井下聲波遙測地面定頻信號采集裝置設計*

孟培媛， 劉宇光， 王 磊， 寧 可

(1.西京學院 機械工程學院，陜西 西安 710123；2.西安思坦儀器股份有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

煤層氣開采是一個排水降壓的過程，需要進行動液面監測[1]。考慮到煤層氣井較淺的深度(350～1 500 m之間)和較簡單的管柱結構，可以利用聲波遙測的方法進行井下數據的監測和無線傳輸。井下聲波遙測系統(acoustic telemetry system,ATS)是在井下隨管柱安裝聲波換能器，將采集到的數據編碼后，以固定頻率的聲波脈沖延管柱傳輸到地面進行接收，在鉆柱中其數據傳輸速率理論可達到50～100 bit/s。周靜等人[2]對聲波在鉆柱中的傳輸特性進行了研究，提出了聲波在鉆柱中傳播的最優頻帶；蔡文軍[3]進一步確定了聲波在鉆柱中傳播的優選頻率為600,650,900 Hz；杜勇等人[4]證明了聲波在單根油管內衰減較小，螺紋接口處衰減較大的特性；馮曉莉等人[5～8]對聲波在油管內的傳輸特性進行了建模分析及實驗，并提出了井下換能器及地面解碼濾波的具體方案；張建軍等人[10]通過實驗確定了聲波信號衰減與井深的關系；劉新平等人[10,11]對井下泥漿脈沖、電磁、聲波等無線傳輸手段進行了對比分析；張成暉等人[12]設計了以片上系統現場可編程門陣列(silicon on chip field programmable gate array,SoC FPGA)為核心的聲波測井數據采集系統；林博等人[13]對聲波測井數據壓縮算法進行了研究和優化。

目前國內井下聲波遙測技術研究主要集中在管柱聲波傳播特性、井下換能器和地面解碼濾波方面，對井口信號接收裝置的研究仍未見報道。傳統的加速度傳感器及速度傳感器在其測量范圍內靈敏度為恒定值，對傳輸到地面的微弱有效信號和干擾信號進行無差別的采集，使后續的濾波解碼工作變得十分艱難。

本文設計了一種地面定頻信號采集裝置，利用共振原理對指定頻率的振動信號實現大幅值輸出，同時抑制其他頻率的干擾信號，極大地增強了系統的靈敏度和抗干擾能力，提高了后續解碼工作的成功率。

1 結構設計與原理

1.1 井下聲波遙測最優頻率

聲波信號在管柱內傳播的吸收式衰減規律為

J=J0e-δL

(1)

式中J為距聲源L遠處的聲場強度，J0為聲源處聲場強度，δ為衰減系數。信號頻率越高則衰減系數越大。聲波信號在油管管柱內的可靠傳輸深度約為2 km[14,15]。

油管管柱中，頻率高于5.5 kHz的聲波信號衰減幅度急劇增大，在0.5～1 kHz范圍內則衰減較小[16]。利用GZ-6C型測振儀和井下超磁致伸縮換能器進行現場掃頻實驗發現，換能器進入液面后信號衰減嚴重，但770 Hz的聲波振動信號衰減程度明顯小于其他頻率，且幅值一直保持在1 m/s2以上，故選取770 Hz為地面定頻信號采集裝置的設計目標頻率，設計共振方向為沿管柱軸向。

1.2 基本結構

定頻信號采集裝置結構如圖1所示。其中“壓電陶瓷片”是以黃銅薄片為基體，上下分別燒結了P-41陶瓷材料的環狀薄片，被壓緊固定在“基座”上。“基座”底部有M5螺桿用于固定安裝。在“壓電陶瓷片”與固定件之間墊有“彈性墊片”，材料為PTFE，用以適當降低系統的阻尼系數。“壓電陶瓷片”外沿與“殼體”采用激光焊接。“殼體”上部安裝“加重組合”，用于調整裝置的固有頻率。整個信號采集裝置為一個頻率可調的共振系統，其“加重組合”呈塔形布置，使軸向振型更容易被區分出來。

圖1 接收裝置結構示意

由于井口安裝條件限制，要求接收裝置外徑小于等于45 mm，高度小于等于170 mm，外部安裝防水防爆保護罩和配套的固定裝置。

1.3 模態分析

整個信號采集裝置作為一個共振系統結構較為復雜，存在多種材料之間的相互粘結、接觸和擠壓，對其各階固有頻率直接求解計算十分困難。采用Abaqus軟件對整個裝置進行模態分析，以確定在770 Hz激勵下實現軸向共振的加重組合形式。整個模型采用C3D10M單元，共68 644個單元，材料參數如表1所示。對零件“基座”底部M5螺柱施加固定約束，分析計算前6階模態。

表1 不同材料的計算參數

當加重組合總質量為168 g時，前6階固有頻率分別為392.79,393.34,768.58,1 645.9,1 649.5,1 786.5 Hz，其中,第3階振型共振方向為軸向方向，頻率為768.58 Hz，接近目標頻率770 Hz。

1.4 諧響應分析

為了模擬真實的工作情況，對模型按照正弦規律施加0.05 mm的強制位移，方向沿軸向，從0～2 500 Hz進行掃頻激勵，模型總應變能如圖2所示。

圖2 0.05 mm強制位移激勵下模型總應變能

可見在768.58 Hz時，模型總應變能最大，為296.647 mJ，且曲線尖銳。表明對于軸向振動激勵來說，本信號采集裝置具有極強的頻率選擇性(768.58 Hz)，響應輸出也較高。

2 樣機室內與現場實驗

2.1 幅頻特性

以Abaqus計算結果為參考進行設計，最終成品(WL-770定頻信號采集裝置)如圖3所示。加重組合滿足120～187.5 g范圍內的調整需求。其中,1#樣機經過調校后確定加重組合為160 g。

圖3 WL-770定頻信號采集裝置

采用VSC-1型振動傳感器校準儀，對1#樣機、動圈式地震檢波器LGT-20D40和壓電式加速度傳感器INV9828進行軸向掃頻激勵實驗，頻率從0 Hz逐步增加到1 000 Hz。測量三者輸出的峰峰電壓值，結果如圖4所示。

圖4 3種傳感器的頻響特性(加速度5 m/s2)

可以看出，1#樣機在加速度幅值為0.5 m/s2的正弦激勵下，770 Hz時輸出電壓峰峰值為6.8 V，曲線形狀與Abaqus諧響應分析獲得的應變能曲線基本一致，在0～730 Hz及820～1 000 Hz范圍內輸出不到1 V。

而LGT-20D40和INV9828型傳感器在10倍于1#樣機的激勵強度(5 m/s2)下，其整體最大輸出值，以及770 Hz時的輸出值仍要遠遠小于后者；且兩者在量程內靈敏度幾乎為恒定值，沒有頻率選擇性。

綜上所述，新型定頻信號采集裝置適合對給定頻率的振動信號進行捕捉，滿足井下ATS使用要求。傳統加速度、速度傳感器適合測量量程內不同頻率加速度、速度信號的大小。

2.2 多只樣機對比試驗

對20只WL-770定頻信號采集裝置樣機進行調試，加重質量和在770 Hz、加速度幅值為0.5 m/s2的正弦激勵下的輸出幅值如表2所示。

表2 20只樣機在770 Hz的輸出及加重質量

可見，全部20只樣機經過調校，在770 Hz時的輸出均在5.5 V以上，完全滿足后續采集解碼電路的需求。且前10只樣機的頻響特性曲線基本重合，僅在最高點幅值有小范圍變化，其穩定性及調校工藝滿足批量生產的要求。

2.3 軸向共振頻率與加重之間的關系

定頻信號采集裝置軸向共振頻率與加重之間的關系受系統結構、材料特性等多種因素的影響，難以直接分析計算。對8#樣機進行了不同加重組合下軸向共振頻率的測試，從實驗的角度探尋其軸向共振頻率與加重組合間的關系，得出結果如圖5所示。

圖5 不同加重質量對共振頻率的影響

可見對此WL-770定頻信號采集裝置來說，在120～175 g加重區間內，其軸向共振頻率與加重質量基本滿足線性關系，此關系可用來指導生產調校，初步確定加重組合質量。

2.4 現場實驗應用

將安裝WL-770定頻信號采集裝置的地面控制器，和安裝INV9828加速度傳感器的地面控制器進行現場對比試驗，24 h內前者解碼成功11組數據，后者解碼成功5組數據(如表3所示)，前者相比后者解碼成功率提高了1倍以上。

表3 24 h內兩套地面設備解碼對比

3 結 論

針對煤層氣井的井況，通過實驗確定了井下聲波遙測所采用的最優頻率為770 Hz。根據共振原理設計了地面定頻信號采集裝置，通過模態分析確定了設計參數，并對模型進行了諧響應分析。

通過樣機及現場應用實驗，證明此定頻信號采集裝置具有較高的靈敏度和良好的選頻特性，能夠應用在實際生產中并提高地面解碼的成功率。

同時，此接收裝置還可以應用在類似的，采用定頻聲波或振動脈沖作為信號傳輸手段的其他場合。