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石油井下特种作业超声波通信信道问题和系统构建建议 ［摘要］石油既是一种不可再生资源，也是重要的战 略能源，所以一直以来人们都很重视对石油勘探开采技术的 研发。作为石油勘探开发重要环节的测井环节是评估油气 层、估计油气储量的主要依据。由于石油储存于地下深处， 一般的有形工具都难以勘探的到，因此研发一种高效的无线 测井系统对石油的开发勘探工作有着重要的意义。本文分析 超声波信号在信道中存在的衰减、临界角和传播距离等问 题，并给出了通信系统模型构建的建议。 ［关键词］超声波通信石油技术通信系统 ［中图分类号］0657. 5 ［文献码］B ［文章编号］ 1000-405X (2014) -1-281-1 1石油井下特种作业超声波通信信道基本问题 在进行石油勘探开发的时候，超声波是在管路和管道中 传播的，因此基于超声学原理和超声检测理论上先对超声波 通信信道基本问题进行讨论。 1.1信号衰减问题 声信号衰减的原理有点类似于电阻，超声波在经过介质 时需要克服一定的阻力，这种阻力就是声抗体。两种声阻材 料之间的边界就称为声学界面，当超声波直射到声学界面 时，部分的能量会被反射，部分能量则透射过声学界面，因 此，超声波在介质中传播的时候就会发生衰减现象，一般影 响衰减的因素有四个：反射、散射、衍射和吸收。由于在石 油勘探开采中，超声波是在钢管这种介质中进行传播的，因 此这个因素是确定的，反射和散射因素才是主要的影响因 素。超声波入射波的波长小于钢管圆柱腔的半径，大部分的 入射能量会从圆柱腔壁被直接反射回去，这是因为圆柱腔与 入射波波长相比就像是一个无限长、无应力的平面，而圆柱 油管直径有20cm左右，是超声波波长的24倍，所以大部分 能量都会被直接反射回到空气中，造成信号衰减问题。 1. 2临界角 当一束超声波以一定的倾斜角照射到两种不同材料介 质的界面时，就会发生反射或界面处的波形转换现象，波形 转换是指超声波到达两种材料的界面时入射能量被分成横 波和纵波从第一种材料传到第二种材料，横波波速小于纵波 波速，导致脉冲激励传播到距激励源很远处会导致两种波型 的分离。石油勘探开采中，超声波是在钢管传播的，如果换 能器入射到钢管壁中的超声波能够以全反射的方式在钢管 壁内传播，则能量就可以得到最大化利用。但是如果波在第 一种材料的传播速度小于在第二种材料中的传播速度慢，则 折射角小于入射角，计算不出钢材和石油之间的临界角，即 不存在临界面。所以，如果想要超声波在钢管壁中发生全反 射，则可以采用在钢管内腔和外墙分别加一层材料的方法， 如皱。 1.3信号传播距离估算 曾经有科学家做了一个实验，把导波锥形孔探头插入到 镰合金管中（管长10英尺），在管中开个锯口（大约1英尺）, 调节发送换能器频率为0. 7MHZ,峰-峰值为0. 4V的简谐波， 通过测试管子的回波信号就可以估算出波在鎳合金管道中 的传播距离。由于镰合金和钢的密度几乎一样，信号在这两 种介质中的传播速度可以视为几乎相等，通过实验，我们可 以得出超波在钢管壁中的传播距离为160英尺。 2石油井下特种作业超声波数据通信系统模型构建 结合超声波数据通信信道的特点以及井下管道的实际 情况，以下就如何构建超声波数据通信系统模型进行讨论。 2. 1系统模型构建 超声波数据通信系统主要用于油井探测，由于石油管道 一般为几百到几千米长度不等，而超声波在钢管中的传播距 离只有48米左右，所以为满足能将测井信息由井底传输到 井口，系统可以设计采用中继方式，由井下信息采集系统、 发射端、中继、井上接收端、信号分析模块组成。这种系统 可以针对不同的油井深度进行灵活多变，通过改变中继的个 数来实现信号的传输。该系统的上部分是发射端，发射端一 般由调制模块、功率放大电路、阻抗匹配电路和超声波换能 器组成；下半部分是接收端，一般由超声波换能器、前置放 大电路、带通滤波电路、自动增益控制电路、解调模块组成。 由于查声波信号在钢管中的传播距离较远，为避免邻近节点 信号相互干扰，所以在可以采用在邻近节点采用不同中心频 率的换能器，同时调制器和解调器也要与换能器中心频率相 匹配。 2.2发送端构建 发送端一般包括功率放大器、阻抗匹配电路，发送端的 性能对系统的整体性能有着重要影响作用，很大程度上决定 了通信系统的传输距离、功耗等指标。在发射端，基带信号 0101频点比较低，不大适合用于直接传输，所以需要换能器 进行调制。目前市场上大多数的超声波换能器多为中心频率 为40KHZ的通用性换能器，所以调制后的信号中心频率必须 在40KHZo现在多用2SFK调制，两个载频分别为38KHZ和 42KHZo调制模块会输出数字信号，该信号经过DA转换器转 换为中心频率为40KHZ的模拟信号，由于该信号没法直接驱 动换能器，所以需要设计功率放