专利名称：实现tem波传输的单段钻杆的制作方法
技术领域：
本发明属于随钻测井信号传输技术，特别涉及随钻测井信号传输中单段钻杆内部的有线传输技术。
背景技术：
随钻测井因为有能探测原状地层，实时导向的作用，成为了现代测井的重要发展方向之一。但是电缆测井的有线信号传输方式无法运用到随钻测井上。现在最常用的方法是泥浆脉冲遥传技术来传输随钻测井的数据，它是将被测参数转变成钻井液压力脉冲，随着钻井液循环传送到地面。泥浆脉冲遥传技术的数据传输速率一般只有4-16bit/s，即使新一代的泥浆脉冲遥传系统的传输速率也只有50bit/s。面对随钻测井中传输速率的难题，Novatek 公司在下提出了一种无线与有线相结合的方法，单段钻杆间通过无线耦合器实现无线磁耦合传输，在钻杆内部通过埋入用于传输TEM (横电磁波)波的实心圆同轴传输线实现有线传输。实心圆同轴传输线的内导体为圆形实心传输线，内、外导体构成圆形空管传输线。由于实心同轴传输线的尺寸较大，需整根埋入钻杆内，并要在钻杆内埋入实现传输线后还需保证井下工作的机械强度，对钻杆的厚度要求高，因此需要基于特种钻杆(通常需加大厚度的钻杆)实现，成本极高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种使用较小的尺寸的传输结构实现 Μ波有线传输的单段钻杆。本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，实现 Μ波传输的单段钻杆，包括金属钻杆、无线耦合器、TEM 波传输线，无线耦合器位于金属钻杆上端或/和下端，TEM波传输线与无线耦合器相连，其特征在于，所述TEM波传输线包括矩形的钻杆凹槽、矩形内导体、绝缘介质、外导体涂层；钻杆凹槽位于金属钻杆内壁上，贯穿金属钻杆上下两端；矩形内导体置于钻杆凹槽内；绝缘介质填充在内导体与钻杆凹槽之间的矩形空间；矩形的绝缘介质外侧设置外导体涂层，外导体涂层与绝缘介质周围的金属钻杆部分组成传输TEM波的外导体。本发明利用了扁平矩形传输线形状上扁平可变的特点以及矩形传输线与传统圆同轴线类似的特性阻抗性质，在金属钻杆内壁开挖的矩形凹槽只需要预留出放置内导体与绝缘介质的空间，由金属钻杆本身以及仅占用很少空间的外导体涂层作为外导体不格外增加预留外导体的凹槽空间，有效的利用了钻杆壁的厚度，大大减少了对凹槽厚度的要求，可以在常规规格厚度的钻杆上实现。进一步的，为了防止钻杆在工作时高温高压的泥浆冲刷外导体涂层，在外导体涂层外侧增加防冲刷涂层，防冲刷涂层与金属钻杆内侧弧平面齐平。本发明的有益效果是，扁平的传输结构，利用金属钻杆本身作为外导体的一部分，使用较小径向尺寸的传输结构在钻杆上实现TEM波有线传输。
图1是钻杆有线与无线结合的传输示意图；图2是本发明在单段钻杆内壁有线传输部分示意图；图3是本发明在单段钻杆内壁有线传输横截面示意图；图4是矩形传输线的内外导体尺寸对特性阻抗的影响，图4(a)外导体长边对特性阻抗的影响；图4(b)外导体短边对特性阻抗的影响；图4(c)内导体长边对特性阻抗的影响；图4(d)内导体短边对特性阻抗的影响；图5是本发明传输电路的仿真与实验结果，其中方形标志的HFSS位仿真结果，三角形标志为数值模式匹配法(NMM)和Mircrowave Office组合仿真的仿真结果，圆形标志为实验结果。
具体实施例方式利用单段钻杆内有线传输与单段钻杆间无线耦合相结合，便可实现多段钻杆的信号传输，最终实现信号从井底到地面的高速传输。如图1所示，一号钻杆I和二号钻杆2通过螺纹5连接，一号钻杆I和二号钻杆2之间通过无线耦合器4进行信号传输，而两段钻杆分别利用内部矩形传输线结构3实现有线传输。矩形传输线结构如图2所示，在金属钻杆6的内侧挖凹槽7，嵌入经过矩形传输线，包括内导体8、绝缘介质9、防冲涂层11、外导体涂层10以及绝缘介质周围的金属钻杆部分作为矩形传输线外导体。防冲刷涂层11是为了保护矩形传输线。图1中的无线耦合器4和矩形传输线3电连接。钻杆凹槽7位于金属钻杆内壁上，贯穿金属钻杆上下两端；矩形内导体8置于钻杆凹槽内；绝缘介质9填充在内导体与钻杆凹槽之间的矩形空间；矩形的绝缘介质外侧设置外导体涂层10，防冲涂层11位于外导体涂层10外侧与金属钻杆内侧弧平面齐平，如图3所示，外导体涂层10与绝缘介质9周围的金属钻杆6部分组成传输TEM波的外导体部分12。要实现本发明钻杆，可在普通的单段钻杆的基础上加工，实现信号在钻杆内加工的矩形传输线内高速传输，内导体和外导体之间的绝缘介质选择具备高温性能的介质作为绝缘介质，如聚四氟乙烯。外导体涂层与内导体采用电导率高的金属材料，如铜。内导体与外导体的介质电参数已确定的情况下，本领域技术人员能够根据目标特定阻抗来确定内导体与外导体的尺寸。本实施例通过以下步骤来选择内导体与外导体的尺寸步骤一、测量钻杆厚度，确定可挖槽部分的钻杆厚度，以保证在井下工作时的机械强度；在保证机械强度的条件下，尽可能的使得槽深比较大，因为凹槽的深度对应的是矩形传输线外导体的短边长度b，而外导体的短边长度越长将会在很大程度上减小插入损耗；以钻杆壁厚度为IOmm的单段钻杆为例，确定了挖槽深度为2mm，其中Imm为矩形传输线外导体短边长度b，另外Imm为涂覆外导体金属材料及涂覆防冲刷材料的厚度；步骤二、确定矩形传输线的外导体尺寸，外导体短边的尺寸受到钻杆厚度的限制，定为1_。外导体长边a的尺寸可根据它对矩形传输线特性阻抗及衰减的影响来定；根据三维电磁仿真软件HFSS的仿真结果，当外导体短边尺寸定为Imm时，外导体尺寸长边大于4mm时，对矩形传输线的性能影响非常小，于是本是实施例将矩形传输线外导体长边尺寸定为4_ ；步骤三、绝缘介质材料为聚四氟乙烯，相对介电常数为2. 1，矩形传输线的目标特性阻抗为50欧姆，利用HFSS仿真软件，确定满足特定特性阻抗的内导体短边t和内导体长边w的尺寸。需要进一步说明的是，当发现无论怎么改变内导体尺寸，都无法达到50欧的特性阻抗时，那就需要适当改变外导体尺寸，重复步骤一到步骤三，来找到满足条件的矩形传输线尺寸。更常见的情况是，在确定外导体尺寸的情况下，不止一组的内导体尺寸才会满足50欧的特性阻抗条件，这时便计算插入损耗，将插入损耗最小的一组作为的内导体尺寸。为保证在矩形传输线内传输的是TEM波，矩形传输线的截止波长需要小于信号的载波波长。在MHz频率下传输信号，载波波长在102m量级，内外导体尺寸和远远小于载波波长，完全满足条件。图4显示了各个尺寸对矩形传输线特性阻抗的影响，需要进一步说明的是当研究矩形传输线其中一个尺寸(a、b、t或w)对特性阻抗的影响的时候,其他尺寸限制在a=4mm,b=lmm, w=0. 7mm, t=0. 1mm。从图4(a)可以看出，夕卜导体长边a的尺寸对特性阻抗的影响非常小；从图4(b)可以看出随着外导体短边b的增大，特性阻抗增大；从图4(c)和图4(d)可以看出随着内导体尺寸的变大，特性阻抗变小。事实上矩形传输线的性质和常规的圆同轴线的性质是极为类似的，只是在这里由于外导体短边b要比外导体长边a要小4倍，导致a的影响就会非常小。当限制外导体尺寸a=4mm, b=lmm的情况下,变化内导体尺寸，使得特性阻抗为50 Ω的情况下来研究其插损。在频率是2MHz的情况下，插损如表I所示表I在特性阻抗50 Ω的情况下插损随内导体的变化
权利要求
1.实现TEM波传输的单段钻杆，包括金属钻杆(5)、TEM波传输线(3 )、无线稱合器(4 ),无线耦合器位于金属钻杆上端或/和下端，TEM波传输线与无线耦合器相连，其特征在于，所述TEM波传输线包括矩形的钻杆凹槽(7)、矩形内导体(8)、绝缘介质(9)、外导体涂层(10)； 钻杆凹槽(7)位于金属钻杆(5)内壁上，贯穿金属钻杆上下两端； 矩形内导体(8)置于钻杆凹槽(7)内，与金属钻杆上端或/和下端的无线耦合器(4)相连； 绝缘介质(8 )填充在内导体与钻杆凹槽之间的矩形空间； 矩形的绝缘介质(8)外侧设置外导体涂层(10)，外导体涂层(10)与绝缘介质周围的金属钻杆(5)部分组成传输TEM波的外导体。
2.如权利要求1所述实现TEM波传输的单段钻杆，其特征在于，还包括防冲涂层(11)，所述防冲涂层(11)位于外导体涂层(10)外侧，与金属钻杆内侧弧平面齐平。
3.如权利要求1或2所述实现TEM波传输的单段钻杆，其特征在于，所述绝缘介质为聚四氟乙烯。
4.如权利要求1或2所述实现TEM波传输的单段钻杆，其特征在于，所述内导体材料与外导体涂层材料为铜。
5.如权利要求2所述实现TEM波传输的单段钻杆，其特征在于，所述防冲涂层材料为钛-钥与氮化钛复合材料。
6.如权利要求1所述实现TEM波传输的单段钻杆，其特征在于，由外导体、内导体和绝缘介质组成的矩形TEM波传输线实现目标特性阻抗为50欧。
7.如权利要求1所述实现TEM波传输的单段钻杆，其特征在于，当内导体有多组尺寸满足TEM波传输线目标特性阻抗时，选择插损最小的一组为内导体尺寸。
全文摘要
本发明提供一种实现TEM波传输的单段钻杆，包括金属钻杆、无线耦合器、TEM波传输线，无线耦合器位于金属钻杆上端或/和下端，TEM波传输线与无线耦合器相连，其特征在于，所述TEM波传输线包括矩形的钻杆凹槽、矩形内导体、绝缘介质、外导体涂层；钻杆凹槽位于金属钻杆内壁上，贯穿金属钻杆上下两端；矩形内导体置于钻杆凹槽内；绝缘介质填充在内导体与钻杆凹槽之间的矩形空间；矩形的绝缘介质外侧设置外导体涂层，外导体涂层与绝缘介质周围的金属钻杆部分组成传输TEM波的外导体。本发明利用金属钻杆本身作为外导体，使用较小的尺寸的传输结构在钻杆上实现TEM波有线传输。
文档编号E21B17/00GK103061682SQ20121059047
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者朱柯斌, 孙向阳, 聂在平 申请人:电子科技大学