(1.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司 長(zhǎng)慶分公司，陜西 西安 710006)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已被廣泛用于需要精確方向控制的定向鉆井作業(yè)中[1]。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的核心是井下鉆井工具系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于來(lái)自鉆頭附近的電子倉(cāng)中傳感器的信息執(zhí)行井下動(dòng)作，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送到隨鉆測(cè)量系統(tǒng)(Measure while drilling，MWD)，然后傳回地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2-3]。短距離傳輸是為了解決滾動(dòng)伺服控制平臺(tái)近鉆頭的信息跨馬達(dá)及泥漿鉆井液傳遞到MWD的通信問(wèn)題，傳輸距離1～2 m。由于穩(wěn)定平臺(tái)與MWD系統(tǒng)存在相對(duì)旋轉(zhuǎn)，不適合采用有線傳輸。目前，傳統(tǒng)的無(wú)線傳輸技術(shù)是泥漿脈沖傳輸和電磁傳輸，且傳輸速率都極低[4-5]。但隨著隨鉆測(cè)井技術(shù)的發(fā)展，更多的傳感器安裝在鉆頭附近，在鉆井過(guò)程中傳感器越靠近鉆頭，信息就會(huì)越準(zhǔn)確和及時(shí)，參數(shù)就會(huì)越多，而這些參數(shù)需要快速有效地傳輸至MWD，進(jìn)而傳達(dá)地面[6]。這兩種傳統(tǒng)無(wú)線傳輸技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率極低，不利于快速有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。聲波傳輸技術(shù)是在這一背景下產(chǎn)生的一種數(shù)據(jù)傳輸方式，其載波頻率可達(dá)400～2 000 Hz，且不受地層電導(dǎo)率分布的影響[7]。鉆桿聲波傳輸技術(shù)是一種潛在的新型井下無(wú)線信息傳輸技術(shù)。在這種技術(shù)中傳播介質(zhì)是鉆桿管壁、信號(hào)載體是聲波，通過(guò)聲波在鉆桿中的傳播進(jìn)行井下數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸[8-10]。國(guó)際上井下聲波傳輸技術(shù)的研究已經(jīng)進(jìn)行了60 年左右，美國(guó)太陽(yáng)石油公司、Barnes、Drumheller、Halliburton公司、Extreme Engineering對(duì)于聲波在鉆桿中傳輸特性的研究都各有進(jìn)展；近年來(lái)國(guó)內(nèi)也已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)鉆井聲波傳輸技術(shù)的研究，趙國(guó)山團(tuán)隊(duì)對(duì)聲波信號(hào)在周期性鉆柱結(jié)構(gòu)中的傳輸特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究[11-12]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鉆桿聲波傳輸都做了大量的研究工作，但是井下短距離鉆桿聲波傳輸在國(guó)內(nèi)尚不成熟，目前基本上還停留在原理探索及實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段。

筆者建立了短距離聲波傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行頻域分析，以找出適合傳輸井下信息的頻率點(diǎn)或頻段，為井下聲波傳輸系統(tǒng)樣機(jī)的研制提供理論依據(jù)。

1 聲波在鉆桿中的傳輸特性

鉆桿的聲波傳輸就是鉆桿受到外界刺激后質(zhì)點(diǎn)在平衡位置的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)能量守恒定律，質(zhì)點(diǎn)的能量最終將通過(guò)克服阻尼力而被消耗[13]。鉆桿是剛性介質(zhì)，剛性介質(zhì)受迫振動(dòng)是一種阻尼振動(dòng)，其阻尼振動(dòng)微分方程[14]為

(1)

式中：ζ為信號(hào)(質(zhì)點(diǎn))振動(dòng)位移，m；M為鉆柱質(zhì)量，kg；R為阻力系數(shù)；K為彈性系數(shù)。求解方程式(1)，阻尼振動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系為

ζ(t)=ζ0e-δtcos(ω0t-φ)

(2)

式中：ζ0，φ為由初始條件確定的實(shí)常數(shù)；δ為衰減系數(shù)；ω0為阻尼振動(dòng)的固有角頻率，rad/s。

可以看出：理論上衰減的振動(dòng)聲波信號(hào)的包絡(luò)是一條呈指數(shù)形式衰減的曲線，包絡(luò)的內(nèi)部是幅度逐漸衰減的余弦信號(hào)。

2 傳輸特性試驗(yàn)設(shè)計(jì)及時(shí)域波形

2.1 聲波傳輸特性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用聲波傳輸信息，首先要研究鉆桿作為傳輸信道時(shí)的聲波傳輸特性。以1.28 m的鉆桿為研究對(duì)象，研究其聲波傳輸特性，為導(dǎo)向鉆井中基于聲波的信息傳輸?shù)於ɑA(chǔ)。研究鉆桿中聲波傳輸信號(hào)對(duì)激勵(lì)波形、激勵(lì)信號(hào)幅值、激勵(lì)信號(hào)位置、接收位置等各種參數(shù)的敏感性[15-16]。設(shè)計(jì)其試驗(yàn)過(guò)程框圖如圖1所示。鉆桿外徑140 mm，內(nèi)徑120 mm，材質(zhì)為J55鋼。掃頻信號(hào)發(fā)生器YE1311產(chǎn)生掃頻信號(hào)以驅(qū)動(dòng)激振器，激振器位于鉆柱的一端，并將掃頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的掃頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)激勵(lì)鉆柱產(chǎn)生聲波信號(hào)。壓電加速度傳感器CA-YD186測(cè)量激勵(lì)端和接收端的聲信號(hào)，并將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。電壓信號(hào)由恒流適配器YE3826A放大，并最終顯示于示波器上進(jìn)行存儲(chǔ)分析。

圖1 聲波傳輸試驗(yàn)過(guò)程框圖Fig.1 Process diagram of acoustic transmission test

改變各種相關(guān)參數(shù)，從而研究鉆桿作為傳輸信道的聲波傳輸特性，試驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。利用該系統(tǒng)采集到試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，再對(duì)這些采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析。

圖2 聲波傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Schematic diagram of acoustic transmission test

2.2 聲波傳輸時(shí)域波形

由位移時(shí)間函數(shù)式(2)可以看出：衰減后的振動(dòng)聲波信號(hào)的包絡(luò)是一條呈指數(shù)衰減的曲線，包絡(luò)線內(nèi)部是振幅逐漸衰減的余弦信號(hào)。試驗(yàn)以2 V的方波信號(hào)在徑向位置驅(qū)動(dòng)激振器，并且在與驅(qū)動(dòng)點(diǎn)同一軸線的徑向位置上接收聲波信號(hào)。激振器的激勵(lì)頻率分別為10，24，36，48 Hz。此時(shí)實(shí)際通過(guò)鉆桿后接收到的信號(hào)如圖3所示。從圖3可以看出：盡管鉆桿中聲波的傳播曲線包絡(luò)不是理想的指數(shù)衰減信號(hào)，但它具有明顯的指數(shù)衰減趨勢(shì)。包絡(luò)線的內(nèi)部不是一個(gè)嚴(yán)格的余弦周期信號(hào)，而是一個(gè)幅度會(huì)逐漸衰減、混合了大量回波、自鳴噪聲和加速度噪聲的信號(hào)。

圖3 接收信號(hào)時(shí)域波形Fig.3 Time domain waveform of received signal

3 傳輸特性試驗(yàn)頻域分析

對(duì)接收到的聲波信號(hào)進(jìn)行功率譜分析和時(shí)頻分析可以得到更多時(shí)域分析無(wú)法得到的信息[17-19]。

3.1 功率譜分析

從信號(hào)的功率譜可以看出信號(hào)功率隨頻率的變化情況。筆者對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了功率譜分析，研究其傳輸頻率特性和衰減特性。為了方便對(duì)比，其中功率譜圖的幅值為統(tǒng)一量程。接收信號(hào)功率譜如圖4所示。

圖4 接收信號(hào)功率譜Fig.4 Power spectrum of receiving signal

對(duì)功率譜進(jìn)行分析可以看出：改變激振器驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率，產(chǎn)生的聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)鉆桿傳輸后，接收到的聲波信號(hào)大部分的能量聚集在2 000～4 000 Hz之間，尤其在3 000 Hz附近能量聚集最強(qiáng)。就是說(shuō)，對(duì)于不同頻率的聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)鉆桿傳輸后接收到的信號(hào)中，能量主要聚集在2 000～4 000 Hz區(qū)間。由功率譜圖也能看出：聲波信號(hào)功率隨激勵(lì)信號(hào)頻率的增大而增大，但接收端信號(hào)功率會(huì)在某些激勵(lì)信號(hào)頻率時(shí)出現(xiàn)衰減，比如圖4(b)中激勵(lì)信號(hào)頻率為24 Hz時(shí)出現(xiàn)減小，這是由于類似相干波在同一直線上沿相反方向傳播時(shí)，互相疊加而成的駐波所引起。

3.2 時(shí)頻分析

短時(shí)傅里葉變換是一種時(shí)頻分析方法，它通過(guò)時(shí)間窗口內(nèi)的一段信號(hào)來(lái)表示某一時(shí)刻的信號(hào)特征。為了說(shuō)明問(wèn)題，再將接收到的聲波信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅立葉變換，得到聲波信號(hào)的時(shí)頻圖如圖5所示。

圖5 接收信號(hào)短時(shí)傅立葉變換時(shí)頻圖Fig.5 Short-time Fourier transform time-frequency diagram of receiving signals

由圖5可以看出：在激勵(lì)頻率分別為10，24，36，48 Hz時(shí)，接收信號(hào)的大部分能量均聚集在2 000～4 000 Hz之間，而分布在2 000～4 000 Hz之外的信號(hào)分量能量較弱。由于固體界面的存在，鉆桿中聲場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生多次反射和波形轉(zhuǎn)換，同一信號(hào)通過(guò)不同路徑到達(dá)接收端時(shí)，到達(dá)的時(shí)間先后和強(qiáng)度會(huì)有所不同，從而形成多徑效應(yīng)，同時(shí)由于傳輸信道對(duì)不同信號(hào)頻率分量具有不同的衰減特性，使得信號(hào)會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性衰落，涉及到多徑傳播信道的相關(guān)帶寬，發(fā)送信號(hào)的頻譜大于相關(guān)帶寬時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率選擇性衰落。

4 結(jié) 論

利用聲波傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)研究聲波傳輸性能，研究結(jié)果表明：在鉆桿中傳輸?shù)穆暡ㄐ盘?hào)的頻譜是從零頻開(kāi)始的基帶信號(hào)，不同頻段的幅值是不同的。接收到的聲波信號(hào)的頻譜在有些頻段上的強(qiáng)度明顯大于其他頻段的信號(hào)強(qiáng)度，比如在2 000～4 000 Hz之間，而在其他頻段上的強(qiáng)度卻比較小。也就是說(shuō)聲波信號(hào)中有些頻率成分在鉆柱中可以很好地傳輸，而有些頻率成分在鉆柱中的傳輸能力很差。綜合考慮各種因素，結(jié)合聲波傳輸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同頻帶的聲波通過(guò)鉆桿傳播的效果是不同的。在強(qiáng)度大的頻段上，可以找到用于井下短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴崖暡l率。以上試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)及結(jié)論，可以為聲波傳輸技術(shù)的研究和應(yīng)用提供基礎(chǔ)和依據(jù)。