CN102155216B - 连续波随钻测量信号优化和干涉分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续波随钻测量信号干涉和优化分析方法，该方法建立了连续波传播模型，利用波动方程对信号的时空传播特性进行分析；对连续波信号在源点的汇聚性分析，基于井下信号的连续性进行分析，并对上述分析方程进行变换求解；在每个波导模型短节中使用上述分析算法；在空间或者声学阻抗不连续的地方，利用方程进行分析；在确定了上述附加条件的基础上，对所有自由变量的解析方程进行求解。该方法能够对连续波井下传输特性进行有效分析，并能够对连续波传输过程中的反射、叠加实现量化计算，得出传输所需的优化载波频率，实现信号的有效增强，从而进一步提高连续波随钻测量信号传输速率，实现工程的优化应用。

Description

连续波随钻测量信号优化和干涉分析方法

技术领域

本发明属于随钻测量(MWD)系统领域。

背景技术

在钻井过程中，希望能够对不同的地层信息、井下温度、井斜等等进行记录。为了实现这一目的，需要在钻具中安置不同的传感器和工具，这些工具通常靠近钻头。在钻井过程中将这些数据传输到地面，这是一个比较困难的过程，需要克服许多的障碍。

现有的发明大多基于现有传统的正/负泥浆脉冲编码，在此基础上致力于PSK的产生与检测方法研究，或者是处理调幅产生的下行波经反射后与源信号的叠加问题。然而，这些分析模型在分析通过钻井液传递压力波的过程中存在大量问题，其中泥浆泵产生的压力脉动的干扰尤为明显。即使在钻具上安装了震动吸收器，吸收过后的泥浆泵产生的脉动幅度也远远大于有用信号的幅度。

连续波井下信息传输系统由于其机械结构相对简单，数据传输速率高，受到业内的广泛关注。但是随着井下信号产生机理和传输速率的变化，连续脉冲声波信号在井下传输过程中产生的反射、叠加等现象也随之加剧，传统的方法无法对其有效分析。从上世纪八十年代末到现在，国内外很多研究机构和公司都在致力于连续波信号传输的研究，这些研究的相关文献都集中讨论了这些现象带来的不利影响。例如：他们的分析认为，连续波信号在井下的反射、叠加是导致信号传输距离有限的主要原因；同时，连续波信号频率与传输距离呈线性反比关系；当井下连续波源信号频率增加到25Hz以上时，由于信号的反射、衰减的影响，信号已经无法实现随钻测量的应用。但是经过深入分析和工程实验可以发现，现实情况与上述研究结果并不完全相同。

发明内容

本发明的目的是建立一种新的连续波随钻测量信号干涉和优化分析方法，该方法建立的分析模型可利用信号在井下钻头、钻铤和钻柱连接处等各个位置处的反射和叠加，形成反射波和原始信号构造干涉，实现信号增强，优化信号的分析检测模型，并最终提高连续波载波信号的数据传输速率。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种连续波随钻测量信号优化和干涉分析方法，按下列步骤进行：1)井眼和环空的几何尺寸，钻头组合、钻柱和钻铤连接处的声波阻抗的不连续性，信号发生器在钻铤中的位置等因素需要根据具体工程应用确定相关参数；2)建立完整的钻柱---钻铤---井眼环空的连续波传播模型，该模型由六个部分组成，是连续波分析所需的最小化的结构；模型中相关符号说明如下：X轴坐标，

处位于汽笛电机和钻铤交接面；X_s位于钻铤中汽笛连续波信号源距原点距离；X_c钻铤长度；X_m汽笛电机长度；X_b钻头长度；X_a从井底到钻铤之间的环空长度；3)利用波动方程(1)对信号的时空传播特性进行分析：

4)利用公式(2)进行连续波信号在源点的汇聚性分析：

5)基于井下信号的“连续性”，利用公式(3)进行分析：

6)对步骤3)～5)进行变换求解，具体由下述算法实现：

7)在每个波导模型短节中使用上述分析算法；8)在空间或者声学阻抗不连续的地方，利用方程(7)进行分析；上述公式中的一些符号说明如下：为拉格朗日位移变量u^c(x，t)对时间t的偏导数；

为示拉格朗日位移变量u^c(x，t)对空间x的偏导数；c为声速；

表示Dirac脉冲函数；B_mud泥浆体积模量；c_mud泥浆中声波传播速度；c_mm汽笛电机中的声波波传播速度；汽笛两侧连续波压力值；ρ_mud泥浆浓度；ρ_mm电机中的泥浆浓度；t时间(s)；u拉格朗日流体元素位移参数；ω汽笛旋转角频率；9)在确定了上述附加条件的基础上，对所有自由变量的解析方程进行求解。

本发明的有益效果：能够对连续波井下传输特性进行有效分析，并能够对连续波传输过程中的反射、叠加实现量化计算，得出传输所需的优化载波频率，实现信号的有效增强，从而进一步提高连续波随钻测量信号传输速率，实现工程的优化应用。

附图说明

图1：汽笛脉冲信号在传输通道中的反射与叠加示意图。

图2：井下MWD连续波信号传输模型。

图3：带有电机的典型井下钻具组合。

图4：钻柱中的Pdrillpipe/Δp随信号频率和发生器位置变化示意图。

具体实施方式

使用汽笛作为MWD随钻测量信号的信号源，随着汽笛的旋转，会在汽笛两侧产生差压信号，我们称之为ΔP信号，这一信号会同时向上和向下传播。通常分析理论认为，连续波信号在井下传输过程中，钻头水眼面积要远小于钻头本身的截面积，因此，将钻头视为理想的固体声波反射面。从汽笛处产生的声波信号的一部分，即-1/2ΔP向下传播，到达钻头处并发生反射。由经典的声波反射理论可知，在理想情况的固体反射面处，波经反射后幅值大小不变，符号相同。因此，-1/2ΔP的压力波信号在固体表面的钻头处反射后向上传播，经过信号源(汽笛)与原有的向上传播的+1/2ΔP压力波信号叠加，从而形成了信号的析构，使得地面测得的信号幅度大大减小，在完全理想化的情况下，地面测得信号为0。这一过程可以用图1来表示。

然而，在实际工程应用中，通过地面检测设备对井下连续波信号进行测量的结果与上述分析并不完全相同，许多情况下，地面测得的信号却很强，完全可以满足地质参数测量和随钻检测分析的需求。因此，对井下压力波信号的传播特性还需要进行更为深入的分析。

本发明是这样实现的，对于连续波井下随钻测量信号传输过程的干涉和优化分析方法，按下列步骤进行：1)井眼和环空的几何尺寸，钻头组合、钻柱和钻铤连接处的声波阻抗的不连续性，信号发生器在钻铤中的位置等因素需要根据具体工程应用确定相关参数。所有的这些因素在声波传播学领域来讲都非常重要。2)建立如图2所示的完整的钻柱---钻铤---井眼环空的连续波传播模型。该模型由六个部分组成，是连续波分析所需的最小化的结构；模型中相关符号说明如下：X轴坐标，

处位于汽笛电机和钻铤交接面；X_s位于钻铤中汽笛连续波信号源距原点距离；X_c钻铤长度；X_m汽笛电机长度；X_b钻头长度；X_a从井底到钻铤之间的环空长度；3)利用波动方程(1)对信号的时空传播特性进行分析：

4)利用公式(2)进行连续波信号在源点的汇聚性分析：

5)基于井下信号的“连续性”，利用公式(3)进行分析：

6)对步骤3)～5)进行变换求解，具体由下述算法实现：

7)在每个波导模型短节中使用上述分析算法；8)在空间或者声学阻抗不连续的地方，利用方程(7)进行分析；

上述公式中的一些符号说明如下：

为拉格朗日位移变量u^c(x，t)对时间t的偏导数；

为示拉格朗日位移变量u^c(x，t)对空间x的偏导数；c为声速；

表示Dirac脉冲函数；B_mud泥浆体积模量；c_mud泥浆中声波传播速度；c_mm汽笛电机中的声波波传播速度；汽笛两侧连续波压力值；ρ_mud泥浆浓度；ρ_mm电机中的泥浆浓度；t时间(s)；u拉格朗日流体元素位移参数；ω汽笛旋转角频率；9)在确定了上述附加条件的基础上，对所有自由变量的解析方程进行求解。

图3给出了本发明的一个实施案例。井下钻具组合的尺寸如图3所示。假设水为钻井液，氯丁橡胶为汽笛转定子间的介质。

实验进行过程：MWD连续波发生器的位置Xs每隔1英寸增加一次，从Xs＝1英寸开始，直到Xs＝22英寸，即从紧挨泥浆电机开始直到到达钻柱顶部。同时信号频率也从1Hz增加到50Hz，增长幅度为1Hz。

基于图3的实验模型，对上述的实验过程利用本专利中所述的分析步骤进行分析。最终的结果在表1和图4中给出。表1钻柱中的p_drillpipe/Δp随信号频率和发生器位置变化数值

观察表1中的数据和图4中的曲线，可以看到，在汽笛与泥浆电机距离固定的情况下，随着信号频率的变化，信号的传输效率会出现多个波峰和波谷，即：地面接收到的信号强度会随着信号频率的变化而变化，且这一变化非线性，幅度大。

同时由表1和图4中可以看出，在信号频率较低的情况下(例如：1Hz)，传输效率接近于1，而且汽笛的位置对其影响甚微；随着信号频率的增加(例如12Hz)，地面测得信号随着汽笛远离电机会发生迅速的衰减；然而，当信号频率进一步增加，例如达到30～50Hz的时候，地面检测到的信号发生了明显的变化，即信号的强度随着汽笛远离泥浆电机反而得到了有效的增强。

基于以上分析，可以得出，利用本专利所述的算法模型，能够对连续波井下传输特性进行有效分析，并能够对连续波传输过程中的反射、叠加实现量化计算，得出传输所需的优化载波频率，实现信号的有效增强，从而进一步提高连续波随钻测量信号传输速率，实现工程的优化应用。

表1和图4的分析结果基于图3所示的井底钻具组合，以水为钻井液。具体到不同工程应用环境，如需求出如表1和图4的结果，则只需根据具体的应用确定公式(2)～(4)中的工程参数，例如：不同钻井液中的声速，不同钻铤内径等，将这些参数带人公式(2)～(4)便可得出相应的结果。

Claims (1)

1.一种连续波随钻测量信号优化和干涉分析方法，按下列步骤进行：

1）井眼和环空的几何尺寸，钻头组合、钻柱和钻铤连接处的声波阻抗的不连续性，信号发生器在钻铤中的位置等因素需要根据具体工程应用确定相关参数；

2）建立完整的钻柱---钻铤---井眼环空的连续波传播模型，该模型由六个部分组成，是连续波分析所需的最小化的结构；模型中相关符号说明如下：

x轴坐标，“x=0”处位于电机和钻铤交接面；

x_s位于钻铤中汽笛连续波信号源距原点距离；

x_c钻铤长度；

x_m电机长度；

x_b钻头长度；

x_a从井底到钻铤之间的环空长度；

3）利用波动方程（1）对信号的时空传播特性进行分析：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mud}}{u}_{\mathrm{tt}}^c-B_{\mathrm{mud}}{u}_{\mathrm{xx}}^c=0---\left(1\right)$

4）利用公式（2）进行连续波信号在源点的汇聚性分析：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mud}}{u}_{\mathrm{tt}}^c-B_{\mathrm{mud}}{u}_{\mathrm{xx}}^c=\mathrm{\Δp}\×\mathrm{\δ}(x-x_s)---\left(2\right)$

5）基于井下信号的“连续性”，利用公式（3）进行分析：

$-B_{\mathrm{mud}}\×u_x^c(x_s+\mathrm{\ϵ},t)+B_{\mathrm{mud}}\×u_x^c(x_s-\mathrm{\ϵ},t)=\mathrm{\Δp}---\left(3\right)$

6）对步骤3）～5）进行变换求解，具体由下述算法实现：

△p=△p'e^jωt       （4）

u^c(x,t)=u^c(x)e^jωt       （5）

$u_{\mathrm{xx}}^c\left(x\right)+({\mathrm{\ω}}^2/c_{\mathrm{mud}}^2)u^c=({\mathrm{\Δp}}^{\′}/B_{\mathrm{mud}})\mathrm{\δ}(x-x_s)---\left(6\right)$

7）在每个波导模型短节中使用上述分析算法；

8）在空间或者声学阻抗不连续的地方，利用方程（7）进行分析；

u^p(x)=C₁exp(-iωx/c_mud)

$u^c\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}{C}_2\cos (\mathrm{\&omega;x}/c_{\mathrm{mud}})+C_3\sin (\mathrm{\&omega;x}/c_{\mathrm{mud}})\\ x<x_s\\ C_2\cos (\mathrm{\&omega;x}/c_{\mathrm{mud}})+C_3\sin (\mathrm{\&omega;x}/c_{\mathrm{mud}})-\\ \{c_{\mathrm{mud}}\mathrm{\&Delta;p}/\mathrm{\&omega;}{B}_{\mathrm{mud}}\}\sin (\mathrm{\&omega;}(x-x_s)/c_{\mathrm{mud}})\\ x>x_s\end{array}\right.---\left(7\right)$

u^m(x)=C₄cos(ωx/c_mm)+C₅sin(ωx/c_mm)

u^b(x)=C₆cos(ωx/c_mud)+C₇sin(ωx/c_mud)

u^a2(x)=C₈cos(ωx/c_mud)+C₉sin(ωx/c_mud)

u^a1(x)=C₁₀exp(iωx/c_mud)

上述公式中的一些符号说明如下：

为拉格朗日位移变量u^c(x,t)对时间t的偏导数；

为示拉格朗日位移变量u^c(x,t)对空间x的偏导数；

u^p(x)为钻柱通道中的拉格朗日位移变量函数；

u^c(x)为钻铤通道中的拉格朗日位移变量函数；

u^m(x)为电动机中的拉格朗日位移变量函数；

u^b(x)为钻头中的拉格朗日位移变量函数；

u^a2(x)为环空2通道中的拉格朗日位移变量函数；

u^a1(x)为环空1通道中的拉格朗日位移变量函数；

c为声速；

δ(x-x_s)表示Dirac脉冲函数；

B_mud泥浆体积模量；

c_mud泥浆中声波传播速度；

c_mm电机中的声波波传播速度；

△p汽笛两侧连续波压力值；

ρ_mud泥浆浓度；

ρ_mm电机中的泥浆浓度；

t时间（s）；

u拉格朗日流体元素位移参数；

ω汽笛旋转角频率；

C_ii=1…10为解析解的系数；

9）在确定了上述附加条件的基础上，对所有自由变量的解析方程进行求解。

Images