基于Simulink的鉆井信息傳輸通道特性仿真完善版

1、基于Simulink的鉆井信息傳輸通道特性仿真張會先，尚海燕，周靜（西安石油大學(xué)井下測控研究所 陜西 西安）摘要：為利用鉆桿有效地隨鉆傳輸?shù)孛媾c井下之間的數(shù)據(jù)，本文應(yīng)用聲波無縫傳輸模型將任意鉆柱組合分解為單個聲波無縫傳輸模型級聯(lián)方法，根據(jù)某單個典型鉆具無縫傳輸模型系統(tǒng)函數(shù)的S參數(shù)和聲波鉆井信道的傳輸特性，推導(dǎo)了在信道通帶內(nèi)某一頻點(diǎn)等效傳輸函數(shù)，在Simulink環(huán)境下仿真了該S參數(shù)的等效傳輸函數(shù)，并仿真了將雙口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)構(gòu)成單鉆具系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行級聯(lián)構(gòu)成多個鉆具的聯(lián)接的系統(tǒng)函數(shù)。最后根據(jù)雙口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)性質(zhì)，多鉆具級聯(lián)的系統(tǒng)函數(shù)等效為各級T參數(shù)的連乘，將S參數(shù)轉(zhuǎn)化為T參數(shù)，得到多個相同鉆桿級聯(lián)后的模型

2、系統(tǒng)函數(shù)特性，仿真結(jié)果將對隨鉆聲波傳輸儀器的方案設(shè)計提供有力的技術(shù)支持。關(guān)鍵詞：鉆桿信道；聲波傳輸； S參數(shù)；Simulink仿真中圖分類號：TE21Acoustical Properties Study within Drill Strings Based on SimulinkZHANG Hui-xian, SHANG Hai-yan, ZHOU Jing(Institute of Measurement and Control in Xian Shiyou University， Xian ，China )Abstract：For making the drill pipes work

3、effectively with oil rig on the transmission of data between well bottom and the surface, this article analyzes random drill column combination to be single Acoustic seamless transfer of model cascade methods by using acoustic transmission model, According to one typical S-parameter form of drill se

4、amless transfer of model function and the characteristics of Sonic drilling channel ,which analyzes S-parameters of a frequency transfer function inside the Channel pass band, imitating the characteristics of S-parameters under the environment of Simulink along with the multiple drill connected syst

5、em functions which cascaded by the Single drill system functions constituted by Dual-port network S-parameters. Lastly according to the characteristics of Dual-port network parameters, Multiple drill cascade system functions are equivalent to All levels of T parameter multiplicative, exchanging S-pa

6、rameters to T-parameters, then it will show the characteristics of model system functions cascaded by dozens of the same drill pipe, the outcome of imitation will provide strong technical support to the project of while-drilling the acoustic transmission equipment.Keywords: Drill pipe Channel; Acous

7、tic transmission; S parameter；Simulink simulation1. 引言在鉆井過程中，利用地面接收設(shè)備將所需要的井下信息傳輸上來，從而控制鉆井過程進(jìn)行。長久以來，人們致力于研究出既高效又可靠的測井信息傳輸系統(tǒng)，這些研究對鉆井工業(yè)有重大的作用。聲傳輸方式因結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、易于定向發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)1成為研究的熱點(diǎn)，其中如何實(shí)現(xiàn)井下聲信號雙向、快速傳輸是制約井下測控技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一2-3。石油鉆井的井下連續(xù)鋼質(zhì)鉆柱為聲波的井下信息高速傳輸提供了得天獨(dú)厚的條件。但是，目前對于聲波在鉆桿中傳播特性的研究還不夠系統(tǒng)和深入，制約了其在實(shí)際測井中的應(yīng)用。因此深入研究周期

8、性鉆桿結(jié)構(gòu)中聲波的傳播特性，對于聲波遙測測井系統(tǒng)的研制、開發(fā)以及有效利用均具有著重要意義。國外的研究人員已經(jīng)在這個領(lǐng)域展開了大量的研究工作,Halliburton公司于2000年聲稱其聲波遙測系統(tǒng)(ATS)進(jìn)入商業(yè)化, 2004年公布了部分現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果。2. 基于Simulink的鉆井信息傳輸通道特性仿真2.1Simulink簡介Simulink是Matlab的重要組件之一，它提供了一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需書寫大量的程序，只要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可以構(gòu)造出復(fù)雜的仿真系統(tǒng)。該組件功能強(qiáng)大，操作簡便，本文對鉆井信息傳輸通道特性仿真就是采用Simulink工

9、具進(jìn)行仿真。2.2鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)及其對應(yīng)模型參照一種周期性鉆桿的無縫聲波傳輸通道的建模方法一文4可以得到信道S參數(shù)模型中，對應(yīng)的S參數(shù)的四個傳輸函數(shù)分別為： 當(dāng)相同鉆桿相連接時形成對稱結(jié)構(gòu)，這四個S參數(shù)中兩兩相同，先考慮對稱情況，只仿真參數(shù)S11和參數(shù)S12的傳輸函數(shù)特性。由先推導(dǎo)出其拉普拉斯變換： (2-1)令,且，又因?yàn)楦鶕?jù)歐拉公式：所以有： (2-2)其中：令=d, =b，根據(jù)泰勒公式展開有： (2-3)所以利用公式(2-3)泰勒展開將公式(2-2)的分子在處進(jìn)行泰勒展開得： 將上式中的的各次冪展開并合并同類項(xiàng)可以得到傳遞函數(shù)的分子。同理可以求得S11系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分母在點(diǎn)處進(jìn)行泰勒展開得

10、： 在進(jìn)行Matlab編程時，代表取不同的頻率值，只需要對進(jìn)行賦值，就可以得到不同的頻率點(diǎn)下的系統(tǒng)函數(shù)。參考鉆井?dāng)?shù)據(jù)手冊5取，,其中l(wèi)為兩個鉆桿連接接箍的總長度，c為聲波在鋼管中的傳播速度，為第1根鉆桿的長度。通過查閱資料可知，聲波頻率在250Hz時其在鉆桿通道特性中存在通帶，因此將其傳輸函數(shù)在頻率250Hz處展開，當(dāng)聲波頻率取250Hz時，得到的S11系統(tǒng)函數(shù)為： (2-4)同理可以得到聲波傳輸模型S12的傳遞函數(shù)為： (2-5)2.3聲波沿鉆桿傳輸模型的仿真分析由公式(2-4)可得出S11的傳遞函數(shù)框圖如圖2-1所示：圖2-1 S11 系統(tǒng)函數(shù)Fig2-1. Transfer functi

11、on of S11 同理根據(jù)式2-5可以由聲波傳輸模型S12的傳遞函數(shù)求出S12。利用Simulink分別對S11及S12的系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行電路仿真，當(dāng)輸入為不同頻率的正弦波時，S11及S12的幅度特性變化規(guī)律分別如圖2-2所示： 圖2-2 輸入為250Hz時，S11、S12輸出信號幅度變化規(guī)律Fig2-2. Input 250Hz, S11 、S12 output signal amplitude change rule由圖2-2可知，S11呈現(xiàn)高通特性，當(dāng)輸入頻率不斷增大時，其輸出的幅度不斷增大。S12呈現(xiàn)接近于全通的傳播特性。在輸入頻率為范圍時，其輸出幅度值都較大，即在范圍內(nèi)均能較好的傳播信

12、號。輸入頻率在左右時，其幅度取得最大值。且在仿真的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入頻率大于4500后，S11輸出波形出現(xiàn)失真現(xiàn)象。當(dāng)輸入頻率大于后，S12輸出波形同樣出現(xiàn)失真現(xiàn)象。對于對稱結(jié)構(gòu)，S22與S11的幅度特性相同，S21與S12的幅度特性相同。由此得到了四個S參數(shù)的系統(tǒng)函數(shù)特性，根據(jù)單級鉆具雙口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)模型構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，如圖2-3所示，利用Simulink將四個S參數(shù)連接起來則可得到單根鉆具的聲波傳播特性。 圖2-3 單級鉆具S參數(shù)系統(tǒng)Fig2-3. Single stage tool S parameter system當(dāng)多根鉆桿級聯(lián)時，下一級鉆桿反射回來的信號再作用于前一級的鉆桿，影響前一級鉆

13、桿中聲信號傳播。在進(jìn)行仿真時，取后一級鉆桿的信號有5%反射回前一級鉆桿中，反射信號頻率與輸入信號頻率相同，仿真得到信號的透射及反射變化曲線分別如圖2-4所示： 圖2-4 單根鉆桿透射、反射信號的變化規(guī)律Fig2-4. Single rod transmission、reflection signal changes in the law根據(jù)上面單根鉆桿透射以及反射信號的變化規(guī)律圖可看出單根鉆桿的傳播特性，輸入信號頻率在時，透射信號輸出的幅度值基本穩(wěn)定在一個固定值，以后，隨著頻率的增大，輸出幅度越來越小。進(jìn)一步仿真三根鉆桿相連后的傳播特性，：在進(jìn)行三根鉆桿級聯(lián)Simulink仿真時，反射與透射情

14、況與單根仿真時相同，只是將圖（2-3）所示的單級鉆具進(jìn)行三級、五十級連接。三根（左圖）、五十根（右圖）鉆桿級聯(lián)時，信號的透射及反射變化曲線如圖2-5所示： 圖2-5三根、五十根鉆桿級聯(lián)時透射、反射信號的變化規(guī)律Fig2-5. Three drill rod cascade transmission、reflection signal changes in the law利用Matlab在最末端無反射情況下分別對三根、五十根鉆桿級聯(lián)時傳播特性仿真得到其傳輸特性如圖2-6所示： 圖2-6 三根、五十根鉆桿的傳輸特性Fig2-6. Three、fifty drill rod transmission

15、 characteristics由圖2-6左圖可以看出傳輸頻率在以下時，均具有較好的傳輸頻帶，其中在、以及這五個頻帶其傳輸特性很好，將其與圖2-5用Simulink仿真結(jié)果進(jìn)行對比，綜合考慮可取之間的任意頻率為聲波在鉆桿中的傳播頻率。由圖2-6右圖可以看出傳輸頻率在范圍時，具有一些可傳輸?shù)念l帶，其中在、以及這三個頻帶其傳輸特性較于其它傳輸頻帶好，將其與圖2-5用Simulink仿真結(jié)果進(jìn)行對比，綜合考慮可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

16、與利用Matlab環(huán)境下的仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，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)果將對聲波傳輸中傳輸頻帶的確定、調(diào)制解調(diào)的方案設(shè)計等提供有力的技術(shù)支持。作者簡介張會先（1985-），女，河南省南陽市，碩士研究生，研究方向：井下測控技術(shù)基金項(xiàng)目說明:國家高科技研究發(fā)展計劃(2007AA-01)；國家科技重大專項(xiàng)課題(2008ZX05024-003-05)；中國石油“十一五”重大專項(xiàng)(2008C-2102)參考文獻(xiàn)1 劉修善,蘇義腦.地面信號下傳系統(tǒng)的方案設(shè)計J.石油學(xué)報,2000,21(6):88-92.LIU Xiu-shan, SU Yi-nao. Downward si

17、gnaling system design J.Petroleum Sciencn,2000,21(6):88-92.2沈忠厚.現(xiàn)代鉆井技術(shù)發(fā)展趨勢J.石油勘探與開發(fā),2005,32(1):89-91.SHEN Zhong-hou. Development trend of the modern drilling technology J.Petroleum exploration and development, 2005, 32(1):89-91.3高德利,劉希圣,徐秉業(yè).井眼軌跡控制M.東營:石油大學(xué)出版社,1994.GAO De-li, LIU Xi-sheng, XU Bing-ye. Well trajectory control M.Dong ying: Petroleum University Press, 1994.4. 周靜，傅鑫生，張峰等. 一種周期性鉆桿的無縫聲波傳輸通道的建模方法P.西安：發(fā)明專利分類號:H04B 11/00;E21B 47/14，專利號：2.ZHOU Jing, FU Xin-sheng, ZHANG Feng et al