井下声波无线遥测系统信号检测方法研究
发布时间：2021-04-16 05:39
随着石油工业以及无线传输技术的不断发展,越来越多的人开始研究无线传输技术在油气井领域的应用。其中对于井下信息的获取是研究的重要问题,通过对井下信息的获取和分析,可以用来评价地层的特性,对于油气的勘探和开发有重要的意义。利用传统的有线传输方式获取井下信息,有很多亟待解决的缺陷,无线传输的方式可以很好地弥补这些缺陷,其中,用声波无线传输实现井下信息的获取是国内外多年来的前沿课题。本文研究了声波沿油管管柱传输时的性质,传输的衰减因素以及在传输过程中会受到的噪声影响,以及声波沿管柱传输时的通带和阻带交替出现的频谱特性,并通过实验验证了这一特性。利用COMSOL Multiphysics软件对声波沿油管的传输及声波信号的检测进行了仿真,分析了激励信号、压电收发间距以及接箍,这几个重要因素对传输和检测结果的产生的影响。通过对井下声波信号的理论以及仿真分析,为下文中研究信号检测方法提供了理论支持,是对声波无线遥测研究的必不可少的一步。在对理论分析和仿真计算基础上,就声波无线遥测系统信号的地面检测与处理设计了适合的硬件电路和软件系统,配合调试,在实验室搭建了平台进行试验,利用压电加速度传感器成功实现了...
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
哈里伯顿公司检测声波信号图
西安石油大学硕士学位论文8图2-1磁致伸缩材料磁畴运动对于压电材料来说，可以产生声波信号，多晶体具有压电特性，压电陶瓷是由人工制造的多晶体压电材料，这些材料的内部有一些晶粒，晶粒的自发极化电畴有一定的极化方向，如图2-2所示，当外部没有电场存在的时候，电畴排列杂乱无章，压电陶瓷内部极化强度为0，不具有压电特性。当外部有电场的存在时，在外电场作用下，电畴受到电场力作用，其排列发生变化，会按照电场的方向进行改变，这时材料就会发生极化，当外电场强度足够大，使得内部电畴极化的方向与外电场一致的时候，材料表现出压电特性[10]。+-0+-+-拉伸正常状态+--+压缩图2-2压电材料形变作用对比以上两种可以产生声波的材料，即压电材料和磁致伸缩材料，选用其中一种用于实验中产生声波，对比可以发现，压电材料对于本次实验来说更具有可操作性和优势。磁致伸缩材料是在磁场作用下产生的效应，而实验中磁场需要在电场激励下产生，从而才可以使材料发生形变产生声波，而压电材料是可以直接实现电和声之间的转换，不需要中间层作用，更加简便的同时也减小了可能在中间层产生的影响和误差；超磁致伸缩材料在工作时表现出来的磁致损耗，以及长时间工作之后出现明显的涡流，都会产生热能，带来损耗[11]，从而对测量结果产生影响，在测量时，使用超磁致伸缩材料需要注意对材料进行降温处理，对于压电陶瓷来说，不需要这种处理；相对于超磁致伸缩材料而言，压电材料在运用技术方面比较成熟，对于在实验中可能会出现的一些问题，也有比较完善的应对措施，市场的成本价格也比较低，综合实用性优于超磁致伸缩材料，所以，选用压电材料来进行声波的产生，同理，对于声波信号向电信号的转换，由于压电效应的
西安石油大学硕士学位论文16和实际差距较大，这项工作必定困难重重，但是我们可以通过对接收到的波形通过滤波，对整个过程采取相应的措施来降低噪声干扰，让采集到的数据更加准确。2.4声波沿管柱传输特性验证由上两小节的对声波特性的分析可以知道，声波沿着管柱传输时，受到的影响因素比较多，会受到严重的衰减以及传输中的噪声，这些衰减和噪声都可以通过后期的处理来抑制噪声尽可能地增大原信号，但是，声波沿着油管传输时的频谱特性只能通过分析，让传输的频率在其通带内，从而使传输的效果最好。在实验中，发射频率范围为100Hz-1000Hz，每间隔100Hz对采集到的数据进行测量记录，绘制一组图形，其次再对发射电压大小进行改变，再进行绘制，如图2-6所示，为接收端测量的电压和频率的对应关系图形。图2-6电压频率关系图由上图可知，三条线分别为不同发射电压下接收端的信号电压，当发射频率为200Hz、600Hz和800Hz时，信号电压较大，而当发射频率为400Hz和700Hz时，信号的电压较小，其中有一组数据已经几乎无法测量到，声波在沿着管柱传输时，呈现出通阻带交替的梳状滤波器特性，验证了上文中提到的特性，所以为了使传输效果达到最好的状态，选取600Hz和800Hz来作为实验的发射频率。在实验中，选取一井段的数据进行统计分析，并根据上一节中对声波衰减规律的研究，由式(2-28)代入任意两点坐标计算出衰减系数为0.0019844，同时，把数据点坐标代入式(2-23)，可得初始的0J值为0.22977，这样，就可以把声波的传输衰减表示下式所示：0.00198440.22977xJe(2-30)将统计的数据和上式绘制成图，如图2-7所示：
本文编号：3140850
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
哈里伯顿公司检测声波信号图
西安石油大学硕士学位论文8图2-1磁致伸缩材料磁畴运动对于压电材料来说，可以产生声波信号，多晶体具有压电特性，压电陶瓷是由人工制造的多晶体压电材料，这些材料的内部有一些晶粒，晶粒的自发极化电畴有一定的极化方向，如图2-2所示，当外部没有电场存在的时候，电畴排列杂乱无章，压电陶瓷内部极化强度为0，不具有压电特性。当外部有电场的存在时，在外电场作用下，电畴受到电场力作用，其排列发生变化，会按照电场的方向进行改变，这时材料就会发生极化，当外电场强度足够大，使得内部电畴极化的方向与外电场一致的时候，材料表现出压电特性[10]。+-0+-+-拉伸正常状态+--+压缩图2-2压电材料形变作用对比以上两种可以产生声波的材料，即压电材料和磁致伸缩材料，选用其中一种用于实验中产生声波，对比可以发现，压电材料对于本次实验来说更具有可操作性和优势。磁致伸缩材料是在磁场作用下产生的效应，而实验中磁场需要在电场激励下产生，从而才可以使材料发生形变产生声波，而压电材料是可以直接实现电和声之间的转换，不需要中间层作用，更加简便的同时也减小了可能在中间层产生的影响和误差；超磁致伸缩材料在工作时表现出来的磁致损耗，以及长时间工作之后出现明显的涡流，都会产生热能，带来损耗[11]，从而对测量结果产生影响，在测量时，使用超磁致伸缩材料需要注意对材料进行降温处理，对于压电陶瓷来说，不需要这种处理；相对于超磁致伸缩材料而言，压电材料在运用技术方面比较成熟，对于在实验中可能会出现的一些问题，也有比较完善的应对措施，市场的成本价格也比较低，综合实用性优于超磁致伸缩材料，所以，选用压电材料来进行声波的产生，同理，对于声波信号向电信号的转换，由于压电效应的
西安石油大学硕士学位论文16和实际差距较大，这项工作必定困难重重，但是我们可以通过对接收到的波形通过滤波，对整个过程采取相应的措施来降低噪声干扰，让采集到的数据更加准确。2.4声波沿管柱传输特性验证由上两小节的对声波特性的分析可以知道，声波沿着管柱传输时，受到的影响因素比较多，会受到严重的衰减以及传输中的噪声，这些衰减和噪声都可以通过后期的处理来抑制噪声尽可能地增大原信号，但是，声波沿着油管传输时的频谱特性只能通过分析，让传输的频率在其通带内，从而使传输的效果最好。在实验中，发射频率范围为100Hz-1000Hz，每间隔100Hz对采集到的数据进行测量记录，绘制一组图形，其次再对发射电压大小进行改变，再进行绘制，如图2-6所示，为接收端测量的电压和频率的对应关系图形。图2-6电压频率关系图由上图可知，三条线分别为不同发射电压下接收端的信号电压，当发射频率为200Hz、600Hz和800Hz时，信号电压较大，而当发射频率为400Hz和700Hz时，信号的电压较小，其中有一组数据已经几乎无法测量到，声波在沿着管柱传输时，呈现出通阻带交替的梳状滤波器特性，验证了上文中提到的特性，所以为了使传输效果达到最好的状态，选取600Hz和800Hz来作为实验的发射频率。在实验中，选取一井段的数据进行统计分析，并根据上一节中对声波衰减规律的研究，由式(2-28)代入任意两点坐标计算出衰减系数为0.0019844，同时，把数据点坐标代入式(2-23)，可得初始的0J值为0.22977，这样，就可以把声波的传输衰减表示下式所示：0.00198440.22977xJe(2-30)将统计的数据和上式绘制成图，如图2-7所示：
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