钻杆声波传输模型的有限元分析
发布时间：2021-01-26 10:10
旋转导向钻井系统的核心是导向钻井工具,其中近钻头传感器测量的井眼信息传输到随钻测量仪（LWD）,进而上传到地面监控平台。传输过程中由于电子仓与LWD之间存在伺服平台相对旋转振动、套管和井壁的碰撞等干扰,无法用线缆直接相连。而井下声波传输利用沿钻杆传输的弹性波作为载波,进行井下信息无线传输,具有结构简单、成本低、适应性强等特点,可为井下无线信息传输研究提供新的方向。本文尝试从理论推导、仿真模拟计算与试验验证三个角度对载荷下短距离钻杆中声波传输特性进行分析,为级联钻杆声波传输特性的研究提供基础模型。理论推导主要介绍声波波动特性、声波在固体中传输的理论,同时根据实验室中声波传输试验平台,分析试验平台中载荷的稳态响应、钻杆结构阻尼以及声波在短距离钻杆中的传输特性。仿真模拟计算主要通过多物理场耦合分析软件,根据短距离钻杆实际参数,建立钻杆声波传输模型,模拟计算钻杆中传输的声波载波信号,分析声波载波仿真信号在钻杆中的传输特性。试验验证主要利用声波传输试验平台,进行声波在短距离钻杆中传输试验,测量钻杆接收端的声波信号,分析声波在短距离钻杆中的传输特性。通过对理论推导的结论、仿真模拟和试验测量的结果进...
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
旋转导向钻井系统结构图
西安石油大学硕士学位论文14220dxdxMCKxtdt(2-1)式中：x为质点位移；M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵。对式(2-1)求解，可得位移与时间关系为：000()cos()txtxet(2-2)由式(2-2)可看出，声波在钻杆中的衰减振动为一条呈指数形式衰减的曲线，其内部包络曲线呈现出余弦曲线衰减的形式。2.2声波在固体中传输2.2.1声波在固体中传输理论模型当固体受外部作用力作用时，它会在体内产生形变，称为应变。由于固体的弹性性质，物体各部分之间就会存在相互作用的力，并且该力是通过物体的界面发挥作用的，具有表面力的性质，通常以物理量应力来表示。选取固体中一个微元dv，如图2-1所示，当固体受到相邻部分力的作用时，微元也会发生形变，运用广义胡克定律，分析固体介质中应力和应变的关系，可得各向同性且均匀的固体中三维弹性波方程[77]。图2-1固体中声波传输微元分析在对固体受力分析时，对固体模型进行精简，在直角坐标系中建立固体的弹性波方程[78]，如式(2-3)所示：222222222()()()xxyyzzuutxuutyuutz(2-3)
第三章基于有限元法的短距离钻杆声波传输试验与仿真25求解器求解类型主要有：稳态、瞬态、特征值、频域、参数等求解类型。稳态求解适用于求解问题与时间无关参数化扫描；瞬态求解适用于求解问题与时间有关；频域求解本质上也是稳态求解，将时域的问题转化到频域。特征值求解适用于特征值问题，求解本征频率；本文中主要研究声波在钻杆中传输的时域响应，因此本文选择瞬态求解器和特征频率求解器进行研究。3.3载荷作用下钻杆中声波传输模型3.3.1短距离钻杆声波传输试验装置声波传输试验装置模拟MWD与电子仓之间的声波信号传输，由短距离钻杆、声波产生和接收三部分组成，试验装置实物如图3-3所示。声波传输试验中，将油管放置在支架上并固定好，试验装置参数如表3-1所示，最后要仔细梳理检查信号发生器、激振器、传感器、适调器、和示波器的接线。图3-3试验装置实物表3-1短距离钻杆试验装置参数油管规格油管长度/mm油管外径/mm油管内径/mm油管壁厚/mmJ55钢128014012010声波产生部分由型号为YE1311的扫频信号发生器，利用其产生实验所需的典型信号驱动JZK-2型电动式激振器，激励钻杆产生模拟声波在钻杆中传输时的机械振动，进而传递信号。扫频信号发生器能产生高质量的正弦信号、方波、三角波及白噪声等多种波形，可输出频率范围在2~2kHz，信号输出为1Vrms±0.5dB(20Hz~20kHz)，功率输出为30W(4负载)(20Hz~20kHz)，大多应用于声学、振动等领域作为信号源，本文中主要采用方波驱动信号。电动式激振器为可将电能转换为机械能的电动变换器，其额定出力正弦或随机信号
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种周期性管柱中声波频谱评价方法[J]. 王庆,管志川,张波,刘永旺,李成,杨胜利. 中国矿业大学学报. 2020(01)
[2]声波在钻柱中传输数值模拟研究[J]. 高理,李铭钧,范涛,张楠. 信息记录材料. 2020(01)
[3]一种新型井下声波发生装置及其声波传播特性[J]. 王庆,管志川,刘永旺,张波,李成. 天然气工业. 2019(05)
[4]瑞利阻尼物理本质及参数对动力响应的影响[J]. 胡成宝,王云岗,凌道盛. 浙江大学学报(工学版). 2017(07)
[5]国产旋转导向及随钻测井系统在渤海某油田的应用[J]. 陈虎,和鹏飞,万圣良. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2017(03)
[6]基于钻柱声波信道的随钻数据V-OFDM传输方法研究[J]. 马东,师奕兵,张伟,柳国振. 电子科技大学学报. 2017(01)
[7]钻杆声波传输对可调脉宽驱动的敏感性研究[J]. 高理,程为彬,满荣娟,李杰. 西安石油大学学报(自然科学版). 2016(06)
[8]弯曲钻柱中声传播特性教学实验装置研制[J]. 刘永旺,管志川,王庆,樊滔,张波. 实验技术与管理. 2016(10)
[9]钻杆声波信道分析与试验研究[J]. 丛军,刘建华,王振法,葛世瞳. 中国石油和化工. 2016(S1)
[10]旋转导向钻井工具地面监测和控制系统研究[J]. 张玺亮,党瑞荣,马认琦. 石油机械. 2015(05)
博士论文
[1]周期性钻柱声波信道的信号传输及检测方法研究[D]. 马东.电子科技大学 2018
[2]随钻声波遥传中不同井况下钻柱信道仿真及实验系统研究[D]. 谢海明.西安电子科技大学 2018
[3]井下近钻头测量与无线短传技术研究[D]. 李志刚.中国石油大学 2010
硕士论文
[1]悬索桥地震响应分析的阻尼模型研究[D]. 杨舒蔚.西南交通大学 2018
[2]非正交姿态参数的数字解算与实现[D]. 李杰.西安石油大学 2016
[3]高速铁路隧道列车振动响应分析及减振降噪研究[D]. 魏雪云.合肥工业大学 2015
本文编号：3000926
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
旋转导向钻井系统结构图
西安石油大学硕士学位论文14220dxdxMCKxtdt(2-1)式中：x为质点位移；M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵。对式(2-1)求解，可得位移与时间关系为：000()cos()txtxet(2-2)由式(2-2)可看出，声波在钻杆中的衰减振动为一条呈指数形式衰减的曲线，其内部包络曲线呈现出余弦曲线衰减的形式。2.2声波在固体中传输2.2.1声波在固体中传输理论模型当固体受外部作用力作用时，它会在体内产生形变，称为应变。由于固体的弹性性质，物体各部分之间就会存在相互作用的力，并且该力是通过物体的界面发挥作用的，具有表面力的性质，通常以物理量应力来表示。选取固体中一个微元dv，如图2-1所示，当固体受到相邻部分力的作用时，微元也会发生形变，运用广义胡克定律，分析固体介质中应力和应变的关系，可得各向同性且均匀的固体中三维弹性波方程[77]。图2-1固体中声波传输微元分析在对固体受力分析时，对固体模型进行精简，在直角坐标系中建立固体的弹性波方程[78]，如式(2-3)所示：222222222()()()xxyyzzuutxuutyuutz(2-3)
第三章基于有限元法的短距离钻杆声波传输试验与仿真25求解器求解类型主要有：稳态、瞬态、特征值、频域、参数等求解类型。稳态求解适用于求解问题与时间无关参数化扫描；瞬态求解适用于求解问题与时间有关；频域求解本质上也是稳态求解，将时域的问题转化到频域。特征值求解适用于特征值问题，求解本征频率；本文中主要研究声波在钻杆中传输的时域响应，因此本文选择瞬态求解器和特征频率求解器进行研究。3.3载荷作用下钻杆中声波传输模型3.3.1短距离钻杆声波传输试验装置声波传输试验装置模拟MWD与电子仓之间的声波信号传输，由短距离钻杆、声波产生和接收三部分组成，试验装置实物如图3-3所示。声波传输试验中，将油管放置在支架上并固定好，试验装置参数如表3-1所示，最后要仔细梳理检查信号发生器、激振器、传感器、适调器、和示波器的接线。图3-3试验装置实物表3-1短距离钻杆试验装置参数油管规格油管长度/mm油管外径/mm油管内径/mm油管壁厚/mmJ55钢128014012010声波产生部分由型号为YE1311的扫频信号发生器，利用其产生实验所需的典型信号驱动JZK-2型电动式激振器，激励钻杆产生模拟声波在钻杆中传输时的机械振动，进而传递信号。扫频信号发生器能产生高质量的正弦信号、方波、三角波及白噪声等多种波形，可输出频率范围在2~2kHz，信号输出为1Vrms±0.5dB(20Hz~20kHz)，功率输出为30W(4负载)(20Hz~20kHz)，大多应用于声学、振动等领域作为信号源，本文中主要采用方波驱动信号。电动式激振器为可将电能转换为机械能的电动变换器，其额定出力正弦或随机信号
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种周期性管柱中声波频谱评价方法[J]. 王庆,管志川,张波,刘永旺,李成,杨胜利. 中国矿业大学学报. 2020(01)
[2]声波在钻柱中传输数值模拟研究[J]. 高理,李铭钧,范涛,张楠. 信息记录材料. 2020(01)
[3]一种新型井下声波发生装置及其声波传播特性[J]. 王庆,管志川,刘永旺,张波,李成. 天然气工业. 2019(05)
[4]瑞利阻尼物理本质及参数对动力响应的影响[J]. 胡成宝,王云岗,凌道盛. 浙江大学学报(工学版). 2017(07)
[5]国产旋转导向及随钻测井系统在渤海某油田的应用[J]. 陈虎,和鹏飞,万圣良. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2017(03)
[6]基于钻柱声波信道的随钻数据V-OFDM传输方法研究[J]. 马东,师奕兵,张伟,柳国振. 电子科技大学学报. 2017(01)
[7]钻杆声波传输对可调脉宽驱动的敏感性研究[J]. 高理,程为彬,满荣娟,李杰. 西安石油大学学报(自然科学版). 2016(06)
[8]弯曲钻柱中声传播特性教学实验装置研制[J]. 刘永旺,管志川,王庆,樊滔,张波. 实验技术与管理. 2016(10)
[9]钻杆声波信道分析与试验研究[J]. 丛军,刘建华,王振法,葛世瞳. 中国石油和化工. 2016(S1)
[10]旋转导向钻井工具地面监测和控制系统研究[J]. 张玺亮,党瑞荣,马认琦. 石油机械. 2015(05)
博士论文
[1]周期性钻柱声波信道的信号传输及检测方法研究[D]. 马东.电子科技大学 2018
[2]随钻声波遥传中不同井况下钻柱信道仿真及实验系统研究[D]. 谢海明.西安电子科技大学 2018
[3]井下近钻头测量与无线短传技术研究[D]. 李志刚.中国石油大学 2010
硕士论文
[1]悬索桥地震响应分析的阻尼模型研究[D]. 杨舒蔚.西南交通大学 2018
[2]非正交姿态参数的数字解算与实现[D]. 李杰.西安石油大学 2016
[3]高速铁路隧道列车振动响应分析及减振降噪研究[D]. 魏雪云.合肥工业大学 2015
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