油井下的聲波無線通信技術的模擬研究

鄭磊 王占剛

摘 要：為了在油井中實現地面設備到井下設備的無線信號傳輸，解決傳統有線電纜信息傳輸功耗大、效率低、操作難、成本高等缺點，研究了油井中的聲波無線通信技術，設計了一種井下聲波傳輸的模擬系統。通過研究聲波在油管中的傳輸情況以及比較聲波的傳輸特性，確定了適合模擬系統的發射聲波，并且搭建了一套模擬地面聲波發射裝置和井下聲波信號接收機組成的理想化的單片機開發系統。通過室內實驗，驗證了由地面到井下的無線聲波通信的可行性。

關鍵詞：聲波無線傳輸;模擬系統;單片機開發;調制;解調;窄帶調頻波

中圖分類號：TP39;TN929.4文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-04

0 引 言

隨著石油工業的發展，地面與井下的信息傳輸和數據傳輸技術已成為石油生產、測井、鉆井等領域的重要研究課題。完整的井下傳輸系統由輸入變換、發射機、傳輸通道、接收機和輸出轉換五部分組成。有線傳輸技術利用電纜等裝置連接井下儀器，但實際操作中受限于井下的環境狀況，而且設備要求復雜，作業效率低下。無線傳輸技術能夠避免或者克服利用電纜傳輸帶來的嚴重弊端，且設備簡單，成本低，準確率高，所以無線傳輸技術已成為試井、隨鉆測井、完井監測等領域的重要手段之一。

井下無線傳輸技術是測井技術中的一項重要改革，這是一項具有廣泛應用前景的創新性工作，可大大提高石油和天然氣資源的合理開發利用效率，降低生產成本，延長油氣井壽命，為中國石油和天然氣工業的發展做出巨大貢獻，帶來顯著的經濟效益和社會效益。在這個階段，國外對無線傳輸技術的研究水平比中國早（國內廣泛應用有線傳輸方法），為了提高油田的生產力而租借國外成型商業產品租金較高。因此，研究井下無線傳輸技術很有必要，能夠彌補技術空缺，打破國外壟斷。

無線傳輸技術的前景如下：

（1）可用于注水井，將多個注水層的溫度、流量和壓力信息數據傳輸至地面，從而準確了解水井情況進行合理注配;

（2）可用于生產測井，井下壓力、水位、流量、溫度等數據通過油管輸送到地面;

（3）可用于定向鉆井，實現地面與井下雙向數據傳輸;

（4）可用于隨鉆測井，同時通過鉆桿將地層電阻率、傾角和井眼方位等數據傳遞到地面;

（5）可用于智能完井，將多分支井、斜井、水平井等多個儲層的數據傳送到地面，實現多儲層的優化組合。

1 聲波的選取

聲波的種類多樣，對于井下傳輸來說，需要某種特殊的聲波作為傳播介質，以減緩衰減和噪聲干擾，幫助工作人員準確獲取井下的動態資料。其中，調頻波的特點是振幅不變，但是頻率隨著調制信號的振幅變化。井口部分可以利用調頻波的特性產生窄帶調頻波作為地下聲波傳輸技術的介質，并利用調制解調相關知識作為地下聲波傳輸的整體模型設計主線。

1.1 聲波的調制與解調

調制是指把某種信號從原有信道轉換到另一個信道進行傳輸的過程，能夠確保井下聲波傳輸系統的可靠性。載波調制是指用調制信號控制載波參數，把多個基帶信號分別搬移到不同的載波處，實現信道的多路復用，提高信道利用率[1]。解調是指從接收的已調信號中恢復成原來的基帶信號，是調制的逆過程。調頻解調有非相干解調和相干解調兩種解調方式。解調與調制的實質均為頻譜搬移。

相干解調只能解調窄帶信號，所以選用相干解調即同步解調，過程如圖1所示。

設窄帶調頻信號：

設相干載波：

相乘器的輸出：

經低通濾波器取出其低頻分量：

再經微分器，即得解調輸出：

可見，相干解調可以恢復原調制信號。這種解調方法與線性調制中的相干解調相同，要求本地載波與調制載波同步，否則將使解調信號失真。

現有的數字頻帶調制技術主要包括ASK，FSK和PSK等。考慮到實際需求和實現的難易程度，最終選擇使用FSK進行調制。FSK是利用基帶數字信號離散取值特點去鍵控載波頻率以傳遞信息的一種數字調制技術，其主要優點是實現較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。

1.2 窄帶調頻波

窄帶調頻波的頻偏遠小于調制頻率，或者調頻指數遠小于1[2]。

如果FM信號的最大瞬時相位偏移滿足：

則FM信號的頻譜寬度較窄，稱為窄帶調頻（NBFM）。

將FM信號表達式展開，得到：

當滿足公式（6）的條件時，有：

故式（7）可簡化為式（1）。利用傅里葉變換對，可得到NBFM信號的頻域表達式：

公式（1）和公式（9）是NBFM信號的時域和頻域的一般表達式。

在NBFM中，下邊頻為負，兩個邊頻的合成矢量與載波正交相加，所以NBFM不僅有相位的變化，幅度也有很小的變化。當最大相位偏移滿足時，NBFM信號幅度基本不變，形成窄帶調頻信號。

1.3 聲波在油井中的傳播形式和傳播途徑

油管柱在結構上具有周期性。由于聯軸器即接箍直徑大于油管直徑，所以形成了分段橫截面，橫截面也是周期性連接，在這種結構中，阻抗隨管道直徑的變化而變化，聲波可分為三種形式，即彎曲波、橫波和縱波。聲波以橫波和縱波傳播時，其傳播特性容易研究，而當聲波以彎曲波傳播時，傳輸速度緩慢，容易被分散和衰減，對聲波信號傳輸產生不利影響。

橫波和縱波不會被輕易衰減，但兩者相比較而言存在差異。橫波的波長較長，在接箍處的反射程度大于縱波，導致橫波衰減程度嚴重。相對而言，縱波衰減程度較小，在研究聲波沿油管柱傳播時，縱波受到的衰減僅來源于聲波頻帶內部，受到的外部干擾如鉆桿或場地的干擾較少。

據研究現狀而言，聲音可以通過以下幾條路徑在油井中傳播。

（1）沿井中套管外壁傳播。該路徑缺點較多，土層和巖層對聲波信號的衰減嚴重，導致傳播距離較短。

（2）沿套管內壁傳播。此路徑接觸到的介質是水和空氣，衰減相比外壁和井外小。

（3）在油管柱環形空間的水和空氣中傳播。沿著該路徑進行傳播時衰減幾乎不存在，并且聲音在套管內壁和油管外壁進行全反射，傳播距離遠[3]。

（4）聲音耦合到油管外壁上進行傳播，該路徑傳播的聲音較弱，且無法到達井底。

通過對以上幾種途徑的比較發現，第二種和第三種比較有利于聲波在油井中傳播，傳播路徑示意如圖2所示。

井下儀器安裝：發聲裝置安裝在井口，接收裝置安裝在油管外壁，隨油管一起下井，以保證聲波從油管柱環傳往井下。為防止儀器下井時磕碰套管壁，導致接收部分電路被水浸泡而短路，因此井下裝置除傳感器外，須裝在一個密閉的儀器筒內，再將儀器筒安裝在油管壁上。

2 井下聲波檢測系統設計

2.1 井下聲波傳輸系統的模型整體設計方案

聲波無線傳輸系統進行模擬時，信息源即為聲波源。由計算機發送出窄帶調頻波信號，該信號被LM567音頻解碼模塊接收，連接STM32-V5開發板，通過計算機處理得到解調后結果，與編碼比較從而判斷解碼是否正確，以驗證無線聲波傳輸系統的可行性。模擬系統流程如圖3所示。

2.2 基于安富萊STM32-V5和LM567音頻芯片的解碼設計

2.2.1 安富萊STM32-V5開發板

安富萊STM32-V5開發板與之前的STM32系列相比具有重大突破，開發板拓展了多項功能，可以外接更多模塊，例如MP3音頻解碼模塊、OLED顯示模塊、攝像頭模塊、雙路16位ADC模塊、示波器模塊、nRF24L01無線模塊、AD7606數據采集模塊、GPS模塊等;顯示界面完善，支持多種觸摸液晶屏，底層驅動自動識別，可以實現所有顯示模塊的相同固件支持。

2.2.2 LM567音頻解碼模塊

該模塊采用LM567鑒頻芯片，模塊實物如圖4所示。

模塊搭載麥克風、LM358雙運放、LM567鑒頻器、調節頻率的電位器、電源指示燈和輸出指示燈，右邊6個引腳分別代表地管腳、電源管腳、輸出管腳、鑒頻器信號輸入管腳、鑒頻器耦合頻率輸出管腳、放大器實時輸出管腳。模塊電路如圖5所示。

LM567是一種常見的鎖相環電路音調解碼器，主要用于振蕩、調制、解調和遙控編解碼電路。該芯片內部結構較為復雜，包含一個穩定的鎖相環路和一個晶體管開關，為了讓主要的鎖相環路保持相對穩定，特加入電流控制振蕩器、鑒相器和反饋濾波器。當輸入端接收到選定的音頻時，即可產生一個接地方波[4]。當輸入信號于通帶內時提供飽和晶體管對地開關，電路由I與Q檢波器構成，由電壓控制振蕩器驅動振蕩器確定譯碼器中心頻率。用外接元件獨立設定中心頻率帶寬和輸出延時。其工作時類似于一個低壓電源開關，當接收到一個位于所選定窄頻帶內的輸入音調時，開關接通，當用作音調控制開關時，頻率范圍為0.1～500 kHz，檢測帶寬可以設定在中心頻率14%內的任意值。輸出開關延時可以通過選擇外電阻和電容在一個寬時間范圍內任意改變[4]。此模塊的1，2引腳分別表示輸出濾波和回路濾波;3，8代表輸入輸出端口;5，6則是定時電阻和定時電容端。

此模塊工作時會對輸入頻率和設定頻率進行比較，自動濾除其他頻率的聲音，相同時才輸出低電平信號。搭載鑒頻器能夠對固定頻率音頻信號進行識別，搭載放大器將麥克風拾取的聲音信號進行100倍放大。此外，模塊上還有精密電位器，接收到聲波信號后調整電位器，將此頻率固定，方便對比。

3 操作系統實現

3.1 音頻模塊與開發板連接

在安富萊STM32-V5開發板上配有搖桿和各種按鈕，開發設計圖如圖6所示，搖桿原理如圖7所示。PH2，PH3分別代表搖桿上下鍵的引腳，且每觸發一次上下鍵相當于輸出一次低電平，就需要將該輸出定義的變量進行修改，并判斷PH2或PH3引腳的狀態。如果輸出是低電平，則返回“0”，輸出是高電平則返回“1”。將2個LM567音頻解碼模塊的輸出腳接入到搖桿上下鍵的引腳上，每次接收到不同頻率的聲波信號時，會將輸出量輸入到引腳上表示搖桿被觸發。

3.2 定義解碼成果

之前的編碼利用兩種不同頻率的聲波信號，將其定義為“0”和“1”，解碼時液晶屏上顯示十六進制數，可方便呈現編碼結果。例如編碼時將“0”“1”按照0 1 0 1 0 1 0 1排序，那么解碼后在液晶屏上顯示的十六進制數即為55。

3.3 解碼程序設計

硬件選用的音頻解碼模塊輸出量為一個低電平，且編碼設計時程序定義了兩個量進行排序，所以設計解碼程序時就要考慮加入循環語句。將解碼轉換成十六進制數，加上循環結構可以使用循環移位計算。具體設計流程如圖8所示。

當500 Hz解調電路模塊輸出為低電平且600 Hz解調電路模塊輸出為高電平時，證明接收的聲波信號代表數字1，即搖桿上鍵被按下，此時先進位1，再進行攜帶進位的8位數組的左移運算，使最后一位變成1。下一次接收到的信號如果為0，即當500 Hz解調電路模塊輸出高電平且600 Hz解調電路模塊輸出為低電平時，證明接收到的聲波信號代表數字0，類似搖桿下鍵被按下，此時先將進位位置0，再攜帶進位左移，則最后一位變成0，倒數第二位變成1。每個按鍵8位是一個循環，兩個按鍵即接收16位是完整的一次循環。將該16位信息轉換成十六進制數顯示在液晶屏，得到解碼結果，如圖9所示。

4 結 語

（1）文中分析了聲波信號在油管柱傳輸時的特性，包括聲波的波動方程、沿油管柱傳輸時的衰減特性、井下傳輸的噪聲干擾等，得出了聲波在井下傳輸時會有一種梳狀濾波器結構特性， 從而要求井下聲波傳輸時考慮選擇窄帶調頻波作為模擬系統搭建的媒介。

（2）文中分析了實際操作系統如何達到聲波調制和解調的目的，分析如何生成窄帶調頻波與LM567音頻解碼模塊的功能特性，并對開發板和音頻解碼模塊如何連接進行了詳細分析，從而實現了拾取聲波、解碼顯示的目的。

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