CN107965312A - 一种基于等离子脉冲声源装置的随钻声波传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于等离子脉冲声源装置的随钻声波传输方法，利用等离子脉冲声源在水下发生放电时形成冲击压力波，当激波向外传播时就会衰减形成声脉冲，再通过抛物线立体聚能装置将产生的声脉冲能量定向聚能传输到与之相连接的钻杆，声波经由钻杆向地面传输，并被地面声波接收装置接收，进一步通过地面控制中心进行井下信息处理。与现有技术相比，本发明具有声压级高、频带宽的特点，能够用以实现在旋转导向钻井中强干扰背景下的井下信息大容量、长距离、实时、快速的传送。
Description
技术领域
本发明涉及随钻声波传输的高新技术领域，特别是一种基于等离子脉冲声源装置的随钻声波传输方法。
背景技术
油气资源是国家最重要的战略性资源，因此研究和开发先进适用的钻井技术、提高钻井成功率及降低原油成本，已成为石油勘探开发的最新热点和出发点。随着钻井技术的不断发展，旋转导向智能钻井技术的商业价值已经在世界各地得到了体现，掌握最先进的钻井技术，已经成为石油钻井最急需解决的问题。
对于目前的钻井技术而言，井下数据的快速获取为其关键环节。井下数据主要通过无线方式上传，其中泥浆脉冲遥传为主要上传方式，然而泥浆脉冲方式存在传输速率低，且泥浆信号在传播过程中也被干扰，影响井下数据传输效率。同时泥浆脉冲方式不能用于一些新式钻井技术，如空气钻井及欠平衡钻井等。因此，以泥浆脉冲为代表的传输方式不能满足目前高难度井及日益发展的新钻井技术的要求。
对于另一项无线传输方式-电磁波传输技术则应用范围受限，其以电磁波为载体来传输信号，尽管其可实现井下信息的快速上传，看似能够胜任未来出现的各种新式钻井技术，但其受地层电阻率影响较大，同时存在信号严重衰减情况，无法稳定可靠地进行长距离传输，因而只能应用于较浅钻井中进行数据上传。
因此，作为无线传输方式的另一种，即声波遥传技术则显得尤为重要。随钻声波遥传具有结构简单、成本较低和易于定向发射等优点，并且声波在固体介质中传播速度极快，声波在钢中的传播速度最快，能够达到5000m/s，而石油钻井通道的钻杆通常由钢介质构成，一个个连续传输介质整体构成钻柱通道。随钻声波虽然在传输数据时声信号存在一定的衰减，但其以钻杆作为信号传输媒介，并借助中继器对信号进行加强，传输速率快，可实现双向通信，同时钻杆上的中继器易实现、造价低。因此，声波作为目前被看好的一种井下无线遥传技术，有望替代泥浆脉冲遥传以解决目前钻井遇到的问题，以及满足未来出现的钻井新技术对数据传输的需要。
在随钻声波声源方面，目前大多采用压电陶瓷换能器作为声源设计，但由于压电陶瓷换能器单位体积输出功率受限，会导致声波传输距离过短等问题。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于等离子脉冲声源装置的随钻声波传输方法，工艺简便、结构简单、无化学和***物、不会对油层产生二次伤害、不损伤套管、成本低廉、环境友好且效果显著的随钻声波传输的一种新型声源装置，并应用于随钻声波传输过程。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种基于等离子脉冲声源装置的随钻声波传输方法，利用等离子脉冲声源在水下发生放电时形成冲击压力波，当激波向外传播时就会衰减形成声脉冲，再通过抛物线立体聚能装置将产生的声脉冲能量定向汇聚传输到与之相连接的钻杆，声波经由钻杆向地面传输，并被地面声波接收装置接收，进一步通过地面控制中心进行井下信息处理。
具体地，本发明中，等离子脉冲声源装置，包括用于对等离子脉冲声源装置供电的井下电力输入端、升压整流电路、薄膜储能电容、触发控制电路、触发真空开关、放电电极、抛物线立体聚能装置，放电电极包括电极、绝缘体、和金属外壳，电极以金属外壳的中轴线为中心同轴分布，电极一端浸没在由绝缘体、金属外壳和抛物线立体聚能装置密封起来的电极液中；升压整流电路用于将井下电力输入端提供的交流电升压整流为高压直流电输出给薄膜储能电容充电并存储在薄膜储能电容中，触发控制电路用于控制触发开关并将薄膜储能电容的高压电能以微秒级瞬间释放给放电电极，放电电极的作用是当高压电能施加到电极时，瞬间激穿电极间的电极液产生强大的等离子体，以高压冲击波的形式向径向传播，所述抛物线立体聚能装置用于将声脉冲能量定向聚能传输到与之相连接的钻杆。
进一步，作为本发明的优选方案，所述薄膜储能电容采用中空圆柱体薄膜脉冲电容，耐温可达125℃，寿命超过10000次。
进一步，作为本发明的优选方案，所述电极为尖对尖结构，材料则选择强度高、放电效率高、耐腐蚀的材料，如铜钨合金，其寿命可达10000次以上。
本发明利用高压强流脉冲在水下发生放电时，会在水中产生强烈的电弧爆轰效应，由此形成的极强的冲击压力波，当激波向外传播时就会衰减形成声脉冲。再通过抛物线立体聚能装置将产生的声脉冲能量定向聚能传输到与之相连接的钻杆，达到声波传输的目的。所述抛物线立体聚能装置固定在放电***内部，而放电电极的中心位于抛物线立体聚能装置聚焦面焦点处。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的声源具有施工工艺简便，无化学和***物，不会对油层产生任何二次伤害，不损伤套管，能在地层形成较强声波，完成长距离无线传输，成本低廉，对环境无伤害等特点。
(2)本发明的瞬间发射功率大(发射声源级达到240dB-260dB)。等离子脉冲声源作为一种新的高效水下强声声源，具有声源体积小、频响范围宽、声源级强、电声转换效率高、发射方式可调和可编程控制等显著特点，能够产生比传统换能器更高的声源级。水下等离子体声源优势明显，它的瞬间发射声功率很大，声压级可达260dB以上，可通过反射聚能技术形成具有高指向性的声脉冲压力波，来提高某指定方向上声脉冲的强度。
(3)本发明产生的冲击波速度高(1000-4000m/s)。在主放电阶段，电容器上存储的电能在极短的时间(微秒级、毫秒级)向放电通道倾输，巨大的脉冲电流(103-105A)致使通道内形成高能密度(102-103J/cm3)并由此引起高温(104-105K)。这样，在放电过程中，放电通道内完全由稠密的等离子体充满，并由于高温辐射出很强的紫外线。同时，由于高温加热的结果，放电通道内压力急剧升高，可达(1.01x108-1.01x109Pa)量级，由于液体的不可压缩性和惯性，在水介质中形成巨大的冲击压力波，以较高的速度迅速向外膨胀。
(4)本发明的发射脉冲窄。水下等离子体声源发射的声脉冲一般比较窄，这是由于放电本身的快速性以及放电回路振荡所决定的。一般情况下，由于放电回路选定的参数使得振荡周期很小，而脉冲波与振荡周期有一定的比例关系，因此产生的声脉冲比较窄。当然，可以通过改变电容器充电电压和回路参数，实现脉冲电流峰值和脉宽的微调。
(5)本发明产生的信号频谱范围宽(包含许多频率的宽带脉冲波)，有助于井下信息的传输。由于水下高压脉冲放电自有的特性，其产生的声波脉冲都比较尖锐，根据傅里叶变换，上升沿越陡的信号，其高频谐波的分量越高。
附图说明
图1是液电效应原理图。
图2是等离子脉冲声源装置的内部结构图。
图3是本发明的随钻声波传输装置结构示意图。
图4是抛物线立体聚能装置聚能原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本实施例的一种基于等离子脉冲声源装置的随钻声波传输方法，是利用等离子脉冲声源在水下发生放电时形成冲击压力波，当激波向外传播时就会衰减形成声脉冲，再通过抛物线立体聚能装置将产生的声脉冲能量定向聚能传输到与之相连接的钻杆，声波经由钻杆向地面传输，并被地面声波接收装置接收，进一步通过地面控制中心进行井下信息处理。
基于等离子脉冲声源的随钻声波传输方法中，等离子脉冲声源装置在钻井实验中的应用是现代等离子学和电化学相结合的突破性产物，是相对于气相等离子体技术而言的液相等离子体技术。等离子脉冲声源作为脉冲声源的一种，它是利用水中液电效应来产生巨大的水下强声冲击波。所谓液电效应主要是指水中高压脉冲放电产生高温高压等离子体的快速膨胀与收缩。
液电效应原理图如图1所示，闭合开关S，在水下两电极间加上高压，当液体击穿后两电极间隙G就会形成等离子体通道，发生剧烈的高压放电现象。放电时间极短(几微秒)，放电电流很高(几千安到几百千安)，通道在极短的时间内获得大量的能量，通道内温度急剧升高，通道受热体积膨胀。由于液体的不可压缩性和惯性，通道的膨胀受到阻碍，从而在水中产生冲击波，同时还伴随产生有光辐射和电磁波等。这就是水下等离子体电声转换原理，也称为液电效应。
由于巨大的能量瞬间释放于G的放电通道内，通道中的水将迅速汽化，并引起***，***所引起的冲击压强可达103-104大气压，使放电通道高速向外膨胀。由于放电时间很短，这种高压强可将放电通道周围的水介质压缩，并形成一处压强、密度的突变面，因而形成极强有力的冲击波并以超声速向外传播。
如图2、图3所示，本实施例中的等离子脉冲声源装置，设置在钻杆1内，包括用于对等离子脉冲声源装置供电的井下电力输入端2、升压整流电路、薄膜储能电容、触发控制电路、触发真空开关、放电电极、抛物线立体聚能装置5，放电电极包括电极6、绝缘体7、和金属外壳4，电极6以金属外壳4的中轴线为中心同轴分布，电极6一端浸没在由绝缘体7、金属外壳4和抛物线立体聚能装置5密封起来的电极液中，电极6为尖对尖结构，材料则选择强度高、放电效率高、耐腐蚀的材料，如铜钨合金，其寿命可达10000次以上；升压整流电路用于将井下电力输入端提供的交流电升压整流为高压直流电输出给薄膜储能电容充电并存储在薄膜储能电容中，触发控制电路用于控制触发开关并将薄膜储能电容的高压电能以微秒级瞬间释放给放电电极，放电电极的作用是当高压电能施加到电极6时，瞬间激穿电极间的电极液产生强大的等离子体，以高压冲击波的形式向径向传播，所述抛物线立体聚能装置5用于将产生的声脉冲能量定向聚能传输到与之相连接的钻杆1。在图2中，由二极管D和电阻R构成的整流电路、调压器T1、升压器T2和薄膜储能电容C构成的高压生成***，薄膜储能电容C采用中空圆柱体薄膜脉冲电容，耐温可达125℃，寿命超过10000次；由触发控制开关K和触发脉冲变压器T3构成的触发***；由触发真空开关S、水中放电间隙G、放电电极构成放电***；高压生成***能够快速、低损耗地对目标储能电容进行充电。触发***能够连续地向放电***送出一定电压幅值的触发脉冲，同时还保证触发脉冲不会在充电***的工作周期内产生。高压生成***和触发***都设置在钻杆1内的控制腔3内，放电***(水中放电间隙)具有一定使用寿命，并尽可能提高其工作稳定性；当储能电容的电压达到预设的电压值时，放电控制部分触发，电极两端的所有能量通过电弧瞬间得到释放，这时放电电极间隙的水介质被击穿，电弧通道内形成稠密的等离子体。形成的等离子体通道急剧膨胀，并以高压冲击波的形式径向传播。当激波向外传播时就会衰减形成声脉冲，再通过抛物线立体聚能装置将产生的声脉冲能量定向聚能传输到与之相连接的钻杆，达到声波传输的目的。
水下等离子体声源发出的脉冲声波本身没有指向性，为了把能量进一步汇聚到指定方向，提高能量利用率，使传播距离更远，本发明采用了抛物线立体聚能装置来实现脉冲声波的汇聚。抛物线立体聚能装置聚能原理如图4所示，图中h为抛物线立体聚能装置凹深、r1为开口半径，F为焦点。根据射线声学理论，抛物面只有一个焦点，如果把声源放置在焦点处，那么经反射后的强声波将平行传播至外场，聚能增益较大，有效提高了声脉冲峰值压力和声源能量的利用率。经抛物线立体聚能装置聚能后，40J能量的水下等离子体放电，可产生高达23MPa峰值压力(声压级267dB)，能够实现长距离传输井下信息。本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于等离子脉冲声源装置的随钻声波传输方法，其特征在于，利用等离子脉冲声源在水下发生放电时形成冲击压力波，当激波向外传播时就会衰减形成声脉冲，再通过抛物线立体聚能装置将产生的声脉冲能量定向汇聚传输到与之相连接的钻杆，声波经由钻杆向地面传输，并被地面声波接收装置接收，进一步通过地面控制中心进行井下信息处理。
2.根据权利要求1所述的基于等离子脉冲声源装置的随钻声波传输方法，其特征在于：所述等离子脉冲声源包括用于对等离子脉冲声源装置供电的井下电力输入端、升压整流电路、薄膜储能电容、触发控制电路、触发真空开关、放电电极、抛物线立体聚能装置，放电电极包括电极、绝缘体、和金属外壳，电极以金属外壳的中轴线为中心同轴分布，电极一端浸没在由绝缘体、金属外壳和抛物线立体聚能装置密封起来的电极液中；升压整流电路用于将井下电力输入端提供的交流电升压整流为高压直流电输出给薄膜储能电容充电并存储在薄膜储能电容中，触发控制电路用于控制触发开关并将薄膜储能电容的高压电能以微秒级瞬间释放给放电电极，放电电极的作用是当高压电能施加到电极时，瞬间激穿电极间的电极液产生强大的等离子体，以高压冲击波的形式径向传播，所述抛物线立体聚能装置用于将声脉冲能量定向汇聚传输到与之相连接的钻杆。
3.根据权利要求2所述的基于等离子脉冲声源装置的随钻声波传输方法，其特征在于：所述薄膜储能电容采用中空圆柱体薄膜脉冲电容。
4.根据权利要求2所述的基于等离子脉冲声源装置的随钻声波传输方法，其特征在于：所述电极为尖对尖结构，材料采用强度高、放电效率高、耐腐蚀的材料，绝缘体采用耐高温、耐油、耐酸碱盐腐蚀，且延展性高的材料。
5.根据权利要求4所述的基于等离子脉冲声源装置的随钻声波传输方法，其特征在于：所述电极的材料为铜钨合金。
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