CN101405475B - 声学遥测 - Google Patents
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Abstract
一种通过管状结构，例如油井或者气井中的钻柱或者生产管道，而以声的方式传输数据的方法，该管状结构主要包括通过联接体(2)而端对端连结的一系列管道段(1)，至少大多数该管道段在联接体之间具有尺寸为至少X的轴向长度，并且至少大多数该联接体具有尺寸不大于x的轴向长度，其中，X远大于x。该方法包括：沿着该结构在换能器(9，10)之间，跨越至少10X的距离传播音频脉冲群形式的声信号，该音频脉冲群至少主要包括波长为至少2x的选定的导波模式(优选低频下的L(0，1)模式)，并且各个所述脉冲群具有远小于2N/C、并且优选地不大于2X/C的时间长度，其中，C是所选定的模式的相速度。以这种方式，可以克服该结构中与布里渊散射相关的干涉问题，而不消耗过多能量。
Description
本发明涉及声学遥测，而更具体地涉及通过管状结构而以声的方式传输数据的方法。
本发明尤其涉及通过具有大体周期性属性的长管状结构对数据进行声学传输，这些管状结构，诸如油井或气井中的钻柱或生产管道，以及输油管线、输水管线和输气管线，由通过联接体而端对端连结的许多单独的管道段而组成。意图使本发明的技术作用于其上的这种结构，将典型地包括至少十个这样的管道段，但通常将存在多得多的这种管道段，例如，对于深的生产油井和生产气井，延伸到几千米的深度并且包括有数百个单独的段的生产管柱并不鲜见。常常有在井中沿井孔向下和沿井孔向上传输数据的需求，例如，从地面传输用于操作井下的电机、泵、阀、促动器或者其它工具的指令信号，以及从井下的流量计、应变仪、温度传感器、压力传感器、数据记录器等向地面传输信息信号。管状结构自身作为用于沿着其长度在不同点之间的信号传输的波导，这种声学技术为人们所知已经有一段时间了，但是就接收到的信号质量和能耗而言，特别是在要求间隔长距离而工作时，这种声学技术迄今尚不能完全令人满意。
将参考附图对本发明进行说明，在附图中：
图1是显示了周期性管状结构的单段内的多次声信号反射的发生的简图；
图2和图3显示了用于管状金属结构内的各种声学模式的典型的相速度和群速度；和
图4示意性地显示了根据本发明的例如安装在生产油井中的声学遥测系统。
在上述这种声学遥测中所遇到的问题之一，是所谓布里渊散射的干涉效应，这种干涉效应由来自于管道段和联接体的边界处的信号反射所产生。例如，考虑图1，其显示了长管状结构的一部分，该长管状结构包括通过联接体C1，C2...Cn-1而端对端连结的许多单独的管道段T1，T2，T3...Tn。在使用标准的钢制产油管路的情况下，管道段的直径典型地是4-23cm，而标称长度是9-14m，这些管道段在其各端处用螺纹旋入到典型地具有20-50cm长度的管状联接体中。现在考虑作为导向声波而通过该管状结构进行传播的信号S，以及在所示段T2内发生的反射。当信号S通过段T2而向下传播时，它遭遇了该段与联接体C2的边界。虽然传输系数和反射系数是由模式和边界的几何形状所决定的，但是，通常，对于长波长模式而言，管路段和联接体的声阻抗(不是特性阻抗)将是类似的，并且大部分的信号能量穿越该边界而未受阻。然而，在声阻抗之间通常存在一定程度的不匹配，并且信号能量的一小部分朝向联接体C1而反射回去(在图中以反射R1而象征性的表示)，作为更小的信号而传播，其长度最初等于在与C2的边界处产生的信号的长度。在与C1的边界处，反射信号R1的一部分自身将被反射，并且作为二次反射信号R2而沿着与信号S相同的方向沿管道段T2向下传回。在与C2的边界处，信号R2的一部分将作为R3而再次被反射等等，能量递减的后续的反射沿着T2来回传送，直至反射的能量最终消失。在图1中，为了示意的目的而示出了总共4次连续的反射R1到R4，但是实际上将会有更多次反射。通常，还将会发生模式转换，从而引起多种模式的传输和反射。
假设信号S的空间长度是介于联接体C1和C2之间的管道段T2的长度L的至少两倍，则将理解的是，根据信号S的总长度，第二次反射信号R2的至少一部分，以及可能是第四次反射信号R4的至少一部分和其它随后的偶数次反射的至少一部分，将沿着段T2，与仍在传送通过该段的信号S的部分(即跟随长度2L的前端部分的信号的部分)沿着相同的方向并且同时传送，并且因此将与该信号发生干涉。该信号的波长将决定这种干涉是有益的干涉或者有害的干涉所能达到的程度。此外，将理解的是，在管道段T1到Tn中的各个管道段中，将发生信号S的相同的散射，从而引起沿着该结构跟随信号S前沿的反射的复杂尾迹。当然，无论信号S是沿着图1所示的方向(即在油井或者气井的情况下，沿着朝向井下的方向)传播，还是沿着相反的方向(朝向井口)传播，这种效应都是等效的。类似的散射效应可在联接体C1，C2等的长度内发生，但是，如果与联接体相比所传输的信号的波长较长(为联接体的长度的至少两倍)，则这些散射效应将变得无关紧要。
因为波长取决于频率，所以在管道段内信号S和反射信号之间的干涉，会产生一系列的交替的“通”带和“阻”带，以及在各个通带中的另外一系列“阻”频(有时称为“精细结构”或者“梳状结构”)，这些带的精细结构中的“阻”频的数量与管道段的总数有关。例如，在管状段的长度等于半波长或者为半波长的倍数的频率下，将产生阻频，而在管状段的长度等于四分之一波长的奇数倍的频率(即介于半波长阻频之间的频率)下，将产生通频。
在本领域中，人们认识到这种效应已经有一段时间了。因此，可能会预期，仅仅通过选择由组成这种结构的各段的标称长度进行计算而得到的通带中的频率，信号就可以沿着这种结构的长度进行传输而几乎没有衰减。然而，在大多数实际情况中，至少在某种程度上，各管状段的长度是不同的，并且有时设计成使其长度不同。因此，相应的阻带和通带彼此交叠，在具有任何有效长度的结构中，都不能通过该结构而传播清晰的信号。
其他人已经提出了以这种结构来克服声学遥测的困难的技术。例如，US5128901提出了通过钻柱、在钻柱的通带中使用经调制的连续的声学载波来进行声学遥测的方法，其中，通过使各个频率分量与exp(-ikL)相乘而对数据信号进行了预处理，其中i是
-1，k是在钻柱中各个分量的频率下的波数，而L是该结构的传输长度。然而，这种方法还是有可能在联接体处产生模式转换和干涉效应，必须准确地知道通带和L，而且连续载波的使用，意味着在系统运行期间有相当大的能耗。US6442105提出了用于通过油井生产管道进行声学遥测的另外一种方案，该方案使用宽带通信技术，其中所传输的信号包括对某一时间段上的所选频率的扫描，即线性调频信号，并且该方法依赖于到达该结构另一端的频率中的至少一个频率。然而，这种方法会浪费能量，因为可以预料到所传输的能量的大部分在通过该结构而传递期间都将被阻塞，并且各信号必须具有相当长的长度，以便完成频率扫描。US5050132提出了一种在钻柱上以声的方式传输数据信号的方法，该方法意图通过在钻柱的通带中进行传输，并且将每次传输的时间段限制到等于或者小于数据信号传播该钻柱的3倍长度所用的时间，来避免由从钻柱的端部来回反射的信号而引起的有害干涉。然而，该方法没有考虑到由单独的管道段内的信号反射而引起的布里渊散射干涉效应，该效应不能仅仅通过解决来自整体结构的各端的反射而得以克服。此外，除非将所述的时间段截断为数据信号仅传播钻柱长度的两倍所用的时间，否则所提出的技术甚至将不能阻止在整个柱的各端处来回反射的信号产生干涉。
可以看出，与上述的现有技术相比，特别是在朝向井口方向传输数据的情况下，非常需要一种降低能耗的遥测方法，因为井下可用的、用于系统运行的能量可能是非常宝贵的。
参考上边所讨论的布里渊散射问题，现有技术没有利用的一个因素是，在给定的管状段内，只有在当所传输的信号的空间长度大于联接体之间的该管状段的长度的两倍(或者，换句话说，其时间长度大于该管状段的长度的两倍除以该信号的传播速度)时，该信号与其自身的反射之间的干涉才会发生。
在了解前述内容后，本发明的一方面在于通过管状结构而以声的方式传输数据的方法，该管状结构主要包括一系列通过联接体而端对端连结的管道段，至少大多数所述管道段在联接体之间具有尺寸为至少X的轴向长度，并且至少大多数所述联接体具有尺寸不大于x的轴向长度，其中X远大于x；该方法包括：从该结构上的第一位置沿着该结构传播音频脉冲群形式的声信号，该音频脉冲群至少主要包括波长为至少2x的选定的导波模式；以及从该结构上的第二位置检测所述信号，其中，沿着该结构在所述第一位置和第二位置之间的距离为至少10X，并且，其中，各所述的脉冲群具有(至少如最初所传播时)不大于X/C的倍数、并且远小于2N/C的时间长度，其中C是所选模式的相速度。本发明还在于一种装置，该装置用于根据这种方法，并且在装备有这种装置的结构中传输数据。
在这方面，“音频脉冲群”将被理解为表示所选定的波形的至少一个、优选多个完整的周期，在给定频率下，各个脉冲群中的周期的最多可用数目由上边所限定的时间长度界限来确定。
从对布里渊散射的干涉效应的上述讨论中，将理解的是，根据本发明的方法中的理论上的理想解决方案，是对各个所传输的音频脉冲群施加2X/C的时间长度限制。如果这样去截取时间，事实上并没有避免布里渊散射，并且在第二个所述位置处接收到的各个脉冲群后面，一般将会跟随由该结构内的反射和散射所产生的多余信号的尾迹。然而，以这种方式将脉冲群长度有效地限制到使得该脉冲群大体上可以作为未受布里渊散射扭曲的“清晰的”信号而被接收的长度，意味着可以对在该传输点处可用的能量进行最优的利用，并且该能量没有过度地浪费在通过该结构而不良地传输的信号分量上。
还假设，该信号在通过该结构而进行传送时散射最小，从而，信号的加长不至于达到由在单独的管道段内的干涉性反射而引起显著衰减的程度。如有必要，可以采取措施以减少分散效应的发生，例如通过对所传输的音频脉冲群应用Hanning窗或者其它脉冲群整形包络(burst shaping envelope)，以抑制边带的产生。然而，这也意味着，在某些情形下，实际上可优选地选择略小于2X/C的初始时间长度界限。
另一方面，可能还存在这样的情形，其中，当所传输的信号的时间长度大于理论上的理想长度时，也认为本发明的优点在一定程度上是有用的，例如，当单独的管路长度变化很小，或者存在其它几何状态，使得虽然有略为加长的信号，但是布里渊散射效应的发生(onset)以及相应的能量浪费不太严重。因此，在其它实施例中，可将该信号长度设置为，例如，5X/C、10X/C或者高达约20X/C。这也应该会对相关声换能器的精度施加更少的约束，并且使得可以使用更低成本的系统硬件。
在根据本发明的方法中，可以简单地通过使得在连续的时间段中存在或者不存在所传输的脉冲群(即脉冲位置编码)而对数据进行编码，或者，因为通常将所传输的音频脉冲群从随后的反射中区别出应该是可行的，所以可以采用具有更高数据传输率的方法，例如脉冲群的频率键控或者幅度键控。在接收端，可以利用信号相关性或者本领域中普遍已知的其它方法，以识别正确的信号。连续脉冲群之间的时间间隔应该选择成使得其允许在对下一个脉冲群进行传输之前，来自在前的脉冲群的反射已经衰减到容许的程度，以避免干涉。然而，与已知的现有技术的方法相比，根据本发明而限制了各个所传输的脉冲群的长度的事实，也缩短了后续的反射时间。
在为根据本发明的方法选择导波模式时，发现存在将沿着所讨论的这种管状结构的长度而传播三组模式，即：弯曲模式、纵向模式和扭转模式。为了本发明的目的，优选的是，所选择的模式具有低的表面径向位移和高的群速度。这些标准中的第一个标准是合乎需要的，因为表面径向位移使能量关联(couple)到该结构内的流体上或者围绕该结构的流体上，从而引起对所传输的信号的强阻尼，而第二个标准有助于使所传输的信号与跟随这些信号的反射信号和模式转换信号相隔离。
对于所讨论的这种结构，存在无数种模式，但认为最合适的模式是L(0，1)模式或第一纵向模式，该模式处于在其分支(branch)低端的频率。用于这种模式的适用频带，是从相对于波长最短的管状段的长度所限制的较低的频率，上至由递增的散射的容许界限所限定的较高的频率界限，该散射由管状段的内径和外径及其材料而决定。图2和图3显示了用于各种模式的相速度和群速度，这些模式被模式化，以用于具有大约1cm壁厚的典型的18cm外径钢制油生产管。虚线模式是弯曲模式，而且可以看到，在所示的频率范围内，该弯曲模式具有比所示的纵向L(0，1)和L(0，2)模式更低的最大群速度。可以看到，在有用的高的群速度下，第一纵向模式的频率可从零扩展到大约7.5kHz，如果应用这种模式来运行，则7.5kHz的频率表示用于遥测系统的频率上限，但是最大速度在远低于此的频率下发生，而最优选的运行范围是各个音频脉冲群中的速度和所允许的周期数的折衷。相比于其它模式。处于低频的L(0，1)模式是优选的，因为在较低的频带中，它在管壁的边缘处具有最小的径向运动，并且该模式应该可通过泄漏到接触流体中而提供最低的可能衰减。
虽然上文参考带有用于连结连续的管道段的离散的联接体结构C1等的管线而对本发明进行了说明，但是在可以应用本发明的其它类型的结构中，联接体不必是与管道段分开的零件，并且这些段可以例如通过处于相对端的相应外螺纹部分和内螺纹部分而连接。该联接体包括相邻段的那些长度，在这些长度上，相邻段被螺纹连接在一起。它还可以应用于焊接的管路段，或者实际上可应用于在声通路中的具有规则间断的任何长管状结构，并且因此而将对用语“联接体”作广义的解释。
在根据本发明的方法中，用于传播和检测声信号的器具可包括基于本领域中普遍已知的任何适当的设计原理的换能器，但是由于本发明所要求的短的信号长度，这些器具优选地是固态器件，例如包括压电元件叠组或者磁致伸缩材料、适用于夹持到或者永久附连到各自管道段上的换能器。
图4显示了根据本发明的、例如安装在生产油井中的声学遥测系统的一简单实施例。包括通过联接体2而端对端连结的多个管道段1的生产管道，穿过外壳3内部的井而从传统的井口结构4向下延伸到产品5的贮存池中，其中，该外壳上开孔，以允许流动到最低段1的开口端中，并且在贮存池上方、在该壳体和生产管道之间带有封隔器(packer)6，这些都是常规的。通过示例，朝向管柱的底端提供了压力传感器7和流动控制阀8，并且对它们进行连线，以便与安装到管道上的声换能器9进行通信。在管柱的上端，另一个声换能器10安装到管道上，并且通过连线或者其它方式而适用于通过井口4与地面控制状态(未示出)进行通信。换能器9和换能器10通过穿过根据本发明的方法的生产管道而进行传输的声学音频脉冲群序列进行通信，例如将数据从传感器7传输到地面，以及将控制信号从地面传输到阀8。因此，井下器材7，8，9可由电池提供动力或者从地面提供动力，但优选地通过响应于产品通过管柱的流动而生成电能的井下采能器件而提供动力，例如在我们的共同未决的国际专利申请no.GB2006/004777中所述的器件。
Claims (17)
1.一种通过管状结构以声的方式传输数据的方法，所述管状结构主要包括通过联接体而端对端连结的一系列管道段，至少大多数所述管道段在联接体之间具有尺寸为至少X的轴向长度，并且至少大多数所述联接体具有尺寸不大于x的轴向长度，其中，X远大于x；所述方法包括：沿着所述结构，从所述结构上的第一位置传播音频脉冲群形式的声信号，所述音频脉冲群至少主要包括波长为至少2x的选定的导波模式；以及从所述结构上的第二位置检测所述信号，其中，沿着所述结构，在所述第一位置和所述第二位置之间的距离N为至少10X，并且，其中，至少如最初所传播时那样，各个所述脉冲群具有不大于X/C的倍数并且远小于2N/C的时间长度，其中，C是所选定的模式的相速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时间长度不是远大于20X/C的。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述时间长度不是远大于10X/C的。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述时间长度不是远大于5X/C的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述时间长度不是远大于2X/C的。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述时间长度小于2X/C。
7.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所选定的导波模式是处于低频的L(0，1)模式。
8.根据权利要求1-6中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述结构是油井或者气井内的钻柱或生产管道。
9.一种用于跨越距离N而通过管状结构以声的方式传输数据的装置，所述管状结构主要包括通过联接体而端对端连结的一系列管道段，至少大多数所述管道段在所述联接体之间具有尺寸为至少X的轴向长度，并且至少大多数所述联接体具有尺寸不大于x的轴向长度，其中，X远大于x，并且N为至少10X；所述装置包括：用于沿着所述结构，从所述结构上的第一位置传播音频脉冲群形式的声信号的器具，所述音频脉冲群至少主要包括波长为至少2x的选定的导波模式，并且，至少如最初所传播时那样，各个所述脉冲群具有不大于X/C的倍数并且远小于2N/C的时间长度，其中，C是所选定的模式的相速度；以及用于从所述结构上的与所述第一位置沿着所述结构间隔开所述距离N的第二位置来检测所述信号的器具。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述时间长度不是远大于20X/C的。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述时间长度不是远大于10X/C的。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述时间长度不是远大于5X/C的。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述时间长度不是远大于2X/C的。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述时间长度小于2X/C。
15.根据权利要求9到14中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述选定的导波模式是处于低频的L(0，1)模式。
16.一种管状结构，主要包括通过联接体而端对端连结的一系列管道段，至少大多数所述管道段在所述联接体之间具有尺寸为至少X的轴向长度，并且至少大多数所述联接体具有尺寸不大于x的轴向长度，其中，X远大于x，并且所述结构装备有根据权利要求9到15中任一项权利要求所述的装置。
17.根据权利要求16所述的结构，其特征在于，所述结构是在油井或气井内的钻柱或者生产管道。
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