鉆柱中聲波傳播特性實驗研究

蔡 文 軍

中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

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鉆柱中聲波傳播特性實驗研究

蔡 文 軍

中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

蔡文軍.鉆柱中聲波傳播特性實驗研究.天然氣工業，2016,36(6):72-77.

摘 要探究聲波在實際鉆柱中的傳播特性和規律是隨鉆信息聲波傳輸技術的一項基礎性研究工作，而國內在這方面才剛起步，僅進行了一些理論研究和室內實驗工作。為此，基于已有成果，研制了基于壓電效應的縱向變幅桿井下聲發射換能器和地面聲波信號接收換能器，設計了鉆柱中聲波傳播特性的現場井下實驗方案。采用鉆井工程上常用的?127mm鉆桿，分別在200m、430m、542m、700m、827m、997m等6個不同的深度點，測試了400～4 000 Hz頻率范圍內不同頻率聲波在鉆柱中的傳播特性，并分析了測試結果，進而認為，基于鉆柱的聲波傳輸技術用于隨鉆信息傳輸是可行的。研究結果表明：①有一些頻率的聲波可以在鉆柱中傳播，而另一些頻率的聲波在鉆柱中傳播能力則很差；②聲波在鉆柱中傳播衰減程度與聲波頻率、鉆柱長度和周圍介質有關，在介質為清水的情況下，平均衰減值約為0.05 dB/m；③綜合考慮數據傳輸速度與衰減等因素，可用于數據傳輸的聲波頻率應為400～1 000 Hz之間的一些頻率點，最佳頻率點為600 Hz、650 Hz和950 Hz。結論認為：在試驗井中的實驗得到了鉆柱中聲波傳播的重要數據和結論，可以為聲波傳輸技術的研究和應用提供技術基礎和依據。

關鍵詞鉆柱聲波傳播特性井下聲波發射器試驗井實驗結果分析聲波頻率鉆柱長度

井下信息無線傳輸技術是油氣鉆井隨鉆測量技術的關鍵，為地面和井下提供實時信息傳輸通道。目前，現場應用的無線傳輸技術主要有鉆井液壓力脈沖技術和電磁波傳輸技術，但這兩種技術均有一定的局限性。壓力脈沖技術傳輸速度低且必須依賴鉆井液介質；電磁波傳輸技術受地層特性限制，信號衰減嚴重，傳輸距離短[1]。因此，現有無線傳輸技術無法滿足鉆井新技術、新工藝(欠平衡鉆井技術、空氣鉆井技術、隨鉆測井、地質導向技術等)的需要。

聲波傳輸技術是以鉆柱管壁作為傳播介質，以聲波為信號載體，利用聲波在鉆柱中的傳播進行井下隨鉆數據的無線傳輸。研究成果表明，該技術不受鉆井介質、地層等外界條件的限制，可以實現高速傳輸數據，可以滿足鉆井新技術、新工藝的需求，是一種極具潛力的無線傳輸技術[2-3]。國外在聲波傳輸技術方面的研究起步較早，對聲波在鉆柱中的傳播特性理論和室內試驗做了大量的研究工作[4-7]。目前，國外正在進行現場試驗和推廣應用，處于半商業化狀態[8]；國內在聲波傳輸方面的研究近些年才剛剛起步，主要進行了一些理論和室內試驗研究工作[9-17]。筆者主要對鉆柱中聲波傳播特性進行了實驗研究，研制了井下聲波發射器和地面接收換能器，利用實際鉆桿在試驗井中進行了實驗，得到了一些重要數據和結論，以期為聲波傳輸技術的研究和應用提供技術基礎和依據。

1　聲波傳播特性實驗方案

聲波傳播特性實驗的目的是在真實工況下測試聲波在鉆柱中的傳播特性，通過實驗研究適用于在鉆柱中傳播的聲波頻率和聲波在鉆柱中的衰減規律，以便為聲波傳輸技術的現場應用提供關鍵技術數據。為達到以上目的，實驗在試驗井中進行，試驗井的環境條件與實際鉆井基本相同，采用現場使用的鉆桿，鉆桿的連接與實際鉆井時一樣。井下聲波發生器在井下不同深度自動產生不同頻率的信號，經鉆柱傳至地面，信號接收換能器接收到信號，根據接收到的信號進行處理分析。

2　實驗設備研制

根據實驗目的和方案，需要研制井下聲波發生器和地面信號接收換能器，以實現在井下產生不同頻率的聲波，在地面接收聲波信號。

2.1井下聲波發射器

井下聲波發生器的主要作用是根據實驗要求產生不同頻率的聲波。根據功能要求，設計的井下聲波發生器包括信號發生器、接口電路、數據緩存、編碼與調制、功率放大、發射換能器、電源、儲能電容等，其原理框圖如圖1所示。

圖1　井下聲波發射器原理圖

井下聲波發射器結構設計要綜合考慮井下工況、空間特點以及與鉆具結構的匹配性等。井下聲波發射器的結構如圖2所示，共分為3部分，即發射換能器、中間連接和電子艙部分。

發射換能器是井下聲波發射器的關鍵組成部分，主要功能是將電能轉變為聲能，產生聲波。按縱向典型發射換能器設計方法和變幅桿典型設計方法，設計了一種異型變幅桿縱向諧振發射換能器，靈敏元件采用耐高溫的壓電陶瓷，密封在封閉腔體內，并充滿性能穩定的甲基硅油。產生的聲波頻率范圍介于0.4～4.0 kHz。

信號發生器、接口電路、電池、電容、變壓器等電源及電子元器件全部集中在下部的電子艙中，主要功能是提供電源、產生不同頻率的連續波脈沖和調頻信號，經編碼調制和功率放大以后控制發射換能器產生聲波。電子艙結構為環形密封結構，將電子元器件與周圍介質隔開。

中間連接部分將發射換能器和電子艙連接起來，并通過導電滑環將電能由電子艙輸送至發射換能器，從而形成井下聲波發射器。

井下聲波發射器的主要技術參數為：①外徑：178mm；②內徑：57.2mm；③長度：5 800mm；④信號頻率范圍：400～4 000 Hz；⑤輸出信號形式：正弦CW脈沖、調頻信號；⑥信號輸出功率：2 000 W；⑦最大工作壓力：70MPa；⑧最高工作溫度：125 ℃。

圖2　井下聲波發生器圖

2.2信號接收換能器

信號接收換能器用于在井口接收經鉆柱傳播的聲波，與井下聲波發射器配合使用。根據鉆井工作環境和條件，聲波的接收只能在水龍頭或頂驅的下面，因此將信號接收換能器設計成弧形，使用時采用貼附方式固定在管壁上。

信號接收換能器結構如圖3所示。包括鋁殼和由壓電陶瓷條及鋁條鑲拼成的曲面靈敏部，整體膠質封裝。靈敏部與殼間隙用輕質彈性材料填充。信號接收換能器的接收頻段與井下聲發射器工作頻段適配，電壓靈敏度遠高于常用的加速度傳感器，適用于弱聲壓場和信噪比較低的情況。

信號接收換能器主要技術參數：①接收帶寬：0.4～4.0 kHz；②靈敏度響應：優于-195 dB；③靜態電容：大于1.0 nF；④絕緣電阻：優于100 MΩ；⑤弧面曲率半徑：84mm；⑥外形尺寸：90mm×90mm×39mm。

圖3　接收換能器結構及照片

3　聲波傳播特性實驗

3.1實驗情況

實驗在中國石化勝利油田工程技術培訓中心的試驗井上進行，該井井深1 000m，配備一部ZJ32型石油鉆機，能夠進行所有的鉆井操作。實驗采用?152.4mm鉆桿連接成鉆柱，在鉆柱的底部安裝井下聲波發射器，設定井下聲波發射器發射信號的起始時間、時間間隔，信號的編碼情況如圖4所示。

圖4　信號編碼圖

首先在井口安裝好接收換能器，在不連接鉆柱的情況，進行第一次測試；然后開始下入鉆柱，當到了設置的時間時，停止下放鉆柱，井下聲波發射器自動啟動，產生聲波信號，且重復發射3次，地面接收裝置接收聲波信號，并將數據保存。為了增加測點，同樣在鉆柱起出過程中也進行測試。下入過程中共測試了3個點，井深分別為200m、430m、700m，起出過程中測試3個點，井深分別為997m、827m和542m。

3.2實驗數據分析

對實驗測得的數據進行濾波處理、頻譜分析、幅頻特性分析和綜合對比分析，得到一些重要結論。

圖5是不同深度測點的幅頻特性曲線。可以看出，包括井口測試共7個測點，其中0m、200m、430m、542m 4個測點各頻率點的響應都檢測到了信號，只是由于鉆柱信道的特性使得各頻率點的信號強度不同；而700m、827m、997m等3個測點由于信號衰減和噪音干擾的影響，一些頻率點的響應信號無法從接收到的信號中提取出來，特別是大于1 500 Hz的頻點，3個深度情況下均無法提取到有用信號，說明高頻信號不利于在鉆柱結構信道中傳輸；小于1 000 Hz頻點的幅頻特性相對較好，特別是600 Hz、650 Hz、900 Hz等頻點，在不同的深度都表現出很好的信號通過性，接收到的信號強度很強，說明這些頻率的聲波適合在鉆柱中傳播，進行數據傳輸；有一些頻點在不同深度，其表現出的響應不同，說明鉆柱的長度(鉆桿數量)對鉆柱信道特性有影響。

圖6是不同深度的功率譜曲線。對200m和430m測點，除個別頻率點外，隨著深度的增加(鉆柱的增長)，信號的功率越來越弱，信號衰減明顯。相對于井口，200m深度時，衰減最大的頻率點為1 400 Hz，衰減41.6 dB，衰減最小的頻率點為360 Hz，衰減-4.7 dB，所有頻點平均衰減20.4 dB，平均衰減速率值為0.102 dB/m；430m深度時，衰減最大的頻率點為1 400 Hz，衰減62.7 dB，衰減最小的頻率點為900 Hz，衰減-1 dB，所有頻點平均衰減38 dB，平均衰減速率值為0.08 dB/m。

考慮鉆柱結構的梳狀濾波器特性，把處于峰值的頻點作為通帶，處于谷底的點作為阻帶。對200m測點，平均衰減9.7 dB，平均衰減速率為0.05 dB/m；對430m測點，通帶內頻率點的平均衰減21.2 dB，平均衰減速率為0.049 dB/m。

圖5　不同深度測點的幅頻特性曲線圖

圖6　不同深度測點的功率譜曲線圖

圖7是各測點相對井口的衰減速率曲線。可以看出，不同測點得到的衰減速率不同，這說明鉆柱結構影響信號的衰減，不同的鉆柱結構，衰減的速率是不相同的；對同一深度(鉆柱長度不變時)，隨著頻率增加，衰減速率有增大的趨勢，即頻率越大，衰減越來越大。700m、827m、997m測點的頻率大于1 000 Hz的頻點的數據很少，也說明頻率越高，衰減越快。因此，實際進行數據傳輸時，聲波頻率要控制在1 000 Hz之內；對于頻率特性較好的600 Hz、650 Hz和950 Hz的頻率點，其最大衰減速率為0.089 dB/m，平均衰減速率為0.048 dB/m，600 Hz頻點從0～997m的最大衰減為44.54 dB。

圖7　不同頻率點的衰減速率圖

4　結論

研制的井下聲波發射器和信號接收換能器在試驗井進行了實驗，實驗深度達到997m，并進行了編碼測試。實驗結果表明，井下聲波發射器和接收換能器軟硬件達到了設計指標，功能正常。

實驗結果表明，有些頻率的聲波可以在鉆柱中傳播，而一些頻率的聲波在鉆柱中傳播能力很差，與鉆柱聲道的梳妝濾波器特性吻合；聲波在鉆柱中傳播中存在衰減，且衰減程度與鉆柱長度、聲波頻率和鉆柱周圍介質有關，鉆柱越長，衰減越大，頻率越高，衰減越快；在清水介質條件下，聲波在鉆柱中的平均衰減值約為0.05 dB/m。

根據實驗結果，綜合考慮數據傳輸速度、傳播距離和衰減等多方面因素，適用于鉆柱結構傳輸的聲波頻率不能太低，但也不宜過高，比較合適的聲波頻率范圍為400～1 000 Hz，最佳頻率點為600 Hz、650 Hz和950 Hz。

實驗結果表明，基于鉆柱的聲波傳輸技術用于隨鉆信息傳輸是可行的，實驗得到的數據為聲波傳輸技術的進一步研究與應用提供了基礎和依據。

參考文獻

[1]馬哲,楊錦舟,趙金海.無線隨鉆測量技術的應用現狀與發展趨勢[J].石油鉆探技術,2007,35(6): 112-115.Ma Zhe,Yang Jinzhou,Zhao Jinhai.Status quo and developmenttrend of MWD technique[J].Petroleum Drilling Techniques,2007,35(6): 112-115.

[2] 杜勇,胡建斌,李艷萍,李艷潮.聲波傳輸測試技術在油田的應用[J].測控技術,2005,24(11): 76-78.Du Yong,Hu Jianbin,Li Yanping,Li Yanchao.Application of a voice wave delivering testing technology in the system of oil field[J].Measurement & Control Technology， 2005， 24（11）: 76-78.

[3] 李志剛,管志川,王以法.隨鉆聲波遙測及其關鍵問題分析[J].石油礦場機械,2008,37(9): 6-9.Li Zhigang,Guan Zhichuan,Wang Yifa.Acoustic telemetry while drilling and analysis on its key problems[J].Oil Field Equipment,2008,37(9): 6-9.

[4] Drumheller DS,Knudsen SD.The propagation of sound waves in drill strings[J].Journal of the Acoustical Society of America,1995,97(4): 2116-2125.

[5] Drumheller DS.Wave impedances of drill strings and other periodic media[J].Journal of the Acoustical Society of America,2002,112(6): 2527-2539.

[6] Shah V,Gardner W,Johnson DH,Sinanovic S.Design consideration for new high data rate LWD acoustic telemetry system[C]//SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition,18-20 October 2004,Perth,Australia.DOI:http://dx.doi.org/10.2118/88636-MS.

[7] Gao Li,Gardner WR,Robbins C,Johnson DH,Memarzadeh M.Limits on data communication along the drillstring using acoustic waves[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition,9-12 October 2005,Dallas,Texas,USA.DOI: http://dx.doi.org/10.2118/95490-MS.

[8] Neff JM,Camwell PL.Field-test results of an acoustic MWD system[C]//SPE/IADC Drilling Conference,20-22 February 2007,Amsterdam,The Netherlands.DOI:http://dx.doi.org/10.2118/105021-MS.

[9] 李成,丁天懷.不連續邊界因素對周期管結構聲傳輸特性的影響[J].振動與沖擊,2006,25(3): 172-175.Li Cheng， Ding Tianhuai.Influence of discontinuous boundaries on acoustic transmission in periodic cascade with application to drill pipes[J].Journal of Vibration and Shock,2006,25(3): 172-175.

[10] 蔡小慶.基于周期性鉆柱系統的隨鉆數據聲波傳輸方法研究[D].東營: 中國石油大學(華東),2009.Cai Xiaoqing.Research on the logging while drilling acoustic data transmission based on periodic drill string system[D].Dongying: China University of Petroleum (East China),2009.

[11] 閆向宏,孫建孟,蘇遠大,張美玲,陳雪蓮.隨鉆測井周期性鉆柱結構聲傳播特性的數值仿真[J].科學技術與工程,2009,9(19): 5648-5652.Yan Xianghong,Sun Jianmeng,Su Yuanda,Zhang Meiling,Chen Xuelian.Simulation the acoustic characteristic of periodic drill string of logging while drilling[J].Science Technology and Engineering,2009,9(19): 5648-5652.

[12] 車小花,喬文孝,李俊,鞠曉東,王春艷.隨鉆測井鉆柱聲波的頻譜特性[J].中國石油大學學報: 自然科學版,2008,32(6): 66-70.Che Xiaohua,Qiao Wenxiao,Li Jun,Ju Xiaodong,Wang Chunyan.Acoustic spectral characteristics of drill string of logging while drilling[J].Journal of China University of Petroleum : Edition of Natural Science,2008,32(6): 66-70.

[13] 馬西庚,李超,柳穎.鉆桿中聲波傳輸特性測試[J].中國石油大學學報: 自然科學版,2010,34(4): 70-74.Ma Xigeng,Li Chao,Liu Ying.Transmission characteristics test of acoustic wave in drill pipe[J].Journal of China University of Petroleum: Edition of Natural Science,2010,34(4): 70-74.

[14] 趙國山,管志川,劉永旺.聲波在鉆柱中的傳播特性[J].中國石油大學學報: 自然科學版,2010,34(1): 55-59.Zhao Guoshan,Guan Zhichuan,Liu Yongwang.Acoustic transmission properties in drill string[J].Journal of China University of Petroleum: Edition of Natural Science,2010,34(1): 55-59.

[15] 賈宏亮,程為彬,郭穎娜,高理,潘萌,陳晨.短距離鉆柱聲波傳輸特性試驗研究[J].石油機械,2014,42(7): 32-35.Jia Hongliang,Cheng Weibin,Guo Yingna,Gao Li,Pan Meng,Chen Chen.Experimental study on short-range acoustic transmission characteristics in drill string[J].China Petroleum Machinery,2014,42(7): 32-35.

[16] 趙國山,王斌斌,都振川,黃明泉,翟文濤.鉆柱信道中聲波信號傳輸性能研究[J].石油機械,2014,42(10): 9-12.Zhao Guoshan,Wang Binbin,Du Zhenchuan,Huang Mingquan,Zhai Wentao.Research on acoustical signal transmission performance of drillstring channel[J].China Petroleum Machinery,2014,42(10): 9-12.

[17] 王斌斌.鉆柱聲波傳輸信道頻譜特性分析[J].石油機械,2014,42(1): 6-9 Wang Binbin.Analysis of the spectrum characteristics of acoustic wave transmission channel for drill string[J].China Petroleum Machinery,2014,42(1): 6-9.

(修改回稿日期2016-03-05編輯凌忠)

An experimental study on the propagation characteristics of acoustic waves in drill strings

Cai Wenjun
(Drilling Technology Research Institute， Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation， Dongying， Shandong 257017，China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 36,ISSUE 6,pp.72-77,6/25/2016.(ISSN 1000-0976; In Chinese)

Abstract:One basic task in acoustic transmission of while-drilling data is to explore the propagation characteristics and laws of acoustic waves in drill strings.In China,however,the research in this field is still at its initial stage,and only theoretical studies and laboratory experiments have been carried out.In this paper,therefore,the piezoelectric effect based longitudinal-amplitude-change-bar downhole acoustic transducer and the ground acoustic receiving transducer were developed on the basis of available achievements.And then,the downhole field experiment on the propagation characteristics of acoustic waves in drill strings was designed.The propagation characteristics of acoustic waves with frequency of 400–4 000 Hz in drill strings were tested by using the ?127mm drill pipes which are commonly used in drilling engineering at six different depths (i.e.,200m,430m,542m,700m,827m and 997m).The test results indicated that the drill string based acoustic transmission technology is feasible for while-drilling data transmission.It is shown that some acoustic waves with specific frequency can propagate in drill strings while others are poor in propagation capacity.The attenuation rate of acoustic waves in drill strings is affected by acoustic frequency,drill string length and ambient medium.For example,the average attenuation rate is 0.05 dB/m in fresh water.Based on data transmission rate and attenuation,the acoustic waves with specific frequency of 400–1 000 Hz can be used for data transmission,and the optimum frequencies are 600,650 and 950 Hz.It is concluded that the important data and conclusions of acoustic propagation in drill strings obtained from these experiments in test wells provide a technical basis for the research and application of acoustic transmission technology.

Keywords:Drill string; Acoustic wave; Propagation characteristic; Downhole acoustic transducer; Experiment in test well; Result analysis; Acoustic wave frequency; Drill string length

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.06.011

基金項目：山東省博士后創新基金資助項目(編號:201001007)。

作者簡介：蔡文軍，1971年生，高級工程師，博士；主要從事鉆井裝備及井下工具、儀器的研發工作。地址:(257017)山東省東營市東營區北一路827號。電話:(0546)6383023。ORCID:0000-0002-6928-342X。E-mail:caiwenjun.slyt@sinopec.com