基于钻柱波导的信号耦合装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油、地质勘探等领域的空气钻井随钻测量井下数据传输，具体涉及一种钻柱波导的信号耦合方法和装置。
【背景技术】
[0002]在气体钻井中，以泥浆作为传输介质的随钻测量工具无法承担井下数据传输的任务，为实现气体钻井数据传输目的开发的电磁随钻测量工具因为存在传输深度小、应用和可靠性过于依赖地层的缺点，较少在气体钻井中应用。事实上，井下数据的传输依然是气体钻井应用场合中的瓶颈。
[0003]最近，有研究机构提出在钻柱腔体中安装无线传感器(气体钻井随钻地下数据无线传输方法，中国专利:200810046435.4)来传输井下数据，具体做法是将诸如无线网桥移植到井下，发射2.4G的电磁波，每隔一段钻柱，安装一个中继器，通过中继器接力到地面。这种方式未能充分考虑在钻柱中传输无线电磁波的特点，采用普通的天线，存在传输效率不高，传输距离过短，中继站点过多的问题，无法投入实际应用。
[0004]另外，在中国专利文献201310179578.3、以及文献“气体钻井MMWD随钻数据传输及试验研究”(钻采工艺，2015 (40)，4)和专利“气体钻井随钻通讯中继短节”(中国专利:201310179564.1)中，提出直接利用现成的zigbee节点发射数据的信号耦合方法，由于zigbee的传输距离过短，只有100米左右的有效距离，对于一般几千米井深钻井施工，需要几十级接力，施工非常复杂，而且可靠性不高，难以投入实际应用
【发明内容】
[0005]为解决上述问题，本发明提出一种新的信号耦合方式，将从地面到井底的钻柱当作一个波导腔体，充分考虑波导的信号传输特征，最大限度将发射的信号耦合到波导内，并且采用最有利于在波导中传输的模式，达到信号衰减的最小化，传输距离最大化的目的，从而实现将井下数据通过钻柱波导传输到地面并达到实用化的目的。
[0006]本发明的主要目的在于提供一种装置，将井下信号的功率按较高效率耦合到钻柱波导中，并且充分考虑钻柱波导信号传输的特征，实现信号远距离传输。
[0007]根据本发明的实施例，提供了一种基于钻柱波导的信号耦合装置，包括线圈骨架
(1)、灌封保护层(2)、线圈(3)、底座(4)，其中，所述线圈(3)绕制在所述线圈骨架(1)上，其外被所述灌封保护层(2)包裹，形成信号传输波导，其中，所述线圈骨架(1)和灌封保护层(2)的底部被固定到所述底座(4)上，所述底座(4)被固定到钻铤上。
[0008]本发明的有益效果在于:本发明提供的装置可以很好的解决现在气体钻井随钻数据传输系统信号耦合到钻柱波导中效率过低，传输距离过短问题；本发明提供的装置安装简单，还能抵御高压气体对耦合线圈的冲击，具有较好的实用性。总之，本发明将为气体钻井随钻数据传输技术走向实用化提供一个较好的解决方案。
【附图说明】
[0009]此处所说明的附图用来提供对发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定，在附图中:
[0010]图1为根据本发明的实施例的基于钻柱波导的信号耦合装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0011]下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。
[0012]本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。
[0013]另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。
[0014]本发明的主要原理如下:先根据钻柱波导的直径确定耦合信号的频率和传输模式，从而确定耦合线圈的设计参数，在传输的功率信号从钻柱底部圆截面圆心位置并垂直于圆截面耦合在钻柱波导中，其极化方式采用圆极化，以实现具有较高的传输效率。
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述。
[0016]图1为根据本发明的实施例的基于钻柱波导的信号耦合装置的结构示意图。如图1所示，该装置主要包括线圈骨架1、灌封保护层2、线圈3、金属圆盘底座4，其中金属圆盘底座4上具有沿圆周排列的透气孔5。
[0017]作为示例，所述线圈2是直径为0.8mm的铜丝，绕制在聚氟乙烯圆柱形的线圈骨架1上。
[0018]所述线圈3绕制在线圈骨架1上，其外面灌封树脂绝缘材料成型为圆锥体，作为灌封保护层2，利于气体通过并保护线圈；包裹线圈3和线圈骨架1的圆锥体被固定在金属圆盘底座4上，金属圆盘底座4被固定在钻铤上，金属圆盘底座4上开一定直径的透气孔5，既利于气体流动，也对电磁波具有反射作用。
[0019]综上，本发明提供一种钻柱波导信号耦合的装置，用于将钻柱腔体视为金属圆波导，通过设计的线圈将信号耦合到钻柱中，其传输的频率和模式适合在圆波导中传输，具有极小的衰减。
[0020]钻柱波导信号耦合的实现过程如下:
[0021 ] 1、根据钻柱的直径确定传输频率和传输模式
[0022]由于TE11是圆波导的主模，本发明采用单模传输，其单模传输条件是:
[0023]2.62a < λ < 3.41a
[0024]其中a是钻柱的半径，λ是信号波长。以常用5寸半钻杆为例，a = 127/2_，取信号频率f = 3.4GHz，可使信号处于单模传输模式。
[0025]2、根据传输频率和耦合方式确定耦合线圈参数
[0026]为使线圈上的信号最大限度耦合在钻柱波导，且有利于传输，采用两种条件来保证，一是信号耦合的方向沿着钻柱轴线向上；二是采用圆极化方式。要达到条件一，线圈的尺寸必须满足以下条件:D/λ = (0.25-0.46)，D是线圈的直径；要满足条件二必须满足线圈匝数>3，每匝线圈的间距h = JiDb = Ji*1.07ab = 0.783D，其中b是线圈圆极化参数，在此取b = 0.25。
[0027]3、根据传输频率确定底座的孔径
[0028]底座上的透气孔5的孔径直接关系到信号的耦合的效率，如果孔径太大，信号会有泄漏损失，如果孔径太小，对气体流动的阻碍太大。本发明按直径为λ/2选择孔径，并尽可能布满底座。
[0029]最后，本领域的技术人员能够理解，对本发明的上述实施例能够做出各种修改、变型、以及替换，其均落入如所附权利要求限定的本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于钻柱波导的信号耦合装置，包括线圈骨架(1)、灌封保护层(2)、线圈(3)、底座⑷， 其中，所述线圈(3)绕制在所述线圈骨架(1)上，其外被所述灌封保护层(2)包裹，形成信号传输波导， 其中，所述线圈骨架(1)和灌封保护层(2)的底部被固定到所述底座(4)上，所述底座(4)被固定到钻铤上。2.根据权利要求1所述的基于钻柱波导的信号耦合装置，其中，所述灌封保护层(2)由树脂绝缘材料成型为圆锥体。3.根据权利要求1所述的基于钻柱波导的信号耦合装置，其中，所述底座(4)为金属圆盘形状，其上具有沿圆周排列的多个透气孔(5)。4.根据权利要求1所述的基于钻柱波导的信号耦合装置，其中，所述线圈(2)是直径为0.8mm的铜丝，所述线圈骨架⑴是由聚氟乙烯材料构成的圆柱形。5.根据权利要求4所述的基于钻柱波导的信号耦合装置，其中，所述信号传输波导是TEn模式的圆波导，信号采用单模传输，其单模传输条件是:2.62a < λ < 3.41a， 其中a是钻柱的半径，λ是信号的波长。6.根据权利要求5所述的基于钻柱波导的信号耦合装置，其中，所述线圈(3)的直径D/λ = 0.25?0.46，所述线圈(3)的匝数大于3，每匝所述线圈(3)的间距h= JiDb，其中b是所述线圈(3)的圆极化参数。7.根据权利要求6所述的基于钻柱波导的信号耦合装置，其中，b= 0.25。8.根据权利要求6所述的基于钻柱波导的信号耦合装置，其中，所述透气孔(5)为孔径为λ/2的圆形。
【专利摘要】本申请公开了一种基于钻柱波导的信号耦合装置，包括线圈骨架(1)、灌封保护层(2)、线圈(3)、底座(4)，其中，所述线圈(3)绕制在所述线圈骨架(1)上，其外被所述灌封保护层(2)包裹，形成信号传输波导，其中，所述线圈骨架(1)和灌封保护层(2)的底部被固定到所述底座(4)上，所述底座(4)被固定到钻铤上。该装置可以很好地解决现在气体钻井随钻数据传输系统信号耦合到钻柱波导中效率过低，传输距离过短问题；本发明提供的装置安装简单，还能抵御高压气体对耦合线圈的冲击，具有较好的实用性。总之，本发明将为气体钻井随钻数据传输技术走向实用化提供一个较好的解决方案。
【IPC分类】E21B47/13
【公开号】CN105386755
【申请号】CN201510829014
【发明人】彭烈新, 艾维平, 张连成, 张程光, 弓志谦, 石荣, 王磊, 滕鑫淼, 禹德洲
【申请人】中国石油集团钻井工程技术研究院
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年11月25日