钻柱中声波传播特性实验研究

蔡 文 军

中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院



钻柱中声波传播特性实验研究

蔡 文 军

中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院

蔡文军.钻柱中声波传播特性实验研究.天然气工业，2016,36(6):72-77.

摘 要探究声波在实际钻柱中的传播特性和规律是随钻信息声波传输技术的一项基础性研究工作，而国内在这方面才刚起步，仅进行了一些理论研究和室内实验工作。为此，基于已有成果，研制了基于压电效应的纵向变幅杆井下声发射换能器和地面声波信号接收换能器，设计了钻柱中声波传播特性的现场井下实验方案。采用钻井工程上常用的Ø127mm钻杆，分别在200m、430m、542m、700m、827m、997m等6个不同的深度点，测试了400～4 000 Hz频率范围内不同频率声波在钻柱中的传播特性，并分析了测试结果，进而认为，基于钻柱的声波传输技术用于随钻信息传输是可行的。研究结果表明：①有一些频率的声波可以在钻柱中传播，而另一些频率的声波在钻柱中传播能力则很差；②声波在钻柱中传播衰减程度与声波频率、钻柱长度和周围介质有关，在介质为清水的情况下，平均衰减值约为0.05 dB/m；③综合考虑数据传输速度与衰减等因素，可用于数据传输的声波频率应为400～1 000 Hz之间的一些频率点，最佳频率点为600 Hz、650 Hz和950 Hz。结论认为：在试验井中的实验得到了钻柱中声波传播的重要数据和结论，可以为声波传输技术的研究和应用提供技术基础和依据。

关键词钻柱声波传播特性井下声波发射器试验井实验结果分析声波频率钻柱长度

井下信息无线传输技术是油气钻井随钻测量技术的关键，为地面和井下提供实时信息传输通道。目前，现场应用的无线传输技术主要有钻井液压力脉冲技术和电磁波传输技术，但这两种技术均有一定的局限性。压力脉冲技术传输速度低且必须依赖钻井液介质；电磁波传输技术受地层特性限制，信号衰减严重，传输距离短[1]。因此，现有无线传输技术无法满足钻井新技术、新工艺(欠平衡钻井技术、空气钻井技术、随钻测井、地质导向技术等)的需要。

声波传输技术是以钻柱管壁作为传播介质，以声波为信号载体，利用声波在钻柱中的传播进行井下随钻数据的无线传输。研究成果表明，该技术不受钻井介质、地层等外界条件的限制，可以实现高速传输数据，可以满足钻井新技术、新工艺的需求，是一种极具潜力的无线传输技术[2-3]。国外在声波传输技术方面的研究起步较早，对声波在钻柱中的传播特性理论和室内试验做了大量的研究工作[4-7]。目前，国外正在进行现场试验和推广应用，处于半商业化状态[8]；国内在声波传输方面的研究近些年才刚刚起步，主要进行了一些理论和室内试验研究工作[9-17]。笔者主要对钻柱中声波传播特性进行了实验研究，研制了井下声波发射器和地面接收换能器，利用实际钻杆在试验井中进行了实验，得到了一些重要数据和结论，以期为声波传输技术的研究和应用提供技术基础和依据。

1　声波传播特性实验方案

声波传播特性实验的目的是在真实工况下测试声波在钻柱中的传播特性，通过实验研究适用于在钻柱中传播的声波频率和声波在钻柱中的衰减规律，以便为声波传输技术的现场应用提供关键技术数据。为达到以上目的，实验在试验井中进行，试验井的环境条件与实际钻井基本相同，采用现场使用的钻杆，钻杆的连接与实际钻井时一样。井下声波发生器在井下不同深度自动产生不同频率的信号，经钻柱传至地面，信号接收换能器接收到信号，根据接收到的信号进行处理分析。

2　实验设备研制

根据实验目的和方案，需要研制井下声波发生器和地面信号接收换能器，以实现在井下产生不同频率的声波，在地面接收声波信号。

2.1井下声波发射器

井下声波发生器的主要作用是根据实验要求产生不同频率的声波。根据功能要求，设计的井下声波发生器包括信号发生器、接口电路、数据缓存、编码与调制、功率放大、发射换能器、电源、储能电容等，其原理框图如图1所示。

图1　井下声波发射器原理图

井下声波发射器结构设计要综合考虑井下工况、空间特点以及与钻具结构的匹配性等。井下声波发射器的结构如图2所示，共分为3部分，即发射换能器、中间连接和电子舱部分。

发射换能器是井下声波发射器的关键组成部分，主要功能是将电能转变为声能，产生声波。按纵向典型发射换能器设计方法和变幅杆典型设计方法，设计了一种异型变幅杆纵向谐振发射换能器，灵敏元件采用耐高温的压电陶瓷，密封在封闭腔体内，并充满性能稳定的甲基硅油。产生的声波频率范围介于0.4～4.0 kHz。

信号发生器、接口电路、电池、电容、变压器等电源及电子元器件全部集中在下部的电子舱中，主要功能是提供电源、产生不同频率的连续波脉冲和调频信号，经编码调制和功率放大以后控制发射换能器产生声波。电子舱结构为环形密封结构，将电子元器件与周围介质隔开。

中间连接部分将发射换能器和电子舱连接起来，并通过导电滑环将电能由电子舱输送至发射换能器，从而形成井下声波发射器。

井下声波发射器的主要技术参数为：①外径：178mm；②内径：57.2mm；③长度：5 800mm；④信号频率范围：400～4 000 Hz；⑤输出信号形式：正弦CW脉冲、调频信号；⑥信号输出功率：2 000 W；⑦最大工作压力：70MPa；⑧最高工作温度：125 ℃。

图2　井下声波发生器图

2.2信号接收换能器

信号接收换能器用于在井口接收经钻柱传播的声波，与井下声波发射器配合使用。根据钻井工作环境和条件，声波的接收只能在水龙头或顶驱的下面，因此将信号接收换能器设计成弧形，使用时采用贴附方式固定在管壁上。

信号接收换能器结构如图3所示。包括铝壳和由压电陶瓷条及铝条镶拼成的曲面灵敏部，整体胶质封装。灵敏部与壳间隙用轻质弹性材料填充。信号接收换能器的接收频段与井下声发射器工作频段适配，电压灵敏度远高于常用的加速度传感器，适用于弱声压场和信噪比较低的情况。

信号接收换能器主要技术参数：①接收带宽：0.4～4.0 kHz；②灵敏度响应：优于-195 dB；③静态电容：大于1.0 nF；④绝缘电阻：优于100 MΩ；⑤弧面曲率半径：84mm；⑥外形尺寸：90mm×90mm×39mm。

图3　接收换能器结构及照片

3　声波传播特性实验

3.1实验情况

实验在中国石化胜利油田工程技术培训中心的试验井上进行，该井井深1 000m，配备一部ZJ32型石油钻机，能够进行所有的钻井操作。实验采用Ø152.4mm钻杆连接成钻柱，在钻柱的底部安装井下声波发射器，设定井下声波发射器发射信号的起始时间、时间间隔，信号的编码情况如图4所示。

图4　信号编码图

首先在井口安装好接收换能器，在不连接钻柱的情况，进行第一次测试；然后开始下入钻柱，当到了设置的时间时，停止下放钻柱，井下声波发射器自动启动，产生声波信号，且重复发射3次，地面接收装置接收声波信号，并将数据保存。为了增加测点，同样在钻柱起出过程中也进行测试。下入过程中共测试了3个点，井深分别为200m、430m、700m，起出过程中测试3个点，井深分别为997m、827m和542m。

3.2实验数据分析

对实验测得的数据进行滤波处理、频谱分析、幅频特性分析和综合对比分析，得到一些重要结论。

图5是不同深度测点的幅频特性曲线。可以看出，包括井口测试共7个测点，其中0m、200m、430m、542m 4个测点各频率点的响应都检测到了信号，只是由于钻柱信道的特性使得各频率点的信号强度不同；而700m、827m、997m等3个测点由于信号衰减和噪音干扰的影响，一些频率点的响应信号无法从接收到的信号中提取出来，特别是大于1 500 Hz的频点，3个深度情况下均无法提取到有用信号，说明高频信号不利于在钻柱结构信道中传输；小于1 000 Hz频点的幅频特性相对较好，特别是600 Hz、650 Hz、900 Hz等频点，在不同的深度都表现出很好的信号通过性，接收到的信号强度很强，说明这些频率的声波适合在钻柱中传播，进行数据传输；有一些频点在不同深度，其表现出的响应不同，说明钻柱的长度(钻杆数量)对钻柱信道特性有影响。

图6是不同深度的功率谱曲线。对200m和430m测点，除个别频率点外，随着深度的增加(钻柱的增长)，信号的功率越来越弱，信号衰减明显。相对于井口，200m深度时，衰减最大的频率点为1 400 Hz，衰减41.6 dB，衰减最小的频率点为360 Hz，衰减-4.7 dB，所有频点平均衰减20.4 dB，平均衰减速率值为0.102 dB/m；430m深度时，衰减最大的频率点为1 400 Hz，衰减62.7 dB，衰减最小的频率点为900 Hz，衰减-1 dB，所有频点平均衰减38 dB，平均衰减速率值为0.08 dB/m。

考虑钻柱结构的梳状滤波器特性，把处于峰值的频点作为通带，处于谷底的点作为阻带。对200m测点，平均衰减9.7 dB，平均衰减速率为0.05 dB/m；对430m测点，通带内频率点的平均衰减21.2 dB，平均衰减速率为0.049 dB/m。

图5　不同深度测点的幅频特性曲线图

图6　不同深度测点的功率谱曲线图

图7是各测点相对井口的衰减速率曲线。可以看出，不同测点得到的衰减速率不同，这说明钻柱结构影响信号的衰减，不同的钻柱结构，衰减的速率是不相同的；对同一深度(钻柱长度不变时)，随着频率增加，衰减速率有增大的趋势，即频率越大，衰减越来越大。700m、827m、997m测点的频率大于1 000 Hz的频点的数据很少，也说明频率越高，衰减越快。因此，实际进行数据传输时，声波频率要控制在1 000 Hz之内；对于频率特性较好的600 Hz、650 Hz和950 Hz的频率点，其最大衰减速率为0.089 dB/m，平均衰减速率为0.048 dB/m，600 Hz频点从0～997m的最大衰减为44.54 dB。

图7　不同频率点的衰减速率图

4　结论

研制的井下声波发射器和信号接收换能器在试验井进行了实验，实验深度达到997m，并进行了编码测试。实验结果表明，井下声波发射器和接收换能器软硬件达到了设计指标，功能正常。

实验结果表明，有些频率的声波可以在钻柱中传播，而一些频率的声波在钻柱中传播能力很差，与钻柱声道的梳妆滤波器特性吻合；声波在钻柱中传播中存在衰减，且衰减程度与钻柱长度、声波频率和钻柱周围介质有关，钻柱越长，衰减越大，频率越高，衰减越快；在清水介质条件下，声波在钻柱中的平均衰减值约为0.05 dB/m。

根据实验结果，综合考虑数据传输速度、传播距离和衰减等多方面因素，适用于钻柱结构传输的声波频率不能太低，但也不宜过高，比较合适的声波频率范围为400～1 000 Hz，最佳频率点为600 Hz、650 Hz和950 Hz。

实验结果表明，基于钻柱的声波传输技术用于随钻信息传输是可行的，实验得到的数据为声波传输技术的进一步研究与应用提供了基础和依据。

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(修改回稿日期2016-03-05编辑凌忠)

An experimental study on the propagation characteristics of acoustic waves in drill strings

Cai Wenjun
(Drilling Technology Research Institute， Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation， Dongying， Shandong 257017，China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 36,ISSUE 6,pp.72-77,6/25/2016.(ISSN 1000-0976; In Chinese)

Abstract:One basic task in acoustic transmission of while-drilling data is to explore the propagation characteristics and laws of acoustic waves in drill strings.In China,however,the research in this field is still at its initial stage,and only theoretical studies and laboratory experiments have been carried out.In this paper,therefore,the piezoelectric effect based longitudinal-amplitude-change-bar downhole acoustic transducer and the ground acoustic receiving transducer were developed on the basis of available achievements.And then,the downhole field experiment on the propagation characteristics of acoustic waves in drill strings was designed.The propagation characteristics of acoustic waves with frequency of 400–4 000 Hz in drill strings were tested by using the Ø127mm drill pipes which are commonly used in drilling engineering at six different depths (i.e.,200m,430m,542m,700m,827m and 997m).The test results indicated that the drill string based acoustic transmission technology is feasible for while-drilling data transmission.It is shown that some acoustic waves with specific frequency can propagate in drill strings while others are poor in propagation capacity.The attenuation rate of acoustic waves in drill strings is affected by acoustic frequency,drill string length and ambient medium.For example,the average attenuation rate is 0.05 dB/m in fresh water.Based on data transmission rate and attenuation,the acoustic waves with specific frequency of 400–1 000 Hz can be used for data transmission,and the optimum frequencies are 600,650 and 950 Hz.It is concluded that the important data and conclusions of acoustic propagation in drill strings obtained from these experiments in test wells provide a technical basis for the research and application of acoustic transmission technology.

Keywords:Drill string; Acoustic wave; Propagation characteristic; Downhole acoustic transducer; Experiment in test well; Result analysis; Acoustic wave frequency; Drill string length

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.06.011

基金项目：山东省博士后创新基金资助项目(编号:201001007)。

作者简介：蔡文军，1971年生，高级工程师，博士；主要从事钻井装备及井下工具、仪器的研发工作。地址:(257017)山东省东营市东营区北一路827号。电话:(0546)6383023。ORCID:0000-0002-6928-342X。E-mail:caiwenjun.slyt@sinopec.com