聲信號在井下管結構傳輸特性的研究

周 靜，高建邦，邱 彬，李 娜

聲信號在井下管結構傳輸特性的研究

周 靜，高建邦，邱 彬，李 娜

（西安石油大學井下測控研究所，西安710065）①

井下管結構聲波的傳輸方式是用沿鉆桿傳播的彈性波作為載波，使得井下的數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)降孛妗＿@種傳輸方式簡單易行，且投資少；但因鉆柱結構的變化影響聲傳播特性，信號因反射和折射而衰減，限制信號的傳輸。目前，普遍采用理想周期性管結構來研究鉆柱的聲波傳播特性，理想周期性鉆柱的聲波傳播呈現(xiàn)出頻帶具梳狀濾波器結構特性，且頻帶分布具有一定的周期性和對稱性。鉆柱不可能是由同一鉆具連接的周期模型，而是根據(jù)地層的需要進行不同鉆具組合，所以需要研究非周期性鉆柱聲波信道。利用雙端口網(wǎng)絡法建立周期和非周期的鉆柱信道模型，并分別研究不同的鉆柱特性，得到非周期性鉆柱由于結構變化加劇，通帶衰減也大幅增加。

聲波；鉆井；數(shù)據(jù)傳輸；無縫模型；通道特性

隨鉆信息傳輸系統(tǒng)是現(xiàn)代鉆井技術重要組成之一。隨鉆信息傳輸方式主要有泥漿脈沖［1］、電磁波［2］、智能鉆桿和聲波遙傳。目前，最常用的是鉆井液脈沖方式，該方式通過泥漿脈沖將信號傳輸?shù)降孛妫@種方式只能實現(xiàn)幾個比特／秒的低速率傳輸，無法滿足傳輸數(shù)據(jù)越來越大的技術要求［3-4］。電磁波傳輸系統(tǒng)的應用對地層有要求，只有當?shù)貙与娮杪蚀笥?0 Ωm時才能有效地進行信息傳輸，當?shù)貙咏Y構較復雜時，就不能有效地工作，而且當井深超過1 000m時，信號衰減嚴重［5-6］。智能鉆桿通信技術是利用特別的鉆桿建立智能鉆桿網(wǎng)絡系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸率極高，但是需要特殊的鉆桿，鉆井成本大幅提高。利用聲波沿鉆桿傳輸信息的優(yōu)點是成本低、數(shù)據(jù)傳輸速率較高，而且聲波信號傳輸?shù)妮d體為鉆桿，受泥漿影響因素較小［7］；隨著聲波沿鉆柱傳輸理論研究的進展［8-10］，鉆柱傳輸系統(tǒng)的傳輸容量理論的建立，隨鉆聲波傳輸?shù)臐摿蛢?yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，成為國內(nèi)外隨鉆數(shù)據(jù)傳輸領域的重要研究方向之一。

1　聲信號鉆柱周期性通道模型建立

周期性鉆柱由完全相同的鉆具組合而成，鉆柱模型如圖1。

圖1　鉆桿和接箍組成的周期結構

波動方程的數(shù)值解作為聲信號的信道模型，縱波波動方程為

式中：U為拉伸波的縱向位移，z為軸向位置，t為時間；m2＝E／ρ，ρ為質量密度，E彈性模量。

聲波縱波沿鉆桿軸向z軸振動的位移方程為

式中：u，u為前進位移幅值和反射位移幅值；ω為振動波頻率；k為波數(shù)，k＝ω／c；j為虛數(shù)單位。

鉆桿和接箍組成對稱結構，設鉆桿和接箍的材料相同，都為均勻介質。鉆具由鉆桿和接箍連接，每部分由1個2×2的矩陣鉆具表示，這樣聲波在鉆具中傳輸?shù)男诺篮喕癁殡p端口設備。把S11和S22作為聲波鉆具中傳播反射值，S12和S21作為聲波鉆具中傳播透射值，如圖2所示。

圖2　鉆桿和接箍組成周期鉆具結構

假設投射和反射都發(fā)生在接箍中端，在鉆桿和接箍的邊界處滿足位移和應力連續(xù)的邊界條件。聲波在鉆柱中傳輸?shù)脑乇磉_式為

將雙端S參數(shù)轉化為T參數(shù)得

將N個鉆桿接箍級聯(lián)即為信道頻域特性模型，其表達式為

聲信號沿著鉆柱傳播，整個過程伴隨著復雜的反射、投射和散射，其傳播特性依賴鉆柱的材料、規(guī)格、結構及環(huán)境等因素。

2　周期性鉆具特性

目前，普遍采用理想周期性管結構來研究鉆柱的聲波傳播特性，理想周期性鉆柱的聲波傳播呈現(xiàn)出頻帶具梳狀濾波器結構特性，且頻帶分布具有一定的周期性和對稱性，鉆柱結構對聲信號傳輸信道特性已有一定的研究［11-13］。

根據(jù)聲信號鉆柱的傳輸模型，級聯(lián)?127mm（5英寸）鉆具來研究其信道特性。聲波在鋼介質的傳播速度為5 130m／s，衰減系數(shù)為20 dB／km。其管柱結構參數(shù)如表1所示。

表1　信道模型?127mm（5英寸）鉆桿參數(shù)

仿真信道模型，連接8根和20根如表1規(guī)格的鉆具，鉆柱總長度分別為40m和200m，得出理想狀態(tài)下信道特性，信道模型頻譜圖如圖3。對于同一規(guī)格的鉆具，連接處的截面積相同，那么通阻帶對應的頻帶與連接鉆具數(shù)目無關，只是連接鉆具越多，信道越長，衰減越嚴重。

圖3　不同長度聲信號鉆柱通道模型特性

仿真的信道能反映出實際信道的特性，由于實際信道存在機械誤差，所以給仿真信道的規(guī)格加上一定的誤差則會使仿真信道特性更符合實際。測量10根鉆具，鉆具誤差為2%和4%的信道特性如圖4所示，由于是相同規(guī)格鉆具連接，其通阻帶對應頻率基本相同，但通帶的衰減也隨機械誤差的增加而增加。

圖4　不同機械誤差信道的頻譜特性

3　非周期性鉆具模型

在實際操作中，并不可能實現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)格的鉆柱級聯(lián)成對稱周期結構，而是不同鉆具組合級聯(lián)的不對稱非周期結構，這就需要在周期鉆具模型的基礎上研究非周期鉆具模型。非周期鉆具模型如圖5所示。

非周期性鉆具同樣滿足拉伸波波動方程，只是數(shù)值解邊界條件不同，在鉆桿和接箍的邊界處滿足位移和應力連續(xù)的邊界條件，雙端口設備。S11，S22作為聲波鉆具中傳播反射值，S12，S21作為聲波鉆具中傳播透射值，表達式為

圖5　鉆桿和接箍組成非對稱鉆具結構

將N個鉆桿接箍級聯(lián)即信道頻域特性模型，表達式為

4　非周期性鉆具組合特性

用5根?101．6mm（4英寸）鉆具（如表2）和5根?127mm（5英寸）級聯(lián)，所得的信道頻譜特性如圖5。對比圖5和圖3，同樣是10根鉆具組合，非周期不對稱比周期對稱通帶嚴重衰減。

表2　信道模型?101．6mm（4英寸）鉆桿參數(shù)

圖6　非周期性信號鉆柱通道模型特性

一套典型的鉆具主要由多種鉆具組合而成，除了鉆頭、鉆鋌和鉆桿，還有若干過渡接頭、加厚鉆桿和保護接頭。各段鉆具之間采用螺紋進行連接。假設一套典型下井鉆具由?101．6、?127．0、?152．4mm鉆桿及?152．4mm鉆鋌組成，其規(guī)格如表3。其聲信道特征如圖7。由圖7可見，由于不同鉆具的組合，其信道特性在1．5～3．5kHz，衰減十分嚴重，已經(jīng)沒有通帶，而在低頻0～1．5kHz，其信道的頻譜特性呈通阻交替的梳妝；由于實際的鉆具組合更復雜，而且機械誤差還會影響其特性，會造成更大的衰減。由于頻率低于400 H z有高密度聲波噪聲，會阻礙聲信號穩(wěn)定傳輸［14］，信息無法有效恢復，所以，要保證聲信號完整穩(wěn)定的通過信道其頻率必須選擇在0．4～1．5 kHz的低頻調制信號。

表3　信道模型鉆桿參數(shù)

圖7　不同鉆具組合信號鉆柱通道模型特性

4　結論

1） 理想周期性鉆柱作為聲傳輸通道表現(xiàn)為窄頻帶、多波段的通信通道，鉆具的參數(shù)對信道傳輸性能有顯著影響，傳輸距離越遠，接收信號衰減越嚴重，傳輸性能也受到一定影響。

2） 鉆具的機械加工不可避免會存在誤差，機械加工誤差越大衰減越嚴重，對聲波的傳輸性能影響也越大。

3） 對于非周期性鉆具組合，其信道頻譜特性比周期性信道頻譜特性通帶衰減嚴重，特別是在1．5～3．5 k H z區(qū)間衰減最嚴重。

4） 實際鉆柱組合是由不同規(guī)格不同鉆具組合而成，再加上壞境噪聲影響、巖石的硬度不同、機械誤差等因素，對大于1．5 k H z的信號幾乎無法保證有效的通過，所以在選擇載波信號時，必須選擇低于1．5 kHz的載波信號，而且充分利用信道特性，實現(xiàn)高速有效的信號通信。

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Acoustical Propagation Characteristics of Underground Pipe

ZHOU Jing，GAO Jianbang，QIU Bin，LI Na
（Institute ofmeasurement and Control，Xi’an Shiyou Uniuersity，Xi’an710065，China）

The basic principle of acoustic transmission is elastic wave propagation along the drill pipe as its carrier，making dow nhole data can be successfully transmitted to the ground．This way is sim ple，and the investmentis small，but the structure of the drill string affects acoustical propagation characteristics and the signal attenuation due to reflection and refraction，w hich limit the transmission of the signal．Therefore，it is im portant of the study of the acoustic channel in the drill string．At present，it is comm on to study the ideal periodic wave propagation pipe structure characteristic of the drill string，the ideal periodic wave propagation drill string showing a band structure characteristic of the comb filter，and frequency distribution with a certain periodicity and symmetry．H owever，the actual cyclemodel drill string cannot be connected by the same drill，actually，the actual cyclemodel drill string is connected by different combinations of B H A according to the needs of strata，so it is necessary to study nonperiodic pattern of the drill string acoustic channel．Establish periodic and nonperiodic drill string channelmodel by a dualport netw orkmethod，and study their acoustical propagation characteristics，the result show that nonperiodic pattern of the drill string passband attenuation increased significantly due to increased structural changes，w hich provides for the acoustic transmission studies strong technical support and test platform．

acoustic；drill；data transmission；gaplessmodel；channel properties

TE927

A

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．002

10013482（2015）03001005

①2014-09-23

國家科技重大專項“大型油田及煤層氣開發(fā)”子項目“旋轉導向及隨鉆測錄、酸性氣層測試技術與裝備”（2011Z-X05021-005）；中石化集團公司重大專項“鉆井新技術新方法研究”子項目“智能鉆桿及聲波信息傳輸技術前期研究”（2011-A-4206）

周 靜（1964-），女，廣東龍川人，教授，碩士，主要從事旋轉導向智能鉆井系統(tǒng)研究。