[发明专利]钻杆内微波通信距离计算及最佳频点确定方法

摘要

本发明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。

主权项

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：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：式中，β_n为各段波导的相移常数；各波导接头(6)的转移参量矩阵为：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：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：则单根钻杆功率传输系数为：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：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S_N，计算公式如下：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：S9：根据所述反射系数，计算N根钻杆连接后的实际输入功率PNi，计算公式如下：式中，PA为发射中继最大输出功率，Pj为接收中继最低接收功率；S10：计算两中继间连接的最优钻杆数Ns，计算公式如下：该方法还包括一个确定最佳频点子步骤：根据钻杆本体的内径an及圆波导中TE11波单模传输的条件1.31an＜λ＜1.70an确定本体内单模传输的频段f1～f2，在f1～f2频段内调整f/，并通过计算对应的Gd值，取最大Gd值对应的f/作为钻杆内微波传输最终设置频点f。