高速率连续波泥浆脉冲解码试验管线仿真分析

摘要：随着国内深井、超深井钻探需求增加，连续波泥浆脉冲技术正向远距离、高速率方向发展。中海油服自主搭建了地面6 000 m泥浆循环试验系统，由于测试仪器上游采用50.8 mm软管，管线压耗大且变径反射干扰严重，远距离高速率解码试验研究受限。针对此问题，基于试验系统建立了简化脉冲器-管线数值模型，研究50.8 mm软管对连续波信号的影响规律，并通过解码试验验证。研究结果表明：测试仪器上游50.8 mm软管与循环管线存在扩径，产生的反射波与发生波叠加导致波形畸变，且随着频率升高，发生波畸变越严重。50.8 mm软管内径小，管线沿程摩阻压降大，压力波的传输衰减程度高于等长的地下直管。50.8 mm软管换成101.6 mm软管，消除变径反射和降低沿程摩阻压降后，低频压力波波形改善，传输后幅值提高75%以上，有效降低了解码误码率。地面6 000 m管线解码试验传输速率从6 bps提高至8 bps，验证了数值仿真分析结果。

关键词：深井；连续波泥浆脉冲；传输速率；2FSK；压力波畸变；数值仿真

中图分类号：TE926" " " " "文献标志码：A" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.05.002

Simulation and Analysis of High-rate Continuous Wave Mud Pulse Decoding Experimental Pipeline

ZHANG Lang1， WANG Zhiming1， HAN hu2， TIAN Bohui1

（1.Welltech of China Oilfield Services Limited，Bejing 101149，China；

2.School of Petroleum Engineering，Yangtze University，Wuhan 430100，China）

Abstract：In response to the growing demand for drilling deep and ultra-deep wells in China， continuous wave mud pulse technology is evolving in the direction of long distance and high speed. COSL has constructed a mud circulation experimental system with a depth of 6 000 meters above ground. However， using a 50.8 mm hose upstream of the test instrument results in significant pipeline pressure loss and severe reflection interference due to diameter reduction. Consequently， the long-distance high-rate decoding experimental research is restricted. A simplified tool， namely a pipeline numerical model， has been established based on the experimental system to address this issue. This model has been employed to study the influence of the 50.8 mm hose on continuous wave signals and to verify the findings through decoding experiments. The results indicate that there is an enlargement of the 50.8 mm hose and circulating pipeline upstream of the test instrument， which results in waveform distortion due to the superposition of reflected waves and generated waves. The generated wave distortion becomes more pronounced with an increase in frequency. The inner diameter of the 50.8 mm hose is relatively small， the friction pressure drop along the pipeline is considerable， and the attenuation degree of pressure wave transmission is greater than that of an equal-length underground straight pipe. Following the replacement of the 50.8 mm hose with a 101.6 mm hose， the phenomenon of reducing reflection is eliminated， the friction pressure drop is reduced along the way， the low-frequency pressure wave shape is improved， the amplitude after transmission is increased by more than 75%， and the decoding bit error rate is effectively reduced. Finally， the experimental transmission rate of pipeline decoding at a height of 6 000 meters above ground was increased from 6bps to 8bps， which corroborates the findings of the numerical simulation.superposition of reflected waves and generated waves. The generated wave distortion becomes more pronounced with an increase in frequency. The inner diameter of the 50.8 mm hose is relatively small， the friction pressure drop along the pipeline is considerable， and the attenuation degree of pressure wave transmission is greater than that of an equal-length underground straight pipe. Following the replacement of the 50.8 mm hose with a 101.6 mm hose， the phenomenon of reducing reflection is eliminated， the friction pressure drop is reduced along the way， the low-frequency pressure wave shape is improved， the amplitude after transmission is increased by more than 75%， and the decoding bit error rate is effectively reduced. Finally， the experimental transmission rate of pipeline decoding at a height of 6 000 meters above ground was increased from 6 bps to 8 bps， which corroborates the findings of the numerical simulation.

Key words： deep well；continuous wave mud pulse；transmission rate；2FSK；pressure wave distortion；numerical simulation

随着油气资源的不断开采，剩余油气资源的钻探难度增大，深部油气资源也逐渐成为勘探开发的重点［1-2］。由于深井、超深井钻探中井下复杂情况增多［3-4］，需要及时进行井下数据上传，其中常用的井下无线数据传输方式为连续波泥浆脉冲技术［5-9］。但国内的连续波泥浆脉冲工具使用效果较差，主要表现为信号在深井中的传输速率低。

目前，国内中海油服研制的连续波脉冲器已经实现4 000 m井深12 bps的商用［10-13］，正进行深井的高速率传输研究，为此，中海油服研究院自主搭建了6 000 m水循环实验系统［14-18］。试验系统搭建过程中，测试仪器需要与室外循环管线连接，由于50.8 mm软管线重小、弹性大，方便移动和管线连接，便采用50.8 mm软管进行仪器与管线连接。但50.8 mm软管与室外循环管线存在变径，产生的反射波对信号的干扰严重，制约了连续波脉冲器的远距离高速率传输试验研究。因此，本文针对目前泥浆循环测试系统中50.8 mm软管的连接问题，建立了简化脉冲器-试验管线数值仿真模型，研究50.8 mm软管变径反射叠加规律，并通过试验验证，从而为远距离高速率试验提供理论指导。

1 循环管线数值仿真模型

1.1 泥浆循环测试系统组成

图1为中海油服6 000 m泥浆循环测试系统［19-20］，主要包括泥浆泵、循环管线、试验台架等试验系统与设施，可以满足远距离高速率泥浆脉冲器试验的需要。测试仪器上游采用50.8 mm软管与室内101.6 mm硬管连接。解码试验过程中，常用的调制方式为二进制频移键控调制（2FSK），工作频率范围为0～36 Hz。

1.2 数值仿真模型建立

对试验系统进行分析，测试仪器上游软管内径为50.8 mm，小于硬管直径100 mm，且长度为25.1 m，与工作频率下的波长相近，因此需要研究50.8 mm软管对压力波发生与传输衰减的影响规律。考虑到数值仿真的计算效率，将上游6 000 m管线简化为1 500 m直管，仅保留测试仪器的近端上下游管线特征，同时为了对比分析50.8 mm软管的影响，将上游50.8 mm软管换成101.6 mm软管，建立了对比模型，两种管线的数值仿真模型如图2所示。

测试仪器的流道抽取复杂，结构网格划分难度大。如图3所示，对于定、转子，采用Fluent meshing进行网格划分，并对间隙等区域进行局部加密，网格为蜂窝型多面体网格，其贴壁性相较于六面体网格更好，同时内部网格采用马赛克网格技术，减少网格量［14，21-22］。

由于1 500 m管线网格量巨大，上、下游管线采用稀疏方式，进行结构网格划分，但又需要考虑到不同频率下网格分辨率不影响压力波的捕捉和计算，因此需要进行网格无关性分析，径向网格数取30，周向网格数取60，轴向网格步长（一个网格单元的轴向长度）取1.5、1.0、0.75、0.5 m，即以管线总网格量为180、270、360、540 万个，进行了4组不同的仿真实验。

提取定、转子上下各1 m位置的压力波（上游为正）数据，即x=±1 m，如图4所示。随着网格步长从Δx=1.5 m减小至Δx=0.5 m，其上、下游各个周期下压力波形趋于稳定，不再发生幅值波动，说明网格分辨率足够。另外，此次数值仿真实验中网格步长为Δx=0.75 m和Δx=0.5 m时压力波形均稳定下来，满足网格无关性，考虑到网格计算量，后续仿真采用Δx=0.75 m的网格进行计算。

数值仿真参数：间隙1.1 mm，排量1.4 m3/min，清水密度998 kg/m3，工作频率6、8、12、16 Hz。2FSK方式下6 bps传输速率采用6 Hz与12 Hz的频率组合，8 bps传输速率采用8 Hz与16 Hz的频率组合，定子与转子间隙、排量和试验参数保持一致。

1.3 边界条件及初始条件

采用Ansys Fluent软件进行各频率压力波仿真研究，转子旋转时间隙及转子处流动特征复杂，而RNG k～？着模型湍流涡捕捉较好，所以采用此模型。忽略温度变化，压力波发生与反射过程满足流体连续性方程、动量方程以及流体状态方程，具体方程见文献［21-23］。试验中入口采用泥浆泵定排量泵入清水，因此采用质量入口；同时，管线出口直接排入地下循环水池，出口设置为压力出口，压力为大气压。

在数值仿真转子启动前，需要建立一个稳定的压力初场条件，有助于计算收敛。初场计算时，转子处于全开状态。图5a为试验一（50.8 mm软管）初场计算收敛后的压力分布曲线，x=0位置为脉冲器间隙位置，曲线后半段为上游1 500 m直管压降？驻p1=1.6 MPa，x=±30 m为测试仪器以及近端上下游软管的长度，局部放大可看出上游50.8 mm的25.1 m软管压降？驻p2=1.0 MPa，此压降主要由于变径局部压降和沿程摩阻压降组成，相比于管线长度其压降很大，严重影响压力波的传输。最后是测试仪器的压降？驻p3=0.7 MPa，主要是由于定子、转子间小过流面积和仪器内部变径面产生的压力损耗。从图5b试验二（101.6 mm软管）可以看出上游50.8 mm软管换成101.6 mm软管后，软管压降降低为？驻p2=0.03 MPa。

建立稳定压力初场后，进行转子旋转瞬态流场仿真计算。计算时，入口和出口边界条件不变，但转子采用滑移模型，给定相应的旋转角度来实现转子旋转。其旋转角速度需要编译UDF程序，旋转角速度方程为：

棕=sin（2πft）" " "（1）

式中：ω为转子摆动速度，rad/s；f为转子摆动频率，Hz；t为转子摆动时间，s。

算例中设置四处压力监测点：一处测点x=2 m为仪器上游入口位置，此压力测点位于软管中，用于监测原始压力波幅值及波形情况；一处测点x=24 m为上游软管入口位置，此压力测点也位于软管中，用于监测压力波在软管中的传输衰减情况；一处测点x=30 m位于地下直管中，用于监测压力波过软管变径后的衰减情况；最后一处测点x=360 m用于监测不同频率的压力波在直管中的传输衰减情况。

2 仿真结果分析

2.1 上游50.8 mm软管管线仿真结果分析

2FSK调制方式下传输速率6 bps采用压力波6 Hz与12 Hz组合，8 bps采用压力波8 Hz与16 Hz组合。基于试验一管线（上游50.8 mm软管）模型仿真结果，提取各个测点各个频率下的压力波时域数据，绘图时为了使各频率压力波曲线不重叠干扰，进行了y轴数值偏移，偏移量由压力波幅值决定，如图6所示。由图6可看出，x=2 m处的4个频率下原始发生波曲线均发生了波形畸变，频率越高，波形畸变越明显，这主要是脉冲器上游50.8 mm软管变径反射以及下游出口边界反射叠加导致。随着压力波的频率升高，波长逐渐减小，其与软管长度比例逐渐减小，反射叠加相位改变，波形畸变更明显。

同时，压力波在50.8 mm软管中传输衰减后，x=24 m处压力波幅值降低，而且由于靠近变径，变径反射造成的波形畸变更严重。x=30 m处波形基本与x=24 m一致，保持畸变的波形，但压力波幅值进一步降低，这主要是变径局部压降以及过流面积改变导致。最后直管内传输360 m后，x=360 m处压力波波形逐渐改善，其中畸变部分逐渐衰减消失，这是由于波形畸变的高频谐波分量衰减快于低频波，因此12 Hz和16 Hz的剩余幅值明显低于6 Hz与8 Hz。

计算各个测点下不同频率压力波的幅值，并计算了各个测点之间的压力波幅值衰减程度（衰减率定义为衰减幅值与发生波幅值百分比），如图7所示。首先，发生端x=2 m的6、8、12 Hz幅值在1.96～2.0 MPa左右，而16 Hz幅值仅有1.26 MPa，说明了高频压力波初始幅值便受到了变径和边界反射干扰。之后，在50.8 mm软管内传输24 m后，x=24 m处的6 Hz与8 Hz压力波衰减率在50%左右；而12 Hz和16 Hz压力波波长短，反射叠加效应强，在软管内传输过程中会局部出现反射波幅值叠加状态，因此其衰减率在35%左右。

过上游50.8 mm软管后，x=30 m处由于缩径的局部压降以及过流面积增大，压力波幅值再一次发生衰减，且衰减程度随着频率升高而升高，50.8 mm软管导致的总衰减达到了70%左右。随后各频率压力波传输360 m后，压力波幅值衰减主要是由于管道沿程摩阻导致，其衰减率远小于50.8 mm软管内传输以及变径导致的衰减，这也表明上游50.8 mm软管严重干扰了信号的正常传输，会增加信号的解码误码率。

2.2 上游101.6 mm软管管线仿真结果分析

由于101.6 mm软管内径与地下直管内径相同，消除了上游50.8 mm软管的局部变径反射和较大的摩阻压降。基于试验二管线（上游101.6 mm软管）模型仿真结果，进行y轴数值偏移后绘制各测点压力波时域图，如图8所示。50.8 mm软管替换成4处软管后，x=2 m处的6 Hz与8 Hz压力波波形没有明显畸变，但12 Hz与16 Hz的波形明显受到反射波叠加产生畸变，这是由于脉冲器下游连接了几十米的硬管，压力波传输至出口时会发生边界反射，高频波的波长与管线长度相当，反射波与发生波有相位差，从而导致波形畸变。由于上游50.8 mm软管换成101.6 mm软管后，软管内径与地下直管内径一致，其单位

长度沿程摩阻压降一样，没有缩径反射引起的波形及幅值变化，因此仅需监测过101.6 mm软管后的压力波形。x=30 m处的波形与x=2 m处的波形基本保持一致，没有50.8 mm软管变径导致的波形再次畸变，但由于各频率压力波中含有高频谐波，且幅值高，因此衰减也更快。随着传输距离的增加，高频谐波逐渐衰减消失，压力波形逐渐正弦化，幅值降低，其衰减率也会降低，如x=360 m处的波形所示。

同样的，计算各个测点下不同频率压力波的幅值，并计算了各个测点之间的压力波幅值衰减程度，如图9所示。首先可以明显看出，x=2 m处各个频率下的压力波幅值均低于试验一，这似乎说明上游换成101.6 mm软管后信号发生幅值大幅降低了，信号会变差。但根据经典水击波公式：？驻p=ρc？驻ν可知压力波与过流速度呈正比［24］，即与过流面积呈反比，过流面积越小，压力波幅值越大。由于上游50.8 mm软管内径小于101.6 mm软管内径，其x=2 m处测得的压力波幅值会比较大，但当压力波过50.8 mm软管进入直管后，幅值会迅速降低，因此不能以50.8 mm软管内的幅值来衡量压力波的质量。从图9a可以看出，随着

频率的增加，其衰减率也逐渐上升，且压力波传输完360 m的总衰减率在13%-50%之间，各个频率传输360 m后的幅值与试验一对比如表1。

从表1可以看出，将50.8 mm软管替换成101.6 mm软管后，消除了高沿程摩阻压降和变径反射干扰后，各频率压力波衰减后幅值均有所提高，其中6 Hz与8 Hz显著提高了82%与77%，这表明了50.8 mm软管严重影响了信号的发生与传输，不利于试验解码。同时，替换成101.6 mm软管后，高频信号依然会受到边界反射干扰，幅值偏小，但在2FSK的调制方式下，低频与高频信号组合调制，通过保证低频信号的幅值与波形，解码时可将2FSK调制转换成OOK调制进行解调，从而实现高速率的传输解码。

3 FSK解码试验验证

中海油服在2022-04—06分别进行了两次泥浆循环解码试验，第一次采用试验一管线，仪器上游连接50.8 mm软管，第二次试验将50.8 mm软管替换成101.6 mm软管。第一次试验中海油服完成了2FSK方式下6 bps的传输解码，第二次试验中海油服完成了2FSK方式下8 bps清水解码试验，解码成功率可达90%～95%。两次试验结果验证了50.8 mm软管与101.6 mm软管的仿真分析结论，为下一步的远距离高速率传输解码试验提供了理论指导。

4 结论

本文针对中海油服6 000 m泥浆循环系统中50.8 mm软管连接反射干扰问题，建立了脉冲器与管线的数值仿真模型，研究了50.8 mm软管与101.6 mm软管中各频率压力波的发生与传输情况，研究结论如下：

1） 测试仪器上游25.1 m的50.8 mm软管与循环管线存在扩径，产生的反射波与发生波叠加导致波形畸变，且随着频率升高，发生波畸变越严重。

2） 50.8 mm软管内径小，管线沿程摩阻压降大，压力波的传输衰减程度高于等长的地下直管。

3） 压力波从50.8 mm软管进入地下直管内，存在扩径产生局部压力损失，同时过流面积增大，导致压力波幅值减小。

4） 50.8 mm软管换成101.6 mm硬管消除变径反射和降低沿程摩阻压降后，低频压力波波形改善，传输后幅值提高75%以上，有效降低了解码误码率，有利于实现远距离高速率信号传输目标。

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基金项目： 国家重点研发计划“大直径旋转导向钻井系统研制与应用示范”（SQ2017YFSF010105）。

作者简介： 张 良（1980-），男，山东恒台人，工程师，现从事随钻仪器推广技术工作，E-mail： zhangliang20@cosl.com.cn。

收稿日期： 2024-02-20