基于Simulink的钻井信息传输通道特性仿真
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摘要：该文针对利用声波在钻杆中有效地传输随钻数据，提出应用声波无缝传输模型将任意钻柱组合分解为单个声波无缝传输模型级联。分析了其组合是每个钻具系统函数的S参数形式，并在Simulink环境下仿真了S参数的传输函数特性。将双口网络S参数转换为双口网络T参数，多钻具级联的系统函数为各T参数连乘，并对多个相同钻杆级联后的模型进行仿真，仿真结果将对声波传输中传输频带的确定、调制解调的方案设计等提供有力的技术支持，为声波传输仪器的研制提供技术平台。
关键词：钻杆信道；声波传输；S参数；Simulink仿真
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）19-0250-03
Acoustical Properties Study within Drill Strings Based on Simulink
ZHANG Hui-xian
（Xi’an Ke Da Gao Xin University， Xi’an 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
在钻井过程中，为了保证钻井过程顺利有效进行的进行，需要将井下信息通过相应设备发送给地面接收设备。所以可靠且高效的测井信息传输系统成为钻井测控技术研究的热点。声波传输方式在使用中由于它的结构简单、节约成本、方便定向发射等一系列优势备受关注[1]。但是其研究难点在于怎样实现将井下声波信号双向、快速的传输给地面设备。石油钻井结构中的连续钢质钻柱材质可以作为声波井下信息可靠且高速传输的良好介质。但是，关于声波在钻杆中的传输特性目前还有待做更深入的研究，以便使此项技术能够在实际测井中为之服务。本位旨在通过对声波在钻井中周期性钻杆结构中传输特性的仿真研究，对声波测井技术系统研发及产品的开发应用提供一定的理论依据。
基于已研究成果，周期性钻柱作为声波信号传输信道，其S参数模型的四个传输函数如下：
2.1 钻杆结构参数及其对应模型
基于已研究成果，周期性钻柱作为声波信号传输信道，其S参数模型的四个传输函数如下：
2.2 声波沿钻杆传输模型的仿真分析
由公式（4）得S11的s域框图如图1所示：
利用Simulink分别对S11及S12的S域模型做电路模型仿真，当输入信号为正弦波且取不同的频率值时，S11及S12的幅度特性变化规律分别如图2所示：
由图7左图可以看出传输频率在以下时，均具有较好的传输频带，其中在、以及这三个频带其传输特性很好，将其与图5用Simulink仿真结果进行对比可知，考虑到随着传输频率的增大其反射衰减的变化，故可以取之间的任意频率为声波在钻杆中的传播频率。
由图7右图可以看出传输频率在范围时，具有一些可传输的频带，其中在、以及这三个频带其传输特性较于其它传输频带好，将其与图2-用Simulink仿真结果进行对比可知，考虑到随着传输频率的增大其反射衰减的变化，故可以取之间的任意频率为声波在钻杆中的传播频率。
3 结论
本文利用Simulink研究了声波在周期性钻具组合中传播的电路模型，对其进行了仿真，反映出钻杆信道的特性为通阻带相间的梳状滤波特性。并将仿真结果与利用Matlab环境下的仿真结果进行了对比，初步确定了声波在钻杆中传输的比较适合的频带范围。仿真结果将对声波传输中传输频带的确定、调制解调的方案设计等提供有力的技术支持。
参考文献：
[1] 刘修善，苏义脑.地面信号下传系统的方案设计[J].石油学报，2000，21（6）：88-92.
[2] 沈忠厚.现代钻井技术发展趋势[J].石油勘探与开发，2005，32（1）：89-91.
[3] 高德利，刘希圣，徐秉业.井眼轨迹控制[M].东营：石油大学出版社，1994.
[4] 周静，傅鑫生，张峰，等. 一种周期性钻杆的无缝声波传输通道的建模方法[P].西安：发明专利分类号：H04B 11/00；E21B 47/14，专利号：200910022642.
[5] 法国石油研究院.钻井数据手册[M].6版.王子源，等.译.地质出版社，1995.