一种基于金属空芯波导的随钻通信装置.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109989745A(43)申请公布日2019.07.09(21)申请号201910371713.1(22)申请日2019.05.06(71)申请人中国计量大学地址310018浙江省杭州市江干经济开发区学源街258号(72)发明人王怡张敏惠(74)专利代理机构杭州求是专利事务所有限公司33200代理人邱启旺(51)Int.Cl.E21B47/135(2012.01)权利要求书1页说明书5页附图2页(54)发明名称一种基于金属空芯波导的随钻通信装置(57)摘要本发明提供一种基于金属空芯波导的随钻通信装置，属于通信装置领域，包括钻杆、钻头、WIFI通信模块、金属空芯波导、石墨烯颗粒导光胶、光纤传感器、太赫兹光波收发器及随钻测井仪器等。本发明具有通过对钻杆内部进行结构设计，挖孔镀层，使续接钻杆内孔成为金属空芯波导，再以太赫兹光波为传输媒质进行传输井下数据，具有损耗低、带宽大、传输距离远、安全性高等优点，在随钻通信领域有很好的应用前景。CN109989745ACN109989745A权利要求书1/1页1.一种基于金属空芯波导的随钻通信装置，其特征在于：至少包括钻杆、钻头、WIFI通信模块、金属空芯波导、井上太赫兹光波收发器、井底太赫兹光波收发器及随钻测井仪器；钻头安装在钻杆的下端，所述钻杆包括位于上端的方钻杆和连接于所述方钻杆下方的若干节续接钻杆；所述WIFI通信模块和井上太赫兹光波收发器嵌于方钻杆底部；各节续接钻杆内部具有连续的圆形孔道，圆形孔道内设置金属空芯波导，金属空芯波导为中空结构，包括内层的介质层和外层的金属层；随钻测井仪器和井底太赫兹光波收发器嵌于钻头内，随钻测井仪器、井底太赫兹光波收发器、金属空芯波导、井上太赫兹光波收发器、WIFI通信模块依次连接。太赫兹光波收发器产生的太赫兹光波波长λ和金属空芯波导半径R需要满足：2.62R<λ<3.41R。2.根据权利要求1所述的一种基于金属空芯波导的随钻通信装置，其特征在于：所述钻杆之间通过钻杆接头螺纹续接。3.根据权利要求1所述的一种基于金属空芯波导的随钻通信装置，其特征在于：所述金属空芯波导接头处通过石墨烯颗粒导光胶柔性耦合连接。4.根据权利要求1所述的一种基于金属空芯波导的随钻通信装置，其特征在于：所述金属空芯波导的介质层为13μm厚度的聚苯乙烯，金属层为银层。5.根据权利要求1所述的一种基于金属空芯波导的随钻通信装置，其特征在于：所述金属空芯波导末梢为光栅结构。2CN109989745A说明书1/5页一种基于金属空芯波导的随钻通信装置技术领域：[0001]本发明属于通信装置领域，具体涉及一种基于金属空芯波导的随钻通信装置。背景技术：[0002]随钻测量是在钻头钻进方向确定的前提下，不间断地测量获取钻头附近有关参量信息的技术手段，并将测量信息实时的传输到地表，该技术作为先进的测井技术被广泛应用到各种复杂情况下的石油勘探开发中。随钻测量所获得信息如何稳定的、快速的传输到地表一直是研究重点。[0003]当前随钻传感器信息无线传输方式，主要有泥浆脉冲传输、声波传输、井下电磁波传输三种介质方式。泥浆脉冲方式成熟可靠，然而误码率高，数据传输率低，约0.5～5bit/s。声波传输测井信号，传输率可达100bit/s，可用于深井测量，不足之处是易受环境干扰，信号衰减快，需要中继电路完成深井探测任务，发展前途有限。地层信道特点与空气信道不同，地层信道对电磁波有较大的损耗。对土层和岩石介质的研究表明，这些介质属于容性半导电媒质，本质上决定传导电磁波的速率非常有限。[0004]有线传输即在钻柱中嵌入多芯铜导线，不仅可以从地上向井下输送电能，还可以实现地面和井下全双工的大信息量、宽带的传输系统，信息传输速率高，而且信息传输不受钻井液流体类型和性能的影响。但是其铺设麻烦且所用钻杆是由一节一节的短节组成，如若钻杆高速转动，运用电缆传输信号非常困难，且电缆的维护维修成本较高，电缆受到损坏将直接影响到整个系统的正常运行。同时，速率有限又需要中继，无法实时传输跨尺度图像传感网络信息和多层次图像感知信息。[0005]综上所述，传统随钻通信存有的问题为：无线传输方式易受环境干扰，信号衰减快且传输速率低下；有线传输方式电缆铺设麻烦，维修成本高，传输速度有限，钻杆续接繁杂。[0006]太赫兹波导是太赫兹光波的传输通道，是各类太赫兹系统中不可或缺的关键组成部分。其中，太赫兹金属波导在太赫兹辐射源、安全检查和生物医学等领域有着成熟的应用。但是将太赫兹金属波导运行于通信领域还未有实际应用。随钻通信领域研究重点围绕着信道传输特性、信源编码和信息处理方法等方面展开，但对其他通信方式运用研究还未有报道。[0007]在钻杆内部挖制金属空芯波导，从一定程