鉆柱結(jié)構(gòu)傳輸特點(diǎn)影響論文

1、鉆柱結(jié)構(gòu)傳輸特點(diǎn)影響論文鉆柱結(jié)構(gòu)傳輸特點(diǎn)影響論文井下信息聲傳輸方式利用鉆桿作為信道,該傳輸方式不依賴于鉆井液的存在與否及性質(zhì),不受地層內(nèi)磁性物質(zhì)的干擾1-2;同時(shí)還具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、易于定向發(fā)射及傳播速度極快等優(yōu)點(diǎn),因而成為當(dāng)前井下信息傳輸技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一3-4。國(guó)內(nèi)外學(xué)者將由鉆桿組成的鉆柱理想為周期性管結(jié)構(gòu),并對(duì)該理想結(jié)構(gòu)的聲傳播特性進(jìn)行了大量研究。國(guó)外學(xué)者在通阻帶具有交替梳狀濾波器結(jié)構(gòu)特性5及鉆桿或油管具有宏觀周期性結(jié)構(gòu)6-8認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上,分析了縱波沿理想鉆桿的頻帶特性、通帶內(nèi)的細(xì)微頻譜結(jié)構(gòu)、鉆桿外形尺寸以及管內(nèi)外等效簡(jiǎn)化損耗對(duì)傳輸?shù)挠绊?,利用聲波衰減模型通過(guò)數(shù)值分析得到了

2、聲波相速度、群速度、通帶和阻帶的信息10-13,并建立了考慮鉆柱信道特征和噪聲的模型用于分析鉆柱信道的通信能力14-17。國(guó)內(nèi)此項(xiàng)研究開(kāi)展較晚,主要是在探討井下聲傳輸信道色散特性的基礎(chǔ)上,采用傳遞矩陣法和有限差分法數(shù)值模擬了由多根鉆桿和接箍組成的鉆柱中的縱波傳輸特性18-20,從傳輸信道特性、噪聲干擾、碼間干擾、換能器、電源及深井和超深井應(yīng)用等方面對(duì)隨鉆聲波遙測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究21-24,還提出了鉆柱中聲波衰減的經(jīng)驗(yàn)公式25。但實(shí)際鉆柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜,與理想周期性管結(jié)構(gòu)的聲特性也存在一定的差異,因此需要建立一種適合于不同結(jié)構(gòu)鉆柱的分析模型,來(lái)研究鉆柱結(jié)構(gòu)對(duì)聲傳播特性的影響。1 非周期性鉆柱組

3、合模型的建立非周期性鉆柱組合結(jié)構(gòu)分析模型如圖1所示,其中a為截面積,d為長(zhǎng)度，下標(biāo)(1,2,n-1,n)表示鉆柱組成鉆桿和接頭所在位置編號(hào)。結(jié)構(gòu)中鉆桿和接頭連接處的界面是關(guān)鍵位置,各界面距離圖1最左端x=0界面的距離分別為:D1=d1,D2=d1+d2,Dn=d1+d2+-+dn。中：u為聲波在鉆柱中傳輸?shù)奈灰疲琺;區(qū)t和分別表示入射波和反射波位移的法向分量,m;為角頻率,rad/s;f為頻率,Hz。根據(jù)位移方程、軸向力方程及鉆桿和接頭界面邊界條件(該界面滿足位移的法向分量和法向作用力連續(xù)的邊界條件),可得:2 周期性鉆柱結(jié)構(gòu)聲傳輸特性為驗(yàn)證該模型的正確性,利用上面建立的模型對(duì)周期性鉆柱進(jìn)行分

4、析。選擇鉆柱組合尺寸為：鉆桿本體長(zhǎng)度8.69m,鉆桿本體截面積24.5cm2,鉆桿接頭長(zhǎng)度0.46m,鉆桿接頭截面積130cm2,鉆桿本體及接頭的密度7870kg/m3;鉆桿本體及接頭中聲速為5050m/s。分析*II型為100根鉆桿和101個(gè)接頭的形式，分析結(jié)果如圖2所示。圖2(a)為5000Hz內(nèi)通阻帶的分布情況,圖2(b)為第一個(gè)通帶放大圖。由圖2可以看出,對(duì)于理想的周期性鉆柱,鉆桿和接頭的長(zhǎng)度和截面積決定了頻帶的結(jié)構(gòu),頻帶分布呈現(xiàn)出通帶和阻帶交替出現(xiàn)的梳狀濾波器結(jié)構(gòu)特性,且頻帶分布具有一定的周期性和對(duì)稱性特征,在一個(gè)頻帶周期內(nèi)通帶先變窄再變寬,阻帶則先變寬再變窄。對(duì)由不同數(shù)量鉆桿和接頭

5、組成的有限長(zhǎng)周期性鉆柱結(jié)構(gòu),選取第一個(gè)頻帶周期中的第一個(gè)通帶進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)圖3。結(jié)合圖2(b)第一個(gè)通帶的結(jié)構(gòu)分析可知,接頭在空間上的離散分布使得通帶內(nèi)出現(xiàn)小透射峰,并且隨著鉆桿根數(shù)和接頭數(shù)目的增加,通帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,小譜峰數(shù)增加。這與將鉆柱理想為周期性管結(jié)構(gòu)得出的結(jié)果一致。3 非周期性鉆柱結(jié)構(gòu)聲傳輸特性3.1 鉆桿本體長(zhǎng)度差異鉆桿本體截面積、接頭長(zhǎng)度和接頭截面積分別為24.5cm2、0.46m和130cm2,鉆桿本體長(zhǎng)度選擇3種尺寸7.89m、8.69m和9.14m,分析模型選擇100根鉆桿101個(gè)接頭形式。排列方式分為兩種:將3種尺寸的鉆桿按長(zhǎng)度大小間隔排列,一個(gè)安裝周期包括3種鉆桿長(zhǎng)度

6、尺寸,由多個(gè)這樣的安裝周期連接構(gòu)成鉆柱結(jié)構(gòu),分析結(jié)果如圖4(a)所示;將不同長(zhǎng)度鉆桿隨機(jī)排列,分析結(jié)果如圖4(b)所示。由圖4可知,鉆桿長(zhǎng)度不一致時(shí),鉆柱的聲傳播頻帶結(jié)構(gòu)將發(fā)生明顯的變化,主要表現(xiàn)為通阻帶位置、通阻帶寬度以及聲透射系數(shù)幅值的變化。當(dāng)每個(gè)周期鉆桿長(zhǎng)度不一致時(shí)通帶將變窄,聲傳輸性能變差。鉆桿截面積、接頭長(zhǎng)度和接頭截面積分別為8.69m、9.14m和9.39m,分析模型選擇100根鉆桿101個(gè)接頭形式。排列方式分為兩種:將10種尺寸的鉆桿按長(zhǎng)度大小間隔排列,一個(gè)安裝周期包括10種鉆桿尺寸,由多個(gè)安裝周期連接構(gòu)成鉆柱結(jié)構(gòu),分析結(jié)果如圖5(a)所示;將不同長(zhǎng)度鉆桿隨機(jī)排列,分析結(jié)果如圖5

7、(b)所示。圖4和圖5對(duì)比可見(jiàn),隨著鉆桿長(zhǎng)度種類的增加,即鉆柱長(zhǎng)度上的非周期性的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度加重,鉆柱聲傳輸性能降低,通帶的數(shù)目減少,通帶寬度減小程度加劇。另外,圖4(a)的通帶數(shù)目較圖4(b)多,圖4(a)的通帶寬度較圖4(b)寬;圖5(a)在一個(gè)頻帶周期的中心頻率附近出現(xiàn)完全阻帶,通帶數(shù)目減少,通帶寬度變窄,圖5(b)通帶數(shù)目減少更為嚴(yán)重,通帶變得非常窄。即安裝方式對(duì)于傳輸性能也存在影響,將鉆桿按照一定順序排列較隨機(jī)排列能緩解聲傳輸性能的降低。3.2接頭截面差異鉆桿截面積、鉆桿長(zhǎng)度和接頭長(zhǎng)度分別為24.5cm2、9.14m和0.46m,接頭截面積選擇10種尺寸70cm280cm290cm2

8、95cm2100cm2110cm2120cm2130cm2140cm2和150cm2,分析模型選擇100根鉆桿101個(gè)接頭形式。排列方式分為兩種:將10種尺寸的接頭按截面積大小間隔排列,一個(gè)安裝周期包括10種接頭截面尺寸,由多個(gè)安裝周期連接構(gòu)成鉆柱結(jié)構(gòu),分析結(jié)果如圖6(a)所示；將不同截面尺寸的、接頭隨機(jī)排列，分析結(jié)果如圖6(b)所示。由圖6可知,接頭截面積不一致時(shí),鉆柱的聲傳播頻帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,當(dāng)每個(gè)周期內(nèi)接頭截面積不一致時(shí)通帶將變窄,聲傳輸性能變差。4結(jié)論(1) 對(duì)于理想的周期性鉆柱,鉆桿和接頭的結(jié)構(gòu)尺寸決定了頻帶的結(jié)構(gòu),頻帶分布呈現(xiàn)出梳狀濾波器結(jié)構(gòu)特性,且頻帶分布具有一定的周期性和對(duì)稱性,在一個(gè)頻帶周期內(nèi)通帶先變窄再變寬,阻帶則先變寬再變窄。通帶內(nèi)存在小透射峰,并且隨著鉆桿根數(shù)和接頭數(shù)目的增加,小譜峰數(shù)增加。(2) 對(duì)于非周期性鉆柱組合,鉆桿本體長(zhǎng)度不一致時(shí),通帶將變窄,甚至在一個(gè)頻帶周期的中心頻率附近出現(xiàn)完全阻帶,聲傳輸性能變差。鉆柱本體長(zhǎng)度上的非周期性的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度加重時(shí),鉆柱聲傳輸性能降低程度加劇,表現(xiàn)為通帶的數(shù)目減少和通帶寬度減小程度加劇。接頭截面尺寸不一致時(shí),鉆柱的聲傳播頻帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,當(dāng)每個(gè)周期內(nèi)接頭截面積不一致時(shí)通帶將變窄,聲傳輸性能變差。鉆桿本體長(zhǎng)度不一致較接頭截面尺寸不一致對(duì)于鉆柱聲傳播性能的影響更為顯著