声信号在井下管结构传输特性的研究

周 静，高建邦，邱 彬，李 娜

声信号在井下管结构传输特性的研究

周 静，高建邦，邱 彬，李 娜

（西安石油大学井下测控研究所，西安710065）①

井下管结构声波的传输方式是用沿钻杆传播的弹性波作为载波，使得井下的数据成功传输到地面。这种传输方式简单易行，且投资少；但因钻柱结构的变化影响声传播特性，信号因反射和折射而衰减，限制信号的传输。目前，普遍采用理想周期性管结构来研究钻柱的声波传播特性，理想周期性钻柱的声波传播呈现出频带具梳状滤波器结构特性，且频带分布具有一定的周期性和对称性。钻柱不可能是由同一钻具连接的周期模型，而是根据地层的需要进行不同钻具组合，所以需要研究非周期性钻柱声波信道。利用双端口网络法建立周期和非周期的钻柱信道模型，并分别研究不同的钻柱特性，得到非周期性钻柱由于结构变化加剧，通带衰减也大幅增加。

声波；钻井；数据传输；无缝模型；通道特性

随钻信息传输系统是现代钻井技术重要组成之一。随钻信息传输方式主要有泥浆脉冲［1］、电磁波［2］、智能钻杆和声波遥传。目前，最常用的是钻井液脉冲方式，该方式通过泥浆脉冲将信号传输到地面，但这种方式只能实现几个比特／秒的低速率传输，无法满足传输数据越来越大的技术要求［3-4］。电磁波传输系统的应用对地层有要求，只有当地层电阻率大于10 Ωm时才能有效地进行信息传输，当地层结构较复杂时，就不能有效地工作，而且当井深超过1 000m时，信号衰减严重［5-6］。智能钻杆通信技术是利用特别的钻杆建立智能钻杆网络系统，数据传输率极高，但是需要特殊的钻杆，钻井成本大幅提高。利用声波沿钻杆传输信息的优点是成本低、数据传输速率较高，而且声波信号传输的载体为钻杆，受泥浆影响因素较小［7］；随着声波沿钻柱传输理论研究的进展［8-10］，钻柱传输系统的传输容量理论的建立，随钻声波传输的潜力和优势逐渐显现，成为国内外随钻数据传输领域的重要研究方向之一。

1　声信号钻柱周期性通道模型建立

周期性钻柱由完全相同的钻具组合而成，钻柱模型如图1。

图1　钻杆和接箍组成的周期结构

波动方程的数值解作为声信号的信道模型，纵波波动方程为

式中：U为拉伸波的纵向位移，z为轴向位置，t为时间；m2＝E／ρ，ρ为质量密度，E弹性模量。

声波纵波沿钻杆轴向z轴振动的位移方程为

式中：u，u为前进位移幅值和反射位移幅值；ω为振动波频率；k为波数，k＝ω／c；j为虚数单位。

钻杆和接箍组成对称结构，设钻杆和接箍的材料相同，都为均匀介质。钻具由钻杆和接箍连接，每部分由1个2×2的矩阵钻具表示，这样声波在钻具中传输的信道简化为双端口设备。把S11和S22作为声波钻具中传播反射值，S12和S21作为声波钻具中传播透射值，如图2所示。

图2　钻杆和接箍组成周期钻具结构

假设投射和反射都发生在接箍中端，在钻杆和接箍的边界处满足位移和应力连续的边界条件。声波在钻柱中传输的元素表达式为

将双端S参数转化为T参数得

将N个钻杆接箍级联即为信道频域特性模型，其表达式为

声信号沿着钻柱传播，整个过程伴随着复杂的反射、投射和散射，其传播特性依赖钻柱的材料、规格、结构及环境等因素。

2　周期性钻具特性

目前，普遍采用理想周期性管结构来研究钻柱的声波传播特性，理想周期性钻柱的声波传播呈现出频带具梳状滤波器结构特性，且频带分布具有一定的周期性和对称性，钻柱结构对声信号传输信道特性已有一定的研究［11-13］。

根据声信号钻柱的传输模型，级联Ø127mm（5英寸）钻具来研究其信道特性。声波在钢介质的传播速度为5 130m／s，衰减系数为20 dB／km。其管柱结构参数如表1所示。

表1　信道模型Ø127mm（5英寸）钻杆参数

仿真信道模型，连接8根和20根如表1规格的钻具，钻柱总长度分别为40m和200m，得出理想状态下信道特性，信道模型频谱图如图3。对于同一规格的钻具，连接处的截面积相同，那么通阻带对应的频带与连接钻具数目无关，只是连接钻具越多，信道越长，衰减越严重。

图3　不同长度声信号钻柱通道模型特性

仿真的信道能反映出实际信道的特性，由于实际信道存在机械误差，所以给仿真信道的规格加上一定的误差则会使仿真信道特性更符合实际。测量10根钻具，钻具误差为2%和4%的信道特性如图4所示，由于是相同规格钻具连接，其通阻带对应频率基本相同，但通带的衰减也随机械误差的增加而增加。

图4　不同机械误差信道的频谱特性

3　非周期性钻具模型

在实际操作中，并不可能实现统一规格的钻柱级联成对称周期结构，而是不同钻具组合级联的不对称非周期结构，这就需要在周期钻具模型的基础上研究非周期钻具模型。非周期钻具模型如图5所示。

非周期性钻具同样满足拉伸波波动方程，只是数值解边界条件不同，在钻杆和接箍的边界处满足位移和应力连续的边界条件，双端口设备。S11，S22作为声波钻具中传播反射值，S12，S21作为声波钻具中传播透射值，表达式为

图5　钻杆和接箍组成非对称钻具结构

将N个钻杆接箍级联即信道频域特性模型，表达式为

4　非周期性钻具组合特性

用5根Ø101．6mm（4英寸）钻具（如表2）和5根Ø127mm（5英寸）级联，所得的信道频谱特性如图5。对比图5和图3，同样是10根钻具组合，非周期不对称比周期对称通带严重衰减。

表2　信道模型Ø101．6mm（4英寸）钻杆参数

图6　非周期性信号钻柱通道模型特性

一套典型的钻具主要由多种钻具组合而成，除了钻头、钻铤和钻杆，还有若干过渡接头、加厚钻杆和保护接头。各段钻具之间采用螺纹进行连接。假设一套典型下井钻具由Ø101．6、Ø127．0、Ø152．4mm钻杆及Ø152．4mm钻铤组成，其规格如表3。其声信道特征如图7。由图7可见，由于不同钻具的组合，其信道特性在1．5～3．5kHz，衰减十分严重，已经没有通带，而在低频0～1．5kHz，其信道的频谱特性呈通阻交替的梳妆；由于实际的钻具组合更复杂，而且机械误差还会影响其特性，会造成更大的衰减。由于频率低于400 H z有高密度声波噪声，会阻碍声信号稳定传输［14］，信息无法有效恢复，所以，要保证声信号完整稳定的通过信道其频率必须选择在0．4～1．5 kHz的低频调制信号。

表3　信道模型钻杆参数

图7　不同钻具组合信号钻柱通道模型特性

4　结论

1） 理想周期性钻柱作为声传输通道表现为窄频带、多波段的通信通道，钻具的参数对信道传输性能有显著影响，传输距离越远，接收信号衰减越严重，传输性能也受到一定影响。

2） 钻具的机械加工不可避免会存在误差，机械加工误差越大衰减越严重，对声波的传输性能影响也越大。

3） 对于非周期性钻具组合，其信道频谱特性比周期性信道频谱特性通带衰减严重，特别是在1．5～3．5 k H z区间衰减最严重。

4） 实际钻柱组合是由不同规格不同钻具组合而成，再加上坏境噪声影响、岩石的硬度不同、机械误差等因素，对大于1．5 k H z的信号几乎无法保证有效的通过，所以在选择载波信号时，必须选择低于1．5 kHz的载波信号，而且充分利用信道特性，实现高速有效的信号通信。

［1］ BeattiemS，A bdnllah AH．M ud pulse telemetry：U．S．，6 421 298［P］．1999．

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［3］ 李志刚，管志川，王以法．随钻声波遥测及其关键问题分析［J］．石油矿场机械，2008，37（9）：6-9．

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［14］memarzadehm．O ptimal Borehole Comm unication Usingmulticarriermodulation［D］．H oustan：Rice Uni versity，2007．

Acoustical Propagation Characteristics of Underground Pipe

ZHOU Jing，GAO Jianbang，QIU Bin，LI Na
（Institute ofmeasurement and Control，Xi’an Shiyou Uniuersity，Xi’an710065，China）

The basic principle of acoustic transmission is elastic wave propagation along the drill pipe as its carrier，making dow nhole data can be successfully transmitted to the ground．This way is sim ple，and the investmentis small，but the structure of the drill string affects acoustical propagation characteristics and the signal attenuation due to reflection and refraction，w hich limit the transmission of the signal．Therefore，it is im portant of the study of the acoustic channel in the drill string．At present，it is comm on to study the ideal periodic wave propagation pipe structure characteristic of the drill string，the ideal periodic wave propagation drill string showing a band structure characteristic of the comb filter，and frequency distribution with a certain periodicity and symmetry．H owever，the actual cyclemodel drill string cannot be connected by the same drill，actually，the actual cyclemodel drill string is connected by different combinations of B H A according to the needs of strata，so it is necessary to study nonperiodic pattern of the drill string acoustic channel．Establish periodic and nonperiodic drill string channelmodel by a dualport netw orkmethod，and study their acoustical propagation characteristics，the result show that nonperiodic pattern of the drill string passband attenuation increased significantly due to increased structural changes，w hich provides for the acoustic transmission studies strong technical support and test platform．

acoustic；drill；data transmission；gaplessmodel；channel properties

TE927

A

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．002

10013482（2015）03001005

①2014-09-23

国家科技重大专项“大型油田及煤层气开发”子项目“旋转导向及随钻测录、酸性气层测试技术与装备”（2011Z-X05021-005）；中石化集团公司重大专项“钻井新技术新方法研究”子项目“智能钻杆及声波信息传输技术前期研究”（2011-A-4206）

周 静（1964-），女，广东龙川人，教授，硕士，主要从事旋转导向智能钻井系统研究。