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鉆柱結構傳輸特點影響論文
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,不受地層內磁性物質的干擾[1-2];同時還具有設備結構簡單、成本較低、易于定向發(fā)射及傳播速度極快等優(yōu)點,因而成為當前井下信息傳輸技術領域研究的熱點之一[3-4]。國內外學者將由鉆桿組成的鉆柱理想為周期性管結構,并對該理想結構的聲傳播特性進行了大量研究。
國外學者在通阻帶具有交替梳狀濾波器結構特性[5]及鉆桿或油管具有宏觀周期性結構[6-8]認識基礎上,分析了縱波沿理想鉆桿的頻帶特性、通帶內的細微頻譜結構、鉆桿外形尺寸以及管內外等效簡化損耗對傳輸?shù)挠绊慬9],利用聲波衰減模型通過數(shù)值分析得到了聲波相速度、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]。
國內此項研究開展較晚,主要是在探討井下聲傳輸信道色散特性的基礎上,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用等方面對隨鉆聲波遙測技術的關鍵問題進行了研究[21-24],還提出了鉆柱中聲波衰減的經(jīng)驗公式[25]。但實際鉆柱結構復雜,與理想周期性管結構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構鉆柱的分析模型,來研究鉆柱結構對聲傳播特性的影響。
1非周期性
鉆柱組合模型的建立非周期性鉆柱組合結構分析模型如圖1所示,其中a為截面積,d為長度,下標(1,2,…,n-1,n)表示鉆柱組成鉆桿和接頭所在位置編號。結構中鉆桿和接頭連接處的界面是關鍵位置,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?m;μt和μr分別表示入射波和反射波位移的法向分量,m;ω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周期性鉆柱結構
聲傳輸特性為驗證該模型的正確性,利用上面建立的模型對周期性鉆柱進行分析。選擇鉆柱組合尺寸為:鉆桿本體長度8.69m,鉆桿本體截面積24.5cm2,鉆桿接頭長度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。分析模型為100根鉆桿和101個接頭的形式,分析結果如圖2所示。
圖2(a)為5000Hz內通阻帶的分布情況,圖2(b)為第一個通帶放大圖。由圖2可以看出,對于理想的周期性鉆柱,鉆桿和接頭的長度和截面積決定了頻帶的結構,頻帶分布呈現(xiàn)出通帶和阻帶交替出現(xiàn)的梳狀濾波器結構特性,且頻帶分布具有一定的周期性和對稱性特征,在一個頻帶周期內通帶先變窄再變寬,阻帶則先變寬再變窄。對由不同數(shù)量鉆桿和接頭組成的有限長周期性鉆柱結構,選取第一個頻帶周期中的第一個通帶進行分析,結果見圖3。結合圖2(b)第一個通帶的結構分析可知,接頭在空間上的離散分布使得通帶內出現(xiàn)小透射峰,并且隨著鉆桿根數(shù)和接頭數(shù)目的增加,通帶結構發(fā)生變化,小譜峰數(shù)增加。這與將鉆柱理想為周期性管結構得出的結果一致。
3非周期性鉆柱結構聲傳輸特性
3.1鉆桿本體長度差異鉆桿本體截面積、接頭長度和接頭截面積分別為24.5cm2、0.46m和130cm2,鉆桿本體長度選擇3種尺寸7.89m、8.69m和9.14m,分析模型選擇100根鉆桿101個接頭形式。排列方式分為兩種:①將3種尺寸的鉆桿按長度大小間隔排列,一個安裝周期包括3種鉆桿長度尺寸,由多個這樣的安裝周期連接構成鉆柱結構,分析結果如圖4(a)所示;②將不同長度鉆桿隨機排列,分析結果如圖4(b)所示。由圖4可知,鉆桿長度不一致時,鉆柱的聲傳播頻帶結構將發(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。
當每個周期鉆桿長度不一致時通帶將變窄,聲傳輸性能變差。鉆桿截面積、接頭長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個接頭形式。排列方式分為兩種:①將10種尺寸的鉆桿按長度大小間隔排列,一個安裝周期包括10種鉆桿尺寸,由多個安裝周期連接構成鉆柱結構,分析結果如圖5(a)所示;②將不同長度鉆桿隨機排列,分析結果如圖5(b)所示。圖4和圖5對比可見,隨著鉆桿長度種類的增加,即鉆柱長度上的非周期性的結構復雜程度加重,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)目減少更為嚴重,通帶變得非常窄。即安裝方式對于傳輸性能也存在影響,將鉆桿按照一定順序排列較隨機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、鉆桿長度和接頭長度分別為24.5cm2、9.14m和0.46m,接頭截面積選擇10種尺寸70cm2、80cm2、90cm2、95cm2、100cm2、110cm2、120cm2、130cm2、140cm2和150cm2,分析模型選擇100根鉆桿101個接頭形式。排列方式分為兩種:①將10種尺寸的接頭按截面積大小間隔排列,一個安裝周期包括10種接頭截面尺寸,由多個安裝周期連接構成鉆柱結構,分析結果如圖6(a)所示;②將不同截面尺寸的接頭隨機排列,分析結果如圖6(b)所示。由圖6可知,接頭截面積不一致時,鉆柱的聲傳播頻帶結構發(fā)生變化,當每個周期內接頭截面積不一致時通帶將變窄,聲傳輸性能變差。
4結論
(1)對于理想的周期性鉆柱,鉆桿和接頭的結構尺寸決定了頻帶的結構,頻帶分布呈現(xiàn)出梳狀濾波器結構特性,且頻帶分布具有一定的周期性和對稱性,在一個頻帶周期內通帶先變窄再變寬,阻帶則先變寬再變窄。通帶內存在小透射峰,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)對于非周期性鉆柱組合,鉆桿本體長度不一致時,通帶將變窄,甚至在一個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。鉆柱本體長度上的非周期性的結構復雜程度加重時,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,鉆柱的聲傳播頻帶結構發(fā)生變化,當每個周期內接頭截面積不一致時通帶將變窄,聲傳輸性能變差。鉆桿本體長度不一致較接頭截面尺寸不一致對于鉆柱聲傳播性能的影響更為顯著。
(3)鉆柱結構中鉆桿和接頭的安裝排列方式對于信道的傳輸性能也存在影響,但在低頻段存在較為穩(wěn)定的通帶,因此在選擇利用鉆柱信道傳輸井下信息的通信頻率時,聲傳播選頻的基本頻率范圍應該落在該通帶內。同時在條件允許的情況下,依據(jù)鉆柱結構參數(shù)采用平滑梯度的做法也可以緩解聲傳輸性能的下降。
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