CN108412484B - 一种基于钻柱信道的无线声波传输用井底噪声隔离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于钻柱信道的无线声波传输用井底噪声隔离装置。其技术方案是：在上端公扣与下端公扣之间设有噪声隔离装置，噪声隔离装置包括凸槽和凹槽，凸槽和凹槽为管柱结构，凸槽和凹槽交替设置，凸槽截面积大于凹槽截面积，上端公扣与发射装置仪器舱连接，上端公扣与发射装置仪器舱之间设有配合压块，下端公扣与下部钻具连接。本发明的有益效果是：该噪声隔离装置可消除井底噪声对井下中继器接收信号的干扰，保证声波信号井下识别与有效转发，是实现声信号通过中继装置拓展声波在钻柱中的传输距离的重要保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下信息无线传输装置，特别涉及一种基于钻柱信道的无线声波传输用井底噪声隔离装置。
背景技术
随着油气勘探开发的不断深入，钻井工程中大量的井下信息需要传输，使得快速精确获得井下信息成为关键问题，其重要过程就是井下信息的精确获取和准确高速传输过程，目前井下信息无线传输技术主要有钻井液脉冲、电磁波和声波三种方式。钻井液脉冲方式传输速率受限，同时气体及各种非常规钻井液不能产生有效的脉冲信号，电磁波传输方式存在地层适应性差的问题。声波传输方式不依赖于钻井液性质，对地层不存在选择性，并且声波在固体介质中传播速度极快，钻柱作为传输信道为井下信息声波高速传输提供了得天独厚的条件；研究认为需选择低频段的纵波作为井下声传输的载波形式，因此需要在低频段进行井下声波信号的发射，同时可采用频分复用（OFDM）等调制技术，以带宽换取信噪比的办法提高数据传输的可靠性和传输速率。声波在钻柱中传播还存在严重的噪声干扰问题，钻井过程中产生的噪声十分复杂，如钻杆在井中的复杂运动会产生振动噪声，钻杆与井壁的相互撞击、钻头对地层的撞击等都会产生钻井噪声。噪声水平的高低会改变信噪比的大小，从而影响到信号的传输。钻井噪声的主要成分的频率范围为小于4KHz，主要集中在400Hz-2500Hz之间。噪声是影响数据传输的一个重要因素，它能使信号失真，并限制信息的传输速率。声波传输系统由井下发射装置、中继转发装置和地面接收装置组成，发射装置发射纵波进行通信，中继转发装置通过声波接收装置接收衰减了的声波信号，并对信号进行有效检出和放大并再次发射，接收装置将采集所有的纵向振动信号。钻柱信道的频域特性和传输衰减特性决定了井下远距传输的频率基本范围在2000Hz以内，同时对于频分复用的需求使得声波传输要在呈窄带分布的通带内选取两组或多组频率点进行编解码，因此需要尽可能的消除井下噪声对于声波信号的影响；
井下传输载波趋于多频传输，同时井下复杂噪声信号造成了井下声波载波信号的识别困难，井底发射装置的发射信号在井底中继装置需要有效识别和转发，因此需要减少井底噪声干扰，重点隔离井底噪声范围为500Hz-2000Hz。现有噪声隔离装置的研究主要针对随钻测井，其所涉及隔离声频属于高频范围。同时对于井下工具其尺寸受到极大限制，根据管柱频域特性可知要消除低频噪声需要管柱结构尺寸较大，因此在井下环境限制的条件下实现低频隔声是一个技术难点，现有的声波传输用噪声隔离装置多由结构差异出发，噪声隔离装置整体尺寸较大，且噪声隔离装置的设计评价不完善。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于钻柱信道的无线声波传输用井底噪声隔离装置，可消除井底噪声对井下中继器接收信号的干扰，保证声波信号井下识别与有效转发，是实现声信号通过中继装置拓展声波在钻柱中的传输距离的重要保障。
其技术方案是：包括上端公扣、凸槽、凹槽、下端公扣，在上端公扣与下端公扣之间设有噪声隔离装置，噪声隔离装置两端为公扣，噪声隔离装置包括凸槽和凹槽，凸槽和凹槽为管柱结构，凸槽和凹槽交替设置，一个凸槽配合一个同长度的凹槽，不同长度的凸槽和凹槽从左向右长度递减，凸槽截面积大于凹槽截面积，凹槽材质为铝合金，凸槽材质为钢制和钛合金材质，上端公扣与发射装置仪器舱连接，上端公扣与发射装置仪器舱之间设有配合压块，下端公扣与下部钻具连接。
优选的，噪声隔离装置隔声频带范围为500Hz-2000Hz，噪声隔离装置安装位置距离发射装置600米-1000米之间。
优选的，凸槽和凹槽包括三个尺寸序列，第一序列尺寸范围为1.2米-1.6米，第二序列尺寸范围为0.5米-0.8米，第三序列尺寸范围为0.25米-0.4米。
优选的，噪声隔离装置包括两种序列尺寸和三种序列尺寸，两种序列尺寸的噪声隔离装置设有第一序列尺寸的第一凸槽和第一凹槽一组、第二序列尺寸的第二凸槽和第二凹槽组合，三种序列尺寸的噪声隔离装置设有第一序列尺寸的第一凸槽和第一凹槽一组、第二序列尺寸的第二凸槽和第二凹槽组合、第三序列尺寸的第三凸槽和第三凹槽组合。
优选的，两种序列尺寸的噪声隔离装置，包括第一序列尺寸的第一凸槽和第一凹槽一组，第二序列尺寸长度为0.8米，第二序列尺寸的第二凸槽和第二凹槽两组以上，三种序列尺寸的噪声隔离装置，包括第一序列尺寸的第一凸槽和第一凹槽，第二序列尺寸长度为0.8米，第二序列尺寸的第二凸槽和第二凹槽一至两组，第三序列尺寸的第三凸槽和第三凹槽两至三组。
优选的，两种序列尺寸的噪声隔离装置，包括第一序列尺寸的第一凸槽和第一凹槽一组，第二序列尺寸的第二凸槽和第二凹槽两组，第一序列尺寸的第一凸槽和第一凹槽长度为1.6米，第二序列尺寸的第二凸槽和第二凹槽长度为0.8米。
优选的，两种序列尺寸的的噪声隔离装置，包括第一序列尺寸的第一凸槽和第一凹槽一组，第二序列尺寸的第二凸槽和第二凹槽三组，第一序列尺寸的第一凸槽和第一凹槽长度为1.2米，第二序列尺寸的第二凸槽和第二凹槽长度为0.8米。
优选的，三种序列尺寸的噪声隔离装置，包括第一序列尺寸的第一凸槽和第一凹槽一组，第二序列尺寸的第二凸槽和第二凹槽一组，第三序列尺寸的第三凸槽和第三凹槽三组，第一序列尺寸的第一凸槽和第一凹槽长度为1.6米，第二序列尺寸的第二凸槽和第二凹槽长度为0.8米，第三序列尺寸的第三凸槽和第三凹槽长度为0.4米。
优选的，噪声隔离装置总长度小于8米。
优选的，凸槽截面积与钻杆接头截面积一致，凹槽截面积与钻杆本体截面积一致，钻杆本体的截面积为24.5cm2，长度为8.7m，钻杆接头的截面积为130cm2，长度为0.46m，凸槽截面积为130cm2，凹槽截面积为24.5cm2。
本发明的有益效果是：本发明主要用于消除井底噪声对井下中继装置接收的干扰影响，噪声隔离装置属于信道中的组成部分，其安装位置在声波发射装置下部，其隔离噪声的目的是消除井下声波接收装置的噪声干扰，井下接收装置布置在中继器中，该噪声隔离装置可消除井底噪声对井下中继器接收信号的干扰，保证声波信号井下识别与有效转发，是实现声信号通过中继装置拓展声波在钻柱中的传输距离的重要保障；本发明可满足工具结构简单易实现、施工操作难度小和提高井下适用性的要求，噪声隔离装置两端均设计为公扣形式，噪声隔离装置在满足隔声要求的同时，也完成作为保护短节的作用，上端公扣与发射装置仪器舱连接，配合压块实现发射装置内封装和保护内部挂接测量仪器的作用；本发明隔声频带均包含500Hz-2000Hz，满足声波传输隔声需求；采用凹槽和凸槽交替的管柱结构，凹槽采用铝合金，凸槽采用钢制和钛合金材质，极大增强阻抗不匹配度，提高隔声效果；截面尺寸，凸槽与钻铤或者钻杆接头尺寸一种，凹槽与钻杆本体尺寸一致，便于加工制造和现场应用；声波噪声隔离装置的目的是消除接井下收装置的噪声干扰，一是将噪声隔离装置到第一个中继器的声信道作为频域分析单元以声透射系数作为分析评价指标，二是将噪声隔离装置作为隔声特性的设计分析单元，取隔声量作为分析评价指标，设计分析更贴近实际应用情况。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是本发明的结构示意图；
附图3是本发明实施例1的结构示意图；
附图4是本发明实施例1频域声透射系数图结构示意图；
附图5是本发明实施例1频域隔声量图结构示意图；
附图6是本发明实施例2的结构示意图；
附图7是本发明实施例2频域声透射系数图结构示意图；
附图8是本发明实施例2频域隔声量图结构示意图；
附图9是本发明实施例3的结构示意图；
附图10是本发明实施例3频域声透射系数图结构示意图；
附图11是本发明实施例3频域隔声量图结构示意图；
图中：上端公扣1、凸槽2、凹槽3、下端公扣4、发射装置仪器舱5、配合压块6、第一凸槽7、第一凹槽8、第二凸槽9、第二凹槽10、第三凸槽11、第三凹槽12。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
表1 井下常用金属材料的基本参数
噪声隔离装置采用凸槽和凹槽交替的管柱结构，根据突变界面上满足位移的法向分量和法向作用力连续的边界条件，表达形式为：
式中：ut透射波位移，m；ur为反射波位移，m；F为法向力，N；k为波数；x为距离，m；为截面积，m2；/>为角频率，rad/s；j为虚数单位；/>为声速，m/s。
波数的表达形式为：
式中，为波数，即/>长度内所包含的波的个数；/>为角频率；/>为频率。
由以上公式可知连续边界条件主要与结构尺寸和物性参数有关，噪声隔离装置采用凸槽和凹槽交替结构，如图1所示，其中a为截面积；d为长度；E为弹性模量；ρ为密度，下标表示单元序号，根据图各界面距离（x=0）界面的距离分别为：D1=d1、D2=d1+d2、…、Dn=d1+d2+…+dn。
x=D n处界面，传递矩阵表达形式为：
矩阵表达形式为：
令
则
声透射系数：
隔声量：
实施例1：
如图3，本发明包括上端公扣1、凸槽2、凹槽3、下端公扣4，在上端公扣1与下端公扣4之间设有噪声隔离装置，噪声隔离装置两端为公扣，噪声隔离装置包括凸槽2和凹槽3，凸槽2和凹槽3为管柱结构，凸槽2和凹槽3交替设置，一个凸槽2配合一个同长度的凹槽3，不同长度的凸槽2和凹槽3从左向右长度递减，凸槽2截面积大于凹槽3截面积，凹槽3材质为铝合金，凸槽2材质为钢制和钛合金材质，上端公扣1与发射装置仪器舱5连接，上端公扣1与发射装置仪器舱5之间设有配合压块6，下端公扣4与下部钻具连接，可消除井底噪声对井下中继器接收信号的干扰，保证声波信号井下识别与有效转发，是实现声信号通过中继装置拓展声波在钻柱中的传输距离的重要保障。
其中，噪声隔离装置隔声频带范围为500Hz-2000Hz，井下接收装置布置在中继器中，第一个中继器的安装位置距离发射装置600米-1000米之间，噪声隔离装置安装到第一个中继器的声信道，钻井噪声的主要成分的频率范围为小于4KHz，主要集中在400Hz-2500Hz之间，隔声特性满足声波传输隔声需求。
其中，凸槽2和凹槽3包括三个尺寸序列，第一序列尺寸范围为1.2米-1.6米，第二序列尺寸范围为0.5米-0.8米，第三序列尺寸范围为0.25米-0.4米。
另外，两种序列尺寸的噪声隔离装置设有第一序列尺寸的第一凸槽7和第一凹槽8一组、第二序列尺寸的第二凸槽9和第二凹槽10组合。
另外，两种序列尺寸的噪声隔离装置，包括第一序列尺寸的第一凸槽7和第一凹槽8一组，第二序列尺寸长度为0.8米，第二序列尺寸的第二凸槽9和第二凹槽10两组以上。
另外，两种序列尺寸的噪声隔离装置，包括第一序列尺寸的第一凸槽7和第一凹槽8一组，第二序列尺寸的第二凸槽9和第二凹槽10两组，第一序列尺寸的第一凸槽7和第一凹槽8长度为1.6米，第二序列尺寸的第二凸槽9和第二凹槽10长度为0.8米。
还有，噪声隔离装置总长度小于8米，隔声量满足声波传输隔声需求。
还有，凸槽2截面积与钻杆接头截面积一致，凹槽3截面积与钻杆本体截面积一致，钻杆本体的截面积为24.5cm2，长度为8.7m，钻杆接头的截面积为130cm2，长度为0.46m，凸槽2截面积为130cm2，凹槽3截面积为24.5cm2，便于加工制造和现场应用，保证井下装配使用。
分析结果如图4和图5，附图4是频域声透射系数图结构示意图；附图5是频域隔声量图结构示意图。
实施例2：
如图6，与实施例1不同之处在于：两种序列尺寸的的噪声隔离装置，包括第一序列尺寸的第一凸槽7和第一凹槽8一组，第二序列尺寸的第二凸槽9和第二凹槽10三组，第一序列尺寸的第一凸槽7和第一凹槽8长度为1.2米，第二序列尺寸的第二凸槽9和第二凹槽10长度为0.8米。
分析结果如图7和图8，附图7是频域声透射系数图结构示意图；附图8是频域隔声量图结构示意图。
实施例3：
如图9，本发明包括上端公扣1、凸槽2、凹槽3、下端公扣4，在上端公扣1与下端公扣4之间设有噪声隔离装置，噪声隔离装置两端为公扣，噪声隔离装置包括凸槽2和凹槽3，凸槽2和凹槽3为管柱结构，凸槽2和凹槽3交替设置，一个凸槽2配合一个同长度的凹槽3，不同长度的凸槽2和凹槽3从左向右长度递减，凸槽2截面积大于凹槽3截面积，凹槽3材质为铝合金，凸槽2材质为钢制和钛合金材质，上端公扣1与发射装置仪器舱5连接，上端公扣1与发射装置仪器舱5之间设有配合压块6，下端公扣4与下部钻具连接。
其中，噪声隔离装置隔声频带范围为500Hz-2000Hz，井下接收装置布置在中继器中，第一个中继器的安装位置距离发射装置600米-1000米之间，噪声隔离装置安装到第一个中继器的声信道。
其中，凸槽2和凹槽3包括三个尺寸序列，第一序列尺寸范围为1.2米-1.6米，第二序列尺寸范围为0.5米-0.8米，第三序列尺寸范围为0.25米-0.4米。
其中，三种序列尺寸的噪声隔离装置设有第一序列尺寸的第一凸槽7和第一凹槽8一组、第二序列尺寸的第二凸槽9和第二凹槽10组合、第三序列尺寸的第三凸槽11和第三凹槽12组合。
另外，三种序列尺寸的噪声隔离装置，包括第一序列尺寸的第一凸槽7和第一凹槽8，第二序列尺寸长度为0.8米，第二序列尺寸的第二凸槽9和第二凹槽10一至两组，第三序列尺寸的第三凸槽11和第三凹槽12两至三组。
还有，三种序列尺寸的噪声隔离装置，包括第一序列尺寸的第一凸槽7和第一凹槽8一组，第二序列尺寸的第二凸槽9和第二凹槽10一组，第三序列尺寸的第三凸槽11和第三凹槽12三组，第一序列尺寸的第一凸槽7和第一凹槽8长度为1.6米，第二序列尺寸的第二凸槽9和第二凹槽10长度为0.8米，第三序列尺寸的第三凸槽11和第三凹槽12长度为0.4米。
还有，噪声隔离装置总长度小于8米。
还有，凸槽2截面积与钻杆接头截面积一致，凹槽3截面积与钻杆本体截面积一致，钻杆本体的截面积为24.5cm2，长度为8.7m，钻杆接头的截面积为130cm2，长度为0.46m，凸槽2截面积为130cm2，凹槽3截面积为24.5cm2。
分析结果如图10和图11，附图10是频域声透射系数图结构示意图；附图11是频域隔声量图结构示意图。
本发明主要用于消除井底噪声对井下中继装置接收的干扰影响，噪声隔离装置属于信道中的组成部分，其安装位置在声波发射装置下部，其隔离噪声的目的是消除井下声波接收装置的噪声干扰，井下接收装置布置在中继器中，该噪声隔离装置可消除井底噪声对井下中继器接收信号的干扰，保证声波信号井下识别与有效转发，是实现声信号通过中继装置拓展声波在钻柱中的传输距离的重要保障；本发明可满足工具结构简单易实现、施工操作难度小和提高井下适用性的要求，噪声隔离装置两端均设计为公扣形式，噪声隔离装置在满足隔声要求的同时，也完成作为保护短节的作用，上端公扣与发射装置仪器舱连接，配合压块实现发射装置内封装和保护内部挂接测量仪器的作用；本发明隔声频带均包含500Hz-2000Hz，满足声波传输隔声需求；采用凹槽和凸槽交替的管柱结构，凹槽采用铝合金，凸槽采用钢制和钛合金材质，极大增强阻抗不匹配度，提高隔声效果；截面尺寸，凸槽与钻铤或者钻杆接头尺寸一种，凹槽与钻杆本体尺寸一致，便于加工制造和现场应用；声波噪声隔离装置的目的是消除接井下收装置的噪声干扰，一是将噪声隔离装置到第一个中继器的声信道作为频域分析单元以声透射系数作为分析评价指标，二是将噪声隔离装置作为隔声特性的设计分析单元，取隔声量作为分析评价指标，设计分析更贴近实际应用情况。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种基于钻柱信道的无线声波传输用井底噪声隔离装置，其特征是：包括上端公扣(1)、凸槽(2)、凹槽(3)、下端公扣(4)，在上端公扣(1)与下端公扣(4)之间设有噪声隔离装置，噪声隔离装置两端为公扣，噪声隔离装置包括凸槽(2)和凹槽(3)，凸槽(2)和凹槽(3)为管柱结构，凸槽(2)和凹槽(3)交替设置，一个凸槽(2)配合一个同长度的凹槽(3)，不同长度的凸槽(2)和凹槽(3)从左向右长度递减，凸槽(2)截面积大于凹槽(3)截面积，凹槽(3)材质为铝合金，凸槽(2)材质为钢制和钛合金材质，上端公扣(1)与发射装置仪器舱(5)连接，上端公扣(1)与发射装置仪器舱(5)之间设有配合压块(6)，下端公扣(4)与下部钻具连接；
其中，噪声隔离装置采用凸槽和凹槽交替的管柱结构，根据突变界面上满足位移的法向分量和法向作用力连续的边界条件，表达形式为：
式中：ut透射波位移，m；ur为反射波位移，m；F为法向力，N；k为波数；x为距离，m；a为截面积，m2；ω为角频率，rad/s；j为虚数单位；为声速，m/s；
波数的表达形式为：
式中，k为波数，即2π长度内所包含的波的个数；ω＝2πf为角频率；f为频率；由以上公式可知连续边界条件主要与结构尺寸和物性参数有关，噪声隔离装置采用凸槽和凹槽交替结构，其中a为截面积；d为长度；E为弹性模量；ρ为密度，下标表示单元序号，各界面距离(x＝0)界面的距离分别为：D1＝d1、D2＝d1+d2、…、Dn＝d1+d2+…+dn；
x＝Dn处界面，传递矩阵表达形式为：
矩阵表达形式为：
令
则
声透射系数：tn＝1/M11；
隔声量：TL＝10lg(M11)。
2.根据权利要求1所述的一种基于钻柱信道的无线声波传输用井底噪声隔离装置，其特征是：噪声隔离装置隔声频带范围为500Hz-2000Hz，噪声隔离装置的安装位置距离发射装置600米-1000米之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于钻柱信道的无线声波传输用井底噪声隔离装置，其特征是：凸槽(2)和凹槽(3)包括三个尺寸序列，第一序列尺寸范围为1.2米-1.6米，第二序列尺寸范围为0.5米-0.8米，第三序列尺寸范围为0.25米-0.4米。
4.根据权利要求3所述的一种基于钻柱信道的无线声波传输用井底噪声隔离装置，其特征是：噪声隔离装置包括两种序列尺寸和三种序列尺寸，两种序列尺寸的噪声隔离装置设有第一序列尺寸的第一凸槽(7)和第一凹槽(8)一组、第二序列尺寸的第二凸槽(9)和第二凹槽(10)组合，三种序列尺寸的噪声隔离装置设有第一序列尺寸的第一凸槽(7)和第一凹槽(8)一组、第二序列尺寸的第二凸槽(9)和第二凹槽(10)组合、第三序列尺寸的第三凸槽(11)和第三凹槽(12)组合。
5.根据权利要求4所述的一种基于钻柱信道的无线声波传输用井底噪声隔离装置，其特征是：两种序列尺寸的噪声隔离装置，包括第一序列尺寸的第一凸槽(7)和第一凹槽(8)一组，第二序列尺寸长度为0.8米，第二序列尺寸的第二凸槽(9)和第二凹槽(10)两组以上，三种序列尺寸的噪声隔离装置，包括第一序列尺寸的第一凸槽(7)和第一凹槽(8)，第二序列尺寸长度为0.8米，第二序列尺寸的第二凸槽(9)和第二凹槽(10)一至两组，第三序列尺寸的第三凸槽(11)和第三凹槽(12)两至三组。
6.根据权利要求5所述的一种基于钻柱信道的无线声波传输用井底噪声隔离装置，其特征是：两种序列尺寸的噪声隔离装置，包括第一序列尺寸的第一凸槽(7)和第一凹槽(8)一组，第二序列尺寸的第二凸槽(9)和第二凹槽(10)两组，第一序列尺寸的第一凸槽(7)和第一凹槽(8)长度为1.6米，第二序列尺寸的第二凸槽(9)和第二凹槽(10)长度为0.8米。
7.根据权利要求5所述的一种基于钻柱信道的无线声波传输用井底噪声隔离装置，其特征是：两种序列尺寸的的噪声隔离装置，包括第一序列尺寸的第一凸槽(7)和第一凹槽(8)一组，第二序列尺寸的第二凸槽(9)和第二凹槽(10)三组，第一序列尺寸的第一凸槽(7)和第一凹槽(8)长度为1.2米，第二序列尺寸的第二凸槽(9)和第二凹槽(10)长度为0.8米。
8.根据权利要求5所述的一种基于钻柱信道的无线声波传输用井底噪声隔离装置，其特征是：三种序列尺寸的噪声隔离装置，包括第一序列尺寸的第一凸槽(7)和第一凹槽(8)一组，第二序列尺寸的第二凸槽(9)和第二凹槽(10)一组，第三序列尺寸的第三凸槽(11)和第三凹槽(12)三组，第一序列尺寸的第一凸槽(7)和第一凹槽(8)长度为1.6米，第二序列尺寸的第二凸槽(9)和第二凹槽(10)长度为0.8米，第三序列尺寸的第三凸槽(11)和第三凹槽(12)长度为0.4米。
9.根据权利要求4所述的一种基于钻柱信道的无线声波传输用井底噪声隔离装置，其特征是：噪声隔离装置总长度小于8米。
10.根据权利要求1所述的一种基于钻柱信道的无线声波传输用井底噪声隔离装置，其特征是：凸槽(2)截面积与钻杆接头截面积一致，凹槽(3)截面积与钻杆本体截面积一致，钻杆本体的截面积为24.5cm2，长度为8.7m，钻杆接头的截面积为130cm2，长度为0.46m，凸槽(2)截面积为130cm2，凹槽(3)截面积为24.5cm2。
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