基于钻柱的随钻数据声波传输技术的研究与开发

摘要

针对空气钻井和泡沫钻井中随钻数据有效传输的问题，论文研究了随钻数据声波传输技术的关键环节，包括钻杆中声波传输特性研究、井下声波发射换能器研发、声波传输方法研究及声波发射控制电路设计。
　　 首先，为了研究声波在钻杆中的传输特性，采用特制的钻杆短节为传输信道，激振器和自制激励装置为激发源，在实验室进行了不同工况下钻杆中声波传输特性测试实验。分析了钻杆的结构特点和用于实验测试的声波类型及其传播特点，确定了适宜于传输信号的载波类型。通过分析对比不同频率的声波在不同长度的钻杆中的频带特性和色散特性，得出了声波传输的频率特性和衰减规律。根据实验研究结果，分析影响声波传输特性的因素，确定载波的最佳传输频率点，为设计合适的井下声波发射换能器及研究合理的声波传输方法提供了依据和指导。
　　 其次，根据实验结论，针对井下狭小空间和高温高压环境及供电困难状况，论文详细分析了在役的低频声波发射换能器发声原理及结构特点，设计研发了适应井下苛刻条件的压电陶瓷换能器和稀土超磁致伸缩换能器，并对两种换能器的发声性能、制作工艺、尺寸大小进行了对比。由于声波发射换能器功率有限，提出了使用变幅杆放大声波发射能量的结构设计。由于井下安装空间非常有限，提出了在特制钻铤中开槽和制作测量短节的方法。
　　 最后，针对钻杆信道和井下数据的特点，论文采用二进制频移键控调制随钻数据，采用差错控制正反码编码随钻数据。在声波发射控制电路设计方面，结合井下高温环境，论文采用军品级芯片作为控制芯片，完成了电路结构和发射程序的设计并对井下电源选用进行了研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前言

1.1课题的背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3课题的主要研究内容

第2章钻杆中声波传输特性研究

2.1钻杆声波传输特性的国内外研究现状

2.2钻杆声波传输特性实验

2.2.1实验目的

2.2.2实验设备介绍

2.2.3实验方法和步骤

2.3实验数据分析

2.4实验结论

2.5本章小结

第3章井下声波发射换能器的设计和研发

3.1低频声波发射换能器的研究

3.1.1传统磁致伸缩换能器的分析

3.1.2 电动式发射换能器的分析

3.1.3聚四偏氟乙烯压电膜换能器的分析

3.1.4机械打击类大功率换能器的分析

3.2声波发射换能器的选型和功能设计

3.2.1 压电陶瓷换能器分析与研发

3.2.2稀土超磁致伸缩换能器的分析与研发

3.2.3两种换能器性能比较

3.3声耦合和透射模型分析

3.3.1透射模型分析

3.4本章小结

第4章声波传输方法的研究和声波发射装置控制电路的设计

4.1声波传输方法研究

4.1.1二进制振幅键控分析

4.1.2二进制相移键控分析

4.1.3二进制频移键控分析

4.2差错控制编码研究

4.3声波发射装置的总体设计

4.4控制电路的设计

4.4.1控制芯片的选择

4.4.2程序设计

4.5供电电源的设计

4.6本章小结

总结与展望

攻读硕士学位期间取得的学术成果

参考文献

致谢