CN103061682B - 实现tem波传输的单段钻杆 - Google Patents

实现tem波传输的单段钻杆 Download PDF

Info

Publication number
CN103061682B
CN103061682B CN201210590473.2A CN201210590473A CN103061682B CN 103061682 B CN103061682 B CN 103061682B CN 201210590473 A CN201210590473 A CN 201210590473A CN 103061682 B CN103061682 B CN 103061682B
Authority
CN
China
Prior art keywords
drilling rod
rectangle
outer conductor
tem ripple
drill pipe
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201210590473.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103061682A (zh
Inventor
朱柯斌
孙向阳
聂在平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201210590473.2A priority Critical patent/CN103061682B/zh
Publication of CN103061682A publication Critical patent/CN103061682A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103061682B publication Critical patent/CN103061682B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Cable Transmission Systems, Equalization Of Radio And Reduction Of Echo (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)

Abstract

本发明提供一种实现TEM波传输的单段钻杆，包括金属钻杆、无线耦合器、TEM波传输线，无线耦合器位于金属钻杆上端或/和下端，TEM波传输线与无线耦合器相连，其特征在于，所述TEM波传输线包括矩形的钻杆凹槽、矩形内导体、绝缘介质、外导体涂层；钻杆凹槽位于金属钻杆内壁上，贯穿金属钻杆上下两端；矩形内导体置于钻杆凹槽内；绝缘介质填充在内导体与钻杆凹槽之间的矩形空间；矩形的绝缘介质外侧设置外导体涂层，外导体涂层与绝缘介质周围的金属钻杆部分组成传输TEM波的外导体。本发明利用金属钻杆本身作为外导体，使用较小的尺寸的传输结构在钻杆上实现TEM波有线传输。

Description

实现TEM波传输的单段钻杆
技术领域
本发明属于随钻测井信号传输技术，特别涉及随钻测井信号传输中单段钻杆内部的有线传输技术。
背景技术
随钻测井因为有能探测原状地层,实时导向的作用,成为了现代测井的重要发展方向之一。但是电缆测井的有线信号传输方式无法运用到随钻测井上。现在最常用的方法是泥浆脉冲遥传技术来传输随钻测井的数据，它是将被测参数转变成钻井液压力脉冲，随着钻井液循环传送到地面。泥浆脉冲遥传技术的数据传输速率一般只有4-16bit/s，即使新一代的泥浆脉冲遥传系统的传输速率也只有50bit/s。
面对随钻测井中传输速率的难题，NovatekTM公司在下提出了一种无线与有线相结合的方法，单段钻杆间通过无线耦合器实现无线磁耦合传输，在钻杆内部通过埋入用于传输TEM(横电磁波)波的实心圆同轴传输线实现有线传输。实心圆同轴传输线的矩形内导体为圆形实心传输线，内、外导体构成圆形空管传输线。由于实心同轴传输线的尺寸较大，需整根埋入钻杆内，并要在钻杆内埋入实现传输线后还需保证井下工作的机械强度，对钻杆的厚度要求高，因此需要基于特种钻杆(通常需加大厚度的钻杆)实现，成本极高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种使用较小的尺寸的传输结构实现TEM波有线传输的单段钻杆。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，实现TEM波传输的单段钻杆，包括金属钻杆、无线耦合器、TEM波矩形传输线，无线耦合器位于金属钻杆上端或/和下端，TEM波矩形传输线与无线耦合器相连，其特征在于，所述TEM波矩形传输线包括矩形的钻杆凹槽、矩形内导体、绝缘介质、外导体涂层；
钻杆凹槽位于金属钻杆内壁上，贯穿金属钻杆上下两端；矩形内导体置于钻杆凹槽内；绝缘介质填充在矩形内导体与钻杆凹槽之间的矩形空间；矩形的绝缘介质外侧设置外导体涂层，外导体涂层与绝缘介质周围的金属钻杆部分组成传输TEM波的外导体。
本发明利用了扁平TEM波矩形传输线形状上扁平可变的特点以及TEM波矩形传输线与传统圆同轴线类似的特性阻抗性质，在金属钻杆内壁开挖的矩形钻杆凹槽只需要预留出放置矩形内导体与绝缘介质的空间，由金属钻杆本身以及仅占用很少空间的外导体涂层作为外导体不格外增加预留外导体的钻杆凹槽空间，有效的利用了钻杆壁的厚度，大大减少了对钻杆凹槽厚度的要求，可以在常规规格厚度的钻杆上实现。
进一步的，为了防止钻杆在工作时高温高压的泥浆冲刷外导体涂层，在外导体涂层外侧增加防冲刷涂层，防冲刷涂层与金属钻杆内侧弧平面齐平。
本发明的有益效果是，扁平的传输结构，利用金属钻杆本身作为外导体的一部分，使用较小径向尺寸的传输结构在钻杆上实现TEM波有线传输。
附图说明
图1是钻杆有线与无线结合的传输示意图；
图2是本发明在单段钻杆内壁有线传输部分示意图；
图3是本发明在单段钻杆内壁有线传输横截面示意图；
图4是TEM波矩形传输线的内外导体尺寸对特性阻抗的影响，图4(a)外导体长边对特性阻抗的影响；图4(b)外导体短边对特性阻抗的影响；图4(c)矩形内导体长边对特性阻抗的影响；图4(d)矩形内导体短边对特性阻抗的影响；
图5是本发明传输电路的仿真与实验结果，其中方形标志的HFSS位仿真结果，三角形标志为数值模式匹配法(NMM)和Mircrowave Office组合仿真的仿真结果，圆形标志为实验结果。
具体实施方式
利用单段钻杆内有线传输与单段钻杆间无线耦合相结合，便可实现多段钻杆的信号传输，最终实现信号从井底到地面的高速传输。如图1所示，一号钻杆1和二号钻杆2通过螺纹5连接，一号钻杆1和二号钻杆2之间通过无线耦合器4进行信号传输，而两段钻杆分别利用内部TEM波矩形传输线3实现有线传输。
TEM波矩形传输线如图2所示，在金属钻杆6的内侧挖钻杆凹槽7，嵌入经过TEM波矩形传输线，包括矩形内导体8、绝缘介质9、防冲涂层11、外导体涂层10以及绝缘介质周围的金属钻杆部分作为TEM波矩形传输线外导体。防冲刷涂层11是为了保护TEM波矩形传输线。图1中的无线耦合器4和TEM波矩形传输线3电连接。钻杆凹槽7位于金属钻杆内壁上，贯穿金属钻杆上下两端；矩形内导体8置于钻杆凹槽内；绝缘介质9填充在矩形内导体与钻杆凹槽之间的矩形空间；矩形的绝缘介质外侧设置外导体涂层10，防冲涂层11位于外导体涂层10外侧与金属钻杆内侧弧平面齐平，如图3所示，外导体涂层10与绝缘介质9周围的金属钻杆6部分组成传输TEM波的外导体部分12。
要实现本发明钻杆，可在普通的单段钻杆的基础上加工，实现信号在钻杆内加工的TEM波矩形传输线内高速传输，矩形内导体和外导体之间的绝缘介质选择具备高温性能的介质作为绝缘介质，如聚四氟乙烯。外导体涂层与矩形内导体采用电导率高的金属材料，如铜。矩形内导体与外导体的介质电参数已确定的情况下，本领域技术人员能够根据目标特定阻抗来确定矩形内导体与外导体的尺寸。
本实施例通过以下步骤来选择矩形内导体与外导体的尺寸：
步骤一、测量钻杆厚度，确定可挖槽部分的钻杆厚度，以保证在井下工作时的机械强度；在保证机械强度的条件下，尽可能的使得槽深比较大，因为钻杆凹槽的深度对应的是TEM波矩形传输线外导体的短边长度b，而外导体的短边长度越长将会在很大程度上减小插入损耗；
以钻杆壁厚度为10mm的单段钻杆为例，确定了挖槽深度为2mm，其中1mm为TEM波矩形传输线外导体短边长度b，另外1mm为涂覆外导体金属材料及涂覆防冲刷材料的厚度；
步骤二、确定TEM波矩形传输线的外导体尺寸，外导体短边的尺寸受到钻杆厚度的限制，定为1mm。外导体长边a的尺寸可根据它对TEM波矩形传输线特性阻抗及衰减的影响来定；
根据三维电磁仿真软件HFSS的仿真结果，当外导体短边尺寸定为1mm时，外导体尺寸长边大于4mm时，对TEM波矩形传输线的性能影响非常小，于是本是实施例将TEM波矩形传输线外导体长边尺寸定为4mm；
步骤三、绝缘介质材料为聚四氟乙烯，相对介电常数为2.1，TEM波矩形传输线的目标特性阻抗为50欧姆，利用HFSS仿真软件，确定满足特定特性阻抗的矩形内导体短边t和矩形内导体长边w的尺寸。
需要进一步说明的是，当发现无论怎么改变矩形内导体尺寸，都无法达到50欧的特性阻抗时，那就需要适当改变外导体尺寸，重复步骤一到步骤三，来找到满足条件的TEM波矩形传输线尺寸。更常见的情况是，在确定外导体尺寸的情况下，不止一组的矩形内导体尺寸才会满足50欧的特性阻抗条件，这时便计算插入损耗，将插入损耗最小的一组作为的矩形内导体尺寸。为保证在TEM波矩形传输线内传输的是TEM波，TEM波矩形传输线的截止波长需要小于信号的载波波长。在MHz频率下传输信号，载波波长在102m量级，内外导体尺寸和远远小于载波波长，完全满足条件。
图4显示了各个尺寸对TEM波矩形传输线特性阻抗的影响，需要进一步说明的是当研究TEM波矩形传输线其中一个尺寸(a、b、t或w)对特性阻抗的影响的时候，其他尺寸限制在a＝4mm，b＝1mm，w＝0.7mm，t＝0.1mm。从图4(a)可以看出，外导体长边a的尺寸对特性阻抗的影响非常小；从图4(b)可以看出随着外导体短边b的增大，特性阻抗增大；从图4(c)和图4(d)可以看出随着矩形内导体尺寸的变大，特性阻抗变小。事实上TEM波矩形传输线的性质和常规的圆同轴线的性质是极为类似的,只是在这里由于外导体短边b要比外导体长边a要小4倍，导致a的影响就会非常小。
当限制外导体尺寸:a＝4mm，b＝1mm的情况下，变化矩形内导体尺寸，使得特性阻抗为50Ω的情况下来研究其插损。在频率是2MHz的情况下，插损如表1所示：
表1在特性阻抗50Ω的情况下插损随矩形内导体的变化
从表1比较得出，当矩形内导体的几何图形和外导体的几何图形类似时，插损最小。最后可选择a＝4mm，b＝1mm，w＝0.71mm，t＝0.1mm做为镶嵌在钻杆内壁的TEM波矩形传输线，特性阻抗为50Ω，在频率为2MHz的情况下，插损在-0.0377dB/m。
利用使用本实施例的TEM波矩形传输线，与无线耦合器连接，进行了一个单元信号传输电路的仿真与实验。TEM波矩形传输线的长度为10m，仿真和实验结果如图5所示，gap＝0.1mm表示的是耦合器的缝隙条件，与TEM波矩形传输线无关，其中方形标志的HFSS的仿真结果，三角形标志的NMM和Mircrowave Office组合仿真的仿真结果，圆形标志的实验结果，纵坐标表示插入损耗和反射损耗，横坐标表示频率。从实验和仿真结果可以得出本发明的TEM波矩形传输线和无线耦合器结合，无论是传输衰减还是带宽来讲，能够很好的实现信号传输，再利用合适的信号调制方式，便可以实现数据的高速通讯。

Claims (6)

1.实现TEM波传输的单段钻杆，包括金属钻杆(6)、TEM波矩形传输线(3)、无线耦合器(4)，无线耦合器位于金属钻杆上端或/和下端，TEM波矩形传输线与无线耦合器相连，其特征在于，所述TEM波矩形传输线包括矩形的钻杆凹槽(7)、矩形内导体(8)、绝缘介质(9)、外导体涂层(10)；
钻杆凹槽(7)位于金属钻杆(6)内壁上，贯穿金属钻杆上下两端；
矩形内导体(8)置于钻杆凹槽(7)内，与金属钻杆上端或/和下端的无线耦合器(4)相连；
绝缘介质(9)填充在内导体与钻杆凹槽之间的矩形空间；
矩形的绝缘介质(9)外侧设置外导体涂层(10)，外导体涂层(10)与绝缘介质周围的金属钻杆(5)部分组成传输TEM波的外导体。
2.如权利要求1所述实现TEM波传输的单段钻杆，其特征在于，还包括防冲涂层(11)，所述防冲涂层(11)位于外导体涂层(10)外侧，与金属钻杆内侧弧平面齐平。
3.如权利要求1或2所述实现TEM波传输的单段钻杆，其特征在于，所述绝缘介质为聚四氟乙烯。
4.如权利要求1或2所述实现TEM波传输的单段钻杆，其特征在于，所述矩形内导体材料与外导体涂层材料为铜。
5.如权利要求1所述实现TEM波传输的单段钻杆，其特征在于，由外导体、内导体和绝缘介质组成的矩形TEM波矩形传输线实现目标特性阻抗为50欧。
6.如权利要求1所述实现TEM波传输的单段钻杆，其特征在于，当内导体有多组尺寸满足TEM波矩形传输线目标特性阻抗时，选择插损最小的一组为内导体尺寸。
CN201210590473.2A 2012-12-31 2012-12-31 实现tem波传输的单段钻杆 Expired - Fee Related CN103061682B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210590473.2A CN103061682B (zh) 2012-12-31 2012-12-31 实现tem波传输的单段钻杆

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210590473.2A CN103061682B (zh) 2012-12-31 2012-12-31 实现tem波传输的单段钻杆

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103061682A CN103061682A (zh) 2013-04-24
CN103061682B true CN103061682B (zh) 2015-08-19

Family

ID=48104541

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210590473.2A Expired - Fee Related CN103061682B (zh) 2012-12-31 2012-12-31 实现tem波传输的单段钻杆

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103061682B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1685129A (zh) * 2002-10-23 2005-10-19 瓦克I/P公司 具有内涂层电路径的钻杆
US7002445B2 (en) * 2003-05-06 2006-02-21 Intelliserv, Inc. Loaded transducer for downhole drilling components
CN101015147A (zh) * 2004-06-29 2007-08-08 哈里伯顿能源服务公司 用于有线油管的井下遥测系统
CN101033687A (zh) * 2007-03-16 2007-09-12 中国地质大学（武汉） 一种极低频或超低频电磁波随钻双向遥传系统
US7488194B2 (en) * 2006-07-03 2009-02-10 Hall David R Downhole data and/or power transmission system
US7528736B2 (en) * 2003-05-06 2009-05-05 Intelliserv International Holding Loaded transducer for downhole drilling components
CN101824983A (zh) * 2010-05-06 2010-09-08 煤炭科学研究总院西安研究院 一种信号传输装置
CN201963208U (zh) * 2010-10-19 2011-09-07 中国石油化工集团公司 动力及信号传输钻杆
CN202023557U (zh) * 2011-01-31 2011-11-02 中国石油化工集团公司 动力及信号传输钻杆电缆入口装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6844498B2 (en) * 2003-01-31 2005-01-18 Novatek Engineering Inc. Data transmission system for a downhole component

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1685129A (zh) * 2002-10-23 2005-10-19 瓦克I/P公司 具有内涂层电路径的钻杆
US7002445B2 (en) * 2003-05-06 2006-02-21 Intelliserv, Inc. Loaded transducer for downhole drilling components
US7528736B2 (en) * 2003-05-06 2009-05-05 Intelliserv International Holding Loaded transducer for downhole drilling components
CN101015147A (zh) * 2004-06-29 2007-08-08 哈里伯顿能源服务公司 用于有线油管的井下遥测系统
US7488194B2 (en) * 2006-07-03 2009-02-10 Hall David R Downhole data and/or power transmission system
CN101033687A (zh) * 2007-03-16 2007-09-12 中国地质大学（武汉） 一种极低频或超低频电磁波随钻双向遥传系统
CN101824983A (zh) * 2010-05-06 2010-09-08 煤炭科学研究总院西安研究院 一种信号传输装置
CN201963208U (zh) * 2010-10-19 2011-09-07 中国石油化工集团公司 动力及信号传输钻杆
CN202023557U (zh) * 2011-01-31 2011-11-02 中国石油化工集团公司 动力及信号传输钻杆电缆入口装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN103061682A (zh) 2013-04-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2499331A1 (en) Apparatus and method for transmitting a signal in a wellbore
CN102767363B (zh) 使用电通讯钻杆提高电磁波随钻测量信号传输距离的方法
CN110397407B (zh) 一种双台肩导电钻杆
CN102536204A (zh) 多绝缘短节提高电磁波无线随钻测量系统发射效率的方法
CN104852131A (zh) 一种反对称Vivaldi探地雷达天线
CN102354794A (zh) 一种井下地质探测雷达用全向柱形偶极子天线
US8660595B2 (en) Communication arrangement for transmission of communication signals along a pipe line
CN108278108A (zh) 一种井下近钻头无线短传系统及其工作方法
CN103061682B (zh) 实现tem波传输的单段钻杆
US20060227663A1 (en) RF transmission line and drill/pipe string switching technology for down-hole telemetry
CN106089187A (zh) 海上随钻测井信号传输系统
CN102704918A (zh) 一种用于井眼信号传输的连接装置
CN207144836U (zh) 双通道信号传输钻杆
CN203466160U (zh) 一种超宽带毫米波行波管输能窗
CN201018002Y (zh) 一种电磁波随钻无线传输井下天线
CN114678687B (zh) 一种井中雷达超宽带定向天线
CN105937884B (zh) 基于二维同轴布拉格结构的应变传感器
CN202755968U (zh) 一种电磁感应式信号耦合器
CN112228048B (zh) 一种用于大桥桩基打孔随钻仪器的无线通讯方法
CN113250683A (zh) 一种井下极低频通信模组的近场延长器
JP2021136800A (ja) ドリルパイプ多段接続体
Lervik et al. Optimizing electrical heating system of subsea oil production pipelines
CN103835664B (zh) 一种用于电磁波随钻无线测量信号发射偶极子钻柱的钻杆
CN201340740Y (zh) 一种全密封高温承荷探测电缆
CN201397706Y (zh) 一种四芯传输同轴电缆

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150819

Termination date: 20191231

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee