油井下的声波无线通信技术的模拟研究

油井下的声波无线通信技术的模拟研究

随着石油工业的发展，地面与井下的信息传输和数据传输技术已成为石油生产、测井、钻井等领域的重要研究课题。完整的井下传输系统由输入变换、发射机、传输通道、接收机和输出转换五部分组成。有线传输技术利用电缆等装置连接井下仪器，但实际操作中受限于井下的环境状况，而且设备要求复杂，作业效率低下。无线传输技术能够避免或者克服利用电缆传输带来的严重弊端，且设备简单，成本低，准确率高，所以无线传输技术已成为试井、随钻测井、完井监测等领域的重要手段之一。

井下无线传输技术是测井技术中的一项重要改革，这是一项具有广泛应用前景的创新性工作，可大大提高石油和天然气资源的合理开发利用效率，降低生产成本，延长油气井寿命，为中国石油和天然气工业的发展做出巨大贡献，带来显著的经济效益和社会效益。在这个阶段，国外对无线传输技术的研究水平比中国早（国内广泛应用有线传输方法），为了提高油田的生产力而租借国外成型商业产品租金较高。因此，研究井下无线传输技术很有必要，能够弥补技术空缺，打破国外垄断。

无线传输技术的前景如下：

（1）可用于注水井，将多个注水层的温度、流量和压力信息数据传输至地面，从而准确了解水井情况进行合理注配;

（2）可用于生产测井，井下压力、水位、流量、温度等数据通过油管输送到地面;

（3）可用于定向钻井，实现地面与井下双向数据传输;

（4）可用于随钻测井，同时通过钻杆将地层电阻率、倾角和井眼方位等数据传递到地面;

（5）可用于智能完井，将多分支井、斜井、水平井等多个储层的数据传送到地面，实现多储层的优化组合。

1 声波的选取

声波的种类多样，对于井下传输来说，需要某种特殊的声波作为传播介质，以减缓衰减和噪声干扰，帮助工作人员准确获取井下的动态资料。其中，调频波的特点是振幅不变，但是频率随着调制信号的振幅变化。井口部分可以利用调频波的特性产生窄带调频波作为地下声波传输技术的介质，并利用调制解调相关知识作为地下声波传输的整体模型设计主线。

1.1 声波的调制与解调

调制是指把某种信号从原有信道转换到另一个信道进行传输的过程，能够确保井下声波传输系统的可靠性。载波调制是指用调制信号控制载波参数，把多个基带信号分别搬移到不同的载波处，实现信道的多路复用，提高信道利用率。解调是指从接收的已调信号中恢复成原来的基带信号，是调制的逆过程。调频解调有非相干解调和相干解调两种解调方式。解调与调制的实质均为频谱搬移。

相干解调只能解调窄带信号，所以选用相干解调即同步解调，过程如图1所示。

设窄带调频信号：

设相干载波：

相乘器的输出：

经低通滤波器取出其低频分量：

再经微分器，即得解调输出：

可见，相干解调可以恢复原调制信号。这种解调方法与线性调制中的相干解调相同，要求本地载波与调制载波同步，否则将使解调信号失真。

现有的数字频带调制技术主要包括ASK，FSK和PSK等。考虑到实际需求和实现的难易程度，最终选择使用FSK进行调制。FSK是利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术，其主要优点是实现较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。

1.2 窄带调频波

窄帶调频波的频偏远小于调制频率，或者调频指数远小于1。

如果FM信号的最大瞬时相位偏移满足：

则FM信号的频谱宽度较窄，称为窄带调频（NBFM）。

将FM信号表达式展开，得到：

当满足公式（6）的条件时，有：

故式（7）可简化为式（1）。利用傅里叶变换对，可得到NBFM 信号的频域表达式：

公式（1）和公式（9）是NBFM信号的时域和频域的一般表达式。

在NBFM中，下边频为负，两个边频的合成矢量与载波正交相加，所以NBFM不仅有相位的变化，幅度也有很小的变化。当最大相位偏移满足时，NBFM信号幅度基本不变，形成窄带调频信号。

1.3 声波在油井中的传播形式和传播途径

油管柱在结构上具有周期性。由于联轴器即接箍直径大于油管直径，所以形成了分段横截面，横截面也是周期性连接，在这种结构中，阻抗随管道直径的变化而变化，声波可分为三种形式，即弯曲波、横波和纵波。声波以横波和纵波传播时，其传播特性容易研究，而当声波以弯曲波传播时，传输速度缓慢，容易被分散和衰减，对声波信号传输产生不利影响。

横波和纵波不会被轻易衰减，但两者相比较而言存在差异。横波的波长较长，在接箍处的反射程度大于纵波，导致横波衰减程度严重。相对而言，纵波衰减程度较小，在研究声波沿油管柱传播时，纵波受到的衰减仅

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