专利名称：基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法
技术领域：
本发明涉及井下信息无线传输技术，特别是涉及到一种基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法。
背景技术：
油气井是获取原油和天然气的通道，如何准确地、高质量地建立这条通道一直是钻井工程领域的主要课题。随着油气勘探开发的不断深入，钻井技术将逐步进入精细化、信息化和自动化时代，对于井下信息无线传输技术，以钻井液脉冲方式使用最为广泛，但该方式传输能力有限，而需要传输的数据量越来越大，使得该方式无法满足日益提高的技术要求，同时气体及各种非常规钻井液的可压缩性强，不能产生有效的钻井液脉冲，无法使用传统的钻井液脉冲传输方式，因此石油钻井行业迫切需要一种适用性强的井下信息无线传输技术。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，同时石油钻井过程中使用的钻柱，自上而下贯穿整个井筒，为声波的高速传输提供了得天独厚的条件，利用声波通过钻柱进行井下信息的传输是一种较理想的传输方式。
利用声波通过钻柱进行井下信息的传输是一种较理想的传输方式，但声波在现场真实钻柱中的传播规律受各种因素影响而变化，目前对于实际钻柱中声波传播特性和衰减规律还没得到充分的认识和研究。现有钻柱声传信道分析计算分析方法是建立在周期性钻柱结构基础之上，通过分析可知结构尺寸和物性参数对钻柱信道声传特性有显著影响，同时实际钻柱结构尺寸复杂，与理想周期性钻柱结构的声特性存在较大差异，因此需要建立一种适合实际钻柱结构的计算分析模型，并对不同钻柱结构进行计算分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用性强，可极大的改善传统依托周期性管柱结构模型在计算适用性和计算精度上的不足的基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法。
本发明的目的可通过如下技术措施来`实现:基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法，该基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法包括:步骤1，依据钻柱结构形式，简化钻柱模型结构；步骤2，依据该简化了的钻柱模型结构，建立计算分析模型；步骤3，依托该计算分析模型，建立基于传递矩阵法的模型求解方法，并耦合井下钻井液的影响因素，得到计算分析公式；步骤4，计算分析得到通频带，确定基本选频范围；步骤5，依据钻井施工现场条件，进行工作频率的优选。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现:
在步骤2中，对理想周期性钻柱结构，将结构中的接头等效为声透层，对于结构尺寸呈现周期性结构，建立周期性管柱结构声透层模型；
对非周期复杂钻柱结构，以声透层模型为基础，建立非周期复杂钻柱结构分析模型。
步骤3包括:
得到模型计算的边界条件表达式；对理想周期性钻柱结构数值建模；
对非周期复杂钻柱结构数值建模；
奉禹合井下钻井液的影响。
在得到边界条件表达式的步骤中，模型的关键界面上满足位移的法向分量和法向作用力连续的边界条件，位移形式为:
权利要求
1.基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法，其特征在于，该基于钻 柱声传信道的工作频率计算分析方法包括: 步骤1，依据钻柱结构形式，简化钻柱模型结构； 步骤2，依据该简化了的钻柱模型结构，建立计算分析模型； 步骤3，依托该计算分析模型，建立基于传递矩阵法的模型求解方法，并耦合井下钻井液的影响因素，得到计算分析公式； 步骤4，计算分析得到通频带，确定基本选频范围； 步骤5，依据钻井施工现场条件，进行工作频率的优选。
2.根据权利要求1所述的基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法，其特征在于，在步骤2中，对理想周期性钻柱结构，将结构中的接头等效为声透层，对于结构尺寸呈现周期性结构，建立周期性管柱结构声透层模型； 对非周期复杂钻柱结构，以声透层模型为基础，建立非周期复杂钻柱结构分析模型。
3.根据权利要求1所述的基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法，其特征在于，步骤3包括: 得到模型计算的边界条件表达式； 对理想周期性钻柱结构数值建模； 对非周期复杂钻柱结构数值建模； 奉禹合井下钻井液的影响。`
4.根据权利要求3所述的基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法，其特征在于，在得到边界条件表达式的步骤中，模型的关键界面上满足位移的法向分量和法向作用力连续的边界条件，位移形式为:u = U1 + Ur =+ u产^at 式中 力位移；下标Γ和Λ、r分别表示透射波和反射波。
横截面上的轴向力为: F = -pac' 了 = -β €~ -------=-jk0ic~- ure k- cxcx ' ^u = Lejkx +Ure-jkx^jm 该边界条件表达式为:.F、F = -Jkpac2 式中X力距离；fif为截面积'P为密度；c为声速为角频率。
5.根据权利要求4所述的基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法，其特征在于，在对理想周期性钻柱结构数值建模的步骤中，钻杆和接头的界面上满足该位移的法向分量和法向作用力连续的边界条件，该边界条件表达式为: Jw =+Mp ^ [F = -Jkpac2- ure~JXX令 G =
6.根据权利要求4所述的基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法，其特征在于，在对非周期复杂钻柱结构数值建模的步骤中，对非周期复杂钻柱结构，突变界面上满足该位移的法向分量和法向作用力连续的边界条件，该边界条件表达式为:
7.根据权利要求3所述的基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法，其特征在于，在耦合井下钻井液的影响因素的步骤中，耦合了钻井液影响的钻柱运动方程为:
8.根据权利要求1所述的基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法，其特征在于，在步骤4中，对理想周期性钻柱结构计算分析可知，钻柱作为声传输通道表现为窄频带多波段通信通道，随着钻杆和接头尺寸差异的增大，钻柱信道声传性能下降。
9.根据权利要求1所述的基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法，其特征在于，在步骤4中，对非周期复杂钻柱结构计算分析可知，结构差异增大会引起声传播性能的下降，长度差异对于频带结构影响大，截面积差异对于频带结构影响小，对于非周期复杂钻柱结构其在频率0-700HZ内有稳定的通带，作为载波频率的基本选频范围。
10.根据权利要求1所述的基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法，其特征在于，在步骤5中，依据钻井施工中实际工况，结合计算分析所得通频带，在200-700HZ频带范围内优选工作频率。
全文摘要
本发明提供一种基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法，该基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法包括依据钻柱结构形式，简化钻柱模型结构；依据该简化了的钻柱模型结构，建立计算分析模型；依托该计算分析模型，建立基于传递矩阵法的模型求解方法，并耦合井下钻井液的影响因素，得到计算分析公式；计算分析得到通频带；以及依据钻井施工现场条件，进行工作频率的优选。该基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法改善了传统依托周期性管柱结构模型在计算适用性和计算精度上的不足，并为井下相关仪器设备设计，声信号传输过程中抑制信号的衰减，以及减小井下环境的干扰和检测出有效的声信号提供理论支撑。
文档编号E21B47/14GK103244111SQ201210031939
公开日2013年8月14日 申请日期2012年2月14日 优先权日2012年2月14日
发明者赵国山, 都振川, 黄明泉, 李兆东, 李绪峰, 蒋莉 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石化集团胜利石油管理局钻井工程技术公司