[发明专利]实现TEM波传输的单段钻杆

说明书

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^TM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TEM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。

附图说明

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1和二号钻杆2通过螺纹5连接，一号钻杆1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。