尺寸差异钻杆组成的钻柱中声传播特性测试

第一作者刘永旺男，博士后，1983年3月生

通信作者管志川男，教授，博士生导师，1959年3月生

尺寸差异钻杆组成的钻柱中声传播特性测试

刘永旺1,管志川1,赵国山2,杜彬彬1,李致远1,蔡孟哲1,都振川2，王庆1

(1.中国石油大学(华东),山东青岛266580 2. 中石化胜利工程有限公司钻井工程技术公司,山东东营257064)

摘要：随钻实测信息声波传输技术是井下信息无线传输技术领域的一个重要研究方向。作为信息传输通道的钻柱是由尺寸存在差异的钻杆相连接构成，钻杆的尺寸差异对钻柱中声的传播是否存在影响是声载波选取及检测必须要了解的问题之一。建立了用于测试钻柱中声波传播特性的试验装置，对不同类型钻杆组成的钻柱中声波的传播特性进行了测试；利用基于声透层理论建立的钻柱中声传播特性研究模型对测试结果进行了理论分析。研究结果表明：组成钻柱的钻杆存在尺寸差异时，钻柱中声波传播特性有所改变，表现在通带的个数减少，有些通带消失，且通带的宽度变窄；尺寸存在差异的钻杆组成的钻柱中声衰减比周期性钻杆要大；低频通带声波受钻杆尺寸差异影响相对较小；存在着个别的排列方式，可以减小钻杆尺寸差异的影响。基于声透层理论的钻柱中声传播特性研究模型在计算前4个通带时较为准确。

关键词：声波传输；井下信息；尺寸差异；钻柱；测试

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目(51404285)；中国博士后科学基金面上资助项目(2014M551985)；国家高技术研究发展计划(863计划)主题项目(2012AA091601)；青岛市博士后研究人员应用研究项目(T1404028)

收稿日期：2013-11-08修改稿收到日期：2014-04-21

中图分类号:TE927

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.07.015

Abstract:The acoustic transmission of information, measured by MWD, is an important research direction of underground information wireless transmission technology. The drill string serving as information transmission channel was composed of size-difference drill pipes, so it is important to understand the relationship between the drill pipe size-difference and acoustic wave propagation characteristics in the column. That is related to the selection of sound carrier and detection measure. A test device for testing the drill string acoustic propagation characteristics was established, and relecant tests were carried out. The test results were analysed by using the model of sound propagation based on the acoustic permeable layer theory. The results show that: with the application of size-difference drill, the acoustic wave propagation characteristics of drill string will be changed, which behaves in the following aspects; the number of pass-bands reduces, some of the pass-bands disappear, and the pass-band width is narrowed; when acoustic waves propagate through the drill string composed of size-difference drill pipes, the attenuation is bigger than that through the cyclical drill. Less affected by differences in the drill pipe sizes are the low-frequency pass band acoustic waves; there is some arrangement with which the effect can be reduced. In the information carrier selection and testing, the impact of channel structure should be fully considered. The theoretical model of acoustic propagation is exact in the calculation of the first 4 pass-bands.

Tests for acoustic propagation characteristics in drill string composed of size-difference drill pipes

LIUYong-wang1,GUANZhi-chuan1,ZHAOGuo-shan2,DUBin-bin1,LIZhi-yuan1,CAIMeng-zhe1,DUZhen-chuan2,WANGQing1(1.China University of Petroleum(East china), Qingdao 266580, China;2. Shengli Drilling Engineering & Technology Company of Sinopec Shengli Engineering Co., Ltd., Dongying,257064,China)

Key words:acoustic transmission; down-hole information; size difference; drill-string; test

如何快速、高效的获取井下信息是科学化钻井实现过程中急需解决的问题之一[1]。随着MWD及LWD的研制及应用，测量井下各种参数已经成为现实，然而要想从地面获得这些参数，还需要一个专门的传输方法及传输信道来传输这些数据。井下信息无线传输技术是实现井下信息上传到地面的最重要手段之一，该技术主要包括钻井液泥浆脉冲传输技术、电磁波传输技术和正在研发的声波传输技术三种[2-6]。以钻井液泥浆脉冲传输技术使用最为广泛，该信息传输方式包括三种：正脉冲、负脉冲和连续波。虽说实现方式不同，但该技术存在着共同的局限性。首先，该技术对钻井液有依赖性，在欠平衡钻井、空气钻井、充气钻井等新钻井工艺中无法使用；其次，该方式传输的数据量及传输速度有限，无法达到快速、全面了解井下信息的目的。电磁波传输技术是目前现场使用的另一种无线传输技术，该技术可以应用于欠平衡钻井、空气钻井、充气钻井等新钻井工艺中，但该方式的地层适应性差，当地层电阻率较高时，该方式无法实现，并且该方式的传输速率亦不高[7-10]。井下信息声波传输方法是以钻柱作为声信号传输信道，以声波作为信息传输的载体，进行井下信息传输的方式，其优点是实现信息传输的设备结构简单、传输成本较低、传输的速率较快，易于定向发射等，而成为当前井下信息传输技术领域研究的热点之一[11-14]。然而，信息载波-声波在钻柱中的传播特性一直是学者们研究的热点，是关系井下信息声波传输方法成功实现与否的关键问题之一。学者道格拉斯、李成、赵国山等针对周期性钻柱中声的传播特性进行了大量研究，得出了大量有指导意义的成果[2,6,11,15]。然而组成钻柱的钻杆尺寸各异，钻杆的形式也不一，这对声传输的影响并未有深入的研究探讨[16]。管志川教授建立了非周期性钻柱中声传播特性计算方法[17-19]，但该方法为理论算法，其正确性有待于实验验证。基于此，笔者设计了试验系统、试验方法，对由存在尺寸差异钻杆组成的钻柱中声的传播特性进行了测试分析，以期对信息载波特性的选择及井下信息声波传输方法在现场的成功应用提供实验数据以理论参考。

1试验测试

1.1试验系统的构建

测试尺寸差异钻杆组成钻柱中声传播特性的试验系统是在中国石油大学(华东)自主研制的测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置的基础上改造完成的，实现了不同尺寸钻杆连接组成不同形式钻柱中声传播特性的测试。

试验装置包括模拟钻柱系统、声波发射系统、声波接收及处理系统和数据处理系统。钻柱系统由模拟钻杆及模拟钻铤组成。模拟钻杆的结构尺寸可以相同，也可以存在差异，模拟钻铤的结构尺寸亦可以相同，也可以存在差异。利用结构尺寸相同的钻杆或者钻铤可以组成周期性管串，模拟声波在周期性钻柱中传输及衰减的规律。利用尺寸存在差异的钻杆或钻铤组合可以模拟结构尺寸差异对声波在钻柱中传输及衰减的规律的影响。声波发射系统由换能器、任意波发生器组成。任意波发生器可以激励出正弦波、方波等各种波形的激励信号用于激励换能器产生振动，发射出需要的波。声波接收及处理系统由加速度计、加速度计转换接头、声接收信号传输电路、信号调理器、示波器组成。加速度计用于测量接收到的声波，并将其转化为电信号。通过加速度计转换接头、声接收信号传输电路传送到信号调理器调理；示波器用于显示接收到声信号。数据处理系统可以对接收到的信号进行记录，保存及时域和频域分析。测试尺寸差异钻杆组成钻柱中声传播特性的试验系统如图1所示。

1.换能器；2.模拟钻柱系统；3.加速度计；4.信号调理器； 5.示波器； 6.任意波发生器； 7.数据处理系统 图1　测试钻柱中声传播特性的试验系统 Fig.1 The system to test propagation characteristics of acoustic in drill string

1.2试验方案设计

(1)选择不同长度的模拟钻杆通过螺纹连接成模拟钻柱作为声波传输通道，钻杆的尺寸及参数参见图2所示；钻柱一端安装变幅杆并与声波发射换能器紧密胶结，钻柱另一端面以及钻柱接头的不同截面均可安装加速度计；

(2)声波发射换能器端施加激励信号电压幅值10 V，波形为正弦波；调节信号发生器的频率输出，加速度计端采集数据记录接收信号幅值以及波形；发射声波频率范围为100 Hz~15 kHz，频率每增加100 Hz记录一组数据。

图2　钻杆尺寸图 Fig.2 Simulated drill string size chart

对发射的正弦声波信号频率及幅值与接收到的声波信号频率与幅值之间的关系进行研究，从而获得声波的频谱特性。由于换能器本身具有滤波功能，即换能器存在谐振频率，当激励电压频率为谐振频率时，发射出的声波强度最强，在谐振频率以外的频率上，发射出的声波强度较低，所以取接收到的信号与发射出的信号的比值作为分析对象更具有可信性。

2结果与讨论

2.1相同尺寸钻杆组成的钻柱

为了分析组成钻柱的钻杆尺寸差异对声波传播特性的影响，先对由相同尺寸的钻杆组成的钻柱中声传特性进行实验分析。实验所用的钻柱为两种，钻柱1：由十根长度为1 m的钻杆组成，钻柱2：由7根长度为1.5 m的钻杆组成，按照上述的实验方案，测得声传输特性曲线如图3所示。

图3　同尺寸钻杆组成钻柱中声传特性 Fig.3 Propagation characteristics of acoustic in drill string consisted by the same drill pipe

从图3可以看出：

(1)尺寸相同钻杆组成的钻柱中声传播存在通带与阻带，且通阻带交替分布。

(2)实测高频段声传播的频谱特性曲线表现出较强的衰减特性，即随着发射声波频率的升高，通带与阻带的差异减小，当频率超过一定值时，通带消失，声波完全被吸收；且并未出现理论计算结果所述的在一个频带周期内随着频率的增加，通带先变窄再变宽，阻带则先变宽再变窄，频带周期重复出现的性质。

(3)随着组成钻柱的钻杆本体长度的增加，实测的钻柱频谱特性曲线中通带向低频端移动，通带与阻带数量变多，其宽度变窄。

2.2尺寸差异钻杆组成的钻柱

利用1m长钻杆和1.5m长钻杆组合构成了不同类型的模拟钻柱，并对声波在钻柱中的传播特性进行了测试。模拟钻柱结构如下所示：

模拟钻柱1：1.5 m钻杆3根+1.0 m钻杆1根+1.5 m钻杆3根；

模拟钻柱2：1.5 m钻杆2根+1.0 m钻杆3根+1.5 m钻杆2根；

模拟钻柱3：1.5 m钻杆2根+1.0 m钻杆2根+1.5 m钻杆2根；

模拟钻柱4：1.5 m钻杆2根+1.0 m钻杆1根+1.5 m钻杆2根；

模拟钻柱5：1.5m钻杆1根+1.0m钻杆3根+1.5m钻杆1根。

取接收到的信号与发射出的信号的比值作为分析对象，测得声传输特性曲线如图4所示。

图4　不同尺寸钻杆组成钻柱中声传特性 Fig. 4 Propagation characteristics of acoustic in drill string consisted by the different drill pipe

由图4可以看出：

(1)相同长度的钻柱，其构成钻杆排列方式存在差异时，声波在钻柱中的传播特性存在着差异，具体表现在通带的数量、通带的位置及通带的带宽差异。

(2)当组成钻柱的钻杆尺寸存在差异时，存在通带消失的现象，低频区域(小于2 kHz)的频段，无论钻杆尺寸如何变化，钻柱结构如何构成，均存在稳定的通带；随着频率的升高，通带分布受钻柱结构影响更加明显，且无明显规律。

2.3实测不同钻柱声传播特性对比

为了进一步分析钻柱构成对声传播特性的影响，对比图3和图4，通过对比可以看出：组成钻柱的钻杆尺寸差异对钻柱中声传播特性影响较大，具体表现在声波在无尺寸差异钻杆组成的钻柱中传输时，存在通带与阻带；而且通带与阻带交替分布；随着频率增加，处于通带的声波衰减亦增加；当频率超过一定值时，声波全部衰减，无通带再出现；当组成钻柱的钻杆仅长度增加时，上述特点仍存在，但传输特性也表现出了新的特点，即呈现出通带变窄并且向低频段移动的现象。

然而，声波在不同钻杆随机组合构成的钻柱中传播时，其低频通带比较明显。但其高频通带的数量明显减少，且通带位置也出是随机无规律的，既不是无尺寸差异钻杆组成的钻柱中通带位置，也不是两种单一尺寸钻杆构成的钻柱通带交集。另外，不同钻柱组合情况下，组合4和组合5中的通带数目较多，这说明存在较好的组合，有利于声波通过钻柱，具体最佳组合方式及声传播规律有待于进一步研究。

3测试结果的理论机理

3.1基本理论模型

为了探索声波在存在尺寸差异钻杆组成的钻柱中传播特性的产生机理，建立了实用钻柱组合模型，并利用该模型对实验测试所用的钻柱中声波传播特性进行了计算和分析。

图5　实用钻柱组合模型结构示意图 Fig.5 Model of complex drillstring

实用钻柱组合模型结构分析模型结构如图5所示[17-19]，其中a为截面积，d为长度，下标(1,2,…,n-1,n)表示钻柱组成钻杆和接头所在位置编号，如图5各段结构尺寸分别为a1和d1、a2和d2、…、dn和dn，结构中钻杆和接头连接处的界面是关键位置，各界面距离图5最左端x=0界面的距离分别为：D1=d1、D2=d1+d2、…、Dn=d1+d2+…+dn。

位移方程[22]：

(1)

ω=2πf

(2)

式中，u为声波在钻柱中传输的位移，m；ut和ur分别表示入射波和反射波位移的法向分量，m；ω为角频率，rad/s；f为频率，Hz；。

横截面上的轴向力[23-24]：

(3)

式中，F为横截面上的轴向力，N；a为截面积，m2；c为纵波声速，m/s；ρ为密度，kg/m3。

钻杆和接头的界面上满足：位移的法向分量和法向作用力连续。设计算的模拟钻柱两端为吸收边界，即忽略多重反射的影响，根据基于声透层理论建立的钻柱中声传播的频谱特性分析方程，得出在不同界面透射及反射系数关系方程为[17]：

(4)

式中，tn和rn分别为透射和反射系数。

式(4)中：

(5)

(6)

式中，a为截面积，m2；j为虚数单位；k为波数；

3.2同尺寸钻杆组成的钻柱中声传播特性分析

利用式(4)~式(6)对由相同尺寸的钻杆组成的钻柱进行分析，并与实验测试结果进行比对分析。图6(a)为1.0 m长钻杆连接组成的钻柱在20 kHz范围内透射系数图，图6(b)为1.5 m长钻杆连接组成的钻柱在20 kHz范围内透射系数图。分析的钻柱均由25根钻杆组成。

图6　钻柱透射系数图 Fig.6 Transmittance map of drill string

对比图3和图6可以看出：

(1)实测钻柱声波传播特性曲线与理论计算钻柱频谱特性曲线具有一定的相似，存在着衰减相对较小的频带与衰减较大的频带，即通带和阻带，通带与阻带交替分布。

(2)实测钻柱声波传播特性曲线的前四个通带位置与理论计算钻柱频谱特性曲线非常接近，当发射声波的频率大于某一值时(第四通带之后)，实测钻柱声波传播特性曲线与理论计算钻柱频谱特性曲线出现较大的差异，表现在：通带位置差异，实测钻柱声波传播特性曲线仍然出现通带遇阻带交替分布的规律，但通带与阻带的位置与理论计算结果不吻合。通带声波的透射情况差异明显，实测钻柱声波传播特性曲线在大于10 kHz的高频带，出现了衰减，且衰减幅度随着频率的增加而衰减严重，与理论计算的透射系数差异明显。上面规律说明利用理论方法分析钻杆结构的频谱特性在前四个通带具有较强的实用性，而高频端，理论方法分析钻杆结构的频谱特性与试验结果差异较大，显示选频应该更多的依仗于实验的结果。

3.3不同尺寸钻杆组成的钻柱中声传播特性分析

同样，基于式(4)~式(6)对由不同尺寸的钻杆组成的钻柱进行分析，并与实验测试结果进行比对分析。图7(a)为1.0 m长钻杆和1.5 m长钻杆交错连接组成的钻柱在20 kHz范围内透射系数图，图7(b)为1.0 m长钻杆和1.5 m长钻杆随随机连接组成的钻柱在20 kHz范围内透射系数图。分析的钻柱均由25根钻杆组成。

图7　两种钻柱尺寸不同排列的钻柱透射系数图 Fig.7 Transmittance map of drill string with two kinds of drill pipe size

通过图7可以看出：钻杆本体长度不一致时，通带将变窄，甚至在一个频带周期的中心频率附近出现完全阻带，声传输性能变差。钻柱本体长度上的非周期性的结构复杂程度加重时，钻柱声传输性能降低程度加剧，表现为通带的数目减少和通带宽度减小程度加剧。这些规律与图4呈现的规律具有很大的一致性，说明了理论分析在一定情况先能够反映实际声传播规律。

4结论

(1)组成钻柱的钻杆结构差异对声传播特性存在明显影响。表现在：随着钻柱结构的复杂程度增加，通带数量减少，且宽度也降低，甚至有些通带直接消失。

(2)钻杆结构差异对声传播特性影响随着声波频率变化而变化。低频声波受影响较小，在低频端仍存在稳定的通带，随着频率的增加，钻杆结构差异对低频声波影响加剧。

(3)针对特定的钻杆，存在较好的组合方式可以降低声衰减幅度，并且保障存在较宽的通带以利于钻柱中声传输方式。最优组合方式的选择，有待于进一步研究。

(4)通过理论分析与实际测量结果分析比对发现，理论方法无论是计算及分析结构存在差异钻杆组成的钻柱及结构无差异钻杆组成的钻柱中声传播特性，在前四个通带均具有较好的适用性。说明理论计算方法可以为井下信息声波传输技术声载波的选取及识别提供理论依据及指导。

参考文献

[1]刘永旺. 井下信息声波传输系统理论与方法研究[D].青岛：中国石油大学(华东)石油工程学院，2013.05.

[2]Drumheller D S. Acoustical properties of drill strings[J]．Journal of the Acoustical Society of America,1989, 85:1048-1064.

[3]Gao L，Gardner W，Robbins C，et al． Limits on data communication along the drillstring using acoustic waves[R].SPE 95490，2005.

[4]Farraj A K, Miller S L, Qaraqe K A. Channel characterization for acoustic downhole communication systems [R]. SPE 158939，2012.

[5]Heisig G, Sancho J, Macpherson J D. Dowhole diagnosis of drilling dynamics data provides new level drilling process[J]. JPT, 1999, 5(2): 38-39.

[6]Drumheller D S. Acoustic telemetry study to improve drilling data[J]. JPT, 1993, 45(11): 1032.

[7]高文凯，窦修荣，闫国兴. 随钻声波传输的信道特性研究[J].石油钻探技术，2013，41(4)：27-31.

GAO Wen-kai,DOU Xiu-rong,YAN Guo-xing.Channel characteristics of acoustic telemetry while drilling[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(4):27-31.

[8]Carcioone J M,Poletto F.Simulation of stress waves in attenuating drill strings,including piezoelectric sources and sensors[J].Journal of the Acoustical Society of America,2000,108(1): 53-64.

[9]Shah V V, Linyaev E J, Kyle D G, et al. Low frequency acoustic attenuator for use in downhole applications[P]. US 7210555, 2007.

[10]Reeves M E, Camwell P L, McRory J. High speed acoustic telemetry network enables real-time along string measurements greatly reducing drilling risk[R]. Paper SPE 145566,2011.

[11]赵国山. 钻柱中声传播特性的理论及实验研究[D].青岛：中国石油大学(华东)石油工程学院，2010.12.

[12]赵国山，管志川，刘永旺. 声波在钻柱中的传播特性[J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2010, 34(1)：55-59.

ZHAO Guo-shan，GUAN Zhi-chuan，LIU Yong-wang. Acoustic transmission properties in drill string[J]. Journal of the University of Petroleum(Edition of Natural Science)， 2010，34(1):55-59.

[13]刘永旺，管志川，隆志强,等. 钻柱中声传播的影响因素[J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2012，36(5)：89-95.

LIU Yong-wang, GUAN Zhi-chuan, LONG Zhi-qiang, et al. Influence factors of acoustic transmission in drill strings [J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2012, 36(5): 89-95.

[14]刘永旺，管志川，隆志强,等. 正弦声信号在钻柱中传播的有限差分法模拟[J].噪声与振动控制，2012，32(5)：21-25.

LIU Yong-wang, GUAN Zhi-Chuan, LONG Zhi-qiang, et al. Finite difference method simulation of the sinusoidal acoustic signal propagation in drill string structure [J]. Noise and Vibration Control, 2012，32(5)：21-25.

[15]李成，井中武，樊尚春,等. 钻柱内声传输特性的信道建模与分析[J].振动、测试与诊断，2013，33(3)：405-409.

LI Cheng, JING Zhong-wu, FAN Shang-chun, et al. Modeling and analysis of acoustic transmission characteristics in drilling-string [J]. Journal of Vibration,Measurement & Diagnosis，2013，33(3)：405-409.

[16]张美玲，闫向宏，刘文丽,等. 非周期型理想钻柱系统声传播特性研究[J].振动与冲击,2012,31(1):72-75.

ZHANG Mei-ling，YAN Xiang-hong，LIU Wen-li et al. Propagation characteristics of acoustic wave along a non-periodic ideal drill string system[J].Journal of Vibration and Shock, 2012,31(1):72-75.

[17]管志川，刘永旺，赵国山,等. 钻柱结构对声波传输特性的影响 [J]. 石油学报，2012, 33(4):687-691.

GUAN Zhi-chuan, LIU Yong-wang, ZHAO Guo-shan, et al. An influence of the drill-string structure diversity on acoustic transmission characteristic[J]. Acta Petrolei Sinica, 2012, 33(4):687-691.

[18]赵国山，管志川，都振川,等. 井下钻柱信道的声传播特性 [J]. 石油学报，2013, 34(1),:151-156.

ZHAO Guo-shan, GUAN Zhi-chuan,DU Zhen-chuan, et al. Acoustic propagation characteristics of the communication channel of downhole drill-string [J]. Acta Petrolei Sinica, 2013, 34(1):151-156.

[19]LIU Yong-wang, GUAN Zhi-chuan, LONG Zhi-qiang.Mathematical simulation of stress wave propagation in drill-string based on finite difference method[J].International Journal of Petroleum Science and Technology, 2013, 7(1):99-110.