过程智能化是钻井技术发展的趋势,构建井下信息高速、准确传输通道是实现智能化钻井的瓶颈之一,以钻柱为传输信道,以声波为传输载体的井下信息声波传输技术因具有设备结构简单、传输成本低、传输速率较快和易于定向发射等优势而有望成为突破上述瓶颈的关键技术。实际钻井过程中,钻柱承受各类载荷作用,现场测试发现钻柱内应力是影响声信号稳定性和可靠性的重要因素。为厘清钻柱内不同应力状态及应力分布对声传播特性的影响,建立声传输技术开发和应用中载波频带及中继器位置优选方法,本文建立了承载钻柱中声传播分析模型以及拉伸与弯曲钻柱中声传播及衰减特性实验装置,理论研究结合实验测试,厘清了不同应力状态及应力分布对声传播及衰减特性的影响规律;分析了复杂受力钻柱中声传播及衰减特性,建立了承载钻柱中声波频谱评价方法,可以实现对拉伸钻柱中不同载荷下频谱特性的量化表征;基于实测不同钻井工况下噪声频谱特征建立了载波频带优选方法,基于拟合的声衰减速率与拉应力量化关系建立了中继器位置优选方法,并利用现场测试数据验证了应用方法的可靠性。针对钻柱中声传播理论分析方法没有考虑内应力影响的问题,基于线性声学理论引入钻柱内应力的影响重建了钻柱中纵波波动方程、色散方程及声传播传递矩阵分析模型,对轴向及弯曲载荷作用钻柱中声传播特征进行了分析。研究表明,轴向和弯曲载荷不改变声传播基本特征,但对频带结构存在影响。随轴向载荷增加,拉伸钻柱中通带向低频偏移,受压钻柱中通带向高频偏移,弯曲载荷对低频段频带结构影响不明显,随弯曲程度增加,通带向高频偏移,且高频偏移程度大于低频。针对承载钻柱中声传播分析模型没有考虑声波衰减的问题,建立了拉伸与弯曲钻柱中声波传播特性实验装置,通过实验测试分析,揭示了拉伸与弯曲载荷对钻柱中声传播衰减特性的影响规律,验证了模型计算结果的正确性;发现了不同载荷作用下钻柱结构与声波激励参数对钻柱中声传播特性的影响差异,拉应力加剧了钻柱结构对频谱稳定性的影响,不同拉应力区间最优激励参数不同;研究了拉伸钻柱中不同波形、换能器安装方式和声波激发方式下声传播稳定性与频谱差异以及轴向与周向接收信号差异。针对实钻工况下钻柱受力复杂及轴向载荷对声衰减特性影响复杂的问题,依据所建立的声传播传递矩阵分析模型和单向受力对钻柱声传播特性影响的试验研究结果,分析了复杂受力钻柱中声传播通带位置的变化规律,引入改进的雷达图建立了声波频谱特性评价方法,选取通带下限频率、带宽、峰值、峰值点频率以及通带能量作为通带特性评价指标,选取频谱中各通带的评价函数值作为频谱特性的评价指标,该方法可以实现拉伸载荷作用钻柱中声波频谱内各通带及频谱整体特性的定量表征。针对实钻工况下钻柱中声波频谱内通带位置及衰减量随承载状态变化的问题,分析了不同实钻工况下噪声的强度及频谱特征,基于不同钻井工况下噪声频谱特征和通带位置随轴向载荷变化规律建立了声载波频段优选方法;基于实验数据拟合了声衰减速率与拉应力的量化关系,依据声衰减速率与拉应力量化关系建立了自下而上和自上而下的声波中继器位置设计方法。研究内容能够对承载钻柱中声波传输方法的实现与推广提供指导、为智能钻井高效信息网络的构建提供理论支撑。