一种新型井下声波发生装置及其声波传播特性

王 庆 管志川 刘永旺 张 波 李 成

1.中国石油大学（华东）石油工程学院 2.山东省深地钻井过程控制工程技术研究中心3.中国石油塔里木油田公司油气工程研究院

0 引言

井下信息的准确高速传输是保障复杂工况中多风险共存背景下安全高效钻井作业的关键之一。随着油气资源勘探开发力度的不断增大，深井超深井的井下情况日益复杂，智能化钻井设备的广泛应用对井下信息的传输速率提出了更高的要求[1]。研发出速度快、准确性高、抗外界因素干扰能力强的井下信息传输方法成为安全高效钻井所需要攻克的瓶颈问题之一。井下信息声波传输技术因传输过程不依赖钻井液，不受地层性质的限制，并且具有传输设备结构简单、易于定向发射等优点，有望成为突破上述瓶颈的关键技术[2]。目前，国外部分声波传输系统已经开展了初步的应用，包括美国哈里伯顿公司研发的油井测试声波传输系统和加拿大XACT井下遥测公司研制的无线随钻测量系统，最大传输深度和速率可达 3 600 m 和 33 bps/s，展现出良好的应用前景[3-5]。国内亦开展了相关研究，并取得了重大进展。振动波井下通讯技术已在分层注水信息传输中进行了现场测试[6]，地层出砂和丛式井防碰等领域也采用与声波传输相关的技术[7]。相关研究人员也研究了不同因素对钻柱中声波传输特性的影响，包括管柱结合方式[8]与尺寸特性[9]、钻柱弯曲[10]、钻井流体阻尼[11]、地层阻尼[12]和噪声[13-14]、换能器激励参数[15]等，建立了基础传输模型和实验装置[16-18]。

然而，井下信息声传输技术还未成为现场的主要测控手段。究其原因，井下信息声传输系统装置的缺乏是制约该技术从理论分析与实验研究走向现场应用的难题之一。井下信息声传输系统由井下声波信号的发生、中继和接收装置组成，其中声波发生装置作为声信号的源点，是整个系统的关键。为攻克上述难题，笔者设计了一种新型井下声波发生装置，并通过建立的试验系统开展了装置的功能性及关键参数设计的试验研究。

1 声波发生装置原理与结构设计

1.1 井下用声波换能器的选择

换能器作为实现井下电能—声能转换的元件，是井下声波发生装置的核心。低频纵波因在钻柱中传播速度快、能量衰减小、接收及分析难度小而成为井下信息声载波的首选，当前常用产生纵波的换能器有夹心压电换能器和磁致伸缩换能器两种，然而夹心压电换能器因生产制造难度大，安装及井下供电困难而难以应用于井下。超磁致伸缩换能器因具有应变大（5～10倍于压电陶瓷）、输出功率高、高可控性、结构紧凑及工作温度范围广（－50～70 ℃）等优点[19]，是井下复杂有限空间中高温高压环境下声波发生换能器的首选。因此，选择超磁致伸缩换能器作为井下用声波换能器。

1.2 超磁致伸缩换能器结构及原理

基于能量转换材料——国产Terfenol-D棒（Ø10 mm×40 mm，在 6～ 8 MPa压力下，磁场强度为 10 000 kA/m时，轴向应变值达 1.2×10－3）设计的超磁致伸缩换能器结构及实物如图1所示。当换能器工作时，由脉冲电源产生脉冲电流施加于换能器的激磁线圈上，超磁致伸缩棒在交变磁场作用下产生伸缩变化，将电能转换成一定频率的机械振动，其发射主频为800 Hz，工作频带宽度范围介于20 Hz ～ 25 kHz。

1.3 换能器声波辐射方式设计与优选

1.3.1 换能器声波辐射方式设计

换能器声波辐射方式是指声波从换能器进入钻柱系统的方式，换能器作为井下声波发生装置的核心部件，其声波辐射方式是决定声波发生端声传递效率及钻柱中声传播特性的关键。由于超磁致伸缩换能器输出端是圆形截面，而钻柱截面是直径远大于换能器输出端的环形截面。因此，设计的换能器声波辐射方式不仅要保证进入钻柱中的声波特性不发生畸变，还需将声波在传递时的能量损失降到最低。

图1 井下用磁致伸缩换能器结构及实物图

利用平面波在钻柱中传输井下信息对声信号稳定性及接收端信号质量都十分有利，钻柱中平面波的产生取决于换能器声波辐射进入钻柱管体的方式，其最优辐射方式是换能器输出端具有与钻柱管体相同的环形截面的环状辐射，这在井下复杂有限空间内基于超磁致伸缩换能器是很难实现的。

综合考虑井下安装条件与超磁致伸缩换能器结构特征，笔者设计了周向多点声波辐射与中心单点变幅杆声波辐射两种辐射方式，以期能达到与环状辐射方式同等效果。其中周向多点声波辐射方式是通过在管柱截面周向均匀分布多个换能器将声波传入管柱；中心单点变幅杆声波辐射方式是利用变幅杆结构思想，将换能器安装位于钻柱轴线处的变幅杆小端面上，通过变幅杆将换能器发出的声波传入钻柱中进行传播。

1.3.2 换能器声波辐射方式优选

为了从上述设计的两种换能器声波辐射方式中优选出最佳方案，设计了如图2所示的两种测试方案对不同换能器声波辐射方式的声传播效果进行对比分析。

图2 不同换能器声波辐射方式传输效果测试方案图

控制测试条件一致，两种测试方案得到的接收端声波信号如图3所示。测试结果可见，采用周向多点声波辐射方式得到接收端同一接收面上周向均匀分布的4个加速度计测得的声波幅值差异明显，说明该方式下钻柱管体中获得的声波为非平面波；比较而言，采用中心单点变幅杆声波辐射方式得到接收端不同测点接收信号波形与幅值不存在明显差异，说明该方式能够获得平面波，可以实现与最优辐射方式同等的声传播效果。因此，选择中心单点变幅杆辐射方案作为井下声波发生装置中换能器的安装形式。

1.4 井下声波发生装置整体结构设计

根据设计的超磁致伸缩换能器与中心单点变幅杆换能器声波辐射方式，设计了如图4所示的井下声波发生装置。

其工作原理为：通过探测仪器连接管将测得的井下信息传输至编码及转码电路进行信号的编码与转码，进而传输至换能器驱动电路进行放大，并驱动换能器将电信号转换成声波信号辐射进入钻柱中传输，实现井下信息声波信号的发生。其中声信号发生单元主要包括换能器、预紧材料、声传递介质与变幅杆，换能器通过尾部的预紧材料固定在换能器保护筒内，其产生声波通过声传递介质传递到变幅杆中，继而进入钻柱进行传播。装置中设置预紧材料的目的是实现换能器保护筒中的换能器、声传递介质、变幅杆的紧密连接，设置声传递介质的目的是降低因为换能器连接杆面积（输出端）与变幅杆小端面积的差异性导致的声波能量损失，同时滤除传入变幅杆的干扰信号。

图3 不同声波辐射方式4个加速度计的传输效果测试图

图4 井下声波发生装置结构图

从上述装置可以看出，钻柱中声信号的传输距离与传输质量取决于声信号发生单元，因此声信号发生单元是整个装置设计的关键。变幅杆参数、声传递介质与换能器预紧状态是声信号发生单元中影响声能量传递效率与质量的关键因素，因此对上述3个关键因素的参数进行进一步设计。

2 变幅杆设计

2.1 变幅杆类型选择与参数设计

变幅杆主要用于换能器输出位移振幅较小时将机械振动位移或速度振幅放大，把能量集中在较小的辐射面上进行聚能。而在声波发生单元设计过程中，采用变幅杆结构是为了使声信号传递过程不受截面效应影响，将声波从变幅杆小端面传递到大端面上，期间必然造成能量的损失。因此在变幅杆设计过程中，除了保证换能器输出端面在接入变幅杆后不致改变原有工作状态外，还需有效地降低声波能量的损失。

圆锥、指数及悬链线是3种常用的变幅杆类型，研究发现在同等条件下，随长度增加，圆锥变幅杆的两端振幅变化最小，这符合本文降低声能量损失的要求。同时考虑钻柱内部钻井液过流需求，笔者选择带内孔的单级圆锥变幅杆进行设计。

忽略变幅杆纵向变形对横向变形的影响，同时认为杆由均匀、各向同性材料构成，纵波沿杆轴向传播。作用在变幅杆微元(x, x+dx)上的张应力为由牛顿定律可得变幅杆的动力学方程[20]为：式中A=A(x)表示杆的横截面积函数；ξ=ξ(x)表示质表示应力函数，E表示杨氏模量；ρ表示杆材料的密度。在简谐振动的情况下，由式（1）可得变截面杆的纵振方程为：

图5 井下声波发生装置变幅杆结构图

井下声信号发生装置的变幅杆分析结构如图5所示，设计过程中将原钻井液流道简化为截面为等面积环形的钻井液流道。

坐标原点x=0处的直径为R1，x=L处为R3，环状流道内径为R2，其面积函数为：

设变幅杆两端面的力和振动速度分别为F1、，方程（2）的解为：

变幅杆的放大系数（Mp）是指在变幅杆在谐振状态下工作时，变幅杆的输出与输入端之间位移比值。本文装置中声波从小端面输入经由变幅杆在大端面输出，放大系数越大表明声波能量损失越大。因此需对变幅杆的参数进行设计来降低放大系数。

由式（7）可得振幅放大系数为：

由式（8）可知，大端半径R1、小端半径R2、环状流道外径R3及整体长度L是决定变幅杆放大系数的关键参数。其中由换能器安装要求设计R2为20 mm；由装置结构可知，变幅杆大端延伸部分外表面为连接螺纹，即变幅杆大端半径等于外螺纹小端半径，对具有不同标准外径的井下钻具而言，有着与其相对应的标准连接螺纹，因而对于确定的钻杆类型，其大端外径（R1）为固定值。因此，对于已知钻柱类型，大端半径与小端半径均为已知参数，此时决定钻井液过流面积及变幅杆强度的环状流道外径也为定值。

由此可知，对于与已知钻柱类型配合使用的井下声波发生装置而言，只能通过对变幅杆长度进行设计来降低其放大系数。定义无量纲参数变幅杆长径比（H）为长度（L）与大端外径（R1）的比值。则放大系数可表示为：

2.2 设计实例及可靠性分析

以标准Ø127.0 mm钻杆为例，接头外径168.28 mm，变幅杆大端外径R1=70 mm，变幅杆小端半径R2=35 mm，环状流道外径R3=50 mm，常用的用于井下信息声载波频率一般在0.6～1.5 kHz低频区间内选取，根据式（9）计算得到不同载波频率下放大系数随长径比变化规律如图6所示。

由图6可知，随着变幅杆长径比增加，放大系数呈现先减小后增大的变化趋势，存在极小值；在0.6～1.5 kHz低频段内随载波频率增加，放大系数最小值所对应的长径比逐渐减小，所以在确定的载波频率下进行变幅杆设计时，应在极小值点对应的长径比附近进行选择。

图6 变幅杆放大系数与长径比关系图

井下信息声载波常用推荐频率有0.65 kHz和1.41 kHz，当选择1.41 kHz声波作为通信载波时，变幅杆放大系数极小值点对应长径比介于7.5～8.0。因此应用于标准Ø127.0 mm钻杆的变幅杆长度为0.5 m。为验证所设计变幅杆在井下工作的可靠性，通过有限元软件对其进行流场及强度可靠性分析。模拟工作环境参数：井深 3 000 m，泵压 20 MPa，排量 35 L/s，钻压100 kN，扭矩20 kN·m，计算结果如图7所示。

通过对变幅杆内部流场及强度分析可知，变幅杆内流体速度峰值出现在环状流道入口处，峰值约为11.88 m/s，据现场数据，应用于四川某井的HTMWD仪器内流体最大速度达60 m/s，且连续工作1 000 h以上没有出现冲蚀破坏；最大等效应力91.19 MPa出现在外螺纹根部，远远小于材料的屈服强度785 MPa，最大变形0.07 mm出现在变幅杆大径端，变形量很小，基本可以忽略。因此，所设计的变幅杆在井下应用时抗冲蚀能力强，机械强度安全可靠。

3 井下声波发生装置的试验研究

为了测试基于超磁致伸缩换能器的井下声波发生装置的功能性与声传递效果，同时对声信号发生单元中声传递介质与换能器预紧状态进行设计，根据上述设计参数建立如图8所示试验装置。

3.1 试验装置简介

图7 变幅杆可靠性分析云图

图8 声波井下通信测试装置照片

试验装置包括声波发生系统、钻柱系统、声波接收及处理系统。声波发生系统为所设计的井下声波发生装置，主要由超磁致伸缩换能器、变幅杆、发生信号调节器和电源模块组成，发生信号调节器通过换能器与钻柱连接，可实现不同参数条件下声波的发生功能；钻柱系统由3根Ø127.0 mm标准钻杆连接而成；钻柱另一端连接有声波接收与处理系统，用于声波信号的接收、显示、存储及时域和频域分析。

3.2 声传递介质对声波传播的影响研究

装置中设置声传递介质的目的是降低因为换能器连接杆面积（输出端）与变幅杆小端面积的差异性导致的声波能量损失，同时滤除传入变幅杆的干扰信号。声波从一端面传递到另一端面声波能量的损失程度与两端面材料的声波阻抗差异性有关，变幅杆材料与不同金属材料的声阻抗如表1所示。

表1 不同金属材料声阻抗表

为测试不同阻抗材料的能量传递与滤波功能，分别选择阻抗低于换能器连接杆的铝制材料与阻抗位于换能器连接杆与变幅杆之间的黄铜材料加工成相同尺寸的传递介质（如图8-b所示），其小端直径为20 mm，大端直径35 mm。并控制传递介质材料为单一变量进行实验研究。测试结果如图9所示。

图9 不同声传递介质材料的声波频谱对比图

由图9测试频谱可见，使用变幅杆进行实验得到声波频谱稳定且通阻带区分明显，设计的变幅杆达到了预期效果。声波经由两种声传递介质进入钻柱中时的声传播特性虽存在相同之处，但也有较大差异，具体表现在：①频谱中通带均分布在0～5 kHz范围的低频段，且通带位置基本相同，不同声传递介质对通带位置分布不产生影响；②当使用黄铜材质时，频谱中通阻带区分更为明显，且通带内声波振幅大、毛刺曲线少，杂波干扰信号更轻微，滤波效果更佳；进入钻柱的声波能量明显高于使用铝制传递介质。

综上分析，黄铜介质在滤波效果与声能量传递效率两方面都要优于铝介质。分析导致该现象的原因是黄铜声阻抗位于换能器连接杆与变幅杆阻抗之间，使得声波在界面传递时的能量损失较小，而铝声阻抗远小于变幅杆声阻抗，会导致声波能量在声传递介质与变幅杆接触界面上存在较大损失。从不同金属材料声阻抗表中可以看出，声阻抗位于换能器连接杆与变幅杆之间的金属材料中，黄铜的经济成本低。因此确定黄铜作为声传递介质的首选。

3.3 换能器预紧状态对声波传播的影响研究

换能器的预紧状态是指换能器安装在保护筒中的受力状态，这种受力状态是由预紧材料实现的。由换能器内部Terfenol-D棒在一定预应力状态下能够提高其输出效率可知，与输入端面紧密接触的换能器外部所受的应力状态也将影响声波的传播效率。

预紧材料与预紧力大小是决定换能器预紧状态的两个主要因素，预紧材料不同会导致声波通过预紧材料传播到换能器保护筒中声波能量不同，影响声波传播效率，预紧力大小不同会导致声波发生单元各部件连接的紧密程度，从而影响声波传播效率。为分析出两者中影响换能器声波传播效率的主导因素与影响规律，选择碟形弹簧（高碳钢，阻抗为46×103MPa/s）与聚四氟乙烯圈（阻抗为27×103MPa/s）两种预紧材料进行试验研究。

从图10-a所示测试结果可见，声波频谱中通阻带位置分布基本一致，但使用碟形弹簧较聚四氟乙烯圈而言，频谱振幅明显偏大，声波能量损失小，传递效率高。说明使用碟形弹簧作为预紧材料能够减少声波能量的损失，提高传递效率，分析导致这种现象的原因是碟形弹簧比聚四氟乙烯圈具有更大的刚度，在相同压缩距离之下能够提供更大的预紧力。由此可见预紧力对换能器声传播效率的影响程度远高于预紧材料的影响。因此，需对预紧力对换能器声传播效率的影响规律进行进一步研究。

采用调节碟簧压缩距离的方式实现不同预紧力条件进行试验研究，并采用相对声波能量（不同预紧力下声波能量与无预紧力下声波能量之比）为纵轴，预紧力大小为横轴进行作图分析。从图10-b所示实测结果中可见，换能器预紧力大小对声传播特性影响显著：在预紧力处于0～4.50 kN时，随预紧力增加，相对声波能量急剧上升，声波能量传递效率上升明显；在预紧力处于4.50～7.20 kN时，随预紧力增加，相对声波能量上升趋势变缓，在预紧力大于7.20 kN之后，预紧力的增加对声波能量的影响不大，声波能量维持一恒定值，此时接收端声波能量是无预紧力状态下声波能量的八倍。

综上分析，换能器预紧力大小虽对频谱中通阻带位置分布影响不大，但是对声波能量传递效率影响显著。因此，为有效提高井下声波发生装置的能量传播效率，同时保证换能器端部不产生受压变形，通过碟形弹簧对换能器施加预紧力在7.20 kN左右为宜。

图10 不同换能器预紧材料下声传播特性对比图

4 结论与建议

1）采用超磁致伸缩换能器作为井下用声波换能器，当采用中心单点变幅杆结构辐射换能器声波时，钻柱中能够获得理想的平面波。

2）变幅杆参数对频谱通阻带位置影响不大，但对声波能量传播效率影响显著，随着变幅杆长径比增加，放大系数呈现先减小后增大的变化趋势，当选用的载波频率位于当前常用低频段内，变幅杆长径比应在放大系数极小值点对应值附近进行设计。

3）安装在换能器输出端部的声传递介质材料对频谱通阻带位置影响不大，但对滤波效果与声波能量传递效率影响明显，声阻抗位于换能器连接杆与变幅杆之间的材料具有更好的滤波效果与能量传递效率，黄铜是声传递介质的优选材料。

4）换能器的预紧状态对频谱通阻带位置影响不大，但预紧力大小对声波能量传播效率影响显著，7.20 kN左右的换能器预紧力使得钻柱中声能量传递效率最大。

5）建议进一步研究声发射端机械结构及声载波参数等因素对钻柱中声传播特性的影响，以加快实现井下信息声传输技术现场应用的步伐。