高速率連續(xù)波泥漿脈沖解碼試驗(yàn)管線仿真分析

摘要：隨著國內(nèi)深井、超深井鉆探需求增加，連續(xù)波泥漿脈沖技術(shù)正向遠(yuǎn)距離、高速率方向發(fā)展。中海油服自主搭建了地面6 000 m泥漿循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)，由于測試儀器上游采用50.8 mm軟管，管線壓耗大且變徑反射干擾嚴(yán)重，遠(yuǎn)距離高速率解碼試驗(yàn)研究受限。針對此問題，基于試驗(yàn)系統(tǒng)建立了簡化脈沖器-管線數(shù)值模型，研究50.8 mm軟管對連續(xù)波信號的影響規(guī)律，并通過解碼試驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：測試儀器上游50.8 mm軟管與循環(huán)管線存在擴(kuò)徑，產(chǎn)生的反射波與發(fā)生波疊加導(dǎo)致波形畸變，且隨著頻率升高，發(fā)生波畸變越嚴(yán)重。50.8 mm軟管內(nèi)徑小，管線沿程摩阻壓降大，壓力波的傳輸衰減程度高于等長的地下直管。50.8 mm軟管換成101.6 mm軟管，消除變徑反射和降低沿程摩阻壓降后，低頻壓力波波形改善，傳輸后幅值提高75%以上，有效降低了解碼誤碼率。地面6 000 m管線解碼試驗(yàn)傳輸速率從6 bps提高至8 bps，驗(yàn)證了數(shù)值仿真分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞：深井；連續(xù)波泥漿脈沖；傳輸速率；2FSK；壓力波畸變；數(shù)值仿真

中圖分類號：TE926" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.05.002

Simulation and Analysis of High-rate Continuous Wave Mud Pulse Decoding Experimental Pipeline

ZHANG Lang1， WANG Zhiming1， HAN hu2， TIAN Bohui1

（1.Welltech of China Oilfield Services Limited，Bejing 101149，China；

2.School of Petroleum Engineering，Yangtze University，Wuhan 430100，China）

Abstract：In response to the growing demand for drilling deep and ultra-deep wells in China， continuous wave mud pulse technology is evolving in the direction of long distance and high speed. COSL has constructed a mud circulation experimental system with a depth of 6 000 meters above ground. However， using a 50.8 mm hose upstream of the test instrument results in significant pipeline pressure loss and severe reflection interference due to diameter reduction. Consequently， the long-distance high-rate decoding experimental research is restricted. A simplified tool， namely a pipeline numerical model， has been established based on the experimental system to address this issue. This model has been employed to study the influence of the 50.8 mm hose on continuous wave signals and to verify the findings through decoding experiments. The results indicate that there is an enlargement of the 50.8 mm hose and circulating pipeline upstream of the test instrument， which results in waveform distortion due to the superposition of reflected waves and generated waves. The generated wave distortion becomes more pronounced with an increase in frequency. The inner diameter of the 50.8 mm hose is relatively small， the friction pressure drop along the pipeline is considerable， and the attenuation degree of pressure wave transmission is greater than that of an equal-length underground straight pipe. Following the replacement of the 50.8 mm hose with a 101.6 mm hose， the phenomenon of reducing reflection is eliminated， the friction pressure drop is reduced along the way， the low-frequency pressure wave shape is improved， the amplitude after transmission is increased by more than 75%， and the decoding bit error rate is effectively reduced. Finally， the experimental transmission rate of pipeline decoding at a height of 6 000 meters above ground was increased from 6bps to 8bps， which corroborates the findings of the numerical simulation.superposition of reflected waves and generated waves. The generated wave distortion becomes more pronounced with an increase in frequency. The inner diameter of the 50.8 mm hose is relatively small， the friction pressure drop along the pipeline is considerable， and the attenuation degree of pressure wave transmission is greater than that of an equal-length underground straight pipe. Following the replacement of the 50.8 mm hose with a 101.6 mm hose， the phenomenon of reducing reflection is eliminated， the friction pressure drop is reduced along the way， the low-frequency pressure wave shape is improved， the amplitude after transmission is increased by more than 75%， and the decoding bit error rate is effectively reduced. Finally， the experimental transmission rate of pipeline decoding at a height of 6 000 meters above ground was increased from 6 bps to 8 bps， which corroborates the findings of the numerical simulation.

Key words： deep well；continuous wave mud pulse；transmission rate；2FSK；pressure wave distortion；numerical simulation

隨著油氣資源的不斷開采，剩余油氣資源的鉆探難度增大，深部油氣資源也逐漸成為勘探開發(fā)的重點(diǎn)［1-2］。由于深井、超深井鉆探中井下復(fù)雜情況增多［3-4］，需要及時(shí)進(jìn)行井下數(shù)據(jù)上傳，其中常用的井下無線數(shù)據(jù)傳輸方式為連續(xù)波泥漿脈沖技術(shù)［5-9］。但國內(nèi)的連續(xù)波泥漿脈沖工具使用效果較差，主要表現(xiàn)為信號在深井中的傳輸速率低。

目前，國內(nèi)中海油服研制的連續(xù)波脈沖器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)4 000 m井深12 bps的商用［10-13］，正進(jìn)行深井的高速率傳輸研究，為此，中海油服研究院自主搭建了6 000 m水循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［14-18］。試驗(yàn)系統(tǒng)搭建過程中，測試儀器需要與室外循環(huán)管線連接，由于50.8 mm軟管線重小、彈性大，方便移動和管線連接，便采用50.8 mm軟管進(jìn)行儀器與管線連接。但50.8 mm軟管與室外循環(huán)管線存在變徑，產(chǎn)生的反射波對信號的干擾嚴(yán)重，制約了連續(xù)波脈沖器的遠(yuǎn)距離高速率傳輸試驗(yàn)研究。因此，本文針對目前泥漿循環(huán)測試系統(tǒng)中50.8 mm軟管的連接問題，建立了簡化脈沖器-試驗(yàn)管線數(shù)值仿真模型，研究50.8 mm軟管變徑反射疊加規(guī)律，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，從而為遠(yuǎn)距離高速率試驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。

1 循環(huán)管線數(shù)值仿真模型

1.1 泥漿循環(huán)測試系統(tǒng)組成

圖1為中海油服6 000 m泥漿循環(huán)測試系統(tǒng)［19-20］，主要包括泥漿泵、循環(huán)管線、試驗(yàn)臺架等試驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)施，可以滿足遠(yuǎn)距離高速率泥漿脈沖器試驗(yàn)的需要。測試儀器上游采用50.8 mm軟管與室內(nèi)101.6 mm硬管連接。解碼試驗(yàn)過程中，常用的調(diào)制方式為二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制（2FSK），工作頻率范圍為0～36 Hz。

1.2 數(shù)值仿真模型建立

對試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行分析，測試儀器上游軟管內(nèi)徑為50.8 mm，小于硬管直徑100 mm，且長度為25.1 m，與工作頻率下的波長相近，因此需要研究50.8 mm軟管對壓力波發(fā)生與傳輸衰減的影響規(guī)律。考慮到數(shù)值仿真的計(jì)算效率，將上游6 000 m管線簡化為1 500 m直管，僅保留測試儀器的近端上下游管線特征，同時(shí)為了對比分析50.8 mm軟管的影響，將上游50.8 mm軟管換成101.6 mm軟管，建立了對比模型，兩種管線的數(shù)值仿真模型如圖2所示。

測試儀器的流道抽取復(fù)雜，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分難度大。如圖3所示，對于定、轉(zhuǎn)子，采用Fluent meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對間隙等區(qū)域進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格為蜂窩型多面體網(wǎng)格，其貼壁性相較于六面體網(wǎng)格更好，同時(shí)內(nèi)部網(wǎng)格采用馬賽克網(wǎng)格技術(shù)，減少網(wǎng)格量［14，21-22］。

由于1 500 m管線網(wǎng)格量巨大，上、下游管線采用稀疏方式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，但又需要考慮到不同頻率下網(wǎng)格分辨率不影響壓力波的捕捉和計(jì)算，因此需要進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，徑向網(wǎng)格數(shù)取30，周向網(wǎng)格數(shù)取60，軸向網(wǎng)格步長（一個網(wǎng)格單元的軸向長度）取1.5、1.0、0.75、0.5 m，即以管線總網(wǎng)格量為180、270、360、540 萬個，進(jìn)行了4組不同的仿真實(shí)驗(yàn)。

提取定、轉(zhuǎn)子上下各1 m位置的壓力波（上游為正）數(shù)據(jù)，即x=±1 m，如圖4所示。隨著網(wǎng)格步長從Δx=1.5 m減小至Δx=0.5 m，其上、下游各個周期下壓力波形趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生幅值波動，說明網(wǎng)格分辨率足夠。另外，此次數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)中網(wǎng)格步長為Δx=0.75 m和Δx=0.5 m時(shí)壓力波形均穩(wěn)定下來，滿足網(wǎng)格無關(guān)性，考慮到網(wǎng)格計(jì)算量，后續(xù)仿真采用Δx=0.75 m的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

數(shù)值仿真參數(shù)：間隙1.1 mm，排量1.4 m3/min，清水密度998 kg/m3，工作頻率6、8、12、16 Hz。2FSK方式下6 bps傳輸速率采用6 Hz與12 Hz的頻率組合，8 bps傳輸速率采用8 Hz與16 Hz的頻率組合，定子與轉(zhuǎn)子間隙、排量和試驗(yàn)參數(shù)保持一致。

1.3 邊界條件及初始條件

采用Ansys Fluent軟件進(jìn)行各頻率壓力波仿真研究，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)間隙及轉(zhuǎn)子處流動特征復(fù)雜，而RNG k～？著模型湍流渦捕捉較好，所以采用此模型。忽略溫度變化，壓力波發(fā)生與反射過程滿足流體連續(xù)性方程、動量方程以及流體狀態(tài)方程，具體方程見文獻(xiàn)［21-23］。試驗(yàn)中入口采用泥漿泵定排量泵入清水，因此采用質(zhì)量入口；同時(shí)，管線出口直接排入地下循環(huán)水池，出口設(shè)置為壓力出口，壓力為大氣壓。

在數(shù)值仿真轉(zhuǎn)子啟動前，需要建立一個穩(wěn)定的壓力初場條件，有助于計(jì)算收斂。初場計(jì)算時(shí)，轉(zhuǎn)子處于全開狀態(tài)。圖5a為試驗(yàn)一（50.8 mm軟管）初場計(jì)算收斂后的壓力分布曲線，x=0位置為脈沖器間隙位置，曲線后半段為上游1 500 m直管壓降？駐p1=1.6 MPa，x=±30 m為測試儀器以及近端上下游軟管的長度，局部放大可看出上游50.8 mm的25.1 m軟管壓降？駐p2=1.0 MPa，此壓降主要由于變徑局部壓降和沿程摩阻壓降組成，相比于管線長度其壓降很大，嚴(yán)重影響壓力波的傳輸。最后是測試儀器的壓降？駐p3=0.7 MPa，主要是由于定子、轉(zhuǎn)子間小過流面積和儀器內(nèi)部變徑面產(chǎn)生的壓力損耗。從圖5b試驗(yàn)二（101.6 mm軟管）可以看出上游50.8 mm軟管換成101.6 mm軟管后，軟管壓降降低為？駐p2=0.03 MPa。

建立穩(wěn)定壓力初場后，進(jìn)行轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)瞬態(tài)流場仿真計(jì)算。計(jì)算時(shí)，入口和出口邊界條件不變，但轉(zhuǎn)子采用滑移模型，給定相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。其旋轉(zhuǎn)角速度需要編譯UDF程序，旋轉(zhuǎn)角速度方程為：

棕=sin（2πft）" " "（1）

式中：ω為轉(zhuǎn)子擺動速度，rad/s；f為轉(zhuǎn)子擺動頻率，Hz；t為轉(zhuǎn)子擺動時(shí)間，s。

算例中設(shè)置四處壓力監(jiān)測點(diǎn)：一處測點(diǎn)x=2 m為儀器上游入口位置，此壓力測點(diǎn)位于軟管中，用于監(jiān)測原始壓力波幅值及波形情況；一處測點(diǎn)x=24 m為上游軟管入口位置，此壓力測點(diǎn)也位于軟管中，用于監(jiān)測壓力波在軟管中的傳輸衰減情況；一處測點(diǎn)x=30 m位于地下直管中，用于監(jiān)測壓力波過軟管變徑后的衰減情況；最后一處測點(diǎn)x=360 m用于監(jiān)測不同頻率的壓力波在直管中的傳輸衰減情況。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 上游50.8 mm軟管管線仿真結(jié)果分析

2FSK調(diào)制方式下傳輸速率6 bps采用壓力波6 Hz與12 Hz組合，8 bps采用壓力波8 Hz與16 Hz組合?；谠囼?yàn)一管線（上游50.8 mm軟管）模型仿真結(jié)果，提取各個測點(diǎn)各個頻率下的壓力波時(shí)域數(shù)據(jù)，繪圖時(shí)為了使各頻率壓力波曲線不重疊干擾，進(jìn)行了y軸數(shù)值偏移，偏移量由壓力波幅值決定，如圖6所示。由圖6可看出，x=2 m處的4個頻率下原始發(fā)生波曲線均發(fā)生了波形畸變，頻率越高，波形畸變越明顯，這主要是脈沖器上游50.8 mm軟管變徑反射以及下游出口邊界反射疊加導(dǎo)致。隨著壓力波的頻率升高，波長逐漸減小，其與軟管長度比例逐漸減小，反射疊加相位改變，波形畸變更明顯。

同時(shí)，壓力波在50.8 mm軟管中傳輸衰減后，x=24 m處壓力波幅值降低，而且由于靠近變徑，變徑反射造成的波形畸變更嚴(yán)重。x=30 m處波形基本與x=24 m一致，保持畸變的波形，但壓力波幅值進(jìn)一步降低，這主要是變徑局部壓降以及過流面積改變導(dǎo)致。最后直管內(nèi)傳輸360 m后，x=360 m處壓力波波形逐漸改善，其中畸變部分逐漸衰減消失，這是由于波形畸變的高頻諧波分量衰減快于低頻波，因此12 Hz和16 Hz的剩余幅值明顯低于6 Hz與8 Hz。

計(jì)算各個測點(diǎn)下不同頻率壓力波的幅值，并計(jì)算了各個測點(diǎn)之間的壓力波幅值衰減程度（衰減率定義為衰減幅值與發(fā)生波幅值百分比），如圖7所示。首先，發(fā)生端x=2 m的6、8、12 Hz幅值在1.96～2.0 MPa左右，而16 Hz幅值僅有1.26 MPa，說明了高頻壓力波初始幅值便受到了變徑和邊界反射干擾。之后，在50.8 mm軟管內(nèi)傳輸24 m后，x=24 m處的6 Hz與8 Hz壓力波衰減率在50%左右；而12 Hz和16 Hz壓力波波長短，反射疊加效應(yīng)強(qiáng)，在軟管內(nèi)傳輸過程中會局部出現(xiàn)反射波幅值疊加狀態(tài)，因此其衰減率在35%左右。

過上游50.8 mm軟管后，x=30 m處由于縮徑的局部壓降以及過流面積增大，壓力波幅值再一次發(fā)生衰減，且衰減程度隨著頻率升高而升高，50.8 mm軟管導(dǎo)致的總衰減達(dá)到了70%左右。隨后各頻率壓力波傳輸360 m后，壓力波幅值衰減主要是由于管道沿程摩阻導(dǎo)致，其衰減率遠(yuǎn)小于50.8 mm軟管內(nèi)傳輸以及變徑導(dǎo)致的衰減，這也表明上游50.8 mm軟管嚴(yán)重干擾了信號的正常傳輸，會增加信號的解碼誤碼率。

2.2 上游101.6 mm軟管管線仿真結(jié)果分析

由于101.6 mm軟管內(nèi)徑與地下直管內(nèi)徑相同，消除了上游50.8 mm軟管的局部變徑反射和較大的摩阻壓降?；谠囼?yàn)二管線（上游101.6 mm軟管）模型仿真結(jié)果，進(jìn)行y軸數(shù)值偏移后繪制各測點(diǎn)壓力波時(shí)域圖，如圖8所示。50.8 mm軟管替換成4處軟管后，x=2 m處的6 Hz與8 Hz壓力波波形沒有明顯畸變，但12 Hz與16 Hz的波形明顯受到反射波疊加產(chǎn)生畸變，這是由于脈沖器下游連接了幾十米的硬管，壓力波傳輸至出口時(shí)會發(fā)生邊界反射，高頻波的波長與管線長度相當(dāng)，反射波與發(fā)生波有相位差，從而導(dǎo)致波形畸變。由于上游50.8 mm軟管換成101.6 mm軟管后，軟管內(nèi)徑與地下直管內(nèi)徑一致，其單位

長度沿程摩阻壓降一樣，沒有縮徑反射引起的波形及幅值變化，因此僅需監(jiān)測過101.6 mm軟管后的壓力波形。x=30 m處的波形與x=2 m處的波形基本保持一致，沒有50.8 mm軟管變徑導(dǎo)致的波形再次畸變，但由于各頻率壓力波中含有高頻諧波，且幅值高，因此衰減也更快。隨著傳輸距離的增加，高頻諧波逐漸衰減消失，壓力波形逐漸正弦化，幅值降低，其衰減率也會降低，如x=360 m處的波形所示。

同樣的，計(jì)算各個測點(diǎn)下不同頻率壓力波的幅值，并計(jì)算了各個測點(diǎn)之間的壓力波幅值衰減程度，如圖9所示。首先可以明顯看出，x=2 m處各個頻率下的壓力波幅值均低于試驗(yàn)一，這似乎說明上游換成101.6 mm軟管后信號發(fā)生幅值大幅降低了，信號會變差。但根據(jù)經(jīng)典水擊波公式：？駐p=ρc？駐ν可知壓力波與過流速度呈正比［24］，即與過流面積呈反比，過流面積越小，壓力波幅值越大。由于上游50.8 mm軟管內(nèi)徑小于101.6 mm軟管內(nèi)徑，其x=2 m處測得的壓力波幅值會比較大，但當(dāng)壓力波過50.8 mm軟管進(jìn)入直管后，幅值會迅速降低，因此不能以50.8 mm軟管內(nèi)的幅值來衡量壓力波的質(zhì)量。從圖9a可以看出，隨著

頻率的增加，其衰減率也逐漸上升，且壓力波傳輸完360 m的總衰減率在13%-50%之間，各個頻率傳輸360 m后的幅值與試驗(yàn)一對比如表1。

從表1可以看出，將50.8 mm軟管替換成101.6 mm軟管后，消除了高沿程摩阻壓降和變徑反射干擾后，各頻率壓力波衰減后幅值均有所提高，其中6 Hz與8 Hz顯著提高了82%與77%，這表明了50.8 mm軟管嚴(yán)重影響了信號的發(fā)生與傳輸，不利于試驗(yàn)解碼。同時(shí)，替換成101.6 mm軟管后，高頻信號依然會受到邊界反射干擾，幅值偏小，但在2FSK的調(diào)制方式下，低頻與高頻信號組合調(diào)制，通過保證低頻信號的幅值與波形，解碼時(shí)可將2FSK調(diào)制轉(zhuǎn)換成OOK調(diào)制進(jìn)行解調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)高速率的傳輸解碼。

3 FSK解碼試驗(yàn)驗(yàn)證

中海油服在2022-04—06分別進(jìn)行了兩次泥漿循環(huán)解碼試驗(yàn)，第一次采用試驗(yàn)一管線，儀器上游連接50.8 mm軟管，第二次試驗(yàn)將50.8 mm軟管替換成101.6 mm軟管。第一次試驗(yàn)中海油服完成了2FSK方式下6 bps的傳輸解碼，第二次試驗(yàn)中海油服完成了2FSK方式下8 bps清水解碼試驗(yàn)，解碼成功率可達(dá)90%～95%。兩次試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了50.8 mm軟管與101.6 mm軟管的仿真分析結(jié)論，為下一步的遠(yuǎn)距離高速率傳輸解碼試驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。

4 結(jié)論

本文針對中海油服6 000 m泥漿循環(huán)系統(tǒng)中50.8 mm軟管連接反射干擾問題，建立了脈沖器與管線的數(shù)值仿真模型，研究了50.8 mm軟管與101.6 mm軟管中各頻率壓力波的發(fā)生與傳輸情況，研究結(jié)論如下：

1） 測試儀器上游25.1 m的50.8 mm軟管與循環(huán)管線存在擴(kuò)徑，產(chǎn)生的反射波與發(fā)生波疊加導(dǎo)致波形畸變，且隨著頻率升高，發(fā)生波畸變越嚴(yán)重。

2） 50.8 mm軟管內(nèi)徑小，管線沿程摩阻壓降大，壓力波的傳輸衰減程度高于等長的地下直管。

3） 壓力波從50.8 mm軟管進(jìn)入地下直管內(nèi)，存在擴(kuò)徑產(chǎn)生局部壓力損失，同時(shí)過流面積增大，導(dǎo)致壓力波幅值減小。

4） 50.8 mm軟管換成101.6 mm硬管消除變徑反射和降低沿程摩阻壓降后，低頻壓力波波形改善，傳輸后幅值提高75%以上，有效降低了解碼誤碼率，有利于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高速率信號傳輸目標(biāo)。

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基金項(xiàng)目： 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“大直徑旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)研制與應(yīng)用示范”（SQ2017YFSF010105）。

作者簡介： 張 良（1980-），男，山東恒臺人，工程師，現(xiàn)從事隨鉆儀器推廣技術(shù)工作，E-mail： zhangliang20@cosl.com.cn。

收稿日期： 2024-02-20