钻杆声波传输对可调脉宽驱动的敏感性研究

高 理，程为彬，满荣娟，李 杰

(西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065)



钻杆声波传输对可调脉宽驱动的敏感性研究

高 理，程为彬，满荣娟，李 杰

(西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065)

设计了一种占空比可调的激振器驱动电路，并对短距离钻杆进行声波传输试验,研究占空比可调的脉冲驱动信号对单钻杆声波传输特性的影响。脉冲信号频率不同时，调节驱动信号的占空比从10%到90%变化，利用压电传感器接收传输信号。测试数据分析表明：所设计的电路可以输出占空比任意调节的驱动信号，且占空比在20%～30%时钻杆声波信号传输效果较好。

声波传输；钻杆；脉冲波；占空比

高理，程为彬，满荣娟，等.钻杆声波传输对可调脉宽驱动的敏感性研究[J].西安石油大学学报(自然科学版)，2016，31(6)：104-107.

GAO Li,CHENG Weibin,MAN Rongjuan,et al.Study on sensitivity of drill pipe sound wave transmission to the adjustable pulse width driving[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(6):104-107.

引 言

旋转导向钻井技术是现代钻井技术的发展方向，该技术主要包括旋转导向钻井工具系统、地面监控系统和双向通讯技术。旋转导向钻井工具将近钻头处传感器测得的井斜角、方位角和工具面角等参数通过短程通讯传输到随钻测量系统MWD(Measure While Drilling)，再由上传通道传输到地面监控平台。井下短程通讯是旋转导向钻井工具系统中的一项关键技术，由于传感器与MWD被井下马达隔开，传感器无法用线缆与MWD连接，因此需要采用一种高速、准确的无线通讯技术[1]。

井下信号无线传输的方法有电磁波法和声波法。电磁波信号在岩石中衰减严重，易受钻井设备和低电阻岩石的干扰，信号的探测和接收比较困难[2-3]。钻杆中的声波通讯是以刚性管壁为传播介质、以声波为信号载体进行井下数据信号的传输。声波传输方式不受钻井介质、地层等外界条件的限制，具有激励简单、传输介质稳定和成本较低的优点，为井下信息高速传输提供有利条件，是井下短程通讯的新尝试[4-5]。目前，声波传输技术在国外已通过现场测试，处于半商业化状态[6-8]，而国内在该领域还处于实验室研究阶段。

声波信号在钻杆中传输存在衰减，为了优化短距离声波传输特性，本文设计占空比可调的激振器驱动电路，研究单钻杆声波传输信号对驱动信号占空比的敏感性。

1 试验装置

钻杆声波传输试验装置模拟近钻头处到MWD的声波传输，如图1所示，主要由声波激励部分和声波接收部分组成， 激振器驱动电路产生可编程脉冲波驱动激振器激励钻杆，将脉冲波的电压信号转换成机械振动激励钻杆产生声波信号。声波接收部分由压电传感器、电荷放大器和示波器组成，声波信号在长1.28 m的刚性单钻杆中进行传输，压电传感器在钻杆另一端接收信号，并通过电荷放大器后在示波器上显示、存储信号波形。对脉冲波的频率和占空比进行编程设置，以测试不同频率下传输特性对脉冲波占空比的敏感特征。

图1 声波传输试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram for acoustic transmission test device

2 激振器驱动电路的设计

激振器驱动电路的设计是声波传输试验装置的重要部分，其结构框图如图2所示，激振器驱动电路主要包括单片机系统电路、显示电路、键盘电路、功率放大电路和电源电路。

图2 激振器驱动电路结构框图Fig.2 Block diagram for vibration exciter drive circuit

单片机系统利用定时器中断方式产生可编程的脉冲信号，LCD实时显示脉冲信号的频率和占空比，使用1602液晶分别显示输出状态、参数名称、参数代码和数据4个模块。键盘电路设计参数选择键、递增键、移位键和确认键与I/O端口连接，4个按键配合使用设置脉冲信号频率和占空比的大小。单片机输出的脉冲信号没有带载能力，使用功放芯片LM3886驱动激振器正常工作，LM3886外围电路连接简单，是同向比例放大电路。电源电路为整个激振器驱动电路提供直流电压信号。

脉冲信号的占空比是通过单片机输出高低电平时间来改变的，由设置的频率和占空比计算Ton、Toff。在Keil软件编程中使用定时器中断子程序，采用定时器工作方式1，给定时器赋初值TH0=(65536-Ton)/256、TL0=(65536-Ton)%256，定时时间到产生中断，输出信号取反，重新给定时器赋初值TH0、TL0，中断循环 I/O口输出占空比和频率可调的脉冲信号。

试验测试时，驱动激振器的频率可调范围为1～100 Hz，步进为1 Hz；占空比的可调范围为1%～99%，步进为1%。

3 声波敏感性试验研究

试验过程中，激振器置于与刚性单钻杆中心轴垂直的径向位置，接收端采用径向接收方式，钻杆无螺纹连接，长度1.28 m，质量41 kg，外径140 mm，内径120 mm，管壁厚10 mm[9]，激励头与钻杆表面相距0.8 mm。

3.1 恒频调占空比测试

以电压Vpp=3.8 V脉冲信号驱动激振器激励钻杆，信号的频率为15 Hz时，调节信号的占空比从10%增大到90%，不同占空比驱动时接收信号电压幅值如表1所示。

由表1可知，相同驱动电压、驱动频率下，传输信号电压幅值随着占空比增大呈现非线性变化，占空比在30%信号幅值最大，70%信号幅值最小，声波传输信号幅值对不同占空比具有不同的敏感性。

表1 15 Hz时不同占空比接收信号电压幅值Tab.1 Voltage amplitudes of receiving signal under different duty ratios at 15 Hz

3.2 不同频率下可变占空比测试

驱动电压幅值不变，调节脉冲信号的频率从3 Hz逐步升高到41 Hz，固定频率调节信号的占空比从10%到90%变化，进行测试，可得声波接收信号幅值与脉冲驱动信号频率、占空比关系如图3所示。

图3 接收信号幅值与脉冲频率、占空比关系Fig.3 Relationship between voltage amplitude of receiving signal and pulse frequency and duty ratio

由图3可知：①驱动信号频率恒定而占空比增大时，接收信号幅值不存在单调性，在占空比可调范围内存在最大值和最小值，声波传输信号对不同占空比的敏感性不同。②驱动信号占空比恒定，接收信号幅值随着频率增大而增大，声波传输信号对较大频率激励信号的占空比比较敏感。③频率从3 Hz增大到41 Hz，综合考虑，占空比在20%～30%时声波传输信号效果较好。

4 结 论

(1)设计的激振器驱动电路可以产生占空比、频率可调的脉冲信号，试验验证了该电路可以应用于短距离钻杆声波传输系统中。

(2)通过恒频调占空比与不同频率下调占空比试验测试，声波传输对驱动信号的不同占空比敏感性不同，对较大频率驱动信号的占空比比较敏感。

(3)在不同频率下，20%～30%是钻杆声波传输的最佳驱动信号占空比，可选择作为短距离钻杆声波传输时脉冲波的占空比。

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责任编辑：董 瑾

Study on Sensitivity of Drill Pipe Sound Wave Transmission to the Adjustable Pulse Width Driving

GAO Li,CHENG Weibin,MAN Rongjuan,LI Jie

(College of Electronic Engineering,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,Shaanxi,China)

A vibration exciter driving circuit with variable duty ratio was designed and its acoustic transmission experiment of short drill pipe was finished to study the effect of the pulse drive signal with variable duty ratio on the single drill pipe acoustic transmission characteristics.When the frequency of pulse is different,the duty ratio of the pulse signal is changed from 10% to 90%,and the transmission signal is received by the piezoelectric sensor.The analysis of test data shows that the designed circuit can output the driving signal with the variable duty ratio,and the transmission effect of the drill pipe acoustic signal is better when the duty ratio is in the range of 20%～30%.

acoustic transmission;drill pipe;pulse;duty ratio

2015-12-10

国家自然科学基金项目(编号：61174191)；陕西省工业攻关计划(编号：2013K07-14)；西安市科技计划项目“井下短距离无线数据传输技术开发”(编号：CX1260①)

高理(1971-)，女，工程师，硕士，主要从事信号与信息处理研究。E-mail：lgao@xsyu.edu.cn

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.06.016

TE921

1673-064X(2016)06-0104-04

A