钻柱中正弦信号声波传输特性实验研究

充分认识声波信号在钻柱中的传输特性,是实现井下信息远距离传输的基础。为研究声信号在钻柱中的传输特性,建立了钻柱结构声传输实验系统。采用不同尺寸钻杆组成的有限长钻柱进行了传输特性实验研究,同时结合理论分析的结果进行实验分析,对声传输系统的可行性进行了分析研究。研究结果表明:实验分析结果与理论分析结果具有特性描述一致性,随着频率的升高接收信号幅值呈现下降趋势,传输距离增大时信号接收幅值减小,并且这种减小程度随着频率的增大而增大,钻柱结构尺寸差异大则接收信号幅值其随着频率变化的速率小。     

钻柱中声传播的影响因素

采用有限差分方法研究钻井液黏滞阻尼、地层阻尼系数及弹性系数、钻杆数量及钻铤的存在对钻柱中通带声波传播特性的影响,分析声波时域及频域分布。结果表明:钻井液黏滞阻尼影响声波在钻柱中传输的时域分布,但对声信号幅值及频域分布影响较小;地层阻尼系数影响大振幅声信号幅值及小振幅声信号分布,地层阻尼系数越大,大振幅声信号振幅略有减小,地层阻尼系数越小,小振幅声信号振动增多,振动杂乱;地层弹性系数影响声信号振动幅值,地层弹性系数越大,声信号幅值越大;钻杆数量影响声波的时域分布,钻杆数量越多,接收到的声信号幅值越小;在不考虑衰减的情况下,钻铤不影响声波的传播特性;钻柱结构对载波频率的选择起主要作用,其他因素及钻柱结构对中继装置的分布有影响。     

自适应BPSK在井下钻柱声波传输中的应用

基于钻柱信道的随钻数据声波传输方式能够满足现代钻井速度快、传输数据量大的要求,针对声波在钻柱中传播的问题,进行了声信号沿钻柱传输的信道特征以及声波通信的研究。根据波导理论,建立了声波沿钻柱传输的信道模型,声波在钻柱中传播,采用BPSK载波调制,为了克服BPSK载波在传输过程中相位偏移问题,运用自适应扩频通信系统模拟通信信道模型,自适应模拟跟踪信道特性,为正确地解调信号提供保障。实验结果表明:该方法可有效地实现数据沿钻柱高速传播,而且具有解码过程简单,误码率低、可靠性高等特点。在未来的深钻应用中,使声学遥测成为一种有效的传输方法来获取井下数据,实现更高速率的数据传输。     

气体钻井钻柱内声波信号传输规律分析

针对气体钻井随钻测量问题,参照医用听诊器的工作原理,提出在气体钻井中利用钻柱内声波进行井下信息传输的方法;通过建立钻柱内声波传播的数学模型并求解,得出钻柱内声波信号传输的衰减规律;利用声波导理论对钻柱的声波导特性进行分析,计算钻柱内声波的截止频率。通过管道声波传输实验,将采集声波信号与计算结果进行比对,验证了理论分析的准确性。结果表明,气体钻井钻柱内声波信号传输过程中的衰减程度随频率的升高而逐渐加剧;钻柱的内径尺寸决定了内部各阶声波的截止频率,内径越大,声波的截止频率越低;声波信号传输载波频率的选择时,应兼顾钻柱内声波信号的衰减规律和不同尺寸钻具的声波导特性,尽量选择钻柱截止频率内较低的频段,减少因高次波激发造成的衰减,延长声波信号的传输距离。     

周期性螺纹连接管结构中声波的频谱特性测试

建立用于测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置,对由螺纹连接构成的周期性管结构中声波的传播特性进行试验研究,将利用传递矩阵法计算的结果与试验结果进行对比。结果表明:声波在由螺纹连接构成的周期性管结构中传播时,存在衰减及失真较小的通带和衰减及失真较大的阻带,通带与阻带交替分布;随着发射声波频率的升高,通带声波的衰减增加,当频率超过一定值时,声波完全被吸收,即使发射的声波处于通带,亦难于接收;理论计算结果与试验结果前4个通阻带吻合较好,之后差异明显。这表明理论计算方法在计算低频通阻带分布时具有良好的适用性与计算精度,在此范围内,可以用于钻柱结构内声波传播频谱特性的分析及信息载波频率的选择。     

耦合钻井液钻柱声波传播特性研究

钻井过程中非常规钻井液的应用,使得随钻数据无法通过传统的钻井液脉冲方式传输,迫切需要更高数据传输速率和受工作环境影响更小的井下随钻无线传输技术。基于钻柱信道的井下信息声波传输技术是较为理想的随钻数据无线传输方式,为给声波传输系统的设计提供理论依据,针对钻柱信道中的声波传播特性进行了研究。研究结果表明:钻柱信道具有通带和阻带相间的梳状滤波器特征,频带分布具有一定的周期性和对称性特征。钻柱结构决定了其信道通阻带的分布情况,随着钻杆根数的增加通带内小谱峰的个数增加,信道传输能力下降,结构尺寸不一致会使通带变窄,声波传输性能下降。     

电遥测钻柱信号传输的建模分析与信道特性改善

电遥测钻柱信息遥测系统由多节布线钻杆级联形成,用于井下随钻测量数据的高速率上传。由于信道传输的高频电压信号衰减严重,目前每隔约300米需要中继器进行信号续传,因此如何延长中继距离成为系统性能改善的关键。布线钻杆由布有同轴电缆的杆体及电磁耦合器构成,高频下布线杆体的同轴电缆可看做传输线,电磁耦合器可等效为高频变压器,将二者结合建立了布线钻杆的等效电路模型及电遥测钻柱信道的电压传输函数数学模型;通过外置补偿元件使传输线达到阻抗匹配以确立布线钻杆的电磁参数;通过改变补偿元件参数在传输线终端产生反射电压来加强传输线上的信号幅度,使信道的信号传输能力得到有效改善。研究表明,适当增大补偿元件电阻值可以大幅度提高信道的电压传输函数值,在目前信道带宽及信号检测灵敏度条件下中继距离可提高1倍,达到大幅度延长中继距离的目的。本文的研究可以为布线钻杆的电磁设计及电遥测钻柱信息传输系统的性能改进提供理论指导。     

随钻测井钻柱声波的频谱特性

分别采用传递矩阵法和有限差分法数值模拟了由多根钻杆和接箍组成的钻柱中的纵波的传输特性,得到了钻柱脉冲响应的频谱曲线。结果表明：可以根据钻柱具有的通带和阻带的传输特性来选择发射信号的频率,使声波信号通过钻柱传输或者被衰减掉;当钻柱较长时,传递矩阵法比有限差分法计算的结果更可靠。     

线阵阵元间距和宽度对波束指向性的影响

基于阵元尺寸及间距变化对超声波束指向性的影响,分析了阵列换能器的指向性特征.针对要求波束指向特性指标严格的阵列换能器,研究了其阵元宽度和间距的变化对波束指向性的影响.结果表明,阵元尺寸差异对主波束的宽度无影响,增大阵元宽度可以增大声压幅值并提高接收信号的信噪比.阵元宽度和阵元间距同时变化对波束的指向性影响较大.经过对部分阵元间距及宽度变化的阵列换能器指向性的仿真实验,说明理论分析是可行的.     

透射波法和声波CT在桩基检测中的应用

目的研究声波透射法在混凝土桩基缺陷检测中的声波响应特征,以避免声波透射法桩基检测效果受传感器耦合不佳或噪音干扰等的影响.方法利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件模拟声波在大直径桩基中传播规律,开展了模拟声波波速与理论波速的对比分析、声学参数的时频域分析,缺陷的介质特性、水平尺寸及竖向尺寸对声波接收信号时频特性的敏感分析,以及声波层析成像反演分析.结果缺陷竖向线性尺寸、材料参数对波速、波幅及主频幅值影响较大,缺陷水平向线性尺寸对波速、波幅及主频幅值影响较小.结论利用ANSYS/LS-DYNA有限元法开展桩身波动问题研究是合理和可行的,建议选用50 k Hz声波进行大直径桩基声波层析成像分析.     

声波在钻柱中的传播特性

首先分析声波在管柱中的传播机制和特性,接箍等效为声透层,依据突变截面管和波导管声波传播相关理论,利用传递矩阵法分析声波在钻柱中的透射和反射.对理想钻杆中沿管轴方向的纵波传播模型进行分析,推导出纵波频率方程.利用色散曲线对钻杆中纵波传输的频域特性进行分析,并通过有限长管试件进行声传输试验.结果表明:钻杆和接箍的长度和截而积决定了钻柱的频带结构,并且这种频带结构的变化旱周期性和对称性;在钻柱信道中,通带和阻带交替出现,钻柱表现为一种梳状滤波器,且在一个频带周期内随着频率的增加,通带先变窄冉变宽,阻带则先变宽再变窄;钻杆长度增加使通带变窄,接箍截面积减小使通带变宽,钻杆各节钻管的长度不一致会使通带变窄.     

随钻测井周期性钻柱结构声传播特性的数值仿真

采用有限元法数值仿真了处于充液井孔中多根钻杆和接箍组成的钻柱系统中纵波的传播特性,并给出了纵波的声衰减曲线.研究结果表明:处于充液井孔中周期性钻柱系统具有的通带和阻带特性与理想钻柱系统相似,因钻柱周围流体介质的阻尼作用,会使钻柱中传播纵波的幅度减小,衰减增大.当沿钻柱传播的声载波频率位于通带内时,可降低声衰减量,提高信噪比,有利于提高随钻数据的传输速率.     

多输入多输出浅海水声信道响应的盲估计

提出一种在频率域实现的MIMO（multi—inputs multi—outputs）盲解卷积算法，可以在较低信噪比下求解得到浅海水声信道冲激响应的逆滤波器响应，不受时间域的原始信道阶数很长且稀疏的影响，经过求逆后得到原始MIM0浅海水声信道的冲激响应．最后采用合理的声场仿真模型验证了算法的有效性．     

近钻头短距离声波通信

建立螺杆钻具本体的有限元模型,采用有限元法模拟计算声纵波在螺杆钻具中的传输特性,同时在实际钻具上对模拟结果进行试验验证,并选择4 kHz频率的声波在螺杆钻具上进行通信试验.结果表明:螺杆钻具及其上部钻具具有较宽的通信频带,类似于一个低通滤波器,可以利用声波实现近钻头信息的短距离传输,并可能获得较高的数据传输速率;80 bits/s的数据传输速率可实现稳定通信;钻具接头处的尺寸和介质变化所引起的衰减和反射不可忽视,须通过增加隔声或消声结构减少干扰.     

一种声表面波转矩传感器快速解调方法设计

针对多个谐振器组成的无线无源声表面波(SAW)转矩传感器阅读过程复杂、耗时长的问题,利用SAW谐振器的频率响应特性设计了一种基于时域的转矩传感器快速解调方法.分析了SAW谐振器的响应特性并设计了信号的截断与去噪声方法,以及周期计算方法.根据设定的高频与响应信号周期的关系确定各个谐振器谐振频率的范围,然后通过谱估计具有最大周期的信号以解调出频率.提出的扫描方法只需采集一路信号,即降低了阅读器硬件系统的复杂性,同时在时域中简化了信号解调算法.通过实验测试了该扫描方法,完成一次搜索过程只需521ms,而传统的2路正交信号(IQ)扫描方法需要828ms.实验结果表明:设计的算法与IQ法相比扫描速度提高了37.1%,验证了该算法的有效性.     

基于门限估计的水声通信接收机自动增益控制

为了使用自动增益控制对接收信号的幅度进行动态压缩,采用统计接收端信号过门限瞬时值次数的方法,判断是否要调整原信号和基于对数或指数信号的变步长调整自动增益控制算法。在对数或指数信号变步长调整中,对数或指数信号之间是可以互相转换的,步长和收敛因子的选取受水声信道特性、信号幅度、噪声种类的影响。该方法已应用于水声信号接收系统,可较好地对输入信号的幅度进行动态压缩,还滤除了部分噪声的影响,达到了设定的期望值。实验结果表明,该方法抑制噪声能力强,跟踪速度快,适合在水声通信系统中应用。