近鉆頭短距離聲波通信

李志剛,管志川,王以法

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東東營 257061)

近鉆頭短距離聲波通信

李志剛,管志川,王以法

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東東營 257061)

建立螺桿鉆具本體的有限元模型,采用有限元法模擬計(jì)算聲縱波在螺桿鉆具中的傳輸特性,同時(shí)在實(shí)際鉆具上對模擬結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,并選擇 4 kHz頻率的聲波在螺桿鉆具上進(jìn)行通信試驗(yàn)。結(jié)果表明:螺桿鉆具及其上部鉆具具有較寬的通信頻帶,類似于一個(gè)低通濾波器,可以利用聲波實(shí)現(xiàn)近鉆頭信息的短距離傳輸,并可能獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率;80 bits/s的數(shù)據(jù)傳輸速率可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信;鉆具接頭處的尺寸和介質(zhì)變化所引起的衰減和反射不可忽視,須通過增加隔聲或消聲結(jié)構(gòu)減少干擾。

近鉆頭;短距離;聲波;通信

隨著油田勘探開發(fā)的不斷深入,對薄油藏、斷塊油藏、邊際油藏、剩余油藏等難動用儲量的開發(fā)已大規(guī)模展開,對定向井、水平井軌跡控制精度的要求日益提高,鉆頭 (近鉆頭)處的信息顯得越來越重要。普通的隨鉆測量儀器由于測量點(diǎn)離鉆頭較遠(yuǎn)而無法獲取近鉆頭處的信息。因此,人們一直在尋求解決測量點(diǎn)滯后鉆頭的方法,其中的一種方法是在不拋棄現(xiàn)有的常規(guī)隨鉆測量(MWD)的基礎(chǔ)上,采用專門的近鉆頭測量儀器測量近鉆頭參數(shù),然后由近鉆頭信號傳輸系統(tǒng)傳輸給遠(yuǎn)鉆頭端的MWD,再由MWD將接收的數(shù)據(jù)傳輸至地面,最終實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的準(zhǔn)確測量和控制。在這種方法中,近鉆頭信號傳輸系統(tǒng)是關(guān)鍵。目前近鉆頭信息短距離傳輸?shù)姆椒ㄓ袩o線和有線兩種。有線傳輸方法需要在鉆具上打孔或開槽埋設(shè)電纜或設(shè)計(jì)專門的鉆具,前者安全性較低,后者成本較高。在無線傳輸方法中,CGDS-1型地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)曾采用電磁波實(shí)現(xiàn)了近鉆頭信息的短距離傳輸[1],但電磁波在傳輸中易受周圍地層特性(如電阻率)的影響。筆者對利用聲波實(shí)現(xiàn)近鉆頭信息的短距離傳輸進(jìn)行研究和探索,以獲取近鉆頭信息傳輸?shù)男路椒ā?/p>

1 近鉆頭聲波傳輸信道

理論上,鉆井液可以作為聲波信號的傳輸通道,但鉆井液在不同工況下所采用的類型可能不同,比如常規(guī)鉆井時(shí)一般使用液體鉆井液,而在欠平衡鉆井中則會使用空氣或泡沫等介質(zhì),另外鉆井液中還可能含有地層析出氣和鉆屑等氣相和固相,因此鉆井液通道不可靠,在近鉆頭處更是如此。井下鉆具多由鋼鐵等金屬制成,幾乎不受鉆井液類型和地層特性等外界因素的影響,因此是一個(gè)良好的聲波傳輸通道。國外在井下聲波通信方面的研究也多以鉆具為信道,并已有成型的井下聲波傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)[2-7]。

在對近鉆頭信息要求較高的定向井和水平井鉆進(jìn)時(shí),螺桿鉆具是最常用的鉆具,因此筆者以螺桿鉆具的殼體及上部鉆具作為近鉆頭聲波通信的信道開展研究。具體應(yīng)用時(shí)可在接近鉆頭的螺桿鉆具的傳動軸外殼上安裝井下參數(shù)測量與聲波發(fā)射裝置,聲波沿著螺桿鉆具的殼體向上傳播,在螺桿鉆具上部的鉆鋌內(nèi)安裝聲波的接收和信號處理設(shè)備,即可接收該聲波信號,經(jīng)過處理和識別后進(jìn)一步傳送給井下MWD。

2 聲縱波在螺桿鉆具中的傳輸特性

聲波在固體中傳播時(shí),既有橫波也有縱波。從Jose等[8]的研究成果來看,利用鉆具作為信號傳輸通道,可以采用的聲波波型有縱波、扭轉(zhuǎn)波和彎曲波。彎曲波的傳播速率最低,并且會在均勻截面管壁內(nèi)發(fā)生散射,另外由于彎曲振動,鉆具會與周圍的地層、套管以及鉆桿內(nèi)外的流體相互作用,從而造成大量能量損失;扭轉(zhuǎn)波容易與鉆井操作相互耦合引入噪聲而增加接收和分析的難度,另外在井下也較難產(chǎn)生;縱波雖然同樣會存在反射和散射的問題,但與前兩者相比受外界因素的影響相對要小得多,在井下相對較易產(chǎn)生,因此此處主要研究縱波在信道中的傳輸特性。國外的研究也多以縱波為主,主要研究由井下到地面的長距離傳輸,將整個(gè)鉆柱結(jié)構(gòu)看作周期性管結(jié)構(gòu),認(rèn)為鉆柱具有梳狀濾波器特性[2,9]。但是,當(dāng)利用螺桿鉆具為信道并期望獲得較高的通信頻率時(shí),以上方法和結(jié)果無法采用。

2.1 模擬計(jì)算

實(shí)際的螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,因此要在理論上獲得其準(zhǔn)確解幾乎不可能,因此采用有限元法分析其特性,并在建立計(jì)算模型時(shí)作如下簡化:

(1)將三維結(jié)構(gòu)簡化成二維,即只取聲波發(fā)射和接收裝置所在的鉆具截面作為研究對象,但在分析時(shí)若采用平面單元的軸對稱特性,仍然可以得到三維的結(jié)果。

(2)鉆具各部分在殼體上的連接視為緊密連接,不存在縫隙,這在聲波頻率不高的情況下是可以接受的。

(3)不考慮鉆具殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部環(huán)境的影響,即認(rèn)為鉆具殼體的外部是空的。實(shí)際上,鉆具內(nèi)部有膠芯、螺桿、萬向節(jié)、傳動軸和軸承等,聲波在這些位置會產(chǎn)生較為復(fù)雜的反射、折射和透射,但由于膠芯與鉆具殼體的聲波阻抗相差較大,而軸承與殼體的接觸部位與整個(gè)鉆具相比較小,因此將其忽略。

(4)認(rèn)為鉆具是直的,沒有彎度。實(shí)際的鉆具一般都有一定的彎度,但角度很小,可以忽略。

建立如圖 1所示的有限元模型,由于實(shí)際的模型較長,不便表達(dá),因此圖中作了截?cái)嗵幚?。模型?72 mm螺桿鉆具為基礎(chǔ),壁厚按 2.7 cm處理,扶正器處另加 2 cm厚度。聲波發(fā)射處與接收處之間的距離為 7.3 m。材料的彈性模量為 205.9 GPa,泊松比為 0.3,其中的有限單元為四邊形平面單元。

圖1 螺桿鉆具的有限元模型Fig.1 Fin ite element analysismodel of screw tool

利用ANSYS軟件對以上模型進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算時(shí)在聲波發(fā)射處施加如圖 2所示的位移載荷,其在0.01 ms時(shí)為 0,在 0.02 ms時(shí)達(dá)到最大幅值 10μm, 0.03 ms時(shí)又回到 0,該載荷用于模擬脈沖載荷。

圖2 脈沖載荷Fig.2 Pulse load

圖 3是在圖 2所示載荷作用下,在聲波接收處所得到的 0～4 ms時(shí)段的位移響應(yīng)時(shí)程曲線,該曲線具有明顯的頻散和多邊界反射特征,因此主要分析其首波的頻譜。圖 4為其頻譜曲線,該曲線具有明顯的低頻帶通特征。整個(gè)頻譜曲線可以分為 3段:0～4.76 kHz具有較穩(wěn)定的幅值;4.76～19 kHz幅值逐漸降低;19 kHz以上幅值很小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出,螺桿鉆具在 0～4.76 kHz具有較好的頻率特性,是縱波通信的通頻帶。

圖3 接收處的位移Fig.3 D isplacement at receiving point

圖4 首波的頻譜Fig.4 Frequency spectrum of first wave

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)際螺桿鉆具上對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。利用錘子在聲波發(fā)射處施加沖擊載荷,利用加速度計(jì)在接收處測量其響應(yīng)。試驗(yàn)時(shí),通過改變沖擊強(qiáng)度,進(jìn)行了多次試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在不同的沖擊強(qiáng)度下,接收到的信號除幅值和持續(xù)時(shí)間有所差異外,頻譜特征基本相同。圖 5為典型的接收信號曲線,圖 6為其首波的頻譜曲線。受所使用的加速度計(jì)的帶寬限制,所獲得的信號的頻率范圍有限。該曲線仍有較為明顯的低頻帶通特征,0～4.3 kHz具有較高的穩(wěn)定幅值,4.3 kHz開始下降。與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果相比,試驗(yàn)結(jié)果整體上向低頻偏移,這種偏移是由建模時(shí)的簡化造成的,但偏移不大,因此仍有較高的參考價(jià)值。

圖6 加速度的頻譜Fig.6 Frequency spectrum of acceleration

3 通信試驗(yàn)

圖5 接收處的加速度Fig.5 Acceleration at receiv ing point

根據(jù)以上結(jié)果,在螺桿鉆具上進(jìn)行通信試驗(yàn)。在具體通信時(shí),除了信道的特性之外,還要考慮發(fā)射和接收裝置的特性、井下噪聲的特點(diǎn)等[10-11]。綜合考慮以上因素,使用 4 kHz的聲波進(jìn)行試驗(yàn)。

聲波發(fā)射裝置是自行研制的由單片機(jī)控制的信號產(chǎn)生與驅(qū)動系統(tǒng),發(fā)射信號采用帶時(shí)延的通斷鍵控(OOK)調(diào)制方式,圖 7是連續(xù)發(fā)射兩位 1時(shí)的波形結(jié)構(gòu)。圖 8為接收到的波形曲線。

圖7 發(fā)射波形Fig.7 Transm itted wave

試驗(yàn)時(shí),由發(fā)射裝置連續(xù)發(fā)射 00～FF(十六進(jìn)制)之間的數(shù)。在接收端,首先用信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)驗(yàn)證了接收信號的正確性。然后,由發(fā)射端按照約定的編碼方式發(fā)送完整的數(shù)據(jù)幀,利用研制的一套信號接收與處理系統(tǒng)接收信號,經(jīng)處理后通過接口電路將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至與其相連的微機(jī)中,再由微機(jī)中與其匹配的接收軟件實(shí)時(shí)顯示接收到的數(shù)據(jù)。經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)對比,證明整個(gè)信號傳輸系統(tǒng)在該通道上可以實(shí)現(xiàn) 80 bits/s的穩(wěn)定通信。目前常規(guī)MWD的數(shù)據(jù)傳輸速率一般在 10 bits/s以下,因此能夠滿足其數(shù)據(jù)需求。

4 附加鉆具影響分析

以上分析說明,可以利用螺桿鉆具實(shí)現(xiàn)聲波通信。在實(shí)際應(yīng)用中,螺桿鉆具僅是整個(gè)鉆柱的一部分,即在其上還接有很長的鉆鋌和鉆桿等其他鉆具,并且在實(shí)際結(jié)構(gòu)中必須要有相應(yīng)的短節(jié)用以容納聲波接收裝置,因此必須考慮附加鉆具所帶來的相關(guān)問題。

為了分析螺桿鉆具接有上部鉆具時(shí)的情況,在原有模型的基礎(chǔ)上,增加一個(gè) 2 m長的聲波接收短節(jié)和 10 m長的鉆鋌,建立了如圖 9所示的模型。實(shí)際的鉆柱要長得多,鉆具和鉆具之間靠絲扣連接,只要接頭處的尺寸或材質(zhì)發(fā)生變化,就會產(chǎn)生聲波反射,并且底部鉆具組合有多種形式,上部鉆柱結(jié)構(gòu)更是多種多樣,這在計(jì)算時(shí)是很難模擬的。在大多數(shù)情況下螺桿鉆具的上部接的是鉆鋌,其尺寸一致性較好,而且在進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí),只要結(jié)構(gòu)取得足夠長,仍可以獲得有用的結(jié)果。

圖 9 增加上部結(jié)構(gòu)的信道有限元模型Fig.9 Fin ite element analysismodel of channel including upper drill tools

同樣采用圖 2所示的信號作為激勵,接收處的位移曲線如圖 10所示。圖 4中顯示了其首波的頻譜曲線。由圖 4可見,與未加上部鉆具結(jié)構(gòu)的情形相比,在加上接收短節(jié)以后,整個(gè)波形的幅值變小,尤其是 0～4.76 kHz的幅值下降更為明顯。這是由于接收處前端變徑段的存在而使波形產(chǎn)生了衰減。

值得注意的是,在實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)考慮由于接頭處的反射而帶來的問題。圖 10中箭頭所指的波即由鉆鋌端面反射產(chǎn)生。在某種鉆具組合情況下,各接頭處所產(chǎn)生的反射波可能會正好疊加在一起,成為波形中不可忽視的一部分,并對聲波通信產(chǎn)生重大干擾。為了避免這種干擾,可以在聲波接收裝置的上部某一位置處設(shè)置隔聲或消聲裝置,從而減少因反射而引起的干擾,提高通信可靠性。

圖10 上部短節(jié)接收處的位移Fig.10 D isplacement at receiving point of upper jo int

5 結(jié) 論

(1)與用于長距離傳輸?shù)闹芷谛怨?(鉆)柱結(jié)構(gòu)不同,在短距離聲波通信時(shí),螺桿鉆具及其上部鉆具具有較寬且平坦的通頻帶,基本類似于一個(gè)低通濾波器。

(2)利用近鉆頭鉆具作為信道,并采用通斷鍵控調(diào)制方式通信,能夠獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率,但要想實(shí)現(xiàn)更為可靠且高速的數(shù)據(jù)通信,必須研究新的通信方法。

(3)鉆具組合上的變徑結(jié)構(gòu)會使波形的幅值發(fā)生衰減并導(dǎo)致反射,因此應(yīng)避免其在聲傳輸信道上出現(xiàn)。

(4)鉆具變徑處所產(chǎn)生的反射,在某種情況下會給聲波通信帶來較大干擾,需要采用消聲或隔聲裝置予以消除。

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Acoustic commun ication near-bit short distance

LI Zhi-gang,GUANZhi-chuan,WANG Yi-fa

(College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Dongying257061,China)

Based on a finite element analysismodelof a screw drill tool,the trans mission propertiesof acoustic longitudinalwave in the body of the screw drill toolwere analyzed usingANSYSsof tware.Meanwhile an exper iment on a real screw drill tool was done to verify the calculated results.A communication testwas executed by using 4 kHz acoustic wave.The results show that the screw drill tool and its upper tools have a wide pass band like a low pass filter,which can be used as the channelof near-bit acoustic communication.A high data trans mission rate isobtained.The communication isperfor med steadily in 80 bits/s data rate. The difference in size ormedium at joints of drill toolswill cause reflection and attenuation.In some cases,the reflectionsmay bring serious interference to communication.So some structures are needed to insulate and el iminate the reflections.

near bit;short distance;acoustic wave;communication

wave

TE 21;O 429

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.02.012

1673-5005(2010)02-0062-05

2009-08-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50974131);教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20090133110005)

李志剛(1970-),男(漢族),河南偃師人,副教授,博士研究生,從事井下測量和信息傳輸研究。

(編輯 李志芬)