馬西庚,李 超,柳 穎

(中國(guó)石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,山東東營(yíng) 257061)

鉆桿中聲波傳輸特性測(cè)試

馬西庚,李 超,柳 穎

(中國(guó)石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,山東東營(yíng) 257061)

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鉆桿聲波傳輸特性測(cè)試試驗(yàn)。使用激振器和自制激勵(lì)裝置作為激發(fā)源、特制的鉆桿短節(jié)為傳輸信道,研究聲波在鉆桿充氣、充水、壓沙袋 3種狀態(tài)下的傳輸特性;利用掃頻信號(hào)激勵(lì)鉆桿,確定鉆桿中聲波的最佳傳輸頻率點(diǎn),得出鉆桿中聲波衰減的經(jīng)驗(yàn)公式。結(jié)果表明:鉆桿接箍和聲波頻率是造成聲波衰減的主要因素;縱波是相對(duì)較好的信息傳輸載體;鉆桿信道通帶為非平滑的梳狀濾波器結(jié)構(gòu)。

鉆桿;測(cè)試試驗(yàn);聲波傳輸;傳輸特性

隨著鉆井工藝和技術(shù)的發(fā)展,鉆井循環(huán)介質(zhì)不再是單一的鉆井液,而采用空氣、氮?dú)饣蚺菽?導(dǎo)致鉆井液脈沖技術(shù)不能用在沒(méi)有連續(xù)液相的鉆井中,嚴(yán)重限制了空氣鉆井和泡沫鉆井技術(shù)的應(yīng)用[1-2]。聲波遙測(cè)技術(shù)很好地彌補(bǔ)了鉆井液脈沖技術(shù)的不足,一方面聲波技術(shù)可以滿足鉆井新技術(shù)的需求,發(fā)展?jié)摿Υ?另一方面鉆桿具有較高頻率通帶,可以得到較高的數(shù)據(jù)傳輸速率[3]。國(guó)際上對(duì)井下聲波遙測(cè)技術(shù)的研究已近60年,美國(guó)太陽(yáng)石油公司[4]利用聲波在鉆桿中傳播進(jìn)行了井下數(shù)據(jù)遙測(cè)試驗(yàn)。Barnes等[5]提出了通阻帶交替梳狀濾波器結(jié)構(gòu)特性。Drumheller等[6-7]分析了縱波沿理想鉆桿的頻帶特性和通帶內(nèi)的細(xì)微頻譜結(jié)構(gòu)。哈利伯頓公司[8]成功開(kāi)發(fā)了油井聲波傳輸系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)對(duì)隨鉆測(cè)量聲波傳輸技術(shù)的研究工作已經(jīng)起步,李志剛等[9]得出隨鉆聲波遙測(cè)技術(shù)可以達(dá)到上百 BPS的數(shù)據(jù)傳輸速率。李成等[10]分析了端面、管箍截面積、桿長(zhǎng)等邊界對(duì)通阻帶分布的影響。車小花等[11]數(shù)值模擬了縱波在鉆桿串中的傳輸特性。筆者在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鉆桿聲波傳輸特性測(cè)試試驗(yàn),研究聲波在鉆桿充氣、充水、壓沙袋 3種狀態(tài)下的傳輸特性。

1 鉆桿聲波傳輸試驗(yàn)方案

1.1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖 1 鉆桿聲波傳輸測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Drill pipe acoustic trans m ission testing system

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

1.2.1 激勵(lì)方式

(1)鋼球敲擊方式。用彈簧連接鋼球,選擇合適的彈簧壓縮量并做標(biāo)記,以保證每次敲擊的力度一致。鉆桿連接好后,選擇鋼球敲擊的合適力度,然后重復(fù)敲擊鉆桿端面 10次,在接收端用計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件采集數(shù)據(jù)。

(2)激振器激勵(lì)方式。首先將激振器固定,使其磁力吸座能牢固地吸附在鉆桿的端面上,然后開(kāi)啟信號(hào)源和功率放大器使激振器開(kāi)始工作。每采集5組數(shù)據(jù)后變化信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)頻率,信號(hào)頻率從低頻到高頻逐漸遞增。激振器作為激發(fā)源的工作過(guò)程為:信號(hào)源發(fā)送指定頻率的信號(hào)到功率放大器,功率放大器放大信號(hào),驅(qū)動(dòng)激振器工作,激振器激振鉆桿,并傳送振動(dòng)信號(hào),經(jīng)鉆桿傳輸?shù)礁鱾€(gè)加速度傳感器,加速度傳感器接受振動(dòng)信號(hào),經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和數(shù)據(jù)采集送到計(jì)算機(jī),由測(cè)試控制與分析軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)、功率譜等信息,進(jìn)而分析鉆桿的傳輸特性。

1.2.2 試驗(yàn)工況

分別對(duì) 10,20,30節(jié)連接好的鉆桿進(jìn)行了不同工況下的試驗(yàn),如表 1所示。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Experi mental conditions

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后通過(guò)測(cè)試控制與分析軟件對(duì)其作頻譜分析,進(jìn)而分析聲波在鉆桿中的傳播特性。在各頻率點(diǎn)的功率譜圖形中,為了更直觀地觀察不同位置的傳感器接收信號(hào)的功率譜,在數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)幾個(gè)位置的數(shù)據(jù)功率譜幅值做歸一化處理,同時(shí)為了觀察頻譜圖的方便,對(duì)幅度進(jìn)行了局部放大。

2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理,可以得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的頻譜圖和時(shí)域波形,見(jiàn)圖 2～4。

通過(guò)分析得出接收到的信號(hào)前段以縱波為主。由圖 2可以看出,聲波在鉆桿中傳播時(shí)間延遲。從激勵(lì)端開(kāi)始,越往后的鉆桿接收到的信號(hào)越遲。由22節(jié)和 29節(jié)處的時(shí)域波形可知,22,29節(jié)處信號(hào)到達(dá)時(shí)間約為 27.25,29.15 ms,時(shí)間差為 1.9 ms,而兩個(gè)傳感器之間的距離大約為 9.73 m,可以得出縱波在鉆桿中的傳輸速度大約為 5 121 m/s,與理論上聲波在鋼鐵介質(zhì)中的傳輸速度相符。

從圖 3,4可以看出,充水后的時(shí)域波形的幅度較空氣狀態(tài)小,同時(shí)信號(hào)長(zhǎng)度明顯縮短。由此可以得出,充水后的傳播損失比較大,信號(hào)拖尾較小,也就意味著通信距離會(huì)受較大的影響,充水后通信距離會(huì)縮短。拖尾小還意味著聲速小,橫波與表面波衰減更大。如第 19節(jié)處,空氣狀態(tài)時(shí)信號(hào)長(zhǎng)度大約為 250 ms,充水狀態(tài)時(shí)信號(hào)長(zhǎng)度大約為 75 ms。

各頻率點(diǎn)的幅值見(jiàn)圖 5。由圖 5知,頻率越高衰減越快,高頻信號(hào)與低頻相比衰減較快。頻率高于 5.5 kHz的信號(hào)幅度迅速減小。

圖 4 20節(jié)鉆桿充水狀態(tài)激振器激勵(lì) 0.955 kHz信號(hào)時(shí)域波形Fig.4 Ti me-doma i n waveform of 20 drill pipe urged by vibration generator for 0.955 kHz under water conditions

聲波在鉆桿中傳播存在嚴(yán)重的色散現(xiàn)象。某一頻率點(diǎn)的信號(hào)能激起其他頻率上的信號(hào),如圖 6所示。在 30節(jié)鉆桿充水壓沙袋情況下 3.2 kHz的信號(hào)會(huì)由于色散產(chǎn)生頻率為 3 kHz的幅度較大的信號(hào)。如果這些信號(hào)用于現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸,地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將無(wú)法辨別真實(shí)信號(hào),造成數(shù)據(jù)的誤差,因此這些由于色散而產(chǎn)生的頻率點(diǎn)在實(shí)際中不能被采用。

聲波在鉆桿中傳輸?shù)氖釥顬V波器結(jié)構(gòu)可以在試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。如圖 7所示,當(dāng)信號(hào)源發(fā)射0.5 kHz信號(hào)時(shí),信號(hào)在鉆桿中的傳播衰減較小,可以較好地接收到該頻率點(diǎn)的信號(hào)?？梢越邮盏降男盘?hào)頻率有:0.5,0.55,0.75,0.85,0.9,0.95,1.0,1.4,2.0, 2.3,2.4,3.2,3.6,4.1,4.8和 4.9 kHz。但是由于高頻信號(hào)衰減較快,在實(shí)際中盡量選擇低頻信號(hào),如0.5 kHz頻段。

以差分方程為理論基礎(chǔ),對(duì)理想鉆桿進(jìn)行瞬態(tài)分析,得到聲波信號(hào)通過(guò)多根鉆桿后的時(shí)延特性,經(jīng)過(guò)理論計(jì)算得到 30節(jié)短鉆桿的頻帶特性如圖 8所示。由圖 8可以看出,試驗(yàn)中得到的可以接收到的頻率點(diǎn)幾乎都在理論模型的通帶范圍之內(nèi)。由于理論模型對(duì)鉆桿的邊界條件等進(jìn)行了理想化假設(shè),同時(shí)不考慮聲波的傳播損失問(wèn)題,而且沒(méi)有考慮實(shí)際工程中的外部條件 (如鉆桿內(nèi)充水)對(duì)聲波傳輸?shù)挠绊?所以與實(shí)際中的聲波頻帶特性有一定的差異。

3 聲波傳輸特性

(1)接收到的信號(hào)前段以聲速快的縱波為主,其次是聲速較慢的橫波、表面波等。

(2)鉆桿信道具有頻率選擇性,在有些頻點(diǎn)上可以較好地傳輸信號(hào),但有些頻點(diǎn)上不能傳輸信號(hào),同時(shí),有些頻率點(diǎn)的信號(hào)雖然能接收到,但是在其他頻率激振時(shí)也會(huì)產(chǎn)生該信號(hào),這種頻率在實(shí)際中也不可取。

(3)理論分析的頻帶特性與試驗(yàn)測(cè)量的頻帶特性有較好的吻合性,說(shuō)明理論模型有一定的參考價(jià)值。

(4)鉆桿在充水時(shí)信號(hào)傳播損失較大,信號(hào)傳播拖尾較小;不充水時(shí)信號(hào)傳播損失較小,信號(hào)拖尾較大。充水對(duì)縱波的影響小于對(duì)橫波和表面波的。充水條件下通信距離較短,但通信速率較高;不充水條件下,通信距離可能較長(zhǎng),但通信速率較低。

4 信號(hào)的傳播損失影響因素

聲波沿鉆桿傳輸過(guò)程中其信號(hào)強(qiáng)度將逐漸衰減,鉆桿接箍、聲波頻率和周圍介質(zhì)的阻尼是造成衰減的主要原因。聲波信號(hào)的傳播損失可以分為鉆桿內(nèi)部吸收式衰減和接箍處反射式衰減,聲波信號(hào)沿井內(nèi)鉆桿傳輸時(shí)其吸收式衰減原因主要是一部分聲能量轉(zhuǎn)換成分子熱運(yùn)動(dòng)能量。

吸收式衰減規(guī)律可表示為

式中,w0為激發(fā)處聲強(qiáng)度,W/m2;w為距激發(fā)源 l處聲強(qiáng)度,W/m2;δ為衰減系數(shù);l為傳輸長(zhǎng)度,m;k為可變系數(shù),對(duì)應(yīng)不同的鉆桿規(guī)格。

鉆桿周圍介質(zhì)黏滯阻尼系數(shù)ρ和載波信號(hào)的頻率 f對(duì)聲波衰減系數(shù)δ的影響較大,衰減系數(shù)δ隨黏滯系數(shù)ρ和傳輸信號(hào)頻率 f的增大而變大。在鉆桿充水且接箍處壓沙袋狀態(tài)下,鉆桿周圍介質(zhì)的黏滯阻尼系數(shù)會(huì)變大,衰減系數(shù)相應(yīng)增大,增加了聲波信號(hào)傳播損失。

反射式衰減主要是由于鉆桿接箍處介質(zhì)不連續(xù)造成的,由于聲波被螺紋絲扣反射一部分之后,使可繼續(xù)傳輸?shù)耐干渎暡ǖ膹?qiáng)度弱于入射聲波,導(dǎo)致聲波能量在傳輸過(guò)程中逐漸衰減。為了增大聲波信號(hào)在鉆桿的傳輸距離,應(yīng)盡量增加激發(fā)處的聲能量和提高折射系數(shù),同時(shí)盡量降低衰減系數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)分別測(cè)試聲波在鉆桿接箍緊密連接和松動(dòng)連接兩種狀態(tài)下的衰減特性,結(jié)果顯示在鉆桿螺紋絲扣面緊密連接狀態(tài)下的折射聲能量相比于松動(dòng)連接狀態(tài)下的折射聲能量大大提高。在激發(fā)處聲能量增大和衰減系數(shù)減小有限度的情況下,螺紋絲扣面緊密連接并且沖洗清潔有利于聲波信號(hào)的遠(yuǎn)傳。

5 結(jié)束語(yǔ)

聲波遙測(cè)技術(shù)是解決空氣鉆井和泡沫鉆井的井底信息上傳難題的有效方法,通過(guò)鉆桿聲波傳輸特性的測(cè)試試驗(yàn),對(duì)聲波的傳輸特性有了進(jìn)一步了解,為研制聲波遙測(cè)系統(tǒng)打下了良好的理論基礎(chǔ)。在測(cè)量中發(fā)現(xiàn)傳感器測(cè)量位置對(duì)接收到的信號(hào)有較大的影響,在今后的實(shí)際設(shè)計(jì)中,應(yīng)該考慮多點(diǎn)接收,保證可靠地接收到發(fā)射的信號(hào)。

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(編輯 沈玉英)

Transm ission characteristics test of acoustic wave in drill pipe

MA Xi-geng,L IChao,L IU Ying
(College of Info rm ation and Control Engineering in China University of Petroleum,Dongying257061,China)

The experiment testing the drill pipe′s acoustic wave transmission characteristics in the laboratorywas done.The vibration generator and homemade excitation device were used as the excitation source and the special drill pipe nipple as transmission signal path.The acoustic wave trans mission characteristics were researched under three different conditions of drill pipe filling air,water and sandbag.The sweep-frequency signalwas used to excite the drillpipe,and the optimal acoustic wave transmission frequencywas ascertained in the drill pipe.The empirical formula of the acoustic wave′s attenuation was given in the drillpipe.The results show that the drillpipe coupling and acousticwave frequency are themain factorsof acoustic wave′s attenuation,and longitudinalwave is better carrier to transmit information.The drillpipe signalpath passband of non-smooth,comb filter structure was verified.

drill pipe;testing experiment;acoustic wave transmission;transmission characteristics

TE 927

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.04.013

1673-5005(2010)04-0070-05

2009-11-29

山東省科技攻關(guān)重大專項(xiàng)(2005GG2107002)

馬西庚(1957-),男(漢族),山東桓臺(tái)人,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事信號(hào)與信息處理及油田自動(dòng)化方面的研究。