聲信號在井下管結(jié)構(gòu)傳輸特性的研究

周 靜，高建邦，邱 彬，李 娜

聲信號在井下管結(jié)構(gòu)傳輸特性的研究

周 靜，高建邦，邱 彬，李 娜

（西安石油大學(xué)井下測控研究所，西安710065）①

井下管結(jié)構(gòu)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?。這種傳輸方式簡單易行，且投資少；但因鉆柱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(luò)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(jié)構(gòu)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(shù)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?，但這種方式只能實(shí)現(xiàn)幾個(gè)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(shù)要求［3-4］。電磁波傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用對地層有要求，只有當(dāng)?shù)貙与娮杪蚀笥?0 Ωm時(shí)才能有效地進(jìn)行信息傳輸，當(dāng)?shù)貙咏Y(jié)構(gòu)較復(fù)雜時(shí)，就不能有效地工作，而且當(dāng)井深超過1 000m時(shí)，信號衰減嚴(yán)重［5-6］。智能鉆桿通信技術(shù)是利用特別的鉆桿建立智能鉆桿網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)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?。?］；隨著聲波沿鉆柱傳輸理論研究的進(jìn)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(lǐng)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(jié)構(gòu)

波動(dòng)方程的數(shù)值解作為聲信號的信道模型，縱波波動(dòng)方程為

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

聲波縱波沿鉆桿軸向z軸振動(dòng)的位移方程為

式中：u，u為前進(jìn)位移幅值和反射位移幅值；ω為振動(dòng)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(jié)構(gòu)，設(shè)鉆桿和接箍的材料相同，都為均勻介質(zhì)。鉆具由鉆桿和接箍連接，每部分由1個(gè)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(shè)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(jié)構(gòu)

假設(shè)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(yīng)力連續(xù)的邊界條件。聲波在鉆柱中傳輸?shù)脑乇磉_(dá)式為

將雙端S參數(shù)轉(zhuǎn)化為T參數(shù)得

將N個(gè)鉆桿接箍級聯(lián)即為信道頻域特性模型，其表達(dá)式為

聲信號沿著鉆柱傳播，整個(gè)過程伴隨著復(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特性，且頻帶分布具有一定的周期性和對稱性，鉆柱結(jié)構(gòu)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(zhì)的傳播速度為5 130m／s，衰減系數(shù)為20 dB／km。其管柱結(jié)構(gòu)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(yīng)的頻帶與連接鉆具數(shù)目無關(guān)，只是連接鉆具越多，信道越長，衰減越嚴(yán)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(shí)際信道的特性，由于實(shí)際信道存在機(jī)械誤差，所以給仿真信道的規(guī)格加上一定的誤差則會(huì)使仿真信道特性更符合實(shí)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(yīng)頻率基本相同，但通帶的衰減也隨機(jī)械誤差的增加而增加。

圖4　不同機(jī)械誤差信道的頻譜特性

3　非周期性鉆具模型

在實(shí)際操作中，并不可能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)格的鉆柱級聯(lián)成對稱周期結(jié)構(gòu)，而是不同鉆具組合級聯(lián)的不對稱非周期結(jié)構(gòu)，這就需要在周期鉆具模型的基礎(chǔ)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(dòng)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(yīng)力連續(xù)的邊界條件，雙端口設(shè)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(dá)式為

圖5　鉆桿和接箍組成非對稱鉆具結(jié)構(gòu)

將N個(gè)鉆桿接箍級聯(lián)即信道頻域特性模型，表達(dá)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(yán)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(hù)接頭。各段鉆具之間采用螺紋進(jìn)行連接。假設(shè)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(yán)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(shí)際的鉆具組合更復(fù)雜，而且機(jī)械誤差還會(huì)影響其特性，會(huì)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(huì)阻礙聲信號穩(wěn)定傳輸［14］，信息無法有效恢復(fù)，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(diào)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(jié)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(yuǎn)，接收信號衰減越嚴(yán)重，傳輸性能也受到一定影響。

2） 鉆具的機(jī)械加工不可避免會(huì)存在誤差，機(jī)械加工誤差越大衰減越嚴(yán)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(yán)重，特別是在1．5～3．5 k H z區(qū)間衰減最嚴(yán)重。

4） 實(shí)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(jī)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(shí)，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(shí)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(xiàng)“大型油田及煤層氣開發(fā)”子項(xiàng)目“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向及隨鉆測錄、酸性氣層測試技術(shù)與裝備”（2011Z-X05021-005）；中石化集團(tuán)公司重大專項(xiàng)“鉆井新技術(shù)新方法研究”子項(xiàng)目“智能鉆桿及聲波信息傳輸技術(shù)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(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)研究。