CN209942809U - 一种基于金属空芯波导的随钻通信装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于金属空芯波导的随钻通信装置，属于通信装置领域，包括钻杆、钻头、WIFI通信模块、金属空芯波导、石墨烯颗粒导光胶、光纤传感器、太赫兹光波收发器及随钻测井仪器等。本实用新型具有通过对钻杆内部进行结构设计，挖孔镀层，使续接钻杆内孔成为金属空芯波导，再以太赫兹光波为传输媒质进行传输井下数据，具有损耗低、带宽大、传输距离远、安全性高等优点，在随钻通信领域有很好的应用前景。

Description

一种基于金属空芯波导的随钻通信装置

技术领域：

本实用新型属于通信装置领域，具体涉及一种基于金属空芯波导的随钻通信装置。

背景技术：

随钻测量是在钻头钻进方向确定的前提下，不间断地测量获取钻头附近有关参量信息的技术手段，并将测量信息实时的传输到地表，该技术作为先进的测井技术被广泛应用到各种复杂情况下的石油勘探开发中。随钻测量所获得信息如何稳定的、快速的传输到地表一直是研究重点。

当前随钻传感器信息无线传输方式，主要有泥浆脉冲传输、声波传输、井下电磁波传输三种介质方式。泥浆脉冲方式成熟可靠，然而误码率高，数据传输率低，约0.5～5bit/s。声波传输测井信号，传输率可达100bit/s，可用于深井测量，不足之处是易受环境干扰，信号衰减快，需要中继电路完成深井探测任务，发展前途有限。地层信道特点与空气信道不同，地层信道对电磁波有较大的损耗。对土层和岩石介质的研究表明，这些介质属于容性半导电媒质，本质上决定传导电磁波的速率非常有限。

有线传输即在钻柱中嵌入多芯铜导线，不仅可以从地上向井下输送电能，还可以实现地面和井下全双工的大信息量、宽带的传输系统，信息传输速率高，而且信息传输不受钻井液流体类型和性能的影响。但是其铺设麻烦且所用钻杆是由一节一节的短节组成，如若钻杆高速转动，运用电缆传输信号非常困难，且电缆的维护维修成本较高，电缆受到损坏将直接影响到整个系统的正常运行。同时，速率有限又需要中继，无法实时传输跨尺度图像传感网络信息和多层次图像感知信息。

综上所述，传统随钻通信存有的问题为：无线传输方式易受环境干扰，信号衰减快且传输速率低下；有线传输方式电缆铺设麻烦，维修成本高，传输速度有限，钻杆续接繁杂。

太赫兹波导是太赫兹光波的传输通道，是各类太赫兹系统中不可或缺的关键组成部分。其中，太赫兹金属波导在太赫兹辐射源、安全检查和生物医学等领域有着成熟的应用。但是将太赫兹金属波导运行于通信领域还未有实际应用。随钻通信领域研究重点围绕着信道传输特性、信源编码和信息处理方法等方面展开，但对其他通信方式运用研究还未有报道。

在钻杆内部挖制金属空芯波导，从一定程度上，钻杆就可以近似看成传输介质，只需要简单地续接钻杆就构成了通信信道。金属空芯波导在钻杆的内部，隔绝了井下的恶劣环境，同时采用太赫兹光波为传输媒质进行传输数据。相比传统方式，这种通信方式更快、更稳定、更方便。构成钻杆的金属对太赫兹光波的反射能力相比于频率更高的激光更强，损耗也更低，能达到更远的传输距离。

发明内容：

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于金属空芯波导的随钻通信装置。本装置使用的介质/金属空芯波导作为通信信道，具有损耗低、带宽大、传输距离远、安全性高等优点，在随钻通信领域有很好的应用前景。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于金属空芯波导的随钻通信装置，该随钻通信装置至少包括钻杆、钻头、WIFI通信模块、金属空芯波导、井上太赫兹光波收发器、井底太赫兹光波收发器及随钻测井仪器；

钻头安装在钻杆的下端，所述钻杆包括位于上端的方钻杆和连接于所述方钻杆下方的若干节续接钻杆；所述WIFI通信模块和井上太赫兹光波收发器嵌于方钻杆底部；各节续接钻杆内部具有连续的圆形孔道，圆形孔道内设置金属空芯波导，金属空芯波导为中空结构，包括内层的介质层和外层的金属层；随钻测井仪器和井底太赫兹光波收发器嵌于钻头内，随钻测井仪器、井底太赫兹光波收发器、金属空芯波导、井上太赫兹光波收发器、WIFI通信模块依次连接。太赫兹光波收发器产生的太赫兹光波波长λ和金属空芯波导半径R需要满足：2.62R<λ<3.41R。

进一步地，所述钻杆之间通过钻杆接头螺纹续接。

进一步地，本领域技术人员仅需通过石墨烯颗粒导光胶便能实现金属空芯波导接头处的柔性耦合连接，石墨烯导光胶柔性连接能够显著减少振动干扰对于连接处的光传导的影响。

进一步地，本领域技术人员能够毫无疑义地采用聚苯乙烯作为金属空芯波导的介质层，并设置其厚度为13μm；本领域技术人员也能够毫无疑义地采用银层作为金属层，来降低反射损耗同时能够增强金属空芯波导内表面的反射能力，跟简单的金属空芯镀银波导相比，本申请中的金属空芯波导能有效提高反射能力，使TE模和TM模的反射率接近100％。

进一步地，所述金属空芯波导末梢为光栅结构。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：一种基于金属空芯波导的随钻通信装置采用的金属空芯波导构建无线光信道在耦合结构、铺设难度、可靠性等方面显著优于钻杆嵌入普通石英光纤的方案；在传输速率、保密性、抗干扰能力上比泥浆脉冲传输、声波传输、井下电磁波传输等方式提升显著。同时，通过对金属空芯波导半径的合理设计，使得在其内进行单模传输。该通信装置能够更快、更稳定、更方便进行信号传输同时具有损耗更低，传输距离更远的特点。

附图说明：

附图用来提供对本实用新型进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为金属空芯波导横截面图；

图3为太赫兹量子级联激光器、太赫兹电光调制器和锥形太赫兹耦合器的连接示意图；

图4为基于Nb/Al-AlOx/Nb超导隧道结的太赫兹高灵敏度直接检测器、太赫兹可调谐滤波器和太赫兹真空功率放大器的连接示意图；

附图标记：1、方钻杆；2、WIFI通信模块；3、井上太赫兹光波收发器；4、第一续接钻杆；5、金属空芯波导；6、地面WIFI通信模块；7、地面控制中心；8、石墨烯颗粒导光胶；9、续接钻杆；10、随钻测井仪器；11、鼠洞；12、光纤传感器；13、井底太赫兹光波收发器；14、钻头；301、太赫兹电光调制器；302、太赫兹量子级联激光器；303、锥形太赫兹耦合器；304、基于Nb/Al-AlOx/Nb超导隧道结的太赫兹高灵敏度直接检测器；305、太赫兹可调谐滤波器；306、太赫兹真空功率放大器；501、续接钻杆内孔壁；502、金属层；503、介质层。

具体实施方式：

如图1-4所示，一种基于金属空芯波导的随钻通信装置，至少包括钻杆、钻头14、WIFI通信模块2、金属空芯波导5、井上太赫兹光波收发器3、井底太赫兹光波收发器13及随钻测井仪器10。钻杆包括位于上端的方钻杆1和连接于所述方钻杆下方的若干节续接钻杆9，钻头14安装在钻杆的下端；各节续接钻杆9内部具有连续的圆形孔道，圆形孔道内镀一层金属层502，再在该金属层502上沉积一层介质层503，构成金属空芯波导5，金属空芯波导5为中空结构；随钻测井仪器10和井底太赫兹光波收发器13嵌于钻头14内，随钻测井仪器10、井底太赫兹光波收发器13、金属空芯波导5、井上太赫兹光波收发器3、WIFI通信模块2依次连接。

本领域技术人员仅需简单的将金属空芯波导5末端刻成布拉格光纤光栅作为光纤传感器12，进行钻杆压力与温度的测量。非固有型布拉格光纤传感器仅仅将光纤作为光波在设备与传感元件之间的传输介质，传感器能根据环境温度以及应变的变化来改变其反射的光波的波长。

本领域技术人员仅需简单地在方钻杆1底部开洞，将WIFI通信模块2和井上太赫兹光波收发器3镶嵌于方钻杆1洞内部，其中井上太赫兹光波收发器3位于WIFI通信模块2的下侧，与第一续接钻杆4的金属空芯波导5相连。

相邻续接钻杆9之间通过螺纹连接，本领域技术人员仅需简单采用耐高温的石墨烯颗粒导光胶8便可将相邻续接钻杆9中的金属空芯波导5接头柔性耦合，能够显著减少振动干扰对于连接处的光传导的影响。

钻井工作时，随钻测井仪器10采集井下数据后由井底太赫兹光波收发器13将电信号转换成太赫兹光波，通过金属空芯波导5向井上进行传输；井上太赫兹光波收发器3将太赫兹光波接收并转换成电信号；WIFI通信模块2将电信号接收，并通过无线网络发送给地面WIFI通信模块6；最终数据由地面WIFI通信模块6通过电缆发送到地面控制中心7。

地面控制中心7向随钻测井仪器10发送控制指令过程：地面控制中心7通过电缆发送指令给地面WIFI通信模块6；地面WIFI通信模块6通过无线网络发送给WIFI通信模块2；WIFI通信模块2将指令发送给井上太赫兹光波收发器3；井上太赫兹光波收发器3将电信号转换成太赫兹光波，通过金属空芯波导5发送给井底太赫兹光波收发器13；太赫兹光波收发器13完成接收并转换为电信号传输给随钻测井仪器10。

鼠洞11内放置续接用的续接钻杆9，其续接钻杆9均已设置成中空结构的金属空芯波导5。

续接续接钻杆时，因为WIFI通信模块2、井上太赫兹光波收发器3内嵌于方钻杆1内，故本领域技术人员仅需简单通过螺纹续接续接钻杆即可。将方钻杆1与原第一续接钻杆4分离，将方钻杆1移动至鼠洞11，连接新续接钻杆，再移动回井口。新第一续接钻杆的金属空芯波导5与原第一续接钻杆4金属空芯波导5连接处采用耐高温的石墨烯颗粒导光胶8进行接头柔性耦合续接。此方法简单，易实现，只需要续接续接钻杆9即可，无需移动任何通信设备。

井上太赫兹光波收发器3和井底太赫兹光波收发器13为同种设备，包括发射机和接收机。

其中发射机包括太赫兹量子级联激光器302、太赫兹电光调制器301和锥形太赫兹耦合器303，所述太赫兹电光调制器301与所述太赫兹量子级联激光器302相连接，所述太赫兹量子级联激光器302与所述锥形太赫兹耦合器303相连接，所述锥形太赫兹耦合器303与所述金属空芯波导5相连接。

当发射机工作时，以随钻测井仪器10或者WIFI通信模块2发送来的信号为原始信号，太赫兹电光调制器301根据接收到的原始信号对太赫兹量子级联激光器302进行光强调制，将原始信号调制到太赫兹光载波上。太赫兹光波从光源到金属空芯波导之间的耦合效率是非常低的，因此使用锥形太赫兹耦合器303使太赫兹量子级联激光器302与金属空芯波导5高效耦合。

接收机包括基于Nb/Al-AlOx/Nb超导隧道结的太赫兹高灵敏度直接检测器304、太赫兹可调谐滤波器305和太赫兹真空功率放大器306，所述金属空芯波导5与所述基于Nb/Al-AlOx/Nb超导隧道结的太赫兹高灵敏度直接检测器304相连接，所述基于Nb/Al-AlOx/Nb超导隧道结的太赫兹高灵敏度直接检测器304与所述太赫兹可调谐滤波器305相连接，所述太赫兹可调谐滤波器305与所述太赫兹真空功率放大器306相连接。

当接收机工作时，需要将太赫兹光波从金属空芯波导5耦合到基于Nb/Al-AlOx/Nb超导隧道结的太赫兹高灵敏度直接检测器304的表面上，选用的基于Nb/Al-AlOx/Nb超导隧道结的太赫兹高灵敏度直接检测器304的表面大于金属空芯波导的横截面，可以得到高效的耦合。基于Nb/Al-AlOx/Nb超导隧道结的太赫兹高灵敏度直接检测器304将太赫兹光波直接转化为直流电信号,无需本地振荡信号源和中频放大器等,系统简单。电信号再经由太赫兹可调谐滤波器305进行滤波后，再由太赫兹真空功率放大器306进行放大处理，最后发送给随钻测井仪器10或者WIFI通信模块2进行处理。

太赫兹光波在金属空芯波导中传播损耗主要来源于波在金属界面反射时引入的损耗，通过在金属界面镀金属层502，可以有效增加反射、减小太赫兹光波的损耗。但单单只在波导的内表面用单层的金属层502不能获得很好的反射效果，因此在内金属层502之上再沉积一层介质层503，进一步增强波导内表面的反射能力，跟简单的金属空芯镀银波导相比，这种做法会极大地提高反射能力，使TE模和TM模的反射率都可以获得接近100％，从而获得更低的衰减系数。目前金属层502最优选择是银，银具有最小的传输损耗，且镀银技术比较成熟，减小了工程的难度。内金属层的厚度越厚，内表面越粗糙，从而会导致损耗增加，所以金属银的厚度镀为0.1μm；介质材料以及厚度的选择对波导的模式衰减系数有很大的影响，现在比较常用的介质材料有聚苯乙烯，环状丙烯树脂，聚碳酸酯等；当波长在为100μm时，聚苯乙烯的折射率是1.58，环状丙烯树脂的折射率是1.3，聚碳酸酯的折射率是1.51。当介质层503的折射率等于1.6时可以使HE11模的衰减系数最小，故最优选择为聚苯乙烯。金属空芯波导5中的传输模式会随着波导半径R的变化而变化，当半径R比较大时，会同时存在多个传输模式，即多模传输。由于在金属空芯波导5内进行多模传输色散大、损耗也大，通信距离达不到测井要求的距离。所以所选用太赫兹波波长λ和半径R需要满足：2.62R<λ<3.41R；此时，只存在HE11传输模式。表1为介质层厚度对衰减系数的影响，当介质层503的厚度为13μm时，在0.3THz处HE11模的损耗值最低，其衰减系数为0.31dB/m，该衰减系数比只镀银空芯波导的衰减系数减小了5倍。太赫兹量子级联激光器302的发射功率为280mW，转换成功率的绝对值为26dB/m；基于Nb/Al-AlOx/Nb超导隧道结的太赫兹高灵敏度直接检测器304的NEP＝1.5×10^-17W/(HZ)^1/2；金属空芯波导续接损耗大约6dB，通过理论计算可知传输距离完全满足浅井测井距离的需求。

表1介质层厚度对衰减系数的影响

本实用新型所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征等同替换所组成的技术方案。本实用新型的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (5)

1.一种基于金属空芯波导的随钻通信装置，其特征在于：至少包括钻杆、钻头、WIFI通信模块、金属空芯波导、井上太赫兹光波收发器、井底太赫兹光波收发器及随钻测井仪器；

钻头安装在钻杆的下端，所述钻杆包括位于上端的方钻杆和连接于所述方钻杆下方的若干节续接钻杆；所述WIFI通信模块和井上太赫兹光波收发器嵌于方钻杆底部；各节续接钻杆内部具有连续的圆形孔道，圆形孔道内设置金属空芯波导，金属空芯波导为中空结构，包括内层的介质层和外层的金属层；随钻测井仪器和井底太赫兹光波收发器嵌于钻头内，随钻测井仪器、井底太赫兹光波收发器、金属空芯波导、井上太赫兹光波收发器、WIFI通信模块依次连接；太赫兹光波收发器产生的太赫兹光波波长λ和金属空芯波导半径R需要满足：2.62R <λ<3.41R。

2.根据权利要求1所述的一种基于金属空芯波导的随钻通信装置，其特征在于：所述钻杆之间通过钻杆接头螺纹续接。

3.根据权利要求1所述的一种基于金属空芯波导的随钻通信装置，其特征在于：所述金属空芯波导接头处通过石墨烯颗粒导光胶柔性耦合连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于金属空芯波导的随钻通信装置，其特征在于：所述金属空芯波导的介质层为13 μm厚度的聚苯乙烯，金属层为银层。

5.根据权利要求1所述的一种基于金属空芯波导的随钻通信装置，其特征在于：所述金属空芯波导末梢为光栅结构。

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