声波钻柱信道FIR理论模型的建立方法技术

本发明专利技术涉及钻探中井底与地面之间双向数据的声波遥传技术领域，具体涉及声波钻柱信道FIR理论模型的建立方法。现有技术存在钻柱声波信道无法在实验室进行充分研究的问题。在单个钻具的声波无缝传输模型基础上，通过数字滤波器技术，建立任意钻具的随钻声波传输的特征模型，对各种实际的钻柱信道，用单个钻具的特征模型的级联可充分模拟各种实际声波信道的传输特性。采用本发明专利技术可建立多样的信道，可以实现多种实验平台模拟，对于以前许多不稳定试验状况，现在可通过FIR的仿真来分析声波传输的问题所在，传输信息成功与失败的原因。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钻探中井底与地面之间双向数据的声波遥传
，具体涉及声波钻柱信道FIR理论模型的建立方法。
技术介绍
: 导向钻井、地质钻井、智能钻井、安全钻井、提高钻井效率、提高目的层遇采率、提高采收率等都不可缺少随钻传输数据系统。随钻声波传输系统利用声波沿钻杆在地面与井下之间传输信息，其优点是开发成本低、数据传输速率较高、受钻井液干扰小。石油钻柱结构中存在许多声阻抗不匹配的结构，声阻抗的不均匀严重影响声波传输的性能，导致钻柱声波信道的传输特性是带状滤波结构，且传输特性与钻柱结构关系紧密，当钻柱结构发生变化时，声波特性也会随之有相应的变化，而钻井过程是钻柱结构不断加长的过程，因此及时了解钻柱声波信道的特性对声波可靠的传输具有非常重要的意义。利用声波沿钻杆传输信息的研究工作始于1948年，但很快因声波信号衰减严重而停止。1972年Barnes和Kirkwoodt13]分析了钻杆的宏观周期性结构，提出了通阻带交替梳状滤波器结构的信道特征。1989年Drumheller等在声波遥测理论方面取得成就，分析了纵波沿理想钻杆传输的频率特性、通带内的细微频谱结构、钻杆外形尺寸以及钻柱管道内外介质等效耗损对声波传输的影响[9_11]。为了验证其理论分析成果，他们在实验室中搭建了一种标准钻杆的缩小模型，在等效20根钻杆联结的周期性钻杆结构钻具上进行实验测试，证实了其理论分析的正确性。在该理论的基础上，随后又进行了大量的实验和补充研究，2005年L.Gao[12’15]等建立了声波钻杆传输系统的传输容量理论，并利用实际测量的钻柱声波传输特性，从理论上计算了不同衰减、不同调制、不同编码方式下声波信号的传输速率。文献中实测钻杆声波特性曲线具有通阻带相间的特性，通带内的结构为多尖峰起伏。2007年J.M.Neff[16]公布了其随钻声波遥测系统及现场测试结果，传输速率达到20bps以上，试验井深在2500m以内。国内对随钻声波传输系统的研究目前仍以理论分析的计算机数值仿真为主。中国石油大学[19]等利用有限元法数值模拟了均匀周期性和非均匀周期性结构钻柱的连接的频散特性，并在已知钻杆结构和激励信号条件下，利用ANSYS软件仿真了安装在钻杆不同位置的接收装置的输出波形。综合国内外随钻声波传输系统的发展，理论仿真分析与模拟试验证实了声波传输的潜力，但是对理想钻杆信道研究多，对含动力钻具等复杂信道的研究很少。实际中，钻柱信道的声波传输特性与钻具组合紧密相关，而钻井过程中钻具组合又是根据地层和井况不断变化的，要想利用声波在这不断变化的信道可靠地随钻传输数据，需要调试声波传输仪器与传输信道特征相匹配。由于声波信道的时变性以及对复杂信道特征了解的不充分，导致声波传输系统至今不能有效工作，表现就是信息传输不稳定或声波能量衰减严重，而时变信道的特性是主要作用机制，因此一直没有成型的声波随钻传输系统投入商业应用。
技术实现思路
:本专利技术提供一种声波钻柱信道FIR仿真实现，以克服钻柱声波信道无法在实验室进行充分研究的问题，并为声波随钻传输仪器的研究提供不可缺少的实验平台。本专利技术提出一种声波钻柱信道FIR分析方法，包括下述步骤: 步骤一、建立任意单个钻具的声波无缝传输模型:根据已知的钻具结构参数，根据声波通过透声膜传输的理论公式(1)-(5)求得钻具双口网络的S参数四个系统函数特性；所述公式如下:本文档来自技高网...

【技术保护点】
声波钻柱信道FIR理论模型的建立方法，其特征在于：包括下述步骤：???步骤一、建立任意单个钻具的声波无缝传输模型：根据已知的钻具结构参数，根据声波通过透声膜传输的理论公式(1)?(5)求得钻具双口网络的S参数四个系统函数特性；所述公式如下：???????????（1）其中，k=w/c，称之为波数；w为振动波频率，c为声波传输速度，为第n根钻杆的长度，为两个钻杆连接接箍的总长度，根据声波S参数模型，将方程（1）中n取第一项，并改写为双口网络S参数模型形式：??????????????（2）接箍的中心等效为透声膜，定义声波通过透声膜的反射和透射系数R和T如式(3)和(4)，??????????????????????????????????(3)????????????????????????????????????(4)声波由左侧处振动位移传播到透声膜上，振动位移相位变化，声波由右侧处传播到透声膜上，振动位移相位变化，其中，，为接箍截面积，为钻杆直段截面积，已知钻具结构尺寸，就可计算出钻杆信道S参数模型中，对应的S参数的四个传输函数，分别为：????????????????????????(5a)???????????????????(5b)???????????????????(5c)????????????????????????(5d)????根据S参数特性，应用数字滤波器设计方法，模拟钻杆信道某一单个钻具或某段短节的声波传输特性，根据其线性相位特性，用FIR滤波器实现声波钻杆信道的软件模拟，同时其设计参数又可以很方便地使用FPGA进行硬件实现，成为一个独立的信道模拟模块，单钻具无缝传输模型FIR设计步骤如下：????步骤（1）：选定所关心的频带范围，计算四个S参数在此频带内的频率特性；????步骤（2）：逐一设计四个S参数，从S12开始，通过逼近S12的幅频特性，设计FIR，寻找合适的长度范围；????步骤（3）：通过逼近S12的相频特性，以均方误差最小为准则确定最佳FIR长度；?????步骤（4）：重复上述步骤完成四个S参数的FIR滤波器的设计；步骤二、根据式(2)，将由四个S参数设计的四个FIR数字滤波器联合起来，模拟单钻具声波无缝传输模型，根据S参数的定义可知，声波输入信号u0，经过透声膜后继续前行的部分信号就是端口1传输到端口2的系统函数，由S21表示，同时前节钻具反射的声波信号v1经过透声膜反射的部分信号，描述端口2反射到端口2的系统函数，由S22表示，这两部分信号经过叠加之后，成为端口2的输出信号，也就是继续前行的声波信号u1，声波输入信号u0，经过透声膜后反射的部分信号，这描述信号由端口1反馈回端口1，由系统函数S11表示，前节钻具反射的声波信号v1经过透声膜后继续前行的部分信号，描述信号由端口2传输到端口1的过程，由系统函数S12表示，这两部分信号再在另一个累加器中相加，输出构成声波反射信号v0，步骤三、单钻具无缝传输模型的级联：????实际的声波钻柱信道是由单个钻具联接构成的，将钻杆与钻杆之间的连接接箍左右两个半钻杆看做一个模型，就是假设的钻杆声波无缝传输模型，实际的钻柱可看做是多个模型的级联，在钻杆模型的连接处，由于没有截面积的变化，声波不发生反射，因此，称这种等效钻杆结构为声波无反射钻杆，也正是本专利技术S参数所描述的模型，由于子系统级联构成总系统函数是子系统函数的T参数连乘，因此将单个钻杆声波无缝传输模型的S参数转化为T参数，整个级联系统的系统函数求解则非常方便，????由S参数和T参数分别描述的模型方程如式(2)和式(6)，转换公式如式(7)，???????????????????????????(6)，，，????????????????(7)其中，????如果N个不同的钻具无缝联接，每个钻具的传输函数用表示，，则N个级联钻具的传输函数为N个子传输函数的矩阵连乘，即：?????????????????????????????????????(8)????假设声波在级联周期结构中传输时，在末端钻杆的声波无反射，即v1=0，（实际中通过加一节隔声短节实现），将式(6)两端同时除以u0，有：，????即????????????????(9)?称t为传输系数，该参数描述了声波沿钻柱传输的频率特性。459225dest_path_image001.jpg,dest_path_image002.jpg,314048dest_path_image003.jpg,dest_path_image004.jpg,2807...

【技术特征摘要】
1.声波钻柱信道FIR理论模型的建立方法，其特征在于:包括下述步骤: 步骤一、建立任意单个钻具的声波无缝传输模型:根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚海燕，周静，谢海明，燕并男，陈延军，江南，刘选朝，薛晓书，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：