CN205618155U - 一种用于计算钻杆内微波通信距离的电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于计算钻杆内微波通信距离的电路，包括多根钻杆连接而成的钻杆波导、视为信号源的发射中继器天线和视为负载的接收中继器天线；钻杆波导形成微波网络电路S_N（15）；微波网络电路S_N（15）的左端为输入端口（14），右端为输出端口（16）；所述发射中继器和接收中继器天线所在的平面均与钻杆波导的轴线垂直；所述发射中继器天线包括电压源（13）和信号源阻抗Z_S（12）；所述接收中继器天线包括负载阻抗Z_L（17），所述钻杆波导形成的微波网络电路S_N（15）中最靠近发射中继器天线的等径管段和最靠近接收中继器天线的等径管段分别为输入端口等径波导（19）和输出端口等径波导（18）。本实用新型实现一种用于计算钻杆内微波通信距离的电路，原理简单，使得后期运算量小。

Description

一种用于计算钻杆内微波通信距离的电路

技术领域

本实用新型涉及油气开采领域，尤其涉及一种用于计算钻杆内微波通信距离的电路。

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电路。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于计算钻杆内微波通信距离的电路。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种用于计算钻杆内微波通信距离的电路，包括多根钻杆连接而成的级联钻杆波导、视为信号源的发射中继器天线和视为负载的接收中继器天线；级联钻杆波导形成微波网络电路S_N；微波网络电路S_N的左端为输入端口，右端为输出端口；所述发射中继器天线和接收中继器天线所在的平面均与级联钻杆波导的轴线垂直；所述发射中继器天线所在的平面为输入端口，所述发射中继器天线包括电压源和信号源阻抗Z_S；所述接收中继器天线所在平面为输出端口，所述接收中继器天线包括负载阻抗Z_L，所述钻杆波导形成的微波网络电路S_N中最靠近发射中继器天线的等径管段和最靠近接收中继器天线的等径管段分别为输入端口等径波导和输出端口等径波导，输入端口等径波导的特性阻抗为Z_c,1，输出端口等径波导的特性阻抗为Z_c,n，电压源与信号源阻抗Z_S串联后形成第一号二端口电路，第一号二端口电路连接微波网络电路S_N的输入端口，即连接输入端口等径波导；负载阻抗Z_L形成第二号二端口电路，第二号二端口电路连接微波网络电路S_N的输出端口，即连接输出端口等径波导。

所述的输入端口等径波导和输出端口等径波导的轴向长度不超过四分之一波长。

本实用新型的有益效果是：本实用新型实现了一种用于计算钻杆内微波通信距离的电路，原理简单，使得后期运算量小。后期，可以将通过本电路得到的结果、发射中继最大输出功率及接收中继最低接收功率(现有可以得到的)用于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为本实用新型电路图；

图2为中继器天线与波导示意图；

图中，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，11-中继器天线，12-信号源阻抗Z_S，13-电压源，14-输入端口，15-微波网络电路S_N，16-输出端口，17-负载阻抗Z_L，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实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种用于计算钻杆内微波通信距离的电路，包括多根钻杆连接而成的级联钻杆波导、视为信号源的发射中继器天线和视为负载的接收中继器天线；级联钻杆波导形成微波网络电路S_N15；微波网络电路S_N15的左端为输入端口14，右端为输出端口16；所述发射中继器天线和接收中继器天线所在的平面均与级联钻杆波导的轴线垂直；所述发射中继器天线所在的平面为输入端口14，所述发射中继器天线包括电压源13和信号源阻抗Z_S12；所述接收中继器天线所在平面为输出端口16，所述接收中继器天线包括负载阻抗Z_L17，所述级联钻杆波导形成的微波网络电路S_N15中最靠近发射中继器天线的等径管段和最靠近接收中继器天线的等径管段分别为输入端口等径波导19和输出端口等径波导18，输入端口等径波导19的特性阻抗为Z_c,1，输出端口等径波导18的特性阻抗为Z_c,n，电压源与信号源阻抗Z_S串联后形成第一号二端口电路，第一号二端口电路连接微波网络电路S_N15的输入端口14，即连接输入端口等径波导19；负载阻抗Z_L17形成第二号二端口电路，第二号二端口电路连接微波网络电路S_N15的输出端口16，即连接输出端口等径波导18。

所述的输入端口等径波导19和输出端口等径波导18的轴向长度不超过四分之一波长。

下述实施例中的算法不包括在实用新型保护的范围，本实用新型的电路连接关系并不需要下述算法实现，而只需要将对应部件进行连接即可。列举下述算法只是为了证明本实用新型即一种用于计算钻杆内微波通信距离的电路得到的结果可以在后期用于计算距离。

如图2所示，图中为中继器天线11(包括发射中继器和接收中继器)所在安装面上部一小段钻杆接头示意，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a_n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。

所述的特性阻抗是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：

$Z_{c,n}=\frac{520}{\sqrt{1-{(\mathrm{\λ}/{\mathrm{\λ}}_{c,n})}^2}};$

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。

根据所述电路得到的结果，具体的计算方式如下：

1、发射中继器视为信号源，其内包括电压源13，信号源阻抗Z_S12，发射中继器对应连接的输入端口波导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Z_L17，对应连接的输出端口波导18为第n号等径波导，特性阻抗为Z_c,n。

分别计算输入端口14向信号源13的反射系数Γ_NS、输出端口16向负载阻抗Z_L17的反射系数Γ_NL以及整个微波网络S_N15的输入反射系数Γ_Ni，分别为：

${\mathrm{\Γ}}_{NS}=\frac{Z_S-Z_{c,1}}{Z_S+Z_{c,1}},{\mathrm{\Γ}}_{NL}=\frac{Z_L-Z_{c,n}}{Z_L+Z_{c,n}},{\mathrm{\Γ}}_{Ni}=S_{N,11}+\frac{S_{N,12}{S}_{N,21}{\mathrm{\Γ}}_{NL}}{1-S_{N,22}{\mathrm{\Γ}}_{NL}};$

式中，S_N,11是输入端口的电压反射系数，S_N,12是输出端口到输入端口的电压传输系数，S_N,21是输入端口到输出端口的电压传输系数，S_N,22是输出端口的电压反射系数。同时可知：

$S_N=\left(\begin{array}{cc}{S}_{N,11}& S_{N,12}\\ S_{N,21}& S_{N,22}\end{array}\right).$

2、根据发射中继器的最大输出功率P_A计算连接N根钻杆后微波网络S_N15实际的输入功率P_Ni，计算公式为：

$P_{Ni}=\[\frac{|1-{\mathrm{\Γ}}_{NS}{|}^2\·(1-|{\mathrm{\Γ}}_{Ni}{|}^2)}{|1-{\mathrm{\Γ}}_{NS}{\mathrm{\Γ}}_{Ni}{|}^2}\]\·P_A.$

3、计算两中继间最佳连接的钻杆数N_s，计算公式为：

式中，P_j为接收中继器最低接收功率(接收灵敏度)，G_d为单根钻杆功率传输系数。

Claims (2)

1.一种用于计算钻杆内微波通信距离的电路，其特征在于：包括多根钻杆连接而成的级联钻杆波导、视为信号源的发射中继器天线和视为负载的接收中继器天线；级联钻杆波导形成微波网络电路S_N（15）；微波网络电路S_N（15）的左端为输入端口（14），右端为输出端口（16）；所述发射中继器天线和接收中继器天线所在的平面均与级联钻杆波导的轴线垂直；所述发射中继器天线所在的平面为输入端口（14），所述发射中继器天线包括电压源（13）和信号源阻抗Z_S（12）；所述接收中继器天线所在平面为输出端口（16），所述接收中继器天线包括负载阻抗Z_L（17），所述钻杆波导形成的微波网络电路S_N（15）中最靠近发射中继器天线的等径管段和最靠近接收中继器天线的等径管段分别为输入端口等径波导（19）和输出端口等径波导（18），输入端口等径波导（19）的特性阻抗为Z_c,1，输出端口等径波导（18）的特性阻抗为Z_c,n，电压源与信号源阻抗Z_S串联后形成第一号二端口电路，第一号二端口电路连接微波网络电路S_N（15）的输入端口（14），即连接输入端口等径波导（19）；负载阻抗Z_L（17）形成第二号二端口电路，第二号二端口电路连接微波网络电路S_N（15）的输出端口（16），即连接输出端口等径波导（18）。

2.根据权利要求1所述的一种用于计算钻杆内微波通信距离的电路，其特征在于：所述的输入端口等径波导（19）和输出端口等径波导（18）的轴向长度不超过四分之一波长。