利用水声通信原理解决随钻数据传输问题

耿艳峰, 贾梦之, 郑 重, 闫宏亮,2, 岳耀宾,3, 李 芳

(1.中国石油大学(华东)控制科学与工程学院,山东青岛 266580; 2.西安石油大学陕西省钻机控制技术重点实验室,陕西西安 710065; 3.青岛科技大学自动化与电子工程学院,山东青岛 266042)

近十多年来,钻井工程技术进步主要表现在两个方面:一是随钻测量技术由单纯的井眼轨迹参数测量逐步转变为由井眼轨迹参数、钻井工程参数和地质参数等组成的随钻综合测量;二是钻井技术由以“开环控制”为特征的“几何导向”向以“闭环控制”为特征的“地质导向”转变。需要在钻井过程中实时传输到地面系统的井下数据越来越多,但随钻数据传输技术却一直停滞不前,已经成为制约钻井工程技术发展的瓶颈[1]。随钻数据的高速传输不仅有助于及时准确地发现油气储集层,从而最大限度地保证钻头在油气层中穿行,提高油气采收率;而且能够及时发现各种井下异常工况,保证钻井过程安全,甚至实现“透明钻井”的梦想。随钻数据高速传输技术既是实现钻井过程智能化的必要条件,又是深海、深地资源勘探开发的支撑技术,已经成为钻井工程、科学钻探等领域持续关注的难点和热点问题[2-3]。笔者首次提出利用水声通信原理解决随钻数据传输难题的设想,对水声通信原理应用于随钻数据传输系统的信源合成、信道建模以及信宿检测技术进行分析与讨论。

1 随钻数据传输原理

随钻数据传输系统是一个典型的通信系统,由信源、信道、信宿3部分组成。在钻井过程中,位于井下的信源通过多种方式对井下仪器的实时测量数据进行调制,经不同信道传输到位于地面的信宿,经解调解码过程实现随钻数据传输。按照信道不同,现有随钻数据传输技术分为有线传输与无线传输两大类。

有线传输技术包括电缆、光纤和智能钻杆3种,具有速度快,距离远,传输信息量大等优点。由于常规钻井的井深可达数千米,高压、大流量的钻井液,从地面系统进入强振动并且旋转的钻杆后向下流动,穿过钻头、达到井底,携带着井底钻屑从钻杆与井壁的环空中返回地面系统,滤除固相杂质后,钻井液循环使用。由此产生的大深度、大流量、高压和强振动等异常恶劣的钻井环境导致有线传输方式可靠性差,故障检修极其困难,实用性差且成本高。

无线传输技术更适合随钻应用,因为钻头不停地向远处延伸。钻井系统包括地面井架、从地面到井底的钻杆、钻头以及循环流动的钻井液等部分。以钻头为界,钻井液在井下被分为两部分:由地面流向钻头处位于钻杆内的部分,称为杆内钻井液;由钻头处流向地面的位于环空中的部分,称为环空钻井液。总体上,前者较为干净;后者由于被钻屑与地层产出物污染,成分非常复杂,是一种气液固混合的多相流,通常被称为钻井液。由此可见:能够用于随钻数据传输的无线信道包括钢制钻杆、杆内钻井液、环空钻井液和大地4种。其中环空钻井液由于成分复杂,不适合无线数据传输。因此除特别说明外,本文中的钻井液信道均指钻杆内的钻井液。

2 无线随钻数据传输技术分析

2.1 现有无线随钻数据传输技术

现有无线随钻数据传输技术有钻井液脉冲、电磁波与钻杆声波,分别利用了钻井液、大地和钻杆3种信道。其中钻井液脉冲技术应用最为普遍,电磁波次之,钻杆声波仍然处于现场测试与部分应用阶段。

2.1.1 钻井液脉冲随钻数据传输技术

通过控制脉冲发生器的运动部件对钻井液产生节流作用,进而生成不同频率与幅度的水力脉冲,实现井下数据调制,由地面信宿完成压力脉冲信号的检测、解调与解码功能。钻井液脉冲器分为正脉冲、负脉冲和连续波脉冲3种,其中负脉冲发生器对井壁的冲刷作用较大,已经淘汰。国内的现役产品是正脉冲发生器,国外是正脉冲发生器和连续波脉冲器共用。由于机械传动产生的脉冲频率受到一定限制,信号传输速率相对较低,正脉冲发生器一般小于2 bit/s,连续波脉冲器为1～10 bit/s。目前国内研究重点是连续波脉冲器研制[4-6],国外已经转向连续波脉冲器转子结构优化、信号增强、高效简洁的数据调制等[7-11]。三大国际著名的油气技术服务公司均拥有各自的连续波脉冲器,国内北京海蓝、普利门、中天启明等公司都成功地开发出正脉冲发生器。

2.1.2 电磁波随钻数据传输技术

电磁波从井下发射源向周围无限空间(大地)辐射,由固定在地表的天线探头接收井下发射的电磁波,实现随钻数据传输。地面和井下天线均为收发两用天线,可以实现双向通信。尽管电磁波通信在空气与真空中取得了巨大的成功,但受制于地层电阻(主要受地层含水率影响)对电磁波的衰减,只有低频电磁波能够应用于有限井深、特定区块与钻井工艺的随钻测量[12-13]。如美国APS公司使用2～12 Hz的电磁波进行数据传输,传输速率可以达到12 bit/s,应用于气体钻井、泡沫钻井以及欠平衡钻井过程。国内外目前的研究重点是信道特性、电磁波中继与信号处理技术等[13～15]。三大油服公司均拥有各自的产品,俄罗斯的电磁波随钻数据传输技术处于国际领先地位,国内的相关研究尚未产业化。

2.1.3 钻杆声波随钻数据传输技术

位于井下的声波换能器通过压电晶体或者磁致伸缩元件在钻杆中激发声波,该声波沿钻杆由井下向地面传播,位于地面立管上的加速度传感器检测该信号,然后进行解调解码,获得井下数据。国内外目前的研究重点是地面信号处理方法、信道特性、信号中继、换能器等。钻杆声波技术的优缺点都很明显,钻杆信道既不依赖于钻井液,也不依赖于地层,而且声波在钻杆中衰减较小,数据传输速率可达10 bit/s。但是钻杆是由6～13 m长的中空钢管通过螺纹连接而成的,长度达到数千米。声波信号在钻杆接头处衰减严重、甚至发生波形畸变与波形转换,需要间隔600～1 000 m加装一个中继放大器来维持信号幅度,实际应用困难。

综上所述,现有无线随钻数据传输技术尚难以满足钻井工程技术需求。其中钻井液脉冲器获得了广泛应用,但数据传输速率太低;电磁波技术的应用条件受限;钻杆声波技术取得了初步成功,但遇到了钻杆接头处声波衰减与畸变难题。截至目前,尚未开发出一种理想的随钻数据传输技术,既具有较高的传输速率,又能适用于各种钻井工艺,这严重制约了钻井过程自动化与智能化水平的提升。

2.2 一种新的随钻数据传输方案

基于现有随钻数据传输问题,提出利用水声通信原理解决随钻数据高速传输问题的思想。

首先解决通信速率问题,广泛应用的钻井液脉冲数据传输速率为0.2～10 bit/s,常规油气钻井不超过10 km,2009年水声通信在10 km范围内已达到1 200 bit/s[16],是随钻数据传输的120～6 000倍。因此利用水声通信技术解决随钻数据传输问题,有望使随钻数据传输技术取得突破性进展,满足当下以至未来的钻井工程技术需求。

其次解决信道的选择问题,杆内钻井液是最佳的无线随钻信道。与环空钻井液信道相比,该信道相对干净,不含地层产出物与钻屑,水声信号吸收与散射衰减小,有利于水声信号的稳定传输。与钻杆信道相比,该信道连续,不存在钻杆接头处信号的衰减与畸变,有利于提高传输距离。与大地信道相比,该信道介质物性参数相对稳定,与地质区块、地层导电特性等无关,因此该技术的适用范围更广。

最后解决通信系统的可靠性问题,井下仪器的可靠性是非常重要的性能指标,因为一旦发生故障,需要将数千米的钻杆从井眼中抽出才能对仪器进行维修,严重影响钻井作业进程。与钻井液脉冲器相比,水声信源无机械可动部件,具有功率小、寿命长等优点。

钻井工程中,只要随钻数据的传输速率达到10 bit/s,即可基本满足随钻成像测井的通信需求,从而为地层识别、导向决策等工作提供可靠依据,大幅度提高油气勘探开发的效率与水平。

3 基于水声通信原理的随钻数据传输

3.1 随钻信道建模

随钻信道可以简化成一维有限长、均匀、等截面波导。由声学理论可知,用于数据传输的理想声源是平面纵波,因为平面纵波在细长管道中传播时只存在由于管壁非刚性导致的沿程衰减、钻井液吸收与散射衰减,不存在扩散衰减,有利于信号远传。与钻井液水声信道相关的3个边界条件是:地面空气包的声波吸收与反射、井底钻头处的声波反射与透射、钻杆管壁弹性模量的影响。

3.1.1 理想流体一维小振幅波方程

水声通信利用的是振幅远小于波长的小振幅波,忽略钻井液黏度与密度的影响,略去流体微元运动方程中二阶以上的微量,对运动方程进行简化[16],简化过程为

(1)

其中

ρ=ρ0+ρ′.

式中,ρ为声压作用后的流体密度;ρ0为流体的初始密度;ρ′为由声压p作用引起的流体密度增量。简化过程中利用ρdv/dt=ρ(∂v/∂t+v∂v/∂x)≈ρ0∂v/∂t,忽略了非线性项v∂v/∂x的影响。

同理对于连续性方程进行简化可以得到

(2)

根据声压定义,由一般液体的物态方程可以得到

(3)

式中,c0为初始温度与压力条件下的流体声速。

以上3个方程中,箭头右边的部分构成理想流体一维小振幅波的线性波动方程组,消去p、v、ρ′中的任意两个,即可得到波动方程的不同形式。

如消去ρ′,可以得到

(4)

式(4)表示小振幅波的声压与传输距离、时间之间的关系,是随钻水声信道的建模基础。

3.1.2 随钻水声信道建模

钻杆是由长度为6～13 m、内径(2a)为46.1～121.4 mm、壁厚约为10 mm的中空钢管用螺纹连接而成,总长度可达数千米,可以等效为细长管进行分析。细长管中高次波衰减很快,随钻水声信号的频率应低于沿钻杆轴向传播的主波频率,因此设计的水声信源频率必须低于由最大钻杆内径确定的截止频率[17]。

圆柱形管中声波主波截止频率f的计算公式为

(5)

其中声速取25°水中的声速c0=1 500 m/s,钻杆内径2a=46.1～121.4 mm,由此换算得到的声波截止频率f=7.24～19.07 kHz。如果能够使声源实现轴对称振动,截止频率还可以提高1倍。

随钻水声信道将声波辐射约束在钻杆内部,钻杆形状、尺寸和管壁材料等因素都会对声波传输产生影响。实际的随钻信道是具有如下特征的三维波导:有限长(数千米)、变截面(同一段钻杆内径相同、不同内径钻杆串联而成的突变截面、不同井下仪器形成的连续变化截面)、变曲率(不同的井身结构会有5°～10°/30 m的曲率变化)、变长度(钻井过程中井深随时间增加)、变黏度(钻井液黏度随井深与温度等参数在1～40 mPa·s之间变化)等,因此需要在熟悉随钻水声信道截面变化、弯曲等形状特征引起的声场变化规律基础上进行分段建模。

钻井液波导的密度、黏度、长度等特征参数随钻井时间、实际进尺等参数发生变化,只有建立随钻水声信道的分段(适应钻杆结构变化)、时变(钻井深度随时间变化)、分布式(钻井液参数沿信道变化)模型,并结合随钻信道的3个边界条件与信源特征,才能给出随钻信道的实时特征参数,进而指导随钻水声系统设计与运行。

实际钻井过程中,为了平衡地层压力、减少井壁冲刷、增加钻井液的悬浮能力等目的,在钻井液中加入膨润土、高分子聚合物等添加剂,改变钻井液的黏度、密度等参数。因此钻井液是非理想流体,水声信号传播过程中由于钻井液的黏性、热传导以及管壁摩擦等作用都会引起水声信号的吸收与衰减,特别是随着井深的增加,对信源强度的要求逐步增加,需要在理想运动方程式中考虑黏滞力、热传导等影响。

由于黏滞力的存在,需要在声波运动方程中增加代表黏滞力的项。因黏滞力与速度梯度成正比,即黏滞力T=η∂v/∂x,其比例系数η又分为切边黏滞系数和容变黏滞系数两部分。需要结合钻井液黏度变化特性,分析黏滞力的影响。

非线性声学特性的影响,为了实现长距离的水声信号传输,需要加大水声发射功率,此时式(1)简化过程中忽略的非线性项v∂v/∂x可能与方程中的其他项是同一个数量级,从而不能忽略。同时,由于非线性因素的作用,水声信号将出现波形畸变、跳跃现象与分谐频振动等实际应用中需要考虑的问题。

3.1.3 随钻水声信道特性仿真

钻井液的黏滞力是造成随钻水声信号衰减的主要因素,声波方程(4)的解是由正向传播与反向传播两列波的叠加而成,在忽略井底反射波影响的情况下,仅考虑波的正向传播,其通解为p(x)=Aej(wt-kx),由于黏滞力的影响,声波幅值也呈现指数衰减,并且衰减系数与声波频率、钻井液黏度、钻杆半径、声速等参数有关。

假定钻杆内径为100 mm,声波频率分别为2、8、16 kHz 3种,钻杆长度1500 m,钻井液黏度20 mPa·s,钻井液密度1 000 kg/m3,入射声源压力1 kPa且为理想的平面纵波。利用COMSOL软件分别仿真了3种频率的水声信号在1 m长的管道内的声压分布和在深度1 500 m处的衰减结果如图1所示。

按照式(5)计算,2 kHz与8 kHz的声波频率位于钻杆截止频率内,16 kHz超过了钻杆的截止频率。图1(a)～(c)展示了3种频率在声压发射后1m长管道内的等值面分布。由图1可见,2与8 kHz声波保持了平面纵波的传播特点,16 kHz的声波已经发生了畸变,产生了管壁反射,破坏了平面纵波的传播形式。图1(d)显示了3种频率声波沿钻杆长度的声压分布,声压呈指数衰减规律,且衰减系数与频率相关,该结果与理论计算结果差值小于10%,初步验证了理论分析的正确性。

图1 随钻水声信号的仿真结果Fig.1 Simulation results of acoustic signals while drilling

3.2 地面信宿检测

现有传感器可以检测分辨率为-220 dB的声压信号,新型的水声换能器每伏转换特性大于140 dB,频率1 Hz～50 kHz的水声信号的衰减系数约为10-4～10-2dB/m[17]。

按照上述参数,相对保守地取水声传感器的分辨率为-210 dB,水声信号衰减系数取10-4dB/m、水的黏度1 mPa·s进行计算,水声换能器可以检测到2×10-15.5Pa的声压信号,实现约500 km的水声通信,这是目前水声通信达到数百公里的理论依据与传感器依托。

参照文献[18]、[19]的理论,取信源强度为100 Pa、钻井液黏度20 mPa·s、钻杆内径60 mm、油基与水基两种钻井液,考虑高频水声信号衰减大,信源频率为2、3 kHz,计算结果见表1。由表1可见,随着钻井深度的增加,钻井液中的水声信号衰减很大。不加中继放大或者不对换能器采取措施的情况下,可以实现深度3 000 m以内的随钻通信。

表1 不同钻井液水声信号的衰减结果Table 1 Attenuation results of acoustic signals for different drilling fluids Pa

需要说明的是:钻井过程的主要噪声为钻井液泵噪声、井下钻具与井壁岩石摩擦、碰撞等作用产生的机械噪声,其频率均小于2 kHz。选用的声波频率大于2 kHz,可以有效地避开了钻井过程噪声,为地面微弱水声信号检测、信号处理创造了良好的条件。

3.3 井下信源设计

为了提高传输距离,满足钻井工程技术需求,可以采取的措施有:①增大换能器的发射功率,但在换能器结构、额定电压、钻井液物性等参数确定的情况下,单个换能器发射功率受限;②采用声矢量技术或者相控阵技术合成井下声源,通过多个换能器的协调控制达到所需发射功率;③尽可能生成理想声波是平面纵波,减少扩散衰减。

3.3.1 相控阵信源的合成原理

本文中提出利用相控阵技术合成平面纵波,实现两个目的:一是提高信源功率,保证传输距离;二是希望合成理想的平面纵波,甚至是轴对称的平面纵波,提高信源带宽。

在钻杆内部设置水声信号发射短接,设计该短接为圆柱形,并悬挂于钻杆中心,钻井液从该短接四周流过。考虑随钻信道具有细长、径向有尺寸限制、轴向基本无限制等特点,声波换能器的布置应综合考虑周向布置与轴向布置两种方式,即沿水声发射短接周向、轴向布置声波换能器,进而合成沿钻井液轴向传播的平面纵波[20]。

3.3.2 沿发射短接周向布置声波换能器

为了简单起见,将N个声波换能器布置在发射短接的同一横截面上,见图2。合成的水声信号主轴与钻杆轴向(z轴方向)夹角为θ,与x轴夹角为α,合成声波的指向性函数为

(6)

式中,D为换能器之间的间距;λ为波长;当θ=0、α=0时,合成声波的指向D(θ,α)为钻杆轴向(z轴方向),即合成了沿钻井液轴向传播的平面纵波。

图2 沿发射短接周向布置声波换能器Fig.2 Arrangement acoustic transducers along circumference of transmitting sub

3.3.3 沿发射短接轴向布置声波换能器

实际上,由于换能器尺寸与钻杆内径的限制,图2无法直接实现,需要考虑沿发射短接轴向布置M个换能器。为此将声波换能器布置在了一条直线上,见图3。实际情况可以是图2和图3的结合,即声波换能器同时沿发射短接轴向与周向变化。

设图3中单个声波换能器的输出信号为

pi(t,z)=paexp[j(ωti-kz)].

(7)

式中,pi(t,z)为第i个声波换能器的发射声压沿钻杆轴向z、时间t的变化情况;ti为第i个声波换能器的起振时刻;k为声波波数;ω为声波频率;pa为单个换能器的振幅。

图3 沿发射短接轴向布置声波换能器Fig.3 Arrangement acoustic transducers along the axis of transmitting sub

各个声波换能器输出信号幅值与频率基本相同,不同之处仅在于起振时间ti和安装位置。只要通过控制不同换能器的发射时间ti,即可使合成的声波信号为单个声波换能器发射信号的M倍,即满足

(8)

式中，po(t,z)为合成的总的声压信号,po(t,z)等于第一个声波换能器输出声压p1(t1,z)的M倍，即信源发射功率增强了。基于上述原理,多个换能器通过相控阵技术或声矢量技术合成了理想的平面纵波,并且使合成信源的频率、相位等特征参数在一定范围内可控,进而实现井下信号调制与耦合。通过优化声波换能器的布置方式和控制方式,在换能器数量有限、随钻信道约束等条件下,增强主波瓣功率、抑制旁瓣影响,提高信源功率与信号质量。

4 其他相关问题与解决方案

4.1 随钻通信与水声通信比较

二者的相同之处包括:基本技术框架、高频声波衰减快、带宽资源有限、水声信号传播过程中存在由于介质黏滞、热传导以及其他弛豫过程引起的吸收损失;由介质中气泡、固体颗粒以及介质的不均匀性造成的散射损失、微弱水声信号检测与处理等。

二者的不同之处在于:水声通信噪声复杂且未知因素多,既有潮汐、洋流、海面波浪等引起的海洋噪声,又有交通航运、工业钻探等引起的技术噪声;海洋信道存在明显的多径效应、起伏效应、多普勒效应、选择性衰落等现象。随钻通信的干扰主要来自钻井过程的机械运动、摩擦、碰撞等,噪声频段相对窄;随钻信道无明显的多径效应与选择性衰落;尽管钻井过程也存在随着井深增加而产生的信道时变、空变特性,但是其变化规律相对简单,且在一定程度上是已知的或者可测定的,数据处理与修正相对容易。

随钻水声信道的时变与空变特性主要表现在钻井过程中,随着时间的增加,井深在不断地增加,不仅是钻井液波导的长度在增加,相关的信道参数(钻井液波导的密度、黏度等)受温度与压力影响也在变化,需要考虑信道参数时变与空变特性对水声信号的影响问题。有利的条件是:随钻信道的时变与空变特性,如温度、压力等参数能够通过测量得到,密度与黏度随着温度、压力的变化关系在钻井工程的相关研究中已有较为完善的理论结果与实验数据支撑。

4.2 信源合成与信宿检测

在随钻信道的约束条件下,优选/设计合理的声波换能器结构,利用相控阵原理合成沿钻井液轴向传播的平面纵波是一个关键问题。信源合成之后,信宿检测问题迎刃而解。

声波换能器及其结构优选是信源合成的基础。近年来声波换能器结构推陈出新,可供选择的换能器包括复合棒换能器、弯张换能器、圆管换能器、电动式换能器等。通过不同换能器之间的结构特征与性能指标的对比分析,设计满足井下尺寸、耐压与耐温等条件的声波换能器结构。

信源发射与信宿检测均采用相控阵技术,通过相控阵接收提高随钻数据的传输距离,提高其抗干扰性能。在地面接收环节布置声波传感器阵列,对每个声波传感器信号进行单独放大,通过数字相控阵技术合成总体检测结果,实现随钻水声信号的高灵敏度检测与噪声抑制。

现有技术条件为高质量信源合成提供了可能性。首先,井下发电机技术的成熟为大功率、高频信源的合成提供了可能,保证了信源强度和随钻通信系统的连续工作时间。其次,声波换能器与传感器的微型化为将信源集成到狭窄(通常可以利用的钻杆内径2a≤110 mm,目前最大121.4 mm)的井下钻杆中提供了可能。第三,井下信源外径受制于钻杆内径,但长度方向几乎没有限制,为相控阵技术的应用提供了可能。第四,多种高效的声波换能器,如稀土超磁致伸缩换能器、弛豫铁电单晶换能器、压电聚合物薄膜换能器等为信源结构设计与优化提供了更多的空间。

现有技术条件也为高灵敏度信宿检测提供了支持。首先,水声通信技术及其相关的信道理论、噪声消除方法等为项目实施提供了良好的基础;其次,商业化的流场、声场计算软件提供了必要的技术手段,借此可以深入分析各种复杂结构信道的传输特性,结合实际钻井工程参数,针对性地对载波频率、调制方式等做出优选与调整。

4.3 信道传输特性的影响因素

由于钻井用钻杆是由从地面到井底不同长度、不同内径的钢制管段通过螺纹连接在一起的管道,用来输送钻井液和传递扭矩,因此钻井液信道存在多种因素对水声信号传输特性产生影响。首先,钻杆内径由地面至井下逐渐减小,随钻信道截面呈现阶跃型突变。其次,现代钻井工艺中,安装了很多井眼轨迹几何参数、钻井工程参数、地质参数的测量单元与部件,在信道上形成了不同的阻力件,随钻信道存在由圆形变换环形、半圆形等波导形状与截面积的改变。因此建立钻井液信道的分段、时变、分布式模型是解决信道传输特性研究的关键。

信道特性研究中还需要考虑影响水声信号传输的其他因素,如管壁弹性、钻井液流体物性参数、钻井液压力等。此外,钻井液水声信道特性研究既涉及声波的散射、反射、透射等线性声学问题,也涉及黏滞媒质中有限振幅波的传播、跳跃现象、分谐频振动等非线性声学问题。

5 结 论

(1) 利用水声通信原理解决随钻数据的高速传输问题是可行的,有望使随钻数据传输技术取得突破性进展,满足当下以至未来的钻井工程技术需求。

(2) 结合钻井工程参数,可以选用的水声信号频率大于2 kHz,有效地避开了钻井过程噪声,现有水声换能器、传感器可以满足深度3 000 m以内的随钻通信需求。

(3) 为进一步提高随钻水声通信速率与通信距离,需要研究随钻信道的分段时变分布式建模与钻井液信道的影响因素、基于声矢量或相控阵技术的信源合成以及信宿检测、先进水声通信技术的随钻应用等。