0 引言

控制信息的井下传输及井下储层、地层信息的实时上传监测是油气开发中的2大基本问题。传统信息传输采用的有缆传输方式，适应能力问题比较突出，井下工作温度和压力的不均衡将对其通信能力产生较大影响^[1]，而无缆传输方式，如钻井液脉冲^[2]和电磁波^[3-4]等，难以保证较高的数据传输精度和速率。

水声通信技术以液体为传输介质，以声波为载体进行信号传输，在介质中的衰减率仅为电磁波的0.1%，通信速率通常可达到1 kb/s，具有传输距离远、通信速率高、信号稳定及通用性好的优点^[5-6]，应用于多级分段压裂和地层测试等过程中，通过由地面向井下传输水声控制信号，控制井下任一滑套或测试阀开关，同时可将井下工作状态和测量数据由水声波传输至地面，便于实现井下分层管理，节省施工成本，降低作业风险，缩短施工周期。然而，由于井内空间狭小、油管按节连接、套管内壁不光滑、井下水声信道复杂多样以及井底高温高压环境等多种因素的存在，对其都提出了更高的要求和全新的挑战，目前的研究多集中于管柱声波^[7-8]，以井筒内水声波为载体进行远距离通信技术的研究难度较高，仍处于起步阶段，尚无成熟应用。

笔者提出的井筒水声波无线通信系统通过设计中心频率为12 kHz水声波换能器实现了声/电信号的转换及传输，通过水声信号处理电路和调制解调算法的设计，实现了水声信号在发送端和接收端高效而准确地编码与识别，通过地面试验完成了200 m距离水声信号通信。井筒水声波无线通信系统稳定性好，抗干扰能力强，对提升井筒中数据无线传输的质量具有重要意义。

1 系统结构

井筒水声波无线通信系统由地面水声波发射系统和井下水声波接收系统组成，地面水声波发射系统由井口水声波发射换能器及地面水声信号处理模块组成，井下水声波接收系统由水声波接收换能器及井下水声信号处理模块组成，系统结构框图如图 1所示。

图 1中，地面计算机产生待传输信号，由地面水声信号处理模块中的信号调制模块解析发送的信号，对信号进行编码、调制后送入数模转换模块和功率放大模块进行信号转换和放大，最后通过井口处的水声波发射换能器将模拟电信号转换成声信号，再由水声信道向井下传输，水声波接收换能器将接收到的声信号转换成模拟电信号，送入井下水声信号处理模块进行调理、转换、解调后得到正确的指令，传达给控制器完成规定的操作。

2 水声换能器设计

油管中进行水声波通信，声能的衰减速率受空间形状、管壁表面粗糙度、介质成分、介质温度和介质压力等因素影响，同时水声信道的通信距离与带宽和信噪比成反比。在考虑流体黏滞性的前提下，声波在圆柱体内传播5 000 m时，接收到的平均声压相对于发射声压来说，衰减量为：

(1)

(2)

式中：η表示液体黏度，kg/(m·s)；r为油管半径，m；c₀为声波传输速度，m/s；ρ₀为液体密度，kg/m³；w为信号角频率。

在一个标准大气压下，水中150 ℃时的声速c₀≈1 468 m/s，η≈18.6×10^-5kg/(m·s)，密度ρ₀≈0.95×10³ kg/m³，可以计算出声波频率与衰减系数对应关系。笔者在传输距离和井口尺寸上进行权衡，选择合适的信号频率、发射功率及调制方式，确定水声换能器中心频率为12 kHz，此时其衰减系数为-92.42。设计的水声换能器如图 2所示。水声波换能器能抵抗5 m/s沙粒流冲蚀，频率12 kHz，传输距离4.5 km。其中发射换能器外径55 mm，长度220 mm，耐温-20~50 ℃；接收换能器外径25 mm，长度100 mm，耐温170 ℃。

图 2中，发声体由钛合金制成，外周设有密封圈，压电陶瓷组采用压电陶瓷圆环和薄金属片交替堆叠而成，两者间通过环氧树脂胶合。压电陶瓷圆环由PZT压电陶瓷制成，相邻圆环间极化方向相反，薄金属片为铝合金材料，厚度设计为0.1 mm，薄金属片上焊有音频传输线，压电陶瓷组、发声体和压盖中心管通过固定螺栓连接为一体。

3 水声信号处理电路设计

水声信号处理电路包括地面水声信号处理电路和井下水声信号处理电路，均包括数字处理部分和模拟处理部分，设计150 ℃高温锂电池组为井下水声信号处理电路供电。电路结构如图 3所示。

图 3中，地面水声信号处理电路中的数字处理部分采集计算机发出的控制指令，选用低功耗DSP对信号进行调制、同步、编码和交织等处理，模拟处理部分将调制后的数字信号转换为模拟信号，并对模拟信号进行电压放大(AMP)，因声波信号在传输过程中受环境条件影响存在不同程度的衰减，为实现远距离声波信号传输，设计高效的功率放大电路以实现模拟信号功率增强发射。井下水声信号处理电路中的模拟处理部分用于对接收换能器转换输出的电信号进行处理，由信号调理电路对接收到的含噪声信号进行多级复合滤波和程控增益放大(OpAMP)后，转换成数字信号，送入数字处理部分的DSP中，完成对信号的同步捕获、跟踪、解调和解码等操作。

4 调制解调算法与信号传输试验 4.1 调制解调算法

水声通信系统的性能受井筒内复杂的水声信道的影响，信号传输过程中可能存在多径效应、多普勒效应和起伏效应，造成波形码间因能量差异和时间延迟而存在干扰，进而导致载波偏移及信号幅度降低并使信号产生随机起伏，影响井下信号解码的正确性^[9-11]。设计中，发射端信号调制采用多载波调制技术^[12]，调制前，将高速串行数据流经过串并转化为若干个低速并行数据流，使子载波的符号速率大幅度降低，抑制了多径时延，降低了均衡器复杂度，各子频带相互独立，可采用相同或不同的调制方式，也可来自不同的信号源。调制框图如图 4所示。

在接收端，多载波调制信号采用非相干解调方式^[13]，对接收到的信号进行离散傅里叶变换，变换后的信号通过谱峰的修正和搜索后进行信道的解码。解调框图如图 5所示。

4.2 水声波信号传输试验

对研制的12 kHz井筒水声波无线通信系统进行室内试验，发射和接收换能器均放置于清水介质中，距离设置为2.5 m，由计算机将信号下载到信号源中进行发送，测试数据如表 1所示。通过示波器观测信号发送和接收情况，信号波形如图 6所示。

对中心频率为12 kHz的水声波通信系统进行地面试验，用油管将发射换能器和接收换能器连接起来，在发射端由三通阀向油管内注入清水介质，模拟井下工作环境，接收端由锂电池组为接收换能器和处理电路供电，示波器监测到的接收端波形如图 7所示。不同输出电压值下信号解调情况如表 2所示。

表 3中，随着发射接收距离的增加，要实现发射端信号的正确解调，需要输出电压的值逐渐增大。从图 7中可看出，200 m传输距离下信号存在一定程度的衰减并受到井筒内噪声干扰，但经信号处理后可实现正确解码，且输出电压值越高，接收到的水声信号失真越小。其中，采用16FSK非相干解调方法解调得到的输入信号如图 8所示。

5 结论

(1) 提出了一种以井筒内水声波为通信载体的油井无线数据传输技术，由地面水声波发射系统和井下水声波接收系统组成。

(2) 设计的中心频率12 kHz的水声发射/接收换能器及配套信号处理模块可以实现电信号和声信号的转换、发射与接收。

(3) 采用多载波调制技术可实现地面水声信号的调制，采用非相干解调技术可实现井下水声信号的精确解调。

(4) 在室内对研制的12 kHz井筒水声波无线通信系统进行了200 m距离的油管内水声通信试验，试验中信号传输稳定，具有较高的传输准确率和较强的抗干扰能力，试验结果验证了水声信号在井筒内传输的可行性。