一種用于計(jì)算鉆桿內(nèi)微波通信距離的電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于計(jì)算鉆桿內(nèi)微波通信距離的電路，包括多根鉆桿連接而成的鉆桿波導(dǎo)、視為信號(hào)源的發(fā)射中繼器天線和視為負(fù)載的接收中繼器天線；鉆桿波導(dǎo)形成微波網(wǎng)絡(luò)電路SN（15）；微波網(wǎng)絡(luò)電路SN（15）的左端為輸入端口（14），右端為輸出端口（16）；所述發(fā)射中繼器和接收中繼器天線所在的平面均與鉆桿波導(dǎo)的軸線垂直；所述發(fā)射中繼器天線包括電壓源（13）和信號(hào)源阻抗ZS（12）；所述接收中繼器天線包括負(fù)載阻抗ZL（17），所述鉆桿波導(dǎo)形成的微波網(wǎng)絡(luò)電路SN（15）中最靠近發(fā)射中繼器天線的等徑管段和最靠近接收中繼器天線的等徑管段分別為輸入端口等徑波導(dǎo)（19）和輸出端口等徑波導(dǎo)（18）。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)一種用于計(jì)算鉆桿內(nèi)微波通信距離的電路，原理簡(jiǎn)單，使得后期運(yùn)算量小。
【專利說(shuō)明】
一種用于計(jì)算鉆桿內(nèi)微波通信距離的電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及油氣開采領(lǐng)域，尤其涉及一種用于計(jì)算鉆桿內(nèi)微波通信距離的電 路。
【背景技術(shù)】
[0002] 在油氣開采鉆井工程中，為實(shí)現(xiàn)安全、快速、優(yōu)質(zhì)的鉆井，需要開展井下隨鉆監(jiān)測(cè)， 以準(zhǔn)確及時(shí)的掌握井下的地層流體、地層巖性、儲(chǔ)層物性以及鉆頭的工作狀態(tài)等信息。這些 信息的獲取主要通過在鉆頭、鉆柱上安裝各種傳感器，并利用信號(hào)傳輸技術(shù)將傳感器輸出 的信號(hào)傳輸?shù)降孛鎭?lái)實(shí)現(xiàn)。在氣體鉆井施工中，可通過在鉆柱中發(fā)射微波信號(hào)來(lái)傳輸井下 信息，微波在鉆柱中傳輸速率極高，地面能實(shí)時(shí)獲取井下信息，且該方式具有較高的帶寬， 從而實(shí)現(xiàn)高效、高速、大數(shù)據(jù)量的井下隨鉆監(jiān)測(cè)。但由于鉆柱內(nèi)空間及鉆井工藝的限制，目 前微波發(fā)射器只能采用電池供電方式，限制了其發(fā)射功率及有效傳輸距離。因此對(duì)于超千 米的井深，從井底到地面每隔一段距離需要安裝一個(gè)微波中繼器，將井下信息逐級(jí)中繼輸 送到地面接收設(shè)備。
[0003] 目前在氣體鉆井鉆柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，兩微波中繼器的距離一般設(shè)置為200米左右， 并將微波通信頻點(diǎn)設(shè)置在常用的2.4GHz。這種設(shè)計(jì)方法存在有以下一些問題：
[0004] (1)目前常用的200米距離設(shè)定值，是根據(jù)API 5吋鉆桿在地面實(shí)測(cè)結(jié)果所確定的 參考值，尚無(wú)任何的理論計(jì)算方法和計(jì)算公式。但鉆井施工工藝中鉆柱組合形式多樣，鉆柱 結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，200米通信距離往往并不是最合適的通信距離，如完全依靠事先在地面進(jìn)行 模擬測(cè)試確定，經(jīng)常會(huì)由于地面條件限制等原因而無(wú)法開展。但該參數(shù)又是氣體鉆井微波 隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，如果該通信距離短于最優(yōu)值則中繼數(shù)較多，即存在多余中 繼，必將大幅增加氣體鉆井施工難度和風(fēng)險(xiǎn);如果該通信距離長(zhǎng)于最優(yōu)值，則可能導(dǎo)致信號(hào) 不穩(wěn)定甚至中斷，大幅降低井下隨鉆監(jiān)測(cè)的可靠性。鉆井現(xiàn)場(chǎng)也采取過在下鉆過程中實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)微波信號(hào)強(qiáng)度，以確定是否安裝新中繼入井的方法，但這種方法無(wú)預(yù)估性，大幅增加了 隨鉆監(jiān)測(cè)工藝的工作量和施工難度，也難以滿足氣體鉆井現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。
[0005] (2)鉆柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在大量的接頭和變徑段，設(shè)置的2.4GHz頻點(diǎn)是根據(jù)民用通信 協(xié)議設(shè)定，該頻點(diǎn)微波發(fā)射器有可能在鉆柱中激發(fā)出多種模式的微波波形。根據(jù)微波理論 可知，各種波型的衰減系數(shù)差別很大，且多種電磁波會(huì)因極化簡(jiǎn)并作用而互相干涉，造成波 形能量大幅衰減。所以應(yīng)根據(jù)鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)置最優(yōu)的頻點(diǎn)，使其反射損耗、多模衰減最小從而 達(dá)到最遠(yuǎn)傳輸距離。但在氣體鉆井施工中，目前還沒有可靠、切實(shí)可行的最優(yōu)頻點(diǎn)確定方 法。
[0006] (3)目前市面上有HFSS、CST等專業(yè)的電磁場(chǎng)分析軟件，功能強(qiáng)大且分析結(jié)果精確， 但這些軟件建模、分析過程異常復(fù)雜，且無(wú)法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行二次開發(fā)，因此只適合微波 領(lǐng)域?qū)I(yè)人士作為理論分析工具。而且該類軟件的分析結(jié)果無(wú)法集成到現(xiàn)有的鉆井工程設(shè) 計(jì)軟件中進(jìn)行直觀解釋，所以難以被鉆井工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員所利用和掌握。更為重要的 是，鉆桿的長(zhǎng)度在10米左右，3根鉆桿首尾連接構(gòu)成的一柱鉆桿單元長(zhǎng)度在30米左右，且內(nèi) 部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此應(yīng)視為超長(zhǎng)不規(guī)則圓波導(dǎo)。如用HFSS等軟件不僅建模困難，而且該類軟件 采用有限元法進(jìn)行分析，計(jì)算量非常巨大，不僅對(duì)計(jì)算機(jī)的要求很高，且耗時(shí)過長(zhǎng)，根本無(wú) 法滿足鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求。
[0007]因此氣體鉆井鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中急需簡(jiǎn)單、直觀、運(yùn)算量較小的鉆柱內(nèi)微波通 信距離計(jì)算電路。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008] 本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于計(jì)算鉆桿內(nèi)微波通信 距離的電路。
[0009] 本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：
[0010] -種用于計(jì)算鉆桿內(nèi)微波通信距離的電路，包括多根鉆桿連接而成的級(jí)聯(lián)鉆桿波 導(dǎo)、視為信號(hào)源的發(fā)射中繼器天線和視為負(fù)載的接收中繼器天線；級(jí)聯(lián)鉆桿波導(dǎo)形成微波 網(wǎng)絡(luò)電路S N;微波網(wǎng)絡(luò)電路SN的左端為輸入端口，右端為輸出端口；所述發(fā)射中繼器天線和 接收中繼器天線所在的平面均與級(jí)聯(lián)鉆桿波導(dǎo)的軸線垂直;所述發(fā)射中繼器天線所在的平 面為輸入端口，所述發(fā)射中繼器天線包括電壓源和信號(hào)源阻抗Zs;所述接收中繼器天線所 在平面為輸出端口，所述接收中繼器天線包括負(fù)載阻抗Zl，所述鉆桿波導(dǎo)形成的微波網(wǎng)絡(luò) 電路S N中最靠近發(fā)射中繼器天線的等徑管段和最靠近接收中繼器天線的等徑管段分別為 輸入端口等徑波導(dǎo)和輸出端口等徑波導(dǎo)，輸入端口等徑波導(dǎo)的特性阻抗為Z。,i，輸出端口等 徑波導(dǎo)的特性阻抗為Ζι η，電壓源與信號(hào)源阻抗Zs串聯(lián)后形成第一號(hào)二端口電路，第一號(hào)二 端口電路連接微波網(wǎng)絡(luò)電路SN的輸入端口，即連接輸入端口等徑波導(dǎo)；負(fù)載阻抗A形成第二 號(hào)二端口電路，第二號(hào)二端口電路連接微波網(wǎng)絡(luò)電路S N的輸出端口，即連接輸出端口等徑 波導(dǎo)。
[0011] 所述的輸入端口等徑波導(dǎo)和輸出端口等徑波導(dǎo)的軸向長(zhǎng)度不超過四分之一波長(zhǎng)。
[0012] 本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了一種用于計(jì)算鉆桿內(nèi)微波通信距離 的電路，原理簡(jiǎn)單，使得后期運(yùn)算量小。后期，可以將通過本電路得到的結(jié)果、發(fā)射中繼最大 輸出功率及接收中繼最低接收功率(現(xiàn)有可以得到的）用于計(jì)算兩中繼間裝備的最優(yōu)鉆桿 數(shù)，指導(dǎo)氣體鉆井鉆柱設(shè)計(jì)及微波隨鉆測(cè)量施工設(shè)計(jì)。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為本實(shí)用新型電路圖；
[0014] 圖2為中繼器天線與波導(dǎo)示意圖；
[0015] 圖中，6-波導(dǎo)接頭，7-短漸變波導(dǎo)段，8-等徑波導(dǎo)段，9-長(zhǎng)漸變波導(dǎo)段，11-中繼器 天線，12-信號(hào)源阻抗Zs，13-電壓源，14-輸入端口，15-微波網(wǎng)絡(luò)電路S N，16-輸出端口，17-負(fù) 載阻抗A，18-輸出端口等徑波導(dǎo)，19-輸入端口等徑波導(dǎo)。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本實(shí)用新型的技術(shù)方案，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍 不局限于以下所述。
[0017] 如圖1所示，一種用于計(jì)算鉆桿內(nèi)微波通信距離的電路，包括多根鉆桿連接而成的 級(jí)聯(lián)鉆桿波導(dǎo)、視為信號(hào)源的發(fā)射中繼器天線和視為負(fù)載的接收中繼器天線；級(jí)聯(lián)鉆桿波 導(dǎo)形成微波網(wǎng)絡(luò)電路SnI 5;微波網(wǎng)絡(luò)電路SN15的左端為輸入端口 14，右端為輸出端口 16;所 述發(fā)射中繼器天線和接收中繼器天線所在的平面均與級(jí)聯(lián)鉆桿波導(dǎo)的軸線垂直;所述發(fā)射 中繼器天線所在的平面為輸入端口 14,所述發(fā)射中繼器天線包括電壓源13和信號(hào)源阻抗 Zsl2;所述接收中繼器天線所在平面為輸出端口 16,所述接收中繼器天線包括負(fù)載阻抗 ZU7,所述級(jí)聯(lián)鉆桿波導(dǎo)形成的微波網(wǎng)絡(luò)電路Sn15中最靠近發(fā)射中繼器天線的等徑管段和 最靠近接收中繼器天線的等徑管段分別為輸入端口等徑波導(dǎo)19和輸出端口等徑波導(dǎo)18,輸 入端口等徑波導(dǎo)19的特性阻抗為Zcu，輸出端口等徑波導(dǎo)18的特性阻抗為Zc^ n，電壓源與信 號(hào)源阻抗Zs串聯(lián)后形成第一號(hào)二端口電路，第一號(hào)二端口電路連接微波網(wǎng)絡(luò)電路Sn15的輸 入端口 14,即連接輸入端口等徑波導(dǎo)19;負(fù)載阻抗ZU7形成第二號(hào)二端口電路，第二號(hào)二端 口電路連接微波網(wǎng)絡(luò)電路SnI5的輸出端口 16，即連接輸出端口等徑波導(dǎo)18。
[0018] 所述的輸入端口等徑波導(dǎo)19和輸出端口等徑波導(dǎo)18的軸向長(zhǎng)度不超過四分之一 波長(zhǎng)。
[0019] 下述實(shí)施例中的算法不包括在實(shí)用新型保護(hù)的范圍，本實(shí)用新型的電路連接關(guān)系 并不需要下述算法實(shí)現(xiàn)，而只需要將對(duì)應(yīng)部件進(jìn)行連接即可。列舉下述算法只是為了證明 本實(shí)用新型即一種用于計(jì)算鉆桿內(nèi)微波通信距離的電路得到的結(jié)果可以在后期用于計(jì)算 距離。
[0020]如圖2所示，圖中為中繼器天線11(包括發(fā)射中繼器和接收中繼器)所在安裝面上 部一小段鉆桿接頭示意，部分波導(dǎo)段因軸向長(zhǎng)度太短未標(biāo)注。短漸變波導(dǎo)段7軸向長(zhǎng)度不超 過四分之一波長(zhǎng)，其特征阻抗不會(huì)發(fā)生太大的變化，故可視為一段等徑波導(dǎo)段，其內(nèi)徑 &"取 原漸變波導(dǎo)段最大和最小內(nèi)徑的中間值，并在漸變段起點(diǎn)、終點(diǎn)形成兩個(gè)波導(dǎo)接頭6;長(zhǎng)漸 變波導(dǎo)段9首先均分為若干個(gè)短漸變波導(dǎo)段7,再分別用短漸變波導(dǎo)段7的處理方法變換為 若干等徑波導(dǎo)段8及波導(dǎo)接頭6。
[0021]所述的特性阻抗是用圓波導(dǎo)中最低次模TE11模式作為傳輸波形，根據(jù)傳輸線等效 電路法的等效原則，計(jì)算各等徑波導(dǎo)段(8)填充空氣介質(zhì)時(shí)的等效阻抗作為其特征阻抗，公 式如下：
[0023]式中λ為采用f頻點(diǎn)微波信號(hào)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)，λ。,n為TEn波形在各不同內(nèi)徑鉆桿段中對(duì)應(yīng) 截止波長(zhǎng)，由通信頻點(diǎn)f和內(nèi)徑an確定。
[0024]根據(jù)所述電路得到的結(jié)果，具體的計(jì)算方式如下：
[0025] 1、發(fā)射中繼器視為信號(hào)源，其內(nèi)包括電壓源13,信號(hào)源阻抗Zsl2,發(fā)射中繼器對(duì)應(yīng) 連接的輸入端口波導(dǎo)19為第1號(hào)等徑波導(dǎo)，特性阻抗為Zcu;接收中繼器視為負(fù)載，其負(fù)載阻 抗Zl17，對(duì)應(yīng)連接的輸出端口波導(dǎo)18為第η號(hào)等徑波導(dǎo)，特性阻抗為Zc,n。
[0026]分別計(jì)算輸入端口 14向信號(hào)源13的反射系數(shù)Γ NS、輸出端口 16向負(fù)載阻抗ZU7的 反射系數(shù)Fnl以及整個(gè)微波網(wǎng)絡(luò)SnI 5的輸入反射系數(shù)rNi，分別為：
[0028]式中，Sn, η是輸入端口的電壓反射系數(shù)，Sn, 12是輸出端口到輸入端口的電壓傳輸系 數(shù)，Sn, 21是輸入端口到輸出端口的電壓傳輸系數(shù)，SN, 22是輸出端口的電壓反射系數(shù)。同時(shí)可 知：
[0030] 2、根據(jù)發(fā)射中繼器的最大輸出功率Pa計(jì)算連接N根鉆桿后微波網(wǎng)絡(luò)SN15實(shí)際的輸 入功率PNi，計(jì)算公式為：
[0032] 3、計(jì)算兩中繼間最佳連接的鉆桿數(shù)Ns，計(jì)算公式為：
[0034]式中，Pj為接收中繼器最低接收功率(接收靈敏度），Gd為單根鉆桿功率傳輸系數(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于計(jì)算鉆桿內(nèi)微波通信距離的電路，其特征在于:包括多根鉆桿連接而成的 級(jí)聯(lián)鉆桿波導(dǎo)、視為信號(hào)源的發(fā)射中繼器天線和視為負(fù)載的接收中繼器天線；級(jí)聯(lián)鉆桿波 導(dǎo)形成微波網(wǎng)絡(luò)電路S N( 15);微波網(wǎng)絡(luò)電路SN( 15)的左端為輸入端口（ 14)，右端為輸出端口 (16);所述發(fā)射中繼器天線和接收中繼器天線所在的平面均與級(jí)聯(lián)鉆桿波導(dǎo)的軸線垂直； 所述發(fā)射中繼器天線所在的平面為輸入端口（14)，所述發(fā)射中繼器天線包括電壓源（13)和 信號(hào)源阻抗Zs(12);所述接收中繼器天線所在平面為輸出端口（16)，所述接收中繼器天線 包括負(fù)載阻抗Zl(17)，所述鉆桿波導(dǎo)形成的微波網(wǎng)絡(luò)電路Sn(15)中最靠近發(fā)射中繼器天線 的等徑管段和最靠近接收中繼器天線的等徑管段分別為輸入端口等徑波導(dǎo)（19)和輸出端 口等徑波導(dǎo)（18)，輸入端口等徑波導(dǎo)（19)的特性阻抗為Zcu，輸出端口等徑波導(dǎo)（18)的特性 阻抗為Ζι η，電壓源與信號(hào)源阻抗Zs串聯(lián)后形成第一號(hào)二端口電路，第一號(hào)二端口電路連接 微波網(wǎng)絡(luò)電路Sn(15)的輸入端口（14)，即連接輸入端口等徑波導(dǎo)（19);負(fù)載阻抗Zl(17)形成 第二號(hào)二端口電路，第二號(hào)二端口電路連接微波網(wǎng)絡(luò)電路S N( 15 )的輸出端口（ 16 )，即連接 輸出端口等徑波導(dǎo)（18)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于計(jì)算鉆桿內(nèi)微波通信距離的電路，其特征在于:所述 的輸入端口等徑波導(dǎo)（19)和輸出端口等徑波導(dǎo)（18)的軸向長(zhǎng)度不超過四分之一波長(zhǎng)。
【文檔編號(hào)】E21B47/12GK205618155SQ201620438580
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年5月13日
【發(fā)明人】夏文鶴, 孟英峰, 李皋, 陳健, 陳一健, 官文婷
【申請(qǐng)人】西南石油大學(xué)