无缆智能注水井管柱声波信号传输频率的筛选

刘义刚，张 乐，蓝 飞，陈 征，张志熊，杜晓霞

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459； 2.中海油田服务股份有限公司，天津 300459)

国内外针对井下无缆信号传输方式开展了大量相关研究，其中声波传输技术作为一种新型的无线传输技术，结构简单、可靠性较高、传输实时性好。从20世纪90年代开始，国外贝克休斯、哈里伯顿等公司就已经在矿场上开展了声波遥测系统的实验，并在3 600 m的井下深度取得了成功，但主要应用于钻井及测井领域，在注水井无应用实例[1，19-20]。目前成熟应用的无缆智能注水技术均采用压力载波通讯方式进行信号传输[2]，尽管该技术可实现井下测试信号的上传，但由于信号传输方式对井下电池能量消耗很大，无法保证大数据量的实时上传且传输效率较低[13-14]。国内研究人员针对注水井声波信号传输技术开展了初步的试验研究，注水井应用声波信号传输技术与钻井、测井时应用不同之处在于声波发射装置无法安装于井口，需置于井下，受井筒尺寸限制，声波发射装置的尺寸有所限制，无法进行高频率波的发射，且注水环境又会造成低频噪声干扰，因此优选适用于注水井的声波传输频率是油管信号传输无缆智能注水技术成功应用的关键[17-18]。笔者建立了注水井声波传输频率的数学模型，并进行了相应的验证。

1 声波信号传输式无缆智能分注技术

声波信号传输式无缆智能分注技术主要是以井下管柱为传输介质、声波为载波，通过数字调制方法实现井下和地面之间的信息传输，实现对注水生产的遥测遥控，其基本构成如图1所示。

图1 声波信号传输式无缆智能分注技术系统构成

工艺原理：地面控制系统发出控制信号生成波形信号，通过井口信号发射与接收装置敲击注水管柱产生振动，以机械波的形式通过注水管柱传播至井下，经由井下中继装置对信号进行滤波、放大等重新处理后，再次发射出去，最终传递经由井下信号发射与接收装置传递至井下智能配水器，实现配水器的动作和数据读取，同时井下数据也经由相反回路传递至井口[21]。

声波信号传输式无缆智能分注技术在整个调配周期都需要应用声波信号传输，声波信号频率筛选是保证工艺成功实施的基础[12，22]。

2 声波信号传输特性计算

油管作为注水管柱主要构成，具备声波传输介质的条件，以油管串作为介质传递声波信号，需考虑油管声波信号的传输特性，油管的周期性结构使得其在信号传输中呈现出梳状滤波器特性，即通带和阻带交替出现[4]，需对传输频率进行计算，找出通带和阻带规律，从而进行声波传输频率的合理筛选[9-10]。

2.1 注水管柱油管类型及其参数

受井筒及套管尺寸限制，分层注水管柱通常采用2-3/8、2-7/8、3-1/2 in系列油管，同时管柱上配置安全阀、封隔器、配水器等井下工具。

表1 注水井管柱常用油管规格

2.2 注水井井下管柱声波传输特性计算2.2.1 计算模型建立

注水管柱的封隔器、安全阀等井下工具对声波传输影响较小，暂不考虑井下工具的传输影响，注水井井下管柱简化模型如图2所示。管体部分横截面积较小、长度较长；接头部分横截面积较大、长度较短[3,8,15]。

图2 注水管柱简化模型

根据基本的波动方程，有：

(1)

(2)

(3)

式中：u(x，t)为任意点处的位移；F为该点处的轴向力；z=ρac为波阻抗；ρ为材料密度；a为截面积；E为材料的弹性模量；c为声速。

(4)

式中：Δrn+1/2=ρn+1/2αn+1/2Δxn+1/2；Δxn+1/2=xn+1-xn；xn为离散后网格点的位置。

在确定计算时间步长和网格数量时，满足下列关系：

LP=cPnPΔt

(5)

LJ=cJnJΔt

(6)

式中：Δt为时间步长；LP为管体长度；LJ为接头长度；cP为管体中的声速；cJ为接头中的声速；nP为管体划分的网格数量；nJ为接头划分的网格数量。管体与接头的材质相同，因此cP=cJ，可统一记为c。

2.2.2 模型计算结果

计算时，在激励端施加单位载荷，求取接收端的时域响应(位移)，进而对时域响应进行频谱分析求得频域响应，以2-7/8in加厚油管(壁厚5.51 mm)为例，该油管的频域响应曲线如图3、图4所示。

图3 2-7/8in加厚油管(壁厚5.51 mm)时域响应曲线

图4 2-7/8in加厚油管(壁厚5.51 mm)幅频曲线

分别对各不同壁厚的油管时序响应曲线和幅频曲线进行拟合计算[6-7，16]，作为选择频带范围的依据，如图5所示，计算不同壁厚2-7/8in加厚油管在3 000 Hz以内的通频带，将各幅频曲线拟合。由图5中可以看出，2-7/8in不同壁厚加厚油管柱的频谱曲线大致相同，其前4个甚至第5个通频带基本重合，其中心频率分别为130、389、649、912、1 175 Hz。

图5 2-7/8in加厚油管柱3 kHz以内频谱特性曲线

注水井常用油管的计算结果如表2所示。由表2中可以看出，油管类型尽管尺寸有所差异，但是由于差异较小，因此其在低频段的通频带差异不大，通带宽度基本在250 Hz左右。第1通带中心频率为129～130 Hz；第2通带中心频率为388～393 Hz；第3通带中心频率为648～655 Hz；第4通带中心频率为906～918 Hz；第5通带中心频率为1 164～1 179 Hz。前3个通带中心频率的差异都在10 Hz以内；第4、5通带也没有超过15 Hz。

表2 5种类型油管柱通频带中心频率

3 信号传输频率计算结果筛选

中国石油勘探开发研究院进行过100 m油管串的传输特性实验，实验过程中，以信号猛击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，得出了油管串振动信号传输特性，从模拟结果得出油管串在140、400、670 Hz左右时具有较好的传输效果[4-5，13]，该实验模拟了低频段频率下的振动信号传输，低频段频率范围内的通带频率与表2中的计算结果较接近，验证了该计算结果的准确性。

而油田注水井井况及工况条件对于声波信号传输频率主要有以下两方面影响：一是井下空间尺寸有限，限制了井下声波发射功率的提高；二是井下注水环境存在低频噪声干扰，影响有效频段声波信号的接收和处理[6]。低频段(500 Hz以下)易受井下噪声干扰，如果采用低频，要获得大的信噪比就需要高的发射功率，但由于井下空间所限难以安放大功率设备，建议选择有效通道内的高频段频率，故建议注水井管注声波信号传输频率选择第5通带中心频率1 164～1 179 Hz。

4 结论

(1)建立了注水井常用油管的声波信号传输模型，并完成了模拟计算。尽管油管类型尺寸有所差异，但在小于3 000 Hz频段的通频带差异不大，油管尺寸不影响信道的主要信号传输频带结构。

(2)结合油管串的传输特性实验数据，与本次模拟计算结果较为接近，模拟计算结果可以作为传输信号频率筛选的依据，考虑到低频段(500 Hz以下)易受井下噪声干扰，故建议声波信号传输无缆智能注水井的声波传输频率设置为1 164～1 179 Hz较为合适。