气体钻井凭借其大幅提高钻速、提升单井产量、有效发现和保护储层的优势在大规模低品位和深层油气资源的开发上有着显著的效果,但是由于缺少适用于气体钻井的高效随钻测量技术,致使井下安全风险和轨迹控制两大难题极大的限制了气体钻井技术的应用与发展。为此,本文提出了利用气体钻井钻柱内声波传输井下测量数据的方法,取得了以下研究成果:(1)综合考虑气相介质内部黏性耗散作用和管壁的摩擦剪切作用,建立了气体钻井钻柱内声波传播和衰减的数学模型,同时开展相应的数值计算,分析了声波频率、系统压力、温度和气体流速对钻柱内声波传播的影响作用,并通过实际气体钻井资料模拟计算,初步分析了利用钻柱内声波传输井下测量工况参数的可行性。(2)利用波导理论深入分析了气体钻井声波信号传输所使用钻柱信道的声波导特性,包括平面声波的产生机理和高次波的传播特性,通过建立数学模型求解了圆柱形声波导管的截止频率。针对钻杆接箍处引起的变截面声波衰减机理开展研究,通过模拟计算确定了载波频率选择时应当规避的影响因素,为井下声波传输所需载波频率的选择提供了理论依据。(3)建立了模拟气体钻井钻柱内声波信号传输的大型实验平台,测试了实验管道内声波信号的传输规律及不同工况参数对声波信号传输的影响作用,验证了理论模型的准确性,为气体钻井钻柱内声波信号传输技术的研发提供了实验条件和依据。(4)根据气体钻井钻柱内声波信号传输对所需井下声源的要求,从发声原理、结构特点、性能指标和在气体钻井工况条件下的适用性等几方面开展流体动力式发声器研究,优选出适合于气体钻井井下声波信号激发的发声器类型,形成了井下发声器的设计方案。研制了 6套流体动力式声信号发声器,并通过实验对各自的发声性能进行了测试。(5)分析了气体钻井钻柱内声波信号的传输过程,针对声波信号的传输环境比对分析了几种数字信号调制解调技术的特点和在气体钻井工况条件下的适用性,综合考虑声波信号调制难易程度和信号解调的成功率两方面因素,形成了处理气体钻井钻柱内声波信号的方法。(6)针对气体钻井的工艺特点,利用实际钻井资料开展模拟计算,验证了整套气体钻井声波波导信号传输技术的可行性,制定了一套包含具体操作方法及配套工艺在内的技术方案。本研究为气体钻井随钻测量问题提供了新的解决思路,有助于弥补气体钻井在工程测量与控制领域存在的不足。