近钻头测量超声波传输系统设计及实验研究

论文摘要

近几年,井下测量传输技术已成为钻井上的关键技术之一,因泥浆脉冲、绝缘导线、无线电等信号传输方式存在很多制约,所以把超声波传输信号的方式作为本文的研究方向,通过理论设计和实验分析相结合的手段,设计出近钻头测量超声波传输系统。本文分析了超声波在钻柱中传输的折射、反射等衰减理论特性,找出适合钻柱中传输的超声波波型,并为下面的实验提供理论支持,同时,根据井下传输信号的要求和仪器空间要求,优选换能器压电材料,设计新型换能器的结构和尺寸,并达到声匹配和电匹配,满足实验需求;通过实验手段研究换能器的特性,优选适合在钻柱中传输的信号形式,研究超声波信号在钻杆和动力钻具中的传输特性,分析了超声波在不同钻具中的衰减情况;设计和优化发射电路和接收电路,并自行设计了发射电路中的专用变压器,使其与换能器达到良好匹配,确保激发换能器工作在最佳状态。通过对整套的近钻头测量超声波传输系统进行室内实验测试,验证了超声波作为载体传输信号的可行性,并不断优化使其达到较高的精度,最后通过下井测试验证了整套系统的可行性和稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 本文的研究内容及方法
• 1.2.1 研究内容
• 1.2.2 研究方法
• 第二章 井下信号传输研究进展
• 2.1 井下信号传输方式及其研究进展
• 2.1.1 泥浆脉冲传播方式
• 2.1.2 绝缘导线传播方式
• 2.1.3 电磁波传输方式
• 2.1.4 声波传播方式
• 2.2 近钻头测量研究现状
• 2.2.1 国外研究现状
• 2.2.2 国内研究现状
• 2.3 基于超声波的井下信息无线传输技术的研究进展
• 第三章 超声波传输特性研究及新型换能器设计
• 3.1 超声波在钻柱中的传输特性研究
• 3.1.1 钻柱中的超声波波型
• 3.1.2 超声波在多层平面的穿透
• 3.1.3 超声波在钻柱中衰减特性
• 3.2 新型换能器的设计
• 3.2.1 换能器的制作材料的优选
• 3.2.2 换能器的结构设计
• 3.2.3 换能器的主要性能指标讨论
• 第四章 近钻头测量超声波传输系统电路设计
• 4.1 近钻头测量超声波传输系统总体设计
• 4.2 超声波发射电路及变压器的设计
• 4.2.1 超声波发射电路的设计
• 4.2.2 超声波发射电路与换能器匹配研究
• 4.2.3 变压器的设计
• 4.3 接收电路的设计
• 4.3.1 接收电路方案I
• 4.3.2 接收电路方案II
• 4.3.3 接收电路方案III
• 4.4 电源供给系统的设计
• 第五章 超声波在钻柱中传输特性实验研究及参数优选
• 5.1 实验系统装置设计
• 5.1.1 动力钻具实验系统
• 5.1.2 单根钻杆实验系统
• 5.2 超声波在钻杆与动力钻具中传输信号的实验研究比较
• 5.2.1 超声波在单根钻杆中传输信号的实验研究
• 5.2.2 超声波在动力钻具中传输信号的实验研究
• 5.3 超声波在模拟钻柱中衰减特性实验研究
• 5.4 换能器各参数的实验优选
• 5.4.1 换能器在钻柱中传输的最佳频率确定
• 5.4.2 脉冲信号最佳脉宽的实验研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 近钻头测量超声波传输系统实验室测试及下井测试
• 6.1 完整近钻头测量传输系统的实验室测试
• 6.2 下井测试情况分析
• 6.2.1 现场实验情况
• 6.2.2 实时采集数据对比
• 结论及建议
• 参考文献
• 致谢