井下声波遥测地面定频信号采集装置设计*

孟培媛， 刘宇光， 王 磊， 宁 可

(1.西京学院 机械工程学院，陕西 西安 710123；2.西安思坦仪器股份有限公司，陕西 西安 710065)

0 引 言

煤层气开采是一个排水降压的过程，需要进行动液面监测[1]。考虑到煤层气井较浅的深度(350～1 500 m之间)和较简单的管柱结构，可以利用声波遥测的方法进行井下数据的监测和无线传输。井下声波遥测系统(acoustic telemetry system,ATS)是在井下随管柱安装声波换能器，将采集到的数据编码后，以固定频率的声波脉冲延管柱传输到地面进行接收，在钻柱中其数据传输速率理论可达到50～100 bit/s。周静等人[2]对声波在钻柱中的传输特性进行了研究，提出了声波在钻柱中传播的最优频带；蔡文军[3]进一步确定了声波在钻柱中传播的优选频率为600,650,900 Hz；杜勇等人[4]证明了声波在单根油管内衰减较小，螺纹接口处衰减较大的特性；冯晓莉等人[5～8]对声波在油管内的传输特性进行了建模分析及实验，并提出了井下换能器及地面解码滤波的具体方案；张建军等人[10]通过实验确定了声波信号衰减与井深的关系；刘新平等人[10,11]对井下泥浆脉冲、电磁、声波等无线传输手段进行了对比分析；张成晖等人[12]设计了以片上系统现场可编程门阵列(silicon on chip field programmable gate array,SoC FPGA)为核心的声波测井数据采集系统；林博等人[13]对声波测井数据压缩算法进行了研究和优化。

目前国内井下声波遥测技术研究主要集中在管柱声波传播特性、井下换能器和地面解码滤波方面，对井口信号接收装置的研究仍未见报道。传统的加速度传感器及速度传感器在其测量范围内灵敏度为恒定值，对传输到地面的微弱有效信号和干扰信号进行无差别的采集，使后续的滤波解码工作变得十分艰难。

本文设计了一种地面定频信号采集装置，利用共振原理对指定频率的振动信号实现大幅值输出，同时抑制其他频率的干扰信号，极大地增强了系统的灵敏度和抗干扰能力，提高了后续解码工作的成功率。

1 结构设计与原理

1.1 井下声波遥测最优频率

声波信号在管柱内传播的吸收式衰减规律为

J=J0e-δL

(1)

式中J为距声源L远处的声场强度，J0为声源处声场强度，δ为衰减系数。信号频率越高则衰减系数越大。声波信号在油管管柱内的可靠传输深度约为2 km[14,15]。

油管管柱中，频率高于5.5 kHz的声波信号衰减幅度急剧增大，在0.5～1 kHz范围内则衰减较小[16]。利用GZ-6C型测振仪和井下超磁致伸缩换能器进行现场扫频实验发现，换能器进入液面后信号衰减严重，但770 Hz的声波振动信号衰减程度明显小于其他频率，且幅值一直保持在1 m/s2以上，故选取770 Hz为地面定频信号采集装置的设计目标频率，设计共振方向为沿管柱轴向。

1.2 基本结构

定频信号采集装置结构如图1所示。其中“压电陶瓷片”是以黄铜薄片为基体，上下分别烧结了P-41陶瓷材料的环状薄片，被压紧固定在“基座”上。“基座”底部有M5螺杆用于固定安装。在“压电陶瓷片”与固定件之间垫有“弹性垫片”，材料为PTFE，用以适当降低系统的阻尼系数。“压电陶瓷片”外沿与“壳体”采用激光焊接。“壳体”上部安装“加重组合”，用于调整装置的固有频率。整个信号采集装置为一个频率可调的共振系统，其“加重组合”呈塔形布置，使轴向振型更容易被区分出来。

图1 接收装置结构示意

由于井口安装条件限制，要求接收装置外径小于等于45 mm，高度小于等于170 mm，外部安装防水防爆保护罩和配套的固定装置。

1.3 模态分析

整个信号采集装置作为一个共振系统结构较为复杂，存在多种材料之间的相互粘结、接触和挤压，对其各阶固有频率直接求解计算十分困难。采用Abaqus软件对整个装置进行模态分析，以确定在770 Hz激励下实现轴向共振的加重组合形式。整个模型采用C3D10M单元，共68 644个单元，材料参数如表1所示。对零件“基座”底部M5螺柱施加固定约束，分析计算前6阶模态。

表1 不同材料的计算参数

当加重组合总质量为168 g时，前6阶固有频率分别为392.79,393.34,768.58,1 645.9,1 649.5,1 786.5 Hz，其中,第3阶振型共振方向为轴向方向，频率为768.58 Hz，接近目标频率770 Hz。

1.4 谐响应分析

为了模拟真实的工作情况，对模型按照正弦规律施加0.05 mm的强制位移，方向沿轴向，从0～2 500 Hz进行扫频激励，模型总应变能如图2所示。

图2 0.05 mm强制位移激励下模型总应变能

可见在768.58 Hz时，模型总应变能最大，为296.647 mJ，且曲线尖锐。表明对于轴向振动激励来说，本信号采集装置具有极强的频率选择性(768.58 Hz)，响应输出也较高。

2 样机室内与现场实验

2.1 幅频特性

以Abaqus计算结果为参考进行设计，最终成品(WL-770定频信号采集装置)如图3所示。加重组合满足120～187.5 g范围内的调整需求。其中,1#样机经过调校后确定加重组合为160 g。

图3 WL-770定频信号采集装置

采用VSC-1型振动传感器校准仪，对1#样机、动圈式地震检波器LGT-20D40和压电式加速度传感器INV9828进行轴向扫频激励实验，频率从0 Hz逐步增加到1 000 Hz。测量三者输出的峰峰电压值，结果如图4所示。

图4 3种传感器的频响特性(加速度5 m/s2)

可以看出，1#样机在加速度幅值为0.5 m/s2的正弦激励下，770 Hz时输出电压峰峰值为6.8 V，曲线形状与Abaqus谐响应分析获得的应变能曲线基本一致，在0～730 Hz及820～1 000 Hz范围内输出不到1 V。

而LGT-20D40和INV9828型传感器在10倍于1#样机的激励强度(5 m/s2)下，其整体最大输出值，以及770 Hz时的输出值仍要远远小于后者；且两者在量程内灵敏度几乎为恒定值，没有频率选择性。

综上所述，新型定频信号采集装置适合对给定频率的振动信号进行捕捉，满足井下ATS使用要求。传统加速度、速度传感器适合测量量程内不同频率加速度、速度信号的大小。

2.2 多只样机对比试验

对20只WL-770定频信号采集装置样机进行调试，加重质量和在770 Hz、加速度幅值为0.5 m/s2的正弦激励下的输出幅值如表2所示。

表2 20只样机在770 Hz的输出及加重质量

可见，全部20只样机经过调校，在770 Hz时的输出均在5.5 V以上，完全满足后续采集解码电路的需求。且前10只样机的频响特性曲线基本重合，仅在最高点幅值有小范围变化，其稳定性及调校工艺满足批量生产的要求。

2.3 轴向共振频率与加重之间的关系

定频信号采集装置轴向共振频率与加重之间的关系受系统结构、材料特性等多种因素的影响，难以直接分析计算。对8#样机进行了不同加重组合下轴向共振频率的测试，从实验的角度探寻其轴向共振频率与加重组合间的关系，得出结果如图5所示。

图5 不同加重质量对共振频率的影响

可见对此WL-770定频信号采集装置来说，在120～175 g加重区间内，其轴向共振频率与加重质量基本满足线性关系，此关系可用来指导生产调校，初步确定加重组合质量。

2.4 现场实验应用

将安装WL-770定频信号采集装置的地面控制器，和安装INV9828加速度传感器的地面控制器进行现场对比试验，24 h内前者解码成功11组数据，后者解码成功5组数据(如表3所示)，前者相比后者解码成功率提高了1倍以上。

表3 24 h内两套地面设备解码对比

3 结 论

针对煤层气井的井况，通过实验确定了井下声波遥测所采用的最优频率为770 Hz。根据共振原理设计了地面定频信号采集装置，通过模态分析确定了设计参数，并对模型进行了谐响应分析。

通过样机及现场应用实验，证明此定频信号采集装置具有较高的灵敏度和良好的选频特性，能够应用在实际生产中并提高地面解码的成功率。

同时，此接收装置还可以应用在类似的，采用定频声波或振动脉冲作为信号传输手段的其他场合。