尺寸差異鉆桿組成的鉆柱中聲傳播特性測試

第一作者劉永旺男，博士后，1983年3月生

通信作者管志川男，教授，博士生導師，1959年3月生

尺寸差異鉆桿組成的鉆柱中聲傳播特性測試

劉永旺1,管志川1,趙國山2,杜彬彬1,李致遠1,蔡孟哲1,都振川2，王慶1

(1.中國石油大學(華東),山東青島266580 2. 中石化勝利工程有限公司鉆井工程技術公司,山東東營257064)

摘要：隨鉆實測信息聲波傳輸技術是井下信息無線傳輸技術領域的一個重要研究方向。作為信息傳輸通道的鉆柱是由尺寸存在差異的鉆桿相連接構成，鉆桿的尺寸差異對鉆柱中聲的傳播是否存在影響是聲載波選取及檢測必須要了解的問題之一。建立了用于測試鉆柱中聲波傳播特性的試驗裝置，對不同類型鉆桿組成的鉆柱中聲波的傳播特性進行了測試；利用基于聲透層理論建立的鉆柱中聲傳播特性研究模型對測試結果進行了理論分析。研究結果表明：組成鉆柱的鉆桿存在尺寸差異時，鉆柱中聲波傳播特性有所改變，表現在通帶的個數減少，有些通帶消失，且通帶的寬度變窄；尺寸存在差異的鉆桿組成的鉆柱中聲衰減比周期性鉆桿要大；低頻通帶聲波受鉆桿尺寸差異影響相對較小；存在著個別的排列方式，可以減小鉆桿尺寸差異的影響。基于聲透層理論的鉆柱中聲傳播特性研究模型在計算前4個通帶時較為準確。

關鍵詞：聲波傳輸；井下信息；尺寸差異；鉆柱；測試

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目(51404285)；中國博士后科學基金面上資助項目(2014M551985)；國家高技術研究發展計劃(863計劃)主題項目(2012AA091601)；青島市博士后研究人員應用研究項目(T1404028)

收稿日期：2013-11-08修改稿收到日期：2014-04-21

中圖分類號:TE927

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.07.015

Abstract:The acoustic transmission of information, measured by MWD, is an important research direction of underground information wireless transmission technology. The drill string serving as information transmission channel was composed of size-difference drill pipes, so it is important to understand the relationship between the drill pipe size-difference and acoustic wave propagation characteristics in the column. That is related to the selection of sound carrier and detection measure. A test device for testing the drill string acoustic propagation characteristics was established, and relecant tests were carried out. The test results were analysed by using the model of sound propagation based on the acoustic permeable layer theory. The results show that: with the application of size-difference drill, the acoustic wave propagation characteristics of drill string will be changed, which behaves in the following aspects; the number of pass-bands reduces, some of the pass-bands disappear, and the pass-band width is narrowed; when acoustic waves propagate through the drill string composed of size-difference drill pipes, the attenuation is bigger than that through the cyclical drill. Less affected by differences in the drill pipe sizes are the low-frequency pass band acoustic waves; there is some arrangement with which the effect can be reduced. In the information carrier selection and testing, the impact of channel structure should be fully considered. The theoretical model of acoustic propagation is exact in the calculation of the first 4 pass-bands.

Tests for acoustic propagation characteristics in drill string composed of size-difference drill pipes

LIUYong-wang1,GUANZhi-chuan1,ZHAOGuo-shan2,DUBin-bin1,LIZhi-yuan1,CAIMeng-zhe1,DUZhen-chuan2,WANGQing1(1.China University of Petroleum(East china), Qingdao 266580, China;2. Shengli Drilling Engineering & Technology Company of Sinopec Shengli Engineering Co., Ltd., Dongying,257064,China)

Key words:acoustic transmission; down-hole information; size difference; drill-string; test

如何快速、高效的獲取井下信息是科學化鉆井實現過程中急需解決的問題之一[1]。隨著MWD及LWD的研制及應用，測量井下各種參數已經成為現實，然而要想從地面獲得這些參數，還需要一個專門的傳輸方法及傳輸信道來傳輸這些數據。井下信息無線傳輸技術是實現井下信息上傳到地面的最重要手段之一，該技術主要包括鉆井液泥漿脈沖傳輸技術、電磁波傳輸技術和正在研發的聲波傳輸技術三種[2-6]。以鉆井液泥漿脈沖傳輸技術使用最為廣泛，該信息傳輸方式包括三種：正脈沖、負脈沖和連續波。雖說實現方式不同，但該技術存在著共同的局限性。首先，該技術對鉆井液有依賴性，在欠平衡鉆井、空氣鉆井、充氣鉆井等新鉆井工藝中無法使用；其次，該方式傳輸的數據量及傳輸速度有限，無法達到快速、全面了解井下信息的目的。電磁波傳輸技術是目前現場使用的另一種無線傳輸技術，該技術可以應用于欠平衡鉆井、空氣鉆井、充氣鉆井等新鉆井工藝中，但該方式的地層適應性差，當地層電阻率較高時，該方式無法實現，并且該方式的傳輸速率亦不高[7-10]。井下信息聲波傳輸方法是以鉆柱作為聲信號傳輸信道，以聲波作為信息傳輸的載體，進行井下信息傳輸的方式，其優點是實現信息傳輸的設備結構簡單、傳輸成本較低、傳輸的速率較快，易于定向發射等，而成為當前井下信息傳輸技術領域研究的熱點之一[11-14]。然而，信息載波-聲波在鉆柱中的傳播特性一直是學者們研究的熱點，是關系井下信息聲波傳輸方法成功實現與否的關鍵問題之一。學者道格拉斯、李成、趙國山等針對周期性鉆柱中聲的傳播特性進行了大量研究，得出了大量有指導意義的成果[2,6,11,15]。然而組成鉆柱的鉆桿尺寸各異，鉆桿的形式也不一，這對聲傳輸的影響并未有深入的研究探討[16]。管志川教授建立了非周期性鉆柱中聲傳播特性計算方法[17-19]，但該方法為理論算法，其正確性有待于實驗驗證。基于此，筆者設計了試驗系統、試驗方法，對由存在尺寸差異鉆桿組成的鉆柱中聲的傳播特性進行了測試分析，以期對信息載波特性的選擇及井下信息聲波傳輸方法在現場的成功應用提供實驗數據以理論參考。

1試驗測試

1.1試驗系統的構建

測試尺寸差異鉆桿組成鉆柱中聲傳播特性的試驗系統是在中國石油大學(華東)自主研制的測試聲波在鉆柱信道中傳輸及衰減特性的試驗裝置的基礎上改造完成的，實現了不同尺寸鉆桿連接組成不同形式鉆柱中聲傳播特性的測試。

試驗裝置包括模擬鉆柱系統、聲波發射系統、聲波接收及處理系統和數據處理系統。鉆柱系統由模擬鉆桿及模擬鉆鋌組成。模擬鉆桿的結構尺寸可以相同，也可以存在差異，模擬鉆鋌的結構尺寸亦可以相同，也可以存在差異。利用結構尺寸相同的鉆桿或者鉆鋌可以組成周期性管串，模擬聲波在周期性鉆柱中傳輸及衰減的規律。利用尺寸存在差異的鉆桿或鉆鋌組合可以模擬結構尺寸差異對聲波在鉆柱中傳輸及衰減的規律的影響。聲波發射系統由換能器、任意波發生器組成。任意波發生器可以激勵出正弦波、方波等各種波形的激勵信號用于激勵換能器產生振動，發射出需要的波。聲波接收及處理系統由加速度計、加速度計轉換接頭、聲接收信號傳輸電路、信號調理器、示波器組成。加速度計用于測量接收到的聲波，并將其轉化為電信號。通過加速度計轉換接頭、聲接收信號傳輸電路傳送到信號調理器調理；示波器用于顯示接收到聲信號。數據處理系統可以對接收到的信號進行記錄，保存及時域和頻域分析。測試尺寸差異鉆桿組成鉆柱中聲傳播特性的試驗系統如圖1所示。

1.換能器；2.模擬鉆柱系統；3.加速度計；4.信號調理器； 5.示波器； 6.任意波發生器； 7.數據處理系統 圖1　測試鉆柱中聲傳播特性的試驗系統 Fig.1 The system to test propagation characteristics of acoustic in drill string

1.2試驗方案設計

(1)選擇不同長度的模擬鉆桿通過螺紋連接成模擬鉆柱作為聲波傳輸通道，鉆桿的尺寸及參數參見圖2所示；鉆柱一端安裝變幅桿并與聲波發射換能器緊密膠結，鉆柱另一端面以及鉆柱接頭的不同截面均可安裝加速度計；

(2)聲波發射換能器端施加激勵信號電壓幅值10 V，波形為正弦波；調節信號發生器的頻率輸出，加速度計端采集數據記錄接收信號幅值以及波形；發射聲波頻率范圍為100 Hz~15 kHz，頻率每增加100 Hz記錄一組數據。

圖2　鉆桿尺寸圖 Fig.2 Simulated drill string size chart

對發射的正弦聲波信號頻率及幅值與接收到的聲波信號頻率與幅值之間的關系進行研究，從而獲得聲波的頻譜特性。由于換能器本身具有濾波功能，即換能器存在諧振頻率，當激勵電壓頻率為諧振頻率時，發射出的聲波強度最強，在諧振頻率以外的頻率上，發射出的聲波強度較低，所以取接收到的信號與發射出的信號的比值作為分析對象更具有可信性。

2結果與討論

2.1相同尺寸鉆桿組成的鉆柱

為了分析組成鉆柱的鉆桿尺寸差異對聲波傳播特性的影響，先對由相同尺寸的鉆桿組成的鉆柱中聲傳特性進行實驗分析。實驗所用的鉆柱為兩種，鉆柱1：由十根長度為1 m的鉆桿組成，鉆柱2：由7根長度為1.5 m的鉆桿組成，按照上述的實驗方案，測得聲傳輸特性曲線如圖3所示。

圖3　同尺寸鉆桿組成鉆柱中聲傳特性 Fig.3 Propagation characteristics of acoustic in drill string consisted by the same drill pipe

從圖3可以看出：

(1)尺寸相同鉆桿組成的鉆柱中聲傳播存在通帶與阻帶，且通阻帶交替分布。

(2)實測高頻段聲傳播的頻譜特性曲線表現出較強的衰減特性，即隨著發射聲波頻率的升高，通帶與阻帶的差異減小，當頻率超過一定值時，通帶消失，聲波完全被吸收；且并未出現理論計算結果所述的在一個頻帶周期內隨著頻率的增加，通帶先變窄再變寬，阻帶則先變寬再變窄，頻帶周期重復出現的性質。

(3)隨著組成鉆柱的鉆桿本體長度的增加，實測的鉆柱頻譜特性曲線中通帶向低頻端移動，通帶與阻帶數量變多，其寬度變窄。

2.2尺寸差異鉆桿組成的鉆柱

利用1m長鉆桿和1.5m長鉆桿組合構成了不同類型的模擬鉆柱，并對聲波在鉆柱中的傳播特性進行了測試。模擬鉆柱結構如下所示：

模擬鉆柱1：1.5 m鉆桿3根+1.0 m鉆桿1根+1.5 m鉆桿3根；

模擬鉆柱2：1.5 m鉆桿2根+1.0 m鉆桿3根+1.5 m鉆桿2根；

模擬鉆柱3：1.5 m鉆桿2根+1.0 m鉆桿2根+1.5 m鉆桿2根；

模擬鉆柱4：1.5 m鉆桿2根+1.0 m鉆桿1根+1.5 m鉆桿2根；

模擬鉆柱5：1.5m鉆桿1根+1.0m鉆桿3根+1.5m鉆桿1根。

取接收到的信號與發射出的信號的比值作為分析對象，測得聲傳輸特性曲線如圖4所示。

圖4　不同尺寸鉆桿組成鉆柱中聲傳特性 Fig. 4 Propagation characteristics of acoustic in drill string consisted by the different drill pipe

由圖4可以看出：

(1)相同長度的鉆柱，其構成鉆桿排列方式存在差異時，聲波在鉆柱中的傳播特性存在著差異，具體表現在通帶的數量、通帶的位置及通帶的帶寬差異。

(2)當組成鉆柱的鉆桿尺寸存在差異時，存在通帶消失的現象，低頻區域(小于2 kHz)的頻段，無論鉆桿尺寸如何變化，鉆柱結構如何構成，均存在穩定的通帶；隨著頻率的升高，通帶分布受鉆柱結構影響更加明顯，且無明顯規律。

2.3實測不同鉆柱聲傳播特性對比

為了進一步分析鉆柱構成對聲傳播特性的影響，對比圖3和圖4，通過對比可以看出：組成鉆柱的鉆桿尺寸差異對鉆柱中聲傳播特性影響較大，具體表現在聲波在無尺寸差異鉆桿組成的鉆柱中傳輸時，存在通帶與阻帶；而且通帶與阻帶交替分布；隨著頻率增加，處于通帶的聲波衰減亦增加；當頻率超過一定值時，聲波全部衰減，無通帶再出現；當組成鉆柱的鉆桿僅長度增加時，上述特點仍存在，但傳輸特性也表現出了新的特點，即呈現出通帶變窄并且向低頻段移動的現象。

然而，聲波在不同鉆桿隨機組合構成的鉆柱中傳播時，其低頻通帶比較明顯。但其高頻通帶的數量明顯減少，且通帶位置也出是隨機無規律的，既不是無尺寸差異鉆桿組成的鉆柱中通帶位置，也不是兩種單一尺寸鉆桿構成的鉆柱通帶交集。另外，不同鉆柱組合情況下，組合4和組合5中的通帶數目較多，這說明存在較好的組合，有利于聲波通過鉆柱，具體最佳組合方式及聲傳播規律有待于進一步研究。

3測試結果的理論機理

3.1基本理論模型

為了探索聲波在存在尺寸差異鉆桿組成的鉆柱中傳播特性的產生機理，建立了實用鉆柱組合模型，并利用該模型對實驗測試所用的鉆柱中聲波傳播特性進行了計算和分析。

圖5　實用鉆柱組合模型結構示意圖 Fig.5 Model of complex drillstring

實用鉆柱組合模型結構分析模型結構如圖5所示[17-19]，其中a為截面積，d為長度，下標(1,2,…,n-1,n)表示鉆柱組成鉆桿和接頭所在位置編號，如圖5各段結構尺寸分別為a1和d1、a2和d2、…、dn和dn，結構中鉆桿和接頭連接處的界面是關鍵位置，各界面距離圖5最左端x=0界面的距離分別為：D1=d1、D2=d1+d2、…、Dn=d1+d2+…+dn。

位移方程[22]：

(1)

ω=2πf

(2)

式中，u為聲波在鉆柱中傳輸的位移，m；ut和ur分別表示入射波和反射波位移的法向分量，m；ω為角頻率，rad/s；f為頻率，Hz；。

橫截面上的軸向力[23-24]：

(3)

式中，F為橫截面上的軸向力，N；a為截面積，m2；c為縱波聲速，m/s；ρ為密度，kg/m3。

鉆桿和接頭的界面上滿足：位移的法向分量和法向作用力連續。設計算的模擬鉆柱兩端為吸收邊界，即忽略多重反射的影響，根據基于聲透層理論建立的鉆柱中聲傳播的頻譜特性分析方程，得出在不同界面透射及反射系數關系方程為[17]：

(4)

式中，tn和rn分別為透射和反射系數。

式(4)中：

(5)

(6)

式中，a為截面積，m2；j為虛數單位；k為波數；

3.2同尺寸鉆桿組成的鉆柱中聲傳播特性分析

利用式(4)~式(6)對由相同尺寸的鉆桿組成的鉆柱進行分析，并與實驗測試結果進行比對分析。圖6(a)為1.0 m長鉆桿連接組成的鉆柱在20 kHz范圍內透射系數圖，圖6(b)為1.5 m長鉆桿連接組成的鉆柱在20 kHz范圍內透射系數圖。分析的鉆柱均由25根鉆桿組成。

圖6　鉆柱透射系數圖 Fig.6 Transmittance map of drill string

對比圖3和圖6可以看出：

(1)實測鉆柱聲波傳播特性曲線與理論計算鉆柱頻譜特性曲線具有一定的相似，存在著衰減相對較小的頻帶與衰減較大的頻帶，即通帶和阻帶，通帶與阻帶交替分布。

(2)實測鉆柱聲波傳播特性曲線的前四個通帶位置與理論計算鉆柱頻譜特性曲線非常接近，當發射聲波的頻率大于某一值時(第四通帶之后)，實測鉆柱聲波傳播特性曲線與理論計算鉆柱頻譜特性曲線出現較大的差異，表現在：通帶位置差異，實測鉆柱聲波傳播特性曲線仍然出現通帶遇阻帶交替分布的規律，但通帶與阻帶的位置與理論計算結果不吻合。通帶聲波的透射情況差異明顯，實測鉆柱聲波傳播特性曲線在大于10 kHz的高頻帶，出現了衰減，且衰減幅度隨著頻率的增加而衰減嚴重，與理論計算的透射系數差異明顯。上面規律說明利用理論方法分析鉆桿結構的頻譜特性在前四個通帶具有較強的實用性，而高頻端，理論方法分析鉆桿結構的頻譜特性與試驗結果差異較大，顯示選頻應該更多的依仗于實驗的結果。

3.3不同尺寸鉆桿組成的鉆柱中聲傳播特性分析

同樣，基于式(4)~式(6)對由不同尺寸的鉆桿組成的鉆柱進行分析，并與實驗測試結果進行比對分析。圖7(a)為1.0 m長鉆桿和1.5 m長鉆桿交錯連接組成的鉆柱在20 kHz范圍內透射系數圖，圖7(b)為1.0 m長鉆桿和1.5 m長鉆桿隨隨機連接組成的鉆柱在20 kHz范圍內透射系數圖。分析的鉆柱均由25根鉆桿組成。

圖7　兩種鉆柱尺寸不同排列的鉆柱透射系數圖 Fig.7 Transmittance map of drill string with two kinds of drill pipe size

通過圖7可以看出：鉆桿本體長度不一致時，通帶將變窄，甚至在一個頻帶周期的中心頻率附近出現完全阻帶，聲傳輸性能變差。鉆柱本體長度上的非周期性的結構復雜程度加重時，鉆柱聲傳輸性能降低程度加劇，表現為通帶的數目減少和通帶寬度減小程度加劇。這些規律與圖4呈現的規律具有很大的一致性，說明了理論分析在一定情況先能夠反映實際聲傳播規律。

4結論

(1)組成鉆柱的鉆桿結構差異對聲傳播特性存在明顯影響。表現在：隨著鉆柱結構的復雜程度增加，通帶數量減少，且寬度也降低，甚至有些通帶直接消失。

(2)鉆桿結構差異對聲傳播特性影響隨著聲波頻率變化而變化。低頻聲波受影響較小，在低頻端仍存在穩定的通帶，隨著頻率的增加，鉆桿結構差異對低頻聲波影響加劇。

(3)針對特定的鉆桿，存在較好的組合方式可以降低聲衰減幅度，并且保障存在較寬的通帶以利于鉆柱中聲傳輸方式。最優組合方式的選擇，有待于進一步研究。

(4)通過理論分析與實際測量結果分析比對發現，理論方法無論是計算及分析結構存在差異鉆桿組成的鉆柱及結構無差異鉆桿組成的鉆柱中聲傳播特性，在前四個通帶均具有較好的適用性。說明理論計算方法可以為井下信息聲波傳輸技術聲載波的選取及識別提供理論依據及指導。

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