井下聲波遙測(cè)地面定頻信號(hào)采集裝置設(shè)計(jì)*

孟培媛， 劉宇光， 王 磊， 寧 可

(1.西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710123；2.西安思坦儀器股份有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

煤層氣開采是一個(gè)排水降壓的過程，需要進(jìn)行動(dòng)液面監(jiān)測(cè)[1]?？紤]到煤層氣井較淺的深度(350～1 500 m之間)和較簡單的管柱結(jié)構(gòu)，可以利用聲波遙測(cè)的方法進(jìn)行井下數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和無線傳輸。井下聲波遙測(cè)系統(tǒng)(acoustic telemetry system,ATS)是在井下隨管柱安裝聲波換能器，將采集到的數(shù)據(jù)編碼后，以固定頻率的聲波脈沖延管柱傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行接收，在鉆柱中其數(shù)據(jù)傳輸速率理論可達(dá)到50～100 bit/s。周靜等人[2]對(duì)聲波在鉆柱中的傳輸特性進(jìn)行了研究，提出了聲波在鉆柱中傳播的最優(yōu)頻帶；蔡文軍[3]進(jìn)一步確定了聲波在鉆柱中傳播的優(yōu)選頻率為600,650,900 Hz；杜勇等人[4]證明了聲波在單根油管內(nèi)衰減較小，螺紋接口處衰減較大的特性；馮曉莉等人[5～8]對(duì)聲波在油管內(nèi)的傳輸特性進(jìn)行了建模分析及實(shí)驗(yàn)，并提出了井下?lián)Q能器及地面解碼濾波的具體方案；張建軍等人[10]通過實(shí)驗(yàn)確定了聲波信號(hào)衰減與井深的關(guān)系；劉新平等人[10,11]對(duì)井下泥漿脈沖、電磁、聲波等無線傳輸手段進(jìn)行了對(duì)比分析；張成暉等人[12]設(shè)計(jì)了以片上系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(silicon on chip field programmable gate array,SoC FPGA)為核心的聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)；林博等人[13]對(duì)聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)壓縮算法進(jìn)行了研究和優(yōu)化。

目前國內(nèi)井下聲波遙測(cè)技術(shù)研究主要集中在管柱聲波傳播特性、井下?lián)Q能器和地面解碼濾波方面，對(duì)井口信號(hào)接收裝置的研究仍未見報(bào)道。傳統(tǒng)的加速度傳感器及速度傳感器在其測(cè)量范圍內(nèi)靈敏度為恒定值，對(duì)傳輸?shù)降孛娴奈⑷跤行盘?hào)和干擾信號(hào)進(jìn)行無差別的采集，使后續(xù)的濾波解碼工作變得十分艱難。

本文設(shè)計(jì)了一種地面定頻信號(hào)采集裝置，利用共振原理對(duì)指定頻率的振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)大幅值輸出，同時(shí)抑制其他頻率的干擾信號(hào)，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈敏度和抗干擾能力，提高了后續(xù)解碼工作的成功率。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理

1.1 井下聲波遙測(cè)最優(yōu)頻率

聲波信號(hào)在管柱內(nèi)傳播的吸收式衰減規(guī)律為

J=J0e-δL

(1)

式中J為距聲源L遠(yuǎn)處的聲場(chǎng)強(qiáng)度，J0為聲源處聲場(chǎng)強(qiáng)度，δ為衰減系數(shù)。信號(hào)頻率越高則衰減系數(shù)越大。聲波信號(hào)在油管管柱內(nèi)的可靠傳輸深度約為2 km[14,15]。

油管管柱中，頻率高于5.5 kHz的聲波信號(hào)衰減幅度急劇增大，在0.5～1 kHz范圍內(nèi)則衰減較小[16]。利用GZ-6C型測(cè)振儀和井下超磁致伸縮換能器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掃頻實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，換能器進(jìn)入液面后信號(hào)衰減嚴(yán)重，但770 Hz的聲波振動(dòng)信號(hào)衰減程度明顯小于其他頻率，且幅值一直保持在1 m/s2以上，故選取770 Hz為地面定頻信號(hào)采集裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)頻率，設(shè)計(jì)共振方向?yàn)檠毓苤S向。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

定頻信號(hào)采集裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中“壓電陶瓷片”是以黃銅薄片為基體，上下分別燒結(jié)了P-41陶瓷材料的環(huán)狀薄片，被壓緊固定在“基座”上?！盎钡撞坑蠱5螺桿用于固定安裝。在“壓電陶瓷片”與固定件之間墊有“彈性墊片”，材料為PTFE，用以適當(dāng)降低系統(tǒng)的阻尼系數(shù)?！皦弘娞沾善蓖庋嘏c“殼體”采用激光焊接。“殼體”上部安裝“加重組合”，用于調(diào)整裝置的固有頻率。整個(gè)信號(hào)采集裝置為一個(gè)頻率可調(diào)的共振系統(tǒng)，其“加重組合”呈塔形布置，使軸向振型更容易被區(qū)分出來。

圖1 接收裝置結(jié)構(gòu)示意

由于井口安裝條件限制，要求接收裝置外徑小于等于45 mm，高度小于等于170 mm，外部安裝防水防爆保護(hù)罩和配套的固定裝置。

1.3 模態(tài)分析

整個(gè)信號(hào)采集裝置作為一個(gè)共振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，存在多種材料之間的相互粘結(jié)、接觸和擠壓，對(duì)其各階固有頻率直接求解計(jì)算十分困難。采用Abaqus軟件對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行模態(tài)分析，以確定在770 Hz激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)軸向共振的加重組合形式。整個(gè)模型采用C3D10M單元，共68 644個(gè)單元，材料參數(shù)如表1所示。對(duì)零件“基座”底部M5螺柱施加固定約束，分析計(jì)算前6階模態(tài)。

表1 不同材料的計(jì)算參數(shù)

當(dāng)加重組合總質(zhì)量為168 g時(shí)，前6階固有頻率分別為392.79,393.34,768.58,1 645.9,1 649.5,1 786.5 Hz，其中,第3階振型共振方向?yàn)檩S向方向，頻率為768.58 Hz，接近目標(biāo)頻率770 Hz。

1.4 諧響應(yīng)分析

為了模擬真實(shí)的工作情況，對(duì)模型按照正弦規(guī)律施加0.05 mm的強(qiáng)制位移，方向沿軸向，從0～2 500 Hz進(jìn)行掃頻激勵(lì)，模型總應(yīng)變能如圖2所示。

圖2 0.05 mm強(qiáng)制位移激勵(lì)下模型總應(yīng)變能

可見在768.58 Hz時(shí)，模型總應(yīng)變能最大，為296.647 mJ，且曲線尖銳。表明對(duì)于軸向振動(dòng)激勵(lì)來說，本信號(hào)采集裝置具有極強(qiáng)的頻率選擇性(768.58 Hz)，響應(yīng)輸出也較高。

2 樣機(jī)室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

2.1 幅頻特性

以Abaqus計(jì)算結(jié)果為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終成品(WL-770定頻信號(hào)采集裝置)如圖3所示。加重組合滿足120～187.5 g范圍內(nèi)的調(diào)整需求。其中,1#樣機(jī)經(jīng)過調(diào)校后確定加重組合為160 g。

圖3 WL-770定頻信號(hào)采集裝置

采用VSC-1型振動(dòng)傳感器校準(zhǔn)儀，對(duì)1#樣機(jī)、動(dòng)圈式地震檢波器LGT-20D40和壓電式加速度傳感器INV9828進(jìn)行軸向掃頻激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，頻率從0 Hz逐步增加到1 000 Hz。測(cè)量三者輸出的峰峰電壓值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 3種傳感器的頻響特性(加速度5 m/s2)

可以看出，1#樣機(jī)在加速度幅值為0.5 m/s2的正弦激勵(lì)下，770 Hz時(shí)輸出電壓峰峰值為6.8 V，曲線形狀與Abaqus諧響應(yīng)分析獲得的應(yīng)變能曲線基本一致，在0～730 Hz及820～1 000 Hz范圍內(nèi)輸出不到1 V。

而LGT-20D40和INV9828型傳感器在10倍于1#樣機(jī)的激勵(lì)強(qiáng)度(5 m/s2)下，其整體最大輸出值，以及770 Hz時(shí)的輸出值仍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者；且兩者在量程內(nèi)靈敏度幾乎為恒定值，沒有頻率選擇性。

綜上所述，新型定頻信號(hào)采集裝置適合對(duì)給定頻率的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行捕捉，滿足井下ATS使用要求。傳統(tǒng)加速度、速度傳感器適合測(cè)量量程內(nèi)不同頻率加速度、速度信號(hào)的大小。

2.2 多只樣機(jī)對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)20只WL-770定頻信號(hào)采集裝置樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試，加重質(zhì)量和在770 Hz、加速度幅值為0.5 m/s2的正弦激勵(lì)下的輸出幅值如表2所示。

表2 20只樣機(jī)在770 Hz的輸出及加重質(zhì)量

可見，全部20只樣機(jī)經(jīng)過調(diào)校，在770 Hz時(shí)的輸出均在5.5 V以上，完全滿足后續(xù)采集解碼電路的需求。且前10只樣機(jī)的頻響特性曲線基本重合，僅在最高點(diǎn)幅值有小范圍變化，其穩(wěn)定性及調(diào)校工藝滿足批量生產(chǎn)的要求。

2.3 軸向共振頻率與加重之間的關(guān)系

定頻信號(hào)采集裝置軸向共振頻率與加重之間的關(guān)系受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、材料特性等多種因素的影響，難以直接分析計(jì)算。對(duì)8#樣機(jī)進(jìn)行了不同加重組合下軸向共振頻率的測(cè)試，從實(shí)驗(yàn)的角度探尋其軸向共振頻率與加重組合間的關(guān)系，得出結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同加重質(zhì)量對(duì)共振頻率的影響

可見對(duì)此WL-770定頻信號(hào)采集裝置來說，在120～175 g加重區(qū)間內(nèi)，其軸向共振頻率與加重質(zhì)量基本滿足線性關(guān)系，此關(guān)系可用來指導(dǎo)生產(chǎn)調(diào)校，初步確定加重組合質(zhì)量。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

將安裝WL-770定頻信號(hào)采集裝置的地面控制器，和安裝INV9828加速度傳感器的地面控制器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，24 h內(nèi)前者解碼成功11組數(shù)據(jù)，后者解碼成功5組數(shù)據(jù)(如表3所示)，前者相比后者解碼成功率提高了1倍以上。

表3 24 h內(nèi)兩套地面設(shè)備解碼對(duì)比

3 結(jié) 論

針對(duì)煤層氣井的井況，通過實(shí)驗(yàn)確定了井下聲波遙測(cè)所采用的最優(yōu)頻率為770 Hz。根據(jù)共振原理設(shè)計(jì)了地面定頻信號(hào)采集裝置，通過模態(tài)分析確定了設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)模型進(jìn)行了諧響應(yīng)分析。

通過樣機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，證明此定頻信號(hào)采集裝置具有較高的靈敏度和良好的選頻特性，能夠應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中并提高地面解碼的成功率。

同時(shí)，此接收裝置還可以應(yīng)用在類似的，采用定頻聲波或振動(dòng)脈沖作為信號(hào)傳輸手段的其他場(chǎng)合。