專利名稱：用于有線油管的井下遙測(cè)系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
現(xiàn)代石油鉆井和開采作業(yè)需要大量關(guān)于井下參數(shù)和狀況的信息。這些信息一般包括地球地層特征以及關(guān)于井眼自身的信息?？捎脕?lái)采集井下信息的方法包括電纜測(cè)井、隨鉆測(cè)井(“LWD”)、以及地震成像。在鉆井完成之后，可通過(guò)永久放置傳感器、電纜測(cè)井、以及地震監(jiān)測(cè)來(lái)執(zhí)行井下數(shù)據(jù)采集。
在常規(guī)的電纜測(cè)井中，在已經(jīng)鉆鑿了部分或全部礦井之后，將包括有地層傳感器的探針(“探頭”)向下放入井眼中。探測(cè)裝置的頂端連接到電纜，該電纜將探測(cè)裝置懸掛在井眼中。電纜將電源從地面?zhèn)鬏數(shù)教筋^裝置，并將信息從探頭裝置傳輸?shù)降孛妗ｋ娎|測(cè)井通常要求在開始測(cè)井之前將鉆柱或采油管從井眼中移出。因此，在鉆井或開采作業(yè)期間不能執(zhí)行電纜測(cè)井。
在LWD中，從其名稱可看出，在鉆井過(guò)程中可采集數(shù)據(jù)。在鉆井過(guò)程期間采集并處理數(shù)據(jù)消除了移除鉆井組件以插入電纜測(cè)井工具的需要。因此LWD向鉆孔機(jī)提供了更佳控制，并允許性能優(yōu)化和最小化停工時(shí)間。對(duì)測(cè)量關(guān)于鉆井組件的移動(dòng)與位置的井下狀況的設(shè)計(jì)作為“隨鉆測(cè)量”技術(shù)或“MWD”已經(jīng)眾所周知。LWD一般更專注于地層參數(shù)的測(cè)量，但是術(shù)語(yǔ)MWD和LWD通常是可互換使用的。為了本公開的目的，術(shù)語(yǔ)LWD可理解成此術(shù)語(yǔ)包括地層參數(shù)的采集與關(guān)于鉆井組件的移動(dòng)和位置的信息的采集。
在LWD中，測(cè)井儀器通常位于鉆柱的下端。該儀器可連續(xù)或間斷地工作，以監(jiān)測(cè)預(yù)定的鉆井參數(shù)和地層數(shù)據(jù)。然后使用一些遙測(cè)技術(shù)來(lái)將信息發(fā)送到地面接收器。存在各種遙測(cè)系統(tǒng)，包括泥漿脈沖系統(tǒng)以及通過(guò)鉆柱發(fā)送聲音信號(hào)的系統(tǒng)。
在地震成像中，地震波通過(guò)地球地層傳輸并在各種邊界和間斷面反射。地震成像涉及在地面上或在期望了解的地下地層的位置附近的井眼中架線數(shù)百個(gè)監(jiān)聽設(shè)備。一旦已經(jīng)放置了監(jiān)聽設(shè)備，就會(huì)對(duì)所產(chǎn)生的地震波造成干擾。當(dāng)這些波穿過(guò)地層并遇到地層邊界時(shí)，一些波能就會(huì)反射回地面。通過(guò)適當(dāng)處理接收到的信號(hào)，可構(gòu)造地表地層的三維圖象。
上述數(shù)據(jù)采集方法主要用來(lái)定位和鉆開油氣層。一旦儲(chǔ)集層被鉆開，目標(biāo)就變成盡可能多地從該層中開采油氣。傳感器被置入井眼中，以監(jiān)測(cè)壓強(qiáng)、溫度、液體成分、以及流量。電纜工具可用來(lái)搜索先前錯(cuò)失的完井機(jī)會(huì)。最后，長(zhǎng)期的地震監(jiān)測(cè)可用來(lái)識(shí)別油氣層及其周圍的流體流動(dòng)圖。
信息對(duì)于石油和天然氣工業(yè)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。所具有的與油氣層中油氣的位置和流動(dòng)圖相關(guān)的信息越多，則越可能在最佳位置鉆開油氣層，并可利用其全部?jī)?chǔ)量。因此，通常制造出更新及更復(fù)雜的傳感器裝置并置入鉆井中，這些傳感器裝置是如此之多以致于現(xiàn)有的遙測(cè)技術(shù)已變得不夠用了。出于這些原因，需要具有能夠支持鉆井傳感器與地面裝置之間的高速率通信的通信技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本文公開了一種在由感耦管形成的信道上使用離散多音頻(“DMT”)調(diào)制信號(hào)的通信系統(tǒng)。在一實(shí)施例中，該通信系統(tǒng)包括將傳送器耦合到接收器的接線管柱的鉆桿接頭。該管柱中的各個(gè)桿接頭具有被配置成用于機(jī)械連接到其它桿接頭的螺紋端。傳送器和接收器通過(guò)經(jīng)由接線管柱傳輸?shù)腄MT調(diào)制信號(hào)進(jìn)行通信。該系統(tǒng)還可在管柱中包括多個(gè)中繼器。各個(gè)中繼器可被配置成接收DMT-調(diào)制信號(hào)、從該DMT-調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)信息、以及以DMT-調(diào)制信號(hào)形式重發(fā)信息。


為了詳細(xì)描述各個(gè)發(fā)明實(shí)施例，現(xiàn)在將參考附圖，其中圖1示出一示例性鉆井環(huán)境；圖2示出鉆桿連接器的剖視圖；圖3示出鉆桿之間的連接的橫截面視圖；圖4示出第一示例性鉆桿線路配置；圖5示出第二示例性鉆桿線路配置；圖6示出第一示例性中繼器配置；圖7示出第二示例性中繼器配置；圖8示出示例性接收信號(hào)頻譜；圖9A和9B示出信號(hào)強(qiáng)度對(duì)位置的示例性曲線圖；圖10示出第三示例性中繼器配置；圖11示出圖10中繼器的接收信號(hào)頻譜；圖12示出示例性離散多音頻(“DMT”)收發(fā)器的框圖；
圖13示出可用來(lái)建立多鏈路信道的一種示例性方法；以及圖14示出可用來(lái)建立單通信鏈路的一種示例性方法。
雖然本發(fā)明易于有各種變體和替代方案，但是其具體實(shí)施例將在附圖中作為示例示出，并在本文中進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解附圖和對(duì)其的詳細(xì)說(shuō)明并非旨在將本發(fā)明限制在所公開的特定方案中，相反本發(fā)明將涵蓋所有落在由附加權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)的所有變體、等效方案、以及可替代方案。
注釋和術(shù)語(yǔ)特定術(shù)語(yǔ)將用來(lái)在以下的整個(gè)說(shuō)明書和權(quán)利要求中指示特定系統(tǒng)元件。如本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解的，各個(gè)公司將可能使用不同名稱來(lái)指示同一元件。本文件并非旨在區(qū)分名稱不同而功能相同的元件。在以下討論和權(quán)利要求中，術(shù)語(yǔ)“包含”和“包括”將被廣泛使用，因此應(yīng)當(dāng)理解成“包括，但不限于…”。同樣，術(shù)語(yǔ)“耦合”或“連接”也旨在說(shuō)明非直接或直接電連接。因而，如果第一設(shè)備連接到第二設(shè)備，該連接可能通過(guò)直接電連接，或者通過(guò)經(jīng)由其它設(shè)備和連接的非直接電連接。在此公開的上下文中，術(shù)語(yǔ)逆流和順流一般分別指將信息從地下裝置傳輸?shù)降孛嫜b置，以及從地面裝置傳輸?shù)降叵卵b置。另外，術(shù)語(yǔ)地面和地下是相對(duì)術(shù)語(yǔ)。事實(shí)上，描述為在地面上的特定硬件并不一定意味著它必須是物理上處于地球表面之上；而是僅僅描述地面和地下裝置的相對(duì)位置。
具體實(shí)施例方式
圖1示出在鉆井作業(yè)期間的示例性油井。鉆井平臺(tái)2配備了支承提升機(jī)6的井架4。油井和天然氣井的鉆井通常使用通過(guò)“鉆具”接頭7連接在一起以形成鉆柱8的鉆桿來(lái)執(zhí)行。提升機(jī)6懸掛用來(lái)通過(guò)轉(zhuǎn)盤放下鉆柱8的方鉆桿10。鉆頭14連接到鉆柱8的下端。該鉆頭14通過(guò)旋轉(zhuǎn)鉆柱8或通過(guò)操作鉆頭附近的井下馬達(dá)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)。鉆頭14的轉(zhuǎn)動(dòng)使井眼延伸。
鉆井液通過(guò)循環(huán)裝置16經(jīng)由輸送管18抽運(yùn)、再通過(guò)方鉆桿10、并向下通過(guò)高壓和高容量鉆柱8從噴嘴排出或從鉆頭14噴出。然后鉆井液經(jīng)由鉆柱8外部與井壁20之間的環(huán)形套筒、通過(guò)防噴器(未具體示出)向上輸送回井眼，并進(jìn)入地面上的泥漿池24。在地面上，鉆井液進(jìn)行凈化并通過(guò)循環(huán)裝置16進(jìn)行循環(huán)。鉆井液冷卻鉆頭14、將鉆屑傳送到地面、并平衡巖層中的流體靜壓力。
井下儀器異徑接頭(Sub)26可連接到與地面通信、以提供遙測(cè)信號(hào)和接收命令信號(hào)的遙測(cè)發(fā)送器28。地面收發(fā)器30可連接到方鉆桿10以接收所發(fā)送的遙測(cè)信號(hào)并向井下發(fā)送命令信號(hào)?；蛘?，地面收發(fā)器可連接到索具的另一部分或連接到鉆柱8?？梢匝劂@柱設(shè)置一個(gè)或多個(gè)中繼器模塊32，以接收和轉(zhuǎn)發(fā)遙測(cè)和命令信號(hào)。地面收發(fā)器30連接到可采集、存儲(chǔ)、處理、以及分析遙測(cè)信息的測(cè)井裝置(未示出)。
遙測(cè)和命令信號(hào)可通過(guò)嵌入鉆桿中的電導(dǎo)線來(lái)傳送。鉆具接頭中的耦合器將一鉆桿的電導(dǎo)線連接到下一鉆桿的電導(dǎo)線。已提出了各種連接技術(shù)，并且它們?cè)贛ichael J.Jellison等人的于2003年2月在阿姆斯特丹的IADC/SPE鉆井會(huì)議上的“遙測(cè)鉆桿井下網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)技術(shù)(Telemetry Drill PipeEnabling Technology for theDownhole Internet)”中概述。所提出的連接技術(shù)包括直接電連接和電感連接。本公開特別感興趣的是電感耦合器。
圖2示出鉆桿連接器(一“銷”端)202的剖視圖。鉆桿連接器202具有由錐形和螺紋表面206圍繞的中心孔204。在連接器202的端面上是圍繞中心孔204的電感耦合器208。電感耦合器208通過(guò)電導(dǎo)線210電連接到鉆桿相對(duì)端的電感耦合器。
圖3示出由管腳端連接器202和相匹配的“套筒端”(box end)連接器302形成的鉆具接頭的橫截面視圖。電感耦合器208緊靠套筒端連接器302中匹配的電感耦合器308。類似于電感耦合器208，電感耦合器308通過(guò)電導(dǎo)線310電連接到相對(duì)端的電感耦合器。電感耦合器208、308沒(méi)有任何定向要求。
圖4示出可對(duì)電感耦合器使用的第一線路配置。示出了用于兩個(gè)鉆桿402、404、以及鄰接連接器的接線。鉆桿402在相對(duì)兩端具有電感耦合器408和410。耦合器408用鄰接連接器與耦合器406相匹配。鉆桿404在相對(duì)兩端具有電感耦合器412和414。電感耦合器412與電感耦合器410相匹配，而耦合器414用鄰接連接器與耦合器416相匹配。線路配置的這種對(duì)稱特性允許雙向通信。
為了理解圖4配置的操作，假定交變電流“I”流過(guò)電感耦合器406。電感耦合器406是響應(yīng)于電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的多匝線圈。電感耦合器408是駐留在該磁場(chǎng)中的多匝線圈。磁場(chǎng)在電感耦合器408中感生電流，且該電流從耦合器408傳導(dǎo)到電感耦合器410，其中該過(guò)程重復(fù)。在一實(shí)現(xiàn)中，各個(gè)鉆具接頭上的信號(hào)損耗是很小的幾分之一分貝，從而允許信號(hào)在需要任何增強(qiáng)或激活增強(qiáng)之前在許多鉆桿上傳送。
圖5示出可對(duì)電感耦合器使用的另一線路配置。示出了用于兩個(gè)鉆桿502、504、以及鄰接連接器的接線。鉆桿502在相對(duì)兩端具有電感耦合器508和510。耦合器508用鄰接連接器與耦合器506相匹配。鉆桿504在相對(duì)兩端具有電感耦合器512和514。電感耦合器512與耦合器510相匹配，同時(shí)耦合器514用鄰接連接器與耦合器516相匹配。線路配置的這種對(duì)稱特性也允許雙向通信。
為了理解圖5配置的操作，假定交變電流“I”流過(guò)電感耦合器506。電感耦合器506是響應(yīng)于電流產(chǎn)生電場(chǎng)(或，如果被導(dǎo)電材料包圍，則是電流密度分布)的螺旋管。電感耦合器508是駐留在該電場(chǎng)(或電流密度分布)中的螺旋管。電場(chǎng)(或電流密度分布)在電感耦合器508中感生電流，且該電流從耦合器508傳導(dǎo)到耦合器510，其中該過(guò)程重復(fù)。在美國(guó)專利No.4,605,268(變壓器電纜連接器“Transformer Cable Connector”)中提供有一示例性實(shí)現(xiàn)。
通過(guò)鉆柱中的感耦線路傳播的信號(hào)由于衰減、連接器上阻抗的不匹配、以及連接器上的不良耦合而遭受損耗。雖然這些損耗對(duì)于各個(gè)連接器和鉆桿而言是細(xì)微的，但是累積損耗可能會(huì)相當(dāng)顯著，以致需要使用一個(gè)或多個(gè)中繼器，即接收和轉(zhuǎn)發(fā)信息的設(shè)備，由此來(lái)克服信號(hào)損耗。
圖6示出可用于感耦鉆桿遙測(cè)的一示例性中繼器配置。鉆桿602包括通過(guò)變壓器604耦合到一條或兩條電導(dǎo)線的中繼器模塊605。中繼器模塊605包括混合電路606和回波抵消器608。混合電路606是雙向通道(鉆桿602的電導(dǎo)線)與兩個(gè)單向通道之間的接口?；旌想娐?06從回波抵消器608處接收發(fā)送信號(hào)并將發(fā)送信號(hào)耦合到變壓器604?；旌想娐?06還檢測(cè)來(lái)自變壓器604的接收信號(hào)，并向回波抵消器608提供所檢測(cè)的接收信號(hào)?；夭ǖ窒?08包括生成對(duì)由發(fā)送信號(hào)引起的干擾的估算的濾波器610；以及從接收信號(hào)中減去所估算干擾的加法器612。濾波器610可根據(jù)諸如在Haykin的教科書“自適應(yīng)濾波器原理”(Adaptive FilterTheory)中所描述的公知技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)為自適應(yīng)濾波器。
圖6的示例性配置使用了耦合在中繼器模塊605與電導(dǎo)線之間的變壓器。圖7示出一可選中繼器配置，其中中繼器模塊605電連接在鉆桿702的電導(dǎo)線之間。在這兩個(gè)配置中，電導(dǎo)線并不端接到中繼器模塊605。這種情況允許信號(hào)沿鉆柱傳播并經(jīng)過(guò)中繼器。這種傳播即使在中繼器故障時(shí)也允許連續(xù)通信(雖然是以下降速率)。
中繼器模塊605包括分別被配置成發(fā)送和接收離散多音頻(“DMT”)調(diào)制信號(hào)的發(fā)送器和接收器(示例性發(fā)送器/接收器(“收發(fā)器”)將在以下圖12的說(shuō)明中進(jìn)行討論。)。圖8示出已被劃分成三個(gè)頻帶的通道的示例性接收信號(hào)頻譜。通道帶寬劃分成大量頻率“面元”(bin)。出于示例性目的，圖8示出64個(gè)頻率面元(標(biāo)號(hào)為0-63)，但是典型實(shí)施例可能期望具有至少256或512個(gè)點(diǎn)?？刹皇褂米畹皖l率面元801，以避免來(lái)自功率或其它低頻電信號(hào)的干擾。剩下的面元可劃分成三個(gè)(或多個(gè))頻帶802、804、以及806。在這些頻帶之間，一個(gè)或多個(gè)面元803、805可被保留為保護(hù)頻帶以簡(jiǎn)化信號(hào)分離。
圖8示出三個(gè)頻帶802、804、806的每一個(gè)中的示例性接收信號(hào)頻譜。由于信號(hào)衰減根據(jù)頻率增加，所以高頻率面元可能不像較低面元一樣支持高比特率。因此，高頻帶可分配比低頻帶更多的面元。
圖9A示出作為沿鉆柱的位置的函數(shù)的示例性信號(hào)功率的對(duì)數(shù)圖。沿鉆柱的7個(gè)位置被標(biāo)識(shí)成地面收發(fā)器、井下收發(fā)器、以及5個(gè)中間中繼器。兩個(gè)功率電平被標(biāo)識(shí)為發(fā)送功率電平、以及最小接收功率電平。地面收發(fā)器發(fā)送隨傳播衰減的信號(hào)902。第一中繼器(RPTR1)接收來(lái)自地面發(fā)送器的信號(hào)902，以及來(lái)自第二中繼器(RPTR2)的信號(hào)906。為了避免干擾，第一中繼器與地面發(fā)送器在第一頻帶進(jìn)行通信，與第二中繼器在第二頻帶進(jìn)行通信。在第一頻帶從地面發(fā)送器接收的信息在第二頻帶進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，且在第二頻帶接收的信息則在第一頻帶進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
第一中繼器發(fā)送在雙向傳播時(shí)衰減的信號(hào)904。第二中繼器接收來(lái)自第一中繼器的信號(hào)904，且接收來(lái)自第三中繼器(RPTR3)的信號(hào)908。為了避免第一中繼器上的干擾信號(hào)902，第三中繼器不在第一頻帶發(fā)送任何信息。在第二頻帶進(jìn)行第一與第二中繼器之間的通信，同時(shí)在第三頻帶執(zhí)行第二與第三中繼器之間的通信。在第二頻帶所接收的信息(來(lái)自第一中繼器)在第三頻帶中進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)在第三頻帶接收的信息(來(lái)自第三中繼器)在第二頻帶進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
第三中繼器以類似的方式接收信號(hào)906和910，在第三頻帶與第二中繼器進(jìn)行通信，并在第一頻帶與第四中繼器(RPTR4)進(jìn)行通信。第四中繼器接收信號(hào)908和912，在第一頻帶與第三中繼器進(jìn)行通信，并在第二頻帶與第五中繼器(RPTR5)進(jìn)行通信。第五中繼器接收信號(hào)910和914，在第二頻帶與第四中繼器進(jìn)行通信，并在第三頻帶與井下收發(fā)器進(jìn)行通信。該井下收發(fā)器接收信號(hào)912，并在第三頻帶與第五中繼器進(jìn)行通信。
系統(tǒng)可設(shè)計(jì)成中繼器可檢測(cè)來(lái)自非鄰接中繼器或收發(fā)器的信號(hào)。因而，例如第三中繼器不僅能夠檢測(cè)來(lái)自第二和第四中繼器的信號(hào)，還可檢測(cè)來(lái)自第一和第五中繼器的信號(hào)。這些來(lái)自更遠(yuǎn)信號(hào)源的信號(hào)一般會(huì)被來(lái)自鄰近信號(hào)源的傳輸所淹沒(méi)，但是這種設(shè)計(jì)即使一個(gè)中繼器發(fā)生故障也允許保持通信。
因而，例如，圖9B示出在第二中繼器已經(jīng)發(fā)生故障時(shí)，作為位置的函數(shù)的信號(hào)功率的示例性對(duì)數(shù)圖。為了使通信成功進(jìn)行，現(xiàn)在系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)避免信號(hào)904、910、以及912之間的干擾。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)禁用第四中繼器，并與前面一樣使用第三頻帶進(jìn)行通信。(例如，第一頻帶用于地面收發(fā)器與第一中繼器之間的通信，第二頻帶用于第一與第三中繼器之間的通信，第三頻帶用于第三與第五中繼器之間的通信，且第一頻帶用于第五中繼器與井下收發(fā)器之間的通信。)在另一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)重新分配通道頻帶以避免干擾、并最大化越過(guò)故障接收器的數(shù)據(jù)率。故障接收器在系統(tǒng)中造成“瓶頸”。第一與第三中繼器之間的通信受到通道衰減的限制，所以在其它中繼器與收發(fā)器之間具有高數(shù)據(jù)速率并無(wú)多少益處。因此，可分配稍大一些的帶寬用于通信以越過(guò)故障中繼器，并且那些通信可在具有最小衰減的頻帶中進(jìn)行(通常是最低頻帶)。在下文中，該帶寬和頻率分配稱為“通道1”。其它三個(gè)通道(通道2、3和4)也被分配，用于其它中繼器與收發(fā)器之間的通信。與用于圖9A系統(tǒng)的三個(gè)頻帶相比，可預(yù)期通道1將具有明顯更大的帶寬，且通道2-4將具有明顯更小的帶寬。
因?yàn)橥ǖ?已被分配用于第一與第三中繼器之間的通信，這是分配通道的起點(diǎn)。通道4可用于地面收發(fā)器與第一中繼器之間的通信。通道2可用于第三與第四中繼器之間的通信，通道3可用于第四與第五中繼器之間的通信，而通道4可用于第五中繼器與井下收發(fā)器之間的通信。
圖6和7的中繼器配置提供了穩(wěn)健性，即即使一中繼器發(fā)生故障系統(tǒng)仍繼續(xù)工作的能力。此穩(wěn)健性的協(xié)調(diào)需要時(shí)分多路復(fù)用、頻分多路復(fù)用、或碼分多路復(fù)用，以避免不同中繼器的發(fā)送信號(hào)之間的干擾。圖10示出從不同中繼器中分離出信號(hào)、從而可在管線的各個(gè)段中使用全通道帶寬的配置。
圖10示出具有連接到鉆桿相對(duì)端上的耦合器的中繼器模塊1005的鉆桿1002。各個(gè)耦合器連接到相應(yīng)混合電路606，該混合電路606又耦合到相應(yīng)回波抵消器608和相應(yīng)收發(fā)器1004、1006。控制器1008連接到各個(gè)收發(fā)器1004、1006，并控制雙向信息流。另外控制器1008可耦合到各種傳感器(未示出)以檢測(cè)鉆井液和中繼器周圍的井眼狀況。控制器1008可將來(lái)自這些傳感器的測(cè)量結(jié)果插入傳送到地面的信息中?？刂破?008還可檢測(cè)傳送到井下的信息流中的命令，并可響應(yīng)于這些命令調(diào)節(jié)其操作。
各個(gè)收發(fā)器1004、1006可被配置成發(fā)送和接收DMT調(diào)制信號(hào)。圖11示出由圖10的中繼器配置所支持的一示例性接收頻譜。通道帶寬被劃分成許多等間隔頻率面元，并且可不使用最低頻率面元以避免來(lái)自鄰近功率信號(hào)的干擾?？蓪⑹Ｏ碌拿嬖纸M到可用于雙向通信的單通道頻帶。
如前所述，示例性遙測(cè)系統(tǒng)使用離散多音頻(DMT)調(diào)制來(lái)傳輸信息。DMT調(diào)制一般在異步數(shù)字用戶線(ADSL)系統(tǒng)中使用，所以可在ADSL文獻(xiàn)中獲得許多關(guān)于DMT實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。DMT調(diào)制將頻譜劃分成許多相鄰頻率面元(例如參見(jiàn)圖8和11)。在理想情況下，頻率面元將與其它頻率面元具有相同的數(shù)據(jù)傳輸速率。然而，各個(gè)面元的數(shù)據(jù)速率取決于各種因素。例如，具有特定頻率的干擾將影響集中在噪聲源頻率附近的面元。被影響的面元將具有更低的信噪比，因此其數(shù)據(jù)承載容量將低于其它面元。另一個(gè)影響數(shù)據(jù)速率的因素可能是電導(dǎo)線的頻率相關(guān)衰減，由于電容的影響該頻率相關(guān)衰減一般在高頻率上表現(xiàn)出平滑遞增衰減。諸如變壓器或不良阻抗匹配連接器的其它系統(tǒng)元件還會(huì)進(jìn)一步加劇選定頻率的衰減。ADSL系統(tǒng)一般包括用于調(diào)節(jié)各個(gè)面元的數(shù)據(jù)傳輸以最優(yōu)化可靠數(shù)據(jù)傳輸率的機(jī)構(gòu)。
在感耦管中，規(guī)律間隔耦合器由于阻抗不匹配將造成反射和駐波。這些反射影響通道的傳輸頻譜，從而產(chǎn)生許多窄通帶和阻帶。DMT調(diào)制技術(shù)對(duì)于開發(fā)全通道容量是特別有益的。DMT調(diào)制允許將數(shù)據(jù)分配到特定頻帶(例如，更多數(shù)據(jù)分配到具有低衰減的頻帶，以及很少或沒(méi)有數(shù)據(jù)分配到具有高衰減的頻帶)。通常，DMT頻帶的寬度與DMT碼元長(zhǎng)度成反比，所以通過(guò)更長(zhǎng)的DMT-碼元提供對(duì)頻率使用的更精細(xì)控制。
通道脈沖響應(yīng)的長(zhǎng)度可用作對(duì)確定期望DMT碼元長(zhǎng)度的實(shí)際引導(dǎo)。期望使DMT碼元長(zhǎng)度顯著比脈沖響應(yīng)的長(zhǎng)度長(zhǎng)(或至少是脈沖響應(yīng)的不可忽略部分的長(zhǎng)度)?？善谕捎瞄L(zhǎng)度為1024或2048個(gè)樣本(不包括循環(huán)前綴)的DMT-碼元。這些碼元長(zhǎng)度提供相對(duì)于高帶寬QAM信令顯著減小的碼間干擾(ISI)。
將數(shù)據(jù)分配到頻帶也是十分靈活的，這使得DMT調(diào)制特別適于通道狀況的改變。當(dāng)桿柱承受壓力和扭矩負(fù)載時(shí)，耦合器將有耦合和/或阻抗變化。DMT收發(fā)器可快速地改變數(shù)據(jù)分配，以不管這種通道變化而保持?jǐn)?shù)據(jù)速率。DMT收發(fā)器的靈活性也擴(kuò)展到整體數(shù)據(jù)速率，該數(shù)據(jù)速率可隨著通道發(fā)生變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果一個(gè)或多個(gè)中繼器發(fā)生故障，則剩下的中繼器和收發(fā)器將試圖越過(guò)故障中繼器且它們的通信算法沒(méi)有顯著變化。這些靈活性很大程度上提高了通信系統(tǒng)的可靠性。
圖12示出具有發(fā)送器鏈和接收器鏈的一示例性收發(fā)器1006。發(fā)送器鏈包括數(shù)據(jù)成幀器1202、糾錯(cuò)編碼器1204、音頻映射器1206、離散傅立葉逆變換(IDFT)塊1208、循環(huán)前綴發(fā)生器1210、以及線路接口1212。接收器鏈包括線路接口1214、循環(huán)前綴剝離器1216、離散傅立葉變換(DFT)塊1218、頻域均衡器1220、解調(diào)和位析取塊1222、糾錯(cuò)解碼器1224、以及CRC/解幀塊1226。
在發(fā)送器鏈中，數(shù)據(jù)成幀器1202組合上行數(shù)據(jù)的字節(jié)以形成數(shù)據(jù)幀。然后，將數(shù)據(jù)幀與同步幀及循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)相結(jié)合，該循環(huán)冗余校驗(yàn)碼根據(jù)數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容來(lái)計(jì)算。CRC提供了一種用于檢測(cè)接收端所接收的數(shù)據(jù)中的差錯(cuò)的方法。該冗余可用于檢測(cè)和糾正因通道干擾所引起的差錯(cuò)。里德-索羅門(RS)碼是適用的，但也可使用其它糾錯(cuò)碼。
音頻映射器1206從數(shù)據(jù)流中提取比特并將它們分配到頻率面元。對(duì)于各個(gè)頻率面元，這些比特被用來(lái)確定指定頻率幅度的離散傅立葉變換(DFT)系數(shù)。分配給各個(gè)頻率面元的比特?cái)?shù)目是可變的(即，各個(gè)面元的數(shù)目可以不同)和動(dòng)態(tài)的(即，數(shù)目可隨時(shí)間改變)，并且該數(shù)目取決于各個(gè)頻率的估計(jì)誤碼率。各端的微控制器或軟件(未具體示出)協(xié)作確定由接收器在各個(gè)頻帶檢測(cè)到的誤碼率，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)音頻映射器。
通過(guò)IDFT塊1208處理由音頻映射器1206所提供的系數(shù)，以生成在各個(gè)頻率承載所期望信息的時(shí)域信號(hào)。循環(huán)前綴塊712重復(fù)時(shí)域信號(hào)的端部，并將其加在時(shí)域信號(hào)的頭部。如以下將要進(jìn)一步討論的，這允許對(duì)接收端的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域均衡。然后，將具有前綴的信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬形式、濾波、并放大以通過(guò)鏈路接口1212在信道上傳輸。
在接收器鏈中，鏈路接口1214對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，并執(zhí)行任何期望的時(shí)域均衡。時(shí)域均衡至少局部地補(bǔ)償了由通道引入的失真，但可能仍殘留至少一些碼間干擾。剝離器塊1216移除通過(guò)信號(hào)源的前綴塊(對(duì)應(yīng)塊1210)添加的循環(huán)前綴，但是信號(hào)中仍將殘留來(lái)自循環(huán)前綴的碼間干擾。DFT塊1218對(duì)信號(hào)執(zhí)行DFT以獲得頻率系數(shù)。如果需要，可通過(guò)塊1220執(zhí)行頻域均衡以補(bǔ)償殘留的碼間干擾。注意對(duì)DFT系數(shù)的頻域均衡是循環(huán)卷積運(yùn)算，該循環(huán)卷積運(yùn)算將導(dǎo)致循環(huán)前綴不能在通道上傳輸差錯(cuò)均衡結(jié)果。
塊1222使用信號(hào)源的音頻映射器(對(duì)應(yīng)映射器1206)的逆映射來(lái)提取數(shù)據(jù)位。解碼器1224解碼數(shù)據(jù)流，從而在其糾錯(cuò)能力范圍內(nèi)對(duì)差錯(cuò)進(jìn)行糾正。然后，解幀器1226識(shí)別并移除同步信息，并且確定CRC是否指示存在任何差錯(cuò)。如果沒(méi)有差錯(cuò)，則數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到輸出端。否則，控制器將得到數(shù)據(jù)差錯(cuò)的通知。
圖13示出一種示例性方法，該方法可通過(guò)地面收發(fā)器的控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，以初始化各種收發(fā)器(在下文中，術(shù)語(yǔ)“收發(fā)器”包括任何中繼器)和在地面與井下收發(fā)器之間建立完整的通信路徑。收發(fā)器之間的各個(gè)鏈路分配唯一的索引和相應(yīng)的唯一觸發(fā)信號(hào)。該觸發(fā)信號(hào)可以是用來(lái)向適當(dāng)收發(fā)器發(fā)送警報(bào)以在鏈路上建立接觸的一個(gè)音頻或音頻組合。在一實(shí)現(xiàn)中，索引是二進(jìn)制字，且每個(gè)收發(fā)器一個(gè)比特。然后，通過(guò)將兩個(gè)比特值設(shè)置成“1”來(lái)標(biāo)識(shí)鏈路，即，這兩個(gè)比特值與鏈路端部的收發(fā)器相關(guān)聯(lián)。然后觸發(fā)信號(hào)可以是一對(duì)音頻，各個(gè)音頻標(biāo)識(shí)收發(fā)器之一。
從框1302開始，控制器將鏈路索引設(shè)置成一些初始值。因此，當(dāng)鏈路索引在框1304增加時(shí)，鏈路索引將循環(huán)通過(guò)從地面收發(fā)器到井底裝置之間的鏈路。在框1306，地面收發(fā)器發(fā)送相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)。在發(fā)送觸發(fā)信號(hào)之后，控制器或者接收成功訓(xùn)練的報(bào)告，或者在等待預(yù)定時(shí)間后超時(shí)。在框1308，控制器進(jìn)行檢驗(yàn)以確定是否接收到成功報(bào)告。如果收到，則控制器在框1310進(jìn)行檢驗(yàn)以確定是否需要建立更多鏈路。如果需要建立更多的鏈路，則控制器返回到框1304。否則，控制器在框1312發(fā)送開始命令以完成通信路徑。
如果控制器在框1308確定沒(méi)有接收到成功報(bào)告，則控制器嘗試在框1314開始建立旁路路徑。在框1314，控制器將旁路索引設(shè)置成一些初始值。然后，隨著旁路索引在框1316遞增，旁路索引將循環(huán)通過(guò)從上一成功鏈路到井下裝置的旁路鏈路。對(duì)于鏈路索引，旁路索引可實(shí)現(xiàn)為二進(jìn)制且每個(gè)收發(fā)器一個(gè)比特。旁路鏈路通過(guò)將兩個(gè)不相鄰的比特值設(shè)置成“1”來(lái)標(biāo)識(shí)，即，這兩個(gè)比特值與旁路鏈路端部的收發(fā)器相關(guān)聯(lián)。用于旁路鏈路的觸發(fā)信號(hào)將可通過(guò)與前面相同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在框1318，控制器發(fā)送用于旁路鏈路的觸發(fā)信號(hào)。在發(fā)送觸發(fā)信號(hào)之后，控制器或者接收成功訓(xùn)練的報(bào)告，或者在等待預(yù)定時(shí)間后超時(shí)。在框1320，控制器進(jìn)行檢驗(yàn)以確定是否接收到成功報(bào)告。如果收到，則控制器返回框1310。否則，控制器在框1312進(jìn)行檢驗(yàn)以確定是否可嘗試任何其它旁路鏈路。如果可以，則控制器返回到框1316。否則，控制器報(bào)告失敗以在框1324建立完全通信路徑。
圖14示出可通過(guò)各個(gè)收發(fā)器(包括地面收發(fā)器)的控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種示例性方法。在框1402，控制器等待觸發(fā)信號(hào)。在框1404，控制器確定觸發(fā)信號(hào)是否標(biāo)識(shí)與收發(fā)器相關(guān)聯(lián)的鏈路或旁路鏈路之一。如果收發(fā)器不與所標(biāo)識(shí)的鏈路相關(guān)聯(lián)，則控制器返回到框1402。否則，控制器進(jìn)入框1406中的激活階段。
假定與鏈路都相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)收發(fā)器都已經(jīng)接收到觸發(fā)信號(hào)，則兩個(gè)收發(fā)器將激活階段。在激活階段中，兩個(gè)收發(fā)器的每一個(gè)都發(fā)送單音頻以建立接觸，并確定哪一個(gè)將控制鏈路中的定時(shí)。在框1408，收發(fā)器單獨(dú)確定是否已經(jīng)成功接觸到另一收發(fā)器，如果沒(méi)有，則收發(fā)器回到框1402中的監(jiān)聽模式。
如果已經(jīng)建立接觸，則收發(fā)器在框1410交換寬頻帶信號(hào)。該寬頻帶信號(hào)允許各個(gè)單元計(jì)算所接收的功率譜密度、允許調(diào)節(jié)自動(dòng)增益控制、以及允許在各個(gè)接收機(jī)中執(zhí)行均衡器的初始訓(xùn)練。也可提供靜默期來(lái)允許各個(gè)收發(fā)器確定線路噪聲或訓(xùn)練回波抵消均衡器。在框1412，收發(fā)器確定訓(xùn)練是否已經(jīng)成功完成，如果沒(méi)有，則回到框1402中的監(jiān)聽模式。
如果訓(xùn)練成功，則收發(fā)器在框1414彼此提供基本信息。該基本信息包括各個(gè)接收器的容量和計(jì)劃數(shù)據(jù)速率。還發(fā)送另外的訓(xùn)練信號(hào)以允許進(jìn)行進(jìn)一步的均衡訓(xùn)練。在框1416，收發(fā)器可交換關(guān)于通道測(cè)量結(jié)果、期望數(shù)據(jù)速率、以及要用于隨后通信的其它配置參數(shù)的信息。
一旦已經(jīng)交換了通信參數(shù)，收發(fā)器就在框1418各自發(fā)送表示通信已經(jīng)成功建立的信號(hào)。然后收發(fā)器在框1420進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)模式。在轉(zhuǎn)發(fā)模式中，各個(gè)收發(fā)器監(jiān)聽觸發(fā)信號(hào)和成功報(bào)告。如果接收到其中之一，則在轉(zhuǎn)發(fā)模式中收發(fā)器重發(fā)觸發(fā)信號(hào)或成功報(bào)告。為了避免過(guò)度重發(fā)觸發(fā)信號(hào)或成功報(bào)告，各個(gè)收發(fā)器在重發(fā)此信號(hào)之后將在預(yù)定間隔內(nèi)忽略任何觸發(fā)信號(hào)和成功報(bào)告。
進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)模式的各個(gè)收發(fā)器將因?yàn)橐韵氯我磺闆r而從轉(zhuǎn)發(fā)模式中退出預(yù)定延遲的終止、接收到開始命令、或收到標(biāo)識(shí)與該收發(fā)器相關(guān)聯(lián)的觸發(fā)信號(hào)。
在框1422，接收器確定是否已過(guò)了預(yù)定時(shí)間，如果已過(guò)，則收發(fā)器就回到框1402中的監(jiān)聽模式。否則，收發(fā)器將在框1424確定是否收到開始命令。如果收到，則然后收發(fā)器將進(jìn)入框1426中的通信模式。否則，收發(fā)器將在框1425確定是否收到相關(guān)聯(lián)的觸發(fā)信號(hào)。如果收到，則收發(fā)器將轉(zhuǎn)到框1406。如果沒(méi)有，則收發(fā)器重新進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)模式1420。
在框1426，收發(fā)器在鏈路上如上參考圖9A-9B所述地開始通信、在頻帶之間轉(zhuǎn)換消息、以及重發(fā)。如果損耗功率或接收到觸發(fā)信號(hào)，則收發(fā)器退出通信模式。在框1428，收發(fā)器確定是否已經(jīng)收到觸發(fā)信號(hào)，如果收到則將回到框1402中的監(jiān)聽模式。
本文所公開的系統(tǒng)和方法期望提供與井下傳感器的可靠、高數(shù)據(jù)速率的通信。這些通信通過(guò)向鉆井機(jī)快速警報(bào)包括與防噴相關(guān)的突發(fā)涌流和關(guān)鍵孔隙壓力信息的井下狀況來(lái)極大地提高整體安全性。這些信息將使得接近平衡鉆井可行和安全，從而允許更經(jīng)濟(jì)的鉆井作業(yè)。
上述討論是對(duì)本發(fā)明的原理和各個(gè)實(shí)施例的闡述。本領(lǐng)域技術(shù)人員一旦全面理解了上述公開，許多改變和更改將變得顯而易見(jiàn)。以下權(quán)利要求旨在解釋成涵蓋所有這些改變和更改。
權(quán)利要求
1.一種通信系統(tǒng)，其特征在于，包括多個(gè)接線管柱鉆桿接頭，各個(gè)桿接頭具有被配置成用于與其它桿接頭機(jī)械連接的螺紋端；各個(gè)螺紋端上的耦合器，所述耦合器被配置成用連接桿接頭與耦合器進(jìn)行電或電感耦合；以及電連接所述耦合器的絕緣導(dǎo)線；耦合到所述管柱的一端并被配置成產(chǎn)生DMT-調(diào)制信號(hào)的發(fā)送器；以及耦合到所述管柱的另一端并被配置成接收和解調(diào)DMT-調(diào)制信號(hào)的接收器。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括多個(gè)中繼器，各個(gè)中繼器耦合到所述管柱的兩個(gè)接線管柱桿接頭之間，其中各個(gè)中繼器被配置成接收DMT-調(diào)制信號(hào)、從所述DMT-調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)信息、以及以DMT-調(diào)制信號(hào)的形式重發(fā)所述信息。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，各個(gè)中繼器被配置成從所接收的DMT-調(diào)制信號(hào)的一個(gè)頻帶中恢復(fù)信息、以及在不同于所述發(fā)送DMT-調(diào)制信號(hào)的頻帶的頻帶中調(diào)制所述信息。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，從發(fā)送器傳送到接收器的信息在三個(gè)或多個(gè)頻帶的相應(yīng)之一中由所述發(fā)送器和中繼器進(jìn)行調(diào)制。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括耦合在所述管柱中的兩個(gè)接線管柱接頭之間的中繼器，其中所述中繼器被配置成接收DMT-調(diào)制信號(hào)、從所述DMT-調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)信息、以及以DMT-調(diào)制信號(hào)的形式重發(fā)所述信息。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述中繼器包括配置成用于與桿接頭機(jī)械連接的螺紋端；以及各個(gè)螺紋端上的耦合器，所述耦合器被配置成用連接桿接頭與耦合器進(jìn)行電或磁耦合。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述中繼器還包括在一螺紋端上耦合到所述耦合器的第一收發(fā)器；在相對(duì)螺紋端上耦合到所述耦合器的第二收發(fā)器；以及耦合到所述第一和第二收發(fā)器的控制器。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述中繼器還包括電連接所述耦合器的絕緣導(dǎo)線。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述絕緣導(dǎo)線被配置成在所述中繼器發(fā)生故障時(shí)在耦合器之間傳送信號(hào)。
10.一種用于將感耦管用作信道的系統(tǒng)的通信方法，所述方法包括采用DMT調(diào)制以生成發(fā)送信號(hào)；以及經(jīng)由所述信道發(fā)送所述發(fā)送信號(hào)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括接收并解調(diào)所述發(fā)送信號(hào)以獲得來(lái)自第一頻帶的發(fā)送數(shù)據(jù)；以及使用DMT調(diào)制在第二、不同頻帶中生成具有所述發(fā)送數(shù)據(jù)的第二發(fā)送信號(hào)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括經(jīng)由所述信道發(fā)送所述第二發(fā)送信號(hào)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包括接收并解調(diào)所述第二發(fā)送信號(hào)以獲得來(lái)自第二頻帶的發(fā)送數(shù)據(jù)；以及使用DMT調(diào)制在不同于所述第一和第二頻帶的第三頻帶中生成具有所述發(fā)送數(shù)據(jù)的第三發(fā)送信號(hào)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括經(jīng)由所述信道發(fā)送所述第三發(fā)送信號(hào)。
15.一種用于具有中繼器的井下通信系統(tǒng)的通信方法，所述方法包括在中繼器之間順序地建立DMT-信號(hào)鏈路；以及發(fā)送開始命令以初始化沿包括所述DMT-信號(hào)鏈路的通信路徑的通信。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述建立DMT-信號(hào)鏈路包括確定是否能與下一中繼器建立DMT-信號(hào)鏈路；以及如果鏈路不能建立，則嘗試使用后續(xù)中繼器來(lái)建立DMT-信號(hào)鏈路，由此繞過(guò)所述下一中繼器。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，還包括向鄰接中繼器分配非重疊的頻帶。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括優(yōu)先將具有最小衰減的所述頻帶分配給繞過(guò)一中繼器的任何DMT-信號(hào)鏈路。
全文摘要
一種如圖6所示的通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在通過(guò)感耦管(602)形成的通信通道中采用離散多音頻(“DMT”)調(diào)制信號(hào)。在一實(shí)施例中，該通信系統(tǒng)包括將發(fā)送器耦合到接收器(608)的接線管柱桿接頭。管柱中的各個(gè)桿接頭具有被配置成與其它桿接頭機(jī)械連接的螺紋端、在各個(gè)螺紋端上的電或電感耦合器、以及電連接耦合器的絕緣導(dǎo)線。所述發(fā)送器和接收器通過(guò)由接線管柱傳輸?shù)腄MT調(diào)制信號(hào)進(jìn)行通信。該系統(tǒng)還可包括管柱中的多個(gè)中繼器。各個(gè)中繼器可被配置成接收DMT－調(diào)制信號(hào)、從該DMT－調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)信息、以及以DMT－調(diào)制信號(hào)形式重發(fā)信息。
文檔編號(hào)G01V3/00GK101015147SQ200580021159
公開日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2005年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月29日
發(fā)明者V·V·沙阿, W·R·甘德納 申請(qǐng)人:哈里伯頓能源服務(wù)公司