基于鉆柱波導的信號耦合裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及石油、地質勘探等領域的空氣鉆井隨鉆測量井下數據傳輸，具體涉及一種鉆柱波導的信號耦合方法和裝置。
【背景技術】
[0002]在氣體鉆井中，以泥漿作為傳輸介質的隨鉆測量工具無法承擔井下數據傳輸的任務，為實現氣體鉆井數據傳輸目的開發的電磁隨鉆測量工具因為存在傳輸深度小、應用和可靠性過于依賴地層的缺點，較少在氣體鉆井中應用。事實上，井下數據的傳輸依然是氣體鉆井應用場合中的瓶頸。
[0003]最近，有研究機構提出在鉆柱腔體中安裝無線傳感器(氣體鉆井隨鉆地下數據無線傳輸方法，中國專利:200810046435.4)來傳輸井下數據，具體做法是將諸如無線網橋移植到井下，發射2.4G的電磁波，每隔一段鉆柱，安裝一個中繼器，通過中繼器接力到地面。這種方式未能充分考慮在鉆柱中傳輸無線電磁波的特點，采用普通的天線，存在傳輸效率不高，傳輸距離過短，中繼站點過多的問題，無法投入實際應用。
[0004]另外，在中國專利文獻201310179578.3、以及文獻“氣體鉆井MMWD隨鉆數據傳輸及試驗研究”(鉆采工藝，2015 (40)，4)和專利“氣體鉆井隨鉆通訊中繼短節”(中國專利:201310179564.1)中，提出直接利用現成的zigbee節點發射數據的信號耦合方法，由于zigbee的傳輸距離過短，只有100米左右的有效距離，對于一般幾千米井深鉆井施工，需要幾十級接力，施工非常復雜，而且可靠性不高，難以投入實際應用
【發明內容】
[0005]為解決上述問題，本發明提出一種新的信號耦合方式，將從地面到井底的鉆柱當作一個波導腔體，充分考慮波導的信號傳輸特征，最大限度將發射的信號耦合到波導內，并且采用最有利于在波導中傳輸的模式，達到信號衰減的最小化，傳輸距離最大化的目的，從而實現將井下數據通過鉆柱波導傳輸到地面并達到實用化的目的。
[0006]本發明的主要目的在于提供一種裝置，將井下信號的功率按較高效率耦合到鉆柱波導中，并且充分考慮鉆柱波導信號傳輸的特征，實現信號遠距離傳輸。
[0007]根據本發明的實施例，提供了一種基于鉆柱波導的信號耦合裝置，包括線圈骨架
(1)、灌封保護層(2)、線圈(3)、底座(4)，其中，所述線圈(3)繞制在所述線圈骨架(1)上，其外被所述灌封保護層(2)包裹，形成信號傳輸波導，其中，所述線圈骨架(1)和灌封保護層(2)的底部被固定到所述底座(4)上，所述底座(4)被固定到鉆鋌上。
[0008]本發明的有益效果在于:本發明提供的裝置可以很好的解決現在氣體鉆井隨鉆數據傳輸系統信號耦合到鉆柱波導中效率過低，傳輸距離過短問題；本發明提供的裝置安裝簡單，還能抵御高壓氣體對耦合線圈的沖擊，具有較好的實用性。總之，本發明將為氣體鉆井隨鉆數據傳輸技術走向實用化提供一個較好的解決方案。
【附圖說明】
[0009]此處所說明的附圖用來提供對發明的進一步理解，構成本申請的一部分，并不構成對本發明的限定，在附圖中:
[0010]圖1為根據本發明的實施例的基于鉆柱波導的信號耦合裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0011]下面，結合附圖對技術方案的實施作進一步的詳細描述。
[0012]本領域的技術人員能夠理解，盡管以下的說明涉及到有關本發明的實施例的很多技術細節，但這僅為用來說明本發明的原理的示例、而不意味著任何限制。本發明能夠適用于不同于以下例舉的技術細節之外的場合，只要它們不背離本發明的原理和精神即可。
[0013]另外，為了避免使本說明書的描述限于冗繁，在本說明書中的描述中，可能對可在現有技術資料中獲得的部分技術細節進行了省略、簡化、變通等處理，這對于本領域的技術人員來說是可以理解的，并且這不會影響本說明書的公開充分性。
[0014]本發明的主要原理如下:先根據鉆柱波導的直徑確定耦合信號的頻率和傳輸模式，從而確定耦合線圈的設計參數，在傳輸的功率信號從鉆柱底部圓截面圓心位置并垂直于圓截面耦合在鉆柱波導中，其極化方式采用圓極化，以實現具有較高的傳輸效率。
[0015]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細描述。
[0016]圖1為根據本發明的實施例的基于鉆柱波導的信號耦合裝置的結構示意圖。如圖1所示，該裝置主要包括線圈骨架1、灌封保護層2、線圈3、金屬圓盤底座4，其中金屬圓盤底座4上具有沿圓周排列的透氣孔5。
[0017]作為示例，所述線圈2是直徑為0.8mm的銅絲，繞制在聚氟乙烯圓柱形的線圈骨架1上。
[0018]所述線圈3繞制在線圈骨架1上，其外面灌封樹脂絕緣材料成型為圓錐體，作為灌封保護層2，利于氣體通過并保護線圈；包裹線圈3和線圈骨架1的圓錐體被固定在金屬圓盤底座4上，金屬圓盤底座4被固定在鉆鋌上，金屬圓盤底座4上開一定直徑的透氣孔5，既利于氣體流動，也對電磁波具有反射作用。
[0019]綜上，本發明提供一種鉆柱波導信號耦合的裝置，用于將鉆柱腔體視為金屬圓波導，通過設計的線圈將信號耦合到鉆柱中，其傳輸的頻率和模式適合在圓波導中傳輸，具有極小的衰減。
[0020]鉆柱波導信號耦合的實現過程如下:
[0021 ] 1、根據鉆柱的直徑確定傳輸頻率和傳輸模式
[0022]由于TE11是圓波導的主模，本發明采用單模傳輸，其單模傳輸條件是:
[0023]2.62a < λ < 3.41a
[0024]其中a是鉆柱的半徑，λ是信號波長。以常用5寸半鉆桿為例，a = 127/2_，取信號頻率f = 3.4GHz，可使信號處于單模傳輸模式。
[0025]2、根據傳輸頻率和耦合方式確定耦合線圈參數
[0026]為使線圈上的信號最大限度耦合在鉆柱波導，且有利于傳輸，采用兩種條件來保證，一是信號耦合的方向沿著鉆柱軸線向上；二是采用圓極化方式。要達到條件一，線圈的尺寸必須滿足以下條件:D/λ = (0.25-0.46)，D是線圈的直徑；要滿足條件二必須滿足線圈匝數>3，每匝線圈的間距h = JiDb = Ji*1.07ab = 0.783D，其中b是線圈圓極化參數，在此取b = 0.25。
[0027]3、根據傳輸頻率確定底座的孔徑
[0028]底座上的透氣孔5的孔徑直接關系到信號的耦合的效率，如果孔徑太大，信號會有泄漏損失，如果孔徑太小，對氣體流動的阻礙太大。本發明按直徑為λ/2選擇孔徑，并盡可能布滿底座。
[0029]最后，本領域的技術人員能夠理解，對本發明的上述實施例能夠做出各種修改、變型、以及替換，其均落入如所附權利要求限定的本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于鉆柱波導的信號耦合裝置，包括線圈骨架(1)、灌封保護層(2)、線圈(3)、底座⑷， 其中，所述線圈(3)繞制在所述線圈骨架(1)上，其外被所述灌封保護層(2)包裹，形成信號傳輸波導， 其中，所述線圈骨架(1)和灌封保護層(2)的底部被固定到所述底座(4)上，所述底座(4)被固定到鉆鋌上。2.根據權利要求1所述的基于鉆柱波導的信號耦合裝置，其中，所述灌封保護層(2)由樹脂絕緣材料成型為圓錐體。3.根據權利要求1所述的基于鉆柱波導的信號耦合裝置，其中，所述底座(4)為金屬圓盤形狀，其上具有沿圓周排列的多個透氣孔(5)。4.根據權利要求1所述的基于鉆柱波導的信號耦合裝置，其中，所述線圈(2)是直徑為0.8mm的銅絲，所述線圈骨架⑴是由聚氟乙烯材料構成的圓柱形。5.根據權利要求4所述的基于鉆柱波導的信號耦合裝置，其中，所述信號傳輸波導是TEn模式的圓波導，信號采用單模傳輸，其單模傳輸條件是:2.62a < λ < 3.41a， 其中a是鉆柱的半徑，λ是信號的波長。6.根據權利要求5所述的基于鉆柱波導的信號耦合裝置，其中，所述線圈(3)的直徑D/λ = 0.25?0.46，所述線圈(3)的匝數大于3，每匝所述線圈(3)的間距h= JiDb，其中b是所述線圈(3)的圓極化參數。7.根據權利要求6所述的基于鉆柱波導的信號耦合裝置，其中，b= 0.25。8.根據權利要求6所述的基于鉆柱波導的信號耦合裝置，其中，所述透氣孔(5)為孔徑為λ/2的圓形。
【專利摘要】本申請公開了一種基于鉆柱波導的信號耦合裝置，包括線圈骨架(1)、灌封保護層(2)、線圈(3)、底座(4)，其中，所述線圈(3)繞制在所述線圈骨架(1)上，其外被所述灌封保護層(2)包裹，形成信號傳輸波導，其中，所述線圈骨架(1)和灌封保護層(2)的底部被固定到所述底座(4)上，所述底座(4)被固定到鉆鋌上。該裝置可以很好地解決現在氣體鉆井隨鉆數據傳輸系統信號耦合到鉆柱波導中效率過低，傳輸距離過短問題；本發明提供的裝置安裝簡單，還能抵御高壓氣體對耦合線圈的沖擊，具有較好的實用性。總之，本發明將為氣體鉆井隨鉆數據傳輸技術走向實用化提供一個較好的解決方案。
【IPC分類】E21B47/13
【公開號】CN105386755
【申請號】CN201510829014
【發明人】彭烈新, 艾維平, 張連成, 張程光, 弓志謙, 石榮, 王磊, 滕鑫淼, 禹德洲
【申請人】中國石油集團鉆井工程技術研究院
【公開日】2016年3月9日
【申請日】2015年11月25日