Page 154 - 《应用声学》2020年第5期

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传播的声信号；(3) 阵列接收器 (Extreme acoustic
3 通信系统设计与商业化进展
receiver, EAR) 安装在钻机的顶部驱动套筒或方钻
杆 (Kelly) 上，由两个加速度计和信号处理模块组
设计井下声波通信系统应考虑到以下几点：(1)
井下高温、高压与强震环境对器件的影响；(2) 通信 成，同时负责与解码与可视化设备 (Decoding and
设备兼顾小型化与长续航；(3) 在满足传输需求的 display unit, DDU) 的双向无线通信；(4) ATT 可
前提下，系统复杂度尽可能低；(4) 最大限度提高接 作为中继器，用于转接与放大信号，兼具节点监测
收信噪比；(5) 高效可靠的调制和解调方案。 功能；(5) 声波相位调谐器 (Acoustic phase tuner,
1996年，日本国家石油公司开发了用于随钻数 APT) 可加装在所有 ATT 的顶部和底部进行阻抗
据传输的原型机：采用磁致伸缩换能器发射声波，载 过渡。
频1 kHz以下，通频带内传输，实现了最大传输距离 ܦฉԧ࠱٨ ᫼ѵଌஆ٨
1914 m (速率 10 bit/s)；限制传输速率的主要原因
是对噪声抑制和信道衰减的机制认识不足 [31] 。
2000年，哈里伯顿公司开发出第一个商用的井
下声波通信系统，用户能够实时获取井下数据，配合
地面直读 (Surface read out, SRO) 模式，实现对多
种试井环境的井下监测，极大地节省试井作业时间
和测试成本，方便专家决策 [32] 。初代系统的特点为：
(1) 双向声波通信能力，发送数据集包括压力、温度、

时间、决策指令等；(2) 发射机装于测试阀上方，含3
个石英传感器，有发射与存储两种模式，必要时可电

缆介入；(3) 发射机与接收机之间装有中继器，最大
服务井深3657 m(约12000英尺)；(4) 可用于深海井
和欠平衡井的监测 [33−34] 。 ᬦܦʹ ᝍᆊˁԻ᜽ӑ᝺ܬ
2007 年，加拿大 XACT 公司联合 Extreme En-
图 7 声波遥测系统
gineering 公司和美国桑迪亚国家实验室进行了随 Fig. 7 Acoustic telemetry system
钻声通信系统的现场测试并率先实现商业化服
系统设计存在许多难点，比如用于随钻通信的
务 [4] 。初代系统利用单个通频带 BPSK 调制进行
发射换能器要输出 1 kHz 以下的低频声波，尺寸不
数据传输，标称速率 20 bit/s，尚未安装中继器，服
能太小，还要更高效率地激发管中纵波，对其结构设
务井深为垂直井 2500 m，水平井 800 m。至 2011
计提出挑战；考虑到阻抗匹配，发射短节一般与钻杆
年，XACT 公司已在北美服务了 400 余口井，新一
直径相同，留给电源和信号处理模块的空间极其有
代系统能够对任何管柱结构进行建模从而预先确
限；接收端的信号处理也至关重要，信道估计、均衡
定最佳通频带的位置；使用两个中继器实现最大
检测等环节直接关系到数据恢复的准确性；多个中
服务井深 4000 m，初步具备节点监测功能，传输速
继器之间可能发生信号“串扰”等 [37] 。国内尚无成
率30 bit/s以上(最快达80 bit/s) [35] 。2013年，该公
熟的商业化产品。
司实现井下声波遥测网络 (Acoustic telemetry net-
work) 的构建，即在钻井过程中实时获取信道的多
4 总结与展望
节点环空压力和温度等数据信息 [36] 。系统的 4 个
主要组成部分如图 7 [4] 所示，其特点为：(1) 声信号 井下通信系统能够帮助地面工程师监测和控
以 40 Hz 宽的调制扫频信号形式输出，用以激发管 制井中状态，从而更好地规避作业风险、降低时间
内纵波，提高传输可靠性；(2) AIT 装在声波发射 与资金成本。虽然目前仍受限于传输速率，无法传
器(Acoustic telemetry tool, ATT)与钻具(Bottom 输声波全波列等大数据集，但可以在信道特性允许
hole assembly, BHA) 之间，抑制钻头噪声和反向 的前提下，将测井设备与传感器收集的特征参数发