多方位波束形成井下噪声检测方法研究

吴子洋, 张光斌, 张小凤

(陕西师范大学物理学与信息技术学院, 陕西 西安 710119)

0 引 言

准确判断井下漏点和窜槽位置不仅可以为修井方案提供准确的依据,而且还能更加合理高效地开发井下资源[1-2],井下漏点和窜槽方位检测的方法[3]主要有机械验套法测井、同位素示踪测井、中子寿命测井等[4],这些测井方法相对于噪声测井均有其局限性。有的检测装置的机械设备对井管磨损较大且成本较高,有的对环境污染较大或者测井准确率低,都不适用于井下漏点和窜槽的检测。利用声波对井下环境进行探测[5-13]具有对环境无污染、对井下设备无损伤且检测装置轻便,测井结果准确等优点。

用于井下的噪声检测装置在同一时刻无法检测不同方位的噪声,或用于获得的噪声的检索波束较大,无法精确定位噪声方位,导致对漏点和窜槽位置的判断不够准确。如果需要同时测量多个方位的井下漏点或窜槽情况,只能通过人工调整噪声检测装置的角度获得不同方位上的噪声,影响了对井下漏点和窜槽方位判断的准确性和实效性[14-16]。声矢量传感器与常规的声压传感器相比可以提供声场的振速信息,可以实现目标方位的检测。针对现有井下噪声检测装置的不足,本文提出了一种基于声矢量换能器的井下噪声多方位波束检测算法实现对井下漏点和窜槽方位的检测,即利用声矢量换能器的多波束合成算法同时合成井下多个方位波束,在同一时间内获得多个方位井下噪声信息。通过假设在不同方位存在漏点和窜槽现象时,模拟声波接收换能器在4个方位上接收的噪声信号,利用声矢量换能器的多方位波束检测算法,分析确定漏点和窜槽存在的方位。该方法在找漏、找窜过程中对井下管道和井下设备无磨损,测量准确性较好。

1 井下噪声检测原理

1.1 多方位噪声检测装置

井下多方位噪声检测系统(见图1)由电缆、地面系统、噪声检测装置构成,其中噪声检测装置由上至下依次由电子仓、声波发射换能器和声波接收换能器3部分组成套管置于井液中,套管与井壁之间用水泥密封,岩石层分布着水层和油层。

图1 多方位主动式噪声检测系统示意图

噪声检测装置工作时,假设井下某个方位上有漏点或者窜槽现象存在,会产生噪声信号n(t),噪声检测装置中的声波发射换能器首先发射声波信号s(t),声波信号s(t)会和来自井下的噪声n(t)加载在一起,加载后的噪声信号[s(t)+n(t)]会被噪声检测装置中的声波接收换能器接收,并被送入噪声检测装置的电子仓中进行处理信号经过放大、滤波和再放大,滤除由声波发射换能器发射的载波信号s(t),只留下来自各个方位上产生的噪声信号n(t),该信号经过电子仓里的电路处理后沿电缆传送至地面系统,在地面系统中进行分析。

1.2 多方位波束形成噪声检测算法

井下噪声检测装置中声波接收换能器[17-18]的结构见图2(a)。换能器由压电陶瓷圆筒基底、绝缘层和正负电极组成。声波接收换能器的4个负电极连接在一起作为声波换能器的负极,而内部的4个正电极分别引出4路信号,p1、p2、p3和p4[19-21][见图2(b)]。

(a)结构示意图 (b)电极连接示意图图2 声波接收换能器示意图

当波达方向为θ的平面波入射到声波接收换能器上时(θ为声波接收换能器接收到声波与换能器的夹角),假设声波接收换能器水平方向上的振速为vx、垂直方向的振速为vy,总的声压信号为p′。则总声压信号为

p′=(p1+p2+p3+p4)

(1)

根据振速v和声压p′的关系

ρ·c∂v∂t=-Δp′·u

(2)

式中,u是单位向量,u=[cosθ,sinθ]T;ρ为介质密度;c为介质中声速。可得

v(t)=p′(t)ρ·c·u

(3)

令p(t)=-p′(t)ρ·c,得

vx=p(t)·cosθ,vy=p(t)·sinθ

(4)

根据图2(b)的换能器电极结构示意图,可以得到水平方向上的振速vx为

式中,Δr为水平或垂直方向上压电陶瓷片之间的垂直距离。

同理,垂直方向上的振速vy为

换能器的输出为

Xv(t)=[1,cosθ,sinθ]Tp(t)

(7)

在振速传感器中引入旋转角度ψ,将声场中2个振速分量的线性加权组合,就可以利用算法控制波束在二维空间的旋转。即

图3 声波接收换能器在8个方位上的波束图

(8)

vs(t)=-vx(t) sinψ+vy(t) cosψ

(9)

由式(8)和式(9)可知,vc(t)和vs(t)分别具有偶极子指向性。

定义声压和振速的乘积为瞬时声强,即

I(t)=p(t)·v(t)

(10)

将式(5)带入式(8),则电子旋转声矢量角度传感器输出向量为

vc(t)=vx(t) cosψ+vysinψ=

p(t) cosθcosψ+p(t) sinθsinψ

(11)

其单边指向性[p(t)+vc(t)]vc(t)的计算公式为

I(t)=[p(t)+vc(t)]·vc(t)

(12)

假设旋转角度为ψ时,相应的瞬时声强输出为Ii。取2个相隔角度为Δ的波束输出I1和I2做互相关运算得到

yout=cos2θ-ψ12cosθ-ψ12·
cos2θ-ψ22cosθ-ψ22

(13)

由式(12)可以得到换能器指向性,得到的指向性归一化处理即可实现声矢量换能器在特定方位上的指向性。地面系统只要在获得的3路信号vx、vy和p里设定不同的旋转角度的ψ值就可以获得任意方位的超指向性图[22]。

由式(12),换能器波束产生的输出表示为I(t)=[p(t)+vc(t)]·vc(t)

将式(10)代入式(11)可得

I(t)=[p(t)+p(t)cos (θ-ψ)]·

[vx(t)cosψ+vy(t)sinψ]

(14)

按不同旋转角度值搜索各波束输出的峰值作为输出。利用式(13),对8个不同方位角上的检索波束进行了仿真,合成了井下噪声检测装置在8个不同方位上的波束指向性图(见图3)。

从仿真结果可以看出,在给定不同的波束引导旋转角度ψ后,可以实现波束在井下的旋转,而且波束宽度较窄。如果井下的噪声位于其中的某一方位,则当波束旋转至该位置时,噪声会出现极大值,从而可以判断在该方位出现了泄漏或窜槽现象。

2 井下噪声检测算法性能仿真

根据多方位波束形成噪声检测算法的原理,在MATLAB中分别模拟了井下在0°和pi/4这2个不同方位上存在单个漏点或者窜槽以及在0°和pi/4方位上同时存在漏点窜槽现象时,声波接收换能接收到的4个方向上的噪声信号,对多方位噪声检测算法的性能进行了仿真。

仿真1:假设井下在0°方位(或东面)上出现漏点或者窜槽现象,而在其他方向上均无漏点和窜槽现象的发生。声波接收换能器在4个不同方向上获得的井下噪声信号和噪声检测算法合成的仿真波形见图4。其中4(a)、4(b)、4(c)、4(d)分别代表声波接收换能器中压电陶瓷片在东南西北4个方向上的测量的噪声。由于在0°方位(或东面)上出现漏点或者窜槽现象,因而在0°方位上获得的噪声信号幅值最大,而在南面、西面和北面获得的井下噪声加载信号幅值相对较小。

图4 声波接收换能器接收和噪声检测算法合成的信号

根据接收换能器的测量信号,按照多方位波束算法在井下8个不同方位上获得的噪声波形如图4(e)至4(l)所示,其中图4(e)至4(l)依次代表从0°方位开始每间隔pi/4时利用公式(14)得到的噪声信号。从图4的仿真结果可以看出,应用波束形成算法,井下噪声检测装置在8个方位上获得的噪声信号的幅值有所不同。在方位上获得的噪声信号幅值最大且明显高于其他方位上的噪声信号幅值,在pi/2和3pi/2方位上获得噪声信号的幅值最小,其他方向上的幅值次之。通过仿真结果可以判断井下在方位上可能有漏点或者窜槽现象发生,其他方向上无漏点或窜槽发生。

仿真2:假设井下在pi/4方位上出现漏点或窜槽现象时,在其他方位上均无漏点和窜槽现象发生。声波接收换能器获得4个方向上的噪声和噪声算法合成信号仿真波形见图5。其中5(a)、5(b)、5(c)、5(d)分别代表声波接收换能器中压电陶瓷片在东南西北4个方向上获得的噪声。依照上述声矢量传感器的多方位波束算法,仿真得到8个不同方位上的噪声信号如图5(e)～5(l)所示。图5中(e)～5(l)依次代表从0°方位开始每间隔pi/4时利用式(14)得到的噪声信号。

图5 声波接收换能器接收和噪声检测算法合成噪声信号

图6 声波接收换能器接收和噪声检测算法合成的信号

从图5的仿真结果可以看出井下噪声检测装置同一时刻在井下8个不同方位上获得噪声信号的幅值各不相同。噪声检测装置在pi/4方位上获得信号幅值最大且幅值明显高于其他方向上获得的噪声信号的幅值,在0°和pi/2方位上获得的噪声信号幅值次之,且幅值相等。其他方位上获得噪声信号幅值比较小,几乎可忽略,可判断出在pi/4方位上有窜槽或泄漏现象出现。

仿真3:当假设井下在0°和pi/4方位上同时出现窜槽或漏点现象时,在其他方位上均无漏点和窜槽现象发生时声波接收换能器中压电陶瓷片获得4个方向上的噪声和噪声算法合成的信号仿真波形见图6。其中6(a)、6(b)、6(c)、6(d)分别代表声波接收换能器中压电陶瓷片在东南西北4个方向上的获得的噪声。位于东方向上的压电陶瓷片获得的信号幅值最大,北方向上的噪声信号幅值次之,位于南面方向上和西面方向上的压电陶瓷片获得的噪声信号幅值较小。根据位于东方向和位于北方向上压电陶瓷片获得信号的幅值与图4和图5压电陶瓷片获得信号的幅值比较,判断可能存在多个漏点和窜槽现象。

井下噪声检测装置同一时刻在8个方位上从0°开始每间隔pi/4时利用式(14)得到的噪声仿真信号如图6(e)～6(l)所示。仿真结果显示,噪声检测装置在0°方位上和pi/4方向上获得信号幅值基本上相同,且明显高于噪声检测装置在其他方向上获得噪声信号的幅值,其他方向上获得噪声信号幅值都比较小,几乎可忽略。仿真结果表明漏点或者窜槽现象大致存在于0°方位上和pi/4方位上均有发生。

3 结 论

(1) 针对噪声检测装置在井下指向性单一的问题,提出了采用声矢量换能器的井下多方位波束形成算法,给出了接收换能器的结构和利用声矢量传感器在空间多方位合成波束算法的原理。通过数值仿真,对在2个不同方位0°和pi/4上存在单点漏点或窜槽时的噪声信号进行模拟,模拟了当0°和pi/4方位上同时存在漏点情况进行了模拟仿真。

(2) 利用波束形成算法对噪声信号进行处理。仿真研究结果表明,利用多方位波束形成算法,可以利用换能器的一次测量信号,通过波束形成来判断发生在不同方位的漏点或窜槽现象。该研究对噪声检测技术在石油探测领域的应用具有一定的意义。

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