多方位波束形成井下噪聲檢測方法研究

吳子洋, 張光斌, 張小鳳

(陜西師范大學物理學與信息技術(shù)學院, 陜西 西安 710119)

0 引 言

準確判斷井下漏點和竄槽位置不僅可以為修井方案提供準確的依據(jù),而且還能更加合理高效地開發(fā)井下資源[1-2],井下漏點和竄槽方位檢測的方法[3]主要有機械驗套法測井、同位素示蹤測井、中子壽命測井等[4],這些測井方法相對于噪聲測井均有其局限性。有的檢測裝置的機械設(shè)備對井管磨損較大且成本較高,有的對環(huán)境污染較大或者測井準確率低,都不適用于井下漏點和竄槽的檢測。利用聲波對井下環(huán)境進行探測[5-13]具有對環(huán)境無污染、對井下設(shè)備無損傷且檢測裝置輕便,測井結(jié)果準確等優(yōu)點。

用于井下的噪聲檢測裝置在同一時刻無法檢測不同方位的噪聲,或用于獲得的噪聲的檢索波束較大,無法精確定位噪聲方位,導致對漏點和竄槽位置的判斷不夠準確。如果需要同時測量多個方位的井下漏點或竄槽情況,只能通過人工調(diào)整噪聲檢測裝置的角度獲得不同方位上的噪聲,影響了對井下漏點和竄槽方位判斷的準確性和實效性[14-16]。聲矢量傳感器與常規(guī)的聲壓傳感器相比可以提供聲場的振速信息,可以實現(xiàn)目標方位的檢測。針對現(xiàn)有井下噪聲檢測裝置的不足,本文提出了一種基于聲矢量換能器的井下噪聲多方位波束檢測算法實現(xiàn)對井下漏點和竄槽方位的檢測,即利用聲矢量換能器的多波束合成算法同時合成井下多個方位波束,在同一時間內(nèi)獲得多個方位井下噪聲信息。通過假設(shè)在不同方位存在漏點和竄槽現(xiàn)象時,模擬聲波接收換能器在4個方位上接收的噪聲信號,利用聲矢量換能器的多方位波束檢測算法,分析確定漏點和竄槽存在的方位。該方法在找漏、找竄過程中對井下管道和井下設(shè)備無磨損,測量準確性較好。

1 井下噪聲檢測原理

1.1 多方位噪聲檢測裝置

井下多方位噪聲檢測系統(tǒng)(見圖1)由電纜、地面系統(tǒng)、噪聲檢測裝置構(gòu)成,其中噪聲檢測裝置由上至下依次由電子倉、聲波發(fā)射換能器和聲波接收換能器3部分組成套管置于井液中,套管與井壁之間用水泥密封,巖石層分布著水層和油層。

圖1 多方位主動式噪聲檢測系統(tǒng)示意圖

噪聲檢測裝置工作時,假設(shè)井下某個方位上有漏點或者竄槽現(xiàn)象存在,會產(chǎn)生噪聲信號n(t),噪聲檢測裝置中的聲波發(fā)射換能器首先發(fā)射聲波信號s(t),聲波信號s(t)會和來自井下的噪聲n(t)加載在一起,加載后的噪聲信號[s(t)+n(t)]會被噪聲檢測裝置中的聲波接收換能器接收,并被送入噪聲檢測裝置的電子倉中進行處理信號經(jīng)過放大、濾波和再放大,濾除由聲波發(fā)射換能器發(fā)射的載波信號s(t),只留下來自各個方位上產(chǎn)生的噪聲信號n(t),該信號經(jīng)過電子倉里的電路處理后沿電纜傳送至地面系統(tǒng),在地面系統(tǒng)中進行分析。

1.2 多方位波束形成噪聲檢測算法

井下噪聲檢測裝置中聲波接收換能器[17-18]的結(jié)構(gòu)見圖2(a)。換能器由壓電陶瓷圓筒基底、絕緣層和正負電極組成。聲波接收換能器的4個負電極連接在一起作為聲波換能器的負極,而內(nèi)部的4個正電極分別引出4路信號,p1、p2、p3和p4[19-21][見圖2(b)]。

(a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)電極連接示意圖圖2 聲波接收換能器示意圖

當波達方向為θ的平面波入射到聲波接收換能器上時(θ為聲波接收換能器接收到聲波與換能器的夾角),假設(shè)聲波接收換能器水平方向上的振速為vx、垂直方向的振速為vy,總的聲壓信號為p′。則總聲壓信號為

p′=(p1+p2+p3+p4)

(1)

根據(jù)振速v和聲壓p′的關(guān)系

ρ·c?v?t=-Δp′·u

(2)

式中,u是單位向量,u=[cosθ,sinθ]T;ρ為介質(zhì)密度;c為介質(zhì)中聲速?？傻?/p>

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)

根據(jù)圖2(b)的換能器電極結(jié)構(gòu)示意圖,可以得到水平方向上的振速vx為

式中,Δr為水平或垂直方向上壓電陶瓷片之間的垂直距離。

同理,垂直方向上的振速vy為

換能器的輸出為

Xv(t)=[1,cosθ,sinθ]Tp(t)

(7)

在振速傳感器中引入旋轉(zhuǎn)角度ψ,將聲場中2個振速分量的線性加權(quán)組合,就可以利用算法控制波束在二維空間的旋轉(zhuǎn)。即

圖3 聲波接收換能器在8個方位上的波束圖

(8)

vs(t)=-vx(t) sinψ+vy(t) cosψ

(9)

由式(8)和式(9)可知,vc(t)和vs(t)分別具有偶極子指向性。

定義聲壓和振速的乘積為瞬時聲強,即

I(t)=p(t)·v(t)

(10)

將式(5)帶入式(8),則電子旋轉(zhuǎn)聲矢量角度傳感器輸出向量為

vc(t)=vx(t) cosψ+vysinψ=

p(t) cosθcosψ+p(t) sinθsinψ

(11)

其單邊指向性[p(t)+vc(t)]vc(t)的計算公式為

I(t)=[p(t)+vc(t)]·vc(t)

(12)

假設(shè)旋轉(zhuǎn)角度為ψ時,相應(yīng)的瞬時聲強輸出為Ii。取2個相隔角度為Δ的波束輸出I1和I2做互相關(guān)運算得到

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

(13)

由式(12)可以得到換能器指向性,得到的指向性歸一化處理即可實現(xiàn)聲矢量換能器在特定方位上的指向性。地面系統(tǒng)只要在獲得的3路信號vx、vy和p里設(shè)定不同的旋轉(zhuǎn)角度的ψ值就可以獲得任意方位的超指向性圖[22]。

由式(12),換能器波束產(chǎn)生的輸出表示為I(t)=[p(t)+vc(t)]·vc(t)

將式(10)代入式(11)可得

I(t)=[p(t)+p(t)cos (θ-ψ)]·

[vx(t)cosψ+vy(t)sinψ]

(14)

按不同旋轉(zhuǎn)角度值搜索各波束輸出的峰值作為輸出。利用式(13),對8個不同方位角上的檢索波束進行了仿真,合成了井下噪聲檢測裝置在8個不同方位上的波束指向性圖(見圖3)。

從仿真結(jié)果可以看出,在給定不同的波束引導旋轉(zhuǎn)角度ψ后,可以實現(xiàn)波束在井下的旋轉(zhuǎn),而且波束寬度較窄。如果井下的噪聲位于其中的某一方位,則當波束旋轉(zhuǎn)至該位置時,噪聲會出現(xiàn)極大值,從而可以判斷在該方位出現(xiàn)了泄漏或竄槽現(xiàn)象。

2 井下噪聲檢測算法性能仿真

根據(jù)多方位波束形成噪聲檢測算法的原理,在MATLAB中分別模擬了井下在0°和pi/4這2個不同方位上存在單個漏點或者竄槽以及在0°和pi/4方位上同時存在漏點竄槽現(xiàn)象時,聲波接收換能接收到的4個方向上的噪聲信號,對多方位噪聲檢測算法的性能進行了仿真。

仿真1:假設(shè)井下在0°方位(或東面)上出現(xiàn)漏點或者竄槽現(xiàn)象,而在其他方向上均無漏點和竄槽現(xiàn)象的發(fā)生。聲波接收換能器在4個不同方向上獲得的井下噪聲信號和噪聲檢測算法合成的仿真波形見圖4。其中4(a)、4(b)、4(c)、4(d)分別代表聲波接收換能器中壓電陶瓷片在東南西北4個方向上的測量的噪聲。由于在0°方位(或東面)上出現(xiàn)漏點或者竄槽現(xiàn)象,因而在0°方位上獲得的噪聲信號幅值最大,而在南面、西面和北面獲得的井下噪聲加載信號幅值相對較小。

圖4 聲波接收換能器接收和噪聲檢測算法合成的信號

根據(jù)接收換能器的測量信號,按照多方位波束算法在井下8個不同方位上獲得的噪聲波形如圖4(e)至4(l)所示,其中圖4(e)至4(l)依次代表從0°方位開始每間隔pi/4時利用公式(14)得到的噪聲信號。從圖4的仿真結(jié)果可以看出,應(yīng)用波束形成算法,井下噪聲檢測裝置在8個方位上獲得的噪聲信號的幅值有所不同。在方位上獲得的噪聲信號幅值最大且明顯高于其他方位上的噪聲信號幅值,在pi/2和3pi/2方位上獲得噪聲信號的幅值最小,其他方向上的幅值次之。通過仿真結(jié)果可以判斷井下在方位上可能有漏點或者竄槽現(xiàn)象發(fā)生,其他方向上無漏點或竄槽發(fā)生。

仿真2:假設(shè)井下在pi/4方位上出現(xiàn)漏點或竄槽現(xiàn)象時,在其他方位上均無漏點和竄槽現(xiàn)象發(fā)生。聲波接收換能器獲得4個方向上的噪聲和噪聲算法合成信號仿真波形見圖5。其中5(a)、5(b)、5(c)、5(d)分別代表聲波接收換能器中壓電陶瓷片在東南西北4個方向上獲得的噪聲。依照上述聲矢量傳感器的多方位波束算法,仿真得到8個不同方位上的噪聲信號如圖5(e)～5(l)所示。圖5中(e)～5(l)依次代表從0°方位開始每間隔pi/4時利用式(14)得到的噪聲信號。

圖5 聲波接收換能器接收和噪聲檢測算法合成噪聲信號

圖6 聲波接收換能器接收和噪聲檢測算法合成的信號

從圖5的仿真結(jié)果可以看出井下噪聲檢測裝置同一時刻在井下8個不同方位上獲得噪聲信號的幅值各不相同。噪聲檢測裝置在pi/4方位上獲得信號幅值最大且幅值明顯高于其他方向上獲得的噪聲信號的幅值,在0°和pi/2方位上獲得的噪聲信號幅值次之,且幅值相等。其他方位上獲得噪聲信號幅值比較小,幾乎可忽略,可判斷出在pi/4方位上有竄槽或泄漏現(xiàn)象出現(xiàn)。

仿真3:當假設(shè)井下在0°和pi/4方位上同時出現(xiàn)竄槽或漏點現(xiàn)象時,在其他方位上均無漏點和竄槽現(xiàn)象發(fā)生時聲波接收換能器中壓電陶瓷片獲得4個方向上的噪聲和噪聲算法合成的信號仿真波形見圖6。其中6(a)、6(b)、6(c)、6(d)分別代表聲波接收換能器中壓電陶瓷片在東南西北4個方向上的獲得的噪聲。位于東方向上的壓電陶瓷片獲得的信號幅值最大,北方向上的噪聲信號幅值次之,位于南面方向上和西面方向上的壓電陶瓷片獲得的噪聲信號幅值較小。根據(jù)位于東方向和位于北方向上壓電陶瓷片獲得信號的幅值與圖4和圖5壓電陶瓷片獲得信號的幅值比較,判斷可能存在多個漏點和竄槽現(xiàn)象。

井下噪聲檢測裝置同一時刻在8個方位上從0°開始每間隔pi/4時利用式(14)得到的噪聲仿真信號如圖6(e)～6(l)所示。仿真結(jié)果顯示,噪聲檢測裝置在0°方位上和pi/4方向上獲得信號幅值基本上相同,且明顯高于噪聲檢測裝置在其他方向上獲得噪聲信號的幅值,其他方向上獲得噪聲信號幅值都比較小,幾乎可忽略。仿真結(jié)果表明漏點或者竄槽現(xiàn)象大致存在于0°方位上和pi/4方位上均有發(fā)生。

3 結(jié) 論

(1) 針對噪聲檢測裝置在井下指向性單一的問題,提出了采用聲矢量換能器的井下多方位波束形成算法,給出了接收換能器的結(jié)構(gòu)和利用聲矢量傳感器在空間多方位合成波束算法的原理。通過數(shù)值仿真,對在2個不同方位0°和pi/4上存在單點漏點或竄槽時的噪聲信號進行模擬,模擬了當0°和pi/4方位上同時存在漏點情況進行了模擬仿真。

(2) 利用波束形成算法對噪聲信號進行處理。仿真研究結(jié)果表明,利用多方位波束形成算法,可以利用換能器的一次測量信號,通過波束形成來判斷發(fā)生在不同方位的漏點或竄槽現(xiàn)象。該研究對噪聲檢測技術(shù)在石油探測領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的意義。

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