振動波井下通訊技術(shù)

鄭立臣，俞佳慶，楊清海，高揚(yáng)，孫福超（中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

振動波井下通訊技術(shù)

鄭立臣，俞佳慶，楊清海，高揚(yáng)，孫福超
（中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

為了克服傳統(tǒng)井下通訊方法的不足，提出一種振動波井下通訊技術(shù)，開發(fā)了振動波井下通訊系統(tǒng)，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，并將該技術(shù)應(yīng)用于分層注水。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，油套管振動波傳輸呈通阻帶交替分布，據(jù)此制定了多基頻傳輸策略，采用開關(guān)鍵控調(diào)制和曼徹斯特編碼方式對振動信號進(jìn)行處理，將控制信息加載到振動波。研發(fā)了振動信號發(fā)生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電能到振動波能量的可控轉(zhuǎn)換。研發(fā)了振動波接收解碼系統(tǒng)，以微振加速度傳感器作為信號拾取元件。設(shè)計(jì)了振動波井下遠(yuǎn)程傳輸測試系統(tǒng)，并進(jìn)行了井下通訊現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了振動波井下通訊技術(shù)的可行性以及通訊系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，得到了套管振動波信號的衰減特性。該技術(shù)已成功應(yīng)用于分層注水，在井筒控制領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。圖13表1參14

振動波；井下通訊；開關(guān)鍵控調(diào)制；曼徹斯特編碼；磁致伸縮材料；微振加速度傳感器

引用：鄭立臣, 俞佳慶, 楊清海, 等. 振動波井下通訊技術(shù)[J]. 石油勘探與開發(fā), 2017, 44(2): 295-300.

ZHENG Lichen, YU Jiaqing, YANG Qinghai, et al. Vibration wave downhole communication technique[J]. Petroleum Exploration and Development, 2017, 44(2): 295-300.

0 引言

隨著油藏開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，分層注采、儲集層改造等技術(shù)對井筒控制要求越來越高。井下通訊技術(shù)是實(shí)現(xiàn)地面與井下遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵，但由于井下條件復(fù)雜，傳統(tǒng)的通訊技術(shù)（如無線通訊）無法在井下通訊過程中直接應(yīng)用。目前普遍使用的井下通訊方法包括電纜通訊技術(shù)、壓力波通訊技術(shù)和智能井技術(shù)。電纜通訊技術(shù)是通過鋼管電纜采用載波或負(fù)載調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)地面與井下儀器的有線遠(yuǎn)距離通訊[1-2]。電纜通訊技術(shù)按工作方式分為油管內(nèi)電纜通訊和過環(huán)空電纜通訊兩種。油管內(nèi)電纜通訊一般采用接力通訊方式，井下儀器之間進(jìn)行近距離無線通訊，需精確定位，且通訊時(shí)需測試車，施工復(fù)雜。過環(huán)空電纜通訊技術(shù)在完井時(shí)將電纜隨管柱下入，電纜下入施工困難，適應(yīng)性差，可靠性低，目前應(yīng)用范圍有限。壓力波通訊技術(shù)是以地面壓裂車作為遠(yuǎn)程控制工具，通過向井筒中注水引起井筒中的壓力變化，控制注水和放水的時(shí)間間隔，從而形成壓力波通訊信號，井下的壓力傳感器感知到壓力變化信號并進(jìn)行信號識別處理[3-4]。該方法具有控制距離遠(yuǎn)、井下工具簡單等優(yōu)點(diǎn)，但地面作業(yè)需要動用壓裂車等大型設(shè)備，地面作業(yè)費(fèi)用高，施工復(fù)雜。智能井技術(shù)近年來在國外獲得較快發(fā)展，并在高產(chǎn)井獲得一定規(guī)模的應(yīng)用。智能井技術(shù)是通過在井下預(yù)置液壓控制管線和電纜，通過電纜可以將井下的壓力、溫度、流量等信號傳輸?shù)降孛?，并根?jù)地面的判斷，利用液壓設(shè)備通過液壓管線實(shí)現(xiàn)對井下閥門的遠(yuǎn)程控制[5-6]。智能井技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)井下狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和信號傳輸，并實(shí)現(xiàn)井下狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制，但智能井技術(shù)一次性投資大，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較高，只適合高產(chǎn)井應(yīng)用。

為了克服傳統(tǒng)井下通訊方法的不足，實(shí)現(xiàn)采油井筒的遠(yuǎn)程控制，本文提出一種振動波井下通訊技術(shù)。該技術(shù)以油管或套管為傳輸介質(zhì)，振動波為載波，通過數(shù)字調(diào)制實(shí)現(xiàn)井下信息傳遞。本文研發(fā)振動波井下通訊系統(tǒng)，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。

1 油（套）管振動波傳輸特性

油、套管作為采油井筒的基本構(gòu)成部分，具備作為振動波傳輸介質(zhì)的條件。以井下油（套）管串作為介質(zhì)傳遞振動信號，需要對油（套）管串振動波傳輸特性進(jìn)行分析。

文獻(xiàn)[7-12]對振動波在油（套）管中的傳輸規(guī)律進(jìn)行了理論分析，發(fā)現(xiàn)油（套）管柱的周期性結(jié)構(gòu)使得它在信號傳輸中呈現(xiàn)出梳狀濾波器的特性，即通帶和阻帶交替出現(xiàn)。

在理論分析基礎(chǔ)上，為了更準(zhǔn)確地獲取振動波在油管和接箍組成的系統(tǒng)中的傳輸特性，進(jìn)行了 100 m油管串的傳輸特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，以信號錘擊發(fā)油管串端面產(chǎn)生振動波，在油管串端面和油管每個(gè)接箍處均布置有加速度傳感器，利用振動信號分析系統(tǒng)對錘擊信號和加速度傳感器信號進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1—圖3所示。圖1為輸入的錘擊信號。圖2為輸入的錘擊信號頻譜。圖 3為不同位置加速度傳感器接收的信號，其中信號 1為油管串端面位置的加速度傳感器接收的信號，信號2為100 m處的加速度傳感器接收的信號。分析發(fā)現(xiàn)，輸出信號和輸入信號呈現(xiàn)非常好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為1，即振動波經(jīng)過油管串后，除振幅變化外，其他特性并沒有改變，這是利用振動波進(jìn)行信號傳輸?shù)幕A(chǔ)。圖 4為油管串振動信號傳輸特性，可以看出，振動波在油管串中的傳輸呈現(xiàn)梳狀濾波器特性，即部分頻率出現(xiàn)陷波帶，在這些頻帶信號衰減劇烈，不能用于信號傳輸。

在套管串中進(jìn)行了振動波傳輸實(shí)驗(yàn)，得到了與油管串類似的結(jié)果。通過理論和實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了振動波遠(yuǎn)程傳輸?shù)目尚行?，同時(shí)發(fā)現(xiàn)振動波傳輸呈通阻帶交替分布。

圖1 錘擊信號

圖2 錘擊信號頻譜

圖3 不同位置加速度傳感器接收的信號

2 振動波井下通訊關(guān)鍵技術(shù)

振動波井下通訊系統(tǒng)由振動信號發(fā)生系統(tǒng)和振動信號接收解碼系統(tǒng)兩部分組成。工作時(shí)，在井口固定大功率振動信號發(fā)生器，可按要求產(chǎn)生含控制信息的振動信號，含有控制信息的振動信號沿著套管或油管傳輸?shù)骄?。井下的?zhí)行器中設(shè)有振動信號接收解碼系統(tǒng)，接收并解碼由套管或油管傳輸?shù)恼駝有盘?，轉(zhuǎn)換為控制指令，實(shí)現(xiàn)對井下儀器的控制。

圖4 油管串振動信號傳輸特性

2.1 振動波信號傳輸策略

油（套）管串的振動波信號傳輸具有規(guī)律性，其傳輸特性呈通阻帶交替分布，因此合理的基頻選擇對于實(shí)現(xiàn)振動波向井下傳輸是非常重要的。

利用陷波帶的分布規(guī)律，可以避開油（套）管串的陷波帶。本文制定了多基頻的信息傳輸策略，即用相隔一定頻率范圍的多個(gè)基頻作為載波，分別用數(shù)字控制信號進(jìn)行調(diào)制。由于振動波發(fā)生系統(tǒng)共振頻率限制，能夠產(chǎn)生的振動波頻率上限為350 Hz。通過理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)可知，油田使用的油套管尺寸系列中，在0～350 Hz頻率內(nèi)只存在1個(gè)陷波帶。因此只要選用 2個(gè)以上的基頻傳輸就可以避開油（套）管系統(tǒng)的陷波帶，確保信息能夠傳遞到井下。本文采用100、200 和300 Hz這3種基頻進(jìn)行振動信號的傳輸。

2.2 振動信號調(diào)制與編碼技術(shù)

為了將控制信息加載到振動波，需要對振動波進(jìn)行調(diào)制和編碼處理。

借鑒電控信號的調(diào)制方式，為了發(fā)射系統(tǒng)的簡便，振動波信號調(diào)制采用開關(guān)鍵控（On-Off Keying，簡稱OOK）方式。當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號為“1”時(shí)，傳輸載波；當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號為“0”時(shí)，不傳輸載波。OOK調(diào)制如圖5所示。

用油、套管傳輸振動波，由于很難做到阻抗連續(xù)，所以傳輸過程中會有較大的反射，同時(shí)信號衰減速度會很快。為了系統(tǒng)穩(wěn)定和防止誤碼，編碼方式選擇曼徹斯特編碼，原理如圖6所示。每位的中間下降沿為0，上升沿為1。

圖5 OOK調(diào)制

圖6 曼徹斯特編碼原理

振動信號編碼采用16位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位由4位層位信息+8位控制信息+4位奇偶校驗(yàn)組成。前4位為層位信息，可以對井下任意層進(jìn)行分層控制，根據(jù)采油井筒常規(guī)井況，目前振動信號編碼采用 4位層位控制，即共可控制16層。中間8位編碼為控制信息，即由地面向目的層發(fā)送的控制指令。為了保證通訊數(shù)據(jù)的有效性，在數(shù)據(jù)位的結(jié)尾加入 4位奇偶校驗(yàn)位。以一組通訊數(shù)據(jù)“1010101000000110”為例，其編碼如圖 7所示。

圖7 振動信號編碼

2.3 振動波信號發(fā)生系統(tǒng)

振動波信號發(fā)生系統(tǒng)由振動信號發(fā)生器和控制電源系統(tǒng)兩部分組成（見圖8）。電源系統(tǒng)控制驅(qū)動線圈產(chǎn)生交變磁場，驅(qū)動磁致伸縮材料振蕩，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械振動能量的轉(zhuǎn)換?？刂齐娫聪到y(tǒng)能夠?qū)φ駝有盘柊l(fā)生器進(jìn)行有效的控制，輸出編碼波形。

振動信號發(fā)生器以磁致伸縮材料為換能器件。磁致伸縮材料的長度在交變磁場作用下發(fā)生變化，產(chǎn)生與交變磁場頻率相同的機(jī)械振動[13-14]。該材料具有伸縮應(yīng)變量大、耐壓高、能量轉(zhuǎn)換效率高、能量密度高及響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，是理想的振動波發(fā)生換能材料。振動信號發(fā)生器工作原理為：當(dāng)驅(qū)動線圈驅(qū)動磁致伸縮材料棒發(fā)生長度變化時(shí)，推動感應(yīng)錘上下運(yùn)動，感應(yīng)錘在重力和彈簧回復(fù)力作用下保持對磁致伸縮棒的壓力并保持接觸，磁致伸縮棒對基座的反作用力通過底面連接法蘭向外傳遞。通訊時(shí)，振動信號發(fā)生器通過底面連接法蘭安裝到井口，產(chǎn)生振動波，通過油、套管傳輸進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊。振動信號發(fā)生器實(shí)際輸出的信號波形如圖9所示。

圖8 振動信號發(fā)生系統(tǒng)

圖9 振動信號發(fā)生器實(shí)際輸出波形

2.4 振動信號接收解碼系統(tǒng)

振動信號接收與解碼系統(tǒng)是井下執(zhí)行裝置的重要組成部分，負(fù)責(zé)接收并解碼由油、套管傳遞的振動信號，將其轉(zhuǎn)換成對井下執(zhí)行器的控制指令。振動信號接收與解碼系統(tǒng)由微振加速度傳感器和解碼控制板兩部分組成。

由于振動波傳輸過程中會有較大的反射且信號衰減速度很快，要求接收傳感器要有較高的靈敏度，還要求振動信號接收解碼系統(tǒng)有良好的信號處理能力。本文采用專用微振加速度傳感器進(jìn)行信號拾取，分辨率達(dá)到4×10-4m/s2。針對多基頻傳輸策略，系統(tǒng)可對不同頻率的振動波信號進(jìn)行接收和解碼?？紤]小信號和外來噪聲影響，信號采集有放大1 000倍和100倍兩個(gè)檔位。經(jīng)測試，系統(tǒng)分辨率為1×10-3m/s2，能夠滿足振動信號接收和解碼要求。

3 振動波信號遠(yuǎn)程傳輸現(xiàn)場試驗(yàn)

為了驗(yàn)證在采油井筒中進(jìn)行振動信號傳輸?shù)目尚行裕玫絺鬏斁嚯x與信號強(qiáng)度的關(guān)系，測試信號處理系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，在大慶油田中20-310井（井深940 m）進(jìn)行了振動波信號遠(yuǎn)程傳輸現(xiàn)場試驗(yàn)。

設(shè)計(jì)了振動信號遠(yuǎn)程傳輸測試系統(tǒng)（見圖10）。該系統(tǒng)工作時(shí)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動偏心軸轉(zhuǎn)動，驅(qū)動凸輪控制支撐臂的放開與回收。支撐臂放開時(shí)，在碟簧力的作用下，系統(tǒng)可以推靠在套管內(nèi)任意深度，接收并解碼由套管傳輸?shù)恼駝有盘枺恢伪刍厥諘r(shí)，系統(tǒng)可以在套管內(nèi)上下自由移動。系統(tǒng)通過鋼管電纜連接到地面計(jì)算機(jī)，將井下解碼信號等相關(guān)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)。

現(xiàn)場試驗(yàn)中，振動信號發(fā)生器固定在井口作為信號源，套管為振動信號傳輸介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)振動信號的下傳；鋼管電纜為負(fù)重和電信號傳輸介質(zhì)，振動信號遠(yuǎn)程傳輸測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)振動信號的接收和解碼，并通過鋼管電纜把接收到的振動信號、解碼信號傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)。振動信號遠(yuǎn)程傳輸測試系統(tǒng)通過鋼管電纜下入井里，在下入過程中，每隔100 m推靠1次，振動信號發(fā)生器擊發(fā) 1次，測試系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的振動信號采集。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，基頻100 Hz的振動波信號從井口到井深900 m處都可進(jìn)行傳輸。由于井底振動波反射等原因，基頻200 Hz和300 Hz的振動波信號，在井深900 m處無法進(jìn)行信號傳輸。從井口到井下900 m都能實(shí)現(xiàn)信號的有效傳輸和正確解碼，驗(yàn)證了以固井套管為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)振動波數(shù)字信號傳輸?shù)目尚行?、振動波信號編碼系統(tǒng)的可靠性以及信號解碼算法的正確性。在井深900 m處，基頻200 Hz和300 Hz的振動信號未能正確通訊，但基頻100 Hz的振動信號可以正常通訊，驗(yàn)證了多基頻傳輸策略的合理性。

井下接收到的振動信號的強(qiáng)度經(jīng)數(shù)學(xué)處理后整體上呈線性衰減規(guī)律，但接近井口和接近井底處信號強(qiáng)度出現(xiàn)異常。這是因?yàn)椋诮咏谔?，有地面噪聲影響，接收到的信號?qiáng)度略小于井下信號強(qiáng)度；在接近井底處，由于井底信號反射，反射的振動波與正常由上向下傳輸?shù)恼駝硬òl(fā)生了干涉，信號強(qiáng)度出現(xiàn)突然增大或減小的現(xiàn)象。去除井口和井底因素影響，振動信號衰減趨勢如圖11、12所示。以現(xiàn)有技術(shù)條件，可以實(shí)現(xiàn)井深3 000 m以內(nèi)井下通訊。

圖11 振動信號衰減趨勢（放大100倍檔位）

圖12 振動信號衰減趨勢（放大1 000倍檔位）

4 振動波井下通訊技術(shù)應(yīng)用

在吉林油田+5-10.2井進(jìn)行了將振動波井下通訊技術(shù)應(yīng)用于分層注水的現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)管柱設(shè)計(jì)如圖13所示。該井第3層下入振動波控制配水器，下入深度416 m。振動波控制配水器由電池、減速電機(jī)、水嘴、振動信號接收解碼系統(tǒng)等組成。井口的振動信號發(fā)生器按要求產(chǎn)生含有控制信息的振動信號，振動信號沿著油管傳輸?shù)骄?。振動波控制配水器接收并解碼由井口傳來的振動信號，轉(zhuǎn)換為控制指令，控制減速電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制配水器的水嘴開度。振動波控制配水器上裝有水嘴開度傳感器，實(shí)現(xiàn)閥門開度0～100%的閉環(huán)控制。

圖13 試驗(yàn)管柱設(shè)計(jì)

現(xiàn)場試驗(yàn)過程如下。

①下入作業(yè)管柱，地面泵車打壓坐封封隔器。

②對油管打壓15 MPa，壓力表指數(shù)下降到10 MPa后保持穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)間5 min以上，表明井下所有水嘴均處于關(guān)閉狀態(tài)。

③地面振動信號發(fā)生器發(fā)送控制指令“0000011001000111”。前4位為配水器公共地址，中間 8位為水嘴開度，控制打開水嘴并將其開度調(diào)節(jié)成100%，后4位為奇偶校驗(yàn)位。為防止陷波帶導(dǎo)致信號阻斷，以100、200和300 Hz共3種頻率進(jìn)行信號發(fā)射，時(shí)間間隔5 min。

④地面泵車對油管打壓15 MPa，油管壓力在1 min內(nèi)迅速降為2 MPa（下降時(shí)間受低滲透油層影響），表明井下水嘴處于打開狀態(tài)，振動波控制打開水嘴動作正常。

⑤地面振動信號發(fā)生器分別以載波頻率100、200、300 Hz發(fā)送控制指令“0000000000000000”。前4位為配水器公共地址，中間 8位為水嘴開度，控制關(guān)閉水嘴，開度調(diào)節(jié)為零，后4位為奇偶校驗(yàn)位。

⑥對油管打壓15 MPa，油管可以保壓10 MPa持續(xù)5 min以上，表明井下水嘴處于關(guān)閉狀態(tài)，振動波控制關(guān)閉水嘴動作正常。

現(xiàn)場試驗(yàn)表明，以油管為傳輸介質(zhì)，振動波為載波進(jìn)行數(shù)字信號傳輸和遠(yuǎn)程控制是可行的，振動波井下通訊技術(shù)可應(yīng)用于分層注水。

5 結(jié)論

為了克服傳統(tǒng)井下通訊方法的不足，實(shí)現(xiàn)采油井筒的遠(yuǎn)程控制，本文提出了一種振動波井下通訊技術(shù)。首先對油套管振動波傳輸特性進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上制定了多基頻傳輸策略。采用開關(guān)鍵控調(diào)制和曼徹斯特編碼方式對振動信號進(jìn)行調(diào)制和編碼，將控制信息加載到振動波。研發(fā)了振動信號發(fā)生系統(tǒng)，以磁致伸縮材料為換能器件，實(shí)現(xiàn)電能到振動波能量的可控轉(zhuǎn)換。以微振加速度傳感器作為信號拾取元件，實(shí)現(xiàn)了振動信號的有效接收和解碼。

研發(fā)了振動波井下遠(yuǎn)程傳輸測試系統(tǒng)，并進(jìn)行了井下通訊現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了以套管為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)振動波通訊的可行性以及振動波通訊系統(tǒng)編碼方式、解碼算法的準(zhǔn)確性和可靠性，并得到了套管振動波信號傳輸?shù)乃p特性，以現(xiàn)有技術(shù)條件，可以實(shí)現(xiàn)井深3 000 m以內(nèi)井下通訊。

振動波井下通訊技術(shù)作為井筒控制的基礎(chǔ)共性技術(shù)，為井下信號傳輸提供了全新的技術(shù)手段，具有作業(yè)簡單、成本低、速度快、傳輸距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)在分層注水、分層采油、壓裂、試油、鉆井等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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（編輯 胡葦瑋）

Vibration wave downhole communication technique

ZHENG Lichen, YU Jiaqing, YANG Qinghai, GAO Yang, SUN Fuchao
(PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China)

To overcome the disadvantages of traditional downhole communication methods, a vibration wave downhole communication technique is proposed, and a vibration wave downhole communication system is developed. This technique has been verified by field test and is applied to separated layer water injection. It is shown by theoretical and test research that transmission of the vibration wave through tubing and casing appears as the alternate distribution of pass-band and stop-band. According to that, a multi-baseband transmission strategy is formulated. The on-off keying modulation and Manchester encoding scheme are used to load the control information into the vibration wave. A generation system of vibration signals is developed to realize the controllable conversion from electric energy into vibration wave energy. A receiving and decoding system of vibration waves, which uses a micro-vibration acceleration sensor as the signal pickup element, is developed too. A test system for vibration wave downhole remote transmission is designed and applied to field test. The feasibility of the technique and the accuracy and reliability of communication system are verified and the attenuation characteristics of casing vibration wave signals are obtained. This technique has been applied to separated layer water injection successfully with wide application prospect in wellbore control field.

vibration wave; downhole communication; on-off-keying modulation; Manchester encoding; magne-tostrictive material; micro-vibration acceleration sensor

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）項(xiàng)目“采油井筒控制工程關(guān)鍵技術(shù)與裝備”（2012AA061300）

TE35

A

1000-0747(2017)02-0295-06

10.11698/PED.2017.02.16

鄭立臣（1970-），男，遼寧朝陽人，博士，中國石油勘探開發(fā)研究院高級工程師，主要從事分層注水、分層采油、儲集層改造等井筒控制工程技術(shù)方面的研究工作。地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路20號，中國石油勘探開發(fā)研究院采油采氣裝備研究所，郵政編碼：100083。E-mail：zhenglichen@petrochina.com.cn

2016-04-19

2017-01-16