Page 150 - 《应用声学》2020年第5期

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泥浆脉冲、电磁辐射、声波传输，该类方法通常不干
0 引言
扰钻进过程，都可以在随钻测井中使用 [3] ，除泥浆
智能油田是21世纪的发展方向之一，其本质是 脉冲外，基于电磁和声波的井下通信方式也有应用
一套闭环信息采集、传输和处理系统，不仅能连接 于智能油田开发的实例。
作业现场与油田基地，更重要的是实时连接地面与 从表 1 可以看出，声波传输以井下固有的金属
井下以实现永久监测 [1] 。在智能导钻中，实时有效 钻杆或油管 (下文统称“管柱”)作为通信信道，以低
地将随钻测量的信息传递到地面供工程师进行决 频弹性波为载波，不依赖于钻井液和地层，系统复杂
策是该项技术发展的瓶颈之一 [2] 。总之，无论是在 度低，便于井场部署和改装；相比于其他通信方式，
油田的后期智能开发还是前期的智能导钻中，在井 其数据传输速率较高，能够满足地面监测与决策的
下获取的数据都必须通过一定的方式传递到地面， 需求，有望对发展智能油田起到关键推动作用。20
即布设这些系统时，有效的井中和地面通信方式是 世纪 90年代以来，哈里伯顿等油服公司率先开展技
其中的一个重要因素。 术攻关，目前已推出商用的随钻产品 [4] ，性能远超
现有的井下通信方法可笼统的分为有线和无 泥浆脉冲传输。国内的研究相对滞后，随钻声通信
线两大类。有线通信包括电缆、智能钻杆等，传输速 产品尚未推出，但有油水井智能检测的管柱通信报
度快，但往往设备昂贵、部署难度大；无线通信包括 道 [5] 。

表 1 各种井下通信方式的对比
Table 1 Comparison of various downhole communication methods

电缆 智能钻杆 泥浆脉冲 电磁辐射 声波传输
正脉冲 < 5 bit/s
传输速率 快 较快 < 20 bit/s > 100 bit/s
连续脉冲 <30 bit/s
操作复杂，会影响 需对钻杆进行改装， 依赖于钻井液，无法在
应用限制 对地层电阻率要求较高 无
正常钻进过程 实施难度大 欠平衡井以及开发中使用
成本 高 高 中等 较高 低

商业化 成熟 小范围 成熟 小范围 半商业化

考虑到声波在管柱中远距离传输的多径衰落 道的声传输特性进行了较为系统的研究，包含对频
和非平稳噪声干扰等问题，研究的重点在于两方面： 散、阻抗、衰减等物理特性的解释。
一是要搞清楚管柱信道的特性，建立物理模型，从而 1.1 管柱信道的物理特性
优化声通信信道的参数；二是要研究适合该信道的
首先对管柱模型进行合理简化：假设声波呈
数据传输方案，提高通信的可靠性。通过以上研究，
轴对称分布，考虑到声传输的载波频率一般低于
最终实现高速高可靠性的周期性管柱声通信。为了
2 kHz，基本符合低频假设，因此可以将管柱看作周
更好地推动本项技术的发展，本文对井下声波通信
期级联的均匀弹性棒。图 1 展示了简化的管柱模型
的关键问题和研究历程进行梳理和回顾。
中声波多路径传播的情况。
1 信道物理模型的研究

低频范围内空心圆管中轴向传播的声波有 3
种模式：纵波、扭转波和弯曲波；纵波的传播波 图 1 简化的管柱模型与声波多径传播
速快、耗散少，且接收简单，因此一般使用纵波作 Fig. 1 Simplified drill string model with acoustic
multipath propagation
为通信载波 [6] 。关于波在周期结构中传播的问题，
Brillouin [7] 于 20 世纪三四十年代做了大量的理论 周期结构中的波传播一般会被归结为特征值
研究。文献[6, 8–14]在Brillouin的基础上对管柱信 问题：将一维波动方程写成 Hill 方程形式，代入