钻柱结构声传输特性试验研究

声传输方式因结构简单、成本较低、易于定向发射等优点成为研究的热点。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,设计了近钻头声信号传输试验系统,论述了声传输的信道特性、影响因素和信号检测方法,分析了管箍界面以及泥浆介质的阻尼影响,通过色散曲线对钻杆中纵波传输的频域特性进行了详细分析,试验研究了近钻头中声信号传输时激励信号与接收信号的关系。结果表明,周期性钻柱结构具有复杂的声特性,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。存在适合高速和大信息量传输数据的声信号频带和信号特征。     

钻柱结构差异对声传性能的影响

深入研究声波在钻柱信道中传播性能,对于声传输系统的研发具有重要意义。首先借助瞬态分析方法对管柱的频域特性以及声波在管柱中的传播特性进行了分析,然后利用复杂钻柱结构的声传播特性分析模型,采用传递矩阵法分析了不同钻柱结构的声传性能,最后依据钻柱动力学和波动理论对耦合钻井液因素的影响进行了研究。结果表明,钻柱的几何结构对于其频域特性有着显著影响,结构差异对于信道的频带结构和通频带分布有着较为显著的影响,钻柱中各部分的尺寸差异会使通频带变宽,声波透射幅值下降。依据钻柱中结构各部分声阻抗大小,采用合理的排序方式,可以增强通频带的稳定性。通过对通频带变化规律和钻井噪声频率范围的分析,确定出了钻柱作为声传信道的声波通信载波基本选频范围为400~1 000 Hz的通带。     

周期性管柱结构声传输性能研究

分析了声波在管柱中的传播机理和特性,建立了周期分布的管柱模型,依托该模型进行了声波特性研究。结果表明,对于周期性钻柱结构,结构尺寸决定了管柱的频带结构,并且这种频带结构的变化分布呈现出周期性和对称性。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,结构差异增大会使通带变窄,甚至出现完全的阻带。     

钻柱信道中声波信号传输性能研究

石油钻井过程中使用的钻柱自上而下贯穿整个井筒,钻柱是连续的钢质结构,为声波的高速传输提供了得天独厚的条件,被认为是一种很有潜力的高速通信方法。为此,笔者对纵波声波信号在钻柱信道中传输的时频域特性进行研究,并对钻井液阻尼的影响规律进行分析。研究结果表明,纵波声波以正弦信号形式传输效果较理想,钻井液阻尼对钻柱信道传输性能的影响较小;信道通带内的频率信号传输性能较好,经过钻柱信号的幅值和波形保持良好,阻带内的频率信号经过钻柱时其幅值衰减明显,并产生显著的色散现象,信号波形失真严重。因此,传输信号频率应尽量选择在低频段的通频带内。     

钻柱声波传输信道频谱特性分析

井下钻柱对于声波传输是一个非常复杂的介质空间,对声波在钻柱信道中的频谱特性进行分析可知,钻柱信道的一个最明显特征就是通带和阻带相间,具有多波段传递函数特征。钻柱结构的几何尺寸决定了信道的频谱特性,不同尺寸结构组成的钻柱,通带将变窄,一个频带周期的中心频率附近出现完全阻带,随着结构复杂程度的增加,声传输频谱特性变差。钻柱结构的安装排列方式对信道频谱特性存在影响,根据不同尺寸结构选择合适的安装形式,将在一定程度上改善频谱特性,在1 kHz以内的频率范围内,频谱结构相对稳定。     

钻柱中声信号传输试验研究

为研究声信号在钻柱中的传播,建立了近钻头声传输试验系统和周期性钻柱结构声传输试验系统。在试验系统上对声信号在周期性钻柱结构中的传输特性进行试验。结果发现,若采用动力钻具和MWD探管组成的随钻系统,可实现声信号的近钻头传输,但由于探管与钻具连接方式和尺寸结构差别大等原因会引起接收声信号的严重衰减。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;在同一频率条件下,钻柱组合的变化对接收信号的幅值存在较明显的影响。     

短距离钻柱声波传输特性试验研究

为研究钻井中短距离钻柱的声波传输特性,在1.28 m长的钻柱上建立了一套短距离声波传输试验系统,对声波信号在短距离钻柱中的传输特性进行了试验。试验以方波为驱动信号,采用径向和轴向钻柱激励,激励频率从2 Hz升高至50 Hz,传感器安置于接收端各个不同位置。试验研究声波信号对驱动电压、激励方向、激振频率以及传感器测量方向等参数的敏感性。试验结果表明,声波信号在传输过程中有衰减并含有回波和大量噪声干扰,在井下工具能耗允许范围内可采用大电压供电、径向激励钻柱和传感器径向接收信息的方式。     

钻柱结构中低幅声波接收效果的试验研究

为便于在室内对钻柱结构中声波的传输及衰减特性进行深入研究,设计了声波接收效果测试系统,并对正弦声波在水平放置的周期性螺纹连接管结构中传输时不同位置的接收效果进行了试验研究。研究结果表明,同一截面不同点接收到的声波幅值存在差异,不同截面接收到的声波也存在差异;每个截面接收到的声波幅值差异随着发射声波频率的变化而变化,但接收到的声波频率相同,皆为发射的频率;不同截面同一方位接收到的声波幅值并非依次递减,而是交错分布,幅值分布规律亦随频率的变化而变化。最后指出测试井下信息声载波有2种方案可供选择,即:1沿截面周向分布多个小型测量装置同时测量,选取最大振幅的点作为最终接收信号;2使用变幅杆将声波信号汇集到中心截面,通过一个小型测量装置来测量。     

钻柱结构对声传输特性的影响

建立了用于井下信息声传输特性研究的非周期性钻柱组合模型,并利用传递矩阵法推导出了模型的声透射系数方程,进而对周期性钻柱组合和非周期性钻柱组合的声透射系数进行了研究。结果表明：在钻柱信道中,对于周期性管柱结构,钻杆和接头的几何尺寸决定了钻柱的频带结构,并且这种频带结构呈现出周期性和对称性特征,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。对于非周期性钻柱组合结构,钻柱中各节钻杆和接头的尺寸差异会对声传输特性造成影响,表现为通带变窄阻带变宽;结构参数中长度尺寸差异较截面尺寸差异的影响更为显著。     

钻柱中声波传输系统样机的研制

声波传输是一种具有极大潜力的井下信息无线传输技术。在方案设计的基础上,研制出基于钻柱信道的由井下声波发射装置和地面声波接收换能器组成的声波传输系统样机。开展了样机试验井试验,检验了声波传输系统样机的性能,测试了钻柱的频谱特性。通过试验井试验数据对声波在钻柱中传播的衰减、噪声和多途干扰等进行了分析,得到了井下无线信息传输系统的可用信号频率、编码方法等,证明用声波在钻柱上进行数据传输是可行的。     

基于动力及信号传输钻杆平台的智能化动力钻井技术

全球能源需求在逐年增多,开采难度不断增大,现有技术已不能满足当今钻井技术的需要,智能化钻井系统成为当今钻井工业发展的必然要求。相对于国外智能化钻井技术的发展,国内显得十分滞后。在详细介绍动力及信号传输钻杆技术研究背景的基础上,系统地阐述了＂智能化动力钻井＂和＂动力及信号传输钻杆＂的内涵,并总结了智能钻井的优点及亟待解决的问题。     

纵波特性与岩石含水饱和度关系的实验研究

岩石中的纵波首波幅度和速度的变化不仅与岩性、孔隙度、渗透率等因素有关，而且与岩石孔隙中的流体类型及其饱和条件有着非常密切的关系。本文在实验室超声条件下，就取心样品含水饱和度与纵波首波幅度、速度的关系进行了实验研究和机理分析，结果表明它们之间存在非线性关系。     

钻杆开孔后剩余强度研究

为了对开孔后的钻杆进行剩余强度分析,运用有限元分析法对开孔后钻杆承受内压作用时的强度进行计算。建模时以API内加厚钻杆为研究对象,约束钻杆两边的轴向位移为0。在ABAQUS有限元分析软件环境下建立分析数据库,导入钻杆开孔后的三维实体模型,建立了有限元模型分析数据库。分析结果表明,钻杆开孔后,在内管壁施加的均布压力作用下,最大应力发生在开孔边缘的轴向位置附近,且随着开孔直径的增大,最大Mises应力也增大;在钻杆厚度一定的情况下,随着开孔直径的减小,应力集中因数逐渐减小,且趋近于恒定值;在相同的开孔直径下,钻杆直径越大,应力集中因数越大。     

波导杆在不同介质中声发射特性实验研究

针对在高温、深冷、辐射和埋地等特殊工况条件下,应用声发射检测技术对压力容器、管道等设备进行检测时很难把传感器直接安装在被检测对象表面的问题,对声发射检测技术的辅助检测工具波导杆在水、油、土壤介质中信号传播的特点进行实验研究,通过对波导杆接收声发射信号的幅度分析,研究不同介质中声发射信号的传播特点。结果显示,应用波导杆在空气、土壤、油、水介质中进行声发射检测是可行的。     

随钻无线传输技术分析与比较

随钻无线传输方式主要有泥浆压力波、电磁波、声波3种。对3种传输方式的工作原理和影响信号传输的因素进行了分析和比较。泥浆脉冲传输方式深度适应强,但使用维护成本较高;电磁波传输方式受钻井介质影响小,可以用于气体、泡沫钻井,并能实现边堵漏边作业,且信号传输不依赖钻井介质循环,时效较高,但其传输衰减受地层电阻率影响较大,有些区块因信号衰减大无法完成全井段信号传输;声波传输方式不依赖钻井介质循环,可用于欠平衡钻井,且具有传输率高、受地层介质影响小的优势,但因信号衰减大,其传输深度受到限制。提高传输率与泥浆脉冲发生器的高温性能,增加电磁波转输方式和声波转输方式的传输深度是随钻无线传输技术的发展方向。     

时域均衡器在测井电缆传输系统中的应用

测井电缆信道的冲激响应具有较长的拖尾,导致严重的子信道间干扰,从而影响OFDM系统的传输速率.利用时域均衡器可以截短电缆信道冲激响应,使之拖尾长度小于OFDM符号的循环前缀长度,从而消除ICI.介绍了一种适于DSP(Digital Signal Processing)软件实现的时域均衡器,该时域均衡器用于基于OFDM技...     

大地吸收衰减分析

众所周知,大地吸收衰减决定于地层的性质,并且大地吸收衰减直接影响地震勘探成像的分辨率。显然岩石介质的性质是客观存在的,通常在一个勘探地区和不同储层埋深条件下,大地吸收(地层的性质)是固定的,在已知高频信噪比和现有处理方法的条件下,一个地区的地震勘探分辨率是存在一定极限的。但是否可以通过研究反演大地吸收衰减和减少采集的高频噪声达到勘探的目的呢?它将随着地震勘探的发展使之逐步提高,但要想完全消除大地吸收衰减,我们仍要走很长很长的路。本文通过大地吸收衰减分析法,分析了球面发散与衰减吸收随着频时的变化情况,分析了近地表地昙岩性不同的吸收衰减情况,其目的是希望通过统计求取大地吸收衰减的相对变化的定量信息,为实际勘探采集、处理和解释提供重要的分析依据,并为消除各类影响和反演大地吸收研究提供重要的基础信息。     

影响水平井测井成功率的因素分析

本文介绍了目前使用广泛的水平井钻杆传输测井工艺的原理并分析了影响水平井测井成功率的原因,并针对具体原因提出了相应措施。