（油气井工程专业论文）超声波在泥浆中的传输规律研究.pdf

s t u d y o i lt h el a wo fu l t r a s o n i ct r a n s m i s s i o ni nm u df l u i d n i es h i - j u n ( o i l & g a sw 色ue n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gy i - f a a b s t r a e t s i n c e1 9 9 0 s ，t h et e c h n o l o g yo f d o w n h o l ed r i l l i n gm e a s u r e m e n th a v em a d e s i g n i f i c a n tp r o g r e s sa sam a j o rd r i l l i n gt e c h n o l o g y a l t h o u g hi t s n ol o n g e r d i f f i c u l tt ot h em e a s u r e m e n to fr e a l - t i m es i g n a la c q u i s i t i o na n dg r o u n ds i g n a l p r o c e s s i n g ，i ti st h ek e yt or e s t r i c t i n gd o w n h o l et e l e m e t r yt e c h n o l o g yt h a tm a k e t h eu n d e r g r o u n ds i g n a lt r a n s m i s s i o nw i t hl o n gd i s t a n c e ，t w o - w a y , r a p i d l y t h r o u g he x p l o r a t i o na n dc o m p a r i s o no ff o u rs i g n a lt r a n s m i s s i o nw a y s - - m u d p u l s ep r e s s u r e ，e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s m i s s i o n , a c o u s t i ct r a n s m i s s i o na n dc a b l eo r d r i l lp i p et r a n s m i s s i o n , w ek n o wt h a ts i g n a lt r a n s m i s s i o nw a y sa n dt r a n s m i s s i o n c h a n n e la mt h e k e yt o s o l v e t h eu n d e r g r o u n ds i g n a lt r a n s m i s s i o nw i t h l l i g h - s p e e d m e a n w h i l e ，p o i n tt h a tu l t r a s o n i cs i 酬w i t has t r o n gd i r e c t i o n , h i g h e re n e r g ya n dt h eg o o dc h a r a c t e r i s t i c so f c l u s t e rc a nm a k es h o r tt r a n s m i t sb y m u d d yc h a n n e l b a s e do n u l t r a s o n i c t h e o r y , a n a l y s i st h e t r a n s m i s s i o no f u l t r a s o n i c s i g n a l sl a w s ，d y n a m i ct r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em a i n f a c t o r sa f f e c t i n gs i g n a la t t e n u a t i o ni nf l u i d b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w ek n o wt h e t r a n s m i s s i o n so fu l t r a s o u i ca t t e n u a t i o ni nm u da r ct r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，m u d v i s c o s i t y , m u dd e n s i t y , m u ds o l i dp a r t i c l e s ( s i z e ) ，a n dt h eu l t r a s o n i cf r e q u e n c y b u tt h eb i g g e s tc a u s eo fu l t r a s o n i ca t t e n u a t i o ni st h em u dv i s c o s i t y , i ta c c o u n t s f o rm o r et h a n8 0 o ft h et o t a la m o u n to fa t t e n u a t i o n t of u r t h e ru n d e r s t a n d i n g a n da w a r e n e s so ft h e s ea t t e n u a t i o nf a c t o r sa n da t t e n u a t i o nm e c h a n i s m ，d e s i g na g r o u n d b a s e ds i m u l a t i o n f o r t e s t i n gt r a n s m i s s i o no fu l t r a s o n i cs i g n a l si n d i f f e r e n tm u d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a ti ti s e n t i r e l yp o s s i b l et ou l t r a s o n i ca c h i e v eas h o r td i s t a n c et r a n s m i s s i o ni nd o w n h o l e f i n a l l y , t h ea r t i c l ep o i n to u tt h a tu l t r a s o n i cc a l ln o ta c h i e v el o n gt r a n s m i s s i o ni n f l u i d ，p a r t i c u l a r l yi nm u d , b e c a u s et h eu n d e r g r o u n dc o m p l e xe n v i r o n m e n ta n d m u dc h a r a c t e r i s t i c s ，u n l e s st h ea c o u s t i cr e p e a t e r sw c l ei n s t a l l e da tac e r t a i n d i s t a n c eo nd r i l ls t r i n g ，b u ti tw i l li n c r e a s et h ec o s ta n di n s t a b i l i t y k e yw o r d s ：d r i l l i n g ，u l t r a s o n i c ，m e s s a g et r a n s m i s s i o n , m l l df l u i d ，r u l e p r a c t i c a l 中国石油大学( 华东) 硕七论文符号索5 主要符号索引 卜声扰动引起的声压，p 日； p 口一媒质的静态压强，p 。； _ l l 一媒质中质点速度，m s ： 1 协一质点的初速度，m s ； 甜一媒质中声速，m s ： 孛一质点振动位移，m ； 靠一质点振动的初始位移，m ； 乒一质点的位移，m ； j 声波波长，m ； , 1 1 p - - - - - 媒质的密度增量，k g m 3 p 口一媒质的静态密度，k g m 3 ： 卜时间坐标； 卜- x 轴坐标； k 管筒径向坐标； 弘研究对象的体积，m 3 ； 4 声扰动引起体积的相对变化，无量纲； p 口一声振动的初始声压，p a ； k 卜一液体的绝热体积弹性系数，k g c m 2 ； 卜泥浆的粘滞力，p a ： k 媒质的密度，k g m ； p 一媒质中声传播速度，m s ； 。声简谐振动的圆周频率，s ； 4 声振幅，v ； p ，_ 声传播引起的声密度增量，k g m 3 ； 8 ，- 一液体的绝热体积压缩系数，e m 2 ，k g ； 尽一波数，无量纲； 中国石油大学( 华东) 硕士论文符号索g 野一流体的粘度，m p a s ： 丁l 流体的粘滞力，p b ； p 一单位面积上的粘滞力，p a ； 珥，一粘性流体下的吸收系数，m 1 ： 钟一热传导引起的声吸收系数，m 1 ； 一附加衰减系数，m 1 ： 卜热传导系数，w m ； c l r 一定容比热，k j k g ； c 卜定压比热，k j k g ； 7 二一超声波频率，h z ： p 广入射声波的声压，p 。； 口广_ 散射声波的声压，p a ； 口，声散射引起的衰减系数，m ； f 一散射体积，l 一； 局散射体周围介质( 流体) 的体积弹性模量，k g e m 2 , 七r 散射体的体积弹性模量，k g c m 2 ； p l 散射体周围介质( 流体) 的密度，k g m 3 ； p r 散射体的密度，k g m 3 ： 口散射波传播方向和散射方向的夹角，( o ) ； 仁散射体的当量直径，m ； 口超声波衰减平均因子，无量纲； 扛一定热比率，无量纲； k 超声波的周期，s t k 超声波的脉冲宽度，_ n s ； o _ 号采样频率，h z ： ，一信号的最高采样频率，h z ； 盘信号检测频率，h z 。 独创性声明 本人声明所呈交的论文是个人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何其他个人己经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得中国 石油大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名： 驴珏r 月，日 i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 生有权保留送交论文的复印件及电子邮件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 口蒜f 月日 f 御年厂月日 j 辽 一 七一。乏一 盟瑶蛐平 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 第l 章前言 众所周知，石油、天然气是国家重要的能源和战略物资，也是国家经 济发展的动力。随着世界能源需求的增长和油气资源后备储量减少、许多 油气藏逐渐衰竭的矛盾加剧，提高油气产量，开发复杂油气藏成为石油公 司的关注点。而油气钻井在油气增储、上产中居重要位置，它不但能发现 新的油气藏，还能为提高单井油气产量提高贡献因子。因此为适应现代油 气勘探开发需要采用先进的钻井技术，如导向钻井、自动化钻井技术等。 毫无疑问，钻井技术的发展将以信息化、智能化、自动化为特点，其 效益将依赖于并主要产生于信息领域。不可否认，自动化、信息化将给石 油公司创造巨大的经济效益，估计会节约开支2 5 ，节约时间4 0 “。在自 动化钻井阶段，井下采集的数据将实时、长距离地送到地面信号处理系统 中，由电脑进行自动处理或将数据资料传输给不同地点的专家进行分析、 决策；同时，在井筒通讯中，能准确地将各种作业指令发送给井下执行机 构，以实现安全、快速的钻井。随着空中和水下自动制导技术日臻完善， 地下自动制导技术，即以地质导向技术为基础的自动化钻井技术也必将在 石油钻井中取得突破性的进展。界时各种复杂结构井和特殊目标井都能钻， 而且在质量上满足勘探开发的要求，在工程上满足安全、高效作业要求， 真正做到“要钻就钻，钻无不克”的局面。 1 1 课题的提出 2 0 世纪5 0 年代初，石油钻井由经验钻井步入科学化钻井时期，特别是 在2 0 世纪8 0 年代中至目前的科学化钻井后期阶段，呈现以信息化、智能 化、模块化为特点的导向钻井技术向自动化钻井技术迈进的主要特征，其 主要技术成就有“1 ： ( 1 ) 井下信息检测技术的发展，如随钻测量( m w d ) 、随钻测井( l w d ) 、 随钻地震( s w d ) 、随钻地层评价( f e 姗d ) 和钻井动态数据实时测量等。 ( 2 ) 井下导向和井下闭环钻井系统的开发。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 ( 3 ) 有利于发现新油气层和提高油田采收率的新钻井技术和方法的发 展，如欠平衡钻井、水平井钻井、多分支井钻井及连续油管钻井等。 无论是常规定向钻井、还是导向钻井和发展中的自动化钻井，都离 不开井眼轨迹的测量和监测，且要尽可能的保证实时测量和控制。但目 前井下测量是在距井底钻头位置1 0 3 0 m 的间距内，其测量参数用于轨迹 计算和确定井眼空间位置，预测井眼轨迹的变化。随着造斜工具造斜能 力提高，测量仪器的滞后性使计算误差越来越大，准确地确定钻头位置 越来越困难。此外为增大油藏在井眼中的裸露面积，提高油气产量，需 要钻头准确的钻穿储层，这就要求准确确定井眼的相对位置。伴随国内 油田勘探开发的深入，薄油藏、断块油藏、边际油藏、剩余油藏等难动 用储量的大规模开发，对轨迹控制精度要求日益提高，而普通的随钻测 量仪器因测斜点滞后性已经不能完全满足实际需要。因此有必要研究开 发近钻头无线随钻测斜技术，解决测斜点滞后钻头的问题，缩短测点距 钻头的距离，避免因测量产生误差，准确提供钻头位置，提高井眼轨迹 的预测和控制能力。 要实现近钻头测量，其关键之一是保证测量的参数信号能够快速、准确、 高效地实现上传下送：为地面的计算机系统提供源信号，为井下控制机构 发送控制信号。目前几种井下信号传输方式中以泥浆压力脉冲应用最广泛、 最成熟，但速度慢、信道窄等特点，但其井下信号的双向、快速传输仍是 制约实时获取井下信息的障碍。要真正突破“上天容易，入地难”的关键 环节之一就是选择合适的信号传输方式和传输途径，保证井下信息流在井 筒中的畅通。鉴于此目的，中石化胜利油田工程技术井公司在国内外广泛 调研和大量论证的情况下，提出了利用超声波作为信号载体进行井下参数 信号的短距离传输，达到近钻头测量的目的，以获取更为准确的地质和工 程参数。本论文是该课题的引伸工作超声波在泥浆中的传输，拟通过 理论和实验研究超声波在井筒泥浆中传输信号的规律和影响因素，弄清超 声波信号在井筒中的衰减规律和动态传输特性，为超声波短传的实现提供 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 理论支持。 1 2 井下信号传输的现状 随钻测量是提供井下信息最重要的技术。在过去1 0 多年中，随钻测量 技术取得了重要进步0 1 ：( 1 ) 随钻测量具备了随钻测井及地质导向的能力； ( 2 ) 随钻定向测量及测井工具更加接近钻头了，可以更快、更准地获取数 据，从而提高钻井实时决策的准确性和能力；( 3 ) 先进的数据传输技术得 到较快的发展和应用，如电磁波技术、有线电缆技术、信号处理技术等。 上世纪3 0 年代就开始了随钻测量技术的理论和试验研究嘲。1 9 3 9 年使 用电缆的电测系统取得成功。1 9 6 3 年j j a r p s 发明了泥浆压力脉冲的传输 方法使随钻测量技术取得了突破性进展。1 9 6 4 年t e l e d r i f t 设计制造了第 一个机械式泥浆压力脉冲系统，并用于定向信息传输。1 9 7 0 井下马达、导 向钻具定向测量的电缆系统出现。1 9 7 7 年泥浆压力脉冲传输信息的随钻测 量系统日趋成熟，并具备商业应用价值。1 9 7 8 年t e l e c o 公司首先批量生产 泥浆压力脉冲随钻测量系统并投入现场使用。1 9 8 0 年s c h l u m b e r g e r 生产了 第一套比较实用的随钻测量系统，并在现场获得巨大成功。与此同时，井 下测量系统和地面信号处理系统日渐成熟，进一步促进了随钻测量技术的 发展。2 0 世纪8 0 年代初期，泥浆压力脉冲传输的无线随钻测量技术在世界 范围内广泛推广使用，并从此成为井下信号传输的主力军。 2 0 世纪8 0 年代中，第一次在钻定向井中使用m w d ，它与近钻头测斜器 ( m n b ) 配合使用，可以随钻测得井斜角和方位角，求出井眼实时偏差矢量， 实现了几何导向。8 0 年代末随钻测井仪( l w d ) 问世，它可进行实时地面传 输和井下信号芯片内存储“。1 ”。9 0 年代，美国、法国、俄罗斯和澳大利亚等 国对随钻地震技术( s w d ) 研究取得了实用性成果“。目前，现场随钻测 量主要包括随钻测量( d ，e m 一删d ) 、随钻测井( l 1 v d ) 和随钻地震( s w d ) 。 m w d 与m n b 是实现几何导向的必要手段；l w d 可以随钻测得电阻、中子、密 度及y 测井、声波测井的资料；s w d 可以随钻评价正钻与待钻地层，实时修 正钻前的地质预测模型。l w d 与s w d 能够随钻识别地层，是实现移动靶和动 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 态中靶的地质导向的有力手段，尤其是当地质情况在钻前难以准确预测的 复杂多变地区以及对井身剖面有严格要求的井，它们能使钻头及下部钻具 组合( b h a ) “咬住”地层尤其是油气层钻进，从而精确控制、优化井身剖 面达到“必然中靶”和在油气层段长距离穿越而不脱靶的效果。 2 0 世纪9 0 年代以来m w d 和l w l ) 的发展日趋结合，形成了新的随钻地层 评价测试技术( f e 唧d ) “。如斯伦贝谢的集成钻井评价系统( i d e a l ) 实 质上可称作是集成钻井信息系统( i d i s ) ，不仅具有实时测试、传输b h a 的 方位、井斜、钻压、扭矩波动、应力状况、流动压力、泥浆密度，还可测 试传输所钻地层的电阻率、孔隙度、岩石密度等地层特性参数。且由于仪 器越来越紧靠钻头，故能即时分辨所钻岩石层位边界，避免误入其它层位。 随钻测量技术和井下信号传输研究在国内起步比较晚，7 0 年代江汉油 田曾独立研究过用电磁波来传输井下信号的测量方式，而随钻测量仪器大 多是从国外引进或租用。9 0 年代后，随着油气钻井的活跃，各种复杂地层 和特殊井的出现开始注意到这方面的工作研究，如石油勘探开发研究院的 n b l o g 一1 近钻头系统、西安石油大学等科研院所在地质导向钻井和随钻测量 仪器、井下信号传输方式等方面的研究“”1 。 随着钻井技术的发展，地质导向钻井技术和以其为基础的自动化钻井 技术越来越成为石油工业关注的焦点。然而这些技术的关键之一就是要实 现近钻头的测量，保证地面能精确控制地下的井眼轨迹，最大限度的使钻 头向油层方向运动。但长期以来井下信号的传输脱不开泥浆压力脉冲为主 的传输方式，而泥浆压力脉冲的传输速度低、带宽窄、受泥浆影响严重、 不能用于空气等特殊泥浆介质中等因素制约着井下信号的传输，因此迫切 需要一种新的、高效的传输方式或方法来替代泥浆压力脉冲。 1 3 超声波信号传输研究 声波传输实质上是弹性媒质( 气体、固体和液体等) 质点在其平衡位 置所产生的力学振动过程，它是一种机械波。由于媒质质点振动具有周期 性，其波形表现为正弦( 图卜1 的a ) 、余弦或方波( 图卜1 的b ) 等形式， 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 但通常因外界阻力存在，质点的振幅随时间逐渐减小( 图1 - 1 的c ) 。 砌 vvv i - r厂 - j t 八a 一 vv v a 正弦谈 b 方被c 被彤衰减 图卜1 常见声波波形 ( a 是声波振幅t 是声波振动周期t 是声波振动时问) 超声波是指频率大于2 0 k h z 的声波，它不但具有声波一般特性，如反 射、折射等，还有其固有特性，如高频率、方向性好、功率大等。目前在 医学、军事、工程测量或机械检 测等行业，超声波被广泛应用在 固、液、气媒质中“”，同时贝 克休斯公司和国外其他研究机 构也曾研究过超声波在泥浆中 信号传输( 图卜2 ) ，它一般用 于生产井中监视井下温度和压 力，研究表明超声波信号有可能 传输到4 5 0 0 m 左右深度啪1 。正 因如此，将其作为载体在泥浆中 进行信号短距离传输是有可能 实现的。图卜2 贝克休斯的超声波在泥浆中实验 但要在井底进行超声波信号传输，将钻头附近的测量数据依靠泥浆作 为传输介质把信号传输到造斜工具的上部( 约3 0 m 左右) 还需要做很多工 作。由于泥浆中含有各种杂质，如微小硬粒的固相、气泡、油以及不均匀 岩屑等，信号在这种介质中传输规律必然是十分复杂的；同时信号波不但 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 在环空中反射，还将散射在相的边界，如在油水微滴、气泡、砂粒、细 粒、流体涡流中散射；而且泥浆组分的复杂性，造成波的传输衰减大且极 不稳定。因此，在井底进行超声波短距离通讯的泥浆介质是一个复杂的信 道。泥浆中温度、密度、压力变化引起声速场的变化；井壁和井底对超声 波的反射、散射和吸收；超声波在泥浆介质中传输的衰减；泥浆中气泡和 颗粒等对超声波反射、散射产生的混响以及井筒中各种噪声等构成了超声 信号传输信道带窄、噪声高、多途径效应强烈等特点。同时钻井井下超声 波信道的波导特性使得接收器收到的信号强度与其所处的空间位置有关， 声波吸收也将严重地限制发射的载波频率以及系统的工作频率带宽，随着 载波频率的极度增高，声波强度将迅速衰减。所以研究超声波的特性和在 泥浆中的传输规律、衰减规律，搞清楚相互之间的关系和影响因素是实现超 声波短距离传输的理论基础。 i 3 i 课题研究目的 鉴于超声波的传输特性，本课题通过理论和实验方法了解超声波在泥 浆中的传输规律、传输特性及其衰减规律，确定超声波在泥浆中传输的主 要影响因素，为超声波信号在井下传输过程中抑制信号的衰减，减小外部 环境的干扰和获取、检测出有用的超声波信号提供理论依据。 1 3 2 课题研究的内容 基于课题研究的目的，本论文是在声波学、超声波学和流体力学理论 基础的指导下，主要完成下面几个内容： ( 1 ) 超声波在流体中的传输规律和衰减特性研究； ( 2 ) 实验装置的设计、安装、调试和运行； ( 3 ) 室内模拟实验和数据的采集、分析，认识超声波传输的主要影响 因素和各因素对超声波信号衰减的规律。 i 3 3 课题研究的技术路线 为了探讨超声波信号在泥浆中的动态传输规律和衰减特性，了解超声 波在泥浆中传输的影响因素，为后续的工作提供理论基础，本课题按照“课 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 题调研一理论研究实验验证”路线进行，具体的技术路线是： ( 1 ) 掌握和了解理论声学、管道声学、超声学和流体力学相关知识； ( 2 ) 在理论基础知识上结合数学知识推导超声波在管内流体中的波动 方程和相关参数的数学方程； ( 3 ) 在理论研究过程中同时完成实验装置的设计、调试和运行。并进 行超声波在泥浆中传输的室内模拟实验和采集相关的数据，获取超声波传 输信号的感性认识； ( 4 ) 对采集的数据进行分析，并与理论研究结果相比较，认识超声波 在泥浆中的动态传输规律和影响因素； ( 5 ) 对整个实验和理论工作进行评估，以保证全过程的合理性，为可 能的现场实际应用奠定理论基础。 1 3 4 课题研究的关键 结合超声波的声学理论、流体力学理论、数据采集和数据分析处理等 知识，本课题需要解决几个关键问题： ( 1 ) 井下模拟实验装置的设计； ( 2 ) 超声波在管道流体中的传输规律和衰减规律研究； ( 3 ) 确定泥浆中引起超声波衰减的主要因素； ( 4 ) 实验中采集数据的处理和分析。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下信号传输方式和原理 第2 章井下信号传输的方式和原理 以地质导向为基础的自动化钻井技术将为钻井作业带来巨大的经济效 益，但要实现这一目标，必须有实时、快速、长距离且能双向信息传递的 井下信号传输系统。井下信号传输系统是连接地面处理、监控系统和井下 跟踪、控制系统的桥梁和纽带，它以井眼作为信号的传输通道，以或泥浆、 或钻柱、或大地、或电缆作为信号的传输介质，担负着井下工况和参数的 监测以及对井下控制系统实施决策、干预等控制功能的双向通信任务。目 前广泛应用的信号传输方式主要有泥浆压力脉冲、电磁波、声波、有线电 缆传输四种，但应用最广泛最成熟的是泥浆压力脉冲方式。 2 1 泥浆脉冲传输方式 泥浆压力脉冲传输方式有三种形式：正脉冲传输、负脉冲传输和连续 脉冲传输。它们都是借助泥浆压力波传送信号，通过地面检波器检波、滤 波等处理后，将数据信号传输到电脑系统里进行分析、处理和发出控制命 令“”，原理框架如图2 1 所示。 图2 - 1 泥浆压力脉冲传输系统原理框图 2 1 1 连续泥浆脉冲传输 可以用回转式阀门和涡流脉冲阀产生连续的脉冲压力恤1 。回转阀门中， 控制器带动阀门在短时间内出现回转加速或滞后的状况时相位互换，产生 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下信号传输方式和原理 测量参数对应的压力波信号。这种压力波信号通过泥浆介质传到地面接收 换能器中并在地面恢复同步脉冲的次序与信号的相位。在工作状态时，为 减弱泥浆的干扰，保证系统处于最佳状态，用压力补偿器把压力脉动降低。 涡流脉冲阀的端部装有电磁线圈，线圈的电磁铁心接在控制杆上；在 阀的另一端装有压力补偿膜片，以保证外部压力与线圈套内的静液压力处 于平衡状态。径向流动时，阀腔的压力比涡流阀入口处的压力低，液体在 阀腔内受到的阻力最小。一旦换能器发出信号使电磁线圈通电，电磁铁心 就带动控制杆及涡流阀的节流杆，对涡流阀进行节流。此时阀腔内液流的 平衡状态遭破坏，液流产生切向速度分量，使得阀腔流道内的低速液流和 阀中心的高速液体之间产生压差。涡流形成时，液体在阀内受到的阻力最 大，便产生一个压力脉冲波。随着新涡流的不断形成，形成了一系列的脉 冲压力波。这种压力脉冲波借助泥浆介质传输到地面检波器中，经过地面 滤波、恢复和相位补偿等措施转换成数据信号而被处理。 2 1 2 泥浆正脉冲传输 如图2 2 所示，正脉冲压力传输仪器常由阻流环、脉冲阀和井下遥控 装置等组成。工作时，脉冲阀在遥控装置的控制下，上行与阻流环闭合而 瞬间阻碍泥浆的流动，从而使钻杆内的压力骤然上升，产生高于正常压力 的压力波。压力波通过泥浆介质传到地面立管处的压力检测换能器中。压 力脉冲仪器一般是通过测量短节封装在无磁钻铤中，其换能器可测出的压 力脉冲幅值为0 3 5 0 7 0 m p a 。 图2 2 正脉冲发生器结构示意图 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下信号传输方式和原理 2 1 3 泥浆负脉冲传输 如图2 - 3 所示，负脉冲发生器常由井下遥控装黄、脉冲阀、壳体等组 成，它是利用钻铤内外存在的压差产生信号。负脉冲压力发射器工作时， 脉冲阀在遥控装置控制下瞬间打开，此时一部分泥浆经旁傍通阀流向管外 空间，致使钻铤内的压力骤然下降，产生低于正常压力的压力波，压力波 通过泥浆介质传至地面检波器。在负脉冲发射器内，压力脉冲的下降值取 决于钻井泵高压管线中的压力降1 。 i t 控鞋量 t 中口 图2 3 负脉冲发生器结构示意图 自泥浆压力脉冲传输方式发明以来，井下与地面间的信息交流取得突 破性进展，目前成熟的泥浆压力脉冲方式广泛应用在随钻测量中，但测 量时对泥浆的含砂量和含气量有严格的要求，因含砂量和含气量越高，泥 浆压力信号的衰减越大，进而导致地面检波难度增大。同时对于可压缩泥 浆介质( 如空气泥浆、泡沫泥浆等) 来说，压力脉冲信号衰减大，传输效 率较低，传输的信息能力有限，一般不用。压力脉冲信号在泥浆中受多种 因素影响，传输速度约为1 2 0 0 m s ，数据传输率在8 - 1 2 b i t s ，最大只可能达 到3 0 - 4 0 b i t s 。总之由于压力脉冲的扩散、调速的限制和脉冲信号的衰减等 原因使数据信号的传输速度较慢、携带的信息量少，不能稳定、高速、高 效的传输，而目前该方式对信号的下行传输仍旧是一个难题。 2 2 电磁波传输方式 电磁波传输是指井下利用电磁波信号，通过大地、钻杆等通道进行信 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下信号传输方式和原理 号的传输，其传输设备一般包括涡轮发电机、整流稳压电路、蓄电池组、 发送器、绝缘短节、井内单片机、换能器、信号输出接口等。电磁波传输 系统( 图2 4 ) 把一个类似低频天线的电磁波发射器装在井内仪器中，当测 量的信号调频到发射天线后，通过中继站或延伸天线的方式将信号发送到 地面。地面通过远离钻机的电极来接收由井底发至地面的信号并转到电脑 系统中分析、处理和发送控制指令。”。 一一一一7 一 7 二一一一一：、 j 旺襄萋至三三三三强一 、二：= = 二：二一二二：二二二二：二多， 图2 - 4 电磁波信号传输系统示意图 ( 1 ，钻头2 、井下动力钻具3 ，发射电路系统4 、接收电路系统 5 、发射天线线圈6 、接收天线线圈7 、电磁波信道 由于井筒空间限制，电磁波发射都是通过特殊的天线来发射信号的， 有垂直天线( 沿钻杆的轴向电流) 和垂直磁天线( 绕钻杆的水平电流环激 励沿钻杆方向的磁场) 两种激励方式，且都是发射低频段的电磁波，因为 频率越高，井下激励装置越庞大。1 。 相对泥浆压力脉冲信号传输方式，电磁波信号不受可压缩泥浆介质的 影响，对泥浆性能和泵排量要求低，发送信息的可靠性与泥浆的非均质无 关，可以随时测量和接收数据。而且信息传输速度较快，数据传输率可以 达到l o o b i v s 以上，能够实现地面与井下的双向通讯。它常用在充气、泡沫 和空气等泥浆体系的欠平衡钻井中；但电磁波是以地层为传输介质和钻柱 为传输导体，易受钻井设备的电气干扰和低电阻率地层的影响，在井壁地 层中信号衰减严重。当达到一定深度后时，在地面难以检测到有效的电磁 波信号，通常方法是在一定距离上安装中继站实现远距离传输。此外，低 频的电磁波一旦接近大地电流的频率，其背景噪声给信号探测及接收带来 困难”“。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下信号传输方式和原理 2 3 声波传输方式 声波信号传输是利用声波传输机理来工作。在井下测量的参数信号通 过调频、调谐后加载到声波发射探头上，经过钻杆或地层岩石等通道将信 号传到地面接收端。地面经过检波、调谐等方式将信号还原、处理。由于 声波信号传输中受环境和波特性( 反射、折射、散射等) 影响，衰减很快， 如果要实现长距离传输需要在钻杆柱内每隔4 0 0 5 0 0 m 装一个中继站。 声学信息声道传送的信息量少，传输速率为2 0 4 0 b i t s 。传输干扰大， 随井深衰减快，传输深度一般只在2 0 0 0 m 左右。同时在井下传输条件恶劣 情况下，噪声的声学信号不可能给出准确的工艺解释，如果通过泥浆介质 则受到泥浆的非均质等特性影响，衰减更快；如果通过钻柱传输，则受到 钻柱接头和背景噪声的影响，衰减也很严重。因此目前井下利用声波传输 信息的方式很少，而且应用范围很局限，仅仅应用在电测井的短距离传输 和生产井中实现井下温度、压力、流量等简单参数的测量。 2 ，4 有线电缆传输方式 有线电缆传输。”1 是应用前景最广阔的一种信号传输方式，也称为智能 钻杆技术。它是在钻杆内壁中镶嵌一条电缆，在钻杆接头处利用特殊的方 式进行信号传输。按钻杆接头处的连接方式，有线钻杆传输技术分为对接 式和感应接头两种。 ( 1 ) 感应接头。如图2 - 5 所示，钻柱两接头端各有一个感应线圈， 用感应原理依次向相邻接头线圈传输数据。两接头对接后，前一个接头中 线圈因信号变化产生交变磁场，使后者产生感应电流，从而实现信号的上 传下送。为降低电能损耗并且保证信号不外泄，接头两端的线圈均固定在 特殊槽中，并用特殊的绝缘材料相互隔绝。 ( 2 ) 对接式接头。电接触环对接3 个金属电导头( 图2 6 ) ，允许接 头有一定错位，丝扣上紧后就相当于导线方式自动完成了测量、控制的通 讯联接。同时还有备用旁通通路，当压力密封发生失效时，仍能沿着电接 触环进行通讯。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下信号传输方式和原理 图2 - 5 感应接头原理图图2 - 6 对接接头端面图 相比前面几种传输方式，有线电缆信号的传输速度快，在没有明显衰 减情况下，数据传输率可以达到兆数量级，一般能在2 m b i t s 左右，而且不 受传输深度限制。同时有线电缆不但能够实现双向高速传输，还可以向井 下仪器供电。但整套设备费用比较高，在钻杆中埋电缆的技术和钻杆接头 之间的连接方式仍待研究提高，以利于大规模、低成本生产。 2 5 小结 比较四种信号传输方式( 见表2 - 1 ) ，可以看到，泥浆压力脉冲信号传 输方式以其产品成熟度高、成本低、对钻井工艺没有特殊要求和限制等条 件而在m 帅和l w d 中广泛应用，但由于泥浆特性诸多限制和本身特点，在 未来自动化钻井，特别是信号的双向传输中难有突破。而电磁波、有线电 缆信号传输技术因传输质量高、效率好、且能实现双向快速传输等特点必 将大行其世。 表2 一l 井下信号传输方式对比 通过上表对比还知道，声波或超声波在泥浆中传输信号具有很大的局 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井下信号传输方式和原理 限性，如可靠性差、传输速度受限制、传输深度小等，这不但是因为声波 或超声波本身声特性所制约，还由于其传输所依靠的介质泥浆的特性 所使然。因此在钻井作业中利用声波或超声波进行长距离的传输是不现实 的。但是由于超声波具有很强的指向性、集束性和具有较高的能量等特性， 可以考虑利用其作为信号载体，在类似泥浆介质中实现短传。在可能的情 况下，它不需要通过中间转换就能直接将信号短距离的传输到指定的位置， 如本课题研究就是想要让超声波信号从钻头附近传输到几十米远外的 m w d 仪器上，以最终实现近钻头测量。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超声波信号传输研究 第3 章超声波信号传输研究 3 1 超声波特性 超声波作为一种特殊的声波，在传播过程不但会产生反射、折射、散 射、辐射、透射和吸收等物理现象，还具有一般声波不具有特点”。 ( 1 ) 方向性好，容易得到定向而集中的波束，这既便于目标定位以及 定向发射，又便于聚焦，以获得较大的能量，减弱衍射、散射效应： ( 2 ) 频率高，能避免传输过程中噪声产生； ( 3 ) 功率大，超声波的功率比一般声波功率大得多，一般说话的功率 为l o - 。6 w m 2 ( 能量密度) ，而超声波可以产生1 0 5 1 0 6w m 2 的功率； ( 4 ) 穿透力强，超声波在气体中衰减很快，在液、固中衰减较慢，所 以对于固体、液体来说有较强的穿透作用； ( 5 ) 空化作用，超声波在液体中传输时，使液体介质不断受到拉伸、 压缩作用，而由于液体耐压不耐拉，如果受不住这种拉力，就会断裂而形 成暂时的近似真空的空洞( 尤其是含有杂质、气泡的地方) ，而在压缩阶段， 这些空洞发生崩溃。崩溃时空洞内部最高瞬间压力可以达到几万个大气压， 同时还将产生局部高温以及放电现象等。 正是因超声波良好的集束性、高频率和方向性，为其信号传输提供了 基础。但由于泥浆介质和复杂的井下环境导致超声波传输过程中的能量不 断衰减，信号减弱，使传输距离变小。因此超声波信号传输研究中，了解 超声波的传输规律和衰减规律，提高信号的检波、抗干扰技术是解决超声 波作为载体在泥浆中进行信号传输的关键。 3 2 超声波的传输特性研究 3 2 1 理想状态下超声平面波的波动规律 超声波是一种机械振波，在宏观上表现为能量传递的形式。因此要考 察超声波的传输规律和衰减特性须从超声波在流体中的波动方程提起。管 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超声波信号传输研究 道中声波的传输通常认为是以平面波的形式进行的，即振幅和相位在整个 传输中都保持不变。下面着重讨论超声波在平面理想流体介质中一维波 动方程，然后引出超声波在粘滞性泥浆中波动方程的一般形式。 由于是研究超声波在流体中传输，且超声波在流体表现为纵波( 其质 点的振动方向和传播方向一致) ，所以在管道流道中建立图3 - i 的二维声场 坐标系，根据声振动理论和流体传输理论取足够小的体积元作为研究对象。 r 图3 - 1 管道流道中声场坐标系 虽然超声波在实际声传输过程会受多种因素影响，但为了研究问题的 简化，使数理方程易懂且不失普遍性，先从理想流体研究起。理想流体的 基本假设”删： 1 ) 介质不存在粘性，即声波在这种介质中传输没有能量损耗； 2 ) 没有声扰动，介质在宏观上是静止的； 3 ) 介质是均匀的，即介质中的静态压强和密度都是常数； 4 ) 传输是绝热过程，即传输过程中没有温度差而产生热交换； 5 ) 介质传输的是小振幅声波，即各声学变量都是一级微量。 ( 1 ) 运动方程 设想在声场中取一足够小的体积元，由于超声波的振动，使其体积元 的x 轴方向受到大小不同的力，根据牛顿第二定律得到声波运动方程： p 譬= 一罢 ( 3 一1 ) “ ( 2 ) 连续性方程 仍在声场中取一足够小的体积元，由质量守恒定律知道，介质中单位 时间内流入体积元的质量与流出该体积元的质量之差应等于该体积元内质 量的增加或减少，因此得到声波的连续性方程： 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超声波信号传输研究 一昙( 川= 詈 ( 3 2 ) ( 3 ) 物态方程 考察介质中包含一定质量的体积元，它在没有声扰动时的状态以压强、 密度和温度来表征，当声波传输过该体积元时，体积元内的压强、密度和 温度都会发生变化，当然三个物理量的变化是相互联系的，其介质状态的 变化规律由热力学状态方程描述，由此得到声波的物态方程： 印= c 2 印( 3 3 ) 由于前面假设了各声学变量是一级微量，其振幅彳、声压a 声速n 声密度p 以及他们随位置、时间的变化量都可以认为是微小的，并且他f f 了 的平方项以上的微量是更高级的微量，可以忽略。由于超声波的波动，其 理想媒质的密度和声传播的加速度有： p ；岛+ p 7( 3 4 ) 立：堡+ ，堡 ( 3 5 ) 廊研西 式中：o i v 速度随时间变化所取得的本地加速度； v 罢速度随位置变化所取得的迁移加速度睾a 一v 塞露毋暇 将( 3 - 4 ) 、( 3 5 ) 两式代入运动方程( 3 1 ) 得： 棚售+ v 争名 岛罢+ p o v 罢+ 芸+ 加兰= 一罢 ( 3 6 ) 岛否+ ”夏+ 石+ ”瓦2 一去 ( 3 6 略去二阶以上的微量，( 3 6 ) 式转化为： 岛罢= 一罢(37-r ) 岛石2 一瓦 【3 一) 将( 3 - 4 ) 式代入连续性方程( 3 2 ) 式得： 掣一吴聊川 ( 3 _ 8 ) a苏。 、 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超声波信号传输研究 由于是考祭栗一恒定流体情况，司以认为p o 是常数，不随时l 司、位移 变化，所以百o p o = o ，故( 3 8 ) 式微分得： 警= 嘞妄一掣( 3 - 9 ，言2 嘞夏一吾 ) 略去二阶微量，方程( 3 - 9 ) 式转化为： 等一风塞 对于( 3 3 ) 式来说，平衡状态下c 2 = ( 孕) ，一般并不是常数，仍旧可 能是p 或p 的函数，但对于小振幅声波来说，p 较小，可将( 孕) ，在平衡 a p 态( mp d ) 附近按拉格郎日公式展开，得： c 考，= c 考k 。+ 圭c 邶c p 一岛，+ 嘉c 窘) j 和一岛，2 + ( 3 - 1 1 ) 由于p p o 很小，拉格郎日展开( 3 - 1 1 ) 式可以忽略第二项后面所有 项，得： ( 雯) ，* ( 妥) 。 ( 3 1 2 ) d pd p 联合( 3 3 ) 、( 3 1 2 ) 两式得到： c 2z ( 妥) ( 3 1 3 ) d 口 对于一般的流体，其平衡态时的数值侧： 山( 缸玉p 荡p o 。1 4 d pp 。 考虑其压强和密度增量，对于小振幅声波用衫代替，压强的微分为声 压p ，密度的微分为密度增量p ，其超声波传播的物态方程( 3 - 3 ) 式可以 1 8 里互垫查堂! 兰奎! 堡主丝苎 蔓! 皇塑垄茎笪呈堡塑堕塞 近似的记为： p = c 0 2 p ( 3 1 5 ) ( 4 ) 理想状态下超声波传播的波动方程 现在考察一维波动情况下的波动方程。根据上面的运动方程( 3 7 ) 、 连续性方程( 3 1 0 ) 和物态方程( 3 1 5 ) ，可以得到理想状态下超声波传播 的波动方程。方程( 3 1 5 ) 两边对时间t 求导，得到： 害2 等( 3 - 1 6 ， 将( 3 1 6 ) 式代入连续性方程( 3 一1 0 ) z 1 4 ： 鲁= w 。2 罢( 3 - 1 7 ， ( 3 1