弯曲钻柱中声传播特性教学实验装置研制

刘永旺, 管志川, 王　庆, 樊　滔, 张　波

(中国石油大学(华东) 石油工程学院, 山东青岛　266580)



弯曲钻柱中声传播特性教学实验装置研制

刘永旺, 管志川, 王庆, 樊滔, 张波

(中国石油大学(华东) 石油工程学院, 山东青岛266580)

建立了用于测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的教学实验装置,基于该装置对钻柱弯曲状态对钻柱中声传播的影响规律进行了实验研究及分析。研究结果表明:声波在钻柱中传播时存在的交替排列通阻带随着钻柱弯曲程度变化而发生变化,钻柱弯曲时,通带宽度基本不变,通带声波幅值加强,通带后移,随着弯曲程度的增加,上述趋势更加明显；随发射声波频率的增加,通带后移幅度增大；声波激励电压、脉冲宽度及速率对钻柱弯曲后传输性能变化影响较小,基本可以忽略。井下随钻信息声传输方法的开发与实现要充分考虑井眼内钻柱状态的影响。

实验装置; 弯曲钻柱； 声信号； 传播规律

由于勘探开发的深入,定向井、水平井、分支井等特殊工艺井成为目前油气勘探开发的主要井型。相对于直井而言,这些特殊工艺井中井下钻柱状态更加复杂,对井下信息传输的传输速率、传输数据量要求更高[1]。当前井下信息无线传输技术中的声波传输技术由于传输效率高、成本较低且适用范围广等优点而呈现出较好的发展势头[2]。针对井下信息声传输技术,国内外开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发现了声波在理想化周期性钻柱结构中传播时,除了随着声波频率升高衰减加剧外,在较低频段还存在衰减较小的频带即通带,衰减较大的频带即阻带。经过多年的研究,井下信息声传输技术已经能够应用于非钻井过程中井下信息传输领域,其数据传输速率达到了30 bit/s,有效传输距离可以达到2 500 m以上。定向井钻井过程中,钻柱处于弯曲状态,钻柱弯曲程度随着井型不同而不同,该因素对钻柱中声传播特性是否存在影响,如果存在影响,影响规律是什么？至今未见相关研究报道[6-10]。为了进一步探明钻柱中声传播特性、能够早日实现钻井随钻信息的声传输,本文设计了实验室测试装置,并开展了钻柱弯曲状态对钻柱中声传播的影响规律研究。

1　钻柱弯曲声传输特性装置

为了研究钻柱中声传播特性,中国石油大学(华东)研制了适合直钻杆的测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的实验装置[11],装置具体结构见图1。该装置包括声波发射系统、井筒模拟系统、模拟钻柱和钻井液循环系统、声波接收及处理系统等组成。

声波发射系统由换能器和任意波发生器组成,任意波发生器通过换能器与模拟钻柱连接,可实现声波的发射功能；钻井液循环系统与模拟钻柱及井筒模拟系统连接,用于完成钻井液在井筒模拟系统与模拟钻柱构成的环空及模拟钻柱内的循环。模拟钻柱另一端连接有一个声波接收与处理系统,用于声波信号的显示、记录、保存及进行时域和频域分析。

图1　声传播特性实验装置结构图

上述装置仅能研究直钻柱中声的传播特性[12],为了开展弯曲钻柱中声传播特性实验,对上述装置进行了改造。具体改造原则:以钻柱两端为支点,抬高钻柱两端,同时,在钻柱中央加载重物使其弯曲,钻柱中央承重不同,会产生不同程度弯曲,改造后的实验装置结构示意图见图2。

图2　钻柱弯曲对声传输影响实验研究系统

利用几何原理,可以算出不同弯曲程度(2°/10 m、4°/10 m、6°/10 m、8°/10 m、10°/10 m)状态下钻柱的调节参数。具体方法如下:

将整段弯曲钻柱看作一段圆弧,则圆弧对应的半径即为钻柱曲率半径,圆弧对应的弧度即为钻柱的曲率,如图3所示。整段圆弧长度为10 m,钻柱弯曲程度用圆心角来表示,即图3中的2θ,调整该值为2°、4°、6°、8°、10°等进行声传输实验和分析,就可完成钻柱弯曲程度对声传输特性影响的实验研究。

图3　钻柱弯曲程度调整示意图

(1)

代入数值后得

(2)

则有:

(3)

(4)

算得不同钻柱弯曲程度所对应的a、b值见表1。

根据b值可以方便地调整钻柱的弯曲程度。具体控制方法:在钻柱中央加载不同重量的重物,使其中央离地高度比钻柱两端离地高度少b,即可以调整出钻柱的弯曲程度。重物材料采用石英砂,因其加入量基本可以连续变化,且产生相应重量需要石英砂体积符合。

表1　钻柱弯曲程度调整参数表

2　钻柱弯曲对声传输特性的影响

钻柱弯曲条件下,声传输特性除了可能受弯曲程度影响之外,也可能受声波信号发射参数的影响。在不同钻柱弯曲程度下,用换能器发射脉冲波,改变发射条件测量声传输数据,剔除发生波形失真的组别,对余下各组实验数据进行傅里叶变换,得到相应频域图并进行对比分析。

2.1不同激励电压下钻柱弯曲对声传输特性的影响

设定脉冲宽度为5 μs,脉冲频率f为5 Hz,研究激励电压分别为100 V和300 V时钻柱不同弯曲状态对声传输特性的影响。选取具有代表性的钻柱弯曲程度进行分析,本文中选用2°/10 m、6°/10 m、10°/10 m进行研究。3组声传输特性实验数据所得频域图对比见图4和图5(图中V为信号电压)。

图4　钻柱不同弯曲程度频域图对比(激励电压100 V)

图5　钻柱不同弯曲程度频域图对比(激励电压300 V)

由图4和图5分析得出:发射声波脉冲宽度和速率一定时,改变声波激励电压(分别为100 V和300 V时),钻柱弯曲对声传输特性影响规律基本一致,即随着钻柱弯曲程度增加,通带宽度无明显变化,通带幅值均逐渐增大,通带后移；随着测试频率增加,通带后移幅度变大；激励电压对钻柱弯曲后声传输特性变化影响不大,甚至可以忽略。

2.2不同脉冲频率下钻柱弯曲对声传输特性的影响

设定脉冲宽度为5 μs,激励电压100 V,研究脉冲频率分别为1、5、10 Hz时,不同弯曲状态对声传输特性的影响。钻柱弯曲程度分别为2°/10 m、6°/10 m、10°/10 m时3组声传输特性实验数据所得频域图对比见图6、图7和图8。

图6　钻柱不同弯曲程度频域图对比(5 μs,100 V,1 Hz)

图7　钻柱不同弯曲程度频域图对比(5 μs,100 V,5 Hz)

图8　钻柱不同弯曲程度频域图对比(5 μs,100 V,10 Hz)

由图6、图7和图8可看出:脉冲宽度和激励电压一定时,脉冲频率分别为1、5、10 Hz时,钻柱弯曲对其内声传输特性影响规律基本一致,即随钻柱弯曲程度增加,通带宽度无明显变化,通带幅值均逐渐增大,通带后移,随着测试频率升高,通带后移幅度越大；脉冲频率对弯曲后声传输特性变化影响不大,甚至可以忽略。

2.3不同脉冲宽度下钻柱弯曲对声传输特性的影响

设定脉冲频率为5 Hz,激励电压100 V,研究脉冲宽度分别为5 μs、5 μs～10 ms中间值、10 ms时,不同弯曲状态对声传输特性的影响。钻柱弯曲程度(2°/10 m、6°/10 m、10°/10 m)时3组声传输特性实验数据所得频域图对比见图9、图10和图11。

图9　钻柱不同弯曲程度频域图对比(5 Hz,100 V,5 μs)

图10　钻柱不同弯曲程度频域图对比(5 Hz,100 V,5 μs～10 ms中间值)

图11　钻柱不同弯曲程度频域图对比(5 Hz,100 V,10 ms)

由图9、图10和图11分析得出:当脉冲速率和激励电压一定时,脉冲宽度分别为5 μs、5 μs～10 ms中间值、10 ms时,钻柱弯曲对其内声传输特性影响规律基本一致,即随着钻柱弯曲程度的增加,通带宽度变化不大,通带幅值均逐渐增大,通带后移；随着测试频率升高,通带后移幅度变大；脉冲宽度对弯曲后声传输特性变化影响不大,甚至可以忽略。

3　结论

实验得出如下结论:

(1) 钻柱的弯曲对其内声波的传播具有影响,其影响规律与钻柱的弯曲程度、声波的频率有关；

(2) 声波在弯曲钻柱中传播时依然存在交替排列的通阻带；

(3) 随钻柱弯曲程度增加,声波传输频谱特征中通阻带宽度基本不变,通带幅值增大,通带后移,且频率越高,后移幅度越大；

(4) 声波激励电压、脉冲宽度及频率对钻柱弯曲后声传输性能变化影响较小,基本可以忽略,钻柱弯曲时,其声传输特性的主要影响因素为钻柱弯曲程度；

(5) 定向井常见井眼曲率钻柱中,低频段通带受钻柱弯曲影响较小,在考虑钻柱弯曲对声传输影响后,应优先选择低频信号作为井下信息声传输的载波。

设计的钻柱弯曲对声传输特性影响的教学实验装置对于弯曲钻柱中声传输特性研究及演示具有重要意义。

References)

[1] 刘永旺. 井下信息声波传输系统理论与方法研究[D].青岛:中国石油大学(华东)石油工程学院,2013.

[2] 李志刚,管志川,王以法.随钻声波遥测及其关键问题分析[J].石油矿场机械,2008,37(9):6-9.

[3] 赵国山. 钻柱中声传播特性的理论及实验研究[D].青岛:中国石油大学(华东)石油工程学院,2010.

[4] 赵国山,管志川,刘永旺. 声波在钻柱中的传播特性[J]. 中国石油大学学报：自然科学版,2010,34(1):55-59.

[5] 隆志强. 钻柱中声波传播特性的实验研究[D].青岛:中国石油大学(华东)石油工程学院,2011.

[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.

[8] 李成,丁天怀.信道阻尼边界对井下钻杆声传输的影响[J].振动与冲击,2006,25(6):17-20.

[9] 马西庚,李超,柳颖. 钻杆中声波传输特性测试[J]. 中国石油大学学报：自然科学版,2010,34(4):70-74.

[10] 车小花,乔文孝. 随钻测井钻柱声波的频谱特性[J].中国石油大学学报：自然科学版,2008,32(6):66-70.

[11] 刘永旺,管志川,赵国山,等.尺寸差异钻杆组成的钻柱中声传播特性测试[J].振动与冲击,2015,34(7):93-97、114.

[12] 刘永旺,管志川,杜彬彬，等. 周期性螺纹连接管结构中声波的频谱特性测试[J].中国石油大学学报：自然科学版,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

国家自然科学基金青年科学基金项目(51404285);国家高技术研究发展计划(863计划)主题项目(2012AA091601);中国博士后科学基金面上资助项目(2014M551985)

刘永旺(1983—)，男，内蒙古宁城，博士，博士后，讲师，主要从事深井提速技术、定向井安全高效钻井技术及井下工具设备研发研究.E-mail：liuyongwang2003@163.com

TE927

A

1002-4956(2016)10-0093-06