НАДЕЖНАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО ПРОВОДНОМУ ТРУБОПРОВОДУ
RELIABLE SYSTEM FOR TRANSMITTING DATA OVER WIRE CONDUIT

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка утверждает в соответствии с 35 U.S.C.§ 119 (e) приоритет перед предварительными заявками на патент № 61/204100 от 2 января 2009 и 61/206550 от 2 февраля 2009. Содержание этих заявок включено в настоящий документ посредством ссылок во всей их полноте.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области систем передачи данных, в частности, систем передачи данных, пригодных для использования в скважинах, как, например, на бурильной колонне, используемой в нефте- и газоразведочных работах, на эксплуатационной колонне или на обсадной колонне. Настоящее изобретение особенно полезно для получения данных или скважинных измерений в процессе бурения, а также для передачи команд с поверхности на скважинное буровое оборудование, скважинные приводы или другие скважинные контрольно-измерительные приборы. Кроме того, настоящее изобретение также полезно для проведения измерений и сбора данных по всей скважине в процессе ее бурения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Существует ряд учебников, которые описывают процессы, связанные с бурением на нефть и газ. Примеры таких учебников являются "Petroleum Well Construction" (Строительство нефтегазовых скважин), Economidies, Wattersand Dunn-Norman, John Wiley& Sons, West Sussex, UK, 1998; “Applied Drilling Engineering” (Прикладная технология бурения), Bourgoyne, Jr. Chenevert, Millhelm and Young, Jr., SPE Textbook Series, Vol. 2, Society of Petroleum Engineers, Richardson, TX, 1991; или “Drilling Technology - In Nontechnical Language” (Технология бурения нетехническим языком), S. Devereux, Penn Well Corp., Tulsa, OK, 1999. Для общего понимания процессов бурения на эти учебники могут быть сделаны ссылки.
Буровые работы, подходящие для реализации настоящего изобретения, представлены на фиг.1. Буровая установка 10 приводит в действие бурильную колонну 11, которая состоит из большого числа взаимосвязанных секций 30, называемых стыками трубопровода. Нижняя часть бурильной колонны состоит из тяжеловесных секций трубопровода 13, называемых муфтами утяжеленной бурильной трубы. При типичных буровых работах установка вращает бурильную колонну и, таким образом, забойное оборудование (BHA - bottom hole assembly) 14. BHA 14 может содержать различные комплекты контрольно-измерительных приборов, возможно, забойный двигатель или роторно-управляемую систему, стабилизаторы, центраторы утяжеленной бурильной трубы и бурильную головку 15. Бурильные колонны и все скважинные растворы с поверхности до головки, с буровым раствором, возвращающимся на поверхность во внешнее межтрубное пространство между бурильной колонной и пластом месторождения для очистки и рециркуляции. Бурильная колонна 11 может содержать дополнительные секции тяжеловесных бурильного трубопровода и/или специализированное оборудование, такое как бурильные яссы.
Двумя наиболее распространенными системами привода являются система роторного стола и система верхнего привода. Система роторного стола, представленная на фиг.1, блокирует бурильную колонну через втулку квадратной буровой штанги 16 и квадратную буровую штангу 17, в результате чего бурильная колонна 11вращается, в то время как квадратная буровая штанга 17 может свободно перемещаться вверх и вниз, по мере того как трубопровод опускается в землю или поднимается из скважины. По мере того как скважина углубляется, стыки трубопровода 30 периодически добавляются к верхней части бурильной колонны 11 с помощью резьбовых упорных соединений, которые обеспечивают механическую прочность и гидравлическую изоляцию. Система верхнего привода не требует квадратной буровой штанги 17, а вместо этого весь механизм привода движется вверх и вниз с верхним концом бурильной колонны 11. Система верхнего привода способствует и ускоряет процесс бурения, однако он также является более дорогим, чем система роторного стола.
На фиг.2 представлен широко используемый стык трубопровода 30, включающий замковое соединение «муфта» 31 в верхней части, длинную секцию в форме трубы 32 и замковое соединение “ниппельной части” 33 в нижней части. Типичная длина стыка трубопровода составляет 31 фут (около 9,5 м), но отклонение около +/-1 фут является обычным. Оба, ниппельная часть 33 и замковая муфта 31, оснащены конической резьбой 34, которая при соединении формирует резьбовое соединение. Двумя основными целями соединения являются передача механических сил, таких как крутящий момент, растяжение и сжатие между стыками трубопровода 30 и обеспечение непроницаемой для жидкости изоляции “металл-к-металлу” на наружных выступах 35. Соединение обычно монтируется с использованием приводных ключей трубопровода или моторизованных вращающих устройств, процесс, который приводит ниппельную часть33 в состояние растяжения, замковую муфту 31 - в состояние сжатия, а поверхностные выступы 35 металлической изоляции - также в состояние сжатия. Эта нагрузка на сжатие для изоляции должна превышать нагрузку на растяжение, которую изоляция 35 испытывает во время сгибания и изгибания в отверстии для того, чтобы сохранить изоляцию металл-к-металлу без повреждений. Внутренние стенки стыка трубопровода 30 могут быть покрыты высокоэффективным эпоксидным компаундом. Этот компаунд является высококачественным диэлектрическим изолятором, который препятствует коррозии металлического трубопровода и уменьшает потери на трение в жидкости. Серийно выпускаемыми примерами таких соединений являются покрытия трубопроводов "ТК-236" или "ТК-34", оба из которых доступны в Tuboscope, TX, Houston, USA.
Наборы скважинной контрольно-измерительной аппаратуры, включенные в BHA 14, собирают информацию о процессе бурения, о просверливаемых пластах месторождения, а также о жидкостях, содержащихся в этих пластах месторождений. В существующей практике, большая часть этих данных хранится в системе скважинной памяти, а затем извлекается, после того, как контрольно-измерительное оборудование возвращается на поверхность. Очень маленький и сжатый объем информации, однако, обычно отправляется на поверхность в режиме реального времени с помощью одной из доступных в настоящее время телеметрических систем с гидроимпульсным каналом связи. Такие системы вызывают пульсовые колебания давления внутри столба бурового раствора, содержащегося вблизи бурильной колонны для передачи цифрового сигнала на поверхность с пропорциональной скоростью около 0,1-15 бит/с. Однако объем информации, доступной в реальном времени через систему с гидроимпульсным каналом связи, является, вне сомнений, недостаточным для нынешних сложных бурильных работ, требующих точных, получаемых в режиме реального времени, скважины данных.
et. al
th
Коммерчески жизнеспособные залежи являются гораздо более сложными, чем эксплуатируемые в прошлом, а темпы восстановления нефти или газа в месторождении необходимо постоянно увеличивать, для того чтобы оставшиеся залежи углеводородов служили дольше. Это также означает, что траектории скважин уже не могут быть полностью предварительно запланированы на основе сейсмических данных и данных из периферийных скважин. Вместо этого траектории скважин все более и более определяются и точно подстраиваются во время бурения. Для выполнения этой задачи данные оценки пласта месторождения должны быть переданы на поверхность и должны быть изучены и интерпретированы в процессе бурения. Результаты интерпретации могут требовать или не требовать корректировки траектории скважины, которая передается обратно на площадку буровой вышки. Оборудование буровой вышки, в свою очередь, передает эти корректировки скважинному оборудованию. Пример скважинного устройства формирования изображений, генерирующего большое количество данных оценки пласта месторождения во время бурения отверстия, описано в "Field Testing of an Advanced LWD Imaging Resistivity Tool" (Полевое тестирование современного LWD инструмента построения изображений по методу сопротивления), by Prammer ., SPWLA 48Annual Logging Symposium, Austin, TX, 2007. Так как процесс бурения происходит относительно медленно и данные о пласте месторождения могут сжиматься скважинной электроникой, требуется скорость передачи данных по бурильной колонне около 100-10,000 бит/секунду (bps). Кроме того, для канала для передачи команд с поверхности на скважинное контрольно-измерительное оборудование и для системы бурения требуется, время от времени, скорость передачи примерно 10-1,000 bps.
Необходимость надежно передавать данные от скважинных местоположений была давно признана. Для обсуждения предыдущих попыток решить эту трудную задачу делается ссылка на PCT/US 2009/00449949, поданную 22 мая 2009 года. Содержание этой заявки приведено здесь посредством ссылки во всей ее полноте.
Заявка PCT/US 2009/00449949, поданная 22 мая 2009, описывает телеметрическую систему, основанную на соединительных элементах и передаточных элементах, зарытых внутри наплавляемого эпоксидного покрытия (fusion-bonded epoxy - FBE),часто применяемого к внутренней области высокопроизводительного бурового трубопровода для защиты от коррозии. Эти элементы передают радиочастотные сигналы, которые устанавливают перемычку в разрыве между стыками трубопроводов на основе емкостной/диэлектрической соединительных муфт. Механизм связывания является диссипативным, требующим, чтобы каждый стык трубопровода включал в себя активный элемент, повторяющий сигнал.
Коммерческие системы, известные как "Intelli Pipe" или "Intelli Serv", описанные, например, в заявке на патент, поданной в США U.S. Pat. 6670880 to Hall et al., называются системами "проводных трубопроводов" (WPS - "wired pipe" systems), потому что сигналы передаются по армированному коаксиальному кабелю, развернутому во внутренней области бурильной колонны. Подробную информацию о системе Hall можно найти в источнике "Very High-Speed Drill String Communications Network, Report#41229R14" (Очень высокоскоростная сеть связи бурильной колонны, отчет #41229R14), June2005, D. S. Pixton, DOE Award Number DE-FC26-01NT41229, которую можно получить на сайте Министерства энергетики США на www.doe.gov.
Как отмечалось выше, бурильная колонна состоит из множества участков стыков трубопровода, каждый из которых длиной обычно около 30-32 футов и которые стыкуются между собой посредством резьбовых соединений. Система WPS известная из Hall использует преимущество специальных, высокопроизводительных соединений, известных как резьбовые бурильные замки с двойным выступом. Бурильные замки с двойным выступом изготовлены в соответствии со строгими спецификациями, таким образом, чтобы сопрягаемые бурильные замки не только затрагивают внешний, герметичный выступ, но также и за внутренний выступ, сформированный плоским торцом ниппельной части 33 и плоской задней стенкой замковой муфты 31. Система WPS, известная из Hall, использует эти вторичные контактные поверхности для размещения электромагнитных кольцевых соединительных муфт на основе ферритов, которые передают электромагнитные сигналы от одного участка армированного коаксиального кабеля, включенного в первом стыке трубопровода на участок кабеля, включенный в соседний стык трубопровода. Когда WPS резьбовые соединения смонтированы, пары встроенных элементов соединительных муфт формируют закрытый контур с высокой магнитной проницаемостью, т.е. трансформаторы с ферритовыми сердечниками. Передаваемый сигнал заглушается по мере его прохождения вдоль бурильной колонны через множество участков кабеля и трансформаторов, и его необходимо периодически восстанавливать и возвращать обратно к полной мощности сигнала. Эти задачи выполняются элементами повторителя, вставленными в бурильную колонну через равные интервалы в диапазоне приблизительно между 1,000 и 2,000 футами.
Трансформаторы в системе WPS, известной из Hall, основаны на ломком материале ферритового сердечника. Ферритовые половины сердечника выступают с поверхности стыковой ниппельной части и с задней стенки стыковой замковой муфты. В процессе свинчивания ожидается, что наплавляемые ферритовые половины сердечника вращаются друг относительно друга и подталкивают друг друга к поверхности ниппельной части и задней стенки соединительной замковой муфты соответственно. Т.к. ферритовым половинам сердечника необходимо входить и выходить с поверхности ниппельной части и задней стенки соединительной замковой муфты соответственно, невозможно герметично изолировать соединительные муфты от окружающей среды. Значительное скважинное давление до 30,000 фунт/кв.дюйм (приблизительно 200 МПа) подталкивают буровой раствор в и за соединительные муфты. Бурильный раствор переносит и собирает твердые частицы, такие как песок, барит, металлические опилки и/или выбуренную породу любого размера за ферритовыми сердечниками, тем самым забивая их и препятствуя их отведению. Как только ферритовый сердечник застрянет в выступающем положении, он будет разрушен полной силой сжатия, приложенной при свинчивании. Однако предполагается, что коммерческий бурильный трубопровод выдерживает от сотен до тысяч циклов свинчивания/развинчивания в агрессивных и грязных условиях, число, которое недостижимо, если трубопровод включает в себя хрупкие, незащищенные компоненты, при условии повторяющихся, абразивных действий, таких как в ферритовых WPS, известных из Hall, трансформаторах.
Кроме того, бурильный трубопровод регулярно подвергается механическим толчкам во время нормальной работы буровой установки. Например, во время бурения вглубь отдельные стыки трубопровода скользят вниз по наклонной рампе от пола буровой установки в землю, где в конце рампы участок трубопровода врезается в остановочную доску. Когда трубопровод вертикально поднимается в установке, он часто и очень сильно врезается в металлический пол буровой установки и/или в другие поворотные соединения. Предполагается, что обычные бурильные трубопроводы выдержат любой из этих обычных ударов, которые может вызвать открытое или скрытое повреждение соединительных муфт, известных из Hall, которые оставлены на поверхности ниппельной части. Несмотря на то, что поврежденная соединительная муфта, известная из Hall, при проверке на поверхности в атмосферных условиях, очевидно, по-прежнему будет функционировать, скорее всего, сломается при совместном воздействии высокой температуры, очень высоких давлений и агрессивных жидкостей в скважинных условиях. Кроме того, поскольку трансформаторы, известные из Hall, являются движущимися частями и, следовательно, не являются герметически изолированными, их электрические соединения и внутренние изолирующие кольцевые прокладки подвергаются коррозионному воздействию буровых растворов, что приводит к электрической и механической деградации и отказам в работе, просто посредством накопления скважинных часов.
Целью настоящего изобретения является система передачи данных, которая использует неподвижные, герметически изолированными сигнальными соединительными муфтами, совместимыми с суровыми условиями буровых работ на поверхности и под землей.
Фундаментальная проблема надежности WPS проблема широко признана, см., например, заявку на патент, поданную в США U.S. Pat. Appl. 2004/0217880 Al by Clark et al. Clark, и соавторы подсчитывают, что на WPS 15000 футов длиной демонстрирует желаемое среднее время наработки на отказ (MTBF - meantime between failure) около 500 часов, каждый из компонентов проводных трубопроводов должен достигать значения MTBF, по меньшей мере, около 250 000 часов (28,5 лет). Такие значения MTBF нереальны для большинства электромеханических систем, не говоря уже о скважинных системах, содержащих движущиеся части, такие как соединительные муфты, известные из Hall. Clark и соавторы раскрывают систему для поиска и устранения неполадок в неисправной WPS. Однако сам факт того, что такие системы часто ломаются и требуют  трудоемкого вмешательства по поиску и устранению неисправностей, делает их непригодными для использования в суровых условиях и в условиях перегрузки при бурении нефти и газа.
Целью настоящего изобретения является система передачи данных по проводному трубопроводу, позволяющая достичь хорошей надежности на протяжении всего проектируемого срока службы и которая может быть построена из отдельных компонентов со значениями надежности, характерными для электрических компонентов, работающих в суровых скважинных условиях.
Еще одной целью настоящего изобретения является система передачи данных, неисправность в которой проявляется постепенно, позволяя продолжать буровые работы и в то же время одновременно обнаруживать, диагностировать и сообщать о неисправности оператору, который может выбрать замену участка трубопровода, содержащего неисправный элемент, при следующей возможности. Такие возможности существуют, когда бурильная колонна должна быть вынута из отверстия из-за, например, изнашивания бурильной головки или изменения диаметра скважины.
Существующие системы опираются на элементы ретрансляторов, которые периодически обновляют передаваемый сигнал. Эти очень сложные элементы, из которых 10-20 необходимы для одной бурильной колонны, представляют значительную нагрузку на капитальные расходы и потребляют большое количество первичных литиевых батарей, обычно размера D, в качестве источников питания. Эти крупногабаритные литиевые батареи дороги в производстве и являются источником пожарной опасности при транспортировке, эксплуатации и утилизации. Другой целью настоящего изобретения является замена этих дорогостоящих и опасных ретрансляторов небольшими и недорогими элементами, которые являются безопасными в управлении, хранении и транспортировке.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Упомянутые выше цели и преимущества достигаются посредством обеспечения системы передачи данных и/или мощности, подходящей для скважинного использования, включающих в себя сигнальные и/или энергетические соединительные муфты, участки линии передачи и сигнальные повторители. Посредством электромагнитного резонанса (electromagnetic resonance - “EMR”) происходит обмен сигналами и/или мощностью между соединительными муфтами и повторителями. По меньшей мере, часть системы, участки линии передачи формируют параллельные каналы данных, а повторители обеспечивают возможность переключений между этими каналами данных. Благодаря EMR и обеспечению резервирующих элементов передачи поврежденные элементы передачи автоматически изолируются от функционирующей части системы передачи, которая продолжает работать при наличии одного или нескольких повреждений. Изобретение также включает в себя способы передачи данных и/или энергии по скважинной системе передачи, содержащей несколько каналов данных и несколько пересечений посредством EMR. Поврежденные места каналов данных/мощности проходятся по параллельным каналам через уравнительные контуры. Подробные характеристики таких систем будут понятны из последующего подробного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 схематически представлено традиционное бурильное окружение, показывающее различные скважинные компоненты.
На фиг.2 представлен вид в перспективе традиционного стыка трубопровода с роторными соединениями.
На фиг.3 представлено концептуальное изображение стыка бурильного трубопровода в соответствии с настоящим изобретением в сечении, параллельном главной оси и с установленными элементами системы передачи данных.
На фиг.4 представлено концептуальное изображение короткого стыка в соответствии с настоящим изобретением в сечении, параллельном главной оси и с установленными элементами системы передачи данных.
На фиг.5 представлен разрез стыка трубопровода, показанного на фиг.3 плоскостью А-А'.
На фиг.6 представлен вид, отмеченный “B” на фигурах 3 и 4, показывающий конец ниппельной части.
На фиг.7 представлен вид, отмеченный “С” на фигурах 3 и 4, показывающий конец муфты повторителя.
На фиг.8 представлен вид, отмеченный “С” на фигурах 3 и 4, со снятой муфтой повторителя и показывающий черную стену муфты.
На фиг.9 представлен концептуальный плоский вид в разрезе, показывающий конструкцию EMR соединительной муфты.
На фиг.10 представлен концептуальный вид в разрезе цепочки EMR соединительных муфт, встроенных в ниппельную часть, корпуса повторителя и в заднюю стенку замковой муфты.
На фиг.11 представлены результаты численного моделирования двух сопряженных EMR соединительных муфт.
На фиг.12 представлена иллюстрация различных сигнальных каналов, сформированных двумя соединенными стыками трубопровода, содержащими активный и пассивный корпусы повторителя.
На фиг.13 представлена концептуальная блок-схема цепей различных функциональных блоков в активном корпусе повторителя.
На фиг.14 представлен вид в перспективе корпуса повторителя.
На фиг.15 представлена концептуальная блок-схема одной части активного корпуса повторителя, включающей в себя сенсоры и контуры для обработки сигналов от сенсоров.
На фиг.16 представлена концептуальная блок-схема цепи одной части активного корпуса повторителя, включающей в себя устройство для накопления энергии и контур для обработки мощности.
На фиг.17 представлена концептуальная блок-схема цепи одной части активного корпуса повторителя, включающей в себя перезаряжаемое устройство электроснабжения и радиочастотный контур для накопления энергии.
На фиг.18 представлен концептуальный вид бурильной колонны, включающей различные элементы системы передачи данных.
На фиг.19 представлена концептуальная блок-схема электрической схемы поверхностного коммуникационного элемента.
На фиг.20 представлена концептуальная блок-диаграмма схемы элемента скважинного интерфейса.
На фиг.21 представлен снимок с экрана спектрального анализатора, показывающего измеренный спектр передачи по цепочке из шести EMR соединительных муфт.
На фиг.22 представлен концептуальный вид в разрезе роторного соединительного элемента.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ РЕАЛИЗАЦИЙ
В иллюстративной реализации настоящего изобретения сигналы, данные и/или мощность передаются с резервированием по двум параллельным линиям передачи, смонтированным внутри каждого стыка трубопровода. Предпочтительно линии передачи располагаются насколько это возможно далеко друг от друга, таким образом, чтобы нанесение ущерба, разрушающее одну линию передачи, маловероятно также бы нанесло ущерб другой линии передачи. На фиг.3 представлено концептуальное изображение отдельного стыка 30 трубопровода, в разрезе, параллельном его оси, с двумя линиями 40 передачи, муфтой повторителя 50 и соединительными муфтами 61 и 62 на основе электромагнитного резонанса (“EMR”). Замковая муфта 31 стыка 30 трубопровода обратно пробурена приблизительно на 2 дюйма (51 мм) для того, чтобы приспособиться под муфту повторителя 50. Муфта повторителя 50 вмещает EMR соединительные муфты 63 и 64. Внутри муфты повторителя 50 изолированные от внешней среды расположены многочисленные, в основном цилиндрической формы полости 52, которые могут вмещать в себя электрические схемы и батареи. Смежные полости 52 могут стыковаться вместе для упрощения электрических соединений или для размещения электрических компонентов нестандартной формы. Обращенная внутрь EMR соединительная муфта 63 граничит с поверхностью EMR соединительной муфты 61, смонтированной на замковую муфту. EMR соединительная муфта 61, смонтированная на замковую муфту, электрически связана посредством линий передачи 40 с EMR соединительной муфтой 62, смонтированной на ниппельной части. Когда соединение установлено, ниппельная часть смежного стыка трубопровода затрагивает обращенную наружу сторону муфты повторителя 50 на выступах 35, таких чтобы EMR соединительная муфта смежного стыка трубопровода граничила с поверхностью EMR соединительной муфты 63. Таким образом, собранный бурильный трубопровод содержит непрерывную цепочку линий передачи 40, которая простирается на длину трубчатого участка 32, EMR соединительных муфт 61 и 63 и муфты 50 повторителей с EMR соединительными муфтами 62 и 64. Такая цепочка способна передавать высокоскоростные телеметрические данные в обоих направлениях по радиочастотному несущему сигналу, который модулируется высокоскоростными данными. Такая цепочка также способна передавать высокочастотную мощность, полезную для питания повторителей, сенсорной электроники и для заряда перезаряжаемых батарей, содержащихся в повторителях и/или сенсорной электронике.
th
Процесс обратного бурения замкового стыка «муфта» определен в следующем документе «Specification for Rotary Drill Stream Elements - API Specification 7» (Спецификация для роторных элементов бурильного потока - API Спецификация 7), 40Edition, Nov.2001, Fig. 16 and Table 16, pp. 24-25, American Petroleum Institute, API Publishing Services, Washington DC.
Процессы бурения замковых стыков и маршрутизации коаксиальных кабелей через замковый стык, а также процесс маршрутизации коаксиального кабеля через трубчатую часть подробно описываются, например, в отчете «Very High-Speed Drill String Communication Network, Report #41229R14,» (Очень высокоскоростная сеть связи бурильной колонны, отчет #41229R14) June 2005, by D.S. Pixton. Содержание этих документов встроено в настоящий документ посредством ссылки во всей их полноте.
Большинство муфт повторителей 50 являются пассивными устройствами без источников питания. Эти пассивные повторители мгновенно и в обоих направлениях передают сигнал и/или мощность посредством EMR соединительных муфт на радиочастотах и по коротким внутренним линиям передачи.
Обычно одна из трех муфт повторителя 50 включает в себя активный контур, который принимает телеметрические сигналы, помещает в буфер и проверяет информацию, содержащуюся в них, а затем передает модулированный на радиочастотной несущей частоте сигнал. Эти активные повторители также настраиваются на рабочую частоту и также функционируют по принципу EMR. Каждый активный повторитель включает в себя свой собственный источник питания, который может быть первичным элементом или батареей, перезаряжаемой батареей, аккумулирующим энергию контуром или их комбинацией. Предпочтительно активные повторители более или менее равномерно расположены по бурильной колонне с характерным разделением между активными повторителями около 93 футов (около 28 м), что равно трем стыкам трубопровода или одному «бурильная свеча». При нормальной работе активные повторители связываются со своими следующими соседними повторителями на расстоянии 28 метров через промежуточную цепочку линий передачи и пассивных повторителей. Однако активные повторители могут также принимать сигналы от более удаленных передатчиков, например, на расстоянии 56 и/или 85 м, признак, который дает возможность автоматического мостового соединения через нефункционирующие активные повторители.
На фиг.4 показан короткий или «укороченный» стык 39, состоящий из муфтового замкового соединения 31 и ниппельного замкового соединение 32, сваренных вместе без промежуточного трубчатого соединения. Замковая муфта обратно раскручивается и вмещает муфту 50 повторителя. Линии передачи 40, соединяющие EMR соединительные муфты 61 и 62, располагаются в маршрутных каналах 41. Задачей укороченного стыка является подводка повторителя к нужному положению в цепочке передачи данных без расходования полной длины стыка трубопровода. Как обсуждается ниже, муфты активного повторителя 50 могут осуществлять считывающие функции в дополнение к своим телеметрическим функциям данных.
Потребность подвода таких локальных активных повторителей может также возникнуть, когда элементы бурильного трубопровода, согласующиеся с системой WPS, известной из Hall, вносятся в настоящую систему. Такие элементы стиля, известные из Hall, при использовании в качестве части настоящей системы передачи данных разрушают эффект EMR и вносят значительное затухание сигнала. Это затухание компенсируется посредством помещения активных повторителей над и/или под элементом, известным из Hall, или элементами.
На фиг.5 показан разрез, выполненный по трубчатой 32 линии и линиям 40 передачи вдоль плоскости А-А'. Линии передачи осуществляются в виде гибких, коаксиальных кабелей 42 из армированной стали. Предпочтительно, кабели 42 являются разнообразными кабелями с низким уровнем потерь, подходящим для работы на частотах до 3 ГГц. Подходящими являются кабели с диаметрами около 0,250'' (6,4 мм), с твердым или многожильным внутренним проводником с диаметром около 1 мм и с твердым политетрафторэтиленом (PTFE) в качестве диэлектрика. Кабели 42 на каждом конце оканчиваются миниатюрными высокотемпературными радиочастотными разъемами, такими как модифицированные SMB и MCX разъемы (не показаны). Эти разъемы модифицированы с добавлением армированных конических выступов, приваренных к внешней армированной оболочке кабеля. Разъемы вставляются в соответствующие монтажные отверстия в замковых соединениях, в которых конические внутренние выступы сочленяются с коническими выступами разъемов и тем самым прикладывают растягивающую предварительную нагрузку к армированию коаксиального кабеля. Предпочтительный характерный диапазон волновых сопротивлений коаксиального кабеля 42 составляет 25-100 Ом. Предпочтительное характерное значение волнового сопротивления коаксиального кабеля 42 составляет 50 Ом.
Как показано на фиг.6, на котором представлен вид «В» с фиг.3 и 4, лицевая поверхность ниппельной 33 части вмещает EMR соединительную муфту 62, включающую в себя кольцевой паз 70 глубиной приблизительно 4-5 мм. Стенки паза 70 покрыты электрически высоко проводящими слоями 73, такими как медная пленка, нанесенная плазменной струей. Толщина слоя должна быть, по меньшей мере, в три раза больше глубины электрической обшивки на резонансной частоте. В интересующем частотном диапазоне (VHF) обычно достаточным является проводящий слой толщиной около 0,001” (24,5 мкм). Кольцевая антенна 71 погружена внутрь паза 70 на глубину приблизительно 2 мм от поверхности. Антенна 71 осуществлена с использованием высокочастотной технологии микрополосковой линии передачи и состоит из нескольких участков проводов 173 приблизительно равной длины и блоков конденсаторов 74 и 78. Участки проводов 173 являются электрически высокопроводящими следами серебра на меди около 1-2 мм шириной и около 0,001” (24,5 мкм) толщиной, напечатанные на диэлектрическом многослойном листе 170 общей толщиной около 2-3 мм. Блоки конденсаторов 74 и 78 состоят из поверхностно монтируемых устройств (SMD - surface-mount device), встраиваемых в многослойный лист. Антенна 71 подключена к двум радиочастотным, высокотемпературным разъемам 174 (не показаны на фиг.6), расположенным ниже паза 70 близко к блокам конденсаторов 74. Разъемы 174 сочленяются с другим набором разъемов, которые прикрепляются к коаксиальным кабелям 40 (также не видны на фиг.6). Весь узел заключается в корпус из высокотемпературного компаунда посредством полного наполнения паза 70 таким непроводящим, диэлектрическим компаундом, предпочтительно наносимым в вакууме или в условиях очень низкого давления.
Антенна 71 разделена на участки с одним кабелем, прикрепляемым к каждому участку. В такой конфигурации участки могут как (а) совместно резонировать в тесной связи, т.к. они в сильной степени связаны с другими участками в соседних соединительных муфтах и, таким образом, являются в сильной степени связанными друг с другом, или (b) испытывать частичную остановку, при которой один участок выходит из резонанса и поэтому выходит в состояние off-line, а оставшийся участок (участки) резонируют так, как будто он (они) все еще связаны с несколькими участками в соседних соединительных муфтах.
На фиг.7 представлен вид спереди муфты повторителя 50, т.е. вид, отмеченный как «С» на фиг. 3 и 4. Муфта повторителя 50 содержит на внешней лицевой поверхности EMR соединительную муфту 64. Конструкция EMR соединительной муфты 64 аналогична EMR соединительной муфте 62, состоящей из паза 70 с антенной 71. Электрически антенна 71 соединена с внутренним пространством муфты повторителя 50 посредством проходных разъемов 172 (не показаны на фиг.7), расположенных ниже паза 70 близко к блокам конденсаторов 74.
Как сказано выше, внутри муфты повторителя 50 и изолированно от внешней среды расположены многочисленные цилиндрические полости 52, которые могут вмещать электронные схемы и батареи. Однако большинство корпусов повторителей являются пассивными устройствами с простым, проходным соединением проводами между EMR соединительными муфтами 64 (смонтированными на внешней поверхности корпуса повторителя) и 63 (смонтированными на внутренней поверхности корпуса повторителя; не показаны на фиг.7). Также на фиг.7 не представлен канал для проводов, который расположен под EMR соединительной муфтой и который соединяет полости 52 с целью маршрутизации сигналов и мощности по проводам. EMR соединительные муфты 63, которые расположены на противоположной поверхности муфты повторителя 50 и которые не представлены на фиг.7, сконструированы таким же образом, что и EMR соединительная муфта 64.
На фиг.8 представлена EMR соединительная муфта 61, которая размещается в задней стенке замковой муфты 31. Эта EMR соединительная муфта сконструирована таким же образом, что и ниппельная EMR соединительная муфта 62.
Также возможно установить настоящую систему передачи данных в стыки трубопровода без использования корпусов пассивных повторителей, т.к. все EMR соединительные муфты 61, 62, 63, 64 совместимы друг с другом. Например, возможно напрямую состыковать ниппельную EMR соединительную муфту 62 с замковой EMR соединительной муфтой 61. В этих стыках трубопровода замковая муфта 31 не является развинченной и поддерживает свои начальные размеры с двойными выступами. Преимуществом такой опции “без повторителя” является увеличение мощности сигнала, проходящего через набор стыков трубопровода, что, в свою очередь, дает возможность увеличения расстояния между активными повторителями. Основным недостатком использования меньшего числа пассивных повторителей или вообще неиспользования их является дополнительная потребность в материально-техническом обеспечении для отдельного обслуживания и отслеживания развинченных и неразвинченных стыков трубопровода.
На фиг.9 представлена конструкция EMR соединительных муфт 61, 62, 63 и 64. На фиг.9 представлен концептуальный, плоский вид в разрезе EMR соединительной муфты, охватывающий угол обзора 360°. Паз 70 глубиной 4-5 мм вмещает диэлектрический комплект многослойных листов 170, высотой 2-3 мм. Диэлектрик 170 предпочтительно изготавливается из многослойного материала из армированного стекловолокном PTFE или из диэлектрической керамики. Подходящая продукция из многослойных материалов доступна в Arlon, Microwave Material Division, Rancho Cucamonga, CA 91730. Все дорожки электрических схем предпочтительно реализуются в виде медных дорожек минимальной толщины, по меньшей мере, 0,001” (25,4 мкм) и с обработкой поверхности погружением в серебро. Антенна 71 представляет собой микрополосковые дорожки толщиной 1-2 мм, расположенные на внешней поверхности, в то время как плоскость основания 172 расположена на обращенной вовнутрь стороне диэлектрика 170. Диэлектрик 170 также вмещает миниатюрные радиочастотные разъемы 174 и различные поверхностно монтируемые конденсаторы 78 и 79. Подходящие высокостабильные, высокотемпературные поверхностно-монтируемые керамические конденсаторы на основе диэлектрического материала C0G-типа доступны в NOVACAP, Valencia, CA 91355. Радиочастотные (RF - radiofrequency) разъемы 174 соединены с другими RF разъемами 176 противоположного типа, которыми заканчиваются коаксиальные кабели 40. Конические RF разъемы 176 зафиксированы в конических выемках 175. Это упорядочивание накладывает предварительную растягивающую нагрузку на коаксиальные кабели 40, которая сохраняет кабели сильно натянутыми в условиях эксплуатации. Подходящие высокотемпературные сверхминиатюрные радиочастотные разъемы, такие как SMB или MCX разъемы, доступны в Amphenol RF, Danbury, CT 06810. Все электрические разъемы должны быть либо сварены, либо спаяны с использованием бессвинцового высокотемпературного припоя с высокой проводимостью.
Задачей конденсаторов 78 является привести в соответствие электрическую длину антенны 71 с длиной паза 70. Длина паза 70 определяется длиной окружности соединительного выступа, в который встроена EMR соединительная муфта. Если физическая длина паза 70 равна или равна нескольким электрическим длинам антенны 71, на определенных частотах структура стоячей волны появляется на антенне 71, которая может хранить сравнительно большие объемы электромагнитной энергии. Это хранилище электромагнитной энергии, содержащейся в немагнитной диэлектрической среде, такой как воздух, или в данном случае диэлектрический компаунд, является основой для связывания посредством электромагнитного резонанса (EMR). Если два паза 70 состыкованы для формирования закрытой или полузакрытой полости, то эта полость наполняется высокочастотной электромагнитной энергией, часть которой вносится в какую-либо из настроенных, резонирующих схем, расположенных внутри полости. Стоячая форма колебания характеризуется пиковыми напряжениями на блоках напряжений 74 и непрерывностями напряжения на последовательных конденсаторах 78. В точке пикового напряжения мощность емкостным образом может быть связана или отвязана от резонирующей системы. Ток подчиняется отношению непрерывности, непрерывно протекая вокруг петли, формируемой антенной 71, с противоположным током, протекающим в обратном направлении, в горизонтальной проекции 172. Посредством выбора числа и значений непрерывности напряжения посредством настройки конденсаторов 78 возможно расположить структуру стоячей волны таким образом, чтобы целое кратное число длин волн укладывалось на физическую длину паза 70. Будучи в резонансе, антенна 71 принимает и регенерирует все сигналы, которые вводятся в полость через разъемы 174 и 176, будь они с одного и того же стыка трубопровода или со смежного стыка трубопровода.
Находящиеся в соответствии конденсаторы 79 связывают часть энергии, хранящейся в полости, с антеннами 71 и отсоединяют от линий передачи 40. Значения конденсаторов 79 поэтому являются функциями от рабочей частоты и от характеристического волнового сопротивления линий передачи 40.
Дополнительный экран 77 Фарадея может быть установлен примерно на 1 мм над антенной 71 посредством затопления экрана в облицовочном материале 76. Задачей экрана Фарадея является введение нулевого значения вектора Е-поля вблизи поверхности EMR соединительной муфты. Экран 77 состоит из ориентированных по радиусу проводов - представлены в разрезе, т.е. как точки, на фиг.9 - которые пересекают антенны под углом 90° и которые связаны с металлом трубопровода на внутреннем диаметре паза 70. На внешнем диаметре экранные провода оставлены электрически не связанными для блокирования петлей вихревых токов.
Т.к. внутренние выступы роторных соединений с двойным выступом не являются гидравлическими уплотнениями, между ближайшими EMR соединительными муфтами может существовать зазор, пропускающий буровой раствор в пространство между ближайшими EMR соединительными муфтами. Эти буровые растворы, по существу, являются немагнитными, т.е. немагнитный паз 70 уже приводится в соответствие с буровыми растворами, но буровые растворы могут быть или не быть электрически проводящими, в последнем случае растворы находятся, по существу, на нулевом потенциале. Экран 77 Фарадея дополнительно улучшает уже хорошие связывающие характеристики EMR соединительных муфт посредством принудительного наложения граничных условий на электромагнитное поле, которое приводит в соответствие, электрически проводящие и электрически изолирующие буровые растворы.
Электромагнитные характеристики пары EMR соединительных муфт в сочетании с проводящими или непроводящими буровыми растворами находятся в противоречии с характеристиками системой WPS, известной из Hall, соединительных муфт. Соединительные муфты, известные из Hall, задействуют магнитно проводящие, электрически изолирующие (“MCEI”) материалы сердечника, т.е. магнитные материалы, такие как ферриты, которые являются в особенности плохим соответствием для ближайших немагнитных буровых растворов, которые могут вынуждаться давлением скважинной жидкости в зазор между соединительными муфтами. В процессе полевых работ такие небольшие зазоры практически неизбежны, т.к. не практично идеально очистить сцепляемые поверхности жидкостями и твердыми материалами, которые составляют коммерческие буровые грязи. Значительное несоответствие волнового сопротивления служит причиной нарушений в электромагнитном поле, которое обратно отражается на оставшейся части электрической схемы как переменное и неконтролируемое реактивное сопротивление. Например, полагая ферритовый материал с относительной магнитной проницаемостью 100, немагнитный зазор толщиной только 0.5 мм имитирует дополнительную линию магнитной индукции длиной 50 мм. Это представляет удвоение длины линии магнитной индукции без зазоров и изменение в индуктивности L приблизительно в 2 раза. Эта нестабильность допустима до тех пор, пока переменная индуктивность L не является частью резонансной L-C цепи, резонансная частота которой менялась обратно пропорционально квадратному корню от переменной индуктивности. Сама по себе резонансная частота была бы очень чувствительна к температуре, давлению и размеру и форме зазора между MCEI соединительными муфтами и беспорядочно бы различалась между соединительными муфтами, упорядоченными в последовательности. В результате волновое сопротивление, определенное для прикрепленных кабелей, значительно бы изменялось как функция от параметров окружающей среды на и около резонансной частоты или частот, приводящих к беспорядочным отражениям сигнала и беспорядочной аддитивной и деструктивной интерференции колебаний. Напротив, зазоры в парах немагнитных EMR соединительных муфт не имеют материального воздействия на резонансную частоту каждой антенны. Относительно просто твердые и герметично изолированные конструкции каждой EMR соединительной муфты гарантируют, что резонансная частота контролируется конструктивным исполнением и однородны по всем EMR соединительным муфтам.
Вся электрическая схема EMR соединительных муфт, состоящая из многослойного блока 170, компонентов 71, 78, 79 и разъемов 174 и 176, корпусируется в высококачественный полимер 76, подходящий для скважинного использования, такой как основанный на эпоксидной смоле STYCAST компаунд, изготавливаемый Emerson&Cuming, Billerica, MA, или полиарилэфирэфироксикетона (“PEEK” - polyaryletheretherketone). Подходящий поставщик материала PEEK - Greene Tweed & Co Inc, Houston, TX 77032. Т.к. EMR связывание является наиболее эффективным на высоких частотах, компаунд должен быть с высоким диэлектрическими свойствами с низкими диэлектрическими потерями на частотах высокого и ультравысокого диапазона. Резонансное связывание в общем случае работает наилучшим образом в электрически изолированных, немагнитных средах, таких как воздух, керамики, эпоксидные смолы или высококачественные пластмассы. Компаунды должны приближать такие условия посредством использования немагнитных диэлектрических материалов со значением относительной диэлектрической константы предпочтительно между 1 и 5 и относительной магнитной проницаемостью, близкой к 1. Магнитные материалы, однако, как эти, имеющие существенное значение для работы системы WPS, известной из Hall, и демонстрирующие относительные магнитные проницаемости от около 10 до нескольких тысяч, недопустимы. На частотах ниже предпочтительного диапазона, от высоких до ультравысоких, например, на рабочих частотах системы WPS, известной из Hall, потери на теплопроводность в меди подавляют эффект электромагнитного резонанса EMR. В предпочтительном частотном диапазоне, от высоких до ультравысоких, в особенности на частотах выше 10 МГц, наличие магнитных материалов вводит большие потери на гистерезис, которые снова подавляют эффект EMR. Таким образом, немагнитные материалы в электромагнитной соединительной муфте позволяют работать на высокой частоте выше 10 МГц, что было бы невозможным, если магнитный материал использовался, как в предыдущей области техники.
Твердый эпоксидный герметик 76 предпочтительно покрывается вязким, уже эластичным слоем 72, состоящим из подходящего для использования в скважине эластомера. Этот слой, с толщиной около 1 мм, изолирует электрическую схему EMR соединительной муфты от толчкообразных ударов ниппельной поверхности или задней стенки замковой муфты. Подходящие эластомеры доступны в DuPont Performance Elastomers, Wilmington, DE 19809, таких как “Viton Extreme”. Витон, будучи фторэластомером, имеет относительно высокую относительную диэлектрическую постоянную около 9-10. Экран 77 Фарадея значительно снижает компоненту E-поля внутри эластичного слоя, и поэтому такие высокие значения относительной диэлектрической постоянной не оказывают отрицательных эффектов, таких как расстройка EMR соединительной муфты. Подверженная воздействию поверхность эластомера 72 может быть покрыта слоем PTFE фторполимерной смолы. Подходящими PTFE продуктами является “тефлон”, также изготавливаемый DuPont, Wilmington, DE 19809. PTFE обеспечивает гладкую, законченную поверхность, которая выполняет промывку поверхности главного компонента (ниппельная муфта замкового соединения, задняя стенка замковой муфты или поверхность корпуса повторителя) и из-за своих самосмазывающихся свойств, может выдержать много циклов завинчивания/развинчивания. Альтернативно упругая изоляция может быть предварительно произведена покрытой на внешней стороне  слоем PTFE и с печатью схемы экрана 77 Фарадея на внутренней стороне, посредством эпоксидной смолы, содержащей серебро. Эта предварительно произведенная изоляция может быть впрессована в эпоксидный полимер 76 на стадии схватывания такого полимера 76.
Данные и информация модулируются на сигнал несущей частоты с частотой, которая приводит к тому, что все EMR соединительные муфты на сигнальной линии одновременно резонируют и обмениваются энергией друг с другом. Цепочка EMR соединительных муфт эффективно пропускает сигналы в окне в несколько МГц вокруг резонансной частоты и значительно уменьшает сигнал вне окна. Эта цепочка также очень эффективна против дефектных компонентов передачи сигналов, потому что дефектные элементы характеризуются тем, что у них или нет EMR, или есть резонанс, который не попадает в окно полосы пропускания или есть резонанс низкого качества, что выражается низким Q-фактором. Такие дефектные элементы не способны достичь EMR при рабочих частотах из-за отражений на линии 40 передачи, вызванных короткими замыканиями или сломанными проводниками, или из-за дефектных конденсаторов 78 и 79, или из-за участков 173 проводов сломанных или с коротким замыканием. Без резонанса на рабочей частоте дефектные элементы передачи не демонстрируют EMR связывания и не могут больше материально обмениваться энергией с остальной системой. До тех пор пока параллельные, резервные элементы передачи сигнала доступны в форме дополнительных участков 173 проводов с электрическими схемами 74 и 78 и/или линий 40 передачи, механизм передачи сигналов и обмена энергией автоматически переходит на оставшиеся функционирующие элементы. В присутствии дефектов электрической схемы схема стоячей волны на антенне 71 может переходить из нормального режима целой длины волны в альтернативные режимы долей целых длин волн. В наиболее простом случае обычного режима одной длины волны вокруг длины окружности паза 70 один альтернативный режим является резонансом стоячей волны на половине длины волны на одной половине антенны 71. Требования к непрерывности тока выполняются посредством перемещения токов через конденсаторы 78 к базовому заземлению 172. Анализ электрической схемы показывает, что новый резонанс происходит на той же самой частоте, как и в полностью целом резонансе, который является существенным для непрерывной работы всей системы.
На фиг.10 показан концептуальный вид в разрезе цепочки EMR соединительных муфт 62, 64, 63 и 61. Сигналы и/или высокочастотная мощность приходят и отправляются через коаксиальные кабели 40 и проходят между EMR соединительными муфтами через резонансное связывание. Показана слева направо EMR соединительная муфта 62, смонтированная на ниппеле, EMR соединительная муфта 64, с внешней поверхности корпуса повторителя подключенная проводами к EMR соединительной муфте 63 с внутренней поверхности корпуса повторителя, и EMR соединительная муфта 61, смонтированная на замковой муфте. Паз 70 имеет трапецеидальное сечение, т.е. паз слегка пропилен для удерживания захваченного компаунда 76. Как обсуждалось, паз 70 покрыт высокопроводящим слоем 73 с пламенным напылением. Противоположные пазы 70 формируют закрытые полости с приблизительно прямоугольными сечениями, в которых происходит резонансное связывание. Все элементы электрической схемы, расположенные внутри этой полости и настроенные на рабочую частоту, вынуждены резонировать на той же самой частоте и когерентно по отношению друг к другу. В нормально функционирующей системе линии 40 передачи несут полностью зарезервированные, более или менее идентичные копии сигналов, которые прикладываются к EMR соединительным муфтам. В частично дефектных системах элементы демонстрирующие ненормальные резонансные частоты и/или ненормальное характеристическое волновое сопротивление, развязываются от передачи энергии, происходящей в закрытых полостях.
На фиг.11 показаны результаты численного моделирования с помощью COMSOL Multiphtsics, COMSOL Inc., Burlington, MA 01803. На Фиг. 11 показаны линии постоянного магнитного потенциала 177, такой потенциал, сгенерированный левой EMR c соединительной муфтой 62 и генерирующий электромагнитное поле внутри закрытой полости, сформированной смежными пазами 70. В модели каждый паз 70 глубиной 4 мм и шириной 6 мм, в результате чего получается полость, охватывающая область 8 мм × 6 мм. Антенны 71 представляют собой напечатанные следы шириной 1 мм на подложке 171 на основе PTFE 2 мм высотой и 2 мм шириной. Сообщающиеся антенны 71 разнесены на 4 мм. Расчетный коэффициент связи k вне резонанса между антеннами 71 около 0,1.
2
Коэффициент связи k вне резонанса около 0,1-0,2 достаточно небольшой для удовлетворения слабых связывающих условий, необходимых для зарезервированной работы по связыванию сигнала. Волновое сопротивление нерезонирующих, т.е. предположительно дефектных электрических схем, отражаются назад в рабочие электрические схемы с фактором k, который составляет величину только порядка 0,01. Таким образом, полное короткое замыкание и/или нарушение непрерывности, отключающие части схемы не оказывают существенного влияния на оставшиеся части схемы. Другим преимуществом резонансно-связанных электрических схем является широкое окно резонанса, которое превышает полосу пропускания отдельной высококачественной антенны. Поэтому преимущество резонансного связывания, использующего высококачественные резонаторы в соответствии с изобретением, не наказывается узкой полосой частот. Обычно на рабочих частотах около 100 МГц и Q-факторах до 100 может достигаться плоское окно передачи шириной около 10 МГц. Таким образом, система передачи данных, функционирующая со скоростью около 1 Мб/с и использующая полосу частот около 1 МГц, может работать внутри +\-5% от центральной частоты окна передачи, особенность, которая вносит значительный вклад в устойчивость и прочность системы. В особенности следует понимать, что работа на высоких частотах позволяет высококачественный резонанс (“EMR”). EMR, в свою очередь, дает возможность конструкции номинальных соединительных муфт, т.е. вне резонанса, только слабо связанные, в то время как при резонансе демонстрирующих сильную передачу мощности и/или сигнала. Этот эффект может применяться для конструирования прочной системы передачи, включающей в себя параллельные, резервные участки передачи. Электрическое и/или механическое повреждение какого-либо такого участка отключает EMR на этом участке, т.к. дефектные участки становятся эффективно отвязанными от остальной системы, когда дефектный участок соединительной муфты или участок соединительной муфты, прикрепленный к неисправному кабелю, не резонирует на высоком Q на правильной частоте. Дефектная часть системы, таким образом, только слабо связана с оставшейся системой и практически отвязана от нее. Резервный участок в оставшейся системе автоматический берет на себя функции неисправного участка. Мощность и сигналы потекут исключительно по резервному каналу. Этот процесс автоматический и не требует вмешательства или подробных переключений.
На фиг.21 представлены измеренные спектры передачи из последовательности из шести последовательных EMR соединительных муфт. Центральная частота окна полосы пропускания находится на 108 МГц? и доступный диапазон частот около 14 МГц. Крутой спад в направлении частот ниже и выше полосы пропускания очевиден. “Выбросы сигнала” за пределами полосы пропускания являются паразитными резонансами, вызванными ограниченными длинами участков соединительных кабелей. Такие паразитные резонансы появляются в любой проводной системе трубопроводов из-за квазипериодичности топологии электрической схемы, которая имеет тенденцию диспергировать по мере того, как участки трубопровода различной длины собираются вместе. Сильное затухание на частотах, выходящих за рамки полосы пропускания, укрепляет систему против электромагнитной интерференции из вне, а также очень эффективно отключает неисправные элементы электрической схемы, демонстрирующие ненормальное поведение в резонансе. Затухание сигнала и мощности внутри полосы пропускания, свойственное цепочке EMR соединительных муфт, составляет величину около -4 дБ, где вклад каждой пары EMR соединительных муфт около -1 дБ, а общий вклад от кабельных соединений составляет около -1 дБ. Потери на пару -1 дБ указывают на то, что в данном конкретном случае каждая пара функционирует при 89% эффективности передачи.
Сочетание высокочастотного, высокоэффективного сигнала и передачи мощности в широком частотном диапазоне считается недостижимым в настоящей литературе по скважинным коммуникационным системам. Например, в последней заявке на патент, поданной в США U.S.Pat. 7362235 to Norman, утверждается, что в системах передачи высокочастотных настроенных сигналов диапазон частот передачи значительно уменьшается, представляя такие высокочастотные системы не подходящими для скважинных телеметрических нужд. Напротив, настоящая система не только устойчиво и эффективно передает сигналы и данные, но также и передает высокочастотную мощность, которая может быть конвертирована в источник постоянного напряжения, где такой источник может понадобиться. В примере, представленном на фиг.21, около 40% высокочастотной мощности, вводящейся в цепочку EMR соединительных муфт на одном конце, может собираться на принимающем конце. При условии, что высокочастотная мощность, доступная на поверхности, составляет сотни Вт и что скважинная электрическая схема может эффективно работать уже при 1 мВт, может быть собрана достаточно длинная цепочка EMR соединительных муфт и может все еще быть полезной в качестве канала для обеспечения электропитанием.
Как будет подробно рассказано в разделе «Конструктивное исполнение и рабочая частота EMR соединительной муфты», в текущих полевых условиях затухание, связанное с отдельным 31 футовым стыком трубопровода, содержащим один пассивный повторитель, составляет около -6 дБ. При номинальном уровне мощности на выходе передатчика 1 мВт (0 дБм) и минимальном используемом уровне на входе приемника -80 дБм повторители могут связываться друг с другом на расстояниях до около 372 футов (113 м), эквивалентном 12 стыкам трубопровода или 4 стойкам стыков трубопровода. Таким образом, минимальное число активных повторителей в 30,000-футовой бурильной колонне около 80. В целях резервирования должно быть установлено, по меньшей мере, вдвое больше повторителей, чем минимально требуется. По техническим причинам и для совместимости с автоматическим оборудованием бурильной установки желательно предварительно собрать идентичные стойки для буровых стыков, т.е. добавить одну муфту активного повторителя и две муфты пассивного повторителя для каждой стойки.
Число корпусов активных повторителей в примере 30000 футовой буровой колонны составляет 323, а число корпусов пассивного повторителя составляет 646. Таким образом, число активных повторителей в четыре раза превышает их минимальное необходимое число, создавая тройное резервирование сети активного повторителя.
Допустимое искажение большого сигнала может применяться несколькими способами. Во-первых, повторители могут связываться друг с другом по мостовому соединению через несколько дефектных повторителей и могут преодолеть появление большого числа различных и одновременных неисправностей. Во-вторых, уровень передаваемой мощности и ток, поставляемый к источнику, могут быть понижены для достижения потребления мощности в доли милливатт на повторитель для расширенного времени жизни батарей и/или для способов с автономным питанием, как обсуждается ниже. В-третьих, система предоставляется во временное пользование в качестве системы линий передачи с затуханием, такой как заглубленные тонкие провода.
В альтернативном осуществлении линии передачи 40 реализуются в качестве тонких проводов, заглубленных в наплавляемое эпоксидное покрытие (FBE - fusion-bonded epoxy) внутреннего диаметра трубопровода. Способ использования заглубленных проводов и электродов подробно объясняется в международной заявке на патент Int. Pat. Appl. PCT/US 09/44949 от 22 мая 2009. Содержание этой заявки включено в настоящий документ посредством ссылок во всей их полноте. Преимуществом использования заглубленных проводов в качестве линий передачи является небольшой относительный прирост стоимости, связанный с добавлением дополнительных параллельных проводов. Заглубленные провода маршрутизируются как эмалированные, но, напротив, незакаленные провода через трубчатый участок 32 как часть FBE покрытия. Соединение между незакаленным участком провода и EMR соединительными муфтами проходит через туннель через замковые соединения от внутреннего диаметра к ниппельной поверхности или к задней стенке замковой муфты. Это электрическое соединение предпочтительно осуществляется в виде коаксиального участка “прямого электрического соединения”, вставленного во внутренний канал провода и залитого на месте и герметично изолированного материалами, такими как STYCAST или PEEK, основанными на эпоксидной смоле.
Как обсуждалось, “продольная избыточность”, осуществляемая посредством мостового соединения бездействующего модуля активного повторителя, совмещается с “поперечной избыточностью”, обеспечиваемой посредством множества параллельных линий 40 передачи. Как показано ниже, оба, активный и пассивный повторители разупорядочивают маршруты передачи между участками передачи, таким образом, чтобы результирующая сеть являлась сложной, псевдослучайной паутиной перемежающихся каналов передачи. В процессе нормальной работы по этим каналам могут нести информацию, которая является резервной как в пространственном смысле (в поперечном/параллельном направлении). В случае неисправности сеть конфигурирует себя или пассивно, посредством перераспределения сигнальных каналов, или активно, посредством следования алгоритма активного повторителя, который будет обсуждаться ниже.
Муфта повторителя 50 не имеет фиксированных угловых положений внутри замковой муфты 33 стыка трубопровода; на самом деле, предпочтительно, что эта угловая ориентация всех муфт повторителя 50 и поэтому EMR соединительных муфт 63 и 64 разупорядочена. Кроме того, угловая ориентация EMR соединительных муфт 61 и 62 не определена. Снова предпочтительно, чтобы EMR соединительные муфты 61 и 62 принимают беспорядочную ориентацию по отношению друг к другу и по отношению к EMR соединительным муфтам 63 и 64 корпуса повторителя. Результатом является сеть полубеспорядочных сигнальных каналов с муфтами повторителей 50, обеспечивающих пересечение проводов и смешивание функциональности между линиями 40 передачи. Такое встроенное пересечение проводов и смешивание функциональности является существенным для автоматического прохождения мест нахождения неисправности (“нарушение”), когда диаграммы направленности одной или более EMR соединительных муфт могут перекашиваться из-за неисправности в одном или более ответвлениях электрической схемы. Полубеспорядочность сигнального канала восстанавливает симметрию между линиями 40 передачи и симметрию в диаграммах направленности EMR соединительных муфт в обоих направлениях в пределах нескольких соединений от точки неисправности. Эта симметрия также позволяет EMR соединительным муфтам различной конструкции бесшовно взаимодействовать друг с другом. В особенности в точках подачи и приема сигнала на обоих концах цепочки передачи данных преимущественно переводить из передачи по двум кабелям в передачу по одному кабелю.
На фиг.12 представлены принципиальные каналы прохождения сигналов через иллюстративную сборку, состоящую из устройства 90 подачи сигнала, стыка трубопровода 30 (“А”), оснащенную корпусом 50 активного повторителя, другого стыка трубопровода 30 (“В”), оснащенную муфтой 50 пассивного повторителя и устройства 95 обнаружения сигнала. Для ясности показан только один блок 74 конденсаторов на участок 173 провода и дополнительные настроечные конденсаторы 78 опущены. Обычно поверхность границы раздела (“соединительный элемент”) и скважинный интерфейсный элемент (“BHA элемент”) будут содержать оба, устройство 90 подачи сигнала и электрические схемы 95 обнаружения сигналов, давая возможность передачи данных в обоих направлениях. EMR соединительные муфты 141, прикрепленные к устройствам подачи и определения сигнала, взаимодействуют на границе с 50-омными источниками 91 сигнала и приемниками 96 сигнала соответственно. В примере, показанном на фиг.12, входной сигнал собирается муфтой 50 активного преобразователя, который включает две электрические схемы 100 повторителей. Электрические схемы 100 повторителей обнаруживают пакет входящих сообщений, проверяют достоверность сообщений и, если выполняются определенные условия, ретранслируют пакет сообщений в усиленной и восстановленной форме в обоих направлениях. Сигнал, движущийся слева направо, перемещается по стыку трубопровода 30, муфте 50 пассивного повторителя, другому стыку трубопровода 30 и, наконец, принимается устройством обнаружения 95. В текущем осуществлении число стыков трубопровода В с корпусами пассивного повторителя численно превосходит стыки трубопровода А с корпусами активных повторителей.
На фиг.13 показаны в виде диаграмм и упрощенно электрическую схему внутри муфты 50 активного повторителя. Два повторителя 100 размещены в полостях 52 и прикреплены к антеннам 71 с настроечным и связывающим конденсаторами 78 и 79. Два повторителя независимы друг от друга, и каждый повторитель 100 может функционировать без другого повторителя. Кроме того, электрическая схема и в особенности интерфейс антенны (“Ant. Int.”) 130 сконструированы таким образом, чтобы в случае неисправности электроники в аппаратном обеспечении антенны 71, относящиеся к неисправному повторителю электрически пассивно соединены друг с другом, давая возможность взаимодействия без усиления и без буферизации между двумя поверхностями корпуса повторителя. Повторитель состоит из основных блоков: модуль микропроцессора “MPU” 110, источник импульсов синхронизации “XTAL” 112, RF (радиочастотный) внешний интерфейс 120, интерфейс антенны 130 и одна или более литиевых батарей 140. Полости имеют размеры для вмещения ААА-элементов первичной литиево-тионил-хлоридных батарей, например, #10-25-150LR, доступных в Electrochem, Clarence, NY. Для электронной части могут использоваться следующие компоненты: MPU 110: PIC24F16KA102, доступных в Microchip Technology, Inc., Chandler, AZ 85224-6199; RF внешний интерфейс 120: TH 71221, доступный в Melexis Microelectronic Systems, B-8900 Ieper, Belgium и XTAL 112: ABM3B SMD Crystal, доступная в Abracon Corp., Rancho Snta Margarita, California 92688. Размеры этих чипов составляют 5 мм × 5 мм (MPU и RF чип, оба в QFN упаковке) и 5 мм × 3 мм (XTAL).
TH 71221 чип выполняет функции модулирования (“Mod.”), генератора опорного сигнала (“RO”), усилителя мощности (“PA”), малошумящего усилителя (“LNA”), усилительного каскада промежуточной частоты (“I.F.”) и обнаружения (“Det.”). Интерфейс антенны приводит в соответствие волновое сопротивление и переключает между каналом передачи от PA к антеннам и каналом приема от антенн к LNA. Выходная мощность установлена на значение около 0 дБм (1 мВт) в каждом направлении (+3 дБм вместе). Используемый уровень входного сигнала находится между 0 дБм и -90 дБм. Имеющаяся полоса частот TH 71221 около 200 кГц и пропускная способность пакетных данных - около 200 кб/с в ASK и FSK режимах модуляции. Одна электрическая схема повторителя потребляет около 12 мА во время приема и около 24 мА во время передачи от литиевой батареи с номинальным напряжением 3,6 В. При рабочей температуре 150°С отдельный ААА-элемент батареи поставляет около 400 мА/ч на протяжении более нескольких сот часов. Благодаря саморазряжающемуся току на высоких температурах добавление другого ААА-элемента батареи приведет к полному доступному объему заряда около 600 мА/ч.
Для того чтобы принять или перенаправить отдельный пакет сообщений, например, 250 байт, повторителю необходимо находиться в режиме приема около 10 мс, в режиме передачи на следующие 10 мс и в неподвижном состоянии следующие 10 мс, полагая скорость пакетной модуляции 200 кб/с. Максимальная пропускная способность первичных данных при такой скорости пакетной модуляции составляет 33 пакета в секунду или 66 кб/с. Этот предел налагается шириной полосы пропускания TH 71221 чипа, а не системой передачи данных в секунду. Время задержки на активный повторитель составляет около 10 мс, т.е. общий период задержки при прохождении через 30000 футовую (10-км) колонну составляет величину порядка трех секунд, полагая, что 322 активные повторители.
Полагая максимальную скорость передачи данных 66 кб/с и попеременную работу двух повторителей в корпусе повторителя, один повторитель принимает 10 мс и передает 10 мс каждые 60 мс. Результирующий поставляемый ток потребления составляет 12 мА/6 + 24 мс/6 = 6 мА, приводя к времени работы около 100 часов при работе двух первичных батарей в каждом повторителе. Для большинства скважин, однако, большая скорость передачи данных не является необходимой, и значительно сниженная скорость будет достаточной. В настоящей системе передачи данных минимальная скорость передачи данных устанавливается на одно сообщение 250 байт в секунду, т.е. 2 кб/с. Используя энергосберегающие технологии, описанные ниже, средний ток потребления на повторитель может быть снижен до около 0,1 мА, приводя к временам работы, существенно ограниченным только скоростями перезарядки литиевых батарей.
На фиг.14 показан внешний вид сборочной муфты 50 повторителя. На верхней стороне видны герметично изолированные EMR соединительные муфты 63 и 64. Муфты 50 активных и пассивных повторителей предпочтительно различаются по видимому цветовому коду верхней стороны, гарантируя то, что активные повторители вставлены с соответствующими интервалами. Дополнительно стенки внутреннего диаметра могут быть покрыты FBE покрытием 45 для трубопроводов. Вся муфта 50 повторителей предпочтительно герметично изолируется.
При работе муфта 50 повторителей захватывается между ниппельным замковым соединением и задней стенкой замкового соединения замковой муфты. Механически корпус повторителя передает нагрузку на сжатие между ниппельной частью и замковым стыком и обеспечивает хорошо определенные остановки для роторных соединений, тем самым предотвращая перекручивание соединений в процессе составления и/или скважинную нагрузку при кручении.
При хранении необходимо заботиться о том, чтобы муфты 50 повторителя, расположенные в открытых замковых муфтах 31 замкового соединения, не меняли свое местоположение. Такое самоблокирующее действие может выполняться посредством различных, хорошо известных структурных деталей. Посредством слегка конической машинной обработки внутреннего диаметра замковой муфты 31 замкового соединения и внутреннего диаметра муфты повторителя 50 достигается самоблокирование через силы трения между поверхностями. Альтернативно, могут использоваться удерживающие кольца, подогнанные под пазы, расположенные на замковой муфте и на повторителе. Предпочтительно, ниппельное вращение в процессе развинчивания заставляет задействовать механизм удерживания, т.е. блокировать муфту повторителя на месте. Противоположное направление вращения происходит в процессе составления, в случае которого не требуется удерживания, т.к. ниппель захватывает муфту повторителя. Ручное снятие муфты повторителя включает в себя вращение муфты повторителя в направлении составления, тем самым освобождая механизм блокировки, и одновременное вынимание муфты повторителя из замковой муфты замкового соединения. Новая муфта повторителя вставляется посредством нажатия на нее и задействования механизма блокирования посредством вращения муфты повторителя в направлении развинчивания.
Техническая задача распределения муфт активного повторителя по системе упрощается посредством мониторинга силы принимаемого сигнала на поверхностной терминальной станции. Каждый раз, когда поверхностная станция видит, что входящий сигнал от ближайшего повторителя или повторителей приближается или падает ниже предварительно определенного порогового значения, система выдает запрос на стык трубопровода или на стойку трубопровода, включающую активный повторитель. Таким образом, высоко неоднородные телеметрические колонны, состоящие из муфт активных и пассивных повторителей, длинных и коротких стыков трубопровода, WPS стыков трубопровода и/или специальных компонентов WPS, могут быть построены без специфических знаний фактора затухания в каждом элементе бурильного трубопровода.
Механические размеры муфты повторителя 50 и количество обратных растачиваний выбираются, чтобы соответствовать размерам коммерческих соединений с двойными выступами. Более того, ниппельная часть скважинного компонента с двойными стыками подходит к замковой муфте 31 стыка трубопровода. Такое соединение достигает своей полной механической силы, если муфта 50 активного или пассивного повторителя захватывается между ниппельной частью и задней стенкой замковой муфты. Подобным образом, стык трубопровода ниппельной части 33 в соответствии с настоящим изобретением подходит к скважинному компоненту с двойным выступом.
Какая-либо муфта 50 активного повторителя может быть использована в качестве платформы для локального обнаружения и сбора данных. На Фиг.15 представлена иллюстративная диаграмма электрической схемы повторителя для способного обнаруживать активного повторителя. Для ясности, только один из двух, в обычном случае, повторителей в муфте повторителя начерчен на фиг.15. Электрическая схема сенсора 200, которая включает сенсор 202, электрическую схему формирования сигнала 204, аналого-цифровые преобразователи 206, MPU 208 и электрическую схему переключения питания 210, помещается в полость 52. Сенсор и его электрическая схема питаются с помощью первичной батареи 140. MPU повторителя 110 взаимодействует с MPU сенсора 208 через последовательную коммуникационную линию для направления MPU сенсора 208 для включения и выключения питания сенсора, для снятия показаний сенсора и обработки и передачи данных с сенсора.
Примером данных для сбора с бурильной колонны является локальное ускорение. Ускорение в режиме реального времени, данные по вибрациям и толчкам, которые выборочно измеряются через регулярные интервалы по всей бурильной колонне, показывают динамическое поведение бурильной колонны в текущих условиях. Данные используются для настройки скорости вращения, скорости бурения и/или осевой нагрузки на головку бура среди других настраиваемых параметров бурения. Подходящие датчики ускорения на основе MEMS для сенсора 202 доступны в Analog Devices. Например, чип ADXL326 размещается в упаковке 4 мм × 4 мм, который с MPU от Microchip Technology, Inc. вместе помещаются в полость 52.
Данные сенсора собираются по бурильной колонне посредством опроса повторителей 100 на наличие данных. Повторители 100 реагируют посредством опроса своих прикрепленных сенсорных систем на наличие данных и посредством выгрузки пакетизированных данных. Альтернативно, повторители могут автоматически опрашивать свои прикрепленные сенсорные системы и/или могут вставлять данные сенсоров в пакеты данных. Последний способ полезен для обнаружения условий, в которых данные сенсора превышают конкретное предварительно определенное пороговое значение, такое как максимальный разрешенный уровень вибрации.
На фиг.16 представлена блок-схема электрической схемы повторителя с множеством источников питания. При работе цепочка повторителей при низких средних скоростях передачи данных значительно снижает нагрузку при эксплуатации для каждого активного повторителя, и поэтому и средний уровень потребления мощности активного повторителя до значений значительно ниже 1 мВт. В диапазоне микроватт возможно собирать энергию из энергии вибрации бурильной колонны. Как показано на фиг.16, полость 51 вмещает соленоид 250, состоящий из до нескольких тысяч витков магнитного провода. Постоянный магнит 252, который свободно приостановлен внутри катушки 250, двигается в продольном направлении относительно катушки по мере вибрации бурильной колонны. Т.к. магнит 252 представляет собой поперечный диполь, такие движения вызывают напряжения в катушке 250. Эти напряжения захватываются электрической схемой регулирования мощности 254, в котором первичное напряжение - неустойчивое напряжение преобразуется в напряжение, подходящее для заряда конденсатора памяти 256. Этот конденсатор, в свою очередь, снабжает питанием электрическую схему регулирования мощности 254 и повторитель 100. Резервная батарея 140 обеспечивает мощность электрическим схемам при расширенных фазах, когда энергия вибрации недоступна, так, как когда бурильный стык трубопровода передвинут. Устройства, подходящие для схемы регулирования мощности 254, доступны в Advanced Linear Devices, Inc., Sunnyvale, CA 94089.
На фиг.17 показана блок-схема для схемы повторителя, использующей перезаряжаемые батареи. EMR соединительные муфты линейные по отношению к амплитуде и мощности, т.е. они способны передавать электрическую мощность в добавлении к сигналам данных. Всякий раз, как высокочастотная мощность в диапазонах HF, VHF или UHF, в особенности на частоте EMR и превышает в избытке около 0 дБм (1 мВт) прикладывается к одной или обеим антеннам 71, высокоскоростной выпрямитель 262 и конденсатор 263 преобразуют высокоскоростную мощность в напряжение, подходящее для входного для схемы регулирования напряжения 254. Выпрямитель 262, предпочтительно диод Шоттки с временем обратного восстановления около 1 нс или ниже, такой как SD101 от Vishay Intertechnology, Inc., Malvern, PA 19355. Схема регулирования мощности 254 стабилизирует первичное входное напряжение и перезаряжает батарею 260. Перезаряжаемая батарея 260, в свою очередь, снабжает питанием схему регулирования напряжения 254 и повторитель 100. Перезаряжаемые литий-ионные батареи, подходящие для скважинной работы, доступны в Saft, 93170 Bagnolet, France. Высокочастотная мощность, приложенная одновременно, переключает проводимость в паре диодов Шоттки 264. С проводящей парой диодов 264 формируется резонансный контур-накопитель 266, настроенный на ERM частоту. Резонансный контур-накопитель представляет высокое последовательное волновое сопротивление и изолирует интерфейс антенны 130 от входящих бросков HF/VHF/UHF мощности.
Подходящие станции перезарядки могут быть интегрированы в мобильные модули, в поверхность коммуникационного элемента 510 (см. ниже) и/или в корпус зарядного устройства, смонтированный в верхней части “площадке верхового”, которая держит вертикальные стойки трубопроводов в буровой установке. Во всех случаях корпус зарядного устройства содержит генератор высокочастотной мощности, который поставляет около 1 Вт на стойку трубопроводов. Кабельный разветвитель соединяет корпус зарядного устройства с адаптерами, каждый из которых содержит EMR соединительную муфту ниппельного типа. Каждый адаптер на кабельном разветвителе граничит с самой верхней муфтой на стойке трубопровода. Предпочтительно каждый адаптер прикреплен к стыку трубопровода посредством простой системы хомутов вместо роторных соединений. Сверху, высокочастотная мощность переходит вниз по стойке к одной или более муфтам активного повторителя, которые подключаются к высокочастотной мощности для перезарядки своих батарей. Общая HF/VHF/UHF мощность, поставляемая зарядным устройством площадки верхового, может составлять порядка 100 Вт.
Зарядная станция может также интегрироваться в поверхность коммуникационного элемента 510. Она перезаряжает активные повторители, расположенные на верхушке бурильной колонны, таким образом, время, доступное для перезарядки, зависит от хода бурения. Т.к. каждое применение HF/VHF/UHF мощности эффективно “затемняет” повторители, HF/VHF/UHF передатчики включаются только дискретно. Каждый бросок энергии около 10 мс синхронизируется с текущим сигналом хронометрирования пакета сообщений таким образом, чтобы выброс попадал в рамки неиспользуемых зазоров во временной последовательности.
Предпочтительно выпрямитель 262 и конденсатор 263 являются частью каждой схемы активного повторителя, независимо от возможности перезарядки источника питания или источников питания. Мгновенное напряжение, сгенерированное в конденсаторе 263, используется для таймерного включения MPU 110 из режима энергосбережения, в котором источник синхронизирующих импульсов 112 выключен и также выключена RF схема входного каскада 120. Потребление тока в таких режимах энергосбережения может сохраняться на уровне нескольких микроамперов или ниже, т.е. в режиме ожидания на схему на протяжении долгого периода времени может подаваться мощность от одной батареи 140. Сильный высокочастотный сигнал, сгенерированный станцией перезарядки, встроенной в поверхностный коммуникационный элемент 510, не требует усиления и частотной избирательности, обеспечиваемой блоками аппаратного обеспечения 112 и 120 с относительно высоким уровнем энергопотребления, но вместо этого может использоваться для генерации сигнала таймерного включения для MPU 110. Таким образом, MPU 110 уведомляется о том, чтобы его повторитель стал или становится частью бурильной колонны с поддержкой коммуникации, а MPU 110 начинает исполнять алгоритмы повторителя, в процессе которых на источник синхронизирующих импульсов 112 и RF схему входного каскада 120 подается питание по мере необходимости и перестает подаваться при простое.
Очевидно, что различные способы собирания энергии могут совмещаться для того, чтобы использовать преимущества того факта, что HF/VHF/UHF мощность проще доступна в верхней части бурильной колонны, а энергия вибрации, происходящая из бурильной головки, проще доступна в нижней части бурильной колонны. Более того, способы собирания могут совмещаться с комбинациями первичных и/или вторичных батарей. В последнем случае собирание энергии используется для продления сервисного срока службы первичных батарей; в последнем случае сервисный срок службы ограничивается только максимальным числом циклов зарядки/разрядки вторичных батарей.
На фиг.18 показано более детально, как все системы передачи собираются из отдельных системных компонентов. В частности, схематически изображен пример системы подвижного стола с использованием квадратной буровой штанги 17. Компоненты, показанные в разбитом на части, сквозном виде, слева направо и сверху вниз: коммуникационный элемент 510, квадратная буровая штанга 17, нижний клапан квадратной буровой штанги 117 (показан в качестве примера реализации клапанов) и переводник квадратной буровой штанги с перенарезаемой резьбой 119.
Коммуникационный элемент 510 переводит сигналы, передвигающиеся в системе передачи данных в сигналы, совместимые с существующим поверхностным оборудованием. Т.к. коммуникационный элемент 510 является частью вращающейся бурильной колонны, коммуникационный элемент 510 преимущественно получает питание от батарей и обменивается сигналами с поверхностным оборудованием 500 через радиолинию. Из соображений безопасности бурильной установки, однако, может потребоваться только проводная связь, в случае чего внутренняя часть коммуникационного элемента 510 будет вращаться с бурильной колонной, а внешняя часть фиксируется по отношению к установке, позволяя кабелю функционировать между внешней частью оборудованием установки. Природа резонансного связывания между EMR соединительными муфтами 61, 62, 63 и 64 такая, что можно между ближайшими EMR соединительными муфтами ввести зазор в несколько миллиметров, а в случае передачи только сигналов - несколько сантиметров, признак, который значительно упрощает конструкции механизма связывания сигнала и/или мощности между вращающимися и невращающимися частями бурильной колонны и/или оборудования бурильной установки, в котором зазоры между соединительными муфтами дают возможность ближнего вращения без трения между неконтактирующими соединительными муфтами. Потребность в таких связываниях возникла, например, в точке верхнего поворотного соединения, где вращающаяся бурильная колонна пересекается с невращающимся крюком лебедки или внутри коммуникационного элемента 510.
На фиг.22 представлено концептуальное сечение свободно вращаемого связывающего элемента. Два компонента бурильной колонны или элементы 910 и 920 компонента бурильной колонны, например, поворотное соединение в сборе, буровой насос, бурильная сирена, бурильный мотор, вращающийся управляемый инструмент (RTS - rotating steerable tool) или бурильная головка свободны для вращения друг напротив друга и вокруг общей оси 930. Между элементами 910 и 920 умышленно введен зазор в растворе 940 порядка 1 мм для обеспечения ближнего вращения без трения. Обычно существует потребность бесколлекторного прохождения электрических сигналов и/или мощности между элементами 910 и 920. Такая потребность возникает, например, если вращающаяся бурильная головка содержит сенсоры, на которые питание подается удаленно, которые передают результаты считывания сенсора обратно к контрольно-измерительному оборудованию BHA. EMR соединительные муфты 61 и 62 монтируются на элементы 910 и 920 соответственно и подключены посредством линий 40 передачи к другим электрическим схемам, содержащимся в компонентах бурильной колонны (бурильных колонн). Эти электрические схемы могут генерировать и обрабатывать высокочастотные сигналы, подходящие для прохождения мощности и/или данных между элементами 910 и 920 посредством EMR соединительных муфт через зазор в растворе 940. Зазор 940 может содержать буровые растворы или может содержать текучие среды, такие как воздух или масло, в последнем варианте такие текучие среды содержащиеся в компоненте(-ах) бурильной колонны. Элемент 920 может быть вращающимся валом, смонтированным на его несколько EMR соединительных муфт 62 так, что сигналы и/или мощность может переходить к валу или сниматься с вала через несколько невращающихся EMR соединительных муфт 61. Сигналы и/или мощность проводится вдоль вала через монтированные на валу, т.е. вращающиеся линии 40 передачи. В таком расположении соединительные муфты 61 и 62 предпочтительно концентрически упорядочены, т.е. необходимо с неравным диаметром. Результирующие различия в длинах антенн компенсируются посредством настройки значений емкостей, встроенных в каждую антенну для создания антенн равной электрической длины во всей системе.
Над коммуникационным элементом 510 может находиться другой клапан или поворотное соединение. Коммуникационный элемент 510 граничит с остальной системой передачи через набор ниппельных EMR соединительных муфт 62. Квадратная буровая штанга 17 оборудована теми же компонентами системы передачи, как и стык трубопровода, а именно муфтой повторителя 50, замковой EMR соединительной муфтой 61, линиями 40 передачи и ниппельной EMR соединительной муфтой 62. Ниже квадратной буровой штанги 17 показан дополнительный клапан квадратной буровой штанги 117, используемый для сдерживания колонны уровня бурового раствора в рамках квадратной буровой штанги 17 в процессе свинчивания или развинчивания роторных соединений ниже. В корпусе клапанов содержатся муфты повторителей 50, замковая EMR соединительная муфта 61 и ниппельная EMR соединительная муфта 62. Линии 40 передачи маршрутизируются от замковой муфты вовне корпуса клапана и передаются обратно на корпус клапана ниже текущего клапана для соединения с ниппельной EMR соединительной муфтой 62. Переводник квадратной буровой штанги с перенарезаемой резьбой 119 представляет собой недорогой короткий кусок оборудования, используемый в качестве пункта отработки для частых операций завинчивания-развинчивания. Он содержит другой набор муфт повторителя 50, замковых EMR соединительных муфт 61 и ниппельных EMR соединительных муфт 62, последние подключены посредством коротких линий 40 передачи.
В центральной колонне на фиг.18 изображены два стыка трубопровода 30, оборудованные для передачи данных, и короткая обсадная труба 39, оборудованная для передачи данных и удаленного сбора информации. Для этой задачи короткая обсадная труба 39 включает сенсорное окно 331.
Как показано на второй колонне фиг.18, элемент пересечения 540 переводит между различными формами резьбы, используемыми для стыков трубопровода 30 и для утяжеленных бурильных труб 13 соответственно. Элемент пересечения 540 и утяжеленные бурильные трубы 13 оборудованы для передачи данных похожим образом, как в стыках трубопровода 30. Элемент скважинного интерфейса 560 представляет собой часть контрольно-измерительного оборудования, помещенного в утяжеленной бурильной трубе 13, включая EMR соединительную муфту 61, которая переводит сигналы и протоколы, используемые системой передачи данных в и из сигналов и протоколов, используемых на BHA шине контрольно-измерительного оборудования 570. Реализация такой шины является спецификой сервисных компаний, но обычно представляет собой вариант MIL-STD-1553. Поэтому интерфейсная электроника частично универсальная, а частично специфическая для скважинного оборудования 580, обеспечиваемая MWD/LWD/зависящей от направления бурильной сервисной компанией.
На фиг.19 представлена концептуальная блок-схема электрической схемы поверхностного коммуникационного элемента 510. Электрическая схема использует ту же базовую схему активной зоны 760, что и повторители, включающую MPU 110, резонатор 112, радиочастотную схему входного каскада 120, интерфейс антенны 130 и Т/М конденсаторы 78 и 79. Эта базовая схема активной зоны соединяется с EMR соединительной муфтой 62, в которой находятся антенны 71. HF/VHF/UHF источник 280, который включается и выключается под управлением MPU 110, генерирует высокочастотную мощность для муфт повторителя 50 с перезаряжаемыми источниками питания. Источник 280 включается в процессе перерывов в передаче пакетов сообщений. Соединительный элемент 510 далее усиливается дополнительными функциями обработки и связи в коммуникационном блоке 750, включая последовательный интерфейс 751 для связи с MPU 110, блок пакетизации и постановки в очередь сообщений 752, блок кодирования и декодирования сообщений 753, блок инициализации и управления сеансом связи 754, а также приемо-передаточная радиоустановка 755, блок снятия из очереди и депакетизации сообщений 756, блок наблюдения за сетью 757, блок функций восстановления сети 758, которые совместно обеспечивают связи с внешним пространством. Эти дополнительные функции обрабатывают высокоуровневый протокол сквозной передачи, включающий функции наблюдения за сетью и связи с внешним пространством, таким как сеть данных бурильной установки по беспроводным линиям связи (как показано) или проводным соединениям. Задачи сети, выполняемые в коммуникационном блоке 750, включают, например, работу с данными пользователя, которые приходят в сообщениях различной длины и их разбивку на пакеты данных фиксированной длины (752); кодирование и декодирование пакетов сообщений 753 (обсуждается далее); наблюдение за сеансами связи плюс множество общих функций наблюдения и обслуживания сети. В данном контексте “сеанс связи” означает деятельность между моментом времени, когда установлен непрерывный канал связи между скважинным элементом и элементом на поверхности и временем, когда этот канал сломан, например, когда добавляется новый трубопровод или стык трубопровода удаляется из колонны. Это одна из задач коммуникационного элемента 510 изящно устранить условия поломки канала и быстро повторно установить соединение, как только физическая линия будет переустановлена. Линия связи с остальным оборудованием 500 на поверхности может осуществляться в виде беспроводной радиолинии или проводной кабельной линии.
На фиг.20 представлена схематичная блок-диаграмма электрической схемы электронного оборудования внутри интерфейсного элемента скважина/BHA 560. Ключевая схема 760, аналогичная схеме повторителя, применяется для работы с радиочастотными и низкоуровневыми коммуникационными функциями, усиленными дополнительными электрическими схемами 770, ответственными за высокоуровневую сквозную передачу данных, функции наблюдения за сетью и взаимодействие с BHAшиной контрольно-измерительного оборудования. Ключевая схема 760 соединена с EMR соединительной муфтой 61. Скважинные коммуникационные схемы 770 аналогичны схеме 751, а исключением того, что приемо-передаточная радиоустановка 755 заменена интерфейсом 780 к BHA шине 570 (на рисунке представлена, как пример, шина MIL-STD-1553), которая является специфичной для каждого производителя LWD/MWD.
Пакеты сообщений могут состоять из 2000 бит, организованных в 250 байт. Каждый пакет может быть структурирован следующим образом: начальная часть, заголовок сообщения, полезная информация пакета, контрольная сумма при помощи циклического избыточного кода (CRC - cyclic redundancy checksum). Начальная часть состоит из битов синхронизации и разрешения конфликтов; заголовок сообщения несет информацию о сообщении, такую как идентификатор пакета, длина пакета и время жизни пакета TTL (time-to-live); полезная нагрузка содержит пользовательские данные. Из 2000 битов около 10% определено на непроизводительные издержки, к которым относятся все байты, которые не являются байтами полезной нагрузки. Дополнительно 5% от времени передачи теряется на задержки коммутации и синхронизации. Пропускная способность сетевых пользовательских данных около 56 кб/с.
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ И РАБОЧАЯ
ЧАСТОТА EMR СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ МУФТ
Конструктивное исполнение EMR соединительных муфт подробно описано выше. Выбор оптимальной рабочей частоты и резонансной частоты антенны затрагивает рассмотрение нескольких факторов. EMR соединительные муфты основаны на принципе слабо связанных резонаторов, в которых “слабо связанный” предполагает нерезонансный коэффициент связи k около 0,1. Без резонанса через слабую линию связывается только небольшое количество энергии. В резонансе, однако, ближайшие антенны сильно взаимодействуют друг с другом до тех пор, пока их отдельные Q коэффициенты достаточно большие. Т.к. несколько факторов ограничивают достижимый и желательный Q коэффициент, определенного количества потерь в каждом “пролете” между EMR соединительными муфтами не избежать. Эти потери могут быть минимизированы посредством выбора оптимальной рабочей частоты.
В соответствующих пределах, где k<<1 и Q>>1, потери на пару EMR соединительных муфт могут быть приблизительно рассчитаны как:
10
0
0
Потери на пролет = -20log(1+Z/(ωkLQ)) [дБ],
0
0
0
0
ant
ant
где Z - характерное волновое сопротивление линии передачи (обычно 50 Ом), ω - резонансная и рабочая частота, выраженная в радианах/с, k - коэффициент связи, L - индуктивность антенны и Q -  коэффициент антенны. Коэффициент связи k антенны включает основную геометрию полости, сформированной двумя ближайшими EMR соединительными муфтами. При низких значениях k резонансная частота ω пары соединительных муфт приблизительно равна резонансной частоте отдельной, непарной соединительной муфты. Q коэффициент представляет собой отношение волнового сопротивления антенны ωL к омическому сопротивлению антенны R. При интересующих частотах и температурах в R преобладает скин-эффект, и оно составляет 0,5-1 Ом. Волновое сопротивление антенны составляет 50 Ом, таким образом, достижим Q коэффициент около 50-100.
Кроме омических потерь антенны, в результате тонкого слоя бурового раствора, который может быть захвачен между поверхностями парных EMR соединительных муфт, возникают эффекты затухания. В наихудшем случае проводимость таких растворов составляет 100 См/м. В интересующем частотном диапазоне эта проводимость приводит к глубине проникновения электрического поля около 4 мм. Т.к. предполагается, что соединения с двойными выступами сопрягаются на втором выступе, возможный зазор раствора является конструктивно очень узким. Полагая, что средний наполненный раствором зазор около 0,010'' (0,25 мм), вводится коэффициент затухания на зазор около -0,5 дБ.
Коэффициент затухания, вызванный “потерями на пролет”, необходимо сбалансировать с потерями в коаксиальном кабеле. Потери в кабеле могут быть описаны как:
10
cable
0
Потери в кабеле = -20log(e)R/(2Z) [дБ],
0
cable
где e - постоянная Эйлера, Z - характерное волновое сопротивление кабеля (обычно 50 Ом), а R - омическое сопротивление 10-метрового участка коаксиального кабеля при рабочих частоте и температуре.
0
Общее затухание сигнала в стуке трубопровода, измеренное в децибелах, задается суммой коэффициента потерь на один пролет (прямое связывание от ниппельной части к замковой части) или коэффициентом потерь на два пролета (связывание через пассивные повторители) и вклада потерь в кабеле. Можно увидеть, что потери на пролет увеличиваются с увеличением резонансной частоты ω и что потери в кабеле медленно увеличиваются с частотой благодаря скин-эффекту. Анализ общего затухания как функции от частоты показывает доминирование потерь на пролет ниже 100 МГц, вполне плоскую часть спектра в верхнем диапазон VHF частотного спектра, где потери на пролет приблизительно сбалансированы, и увеличение потерь на более высоких частотах, вызванное потерями в кабеле и высокими потерями в растворе. Оптимальный диапазон рабочих частот в этих условиях приблизительно отвечает VHF частотному спектру, который перекрывает диапазон между 30 МГц и 300 МГц. В частности, выяснилось, что хорошо подходит верхняя часть VHF частотного диапазона, начиная со 100 МГц.
Если в линиях 40 передачи коаксиальные кабели заменить заглубленными кабелями, то больше потерь на затухания будут обусловлены линиями передачи, чем EMR соединительными муфтами. Из-за обратных частотных зависимостей потерь на пролете и потерь в проводах системы передачи с заглубленными проводами могут быть оптимизированы под работу на высоком HF частотном диапазоне от 10 МГц до 30 МГц или в низком VHF частотном диапазоне от 30 МГц до 100 МГц.
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА
Из предшествующего описания должно быть понятно, что топология сети, сформированная активными и пассивными повторителями, сложная и наполовину детерминированная. Однако крайне предпочтительно было бы спрятать эту сложность от самих повторителей и определить поведение отдельного активного повторителя с точки зрения простого алгоритма, не требовательного с точки зрения ресурсов мощности и памяти, необходимых для расчетов в лежащих в основе MPU 110. Сложность и выносливость сети происходит из взаимосвязи между многими такими повторителями и их квазипроизвольной и многожильной взаимосвязи.
Основной алгоритм повторителя (BRA - basic repeater algorithm):
Do forever:
Сканировать RF вход на наличие пакетов сообщений.
Если пакет сообщений найден:
- проверить, соответствует ли CRC сообщения расчетной CRC;
- если CRC находятся в соответствии, продолжить, в противном случае отбросить пакет и возобновить сканирование;
- проверить список последних пакетов на наличие идентификатора пакета. Если он найден, отбросить пакет и возобновить сканирование;.
- проверить возраст пакета по идентификатору пакета. Если очень старый, отбросить пакет и возобновить сканирование.
Управление разрешениями конфликтов приоритетности пиров:
- если конфликт разрешился не в пользу пира, отбросить пакет и возобновить сканирование;
- в противном случае продолжить.
Передать пакет.
Обновить список пройденных пакетов.
Обновить значение приоритетности пиров.
Repeat forever.
Основной алгоритм повторителя накладывает небольшие требования к вычислительным способностям активного повторителя. В принципе, повторитель должен быть способом (а) обнаруживать и принимать пакеты сообщений, (b) считывать некоторую основную информацию из заголовка сообщения, (с) рассчитывать контрольную сумму при помощи циклического избыточного кода (CRC) по пакетам в режиме реального времени, (d) помещать в буфер отдельные пакеты сообщений и (е) передавать пакеты сообщений. До тех пор пока между терминальными окончаниями сети, т.е. между коммуникационным элементом на поверхности и скважинным/BHA элементом, существует непрерывный канал связи, пакеты сообщений будут маршрутизироваться в обоих направлениях через сеть до тех пор, пока каждый активный повторитель следует BRA.
Наиболее интенсивной с точки зрения расчетов частью BRA является расчет контрольных сумм CRC по принятым и переданным пакетам сообщений. Эти расчеты должны происходить в режиме реального времени, для того чтобы не приостанавливать процесс передачи сообщений. MPU 110 использует устройство PIC24F16KA102, которое содержит внутренний генератор CRC. В процессе приема BRA подает входящий поток данных на CRC генератор, и требуется только сравнить CRC биты из заголовка сообщения и с выхода CRC генератора. В процессе передачи необходимо рассчитать новую CRC, т.к. повторитель обычно изменяет заголовок сообщения. В то время как содержимое пакета подается на RF схему входного каскада, выходящий поток данных также подается на CRC генератор и результирующие CRC байты прикладываются к исходящему потоку данных. Таким образом, программное обеспечение практически освобождается от затратных по времени расчетов и может обрабатывать и повторно непрерывно передавать пакеты сообщений в режиме реального времени.
Часть BRA выносит решения по конфликтам и координирует распределение времени между повторителями 100, содержащимися в одном корпусе повторителей 50. Без такого решения конфликтов повторителям было бы невозможно одновременно передавать и вмешиваться в передачи друг друга. Разрешение конфликтов реализовано посредством программирования при производстве каждого повторителя произвольным и уникальным значением для разрешения конфликтов. В начале каждой передачи повторитель передает текущее значение для разрешения конфликтов в режиме амплитудной манипуляции (OKK - on-off keying), одновременно прослушивая свой вход. При первом появлении бита, передаваемого как “transmitter off” (передатчик выключен) и принятого как “RF on” (радиочастоты включены), повторитель прекращает передачу. Таким образом, только один повторитель может “выиграть” определенный слот передачи, т.к. повторители с более низким приоритетом/значением для разрешения конфликтов отстраняются в момент разрешения конфликтных ситуаций. После завершения передачи повторитель понижает приоритетность передачи, в то время как “проигравшие” повторители увеличивают свои относительные приоритеты. Таким образом, повторители будут по очереди переадресовывать пакеты, вызывая регулирование нагрузки на соответствующих батареях. Часть OOK передачи не влияет на остальную передачу, которая может быть как ASK (amplitude shift keying - амплитудной модуляцией), так и FSK (frequency shift keying - частотной модуляцией).
BRA является неэффективным с точки зрения потребления мощности, потому что он требует, чтобы большую часть времени повторитель оставался во включенном режиме приема. Измененный алгоритм повторителя (MRA - modified repeater algorithm) имитирует BRA без его расхода мощности батарей.
Измененный алгоритм повторителя (MRA):
Do forever:
Режим ожидания: бездействие в течение 9 секунд и опрос RF в течение 1 секунды.
Если обнаружен RF сигнал, продолжать в режиме сканирования (Scan Mode), в противном случае возобновить режим ожидания (Standby Mode).
Режим сканирования: выполнить цикл Do/Repeat алгоритма BRA в течение 2 секунд.
Если RF сигнал не обнаружен, вернуться в режим ожидания.
Если выявлена схема многократной передачи, продолжать, в противном случае перейти в режим сканирования.
Выполнить цикл Do/Repeat алгоритма BRA для изученной схемы передачи.
Если полученная схема пакетов не соответствует изученной схеме, перейти в режим сканирования.
Repeat forever.
Измененный алгоритм повторителя используют преимущество того факта, что коммуникационные и скважинные элементы определенным способом выпускают пакеты сообщений в интервалах, которые являются краткосрочно постоянными. В частности, требуется, чтобы терминальные окончания сети, т.е. скважинные и коммуникационные элементы, придерживались повторения с интервалом в 1 секунду. Посредством наблюдения за схемой передачи пакетов каждый повторитель узнает, в каком временном окне ему нужно принимать и передавать, и проводит остаток времени в режиме глубокого сна без виртуального потребления мощности. Каждый раз, когда передающему терминалу требуется изменить пропускную способность данных, он временно приостанавливается и помещает пакеты сообщений в буфер. Это рассогласование между ожидаемым и действительным трафиком пакетов напоминает каждому повторителю о повторном входе в режим сканирования для узнавания новой схемы. Т.к. режим сканирования является энергоемким, сетевые терминалы будут всегда помещать в буфер несколько пакетов для установления средней скорости передачи данных и схему повторений, которая может поддерживаться постоянной на протяжении продленных периодов времени.
Алгоритмы BRA и MRA блокируют нежелательные данные в текущем направлении информации, по мере того как они повторяют какие-либо входящие данные. Характеристикой скважинной телеметрии является то, что существует непрерывный поток данных от скважинных сенсоров на поверхность, в то время как загружать управляющую информацию в параметры управления бурением необходимо только в отдельных случаях. Преимущественным является использование настоящей телеметрической системы в полудуплексном режиме, в котором большую часть времени вся пропускная способность передается под загрузку данных сенсоров. Скважинные телеметрические терминалы периодически прерывают потоки данных, например, один раз в минуту, что приводит к тому, что все данные выводятся из сети в течение около 3 секунд, вызывая вход всех повторителей в режим сканирования. Затем ожидается, что повторители будут принимать загружаемые данные до полной телеметрической полосы пропускания. Режим загрузки заканчивается другой последовательностью остановка/вывод данных/сканирование, на этот раз, инициированной с поверхности.
Эта периодическая операция вывода данных из сети также разработана для того, чтобы позволить сети восстановиться после внезапных неисправностей в аппаратном обеспечении или зависаний в программном обеспечении. Внезапная потеря повторителя в общем случае приводит к сбою в временной схеме пакетов сообщений, результатом чего является потеря пакетов в месте неисправности. После операции вывода данных все повторители сканируют повторяющееся временное окно в одну секунду на наличие пакетов сообщений, что приведет к тому, что повторители, которые контактировали с неисправным повторителем, улавливают сигналы и временные схемы, выходящие от более удаленных повторителей. Изменение конфигурации сети происходит автоматически, и потенциальные частичные потери соединений ограничиваются одной минутой или меньше.
Кратковременные потери одного или более пакетов данных приводят к тому, что функции наблюдения за сетью, содержащиеся в каждом сетевом терминале, исследуют возможность частичной неисправности аппаратного обеспечения, которые необходимо обнаружить, диагностировать и сообщить о них. Несмотря на то, что восстановление полного потока данных имеет наивысший приоритет, на следующем уровне по приоритетности сетевые терминалы высылают запросы на диагностику, на которые активные повторители отвечают индивидуальными откликами о состоянии. Если присутствует аппаратный, т.е. не временный дефект аппаратного обеспечения, повторитель(-ли), ближайшие к месту неисправности, сообщает уровень индикатора силы полученного сигнала (RSSI - received signal strength indicator), который ниже, чем до появления дефекта. Падением может быть незначительным, в зависимости от расстояния между активным повторителем(-ями) и расположением дефекта и способности EMR схемы восстановить сигнал в промежуточном интервале. Однако на основании периодического отслеживания всех значений RSSI в системе процесс, обеспечивающий постепенные изменения, связанные с температурными и другими эффектами “сползания”, указывает на наличие скрытого дефекта в системе. На основе значений идентификаторов повторителей с пониженными значениями RSSI система наблюдения за сетью может обычно сузить местоположение дефекта до 1-2 бурильных стыков трубопровода. Поверхностное оборудование запоминает эти идентификаторы и, как только установленные повторители оказываются ближайшими соседними к поверхностным коммуникационным элементам в процессе следующей операции подъема бурильного инструмента на поверхности (POOH - pull-out-of-hole), подает сигнал оператору об отделении этих приближающихся стоек трубопровода и прекращении их использования до тех пор, пока они не будут отремонтированы.
Обнаружение неисправных или истощенных активных повторителей просто включает в себя подсчет всех идентификаторов всех повторителей, известных в настоящей системе. Запрос на диагностику, действующий как поименный опрос, предоставляет наверх все идентификаторы всех повторителей, способных к коммуникации. Простое сравнение результатов поименного опроса со списком известных повторителей выдает идентификаторы, число и расположение вышедших из строя повторителей для замены в течение POOH.
Другой характеристикой MRA является очень низкое потребление мощности повторителей, которые не являются частью активной сети. Такая ситуация возникает, когда отдельные стыки трубопровода или частично собранные участки трубопровода сохраняются для последующего использования. Без источника данных, BRA и MRA приводят к тому, что каждый повторитель приостанавливает передачу RF сигнала и входит в режим бездействия. В режиме бездействия выходит из режима ожидания с очень низким потреблением каждые 10 секунд для активации RF схема входного каскада на 1 мс каждые 10 мс на общее время 1 с. Таким образом, повторитель будет обнаруживать наличие передатчика, расходуя только 1% от мощности, требуемой для полного режима сканирования. При обнаружении наличия передатчика, который, в свою очередь, требует подключения сети, по меньшей мере, к одному активному терминалу, распространяющему данные, режим сканирования устанавливает требуемую схему повторителя. Среднее потребление в режиме ожидания составляет 1% от 12 мА или 0,12 мА. Один ААА-элемент литиевой батареи может непрерывно снабжать повторитель в режиме ожидания около 170 дней. Во время сборки трубопровода активные повторители выходят из режима ожидания и присоединяются к активной сети со средней задержкой около 5 секунд.
Дальнейшая модификация BRA настраивает количество избыточного оборудования, свойственных системе. BRA, как показано выше, позволяет повторителям переадресовывать любой данный пакет только один раз, для того чтобы избежать быстрого распространения пакетов по сети, по различным каналам. В результате анализа полученной схемы трафика и в особенности числа выброшенных пакетов один или оба сетевых терминала могут выдать команды цепочке повторителей для ввода в эксплуатацию дополнительного избыточного оборудования для преодоления в особенно электрически зашумленной окружающей среде. Это переключение реализовано посредством флагов в заголовке сообщения, указывающих каждому повторителю целевое количество для количества идентичных копий пакетов сообщений в системе. Терминалы генерируют соответствующее число пакетов сообщений, например, один оригинал и одну идентичную копию для каждого пакета сообщений. Повторители переадресуют целевое количество пакетов сообщения, т.е. они генерируют дополнительные копии сообщений, если количество копий оказывается слишком малым, и отбрасывают копии сообщений, если их количество оказывается слишком высоким. Просто следуя алгоритму BRA, который запрашивает уничтожение непарных пакетов сообщений, любой повторитель может восстановить исходное сообщение, просто подождав, пока придет идентичная копия. Если целевое количество копий сообщений не совпадает, повторитель продолжает генерировать дополнительные дубликаты пакетов. Т.к. эти дубликаты могут быть отправленными только во время простоя, количество выбранных избыточных пакетов вносит вклад в максимально достижимую пропускную способность. Даже с целевым количеством пакета сообщений, равным 1, т.е. без явных дубликатов, дубликаты сообщений почти всегда доступны в ближайших или более удаленных повторителях. Поэтому для повторителей желательно улавливать схемы передачи более удаленных соседей, которые принимаются на более низком уровне мощности сигнала. Если эти низкоуровневые сигналы недостоверны, что подтверждается рассогласованием CRC, повторитель может прибегать к дубликатам пакетов, передаваемых ближайшими соседями.
BRA и MRA, как представлено выше, предполагают наличие высокоуровневых протоколов, реализующих достаточную избыточность сообщений для восстановления данных в случае вмешательства электрического зашумления, приводящего к выбросу некоторых пакетов сообщений из-за несоответствия CRC. Полезное расширение BRA представляет собой осуществление прямой коррекции ошибок (FEC - forward error correction). Используя FEC, пакеты сообщений длиной N бит больше не отправляются в незашифрованном коде, а кодируются с дополнительными k битами, таким образом, чтобы из искаженной группы из N+k битов с высокой вероятностью может быть восстановлена корректная информация. Так называемые коды Раптора, как описано в “Raptor codes”, Shokrollahi, A., IEEE Trans. Information Theory, vol. 52, no. 6 June 2006, pp 2551-2567, являются особенно полезными для настоящего применения. Дополнительные k битов могут рассчитываться небольшим MPU в процессе передачи пакета сообщений, а восстановление данных поврежденных пакетов сообщений может выполняться в режиме квазиреального времени.
Характеристикой кодов Раптора и лежащего в их основе семейства кодов является то, что код сам по себе априори неизвестен. Преимуществом является анализ потоков данных для данного промежутка времени коммуникационным элементом и элементом скважинного интерфейса, а затем определение подходящего кода. Эта таблица кодов периодически распространяется между всеми повторителями в виде “открытого” сообщения, т.е. без кодирования, для последующего использования на этапах кодирования и декодирования.
В FEC версии MRA, MPU не обязательно отбрасывает пакет сообщений, который не проходит тест на CRC. Вместо этого MPU ожидает прихода другой копии того же самого пакета сообщений и, если такой дубликат не ожидается или является дефектным, вскоре продолжает исправлять поврежденный пакет сообщений. Процесс исправления выполняется в фоновом режиме так, чтобы не мешать временной схеме сообщений, установленной и следуемой MRA. Исправление включает в себя этапы декодирования полезной нагрузки сообщения на основе текущей таблицы кодов, определяя, успешно ли восстановился открытый текст, и повторного кодирования сообщения.
Если операция исправления успешно восстанавливает исходные данные, MPU повторно вставляет исправленный пакет в поток сообщений. Операция повторного вставления состоит из установки сигнального бита в заголовок сообщения обыкновенного повторяемого пакета и передачи исправленного пакета после обыкновенного пакета. Сигнальный бит приводит к тому, что следующий и все последующие повторители временно отключаются от MRA или BRA и, таким образом, ловят поврежденный пакет. Очевидно, что прямая коррекция ошибок может привести к тому, что пакеты сообщений будут приходить в любом порядке, требуя счетчик последовательности сообщений как часть заголовка сообщения. Принимающая станция повторно собирает и корректирует поток данных путем декодирования, переупорядочивания и слияния входящих пакетов сообщений.
Необходимо понимать, что настоящее изобретение не ограничивается отдельными раскрытыми вариантами осуществления, а предназначена для охвата модификаций в рамках сущности и объема настоящего изобретения, как определяется прилагаемой формулой изобретения. Все такие аспекты изобретения предназначены для охватывания прилагаемой формулой изобретения.