[发明专利]基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法

权利要求书

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； 

耦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： 

式中，为位移；下标、和、分别表示透射波和反射波。

横截面上的轴向力为：

该边界条件表达式为：

式中，为距离；为截面积；为密度；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：

则，

令，其中分析单元长度周期为，利用传递矩阵法推导得到公式：

令，

设两端为吸收边界，透射系数可表示为：

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：

突变界面位置为分析的关键界面，各关键界面与激励位置的轴向距离分别为：、、……、，推导得处界面，其矩阵表达形式为：

式中，下标表示各部分编号；

可知，

令

则，

设两端为吸收边界，解得透射系数公式为：

。

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：

式中，为轴向位移；为横截面积；为密度；为钻柱泊松比；下标，，分别为钻柱，管内钻井液，环空钻井液；

根据流体力学的连续性理论，设管内和环空钻井液参数相同，波动方程可改写为：

设声波波场为：

式中，为波数；为衰减系数；为虚数单位；为角频率；

带入各个参量解得如下公式：

。

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。