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钻井液连续压力波QPSK信号的构建及沿定向井筒传输特性的研究

作　者: 朱军
导　师: 沈跃
学　校: 中国石油大学
专　业: 物理学
关键词: 随钻测量技术 定向井 正交相移键控调制 钻井液 数学模型 遥测 传输特性
分类号: TE254.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 83次
引　用: 1次
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内容摘要


随钻测量技术(MWD)是一种在钻井操作的同时对井下参数进行实时测量与传输的现代钻井辅助技术,依靠钻井液信道进行井下信息的遥测是目前井下随钻测量数据传输的有效方法,钻井液压力正交相移键控(QPSK)调制方式因其具有信息传输速率高和抗干扰能力强等特点,已成为钻井液信息遥测技术的发展方向。本文从旋转阀式钻井液连续压力波信号发生器的工作机理入手,说明了钻井液压力QPSK信号的调制过程。钻井液压力QPSK信号是基带信号根据调制规则对旋转阀转速调制产生的调相信号。基于基带信号及钻井液压力QPSK信号的信号特征分析,构建了钻井液压力QPSK信号的数学模型,并对QPSK信号的时域特性和频域特性进行了分析。研究表明,由于基带信号控制对象和控制方式不同,钻井液压力QPSK信号与常规电子通信系统的QPSK电信号在频谱分布上有一定区别,但其共同点是都存在明显的主频带,便于基带数据的频带传输,且频带跟随载波频率同步移动,有利于通过改变载频的方式避开干扰信号的影响。相对于数据的二进制差分相移键控(BPSK)调制,钻井液压力QPSK调制在相同的带宽下,信息传输速率和频带利用率均提高了一倍,只是调制后常规带宽内信号能量相对小于BPSK信号。通过对钻井液压力QPSK信号的数学分析,从理论上证明了QPSK调制技术用于井下测量数据高速率传输的可行性。应用流体力学理论和理想气体状态方程,分析了钻井液温度和压力沿定向井钻柱的分布规律;根据声学理论研究了定向井造斜段钻柱对钻井液压力波信号传输的影响,研究表明,由于造斜段的曲率半径远大于钻柱内径,压力波经过造斜段时的入射角接近于直角,在造斜段的钻柱内壁产生声波全反射,不会产生额外的能量损失,造斜段钻柱对信号传输的影响与垂直段相同;根据温度和压力对钻井液含气率的影响关系,建立了定向井中压力信号传递函数的数学模型,采用数值分析方法研究了钻井液压力QPSK信号自井底上传过程中,钻柱内径、载波频率、钻井液黏度及体积含气率等参数变化对信号传输的影响。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章 绪论  9-13
  1.1 课题研究背景与意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-11
  1.3 论文完成的主要研究工作及创新点  11-13
第二章 钻井液压力QPSK 信号的调制原理  13-21
  2.1 钻井液压力波遥测系统  13-14
  2.2 钻井液压力波发生器  14-16
  2.3 常规通信系统中的QPSK 调制  16-18
  2.4 钻井液压力QPSK 信号的调制机理  18-20
  2.5 本章小结  20-21
第三章 钻井液压力QPSK 信号数学模型建立及信号分析  21-34
  3.1 钻井液压力QPSK 信号的数学模型  21-26
    3.1.1 单脉冲调制数学分析  21-23
    3.1.2 脉冲序列调制产生钻井液压力QPSK 信号的数学分析  23-26
  3.2 钻井液压力QPSK 信号分析  26-32
    3.2.1 钻井液压力QPSK 信号的频域特性  26-28
    3.2.2 钻井液压力QPSK 信号的有效性分析  28-31
    3.2.3 钻井液压力QPSK 信号的可靠性分析  31-32
  3.3 本章小结  32-34
第四章 钻井液信道的信号传输特性  34-41
  4.1 传递函数  34-35
  4.2 压力波通过造斜段钻柱的声学特征  35-36
  4.3 定向井信道传输特性分析  36-40
  4.4 本章小结  40-41
第五章 QPSK 信号在定向井中传输特性的数值分析  41-49
  5.1 分析步骤与计算条件  41-42
    5.1.1 分析步骤  41
    5.1.2 计算条件  41-42
  5.2 钻井液压力QPSK 信号传输特性的数值分析  42-48
    5.2.1 管柱内径对信号传输的影响分析  43-44
    5.2.2 钻井液黏度对信号传输的影响分析  44
    5.2.3 含气率对信号传输的影响分析  44-45
    5.2.4 载波频率对信号传输的影响分析  45-46
    5.2.5 定向井井型对信号传输的影响分析  46-47
    5.2.6 信号与井筒参数对信号传输强度影响的数值分析  47-48
  5.3 本章小结  48-49
结论  49-50
参考文献  50-53
致谢  53

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中图分类: > 工业技术 > 石油、天然气工业 > 钻井工程 > 洗井、固井、完井、油层损害与预防 > 钻井液的使用与处理 > 钻井液性能及其测定
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