鉆柱中聲波傳播特性實(shí)驗(yàn)研究

蔡 文 軍

中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

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鉆柱中聲波傳播特性實(shí)驗(yàn)研究

蔡 文 軍

中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

蔡文軍.鉆柱中聲波傳播特性實(shí)驗(yàn)研究.天然氣工業(yè)，2016,36(6):72-77.

摘 要探究聲波在實(shí)際鉆柱中的傳播特性和規(guī)律是隨鉆信息聲波傳輸技術(shù)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性研究工作，而國(guó)內(nèi)在這方面才剛起步，僅進(jìn)行了一些理論研究和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)工作。為此，基于已有成果，研制了基于壓電效應(yīng)的縱向變幅桿井下聲發(fā)射換能器和地面聲波信號(hào)接收換能器，設(shè)計(jì)了鉆柱中聲波傳播特性的現(xiàn)場(chǎng)井下實(shí)驗(yàn)方案。采用鉆井工程上常用的?127mm鉆桿，分別在200m、430m、542m、700m、827m、997m等6個(gè)不同的深度點(diǎn)，測(cè)試了400～4 000 Hz頻率范圍內(nèi)不同頻率聲波在鉆柱中的傳播特性，并分析了測(cè)試結(jié)果，進(jìn)而認(rèn)為，基于鉆柱的聲波傳輸技術(shù)用于隨鉆信息傳輸是可行的。研究結(jié)果表明：①有一些頻率的聲波可以在鉆柱中傳播，而另一些頻率的聲波在鉆柱中傳播能力則很差；②聲波在鉆柱中傳播衰減程度與聲波頻率、鉆柱長(zhǎng)度和周?chē)橘|(zhì)有關(guān)，在介質(zhì)為清水的情況下，平均衰減值約為0.05 dB/m；③綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸速度與衰減等因素，可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆暡l率應(yīng)為400～1 000 Hz之間的一些頻率點(diǎn)，最佳頻率點(diǎn)為600 Hz、650 Hz和950 Hz。結(jié)論認(rèn)為：在試驗(yàn)井中的實(shí)驗(yàn)得到了鉆柱中聲波傳播的重要數(shù)據(jù)和結(jié)論，可以為聲波傳輸技術(shù)的研究和應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)和依據(jù)。

關(guān)鍵詞鉆柱聲波傳播特性井下聲波發(fā)射器試驗(yàn)井實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析聲波頻率鉆柱長(zhǎng)度

井下信息無(wú)線傳輸技術(shù)是油氣鉆井隨鉆測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵，為地面和井下提供實(shí)時(shí)信息傳輸通道。目前，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的無(wú)線傳輸技術(shù)主要有鉆井液壓力脈沖技術(shù)和電磁波傳輸技術(shù)，但這兩種技術(shù)均有一定的局限性。壓力脈沖技術(shù)傳輸速度低且必須依賴鉆井液介質(zhì)；電磁波傳輸技術(shù)受地層特性限制，信號(hào)衰減嚴(yán)重，傳輸距離短[1]。因此，現(xiàn)有無(wú)線傳輸技術(shù)無(wú)法滿足鉆井新技術(shù)、新工藝(欠平衡鉆井技術(shù)、空氣鉆井技術(shù)、隨鉆測(cè)井、地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)等)的需要。

聲波傳輸技術(shù)是以鉆柱管壁作為傳播介質(zhì)，以聲波為信號(hào)載體，利用聲波在鉆柱中的傳播進(jìn)行井下隨鉆數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。研究成果表明，該技術(shù)不受鉆井介質(zhì)、地層等外界條件的限制，可以實(shí)現(xiàn)高速傳輸數(shù)據(jù)，可以滿足鉆井新技術(shù)、新工藝的需求，是一種極具潛力的無(wú)線傳輸技術(shù)[2-3]。國(guó)外在聲波傳輸技術(shù)方面的研究起步較早，對(duì)聲波在鉆柱中的傳播特性理論和室內(nèi)試驗(yàn)做了大量的研究工作[4-7]。目前，國(guó)外正在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和推廣應(yīng)用，處于半商業(yè)化狀態(tài)[8]；國(guó)內(nèi)在聲波傳輸方面的研究近些年才剛剛起步，主要進(jìn)行了一些理論和室內(nèi)試驗(yàn)研究工作[9-17]。筆者主要對(duì)鉆柱中聲波傳播特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研制了井下聲波發(fā)射器和地面接收換能器，利用實(shí)際鉆桿在試驗(yàn)井中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到了一些重要數(shù)據(jù)和結(jié)論，以期為聲波傳輸技術(shù)的研究和應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)和依據(jù)。

1　聲波傳播特性實(shí)驗(yàn)方案

聲波傳播特性實(shí)驗(yàn)的目的是在真實(shí)工況下測(cè)試聲波在鉆柱中的傳播特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究適用于在鉆柱中傳播的聲波頻率和聲波在鉆柱中的衰減規(guī)律，以便為聲波傳輸技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)。為達(dá)到以上目的，實(shí)驗(yàn)在試驗(yàn)井中進(jìn)行，試驗(yàn)井的環(huán)境條件與實(shí)際鉆井基本相同，采用現(xiàn)場(chǎng)使用的鉆桿，鉆桿的連接與實(shí)際鉆井時(shí)一樣。井下聲波發(fā)生器在井下不同深度自動(dòng)產(chǎn)生不同頻率的信號(hào)，經(jīng)鉆柱傳至地面，信號(hào)接收換能器接收到信號(hào)，根據(jù)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理分析。

2　實(shí)驗(yàn)設(shè)備研制

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮头桨?，需要研制井下聲波發(fā)生器和地面信號(hào)接收換能器，以實(shí)現(xiàn)在井下產(chǎn)生不同頻率的聲波，在地面接收聲波信號(hào)。

2.1井下聲波發(fā)射器

井下聲波發(fā)生器的主要作用是根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求產(chǎn)生不同頻率的聲波。根據(jù)功能要求，設(shè)計(jì)的井下聲波發(fā)生器包括信號(hào)發(fā)生器、接口電路、數(shù)據(jù)緩存、編碼與調(diào)制、功率放大、發(fā)射換能器、電源、儲(chǔ)能電容等，其原理框圖如圖1所示。

圖1　井下聲波發(fā)射器原理圖

井下聲波發(fā)射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要綜合考慮井下工況、空間特點(diǎn)以及與鉆具結(jié)構(gòu)的匹配性等。井下聲波發(fā)射器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，共分為3部分，即發(fā)射換能器、中間連接和電子艙部分。

發(fā)射換能器是井下聲波發(fā)射器的關(guān)鍵組成部分，主要功能是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷?，產(chǎn)生聲波。按縱向典型發(fā)射換能器設(shè)計(jì)方法和變幅桿典型設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種異型變幅桿縱向諧振發(fā)射換能器，靈敏元件采用耐高溫的壓電陶瓷，密封在封閉腔體內(nèi)，并充滿性能穩(wěn)定的甲基硅油。產(chǎn)生的聲波頻率范圍介于0.4～4.0 kHz。

信號(hào)發(fā)生器、接口電路、電池、電容、變壓器等電源及電子元器件全部集中在下部的電子艙中，主要功能是提供電源、產(chǎn)生不同頻率的連續(xù)波脈沖和調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)編碼調(diào)制和功率放大以后控制發(fā)射換能器產(chǎn)生聲波。電子艙結(jié)構(gòu)為環(huán)形密封結(jié)構(gòu)，將電子元器件與周?chē)橘|(zhì)隔開(kāi)。

中間連接部分將發(fā)射換能器和電子艙連接起來(lái)，并通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)將電能由電子艙輸送至發(fā)射換能器，從而形成井下聲波發(fā)射器。

井下聲波發(fā)射器的主要技術(shù)參數(shù)為：①外徑：178mm；②內(nèi)徑：57.2mm；③長(zhǎng)度：5 800mm；④信號(hào)頻率范圍：400～4 000 Hz；⑤輸出信號(hào)形式：正弦CW脈沖、調(diào)頻信號(hào)；⑥信號(hào)輸出功率：2 000 W；⑦最大工作壓力：70MPa；⑧最高工作溫度：125 ℃。

圖2　井下聲波發(fā)生器圖

2.2信號(hào)接收換能器

信號(hào)接收換能器用于在井口接收經(jīng)鉆柱傳播的聲波，與井下聲波發(fā)射器配合使用。根據(jù)鉆井工作環(huán)境和條件，聲波的接收只能在水龍頭或頂驅(qū)的下面，因此將信號(hào)接收換能器設(shè)計(jì)成弧形，使用時(shí)采用貼附方式固定在管壁上。

信號(hào)接收換能器結(jié)構(gòu)如圖3所示。包括鋁殼和由壓電陶瓷條及鋁條鑲拼成的曲面靈敏部，整體膠質(zhì)封裝。靈敏部與殼間隙用輕質(zhì)彈性材料填充。信號(hào)接收換能器的接收頻段與井下聲發(fā)射器工作頻段適配，電壓靈敏度遠(yuǎn)高于常用的加速度傳感器，適用于弱聲壓場(chǎng)和信噪比較低的情況。

信號(hào)接收換能器主要技術(shù)參數(shù)：①接收帶寬：0.4～4.0 kHz；②靈敏度響應(yīng)：優(yōu)于-195 dB；③靜態(tài)電容：大于1.0 nF；④絕緣電阻：優(yōu)于100 MΩ；⑤弧面曲率半徑：84mm；⑥外形尺寸：90mm×90mm×39mm。

圖3　接收換能器結(jié)構(gòu)及照片

3　聲波傳播特性實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)情況

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)石化勝利油田工程技術(shù)培訓(xùn)中心的試驗(yàn)井上進(jìn)行，該井井深1 000m，配備一部ZJ32型石油鉆機(jī)，能夠進(jìn)行所有的鉆井操作。實(shí)驗(yàn)采用?152.4mm鉆桿連接成鉆柱，在鉆柱的底部安裝井下聲波發(fā)射器，設(shè)定井下聲波發(fā)射器發(fā)射信號(hào)的起始時(shí)間、時(shí)間間隔，信號(hào)的編碼情況如圖4所示。

圖4　信號(hào)編碼圖

首先在井口安裝好接收換能器，在不連接鉆柱的情況，進(jìn)行第一次測(cè)試；然后開(kāi)始下入鉆柱，當(dāng)?shù)搅嗽O(shè)置的時(shí)間時(shí)，停止下放鉆柱，井下聲波發(fā)射器自動(dòng)啟動(dòng)，產(chǎn)生聲波信號(hào)，且重復(fù)發(fā)射3次，地面接收裝置接收聲波信號(hào)，并將數(shù)據(jù)保存。為了增加測(cè)點(diǎn)，同樣在鉆柱起出過(guò)程中也進(jìn)行測(cè)試。下入過(guò)程中共測(cè)試了3個(gè)點(diǎn)，井深分別為200m、430m、700m，起出過(guò)程中測(cè)試3個(gè)點(diǎn)，井深分別為997m、827m和542m。

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理、頻譜分析、幅頻特性分析和綜合對(duì)比分析，得到一些重要結(jié)論。

圖5是不同深度測(cè)點(diǎn)的幅頻特性曲線?？梢钥闯?，包括井口測(cè)試共7個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中0m、200m、430m、542m 4個(gè)測(cè)點(diǎn)各頻率點(diǎn)的響應(yīng)都檢測(cè)到了信號(hào)，只是由于鉆柱信道的特性使得各頻率點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度不同；而700m、827m、997m等3個(gè)測(cè)點(diǎn)由于信號(hào)衰減和噪音干擾的影響，一些頻率點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)無(wú)法從接收到的信號(hào)中提取出來(lái)，特別是大于1 500 Hz的頻點(diǎn)，3個(gè)深度情況下均無(wú)法提取到有用信號(hào)，說(shuō)明高頻信號(hào)不利于在鉆柱結(jié)構(gòu)信道中傳輸；小于1 000 Hz頻點(diǎn)的幅頻特性相對(duì)較好，特別是600 Hz、650 Hz、900 Hz等頻點(diǎn)，在不同的深度都表現(xiàn)出很好的信號(hào)通過(guò)性，接收到的信號(hào)強(qiáng)度很強(qiáng)，說(shuō)明這些頻率的聲波適合在鉆柱中傳播，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；有一些頻點(diǎn)在不同深度，其表現(xiàn)出的響應(yīng)不同，說(shuō)明鉆柱的長(zhǎng)度(鉆桿數(shù)量)對(duì)鉆柱信道特性有影響。

圖6是不同深度的功率譜曲線。對(duì)200m和430m測(cè)點(diǎn)，除個(gè)別頻率點(diǎn)外，隨著深度的增加(鉆柱的增長(zhǎng))，信號(hào)的功率越來(lái)越弱，信號(hào)衰減明顯。相對(duì)于井口，200m深度時(shí)，衰減最大的頻率點(diǎn)為1 400 Hz，衰減41.6 dB，衰減最小的頻率點(diǎn)為360 Hz，衰減-4.7 dB，所有頻點(diǎn)平均衰減20.4 dB，平均衰減速率值為0.102 dB/m；430m深度時(shí)，衰減最大的頻率點(diǎn)為1 400 Hz，衰減62.7 dB，衰減最小的頻率點(diǎn)為900 Hz，衰減-1 dB，所有頻點(diǎn)平均衰減38 dB，平均衰減速率值為0.08 dB/m。

考慮鉆柱結(jié)構(gòu)的梳狀濾波器特性，把處于峰值的頻點(diǎn)作為通帶，處于谷底的點(diǎn)作為阻帶。對(duì)200m測(cè)點(diǎn)，平均衰減9.7 dB，平均衰減速率為0.05 dB/m；對(duì)430m測(cè)點(diǎn)，通帶內(nèi)頻率點(diǎn)的平均衰減21.2 dB，平均衰減速率為0.049 dB/m。

圖5　不同深度測(cè)點(diǎn)的幅頻特性曲線圖

圖6　不同深度測(cè)點(diǎn)的功率譜曲線圖

圖7是各測(cè)點(diǎn)相對(duì)井口的衰減速率曲線?？梢钥闯?，不同測(cè)點(diǎn)得到的衰減速率不同，這說(shuō)明鉆柱結(jié)構(gòu)影響信號(hào)的衰減，不同的鉆柱結(jié)構(gòu)，衰減的速率是不相同的；對(duì)同一深度(鉆柱長(zhǎng)度不變時(shí))，隨著頻率增加，衰減速率有增大的趨勢(shì)，即頻率越大，衰減越來(lái)越大。700m、827m、997m測(cè)點(diǎn)的頻率大于1 000 Hz的頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)很少，也說(shuō)明頻率越高，衰減越快。因此，實(shí)際進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，聲波頻率要控制在1 000 Hz之內(nèi)；對(duì)于頻率特性較好的600 Hz、650 Hz和950 Hz的頻率點(diǎn)，其最大衰減速率為0.089 dB/m，平均衰減速率為0.048 dB/m，600 Hz頻點(diǎn)從0～997m的最大衰減為44.54 dB。

圖7　不同頻率點(diǎn)的衰減速率圖

4　結(jié)論

研制的井下聲波發(fā)射器和信號(hào)接收換能器在試驗(yàn)井進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)深度達(dá)到997m，并進(jìn)行了編碼測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，井下聲波發(fā)射器和接收換能器軟硬件達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，功能正常。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有些頻率的聲波可以在鉆柱中傳播，而一些頻率的聲波在鉆柱中傳播能力很差，與鉆柱聲道的梳妝濾波器特性吻合；聲波在鉆柱中傳播中存在衰減，且衰減程度與鉆柱長(zhǎng)度、聲波頻率和鉆柱周?chē)橘|(zhì)有關(guān)，鉆柱越長(zhǎng)，衰減越大，頻率越高，衰減越快；在清水介質(zhì)條件下，聲波在鉆柱中的平均衰減值約為0.05 dB/m。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸速度、傳播距離和衰減等多方面因素，適用于鉆柱結(jié)構(gòu)傳輸?shù)穆暡l率不能太低，但也不宜過(guò)高，比較合適的聲波頻率范圍為400～1 000 Hz，最佳頻率點(diǎn)為600 Hz、650 Hz和950 Hz。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于鉆柱的聲波傳輸技術(shù)用于隨鉆信息傳輸是可行的，實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)為聲波傳輸技術(shù)的進(jìn)一步研究與應(yīng)用提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。

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(修改回稿日期2016-03-05編輯凌忠)

An experimental study on the propagation characteristics of acoustic waves in drill strings

Cai Wenjun
(Drilling Technology Research Institute， Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation， Dongying， Shandong 257017，China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 36,ISSUE 6,pp.72-77,6/25/2016.(ISSN 1000-0976; In Chinese)

Abstract:One basic task in acoustic transmission of while-drilling data is to explore the propagation characteristics and laws of acoustic waves in drill strings.In China,however,the research in this field is still at its initial stage,and only theoretical studies and laboratory experiments have been carried out.In this paper,therefore,the piezoelectric effect based longitudinal-amplitude-change-bar downhole acoustic transducer and the ground acoustic receiving transducer were developed on the basis of available achievements.And then,the downhole field experiment on the propagation characteristics of acoustic waves in drill strings was designed.The propagation characteristics of acoustic waves with frequency of 400–4 000 Hz in drill strings were tested by using the ?127mm drill pipes which are commonly used in drilling engineering at six different depths (i.e.,200m,430m,542m,700m,827m and 997m).The test results indicated that the drill string based acoustic transmission technology is feasible for while-drilling data transmission.It is shown that some acoustic waves with specific frequency can propagate in drill strings while others are poor in propagation capacity.The attenuation rate of acoustic waves in drill strings is affected by acoustic frequency,drill string length and ambient medium.For example,the average attenuation rate is 0.05 dB/m in fresh water.Based on data transmission rate and attenuation,the acoustic waves with specific frequency of 400–1 000 Hz can be used for data transmission,and the optimum frequencies are 600,650 and 950 Hz.It is concluded that the important data and conclusions of acoustic propagation in drill strings obtained from these experiments in test wells provide a technical basis for the research and application of acoustic transmission technology.

Keywords:Drill string; Acoustic wave; Propagation characteristic; Downhole acoustic transducer; Experiment in test well; Result analysis; Acoustic wave frequency; Drill string length

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.06.011

基金項(xiàng)目：山東省博士后創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(編號(hào):201001007)。

作者簡(jiǎn)介：蔡文軍，1971年生，高級(jí)工程師，博士；主要從事鉆井裝備及井下工具、儀器的研發(fā)工作。地址:(257017)山東省東營(yíng)市東營(yíng)區(qū)北一路827號(hào)。電話:(0546)6383023。ORCID:0000-0002-6928-342X。E-mail:caiwenjun.slyt@sinopec.com