CN106021896B - 钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法，将钻杆变换为阶梯微波波导，根据钻杆内壁结构，计算主模工作条件下单根钻杆微波功率传输系数的方法；根据发射中继最大输出功率及接收中继最低接收功率，计算两中继间最优连接钻杆数。本发明能根据钻杆内壁结构，计算单根钻杆在主模工作条件下微波功率传输系数，了解其微波传输性能，且原理简单，运算量小；同时，能通过发射中继最大输出功率及接收中继最低接收功率，计算两中继间装备的最优钻杆数，对气体钻井钻柱设计及微波随钻测量施工设计具有指导意义。

Description

钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法

技术领域

本发明涉及油气开采领域，气体钻井井下随钻监测工艺中，尤其涉及钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法。

背景技术

在油气开采钻井工程中，为实现安全、快速、优质的钻井，需要开展井下随钻监测，以准确及时的掌握井下的地层流体、地层岩性、储层物性以及钻头的工作状态等信息。这些信息的获取主要通过在钻头、钻柱上安装各种传感器，并利用信号传输技术将传感器输出的信号传输到地面来实现。在气体钻井施工中，可通过在钻柱中发射微波信号来传输井下信息，微波在钻柱中传输速率极高，地面能实时获取井下信息，且该方式具有较高的带宽，从而实现高效、高速、大数据量的井下随钻监测。但由于钻柱内空间及钻井工艺的限制，目前微波发射器只能采用电池供电方式，限制了其发射功率及有效传输距离。因此对于超千米的井深，从井底到地面每隔一段距离需要安装一个微波中继器，将井下信息逐级中继输送到地面接收设备。

目前在气体钻井钻柱结构的设计中，两微波中继器的距离一般设置为200米左右，并将微波通信频点设置在常用的2.4GHz。这种设计方法存在有以下一些问题：

(1)目前常用的200米距离设定值，是根据API 5吋钻杆在地面实测结果所确定的参考值，尚无任何的理论计算方法和计算公式。但钻井施工工艺中钻柱组合形式多样，钻柱结构复杂多变，200米通信距离往往并不是最合适的通信距离，如完全依靠事先在地面进行模拟测试确定，经常会由于地面条件限制等原因而无法开展。但该参数又是气体钻井微波随钻监测系统设计的重要参数，如果该通信距离短于最优值则中继数较多，即存在多余中继，必将大幅增加气体钻井施工难度和风险；如果该通信距离长于最优值，则可能导致信号不稳定甚至中断，大幅降低井下随钻监测的可靠性。钻井现场也采取过在下钻过程中实时监测微波信号强度，以确定是否安装新中继入井的方法，但这种方法无预估性，大幅增加了随钻监测工艺的工作量和施工难度，也难以满足气体钻井现场施工的要求。

(2)钻柱结构复杂，存在大量的接头和变径段，设置的2.4GHz频点是根据民用通信协议设定，该频点微波发射器有可能在钻柱中激发出多种模式的微波波形。根据微波理论可知，各种波型的衰减系数差别很大，且多种电磁波会因极化简并作用而互相干涉，造成波形能量大幅衰减。所以应根据钻柱结构设置最优的频点，使其反射损耗、多模衰减最小从而达到最远传输距离。但在气体钻井施工中，目前还没有可靠、切实可行的最优频点确定方法。

(3)目前市面上有HFSS、CST等专业的电磁场分析软件，功能强大且分析结果精确，但这些软件建模、分析过程异常复杂，且无法根据现场需要进行二次开发，因此只适合微波领域专业人士作为理论分析工具。而且该类软件的分析结果无法集成到现有的钻井工程设计软件中进行直观解释，所以难以被钻井工程领域的设计人员所利用和掌握。更为重要的是，钻杆的长度在10米左右，3根钻杆首尾连接构成的一柱钻杆单元长度在30米左右，且内部结构复杂，因此应视为超长不规则圆波导。如用HFSS等软件不仅建模困难，而且该类软件采用有限元法进行分析，计算量非常巨大，不仅对计算机的要求很高，且耗时过长，根本无法满足钻柱结构设计的需求。

因此气体钻井钻柱结构设计过程中急需简单、直观、运算量较小的钻柱内微波通信距离计算方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法，将钻杆变换为阶梯微波波导，根据钻杆内壁结构，计算主模工作条件下单根钻杆微波功率传输系数的方法；根据发射中继最大输出功率及接收中继最低接收功率，计算两中继间最优连接钻杆数；方法原理简单，计算量小，对气体钻井微波随钻测量施工设计具有指导意义。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法，它包括以下步骤：

S1：将钻杆内壁视为不规则圆柱形波导，微波信号的频点为f；将两个中继天线之间的内壁结构建立为一根钻杆单元，将所述钻杆单元中内径不变的管段视为等径波导段，内径不连续的突变点视为一个波导接头；

S2：用圆波导中最低次模TE11模式作为传输波形，根据传输线等效电路法的等效原则，计算各等径波导段填充空气介质时的等效阻抗作为其特征阻抗，公式如下：

式中λ为采用f频点微波信号对应波长，λ_c,n为TE11波形在各波导段的截止波长，由各波导段的内径a_n确定；

S3：由于钢制钻杆的内壁为良导体，将各钻杆等径波导段用无耗传输线等效，各波导段的转移参量矩阵为：

式中，β_n为各段波导的相移常数；各波导接头的转移参量矩阵为：

S4：根据上式得到一根钻杆单元的2×2维波导转移矩阵为：

S5：将所述中继器天线所在的平面视为波端口，所述平面与钻柱轴线垂直，发射天线所在的平面为输入端口1，接收天线所在的平面为输出端口2；根据一根钻杆单元的转移矩阵求取钻杆单元的散射矩阵S，其中端口1向端口2的电压传输参数S₂₁为：

则单根钻杆功率传输系数为：

上式中1、2为波端口编号；

S6：N根钻杆连接后形成级联钻杆波导，所述级联钻杆波导的2×2维波导转移矩阵为：

S7：发射天线所在的平面为输入端口1，接收天线所在的平面为输出端口2；根据所述钻杆单元散射矩阵的计算方法，利用所述N根钻杆连接后的级联钻杆波导转移矩阵求取其散射矩阵S_N：

其中S_N,11是级联钻杆波导端口1的电压反射系数，S_N,12是级联钻杆波导端口2到端口1的电压传输系数，S_N,21是级联钻杆波导端口1到端口2的电压传输系数，S_N,22是级联钻杆波导端口2的电压反射系数。

S8：将发射中继器视为信号源，内阻抗为Z_S，对应连接波导的特性阻抗为Z_c,1；接收中继器视为负载，内阻抗为Z_L，对应连接波导的特性阻抗为Z_c,n，则输入端口向信号源的反射系数Γ_NS，输出端口向负载的反射系数Γ_NL，N根钻杆连接的级联钻杆波导输入反射系数Γ_Ni分别为：

S9：根据所述反射系数，求取N根钻杆连接后的实际输入功率P_Ni为：

式中，P_A为发射中继最大输出功率，P_j为接收中继最低接收功率；

S10：计算两中继间连接的最优钻杆数N_s为：

所述的P_A参数由发射中继器射频元件的参数确定；信号源阻抗(12)的大小Z_S以及负载阻抗(17)的大小Z_L可用标准天线阻抗值确定；需事先利用软件对1～N根钻杆连接后的S_N的微波网络(15)进行计算，得到N组Γ_NS、Γ_NL、Γ_Ni系数，代入步骤S10中的公式得到N组N_s参数，每个N值对应一个N_s参数，构成一个(N，N_s)组合，筛选出所有N_s>N的组合，在这些组合中，选择最大N_s值作为最佳N_s值。

将轴向长度不超过四分之一波长的内径渐变段，视为一段等径波导段，所述等径波导段的内径取原内径渐变段最大内径和最小内径的中间值，并在渐变段起点、终点形成两个波导接头；轴向长度超过四分之一波长的内径渐变段，均分为若干个轴向长度不超过四分之一波长的内径渐变段，再用处理轴向长度不超过四分之一波长的内径渐变段的方式进行变换处理；将一根钻杆单元内壁，沿轴向划分为n段长度为l_n、内径为a_n的波导段与m个波导接头的级联；

钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法还包括一个确定天线最佳安装位置子步骤：在λ/2长度范围内调整第一个等径波导长度l₁，并通过计算对应的N_s值，取最大N_s值对应的l₁作为第一个等径波导长度，第一个等径波导起始点的截面作为天线的安装面。

钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法还包括一个确定最佳频点子步骤：根据钻杆本体的内径a_n及圆波导中TE₁₁波单模传输的条件1.31a_n＜λ＜1.70a_n确定本体内单模传输的频段f₁～f₂，在f₁～f₂频段内调整f^/，并通过计算对应的G_d值，取最大G_d值对应的f^/作为最终设置频点f。

如果考虑钻杆内壁粗糙表面、介质损耗以及管内多径传输等小尺度衰减因素对微波传输的影响，根据内壁粗糙度、介质损耗、多径传输衰减系数对单根钻杆单元的G_d参数进行修正。

本发明的有益效果是：

(1)能根据钻杆内壁结构，计算单根钻杆在主模工作条件下微波功率传输系数，了解其微波传输性能，且原理简单，运算量小；

(2)能根据钻杆内壁结构，了解级联钻杆波导内由信号反射、信号源阻抗、负载阻抗引起的大尺度衰减状况；

(3)能通过发射中继最大输出功率及接收中继最低接收功率，计算两中继间装备的最优钻杆数，指导气体钻井钻柱设计及微波随钻测量施工设计。

附图说明

图1是截取部分钻杆结构及钻杆波导示意图；

图2是钻杆波导模型变换示意图；

图3是多根钻杆连接后等效网络图；

图中，1-钻杆内壁结构，2-长内径渐变段，3-内径固定管段，4-短内径渐变段，5-内径突变点，6-波导接头，7-短渐变波导段，8-等径波导段，9-长渐变波导段，10-钻杆波导模型，11-中继器天线，12-信号源阻抗，13-电压源，14-网络输入端口，15-微波网络，16-网络输出端口，17-负载阻抗，18-输出端口等径波导，19-输入端口等径波导。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法，它包括以下步骤：

如图1所示，本发明将钻杆内壁视为不规则圆柱形波导，用微波传输线理论分析其微波信号传输状况，微波信号的频点为f。根据钻杆结构图纸与实测尺寸，将钻杆紧密连接后内壁呈现的钻杆内壁结构1建立钻杆波导模型10，忽略螺纹及小缝隙因素。将内径固定管段3视为等径波导段8；钻杆内壁内径不连续的内径突变点5主要为钻杆接头处公头的下端面，因该处一般紧密结合，材质保持不变而只有管径变化，因此可视为波导接头6；轴向长度不超过四分之一波长的短内径渐变段4，视为一段短渐变波导段7；轴向长度超过四分之一波长的长内径渐变段2，视为一段长渐变波导段9。钻杆波导模型10长度是在微波中继器安装在钻杆内部后，以天线的实际位置为起点计算的波导长度，因此始末端位置、长度和实际钻杆结构不完全一致。

如图2所示，图中为发射中继器天线11所在安装面上部一小段钻杆接头变换示意，部分波导段因轴向长度太短未标注。短渐变波导段7轴向长度不超过四分之一波长，其特征阻抗不会发生太大的变化，故可视为一段等径波导段，其内径取原渐变波导段最大和最小内径的中间值，并在渐变段起点、终点形成两个波导接头6；长渐变波导段9首先均分为若干个短渐变波导段7，再分别用短渐变波导段7的处理方法变换为若干等径波导段8及波导接头6。由此整个钻柱内壁，沿轴向被划分为n段长度为l_n、内径为a_n的波导段与m个波导接头的级联。划分的短波导段越多，则计算结果更精确，但计算量会大幅增加。

根据钻杆本体的内径及圆波导中TE₁₁波单模传输的条件1.31a_n＜λ＜1.70a_n确定TE₁₁波单模传输的频段f₁～f₂，为降低钻杆波导接头6产生的散射损耗，可设置频点f＝(f₁+f₂)/2。根据传输线等效电路法的等效原则，计算各等径波导段填充空气介质时的等效阻抗作为其特征阻抗，公式如下：

式中λ为采用f频点微波信号对应波长，λ_c,n为TE₁₁波形在各不同内径钻杆段中对应截止波长，由通信频点f和内径a_n确定。

钢制钻杆的内壁为良导体，故先将一根钻杆中等径波导段用无耗传输线等效，各波导段的转移参量矩阵为：

式中，β_n为各等径波导段8的相移常数，n＝1时为发射中继器天线11所在波导段，n＝n时为接收中继器天线11所在波导段；m个波导接头6的转移参量矩阵为：

若一根钻杆单元由n段波导，m个接头级联而成，很明显m＝n-1，则一根钻杆单元的2×2维波导转移矩阵为：

用微波元件的分析方法，将中继器天线11所在的平面视为波端口，该平面与钻柱轴线垂直，发射天线所在的平面为输入端口1，接收天线所在的平面为输出端口2。由一根钻杆单元的转移矩阵求取钻杆单元的散射矩阵S，其中S₂₁参数为：

则单根钻杆功率传输系数为：

上式中1、2为波端口编号；上述矩阵计算可以用计算机软件完成，并进行保存。

则N根钻杆单元连接后的2×2维波导转移矩阵为：

中继器天线11所在的平面视为波端口，该平面与钻柱轴线垂直，发射天线所在的平面为网络输入端口14(端口编号1)，接收天线所在的平面为网络输出端口16(端口编号2)。由N根钻杆单元连接后的转移矩阵求取其散射矩阵S_N微波网络15：

其中S_N,11是级联钻杆波导端口1的电压反射系数，S_N,12是级联钻杆波导端口2到端口1的电压传输系数，S_N,21是级联钻杆波导端口1到端口2的电压传输系数，S_N,22是级联钻杆波导端口2的电压反射系数。

发射中继器视为信号源，其内包括电压源13，信号源阻抗12大小为Z_S；对应输入端口等径波导19为第1号等径波导，特性阻抗为Z_c,1；接收中继器视为负载，其负载阻抗17大小为Z_L，对应输出端口等径波导18为第n号等径波导，特性阻抗为Z_c,n。则网络输入端口14向信号源13的反射系数Γ_NS，网络输出端口16向负载的反射系数Γ_NL，以及整个微波网络15的输入反射系数Γ_Ni分别为：

若发射中继最大输出功率为P_A，则连接N根钻杆后，微波网络15(钻杆波导)实际的输入功率P_Ni为：

则两中继间最佳连接的钻杆数N_s为：

式中，P_j为接收中继最低接收功率(接收灵敏度)；

P_A参数可由发射中继器射频元件的参数确定；信号源阻抗12的大小Z_S以及负载阻抗17的大小Z_L可用标准天线阻抗值确定；需事先利用软件对1，2，3～N根钻杆连接后的S_N微波网络15进行计算，得到N组Γ_NS、Γ_NL、Γ_Ni系数，代入上式得到N组N_s参数，每个N值对应一个N_s参数，构成一个(N，N_s)组合，筛选出所有N_s>N的组合，在这些组合中，选择最大N_s值作为最佳N_s值。

利用该方法还可确定天线最佳安装位置，具体方法为：在λ/2长度范围内调整第一个等径波导长度l₁，并采用上述方法计算对应的N_s值，取最大N_s值对应的l₁作为第一个等径波导长度，其截面作为天线的安装面。

利用该方法还可确定最佳频点，具体方法为：首先根据钻杆本体的内径a_n及圆波导中TE₁₁波单模传输的条件1.31a_n＜λ＜1.70a_n确定本体内单模传输的频段f₁～f₂，在f₁～f₂频段内调整f^/，并通过计算对应的G_d值，取最大G_d值对应的f^/作为最终设置频点f。

本发明主要考虑主模条件下，钻杆内由信号反射、信号源阻抗、负载阻抗引起的大尺度衰减传输状况，未考虑多种模式波形相互作用的多模损耗，也未考虑钻杆内壁粗糙表面、介质损耗以及管内多径传输等小尺度衰减因素，因此计算结果较粗略。但是在实际应用中由于无法截断钻杆，只能按±1根钻杆进行增或减，即波导长度的变化单位只能是±9.5米，因此本发明计算的连接钻杆根数具有实际意义，且钻杆基本不等长，有±0.05米误差，所以进行多种模式的精确计算无太大意义。如要进一步精确计算，可根据内壁粗糙度、介质损耗、多径传输衰减系数对单根钻杆单元的G_d参数进行修正。

本发明提出的钻杆内微波传输距离简便计算方法不仅适用于钻杆，也可用于钻铤、套管、油管等内截面为圆形的钻柱。

Claims (5)

1.钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1：将钻杆内壁视为不规则圆柱形波导，微波信号的频点为f；将两个中继天线之间的内壁结构建立为一根钻杆单元，将所述一根钻杆单元中内径不变的管段视为等径波导段(8)，内径不连续的突变点视为一个波导接头(6)；最终将一根钻杆单元内壁沿轴向划分为n段长度为l_n、内径为a_n的波导段与m个波导接头(6)的级联；

S2：用圆波导中最低次模TE₁₁模式作为传输波形，根据传输线等效电路法的等效原则，

计算各等径波导段(8)填充空气介质时的等效阻抗作为其特征阻抗，公式如下：

式中λ为采用f频点的微波信号对应波长，λ_c,n为TE₁₁波形在各波导段的截止波长，由各波导段的内径a_n确定；

S3：由于钢制钻杆的内壁为良导体，将各钻杆等径波导段(8)用无耗传输线等效，各波导段的转移参量矩阵为：

式中，β_n为各段波导的相移常数；各波导接头(6)的转移参量矩阵为：

S4：根据上式得到一根钻杆单元的2×2维波导转移矩阵计算公式如下：

S5：将中继器天线(11)所在的平面视为波端口，所述平面与钻柱轴线垂直，发射天线所在的平面为输入端口1，接收天线所在的平面为输出端口2；根据一根钻杆单元的波导转移矩阵求取钻杆单元的散射矩阵S，其中S₂₁参数为：

则单根钻杆功率传输系数为：

上式中1、2为波端口编号；

S6：N根钻杆连接后形成级联钻杆波导，所述级联钻杆波导的2×2维波导转移矩阵为：

S7：根据钻杆单元散射矩阵的计算方法，利用N根钻杆连接后的级联钻杆波导转移矩阵计算其散射矩阵S_N，计算公式如下：

S8：将发射中继器视为信号源，内阻抗为Z_S，对应连接波导的特性阻抗为Z_c,1；同时将接收中继器视为负载，内阻抗为Z_L，对应连接波导的特性阻抗为Z_c,n，则输入端口向信号源的反射系数Γ_NS、输出端口向负载的反射系数Γ_NL、N根钻杆连接的级联钻杆波导输入反射系数Γ_Ni的计算公式分别为：

S9：根据所述反射系数，计算N根钻杆连接后的实际输入功率P_Ni，计算公式如下：

式中，P_A为发射中继最大输出功率，P_j为接收中继最低接收功率；

S10：计算两中继间连接的最优钻杆数N_s，计算公式如下：

该方法还包括一个确定最佳频点子步骤：根据钻杆本体的内径a_n及圆波导中TE₁₁波单模传输的条件1.31a_n＜λ＜1.70a_n确定本体内单模传输的频段f₁～f₂，在f₁～f₂频段内调整f^/，并通过计算对应的G_d值，取最大G_d值对应的f^/作为钻杆内微波传输最终设置频点f。

2.根据权利要求1所述的钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法，其特征在于：将轴向长度不超过四分之一波长的内径渐变段视为一段等径波导段(8)，所述等径波导段(8)的内径取原内径渐变段最大内径和最小内径的中间值，并在渐变段起点和终点分别形成两个波导接头(6)；轴向长度超过四分之一波长的内径渐变段，均分为若干个轴向长度不超过四分之一波长的内径渐变段，再用处理轴向长度不超过四分之一波长的内径渐变段的方式进行变换处理。

3.根据权利要求1所述的钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法，其特征在于：所述的P_A参数由发射中继器射频元件的参数确定；信号源阻抗(12)的大小Z_S以及负载阻抗(17)的大小Z_L用标准天线阻抗值确定；需事先利用软件分别对第1根～第N根钻杆连接后的S_N的微波网络(15)进行计算，得到N组Γ_NS、Γ_NL、Γ_Ni系数，代入步骤S10中的公式得到N组N_s参数，每个N值对应一个N_s参数，构成一个(N，N_s)组合，筛选出所有N_s>N的组合，在这些组合中，选择最大N_s值作为最佳N_s值。

4.根据权利要求3所述的钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法，其特征在于：还包括一个确定天线最佳安装位置子步骤：在λ/2长度范围内调整第一个等径波导长度l₁，并通过计算对应的N_s值，取最大N_s值对应的l₁作为第一个等径波导长度，将第一个等径波导起始点的截面作为天线的安装面。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法，其特征在于：如果考虑包括钻杆内壁粗糙表面、介质损耗以及管内多径传输在内的小尺度衰减因素对微波传输的影响，根据内壁粗糙度、介质损耗、多径传输衰减系数对单根钻杆单元的G_d参数进行修正。