鉆桿聲波傳輸對(duì)可調(diào)脈寬驅(qū)動(dòng)的敏感性研究

高 理，程為彬，滿榮娟，李 杰

(西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

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鉆桿聲波傳輸對(duì)可調(diào)脈寬驅(qū)動(dòng)的敏感性研究

高 理，程為彬，滿榮娟，李 杰

(西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

設(shè)計(jì)了一種占空比可調(diào)的激振器驅(qū)動(dòng)電路，并對(duì)短距離鉆桿進(jìn)行聲波傳輸試驗(yàn),研究占空比可調(diào)的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)單鉆桿聲波傳輸特性的影響。脈沖信號(hào)頻率不同時(shí)，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比從10%到90%變化，利用壓電傳感器接收傳輸信號(hào)。測(cè)試數(shù)據(jù)分析表明：所設(shè)計(jì)的電路可以輸出占空比任意調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，且占空比在20%～30%時(shí)鉆桿聲波信號(hào)傳輸效果較好。

聲波傳輸；鉆桿；脈沖波；占空比

高理，程為彬，滿榮娟，等.鉆桿聲波傳輸對(duì)可調(diào)脈寬驅(qū)動(dòng)的敏感性研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，31(6)：104-107.

GAO Li,CHENG Weibin,MAN Rongjuan,et al.Study on sensitivity of drill pipe sound wave transmission to the adjustable pulse width driving[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(6):104-107.

引 言

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是現(xiàn)代鉆井技術(shù)的發(fā)展方向，該技術(shù)主要包括旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)和雙向通訊技術(shù)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具將近鉆頭處傳感器測(cè)得的井斜角、方位角和工具面角等參數(shù)通過短程通訊傳輸?shù)诫S鉆測(cè)量系統(tǒng)MWD(Measure While Drilling)，再由上傳通道傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控平臺(tái)。井下短程通訊是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，由于傳感器與MWD被井下馬達(dá)隔開，傳感器無法用線纜與MWD連接，因此需要采用一種高速、準(zhǔn)確的無線通訊技術(shù)[1]。

井下信號(hào)無線傳輸?shù)姆椒ㄓ须姶挪ǚê吐暡ǚāｋ姶挪ㄐ盘?hào)在巖石中衰減嚴(yán)重，易受鉆井設(shè)備和低電阻巖石的干擾，信號(hào)的探測(cè)和接收比較困難[2-3]。鉆桿中的聲波通訊是以剛性管壁為傳播介質(zhì)、以聲波為信號(hào)載體進(jìn)行井下數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸。聲波傳輸方式不受鉆井介質(zhì)、地層等外界條件的限制，具有激勵(lì)簡單、傳輸介質(zhì)穩(wěn)定和成本較低的優(yōu)點(diǎn)，為井下信息高速傳輸提供有利條件，是井下短程通訊的新嘗試[4-5]。目前，聲波傳輸技術(shù)在國外已通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，處于半商業(yè)化狀態(tài)[6-8]，而國內(nèi)在該領(lǐng)域還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

聲波信號(hào)在鉆桿中傳輸存在衰減，為了優(yōu)化短距離聲波傳輸特性，本文設(shè)計(jì)占空比可調(diào)的激振器驅(qū)動(dòng)電路，研究單鉆桿聲波傳輸信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的敏感性。

1 試驗(yàn)裝置

鉆桿聲波傳輸試驗(yàn)裝置模擬近鉆頭處到MWD的聲波傳輸，如圖1所示，主要由聲波激勵(lì)部分和聲波接收部分組成， 激振器驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生可編程脈沖波驅(qū)動(dòng)激振器激勵(lì)鉆桿，將脈沖波的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)鉆桿產(chǎn)生聲波信號(hào)。聲波接收部分由壓電傳感器、電荷放大器和示波器組成，聲波信號(hào)在長1.28 m的剛性單鉆桿中進(jìn)行傳輸，壓電傳感器在鉆桿另一端接收信號(hào)，并通過電荷放大器后在示波器上顯示、存儲(chǔ)信號(hào)波形。對(duì)脈沖波的頻率和占空比進(jìn)行編程設(shè)置，以測(cè)試不同頻率下傳輸特性對(duì)脈沖波占空比的敏感特征。

圖1 聲波傳輸試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram for acoustic transmission test device

2 激振器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

激振器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是聲波傳輸試驗(yàn)裝置的重要部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，激振器驅(qū)動(dòng)電路主要包括單片機(jī)系統(tǒng)電路、顯示電路、鍵盤電路、功率放大電路和電源電路。

圖2 激振器驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram for vibration exciter drive circuit

單片機(jī)系統(tǒng)利用定時(shí)器中斷方式產(chǎn)生可編程的脈沖信號(hào)，LCD實(shí)時(shí)顯示脈沖信號(hào)的頻率和占空比，使用1602液晶分別顯示輸出狀態(tài)、參數(shù)名稱、參數(shù)代碼和數(shù)據(jù)4個(gè)模塊。鍵盤電路設(shè)計(jì)參數(shù)選擇鍵、遞增鍵、移位鍵和確認(rèn)鍵與I/O端口連接，4個(gè)按鍵配合使用設(shè)置脈沖信號(hào)頻率和占空比的大小。單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)沒有帶載能力，使用功放芯片LM3886驅(qū)動(dòng)激振器正常工作，LM3886外圍電路連接簡單，是同向比例放大電路。電源電路為整個(gè)激振器驅(qū)動(dòng)電路提供直流電壓信號(hào)。

脈沖信號(hào)的占空比是通過單片機(jī)輸出高低電平時(shí)間來改變的，由設(shè)置的頻率和占空比計(jì)算Ton、Toff。在Keil軟件編程中使用定時(shí)器中斷子程序，采用定時(shí)器工作方式1，給定時(shí)器賦初值TH0=(65536-Ton)/256、TL0=(65536-Ton)%256，定時(shí)時(shí)間到產(chǎn)生中斷，輸出信號(hào)取反，重新給定時(shí)器賦初值TH0、TL0，中斷循環(huán) I/O口輸出占空比和頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)。

試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，驅(qū)動(dòng)激振器的頻率可調(diào)范圍為1～100 Hz，步進(jìn)為1 Hz；占空比的可調(diào)范圍為1%～99%，步進(jìn)為1%。

3 聲波敏感性試驗(yàn)研究

試驗(yàn)過程中，激振器置于與剛性單鉆桿中心軸垂直的徑向位置，接收端采用徑向接收方式，鉆桿無螺紋連接，長度1.28 m，質(zhì)量41 kg，外徑140 mm，內(nèi)徑120 mm，管壁厚10 mm[9]，激勵(lì)頭與鉆桿表面相距0.8 mm。

3.1 恒頻調(diào)占空比測(cè)試

以電壓Vpp=3.8 V脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)激振器激勵(lì)鉆桿，信號(hào)的頻率為15 Hz時(shí)，調(diào)節(jié)信號(hào)的占空比從10%增大到90%，不同占空比驅(qū)動(dòng)時(shí)接收信號(hào)電壓幅值如表1所示。

由表1可知，相同驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)頻率下，傳輸信號(hào)電壓幅值隨著占空比增大呈現(xiàn)非線性變化，占空比在30%信號(hào)幅值最大，70%信號(hào)幅值最小，聲波傳輸信號(hào)幅值對(duì)不同占空比具有不同的敏感性。

表1 15 Hz時(shí)不同占空比接收信號(hào)電壓幅值Tab.1 Voltage amplitudes of receiving signal under different duty ratios at 15 Hz

3.2 不同頻率下可變占空比測(cè)試

驅(qū)動(dòng)電壓幅值不變，調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的頻率從3 Hz逐步升高到41 Hz，固定頻率調(diào)節(jié)信號(hào)的占空比從10%到90%變化，進(jìn)行測(cè)試，可得聲波接收信號(hào)幅值與脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率、占空比關(guān)系如圖3所示。

圖3 接收信號(hào)幅值與脈沖頻率、占空比關(guān)系Fig.3 Relationship between voltage amplitude of receiving signal and pulse frequency and duty ratio

由圖3可知：①驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率恒定而占空比增大時(shí)，接收信號(hào)幅值不存在單調(diào)性，在占空比可調(diào)范圍內(nèi)存在最大值和最小值，聲波傳輸信號(hào)對(duì)不同占空比的敏感性不同。②驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比恒定，接收信號(hào)幅值隨著頻率增大而增大，聲波傳輸信號(hào)對(duì)較大頻率激勵(lì)信號(hào)的占空比比較敏感。③頻率從3 Hz增大到41 Hz，綜合考慮，占空比在20%～30%時(shí)聲波傳輸信號(hào)效果較好。

4 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)的激振器驅(qū)動(dòng)電路可以產(chǎn)生占空比、頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)，試驗(yàn)驗(yàn)證了該電路可以應(yīng)用于短距離鉆桿聲波傳輸系統(tǒng)中。

(2)通過恒頻調(diào)占空比與不同頻率下調(diào)占空比試驗(yàn)測(cè)試，聲波傳輸對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不同占空比敏感性不同，對(duì)較大頻率驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比比較敏感。

(3)在不同頻率下，20%～30%是鉆桿聲波傳輸?shù)淖罴羊?qū)動(dòng)信號(hào)占空比，可選擇作為短距離鉆桿聲波傳輸時(shí)脈沖波的占空比。

[1] 李林.隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)的井下短距離無線傳輸技術(shù)研究[J].石油鉆探技術(shù)，2007,35(1)：45-48. LI Lin.Study of short-distance wireless transmission of measurement while drilling data[J].Petroleum Drilling Techniques,2007,35(1):45-48.

[2] 盧建軍，汪躍龍，吳應(yīng)龍，等.基于2DPSK的井下短程通訊系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007,22(6)：93-95,100. LU Jianjun,WANG Yuelong,WU Yinglong,et al.Simulation of the down-hole short-distance communication system based on 2DPSK[J].Journal of Xi'an Shiyou University(Natural Science Edition),2007,22(6):93-95,100.

[3] 陳玉華，王希勇.氣體鉆井MMWD隨鉆數(shù)據(jù)傳輸及試驗(yàn)研究[J].鉆采工藝，2015,40(4)：11-14. CHEN Yuhua,WANG Xiyong.Gas drilling MMWD data transmission and experimental research[J].Drilling & Production Technology,2015,40(4):11-14.

[4] 李琪，彭元超，張紹槐，等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井信號(hào)井下傳送技術(shù)研究[J].石油學(xué)報(bào)，2007,28(4)：108-111. LI Qi,PENG Yuanchao,ZHANG Shaohuai,et al.Study on signal transmission technique in rotary steering drilling[J].Acta Petrolei Sinica,2007,28(4):108-111.

[5] 景宇富，程為彬，郭穎娜，等.井下套管聲波通訊的小波去噪[J].石油機(jī)械，2011,39(6)：33-35. JING Yufu,CHENG Weibin,GUO Yingna,et al.The wavelet denoising in downhole casing acoustic communication[J].China Petroleum Machinery,2011,39(6):33-35.

[6] NEFF J M,CAMWELL P L.Field-test results of an acoustic MWD system[C].SPE/IADC 105021,2007.

[7] CHAMPION B P .A novel wireless solution to address uncertainties in reservoir connectivity[C].SPE102547,2006.

[8] GAO L,GARDNER W,ROBBINS C,et al.Limits on data communication along the drill string using acoustic waves[C].SPE 95490,2005.

[9] 賈宏亮，程為彬，郭穎娜，等.短距離鉆柱聲波傳輸特性試驗(yàn)研究[J].石油機(jī)械，2014,42(7)：32-35. JIA Hongliang,CHENG Weibin,GUO Yingna,et al.Experimental study on short-range acoustic transmission characteristics in drill string[J].China Petroleum Machinery,2014,42(7):32-35.

責(zé)任編輯：董 瑾

Study on Sensitivity of Drill Pipe Sound Wave Transmission to the Adjustable Pulse Width Driving

GAO Li,CHENG Weibin,MAN Rongjuan,LI Jie

(College of Electronic Engineering,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,Shaanxi,China)

A vibration exciter driving circuit with variable duty ratio was designed and its acoustic transmission experiment of short drill pipe was finished to study the effect of the pulse drive signal with variable duty ratio on the single drill pipe acoustic transmission characteristics.When the frequency of pulse is different,the duty ratio of the pulse signal is changed from 10% to 90%,and the transmission signal is received by the piezoelectric sensor.The analysis of test data shows that the designed circuit can output the driving signal with the variable duty ratio,and the transmission effect of the drill pipe acoustic signal is better when the duty ratio is in the range of 20%～30%.

acoustic transmission;drill pipe;pulse;duty ratio

2015-12-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：61174191)；陜西省工業(yè)攻關(guān)計(jì)劃(編號(hào)：2013K07-14)；西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目“井下短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)開發(fā)”(編號(hào)：CX1260①)

高理(1971-)，女，工程師，碩士，主要從事信號(hào)與信息處理研究。E-mail：lgao@xsyu.edu.cn

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.06.016

TE921

1673-064X(2016)06-0104-04

A