摘要 在油气生产过程中,人们需要实时获得井下信息来了解和控制井下设备的工 作状态,无论在钻井、完井、采油、人工举升、压裂改造、注水还是油气井测试 中,高效、实时、可靠的井下数据传输方式义不可少。目前所研究的传输方式中, 京波传输W其成本低、可行性高等优点成为目前研究的主要对象。旱期设计的声 传信号系统利用钻杆壁作为信道,但钻杆的周期性结构使得某些频段的信号发生 完全衰减,限制了系统的应用范围。随着技术的发展,大部分油田已采用连续油 管进行采油,这就使得利用连续介质进行信号传输成为了可能。因此,本文W连 续油管为研究对象,对油管中的声传特性进行了研究,并设计了声波信号接收装 置,W此为基础开发新型的声波信号传输系统。本文主要研究内容有: (1)基于Donnell方程,研究油管壁中的声传播特性。分析声波在管壁中的 传播模式,并推算固液精合条件下,管壁在激励作用下的振动方程,进而求得油 管的共振频率。研究声波衰减特性,并有针对性的计算主要衰减模式的计算么式。 (2)基于第一部分声传播特性的理论巧究,利用有限元分析软件COMSOL 摸拟油管壁中的声传播情况。设定合理的边界条件,得到不同声源激励下的油管 声传播图,通过对比有焊缝和无焊缝情况下的压力云图,研究焊缝对声波传输的 影响。得到数据后,利用MATLAB进行相关的延伸计算。 (3)基于有限元摸拟数据,设计声波接收装置。介绍了赫姆霍兹共振器和 光纤传感器的基本情况,利用电声类比的方法计算了赫姆霍兹共振器不同尺寸参 数对共振频率的影响,计算了特定频率下的放大器尺寸,并利用COMSOL进行 模拟验证。 关键词:连续油管,固液賴合,赫姆霍兹共振器,声传信号系统 II浙江大学巧去学位报告 ABSTRACT ABSTRACT I打化eprocessof0。andgasproductio打,itise巧ential化knowthedownhole infomationinrealtimesotheworkingwayoftheequipmentcanbecontrolled.Awide bandwidth,real-time,reliableundergrounddata化ansmissio打modeisessentiali打the processofdrilling,wellcompletion,oilproduction,artificiallifting,fracturing,water injection,0。andgaswell化sting.虹thecurre打tresearchofsignaltransmission technology,thesoundwavetransmissioniswidelyconcernedbythewholeworldfor itslowcostandhighfeas化化ty.Thepreviousdesignofacousticsignaltransmission systemusedthedrillpipewallasthechannel,buttheperiodicstructureofitmakesthe signalofsomefrequencyattenuatecompletely,whichlimitstheapplicationscopeof thesystem.Withthedevelopmentof化chnology,codedtubi打gisusedinmost0。fields forproductio打,whichmakesitpossible化usecontinuousmediaforsignalteansmission. Therefore,inthispaper,化ecodedtubingistakenasthe巧sear沈object,化eacoustic transmissioncharacteristicsofthetubingarestudied,andtheacouslicsignalreceiving deviceisdesigned,onthisbasis,过newtypeofacousticsignaltransmissionsystemcan bedevelopedt:oimprovethesignaltransmission.Themainresearchworkincludes: (1)BasedontheDonnellequation,化echaracteristicsofacousticpropagation in0。pipewallarestudied.Inthispart,化0propagationmodeofacousdcwaveinthe pipewallisanalyzed.Wi化thevibrationequationofthetubewallunderthecond地0打 ofsolid-liquidcoupling,theresonancefrequencyofthetubecanbeobtained.The 沒cousticatteimationchar江cteristicsarestudiedandthec汪Icul过tio打formul过softhem过i打 attenuationmodesareestablished. (2)Basedon化e化eoryofacousticpropagationinthefirstpart,theacoustic propagationin化etubi打gwallissimulatedby化efiniteelementanalysissoftware COMSOL.Bysettingreasonableboundaryconditions,thesoundtransmiissio。diagram ofoilpipeunderdifferentsoundsourceexcitationisobtai打ed.Theeffectofthewelding seamontheacousticwavetransmissionisexaminedbycomparingthepressurecontour ofthepipewithweldandwi化outweld. Ill浙江大学硕壬学位报告 ABSTRACT (3)Based0打化edataoffinUeeleme打tsimulatio打results,thereceivi打gdevice forsoundwaveisdesigned.Inthispart,thebasicinformationofHelmholtzampli行er andopticalfibersensorisintroduced,and化eelectroacousticanalogymethodisused tocalculatethei打fluenceofdiffere打tsizeparametersonamplifier,sresonance frequency,theamplifiersizeofsomespecificfrequencyiscalculatedso化atwecanuse COMSOLtosimulateandverifythetheory. Keywords;codedtubing,soKdquidcoupling,HelmholtzampKfier,acoustic signaltransmissionsystem IV渐江大学硕壬学位报告 , 目录 致谢I 摘要II ABSTRACTIll 胃录V 主要符号对照表 VII 1绪1 1.1课题研究背景及意义 1 1.2油井声传信号巧究现状和发展趋势 3 1.2.1国外油井声传信号研究历史与现状 3 1.2.2国内油井声传信号研究历史与现状 4 1.3本文的研究内容和结构 5 2管壁声波传播的基本理论 8 2.1引言8 2.2声波能量计算及声级简介 8 2.3油管声波传播理论 10 2.3.1圆柱管的响应频李计算 13 2.4管柱声波衰减 14 2.5本章小结 18 3管壁传声模拟 19 3.1引言 19 3.2管壁传声模型的建立 19 3.2.1油管几何模型的建立 19 3.2.2传声边界条件的设定 23 3.2.3其他设定 25 3.3管壁传京模拟分析 25 3.3.1均勻声源模拟情况 25 3.3.2点声源模拟情况 30 V渐江乂学硕击学位报告 §￡_ 3.3.3焊缝对管壁内声波传播的影响 35 3.4本章小结 巧 4声波接收器的设计与模拟 39 4.1引言 39 4.2赫姆霍兹共振器与光纤传感器简介 巧 4.2.1赫姆霍兹共振器简介 巧 4.2.2光纤传感器简介 40 4.3赫姆霍兹放大器的电声类比与模拟 44 4.3.1赫姆霍兹放大器的电寅类比 45 4.3.2赫姆霍兹共振器的设计 51 4.3.3赫姆霍兹共振器的有限元模拟 54 4.4本章小结 58 5均匀声源条件下油管声传系统可行性分析 59 5.1可行性分析计算 巧 5.2本章小结 61 6总结与展望 62 6.1本文总结 62 6.2展望 63