一種新型井下聲波發生裝置及其聲波傳播特性

王 慶 管志川 劉永旺 張 波 李 成

1.中國石油大學（華東）石油工程學院 2.山東省深地鉆井過程控制工程技術研究中心3.中國石油塔里木油田公司油氣工程研究院

0 引言

井下信息的準確高速傳輸是保障復雜工況中多風險共存背景下安全高效鉆井作業的關鍵之一。隨著油氣資源勘探開發力度的不斷增大，深井超深井的井下情況日益復雜，智能化鉆井設備的廣泛應用對井下信息的傳輸速率提出了更高的要求[1]。研發出速度快、準確性高、抗外界因素干擾能力強的井下信息傳輸方法成為安全高效鉆井所需要攻克的瓶頸問題之一。井下信息聲波傳輸技術因傳輸過程不依賴鉆井液，不受地層性質的限制，并且具有傳輸設備結構簡單、易于定向發射等優點，有望成為突破上述瓶頸的關鍵技術[2]。目前，國外部分聲波傳輸系統已經開展了初步的應用，包括美國哈里伯頓公司研發的油井測試聲波傳輸系統和加拿大XACT井下遙測公司研制的無線隨鉆測量系統，最大傳輸深度和速率可達 3 600 m 和 33 bps/s，展現出良好的應用前景[3-5]。國內亦開展了相關研究，并取得了重大進展。振動波井下通訊技術已在分層注水信息傳輸中進行了現場測試[6]，地層出砂和叢式井防碰等領域也采用與聲波傳輸相關的技術[7]。相關研究人員也研究了不同因素對鉆柱中聲波傳輸特性的影響，包括管柱結合方式[8]與尺寸特性[9]、鉆柱彎曲[10]、鉆井流體阻尼[11]、地層阻尼[12]和噪聲[13-14]、換能器激勵參數[15]等，建立了基礎傳輸模型和實驗裝置[16-18]。

然而，井下信息聲傳輸技術還未成為現場的主要測控手段。究其原因，井下信息聲傳輸系統裝置的缺乏是制約該技術從理論分析與實驗研究走向現場應用的難題之一。井下信息聲傳輸系統由井下聲波信號的發生、中繼和接收裝置組成，其中聲波發生裝置作為聲信號的源點，是整個系統的關鍵。為攻克上述難題，筆者設計了一種新型井下聲波發生裝置，并通過建立的試驗系統開展了裝置的功能性及關鍵參數設計的試驗研究。

1 聲波發生裝置原理與結構設計

1.1 井下用聲波換能器的選擇

換能器作為實現井下電能—聲能轉換的元件，是井下聲波發生裝置的核心。低頻縱波因在鉆柱中傳播速度快、能量衰減小、接收及分析難度小而成為井下信息聲載波的首選，當前常用產生縱波的換能器有夾心壓電換能器和磁致伸縮換能器兩種，然而夾心壓電換能器因生產制造難度大，安裝及井下供電困難而難以應用于井下。超磁致伸縮換能器因具有應變大（5～10倍于壓電陶瓷）、輸出功率高、高可控性、結構緊湊及工作溫度范圍廣（－50～70 ℃）等優點[19]，是井下復雜有限空間中高溫高壓環境下聲波發生換能器的首選。因此，選擇超磁致伸縮換能器作為井下用聲波換能器。

1.2 超磁致伸縮換能器結構及原理

基于能量轉換材料——國產Terfenol-D棒（?10 mm×40 mm，在 6～ 8 MPa壓力下，磁場強度為 10 000 kA/m時，軸向應變值達 1.2×10－3）設計的超磁致伸縮換能器結構及實物如圖1所示。當換能器工作時，由脈沖電源產生脈沖電流施加于換能器的激磁線圈上，超磁致伸縮棒在交變磁場作用下產生伸縮變化，將電能轉換成一定頻率的機械振動，其發射主頻為800 Hz，工作頻帶寬度范圍介于20 Hz ～ 25 kHz。

1.3 換能器聲波輻射方式設計與優選

1.3.1 換能器聲波輻射方式設計

換能器聲波輻射方式是指聲波從換能器進入鉆柱系統的方式，換能器作為井下聲波發生裝置的核心部件，其聲波輻射方式是決定聲波發生端聲傳遞效率及鉆柱中聲傳播特性的關鍵。由于超磁致伸縮換能器輸出端是圓形截面，而鉆柱截面是直徑遠大于換能器輸出端的環形截面。因此，設計的換能器聲波輻射方式不僅要保證進入鉆柱中的聲波特性不發生畸變，還需將聲波在傳遞時的能量損失降到最低。

圖1 井下用磁致伸縮換能器結構及實物圖

利用平面波在鉆柱中傳輸井下信息對聲信號穩定性及接收端信號質量都十分有利，鉆柱中平面波的產生取決于換能器聲波輻射進入鉆柱管體的方式，其最優輻射方式是換能器輸出端具有與鉆柱管體相同的環形截面的環狀輻射，這在井下復雜有限空間內基于超磁致伸縮換能器是很難實現的。

綜合考慮井下安裝條件與超磁致伸縮換能器結構特征，筆者設計了周向多點聲波輻射與中心單點變幅桿聲波輻射兩種輻射方式，以期能達到與環狀輻射方式同等效果。其中周向多點聲波輻射方式是通過在管柱截面周向均勻分布多個換能器將聲波傳入管柱；中心單點變幅桿聲波輻射方式是利用變幅桿結構思想，將換能器安裝位于鉆柱軸線處的變幅桿小端面上，通過變幅桿將換能器發出的聲波傳入鉆柱中進行傳播。

1.3.2 換能器聲波輻射方式優選

為了從上述設計的兩種換能器聲波輻射方式中優選出最佳方案，設計了如圖2所示的兩種測試方案對不同換能器聲波輻射方式的聲傳播效果進行對比分析。

圖2 不同換能器聲波輻射方式傳輸效果測試方案圖

控制測試條件一致，兩種測試方案得到的接收端聲波信號如圖3所示。測試結果可見，采用周向多點聲波輻射方式得到接收端同一接收面上周向均勻分布的4個加速度計測得的聲波幅值差異明顯，說明該方式下鉆柱管體中獲得的聲波為非平面波；比較而言，采用中心單點變幅桿聲波輻射方式得到接收端不同測點接收信號波形與幅值不存在明顯差異，說明該方式能夠獲得平面波，可以實現與最優輻射方式同等的聲傳播效果。因此，選擇中心單點變幅桿輻射方案作為井下聲波發生裝置中換能器的安裝形式。

1.4 井下聲波發生裝置整體結構設計

根據設計的超磁致伸縮換能器與中心單點變幅桿換能器聲波輻射方式，設計了如圖4所示的井下聲波發生裝置。

其工作原理為：通過探測儀器連接管將測得的井下信息傳輸至編碼及轉碼電路進行信號的編碼與轉碼，進而傳輸至換能器驅動電路進行放大，并驅動換能器將電信號轉換成聲波信號輻射進入鉆柱中傳輸，實現井下信息聲波信號的發生。其中聲信號發生單元主要包括換能器、預緊材料、聲傳遞介質與變幅桿，換能器通過尾部的預緊材料固定在換能器保護筒內，其產生聲波通過聲傳遞介質傳遞到變幅桿中，繼而進入鉆柱進行傳播。裝置中設置預緊材料的目的是實現換能器保護筒中的換能器、聲傳遞介質、變幅桿的緊密連接，設置聲傳遞介質的目的是降低因為換能器連接桿面積（輸出端）與變幅桿小端面積的差異性導致的聲波能量損失，同時濾除傳入變幅桿的干擾信號。

圖3 不同聲波輻射方式4個加速度計的傳輸效果測試圖

圖4 井下聲波發生裝置結構圖

從上述裝置可以看出，鉆柱中聲信號的傳輸距離與傳輸質量取決于聲信號發生單元，因此聲信號發生單元是整個裝置設計的關鍵。變幅桿參數、聲傳遞介質與換能器預緊狀態是聲信號發生單元中影響聲能量傳遞效率與質量的關鍵因素，因此對上述3個關鍵因素的參數進行進一步設計。

2 變幅桿設計

2.1 變幅桿類型選擇與參數設計

變幅桿主要用于換能器輸出位移振幅較小時將機械振動位移或速度振幅放大，把能量集中在較小的輻射面上進行聚能。而在聲波發生單元設計過程中，采用變幅桿結構是為了使聲信號傳遞過程不受截面效應影響，將聲波從變幅桿小端面傳遞到大端面上，期間必然造成能量的損失。因此在變幅桿設計過程中，除了保證換能器輸出端面在接入變幅桿后不致改變原有工作狀態外，還需有效地降低聲波能量的損失。

圓錐、指數及懸鏈線是3種常用的變幅桿類型，研究發現在同等條件下，隨長度增加，圓錐變幅桿的兩端振幅變化最小，這符合本文降低聲能量損失的要求。同時考慮鉆柱內部鉆井液過流需求，筆者選擇帶內孔的單級圓錐變幅桿進行設計。

忽略變幅桿縱向變形對橫向變形的影響，同時認為桿由均勻、各向同性材料構成，縱波沿桿軸向傳播。作用在變幅桿微元(x, x+dx)上的張應力為由牛頓定律可得變幅桿的動力學方程[20]為：式中A=A(x)表示桿的橫截面積函數；ξ=ξ(x)表示質表示應力函數，E表示楊氏模量；ρ表示桿材料的密度。在簡諧振動的情況下，由式（1）可得變截面桿的縱振方程為：

圖5 井下聲波發生裝置變幅桿結構圖

井下聲信號發生裝置的變幅桿分析結構如圖5所示，設計過程中將原鉆井液流道簡化為截面為等面積環形的鉆井液流道。

坐標原點x=0處的直徑為R1，x=L處為R3，環狀流道內徑為R2，其面積函數為：

設變幅桿兩端面的力和振動速度分別為F1、，方程（2）的解為：

變幅桿的放大系數（Mp）是指在變幅桿在諧振狀態下工作時，變幅桿的輸出與輸入端之間位移比值。本文裝置中聲波從小端面輸入經由變幅桿在大端面輸出，放大系數越大表明聲波能量損失越大。因此需對變幅桿的參數進行設計來降低放大系數。

由式（7）可得振幅放大系數為：

由式（8）可知，大端半徑R1、小端半徑R2、環狀流道外徑R3及整體長度L是決定變幅桿放大系數的關鍵參數。其中由換能器安裝要求設計R2為20 mm；由裝置結構可知，變幅桿大端延伸部分外表面為連接螺紋，即變幅桿大端半徑等于外螺紋小端半徑，對具有不同標準外徑的井下鉆具而言，有著與其相對應的標準連接螺紋，因而對于確定的鉆桿類型，其大端外徑（R1）為固定值。因此，對于已知鉆柱類型，大端半徑與小端半徑均為已知參數，此時決定鉆井液過流面積及變幅桿強度的環狀流道外徑也為定值。

由此可知，對于與已知鉆柱類型配合使用的井下聲波發生裝置而言，只能通過對變幅桿長度進行設計來降低其放大系數。定義無量綱參數變幅桿長徑比（H）為長度（L）與大端外徑（R1）的比值。則放大系數可表示為：

2.2 設計實例及可靠性分析

以標準?127.0 mm鉆桿為例，接頭外徑168.28 mm，變幅桿大端外徑R1=70 mm，變幅桿小端半徑R2=35 mm，環狀流道外徑R3=50 mm，常用的用于井下信息聲載波頻率一般在0.6～1.5 kHz低頻區間內選取，根據式（9）計算得到不同載波頻率下放大系數隨長徑比變化規律如圖6所示。

由圖6可知，隨著變幅桿長徑比增加，放大系數呈現先減小后增大的變化趨勢，存在極小值；在0.6～1.5 kHz低頻段內隨載波頻率增加，放大系數最小值所對應的長徑比逐漸減小，所以在確定的載波頻率下進行變幅桿設計時，應在極小值點對應的長徑比附近進行選擇。

圖6 變幅桿放大系數與長徑比關系圖

井下信息聲載波常用推薦頻率有0.65 kHz和1.41 kHz，當選擇1.41 kHz聲波作為通信載波時，變幅桿放大系數極小值點對應長徑比介于7.5～8.0。因此應用于標準?127.0 mm鉆桿的變幅桿長度為0.5 m。為驗證所設計變幅桿在井下工作的可靠性，通過有限元軟件對其進行流場及強度可靠性分析。模擬工作環境參數：井深 3 000 m，泵壓 20 MPa，排量 35 L/s，鉆壓100 kN，扭矩20 kN·m，計算結果如圖7所示。

通過對變幅桿內部流場及強度分析可知，變幅桿內流體速度峰值出現在環狀流道入口處，峰值約為11.88 m/s，據現場數據，應用于四川某井的HTMWD儀器內流體最大速度達60 m/s，且連續工作1 000 h以上沒有出現沖蝕破壞；最大等效應力91.19 MPa出現在外螺紋根部，遠遠小于材料的屈服強度785 MPa，最大變形0.07 mm出現在變幅桿大徑端，變形量很小，基本可以忽略。因此，所設計的變幅桿在井下應用時抗沖蝕能力強，機械強度安全可靠。

3 井下聲波發生裝置的試驗研究

為了測試基于超磁致伸縮換能器的井下聲波發生裝置的功能性與聲傳遞效果，同時對聲信號發生單元中聲傳遞介質與換能器預緊狀態進行設計，根據上述設計參數建立如圖8所示試驗裝置。

3.1 試驗裝置簡介

圖7 變幅桿可靠性分析云圖

圖8 聲波井下通信測試裝置照片

試驗裝置包括聲波發生系統、鉆柱系統、聲波接收及處理系統。聲波發生系統為所設計的井下聲波發生裝置，主要由超磁致伸縮換能器、變幅桿、發生信號調節器和電源模塊組成，發生信號調節器通過換能器與鉆柱連接，可實現不同參數條件下聲波的發生功能；鉆柱系統由3根?127.0 mm標準鉆桿連接而成；鉆柱另一端連接有聲波接收與處理系統，用于聲波信號的接收、顯示、存儲及時域和頻域分析。

3.2 聲傳遞介質對聲波傳播的影響研究

裝置中設置聲傳遞介質的目的是降低因為換能器連接桿面積（輸出端）與變幅桿小端面積的差異性導致的聲波能量損失，同時濾除傳入變幅桿的干擾信號。聲波從一端面傳遞到另一端面聲波能量的損失程度與兩端面材料的聲波阻抗差異性有關，變幅桿材料與不同金屬材料的聲阻抗如表1所示。

表1 不同金屬材料聲阻抗表

為測試不同阻抗材料的能量傳遞與濾波功能，分別選擇阻抗低于換能器連接桿的鋁制材料與阻抗位于換能器連接桿與變幅桿之間的黃銅材料加工成相同尺寸的傳遞介質（如圖8-b所示），其小端直徑為20 mm，大端直徑35 mm。并控制傳遞介質材料為單一變量進行實驗研究。測試結果如圖9所示。

圖9 不同聲傳遞介質材料的聲波頻譜對比圖

由圖9測試頻譜可見，使用變幅桿進行實驗得到聲波頻譜穩定且通阻帶區分明顯，設計的變幅桿達到了預期效果。聲波經由兩種聲傳遞介質進入鉆柱中時的聲傳播特性雖存在相同之處，但也有較大差異，具體表現在：①頻譜中通帶均分布在0～5 kHz范圍的低頻段，且通帶位置基本相同，不同聲傳遞介質對通帶位置分布不產生影響；②當使用黃銅材質時，頻譜中通阻帶區分更為明顯，且通帶內聲波振幅大、毛刺曲線少，雜波干擾信號更輕微，濾波效果更佳；進入鉆柱的聲波能量明顯高于使用鋁制傳遞介質。

綜上分析，黃銅介質在濾波效果與聲能量傳遞效率兩方面都要優于鋁介質。分析導致該現象的原因是黃銅聲阻抗位于換能器連接桿與變幅桿阻抗之間，使得聲波在界面傳遞時的能量損失較小，而鋁聲阻抗遠小于變幅桿聲阻抗，會導致聲波能量在聲傳遞介質與變幅桿接觸界面上存在較大損失。從不同金屬材料聲阻抗表中可以看出，聲阻抗位于換能器連接桿與變幅桿之間的金屬材料中，黃銅的經濟成本低。因此確定黃銅作為聲傳遞介質的首選。

3.3 換能器預緊狀態對聲波傳播的影響研究

換能器的預緊狀態是指換能器安裝在保護筒中的受力狀態，這種受力狀態是由預緊材料實現的。由換能器內部Terfenol-D棒在一定預應力狀態下能夠提高其輸出效率可知，與輸入端面緊密接觸的換能器外部所受的應力狀態也將影響聲波的傳播效率。

預緊材料與預緊力大小是決定換能器預緊狀態的兩個主要因素，預緊材料不同會導致聲波通過預緊材料傳播到換能器保護筒中聲波能量不同，影響聲波傳播效率，預緊力大小不同會導致聲波發生單元各部件連接的緊密程度，從而影響聲波傳播效率。為分析出兩者中影響換能器聲波傳播效率的主導因素與影響規律，選擇碟形彈簧（高碳鋼，阻抗為46×103MPa/s）與聚四氟乙烯圈（阻抗為27×103MPa/s）兩種預緊材料進行試驗研究。

從圖10-a所示測試結果可見，聲波頻譜中通阻帶位置分布基本一致，但使用碟形彈簧較聚四氟乙烯圈而言，頻譜振幅明顯偏大，聲波能量損失小，傳遞效率高。說明使用碟形彈簧作為預緊材料能夠減少聲波能量的損失，提高傳遞效率，分析導致這種現象的原因是碟形彈簧比聚四氟乙烯圈具有更大的剛度，在相同壓縮距離之下能夠提供更大的預緊力。由此可見預緊力對換能器聲傳播效率的影響程度遠高于預緊材料的影響。因此，需對預緊力對換能器聲傳播效率的影響規律進行進一步研究。

采用調節碟簧壓縮距離的方式實現不同預緊力條件進行試驗研究，并采用相對聲波能量（不同預緊力下聲波能量與無預緊力下聲波能量之比）為縱軸，預緊力大小為橫軸進行作圖分析。從圖10-b所示實測結果中可見，換能器預緊力大小對聲傳播特性影響顯著：在預緊力處于0～4.50 kN時，隨預緊力增加，相對聲波能量急劇上升，聲波能量傳遞效率上升明顯；在預緊力處于4.50～7.20 kN時，隨預緊力增加，相對聲波能量上升趨勢變緩，在預緊力大于7.20 kN之后，預緊力的增加對聲波能量的影響不大，聲波能量維持一恒定值，此時接收端聲波能量是無預緊力狀態下聲波能量的八倍。

綜上分析，換能器預緊力大小雖對頻譜中通阻帶位置分布影響不大，但是對聲波能量傳遞效率影響顯著。因此，為有效提高井下聲波發生裝置的能量傳播效率，同時保證換能器端部不產生受壓變形，通過碟形彈簧對換能器施加預緊力在7.20 kN左右為宜。

圖10 不同換能器預緊材料下聲傳播特性對比圖

4 結論與建議

1）采用超磁致伸縮換能器作為井下用聲波換能器，當采用中心單點變幅桿結構輻射換能器聲波時，鉆柱中能夠獲得理想的平面波。

2）變幅桿參數對頻譜通阻帶位置影響不大，但對聲波能量傳播效率影響顯著，隨著變幅桿長徑比增加，放大系數呈現先減小后增大的變化趨勢，當選用的載波頻率位于當前常用低頻段內，變幅桿長徑比應在放大系數極小值點對應值附近進行設計。

3）安裝在換能器輸出端部的聲傳遞介質材料對頻譜通阻帶位置影響不大，但對濾波效果與聲波能量傳遞效率影響明顯，聲阻抗位于換能器連接桿與變幅桿之間的材料具有更好的濾波效果與能量傳遞效率，黃銅是聲傳遞介質的優選材料。

4）換能器的預緊狀態對頻譜通阻帶位置影響不大，但預緊力大小對聲波能量傳播效率影響顯著，7.20 kN左右的換能器預緊力使得鉆柱中聲能量傳遞效率最大。

5）建議進一步研究聲發射端機械結構及聲載波參數等因素對鉆柱中聲傳播特性的影響，以加快實現井下信息聲傳輸技術現場應用的步伐。