基于Simulink的鉆井信息傳輸通道特性仿真

張會(huì)先

摘要：該文針對(duì)利用聲波在鉆桿中有效地傳輸隨鉆數(shù)據(jù)，提出應(yīng)用聲波無(wú)縫傳輸模型將任意鉆柱組合分解為單個(gè)聲波無(wú)縫傳輸模型級(jí)聯(lián)。分析了其組合是每個(gè)鉆具系統(tǒng)函數(shù)的S參數(shù)形式，并在Simulink環(huán)境下仿真了S參數(shù)的傳輸函數(shù)特性。將雙口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)轉(zhuǎn)換為雙口網(wǎng)絡(luò)T參數(shù)，多鉆具級(jí)聯(lián)的系統(tǒng)函數(shù)為各T參數(shù)連乘，并對(duì)多個(gè)相同鉆桿級(jí)聯(lián)后的模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果將對(duì)聲波傳輸中傳輸頻帶的確定、調(diào)制解調(diào)的方案設(shè)計(jì)等提供有力的技術(shù)支持，為聲波傳輸儀器的研制提供技術(shù)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：鉆桿信道；聲波傳輸；S參數(shù)；Simulink仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）19-0250-03

Acoustical Properties Study within Drill Strings Based on Simulink

ZHANG Hui-xian

（Xian Ke Da Gao Xin University， Xian 710109， China ）

Abstract： In this article， according to use of acoustic wave drilling data in a drill pipe which is effective transmission， Proposed the application of acoustic seamless transfer model， that make any drill string decomposition and integration into the seamless transfer model cascade of a single acoustic. Analyzed its combination of S-parameters form for the function of each drilling tool system， and simulated S-parameters of the transfer function characteristics based on simulink. Convert dual-port network S-parameters for the two-port network T switch， simulate the model that more than one of the same pipe cascade， the simulation results will provide a strong technical support to confirm the frequency band of acoustic wave transmission and design the scheme of modulation and demodulation， provide technology platform for the development of acoustic transmission equipment.

Key words： Drill pipe Channel； Acoustic transmission； S parameter； Simulink simulation

1 引言

在鉆井過(guò)程中，為了保證鉆井過(guò)程順利有效進(jìn)行的進(jìn)行，需要將井下信息通過(guò)相應(yīng)設(shè)備發(fā)送給地面接收設(shè)備。所以可靠且高效的測(cè)井信息傳輸系統(tǒng)成為鉆井測(cè)控技術(shù)研究的熱點(diǎn)。聲波傳輸方式在使用中由于它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)約成本、方便定向發(fā)射等一系列優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注[1]。但是其研究難點(diǎn)在于怎樣實(shí)現(xiàn)將井下聲波信號(hào)雙向、快速的傳輸給地面設(shè)備。石油鉆井結(jié)構(gòu)中的連續(xù)鋼質(zhì)鉆柱材質(zhì)可以作為聲波井下信息可靠且高速傳輸?shù)牧己媒橘|(zhì)。但是，關(guān)于聲波在鉆桿中的傳輸特性目前還有待做更深入的研究，以便使此項(xiàng)技術(shù)能夠在實(shí)際測(cè)井中為之服務(wù)。本位旨在通過(guò)對(duì)聲波在鉆井中周期性鉆桿結(jié)構(gòu)中傳輸特性的仿真研究，對(duì)聲波測(cè)井技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)及產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

基于已研究成果，周期性鉆柱作為聲波信號(hào)傳輸信道，其S參數(shù)模型的四個(gè)傳輸函數(shù)如下：

2 基于Simulink的鉆井信息傳輸通道特性仿真

2.1 鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)及其對(duì)應(yīng)模型

基于已研究成果，周期性鉆柱作為聲波信號(hào)傳輸信道，其S參數(shù)模型的四個(gè)傳輸函數(shù)如下：

2.2 聲波沿鉆桿傳輸模型的仿真分析

由公式（4）得S11的s域框圖如圖1所示：

利用Simulink分別對(duì)S11及S12的S域模型做電路模型仿真，當(dāng)輸入信號(hào)為正弦波且取不同的頻率值時(shí)，S11及S12的幅度特性變化規(guī)律分別如圖2所示：

由圖7左圖可以看出傳輸頻率在以下時(shí)，均具有較好的傳輸頻帶，其中在、以及這三個(gè)頻帶其傳輸特性很好，將其與圖5用Simulink仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，考慮到隨著傳輸頻率的增大其反射衰減的變化，故可以取之間的任意頻率為聲波在鉆桿中的傳播頻率。

由圖7右圖可以看出傳輸頻率在范圍時(shí)，具有一些可傳輸?shù)念l帶，其中在、以及這三個(gè)頻帶其傳輸特性較于其它傳輸頻帶好，將其與圖2-用Simulink仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，考慮到隨著傳輸頻率的增大其反射衰減的變化，故可以取之間的任意頻率為聲波在鉆桿中的傳播頻率。

3 結(jié)論

本文利用Simulink研究了聲波在周期性鉆具組合中傳播的電路模型，對(duì)其進(jìn)行了仿真，反映出鉆桿信道的特性為通阻帶相間的梳狀濾波特性。并將仿真結(jié)果與利用Matlab環(huán)境下的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，初步確定了聲波在鉆桿中傳輸?shù)谋容^適合的頻帶范圍。仿真結(jié)果將對(duì)聲波傳輸中傳輸頻帶的確定、調(diào)制解調(diào)的方案設(shè)計(jì)等提供有力的技術(shù)支持。

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