然而，该推导过程仅在井下噪声较小的情况下进行，具有一定的局限性(参见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研究了井下噪声和地面噪声对随钻测井数据传输影响，指出地面噪声对数据传输的影响较大，提出了应用双声接收器法抑制地面噪声的模型，指出利用两个声接收器可实现地面噪声的抑制，并进行了仿真验证(参见=Sinan Sinanovic, Don H. Johnson. Direction propagation cancellation for acoustic communication along the drillstring[C]. ICASSP，2006.)，但 Sinan Sinanovic 提出的模型主要考虑钻柱端面反射的简单情况。实际上，钻柱主要具有由多节钻杆和管箍组成的周期性结构，这种复杂的周期性结构对声信号的传输性能产生较大影响。特别是，由于钻杆和管箍的声阻抗差异明显，在它们的相连处会产生较强的反射回波，且多重反射回波相互叠加，干扰有用信号的接收。
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单向回波噪声抑制方法。该方法利用两个声接收器、相应滤波器，通过改进的回波噪声抑制的建模方法，实现下行的地面噪声与反射回波的抑制。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单向回波噪声抑制方法， 该方法的具体步骤如下步骤1.传输信道容量分析，具体分析方法如下步骤al、随钻声波传输系统中噪声来源的分析随钻声波传输系统中存在两种噪声，一种来源于钻头处，由井下钻头击破岩层所产生，以nd表示，其可通过钻柱信道上传至地面；另一种噪声来自于地面设备，由地面设备的电力或机械系统等引起，以ns表示；步骤a2、上行通道以及下行通道的容量的计算由信道容量的定义可知，上行通道的容量为
权利要求
1. 一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，其特征在于该方法的具体步骤如下步骤1.传输信道容量分析，具体分析方法如下 步骤al、随钻声波传输系统中噪声来源的分析随钻声波传输系统中存在两种噪声，一种来源于钻头处，由井下钻头击破岩层所产生， 以nd表示，其可通过钻柱信道上传至地面；另一种噪声来自于地面设备，由地面设备的电力或机械系统等引起，以\表示；步骤a2、上行通道以及下行通道的容量的计算由信道容量的定义可知，上行通道的容量为Ct7i = log2(l +--bit I s(1)h Pnb(J) + PnM)\H if )\式中，B为信道通带带宽，Ps(f)、&(/)和叉(/)分别为激励信号、钻头噪声、地面噪声的功率谱密度；由于系统信号在传输过程中本身的衰减很大，因此，|H(f)| <<1，以及|H(f)|_2>> 1 ；若及(/)和&(/)在同一数量数量级，则&(/)可忽略不计，即，可认为地面噪声的影响远大于井下噪声，从而可忽略钻头噪声nd的影响； 相应地，下行通道的容量可为Cdl = log2(l +-^^-T)df bit I s (2)Pnb(J) ^ ρηΜψ( )\2)步骤a3、主要噪声的分析由于双声接收器安装在钻柱顶端，用于接收由钻头处上传的井下数据，因此，主要考虑上行通道，则仅需考虑地面噪声ns的影响；步骤2.对回波噪声进行抑制，具体抑制方法为 步骤bl、在钻杆上布置声接收器由于声波传播没有方向性，钻柱信道内同时存在上行波和下行波，这样，钻柱顶端处的声接收器不仅接收到上行传输信号，同时还接收到地面噪声以及下行传输的端面反射信号，以及在各个“钻杆-接箍”连接处的反射回波信号；为消除地面噪声和回波，在邻近地面的单节钻杆上以1/4载波波长为间隔布置两个声接收器；步骤1^2、通过检测双声接收器处上、下行信道响应进行回波噪声抑制的建模方法在忽略外界耦合噪声的影响下，整个传输系统内仅存在地面噪声~(0和激励输入信号x(t)两个未知变量，因此，理论上仅利用两个声接收器可实现地面噪声和端面反射回波的抑制；根据信号与系统的基本理论，信道的输入与输出之间存在卷积关系，其中假设当在钻柱底端施加单位脉冲激励时，位于两个声接收器yi、y2处的脉冲响应分别为hjt)和h2(t)，以及当在钻柱顶端施加单位脉冲激励时，两个声接收器处的脉冲响应分别为h' Jt)和h' 2(t)，则考虑地面下行噪声ns(t)条件下，当钻柱底端施加上传的输入信号x(t)时，两个声接收器yi(t)、y2(t)的时域信号可表示为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)可表示为钻柱上行通道的瞬态脉冲响应；h' 为钻柱下行通道的瞬态脉冲响应；对式(3)、(4)进行傅里叶变换，可得其频域表达式为(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)联立式(5)、(6)，可得如下的矩阵形式 _(Ηχι ΗΝΛ Χ Ζ,Hm Ν‘.通过运算可消除地面噪声信号Ns(f)，则X(I) =ΗΝ2( )ΥΑ )-ΗΝχ )Υ2( )W1'D(f)(5)(6)(7) (8)式(8)中，丑々(/)、丑;r2(/)、丑Wl(/)、丑 (/)分别为 Mtht^thh' “thh' 2(t)的频域形式，且糾/) = ΗΧι {f)HNi {f)-HXi {f)HNi (/)；对式(8)进行傅里叶逆变换，可反求出施加于钻柱底端的原始激励信号χ' (t)，即x\t) = <F~HNSf)Uf)-HNXf)Y2(f)N1D(f)(9)根据声波在钻柱中的传播原理，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时刻I处质点位移，ΔΓη表示ι处微元质量；因此，利用该式(10)可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；在钻柱底端施加单位脉冲激励，利用式 (10)可仿真得到钻柱上行通道的瞬态冲击响应Ii1 (t)和Ii2 (t)，再通过傅立叶变换，可求的hi (t) ,h2(t)的频域表达式Hz1C/)、HxSf)；同理，在钻柱顶端施加单位脉冲激励，可仿真得到钻柱下行通道的瞬态冲击响应h' Jt)和h' 2(t)，以及对应的频域表达式HWl(/)、HNSfh步骤b3、求解施加于钻柱底端的原始激励信号通过检测两个声接收器71(0、^(0的信号，利用式(9)可求解施加于钻柱底端的原始激励信号；从而该用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法通过改进的回波噪声抑制分析模型，实现下行的地面噪声与反射回波的抑制。
2.如权利要求1所述的一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，其特征在于，将经过双声接收器检测处理后的时域信号χ' (t)送入带通滤波器，以实现较好的接收效果。
3.如权利要求1所述的一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，其特征在于，所述声接收器为压电式换能器，且两个声接收器之间的安装距离相距为1/4的载波波长。
4.如权利要求3所述的一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，其特征在于，所述压电式换能器为压电式加速度计或磁致伸缩式换能器。
5.如权利要求2所述的一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，其特征在于，所述带通滤波器可选取100阶HR数字带通滤波器，窗函数取Hamming窗，通带范围取为 1400Hz 1620Hz。
6.如权利要求1所述的一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，其特征在于，所述的建模方法可利用DSP或嵌入式计算机实现。
全文摘要
本发明涉及一种用于钻柱声传输技术的单向回波噪声抑制方法，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地面噪声、钻柱不连续结构等因素造成的回波噪声使钻柱声信号传输性能降低的问题，本发明利用钻柱上、下行信道的瞬态脉冲响应，采用双声接收器的接收方式，通过改进的回波噪声抑制的建模方法，实现井下回波噪声抑制的目的，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，且具有结构简单的特点。
文档编号E21B47/14GK102354501SQ201110294240
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月27日 优先权日2011年9月27日
发明者井中武, 刘钊, 李成, 樊尚春 申请人:北京航空航天大学