本发明涉及了一种声波或超声波通信方法，尤其是涉及了一种用于油水井中的声波通信方法。
背景技术：
石油深埋于深达几千米的地下，作为一种重要的战略资源控制着世界各个国家的经济命脉。现如今，石油的开采难度日益增加，在油水井中实现可靠的无线通信，方便地控制井下仪器及生产设备，是能否提高开采效率的重要因素。传统油水井的通信方式主要采用有线电缆传输方式，而电缆在工作过程中容易磨损且布放困难、设备维护成本较高、扩展兼容性差。因此，采用基于声波或超声波的井下无线通信技术具有重要的现实意义。
技术实现要素：
为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开一种用于油水井中的自适应声波通信方法。通过使用声波或超声波作为信息载体，使用具有宏观周期性结构油水井作为传输通道，在井口和井下分别放置发送和接收装置，从而实现信息从井口到井下传输的一种通信方法。可有效地用于石油开采的自动化通信。
本发明采用的技术方案包括以下步骤：
油水井包括油管和套管，水泥环套装在岩层中，套管同轴套装在水泥环中，油管同轴套装在套管中，油管是由沿上下的多根子管同轴依次连接构成，相邻子管端口之间通过接箍同轴固定连接，上下的接箍之间非等间距布置；伸出地面以上的最上端的子管内部安装发送装置，地面以下的一个子管外侧壁局部加厚形成金属空腔，金属空腔中装有接收装置并充满有非导电液体，金属空腔中充满的非导电液体不连通于外部的水或油水混合物；方法包括：
(1)通信前在油管内部以及油管和套管之间的内腔中注满水或油水混合物，控制发送装置选择一个初始频率发出声波或超声波，声波或超声波沿着油管、套管及其中的水或油水混合物传导到接收装置，由接收装置接收获得接收信号；
(2)重复步骤(1)多次测量，每次采用不同的频率，然后利用测量得到的声学特性对多次测量中使用的发射信号进行分析处理获得最终发射工作频率；
由发送装置对油水井由拟周期接箍导致的声学特性进行测量，根据所得的声学特性中损耗较小的频带获得发射工作频率，并将在发射工作频率上调制有通信信息的声波或超声波，发射到油水井中，被接收装置接收完成自适应通信。
(3)控制发送装置以发射工作频率发出声波或超声波，声波或超声波调制有通信信息，声波或超声波沿着油管、套管及其中的水或油水混合物传导到接收装置，由接收装置接收获得接收信号，接收信号进行解调获得通信信息。
所述的接收装置采用宽频带或多频带声波或超声波传感器接收信号，并解调出信息。
本发明以油管中的水或油水混合物、油管、套管、油管和套管之间的水或油水混合物以及套管以外的水泥环组成的多层柱状结构构成的油井二维声波导中的声波或超声波进行通信，将油水井作为油井二维声波导进行声波传输通信。
所述的发送装置包括发送单片机、发送声波放大器、发送压电陶瓷元件和发送实时时钟，发送单片机输出端经发送声波放大器后和发送压电陶瓷元件连接，发送单片机和发送实时时钟连接；控制信号输入到发送单片机经由发送声波放大器放大后输入到发送压电陶瓷元件，控制发送压电陶瓷元件发出所设定频率的振动超声波；发送声波放大器的输出端同时引出后经匹配负载接地；
所述的接收装置包括接收单片机、接收声波放大器、接收压电陶瓷元件和接收实时时钟，接收压电陶瓷元件输出端经接收声波放大器后和接收单片机输入端连接，接收单片机和接收实时时钟连接；振动超声波传导到接收压电陶瓷元件被接收转换为电信号输出，经由接收声波放大器放大后输入到接收单片机。
所述步骤(2)具体为：
每次测量过程中，通过电压或电流测量电路测量发送声波放大器输出端的输出电流值和输出电压值；计算发送声波放大器上述输出电流值或输出电压值与接匹配负载时的发送声波放大器的输出电流值或输出电压值之间的比值作为判断依据，选择比值最大时对应的频率作为工作频率进行通信。上述接匹配负载时的发送声波放大器的输出电流值和输出电压值是发送端设计阶段时获取的已知参数。由此本发明通过对反射系数的测量得到油水井的声学特性，并据此确定所需使用的声波或超声波的发射工作频率。
所述匹配负载采用电阻实现。
对于不同频率的声波或超声波，其发送装置的声源元件采用例如压电陶瓷的加载材料，分别获得低频和高频的声波发射换能器。
所述的油管和套管均采用钢材料制成。
所述的外壳采用和油管相同的材料。
本发明在井口和井下分别放置声波/超声波的发送装置和接收装置，以油水井中的水或油水混合物、油管和套管做为传输媒质，以声波或超声波为信息载体，发送装置通过在声波或超声波载波中调制信息并传输到井下，接收装置通过传感器接收并解调信息，实现信息从井口到井下的传输。
本发明的有益效果如下：
本发明油水井通信方法能利用声波或超声波进行井下通信能够提高数据的传输速率，简化结构的同时降低系统成本，实现远距离信息传输。
针对具有不同特征参数的油水井，根据发送声波放大器输出电流值或输出电压值与接匹配负载时的发送声波放大器的输出电流值或输出电压值之间的比值作为判断依据来选择最佳的声波或超声波工作频率进行通信；接收装置也可实现多个不同频段宽带声波或超声波信号的独立接收，具有一定的灵活性，适用于所有或大多数油水井中通信。
附图说明
图1为油水井横截面结构示意图；
图2为油水井通信系统结构示意图；
图3为发送装置原理框图；
图4为接收装置原理框图；
图5为理想油管f-cos(kd)关系曲线图；f表示频率，k表示波数，d表示油管和接箍长度和；
图6为理想油管群速度与频率的关系曲线图。
图中：发送装置(1)、套管2、油管3、水或油水混合物(4)、水泥环5、接箍(6)、接收装置(7)。
具体实施方式
以下结合附图，具体阐述本发明的工作原理和具体实施方式：
如图1和图2所示，油水井包括油管3和套管2，水泥环5套装在岩层中，套管2同轴套装在水泥环5中，油管3同轴套装在套管2中，油管3是由沿轴向上下方向的多个子管同轴依次连接构成，相邻子管端口之间通过接箍6同轴固定连接，上下的接箍之间非等间距布置；由于接箍的存在，导致油水井的声学特性呈现出通带和阻带交替出现的现象，进而能帮助实现自适应声波通信。
最上端伸出地面以上的油管3内部安装有发送装置1，地面以下的一个油管3其局部加厚的外侧壁内的金属空腔中装有接收装置7并充满有非导电液体，金属空腔金属空腔中充满的非导电液体不连通于外部的水或油水混合物4。
如图3所示，发送装置1包括发送单片机、发送声波放大器、发送压电陶瓷元件和发送实时时钟，发送单片机输出端经发送声波放大器后和发送压电陶瓷元件连接，发送单片机和发送实时时钟连接；控制信号输入到发送单片机经由发送声波放大器放大后输入到发送压电陶瓷元件，控制发送压电陶瓷元件发出所设定频率的振动超声波；发送声波放大器的输出端同时引出后经负载接地；
如图4所示，接收装置7包括接收单片机、接收声波放大器、接收压电陶瓷元件和接收实时时钟，接收压电陶瓷元件输出端经接收声波放大器后和接收单片机输入端连接，接收单片机和接收实时时钟连接；振动超声波传导到接收压电陶瓷元件被接收将振动信号转换为电信号输出，经由接收声波放大器放大后输入到接收单片机。
发送装置1和接收装置7均采用压电陶瓷元件，置于非导电液体的高压金属空腔中，能避免深水压强引起传感器的损坏。
如图4所示，在接收装置中，接收压电陶瓷元件是主要的功能件，用于接收油水井中的声波或超声波，并将接收到的声压信号转换成微弱电信号、经过接收声波放大器后由接收单片机解调出控制信号。
本发明的实施例具体如下：
(1)通信前在油管3内部以及油管3和套管2之间的内腔中注满水或油水混合物4，控制发送装置1选择一个初始频率发出声波或超声波，声波或超声波沿着油管3、套管2及其中的水或油水混合物传导到接收装置7，由接收装置7接收获得接收信号；
(2)重复步骤(1)多次测量，每次采用不同的频率，采用多个不同频段进行宽带声波或超声波信号的接收，然后利用测量得到的声学特性对多次测量中使用的发射信号进行分析处理获得最终使用的发射工作频率；
每次测量过程中，通过电压或电流测量电路测量发送声波放大器输出端的输出电流值和输出电压值；计算发送声波放大器上述输出电流值或输出电压值与接匹配负载时的发送声波放大器的输出电流值或输出电压值之间的比值作为判断依据，选择比值最大时的频率作为工作频率进行通信。上述接匹配负载时的发送声波放大器的输出电流值和输出电压值是发送端设计阶段时获取的已知参数。
(3)控制发送装置1以发射工作频率发出声波或超声波，声波或超声波调制有通信信息，声波或超声波沿着油管3、套管(2)及其中的水或油水混合物传导到接收装置7，由接收装置7接收获得接收信号，接收信号进行解调获得通信信息。
如图5所示，本发明的油管模型是由油管和接箍两部分组成，在空间上构成周期性结构，频率方程为：
其中，k为声波或超声波的波数；d＝d1 d2，d1是油管的长度，d2是接箍的长度；a1是油管的横截面积，a2是接箍的横截面积；ω为相速；c1是油管中的声速，c2是接箍中的声速；ρ1是油管的密度，ρ2是接箍的密度；z为声阻抗，z1表示油管的声阻抗，z2表示接箍的声阻抗。
如果油管是均匀的，则z1＝z2和c1＝c2＝c，有：
其中，ω表示角频率。
ω与k是线性关系，除此之外ω与k是呈现色散现象的。群速度cg采用下式计算：
为进一步说明上述工作原理，现提供油管的具体参数进行仿真：
将油管参数d1＝9.2m、d2＝130mm、r1＝67.51mm、r2＝89.5mm、ρ＝7800kg/m3、c＝5400m/s代入式(1)，采用matlab软件编程得到的有关f-coskd关系曲线。coskd的值在1和-1之间，此时声波在幅值上是没有衰减的，对应的频带为通频带。否则，对应的频带为阻频带。
如图6所示，油管中的频谱特性表现出通带和阻带相互交替出现的梳状滤波器结构特性，并且这种频带结构在整个频域上呈现出周期性变化；通带内的频率会发生色散现象即畸变失真，并且随着频率的增加，通带越来越窄，阻带越来越宽，色散现象越来越越严重。
1.一种用于油水井的自适应声波通信方法，其特征在于：油水井包括油管(3)和套管(2)，水泥环(5)套装在岩层中，套管(2)同轴套装在水泥环(5)中，油管(3)同轴套装在套管(2)中，油管(3)是由沿上下的多根子管同轴依次连接构成，相邻子管端口之间通过接箍(6)同轴固定连接，上下的接箍之间非等间距布置；伸出地面以上的最上端的子管(3)内部安装发送装置(1)，地面以下的一个子管(3)外侧壁局部加厚形成金属空腔，金属空腔中装有接收装置(7)并充满有非导电液体，金属空腔中充满的非导电液体不连通于外部的水或油水混合物(4)；方法包括：
(1)通信前在油管(3)内部以及油管(3)和套管(2)之间的内腔中注满水或油水混合物(4)，控制发送装置(1)选择一个频率发出声波或超声波，声波或超声波沿着油管(3)、套管(2)及其中的水或油水混合物传导到接收装置(7)，由接收装置(7)接收获得接收信号；
(2)重复步骤(1)多次测量，每次采用不同的频率，然后利用测量得到的声学特性对多次测量中使用的发射信号进行分析处理获得最终发射工作频率；
(3)控制发送装置(1)以发射工作频率发出声波或超声波，声波或超声波调制有通信信息，声波或超声波沿着油管(3)、套管(2)及其中的水或油水混合物传导到接收装置(7)，由接收装置(7)接收获得接收信号，接收信号进行解调获得通信信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于油水井中的自适应声波通信方法，其特征在于：所述的接收装置(7)采用宽频带或多频带声波或超声波传感器接收信号，并解调出信息。
3.根据权利要求1所述的一种用于油水井中的自适应声波通信方法，其特征在于：所述的发送装置(1)包括发送单片机、发送声波放大器、发送压电陶瓷元件和发送实时时钟，发送单片机输出端经发送声波放大器后和发送压电陶瓷元件连接，发送单片机和发送实时时钟连接；控制信号输入到发送单片机经由发送声波放大器放大后输入到发送压电陶瓷元件，控制发送压电陶瓷元件发出所设定频率的振动超声波；发送声波放大器的输出端同时引出后经匹配负载接地；
所述的接收装置(7)包括接收单片机、接收声波放大器、接收压电陶瓷元件和接收实时时钟，接收压电陶瓷元件输出端经接收声波放大器后和接收单片机输入端连接，接收单片机和接收实时时钟连接；振动超声波传导到接收压电陶瓷元件被接收转换为电信号输出，经由接收声波放大器放大后输入到接收单片机。
4.根据权利要求3所述的一种用于油水井中的自适应声波通信方法，其特征在于：所述步骤(2)具体为：每次测量过程中，通过电压或电流测量电路测量发送声波放大器输出端的输出电流值和输出电压值；计算发送声波放大器上述输出电流值或输出电压值与接匹配负载时的发送声波放大器的输出电流值或输出电压值之间的比值作为判断依据，选择比值最大时对应的频率作为工作频率进行通信。
5.根据权利要求3所述的一种用于油水井中的自适应声波通信方法，其特征在于：所述匹配负载采用电阻。
6.根据权利要求1所述的一种用于油水井中的自适应声波通信方法，其特征在于：所述的油管(3)和套管(2)均采用钢材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种用于油水井中的自适应声波通信方法，其特征在于：所述的外壳采用和油管(3)相同的材料。
技术总结