（地质资源与工程专业论文）随钻测井声波传输特性数值模拟研究.pdf

n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n v e s t i g a t i o no na c o u s t i c t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c si nl o g g i n gw h i l ed r i l l i n g ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fp h i l o s o p h y c a n d i d a t e ：y a nx i a n g h o n g s u p e r v i s o r ：p r o f s u nj i a n m e n g i n f o r m a t i o n ( e a s tc h i n a ) 关于同意使用本人学位论文的授权书 中国科学技术信息研究所是国家科技部直属的综合性科技信息研究和服务 机构，是国家法定的学位论文收藏单位，肩负着为国家技术创新体系提供文献保 障的任务。从六十年代开始，中国科学技术信息研究所受国家教育部、国务院学 位办、国家科技部的委托，对全国博硕士学位论文、博士后研究工作报告进行 全面的收藏、加工及服务，迄今收藏的国内研究生博硕士论文已经达到1 0 0 多 万册。 学位论文是高等院校和科研院所科研水平的体现，是研究人员辛勤劳动成果 的结晶，也是社会和人类的共同知识财富。为更好的利用这一重要的信息资源， 为国家的教育和科研工作服务，在国家科技部的大力支持和越来越多的专家学者 提议下，中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司承担并开发建设 了中国学位论文全文数据库的加工和服务任务，通过对学位论文全文进行数 字化加工处理，建成全国最大的学位论文全文数据库，并进行信息服务。 本人完全了解中国学位论文全文数据库开发建设目的和使用的相关情况， 本人学位论文为非保密论文，现授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股 份有限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服 务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他 媒体发表论文的权利。 论文题目：瞳壁测羞虚遗佳捡挂蛙麴值搓拟硒塞 毕业院校：虫国虿油太堂( 堡丕2 毕业时间：2 q ! q 生鱼目 论文类型：博士论文 i i 硕士论文口 博士后研究报告口同等学力论文口 授姒擀f 即压 日期：2 0 1 0 年6 月。5 日 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究丁作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有彳i 实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： h 期：卅年易月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩 印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论义在解密后的使用授权同上。 学位论文储繇f ：郅丑瑟 指导教师签名： ；b 图2 - 3 1 粘弹性吸收边界示意图 f i 9 2 - 3 1 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f v i s c o u s - s p r i n gb o u n d a r y 方程( 2 3 7 ) 、( 2 3 8 ) 给出了人工边界模拟实际连续介质时法向、切向应施加的物 理元件参数值，为了便于有限元法处理实际问题，通常将质量m 忽略，并将阻尼器与 质量腑目连的一端固定，构成粘性阻尼器+ 弹簧的法向边界，与切向边界一起统称为 粘弹性吸收边界( v i s c o u s - s p r i n gb o u n d a r y v s b 边界) ，该近似处理方法已被证实是行 之有效的，且在土结构动力相互作用的动力基础振动、地震波散射等近场波动问题 的数值模拟中得到j “泛应用 9 1 - 9 4 】。 当采用有限元法将人工边界所包围的计算区离散化时，人工边界面也将随之离散 化，此时吸收边界的模拟方法如图2 3 1 ( b ) 所示，其中z 方向为法向，x 、j ，方向为切向， 各物理器件参数值南下式给出 1 8 中国石油人学( 华东) 博 ：学位论文 k b t 5 rs ，c b t = p s y p k e n - - 4 _ _ _ 鱼g ks c b n = p s v , ( 2 3 9 ) 式中肠r 、k b n 分别为弹簧切向与法向刚度，g r 、c a n 分别为切向与法向阻尼系数， 足为波源至人工边界点的距离；g 为介质剪切模量；p 为介质质量密度；s 为包围节 点的各单元面积之和，在图f 1 即为s = a i + 4 + 以+ 以。 在有限元a n s y s 中，流体介质的吸收边界可以利用吸收单元f l u i d l 2 9 、 f l u i d l 3 0 来构造吸收边界，也可通过设置边界处介质的吸收系数( m u 设置1 ) 以 及施加阻抗面标志( i m p d ) 来构建吸收边界。对于同体介质部分，在边界上采用 c o m b m l 4 单元分别构造法向和切向的粘弹性吸收边界，利用式( 2 3 9 ) 计算结果设置 c o m b i n l 4 单元的相关参数即可在a n s y s 中实现粘弹性吸收边界。 在利用有限元法数值模拟钻柱系统的声传播规律、复杂隔声结构中声传播问题时 都需要利用人工边界割断无限大连续介质，因此本文在处理有关随钻测井声波传播问 题时，采用v s b 吸收边界来处理人上边界的声反射问题。 2 4a n s y s 有限元数值模拟结果可靠性验证 为了验证利用有限无法数值模拟随钻测井中声传播规律的可靠性问题，选择了如 下模拟参数：井孔半径为0 1 2 m 、高斯宽带单极子源的主频为8 k h z ，3 d b 带宽为 3 9 k h z 、地层介质外半径1 5 m 、井孔流体及井外地层介质声学参数如表2 - 4 1 所示。 激励源时域波形及其归一化频谱如图2 - 4 1 所示。 表2 - 4 1 有限元法数值模拟时流固介质参数表 t a b l e 2 - 4 - 1n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sp a r a m e t e rt a b l ef o rf e mm e t h o d 纵波声速m s j 横波声速k m s 1 密度p k g m 。3 井孔流体 1 4 7 01 0 0 0 高速地层4 0 0 02 3 0 02 5 0 0 低速地层2 5 0 0l 1 0 02 0 0 0 钻铤 5 8 6 03 3 0 07 8 5 0 实轴积分法是理想井孔声场分析、计算的重要方法，现广泛应用于常规电缆测井、 随钻测井单极了源、偶极子源和四极了源激发井孔内外声场的计算 2 5 2 6 ，2 8 ，1 0 5 邶7 1 。对 频谱为，( ) 的脉冲单极子源，整个声场可表示为1 0 8 1 1 0 1 ： 1 9 第2 章卢场流f i l i i 耦合有限c 控制_ 力稃及吸收边界处理 卅 小翘 掣h 叫一搿荆扣肼刎d k d 一， 式中厶、以分别为零阶和一阶贝塞尔函数，凰、县为汉克尔函数。而口由下式给出 口2 ：丢一k 2 ( 2 4 2 ) y f 其中= 2 万厂为角频率，f 为频率，为流体声速。 利用实轴积分法与有限元法分别计算高速地层和低速地层时井孔中阵列接收全 波响应，得到如图2 - 4 2 、图2 - 4 3 和图2 4 6 、图2 _ 4 7 所示的时域波形。对计算得 到的单极子测井全波列进行慢度时间相关法和频域加权相似法处理，可得到如图 2 4 - 4 、图2 - 4 5 、图2 4 8 和图2 - 4 9 所示的成果图。 所谓慢度时间相关法( s l o w n e s st i m ec o h e r e n c e s t c ) 是在时域利用波形相似程 度来计算声波时差的方法，对阵列接收波形利用寻峰方法找到使相关函数取极大值的 时间z 和慢度s 值，从而确定全波列中各种波动模式的到达时间和慢度；而频域加 权相似法( w e i g h t e ds p e c t r a ls e m b l a n c e - w s s ) 是在谱域利用高斯函数对相关函数加 权，通过试探慢度寻求相关函数极大值，进而提取出每一频率下的慢度，进而提取慢 度频散曲线的数据处理方法。 图2 - 4 - l 激励源时域波形( a ) 与归一化频谱m t b ) f i 9 2 - 4 - l e x c i t a t i o ns o u r c ew a v e f o r m si nt i m ed o m a i na n dn o r m a l i z e df r e q u e n c ys p e c t r u m 中国石油人学( 华东) 博i ：学位论文 时间t m s 图2 4 2 有限元法计算得到的高速地层随钻单极子测井阵列接收全波响应 f i 9 2 - 4 - 2 t h ef u l lw a v eo fl w dm o n o p o l ea r r a yr e c e p t i o no fb o r e h o l ei nh i g hv e l o c i t y f o r m a t i o nu s i n gf e mm e t h o d 第2 章声场流同耦合有限元控制方程及吸收边界处理 髂s 圉及频散曲线相关系敦 、 l i p i t e r 图2 4 4 有限元法计算得到的高速地层随钻单极子阵列接收全波响应的处理结果 f i 9 2 - 4 - 4 t h ef u l lw a v ec a l c u l a t i n gr e s u l to fl w d m o n o p o l ea r r a yr e c e p t i o no fb o r e h o l ei nh i g h v e l o c i t yf o r m a t i o nu s i n gf e m m e t h o d 髂s 圈及颤散曲线相关系敦 l r 图2 - 4 - 5 实轴积分法计算得到的高速地层随钻单极子阵列接收全波响应的处理结果 f i 9 2 - 4 - 5 t h ef u l lw a v ec a l c u l a t i n gr e s u l to fl w dm o n o p o l ea r r a yr e c e p t i o no fb o r e h o l ei nh i g h v e l o c i t yf o r m a t i o nu s i n gr e a la x i si n t e g r a t i o n 从单极子测井波列及其s t c 、w s s 处理成果陶上可以看出，对于高速地层，全 波中包含了钻铤波、地层横波和斯通利波三种波动模式；而对于低速地层，全波中包 含了钻铤波、地层纵波、内斯通利波和外斯通利波四种波动模式。除斯通利波稍有差 异外，利用有限元法计算得到的时域波形、各种波动模式的速度、频散特性、波至时 等与实轴积分法得到的结果符合良好。有限元法计算得到的斯通利波与实轴积分法得 到的斯通利波波形的差异是由于有限元法数值计算所采用的激励脉冲源在3 k h z 以下 低频范围幅度很低所导致。由此可知采用粘弹性吸收边界条件，利用有限元法进行随 钻测井井孔声场数值模拟的结果是可信的。 0 0 0 51 o1 52 02 53 03 54 04 55 0 时间t m s 图2 4 7 实轴积分法计算得到的低速地层随钻单极子测井阵列接收全波响应 f i 9 2 - 4 - 7 t h ef u l lw a v eo fl w d m o n o p o l ea r r a yr e c e p t i o no f b o r e h o l ei nl o wv e l o c i t y f o r m a t i o nu s i n gr e a la x i si n t e g r a t i o n 2 3 第2 章声场流同耦合有限庀控制方程及吸收边界处理 相关系数 髂s 圈及颤散曲线 图2 4 1 8 有限元法计算得到的低速地层随钻单极子阵列接收全波响应的处理结果 f i 9 2 - 4 - 8 t h ef u l lw a v ec a l c u l a t i n gr e s u l to fl w dm o n o p o l ea r r a yr e c e p t i o no f b o r e h o l ei nl o w v e l o c i t yf o r m a t i o nu s i n gf e mm e t h o d w s $ 圉及频散曲线 图2 - 4 9 实轴积分法计算得到的低速地层随钻单极子阵列接收全波响应的处理结果 f i 9 2 - 4 - 9t h ef u l lw a v ec a l c u l a t i n gr e s u l to fl w dm o n o p o l ea r r a yr e c e p t i o no fb o r e h o l ei nl o w v e l o c i t yf o r m a t i o nu s i n gr e a la x i si n t e g r a t i o n 2 5 本章小结 本章介绍了声场中流【古l 耦合分析的有限元理论和粘弹性吸收边界条件，给出了粘 弹性吸收边界中弹性参量、阻尼参量的确定公式以及粘弹性吸收边界的数值模拟方 法，并利用实轴积分法对有限元法数值模拟随钻测井单极子波场的结果进行了验证， 确保了利用粘弹性吸收边界条件，结合有限元方法进行随钻测井声波传输问题数值模 拟结果是可靠的。 2 4 j 侵度聃l，- 中国石油人学( 华东) 博l = 学化论文 第3 章基于钻柱系统的高频钻铤波隔离方法研究 随钻过程中沿钻柱系统传播的声波主要来源于钻井过程中由钻头振动激发的弹 性波、随钻声波测井时高频单极子源所激发的沿钻柱传播的高频钻铤模式波和低频偶 极子源激发的钻铤弯曲模式波。利用沿钻柱系统传播的声波为载波进行随钻测量数据 的传输，是有着良好发展前景的一种高速数据传输技术，其数据传输速率决定于钻柱 信道的容量、信道中的信噪比等，因此基于钻柱系统设计合理的隔声结构来减小沿钻 柱传播的噪声干扰，可有效提高随钻数据声波传输的速率。同时在地层纵波的随钻声 波测量中，沿钻梓传播的高频钻铤波的振幅远远大于地层波的振幅，必须经过压制处 理才能测量到地层纵波，因此随钻卢波测井仪器的隔卢设计对纵波的测量至关重要。 由于电缆声波测井隔声结构的机械强度低，难以满足随钻过程中承重、承压的要 求而无法应用于随钻测井中。考虑到定常结构发生突变( 质量突变、刚度突变、截面 突变、加强肋条的存在等) 引起结构的阻抗失配能有效隔离弹性波或结构声波的声学 原理，本文通过在钻铤上开槽、打孔等方式实现截面突变，利用有限元数值模拟方法 研究了凹槽隔声结构的声学特性、力学性能与切割凹槽参数之间的关系，并探讨了隔 声结构的存在对井孔卢场( 对斯通利波) 的影响，相关研究结果为随钻声波测井仪器隔 声设计提供理论依据。 3 1 钻柱系统中影响随钻数据声波传输速率的因素分析 在钻柱信道巾弹性波的传播速度大于泥浆中的传播速度，并且可以传播弹性波信 号的主频更高，具有更高的载波能力，同时随钻数据声波传输技术不需要泥浆循环， 也不受地层特性影响，能广泛应用于使用卒气、泡沫或泥浆的欠平衡钻井工程中，是 一种具有广阔发展前景的随钻数据传输技术，其数据传输速率决定于钻柱信道的容 量。在通信中通常数据的传输速率都低于通信信道容量，否则会h 现数据传输错误。 在基于钻柱系统的随钻数据声波传输技术研究中，理论上常常将钻柱信道的容量值视 为数据传输速率的最大理论值，在实际数据传输过程中，其实际传输速率往往要比最 大理论值低很多。 3 1 1 钻柱信道噪声来源分析 在随钻过程中，沿钻柱传播的声波主要来源有钻井噪声( 包括钻头与地层相互作 用产牛的噪声、井孔内泥浆循环产生的噪声) 、随钻声波测井高频单极子源激发的沿 钻柱传播的钻铤模式波、低频随钻偶极子源激发的钻铤偶极子波以及用于随钻数据传 第3 章摹，：钻柱系统的高频钻铤波隔离方法研究 输的低频载波等，如图3 一1 1 所示。图中s ( o 表示携带随钻测量数据的低频载波、n d 表示钻井噪声、n l 表示随钻声波测井产生的高频钻铤模式波和低频钻铤偶极子波， f f , l 数h ( f ) 表示钻柱信道、n s 表示地面钻井设备噪声。 3 1 2 钻柱信道容量及其影响因素 根据通信理论，若模拟信道中含有连续功率谱的高斯噪声，若以每秒传输的字节 数表示通信信道的容量，则信道容量可由式( 3 1 1 ) 给出【6 2 】 c = w d l 0 9 2 ( + 罴) p ， 其中为信道通带宽度，s n o 为通带内的信噪比。当信道内高斯噪声的功率谱不 是连续谱时，信道容量可表示为 c 一l 0 9 2 ( ，+ 嬲 砒 p 心， 其中b ( 厂) 为信号的功率谱，气( f ) 为噪声功率谱。 当利用钻柱信道进行随钻数据传输时，设日( 厂) 表示钻柱信道的声传输函数，则 噪声功率谱( f ) 可表示为h 5 6 2 1 ： ( 厂) = ( ) + ( 厂) + l h ( 州( 厂) ( 3 - 1 3 ) 则钻柱信道的容量表示为： c = 毒崦z + 而卜龇p 卸 由式( 3 1 4 ) 可知，钻柱信道的容量与钻柱系统的传输函数、钻柱信道的信噪比等 有关。当钻柱系统给定后，传输函数( 厂) 一定，随钻数据传输速率与钻柱信道的信 噪比有关。因此采用基于钻柱系统的隔声结构进行钻柱信道的降噪处理，有助于提高 信噪比，进而提高随钻数据的传输速率。 l i 国石油人学( 华东) 博f 二学位论文 3 2 周期性环状凹槽结构的隔声原理 钻梓系统通常包括钻头、钻铤、钻杆、稳定器、专用接头和方钻杆。钻铤是安装 在钻柱最下端的部件，是下部钻具组合的主要组成部分。钻铤的主要特点是壁厚大， 相当于钻杆壁厚的4 6 倍，具有较大的重力和刚度。钻铤种类有圆钻铤、螺旋钻铤、 无磁钻铤、方钻铤等。常用的是网形钻铤和螺旋形钻铤两种。普通圆形钻铤结构如图 3 - 2 1 所示，其结构几何参量如表3 2 1 所示。 表3 - 2 1 钻铤尺寸及基本参数表 t a b l e 3 2 - 1p a r a m e t e r so fd r i l lc o l l a r 钻铤型号 外径d内径d 长度 台肩倒角直径d f 公称苇量埏 m mm m m m m m n c 4 4 6 01 5 2 45 7 29 1 5 0 或9 4 5 01 4 4 51 2 3 7 n c 5 0 7 01 7 7 8 5 7 29 1 5 0 或9 4 5 01 6 4 71 7 4 3 n v 5 6 8 02 0 3 27 1 49 1 5 0 或9 4 5 01 9 0 12 2 3 5 内纹 外纹 jf 侩 形夕彦炳， 。一一一。一一一 飞占i q l1 捌_ ) 一一 一一一一一一一一一【；：；! ；，；缈 图3 - 2 1 钻铤结构示意图 f i 9 3 2 1 t h ed i a g r a mo fd r i l lc o h a r ss t r u c t u r e 考虑到钻铤的壁厚大，机械强度高的特点，忽略钻铤两端的接头部分，在内半径 为d 2 、外半径为d 2 的截面均匀的钻铤上切割个长上、深度日、间隔的周期性轴对 称凹槽( 环状槽) 构建隔声结构如图3 2 2 所示。 图3 2 2 周期性轴对称凹槽隔声结构示意图 f i 9 3 - 2 - 2 t h ed i a g r a mo fp e r i o d i ca x i s y m m e t r i cg r o o v e ss t r u c t u r e 2 7 第3 章基r | 钻柱系统的高频钻铤波隔离方法研究 考虑剑沿钻柱系统传播声波的波长远大于钻柱直径，故声波在钻柱系统中的传播 可用一维纵波波动方程求解。对于图3 2 2 所示由截面均匀的凹槽和间隔组成周期性 隔声结构系统，每个结构周期内包括凹槽和间隔两利一结构，其特征参数都是相同的。 设每个元件的长度为毛，密度为班，截面积为，声速为 ，质量用m 表示，则： m = p f s f 名 ( 3 - 2 - 1 ) 一维细杆中以质量为坐标的纵波波动方程为网 学彰挈 ( 3 2 _ 2 ) 其中z ( x ) = p ( x ) s ( x ) 圪( x ) ，f ( x ，t ) 为作用在钻铤横截面积上的轴向压力。 对周期性凹槽隔声结构系统中指定的某一种结构s ( s = i ，i + 1 ，) 都存在着入射 波和反射波，且在凹槽与问隔的分界面处满足作用力和质点振动速度连续的边界条 件，利用f l o q u e t 定理，方程( 3 2 2 ) 的解可以写成下而的矩阵形式 z l 1 五矿啊 e 嘶竹 z l - 1 z l e q 砷 一p 屏鸭 z 一 - 1 z 2 p 岛j ，1 2 e p e 2 a | z l b z t 一4 一l z 2 一b z 2 ( 3 - 2 - 3 ) 其中：彪为波数， = j ( k l m - k f ) ( 3 - 2 4 ) 屦= j ( k l m + 吒) ( 3 - 2 - 5 ) 其中，= l + w 称为结构周期，式( 3 2 3 ) 存在非、f 凡解的条件为矩阵的特征值必须为0 ， 经整理可得【5 8 】： c o s 拈c o s c 钞s c 参狰c 净n c 孝仔2 呦 即式( 3 2 6 ) 给出了周期性环状凹槽隔声结构系统的频散特性。其中： 五= p v p s l = p 万l ( 詈一h 2 一( 罢 2l c 3 2 7 ， z ：= p 岛= 华 d 2 _ d 2 ( 3 - 2 - 8 ) 对截面均匀的钻铤满足z i = z 2 而且1 = 2 = ，式( 3 - 2 - 6 ) 的解为常数，等于均匀截面 杆中的纵波速度v p = w k ，且无频散现象。 由频散方程( 3 2 6 ) 可知，当：h - 程右端计算结果介于1 和1 之间时，眭i c o s k 得到的 鬈 中国。油人学( 华东) 博 ：学f 证论文 波数k 才为实数；而计算结果大于1 或小于1 时，由c o s k 得到的波数为复数。实波数 尉应的解没有衰减，对应的频率构成通带，而复波数捌应的解则按指数迅速衰减， 对应的频率则构成阻带。 由式( 3 2 6 ) 可知，根据钻井工程选用钻铤的几何参数d 和d 以及随钻声波测井单极 子源的工作频率厂，合理选择切割凹槽几何参数，使单极子源的工作频率恰好落在该 隔声结构系统的阻带内，即可实现隔离钻铤模式波的目的。 3 3 周期性环状凹槽隔声结构性能评价参量 基于钻柱系统的隔声结构性能评价可分为声学性能评价和力学性能评价两部分。 通过声学性能评价参量反映隔声结构对钻铤模式波的隔离效果、对声波的延迟效果以 及对井孔声场的影响，通过力学性能评价参量反映隔声结构在钻井过程中承受的抗拉 或抗压、抗扭强度，确保隔声结构的机械强度满足钻井工程的需求。 3 3 1 周期性环状凹槽隔声结构的声学性能评价参量 基于钻柱系统的隔声结构声学性能的优劣可用隔声量( 或传声损失) 和时延量这 两个指标来评价。隔声结构的隔声量是指某振动分量的某一频率成份的幅度经过隔声 结构后的衰减量。隔声结构的时延量是指某振动分量信号经过隔声结构后的延迟时 间。隔声结构的时延量可在a n s y s 数值模拟某分量的时域波形图上，由远波( 如图 3 3 1 中接收器r 接收到的波形r ) 波至点与近波( 如图3 3 1 中接收器r 0 接收到的波形 r 0 ) 波至点的差值出来确定该分量时延量，而隔声结构的隔声量口由式( 3 2 9 ) 给出 弘2 g ( 怒 p 2 柳 其中厂为频率，彳( 厂) 表示钻铤切割凹槽后在隔声结构上方接收探头足接收到频率为厂 的声波幅度，a o ( f ) 表示在隔声结构下方接收探头奶接收到频率为厂的声波幅度，a q ) 和彳d ( 厂) 可由相应接收信号经傅里叶变换后得到。 在钻铤切割周期性环状凹槽后可有效抑制钻铤模式波的幅度，提高对地层纵波的 分辨能力，同时由于钻铤刻槽后，在截面突变处引起波的反射、散射等，对井孔声场 分布会产生影响。由于斯通利波的慢度、幅度等信息在确定横波横向各向同性、在地 层渗透率反演中是非常重要的参数，因此在研究基于钻柱系统隔声结构的声学特性 时，在隔声量满足随钻声波测井仪器需求的前提下，要选择合理的隔声结构参数，使 其对井孔斯通利波的影响达到最小。 2 9 第3 章基j ：钻柱系统的高频钻铤波隔离办法研究 。巨 l 计挺 图3 - 3 - 1隔声结构声学性能评价参量说明示意图 f i 9 3 - 3 - 1 t h ed i a g r a mf o re x p l a n a t i o nt h ee v a l u a t i o np a r a m e t e r so fi s o l a t o r sa c o u s t i cp r o p e r t y 3 3 2 周期性环状凹槽隔声结构的力学性能评价参量 在钻井过程中钻铤具有向钻头施加钻压，减轻钻头的振动、摆动、和跳动，提高 钻柱刚度和控制井斜等作用。钻铤机械性能指标见表3 3 1 所示】。 表3 - 3 1a p i 规范的钻铤机械性能指标 t a b l e 3 3 - 1t h ed r i l lc o h a r sm e c h a n i c a lp r o p e r t yi n d e xo fa p ls p e c i f i c a t i o n s 钻铤尺j r n m最小朋服强度m p a最小拉伸强度m p a 布氏硬度h b 7 9 1 7 57 5 8 9 6 52 8 5 3 4 1 1 7 6 2 8 06 8 99 3 02 8 5 3 4 1 在钻铤上切割周期性坏状f u l 槽构建隔声结构有效的阻隔了钻铤模式波的传播，但 是凹槽的存在会严重影响钻铤的机械强度，因此需要根据实际钻井过程中钻铤承受的 静态、动态载荷情况，对刻槽钻铤的应力分布、应力集中情况进行分析，研究凹槽参 数与钻铤最大应力之间的关系，结合合理的安全系数，给出基于钻柱系统的隔声结构 在实际使用时的最大允许拉伸轴向力以及扭力矩，以确保钻井过程中钻柱系统的安 全，减少发生钻井事故的概率。 3 4 周期性环状凹槽隔声结构声学特性数值模拟研究 在钻铤一卜切割周期性凹槽可有效抑制钻铤模式波沿钻柱的传播，利用数值模拟方 法研究隔声结构的阻带特性、隔声量、时延量与切割f u l 槽参数之间关系，有助于选择 中国石油人学( 华东) 博i = 学化论文 合理的切割凹槽参数设计隔声结构，以满足随钻测井中对钻铤模式波的隔离要求，从 而提高对随钻地层纵波测量的分辨能力，减小钻柱信道中某些频率成分的噪声。数值 模拟时所采用钻铤的参数见表3 2 1 ，单极子源采用主频为ll k h z 、3 d b 带宽为 5 3 4 k h z 的高斯宽带脉冲，其时域波形和归一化频谱如图3 4 1 所示，在a n s y s 中创 建的周期性环状凹槽隔声结构的有限元数值计算模型如图3 4 2 所示。 频率f k h z 图3 - 4 1 单极子源时域波形图( a ) 与归一化频谱图( b ) f i 9 3 - 4 - 1 t i m ed o m a i nw a v e f o r m s ( a ) a n dn o r m a l i z e df r e q u e n c ys p e c t r u mo fm o n o p o l e ( b ) 图3 4 _ 2a n s y s 中创建隔声结构的有限元模型图 f i 9 3 - 4 - 2 t h ei s o l a t o rf i n i t ee l e m e n tm o d e lc r e a t e di na n s y s 3 l 第3 章基，二钻柞系统的高频钻铤波隔离疗法研究 3 4 1 切割凹槽深度对隔声结构声学性能的影响 保持凹槽长度l = 1 0 2 m m 、凹槽间隔w = 1 0 2 m m 不变，凹槽深度分别为h = 0 m m ( 未 刻槽) 、1 6 m m 、1 8 m m 和2 0 m m 共切割n - - 11 个凹槽的隔声结构，由式( 3 2 6 ) 计算出 该隔声结构系统的频散曲线如图3 4 3 所示，数值模拟计算出隔声结构上接收器接收 到的远波、近波时域波形、隔声结构上阵列接收6 道时域波形以及阵列波形的s t c 、 w s s 处理结果如图3 4 - 4 一图3 _ 4 8 所示。从图3 _ 4 3 一图3 - 4 6 中可以看出，当h = 0 m m 时，钻铤截面均匀，不存在频散现象，理论计算出的频散曲线与阵列波形w s s 处理 得到的频散曲线符合良好；钻铤模式波的波数k = - 6 0 ，其速度约为5 0 0 0 m s ，此时远 波波全点与近波波至点之间的时间差为a t = 7 9 5 2 1 , t s 。当在钻铤上切割凹槽后，钻铤截 面存在突变，系统出现了频散现象，随着凹槽深度日从1 6 m m 逐渐增大到2 0 r a m ， 阻带中心频率位置几乎不变，阻带宽度厂增大，阵列波形经w s s 处理得到肛1 8 r a m 时隔声结构频散曲线的阻带位置与理论计算结果符合良好，单极子源的工作频率也恰 好位于阻带内，同时隔声结构的时延量相对钻铤未刻槽时依次增加2 9 2 雌、3 9 1 岫和 4 9 1 “s ，即川槽深度越深，隔声结构的时延量越大。由远波与近波波形计算出隔声结 构的隔声量曲线如图3 _ 4 9 所示，当钻铤模式波的频率位于隔声结构阻带内时，都具 有较大的隔声量，并且随着凹槽深度增加，隔声结构的隔声量也增大。当凹槽深度为 1 8 m m 时，在频率为1 0 6 2 k h z 处获得3 8 d b 的隔声量，当槽深为2 0 m m 时，在频率为 1 0 8 6 k h z 处获得3 9 d b 的隔声量，该隔声结构可满足随钻测井对钻铤波的隔声需求。 童 电 氯 鲻 频率f k h z 图3 4 - 3 槽深h 不同时隔声结构的理论频散曲线图 f i 9 3 4 3 t h et h e o r e t i c a ld i s p e r s i o nc u r v eo fi s o l a t o rf o rd i f f e r e n th 3 2 图3 4 4 槽深h 不同时隔声结构的远波与近波时域波形图 f i 9 3 - 4 - 4t h ef a rw a v ea n dn e a rw a v ei nt i m ed o m a i no f i s o l a t o rf o rd i f f e r e n th 时间t m s 图3 - 4 5 槽深h = 0 m m 时隔声结构上6 道阵列接收时域波形图 f i 9 3 - 4 5 s i xr e c e i v e dt i m ed o m a i nw a v e so fi s o l a t o rf o rh = 0 m m 3 3 第3 章幕于钻柱系统的高频钻铤波隔离办法研究 爱 度 们 磊 侵 度 们 磊 s t c 图 爱 度 们 后 3 0 2 0 1 0 相关系数 吣 。、 ，。 眇 0 2 0 1 0 相关系数 l r 叶，国石油人学( 华东) 博l ：学化论文 爱 度 们 目 $ t c 圈 4 0 侵3 0 度 g2 0 1 0 w s s 图及频散曲线 额辜f k h z 爱3 0 度 们 g 2 0 爱 度 合 h 1 0 相关系数 吣 、 ， p 0 2 0 5 1 0 相关系数 h r 图3 4 8 槽深h = 1 8 m m 时6 道阵列波形s t c 和w s s 处理结果图 f i 9 3 4 - 8t h ep r o c e s sr e s u l t so fa r r a yw a v e f o r m su s i n gs t ca n dw s sm e t h o r df o rh = 1 8 m m 是 b 蚓 救 遴 图3 - 4 - 9 槽深h 不同时隔声结构的隔声量曲线图 f i 9 3 - 4 - 9 t h es o u n dt r a n s m i s s i o nl o s so fi s o l a t o rf o rd i f f e r e n th 3 5 第3 章基r 钻柱系统的高频钻铤波隔离办法研究 图3 - 4 - l o 钻铤模式波传播t = 3 5 m s 时的u z 位移等值线图( h = 0 m m ) f i 9 3 - 4 - 1 0t h eu zd i s p l a c e m e n tc o n t o u rm a po ft h ec o l i o rm o d ew a v ew h e nt = - 3 5 m s ( h = 0 m m ) 图3 4 - l l 钻铤模式波传播t = - 3 5 m s 时的u z 位移等值线图( h = 1 8 m m ) f i 9 3 4 1 l t h eu zd i s p l a c e m e n tc o n t o u rm a po ft h ec o l l o rm o d ew a v ew h e nt = 3 5 m s ( h = 1 8 m m ) 3 4 2 凹槽长度对隔声结构声学性能的影响 图3 - 4 - 1 2 一图3 - 4 1 4 所示为保持钻铤上切割凹槽的数目n = il 、凹槽间隔 w = 1 0 2 m m 、凹槽深度h = 1 8 m m 不变，当切割凹槽长度分别取l = 9 2 m m 、9 7 m m 、1 0 7 m m 中国石油人学( 华东) 博i ：学位论文 和1 1 2 r a m 时周期性环状凹槽隔声结构系统的频散曲线、隔声结构上接收到的远波、 近波时域波形及由远波、近波计算出隔声结构的隔声量曲线。 童 电 籁 裂 频率厂k h z 图3 - 4 1 2 槽长l 不同时隔声结构的理论频散曲线图 f i 9 3 - 4 - 12 t h et h e o r e t i c a ld i s p e r s i o nc u r v eo fi s o l a t o rf o rd i f f e r e n tl 时间t m s 第3 章基j 二钻柱系统的高频钻铤波隔离方法研究 1 0 7 m m 和11 2 m m 时单极子源的工作频率也恰好位于系统的阻带内，阻带中心频率、 阻带宽度都随槽长的增加而减小；但远波接收器月接收到时域波形的波至点相同( 见 图3 _ 4 1 3 ) ，即增大凹槽长度并不会增加隔声结构的时延量，并且随着凹槽长度的增 大，隔声量呈现了先增加后减小的变化趋势，即凹槽长度过大，反而不能达到增加隔 声量的目的，如图3 - 4 1 4 中凹槽长为1 0 2 m m 的隔声量大于凹槽长度为1 0 7 m m 、11 2 m m 时的隔声量，因此在设计基于钻柱系统的隔声结构时，需要对凹槽长度进行优化设计， 以达到最优的隔声效果。 筻 b 蛔1 怔 遵 图3 - 4 1 4 槽长l 不同时隔声结构的隔声量曲线图 f i 9 3 - 4 - 1 4 t h es o u n dt r a n s m i s s i o nl o s so fi s o l a t o rf o rd i f f e r e n tl 3 4 3 凹槽间隔对隔声结构声学性能的影响 图3 - 4 1 5 图3 - 4 1 7 所示为保持钻铤上切割凹槽的数目n = il 、凹槽长l = 1 0 2 m m 、 凹槽深度肛1 8 m m 不变，当凹槽问隔分别取w = 9 2 m m 、9 7 m m 、1 0 7 m m 和11 2 m m 时 隔声结构的频散曲线、隔声结构上接收器接收到的远波、近波时域波形及由远波、近 波计算出隔声结构的隔声量曲线。 当凹槽间隔分别取w = 9 2 m m 、9 7 m m 、1 0 7 m m 和11 2 m m 时单极子源的工作频率 恰好位于系统的阻带内，阻带中心频率、阻带宽度都随f u l 槽间隔的增加而减小， 但远波接收器r 接收到时域波形的波至点相同( 见图3 _ 4 1 6 ) ，即增大凹槽间隔并不会 增加隔声结构的时延量；并且随着凹槽间隔的增加，隔声量呈现了先增加后减小的变 3 8 t j 国钉油人学( 华东) 博i ：学f t 论文 化规律，即凹槽间隔过大，也达不到增加隔声量的目的，如图3 4 1 7 所示的凹槽间 隔为1 0 2 r a m 的隔卢量人于凹槽间隔为1 0 7 m m 、l1 2 m m 时的隔卢量。与固定凹槽间 隔职增加凹槽长度工时具有相同的规律。冈此在设计隔声结构时需要对凹槽长度、 间隔长度进行整体优化设计，以达到最优的隔声效果。 了 墨 电 氟 鲻 图3 - 4 1 5 间隔w 不同时隔声结构的理论频散曲线图 f i 9 3 - 4 - 1 5 t h et h e o r e t i c a ld i s p e r s i o nc u r v eo f i s o l a t o rf o rd i f f e r e n tw 时间t m s 图3 - 4 1 6 间隔w 不同时隔声结构上的远波与近波时域波形图 f i 9 3 - 4 1 6 t h ef a rw a v ea n dn e a rw a v ei nt i m ed o m a i no fi s o l a t o rf o rd i f f e r e n tw 3 9 第3 章基r 钻柱系统的高频钻铤波隔离办法研究 图3 4 1 7 间隔w 不同时隔声结构上的隔声量曲线图 f i 9 3 - 4 1 7 t h es o u n dt r a n s m i s s i o nl o s so fi s o l a t o rf o rd i f f e r e n tw 3 4 4 结构周期一定时槽长对隔声结构声学性能的影响 图3 - 4 1 8 图3 4 2 0 所示为保持钻铤卜切割凹槽的结构周期w + l = 2 0 4 m r n 、凹槽 数目n = i1 、凹槽深度h = 1 8 m m 不变，当f u l 槽长度分别取l = 3 0 m m 、5 4 m m 、1 0 2 m m 和1 5 0 m m 时隔声结构的频散曲线、隔声结构上接收器接收到的远波、近波时域波形 及由远波、近波计算出隔声结构的隔声量曲线。 由图3 - 4 - 1 8 可知，当保持凹槽深度日、凹槽数目n 和凹槽结构周期( 工+ ) 不 变时，增人凹槽长度l ( 凹槽间隔减小) ，阻带中心频率逐渐升高，阻带变宽；当 凹槽长度三与凹槽间隔形相等时，阻带中心频率、阻带宽度达到最大值，当凹槽长 度超过结构周期的一半，即( + ) 2 时，隔声结构的频散特性与交换凹槽长度三 和凹槽间隔后的隔声结构的频散特性完全相同。当结构周期( + ) 不变时，增 加槽长度，远波波至点相同，即槽长增加对隔声结构的时延量不产生影响( 如图 3 - 4 1 9 所示) ；隔声结构的隔声量随着槽长的增加呈现出了现先增大后减小的变化趋 势，当槽长与槽间隔相同时，隔声结构的隔声量达到最人值。 f | 国石油人学( 华东) 博 ：学化论文 1 电 藕 爆 频率f k h z 图3 4 1 8 ( l + w ) 不变l 变化时隔声结构的理论频散曲线图 f i 9 3 - 4 1 8 t h et h e o r e t i c a ld i s p e r s i o nc u r v eo f i s o l a t o rf o rd i f f e r e n tlw h i l e ( l + 哪f i x e d 时间t ( m s ) 图3 - 4 - 1 9 ( l + w ) 不变l 变化时隔声结构上的远波与近波时域波形图 f i 9 3 4 - 1 9 t h ef a ra n dn e a rw a v ei nt i m ed o m a mo fi s o l a t o rf o rd i f f e r e n tlw h i l e ( l + 、 f i x e d 第3 章荩j ：钻托系统的高频钻铤波隔离方法研究 是 奄 嘲 坦 窿 频率f k h z 图3 4 2 0 ( l + w ) 不变l 变化时隔声结构的隔声量曲线图 f i 9 3 4 2 0 t h es o u n dt r a n s m i s s i o nl o s