[发明专利]测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及石油与天然气钻井作业中的无线随钻测量技术领域，具体地说，涉及一种随钻测量过程中测试信息载体-声波在钻柱信道中传播及衰减特性的试验装置。

背景技术

随着油气钻井技术的不断发展，人们迫切希望随时掌握井下的实际工况和相关信息。如何实现钻井信息的高速率、大容量、双向传输一直是钻井工程领域工作人员的研究热点。其中，随钻测量技术就是为了满足这一需要而应运而生。随钻测量技术大致可分为：有线随钻技术和无线随钻技术。由于有线随钻技术必须携带电缆的技术限制，无线随钻技术更受青睐。

现有的无线随钻测量技术主要有：泥浆脉冲、电磁波和声波三大技术。声波无线随钻测量技术是以声钻柱作为信道，以声波作为信号载体，进行井下信息无线传输的方式。由于利用钻柱作为钻井信息高速传输的信道不用依赖于钻井液的存在与否及性质差异，不受地层内磁性物质的干扰，为钻井信息高速传输提供了得天独厚的条件。此外，该方式还具有发射、中继和接收设备结构简单、成本较低、易于定向发射及传播速度极快等优点，从而成为当前钻井信息传输技术领域研究的热点之一。然而声波沿钻柱信道传播时，钻柱本身的结构及钻井液循环噪声、地层性质、以及与井壁的接触状态等因素都影响着声波信号的传输效果。因此，开展不同因素影响下声波在钻柱信道内的传播及衰减特性研究是十分必要的。

目前，研究声波在钻柱信道中传输及衰减的手段主要依靠于理论计算，由于理论研究存在大量假设，要想评价其可信程度及修正理论计算结果需要进行大量室内及现场试验。而直接依赖于现场试验会影响正常的钻井施工，增加钻井作业的成本，甚至引起井下事故。

发明内容

本发明的目的在于针对现有随钻测量过程中声波沿钻柱信道传播时存在的上述问题，提供了一种测试声波在钻柱信道中传播及衰减特性的试验装置，该装置安装于实验室内，能够测试不同钻具组合内不同性质的声波在不同井眼环境中传输及衰减特性。

本发明的技术方案为：一种测试声波在钻柱信道中传输及衰减特性的试验装置，该装置包括声波发射系统、井筒模拟系统、模拟钻柱和钻井液循环系统；声波发射系统由换能器和任意波发生器组成，任意波发生器通过换能器与模拟钻柱连接；钻井液循环系统与模拟钻柱连接，用于完成钻井液在井筒模拟系统与模拟钻柱构成的环空及模拟钻柱内的循环。

优选的是，井筒模拟系统包括模拟井筒和用于支撑模拟井筒的模拟井筒支撑架，模拟钻柱安装在模拟井筒内，模拟井筒的底部安装有调节螺栓。

优选的是，模拟井筒由沿着轴线方向切开的、且切开面焊接有边法兰的短套管通过两端焊接的模拟井筒法兰连接组成，其上部设置有吊环，模拟井筒的边法兰之间、以及模拟法兰之间采用橡胶条密封，并通过锁紧螺栓紧固在模拟井筒上；模拟井筒的顶端开设有一个排气阀，模拟井筒的两端安装有堵头法兰，堵头法兰通过法兰卡紧套与模拟井筒法兰连接，并通过设置在法兰卡紧套上的边法兰紧固螺栓紧固。

优选的是，钻井液循环系统包括钻柱内钻井液循环系统和环空钻井液循环系统，其中，钻柱内钻井液循环系统用于完成钻井液在模拟钻柱内的循环，环空钻井液循环系统用于完成钻井液在模拟井筒与模拟钻柱构成的环空内的循环。

优选的是，钻柱内钻井液循环系统包括钻井液池I、泵I、钻柱内液体流量计和泵I排量调节阀，泵I排量调节阀的一端位于钻井液池I出口与钻柱内液体流量计之间，用于调节钻柱内钻井液循环系统的流量及压力，另一端位于钻井液池I内，用于完成流体的回流；环空钻井液循环系统包括钻井液池II、泵II、环空液体流量计和泵II排量调节阀，泵II排量调节阀的一端位于钻井液池II出口与环空液体流量计之间，用于调节环空钻井液循环系统的流量及压力，另一端位于钻井液池II内，用于完成流体的回流。

优选的是，钻柱内钻井液循环系统还包括钻柱内流体入口管汇、钻柱内流体入口压力表、钻柱内流体出口管汇和钻柱内流体出口压力表，钻柱内流体入口管汇设置在钻柱内液体流量计和钻柱内流体入口压力表之间，钻柱内流体出口管汇设置在钻柱内流体出口压力表和钻井液池I之间；环空钻井液循环系统还包括环空流体入口管汇、环空流体入口压力表、环空流体出口管汇和环空流体出口压力表，环空流体入口管汇设置在环空液体流量计和环空流体入口压力表之间，环空流体出口管汇设置在环空流体出口压力表和钻井液池II之间。

优选的是，所述的试验装置还设置有控制系统，该控制系统包括360V交流电源、泵I开关和泵II开关组成，其中，360V交流电源为泵I和泵II提供动力，泵I开关用于控制泵I工作，泵II开关用于控制泵II工作。