基于钻柱的声信号传输系统和声传播特性研究

井下信息的高速无线传输是影响现代钻井工程技术进步的一项关键技术。石油钻井中贯穿地面和井下的连续钢质钻柱为声传播提供了一个良好通道，使得利用声波实现井下信息的高速无线传输成为可能，并且也最有可能产生突破性成果，因而成为目前国内外石油与天然气工程领域研究的热点，而充分认识声波在钻柱中的传播特性是该项技术研究的重要基础。本项目的研究重点就是针对钻柱中声传播的衰减规律及主要制约因素这一关键科学问题，依据弹性波在固体中的传播理论，建立钻柱中声传播的理论分析模型，提出模拟井下声传输的实验研究方法，通过理论分析和模拟实验，研究不同因素对声波在钻柱中传播的影响规律和钻柱结构的声信号传播特性，研究换能器特性参数与钻柱中声传播特性的匹配关系，提出利用声波在钻柱中传输井下信息的基本理论和方法。为声信号传输过程中抑制信号的衰减，减小井下环境的干扰和检测出有效的声信号提供理论依据。

为寻求更高数据传输速率和受工作环境影响更小的井下随钻无线传输技术，开展了利用声波作为载波、钻柱作为信道的井下信息传输方法研究。利用传递矩阵法建立了声透层单元模型周期分布的理想钻柱模型，分析了理想钻柱结构的透射和反射系数。依托声透层单元模型建立了复杂钻柱结构的声传播特性分析模型，对不同钻杆和接头尺寸的钻柱组合的声透射性进行了研究。结果表明：在钻柱信道中，通带和阻带交替出现，且在一个频带周期内随着频率的增加，通带先变窄再变宽，阻带则先变宽再变窄。随着钻杆根数和接头数目的增加，通带结构发生变化，通带内出现小透射峰，且小谱峰数增加。对于复杂钻柱结构，钻柱中各节钻杆和接头的尺寸差异会使通带变窄甚至出现较宽的阻带，其中长度尺寸差异较截面尺寸差异的影响更为显著。提出了钻柱中声传播特性研究的实验方法，并验证了方法的正确性。采用有限差分方法及传递矩阵法研究了温度、钻井液、地层、钻杆数量及钻铤的存在等因素对钻柱中通带声波的传播特性的影响。得出影响钻柱中声传播的主要因素，提出实验装置改进方案，建立了完善的装置用于模拟不同因素对声波在钻柱中传播及衰减特性研究。为提高ANSYS进行换能器数值模拟的分析效率，利用参数化设计语言APDL进行二次开发，编制了一套参数化模块，实现了参数化建模、加载和后处理。通过以上研究得到了换能器计算机辅助设计的方法，最终编制完成了相应的设计分析和优化程序。依托于由换能器作为发射器的实验系统对声信号在钻柱中的传播特性进行了室内实验。结果表明，在周期性钻柱结构中，激振器输入激励信号为方波时占空比的变化对接收信号峰峰值影响明显，且方波作为激励信号，占空比在50%以内时，接收信号较理想；对于同一钻柱结构，信号频率增大会引起接收信号幅值减小；同一频率条件下，钻柱组合的变化对接收信号的幅值存在较为明显的影响。采用不同尺寸钻杆组成了钻柱进行了初步实验研究，对充液钻柱的声传播进行了研究，通过有限长管试件进行声传输实验研究，同时对理论分析的结果进行实验验证，对声传输系统的可行性进行了室内实验研究。研究表明：实验分析结果与理论分析结果取得了良好的一致性，初步证明了理论分析方法的可靠性和正确性。通过理论和实验研究，提出了基于钻柱的井下信息检测和传输方法，设计了相关仪器的结构形式和实施方案。相信随着研究的深入，钻柱作为声信道的声信号传输技术将会前景广阔