螺杆钻具的随钻声波传输声道特性研究

曹元兵，周静，梁文晰

（西安石油大学井下测控研究所，陕西 西安 710065）

螺杆钻具的随钻声波传输声道特性研究

曹元兵，周静，梁文晰

（西安石油大学井下测控研究所，陕西 西安 710065）

以沿钻柱系统传播的声波作为载波进行随钻数据传输是一种非常具有发展前景的高速数据传输技术。针对目前对于声波在钻杆中的传播特性研究还不够深入的问题，本文以钻柱中声波遥传系统的传输模型为基础，以声波传输的钻杆和接箍作为研究对象，研究声波在橡胶钻具组合下的声道特性，以便更好的研究声波在钻柱中的传播特性。

声波；钻井；通道特性

1 周期性钻具组合中随钻声波传播特性数学模型的研究

1.1 均匀圆柱体的纵振动分析

首先假定：钻具组合是理想的，也就是所有的单钻杆跟连接处是一致圆柱形，连接处的接箍吻合，壁厚均匀。

随钻声波在钻杆中传播时，主要的波形式为沿钻杆轴线径向传播的声波。声波在钻杆中传播，其实质是振动形式在钻杆中传播。根据假定，本文选择一维数学进行描述，用Z表示沿杆的轴向位置，用t表示时间，质量密度、横截面积及杨氏弹性模量。考虑一维纵振动，由弹性力学知，在动态应力作用下应变为，纵向位移为。

由弹性力学及牛顿运动方程得到纵波振动方程：

上式中 ，故位移方程的解为下式（2）：

其中，u表示向前的位移幅值， v表示反射位移幅值。

在实际应用中，使用的钻杆是含有接箍的周期性结构，整个钻杆结构的横截面是呈周期性变化的，所以要区别看待接箍和钻杆，把每节接箍和钻杆都看成是截面积相等的均匀管，在每一段上满足振动方程，并且方程的解相同，不同的是相位以及位移振幅常数μ，υ。

1.2 声波在接箍处的反射和透射效应

由声波导管理论知，在波导管中传播的声波，若遇到突变的截面结构，将会在接触面发生反射和透射现象，其中一部分声波发生透射，另外一部分声波发生反射。

接下来计算声波在接箍处的透射和反射作用。

为实现这些考虑，通常假设R为常数，且忽略连接头的长度。用于传输数据的声波信号的带宽不应超过钻杆通带的宽度。在如此窄的频带宽度内，R和T的值通常变化很小。在信号的频带内，实际确实有R近似为常数。进一步，由于在通带外如果假设R在所有频点都是常数，则反射信号就不变化。反射系数选为实数，忽略反射处跳相影响。同样的情形也适用于透射系数T。

可以用假想的透声薄膜来表征接箍的透射以及反射作用，同时接箍具有一定的长度，当在传输声波的过程中，如果不考虑声波的透射以及反射效应，可以将接箍等效为长度 ，截面积与钻杆相等的钻杆。接箍在传输声波的过程中有两种作用，一种是截面积变化引起的透射、反射作用，第二种是声波的导管作用。

图1 单根钻杆结构

1.3 声波在周期性钻具组合中的数学传输模型的建立及研究

整个钻杆是由钻杆和接箍组成的周期性结构组成，如果将每根钻杆从中间等分为两节，每段长度均为L/2，整个钻杆可以表示成如图1所示的结构周期性连接组成：

该结构主要以接箍为核心，接箍对声波传输的影响用反射和透射系数来表征，将接箍等效为透声薄膜和等效钻杆，考虑接箍的长度对声波传输的影响，即两侧钻杆分别增加l/2，因此接箍两侧每段钻杆的等效长度为 （L+l）/2 。

2 结论

本文根据一维纵波的传播模型，对周期性理想钻杆系统进行了理论推导，得出其声传播性方程，然后结合Matlab数值模拟方法研究了实际钻柱系统的声传播特性。

数值模拟结果表明：周期性钻柱系统具有通、阻交替的梳状滤波器特性，钻杆、接箍的几何参数决定了通、阻带位置及宽度。钻杆、接箍的长度越长，通阻带位置向低频方向偏移，通带宽度增加，钻柱截面积仅对带宽有影响，所以在利用沿钻柱传播的声波进行随钻数据传输时，不仅需要考虑载波频率的选择问题，同时还需考虑声波沿钻柱的衰减

［1］ 陈红海，刘西恩，仇傲，等. 随钻测井数据声波遥传系统研究［J］. 电子质量，2012，4.

［2］ 朱宝泉. 随钻数据声波传输系统算法研究［J］. 科学技术与工程，2012，12（31）.

［3］ 王建华. 声波测井技术综述［J］. 工程地理物理学报，2006，3（5）：396～398.

Study on LWD sonic transmission channel characteristics of drill screw

TE21

1009-797X （2015） 20-0118-02

A DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.20.034

曹元兵（1989-），男，研究生，研究方向为钻井新技术新方法研究。

2015-09-04

国家科技重大专项2011ZX05021-005“旋转导向及随钻测录、酸性气层测试技术与装备”；中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目2014B-43“随钻测量与传输装备研制”；陕西省教育厅专项科研计划项目“随钻声波传输信道模拟与信息最佳传输研究”。