钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法技术

本发明专利技术公开了钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法，将钻杆变换为阶梯微波波导，根据钻杆内壁结构，计算主模工作条件下单根钻杆微波功率传输系数的方法；根据发射中继最大输出功率及接收中继最低接收功率，计算两中继间最优连接钻杆数。本发明专利技术能根据钻杆内壁结构，计算单根钻杆在主模工作条件下微波功率传输系数，了解其微波传输性能，且原理简单，运算量小；同时，能通过发射中继最大输出功率及接收中继最低接收功率，计算两中继间装备的最优钻杆数，对气体钻井钻柱设计及微波随钻测量施工设计具有指导意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及油气开采领域，气体钻井井下随钻监测工艺中，尤其涉及钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法。
技术介绍
在油气开采钻井工程中，为实现安全、快速、优质的钻井，需要开展井下随钻监测，以准确及时的掌握井下的地层流体、地层岩性、储层物性以及钻头的工作状态等信息。这些信息的获取主要通过在钻头、钻柱上安装各种传感器，并利用信号传输技术将传感器输出的信号传输到地面来实现。在气体钻井施工中，可通过在钻柱中发射微波信号来传输井下信息，微波在钻柱中传输速率极高，地面能实时获取井下信息，且该方式具有较高的带宽，从而实现高效、高速、大数据量的井下随钻监测。但由于钻柱内空间及钻井工艺的限制，目前微波发射器只能采用电池供电方式，限制了其发射功率及有效传输距离。因此对于超千米的井深，从井底到地面每隔一段距离需要安装一个微波中继器，将井下信息逐级中继输送到地面接收设备。目前在气体钻井钻柱结构的设计中，两微波中继器的距离一般设置为200米左右，并将微波通信频点设置在常用的2.4GHz。这种设计方法存在有以下一些问题：(1)目前常用的200米距离设定值，是根据API5吋钻杆在地面实测结果所确定的参考值，尚无任何的理论计算方法和计算公式。但钻井施工工艺中钻柱组合形式多样，钻柱结构复杂多变，200米通信距离往往并不是最合适的通信距离，如完全依靠事先在地面进行模拟测试确定，经常会由于地面条件限制等原因而无法开展。但该参数又是气体钻井微波随钻监测系统设计的重要参数，如果该通信距离短于最优值则中继数较多，即存在多余中继，必将大幅增加气体钻井施工难度和风险；如果该通信距离长于最优值，则可能导致信号不稳定甚至中断，大幅降低井下随钻监测的可靠性。钻井现场也采取过在下钻过程中实时监测微波信号强度，以确定是否安装新中继入井的方法，但这种方法无预估性，大幅增加了随钻监测工艺的工作量和施工难度，也难以满足气体钻井现场施工的要求。(2)钻柱结构复杂，存在大量的接头和变径段，设置的2.4GHz频点是根据民用通信协议设定，该频点微波发射器有可能在钻柱中激发出多种模式的微波波形。根据微波理论可知，各种波型的衰减系数差别很大，且多种电磁波会因极化简并作用而互相干涉，造成波形能量大幅衰减。所以应根据钻柱结构设置最优的频点，使其反射损耗、多模衰减最小从而达到最远传输距离。但在气体钻井施工中，目前还没有可靠、切实可行的最优频点确定方法。(3)目前市面上有HFSS、CST等专业的电磁场分析软件，功能强大且分析结果精确，但这些软件建模、分析过程异常复杂，且无法根据现场需要进行二次开发，因此只适合微波领域专业人士作为理论分析工具。而且该类软件的分析结果无法集成到现有的钻井工程设计软件中进行直观解释，所以难以被钻井工程领域的设计人员所利用和掌握。更为重要的是，钻杆的长度在10米左右，3根钻杆首尾连接构成的一柱钻杆单元长度在30米左右，且内部结构复杂，因此应视为超长不规则圆波导。如用HFSS等软件不仅建模困难，而且该类软件采用有限元法进行分析，计算量非常巨大，不仅对计算机的要求很高，且耗时过长，根本无法满足钻柱结构设计的需求。因此气体钻井钻柱结构设计过程中急需简单、直观、运算量较小的钻柱内微波通信距离计算方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法，将钻杆变换为阶梯微波波导，根据钻杆内壁结构，计算主模工作条件下单根钻杆微波功率传输系数的方法；根据发射中继最大输出功率及接收中继最低接收功率，计算两中继间最优连接钻杆数；方法原理简单，计算量小，对气体钻井微波随钻测量施工设计具有指导意义。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法，它包括以下步骤：S1：将钻杆内壁视为不规则圆柱形波导，微波信号的频点为f；将两个中继天线之间的内壁结构建立为一根钻杆单元，将所述钻杆单元中内径不变的管段视为等径波导段，内径不连续的突变点视为一个波导接头；S2：用圆波导中最低次模TE11模式作为传输波形，根据传输线等效电路法的等效原则，计算各等径波导段填充空气介质时的等效阻抗作为其特征阻抗，公式如下：Zc,n=5201-(λ/λc,n)2]]>式中λ为采用f频点微波信号对应波长，λc,n为TE11波形在各波导段的截止波长，由各波导段的内径an确定；S3：由于钢制钻杆的内壁为良导体，将各钻杆等径波导段用无耗传输线等效，各波导段的转移参量矩阵为：ALn‾=cosβnlnjsinβnlnjsinβnlncosβnln]]>式中，βn为各段波导的相移常数；各波导接头的转移参量矩阵为：ATm‾=Zc,m+1Zc,m00Zc,mZc,m+1;]]>S4：根据上式得到一根钻杆单元的2×2维波导转移矩阵为：A/‾=AL1‾·AT1‾·AL2‾...ALn-1‾·ATm‾·ALn‾=cosβ1l1jsinβ1l1jsinβ1l1cosβ1l1·Zc,2Zc,100Zc,1Zc,2·cosβ2l2jsinβ2l2jsinβ2l2cosβ2l2···cosβn-1ln-1jsinβn-1ln-1jsinβn-1ln-1cosβn-1ln-1·Zc,nZc,n-100Zc,n-1Zc,n·cosβnlnjsinβnlnjsinβnlncosβnln=A‾B‾C‾D‾]]>S5：将所述中继器天线所在的平面视为波端口，所述平面与钻柱轴线垂直，发射天线所在的平面为输入端口1，接收天线所在的平面为输出端口2；根据一根钻杆单元的转移矩阵求取钻杆单元的散射矩阵S，其中端口1向端口2的电压传输参数S21为：S21=2A‾+B‾+C‾+D‾]]>则单根钻杆功率传输系数为：Gd=|S21|2=P2P1]]>上式中1、2为波端口编号；S6：N根钻杆连接后形成级联钻杆波导，所述级联钻杆波导的2×2维波导转移矩阵为：AN/‾=ΠNA/‾=AN‾BN‾CN‾DN‾]]>S7：发射天线所在的平面为输入端口1，接收天线所在的平面为输出端口2；根据所述钻杆单元散射矩阵的计算方法，利用所述N根钻杆连接后的级联钻杆波导转移矩阵求取其散射矩阵SN：SN=SN,11SN,12SN,21SN,22AN‾+BN‾-CN&本文档来自技高网...

【技术保护点】
钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1：将钻杆内壁视为不规则圆柱形波导，微波信号的频点为f；将两个中继天线之间的内壁结构建立为一根钻杆单元，将所述一根钻杆单元中内径不变的管段视为等径波导段(8)，内径不连续的突变点视为一个波导接头(6)；最终将一根钻杆单元内壁沿轴向划分为n段长度为ln、内径为an的波导段与m个波导接头(6)的级联；S2：用圆波导中最低次模TE11模式作为传输波形，根据传输线等效电路法的等效原则，计算各等径波导段(8)填充空气介质时的等效阻抗作为其特征阻抗，公式如下：Zc,n=5201-(λ/λc,n)2]]>式中λ为采用f频点的微波信号对应波长，λc,n为TE11波形在各波导段的截止波长，由各波导段的内径an确定；S3：由于钢制钻杆的内壁为良导体，将各钻杆等径波导段(8)用无耗传输线等效，各波导段的转移参量矩阵为：ALn‾=cosβnlnj sinβnlnj sinβnlncosβnln]]>式中，βn为各段波导的相移常数；各波导接头(6)的转移参量矩阵为：ATm‾=Zc,m+1Zc,m00Zc,mZc,m+1;]]>S4：根据上式得到一根钻杆单元的2×2维波导转移矩阵计算公式如下：A/‾=AL1‾·AT1‾·AL2‾...ALn-1‾·ATm‾·ALn‾=cosβ1l1j sinβ1l1j sinβ1l1cosβ1l1·Zc,2Zc,100Zc,1Zc,2·cosβ2l2j sinβ2l2j sinβ2l2cosβ2l2···cosβn-1ln-1j sinβn-1ln-1j sinβn-1ln-1cosβn-1ln-1·Zc,nZc,n-100Zc,n-1Zc,n·cosβnlnj sinβnlnj sinβnlncosβnln=A‾B‾C‾D‾]]>S5：将中继器天线(11)所在的平面视为波端口，所述平面与钻柱轴线垂直，发射天线所在的平面为输入端口1，接收天线所在的平面为输出端口2；根据一根钻杆单元的波导转移矩阵求取钻杆单元的散射矩阵S，其中S21参数为：S21=2A‾+B‾+C‾+D‾]]>则单根钻杆功率传输系数为：Gd=|S21|2=P2P1]]>上式中1、2为波端口编号；S6：N根钻杆连接后形成级联钻杆波导，所述级联钻杆波导的2×2维波导转移矩阵为：AN/‾=ΠNA/‾=AN‾BN‾CN‾DN‾]]>S7：根据钻杆单元散射矩阵的计算方法，利用N根钻杆连接后的级联钻杆波导转移矩阵计算其散射矩阵SN，计算公式如下：SN=SN,11SN,12SN,21SN,22AN‾+BN‾-CN‾-DN‾AN‾+BN‾+CN‾+DN‾,2|AN/‾|AN‾+BN‾+CN‾+DN‾2AN‾+BN‾+CN‾+DN‾,-AN‾+BN‾-CN‾+DN‾AN‾+BN‾+CN‾+DN‾]]>S8：将发射中继器视为信号源，内阻抗为ZS，对应连接波导的特性阻抗为Zc,1；同时将接收中继器视为负载，内阻抗为ZL，对应连接波导的特性阻抗为Zc,n，则输入端口向信号源的反射系数ΓNS、输出端口向负载的反射系数ΓNL、N根钻杆连接的级联钻杆波导输入反射系数ΓNi的计算公式分别为：ΓNS=ZS-Zc,1ZS+Zc,1,ΓNL=ZL-Zc,nZL+Zc,n,ΓNi=SN,11...

【技术特征摘要】
1.钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1：将钻杆内壁视为不规则圆柱形波导，微波信号的频点为f；将两个中继天线之间的内壁结构建立为一根钻杆单元，将所述一根钻杆单元中内径不变的管段视为等径波导段(8)，内径不连续的突变点视为一个波导接头(6)；最终将一根钻杆单元内壁沿轴向划分为n段长度为ln、内径为an的波导段与m个波导接头(6)的级联；S2：用圆波导中最低次模TE11模式作为传输波形，根据传输线等效电路法的等效原则，计算各等径波导段(8)填充空气介质时的等效阻抗作为其特征阻抗，公式如下：Zc,n=5201-(λ/λc,n)2]]>式中λ为采用f频点的微波信号对应波长，λc,n为TE11波形在各波导段的截止波长，由各波导段的内径an确定；S3：由于钢制钻杆的内壁为良导体，将各钻杆等径波导段(8)用无耗传输线等效，各波导段的转移参量矩阵为：ALn‾=cosβnlnjsinβnlnjsinβnlncosβnln]]>式中，βn为各段波导的相移常数；各波导接头(6)的转移参量矩阵为：ATm‾=Zc,m+1Zc,m00Zc,mZc,m+1;]]>S4：根据上式得到一根钻杆单元的2×2维波导转移矩阵计算公式如下：A/‾=AL1‾·AT1‾·AL2‾...ALn-1‾·ATm‾·ALn‾=cosβ1l1jsinβ1l1jsinβ1l1cosβ1l1·Zc,2Zc,100Zc,1Zc,2·cosβ2l2jsinβ2l2jsinβ2l2cosβ2l2···cosβn-1ln-1jsinβn-1ln-1jsinβn-1ln-1cosβn-1ln-1·Zc,nZc,n-100Zc,n-1Zc,n·cosβnlnjsinβnlnjsinβnlncosβnln=A‾B‾C‾D‾]]>S5：将中继器天线(11)所在的平面视为波端口，所述平面与钻柱轴线垂直，发射天线所在的平面为输入端口1，接收天线所在的平面为输出端口2；根据一根钻杆单元的波导转移矩阵求取钻杆单元的散射矩阵S，其中S21参数为：S21=2A‾+B‾+C‾+D‾]]>则单根钻杆功率传输系数为：Gd=|S21|2=P2P1]]>上式中1、2为波端口编号；S6：N根钻杆连接后形成级联钻杆波导，所述级联钻杆波导的2×2维波导转移矩阵为：AN/‾=ΠNA/‾=AN‾BN‾CN‾DN‾]]>S7：根据钻杆单元散射矩阵的计算方法，利用N根钻杆连接后的级联钻杆波导转移矩阵计算其散射矩阵SN，计算公式如下：SN=SN,11SN,12SN,21SN,22AN‾+BN‾-CN‾-DN‾AN‾+BN‾+CN&O...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏文鹤，孟英峰，李皋，陈一健，官文婷，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51