油井下的聲波無線通信技術(shù)的模擬研究

鄭磊 王占剛

摘 要：為了在油井中實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備到井下設(shè)備的無線信號(hào)傳輸，解決傳統(tǒng)有線電纜信息傳輸功耗大、效率低、操作難、成本高等缺點(diǎn)，研究了油井中的聲波無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種井下聲波傳輸?shù)哪M系統(tǒng)。通過研究聲波在油管中的傳輸情況以及比較聲波的傳輸特性，確定了適合模擬系統(tǒng)的發(fā)射聲波，并且搭建了一套模擬地面聲波發(fā)射裝置和井下聲波信號(hào)接收機(jī)組成的理想化的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了由地面到井下的無線聲波通信的可行性。

關(guān)鍵詞：聲波無線傳輸;模擬系統(tǒng);單片機(jī)開發(fā);調(diào)制;解調(diào);窄帶調(diào)頻波

中圖分類號(hào)：TP39;TN929.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）12-00-04

0 引 言

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，地面與井下的信息傳輸和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)已成為石油生產(chǎn)、測(cè)井、鉆井等領(lǐng)域的重要研究課題。完整的井下傳輸系統(tǒng)由輸入變換、發(fā)射機(jī)、傳輸通道、接收機(jī)和輸出轉(zhuǎn)換五部分組成。有線傳輸技術(shù)利用電纜等裝置連接井下儀器，但實(shí)際操作中受限于井下的環(huán)境狀況，而且設(shè)備要求復(fù)雜，作業(yè)效率低下。無線傳輸技術(shù)能夠避免或者克服利用電纜傳輸帶來的嚴(yán)重弊端，且設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，準(zhǔn)確率高，所以無線傳輸技術(shù)已成為試井、隨鉆測(cè)井、完井監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的重要手段之一。

井下無線傳輸技術(shù)是測(cè)井技術(shù)中的一項(xiàng)重要改革，這是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的創(chuàng)新性工作，可大大提高石油和天然氣資源的合理開發(fā)利用效率，降低生產(chǎn)成本，延長油氣井壽命，為中國石油和天然氣工業(yè)的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在這個(gè)階段，國外對(duì)無線傳輸技術(shù)的研究水平比中國早（國內(nèi)廣泛應(yīng)用有線傳輸方法），為了提高油田的生產(chǎn)力而租借國外成型商業(yè)產(chǎn)品租金較高。因此，研究井下無線傳輸技術(shù)很有必要，能夠彌補(bǔ)技術(shù)空缺，打破國外壟斷。

無線傳輸技術(shù)的前景如下：

（1）可用于注水井，將多個(gè)注水層的溫度、流量和壓力信息數(shù)據(jù)傳輸至地面，從而準(zhǔn)確了解水井情況進(jìn)行合理注配;

（2）可用于生產(chǎn)測(cè)井，井下壓力、水位、流量、溫度等數(shù)據(jù)通過油管輸送到地面;

（3）可用于定向鉆井，實(shí)現(xiàn)地面與井下雙向數(shù)據(jù)傳輸;

（4）可用于隨鉆測(cè)井，同時(shí)通過鉆桿將地層電阻率、傾角和井眼方位等數(shù)據(jù)傳遞到地面;

（5）可用于智能完井，將多分支井、斜井、水平井等多個(gè)儲(chǔ)層的數(shù)據(jù)傳送到地面，實(shí)現(xiàn)多儲(chǔ)層的優(yōu)化組合。

1 聲波的選取

聲波的種類多樣，對(duì)于井下傳輸來說，需要某種特殊的聲波作為傳播介質(zhì)，以減緩衰減和噪聲干擾，幫助工作人員準(zhǔn)確獲取井下的動(dòng)態(tài)資料。其中，調(diào)頻波的特點(diǎn)是振幅不變，但是頻率隨著調(diào)制信號(hào)的振幅變化。井口部分可以利用調(diào)頻波的特性產(chǎn)生窄帶調(diào)頻波作為地下聲波傳輸技術(shù)的介質(zhì)，并利用調(diào)制解調(diào)相關(guān)知識(shí)作為地下聲波傳輸?shù)恼w模型設(shè)計(jì)主線。

1.1 聲波的調(diào)制與解調(diào)

調(diào)制是指把某種信號(hào)從原有信道轉(zhuǎn)換到另一個(gè)信道進(jìn)行傳輸?shù)倪^程，能夠確保井下聲波傳輸系統(tǒng)的可靠性。載波調(diào)制是指用調(diào)制信號(hào)控制載波參數(shù)，把多個(gè)基帶信號(hào)分別搬移到不同的載波處，實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用，提高信道利用率[1]。解調(diào)是指從接收的已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)成原來的基帶信號(hào)，是調(diào)制的逆過程。調(diào)頻解調(diào)有非相干解調(diào)和相干解調(diào)兩種解調(diào)方式。解調(diào)與調(diào)制的實(shí)質(zhì)均為頻譜搬移。

相干解調(diào)只能解調(diào)窄帶信號(hào)，所以選用相干解調(diào)即同步解調(diào)，過程如圖1所示。

設(shè)窄帶調(diào)頻信號(hào)：

設(shè)相干載波：

相乘器的輸出：

經(jīng)低通濾波器取出其低頻分量：

再經(jīng)微分器，即得解調(diào)輸出：

可見，相干解調(diào)可以恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。這種解調(diào)方法與線性調(diào)制中的相干解調(diào)相同，要求本地載波與調(diào)制載波同步，否則將使解調(diào)信號(hào)失真。

現(xiàn)有的數(shù)字頻帶調(diào)制技術(shù)主要包括ASK，F(xiàn)SK和PSK等?？紤]到實(shí)際需求和實(shí)現(xiàn)的難易程度，最終選擇使用FSK進(jìn)行調(diào)制。FSK是利用基帶數(shù)字信號(hào)離散取值特點(diǎn)去鍵控載波頻率以傳遞信息的一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。

1.2 窄帶調(diào)頻波

窄帶調(diào)頻波的頻偏遠(yuǎn)小于調(diào)制頻率，或者調(diào)頻指數(shù)遠(yuǎn)小于1[2]。

如果FM信號(hào)的最大瞬時(shí)相位偏移滿足：

則FM信號(hào)的頻譜寬度較窄，稱為窄帶調(diào)頻（NBFM）。

將FM信號(hào)表達(dá)式展開，得到：

當(dāng)滿足公式（6）的條件時(shí)，有：

故式（7）可簡(jiǎn)化為式（1）。利用傅里葉變換對(duì)，可得到NBFM信號(hào)的頻域表達(dá)式：

公式（1）和公式（9）是NBFM信號(hào)的時(shí)域和頻域的一般表達(dá)式。

在NBFM中，下邊頻為負(fù)，兩個(gè)邊頻的合成矢量與載波正交相加，所以NBFM不僅有相位的變化，幅度也有很小的變化。當(dāng)最大相位偏移滿足時(shí)，NBFM信號(hào)幅度基本不變，形成窄帶調(diào)頻信號(hào)。

1.3 聲波在油井中的傳播形式和傳播途徑

油管柱在結(jié)構(gòu)上具有周期性。由于聯(lián)軸器即接箍直徑大于油管直徑，所以形成了分段橫截面，橫截面也是周期性連接，在這種結(jié)構(gòu)中，阻抗隨管道直徑的變化而變化，聲波可分為三種形式，即彎曲波、橫波和縱波。聲波以橫波和縱波傳播時(shí)，其傳播特性容易研究，而當(dāng)聲波以彎曲波傳播時(shí)，傳輸速度緩慢，容易被分散和衰減，對(duì)聲波信號(hào)傳輸產(chǎn)生不利影響。

橫波和縱波不會(huì)被輕易衰減，但兩者相比較而言存在差異。橫波的波長較長，在接箍處的反射程度大于縱波，導(dǎo)致橫波衰減程度嚴(yán)重。相對(duì)而言，縱波衰減程度較小，在研究聲波沿油管柱傳播時(shí)，縱波受到的衰減僅來源于聲波頻帶內(nèi)部，受到的外部干擾如鉆桿或場(chǎng)地的干擾較少。

據(jù)研究現(xiàn)狀而言，聲音可以通過以下幾條路徑在油井中傳播。

（1）沿井中套管外壁傳播。該路徑缺點(diǎn)較多，土層和巖層對(duì)聲波信號(hào)的衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致傳播距離較短。

（2）沿套管內(nèi)壁傳播。此路徑接觸到的介質(zhì)是水和空氣，衰減相比外壁和井外小。

（3）在油管柱環(huán)形空間的水和空氣中傳播。沿著該路徑進(jìn)行傳播時(shí)衰減幾乎不存在，并且聲音在套管內(nèi)壁和油管外壁進(jìn)行全反射，傳播距離遠(yuǎn)[3]。

（4）聲音耦合到油管外壁上進(jìn)行傳播，該路徑傳播的聲音較弱，且無法到達(dá)井底。

通過對(duì)以上幾種途徑的比較發(fā)現(xiàn)，第二種和第三種比較有利于聲波在油井中傳播，傳播路徑示意如圖2所示。

井下儀器安裝：發(fā)聲裝置安裝在井口，接收裝置安裝在油管外壁，隨油管一起下井，以保證聲波從油管柱環(huán)傳往井下。為防止儀器下井時(shí)磕碰套管壁，導(dǎo)致接收部分電路被水浸泡而短路，因此井下裝置除傳感器外，須裝在一個(gè)密閉的儀器筒內(nèi)，再將儀器筒安裝在油管壁上。

2 井下聲波檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 井下聲波傳輸系統(tǒng)的模型整體設(shè)計(jì)方案

聲波無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行模擬時(shí)，信息源即為聲波源。由計(jì)算機(jī)發(fā)送出窄帶調(diào)頻波信號(hào)，該信號(hào)被LM567音頻解碼模塊接收，連接STM32-V5開發(fā)板，通過計(jì)算機(jī)處理得到解調(diào)后結(jié)果，與編碼比較從而判斷解碼是否正確，以驗(yàn)證無線聲波傳輸系統(tǒng)的可行性。模擬系統(tǒng)流程如圖3所示。

2.2 基于安富萊STM32-V5和LM567音頻芯片的解碼設(shè)計(jì)

2.2.1 安富萊STM32-V5開發(fā)板

安富萊STM32-V5開發(fā)板與之前的STM32系列相比具有重大突破，開發(fā)板拓展了多項(xiàng)功能，可以外接更多模塊，例如MP3音頻解碼模塊、OLED顯示模塊、攝像頭模塊、雙路16位ADC模塊、示波器模塊、nRF24L01無線模塊、AD7606數(shù)據(jù)采集模塊、GPS模塊等;顯示界面完善，支持多種觸摸液晶屏，底層驅(qū)動(dòng)自動(dòng)識(shí)別，可以實(shí)現(xiàn)所有顯示模塊的相同固件支持。

2.2.2 LM567音頻解碼模塊

該模塊采用LM567鑒頻芯片，模塊實(shí)物如圖4所示。

模塊搭載麥克風(fēng)、LM358雙運(yùn)放、LM567鑒頻器、調(diào)節(jié)頻率的電位器、電源指示燈和輸出指示燈，右邊6個(gè)引腳分別代表地管腳、電源管腳、輸出管腳、鑒頻器信號(hào)輸入管腳、鑒頻器耦合頻率輸出管腳、放大器實(shí)時(shí)輸出管腳。模塊電路如圖5所示。

LM567是一種常見的鎖相環(huán)電路音調(diào)解碼器，主要用于振蕩、調(diào)制、解調(diào)和遙控編解碼電路。該芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包含一個(gè)穩(wěn)定的鎖相環(huán)路和一個(gè)晶體管開關(guān)，為了讓主要的鎖相環(huán)路保持相對(duì)穩(wěn)定，特加入電流控制振蕩器、鑒相器和反饋濾波器。當(dāng)輸入端接收到選定的音頻時(shí)，即可產(chǎn)生一個(gè)接地方波[4]。當(dāng)輸入信號(hào)于通帶內(nèi)時(shí)提供飽和晶體管對(duì)地開關(guān)，電路由I與Q檢波器構(gòu)成，由電壓控制振蕩器驅(qū)動(dòng)振蕩器確定譯碼器中心頻率。用外接元件獨(dú)立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延時(shí)。其工作時(shí)類似于一個(gè)低壓電源開關(guān)，當(dāng)接收到一個(gè)位于所選定窄頻帶內(nèi)的輸入音調(diào)時(shí)，開關(guān)接通，當(dāng)用作音調(diào)控制開關(guān)時(shí)，頻率范圍為0.1～500 kHz，檢測(cè)帶寬可以設(shè)定在中心頻率14%內(nèi)的任意值。輸出開關(guān)延時(shí)可以通過選擇外電阻和電容在一個(gè)寬時(shí)間范圍內(nèi)任意改變[4]。此模塊的1，2引腳分別表示輸出濾波和回路濾波;3，8代表輸入輸出端口;5，6則是定時(shí)電阻和定時(shí)電容端。

此模塊工作時(shí)會(huì)對(duì)輸入頻率和設(shè)定頻率進(jìn)行比較，自動(dòng)濾除其他頻率的聲音，相同時(shí)才輸出低電平信號(hào)。搭載鑒頻器能夠?qū)潭l率音頻信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，搭載放大器將麥克風(fēng)拾取的聲音信號(hào)進(jìn)行100倍放大。此外，模塊上還有精密電位器，接收到聲波信號(hào)后調(diào)整電位器，將此頻率固定，方便對(duì)比。

3 操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 音頻模塊與開發(fā)板連接

在安富萊STM32-V5開發(fā)板上配有搖桿和各種按鈕，開發(fā)設(shè)計(jì)圖如圖6所示，搖桿原理如圖7所示。PH2，PH3分別代表搖桿上下鍵的引腳，且每觸發(fā)一次上下鍵相當(dāng)于輸出一次低電平，就需要將該輸出定義的變量進(jìn)行修改，并判斷PH2或PH3引腳的狀態(tài)。如果輸出是低電平，則返回“0”，輸出是高電平則返回“1”。將2個(gè)LM567音頻解碼模塊的輸出腳接入到搖桿上下鍵的引腳上，每次接收到不同頻率的聲波信號(hào)時(shí)，會(huì)將輸出量輸入到引腳上表示搖桿被觸發(fā)。

3.2 定義解碼成果

之前的編碼利用兩種不同頻率的聲波信號(hào)，將其定義為“0”和“1”，解碼時(shí)液晶屏上顯示十六進(jìn)制數(shù)，可方便呈現(xiàn)編碼結(jié)果。例如編碼時(shí)將“0”“1”按照0 1 0 1 0 1 0 1排序，那么解碼后在液晶屏上顯示的十六進(jìn)制數(shù)即為55。

3.3 解碼程序設(shè)計(jì)

硬件選用的音頻解碼模塊輸出量為一個(gè)低電平，且編碼設(shè)計(jì)時(shí)程序定義了兩個(gè)量進(jìn)行排序，所以設(shè)計(jì)解碼程序時(shí)就要考慮加入循環(huán)語句。將解碼轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)，加上循環(huán)結(jié)構(gòu)可以使用循環(huán)移位計(jì)算。具體設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

當(dāng)500 Hz解調(diào)電路模塊輸出為低電平且600 Hz解調(diào)電路模塊輸出為高電平時(shí)，證明接收的聲波信號(hào)代表數(shù)字1，即搖桿上鍵被按下，此時(shí)先進(jìn)位1，再進(jìn)行攜帶進(jìn)位的8位數(shù)組的左移運(yùn)算，使最后一位變成1。下一次接收到的信號(hào)如果為0，即當(dāng)500 Hz解調(diào)電路模塊輸出高電平且600 Hz解調(diào)電路模塊輸出為低電平時(shí)，證明接收到的聲波信號(hào)代表數(shù)字0，類似搖桿下鍵被按下，此時(shí)先將進(jìn)位位置0，再攜帶進(jìn)位左移，則最后一位變成0，倒數(shù)第二位變成1。每個(gè)按鍵8位是一個(gè)循環(huán)，兩個(gè)按鍵即接收16位是完整的一次循環(huán)。將該16位信息轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)顯示在液晶屏，得到解碼結(jié)果，如圖9所示。

4 結(jié) 語

（1）文中分析了聲波信號(hào)在油管柱傳輸時(shí)的特性，包括聲波的波動(dòng)方程、沿油管柱傳輸時(shí)的衰減特性、井下傳輸?shù)脑肼暩蓴_等，得出了聲波在井下傳輸時(shí)會(huì)有一種梳狀濾波器結(jié)構(gòu)特性， 從而要求井下聲波傳輸時(shí)考慮選擇窄帶調(diào)頻波作為模擬系統(tǒng)搭建的媒介。

（2）文中分析了實(shí)際操作系統(tǒng)如何達(dá)到聲波調(diào)制和解調(diào)的目的，分析如何生成窄帶調(diào)頻波與LM567音頻解碼模塊的功能特性，并對(duì)開發(fā)板和音頻解碼模塊如何連接進(jìn)行了詳細(xì)分析，從而實(shí)現(xiàn)了拾取聲波、解碼顯示的目的。

參 考 文 獻(xiàn)

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