随钻声波数据传输技术能够将井下地层参数及工具状态数据快速传输至地面,解决智能钻井技术中数据上传的速度及适用性瓶颈,为欠平衡钻井、空气钻井、泡沫钻井以及超临界CO2钻井等技术的实现提供技术支撑。随钻声波数据传输系统利用钻柱串作为传输信道,其尺寸参数是影响信道特性的主要因素,国内外相关研究的信道模型主要基于周期性截面积突变的钻柱结构构建,无法分析实际钻井过程中钻柱尺寸的不一致性以及钻柱中小尺度结构对信道特性的影响,不能进行特性的定量分析。本文针对上述问题,根据钻柱使用过程中尺寸的变化特点和钻井工艺中钻具组合的使用要求,构建了能够分析不同井况下非周期钻柱特性的信道模型;构建了可进行钻柱内结构仿真的小尺度传递模型,研究了单钻柱结构随钻隔声体的传输特性;搭建了声波信号传输的试验测试系统,并进行了适用于井下的随钻换能器设计方法研究;进行了钻柱信道的现场测试,对比验证了理论模型的仿真结论。本文主要研究内容如下:1.针对钻井过程中钻柱的非周期状况,构建了等效透反射界面膜模型,对比验证了模型的准确性。分析了钻柱串中各结构参数等对信道特性的影响,研究表明钻井深度不影响通阻带的频率和带宽,钻柱接头的长度与信道频率循环周期呈固定反比例关系,管体的长度越长导致信道循环周期内通带数目越多和带宽越窄,钻柱截面积的变化越大使得信道的衰减幅度越大;钻柱串中每根钻柱在标准范围内尺寸的不一致变化产生的叠加作用显著影响信道频带特性,一定程度下会导致信道通带的消失;钻柱信道中使用多个稳定器会对信道造成严重衰减。因此确保随钻声波信号的可靠传输,钻柱尺寸参数要求保持较高的一致性,尤其需要确保钻柱长度在5%以内变化,同时减少稳定器等结构的使用数目。2.针对钻柱中的应力过渡带等结构,构建了钻柱的小尺度振动传递模型,通过有限元仿真对比验证了模型的准确性。利用该模型研究表明应力过渡带等效增加了接头的长度,使得信道频率循环周期减小,信号的衰减幅度减少;研究了钻柱之间串接短钻铤降低信道的频率循环周期,利用频率周期处的宽带特性,有效改善信道的方法;设计完成了钻柱结构的随钻隔声体,能够减轻井下钻具产生的低频噪声干扰,隔声频带和衰减效果通过有限元仿真进行了对比验证。3.构建了室内的声波传输测试系统,用于测试验证理论仿真得到的钻柱信道特性以及进行数据编码传输测试。该系统完成了声波传输测试系统控制软件和信号触发系统的设计,两者配合控制通用信号发生器产生线性扫频、2FSK和BPSK波形的输出;设计的声波数据仿真软件能够仿真生成的OFDM数据文件可以被信号发生器调用输出波形,同时能够进行系统接收数据的解码;进行了测试系统声电换能器的理论设计和有限元仿真,针对随钻井下仪器在钻铤的环形空间安装要求,进行了管状低频大功率压电换能器的设计方法研究,制作完成换能器的实物样机,通过测试数据验证了设计方法。4.设计完成了用于井场声波数据传输测试的收发样机,进行了样机机械结构和电气系统的设计和安装调试。通过现场实验数据分析对比,表明实际的钻柱信道通阻带特性与仿真计算的结果存在量化差异,因此提高钻柱特性的仿真准确性还需要充分考虑钻柱的其它小尺度结构;钻柱信道在3kHz左右存在较大带宽的通带,与仿真得到的信道频率周期点接近,模型计算中的结构简化导致计算得到的频率偏高,验证了串接钻铤后降频扩带宽的方法可行性。