管道連續(xù)壓力波傳遞及其在隨鉆測量與懸掛試壓中的應(yīng)用.pdf

1、在管道中普遍存在著壓力的連續(xù)波動，這種波動有時是有利的，有時是有害的。在無線隨鉆測量(Measurement While Drilling,MWD)過程中，利用鉆柱內(nèi)的鉆井液壓力波動將井下的測量信息傳遞到地面，能夠提高鉆井作業(yè)精度，降低作業(yè)成本。但是在傳遞數(shù)據(jù)的過程中，存在信號時有時無的問題，因此需要找出信號在鉆井液中傳輸?shù)囊?guī)律，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠傳輸；在懸掛器試壓過程中，由于測試管道中壓力急劇上升并且伴隨劇烈波動，導(dǎo)致對懸掛器動作壓力

2、的測量誤差很大，面臨著如何抑制管道內(nèi)壓力波動，提高測量精度的問題。無論對壓力波動的利用還是抑制，都需要對波動的傳遞規(guī)律和特性進(jìn)行深入研究，探尋問題的本質(zhì)和影響因素。
　　本文從脈沖波動理論出發(fā)，建立了管道中連續(xù)壓力波動的矩陣傳遞模型，利用傳遞函數(shù)對管道中連續(xù)波動規(guī)律進(jìn)行了深入研究。該模型不但可以解釋鉆柱內(nèi)連續(xù)波動的傳遞情況，解決MWD載波頻率的選擇問題，還可以用于分析試壓管道中連續(xù)波動的傳遞情況，設(shè)計濾波管道結(jié)構(gòu)，為解決懸掛器試壓

3、過程中壓力測量精度差的問題提供理論基礎(chǔ)。本文主要研究了以下幾個方面內(nèi)容：
　　首先，針對傳統(tǒng)波動理論無法準(zhǔn)確有效分析管道中連續(xù)波動衰減的問題，通過研究連續(xù)壓力波動的傳遞現(xiàn)象，建立了基于雙向傳遞系數(shù)的連續(xù)波動傳遞模型，能夠準(zhǔn)確描述波動傳遞與管道的尺寸、阻力和流體特性之間的關(guān)系。傳遞系數(shù)的實(shí)部代表管道對波動幅值的衰減，虛部代表管道對波動相位的影響，對于大傾角管道來說，兩個傳遞系數(shù)的實(shí)部是不同的，說明沿著重力方向的波動傳遞情況與逆著重力

4、方向的波動傳遞情況是不一樣的，體現(xiàn)了重力對波動傳遞的影響。由于長管道對于連續(xù)波動傳遞來說，與輸電線路中電壓和電流的波動有相似性，從而可以定義管道的阻抗和特征阻抗表達(dá)式，利用輸電線路的分析方法分析管道中的連續(xù)壓力波動。
　　其次，針對MWD過程中，載波頻率選擇困難的問題，通過研究管道兩端的壓力與流量的波動情況，建立了用于描述管道波動傳遞的傳遞矩陣模型和傳遞函數(shù)。通過對模型的分析，得到了壓力波動在管道中的分布情況，即在連續(xù)波動情況下，

5、管道中的壓力波動呈現(xiàn)駐波狀態(tài)。通過對傳遞函數(shù)的分析，得到了管道的幅值頻率特性，該特性表明管道對不同頻率波動的衰減是不一樣的，整個傳遞趨勢呈現(xiàn)波動衰減，低頻衰減小而高頻衰減大，管道對于高頻波動來說，相當(dāng)于低通濾波器，從而解釋了在無線隨鉆測量過程中井下信號時強(qiáng)時弱的原因。基于上述研究結(jié)果，提出了用于鉆井液MWD的載波頻率的動態(tài)選擇方法，并通過管道的幅值頻率實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了管道對不同頻率波動傳遞的影響。
　　再次，針對傳統(tǒng)波動理論無法有效分

6、析各種結(jié)構(gòu)管道中波動傳遞的問題，基于管道中連續(xù)波動傳遞模型，改進(jìn)了結(jié)構(gòu)管道中波動傳遞的矩陣分析模型，用于分析各種地面結(jié)構(gòu)管道對連續(xù)波動傳遞的影響。由于地面管道大部分是水平狀態(tài)或傾角很小，可以將連續(xù)波動傳遞模型簡化后得到適用于地面水平管道的波動傳遞模型，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的管道，可以通過影響函數(shù)來體現(xiàn)分支管道和容器對主管道的影響，得到連續(xù)波動在管道結(jié)構(gòu)中傳遞的計算方法。基于該模型設(shè)計了帶容器的管道結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了幅值頻率實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同頻率