油井下的声波无线通信技术的模拟研究

郑磊 王占刚

摘 要：为了在油井中实现地面设备到井下设备的无线信号传输，解决传统有线电缆信息传输功耗大、效率低、操作难、成本高等缺点，研究了油井中的声波无线通信技术，设计了一种井下声波传输的模拟系统。通过研究声波在油管中的传输情况以及比较声波的传输特性，确定了适合模拟系统的发射声波，并且搭建了一套模拟地面声波发射装置和井下声波信号接收机组成的理想化的单片机开发系统。通过室内实验，验证了由地面到井下的无线声波通信的可行性。

关键词：声波无线传输;模拟系统;单片机开发;调制;解调;窄带调频波

中图分类号：TP39;TN929.4文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）12-00-04

0 引 言

随着石油工业的发展，地面与井下的信息传输和数据传输技术已成为石油生产、测井、钻井等领域的重要研究课题。完整的井下传输系统由输入变换、发射机、传输通道、接收机和输出转换五部分组成。有线传输技术利用电缆等装置连接井下仪器，但实际操作中受限于井下的环境状况，而且设备要求复杂，作业效率低下。无线传输技术能够避免或者克服利用电缆传输带来的严重弊端，且设备简单，成本低，准确率高，所以无线传输技术已成为试井、随钻测井、完井监测等领域的重要手段之一。

井下无线传输技术是测井技术中的一项重要改革，这是一项具有广泛应用前景的创新性工作，可大大提高石油和天然气资源的合理开发利用效率，降低生产成本，延长油气井寿命，为中国石油和天然气工业的发展做出巨大贡献，带来显著的经济效益和社会效益。在这个阶段，国外对无线传输技术的研究水平比中国早（国内广泛应用有线传输方法），为了提高油田的生产力而租借国外成型商业产品租金较高。因此，研究井下无线传输技术很有必要，能够弥补技术空缺，打破国外垄断。

无线传输技术的前景如下：

（1）可用于注水井，将多个注水层的温度、流量和压力信息数据传输至地面，从而准确了解水井情况进行合理注配;

（2）可用于生产测井，井下压力、水位、流量、温度等数据通过油管输送到地面;

（3）可用于定向钻井，实现地面与井下双向数据传输;

（4）可用于随钻测井，同时通过钻杆将地层电阻率、倾角和井眼方位等数据传递到地面;

（5）可用于智能完井，将多分支井、斜井、水平井等多个储层的数据传送到地面，实现多储层的优化组合。

1 声波的选取

声波的种类多样，对于井下传输来说，需要某种特殊的声波作为传播介质，以减缓衰减和噪声干扰，帮助工作人员准确获取井下的动态资料。其中，调频波的特点是振幅不变，但是频率随着调制信号的振幅变化。井口部分可以利用调频波的特性产生窄带调频波作为地下声波传输技术的介质，并利用调制解调相关知识作为地下声波传输的整体模型设计主线。

1.1 声波的调制与解调

调制是指把某种信号从原有信道转换到另一个信道进行传输的过程，能够确保井下声波传输系统的可靠性。载波调制是指用调制信号控制载波参数，把多个基带信号分别搬移到不同的载波处，实现信道的多路复用，提高信道利用率[1]。解调是指从接收的已调信号中恢复成原来的基带信号，是调制的逆过程。调频解调有非相干解调和相干解调两种解调方式。解调与调制的实质均为频谱搬移。

相干解调只能解调窄带信号，所以选用相干解调即同步解调，过程如图1所示。

设窄带调频信号：

设相干载波：

相乘器的输出：

经低通滤波器取出其低频分量：

再经微分器，即得解调输出：

可见，相干解调可以恢复原调制信号。这种解调方法与线性调制中的相干解调相同，要求本地载波与调制载波同步，否则将使解调信号失真。

现有的数字频带调制技术主要包括ASK，FSK和PSK等。考虑到实际需求和实现的难易程度，最终选择使用FSK进行调制。FSK是利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术，其主要优点是实现较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。

1.2 窄带调频波

窄帶调频波的频偏远小于调制频率，或者调频指数远小于1[2]。

如果FM信号的最大瞬时相位偏移满足：

则FM信号的频谱宽度较窄，称为窄带调频（NBFM）。

将FM信号表达式展开，得到：

当满足公式（6）的条件时，有：

故式（7）可简化为式（1）。利用傅里叶变换对，可得到NBFM信号的频域表达式：

公式（1）和公式（9）是NBFM信号的时域和频域的一般表达式。

在NBFM中，下边频为负，两个边频的合成矢量与载波正交相加，所以NBFM不仅有相位的变化，幅度也有很小的变化。当最大相位偏移满足时，NBFM信号幅度基本不变，形成窄带调频信号。

1.3 声波在油井中的传播形式和传播途径

油管柱在结构上具有周期性。由于联轴器即接箍直径大于油管直径，所以形成了分段横截面，横截面也是周期性连接，在这种结构中，阻抗随管道直径的变化而变化，声波可分为三种形式，即弯曲波、横波和纵波。声波以横波和纵波传播时，其传播特性容易研究，而当声波以弯曲波传播时，传输速度缓慢，容易被分散和衰减，对声波信号传输产生不利影响。

横波和纵波不会被轻易衰减，但两者相比较而言存在差异。横波的波长较长，在接箍处的反射程度大于纵波，导致横波衰减程度严重。相对而言，纵波衰减程度较小，在研究声波沿油管柱传播时，纵波受到的衰减仅来源于声波频带内部，受到的外部干扰如钻杆或场地的干扰较少。

据研究现状而言，声音可以通过以下几条路径在油井中传播。

（1）沿井中套管外壁传播。该路径缺点较多，土层和岩层对声波信号的衰减严重，导致传播距离较短。

（2）沿套管内壁传播。此路径接触到的介质是水和空气，衰减相比外壁和井外小。

（3）在油管柱环形空间的水和空气中传播。沿着该路径进行传播时衰减几乎不存在，并且声音在套管内壁和油管外壁进行全反射，传播距离远[3]。

（4）声音耦合到油管外壁上进行传播，该路径传播的声音较弱，且无法到达井底。

通过对以上几种途径的比较发现，第二种和第三种比较有利于声波在油井中传播，传播路径示意如图2所示。

井下仪器安装：发声装置安装在井口，接收装置安装在油管外壁，随油管一起下井，以保证声波从油管柱环传往井下。为防止仪器下井时磕碰套管壁，导致接收部分电路被水浸泡而短路，因此井下装置除传感器外，须装在一个密闭的仪器筒内，再将仪器筒安装在油管壁上。

2 井下声波检测系统设计

2.1 井下声波传输系统的模型整体设计方案

声波无线传输系统进行模拟时，信息源即为声波源。由计算机发送出窄带调频波信号，该信号被LM567音频解码模块接收，连接STM32-V5开发板，通过计算机处理得到解调后结果，与编码比较从而判断解码是否正确，以验证无线声波传输系统的可行性。模拟系统流程如图3所示。

2.2 基于安富莱STM32-V5和LM567音频芯片的解码设计

2.2.1 安富莱STM32-V5开发板

安富莱STM32-V5开发板与之前的STM32系列相比具有重大突破，开发板拓展了多项功能，可以外接更多模块，例如MP3音频解码模块、OLED显示模块、摄像头模块、双路16位ADC模块、示波器模块、nRF24L01无线模块、AD7606数据采集模块、GPS模块等;显示界面完善，支持多种触摸液晶屏，底层驱动自动识别，可以实现所有显示模块的相同固件支持。

2.2.2 LM567音频解码模块

该模块采用LM567鉴频芯片，模块实物如图4所示。

模块搭载麦克风、LM358双运放、LM567鉴频器、调节频率的电位器、电源指示灯和输出指示灯，右边6个引脚分别代表地管脚、电源管脚、输出管脚、鉴频器信号输入管脚、鉴频器耦合频率输出管脚、放大器实时输出管脚。模块电路如图5所示。

LM567是一种常见的锁相环电路音调解码器，主要用于振荡、调制、解调和遥控编解码电路。该芯片内部结构较为复杂，包含一个稳定的锁相环路和一个晶体管开关，为了让主要的锁相环路保持相对稳定，特加入电流控制振荡器、鉴相器和反馈滤波器。当输入端接收到选定的音频时，即可产生一个接地方波[4]。当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延时。其工作时类似于一个低压电源开关，当接收到一个位于所选定窄频带内的输入音调时，开关接通，当用作音调控制开关时，频率范围为0.1～500 kHz，检测带宽可以设定在中心频率14%内的任意值。输出开关延时可以通过选择外电阻和电容在一个宽时间范围内任意改变[4]。此模块的1，2引脚分别表示输出滤波和回路滤波;3，8代表输入输出端口;5，6则是定时电阻和定时电容端。

此模块工作时会对输入频率和设定频率进行比较，自动滤除其他频率的声音，相同时才输出低电平信号。搭载鉴频器能够对固定频率音频信号进行识别，搭载放大器将麦克风拾取的声音信号进行100倍放大。此外，模块上还有精密电位器，接收到声波信号后调整电位器，将此频率固定，方便对比。

3 操作系统实现

3.1 音频模块与开发板连接

在安富莱STM32-V5开发板上配有摇杆和各种按钮，开发设计图如图6所示，摇杆原理如图7所示。PH2，PH3分别代表摇杆上下键的引脚，且每触发一次上下键相当于输出一次低电平，就需要将该输出定义的变量进行修改，并判断PH2或PH3引脚的状态。如果输出是低电平，则返回“0”，输出是高电平则返回“1”。将2个LM567音频解码模块的输出脚接入到摇杆上下键的引脚上，每次接收到不同频率的声波信号时，会将输出量输入到引脚上表示摇杆被触发。

3.2 定义解码成果

之前的编码利用两种不同频率的声波信号，将其定义为“0”和“1”，解码时液晶屏上显示十六进制数，可方便呈现编码结果。例如编码时将“0”“1”按照0 1 0 1 0 1 0 1排序，那么解码后在液晶屏上显示的十六进制数即为55。

3.3 解码程序设计

硬件选用的音频解码模块输出量为一个低电平，且编码设计时程序定义了两个量进行排序，所以设计解码程序时就要考虑加入循环语句。将解码转换成十六进制数，加上循环结构可以使用循环移位计算。具体设计流程如图8所示。

当500 Hz解调电路模块输出为低电平且600 Hz解调电路模块输出为高电平时，证明接收的声波信号代表数字1，即摇杆上键被按下，此时先进位1，再进行携带进位的8位数组的左移运算，使最后一位变成1。下一次接收到的信号如果为0，即当500 Hz解调电路模块输出高电平且600 Hz解调电路模块输出为低电平时，证明接收到的声波信号代表数字0，类似摇杆下键被按下，此时先将进位位置0，再携带进位左移，则最后一位变成0，倒数第二位變成1。每个按键8位是一个循环，两个按键即接收16位是完整的一次循环。将该16位信息转换成十六进制数显示在液晶屏，得到解码结果，如图9所示。

4 结 语

（1）文中分析了声波信号在油管柱传输时的特性，包括声波的波动方程、沿油管柱传输时的衰减特性、井下传输的噪声干扰等，得出了声波在井下传输时会有一种梳状滤波器结构特性， 从而要求井下声波传输时考虑选择窄带调频波作为模拟系统搭建的媒介。

（2）文中分析了实际操作系统如何达到声波调制和解调的目的，分析如何生成窄带调频波与LM567音频解码模块的功能特性，并对开发板和音频解码模块如何连接进行了详细分析，从而实现了拾取声波、解码显示的目的。

参 考 文 献

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