振动波井下通讯技术

郑立臣，俞佳庆，杨清海，高扬，孙福超（中国石油勘探开发研究院，北京100083）

振动波井下通讯技术

郑立臣，俞佳庆，杨清海，高扬，孙福超
（中国石油勘探开发研究院，北京100083）

为了克服传统井下通讯方法的不足，提出一种振动波井下通讯技术，开发了振动波井下通讯系统，进行了现场试验，并将该技术应用于分层注水。理论和实验研究表明，油套管振动波传输呈通阻带交替分布，据此制定了多基频传输策略，采用开关键控调制和曼彻斯特编码方式对振动信号进行处理，将控制信息加载到振动波。研发了振动信号发生系统，实现电能到振动波能量的可控转换。研发了振动波接收解码系统，以微振加速度传感器作为信号拾取元件。设计了振动波井下远程传输测试系统，并进行了井下通讯现场试验，验证了振动波井下通讯技术的可行性以及通讯系统的准确性和可靠性，得到了套管振动波信号的衰减特性。该技术已成功应用于分层注水，在井筒控制领域有广阔的应用前景。图13表1参14

振动波；井下通讯；开关键控调制；曼彻斯特编码；磁致伸缩材料；微振加速度传感器

引用：郑立臣, 俞佳庆, 杨清海, 等. 振动波井下通讯技术[J]. 石油勘探与开发, 2017, 44(2): 295-300.

ZHENG Lichen, YU Jiaqing, YANG Qinghai, et al. Vibration wave downhole communication technique[J]. Petroleum Exploration and Development, 2017, 44(2): 295-300.

0 引言

随着油藏开发技术的发展，分层注采、储集层改造等技术对井筒控制要求越来越高。井下通讯技术是实现地面与井下远程控制和数据传输的关键，但由于井下条件复杂，传统的通讯技术（如无线通讯）无法在井下通讯过程中直接应用。目前普遍使用的井下通讯方法包括电缆通讯技术、压力波通讯技术和智能井技术。电缆通讯技术是通过钢管电缆采用载波或负载调制方法，实现地面与井下仪器的有线远距离通讯[1-2]。电缆通讯技术按工作方式分为油管内电缆通讯和过环空电缆通讯两种。油管内电缆通讯一般采用接力通讯方式，井下仪器之间进行近距离无线通讯，需精确定位，且通讯时需测试车，施工复杂。过环空电缆通讯技术在完井时将电缆随管柱下入，电缆下入施工困难，适应性差，可靠性低，目前应用范围有限。压力波通讯技术是以地面压裂车作为远程控制工具，通过向井筒中注水引起井筒中的压力变化，控制注水和放水的时间间隔，从而形成压力波通讯信号，井下的压力传感器感知到压力变化信号并进行信号识别处理[3-4]。该方法具有控制距离远、井下工具简单等优点，但地面作业需要动用压裂车等大型设备，地面作业费用高，施工复杂。智能井技术近年来在国外获得较快发展，并在高产井获得一定规模的应用。智能井技术是通过在井下预置液压控制管线和电缆，通过电缆可以将井下的压力、温度、流量等信号传输到地面，并根据地面的判断，利用液压设备通过液压管线实现对井下阀门的远程控制[5-6]。智能井技术能够实现井下状态的实时监测和信号传输，并实现井下状态的实时控制，但智能井技术一次性投资大，作业风险较高，只适合高产井应用。

为了克服传统井下通讯方法的不足，实现采油井筒的远程控制，本文提出一种振动波井下通讯技术。该技术以油管或套管为传输介质，振动波为载波，通过数字调制实现井下信息传递。本文研发振动波井下通讯系统，并进行现场试验。

1 油（套）管振动波传输特性

油、套管作为采油井筒的基本构成部分，具备作为振动波传输介质的条件。以井下油（套）管串作为介质传递振动信号，需要对油（套）管串振动波传输特性进行分析。

文献[7-12]对振动波在油（套）管中的传输规律进行了理论分析，发现油（套）管柱的周期性结构使得它在信号传输中呈现出梳状滤波器的特性，即通带和阻带交替出现。

在理论分析基础上，为了更准确地获取振动波在油管和接箍组成的系统中的传输特性，进行了 100 m油管串的传输特性实验。实验过程中，以信号锤击发油管串端面产生振动波，在油管串端面和油管每个接箍处均布置有加速度传感器，利用振动信号分析系统对锤击信号和加速度传感器信号进行分析。实验数据如图1—图3所示。图1为输入的锤击信号。图2为输入的锤击信号频谱。图 3为不同位置加速度传感器接收的信号，其中信号 1为油管串端面位置的加速度传感器接收的信号，信号2为100 m处的加速度传感器接收的信号。分析发现，输出信号和输入信号呈现非常好的相关性，相关系数为1，即振动波经过油管串后，除振幅变化外，其他特性并没有改变，这是利用振动波进行信号传输的基础。图 4为油管串振动信号传输特性，可以看出，振动波在油管串中的传输呈现梳状滤波器特性，即部分频率出现陷波带，在这些频带信号衰减剧烈，不能用于信号传输。

在套管串中进行了振动波传输实验，得到了与油管串类似的结果。通过理论和实验分析，验证了振动波远程传输的可行性，同时发现振动波传输呈通阻带交替分布。

图1 锤击信号

图2 锤击信号频谱

图3 不同位置加速度传感器接收的信号

2 振动波井下通讯关键技术

振动波井下通讯系统由振动信号发生系统和振动信号接收解码系统两部分组成。工作时，在井口固定大功率振动信号发生器，可按要求产生含控制信息的振动信号，含有控制信息的振动信号沿着套管或油管传输到井下。井下的执行器中设有振动信号接收解码系统，接收并解码由套管或油管传输的振动信号，转换为控制指令，实现对井下仪器的控制。

图4 油管串振动信号传输特性

2.1 振动波信号传输策略

油（套）管串的振动波信号传输具有规律性，其传输特性呈通阻带交替分布，因此合理的基频选择对于实现振动波向井下传输是非常重要的。

利用陷波带的分布规律，可以避开油（套）管串的陷波带。本文制定了多基频的信息传输策略，即用相隔一定频率范围的多个基频作为载波，分别用数字控制信号进行调制。由于振动波发生系统共振频率限制，能够产生的振动波频率上限为350 Hz。通过理论分析和模拟实验可知，油田使用的油套管尺寸系列中，在0～350 Hz频率内只存在1个陷波带。因此只要选用 2个以上的基频传输就可以避开油（套）管系统的陷波带，确保信息能够传递到井下。本文采用100、200 和300 Hz这3种基频进行振动信号的传输。

2.2 振动信号调制与编码技术

为了将控制信息加载到振动波，需要对振动波进行调制和编码处理。

借鉴电控信号的调制方式，为了发射系统的简便，振动波信号调制采用开关键控（On-Off Keying，简称OOK）方式。当调制的数字信号为“1”时，传输载波；当调制的数字信号为“0”时，不传输载波。OOK调制如图5所示。

用油、套管传输振动波，由于很难做到阻抗连续，所以传输过程中会有较大的反射，同时信号衰减速度会很快。为了系统稳定和防止误码，编码方式选择曼彻斯特编码，原理如图6所示。每位的中间下降沿为0，上升沿为1。

图5 OOK调制

图6 曼彻斯特编码原理

振动信号编码采用16位数据，数据位由4位层位信息+8位控制信息+4位奇偶校验组成。前4位为层位信息，可以对井下任意层进行分层控制，根据采油井筒常规井况，目前振动信号编码采用 4位层位控制，即共可控制16层。中间8位编码为控制信息，即由地面向目的层发送的控制指令。为了保证通讯数据的有效性，在数据位的结尾加入 4位奇偶校验位。以一组通讯数据“1010101000000110”为例，其编码如图 7所示。

图7 振动信号编码

2.3 振动波信号发生系统

振动波信号发生系统由振动信号发生器和控制电源系统两部分组成（见图8）。电源系统控制驱动线圈产生交变磁场，驱动磁致伸缩材料振荡，实现电能到机械振动能量的转换。控制电源系统能够对振动信号发生器进行有效的控制，输出编码波形。

振动信号发生器以磁致伸缩材料为换能器件。磁致伸缩材料的长度在交变磁场作用下发生变化，产生与交变磁场频率相同的机械振动[13-14]。该材料具有伸缩应变量大、耐压高、能量转换效率高、能量密度高及响应速度快等特点，是理想的振动波发生换能材料。振动信号发生器工作原理为：当驱动线圈驱动磁致伸缩材料棒发生长度变化时，推动感应锤上下运动，感应锤在重力和弹簧回复力作用下保持对磁致伸缩棒的压力并保持接触，磁致伸缩棒对基座的反作用力通过底面连接法兰向外传递。通讯时，振动信号发生器通过底面连接法兰安装到井口，产生振动波，通过油、套管传输进行远程通讯。振动信号发生器实际输出的信号波形如图9所示。

图8 振动信号发生系统

图9 振动信号发生器实际输出波形

2.4 振动信号接收解码系统

振动信号接收与解码系统是井下执行装置的重要组成部分，负责接收并解码由油、套管传递的振动信号，将其转换成对井下执行器的控制指令。振动信号接收与解码系统由微振加速度传感器和解码控制板两部分组成。

由于振动波传输过程中会有较大的反射且信号衰减速度很快，要求接收传感器要有较高的灵敏度，还要求振动信号接收解码系统有良好的信号处理能力。本文采用专用微振加速度传感器进行信号拾取，分辨率达到4×10-4m/s2。针对多基频传输策略，系统可对不同频率的振动波信号进行接收和解码。考虑小信号和外来噪声影响，信号采集有放大1 000倍和100倍两个档位。经测试，系统分辨率为1×10-3m/s2，能够满足振动信号接收和解码要求。

3 振动波信号远程传输现场试验

为了验证在采油井筒中进行振动信号传输的可行性，得到传输距离与信号强度的关系，测试信号处理系统的准确性和可靠性，在大庆油田中20-310井（井深940 m）进行了振动波信号远程传输现场试验。

设计了振动信号远程传输测试系统（见图10）。该系统工作时，电机旋转，带动偏心轴转动，驱动凸轮控制支撑臂的放开与回收。支撑臂放开时，在碟簧力的作用下，系统可以推靠在套管内任意深度，接收并解码由套管传输的振动信号；支撑臂回收时，系统可以在套管内上下自由移动。系统通过钢管电缆连接到地面计算机，将井下解码信号等相关信息实时传输到地面计算机。

现场试验中，振动信号发生器固定在井口作为信号源，套管为振动信号传输介质，实现振动信号的下传；钢管电缆为负重和电信号传输介质，振动信号远程传输测试系统实现振动信号的接收和解码，并通过钢管电缆把接收到的振动信号、解码信号传输到地面计算机。振动信号远程传输测试系统通过钢管电缆下入井里，在下入过程中，每隔100 m推靠1次，振动信号发生器击发 1次，测试系统进行相应的振动信号采集。试验数据如表1所示。

从表1中数据可以看出，基频100 Hz的振动波信号从井口到井深900 m处都可进行传输。由于井底振动波反射等原因，基频200 Hz和300 Hz的振动波信号，在井深900 m处无法进行信号传输。从井口到井下900 m都能实现信号的有效传输和正确解码，验证了以固井套管为传输介质实现振动波数字信号传输的可行性、振动波信号编码系统的可靠性以及信号解码算法的正确性。在井深900 m处，基频200 Hz和300 Hz的振动信号未能正确通讯，但基频100 Hz的振动信号可以正常通讯，验证了多基频传输策略的合理性。

井下接收到的振动信号的强度经数学处理后整体上呈线性衰减规律，但接近井口和接近井底处信号强度出现异常。这是因为，在接近井口处，有地面噪声影响，接收到的信号强度略小于井下信号强度；在接近井底处，由于井底信号反射，反射的振动波与正常由上向下传输的振动波发生了干涉，信号强度出现突然增大或减小的现象。去除井口和井底因素影响，振动信号衰减趋势如图11、12所示。以现有技术条件，可以实现井深3 000 m以内井下通讯。

图11 振动信号衰减趋势（放大100倍档位）

图12 振动信号衰减趋势（放大1 000倍档位）

4 振动波井下通讯技术应用

在吉林油田+5-10.2井进行了将振动波井下通讯技术应用于分层注水的现场试验，试验管柱设计如图13所示。该井第3层下入振动波控制配水器，下入深度416 m。振动波控制配水器由电池、减速电机、水嘴、振动信号接收解码系统等组成。井口的振动信号发生器按要求产生含有控制信息的振动信号，振动信号沿着油管传输到井下。振动波控制配水器接收并解码由井口传来的振动信号，转换为控制指令，控制减速电机旋转，进而控制配水器的水嘴开度。振动波控制配水器上装有水嘴开度传感器，实现阀门开度0～100%的闭环控制。

图13 试验管柱设计

现场试验过程如下。

①下入作业管柱，地面泵车打压坐封封隔器。

②对油管打压15 MPa，压力表指数下降到10 MPa后保持稳定，稳定时间5 min以上，表明井下所有水嘴均处于关闭状态。

③地面振动信号发生器发送控制指令“0000011001000111”。前4位为配水器公共地址，中间 8位为水嘴开度，控制打开水嘴并将其开度调节成100%，后4位为奇偶校验位。为防止陷波带导致信号阻断，以100、200和300 Hz共3种频率进行信号发射，时间间隔5 min。

④地面泵车对油管打压15 MPa，油管压力在1 min内迅速降为2 MPa（下降时间受低渗透油层影响），表明井下水嘴处于打开状态，振动波控制打开水嘴动作正常。

⑤地面振动信号发生器分别以载波频率100、200、300 Hz发送控制指令“0000000000000000”。前4位为配水器公共地址，中间 8位为水嘴开度，控制关闭水嘴，开度调节为零，后4位为奇偶校验位。

⑥对油管打压15 MPa，油管可以保压10 MPa持续5 min以上，表明井下水嘴处于关闭状态，振动波控制关闭水嘴动作正常。

现场试验表明，以油管为传输介质，振动波为载波进行数字信号传输和远程控制是可行的，振动波井下通讯技术可应用于分层注水。

5 结论

为了克服传统井下通讯方法的不足，实现采油井筒的远程控制，本文提出了一种振动波井下通讯技术。首先对油套管振动波传输特性进行了分析，并在此基础上制定了多基频传输策略。采用开关键控调制和曼彻斯特编码方式对振动信号进行调制和编码，将控制信息加载到振动波。研发了振动信号发生系统，以磁致伸缩材料为换能器件，实现电能到振动波能量的可控转换。以微振加速度传感器作为信号拾取元件，实现了振动信号的有效接收和解码。

研发了振动波井下远程传输测试系统，并进行了井下通讯现场试验，验证了以套管为传输介质实现振动波通讯的可行性以及振动波通讯系统编码方式、解码算法的准确性和可靠性，并得到了套管振动波信号传输的衰减特性，以现有技术条件，可以实现井深3 000 m以内井下通讯。

振动波井下通讯技术作为井筒控制的基础共性技术，为井下信号传输提供了全新的技术手段，具有作业简单、成本低、速度快、传输距离远等诸多优点。该技术在分层注水、分层采油、压裂、试油、钻井等方面具有广阔的应用前景。

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（编辑 胡苇玮）

Vibration wave downhole communication technique

ZHENG Lichen, YU Jiaqing, YANG Qinghai, GAO Yang, SUN Fuchao
(PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China)

To overcome the disadvantages of traditional downhole communication methods, a vibration wave downhole communication technique is proposed, and a vibration wave downhole communication system is developed. This technique has been verified by field test and is applied to separated layer water injection. It is shown by theoretical and test research that transmission of the vibration wave through tubing and casing appears as the alternate distribution of pass-band and stop-band. According to that, a multi-baseband transmission strategy is formulated. The on-off keying modulation and Manchester encoding scheme are used to load the control information into the vibration wave. A generation system of vibration signals is developed to realize the controllable conversion from electric energy into vibration wave energy. A receiving and decoding system of vibration waves, which uses a micro-vibration acceleration sensor as the signal pickup element, is developed too. A test system for vibration wave downhole remote transmission is designed and applied to field test. The feasibility of the technique and the accuracy and reliability of communication system are verified and the attenuation characteristics of casing vibration wave signals are obtained. This technique has been applied to separated layer water injection successfully with wide application prospect in wellbore control field.

vibration wave; downhole communication; on-off-keying modulation; Manchester encoding; magne-tostrictive material; micro-vibration acceleration sensor

国家高技术研究发展计划（863）项目“采油井筒控制工程关键技术与装备”（2012AA061300）

TE35

A

1000-0747(2017)02-0295-06

10.11698/PED.2017.02.16

郑立臣（1970-），男，辽宁朝阳人，博士，中国石油勘探开发研究院高级工程师，主要从事分层注水、分层采油、储集层改造等井筒控制工程技术方面的研究工作。地址：北京市海淀区学院路20号，中国石油勘探开发研究院采油采气装备研究所，邮政编码：100083。E-mail：zhenglichen@petrochina.com.cn

2016-04-19

2017-01-16