彎曲鉆柱中聲傳播特性教學實驗裝置研制

劉永旺, 管志川, 王　慶, 樊　滔, 張　波

(中國石油大學(華東) 石油工程學院, 山東青島　266580)

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彎曲鉆柱中聲傳播特性教學實驗裝置研制

劉永旺, 管志川, 王慶, 樊滔, 張波

(中國石油大學(華東) 石油工程學院, 山東青島266580)

建立了用于測試聲波在鉆柱信道中傳輸及衰減特性的教學實驗裝置,基于該裝置對鉆柱彎曲狀態對鉆柱中聲傳播的影響規律進行了實驗研究及分析。研究結果表明:聲波在鉆柱中傳播時存在的交替排列通阻帶隨著鉆柱彎曲程度變化而發生變化,鉆柱彎曲時,通帶寬度基本不變,通帶聲波幅值加強,通帶后移,隨著彎曲程度的增加,上述趨勢更加明顯；隨發射聲波頻率的增加,通帶后移幅度增大；聲波激勵電壓、脈沖寬度及速率對鉆柱彎曲后傳輸性能變化影響較小,基本可以忽略。井下隨鉆信息聲傳輸方法的開發與實現要充分考慮井眼內鉆柱狀態的影響。

實驗裝置; 彎曲鉆柱； 聲信號； 傳播規律

由于勘探開發的深入,定向井、水平井、分支井等特殊工藝井成為目前油氣勘探開發的主要井型。相對于直井而言,這些特殊工藝井中井下鉆柱狀態更加復雜,對井下信息傳輸的傳輸速率、傳輸數據量要求更高[1]。當前井下信息無線傳輸技術中的聲波傳輸技術由于傳輸效率高、成本較低且適用范圍廣等優點而呈現出較好的發展勢頭[2]。針對井下信息聲傳輸技術,國內外開展了大量的研究工作,也取得了一定的研究成果[3-5]。1972年Thomas G. Banres發現了聲波在理想化周期性鉆柱結構中傳播時,除了隨著聲波頻率升高衰減加劇外,在較低頻段還存在衰減較小的頻帶即通帶,衰減較大的頻帶即阻帶。經過多年的研究,井下信息聲傳輸技術已經能夠應用于非鉆井過程中井下信息傳輸領域,其數據傳輸速率達到了30 bit/s,有效傳輸距離可以達到2 500 m以上。定向井鉆井過程中,鉆柱處于彎曲狀態,鉆柱彎曲程度隨著井型不同而不同,該因素對鉆柱中聲傳播特性是否存在影響,如果存在影響,影響規律是什么？至今未見相關研究報道[6-10]。為了進一步探明鉆柱中聲傳播特性、能夠早日實現鉆井隨鉆信息的聲傳輸,本文設計了實驗室測試裝置,并開展了鉆柱彎曲狀態對鉆柱中聲傳播的影響規律研究。

1　鉆柱彎曲聲傳輸特性裝置

為了研究鉆柱中聲傳播特性,中國石油大學(華東)研制了適合直鉆桿的測試聲波在鉆柱信道中傳輸及衰減特性的實驗裝置[11],裝置具體結構見圖1。該裝置包括聲波發射系統、井筒模擬系統、模擬鉆柱和鉆井液循環系統、聲波接收及處理系統等組成。

聲波發射系統由換能器和任意波發生器組成,任意波發生器通過換能器與模擬鉆柱連接,可實現聲波的發射功能；鉆井液循環系統與模擬鉆柱及井筒模擬系統連接,用于完成鉆井液在井筒模擬系統與模擬鉆柱構成的環空及模擬鉆柱內的循環。模擬鉆柱另一端連接有一個聲波接收與處理系統,用于聲波信號的顯示、記錄、保存及進行時域和頻域分析。

圖1　聲傳播特性實驗裝置結構圖

上述裝置僅能研究直鉆柱中聲的傳播特性[12],為了開展彎曲鉆柱中聲傳播特性實驗,對上述裝置進行了改造。具體改造原則:以鉆柱兩端為支點,抬高鉆柱兩端,同時,在鉆柱中央加載重物使其彎曲,鉆柱中央承重不同,會產生不同程度彎曲,改造后的實驗裝置結構示意圖見圖2。

圖2　鉆柱彎曲對聲傳輸影響實驗研究系統

利用幾何原理,可以算出不同彎曲程度(2°/10 m、4°/10 m、6°/10 m、8°/10 m、10°/10 m)狀態下鉆柱的調節參數。具體方法如下:

將整段彎曲鉆柱看作一段圓弧,則圓弧對應的半徑即為鉆柱曲率半徑,圓弧對應的弧度即為鉆柱的曲率,如圖3所示。整段圓弧長度為10 m,鉆柱彎曲程度用圓心角來表示,即圖3中的2θ,調整該值為2°、4°、6°、8°、10°等進行聲傳輸實驗和分析,就可完成鉆柱彎曲程度對聲傳輸特性影響的實驗研究。

圖3　鉆柱彎曲程度調整示意圖

(1)

代入數值后得

(2)

則有:

(3)

(4)

算得不同鉆柱彎曲程度所對應的a、b值見表1。

根據b值可以方便地調整鉆柱的彎曲程度。具體控制方法:在鉆柱中央加載不同重量的重物,使其中央離地高度比鉆柱兩端離地高度少b,即可以調整出鉆柱的彎曲程度。重物材料采用石英砂,因其加入量基本可以連續變化,且產生相應重量需要石英砂體積符合。

表1　鉆柱彎曲程度調整參數表

2　鉆柱彎曲對聲傳輸特性的影響

鉆柱彎曲條件下,聲傳輸特性除了可能受彎曲程度影響之外,也可能受聲波信號發射參數的影響。在不同鉆柱彎曲程度下,用換能器發射脈沖波,改變發射條件測量聲傳輸數據,剔除發生波形失真的組別,對余下各組實驗數據進行傅里葉變換,得到相應頻域圖并進行對比分析。

2.1不同激勵電壓下鉆柱彎曲對聲傳輸特性的影響

設定脈沖寬度為5 μs,脈沖頻率f為5 Hz,研究激勵電壓分別為100 V和300 V時鉆柱不同彎曲狀態對聲傳輸特性的影響。選取具有代表性的鉆柱彎曲程度進行分析,本文中選用2°/10 m、6°/10 m、10°/10 m進行研究。3組聲傳輸特性實驗數據所得頻域圖對比見圖4和圖5(圖中V為信號電壓)。

圖4　鉆柱不同彎曲程度頻域圖對比(激勵電壓100 V)

圖5　鉆柱不同彎曲程度頻域圖對比(激勵電壓300 V)

由圖4和圖5分析得出:發射聲波脈沖寬度和速率一定時,改變聲波激勵電壓(分別為100 V和300 V時),鉆柱彎曲對聲傳輸特性影響規律基本一致,即隨著鉆柱彎曲程度增加,通帶寬度無明顯變化,通帶幅值均逐漸增大,通帶后移；隨著測試頻率增加,通帶后移幅度變大；激勵電壓對鉆柱彎曲后聲傳輸特性變化影響不大,甚至可以忽略。

2.2不同脈沖頻率下鉆柱彎曲對聲傳輸特性的影響

設定脈沖寬度為5 μs,激勵電壓100 V,研究脈沖頻率分別為1、5、10 Hz時,不同彎曲狀態對聲傳輸特性的影響。鉆柱彎曲程度分別為2°/10 m、6°/10 m、10°/10 m時3組聲傳輸特性實驗數據所得頻域圖對比見圖6、圖7和圖8。

圖6　鉆柱不同彎曲程度頻域圖對比(5 μs,100 V,1 Hz)

圖7　鉆柱不同彎曲程度頻域圖對比(5 μs,100 V,5 Hz)

圖8　鉆柱不同彎曲程度頻域圖對比(5 μs,100 V,10 Hz)

由圖6、圖7和圖8可看出:脈沖寬度和激勵電壓一定時,脈沖頻率分別為1、5、10 Hz時,鉆柱彎曲對其內聲傳輸特性影響規律基本一致,即隨鉆柱彎曲程度增加,通帶寬度無明顯變化,通帶幅值均逐漸增大,通帶后移,隨著測試頻率升高,通帶后移幅度越大；脈沖頻率對彎曲后聲傳輸特性變化影響不大,甚至可以忽略。

2.3不同脈沖寬度下鉆柱彎曲對聲傳輸特性的影響

設定脈沖頻率為5 Hz,激勵電壓100 V,研究脈沖寬度分別為5 μs、5 μs～10 ms中間值、10 ms時,不同彎曲狀態對聲傳輸特性的影響。鉆柱彎曲程度(2°/10 m、6°/10 m、10°/10 m)時3組聲傳輸特性實驗數據所得頻域圖對比見圖9、圖10和圖11。

圖9　鉆柱不同彎曲程度頻域圖對比(5 Hz,100 V,5 μs)

圖10　鉆柱不同彎曲程度頻域圖對比(5 Hz,100 V,5 μs～10 ms中間值)

圖11　鉆柱不同彎曲程度頻域圖對比(5 Hz,100 V,10 ms)

由圖9、圖10和圖11分析得出:當脈沖速率和激勵電壓一定時,脈沖寬度分別為5 μs、5 μs～10 ms中間值、10 ms時,鉆柱彎曲對其內聲傳輸特性影響規律基本一致,即隨著鉆柱彎曲程度的增加,通帶寬度變化不大,通帶幅值均逐漸增大,通帶后移；隨著測試頻率升高,通帶后移幅度變大；脈沖寬度對彎曲后聲傳輸特性變化影響不大,甚至可以忽略。

3　結論

實驗得出如下結論:

(1) 鉆柱的彎曲對其內聲波的傳播具有影響,其影響規律與鉆柱的彎曲程度、聲波的頻率有關；

(2) 聲波在彎曲鉆柱中傳播時依然存在交替排列的通阻帶；

(3) 隨鉆柱彎曲程度增加,聲波傳輸頻譜特征中通阻帶寬度基本不變,通帶幅值增大,通帶后移,且頻率越高,后移幅度越大；

(4) 聲波激勵電壓、脈沖寬度及頻率對鉆柱彎曲后聲傳輸性能變化影響較小,基本可以忽略,鉆柱彎曲時,其聲傳輸特性的主要影響因素為鉆柱彎曲程度；

(5) 定向井常見井眼曲率鉆柱中,低頻段通帶受鉆柱彎曲影響較小,在考慮鉆柱彎曲對聲傳輸影響后,應優先選擇低頻信號作為井下信息聲傳輸的載波。

設計的鉆柱彎曲對聲傳輸特性影響的教學實驗裝置對于彎曲鉆柱中聲傳輸特性研究及演示具有重要意義。

References)

[1] 劉永旺. 井下信息聲波傳輸系統理論與方法研究[D].青島:中國石油大學(華東)石油工程學院,2013.

[2] 李志剛,管志川,王以法.隨鉆聲波遙測及其關鍵問題分析[J].石油礦場機械,2008,37(9):6-9.

[3] 趙國山. 鉆柱中聲傳播特性的理論及實驗研究[D].青島:中國石油大學(華東)石油工程學院,2010.

[4] 趙國山,管志川,劉永旺. 聲波在鉆柱中的傳播特性[J]. 中國石油大學學報：自然科學版,2010,34(1):55-59.

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[6] Reeves M E, Camwell P L, McRory J.High Speed Acoustic TelemetryNetwork Enables Real-Time Along String Measurements,Greatly ReducingDrilling Risk[C]//SPE 145566,2011.

[7] Farraj A K, Miller S L, Qaraqe K A. Channel Characterization for Acoustic Downhole Communication Systems[C]//SPE 158939,2012.

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[9] 馬西庚,李超,柳穎. 鉆桿中聲波傳輸特性測試[J]. 中國石油大學學報：自然科學版,2010,34(4):70-74.

[10] 車小花,喬文孝. 隨鉆測井鉆柱聲波的頻譜特性[J].中國石油大學學報：自然科學版,2008,32(6):66-70.

[11] 劉永旺,管志川,趙國山,等.尺寸差異鉆桿組成的鉆柱中聲傳播特性測試[J].振動與沖擊,2015,34(7):93-97、114.

[12] 劉永旺,管志川,杜彬彬，等. 周期性螺紋連接管結構中聲波的頻譜特性測試[J].中國石油大學學報：自然科學版,2015,39(2):58-62.

Development of teaching experimental device with acoustic propagation characteristics in curved drill string

Liu Yongwang, Guan Zhichuan, Wang Qing, Fan Tao, Zhang Bo

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

An equipment is erected to test acoustic wave propagation and attenuation properties in drilling string channel. This paper uses this equipment to study and analyze the impact of drilling string bend on acoustic propagation property. The results indicate that the pass band and attenuation band exist alternatively and change as drilling string bend changes when acoustic wave propagates in drilling string; the breadth of pass band keeps stable while amplitude strengthens; Meanwhile the pass band moves backforword and the above trend becomes more obvious as bending degree increases; the backing extent of pass band increases as transmission frequency enhances; acoustic wave stimulating voltage,impluse breadth and velocity have little impact on propagation property after drilling string is bending. This impact can be ignored basically. It it necessary and important for development and realization of while-drilling downhole infornation acoustic transfer technology to consider the drilling string condition in wellbore.

experimental device; bending drilling string; acoustic signal; propagation law

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.024

2016-04-07修改日期：2016-05-27

國家自然科學基金青年科學基金項目(51404285);國家高技術研究發展計劃(863計劃)主題項目(2012AA091601);中國博士后科學基金面上資助項目(2014M551985)

劉永旺(1983—)，男，內蒙古寧城，博士，博士后，講師，主要從事深井提速技術、定向井安全高效鉆井技術及井下工具設備研發研究.E-mail：liuyongwang2003@163.com

TE927

A

1002-4956(2016)10-0093-06