專利名稱：基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及井下信息無線傳輸技術(shù)，特別是涉及到一種基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法。
背景技術(shù)：
油氣井是獲取原油和天然氣的通道，如何準(zhǔn)確地、高質(zhì)量地建立這條通道一直是鉆井工程領(lǐng)域的主要課題。隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，鉆井技術(shù)將逐步進(jìn)入精細(xì)化、信息化和自動化時代，對于井下信息無線傳輸技術(shù)，以鉆井液脈沖方式使用最為廣泛，但該方式傳輸能力有限，而需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大，使得該方式無法滿足日益提高的技術(shù)要求，同時氣體及各種非常規(guī)鉆井液的可壓縮性強(qiáng)，不能產(chǎn)生有效的鉆井液脈沖，無法使用傳統(tǒng)的鉆井液脈沖傳輸方式，因此石油鉆井行業(yè)迫切需要一種適用性強(qiáng)的井下信息無線傳輸技術(shù)。聲傳輸方式因結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、易于定向發(fā)射等優(yōu)點成為研究的熱點，同時石油鉆井過程中使用的鉆柱，自上而下貫穿整個井筒，為聲波的高速傳輸提供了得天獨厚的條件，利用聲波通過鉆柱進(jìn)行井下信息的傳輸是一種較理想的傳輸方式。
利用聲波通過鉆柱進(jìn)行井下信息的傳輸是一種較理想的傳輸方式，但聲波在現(xiàn)場真實鉆柱中的傳播規(guī)律受各種因素影響而變化，目前對于實際鉆柱中聲波傳播特性和衰減規(guī)律還沒得到充分的認(rèn)識和研究?，F(xiàn)有鉆柱聲傳信道分析計算分析方法是建立在周期性鉆柱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，通過分析可知結(jié)構(gòu)尺寸和物性參數(shù)對鉆柱信道聲傳特性有顯著影響，同時實際鉆柱結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)雜，與理想周期性鉆柱結(jié)構(gòu)的聲特性存在較大差異，因此需要建立一種適合實際鉆柱結(jié)構(gòu)的計算分析模型，并對不同鉆柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用性強(qiáng)，可極大的改善傳統(tǒng)依托周期性管柱結(jié)構(gòu)模型在計算適用性和計算精度上的不足的基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法。
本發(fā)明的目的可通過如下技術(shù)措施來`實現(xiàn):基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法，該基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法包括:步驟1，依據(jù)鉆柱結(jié)構(gòu)形式，簡化鉆柱模型結(jié)構(gòu)；步驟2，依據(jù)該簡化了的鉆柱模型結(jié)構(gòu)，建立計算分析模型；步驟3，依托該計算分析模型，建立基于傳遞矩陣法的模型求解方法，并耦合井下鉆井液的影響因素，得到計算分析公式；步驟4，計算分析得到通頻帶，確定基本選頻范圍；步驟5，依據(jù)鉆井施工現(xiàn)場條件，進(jìn)行工作頻率的優(yōu)選。
本發(fā)明的目的還可通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn):
在步驟2中，對理想周期性鉆柱結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)中的接頭等效為聲透層，對于結(jié)構(gòu)尺寸呈現(xiàn)周期性結(jié)構(gòu)，建立周期性管柱結(jié)構(gòu)聲透層模型；
對非周期復(fù)雜鉆柱結(jié)構(gòu)，以聲透層模型為基礎(chǔ)，建立非周期復(fù)雜鉆柱結(jié)構(gòu)分析模型。
步驟3包括:
得到模型計算的邊界條件表達(dá)式；對理想周期性鉆柱結(jié)構(gòu)數(shù)值建模；
對非周期復(fù)雜鉆柱結(jié)構(gòu)數(shù)值建模；
奉禹合井下鉆井液的影響。
在得到邊界條件表達(dá)式的步驟中，模型的關(guān)鍵界面上滿足位移的法向分量和法向作用力連續(xù)的邊界條件，位移形式為:
權(quán)利要求
1.基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法，其特征在于，該基于鉆 柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法包括: 步驟1，依據(jù)鉆柱結(jié)構(gòu)形式，簡化鉆柱模型結(jié)構(gòu)； 步驟2，依據(jù)該簡化了的鉆柱模型結(jié)構(gòu)，建立計算分析模型； 步驟3，依托該計算分析模型，建立基于傳遞矩陣法的模型求解方法，并耦合井下鉆井液的影響因素，得到計算分析公式； 步驟4，計算分析得到通頻帶，確定基本選頻范圍； 步驟5，依據(jù)鉆井施工現(xiàn)場條件，進(jìn)行工作頻率的優(yōu)選。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法，其特征在于，在步驟2中，對理想周期性鉆柱結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)中的接頭等效為聲透層，對于結(jié)構(gòu)尺寸呈現(xiàn)周期性結(jié)構(gòu)，建立周期性管柱結(jié)構(gòu)聲透層模型； 對非周期復(fù)雜鉆柱結(jié)構(gòu)，以聲透層模型為基礎(chǔ)，建立非周期復(fù)雜鉆柱結(jié)構(gòu)分析模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法，其特征在于，步驟3包括: 得到模型計算的邊界條件表達(dá)式； 對理想周期性鉆柱結(jié)構(gòu)數(shù)值建模； 對非周期復(fù)雜鉆柱結(jié)構(gòu)數(shù)值建模； 奉禹合井下鉆井液的影響。`
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法，其特征在于，在得到邊界條件表達(dá)式的步驟中，模型的關(guān)鍵界面上滿足位移的法向分量和法向作用力連續(xù)的邊界條件，位移形式為:u = U1 + Ur =+ u產(chǎn)^at 式中 力位移；下標(biāo)Γ和Λ、r分別表示透射波和反射波。
橫截面上的軸向力為: F = -pac' 了 = -β €~ -------=-jk0ic~- ure k- cxcx ' ^u = Lejkx +Ure-jkx^jm 該邊界條件表達(dá)式為:.F、F = -Jkpac2 式中X力距離；fif為截面積'P為密度；c為聲速為角頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法，其特征在于，在對理想周期性鉆柱結(jié)構(gòu)數(shù)值建模的步驟中，鉆桿和接頭的界面上滿足該位移的法向分量和法向作用力連續(xù)的邊界條件，該邊界條件表達(dá)式為: Jw =+Mp ^ [F = -Jkpac2- ure~JXX令 G =
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法，其特征在于，在對非周期復(fù)雜鉆柱結(jié)構(gòu)數(shù)值建模的步驟中，對非周期復(fù)雜鉆柱結(jié)構(gòu)，突變界面上滿足該位移的法向分量和法向作用力連續(xù)的邊界條件，該邊界條件表達(dá)式為:
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法，其特征在于，在耦合井下鉆井液的影響因素的步驟中，耦合了鉆井液影響的鉆柱運(yùn)動方程為:
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法，其特征在于，在步驟4中，對理想周期性鉆柱結(jié)構(gòu)計算分析可知，鉆柱作為聲傳輸通道表現(xiàn)為窄頻帶多波段通信通道，隨著鉆桿和接頭尺寸差異的增大，鉆柱信道聲傳性能下降。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法，其特征在于，在步驟4中，對非周期復(fù)雜鉆柱結(jié)構(gòu)計算分析可知，結(jié)構(gòu)差異增大會引起聲傳播性能的下降，長度差異對于頻帶結(jié)構(gòu)影響大，截面積差異對于頻帶結(jié)構(gòu)影響小，對于非周期復(fù)雜鉆柱結(jié)構(gòu)其在頻率0-700HZ內(nèi)有穩(wěn)定的通帶，作為載波頻率的基本選頻范圍。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法，其特征在于，在步驟5中，依據(jù)鉆井施工中實際工況，結(jié)合計算分析所得通頻帶，在200-700HZ頻帶范圍內(nèi)優(yōu)選工作頻率。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法，該基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法包括依據(jù)鉆柱結(jié)構(gòu)形式，簡化鉆柱模型結(jié)構(gòu)；依據(jù)該簡化了的鉆柱模型結(jié)構(gòu)，建立計算分析模型；依托該計算分析模型，建立基于傳遞矩陣法的模型求解方法，并耦合井下鉆井液的影響因素，得到計算分析公式；計算分析得到通頻帶；以及依據(jù)鉆井施工現(xiàn)場條件，進(jìn)行工作頻率的優(yōu)選。該基于鉆柱聲傳信道的工作頻率計算分析方法改善了傳統(tǒng)依托周期性管柱結(jié)構(gòu)模型在計算適用性和計算精度上的不足，并為井下相關(guān)儀器設(shè)備設(shè)計，聲信號傳輸過程中抑制信號的衰減，以及減小井下環(huán)境的干擾和檢測出有效的聲信號提供理論支撐。
文檔編號E21B47/14GK103244111SQ201210031939
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月14日
發(fā)明者趙國山, 都振川, 黃明泉, 李兆東, 李緒峰, 蔣莉 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石化集團(tuán)勝利石油管理局鉆井工程技術(shù)公司