劉義剛，張 樂，藍 飛，陳 征，張志熊，杜曉霞

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459； 2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459)

國內(nèi)外針對井下無纜信號傳輸方式開展了大量相關(guān)研究，其中聲波傳輸技術(shù)作為一種新型的無線傳輸技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較高、傳輸實時性好。從20世紀90年代開始，國外貝克休斯、哈里伯頓等公司就已經(jīng)在礦場上開展了聲波遙測系統(tǒng)的實驗，并在3 600 m的井下深度取得了成功，但主要應(yīng)用于鉆井及測井領(lǐng)域，在注水井無應(yīng)用實例[1，19-20]。目前成熟應(yīng)用的無纜智能注水技術(shù)均采用壓力載波通訊方式進行信號傳輸[2]，盡管該技術(shù)可實現(xiàn)井下測試信號的上傳，但由于信號傳輸方式對井下電池能量消耗很大，無法保證大數(shù)據(jù)量的實時上傳且傳輸效率較低[13-14]。國內(nèi)研究人員針對注水井聲波信號傳輸技術(shù)開展了初步的試驗研究，注水井應(yīng)用聲波信號傳輸技術(shù)與鉆井、測井時應(yīng)用不同之處在于聲波發(fā)射裝置無法安裝于井口，需置于井下，受井筒尺寸限制，聲波發(fā)射裝置的尺寸有所限制，無法進行高頻率波的發(fā)射，且注水環(huán)境又會造成低頻噪聲干擾，因此優(yōu)選適用于注水井的聲波傳輸頻率是油管信號傳輸無纜智能注水技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵[17-18]。筆者建立了注水井聲波傳輸頻率的數(shù)學(xué)模型，并進行了相應(yīng)的驗證。

1 聲波信號傳輸式無纜智能分注技術(shù)

聲波信號傳輸式無纜智能分注技術(shù)主要是以井下管柱為傳輸介質(zhì)、聲波為載波，通過數(shù)字調(diào)制方法實現(xiàn)井下和地面之間的信息傳輸，實現(xiàn)對注水生產(chǎn)的遙測遙控，其基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 聲波信號傳輸式無纜智能分注技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成

工藝原理：地面控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號生成波形信號，通過井口信號發(fā)射與接收裝置敲擊注水管柱產(chǎn)生振動，以機械波的形式通過注水管柱傳播至井下，經(jīng)由井下中繼裝置對信號進行濾波、放大等重新處理后，再次發(fā)射出去，最終傳遞經(jīng)由井下信號發(fā)射與接收裝置傳遞至井下智能配水器，實現(xiàn)配水器的動作和數(shù)據(jù)讀取，同時井下數(shù)據(jù)也經(jīng)由相反回路傳遞至井口[21]。

聲波信號傳輸式無纜智能分注技術(shù)在整個調(diào)配周期都需要應(yīng)用聲波信號傳輸，聲波信號頻率篩選是保證工藝成功實施的基礎(chǔ)[12，22]。

2 聲波信號傳輸特性計算

油管作為注水管柱主要構(gòu)成，具備聲波傳輸介質(zhì)的條件，以油管串作為介質(zhì)傳遞聲波信號，需考慮油管聲波信號的傳輸特性，油管的周期性結(jié)構(gòu)使得其在信號傳輸中呈現(xiàn)出梳狀濾波器特性，即通帶和阻帶交替出現(xiàn)[4]，需對傳輸頻率進行計算，找出通帶和阻帶規(guī)律，從而進行聲波傳輸頻率的合理篩選[9-10]。

2.1 注水管柱油管類型及其參數(shù)

受井筒及套管尺寸限制，分層注水管柱通常采用2-3/8、2-7/8、3-1/2 in系列油管，同時管柱上配置安全閥、封隔器、配水器等井下工具。

表1 注水井管柱常用油管規(guī)格

2.2 注水井井下管柱聲波傳輸特性計算2.2.1 計算模型建立

注水管柱的封隔器、安全閥等井下工具對聲波傳輸影響較小，暫不考慮井下工具的傳輸影響，注水井井下管柱簡化模型如圖2所示。管體部分橫截面積較小、長度較長；接頭部分橫截面積較大、長度較短[3,8,15]。

圖2 注水管柱簡化模型

根據(jù)基本的波動方程，有：

(1)

(2)

(3)

式中：u(x，t)為任意點處的位移；F為該點處的軸向力；z=ρac為波阻抗；ρ為材料密度；a為截面積；E為材料的彈性模量；c為聲速。

(4)

式中：Δrn+1/2=ρn+1/2αn+1/2Δxn+1/2；Δxn+1/2=xn+1-xn；xn為離散后網(wǎng)格點的位置。

在確定計算時間步長和網(wǎng)格數(shù)量時，滿足下列關(guān)系：

LP=cPnPΔt

(5)

LJ=cJnJΔt

(6)

式中：Δt為時間步長；LP為管體長度；LJ為接頭長度；cP為管體中的聲速；cJ為接頭中的聲速；nP為管體劃分的網(wǎng)格數(shù)量；nJ為接頭劃分的網(wǎng)格數(shù)量。管體與接頭的材質(zhì)相同，因此cP=cJ，可統(tǒng)一記為c。

2.2.2 模型計算結(jié)果

計算時，在激勵端施加單位載荷，求取接收端的時域響應(yīng)(位移)，進而對時域響應(yīng)進行頻譜分析求得頻域響應(yīng)，以2-7/8in加厚油管(壁厚5.51 mm)為例，該油管的頻域響應(yīng)曲線如圖3、圖4所示。

圖3 2-7/8in加厚油管(壁厚5.51 mm)時域響應(yīng)曲線

圖4 2-7/8in加厚油管(壁厚5.51 mm)幅頻曲線

分別對各不同壁厚的油管時序響應(yīng)曲線和幅頻曲線進行擬合計算[6-7，16]，作為選擇頻帶范圍的依據(jù)，如圖5所示，計算不同壁厚2-7/8in加厚油管在3 000 Hz以內(nèi)的通頻帶，將各幅頻曲線擬合。由圖5中可以看出，2-7/8in不同壁厚加厚油管柱的頻譜曲線大致相同，其前4個甚至第5個通頻帶基本重合，其中心頻率分別為130、389、649、912、1 175 Hz。

圖5 2-7/8in加厚油管柱3 kHz以內(nèi)頻譜特性曲線

注水井常用油管的計算結(jié)果如表2所示。由表2中可以看出，油管類型盡管尺寸有所差異，但是由于差異較小，因此其在低頻段的通頻帶差異不大，通帶寬度基本在250 Hz左右。第1通帶中心頻率為129～130 Hz；第2通帶中心頻率為388～393 Hz；第3通帶中心頻率為648～655 Hz；第4通帶中心頻率為906～918 Hz；第5通帶中心頻率為1 164～1 179 Hz。前3個通帶中心頻率的差異都在10 Hz以內(nèi)；第4、5通帶也沒有超過15 Hz。

表2 5種類型油管柱通頻帶中心頻率

3 信號傳輸頻率計算結(jié)果篩選

中國石油勘探開發(fā)研究院進行過100 m油管串的傳輸特性實驗，實驗過程中，以信號猛擊油管串端面產(chǎn)生振動波，在油管串端面和油管每個接箍處均布置有加速度傳感器。利用振動信號分析系統(tǒng)對錘擊信號和加速度傳感器信號進行分析，得出了油管串振動信號傳輸特性，從模擬結(jié)果得出油管串在140、400、670 Hz左右時具有較好的傳輸效果[4-5，13]，該實驗?zāi)M了低頻段頻率下的振動信號傳輸，低頻段頻率范圍內(nèi)的通帶頻率與表2中的計算結(jié)果較接近，驗證了該計算結(jié)果的準確性。

而油田注水井井況及工況條件對于聲波信號傳輸頻率主要有以下兩方面影響：一是井下空間尺寸有限，限制了井下聲波發(fā)射功率的提高；二是井下注水環(huán)境存在低頻噪聲干擾，影響有效頻段聲波信號的接收和處理[6]。低頻段(500 Hz以下)易受井下噪聲干擾，如果采用低頻，要獲得大的信噪比就需要高的發(fā)射功率，但由于井下空間所限難以安放大功率設(shè)備，建議選擇有效通道內(nèi)的高頻段頻率，故建議注水井管注聲波信號傳輸頻率選擇第5通帶中心頻率1 164～1 179 Hz。

4 結(jié)論

(1)建立了注水井常用油管的聲波信號傳輸模型，并完成了模擬計算。盡管油管類型尺寸有所差異，但在小于3 000 Hz頻段的通頻帶差異不大，油管尺寸不影響信道的主要信號傳輸頻帶結(jié)構(gòu)。

(2)結(jié)合油管串的傳輸特性實驗數(shù)據(jù)，與本次模擬計算結(jié)果較為接近，模擬計算結(jié)果可以作為傳輸信號頻率篩選的依據(jù)，考慮到低頻段(500 Hz以下)易受井下噪聲干擾，故建議聲波信號傳輸無纜智能注水井的聲波傳輸頻率設(shè)置為1 164～1 179 Hz較為合適。