耿艷峰, 賈夢(mèng)之, 鄭 重, 閆宏亮,2, 岳耀賓,3, 李 芳

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)控制科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.西安石油大學(xué)陜西省鉆機(jī)控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710065; 3.青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院,山東青島 266042)

近十多年來(lái),鉆井工程技術(shù)進(jìn)步主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是隨鉆測(cè)量技術(shù)由單純的井眼軌跡參數(shù)測(cè)量逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛删圮壽E參數(shù)、鉆井工程參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)等組成的隨鉆綜合測(cè)量;二是鉆井技術(shù)由以“開(kāi)環(huán)控制”為特征的“幾何導(dǎo)向”向以“閉環(huán)控制”為特征的“地質(zhì)導(dǎo)向”轉(zhuǎn)變。需要在鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)的井下數(shù)據(jù)越來(lái)越多,但隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)卻一直停滯不前,已經(jīng)成為制約鉆井工程技術(shù)發(fā)展的瓶頸[1]。隨鉆數(shù)據(jù)的高速傳輸不僅有助于及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)油氣儲(chǔ)集層,從而最大限度地保證鉆頭在油氣層中穿行,提高油氣采收率;而且能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種井下異常工況,保證鉆井過(guò)程安全,甚至實(shí)現(xiàn)“透明鉆井”的夢(mèng)想。隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸技術(shù)既是實(shí)現(xiàn)鉆井過(guò)程智能化的必要條件,又是深海、深地資源勘探開(kāi)發(fā)的支撐技術(shù),已經(jīng)成為鉆井工程、科學(xué)鉆探等領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題[2-3]。筆者首次提出利用水聲通信原理解決隨鉆數(shù)據(jù)傳輸難題的設(shè)想,對(duì)水聲通信原理應(yīng)用于隨鉆數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的信源合成、信道建模以及信宿檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析與討論。

1 隨鉆數(shù)據(jù)傳輸原理

隨鉆數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是一個(gè)典型的通信系統(tǒng),由信源、信道、信宿3部分組成。在鉆井過(guò)程中,位于井下的信源通過(guò)多種方式對(duì)井下儀器的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制,經(jīng)不同信道傳輸?shù)轿挥诘孛娴男潘?經(jīng)解調(diào)解碼過(guò)程實(shí)現(xiàn)隨鉆數(shù)據(jù)傳輸。按照信道不同,現(xiàn)有隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)分為有線傳輸與無(wú)線傳輸兩大類(lèi)。

有線傳輸技術(shù)包括電纜、光纖和智能鉆桿3種,具有速度快,距離遠(yuǎn),傳輸信息量大等優(yōu)點(diǎn)。由于常規(guī)鉆井的井深可達(dá)數(shù)千米,高壓、大流量的鉆井液,從地面系統(tǒng)進(jìn)入強(qiáng)振動(dòng)并且旋轉(zhuǎn)的鉆桿后向下流動(dòng),穿過(guò)鉆頭、達(dá)到井底,攜帶著井底鉆屑從鉆桿與井壁的環(huán)空中返回地面系統(tǒng),濾除固相雜質(zhì)后,鉆井液循環(huán)使用。由此產(chǎn)生的大深度、大流量、高壓和強(qiáng)振動(dòng)等異常惡劣的鉆井環(huán)境導(dǎo)致有線傳輸方式可靠性差,故障檢修極其困難,實(shí)用性差且成本高。

無(wú)線傳輸技術(shù)更適合隨鉆應(yīng)用,因?yàn)殂@頭不停地向遠(yuǎn)處延伸。鉆井系統(tǒng)包括地面井架、從地面到井底的鉆桿、鉆頭以及循環(huán)流動(dòng)的鉆井液等部分。以鉆頭為界,鉆井液在井下被分為兩部分:由地面流向鉆頭處位于鉆桿內(nèi)的部分,稱(chēng)為桿內(nèi)鉆井液;由鉆頭處流向地面的位于環(huán)空中的部分,稱(chēng)為環(huán)空鉆井液?？傮w上,前者較為干凈;后者由于被鉆屑與地層產(chǎn)出物污染,成分非常復(fù)雜,是一種氣液固混合的多相流,通常被稱(chēng)為鉆井液。由此可見(jiàn):能夠用于隨鉆數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線信道包括鋼制鉆桿、桿內(nèi)鉆井液、環(huán)空鉆井液和大地4種。其中環(huán)空鉆井液由于成分復(fù)雜,不適合無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。因此除特別說(shuō)明外,本文中的鉆井液信道均指鉆桿內(nèi)的鉆井液。

2 無(wú)線隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)分析

2.1 現(xiàn)有無(wú)線隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

現(xiàn)有無(wú)線隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有鉆井液脈沖、電磁波與鉆桿聲波,分別利用了鉆井液、大地和鉆桿3種信道。其中鉆井液脈沖技術(shù)應(yīng)用最為普遍,電磁波次之,鉆桿聲波仍然處于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與部分應(yīng)用階段。

2.1.1 鉆井液脈沖隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

通過(guò)控制脈沖發(fā)生器的運(yùn)動(dòng)部件對(duì)鉆井液產(chǎn)生節(jié)流作用,進(jìn)而生成不同頻率與幅度的水力脈沖,實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)調(diào)制,由地面信宿完成壓力脈沖信號(hào)的檢測(cè)、解調(diào)與解碼功能。鉆井液脈沖器分為正脈沖、負(fù)脈沖和連續(xù)波脈沖3種,其中負(fù)脈沖發(fā)生器對(duì)井壁的沖刷作用較大,已經(jīng)淘汰。國(guó)內(nèi)的現(xiàn)役產(chǎn)品是正脈沖發(fā)生器,國(guó)外是正脈沖發(fā)生器和連續(xù)波脈沖器共用。由于機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)生的脈沖頻率受到一定限制,信號(hào)傳輸速率相對(duì)較低,正脈沖發(fā)生器一般小于2 bit/s,連續(xù)波脈沖器為1～10 bit/s。目前國(guó)內(nèi)研究重點(diǎn)是連續(xù)波脈沖器研制[4-6],國(guó)外已經(jīng)轉(zhuǎn)向連續(xù)波脈沖器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、信號(hào)增強(qiáng)、高效簡(jiǎn)潔的數(shù)據(jù)調(diào)制等[7-11]。三大國(guó)際著名的油氣技術(shù)服務(wù)公司均擁有各自的連續(xù)波脈沖器,國(guó)內(nèi)北京海藍(lán)、普利門(mén)、中天啟明等公司都成功地開(kāi)發(fā)出正脈沖發(fā)生器。

2.1.2 電磁波隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

電磁波從井下發(fā)射源向周?chē)鸁o(wú)限空間(大地)輻射,由固定在地表的天線探頭接收井下發(fā)射的電磁波,實(shí)現(xiàn)隨鉆數(shù)據(jù)傳輸。地面和井下天線均為收發(fā)兩用天線,可以實(shí)現(xiàn)雙向通信。盡管電磁波通信在空氣與真空中取得了巨大的成功,但受制于地層電阻(主要受地層含水率影響)對(duì)電磁波的衰減,只有低頻電磁波能夠應(yīng)用于有限井深、特定區(qū)塊與鉆井工藝的隨鉆測(cè)量[12-13]。如美國(guó)APS公司使用2～12 Hz的電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,傳輸速率可以達(dá)到12 bit/s,應(yīng)用于氣體鉆井、泡沫鉆井以及欠平衡鉆井過(guò)程。國(guó)內(nèi)外目前的研究重點(diǎn)是信道特性、電磁波中繼與信號(hào)處理技術(shù)等[13～15]。三大油服公司均擁有各自的產(chǎn)品,俄羅斯的電磁波隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先地位,國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究尚未產(chǎn)業(yè)化。

2.1.3 鉆桿聲波隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

位于井下的聲波換能器通過(guò)壓電晶體或者磁致伸縮元件在鉆桿中激發(fā)聲波,該聲波沿鉆桿由井下向地面?zhèn)鞑?位于地面立管上的加速度傳感器檢測(cè)該信號(hào),然后進(jìn)行解調(diào)解碼,獲得井下數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)外目前的研究重點(diǎn)是地面信號(hào)處理方法、信道特性、信號(hào)中繼、換能器等。鉆桿聲波技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)都很明顯,鉆桿信道既不依賴(lài)于鉆井液,也不依賴(lài)于地層,而且聲波在鉆桿中衰減較小,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 bit/s。但是鉆桿是由6～13 m長(zhǎng)的中空鋼管通過(guò)螺紋連接而成的,長(zhǎng)度達(dá)到數(shù)千米。聲波信號(hào)在鉆桿接頭處衰減嚴(yán)重、甚至發(fā)生波形畸變與波形轉(zhuǎn)換,需要間隔600～1 000 m加裝一個(gè)中繼放大器來(lái)維持信號(hào)幅度,實(shí)際應(yīng)用困難。

綜上所述,現(xiàn)有無(wú)線隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)尚難以滿足鉆井工程技術(shù)需求。其中鉆井液脈沖器獲得了廣泛應(yīng)用,但數(shù)據(jù)傳輸速率太低;電磁波技術(shù)的應(yīng)用條件受限;鉆桿聲波技術(shù)取得了初步成功,但遇到了鉆桿接頭處聲波衰減與畸變難題。截至目前,尚未開(kāi)發(fā)出一種理想的隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),既具有較高的傳輸速率,又能適用于各種鉆井工藝,這嚴(yán)重制約了鉆井過(guò)程自動(dòng)化與智能化水平的提升。

2.2 一種新的隨鉆數(shù)據(jù)傳輸方案

基于現(xiàn)有隨鉆數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題,提出利用水聲通信原理解決隨鉆數(shù)據(jù)高速傳輸問(wèn)題的思想。

首先解決通信速率問(wèn)題,廣泛應(yīng)用的鉆井液脈沖數(shù)據(jù)傳輸速率為0.2～10 bit/s,常規(guī)油氣鉆井不超過(guò)10 km,2009年水聲通信在10 km范圍內(nèi)已達(dá)到1 200 bit/s[16],是隨鉆數(shù)據(jù)傳輸?shù)?20～6 000倍。因此利用水聲通信技術(shù)解決隨鉆數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題,有望使隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)取得突破性進(jìn)展,滿足當(dāng)下以至未來(lái)的鉆井工程技術(shù)需求。

其次解決信道的選擇問(wèn)題,桿內(nèi)鉆井液是最佳的無(wú)線隨鉆信道。與環(huán)空鉆井液信道相比,該信道相對(duì)干凈,不含地層產(chǎn)出物與鉆屑,水聲信號(hào)吸收與散射衰減小,有利于水聲信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。與鉆桿信道相比,該信道連續(xù),不存在鉆桿接頭處信號(hào)的衰減與畸變,有利于提高傳輸距離。與大地信道相比,該信道介質(zhì)物性參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定,與地質(zhì)區(qū)塊、地層導(dǎo)電特性等無(wú)關(guān),因此該技術(shù)的適用范圍更廣。

最后解決通信系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題,井下儀器的可靠性是非常重要的性能指標(biāo),因?yàn)橐坏┌l(fā)生故障,需要將數(shù)千米的鉆桿從井眼中抽出才能對(duì)儀器進(jìn)行維修,嚴(yán)重影響鉆井作業(yè)進(jìn)程。與鉆井液脈沖器相比,水聲信源無(wú)機(jī)械可動(dòng)部件,具有功率小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

鉆井工程中,只要隨鉆數(shù)據(jù)的傳輸速率達(dá)到10 bit/s,即可基本滿足隨鉆成像測(cè)井的通信需求,從而為地層識(shí)別、導(dǎo)向決策等工作提供可靠依據(jù),大幅度提高油氣勘探開(kāi)發(fā)的效率與水平。

3 基于水聲通信原理的隨鉆數(shù)據(jù)傳輸

3.1 隨鉆信道建模

隨鉆信道可以簡(jiǎn)化成一維有限長(zhǎng)、均勻、等截面波導(dǎo)。由聲學(xué)理論可知,用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐肼曉词瞧矫婵v波,因?yàn)槠矫婵v波在細(xì)長(zhǎng)管道中傳播時(shí)只存在由于管壁非剛性導(dǎo)致的沿程衰減、鉆井液吸收與散射衰減,不存在擴(kuò)散衰減,有利于信號(hào)遠(yuǎn)傳。與鉆井液水聲信道相關(guān)的3個(gè)邊界條件是:地面空氣包的聲波吸收與反射、井底鉆頭處的聲波反射與透射、鉆桿管壁彈性模量的影響。

3.1.1 理想流體一維小振幅波方程

水聲通信利用的是振幅遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的小振幅波,忽略鉆井液黏度與密度的影響,略去流體微元運(yùn)動(dòng)方程中二階以上的微量,對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化[16],簡(jiǎn)化過(guò)程為

(1)

其中

ρ=ρ0+ρ′.

式中,ρ為聲壓作用后的流體密度;ρ0為流體的初始密度;ρ′為由聲壓p作用引起的流體密度增量。簡(jiǎn)化過(guò)程中利用ρdv/dt=ρ(?v/?t+v?v/?x)≈ρ0?v/?t,忽略了非線性項(xiàng)v?v/?x的影響。

同理對(duì)于連續(xù)性方程進(jìn)行簡(jiǎn)化可以得到

(2)

根據(jù)聲壓定義,由一般液體的物態(tài)方程可以得到

(3)

式中,c0為初始溫度與壓力條件下的流體聲速。

以上3個(gè)方程中,箭頭右邊的部分構(gòu)成理想流體一維小振幅波的線性波動(dòng)方程組,消去p、v、ρ′中的任意兩個(gè),即可得到波動(dòng)方程的不同形式。

如消去ρ′,可以得到

(4)

式(4)表示小振幅波的聲壓與傳輸距離、時(shí)間之間的關(guān)系,是隨鉆水聲信道的建?；A(chǔ)。

3.1.2 隨鉆水聲信道建模

鉆桿是由長(zhǎng)度為6～13 m、內(nèi)徑(2a)為46.1～121.4 mm、壁厚約為10 mm的中空鋼管用螺紋連接而成,總長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)千米,可以等效為細(xì)長(zhǎng)管進(jìn)行分析。細(xì)長(zhǎng)管中高次波衰減很快,隨鉆水聲信號(hào)的頻率應(yīng)低于沿鉆桿軸向傳播的主波頻率,因此設(shè)計(jì)的水聲信源頻率必須低于由最大鉆桿內(nèi)徑確定的截止頻率[17]。

圓柱形管中聲波主波截止頻率f的計(jì)算公式為

(5)

其中聲速取25°水中的聲速c0=1 500 m/s,鉆桿內(nèi)徑2a=46.1～121.4 mm,由此換算得到的聲波截止頻率f=7.24～19.07 kHz。如果能夠使聲源實(shí)現(xiàn)軸對(duì)稱(chēng)振動(dòng),截止頻率還可以提高1倍。

隨鉆水聲信道將聲波輻射約束在鉆桿內(nèi)部,鉆桿形狀、尺寸和管壁材料等因素都會(huì)對(duì)聲波傳輸產(chǎn)生影響。實(shí)際的隨鉆信道是具有如下特征的三維波導(dǎo):有限長(zhǎng)(數(shù)千米)、變截面(同一段鉆桿內(nèi)徑相同、不同內(nèi)徑鉆桿串聯(lián)而成的突變截面、不同井下儀器形成的連續(xù)變化截面)、變曲率(不同的井身結(jié)構(gòu)會(huì)有5°～10°/30 m的曲率變化)、變長(zhǎng)度(鉆井過(guò)程中井深隨時(shí)間增加)、變黏度(鉆井液黏度隨井深與溫度等參數(shù)在1～40 mPa·s之間變化)等,因此需要在熟悉隨鉆水聲信道截面變化、彎曲等形狀特征引起的聲場(chǎng)變化規(guī)律基礎(chǔ)上進(jìn)行分段建模。

鉆井液波導(dǎo)的密度、黏度、長(zhǎng)度等特征參數(shù)隨鉆井時(shí)間、實(shí)際進(jìn)尺等參數(shù)發(fā)生變化,只有建立隨鉆水聲信道的分段(適應(yīng)鉆桿結(jié)構(gòu)變化)、時(shí)變(鉆井深度隨時(shí)間變化)、分布式(鉆井液參數(shù)沿信道變化)模型,并結(jié)合隨鉆信道的3個(gè)邊界條件與信源特征,才能給出隨鉆信道的實(shí)時(shí)特征參數(shù),進(jìn)而指導(dǎo)隨鉆水聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行。

實(shí)際鉆井過(guò)程中,為了平衡地層壓力、減少井壁沖刷、增加鉆井液的懸浮能力等目的,在鉆井液中加入膨潤(rùn)土、高分子聚合物等添加劑,改變鉆井液的黏度、密度等參數(shù)。因此鉆井液是非理想流體,水聲信號(hào)傳播過(guò)程中由于鉆井液的黏性、熱傳導(dǎo)以及管壁摩擦等作用都會(huì)引起水聲信號(hào)的吸收與衰減,特別是隨著井深的增加,對(duì)信源強(qiáng)度的要求逐步增加,需要在理想運(yùn)動(dòng)方程式中考慮黏滯力、熱傳導(dǎo)等影響。

由于黏滯力的存在,需要在聲波運(yùn)動(dòng)方程中增加代表黏滯力的項(xiàng)。因黏滯力與速度梯度成正比,即黏滯力T=η?v/?x,其比例系數(shù)η又分為切邊黏滯系數(shù)和容變黏滯系數(shù)兩部分。需要結(jié)合鉆井液黏度變化特性,分析黏滯力的影響。

非線性聲學(xué)特性的影響,為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的水聲信號(hào)傳輸,需要加大水聲發(fā)射功率,此時(shí)式(1)簡(jiǎn)化過(guò)程中忽略的非線性項(xiàng)v?v/?x可能與方程中的其他項(xiàng)是同一個(gè)數(shù)量級(jí),從而不能忽略。同時(shí),由于非線性因素的作用,水聲信號(hào)將出現(xiàn)波形畸變、跳躍現(xiàn)象與分諧頻振動(dòng)等實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的問(wèn)題。

3.1.3 隨鉆水聲信道特性仿真

鉆井液的黏滯力是造成隨鉆水聲信號(hào)衰減的主要因素,聲波方程(4)的解是由正向傳播與反向傳播兩列波的疊加而成,在忽略井底反射波影響的情況下,僅考慮波的正向傳播,其通解為p(x)=Aej(wt-kx),由于黏滯力的影響,聲波幅值也呈現(xiàn)指數(shù)衰減,并且衰減系數(shù)與聲波頻率、鉆井液黏度、鉆桿半徑、聲速等參數(shù)有關(guān)。

假定鉆桿內(nèi)徑為100 mm,聲波頻率分別為2、8、16 kHz 3種,鉆桿長(zhǎng)度1500 m,鉆井液黏度20 mPa·s,鉆井液密度1 000 kg/m3,入射聲源壓力1 kPa且為理想的平面縱波。利用COMSOL軟件分別仿真了3種頻率的水聲信號(hào)在1 m長(zhǎng)的管道內(nèi)的聲壓分布和在深度1 500 m處的衰減結(jié)果如圖1所示。

按照式(5)計(jì)算,2 kHz與8 kHz的聲波頻率位于鉆桿截止頻率內(nèi),16 kHz超過(guò)了鉆桿的截止頻率。圖1(a)～(c)展示了3種頻率在聲壓發(fā)射后1m長(zhǎng)管道內(nèi)的等值面分布。由圖1可見(jiàn),2與8 kHz聲波保持了平面縱波的傳播特點(diǎn),16 kHz的聲波已經(jīng)發(fā)生了畸變,產(chǎn)生了管壁反射,破壞了平面縱波的傳播形式。圖1(d)顯示了3種頻率聲波沿鉆桿長(zhǎng)度的聲壓分布,聲壓呈指數(shù)衰減規(guī)律,且衰減系數(shù)與頻率相關(guān),該結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果差值小于10%,初步驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖1 隨鉆水聲信號(hào)的仿真結(jié)果Fig.1 Simulation results of acoustic signals while drilling

3.2 地面信宿檢測(cè)

現(xiàn)有傳感器可以檢測(cè)分辨率為-220 dB的聲壓信號(hào),新型的水聲換能器每伏轉(zhuǎn)換特性大于140 dB,頻率1 Hz～50 kHz的水聲信號(hào)的衰減系數(shù)約為10-4～10-2dB/m[17]。

按照上述參數(shù),相對(duì)保守地取水聲傳感器的分辨率為-210 dB,水聲信號(hào)衰減系數(shù)取10-4dB/m、水的黏度1 mPa·s進(jìn)行計(jì)算,水聲換能器可以檢測(cè)到2×10-15.5Pa的聲壓信號(hào),實(shí)現(xiàn)約500 km的水聲通信,這是目前水聲通信達(dá)到數(shù)百公里的理論依據(jù)與傳感器依托。

參照文獻(xiàn)[18]、[19]的理論,取信源強(qiáng)度為100 Pa、鉆井液黏度20 mPa·s、鉆桿內(nèi)徑60 mm、油基與水基兩種鉆井液,考慮高頻水聲信號(hào)衰減大,信源頻率為2、3 kHz,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),隨著鉆井深度的增加,鉆井液中的水聲信號(hào)衰減很大。不加中繼放大或者不對(duì)換能器采取措施的情況下,可以實(shí)現(xiàn)深度3 000 m以內(nèi)的隨鉆通信。

表1 不同鉆井液水聲信號(hào)的衰減結(jié)果Table 1 Attenuation results of acoustic signals for different drilling fluids Pa

需要說(shuō)明的是:鉆井過(guò)程的主要噪聲為鉆井液泵噪聲、井下鉆具與井壁巖石摩擦、碰撞等作用產(chǎn)生的機(jī)械噪聲,其頻率均小于2 kHz。選用的聲波頻率大于2 kHz,可以有效地避開(kāi)了鉆井過(guò)程噪聲,為地面微弱水聲信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理創(chuàng)造了良好的條件。

3.3 井下信源設(shè)計(jì)

為了提高傳輸距離,滿足鉆井工程技術(shù)需求,可以采取的措施有:①增大換能器的發(fā)射功率,但在換能器結(jié)構(gòu)、額定電壓、鉆井液物性等參數(shù)確定的情況下,單個(gè)換能器發(fā)射功率受限;②采用聲矢量技術(shù)或者相控陣技術(shù)合成井下聲源,通過(guò)多個(gè)換能器的協(xié)調(diào)控制達(dá)到所需發(fā)射功率;③盡可能生成理想聲波是平面縱波,減少擴(kuò)散衰減。

3.3.1 相控陣信源的合成原理

本文中提出利用相控陣技術(shù)合成平面縱波,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的:一是提高信源功率,保證傳輸距離;二是希望合成理想的平面縱波,甚至是軸對(duì)稱(chēng)的平面縱波,提高信源帶寬。

在鉆桿內(nèi)部設(shè)置水聲信號(hào)發(fā)射短接,設(shè)計(jì)該短接為圓柱形,并懸掛于鉆桿中心,鉆井液從該短接四周流過(guò)。考慮隨鉆信道具有細(xì)長(zhǎng)、徑向有尺寸限制、軸向基本無(wú)限制等特點(diǎn),聲波換能器的布置應(yīng)綜合考慮周向布置與軸向布置兩種方式,即沿水聲發(fā)射短接周向、軸向布置聲波換能器,進(jìn)而合成沿鉆井液軸向傳播的平面縱波[20]。

3.3.2 沿發(fā)射短接周向布置聲波換能器

為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),將N個(gè)聲波換能器布置在發(fā)射短接的同一橫截面上,見(jiàn)圖2。合成的水聲信號(hào)主軸與鉆桿軸向(z軸方向)夾角為θ,與x軸夾角為α,合成聲波的指向性函數(shù)為

(6)

式中,D為換能器之間的間距;λ為波長(zhǎng);當(dāng)θ=0、α=0時(shí),合成聲波的指向D(θ,α)為鉆桿軸向(z軸方向),即合成了沿鉆井液軸向傳播的平面縱波。

圖2 沿發(fā)射短接周向布置聲波換能器Fig.2 Arrangement acoustic transducers along circumference of transmitting sub

3.3.3 沿發(fā)射短接軸向布置聲波換能器

實(shí)際上,由于換能器尺寸與鉆桿內(nèi)徑的限制,圖2無(wú)法直接實(shí)現(xiàn),需要考慮沿發(fā)射短接軸向布置M個(gè)換能器。為此將聲波換能器布置在了一條直線上,見(jiàn)圖3。實(shí)際情況可以是圖2和圖3的結(jié)合,即聲波換能器同時(shí)沿發(fā)射短接軸向與周向變化。

設(shè)圖3中單個(gè)聲波換能器的輸出信號(hào)為

pi(t,z)=paexp[j(ωti-kz)].

(7)

式中,pi(t,z)為第i個(gè)聲波換能器的發(fā)射聲壓沿鉆桿軸向z、時(shí)間t的變化情況;ti為第i個(gè)聲波換能器的起振時(shí)刻;k為聲波波數(shù);ω為聲波頻率;pa為單個(gè)換能器的振幅。

圖3 沿發(fā)射短接軸向布置聲波換能器Fig.3 Arrangement acoustic transducers along the axis of transmitting sub

各個(gè)聲波換能器輸出信號(hào)幅值與頻率基本相同,不同之處僅在于起振時(shí)間ti和安裝位置。只要通過(guò)控制不同換能器的發(fā)射時(shí)間ti,即可使合成的聲波信號(hào)為單個(gè)聲波換能器發(fā)射信號(hào)的M倍,即滿足

(8)

式中，po(t,z)為合成的總的聲壓信號(hào),po(t,z)等于第一個(gè)聲波換能器輸出聲壓p1(t1,z)的M倍，即信源發(fā)射功率增強(qiáng)了?；谏鲜鲈?多個(gè)換能器通過(guò)相控陣技術(shù)或聲矢量技術(shù)合成了理想的平面縱波,并且使合成信源的頻率、相位等特征參數(shù)在一定范圍內(nèi)可控,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井下信號(hào)調(diào)制與耦合。通過(guò)優(yōu)化聲波換能器的布置方式和控制方式,在換能器數(shù)量有限、隨鉆信道約束等條件下,增強(qiáng)主波瓣功率、抑制旁瓣影響,提高信源功率與信號(hào)質(zhì)量。

4 其他相關(guān)問(wèn)題與解決方案

4.1 隨鉆通信與水聲通信比較

二者的相同之處包括:基本技術(shù)框架、高頻聲波衰減快、帶寬資源有限、水聲信號(hào)傳播過(guò)程中存在由于介質(zhì)黏滯、熱傳導(dǎo)以及其他弛豫過(guò)程引起的吸收損失;由介質(zhì)中氣泡、固體顆粒以及介質(zhì)的不均勻性造成的散射損失、微弱水聲信號(hào)檢測(cè)與處理等。

二者的不同之處在于:水聲通信噪聲復(fù)雜且未知因素多,既有潮汐、洋流、海面波浪等引起的海洋噪聲,又有交通航運(yùn)、工業(yè)鉆探等引起的技術(shù)噪聲;海洋信道存在明顯的多徑效應(yīng)、起伏效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、選擇性衰落等現(xiàn)象。隨鉆通信的干擾主要來(lái)自鉆井過(guò)程的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、摩擦、碰撞等,噪聲頻段相對(duì)窄;隨鉆信道無(wú)明顯的多徑效應(yīng)與選擇性衰落;盡管鉆井過(guò)程也存在隨著井深增加而產(chǎn)生的信道時(shí)變、空變特性,但是其變化規(guī)律相對(duì)簡(jiǎn)單,且在一定程度上是已知的或者可測(cè)定的,數(shù)據(jù)處理與修正相對(duì)容易。

隨鉆水聲信道的時(shí)變與空變特性主要表現(xiàn)在鉆井過(guò)程中,隨著時(shí)間的增加,井深在不斷地增加,不僅是鉆井液波導(dǎo)的長(zhǎng)度在增加,相關(guān)的信道參數(shù)(鉆井液波導(dǎo)的密度、黏度等)受溫度與壓力影響也在變化,需要考慮信道參數(shù)時(shí)變與空變特性對(duì)水聲信號(hào)的影響問(wèn)題。有利的條件是:隨鉆信道的時(shí)變與空變特性,如溫度、壓力等參數(shù)能夠通過(guò)測(cè)量得到,密度與黏度隨著溫度、壓力的變化關(guān)系在鉆井工程的相關(guān)研究中已有較為完善的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

4.2 信源合成與信宿檢測(cè)

在隨鉆信道的約束條件下,優(yōu)選/設(shè)計(jì)合理的聲波換能器結(jié)構(gòu),利用相控陣原理合成沿鉆井液軸向傳播的平面縱波是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。信源合成之后,信宿檢測(cè)問(wèn)題迎刃而解。

聲波換能器及其結(jié)構(gòu)優(yōu)選是信源合成的基礎(chǔ)。近年來(lái)聲波換能器結(jié)構(gòu)推陳出新,可供選擇的換能器包括復(fù)合棒換能器、彎張換能器、圓管換能器、電動(dòng)式換能器等。通過(guò)不同換能器之間的結(jié)構(gòu)特征與性能指標(biāo)的對(duì)比分析,設(shè)計(jì)滿足井下尺寸、耐壓與耐溫等條件的聲波換能器結(jié)構(gòu)。

信源發(fā)射與信宿檢測(cè)均采用相控陣技術(shù),通過(guò)相控陣接收提高隨鉆數(shù)據(jù)的傳輸距離,提高其抗干擾性能。在地面接收環(huán)節(jié)布置聲波傳感器陣列,對(duì)每個(gè)聲波傳感器信號(hào)進(jìn)行單獨(dú)放大,通過(guò)數(shù)字相控陣技術(shù)合成總體檢測(cè)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)隨鉆水聲信號(hào)的高靈敏度檢測(cè)與噪聲抑制。

現(xiàn)有技術(shù)條件為高質(zhì)量信源合成提供了可能性。首先,井下發(fā)電機(jī)技術(shù)的成熟為大功率、高頻信源的合成提供了可能,保證了信源強(qiáng)度和隨鉆通信系統(tǒng)的連續(xù)工作時(shí)間。其次,聲波換能器與傳感器的微型化為將信源集成到狹窄(通常可以利用的鉆桿內(nèi)徑2a≤110 mm,目前最大121.4 mm)的井下鉆桿中提供了可能。第三,井下信源外徑受制于鉆桿內(nèi)徑,但長(zhǎng)度方向幾乎沒(méi)有限制,為相控陣技術(shù)的應(yīng)用提供了可能。第四,多種高效的聲波換能器,如稀土超磁致伸縮換能器、弛豫鐵電單晶換能器、壓電聚合物薄膜換能器等為信源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了更多的空間。

現(xiàn)有技術(shù)條件也為高靈敏度信宿檢測(cè)提供了支持。首先,水聲通信技術(shù)及其相關(guān)的信道理論、噪聲消除方法等為項(xiàng)目實(shí)施提供了良好的基礎(chǔ);其次,商業(yè)化的流場(chǎng)、聲場(chǎng)計(jì)算軟件提供了必要的技術(shù)手段,借此可以深入分析各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)信道的傳輸特性,結(jié)合實(shí)際鉆井工程參數(shù),針對(duì)性地對(duì)載波頻率、調(diào)制方式等做出優(yōu)選與調(diào)整。

4.3 信道傳輸特性的影響因素

由于鉆井用鉆桿是由從地面到井底不同長(zhǎng)度、不同內(nèi)徑的鋼制管段通過(guò)螺紋連接在一起的管道,用來(lái)輸送鉆井液和傳遞扭矩,因此鉆井液信道存在多種因素對(duì)水聲信號(hào)傳輸特性產(chǎn)生影響。首先,鉆桿內(nèi)徑由地面至井下逐漸減小,隨鉆信道截面呈現(xiàn)階躍型突變。其次,現(xiàn)代鉆井工藝中,安裝了很多井眼軌跡幾何參數(shù)、鉆井工程參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)的測(cè)量單元與部件,在信道上形成了不同的阻力件,隨鉆信道存在由圓形變換環(huán)形、半圓形等波導(dǎo)形狀與截面積的改變。因此建立鉆井液信道的分段、時(shí)變、分布式模型是解決信道傳輸特性研究的關(guān)鍵。

信道特性研究中還需要考慮影響水聲信號(hào)傳輸?shù)钠渌蛩?如管壁彈性、鉆井液流體物性參數(shù)、鉆井液壓力等。此外,鉆井液水聲信道特性研究既涉及聲波的散射、反射、透射等線性聲學(xué)問(wèn)題,也涉及黏滯媒質(zhì)中有限振幅波的傳播、跳躍現(xiàn)象、分諧頻振動(dòng)等非線性聲學(xué)問(wèn)題。

5 結(jié) 論

(1) 利用水聲通信原理解決隨鉆數(shù)據(jù)的高速傳輸問(wèn)題是可行的,有望使隨鉆數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)取得突破性進(jìn)展,滿足當(dāng)下以至未來(lái)的鉆井工程技術(shù)需求。

(2) 結(jié)合鉆井工程參數(shù),可以選用的水聲信號(hào)頻率大于2 kHz,有效地避開(kāi)了鉆井過(guò)程噪聲,現(xiàn)有水聲換能器、傳感器可以滿足深度3 000 m以內(nèi)的隨鉆通信需求。

(3) 為進(jìn)一步提高隨鉆水聲通信速率與通信距離,需要研究隨鉆信道的分段時(shí)變分布式建模與鉆井液信道的影響因素、基于聲矢量或相控陣技術(shù)的信源合成以及信宿檢測(cè)、先進(jìn)水聲通信技術(shù)的隨鉆應(yīng)用等。