[发明专利]一种周期性钻杆的无缝声波传输通道的建模方法

说明书

技术领域：

本发明涉及钻探中井底与地面之间双向数据的声波遥传技术领域，具体涉 及一种周期性钻杆的无缝声波传输通道的建模方法。

背景技术：

钻井时井底与地面之间的双向数据传输技术在现代钻井技术中发挥越来越 重要的作用。目前钻井市场上商业化应用的泥浆脉冲发生器存在传输速率低、 对钻井液依赖严重、使用、维护成本高的缺点。因此近年国外在声波遥传技术 领域进行研究，以取代泥浆脉冲发生器。

声波遥传技术是指由声波换能器在近钻头产生纵向弹性波，该弹性波沿着 钻铤、井下工具、钻杆在泥浆包围下传输到地面的方法。这种技术的优点是传 输速率较高(理论上可以达到2400bits/s)；可以双向传输数据；信号的传输的 载体为钻杆，因而受到泥浆影响因素较小；由于在系统中没有活动部件，因此 可靠性较高，制造和后期维护成本就比较低；不像泥浆脉冲发生器，通讯的距 离可以通过中继器来延长。

关于声波传输信息通道特性理论研究的最重要的贡献是由Drumheller教授 领导的小组完成的。从1983年起至今，美国国家能源部Sandia重点实验室持续 支持Drumheller开展了长达20余年的基础理论和实验室研究。他们建立了描述 声波传输通道的基本理论模型。并在此基础上研究了声波通道的特性，特别是 它的周期性频带、多径传播特性以及弥散特性。随后，Halliburton公司支持下 开展了声波遥传通道容量的评估^[1]，给出了400bits/s～2000bits/s的结论。 2001年起，美国能源部重点实验室和Halliburton公司联合支持了声波MWD的原 理样机的研发以及在采油环境随后又在钻井环境中的实验室实验和油田现场实 验。2003年在采油环境的声波遥传系统ATS投入使用，并获美国当年科技大奖。 2007年9月公布的成果^[2]表明声波遥传系统的试验样机在随钻环境中达到了 30bits/s的传输速率，在没有中继的情况下，最深试验井深2600m。

在声波信号传播基础理论研究的基础上，从2001年开始，BakerHughes^[3]、 DBI^[4]、IntelliServ^[5]、Weatherford/Lamb^[6]等公司陆续申请了钻井声波遥传系 统的专利。BakerHughes提出了FSK、PSK和MSK的调制方法；DBI提出的是正 交频分多路(OFDM)调制方法；IntelliServ提出了一种声波发送换能器的结构； Weatherford/Lamb只是提出了一种声波传输系统框图，并无具体特定技术。而 进展最快的Halliburton则提出了一种联合信源信道编码以及多载波调制技术 应用于声波传输系统。

但是Drumheller模型的建立有个很重要的假设，即声波传输管是周期性的 连续管。这个假设限制了声波传输技术在油管和钻杆中的应用，因为现实中钻 杆串和油管串并不是标准的周期管，比如钻井时的下部钻具组合就包含有稳定 器等异型杆，而且这些异型管的安放位置每口井的设计都不同，这种复杂的管 串结构对传输通道特性的影响非常严重。同时根据上述建立的模型所生产的声 波传输仪器在使用中存在着适用性差的问题，在这口井中可以使用，而换一口 井就不能传输信号，因此影响到传输系统总体方案的选择。

1.L.Gao，D.Finley，W.Gardner，“Acoust ic Telemetry Can Deliver More Real-Time Downhole Data in Underbalanced Drilling Operations” IADC/SPE 98948，Drilling Conference held in Miami Florida，U.S.A.， 21-23 February 2006.

2.J.M.Neff，“Field-Test Results of an Acoustic MWD System”， SPE/IADC105021 Drilling Conference held in Amsterdam，The Netherlands， 20-22 February 2007.