钻杆中声波传输特性测试

马西庚,李 超,柳 颖

(中国石油大学信息与控制工程学院,山东东营 257061)

钻杆中声波传输特性测试

马西庚,李 超,柳 颖

(中国石油大学信息与控制工程学院,山东东营 257061)

在实验室进行钻杆声波传输特性测试试验。使用激振器和自制激励装置作为激发源、特制的钻杆短节为传输信道,研究声波在钻杆充气、充水、压沙袋 3种状态下的传输特性;利用扫频信号激励钻杆,确定钻杆中声波的最佳传输频率点,得出钻杆中声波衰减的经验公式。结果表明:钻杆接箍和声波频率是造成声波衰减的主要因素;纵波是相对较好的信息传输载体;钻杆信道通带为非平滑的梳状滤波器结构。

钻杆;测试试验;声波传输;传输特性

随着钻井工艺和技术的发展,钻井循环介质不再是单一的钻井液,而采用空气、氮气或泡沫,导致钻井液脉冲技术不能用在没有连续液相的钻井中,严重限制了空气钻井和泡沫钻井技术的应用[1-2]。声波遥测技术很好地弥补了钻井液脉冲技术的不足,一方面声波技术可以满足钻井新技术的需求,发展潜力大,另一方面钻杆具有较高频率通带,可以得到较高的数据传输速率[3]。国际上对井下声波遥测技术的研究已近60年,美国太阳石油公司[4]利用声波在钻杆中传播进行了井下数据遥测试验。Barnes等[5]提出了通阻带交替梳状滤波器结构特性。Drumheller等[6-7]分析了纵波沿理想钻杆的频带特性和通带内的细微频谱结构。哈利伯顿公司[8]成功开发了油井声波传输系统。国内对随钻测量声波传输技术的研究工作已经起步,李志刚等[9]得出随钻声波遥测技术可以达到上百 BPS的数据传输速率。李成等[10]分析了端面、管箍截面积、杆长等边界对通阻带分布的影响。车小花等[11]数值模拟了纵波在钻杆串中的传输特性。笔者在实验室进行钻杆声波传输特性测试试验,研究声波在钻杆充气、充水、压沙袋 3种状态下的传输特性。

1 钻杆声波传输试验方案

1.1 测试系统结构

测试系统结构如图 1所示。

图 1 钻杆声波传输测试系统Fig.1 Drill pipe acoustic trans m ission testing system

1.2 测试系统

1.2.1 激励方式

(1)钢球敲击方式。用弹簧连接钢球,选择合适的弹簧压缩量并做标记,以保证每次敲击的力度一致。钻杆连接好后,选择钢球敲击的合适力度,然后重复敲击钻杆端面 10次,在接收端用计算机通过软件采集数据。

(2)激振器激励方式。首先将激振器固定,使其磁力吸座能牢固地吸附在钻杆的端面上,然后开启信号源和功率放大器使激振器开始工作。每采集5组数据后变化信号发生器的信号频率,信号频率从低频到高频逐渐递增。激振器作为激发源的工作过程为:信号源发送指定频率的信号到功率放大器,功率放大器放大信号,驱动激振器工作,激振器激振钻杆,并传送振动信号,经钻杆传输到各个加速度传感器,加速度传感器接受振动信号,经过信号放大和数据采集送到计算机,由测试控制与分析软件对信号进行处理,得到系统的传递函数、频率响应、功率谱等信息,进而分析钻杆的传输特性。

1.2.2 试验工况

分别对 10,20,30节连接好的钻杆进行了不同工况下的试验,如表 1所示。

表1 试验工况Table 1 Experi mental conditions

1.2.3 数据处理

计算机对采集到的数据进行处理,然后通过测试控制与分析软件对其作频谱分析,进而分析声波在钻杆中的传播特性。在各频率点的功率谱图形中,为了更直观地观察不同位置的传感器接收信号的功率谱,在数据处理时对几个位置的数据功率谱幅值做归一化处理,同时为了观察频谱图的方便,对幅度进行了局部放大。

2 试验测试结果

经过计算机对数据的处理,可以得到试验数据的频谱图和时域波形,见图 2～4。

通过分析得出接收到的信号前段以纵波为主。由图 2可以看出,声波在钻杆中传播时间延迟。从激励端开始,越往后的钻杆接收到的信号越迟。由22节和 29节处的时域波形可知,22,29节处信号到达时间约为 27.25,29.15 ms,时间差为 1.9 ms,而两个传感器之间的距离大约为 9.73 m,可以得出纵波在钻杆中的传输速度大约为 5 121 m/s,与理论上声波在钢铁介质中的传输速度相符。

从图 3,4可以看出,充水后的时域波形的幅度较空气状态小,同时信号长度明显缩短。由此可以得出,充水后的传播损失比较大,信号拖尾较小,也就意味着通信距离会受较大的影响,充水后通信距离会缩短。拖尾小还意味着声速小,横波与表面波衰减更大。如第 19节处,空气状态时信号长度大约为 250 ms,充水状态时信号长度大约为 75 ms。

各频率点的幅值见图 5。由图 5知,频率越高衰减越快,高频信号与低频相比衰减较快。频率高于 5.5 kHz的信号幅度迅速减小。

图 4 20节钻杆充水状态激振器激励 0.955 kHz信号时域波形Fig.4 Ti me-doma i n waveform of 20 drill pipe urged by vibration generator for 0.955 kHz under water conditions

声波在钻杆中传播存在严重的色散现象。某一频率点的信号能激起其他频率上的信号,如图 6所示。在 30节钻杆充水压沙袋情况下 3.2 kHz的信号会由于色散产生频率为 3 kHz的幅度较大的信号。如果这些信号用于现场的数据传输,地面数据采集系统将无法辨别真实信号,造成数据的误差,因此这些由于色散而产生的频率点在实际中不能被采用。

声波在钻杆中传输的梳状滤波器结构可以在试验中得到验证。如图 7所示,当信号源发射0.5 kHz信号时,信号在钻杆中的传播衰减较小,可以较好地接收到该频率点的信号。可以接收到的信号频率有: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。但是由于高频信号衰减较快,在实际中尽量选择低频信号,如0.5 kHz频段。

以差分方程为理论基础,对理想钻杆进行瞬态分析,得到声波信号通过多根钻杆后的时延特性,经过理论计算得到 30节短钻杆的频带特性如图 8所示。由图 8可以看出,试验中得到的可以接收到的频率点几乎都在理论模型的通带范围之内。由于理论模型对钻杆的边界条件等进行了理想化假设,同时不考虑声波的传播损失问题,而且没有考虑实际工程中的外部条件 (如钻杆内充水)对声波传输的影响,所以与实际中的声波频带特性有一定的差异。

3 声波传输特性

(1)接收到的信号前段以声速快的纵波为主,其次是声速较慢的横波、表面波等。

(2)钻杆信道具有频率选择性,在有些频点上可以较好地传输信号,但有些频点上不能传输信号,同时,有些频率点的信号虽然能接收到,但是在其他频率激振时也会产生该信号,这种频率在实际中也不可取。

(3)理论分析的频带特性与试验测量的频带特性有较好的吻合性,说明理论模型有一定的参考价值。

(4)钻杆在充水时信号传播损失较大,信号传播拖尾较小;不充水时信号传播损失较小,信号拖尾较大。充水对纵波的影响小于对横波和表面波的。充水条件下通信距离较短,但通信速率较高;不充水条件下,通信距离可能较长,但通信速率较低。

4 信号的传播损失影响因素

声波沿钻杆传输过程中其信号强度将逐渐衰减,钻杆接箍、声波频率和周围介质的阻尼是造成衰减的主要原因。声波信号的传播损失可以分为钻杆内部吸收式衰减和接箍处反射式衰减,声波信号沿井内钻杆传输时其吸收式衰减原因主要是一部分声能量转换成分子热运动能量。

吸收式衰减规律可表示为

式中,w0为激发处声强度,W/m2;w为距激发源 l处声强度,W/m2;δ为衰减系数;l为传输长度,m;k为可变系数,对应不同的钻杆规格。

钻杆周围介质黏滞阻尼系数ρ和载波信号的频率 f对声波衰减系数δ的影响较大,衰减系数δ随黏滞系数ρ和传输信号频率 f的增大而变大。在钻杆充水且接箍处压沙袋状态下,钻杆周围介质的黏滞阻尼系数会变大,衰减系数相应增大,增加了声波信号传播损失。

反射式衰减主要是由于钻杆接箍处介质不连续造成的,由于声波被螺纹丝扣反射一部分之后,使可继续传输的透射声波的强度弱于入射声波,导致声波能量在传输过程中逐渐衰减。为了增大声波信号在钻杆的传输距离,应尽量增加激发处的声能量和提高折射系数,同时尽量降低衰减系数。通过试验分别测试声波在钻杆接箍紧密连接和松动连接两种状态下的衰减特性,结果显示在钻杆螺纹丝扣面紧密连接状态下的折射声能量相比于松动连接状态下的折射声能量大大提高。在激发处声能量增大和衰减系数减小有限度的情况下,螺纹丝扣面紧密连接并且冲洗清洁有利于声波信号的远传。

5 结束语

声波遥测技术是解决空气钻井和泡沫钻井的井底信息上传难题的有效方法,通过钻杆声波传输特性的测试试验,对声波的传输特性有了进一步了解,为研制声波遥测系统打下了良好的理论基础。在测量中发现传感器测量位置对接收到的信号有较大的影响,在今后的实际设计中,应该考虑多点接收,保证可靠地接收到发射的信号。

[1] 刘修善,苏义脑.地面信号下传系统的方案设计[J].石油学报,2001,21(6):88-92.

L I U Xiu-shan,SU Yi-nao.Scheme design of downward signaling system[J].Acta Petrolei Sinica,2001,21(6): 88-92.

[2] 任双双,刘刚,沈飞.空气钻井的应用发展[J].断块油气田,2006,13(6):62-64.

REN Shuang-shuang,L I U Gang,SHEN Fei.Application and development of air drilling[J].Fault-block Oil Gas Field,2006,13(6):62-64.

[3] 李志刚,管志川,王以法.基于钻杆信道的声波遥测的实验研究[C]//首届油气资源国际博士生学术论坛组委会.首届油气资源国际博士生学术论坛论文集.北京,2007:672-675.

[4] W I LL I AM H Cox,PRETON E Chaney.Telemetry system:US,4293936[P].1981.

[5] BARNES T G,KIRK WOOD B R.Passbands in acoustic transmission in idealized drill string[J].JASA,1972,75: 1606-1608.

[6] DRUMBELLER.The propagation of sound waves in drill strings[J].JASA,1995,97(4):2116-2125.

[7] CARCI OND,JOSE M Poletto,FLAV I O.Simulation of stresswaves in attenuating drill strings,including piezoelectric sources and sensors[J].JASA,2000,108(1): 53-64.

[8] GAO L,GARDNER W,et al.Limits on data communication along the drill string using acousticwaves[R].SPE 95490,2005.

[9] 李志刚,管志川,王以法.随钻声波遥测及其关键问题分析[J].石油矿场机械,2008,37(9):6-9.

L I Zhi-gang,GUAN Zhi-chuan,WANG Yi-fa.Acoustic telemetrywhile drilling and analysis on its key problems [J].Oil Field Equipment,2008,37(9):6-9.

[10] 李成,丁天怀.不连续边界因素对周期管结构声传输特性的影响[J].振动与冲击,2006,25(3):172-175.

L ICheng,D I NG Tian-huai. Influence of discontinuous bound aries on acoustic transmission in periodic cascade with application to drill pipes[J].Journal of Vibration and Shock,2006,25(3):172-175.

[11] 车小花,乔文孝,李俊.随钻测井钻柱声波的频谱特性[J].中国石油大学学报:自然科学版,2008,32 (6):66-70.

CHE Xiao-hua,Q I AO Wen-xiao,L I Jun.Acoustic spectral characteristics of drill string of logging while drilling[J].Journal of China University of Petroleum (Edition ofNatural Science),2008,32(6):66-70.

(编辑 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

山东省科技攻关重大专项(2005GG2107002)

马西庚(1957-),男(汉族),山东桓台人,教授,硕士生导师,主要从事信号与信息处理及油田自动化方面的研究。