趙傲聳 陳 浩 張 波 張晉言 何 曉

(1 中國科學院聲學研究所 聲場聲信息國家重點實驗室 北京 100190)

(2 北京市海洋深部鉆探測量工程技術研究中心 北京 100190)

(3 中國科學院大學 北京 100049)

(4 中石化勝利石油工程有限公司測井公司 東營 257096)

0 引言

智能油田是21世紀的發(fā)展方向之一，其本質是一套閉環(huán)信息采集、傳輸和處理系統(tǒng)，不僅能連接作業(yè)現(xiàn)場與油田基地，更重要的是實時連接地面與井下以實現(xiàn)永久監(jiān)測[1]。在智能導鉆中，實時有效地將隨鉆測量的信息傳遞到地面供工程師進行決策是該項技術發(fā)展的瓶頸之一[2]。總之，無論是在油田的后期智能開發(fā)還是前期的智能導鉆中，在井下獲取的數(shù)據(jù)都必須通過一定的方式傳遞到地面，即布設這些系統(tǒng)時，有效的井中和地面通信方式是其中的一個重要因素。

現(xiàn)有的井下通信方法可籠統(tǒng)的分為有線和無線兩大類。有線通信包括電纜、智能鉆桿等，傳輸速度快，但往往設備昂貴、部署難度大；無線通信包括泥漿脈沖、電磁輻射、聲波傳輸，該類方法通常不干擾鉆進過程，都可以在隨鉆測井中使用[3]，除泥漿脈沖外，基于電磁和聲波的井下通信方式也有應用于智能油田開發(fā)的實例。

從表1 可以看出，聲波傳輸以井下固有的金屬鉆桿或油管(下文統(tǒng)稱“管柱”)作為通信信道，以低頻彈性波為載波，不依賴于鉆井液和地層，系統(tǒng)復雜度低，便于井場部署和改裝；相比于其他通信方式，其數(shù)據(jù)傳輸速率較高，能夠滿足地面監(jiān)測與決策的需求，有望對發(fā)展智能油田起到關鍵推動作用。20世紀90年代以來，哈里伯頓等油服公司率先開展技術攻關，目前已推出商用的隨鉆產(chǎn)品[4]，性能遠超泥漿脈沖傳輸。國內(nèi)的研究相對滯后，隨鉆聲通信產(chǎn)品尚未推出，但有油水井智能檢測的管柱通信報道[5]。

表1 各種井下通信方式的對比Table 1 Comparison of various downhole communication methods

考慮到聲波在管柱中遠距離傳輸?shù)亩鄰剿ヂ浜头瞧椒€(wěn)噪聲干擾等問題，研究的重點在于兩方面：一是要搞清楚管柱信道的特性，建立物理模型，從而優(yōu)化聲通信信道的參數(shù)；二是要研究適合該信道的數(shù)據(jù)傳輸方案，提高通信的可靠性。通過以上研究，最終實現(xiàn)高速高可靠性的周期性管柱聲通信。為了更好地推動本項技術的發(fā)展，本文對井下聲波通信的關鍵問題和研究歷程進行梳理和回顧。

1 信道物理模型的研究

低頻范圍內(nèi)空心圓管中軸向傳播的聲波有3種模式：縱波、扭轉波和彎曲波；縱波的傳播波速快、耗散少，且接收簡單，因此一般使用縱波作為通信載波[6]。關于波在周期結構中傳播的問題，Brillouin[7]于20 世紀三四十年代做了大量的理論研究。文獻[6,8–14]在Brillouin的基礎上對管柱信道的聲傳輸特性進行了較為系統(tǒng)的研究，包含對頻散、阻抗、衰減等物理特性的解釋。

1.1 管柱信道的物理特性

首先對管柱模型進行合理簡化：假設聲波呈軸對稱分布，考慮到聲傳輸?shù)妮d波頻率一般低于2 kHz，基本符合低頻假設，因此可以將管柱看作周期級聯(lián)的均勻彈性棒。圖1 展示了簡化的管柱模型中聲波多路徑傳播的情況。

圖1 簡化的管柱模型與聲波多徑傳播Fig.1 Simplified drill string model with acoustic multipath propagation

周期結構中的波傳播一般會被歸結為特征值問題：將一維波動方程寫成Hill 方程形式，代入Floquet定理和聲學邊界條件即可得到特征方程，進而得出頻散方程[8]：

其中，k為復波數(shù)，ω為角頻率，d1,2、c1,2、z1,2分別為管段和接箍的長度、聲速和特性阻抗，公式(1)揭示了管柱信道的頻散特性。如圖2 所示，群速度在頻域上呈帶隙結構，通阻帶的位置與周期單元的材料、尺寸有關，其物理機理類似于聲子晶體中的布拉格散射；通頻帶內(nèi)存在頻散現(xiàn)象，且隨著頻率增大而愈發(fā)顯著，這將使脈沖波傳播的時域波形產(chǎn)生畸變。

圖2 周期管柱結構的聲波頻散曲線Fig.2 The dispersion curve of periodic string structure

進一步研究阻抗特性，將特征向量的系數(shù)代入公式z(x,ω)=Fs/vs，顯然波阻抗是個復數(shù)，且在空間上呈周期對稱分布；通過對相位的分析發(fā)現(xiàn)每根管段上的兩個物理位置的阻抗總為實數(shù)，上述結論可以指導管柱與通信設備(中繼器、接收機等)的阻抗匹配，減少注入損失[9]。

聲信號在傳播時的衰減主要包括擴散損耗、吸收損耗和邊界損耗，它們都與傳播距離和信號的頻率有關。多位研究者對管柱信道的衰減機制進行了探討[6,10?14]。Drumheller[6,10]提出管柱聲傳輸?shù)膬煞N主要衰減機制：第一種是基于經(jīng)驗參數(shù)的Maxwell 阻尼模型，本質是模擬縱波與彎曲波的耦合作用導致的徑向耗散；第二種是管段尺寸的隨機分布改變了散射模式，間接導致了縱波的衰減。一般來說，對不同長度管段進行重新排列是降低衰減最直接的手段[12]?，F(xiàn)場試驗結果與上述理論符合良好，主要通頻帶的聲波衰減水平大致為13～30 dB/km(即每千英尺衰減4～9 dB，本文均換算為公制單位)[6]。Lee[13]和Rama[14]討論了井孔中多種阻尼機制對管中聲波的影響，并通過試驗將聲波衰減范圍縮小為13～23 dB/km。之后的研究者在計算信道容量時，多使用23 dB/km的典型值。

1.2 信道模型的仿真方法

基于彈性波動理論，管柱信道的仿真方法主要分為數(shù)值法和解析法，前者包括時域有限差分、有限元等方法，后者主要利用傳遞矩陣進行求解。

1989年，Drumheller[8]首先給出了一維周期波導的時域有限差分公式：

1990年，Clayer 等[15]研究了地面與井下邊界對管柱信道的影響。1993年，Drumheller[6]將Clayer等的研究成果引入公式(2)的運算，并對聲傳輸?shù)淖枘崴p機制進行了完善，較為準確地預測了井下2000 m 管柱的傳輸特性。2000年，Carcione 等[11]提出了另一種高階時域算法，能夠計算一維波導的多種傳播損耗，還能模擬非均勻截面引起的脈沖畸變和延遲。圖3[16]展示了信道的頻帶特性，描述如下：

(1) 類似梳狀濾波器，即由于聲波的多徑效應導致的頻率選擇性衰落；

(2) 頻帶資源有限，通頻帶內(nèi)并不平坦，且隨著傳輸距離(圖中距離單位為英尺)增加，衰減也隨之增加；

(3)通帶內(nèi)的“尖峰”是由聲波干涉形成的駐波所引起的，數(shù)量與管段周期數(shù)成正比。

圖3 管柱信道傳遞函數(shù)的幅頻響應Fig.3 The magnitude of the channel transfer function over the acoustic frequency band

為了保證計算速度，時域的數(shù)值方法通常是對低階的單模式波進行仿真，為了進一步模擬非周期結構中多種模式波“耦合”振動的聲傳輸行為，一些研究者提出用傳遞矩陣的方法[17?21]。文獻[17–20]將單個管段用2×2傳遞矩陣進行描述，與有限差分方法的仿真結果大致相同。Han 等[21]在3 種模式波的非耦合傳遞矩陣基礎上，利用厚圓柱殼模型建立了考慮耦合效應的振動傳遞矩陣，與實驗結果符合良好，和ANSYS 仿真相比能較大程度簡化振動分析和建模過程，計算效率更高。

更合理的設置阻尼機制和邊界條件能得到更準確的信道傳遞函數(shù)H(f)。在波動方程中加入阻尼項，目前多依賴于經(jīng)驗的參數(shù)模型，需要與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行匹配；李成等[22?23]的研究表明，地面、井底、地層等邊界對信道的傳輸性能也有較大影響。

2 聲波數(shù)據(jù)傳輸方案

井下管柱信道具有慢時變、多徑衰落等特性，用于隨鉆數(shù)據(jù)傳輸時，還會受到鉆頭和地面設備的強噪聲干擾。對信道通信能力的研究包括信道容量、噪聲模型等，目的是提出合適的信號傳輸和接收方法以最大限度地利用頻帶資源、提高接收信噪比(Signal-to-noise ratio,SNR)和對抗碼間干擾(Inter symbol Interference,ISI)。

2.1 信道容量與噪聲模型

Gao等[24]系統(tǒng)研究了隨鉆工況下的信道容量。已知信道傳遞函數(shù)H(f)，根據(jù)香農(nóng)定理得到信道的上行容量計算公式：

其中，PS(f)為聲信號的功率譜密度，噪聲源被確定為兩部分，井下鉆頭噪聲PNd(f)和地面設備噪聲PNs(f)。進一步分析噪聲的總功率譜密度，PN(f)=PNd(f)+|H(f)|?2PNs(f)≈|H(f)|?2PNs(f)，因此在數(shù)據(jù)上行傳輸時，地面噪聲是影響傳輸速率的主要因素；同樣地，數(shù)據(jù)下行傳輸時應著重抑制井下鉆頭噪聲。

使用現(xiàn)場測試的噪聲數(shù)據(jù)(考慮到井場的大多數(shù)噪聲數(shù)據(jù)服從高斯分布，為了簡化計算，假設噪聲為高斯分布)，設置信道衰減水平為23 dB/km，用注水法(Water-filling method)計算公式(3)，得到可用頻帶范圍400～1800 Hz。圖4[24]展示了信道容量與發(fā)射功率的關系，當傳輸距離為1828 m (約6000英尺)時，信道仍有每秒數(shù)百比特的傳輸潛力。

圖4 不同傳輸距離時信道容量與發(fā)射機功率的關系Fig.4 The relationship between channel capacity and transmitter output amplitude at different transmission distances

然而對于管柱信道來說，連續(xù)的反射會導致其脈沖響應持續(xù)上百毫秒(圖5)，從數(shù)字通信的角度來看，這意味著接收信號可能存在顯著的ISI，是限制信道容量的又一主要因素。

圖5 五十節(jié)管柱信道的沖激響應Fig.5 Impulse response of 50-section channels

2.2 聲信號調制技術

為了充分利用管柱信道有限的帶寬資源，對抗ISI 和頻率選擇性衰落，在常規(guī)調制方法(二進制相移鍵控(BPSK)、正交振幅調制(QAM)等)的基礎上引入多子帶并行傳輸?shù)耐ㄐ挪呗浴ao 等[24]首先提出將離散多音頻(Discrete multi-tone,DMT)技術用于鉆桿通信，并從理論上計算了BER=10?3時的傳輸速率，證明聲波具有遠超泥漿脈沖的傳輸潛力。2007年，Memarzadeh[16]將正交頻分復用(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)和聯(lián)合信源信道編碼(Joint sourcechannel coding,JSCC)應用到井下通信系統(tǒng)，圖6[16]展示了OFDM 的發(fā)射/接收原理圖和測試信號傳輸頻譜。

圖6 聲波OFDM 工作原理示例Fig.6 Sample acoustic OFDM system

OFDM 是一種把信道頻譜劃分為多個正交子帶，再將數(shù)據(jù)分布到各個子帶上并行傳輸?shù)亩噍d波通信方案。子帶帶寬?f與符號周期T成反比(T=1/?f)，好的設計能保證符號周期T比信道脈沖響應長得多，配合循環(huán)前綴，使ISI的影響最小化；在頻域上允許各子帶的自適應調制以靈活應對各種不平坦與多變的信道條件；借助快速傅里葉變換(Fast Fourier transform,FFT)技術高效地完成龐雜的并行處理。不同于常見的移動無線通信，管柱信道的時變非常緩慢，且增加管段也不會對通帶產(chǎn)生明顯的影響，初步試驗甚至可以忽略其時變特性以降低系統(tǒng)的復雜度(如減少均衡器的使用)。近幾年，多位研究者將改進的OFDM技術應用到井下通信系統(tǒng)，理論傳輸性能均有一定程度的提升[25?27]。

2.3 信號接收與噪聲抑制

假設地面和井下分別有|As(f)|2和|Ad(f)|2的噪聲衰減因子，代入公式(3)得到：

如前文所述，信道容量是SNR 的直接函數(shù)，在聲信號發(fā)射功率難以進一步提高的情況下，通過直接或間接的方式抑制噪聲是提高接收SNR的唯一途徑。

2006年，Sinanovic[28]提出雙傳感器接收方案，其基本思想是通過陣列信號處理實現(xiàn)定向濾波，從而抑制管段中與聲信號傳輸方向相反的地面噪聲；除此之外，還提出在接收機和地面設備(發(fā)射機和鉆頭)之間加裝物理結構的聲衰減器，兩種方法均能為信道容量帶來數(shù)量級的提升。后續(xù)的研究多圍繞以上兩方面展開，包括隔聲體(Acoustic isolator tool,AIT)設計、多陣列接收模型的訓練、弱信號檢測與提取等[29?30]。

3 通信系統(tǒng)設計與商業(yè)化進展

設計井下聲波通信系統(tǒng)應考慮到以下幾點：(1)井下高溫、高壓與強震環(huán)境對器件的影響；(2) 通信設備兼顧小型化與長續(xù)航；(3) 在滿足傳輸需求的前提下，系統(tǒng)復雜度盡可能低；(4) 最大限度提高接收信噪比；(5) 高效可靠的調制和解調方案。

1996年，日本國家石油公司開發(fā)了用于隨鉆數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑蜋C：采用磁致伸縮換能器發(fā)射聲波，載頻1 kHz以下，通頻帶內(nèi)傳輸，實現(xiàn)了最大傳輸距離1914 m (速率10 bit/s)；限制傳輸速率的主要原因是對噪聲抑制和信道衰減的機制認識不足[31]。

2000年，哈里伯頓公司開發(fā)出第一個商用的井下聲波通信系統(tǒng)，用戶能夠實時獲取井下數(shù)據(jù)，配合地面直讀(Surface read out,SRO)模式，實現(xiàn)對多種試井環(huán)境的井下監(jiān)測，極大地節(jié)省試井作業(yè)時間和測試成本，方便專家決策[32]。初代系統(tǒng)的特點為：(1) 雙向聲波通信能力，發(fā)送數(shù)據(jù)集包括壓力、溫度、時間、決策指令等；(2) 發(fā)射機裝于測試閥上方，含3個石英傳感器，有發(fā)射與存儲兩種模式，必要時可電纜介入；(3) 發(fā)射機與接收機之間裝有中繼器，最大服務井深3657 m(約12000英尺)；(4) 可用于深海井和欠平衡井的監(jiān)測[33?34]。

2007年，加拿大XACT 公司聯(lián)合Extreme Engineering 公司和美國桑迪亞國家實驗室進行了隨鉆聲通信系統(tǒng)的現(xiàn)場測試并率先實現(xiàn)商業(yè)化服務[4]。初代系統(tǒng)利用單個通頻帶BPSK 調制進行數(shù)據(jù)傳輸，標稱速率20 bit/s，尚未安裝中繼器，服務井深為垂直井2500 m，水平井800 m。至2011年，XACT 公司已在北美服務了400 余口井，新一代系統(tǒng)能夠對任何管柱結構進行建模從而預先確定最佳通頻帶的位置；使用兩個中繼器實現(xiàn)最大服務井深4000 m，初步具備節(jié)點監(jiān)測功能，傳輸速率30 bit/s以上(最快達80 bit/s)[35]。2013年，該公司實現(xiàn)井下聲波遙測網(wǎng)絡(Acoustic telemetry network) 的構建，即在鉆井過程中實時獲取信道的多節(jié)點環(huán)空壓力和溫度等數(shù)據(jù)信息[36]。系統(tǒng)的4 個主要組成部分如圖7[4]所示，其特點為：(1) 聲信號以40 Hz 寬的調制掃頻信號形式輸出，用以激發(fā)管內(nèi)縱波，提高傳輸可靠性；(2) AIT 裝在聲波發(fā)射器(Acoustic telemetry tool,ATT)與鉆具(Bottom hole assembly,BHA)之間，抑制鉆頭噪聲和反向傳播的聲信號；(3) 陣列接收器(Extreme acoustic receiver,EAR) 安裝在鉆機的頂部驅動套筒或方鉆桿(Kelly)上，由兩個加速度計和信號處理模塊組成，同時負責與解碼與可視化設備(Decoding and display unit,DDU)的雙向無線通信；(4) ATT 可作為中繼器，用于轉接與放大信號，兼具節(jié)點監(jiān)測功能；(5) 聲波相位調諧器(Acoustic phase tuner,APT)可加裝在所有ATT 的頂部和底部進行阻抗過渡。

圖7 聲波遙測系統(tǒng)Fig.7 Acoustic telemetry system

系統(tǒng)設計存在許多難點，比如用于隨鉆通信的發(fā)射換能器要輸出1 kHz 以下的低頻聲波，尺寸不能太小，還要更高效率地激發(fā)管中縱波，對其結構設計提出挑戰(zhàn)；考慮到阻抗匹配，發(fā)射短節(jié)一般與鉆桿直徑相同，留給電源和信號處理模塊的空間極其有限；接收端的信號處理也至關重要，信道估計、均衡檢測等環(huán)節(jié)直接關系到數(shù)據(jù)恢復的準確性；多個中繼器之間可能發(fā)生信號“串擾”等[37]。國內(nèi)尚無成熟的商業(yè)化產(chǎn)品。

4 總結與展望

井下通信系統(tǒng)能夠幫助地面工程師監(jiān)測和控制井中狀態(tài)，從而更好地規(guī)避作業(yè)風險、降低時間與資金成本。雖然目前仍受限于傳輸速率，無法傳輸聲波全波列等大數(shù)據(jù)集，但可以在信道特性允許的前提下，將測井設備與傳感器收集的特征參數(shù)發(fā)送到地面，以完成預先設計好的特定任務。比如前文提到，井下監(jiān)測系統(tǒng)被設計為每隔一段時間向地面中繼器發(fā)送一組數(shù)據(jù)集：實時的環(huán)空(管內(nèi))壓力、溫度和系統(tǒng)相關狀態(tài)信息；以上數(shù)據(jù)可實現(xiàn)對地層破裂、管段泄露、巖屑堆積等風險的監(jiān)控。再比如，隨鉆地質導向常用“井斜+自然伽馬+電阻率”的數(shù)據(jù)組合，其中近鉆頭處的自然伽馬和電阻率數(shù)據(jù)用于檢測地質情況變化，井斜數(shù)據(jù)用于計算井眼軌跡。總之，發(fā)送數(shù)據(jù)集的參數(shù)選擇主要取決于地面人員對于資料解釋和功能實現(xiàn)的需要。

井下聲波通信技術經(jīng)過多年的研究和應用，已經(jīng)有了長足的發(fā)展，在多種應用場景下表現(xiàn)出優(yōu)良的傳輸性能和可靠性；如在油氣生產(chǎn)過程中，也可以通過周期性的套管或油管部署聲通信系統(tǒng)，將實時獲得井下信息傳遞到地面從而指導和優(yōu)化開采方案?？傊?，聲波傳輸方式因其成本低、傳輸速率高、可行性高等特點，有可能成為井下通信的優(yōu)選方案。