聲波沿井筒內注入水長距離傳輸可行性研究

摘要：注水是油田開發中提高采收率、保持油田高產穩產的有效手段。目前，常見的注水工藝包括電纜投撈、預置電纜、無纜注水工藝等。無纜注水工藝常見的信號載波方式為壓力載波和聲波載波。針對探索聲波在井筒內液體的長距離傳輸規律及聲波通信無纜注水工藝可行性，進行了試驗研究。將聲波發射器放置在井口，通過地面控制器控制發射器發射不同頻率的聲波信號，接收器置于1 200 m井下，井筒內灌滿液體，聲波沿井筒內液體傳輸。對聲波在井筒內傳輸的關鍵影響參數，如井深、聲波頻率、注水噪聲等，設計了試驗流程。試驗結果表明，注水對聲波信號傳輸影響很大，不注水條件下，100 、168 、250 Hz單頻信號均可在經過1 200 m井下傳輸后被檢測到，滿足通信要求，且100 Hz聲波信號隨井筒距離增加衰減最小。研究結果首次驗證了聲波沿井筒內液體長距離傳輸的可行性，為聲波通信無纜注水工藝研究打下了基礎。

關鍵詞：無纜；聲波；井筒傳輸；試驗

中圖分類號：TE952 " " " " "文獻標志碼：A " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.03.003

Experimental Study on Long Distance Acoustic Transmission in Water

Injection Wells

ZHANG Lei，WANG Yao，XUE Dedong，ZHENG Chunfeng，ZHAN Min，GUO Peiwen

（CNOOC EnerTech Drillingamp;Production Co.，Tianjin 300450，China）

Abstract： Water injection is an effective way to improve oil recovery and maintain high and stable production in oil field development. At present，the common water injection methods include cable fishing， preset cable wireless water injection technology，etc. The common signal carrier modes of the wireless water injection process are pressure carrier and acoustic carrier. In order to explore the transmission law of acoustic waves in the wellbore and to verify the feasibility of wireless water injection technology based on acoustic communication，the wellbore acoustic wave transmission test was studied in this paper. The acoustic transmitter was placed at the wellhead，the transmitter was controlled by the ground controller to transmit acoustic signals of different frequencies，and the receiver was placed 1 200 m below ground. Aiming at the main influencing parameters of sound wave transmission in the borehole，such as borehole depth，sound wave frequency，water injection noise，and so on，the test procedure was designed. The test results show that 100 Hz，168 Hz，and 250 Hz single-frequency signals can be detected after 1 200 m underground transmission， which meets the communication requirements. The research results of this paper lay a foundation for the research of wireless intelligent water injection technology based on acoustic communication.

Key words： wireless；acoustic wave； borehole transmission；experiment

注水是油田開發中提高采收率、保持油田高產穩產的有效手段。目前，基本形成了以機械投撈測調、電纜投撈測調和智能測調為代表的三代分層注水工藝，實現了從機械到電控，從常規到高溫高壓、大排量分注的升級和跨越。有纜智能測調分層注水技術不受井斜限制，可以實現實時測調、隨測隨調，可是該技術需要電纜隨管柱下入，操作復雜、費用較高［1-6］。為克服現有智能測調分層注水技術存在的不足，無纜分層注水技術應運而生。

無纜智能注采技術具備低成本和低風險的優勢，是有纜智能注采技術的有效補充。目前海上油田常用的無纜分層注水技術采用的傳輸信號的載體包括壓力波和聲波，在采用壓力波作為傳輸信號時，地面和井下的通信效率極差，讀取井下流量、壓力和溫度等參數的時間需要長達數個小時。聲波也是水下信號傳輸技術中常用的載體，以聲波為傳輸信號的載體與壓力波相比，具有效率高、成本低等優點［7］。

為探索聲波在井筒內的傳輸規律，為基于聲波通信的無纜智能注水工藝研究打下基礎，本文對井筒聲波傳輸試驗進行了研究。針對影響水聲通信的聲波頻率、油管尺寸、注水噪聲等關鍵問題，設計試驗流程。通過對試驗數據的分析，得到了聲波在井筒內傳輸的規律，為解決現有無纜注水技術存在的傳輸效率差等問題提供借鑒。

1 無纜水聲通信研究現狀

目前海上油田常用的井下信息傳輸方式包括有纜傳輸和無纜傳輸。有纜傳輸技術傳輸速率高，且可雙向傳遞信息，不會受到井深限制和信號衰減等的影響，是目前廣泛采用的數據傳輸方法。但是該方法存在成本過高、結構連接復雜等問題。無纜傳輸包括泥漿脈沖、電磁波和聲波。泥漿脈沖傳輸是口前廣泛應用的一種隨鉆測量傳輸方式。本文對比了不同傳輸方式的傳輸介質、傳輸速率等信息，如表1所示。

從表1中可以看出，聲波傳輸能顯著提高數據傳輸速率，且可以實現地面和井下的雙向通信，降低地面和井下通信成本，是一種優勢顯著的海上油田無纜通信技術。

在聲波傳輸理論方面，國內清華大學的李成和丁天懷教授利用縱波為傳輸載體，以鉆桿和油管為研究對象，討論了聲波傳輸中的信道特性和影響因素，以及管道中的信號檢測方法。他們的研究主要是關于聲波傳輸特性的理論分析方法。在油田工程應用方面，美國哈里伯頓公司（Halliburton）對油井聲波傳輸系統進行了研究。隨后，該公司制作了聲波LWD樣機致力于鉆井和隨鉆測量數據的傳輸研究。2004年，美國貝克休斯公司和EvoLogics公司利用鉆柱進行了聲波傳輸試驗，井深達到了620 m，傳輸速率為7～20 kbit/min。同年，美國哈里伯頓公司公司公布稱，研制出了井下無纜聲遙測工具ATS，其傳輸深度為127 m的油管，可以每隔2 min傳輸一組數據。此外，XACT井下聲波遙測公司和Extreme Engineering Ltd在2007年公布了鉆井工藝中的井下信息聲波傳輸系統，傳輸速率達到20 bit/s，結合井下聲轉發短傳裝置，通信深度可達到2 500 m［7-14］。

但目前聲波傳輸試驗多集中在油管、鉆桿傳輸聲波方面，在聲波沿井筒內液體傳播方面，相關試驗研究處于空白狀態。為驗證聲波沿井筒液體傳輸的可行性，探索井筒水聲通信的距離和影響因素，需要對井筒水聲通信進行試驗研究。

2 聲波沿井筒內液體傳輸規律研究

2.1 聲波沿井筒內液體傳輸的波動方程

井筒內管柱是由多個長度接近的油管和接箍依次連接而成，當油管內充滿液體時，不考慮接箍、工具縮頸等因素的影響，井筒內液體可以看作均勻連續的水柱。研究表明，聲波在油管內液體的傳播形式主要為縱波，當縱波的波長遠大于油管直徑時，傳輸通道的濾波效應對縱波傳播影響較小，由于油管內徑較小，當采用小于1 kHz的低頻率聲波時，聲波波長遠大于油管內徑，縱波在油管內液體的傳播可以通過一維波動方程精確求解。下面詳細分析聲波在油管內液體中傳輸的波動方程。

由于研究的是聲波沿油管內液柱的傳播，所以不考慮質點的徑向位移，只考慮質點的軸向位移，假設液柱某一位置x的質點位移為u（x，t），則根據虎克定律，管軸方向的應力σ與位移u之間的關系滿足：

式中：u為液柱某一位置x處的質點位移，m；t為時間，s；x為液柱位置，m。

公式（6）就是聲波在油管內液體中傳播的經典波動方程，也是分析聲波在油管內液體中傳播的理論基礎［7］。

2.2 聲波沿井筒內液體傳播的衰減特性

聲波在油管內液體中傳播時，隨著油管長度的增加，聲波信號會減弱，即聲波的能量衰減。聲波在油管內液體中的傳播受聲波頻率、液柱縮擴頸、周圍介質的阻尼等影響很大，通常情況下，聲波在油管內液體中的衰減主要包括以下兩種形式：傳輸介質阻尼引起的衰減和液柱縮擴頸引起的衰減。傳輸介質阻尼引起的衰減實質上是一種能量轉換，聲波能量一部分轉換成了熱能，一部分轉換成了分子內部運動所需的能量。傳輸介質阻尼引起的衰減受傳輸介質的粘滯系數、傳輸頻率和傳輸距離的影響，傳輸介質的粘滯系數越大，聲波衰減越厲害。

由于油井深度一般在幾千米，油管內液柱底部距離頂部聲源較遠，聲音在油管內的傳播可以看作是球面波，聲音在油管內液體中的衰減方程表示為：

式中：P0為聲源的起始聲壓；Px為距離聲源距離x處的聲壓；x為至波源的距離，m；α為介質衰減系數，Np/m；e為自然對數的底。

2.3 噪聲對聲波沿井筒內液體傳播的影響

聲波沿井筒內液體傳播過程中會受到多種噪聲的影響，如地面注水泵和地面修井機等設備運作帶來的振動、聲源自身的噪聲、井下注入水流動產生的噪聲、井下注水管柱振動帶來的噪聲等，如果噪聲的頻率范圍與信號的頻率范圍發生重合，或者噪聲的強度遠大于信號強度，則噪聲會把信號淹沒，從而導致信息傳輸失敗。為了研究聲波沿井筒內液體長距離傳輸的可行性，必須對聲波沿井筒內注入水傳輸過程中的噪聲進行分析。

1） 地面設備運轉帶來的噪聲。地面注水泵、地面修井機等設備運轉帶來的噪聲強度大、頻率范圍寬，地面設備運轉帶來的噪聲將跟隨聲源發出的聲波一起沿井筒內液體傳播，并最終傳播至井底，形成機械噪聲。

2） 聲源自身的噪聲。由于聲波激勵源電路設計不當或者聲源自身質量較差等因素的影響，地面聲源發出的聲波并不是標準的正弦信號，而是帶有毛刺，這就是聲源自身的噪聲。這些噪聲也會沿井筒內液體傳播，從而影響井下接收器接收到的聲波信號質量。

3） 井下噪聲。井下噪聲主要包括注入水流動產生的噪聲、注入水流經水嘴產生的噪聲和井下注水管柱振動帶來的噪聲。井下噪聲由于距離聲波接收器較近，其強度會對井下接收的聲波信號有較大影響，并且很難消除。

為消除噪聲對聲波信號的干擾，必須針對以上噪聲來源，采取有效措施減少噪聲來源，并采用適當的信號處理方法對檢測到的信號進行處理。

3 聲波沿井筒內液體傳輸可行性試驗

為驗證聲波沿井筒內注入水長距離傳輸的可行性，在某試驗井進行了聲波傳輸現場試驗。通過不同深度、不同頻率聲波信號的傳輸試驗，研究了井斜、油管尺寸和水聲噪聲對井筒中水聲傳輸的影響規律，為聲波遠程傳輸智能注水技術提供了技術支持。

3.1 試驗內容

1） 在地面連接聲波發射器、地面控制器等地面設備。

2） 將接收器與油管連接，下入井筒內。每下入200 m油管，利用地面設備按照不同頻率（100、168、250 Hz）分別發射一組波形，研究不同頻率聲波在井筒中的傳播規律。

3） 待接收器和油管下入井筒內1 200 m處，停止下入油管。使接收器保持在1 200 m處，連接井口工裝，建立油套循環通路，對管柱內打壓至3 MPa，利用地面發射設備按照不同頻率（100、168、250 Hz）分別發射一組波形，研究注水工況下的聲波傳輸規律。

4） 停止地面柱塞泵和修井機等運轉，利用地面設備按照不同頻率（100、168、250 Hz）分別發射一組波形，研究消除地面設備噪聲條件下的聲波傳輸規律。

連接好的井口試驗工裝如圖1所示，井下接收器如圖2所示。

3.2 試驗井資料

本次試驗在某模擬試驗井進行，該井為一口水平井，最大斜深1 800 m，井身結構如圖3所示。

3.3 試驗工具

本次試驗所用工具清單如表2所示。

4 試驗結果分析

試驗完成后，將井下接收器取出，讀取試驗數據并進行分析。

管柱內打壓3 MPa，模擬注水噪聲條件下的1 200 m處接收器信號波形界面如圖4所示。

從圖4中可以看出，地面設備、井下噪聲等帶來的噪聲強度遠大于聲波信號。通過對噪聲頻率進行分析，注水噪聲覆蓋了信號頻率且噪聲很強，無法通過濾波消除。

停止地面柱塞泵和修井機等運轉后，模擬消除注水噪聲后的1 200 m處接收器信號波形界面如圖5所示，不同頻率的信號隨井深增大，信號強度變化情況如圖6所示。

從圖5～6中可以看出，停止地面柱塞泵和修井機等運轉后，注水引起的噪聲大大降低，1 200 m處接收器可以接受到地面發射器發送的聲波信號。本次實驗設備在滿幅發射情況下，100、168、250 Hz單頻信號均可在經過1 200 m井下傳輸后被檢測到，信號強度在-55 dB左右，滿足通信要求。沿井筒內液體傳輸的三種頻率的信號中，100 Hz聲波信號隨管柱長度增加衰減最小。

5 結論

1） 注水噪聲覆蓋了信號頻率且噪聲很強，無法通過濾波消除，故注水情況下無法通信。

2） 不注水條件下，100、168、250 Hz單頻信號均可在經過1 200 m井下傳輸后被檢測到，滿足通信要求。

3） 沿井筒內液體傳輸的100、168、250 Hz三種頻率信號中，100 Hz聲波信號隨管柱長度增加衰減最小。

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