摘要 信号传输是随钻测量的关键环节,目前的随钻测井传输技术主要集中在泥浆脉冲传 输、电磁波传输、声波传输、电缆传输等方面,而这些传输方式都有着通信容量受限、 施工成本高、通信距离短、影响钻进效率等缺点。相比而言,随钻光纤通信传输技术有 着传输距离远、带宽大、抗千扰能力强、成本低等巨大的优点,因此有着重要的研究意 义。本文主要对光纤在随钻条件下的弯曲损耗、机械特性开展了理论分析、仿真及实验, 并对随钻光纤通信的工作流程及关键部件进行了研宄设计。主要研宄内容和取得的成果 如下: (1)根据光纤宏弯损耗波动理论及光纤在随钻测井过程中的实际工作条件,通过 Comsol软件对光纤宏弯损耗进行了有限元建模及仿真,研究并得到了标准单模光纤的 宏弯损耗受光纤弯曲半径、弯曲长度、工作温度以及通信波长因素影响的变化规律。 (2)根据宏弯损耗理论计算结果,设计并开展了光纤宏弯损耗测试实验,得到了不 同工作波长、弯曲长度以及温度条件下的能量损耗数据。根据理论及实验结果,验证了 随钻光纤通信在光学通信方面的可行性,同时为钻杆内部光纤的储存条件、通信波长选 型提供了理论指导。 (3)通过分析测井光纤在钻杆内部的受力情况,建立了随钻光纤上端最大张力、轴 向最大应变计算数学模型,并通过实例井资料以及Ansys有限元模型对光纤在井下条件 的机械特性进行了计算分析。同时对单模光纤的最大拉断张力进行了实验。通过理论计 算与实验的数据相互验证,确定了随钻光纤通信在力学上的可行性。 (4)根据随钻测井的实际工况,设计了一种能够储存光纤、内置无线收发模块的通 信绞车部件,并提出了一套随钻光纤通信系统的工作及施工操作流程。通过该通信绞车 及工作流程,能够在不影响正常钻进施工的情况下实现高效率的随钻光纤通信,同时大 大提升了随钻光纤通信的距离、提升通信带宽、降低通信成本。 关键词.随钻,光纤通信,能量损耗,实验研宄,工作流程Abstract 目录 胃1胃绪论1 1.1研究目的和意义 1 1.2国内外研究现状 2 1.2.1泥浆脉冲传输 2 1.2.2电磁波传输 3 1.2.3智能钻杆传输 3 1.2.4声波传输 4 1.2.5光纤传输 4 1.3研究内容及路线 5 1.3.1研宄内容 5 1.3.2研究路线 6 第2章光纤通信基本原理 8 2.1光纤通信原理 8 2.2单模光纤的能量损耗特性 9 2.2.1单模光纤的弯曲损耗理论 9 2.2.2单模光纤的其他损耗 10 2.2.3单模光纤的损耗指标 11 2.3单模光纤损、耗的主要测试方法 12 2.3.1绝对功率测量法 12 2.3.2后向散射法 12 第3章随钻光纤通信能量损耗研究 14 3.1单模光纤弯曲损耗计算 14 3.1.1弯曲损耗基本计算模型 15 3.1.2弯曲损耗受温度影响计算模型 17 3.2单模光纤弯曲损耗数值模拟 18 3.2.1Comosl全局基本参数设置 18 3.2.2光纤模型及网格绘制 19 3.2.3有限元模型求解 20 3.2.4有限元模型计算结果及分析 23 3.3单模光纤弯曲损耗实验研究 26 3.3.1光纤弯曲损耗实验原理及步骤 26 3.3.2弯曲损耗受通信波长因素影响实验 29 3.3.3弯曲损耗受弯曲长度因素影响实验 32 I3.3.4弯曲损耗受温度变化因素影响实验 35 3.3.5光纤耦合夹持器实验 37 3.4本章小结41 第4章随钻光纤机械特性分析 42 4.1测井光纤张力计算模型 42 4.2光纤机械特性理论计算 44 4.2.1光纤上端最大张力计算 44 4.2.2轴向应变计算 47 4.3有限元仿真分析 49 43.1AnsysWorkbench有限元模型建立 49 4.3.2有限元仿真流场计算 51 4.3.3有限元仿真结构计算及结果分析 53 4.4光纤机械特性实验 56 4.4.1光纤上端最大张力计算 56 4.4.2高温环境实验 57 4.5本章小结59 第5章通信流程及关键部件研究 60 5.1随钻光纤通信关键问题 60 5.2系统整体通信方案的设计 60 5.3光纤通信绞车设计 62 5.4配合钻杆续接的无缝通信流程 63 5.5本章小结