隔声结构的设计方法及钻铤
阅读说明：本技术 隔声结构的设计方法及钻铤 (Design method of sound insulation structure and drill collar ) 是由 孙志峰 刘西恩 仇傲 黄涛 陈鸣 王晓飞 李�杰 彭凯旋 罗博 赵龙 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种隔声结构的设计方法及钻铤,该方法包括：获取无刻槽结构钻铤接收到的源距为TR的声源发出的钻铤波信号；根据所述钻铤波信号以及源距确定欲在所述无刻槽结构钻铤的内壁和外壁之间设置的空腔的个数n；所述空腔沿轴向排列,为中空结构；根据空腔个数n确定n个空腔中每个空腔的轴向长度；其中,每两个相邻空腔之间的间距为所述两个相邻空腔中较大的轴向长度的2倍。(The invention discloses a design method of a sound insulation structure and a drill collar, wherein the method comprises the following steps: acquiring a drill collar wave signal sent by a sound source with a source distance TR received by a drill collar without a grooved structure; determining the number n of cavities to be arranged between the inner wall and the outer wall of the drill collar without the grooved structure according to the drill collar wave signals and the source distance; the cavities are arranged along the axial direction and are of hollow structures; determining the axial length of each cavity in the n cavities according to the number n of the cavities; wherein the distance between every two adjacent cavities is 2 times of the larger axial length of the two adjacent cavities.)
技术领域
本公开涉及石油测井技术领域，尤其涉及隔声结构的设计方法及钻铤。
背景技术
钻铤处于钻柱的最下部，是下部钻具组合的主要组成部分。其主要特点是壁厚大(一般为38-53mm，相当于钻杆壁厚的4-6倍)，具有较大的重力和刚度。钻铤的主要作用是给钻头施加钻压，保证压缩条件下的必要强度，减轻钻头的震动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳，控制井斜。
随钻声波测井仪器工作时声源激发出一种沿着钻铤传播的导波。若不作隔声处理，钻铤波将会在测量信号中占主导地位，从而严重干扰地层波速的测量。迄今为止，所有的随钻声波隔声技术主要有两种，一种是在发射和接收换能器之间周期性刻槽的方法来阻隔沿着钻铤传播的波，例如，可以在钻铤内表面、外表面或内外表面同时刻槽；另一种设计方案是利用长度大于声波波长的不同横截面积、不同固有阻带的钻铤加以组合来拓宽有效隔声阻带，例如，采用长度大于波长的变径钻铤组合实现隔声。
随钻声波测井仪器的水眼作为泥浆流通的通道，在整个钻井过程中，始终有泥浆流通。泥浆遇到不规则突变截面(例如钻铤内壁的凹槽、钻铤内壁变径处)会产生涡流，长期冲蚀会导致随钻声波测井仪器钻铤隔声部位产生腐蚀或裂纹。长期冲蚀导致钻铤强度减弱，严重时会引起钻井安全事故。另外随钻声波仪器的造价昂贵，由于这种冲蚀损伤时无法修复的，从而造成极大的经济损失。
发明内容
本公开实施例提供了一种隔声结构的设计方法，应用于无刻槽结构钻铤，包括：
获取无刻槽结构钻铤接收到的源距为TR的声源发出的钻铤波信号；
根据所述钻铤波信号以及源距确定欲在所述无刻槽结构钻铤的内壁和外壁之间设置的空腔的个数n；其中，n为自然数；所述空腔沿轴向排列，为中空结构；
根据空腔个数n确定n个空腔中每个空腔的轴向长度；
其中，每两个相邻空腔之间的间距为所述两个相邻空腔中较大的轴向长度的2倍。
一种示例性的实施例中，上述方法还具有下面特点：
根据所述钻铤波信号以及源距确定欲在所述无刻槽结构钻铤的内壁和外壁之间设置的空腔的个数n，包括：
根据所述钻铤波信号计算所述钻铤波信号的频谱曲线；
根据所述频谱曲线确定最小隔声频率fmin和最大隔声频率fmax；
根据所述fmin和fmax确定所述空腔的轴向最大长度L_max和轴向最小长度L_min；
根据所述源距TR、所述空腔的轴向最大长度和轴向最小长度确定所述空腔的个数n。
一种示例性的实施例中，上述方法还具有下面特点：
所述根据所述钻铤波信号计算所述钻铤波信号的频谱曲线，包括：
对所述钻铤波信号进行频谱分析，并进行FFT傅里叶变换得到所述频谱曲线。
一种示例性的实施例中，上述方法还具有下面特点：
所述根据所述频谱曲线确定最小隔声频率fmin和最大隔声频率fmax，包括：
将所述频率曲线上两个幅度最大值所对应的频率确定为fmin和fmax。
一种示例性的实施例中，上述方法还具有下面特点：
根据所述fmin和fmax确定所述空腔的轴向最大长度L_max和轴向最小长度L_min，包括：
按照如下公式计算L_max和L_min：
L_max＝v/4fmin；L_min＝v/4fmax；
其中，所述v表示所述钻铤波信号的传播速度。
一种示例性的实施例中，上述方法还具有下面特点：
根据所述源距TR、所述空腔的轴向最大长度和轴向最小长度确定空腔的个数n，包括：
按照如下公式计算空腔的个数n：
一种示例性的实施例中，上述方法还具有下面特点：
根据所述fmin和fmax和空腔个数n确定n个空腔中每个空腔的轴向长度，包括：
按照如下公式确定每个空腔的轴向长度Li：
fstep＝(fmax-fmin)/n；
其中，i为整数，0<i≤n。
一种示例性的实施例中，上述方法还具有下面特点：
获取无刻槽结构钻铤接收到的源距为TR的声源发出的钻铤波信号，包括：
通过建立所述无刻槽结构钻铤在流体域中的三维有限差分模型或有限元模型，将数值模拟所述三维有限差分模型或有限元模型接收的钻铤波信号作为无刻槽结构钻铤接收到的源距为TR的声源发出的钻铤波信号。
一种示例性的实施例中，上述方法还具有下面特点：
所述空腔的形状为环形。
本公开还提供了一种钻铤，包括无刻槽结构钻铤和隔声结构；
所述隔声结构包括多个空腔，其中，所述空腔为位于所述无刻槽结构钻铤的内壁和外壁之间的中空结构；
所述多个空腔沿轴向排布在所述无刻槽结构钻铤的内壁和外壁之间，每两个相邻空腔之间的间距为所述两个相邻空腔中较大的轴向长度的2倍；
其中，所述空腔的个数n和每个空腔的轴向长度根据隔声结构的设计方法确定。
附图说明
图1为本公开实施例的隔声结构的设计方法的流程图。
图2为本公开实施例的源距为TR的钻铤波的频谱曲线示例。
图3为本公开实施例的测井装置示例。
图4a为本公开实施例的隔声结构的时域波形示例。
图4b为本公开实施例的隔声结构的频谱曲线示例。
图4c为本公开实施例的隔声结构的声衰减曲线示例。
图5为为本公开实施例的钻铤示例。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本公开的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
图1为本公开实施例的隔声结构的设计方法的流程图，所述隔声结构属于钻铤，所述钻铤还包括无刻槽结构钻铤，所述隔声结构包括设置在所述无刻槽结构钻铤的内壁和外壁之间的空腔。
如图1所示，本实施例的隔声结构的设计方法包括：
S11、获取无刻槽结构钻铤接收到的源距为TR的声源发出的钻铤波信号。
S12、根据所述钻铤波信号以及源距确定欲在所述无刻槽结构钻铤的内壁和外壁之间设置的空腔的个数n，所述空腔沿轴向排列，为中空结构。
S13、根据空腔个数n确定n个空腔中每个空腔的轴向长度，每两个相邻空腔之间的间距为所述两个相邻空腔中较大的轴向长度的2倍。
其中，无刻槽结构钻铤是指钻铤的内壁和外壁没有刻槽也没有变径的钻铤。
一种示例性的实施例中，n个空腔可以按照轴向长度依次递增或递减的顺序沿轴向排列；其他示例性的实施例中，n个空腔可以沿轴向乱序排列。
一种示例性的实施例中，根据所述钻铤波信号以及源距确定欲在所述无刻槽结构钻铤的内壁和外壁之间设置的空腔的个数n，包括：
根据所述钻铤波信号计算所述钻铤波信号的频谱曲线；
根据所述频谱曲线确定最小隔声频率fmin和最大隔声频率fmax；
根据所述fmin和fmax确定所述空腔的轴向最大长度L_max和轴向最小长度L_min；
根据所述源距TR、所述空腔的轴向最大长度和轴向最小长度确定所述空腔的个数n。其中，n为自然数。
一种示例性实施例中，可以通过其它方式确定最小、最大隔声频率；或可以通过其它方式确定空腔的轴向最大、最小长度；比如通过经验值、仿真、测量等方式确定。
一种示例性的实施例中，所述根据所述钻铤波信号计算所述钻铤波信号的频谱曲线，包括：
对所述钻铤波信号进行频谱分析，并进行FFT傅里叶变换得到所述频谱曲线。
所述根据所述频谱曲线确定最小隔声频率fmin和最大隔声频率fmax，包括：
将所述频率曲线上两个幅度最大值所对应的频率确定为fmin和fmax。
这里的隔声频率是阻止在钻铤上传播的声波信号的频率。
一种示例性的实施例中，根据所述fmin和fmax确定所述空腔的轴向最大长度L_max和轴向最小长度L_min，包括：
按照如下公式计算L_max和L_min：
L_max＝v/4fmin；L_min＝v/4fmax；
其中，所述v表示所述钻铤波信号的传播速度，一般为5900米/秒。
一种示例性实施例中，可以采用上述公式的变形计算式，或其它公式计算轴向最大、最小长度。
一种示例性的实施例中，根据所述源距TR、所述空腔的轴向最大长度和轴向最小长度确定空腔的个数n，包括：
按照如下公式计算空腔的个数n：
其中，
一种示例性实施例中，可以采用上述公式的变形计算式，或其它公式计算空腔个数。
一种示例性的实施例中，根据所述fmin和fmax和空腔个数n确定n个空腔中每个空腔的轴向长度，包括：
按照如下公式确定每个空腔的轴向长度Li：
fstep＝(fmax-fmin)/n；
其中，i为整数，0<i≤n。
一种示例性的实施例中，获取无刻槽结构钻铤接收到的源距为TR的声源发出的钻铤波信号，包括：
通过建立所述无刻槽结构钻铤在流体域中的三维有限差分模型或有限元模型，将数值模拟所述三维有限差分模型或有限元模型接收的钻铤波信号作为无刻槽结构钻铤接收到的源距为TR的声源发出的钻铤波信号。
一种示例性的实施例中，所述空腔的形状为环形；环形在生产时易于加工。其它实施例中，空腔可以为其他形状，比如椭圆形、六边形等。
下面结合具体的设计示例对本公开的实施例进行详细说明。
假设随钻声波仪器声源源距TR为2000m，钻铤外径D为6.75in(in表示英寸，1英寸＝25.4mm)，水眼内径d为3.3in。首先采用采用三维有限差分算法，理论模拟无刻槽钻铤的理论波形曲线(如图2所示)，从而得到两个能覆盖隔声阻带的频谱极大值对应的隔声频率，fmin＝6.6kHz，fmax＝16.3kHz。由隔声公式L＝v/4f，得到最大和最小环形空腔的轴向长度L_max＝223mm，L_min＝90mm。从而确定环形空腔的个数n＝4000/313＝12。
由公式fstep＝(fmax-fmin)/n，确定隔声频率步长fstep＝0.808kHz。把隔声区间按照频谱步长等间隔划分得到f_0，f_1，…，f_n。其数值为：
f_0＝6.6kHz，f_1＝7.408kHz，f_2＝8.216kHz，f_3＝9.024kHz，f_4＝9.832kHz，f_5＝10.64kHz，f_6＝11.448kHz，f_7＝12.256kHz，f_8＝13.064kHz，f_9＝13.872kHz，f_10＝14.68kHz，f_11＝15.488kHz，f_12＝16.296kHz
由隔声公式L＝v/4f计算n个环形空腔的轴向长度：
L0＝223mm，L1＝199mm，L2＝180mm，L3＝163mm，L4＝150mm，L5＝139mm，L6＝129mm，L7＝120，L8＝113mm，L9＝106mm，L10＝100mm，L11＝95mm，L12＝90mm。
根据以上方法设计了一种外径为6.75in的随钻声波隔声测井装置(如图3所示)，该装置包括一个单极子发射换能器T，钻铤内部有n个环形空腔，接收装置采用了M个接收换能器(R1，R2，…，Rm)。
石油钻井中，一般采用几种不同外径尺寸的随钻声波测井仪器(如4.75in、6.75in、8in、9in)，该方法适用于各种不同尺寸钻铤的随钻隔声体设计。
钻铤内部空腔结构的加工方式可有两种，一种先在钻铤外表面开槽，然后外表面进行焊接技术；另外一种采用3D打印技术直接加工钻铤。
图4a为数值模拟的无刻槽与根据本公开实施例的隔声结构的时域波形示例。图4a中黑色实线为无刻槽钻铤的波形，黑色虚线为本公开设计的钻铤的波形，对比可见本方案设计的钻铤，其钻铤波信号幅度衰减非常明显。图4b为本公开实施例的隔声结构的频谱曲线示例，黑色实线为无刻槽钻铤的频谱曲线，黑色虚线为本方法设计钻铤的频谱曲线，对比可见无刻槽钻铤的钻铤波固有阻带为11～14kHz，而本公开设计钻铤的隔声阻带拓宽为8～15kHz，因此本隔声体设计方案极大拓展了钻铤的固有阻带，单极子声源的激发频率只需在此隔声阻带内，就可极大避免钻铤波对测量信号的干扰。图4c为本公开实施例的隔声结构的声衰减曲线示例，相对于无刻槽钻铤的相对声衰减曲线，由图可见，在钻铤波的隔声阻带内，最大隔声量可达-28dB/m。
图5为本公开实施例的钻铤示例，如图5所示，该钻铤包括无刻槽结构钻铤和隔声结构；
所述隔声结构包括多个空腔，其中，所述空腔为位于所述无刻槽结构钻铤的内壁和外壁之间的中空结构；
所述多个空腔沿轴向排布在所述无刻槽结构钻铤的内壁和外壁之间，每两个相邻空腔之间的间距为所述两个相邻空腔中较大的轴向长度的2倍；
其中，所述空腔的个数n和每个空腔的轴向长度根据本公开实施例中所述的隔声结构的设计方法确定。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本公开不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
以上仅为本公开的优选实施例，当然，本公开还可有其他多种实施例，在不背离本公开精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本公开作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本公开所附的权利要求的保护范围。
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