[发明专利]基于钻柱声传信道的工作频率计算分析方法

说明书

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； 

耦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：

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。

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：

令，

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：

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；

令

则，

设两端为吸收边界，解得透射系数公式为：

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；