利用水聲通信原理解決隨鉆數(shù)據(jù)傳輸問題

耿艷峰, 賈夢之, 鄭 重, 閆宏亮,2, 岳耀賓,3, 李 芳

(1.中國石油大學(華東)控制科學與工程學院,山東青島 266580; 2.西安石油大學陜西省鉆機控制技術(shù)重點實驗室,陜西西安 710065; 3.青島科技大學自動化與電子工程學院,山東青島 266042)

近十多年來,鉆井工程技術(shù)進步主要表現(xiàn)在兩個方面:一是隨鉆測量技術(shù)由單純的井眼軌跡參數(shù)測量逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛删圮壽E參數(shù)、鉆井工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)等組成的隨鉆綜合測量;二是鉆井技術(shù)由以“開環(huán)控制”為特征的“幾何導向”向以“閉環(huán)控制”為特征的“地質(zhì)導向”轉(zhuǎn)變。需要在鉆井過程中實時傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)的井下數(shù)據(jù)越來越多,但隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)卻一直停滯不前,已經(jīng)成為制約鉆井工程技術(shù)發(fā)展的瓶頸[1]。隨鉆數(shù)據(jù)的高速傳輸不僅有助于及時準確地發(fā)現(xiàn)油氣儲集層,從而最大限度地保證鉆頭在油氣層中穿行,提高油氣采收率;而且能夠及時發(fā)現(xiàn)各種井下異常工況,保證鉆井過程安全,甚至實現(xiàn)“透明鉆井”的夢想。隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸技術(shù)既是實現(xiàn)鉆井過程智能化的必要條件,又是深海、深地資源勘探開發(fā)的支撐技術(shù),已經(jīng)成為鉆井工程、科學鉆探等領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的難點和熱點問題[2-3]。筆者首次提出利用水聲通信原理解決隨鉆數(shù)據(jù)傳輸難題的設(shè)想,對水聲通信原理應(yīng)用于隨鉆數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的信源合成、信道建模以及信宿檢測技術(shù)進行分析與討論。

1 隨鉆數(shù)據(jù)傳輸原理

隨鉆數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是一個典型的通信系統(tǒng),由信源、信道、信宿3部分組成。在鉆井過程中,位于井下的信源通過多種方式對井下儀器的實時測量數(shù)據(jù)進行調(diào)制,經(jīng)不同信道傳輸?shù)轿挥诘孛娴男潘?經(jīng)解調(diào)解碼過程實現(xiàn)隨鉆數(shù)據(jù)傳輸。按照信道不同,現(xiàn)有隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)分為有線傳輸與無線傳輸兩大類。

有線傳輸技術(shù)包括電纜、光纖和智能鉆桿3種,具有速度快,距離遠,傳輸信息量大等優(yōu)點。由于常規(guī)鉆井的井深可達數(shù)千米,高壓、大流量的鉆井液,從地面系統(tǒng)進入強振動并且旋轉(zhuǎn)的鉆桿后向下流動,穿過鉆頭、達到井底,攜帶著井底鉆屑從鉆桿與井壁的環(huán)空中返回地面系統(tǒng),濾除固相雜質(zhì)后,鉆井液循環(huán)使用。由此產(chǎn)生的大深度、大流量、高壓和強振動等異常惡劣的鉆井環(huán)境導致有線傳輸方式可靠性差,故障檢修極其困難,實用性差且成本高。

無線傳輸技術(shù)更適合隨鉆應(yīng)用,因為鉆頭不停地向遠處延伸。鉆井系統(tǒng)包括地面井架、從地面到井底的鉆桿、鉆頭以及循環(huán)流動的鉆井液等部分。以鉆頭為界,鉆井液在井下被分為兩部分:由地面流向鉆頭處位于鉆桿內(nèi)的部分,稱為桿內(nèi)鉆井液;由鉆頭處流向地面的位于環(huán)空中的部分,稱為環(huán)空鉆井液?？傮w上,前者較為干凈;后者由于被鉆屑與地層產(chǎn)出物污染,成分非常復(fù)雜,是一種氣液固混合的多相流,通常被稱為鉆井液。由此可見:能夠用于隨鉆數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線信道包括鋼制鉆桿、桿內(nèi)鉆井液、環(huán)空鉆井液和大地4種。其中環(huán)空鉆井液由于成分復(fù)雜,不適合無線數(shù)據(jù)傳輸。因此除特別說明外,本文中的鉆井液信道均指鉆桿內(nèi)的鉆井液。

2 無線隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)分析

2.1 現(xiàn)有無線隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

現(xiàn)有無線隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有鉆井液脈沖、電磁波與鉆桿聲波,分別利用了鉆井液、大地和鉆桿3種信道。其中鉆井液脈沖技術(shù)應(yīng)用最為普遍,電磁波次之,鉆桿聲波仍然處于現(xiàn)場測試與部分應(yīng)用階段。

2.1.1 鉆井液脈沖隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

通過控制脈沖發(fā)生器的運動部件對鉆井液產(chǎn)生節(jié)流作用,進而生成不同頻率與幅度的水力脈沖,實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)調(diào)制,由地面信宿完成壓力脈沖信號的檢測、解調(diào)與解碼功能。鉆井液脈沖器分為正脈沖、負脈沖和連續(xù)波脈沖3種,其中負脈沖發(fā)生器對井壁的沖刷作用較大,已經(jīng)淘汰。國內(nèi)的現(xiàn)役產(chǎn)品是正脈沖發(fā)生器,國外是正脈沖發(fā)生器和連續(xù)波脈沖器共用。由于機械傳動產(chǎn)生的脈沖頻率受到一定限制,信號傳輸速率相對較低,正脈沖發(fā)生器一般小于2 bit/s,連續(xù)波脈沖器為1～10 bit/s。目前國內(nèi)研究重點是連續(xù)波脈沖器研制[4-6],國外已經(jīng)轉(zhuǎn)向連續(xù)波脈沖器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、信號增強、高效簡潔的數(shù)據(jù)調(diào)制等[7-11]。三大國際著名的油氣技術(shù)服務(wù)公司均擁有各自的連續(xù)波脈沖器,國內(nèi)北京海藍、普利門、中天啟明等公司都成功地開發(fā)出正脈沖發(fā)生器。

2.1.2 電磁波隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

電磁波從井下發(fā)射源向周圍無限空間(大地)輻射,由固定在地表的天線探頭接收井下發(fā)射的電磁波,實現(xiàn)隨鉆數(shù)據(jù)傳輸。地面和井下天線均為收發(fā)兩用天線,可以實現(xiàn)雙向通信。盡管電磁波通信在空氣與真空中取得了巨大的成功,但受制于地層電阻(主要受地層含水率影響)對電磁波的衰減,只有低頻電磁波能夠應(yīng)用于有限井深、特定區(qū)塊與鉆井工藝的隨鉆測量[12-13]。如美國APS公司使用2～12 Hz的電磁波進行數(shù)據(jù)傳輸,傳輸速率可以達到12 bit/s,應(yīng)用于氣體鉆井、泡沫鉆井以及欠平衡鉆井過程。國內(nèi)外目前的研究重點是信道特性、電磁波中繼與信號處理技術(shù)等[13～15]。三大油服公司均擁有各自的產(chǎn)品,俄羅斯的電磁波隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位,國內(nèi)的相關(guān)研究尚未產(chǎn)業(yè)化。

2.1.3 鉆桿聲波隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

位于井下的聲波換能器通過壓電晶體或者磁致伸縮元件在鉆桿中激發(fā)聲波,該聲波沿鉆桿由井下向地面?zhèn)鞑?位于地面立管上的加速度傳感器檢測該信號,然后進行解調(diào)解碼,獲得井下數(shù)據(jù)。國內(nèi)外目前的研究重點是地面信號處理方法、信道特性、信號中繼、換能器等。鉆桿聲波技術(shù)的優(yōu)缺點都很明顯,鉆桿信道既不依賴于鉆井液,也不依賴于地層,而且聲波在鉆桿中衰減較小,數(shù)據(jù)傳輸速率可達10 bit/s。但是鉆桿是由6～13 m長的中空鋼管通過螺紋連接而成的,長度達到數(shù)千米。聲波信號在鉆桿接頭處衰減嚴重、甚至發(fā)生波形畸變與波形轉(zhuǎn)換,需要間隔600～1 000 m加裝一個中繼放大器來維持信號幅度,實際應(yīng)用困難。

綜上所述,現(xiàn)有無線隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)尚難以滿足鉆井工程技術(shù)需求。其中鉆井液脈沖器獲得了廣泛應(yīng)用,但數(shù)據(jù)傳輸速率太低;電磁波技術(shù)的應(yīng)用條件受限;鉆桿聲波技術(shù)取得了初步成功,但遇到了鉆桿接頭處聲波衰減與畸變難題。截至目前,尚未開發(fā)出一種理想的隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),既具有較高的傳輸速率,又能適用于各種鉆井工藝,這嚴重制約了鉆井過程自動化與智能化水平的提升。

2.2 一種新的隨鉆數(shù)據(jù)傳輸方案

基于現(xiàn)有隨鉆數(shù)據(jù)傳輸問題,提出利用水聲通信原理解決隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸問題的思想。

首先解決通信速率問題,廣泛應(yīng)用的鉆井液脈沖數(shù)據(jù)傳輸速率為0.2～10 bit/s,常規(guī)油氣鉆井不超過10 km,2009年水聲通信在10 km范圍內(nèi)已達到1 200 bit/s[16],是隨鉆數(shù)據(jù)傳輸?shù)?20～6 000倍。因此利用水聲通信技術(shù)解決隨鉆數(shù)據(jù)傳輸問題,有望使隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)取得突破性進展,滿足當下以至未來的鉆井工程技術(shù)需求。

其次解決信道的選擇問題,桿內(nèi)鉆井液是最佳的無線隨鉆信道。與環(huán)空鉆井液信道相比,該信道相對干凈,不含地層產(chǎn)出物與鉆屑,水聲信號吸收與散射衰減小,有利于水聲信號的穩(wěn)定傳輸。與鉆桿信道相比,該信道連續(xù),不存在鉆桿接頭處信號的衰減與畸變,有利于提高傳輸距離。與大地信道相比,該信道介質(zhì)物性參數(shù)相對穩(wěn)定,與地質(zhì)區(qū)塊、地層導電特性等無關(guān),因此該技術(shù)的適用范圍更廣。

最后解決通信系統(tǒng)的可靠性問題,井下儀器的可靠性是非常重要的性能指標,因為一旦發(fā)生故障,需要將數(shù)千米的鉆桿從井眼中抽出才能對儀器進行維修,嚴重影響鉆井作業(yè)進程。與鉆井液脈沖器相比,水聲信源無機械可動部件,具有功率小、壽命長等優(yōu)點。

鉆井工程中,只要隨鉆數(shù)據(jù)的傳輸速率達到10 bit/s,即可基本滿足隨鉆成像測井的通信需求,從而為地層識別、導向決策等工作提供可靠依據(jù),大幅度提高油氣勘探開發(fā)的效率與水平。

3 基于水聲通信原理的隨鉆數(shù)據(jù)傳輸

3.1 隨鉆信道建模

隨鉆信道可以簡化成一維有限長、均勻、等截面波導。由聲學理論可知,用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐肼曉词瞧矫婵v波,因為平面縱波在細長管道中傳播時只存在由于管壁非剛性導致的沿程衰減、鉆井液吸收與散射衰減,不存在擴散衰減,有利于信號遠傳。與鉆井液水聲信道相關(guān)的3個邊界條件是:地面空氣包的聲波吸收與反射、井底鉆頭處的聲波反射與透射、鉆桿管壁彈性模量的影響。

3.1.1 理想流體一維小振幅波方程

水聲通信利用的是振幅遠小于波長的小振幅波,忽略鉆井液黏度與密度的影響,略去流體微元運動方程中二階以上的微量,對運動方程進行簡化[16],簡化過程為

(1)

其中

ρ=ρ0+ρ′.

式中,ρ為聲壓作用后的流體密度;ρ0為流體的初始密度;ρ′為由聲壓p作用引起的流體密度增量。簡化過程中利用ρdv/dt=ρ(?v/?t+v?v/?x)≈ρ0?v/?t,忽略了非線性項v?v/?x的影響。

同理對于連續(xù)性方程進行簡化可以得到

(2)

根據(jù)聲壓定義,由一般液體的物態(tài)方程可以得到

(3)

式中,c0為初始溫度與壓力條件下的流體聲速。

以上3個方程中,箭頭右邊的部分構(gòu)成理想流體一維小振幅波的線性波動方程組,消去p、v、ρ′中的任意兩個,即可得到波動方程的不同形式。

如消去ρ′,可以得到

(4)

式(4)表示小振幅波的聲壓與傳輸距離、時間之間的關(guān)系,是隨鉆水聲信道的建?；A(chǔ)。

3.1.2 隨鉆水聲信道建模

鉆桿是由長度為6～13 m、內(nèi)徑(2a)為46.1～121.4 mm、壁厚約為10 mm的中空鋼管用螺紋連接而成,總長度可達數(shù)千米,可以等效為細長管進行分析。細長管中高次波衰減很快,隨鉆水聲信號的頻率應(yīng)低于沿鉆桿軸向傳播的主波頻率,因此設(shè)計的水聲信源頻率必須低于由最大鉆桿內(nèi)徑確定的截止頻率[17]。

圓柱形管中聲波主波截止頻率f的計算公式為

(5)

其中聲速取25°水中的聲速c0=1 500 m/s,鉆桿內(nèi)徑2a=46.1～121.4 mm,由此換算得到的聲波截止頻率f=7.24～19.07 kHz。如果能夠使聲源實現(xiàn)軸對稱振動,截止頻率還可以提高1倍。

隨鉆水聲信道將聲波輻射約束在鉆桿內(nèi)部,鉆桿形狀、尺寸和管壁材料等因素都會對聲波傳輸產(chǎn)生影響。實際的隨鉆信道是具有如下特征的三維波導:有限長(數(shù)千米)、變截面(同一段鉆桿內(nèi)徑相同、不同內(nèi)徑鉆桿串聯(lián)而成的突變截面、不同井下儀器形成的連續(xù)變化截面)、變曲率(不同的井身結(jié)構(gòu)會有5°～10°/30 m的曲率變化)、變長度(鉆井過程中井深隨時間增加)、變黏度(鉆井液黏度隨井深與溫度等參數(shù)在1～40 mPa·s之間變化)等,因此需要在熟悉隨鉆水聲信道截面變化、彎曲等形狀特征引起的聲場變化規(guī)律基礎(chǔ)上進行分段建模。

鉆井液波導的密度、黏度、長度等特征參數(shù)隨鉆井時間、實際進尺等參數(shù)發(fā)生變化,只有建立隨鉆水聲信道的分段(適應(yīng)鉆桿結(jié)構(gòu)變化)、時變(鉆井深度隨時間變化)、分布式(鉆井液參數(shù)沿信道變化)模型,并結(jié)合隨鉆信道的3個邊界條件與信源特征,才能給出隨鉆信道的實時特征參數(shù),進而指導隨鉆水聲系統(tǒng)設(shè)計與運行。

實際鉆井過程中,為了平衡地層壓力、減少井壁沖刷、增加鉆井液的懸浮能力等目的,在鉆井液中加入膨潤土、高分子聚合物等添加劑,改變鉆井液的黏度、密度等參數(shù)。因此鉆井液是非理想流體,水聲信號傳播過程中由于鉆井液的黏性、熱傳導以及管壁摩擦等作用都會引起水聲信號的吸收與衰減,特別是隨著井深的增加,對信源強度的要求逐步增加,需要在理想運動方程式中考慮黏滯力、熱傳導等影響。

由于黏滯力的存在,需要在聲波運動方程中增加代表黏滯力的項。因黏滯力與速度梯度成正比,即黏滯力T=η?v/?x,其比例系數(shù)η又分為切邊黏滯系數(shù)和容變黏滯系數(shù)兩部分。需要結(jié)合鉆井液黏度變化特性,分析黏滯力的影響。

非線性聲學特性的影響,為了實現(xiàn)長距離的水聲信號傳輸,需要加大水聲發(fā)射功率,此時式(1)簡化過程中忽略的非線性項v?v/?x可能與方程中的其他項是同一個數(shù)量級,從而不能忽略。同時,由于非線性因素的作用,水聲信號將出現(xiàn)波形畸變、跳躍現(xiàn)象與分諧頻振動等實際應(yīng)用中需要考慮的問題。

3.1.3 隨鉆水聲信道特性仿真

鉆井液的黏滯力是造成隨鉆水聲信號衰減的主要因素,聲波方程(4)的解是由正向傳播與反向傳播兩列波的疊加而成,在忽略井底反射波影響的情況下,僅考慮波的正向傳播,其通解為p(x)=Aej(wt-kx),由于黏滯力的影響,聲波幅值也呈現(xiàn)指數(shù)衰減,并且衰減系數(shù)與聲波頻率、鉆井液黏度、鉆桿半徑、聲速等參數(shù)有關(guān)。

假定鉆桿內(nèi)徑為100 mm,聲波頻率分別為2、8、16 kHz 3種,鉆桿長度1500 m,鉆井液黏度20 mPa·s,鉆井液密度1 000 kg/m3,入射聲源壓力1 kPa且為理想的平面縱波。利用COMSOL軟件分別仿真了3種頻率的水聲信號在1 m長的管道內(nèi)的聲壓分布和在深度1 500 m處的衰減結(jié)果如圖1所示。

按照式(5)計算,2 kHz與8 kHz的聲波頻率位于鉆桿截止頻率內(nèi),16 kHz超過了鉆桿的截止頻率。圖1(a)～(c)展示了3種頻率在聲壓發(fā)射后1m長管道內(nèi)的等值面分布。由圖1可見,2與8 kHz聲波保持了平面縱波的傳播特點,16 kHz的聲波已經(jīng)發(fā)生了畸變,產(chǎn)生了管壁反射,破壞了平面縱波的傳播形式。圖1(d)顯示了3種頻率聲波沿鉆桿長度的聲壓分布,聲壓呈指數(shù)衰減規(guī)律,且衰減系數(shù)與頻率相關(guān),該結(jié)果與理論計算結(jié)果差值小于10%,初步驗證了理論分析的正確性。

圖1 隨鉆水聲信號的仿真結(jié)果Fig.1 Simulation results of acoustic signals while drilling

3.2 地面信宿檢測

現(xiàn)有傳感器可以檢測分辨率為-220 dB的聲壓信號,新型的水聲換能器每伏轉(zhuǎn)換特性大于140 dB,頻率1 Hz～50 kHz的水聲信號的衰減系數(shù)約為10-4～10-2dB/m[17]。

按照上述參數(shù),相對保守地取水聲傳感器的分辨率為-210 dB,水聲信號衰減系數(shù)取10-4dB/m、水的黏度1 mPa·s進行計算,水聲換能器可以檢測到2×10-15.5Pa的聲壓信號,實現(xiàn)約500 km的水聲通信,這是目前水聲通信達到數(shù)百公里的理論依據(jù)與傳感器依托。

參照文獻[18]、[19]的理論,取信源強度為100 Pa、鉆井液黏度20 mPa·s、鉆桿內(nèi)徑60 mm、油基與水基兩種鉆井液,考慮高頻水聲信號衰減大,信源頻率為2、3 kHz,計算結(jié)果見表1。由表1可見,隨著鉆井深度的增加,鉆井液中的水聲信號衰減很大。不加中繼放大或者不對換能器采取措施的情況下,可以實現(xiàn)深度3 000 m以內(nèi)的隨鉆通信。

表1 不同鉆井液水聲信號的衰減結(jié)果Table 1 Attenuation results of acoustic signals for different drilling fluids Pa

需要說明的是:鉆井過程的主要噪聲為鉆井液泵噪聲、井下鉆具與井壁巖石摩擦、碰撞等作用產(chǎn)生的機械噪聲,其頻率均小于2 kHz。選用的聲波頻率大于2 kHz,可以有效地避開了鉆井過程噪聲,為地面微弱水聲信號檢測、信號處理創(chuàng)造了良好的條件。

3.3 井下信源設(shè)計

為了提高傳輸距離,滿足鉆井工程技術(shù)需求,可以采取的措施有:①增大換能器的發(fā)射功率,但在換能器結(jié)構(gòu)、額定電壓、鉆井液物性等參數(shù)確定的情況下,單個換能器發(fā)射功率受限;②采用聲矢量技術(shù)或者相控陣技術(shù)合成井下聲源,通過多個換能器的協(xié)調(diào)控制達到所需發(fā)射功率;③盡可能生成理想聲波是平面縱波,減少擴散衰減。

3.3.1 相控陣信源的合成原理

本文中提出利用相控陣技術(shù)合成平面縱波,實現(xiàn)兩個目的:一是提高信源功率,保證傳輸距離;二是希望合成理想的平面縱波,甚至是軸對稱的平面縱波,提高信源帶寬。

在鉆桿內(nèi)部設(shè)置水聲信號發(fā)射短接,設(shè)計該短接為圓柱形,并懸掛于鉆桿中心,鉆井液從該短接四周流過?？紤]隨鉆信道具有細長、徑向有尺寸限制、軸向基本無限制等特點,聲波換能器的布置應(yīng)綜合考慮周向布置與軸向布置兩種方式,即沿水聲發(fā)射短接周向、軸向布置聲波換能器,進而合成沿鉆井液軸向傳播的平面縱波[20]。

3.3.2 沿發(fā)射短接周向布置聲波換能器

為了簡單起見,將N個聲波換能器布置在發(fā)射短接的同一橫截面上,見圖2。合成的水聲信號主軸與鉆桿軸向(z軸方向)夾角為θ,與x軸夾角為α,合成聲波的指向性函數(shù)為

(6)

式中,D為換能器之間的間距;λ為波長;當θ=0、α=0時,合成聲波的指向D(θ,α)為鉆桿軸向(z軸方向),即合成了沿鉆井液軸向傳播的平面縱波。

圖2 沿發(fā)射短接周向布置聲波換能器Fig.2 Arrangement acoustic transducers along circumference of transmitting sub

3.3.3 沿發(fā)射短接軸向布置聲波換能器

實際上,由于換能器尺寸與鉆桿內(nèi)徑的限制,圖2無法直接實現(xiàn),需要考慮沿發(fā)射短接軸向布置M個換能器。為此將聲波換能器布置在了一條直線上,見圖3。實際情況可以是圖2和圖3的結(jié)合,即聲波換能器同時沿發(fā)射短接軸向與周向變化。

設(shè)圖3中單個聲波換能器的輸出信號為

pi(t,z)=paexp[j(ωti-kz)].

(7)

式中,pi(t,z)為第i個聲波換能器的發(fā)射聲壓沿鉆桿軸向z、時間t的變化情況;ti為第i個聲波換能器的起振時刻;k為聲波波數(shù);ω為聲波頻率;pa為單個換能器的振幅。

圖3 沿發(fā)射短接軸向布置聲波換能器Fig.3 Arrangement acoustic transducers along the axis of transmitting sub

各個聲波換能器輸出信號幅值與頻率基本相同,不同之處僅在于起振時間ti和安裝位置。只要通過控制不同換能器的發(fā)射時間ti,即可使合成的聲波信號為單個聲波換能器發(fā)射信號的M倍,即滿足

(8)

式中，po(t,z)為合成的總的聲壓信號,po(t,z)等于第一個聲波換能器輸出聲壓p1(t1,z)的M倍，即信源發(fā)射功率增強了。基于上述原理,多個換能器通過相控陣技術(shù)或聲矢量技術(shù)合成了理想的平面縱波,并且使合成信源的頻率、相位等特征參數(shù)在一定范圍內(nèi)可控,進而實現(xiàn)井下信號調(diào)制與耦合。通過優(yōu)化聲波換能器的布置方式和控制方式,在換能器數(shù)量有限、隨鉆信道約束等條件下,增強主波瓣功率、抑制旁瓣影響,提高信源功率與信號質(zhì)量。

4 其他相關(guān)問題與解決方案

4.1 隨鉆通信與水聲通信比較

二者的相同之處包括:基本技術(shù)框架、高頻聲波衰減快、帶寬資源有限、水聲信號傳播過程中存在由于介質(zhì)黏滯、熱傳導以及其他弛豫過程引起的吸收損失;由介質(zhì)中氣泡、固體顆粒以及介質(zhì)的不均勻性造成的散射損失、微弱水聲信號檢測與處理等。

二者的不同之處在于:水聲通信噪聲復(fù)雜且未知因素多,既有潮汐、洋流、海面波浪等引起的海洋噪聲,又有交通航運、工業(yè)鉆探等引起的技術(shù)噪聲;海洋信道存在明顯的多徑效應(yīng)、起伏效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、選擇性衰落等現(xiàn)象。隨鉆通信的干擾主要來自鉆井過程的機械運動、摩擦、碰撞等,噪聲頻段相對窄;隨鉆信道無明顯的多徑效應(yīng)與選擇性衰落;盡管鉆井過程也存在隨著井深增加而產(chǎn)生的信道時變、空變特性,但是其變化規(guī)律相對簡單,且在一定程度上是已知的或者可測定的,數(shù)據(jù)處理與修正相對容易。

隨鉆水聲信道的時變與空變特性主要表現(xiàn)在鉆井過程中,隨著時間的增加,井深在不斷地增加,不僅是鉆井液波導的長度在增加,相關(guān)的信道參數(shù)(鉆井液波導的密度、黏度等)受溫度與壓力影響也在變化,需要考慮信道參數(shù)時變與空變特性對水聲信號的影響問題。有利的條件是:隨鉆信道的時變與空變特性,如溫度、壓力等參數(shù)能夠通過測量得到,密度與黏度隨著溫度、壓力的變化關(guān)系在鉆井工程的相關(guān)研究中已有較為完善的理論結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)支撐。

4.2 信源合成與信宿檢測

在隨鉆信道的約束條件下,優(yōu)選/設(shè)計合理的聲波換能器結(jié)構(gòu),利用相控陣原理合成沿鉆井液軸向傳播的平面縱波是一個關(guān)鍵問題。信源合成之后,信宿檢測問題迎刃而解。

聲波換能器及其結(jié)構(gòu)優(yōu)選是信源合成的基礎(chǔ)。近年來聲波換能器結(jié)構(gòu)推陳出新,可供選擇的換能器包括復(fù)合棒換能器、彎張換能器、圓管換能器、電動式換能器等。通過不同換能器之間的結(jié)構(gòu)特征與性能指標的對比分析,設(shè)計滿足井下尺寸、耐壓與耐溫等條件的聲波換能器結(jié)構(gòu)。

信源發(fā)射與信宿檢測均采用相控陣技術(shù),通過相控陣接收提高隨鉆數(shù)據(jù)的傳輸距離,提高其抗干擾性能。在地面接收環(huán)節(jié)布置聲波傳感器陣列,對每個聲波傳感器信號進行單獨放大,通過數(shù)字相控陣技術(shù)合成總體檢測結(jié)果,實現(xiàn)隨鉆水聲信號的高靈敏度檢測與噪聲抑制。

現(xiàn)有技術(shù)條件為高質(zhì)量信源合成提供了可能性。首先,井下發(fā)電機技術(shù)的成熟為大功率、高頻信源的合成提供了可能,保證了信源強度和隨鉆通信系統(tǒng)的連續(xù)工作時間。其次,聲波換能器與傳感器的微型化為將信源集成到狹窄(通?？梢岳玫你@桿內(nèi)徑2a≤110 mm,目前最大121.4 mm)的井下鉆桿中提供了可能。第三,井下信源外徑受制于鉆桿內(nèi)徑,但長度方向幾乎沒有限制,為相控陣技術(shù)的應(yīng)用提供了可能。第四,多種高效的聲波換能器,如稀土超磁致伸縮換能器、弛豫鐵電單晶換能器、壓電聚合物薄膜換能器等為信源結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供了更多的空間。

現(xiàn)有技術(shù)條件也為高靈敏度信宿檢測提供了支持。首先,水聲通信技術(shù)及其相關(guān)的信道理論、噪聲消除方法等為項目實施提供了良好的基礎(chǔ);其次,商業(yè)化的流場、聲場計算軟件提供了必要的技術(shù)手段,借此可以深入分析各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)信道的傳輸特性,結(jié)合實際鉆井工程參數(shù),針對性地對載波頻率、調(diào)制方式等做出優(yōu)選與調(diào)整。

4.3 信道傳輸特性的影響因素

由于鉆井用鉆桿是由從地面到井底不同長度、不同內(nèi)徑的鋼制管段通過螺紋連接在一起的管道,用來輸送鉆井液和傳遞扭矩,因此鉆井液信道存在多種因素對水聲信號傳輸特性產(chǎn)生影響。首先,鉆桿內(nèi)徑由地面至井下逐漸減小,隨鉆信道截面呈現(xiàn)階躍型突變。其次,現(xiàn)代鉆井工藝中,安裝了很多井眼軌跡幾何參數(shù)、鉆井工程參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)的測量單元與部件,在信道上形成了不同的阻力件,隨鉆信道存在由圓形變換環(huán)形、半圓形等波導形狀與截面積的改變。因此建立鉆井液信道的分段、時變、分布式模型是解決信道傳輸特性研究的關(guān)鍵。

信道特性研究中還需要考慮影響水聲信號傳輸?shù)钠渌蛩?如管壁彈性、鉆井液流體物性參數(shù)、鉆井液壓力等。此外,鉆井液水聲信道特性研究既涉及聲波的散射、反射、透射等線性聲學問題,也涉及黏滯媒質(zhì)中有限振幅波的傳播、跳躍現(xiàn)象、分諧頻振動等非線性聲學問題。

5 結(jié) 論

(1) 利用水聲通信原理解決隨鉆數(shù)據(jù)的高速傳輸問題是可行的,有望使隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)取得突破性進展,滿足當下以至未來的鉆井工程技術(shù)需求。

(2) 結(jié)合鉆井工程參數(shù),可以選用的水聲信號頻率大于2 kHz,有效地避開了鉆井過程噪聲,現(xiàn)有水聲換能器、傳感器可以滿足深度3 000 m以內(nèi)的隨鉆通信需求。

(3) 為進一步提高隨鉆水聲通信速率與通信距離,需要研究隨鉆信道的分段時變分布式建模與鉆井液信道的影響因素、基于聲矢量或相控陣技術(shù)的信源合成以及信宿檢測、先進水聲通信技術(shù)的隨鉆應(yīng)用等。