УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ, КОМПОНЕНТЫ И СПОСОБЫ
IMPROVED DRILLING COLUMN COMMUNICATION SYSTEM, COMPONENTS AND METHODS

СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка испрашивает приоритет по заявке U.S. Provisional Patent Application Serial no 61/583,591, подана 5 января 2012 г. и полностью включена в данном документе в виде ссылки. Заявка также испрашивает приоритет по заявке U.S. Patent Application №13/733,097, подана 2 января 2013 г., полностью включена в данном документе в виде ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящая заявка в общем относится к подземным работам и, конкретнее, к системе, устройству и способу с применением усовершенствованной системы связи бурильной колонны, которая передает электрический сигнал на электропроводную бурильную колонну для передачи данных с обеспечением компенсации по меньшей мере действия шума и искажений. Коммуникационные линии локатора с наземной аппаратурой над подземным зондом могут интегрально поддерживаться системой и связанными способами.
В общем, в подземных работах, таких, например, как бурение ствола скважины, последующее расширение ствола скважины для установки линии электроснабжения, картирование ствола скважины и т.п. используют электропроводную бурильную колонну, которая проходит от установленной над грунтом буровой установки. Известная техника включает в себя примеры использования электропроводной бурильной колонны в качестве электрического проводника, служащего для передачи данных электрическими сигналами с подземного инструмента на буровую установку. Окружающая Земля сама служит путем возврата сигнала для обнаружения сигнала на буровой установке. Системы данного типа часто называют системами измерений во время бурения. Заявители считают, вместе с тем, что требуется создание улучшенных систем измерений во время бурения.
Приведенные выше примеры связанной техники и ограничений, относящихся к ним, являются иллюстративными и не эксклюзивными. Другие ограничения связанной техники должны стать понятны специалисту в данной области техники после прочтения подробного описания и изучения чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры вариантов осуществления показаны на фигурах, являющихся чертежами, на которые даются ссылки в описании. Варианты осуществления, раскрытые в данном документе и показанные на фигурах являются иллюстративными и не ограничительными.
На Фиг. 1 схематично показан вид сбоку системы, в которой используется усовершенствованная система связи бурильной колонны настоящего изобретения.
На Фиг. 2 схематично показан вид в изометрии одного варианта осуществления соединительного адаптера, в котором используется трансформатор тока для передачи сигнала на электропроводную бурильную колонну и из нее.
На Фиг. 3 схематично показан вид другого варианта осуществления соединительного адаптера, в котором образуется электроизолирующий промежуток для передачи сигнала на электропроводную бурильную колонну и из нее.
На Фиг. 4 схематично показан вид в изометрии одного варианта осуществления подземного инструмента в форме бурильной головки и подземного кожуха, соединенных с соединительным адаптером варианта осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 5 схематично показан вид в изометрии другого варианта осуществления подземного инструмента в форме монитора натяжения и расширяющего инструмента, соединенных с соединительным адаптером варианта осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 6 показана блок-схема одного варианта осуществления электронной части, которую можно использовать с соединительным адаптером настоящего изобретения.
На Фиг. 7 показана блок-схема одного варианта осуществления электронной части, которую можно использовать на буровой установке или как часть ретранслятора бурильной колонны во взаимодействии с соединительным адаптером настоящего изобретения, работающим в подземном инструменте.
На Фиг. 8 показана блок-схема варианта осуществления усовершенствованной системы двусторонней связи бурильной колонны.
На Фиг. 9 показана аппроксимационная модель бурильной колонны, собранной из разъемно соединяющихся секций электропроводных бурильных труб.
На Фиг. 10a и 10b показаны блок-схемы вариантов осуществления с деталями усовершенствованного забойного приемопередатчика и усовершенствованного приемопередатчика на устье скважины соответственно.
На Фиг. 11a показана блок-схема варианта осуществления выравнивателя частотной характеристики линейного канала.
На Фиг. 11b показана блок-схема варианта осуществления выравнивателя частотной характеристики с решающей обратной связью.
На Фиг. 12a и 12b показаны блок-схемы вариантов осуществления адаптивного линейного выравнивателя частотной характеристики и выравнивателя частотной характеристики с решающей обратной связью, соответственно.
На Фиг. 13a показана блок-схема последовательности операций варианта осуществления способа запуска и повторной инициализации системы настоящего изобретения.
На Фиг. 13b показана блок-схема последовательности операций варианта осуществления способа динамического/автоматического контроля передачи сигнала определения местоположения.
На Фиг. 13c показан снимок экрана варианта осуществления внешнего вида индикации рабочего/пассивного состояния сигнала определения местоположения и возможности изменения текущего состояния.
На Фиг. 14 показана блок-схема последовательности операций варианта осуществления способа совместной работы приемопередатчика на устье скважины и забойного приемопередатчика настоящего изобретения.
На Фиг. 15 показана блок-схема последовательности операций способа варианта осуществления протокола линии передачи данных между забойным приемопередатчиком и портативным локатором настоящего изобретения.
На Фиг. 16 показана блок-схема последовательности операций варианта осуществления способа работы контроллера связи.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описана система связи бурильной колонны. Приемопередатчик на устье скважины может передавать сигнал на бурильную колонну с мощностью, которая может превышать и в некоторых вариантах осуществления всегда превышает выбираемую мощность для сигнала с забоя скважины. Связь с буровой установки на подземный инструмент можно повторно инициировать с использованием максимальной на устье скважины мощности передачи приемопередатчика на устье скважины. Возможна процедура установления нового набора параметров передачи для сигнала бурильной колонны для установления связи между буровой установкой и подземным инструментом. Система может включать в себя локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом, который принимает электромагнитный сигнал определения местоположения с управлением активным/пассивным состоянием. В ответ на ухудшение качества сигнала определения местоположения, по команде переналадки можно модифицировать сигнал определения местоположения. Приемопередатчик на устье скважины и забойный приемопередатчик могут автоматически модифицировать параметр сигнала с забоя скважины. Приемник на устье скважины может применять компенсацию функции преобразования канала бурильной колонны.
Следующие варианты осуществления и их аспекты описаны и показаны применительно к системам, инструментам и способам, являющимся примерами и иллюстрациями, не ограничивающими объем изобретения. В различных вариантах осуществления одна или несколько из описанных выше проблем уменьшены или исключены, а другие варианты осуществления дают другие улучшения.
В одном аспекте изобретения раскрыта система связи бурильной колонны, связанные устройство и способ. В системе связи бурильной колонны применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту, как электрический проводник для обеспечения связи между буровой установкой и подземным инструментом. Приемопередатчик на устье скважины установлен на буровой установке и включает в себя передатчик на устье скважины, который передает сигнал на устье скважины на бурильную колонну при подаче на устье скважины электропитания передачи на подземный инструмент. Забойный приемопередатчик расположен в зоне забоя вблизи подземного инструмента и включает в себя забойный передатчик, передающий сигнал с забоя скважины на бурильную колонну при подаче на забое электропитания, выбираемого в диапазоне мощности передачи на буровую установку на бурильной колонне, и на устье скважины мощность передачи всегда превышает любую выбранную мощность передачи на забое в диапазоне мощности передачи на забое.
В другом аспекте изобретения описаны способ и связанные устройства для эксплуатации системы связи бурильной колонны, в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту в качестве электрического проводника для обеспечения связи между буровой установкой и подземным инструментом. В ответ на потерю приема сигнала с забоя скважины, передаваемого на бурильной колонне с подземного инструмента, используя текущий набор параметров передачи связь с буровой установки на подземный инструмент повторно инициируют с использованием приемопередатчика на устье скважины на максимальной мощности передачи на устье скважины приемопередатчика на устье скважины для передачи сигнала повторной инициализации на устье скважины на подземный инструмент. На основе ответа с подземного инструмента на сигнал повторной инициализации на устье скважины, вводится процедура установки нового набора параметров передачи для по меньшей мере одного из следующего: сигнал на забое скважины и сигнал на устье скважины для установления затем связи между буровой установкой и подземным инструментом.
В другом аспекте изобретения описаны система связи бурильной колонны и связанный способ с применением бурильной колонны, проходящей от буровой установки к подземному инструменту в качестве электрического проводника для обеспечения связи между буровой установкой и подземным инструментом. Приемопередатчик на устье скважины расположен на буровой установке и включает в себя передатчик на устье скважины, который передает сигнал на устье скважины на бурильную колонну при подаче на устье скважины электропитания передачи на подземный инструмент. Забойный приемопередатчик расположен в зоне забоя вблизи подземного инструмента, включает в себя забойный передатчик, передающий сигнал с забоя скважины на бурильную колонну при подаче на забое электропитания, выбираемого в диапазоне мощности передачи на буровую установку на бурильной колонне и выделения электромагнитного сигнала определения местоположения, имеющего по меньшей мере один выбираемый рабочий параметр. Локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом принимает электромагнитный сигнал определения местоположения и обнаруживает заданное ухудшение качества принятого сигнала определения местоположения, и система выполнена с возможностью в ответ на обнаружение заданного ухудшения качества автоматически генерировать команду переналадки, меняющей по меньшей мере одно из следующего: несущая частота, мощность передачи, скорость передачи в бодах и режим модуляции электромагнитного сигнала определения местоположения.
В другом аспекте изобретения описаны система связи бурильной колонны и связанный способ с применением бурильной колонны, проходящей от буровой установки к подземному инструменту в качестве электрического проводника для обеспечения связи между буровой установкой и подземным инструментом. Приемопередатчик на устье скважины расположен на буровой установке и включает в себя передатчик на устье скважины, который передает сигнал на устье скважины на бурильную колонну при подаче на устье скважины электропитания передачи на подземный инструмент. Забойный приемопередатчик расположен в зоне забоя вблизи подземного инструмента, включает в себя забойный передатчик, передающий сигнал с забоя скважины на бурильную колонну при подаче на забое электропитания, выбираемого в диапазоне мощности передачи на буровую установку на бурильной колонне и выделения электромагнитного сигнала определения местоположения, имеющего по меньшей мере один выбираемый рабочий параметр. Портативный локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом принимает электромагнитный сигнал определения местоположения и обнаруживает потерю приема электромагнитного сигнала определения местоположения, и в ответ на потерю приема автоматически указывает условие потери сигнала условия на буровую установку.
В дополнительном аспекте изобретения в системе связи бурильной колонны и связанном с ней способе применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту в качестве электрического проводника для обеспечения связи между буровой установкой и подземным инструментом. Приемопередатчик на устье скважины расположен на буровой установке и включает в себя передатчик на устье скважины, который передает сигнал на устье скважины на бурильную колонну при подаче на устье скважины электропитания передачи на подземный инструмент. Забойный приемопередатчик расположен в зоне забоя вблизи подземного инструмента, включает в себя забойный передатчик, передающий сигнал с забоя скважины на бурильную колонну для передачи на приемник на устье скважины, который образует часть приемопередатчика на устье скважины. Приемопередатчик на устье скважины и забойный приемопередатчик выполнены с возможностью совместной работы для автоматической модификации по меньшей мере одного рабочего параметра передачи сигнала с забоя скважины по меньшей мере частично на основании ухудшения качества сигнала с забоя скважины, обнаруженного приемопередатчиком на устье скважины.
В следующем аспекте изобретения описаны устройство и связанный способ для использования в системе связи бурильной колонны, в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту, как электрический проводник для обеспечения связи между буровой установкой и подземным инструментом. Бурильная колонна выполняет функции преобразования канала, когда действует, как такой электрический проводник, несущий сигнал с забоя скважины, который передается на бурильную колонну подземным инструментом. Приемник на устье скважины принимает сигнал с забоя скважины с бурильной колонны, как переданный сигнал, на который влияет функция преобразования канала, и приемник на устье скважины выполнен с возможностью применения компенсации в ответ на переданный сигнал, данный ответ компенсации настраивается на основе функции преобразования канала.
В другом аспекте изобретения описаны локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом и связанный способ для применения в системе, в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту, причем подземный инструмент выполнен с возможностью передачи электромагнитного сигнала определения местоположения. Приемник, выполнен с возможностью приема сигнала определения местоположения и обнаружения ухудшения качества приема сигнала определения местоположения и генерирования команды потери сигнала в ответ на обнаружение указанного ухудшения качества. Передатчик телеметрии выполнен с возможностью передачи команды потери сигнала на буровую установку.
В другом аспекте изобретения описаны система и связанный способ выполнения подземных работ, по меньшей мере в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту в качестве электрического проводника для обеспечения связи между буровой установкой и подземным инструментом. Забойный приемопередатчик расположен в зоне забоя вблизи подземного инструмента и выполнен с возможностью (i) приема по меньшей мере одного сигнала датчика, относящегося к рабочему параметру подземного инструмента, (ii) генерирования сигнала с забоя скважины, передающегося на буровую установку на бурильной колонне причем данный сигнал с забоя скважины модулируется на основе сигнала датчика, и (iii) выделения электромагнитного сигнала определения местоположения для обнаружения на наземной аппаратуре, причем данный сигнал определения местоположения является немодулированным по меньшей мере сигналом датчика. Приемопередатчик на устье скважины установлен на буровой установке и включает в себя приемник на устье скважины, выполненный с возможностью приема сигнала с забоя скважины с бурильной колонны и извлечения сигнала датчика, обеспечивающего наличие информации, относящей к рабочим параметрам на буровой установке. Локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом принимает электромагнитный сигнал определения местоположения, служащий по меньшей мере одним из следующего: приводной маяк и отслеживающий сигнал при этом дальность обнаружения сигнала определения местоположения для данной мощности передачи без модуляции больше, чем дальность обнаружения определения местоположения сигналом, модулированным сигналом датчика при одинаковой заданной мощности передачи.
В другом аспекте изобретения описаны система и способ выполнения подземных работ по меньшей мере в которых применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту в качестве электрического проводника для обеспечения связи между буровой установкой и подземным инструментом. Приемопередатчик на устье скважины установлен на буровой установке и включает в себя передатчик на устье скважины, выполненный по меньшей мере с возможностью передачи на устье скважины сигнала на бурильной колонне на подземный инструмент. Забойный приемопередатчика расположен в зоне забоя скважины вблизи подземного инструмент и выполнен с возможностью приема сигнала с устья скважины с бурильной колонны и селективного выделения электромагнитного сигнала определения местоположения для обнаружения на наземной аппаратуре. Локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом принимает электромагнитный сигнал определения местоположения и автоматически обнаруживает активное/пассивное состояние локатора и, в ответ на обнаружение изменения в активном/пассивном состоянии, локатор выполнен с возможностью передачи индикации состояния на буровую установку, указывающего новое активное/пассивное состояние. Приемопередатчик на устье скважины и забойный приемопередатчика дополнительно выполнены с возможностью совместной работы по меньшей мере для выключения электромагнитного сигнала определения местоположения в ответ на пассивное состояние.
В другом аспекте изобретения описаны система связи и связанный способ для использования в системе выполнения подземных работ по меньшей мере в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту и датчик с наземной аппаратурой над подземным зондом служащий по меньшей мере одним из следующего: приводной маяк и отслеживающее устройство. Приемопередатчик на устье скважины установлен на буровой установке. Забойный приемопередатчика расположен в зоне забоя скважины вблизи подземного инструмента. Приемопередатчик телеметрии образует часть локатора с наземной аппаратурой над подземным зондом. Первый канал двусторонней связи между приемопередатчиком со стороны устья и забойным приемопередатчиком применяет бурильную колонну в качестве электрического проводника для обеспечения связи между приемопередатчиком со стороны устья и забойным приемопередатчиком. Второй канал двусторонней связи между приемопередатчиком на устье скважины и приемопередатчиком телеметрии локатора с наземной аппаратурой над подземным зондом использует беспроводную электромагнитную связь между приемопередатчиком на устье скважины и приемопередатчиком телеметрии. По меньшей мере канал односторонней связи образуется со скважинного приемопередатчика подземного инструмента на локатор, так что (i) первый режим связи создается от забойного приемопередатчика на приемопередатчик на устье скважины на буровой установке через бурильную колонну с использованием первого канала двусторонней связи, (ii) второй режим связи создается от забойного приемопередатчика на приемопередатчик на устье скважины через канал односторонней связи, приемопередатчик телеметрии на локаторе с наземной аппаратурой над подземным зондом и второй канал двусторонней связи, и (iii) имеется контроллер управления связью между приемопередатчиком со стороны забоя и приемопередатчиком на устье скважины по меньшей мере частично на основе состояния системы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следующее описание приведено для обеспечения реализации изобретения специалистом в данной области техники и соответствует контексту патентной заявки и ее требованиям. Различные модификации описанных вариантов осуществления должны быть понятны специалисту в данной области техники, и общие принципы, раскрытые в данном документе, можно применять в других вариантах осуществления. Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается показанным вариантом осуществления, но соответствует самому широкому объему, согласующемуся с принципами и признаками, описанными в данном документе, включая в себя модификации и эквиваленты, согласно объему прилагаемой формулы изобретения. Отмечаем, что чертежи выполнены без соблюдения масштаба и являются схематичными для наилучшего показа признаков, представляющих интерес. Терминология, использованная в описании, должна помогать читателю правильно понять изобретение и не является ограничивающей. Дополнительно, Фигуры выполнены без соблюдения масштаба для ясности.
На Фигурах одинаковые компоненты указаны одинаковыми позициями ссылки, при описании различных Фигур дается ссылка на Фиг. 1, представляющую схематичный вид сбоку одного варианта осуществления системы горизонтального бурения, в общем указанной позицией 10 и изготовленной согласно настоящему изобретению. Хотя указанная система показывает изобретение в варианте системы горизонтального направленного бурения и ее компонентов для выполнения подземных буровых работ, изобретение можно также применять в других работах, в том числе, без ограничения этим, в вертикальном бурении, подъема установленного оборудования, картировании и т.п.
На Фиг. 1 показана система 10, работающая в зоне 12. Система 10 включает в себя буровую установку 14 с бурильной колонной 16, проходящей от нее к бурильному инструменту 20a или 20b. Отмечаем, что два варианта подземного конца бурильной колонны 12a и 12b, а также бурильного инструмента 20a и 20b показаны по понятным причинам. Вариант бурильной колонны 16a и бурильного инструмента 20a показан сплошными линиями, а вариант бурильной колонны 16b и бурильного инструмента 20b показан пунктирными линиями. Понятно, что только выбранный один из двух показанных вариантов используют во время данной подземной работы. Для общей ссылки на бурильную колонну и бурильный инструмент могут использоваться позиции 16 и 20. Бурильная колонна может подаваться в грунт для перемещения подземного инструмента 20 по меньшей мере в общем направлении вперед 22, указанном стрелками. Хотя настоящий пример ограничен аспектом использования бурильного инструмента, понятно, что описания применимы к любому подходящему виду подземного инструмента, в том числе, без ограничения этим, расширяющему инструменту, инструменту мониторинга натяжения для использования во время подъемной операции, в которой оборудование или обсадная колонна могут устанавливаться, картирующего инструмента для использования в картировании пути ствола скважины, например, с использованием блока инерциального наведения и мониторинга внутрискважинного давления. В работе бурильного инструмента, в общем требуется мониторинг на основе продвижения бурильной колонны, а в других операциях, таких как подъемная операция, мониторинг обычно выполняют, реагируя на подъем бурильной колонны.
Также на Фиг. 1 бурильная колонна 16 показана частями и является сборной, составленной из множества разъемно скрепляющихся, индивидуальных секций бурильной трубы, некоторые из которых указаны позициями 1, 2, N-1 и N, имеющих длину и толщину стенки секции или части. Секции бурильной трубы можно также называть бурильными штангами, имеющими длину штанги. Во время работы буровой установки одной секцией бурильной трубы за один раз можно наращивать бурильную колонну и вдавливать в грунт с помощью буровой установки, используя перемещающийся верхний привод 24 для продвижения подземного инструмента. Буровая установка 14 может включать в себя подходящее устройство мониторинга для измерения перемещения бурильной колонны в грунт, такое как описанное, например, в патенте U.S. Patent №6035951 (ниже в данном документе ′951 патент), под названием SYSTEMS, ARRANGEMENTS AND ASSOCIATED METHODS FOR TRACKING AND/OR GUIDING AN UNDEGROUND BORING TOOL, полностью включен в настоящую заявку в виде ссылки. Например, стационарный ультразвуковой приемник 28 может устанавливаться на буровой раме буровой установки, а ультразвуковой передатчик 30 может устанавливаться на перемещающемся верхнем приводе, который используется для выдвижения и втягивания бурильной колонны. Расстояние между приемником 28 и передатчиком 30 можно установить в пределах доли дюйма. С помощью мониторинга данного расстояния совместно с мониторингом состояния зажимающего устройства 32, которое приводится в действие, реагируя на удаление бурильных штанг из колонны или наращивание бурильными штангами бурильной колонны, можно отслеживать длину бурильной колонны.
Каждая секция бурильной трубы образует сквозное отверстие 34 (два из которых указаны) проходящее между противоположными концами трубной секции. Секции бурильной трубы могут оснащаться общеизвестными замковыми муфтой и ниппелем, так что каждый конец данной секции бурильной трубы может свинчиваться со смежным концом в другой секции бурильной трубы в бурильной колонне хорошо известным способом. Когда секции бурильной трубы скреплены, составляя бурильную колонну, отверстия смежных секций бурильной трубы совмещаются, образуя путь 36, указанный стрелками. Путь 36, каждой скважинной бурильной колонны, может обеспечивать подачу под давлением бурового или промывочного раствора в направлении стрелок 36, с буровой установки на бурильную головку, дополнительно описано ниже.
Местоположение бурильного инструмента в зоне 12, а также подземную траекторию движения бурильного инструменту можно устанавливать и отображать на дисплее буровой установки 14, например, на консоли 42 с использованием дисплея 44. Консоль может включать в себя устройство 46 обработки данных и устройство 47 управления исполнительным механизмом 47. Отмечаем, что устройство 46 обработки данных на буровой установке может включать в описываемый ниже приемопередатчик на устье скважины.
Бурильный инструмент 20 может включать в себя бурильную головку 50, имеющую скошенный торец, для использования в наведении на основе ориентации по крену. То есть бурильная головка, подаваемая вперед без вращения, должна в общем отклоняться на основе ориентации по крену своего скошенного торца. С другой стороны, можно в общем обеспечивать перемещение бурильной головки по прямой линии с вращением бурильной колонны при ее подаче, как указано двойной стрелкой 51. Конечно, предсказуемое наведение зависит от подходящих грунтовых условий. Отмечаем, что вышеупомянутый буровой раствор может выпускаться из сопел 52 под высоким давлением для разрушения грунта непосредственно перед торцом бурильной головки, а также обеспечения охлаждения и смазки бурильной головки. Бурильный инструмент 20 включает в себя подземный кожух 54, в котором размещается электронный модуль 56. Для описания, приведенного ниже, данный электронный модуль может называться забойным приемопередатчиком. Подземный кожух выполнен с возможностью обеспечения подачи бурового раствора к бурильной головке 50 вокруг электронного модуля. Например, электронный модуль может иметь цилиндрическую конфигурацию и поддерживаться центраторами в кожухе 54. Бурильная головка 50 может включать в себя замковую муфту, принимающую замковый ниппель подземного кожуха 54. Противоположный конец подземного кожуха может включать в себя замковую муфту принимающую замковый ниппель соединительного адаптера 60a или 60b. Отмечаем, что два варианта соединительного адаптера, показанные как не ограничивающий пример, могут в общем обозначаться позицией 60, понятно, что любой подходящий вариант осуществления можно использовать. Противоположный конец соединительного адаптера 60 может включать в себя замковую муфту, принимающую замковый ниппель, который образует дальний подземный конец бурильной колонны. Отмечаем, что замковые муфты и ниппели бурильной головки, подземного кожуха и соединительного адаптера являются в общем одинаковыми с замковыми муфтами и ниппелями секций бурильной трубы бурильной колонны для осуществления разъемного скрепления секций бурильной трубы при формировании бурильной колонны. Подземный электронный модуль 56 может включать в себя приемопередатчик 64, который в некоторых вариантах осуществления может передавать сигнал 66 определения местоположения, например, дипольный сигнал определения местоположения, хотя данное не обязательно. В некоторых вариантах осуществления приемопередатчик 64 может принимать электромагнитный сигнал, генерируемыйу другими подземными компонентами, как описано ниже в соответствующем разделе. В настоящем примере следует считать, что электромагнитный сигнал является сигналом определения местоположения в форме дипольного сигнала для данного описания. Соответственно, электромагнитный сигнал может называться сигналом определения местоположения. Понятно, что дипольный сигнал можно модулировать, как любой другой электромагнитный сигнал и что данные модуляции можно затем извлекать из сигнала. Функциональность определения местоположения сигнала зависит по меньшей мере частично от характеристичной формы поля потока и его силы сигнала, а не от способности нести модуляцию. Таким образом, модуляция не является обязательным требованием. Информацию, касающуюся некоторых параметров бурильного инструмента таких, например, как тангаж и крен (параметры ориентации), температура и давление бурового раствора можно получать по измерениям подходящего сенсорного устройства 68, установленного в бурильном инструменте, которое может включать в себя, например, датчик тангажа, датчик крена, температурный датчик, датчик поля переменного тока для измерений в окрестности линий электроснабжения с частотой 50/60 Гц и любые другие требуемые датчики, такие, например, как датчик магнитного поля постоянного тока для измерения ориентации по рысканию (магнитометр с тремя измерительными осями, с акселерометром с тремя измерительными осями для создания электронного компаса, измеряющего ориентацию по рысканию). Электронный модуль 56 дополнительно включает в себя процессор 70, снабженный требуемыми интерфейсами для сенсорного устройства 68 и приемопередатчика 64. Другим датчиком, который может образовывать часть сенсорного устройства является акселерометр, выполненный с возможностью обнаружения ускорений по одной или нескольким осям. Батарея (не показано) может устанавливаться в кожухе для электропитания.
Портативный локатор 80 с наземной аппаратурой над подземным зондом можно использовать для обнаружения электромагнитного сигнала 66. Один подходящий и усовершенствованный портативный локатор описан в патенте U.S. Patent №6496008, под названием FLUX PLANE LOCATING IN UNDERGROUND DRILLING SYSTEM, который полностью включен в данном документе в виде ссылки. Как упомянуто выше, настоящее описание применимо к различным подземным работам и не является ограничивающим, хотя данное описание выполнено для горизонтального бурения. Как рассмотрено выше, электромагнитный сигнал может нести информацию, включающую в себя параметры ориентации, такие, например, как параметры тангажа и крена. Электромагнитный сигнал может также нести другую информацию. Такая информация может включать в себя, например, параметры, которые можно измерить вблизи или внутри бурильного инструмента, в том числе температуру и напряжение, например, напряжение батареи или другого источника электропитания. Локатор 80 включает в себя электронный модуль 82. Отмечаем, что электронный модуль снабжен интерфейсом для электрической связи с различными компонентами локатора и может выполнять обработку данных. Информацию, представляющую интерес, можно модулировать на электромагнитном сигнале 66 любым подходящим способом и передавать на локатор 80 и/или антенну 84 на буровой установке, хотя данное не обязательно. Любая подходящая форма модуляции может использоваться, как имеющаяся на сегодня, так и которую предстоит разработать. Примеры имеющихся на сегодня и подходящих типов модуляции включают в себя амплитудную модуляцию, частотную модуляцию, фазовую модуляцию и их варианты. Любой параметр, представляющий интерес, связанный с бурением, например, тангаж можно отображать на дисплее 44 и/или на дисплее 86 локатора 80, при извлечении из сигнала определения местоположения. Буровая установка 14 может передавать телеметрический сигнал 98, который может принимать локатор 80. Телеметрический сигнал 92 может передаваться с локатора 80 на буровую установку через антенну 94 телеметрии. Компоненты телеметрии обеспечивают двустороннюю передачу сигналов между буровой установкой и локатором 80. В качестве одного примера такой передачи сигналов, на основе состояния захватывающего устройства 32 буровая установка может передавать индикацию, что бурильная колонна находится в стационарном состоянии, поскольку секцию бурильной трубы наращивают на бурильную колонну или снимают с нее, в это время захватывающее устройство скреплено с бурильной колонной.
На Фиг. 1 также показано, что электрический кабель 100 может проходить от подземного электронного модуля 56, так что любая измеренная величина или параметр, относящийся к работе подземного инструмента, может электрически передаваться по данному кабелю. Специалисту в данной области техники понятно, так называемый "кабель в трубе" можно использовать для передачи сигналов на буровую установку. Термин кабель в трубе относится к электрическому кабелю, размещенному во внутреннем проходе 34, создаваемом бурильной колонной. Согласно настоящему изобретению, вместе с тем, кабель 100 проходит в варианте осуществления в подземный соединительный адаптер 60 или другое подходящее подземное устройство. Как указано выше, первый вариант осуществления, обозначенный позицией 60a, соединяется с бурильным инструментом 50a и второй вариант осуществления, обозначенный позицией 60b, соединяется с бурильным инструментом 50b, как дополнительно описано ниже в данном документе.
Фиг. 2 следует рассматривать совместно с Фиг. 1. На Фиг. 2 схематично показан вид в изометрии, варианта осуществления соединительного адаптера 60a с дополнительными деталями. Отмечаем, что соединительный адаптер 60a, как описано, представляет один вариант осуществления подходящего соединительного устройства и описан подробно в патентной заявке совместного рассмотрения U.S. Patent Application serial № 13/035,774 под названием DRILL STRING COUPLING ADAPTER AND METHOD FOR INGROUND SIGNAL COUPLING, полностью включена в данном документе в виде ссылки. В частности, соединительный адаптер 60a включает в себя основной корпус 120, образующий замковый ниппель 12 для соединения с замковой муфтой (не показано) подземного кожуха 54. Отмечаем, что резьба не показана на замковом ниппеле для ясности иллюстрации, но следует понимать, что резьба имеется. Основной корпус включает в себя по меньшей мере один узел электрического соединения, работающий под высоким давлением. Соединительный адаптер 60a дополнительно включает в себя удлинительный корпус 140, разъемно скрепляющийся с основным корпусом 120, так что либо основной корпус, или удлинительный корпус можно заменить. Основной корпус и удлинительный корпус можно выполнять из любого подходящего материала, например, из немагнитных сплавов, в том числе немагнитных нержавеющих сталей и из магнитных сплавов, например, марок 4140, 4142, 4340 или любой подходящей высокопрочной стали. В частности, когда соединительный адаптер подлежит установке на расстоянии в много футов или отделенный большим числом бурильных штанг от электронного модуля который его возбуждает, может потребоваться немагнитная версия. Вместе с тем, если соединительный адаптер подлежит использованию вблизи подземного устройства, например, инструмента наведения, который обнаруживает магнитное поле Земли, использование немагнитного материала предотвращает искажение потенциала поля. Общеизвестно, в этой связи, что немагнитные высокопрочные сплавы в противоположность магнитным высокопрочным сплавам имеют гораздо более высокую стоимость. Отмечаем, что отсутствует обязательное требование выполнения основного корпуса и удлинительного корпуса из одинакового материала.
Цилиндрическое кольцо 144 размещается между основным корпусом 120 и удлинительным корпусом 140. Отмечаем, что цилиндрическое кольцо изображено прозрачным для настоящего описания, так что можно видеть трансформатор 160 тока. Цилиндрическое кольцо можно выполнять из любого подходящего материала, в общем стойкого к воздействию подземной среды и который является электрическим изолятором. В качестве не ограничивающего примера, одним подходящим материалом является трансформационно-упрочненная керамика из оксида циркония, другие керамические материалы могут также являться подходящими. Как показано на Фиг. 2, цилиндрическое кольцо 144 может встраиваться с заглублением наружной поверхности относительно наружных поверхностей, как основного корпуса, так и удлинительного корпуса для уменьшения возможности повреждения цилиндрического кольца, а также уменьшения износа на цилиндрическом кольце. Например, захватывающее устройство 32 (Фиг. 1) может вставать на интервале цилиндрического кольца и не входить в контакт с ним вследствие встраивания с заглублением. Дополнительно, подземный износ цилиндрического кольца вследствие вращения, продвижения и извлечения бурильной колонны можно уменьшить. В этом отношении понятно, что узел электрического соединения 130 может встраиваться с заглублением наружной поверхности по аналогичным причинам, как можно видеть на Фиг. 2. Трансформатор тока может включать в себя катушку с намоткой на кольцевой или тороидальный сердечник. При этом, сердечник может иметь любую подходящую форму сечения, например, прямоугольную, квадратную или круглую. В показанном варианте осуществления сердечник может являться разрезным для осуществления установки трансформатора тока. Пара электрических отводов от противоположных концов катушки трансформатора тока может соединяться с кабелем 100 в узле 130 электрического соединения. Понятно, что любой подходящий трансформатор тока можно использовать и что конкретный трансформатор тока, описанный здесь, не является ограничивающим. Противоположный конец 170 удлинительного корпуса 140 образует замковую муфту для свинчивания с подземным дальним концом бурильной колонны. Из показанного на Фиг. 1 понятно, что соединительный адаптер 60 может устанавливаться между любыми двумя смежными секциями бурильной трубы при сборе бурильной колонны на буровой установке. Например, подходящий соединительный адаптер варианта осуществления может устанавливаться между секциями N-1 и N бурильной трубы на Фиг. 1. Кабель 100 при этом проходит из подземного инструмента через секцию n бурильной трубы для достижения соединительного адаптера.
На Фиг. 3 схематично показан вид в изометрии варианта соединительного адаптера 60b. Отмечаем, что Фиг. 3 соответствует Фиг. 2 патентной заявки U.S. Patent Application serial №13/593,439 (ниже в данном документе, заявка 439), под названием DRILL STRING INGROUND ISOLATOR IN MWD SYSTEM AND ASSOCIATED METHOD, полностью включена в данном документе в виде ссылки. Вариант осуществления Фиг. 3 представляет один из нескольких подходящих вариантов осуществления, раскрытых в заявке 439. Каждый из данных вариантов осуществления, при установке в бурильной колонне, как показано на Фиг. 1, образует электроизолирующий промежуток или разрыв в бурильной колонне. Заявка 439 также раскрывает систему подземных взаимозаменяемых инструментов, образующих электроизолирующий промежуток, а также другой полезный вариант осуществления в контексте настоящей заявки.
Компоновка включает в себя кожух 200 ниппельного конца с замковым ниппелем 202, образующим проходящий через него канал, из которого кабель 100 может проходить для внешнего электрического соединения. Кожух 210 муфтового конца образует замковую муфту 212. Замковый ниппель 202 и замковая муфта 212 могут стыковаться с замковыми устройствами на секциях бурильной трубы, которые скрепляются в бурильную колонну 16, при этом изолятор можно вставить в любое требуемое звено бурильной колонны. Изолятор дополнительно включает в себя кожух 220 поводка который соединяет каждый кожух 200 ниппельного конца и кожух 210 муфтового конца с кожухом поводка, электрически соединенным с кожухом ниппеля во всей компоновке. Кожух ниппельного конца, кожух муфтового конца и кожух поводка в настоящем варианте осуществления в общем выполнены из подходящих высокопрочных материалов, например, стали 4340, 4140, 4142 а также 15-15HS или Monel K500 (где последние два являются немагнитными высокопрочными сплавами), поскольку данные компоненты подвергаются воздействию потенциально агрессивной среды в скважине а также относительно экстремальных сил. На основе расположения множества электроизолирующих элементов 270, которые могут иметь любую подходящую форму, кожух 210 муфтового конца электрически изолируется от кожуха 200 ниппельного конца с образованием электроизолирующего/изоляционного промежутка.
Понятно, что любое подходящее устройство можно использовать для передачи сигнала на бурильную колонну, и детали относительно конкретной структуры показанных вариантов осуществления для выполнения соединения передачи сигнала в бурильной колонне не являются ограничивающими. Например, другое подходящее устройство, где используется трансформатор тока, описано в патентной заявке U.S. Patent Application Serial №13/035,833, под названием INGROUND DRILL STRING HOUSING AND METHOD FOR SIGNAL COUPLING, полностью включена в виде ссылки. В данной последней заявке, трансформатор тока опирается на подземный кожух, на который может также опираться электронный модуль. Кроме того, известная техника включает в себя примеры других устройств, которые по меньшей мере некоторым образом создают электроизолирующий промежуток. В качестве примера, в патенте U.S. Patent №7649474, колонка 3, строки 33-42 описан простой подход с использованием такой детали, как стеклопластиковая секция, выполненная с металлическими концами, для создания электроизолирующей секции в бурильной колонне.
На Фиг. 4 схематично показан вид в изометрии подземного инструмента 20 в форме бурильного инструмента с бурильной головкой 50. Для данного описания соединительный адаптер/изолятор 60 или другое подходящее устройство установлено, как часть бурильной колонны, имеющая со стороны устья скважины участок 400 и со стороны забоя скважины участок 402. Участок со стороны забоя бурильной колонны может содержать любой подходящий подземный кожух 54, такой как кожух бурильной головки и/или одну или несколько вводимых секций бурильной трубы (не показано), соединяющих изолятор 60 с подземным кожухом. В настоящем примере подземный кожух принадлежит бурильной головке или бурильному инструменту. Кабель 100 может проходить в сквозном канале бурильной колонны в электронный модуль 56 для поддержания электрической связи с приемопередатчиком 64 (Фиг. 1) бурильной колонны. В зависимости от конкретного варианта осуществления проводники кабеля 100 могут соединяться, например, с трансформатором тока или иным способом для перехода электроизолирующего промежутка. Как рассмотрено выше, буровой раствор может проходить вокруг электронного модуля к подземному дальнему концу бурильной колонны, например, к бурильной головке. В показанном варианте осуществления подземный кожух 54 включает в себя щели 420 для излучения сигнала 66 с приемопередатчика 64 (Фиг. 1). Соединительный адаптер 60 разъемно скреплен с подземным кожухом 54 который имеет средство разъемного скрепления с дальним концом бурильной колонны.
На Фиг. 5 схематично показан вид в изометрии подземного инструмента 20 в форме расширяющего инструмента, включающего в себя расширитель 422, разъемно скрепленный с одним концом подземного кожуха 54. Кожух 54 и соединительный адаптер 60 в данном варианте осуществления в остальном аналогичны показанным на Фиг. 4. Расширяющий инструмент протягивается в направлении 424, указанном стрелкой, для увеличения диаметра ствола скважины, расширяющий инструмент тянут к буровой установке бурильной колонной. Противоположный конец расширяющего инструмента скреплен с одним концом устройства 430 мониторинга натяжения. Противоположный конец устройства мониторинга натяжения может прикрепляться к средству обеспечения (не показано) которое должно подниматься через ствол скважины увеличенного диаметра для установки средства обеспечения в стволе скважины. Устройство 430 мониторинга натяжения измеряет силы натяжения, приложенные к средству обеспечения во время операции расширения. Одно подходящее и весьма предпочтительное устройство мониторинга натяжения описано в патенте U.S. Patent № 5961252, полностью включен в данном документе в виде ссылки. Устройство 430 мониторинга натяжения может передавать электромагнитный сигнал 434, на котором данные мониторинга натяжения можно модулировать. Сигнал 434 может принимать приемопередатчик 64 (Фиг. 1), так что соответствующие данные можно передавать на бурильную колонну, используя трансформатор 160 тока (см. Фиг. 2) для передачи на буровую установку. Понятно, что беспроводной сигнал может приниматься с подземного инструмента любого вида приемопередатчиком 64, и что настоящий вариант осуществления, в котором описывается устройство мониторинга натяжения, не является ограничивающим. Например, картирующее устройство можно использовать в другом варианте осуществления на месте устройства мониторинга натяжения. Так картирующее устройство может работать, например, используя инерциальную навигационную систем (ИНС).
На Фиг. 6 показана блок-схема варианта осуществления электронной части 56 с дополнительными деталями. Часть 56 может включать в себя подземный цифровой процессор 510 обработки сигналов, который может осуществлять всю функциональность приемопередатчика 64 Фиг. 1. Сенсорная часть 68 может иметь электрическое соединение с цифровым процессором 510 обработки сигналов через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 512. Любую подходящую комбинацию сенсоров можно создавать для данного варианта применения и можно выбирать, например, из акселерометра 520, магнитометра 522, температурного датчика 524 и манометра 526, который может измерять давление бурового раствора перед выпуском из бурильной колонны и/или в кольцевом пространстве, окружающем участок в зоне забоя бурильной колонны. Адаптер/изолятор 60, схематично показанный отделяющим участок 400 бурильной колонны со стороны устья скважины от участка 402 бурильной колонны со стороны забоя для использования в одном или обоих, режиме передачи, в котором данные передаются на бурильную колонну, и режиме приема, в котором данные получают с бурильной колонны. Электронная часть соединяется, как показано, на интервале электроизоляционного/изолирующего разрыва, образованного изолятором, с помощью первого соединительного провода 528a и второго соединительного провода 528b которые вместе могут обозначаться позицией 528. В варианте осуществления с использованием трансформатора тока, данные соединительные провода могут соединяться с соединительными проводами трансформатора тока. Для режима передачи используется привод 530 антенны, с электрическим соединением между подземным цифровым процессором 510 обработки сигналов и соединительными проводами 528 для возбуждения напрямую в бурильной колонне. В общем, данные, которые можно передавать по бурильной колонне, можно модулировать с использованием частоты, которая отличается от любой частоты, используемой для возбуждения дипольной антенны 540, которая может передавать описанный выше сигнал 66 (Фиг. 1) для предотвращения интерференции. Когда привод 530 антенны выключен, переключатель 550 вкл/выкл, может выборочно соединять соединительные провода 528 с полосно-пропускающим фильтром (ППФ) 552 с центральной частотой, соответствующей центральной частоте сигнала передачи данных, принимаемого с бурильной колонны. ППФ 552, в свою очередь, соединен с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 554, который сам соединен с секцией 510 цифровой обработки сигнала. Восстановление модулированных данных в секции цифровой обработки сигнала может легко выполнить специалист в данной области техники, зная конкретный вид применяемой модуляции.
На Фиг. 6 также показано, что дипольную антенну 540 можно подключать для использования в одном или обоих, режиме передачи, в котором сигнал 66 передается в окружающую Землю, и режиме приема, в котором электромагнитный сигнал, такой, например, как сигнал 434 Фиг. 5 принимается. Для режима передачи часть 560 привода антенны используется с электрическим соединением между подземным цифровым процессором 510 обработки сигналов и дипольной антенной 540 для возбуждения антенны. Здесь также частота сигнала 66 должна в общем достаточно отличаться от частоты сигнала бурильной колонны для предотвращения интерференции между ними. Когда привод 560 антенны выключен, переключатель 570 вкл/выкл может селективно соединить дипольную антенну 540 с полосно-пропускающим фильтром (ППФ) 572 с центральной частотой, соответствующей центральной частоте сигнала передачи данных, принятого с дипольной антенны. ППФ 572 в свою очередь, соединяется с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 574, который сам соединяется с секцией 510 цифровой обработки сигнала. В приемопередатчике электронную схему для секции цифровой обработки сигнала может легко выполнить во многих подходящих вариантах осуществления специалист в данной области техники в виде применяемой конкретной формы или форм модуляции и соответствующую данному описанию. Конструктивное исполнение, показанное на Фиг. 6 можно модифицировать любым подходящим способом для придания вида, учитывающего концепции, приведенные в данном документе.
Что касается Фиг. 1 и 7, на последней показана блок-схема компонентов, которые могут входить в состав варианта осуществления наземного приемопередающего устройства, в общем указанного позицией 600, которое соединяется с бурильной колонной 16. Наземный трансформатор 602 тока установлен, например, на буровой установке 14 для передачи и/или приема сигналов на и/или с бурильной колонны 16. Трансформатор 602 тока может иметь электрическое соединение для использования в одном или обоих, режиме передачи, в котором данные модулируются на бурильной колонне, и режиме приема, в котором модулированные данные принимаются с бурильной колонны. Электронный модуль приемопередатчика 606 соединяется с трансформатором тока и может иметь электропитание от батареи или буровой установки, дающей по существу неограниченную мощность электропитания. При этом, на устье скважины обычно передается электропитание большей мощности, чем на забое на забойный приемопередатчик, питающийся от батареи. Таким образом, передача электроэнергии на забое является селективной в диапазоне, в котором значения ниже минимальных значений мощности электропитания, передаваемого на устье скважины, так что на устье скважины значение мощности электропитания передачи всегда превышает выбранное значение мощности электропитания передачи на забое. В варианте осуществления, максимальная мощность электропитания передачи на забое может составлять до 1 Вт. В общем, сложно получить максимальную мощность с батареи, превышающую 5 Вт. В варианте осуществления более высокие уровни мощности электропитания, например, 3-5 Вт можно получить с использованием конденсатора большой емкости для хранения энергии батареи. Вместе с тем, рабочий цикл должен ограничиваться вследствие ограниченной энергоемкости конденсатора большой емкости. В отличие от этого, на устье скважины мощность электропитания передачи, даже минимальной величины, может составлять 100 Вт. Для режима передачи используется секция 610 возбуждения антенны с электрическим соединением между наземным цифровым процессором обработки сигналов 618 и трансформатором 602 тока для возбуждения трансформатора тока. Здесь также данные, которые могут передаваться в бурильной колонне, можно модулировать с использованием частоты отличающейся от частоты, используемой для возбуждения дипольной антенны 540 в подземном кожухе 54 (Фиг. 1 и 6) для предотвращения интерференции, а также отличающейся от частоты, на которой изолятор 60 возбуждает сигнал на подземном конце бурильной колонны. Когда привод 610 антенны выключен, переключатель 620 вкл/выкл может селективно соединять трансформатор 602 тока с полосно-пропускающим фильтром (ППФ) 622, с центральной частотой, соответствующей центральной частоте сигнала передачи данных, принимаемого с бурильной колонны. ППФ 622, в свою очередь, соединен с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 630, который сам соединен с секцией 618 цифровой обработки сигнала. Понятно, что секция 618 цифровой обработки сигнала и связанные компоненты, которые содержат приемопередатчик на устье скважины, могут образовывать часть устройства 46 обработки данных (показано пунктирной линией) буровой установки или могут соединяться с ней на подходящем интерфейсе 634. Приемопередатчик 606 может передавать команды на подземный инструмент с различными целями, например, для управления мощность электропитания передачи, выбора частоты модуляции, изменения формата данных (например, снижения скорости передачи в бодах для увеличения диапазона декодирования) и т.п. Электронный модуль приемопередатчика для секции цифровой обработки сигнала может легко выполнить в многочисленных подходящих вариантах специалист в данной области техники с учетом применяемой конкретной формы или форм модуляции, данного описания в целом.
На Фиг. 1 и 7 также показано в варианте осуществления с промежуточным усилителем, что другим подземным изолирующим устройством 640 (показано в очерченном пунктирной линией блоке) можно заменить трансформатор 602 тока вместе с применением другого варианта подземного кожуха 54. Устройство 640 может включать в себя любой подходящий вариант осуществления подземного адаптера/изолятора согласно настоящему изобретению, включающий в себя другой вариант изолятора, применяемого в подземном инструменте. Изолятор в данном устройстве соединяется с приемопередатчиком 606 (Фиг. 6) и вставляется, как блок в одно из соединений бурильной колонны для работы качестве промежуточного усилителя, например, на расстоянии 1000 футов (305 м) от подземного инструмента. Таким образом, секция 400′ бурильной колонны может соединять изолятор с буровой установкой, а секция 402′ бурильной колонны служит промежуточной секцией бурильной колонны между изолирующим устройством 640 и изолятором 60 на подземном инструменте. Блок промежуточного усилителя может вставляться, например, в соединение, выполненное между секциями 1 и 2 бурильной трубы Фиг. 1. Подземный кожух для использования в промежуточном усилителе варианта применения может включать в себя замковую муфту на одном конце и замковый ниппель на противоположном конце. Конечно, специалист в данной области техники знает, что адаптеры с замковыми муфтами и ниппелями хорошо известны, серийно производятся и всегда имеются в продаже. В другом варианте осуществления изолирующее устройство 640 может вставляться в соединение с электронным модулем промежуточного усилителя, размещенном в герметичном корпусе, который может опираться на центраторы в сквозном канале смежной секции бурильной трубы. В еще одном варианте осуществления электронный модуль промежуточного усилителя может устанавливаться в загружаемом с торца или сбоку кожухе и вставляться в бурильную колонну с электрической связью с изолятором. Такие загружаемые с торца или сбоку кожухи могут включать в себя каналы, обеспечивающие проход через них бурового раствора. В любом из данных вариантов осуществления электронная аппаратура промежуточного усилителя может иметь электрическое соединение с изолятором способом, согласующимся с приведенным выше описанием. Для предотвращения интерференции сигнала и как не ограничивающий пример, промежуточный усилитель может принимать сигнал, передаваемый с подземного инструмента или другого промежуточного усилителя на одной несущей частоте, и электронная аппаратура промежуточного усилителя может ретранслировать сигнал в бурильную колонну на другой несущей частоте для создания сигналов, отличающихся друг от друга. В качестве другого примера, подходящую модуляцию можно использовать для передачи отличающихся сигналов. Таким образом, электронный модуль промежуточного усилителя может размещаться любым подходящим способом с поддержанием электрической связи с передающим сигнал устройством изолятора для генерирования промежуточного усиленного сигнала на основе принятого сигнала передачи данных, но который отличается от принятого сигнала передачи данных.
На Фиг. 8 показана блок-схема варианта осуществления усовершенствованной системы двусторонней связи бурильной колонны, в общем указанной позицией 700. Система 700 включает в себя приемопередатчик 702 на устье скважины и забойный приемопередатчик 704. Приемопередатчик 702 на устье скважины может по меньшей мере в общем включать в себя элементы описанного выше приемопередатчика 600 Фиг. 7, а забойный приемопередатчик 704 может по меньшей мере в общем включать в себя признаки описанного выше забойного приемопередатчика 56 Фиг. 6, включающего в себя оборудование передачи сигналов определения местоположения. Таким образом, данная система двусторонней связи может передавать данные в обоих направлениях по бурильным трубам/штангам в составе бурильной колонны 16. Заявители считают, что система 700 дает преимущества, исключая передачу по меньшей мере части сигналов через грунт по меньшей мере по причине того, что электромагнитный сигнал передаваемый, например, с дипольной антенны 540 (Фиг. 6), испытывает потерю силы сигнала с расстоянием, которая пропорциональна кубу расстояния. Для данной мощности передачи увеличение дальности действия связи должно получаться, благодаря передаче с использованием бурильной колонны в качестве электрического проводника. Методики, раскрытые ниже в данном документе, обеспечивают дополнительное улучшение при использовании такой двусторонней связи с помощью бурильной колонны.
Заявители считают, что имеются некоторые проблемы в передаче электрических сигналов через бурильную колонну. Например, буровая установка может передавать шум своих электрических/электронных систем в бурильную колонну. В качестве другого примера, электромагнитный шум может присутствовать на траектории бурения, исходящий, например, из подземных линий электроснабжения и контрольных проводов, связанных с оптоволоконными кабелями и т.п. Данный шум может передаваться на бурильную колонну благодаря электропроводности грунта. В качестве еще одного примера, искажение сигнала могут давать бурильные штанги, скрепленные в бурильную колонну, соединения между бурильными штангами и грунт, окружающий бурильную колонну. Детальное рассмотрение, приведенное ниже, характеризует ухудшение качества сигнала в аспекте действия шума и искажения на электрический сигнал, передаваемый бурильной колонной и, затем представляет по меньшей мере три способа и соответствующее устройство для дополнительного улучшения такой системы связи. Данные способы представляют собой: (1) сканирование шума, (2) коррекцию и (3) настройку или наладку приемника.
Как рассмотрено выше, электрический шум в бурильную колонну может передаваться с буровой установки и/или из подземных источников в грунте таких, как подземные линии электроснабжения благодаря электропроводности грунта. Данные шумы зависят от окружающей среды на буровой площадке и поэтому могут меняться от одной площадки к другой. Соответственно, предположим, что шум представлен функцией n(t) и является как широкополосным, так и узкополосным. Как не ограничивающий пример, узкополосный шум происходит от линий электроснабжения с частотой 50 или 60 Гц, а широкополосный шум возникает от работы связи в линиях электропередачи, шума двигательных контроллеров и гармоник линий с частотой 50 или 60 Гц.
Искажение могут вызывать электрические паразитные элементы, введенные бурильными штангами, например, соединения между бурильными штангами, и электропроводность в грунте, окружающем бурильную колонну. На Фиг. 9 показана одна аппроксимационная модель для бурильной колонны в грунте, в общем указанная позицией 720. Бурильная колонна составлена из N скрепленных бурильных штанг, и электропроводность в грунте является по меньшей мере сложной для определения, вместе с тем, возможна ее аппроксимация с помощью показанной модели. Такую электрическую модель можно представить следующим математическим выражением Лапласа:
i
Где a - постоянная и определяется электрическими паразитными сопротивлениями, конденсаторами модели и электропроводностью в грунте, например, как показано на Фиг. 9. Термин "канал" может относиться r полной длине пути соединенных секций бурильной трубы, проходящих между приемопередатчиком 704 со стороны забоя скважины и приемопередатчиком 702 на устье скважины. Описанный ниже в данном документе, канал может относиться к электрическим характеристикам всей бурильной колонны. Уравнение EQ(1) можно называть функцией преобразования канала. Уравнение EQ(1) можно выразить в более знакомой форме, показанной ниже:
Уравнение EQ(2) выявляет, что канал действует на переданный сигнал как фильтр c ограниченной полосой пропускания. Уравнение EQ(2) имеет временной интервал, представленный следующим:
-1
Где L указывает обратное преобразование Лапласа. Взаимодействие шума и искажения с электрическим сигналом, который несут секции бурильной трубы, скрепленные в бурильную колонну, рассмотрено ниже в данном документе.
М
На Фиг. 10a и 10b показаны блок-схемы деталей забойного приемопередатчика 704 и приемопередатчика 702 на устье скважины, соответственно. Вначале отмечаем, что передатчик 800 приемопередатчика 702 на устье скважины может быть любого подходящего типа, таким, например, с использованием конфигурации перемычки в виде буквы Н для возбуждения трансформатора 602 тока (Фиг. 7). Сигнал, генерируемый передатчиком 800, может принимать приемник 802 в забойном приемопередатчике 704 с использованием приемника любого подходящего типа, например, включающего в себя защитную цепь переднего конца, соединенную с малошумящим предусилителем, за которым в свою очередь следует полосно-пропускающий фильтр, который соединен с аналого-цифровым преобразователем и цифровым процессором обработки сигналов. Здесь отмечаем, что такие приемники часто применяют для приема сигнала 66 определения местоположения. Что касается передатчика 800 и приемника 802, Заявители считают, что мощность электропитания по существу неограниченной величины имеется на буровой установке для прохода связи на забойный приемопередатчик, как дополнительно рассмотрено ниже. Секция 802 передатчика в забойном приемопередатчике 704 принимает данные 812 датчика, преобразованные в цифровую форму. Данные датчика кодируются и зашифровываются данные секцией 810 кодирования/шифрования данных. Понятно, что здесь шифрование данных не является обязательным требованием. Хотя в вариантах осуществления, описанных в данном документе, применяются варианты фазовой манипуляции, как не ограничивающий пример, понятно, что любую подходящую форму модуляции, как уже существующую, так и которую предстоит разработать, можно использовать, опираясь на идеи, раскрытые в данном документе. Другие подходящие схемы модуляции включают в себя, например, фазовую манипуляцию (ФМн) и Манчестерское кодирование. Мультиплексор 910 может затем селективно передавать данные на модулятор 912 многократной фазовой манипуляции для модуляции на носитель. Модулятор многократной фазовой манипуляции может выполнять 2 фазовую модуляцию, где M={1,2,3,4}. Мультиплексор 914 может затем выбирать модулированный сигнал для электромагнитной передачи на бурильную колонну. Переданный сигнал может иметь математическое представление в форме:
Т
c
k
Где Р - передаваемая мощность, f - несущая частота, θ - несущая фаза, которая представляет биты данных и d(t) модулирующий сигнал. Например, если M=1 многократная фазовая манипуляция становится двоичной фазовой манипуляцией с картированием двоичных данных согласно:
k
В качестве другого примера для M=2, многократная фазовая манипуляция становится квадратурной фазовой манипуляцией, которая картирует два бита двоичных данных в одну из четырех фаз. Одно картирование квадратурной фазовой манипуляции для двух бит в несущую фазу {θ} показано ниже:
Соответственно, четыре значения несущей фазы представляют четыре символа данных в варианте осуществления квадратурной фазовой манипуляции.
В уравнение EQ(4a), d(t) представляет модулирующий сигнал который можно определить следующим образом:
b
Где T - время действия бит и p(t) можно определить следующим образом:
В ответ на передачу электрического сигнала на бурильную колонну, сигнал искажается шумом и дисторсией при достижении приемника, например, на противоположном конце бурильной колонны. Искаженный принятый сигнал можно выразить математически следующим образом:
L
Где P<1 представляет потерю мощности переданного сигнала при прохождении через секции бурильной трубы под воздействием, например, утечки в электропроводный грунт. Член n(t) представляет шум, наводимый на бурильной колонне из окружающей среды, который является слагаемым передаваемого сигнала. Функция f(t) представляет форму колебаний сигнала основной полосы частот, которая искажена каналом и которую можно определить следующим образом:
k
k
Где * указывает операцию свертывания, d(t) определено в EQ(5a) и c(t) определено в EQ(3). Сигнал, определенный в уравнении EQ(6a), приходит, например, на приемопередатчик 702 на устье скважины, где его можно демодулировать и декодировать для извлечения двоичных данных основной полосы частот {cos (θ) sin (θ)}.
k
k
На Фиг. 10b показана блок-схема варианта осуществления приемопередатчика 702 на устье скважины. В данном варианте осуществления приемопередатчик на устье скважины включает в себя приемник 1000. Последний может селективно поддерживать связь с бурильной колонной 16 через мультиплексор 1002 и использовать подходящее устройство связи, например, трансформатор 602 тока. Приемник 1000 включает в себя контур слежения за несущей частотой и демодулятор 1004, который отслеживает несущую частоту и фазу принятого сигнала и может затем когерентно/синхронно демодулировать несущую частоту. Конечно, конкретный тип контура слежения за несущей частотой и демодулятора, который выбирают, является комплементарным модулятору, который используют в забойном приемопередатчике. Контур 1006 слежения за изменением данных можно также использовать для слежения за изменениями времени передачи бита, при этом {cos(θ)sin(θ)} можно декодировать с увеличенной точностью. Таким образом, в данном варианте осуществления синхронная работа приемника на устье скважины может улучшить возможности связи. Синхронное обнаружение обеспечивает по меньшей мере предпочтительное обнаружение сигнала с использованием относительно более узкого диапазона частот. Используется декодер/дешифровщик 1008 данных, который является комплементарным кодеру/дешифровщику 810 данных на устье скважины. Вычислитель 1010 диапазона частот канала и отношения сигнал/шум может отслеживать обратную связь ширины полосы частот с отношением сигнал/шум. Например, с увеличением расстояния, соответственно увеличиваются потери мощности сигнала. Для поддержания заданного отношения сигнал/шум с увеличением расстояния, обычно требуется уменьшение диапазона частот и/или увеличение мощности сигнала, если имеется возможность увеличить мощность. Дополнительные меры можно принимать для еще дополнительного снижения действия шума и искажения для улучшенной связи между забойным приемопередатчиком и на приемопередатчиком на устье скважины через секции бурильной трубы. Как рассмотрено подробно ниже, данные меры могут включать в себя, без ограничения этим: (1) Сканирование шума, (2) Коррекцию, и (3) применение настроечной последовательности.
Сканирование шума
s
В отношении Фиг. 10a, электрический шум, который несет бурильная колонна 16, может сильно уменьшать дальность действия передаваемого сигнала. В одном варианте осуществления передачу сигналов в бурильной колонне на зашумленных частотах можно предотвращать. При этом, сканер 1012 шума может определить менее зашумленные частоты. Отмечаем, что сканер 1012 шума также показан пунктиром на Фиг. 10b. Поскольку шум на устье скважины и шум со стороны забоя могут значительно отличаться, либо один или оба данных сканера шума можно оборудовать и использовать. Любой из нескольких подходящих способов можно использовать для определения, какие частоты являются зашумленными и какие нет. Как не ограничивающий пример, спектр шума можно определить, например, применяя БПФ (быстрое преобразование Фурье), ДПФ (дискретное преобразование Фурье) или спектральную плотность мощности по любому требуемому диапазону частот или на заданных частотах. В этом отношении, патентная заявка совместного правообладания U.S. Published Patent Application №2011-0001633 (U.S. Serial №12/497,990), подана 6 июля 2009 г., полностью включена в данном документе в виде ссылки, описывает методики определения спектров шума. В настоящей заявке, возможно более эффективным является сканирование шума с выключенными передатчиками обоих приемопередатчиков, как на устье, так и на забое скважины. При выключенных передатчиках и считая, что шумовой сигнал n(t) представленный в EQ(6a) измеряется при частоте Fвзятия замеров за секунду, затем БПФ
s
s
Уравнение EQ(7) может дать абсолютную величину шума, как функции частоты по меньшей мере в диапазоне частот [-0,5F,0,5 F]. Требуемая для передачи частота может являться имеющейся частотой с минимальной величиной .
В другом варианте осуществления сканер 1012 шума может содержать блок фильтров, такой, например, как блок полосно-пропускающих фильтров или блок фильтров Герцля для определения по набору частот, какие частоты являются зашумленными и какие нет. Диапазон частот различных фильтров, составляющих блок фильтров, можно изготовить на заказ любым подходящим способом. Мощность шума, измеренная на k-м фильтре блока фильтров, выражается
n
Поскольку каждый фильтр в блоке фильтров может работать на частоте, представляющей интерес, фильтр, который дает минимальную величину P, можно выбрать как наименее зашумленную частоту. Понятно, что любой подходящий тип фильтра можно использовать, если фильтр обеспечивает определение мощности на конкретной частоте или в частотном диапазоне. Подходящие варианты осуществления фильтра включают в себя фильтры КИХ (конечной импульсной характеристики) и БИХ (быстротечной импульсной характеристики) в качестве не ограничивающего примера.
Коррекция искажения сигнала
В приведенном выше рассмотрении, продемонстрировано, что канал, составленный из скрепленных разъемными соединениями секций бурильной трубы, работает, по меньшей мере с практической точки зрения, как фильтр c ограниченной полосой пропускания так, например, как фильтр КИХ (конечной импульсной характеристики). Результатом передачи сигнала по данному каналу является искажение, показанное EQ(6a) и EQ(6b). Заявители считают, что данный тип искажения обуславливает развертывание формы колебаний сигнала основной полосы частот. Такое явление известно под названием межсимвольная интерференция (МСИ) и имеет эффект снижения отношения сигнал/шум, что укорачивает эффективную дальность связи между приемопередатчиками со стороны забоя и на устье скважины. МСИ можно корректировать с использованием компенсационного реагирования, которое можно применять, используя выравниватель частотной характеристики. Выравниватель частотной характеристики включает в себя реагирование выравнивателя частотной характеристики, настраиваемое на основе набора коэффициентов выравнивателя частотной характеристики, так что реагирование выравнивателя частотной характеристики можно адаптировать к диапазону изменений в функции преобразования канала. По существу, выравниватель частотной характеристики можно считать другим фильтром КИХ (также известен под названием обратный фильтр) на приемнике с коэффициентами, подлежащими определению на основе минимальной среднеквадратической ошибки разности между расчетным реагированием канала и данными измерений. Как показано на Фиг. 10b, синфазный выравниватель 1014 частотной характеристики и квадратурный выравниватель 1016 частотной характеристики селективно принимают символьные вводы из переключающей секции 1018, которая включается, реагируя на контур 1006 слежения за изменением данных. В общем, включение выполняется с приращениями на 90 градусов для настоящего варианта осуществления. В других вариантах осуществления могут применяться подходящие, но другие приращения для включения. Считая, что принятый сигнал демодулирован успешно, так что данные основной полосы частот извлекаются, уравнение EQ{6a) уменьшается до синфазного и квадратурного фазовых компонентов:
Где b(k) - аппроксимация канала на основе функции КИХ. Понятно, что EQ(9a) и EQ(9b) можно обрабатывать со скоростью передачи в цифровых системах (см. EQ(4c). Символ "*" указывает процесс свертки.
I
Q
I
Q
Требуется оценивать или характеризовать коэффициенты b(k) для ограничивающего полосу частот канала. В варианте осуществления, коэффициенты b(k) можно be определить, собрав N + 1 отсчетов r(k) или r(k). Понятно, что любой один из них можно использовать, поскольку коэффициенты b(k) канала являются одинаковыми в обоих случаях. Соответственно, не является обязательным требованием использование обоих, r(k) и r(k), для определения реагирования канала b(k). Соответственно:
В векторной форме (т.е. по N+1 отсчетов) уравнение EQ(10) можно написать так:
I
Q
I
Q
I
Q
k
Где r(i) и r(i) являются (N+1) векторами столбцов, H(i) и H(i) являются (N+1)xM матрицами, и n(i) и n(i) являются (N+1) векторами столбцов. В форме уравнений EQ(11a) и EQ(11b), канал коэффициенты b(k) канала можно решить для использования критерия минимальной среднеквадратической ошибки, рассмотренного в приложении A. Когда коэффициенты b(k) канала оценены, что указано, как , символы данных cos(θ) (с минимальной межсимвольной интерференцией) можно определить из следующего уравнения:
k
k
Отмечаем, d(k) всегда равно 1 для всех значений k, поэтому исключено из приведенного выше уравнения для ясности. Общую форму уравнений EQ(12) можно использовать для определения минимальной межсимвольной интерференции либо cos(θ) или sin(θ) (т.е. символов данных в квадратурном канале). Синфазный и квадратурный компоненты уравнения EQ(6a) можно обрабатывать индивидуально, как рассмотрено выше, или вместе. Уравнения EQ(9a) и (9b) можно переписать в комплексной форме так, что как синфазный, так и квадратурный компоненты EQ(6a) можно обрабатывать одновременно. В комплексной форме уравнения EQ(9a) и (9b) можно записать как
Где
М! вставить уравнение EQ (13c)
Где . В векторной форме уравнение EQ(13a) можно написать, как:
Отмечаем что Z(k) теперь является матрицей размера (N+1)xM. Коэффициенты канала, b(k) можно определить, применяя уравнение EQ(A13) в приложении A. Аналогично, комплексный символ данных, z(k), показанный уравнением EQ(13b), можно определить следующим образом:
I
Q
c
Комплексный символ данных z(k) можно определить, применяя уравнение EQ(A13) в приложении A. В общем, межсимвольную интерференцию, обусловленную каналом КИХ можно корректировать, применяя выравниватели частотной характеристики. На Фиг. 11a и 11b схематично показаны общие варианты осуществления двух выравнивателей частотной характеристики, которые можно использовать в контексте описания Фиг. 10b. В варианте многократной фазовой манипуляции отмечаем, что одинаковый вариант осуществления выравнивателя частотной характеристики в общем применяется для синфазного и квадратурный выравнивателя частотной характеристики. Первый выравниватель 1200 частотной характеристики, показанный на Фиг. 11a, является выравнивателем частотной характеристики линейного канала, который использует текущие и предыдущие измерения r(k) или r(k) или r(k), которые содержат шумы, для аннулирования межсимвольной интерференции.
На Фиг. 11b показан второй выравниватель 1300 частотной характеристики, то есть не адаптивный выравниватель частотной характеристики с решающей обратной связью, который использует бит данных априорной оценки для улучшения аннулирования межсимвольной интерференции. Выравниватель частотной характеристики с решающей обратной связью включает в себя фильтр 1302 прямого действия, пороговый детектор 1304 и фильтр 1308 обратной связи. Фильтр 1302 прямого действия и фильтр 1308 обратной связи служат в качестве линейных компонентов, а детектор 1304 вводит элемент нелинейности фильтра. В варианте осуществления и как не ограничивающий пример, пороговый детектор можно выдавать за логическую схему уровня 1, если напряжение больше или равно нулю, и логическую схему уровня -1 если напряжение меньше нуля. Ввод в фильтр 1308 обратной связи является последним определенным битом из детектора 1304. Добавляя выход фильтра 1308 обратной связи к выходу фильтра 1302 прямого действия, межсимвольную интерференцию можно уменьшить от оцененного бита. Выравниватель 1300 частотной характеристики дает на выходе мягкую оценку 1310 каждого бита данных также оценку 1312 с резким порогом ограничения каждого бита данных. "Мягкий" бит данных относится к биту который можно представить любой подходящей величиной напряжения или любой подходящей величиной амплитуды. Например, мягкая оценка бит данных может иметь величину {+a,-b} где "a" представляет любую величину напряжения или амплитуды и b представляет любую величину напряжение и амплитуды. То есть, бит мягкой оценку не является двоичным и может характеризоваться, как одна из множества различных величин, удовлетворяющих условию минимальной среднеквадратической ошибки, когда выравниватель 1300 частотной характеристики сводится в одну точку. Минимальную среднеквадратическую ошибку можно формулировать, взяв среднее разности последовательности выходных данных 1310 и передаваемых данных. Бит данных "ограничителя с резким порогом", с другой стороны, является двоичным и относится к биту (ранее, бит мягкой оценки), представленному набором только двух величин. Например, оценка с резким порогом ограничения бит может иметь величину только {+1 или -1} или {+A или -A} где A - амплитуда или величина напряжения. Мягкую оценку бит данных, на выходе из выравнивателя частотной характеристики, можно подавать на декодер с обратимым решением прямого исправления ошибки. Оценку с резким порогом ограничения бит на выходе с выравнивателя частотной характеристики, можно подавать на декодер с необратимым решением прямого исправления ошибки или дешифратор данных. Когда среда, создаваемая в канал связи известна и прогнозируют ее относительную статичность/стабильность, F(z), прямую функцию преобразования фильтра 1302 прямого действия, и D(z), функцию преобразований обратной связи фильтра 1308 обратной связи можно определить заранее, для применения неадаптивного выравнивателя частотной характеристики.
Выравнивателем частотной характеристики другой формы является адаптивный выравниватель частотной характеристики, который опирается либо на решение на выходе выравнивателя частотной характеристики или на настроечную последовательность для обновления коэффициентов прямой функции преобразования и функции обратной связи преобразования выравнивателя частотной характеристики. На Фиг. 12a показана блок-схема варианта осуществления адаптивного прямого выравнивателя частотной характеристики, в общем указан позицией 1400. В настоящем варианте осуществления выравниватель частотной характеристики приспособлен к функции преобразования канала связи на основе выбранного одного из выхода 1312 ограничителя с резким порогом или последовательности 1404 настройки бит (также показано на Фиг. 10a). Настроечная последовательность бит можно получить с помощью схематично показанного переключателя 1408. Прямой фильтр 1410 принимает ввод 1412 из канала связи. Понятно, что фильтр 1410 прямого действия отличается от фильтра 1302 прямого действия Фиг. 11b по меньшей мере тем, что коэффициенты фильтра 1410 являются адаптирующимися к функции преобразования, изменяющей канал связи. Коэффициенты фильтра 1410 можно регулировать для возбуждения сигнала 1414 входной ошибки с минимального среднеквадратической величиной. Сигнал ошибки, который фильтр 1410 прямого действия использует для выполнения регулирования по своим коэффициентам, схематично указан косой линией, пересекающей фильтр прямого действия. Сигнал 1414 ошибки получают, вычитая мягкую оценку 1310 либо из ограничителя с резким порогом выходной последовательности бит выравнивателя частотной характеристики или настройки последовательности бит, зависящей от установки переключателя 1408. Хотя коэффициенты фильтра 110 регулируются, среднеквадратическая ошибка сигнала 1414 ошибки должна иметь тенденцию либо к схождению или к расхождению, демонстрируя отрицательный наклон или положительный наклон, соответственно, как функция времени. Когда среднеквадратическая ошибка сигнала 1414 ошибки демонстрирует положительный наклон, адаптацию фильтра можно повторно запустить либо с уменьшенным размером шага регулирования, или можно применять настроечную последовательность. Когда среднеквадратическая ошибка сигнала 1414 ошибки демонстрирует отрицательный наклон, то есть среднеквадратическая ошибка имеет тенденцию уменьшения, адаптация коэффициентов фильтра 1410 прямого действия является сходящейся. Когда среднеквадратическая ошибка сигнала 1414 ошибки, как функция времени, является горизонтальной (т.е. наклон равен нулю), тогда фильтр 1410 прямого действия является сошедшимся и адаптирован к функции преобразования канала связи с величиной минимальной среднеквадратической ошибки. Когда используют настроечную последовательность, и во время процесса адаптации с настроечной последовательностью передатчик должен передавать одинаковую настроечную последовательность по каналу связи на приемник, поскольку имеет место адаптация выравнивателя частотной характеристики.
Использование последовательности настройки бит вместо последовательности бит оценки для адаптивной настройки коэффициентов F(z) может обеспечивать лучшую точность и улучшенные показатели работы выравнивателя частотной характеристики даже при низком отношении сигнал/шум. Вместе с тем, следует помнить, что настройка интервалов должна быть направлена на использование настройки последовательности бит от начала до конца в системе. То есть требуется совместная работа приемопередатчика на устье скважины и забойного приемопередатчика для процесса настройки, поскольку забойный приемопередатчик передает настроечную последовательность на приемопередатчик на устье скважины или наоборот. Понятно, что передатчик на устье скважины может передавать настроечную последовательность на забойный приемопередатчик, если последний включает в себя выравниватели частотной характеристики. С другой стороны, если выход 1312 ограничителя с резким порогом выравнивателя частотной характеристики используется для регулирования выравнивателя 1410 частотной характеристики прямого действия для настройки коэффициентов F(z), выделенное время настройки не является обязательным требованием.
На Фиг. 12b показана блок-схема варианта осуществления адаптивного выравнивателя частотной характеристики с решающей обратной связью, в общем указан позицией 1500, в котором используется настроечная последовательность 1404 и переключающегося, как выравниватель 1400 частотной характеристики, между выходом 1312 ограничителя с резким порогом и настроечной последовательностью 1404 с использованием переключателя 1408 для обратной связи. Выравниватель 1500 частотной характеристики является выравнивателем частотной характеристики с решающей обратной связью, который включает в себя фильтр 1504 обратной связи. Понятно, что фильтр 1504 обратной связи отличается от фильтра 1308 обратной связи Фиг. 11b по меньшей мере тем, что выход 1312 бит ограничителя с резким порогом выравнивателя частотной характеристики или настройку последовательности бит можно селективно использовать для образования сигнала 1508 ошибки, который затем используют для адаптивной настройки коэффициентов фильтра D(z) 1504 обратной связи. Оба, фильтр F(z)1410 прямого действия и фильтр D(z) 1504 обратной связи являются адаптивно настраивающимися для изменения реагирования канала связи с использованием сигнала 1508 ошибки. Последний можно сформулировать вычитанием выхода 1310 мягкой оценки из либо выхода 1312 ограничителя с резким порогом выравнивателя частотной характеристики или из настроечной последовательности 1404, зависящей от установки переключателя 1408. Сигнал 1508 ошибки затем передается в фильтры D(z) и F(z), схематично указано наклонной или вертикальной линией, проходящей через F(z) 1410 и D(z) 1504, где коэффициенты F(z) и D(z) фильтров повторно настраиваются для возбуждения сигнала 1508 ошибки минимальной величины. Данную минимальную величину можно называть минимальной среднеквадратической ошибкой. Когда минимальная среднеквадратическая ошибка увеличивается, коэффициенты фильтров называются расходящимися. В данном случае процесс можно устанавливать повторно и повторно запускать с уменьшенным обновлением величины шага или с использованием настроечной последовательности для адаптации. Когда минимальная среднеквадратическая ошибка уменьшается, коэффициенты фильтров называют сходящимися. Когда профиль минимальной среднеквадратической ошибки является плоским (т.е. наклон по меньшей мере приблизительно равен нулю) как функция времени или шага отсчета, то коэффициенты фильтров F(z) и D(z) называют сошедшимися, и сигнал 1508 среднеквадратической ошибки можно называть минимальным. Когда переключатель 1408 выбирает настроечную последовательность, коэффициенты F(z) и D(z) адаптивно настраиваются к изменяющимся функциям преобразования канала связи с помощью возбуждения входных сигналов 1508 ошибки, схематично указанных наклонной или вертикальной линией, проходящей через F(z) 1410 и D(z) 1504 минимальной величины. Пока выравниватель частотной характеристики в приемопередатчике на устье скважины настраивается с настроечной последовательностью, забойного приемопередатчика также передает одинаковую настроечную последовательность через канал на приемопередатчик на устье скважины. В другом варианте осуществления, забойный приемопередатчик может включать в себя подчиненные выравниватели частотной характеристики, так что приемопередатчик на устье скважины передает настроечную последовательность на забойный приемопередатчик. В таком варианте осуществления приемопередатчик на устье скважины может включать в себя комплектующие, представленные на Фиг. 10a, и забойный приемопередатчик может включать в себя комплектующие, представленные на Фиг. 10b. То есть выравниватели частотной характеристики любого типа, описанного в данном документе, можно оборудовать как в приемопередатчике на устье скважины, так и в забойном приемопередатчике. Здесь также в варианте многократной фазовой манипуляции отмечаем, что один вариант осуществления выравнивателя частотной характеристики в общем используется для синфазного и квадратурного выравнивателя частотной характеристики.
В одном варианте осуществления если межсимвольная интерференция обусловлена в основном бурильными трубами, модель канала (т.е. функция преобразования) может разрабатываться для бурильных труб заранее, здесь задается функция преобразования канала без ввода условий по шуму и не требуя сбора и обработки данных измерений, подверженных внешнему шуму в окружающей среде бурения. В данном случае функция преобразования канала является функцией электрической характеристики бурильных труб и числа труб в бурильной колонне. Поэтому  функцию преобразования канала можно разрабатывать заранее, как показано в уравнениях EQ(1), EQ(2) и EQ(3).
Настройка приемника
В варианте осуществления системы связи настоящего изобретения можно использовать настроечную последовательность 1404 для настройки по меньшей мере выравнивателя частотной характеристики в приемнике 702 на устье скважины, Фиг. 10b. Отмечаем, что настроечная последовательность также показана в выравнивателях частотной характеристики на Фиг. 12a и 12b. Число параметров приемника можно определить из данного способа для улучшения связи. Диапазон частот канала определяет частотный диапазон или полосу частот, являющуюся эффективной для достижения приемопередатчика на устье скважины. Приемлемые частоты, на которых система может работать, можно затем идентифицировать, поскольку параметры, такие как самая низкая шумовая частота, попадающая в диапазон частот канала можно использовать для связи. Другие параметры включают в себя потерю мощности при передаче и мощность шума, которые могут определять минимальную мощность, которую по меньшей мере забойный передатчик должен использовать для передачи на приемник на устье скважины. Понятно, что значительное улучшение срока службы батареи в забойном приемопередатчике можно получить при работе на минимальной мощности с поддержанием при этом достаточно надежной связи. Может потребоваться выбор настроечной последовательности с длиной L с автоковариацией следующим образом:
t
Где t(i) указывает настроечную последовательность и T, длительность бит. Для эффективной настройки приемник включает в себя копию настроечной последовательности 1404 (Фиг. 10b) бит.
После передачи на приемник настроечной последовательности, приемник может использовать копию настроечной последовательности для сравнения с принятой настроечной последовательностью в вычислении функции преобразования канала и отношения сигнал/шум приемника. То есть разность между сохраненной настроечной последовательностью и принятой настроечной последовательностью выхода из выравнивателя частотной характеристики. Настроечную последовательность можно также использовать для настройки адаптивных выравнивателей частотной характеристики, когда ошибка, т.е. разность между настроечной последовательностью и оцененной последовательностью, достигает минимальной среднеквадратического значения. На Фиг. 12a и 12b показано, как адаптивные выравниватели частотной характеристики используют настроечную последовательность. По достижении адаптивным выравнивателем частотной характеристики оптимального, решения с минимальной ошибкой, диапазон частот канала можно определить следующим образом:
Где  дискретное преобразование Фурье функции преобразования выравнивателя частотной характеристики. Принятую мощность для компонента данных можно определить, предположив, что компонент данных и компонент шума ортогональны и показывают нулевое среднее. Предположив, что выравниватель частотной характеристики достиг оптимального решения, его выход можно аппроксимировать, как:
Отмечаем что  оценка настроечной последовательности z(k), определенной в уравнении EQ(13b) и что оценка и настроечная последовательность по меньшей мере приблизительно равны, когда выравниватель частотной характеристики достигает оптимального решения. Поэтому  мощность компонента сигнала можно определить следующим образом:
где  является настроечной последовательностью, сохраненной в приемнике. Принятую мощность для компонента шума можно определить следующим образом:
Отмечаем, что d(k) всегда равно 1 для всех значений k, поэтому исключено в EQ(20) для ясности. В уравнении EQ(20) второй дизъюнктивный член является автокорреляцией. Здесь также результат EQ(20) делается возможным из условия, что компонент данных и компонент шума ортогональны с нулевым средним. С принятой мощностью для компонента данных и компонента шума, определенной в EQ(19) и EQ(20), соответственно, отношение сигнал/шум на приемнике можно определить следующим образом:
Настроив выравниватель частотной характеристики приемника, определив диапазон частот канала и отношение сигнал/шум принятого сигнала, как частоту передачи, так и уровень мощности для передачи передатчика можно установить, обеспечивая надежную и достаточно мощную связь между передатчиком и приемником.
Работа системы
На Фиг. 13a показан вариант осуществления способа, в общем указанного позицией 1700, применимого по меньшей мере для запуска и повторной инициализации системы в ответ на условия ошибки. Способ может стартовать в блоке 1702 с включения электропитания. После включения электропитания и при выключенных передатчике на устье скважины и забойном передатчике в блоке 1704 забойный приемопередатчик сканируют по шуму с использованием одного из способов, рассмотренных выше, например, описанного в упомянутой выше патентной заявке U.S. Published Patent Application №2011-0001633. Отмечаем, что в другом варианте осуществления сканер шума может располагаться в приемопередатчике на устье скважины. После сканирования шума, в блоке 1706 приемопередатчик, содержащий приемлемый сканер шума может выбрать частоту передачи, определенную, как наименее зашумленную. В блоке 1708, выбранную частоту затем используют для передачи команды на забойный приемопередатчик с достаточной мощностью для прохождения. Как указано выше, Заявители считают, что по существу неограниченная мощность электропитания имеется на буровой установке, так что связь можно почти всегда устанавливать с буровой установки на подземное оборудование просто, используя достаточную мощность электропитания передачи. В варианте осуществления приемопередатчик на устье скважины может по меньшей мере вначале передавать команду с использованием максимальной мощности передатчика. Варианты осуществления могут включать в себя максимальную мощность, например, в диапазоне от 2 Вт до по меньшей мере 10 Вт. Некоторые варианты осуществления могут включать в себя, например, максимальную мощность электропитания до 100 Вт или больше на основе конфигурации передающего сигнал устройства связи и электронной аппаратуры, используемой на буровой установке. Команда в блоке 1708 идентифицирует частоту, которую забойный приемопередатчик должен использовать для передачи настроечной последовательности обратно на приемопередатчик на устье скважины на буровой установке. В блоке 1710 забойный приемопередатчик может передавать настроечную последовательность, например, с использованием своей максимальной мощности передатчика. В блоке 1712 приемопередатчик на устье скважины настраивает выравниватель частотной характеристики своего приемника, реагирующий на настроечную последовательность, определяет отношение сигнал/шум принятого сигнала, и определяет диапазон частот канала, как описано выше. В блоке 1714, если настройка выравнивателя частотной характеристики не срабатывает, операция может возвращаться в блок 1706 для выбора новой частоты передачи, за которым следует повторение последующих этапов способа. Решение по несрабатыванию настройки в блоке 1712, как не ограничивающий пример, может основываться на пакетной частоте ошибок, отношении сигнал/шум или любой подходящей их комбинации. Подходящие пороги для установления неприемлемых показателей работы, как не ограничивающий пример, могут составлять 5 дБ для отношения сигнал/шум и 0,2 (20 процентов) для пакет/бит частоты ошибок в любом контексте описания в данном документе, относящемся к качеству сигнала, передаваемого на бурильной колонне. В варианте осуществления операция может возвращаться в блок 1704 для повторения сканирования шума, поскольку окружающие шумовые условия могут измениться по сравнению с последним сканированием шума. В другом варианте осуществления оператору можно обеспечить ручную установку параметров, таких как частота передачи в ответ на несрабатывание настройки и/или ручную коррекцию автоматического выбора частоты в любой момент во время операции. В ответ на успешную настройку или ручную коррекцию в блоке 1716 приемопередатчиком на устье скважины установлены по меньшей мере приемлемые частота передачи, скорость передачи данных, которую следует использовать, и мощность передачи, которую следует использовать забойному приемопередатчику для надежной связи и сохранения мощности батареи. Указанное подытожено ниже:
- Выбирают частоту передачи в диапазоне частот канала (описано EQ(16) и наименее зашумленную
- Выбирают скорость передачи в цифровой системе с использованием полосы, которая меньше полосы частот канала.
- Выбирают мощность передачи так, что отношение сигнал/шум  1.
В блоке 1716 рабочие параметры можно передавать на забойный приемопередатчик. Выборка параметров может являться полным набором автоматически выбранных параметров или любой комбинацией автоматически и вручную выбранных параметров. Как пример последнего, частоту можно выбрать вручную, и все другие параметры могут выбираться автоматически.
Дополнительно значения автоматически выбранных параметров можно регулировать с учетом значений вручную выбранных параметров. Нормальная работа может проходить в блоке 1720. Например, после приведения забойного приемопередатчика к данным параметрам, забойный приемопередатчик может начинать передачу данных датчика (Фиг. 10a) на буровую установку. Понятно, что процедуру 1700 можно автоматически повторять с заданными интервалами во время работы, например, на заданных отрезках длины бурильной колонны и/или на заданных временных интервалах. В варианте осуществления настройку можно выполнять при каждом наращивании на 100 футов (30,5 м) бурильной колонны, хотя любое подходящее расстояние можно использовать, и можно действовать на основании динамического изменения канала связи. Дополнительно, оператору можно обеспечить выбор вручную инициирования способа в любое время. В варианте осуществления в блоке 1722 потерю связи или некоторую степень ухудшения ее качества можно обнаруживать с помощью приемопередатчика на устье скважины во время проведения работ. Как не ограничивающий пример, можно выполнять мониторинг пакетной частоты ошибок для обнаружения ухудшения качества сигнала. Частоту ошибочных битов можно установить в процессе обработки, например, с помощью мониторинга битов синхронизации в пакетной структуре. В некоторых вариантах осуществления можно выполнять мониторинг нескольких аспектов ухудшения качества сигнала, например, частоты ошибочных битов и отношения сигнал/шум. Любую подходящую методику можно использовать для мониторинга качества сигнала либо имеющуюся в настоящее время или которую предстоит разработать. Понятно, что такой мониторинг частоты ошибок можно также применять к сигналу 66 определения местоположения, когда он модулируется надлежащими данными. В ответ на данное обнаружение операция может возвращаться к сканированию шума 1704. В ином случае нормальная работа возобновляется в блоке 1720.
Срок службы батареи и оптимизация связи
На основании приведенного выше описания Заявители считают, что забойный приемопередатчика может использовать ровно столько, сколько нужно мощности передачи на бурильной колонне 16 для поддержания связи на достаточно надежном уровне. Как показано на Фиг. 13a, если наземный приемопередатчик испытывает существенную потерю данных, вследствие расстояния и/или грунтовых условий, приемопередатчик на устье скважины может дать команду забойному приемопередатчику предпринять любое число действий, либо автономно или совместно для улучшения связи. Возможные действия включают в себя (1) увеличение мощности передачи, (2) выбор отличающейся частоты передачи и (3) изменение скорости передачи в бодах данных передаваемых на поверхность по бурильной колонне, таким образом пожертвовав скоростью передачи в бодах для увеличения отношения сигнал/шум. Данные действия можно использовать либо автономно или в любой подходящей комбинации с большой степенью гибкости. Например, на этапе 1706 Фиг. 13a вначале можно выбрать наименее зашумленную имеющуюся частоту передачи. На основе настроечной последовательности на этапе 1712 можно определить пакетную частоту ошибок. Если пакетная частота ошибок является слишком высокой, скорость передачи в бодах можно установить на нижнее значение, и несрабатывание настройки в блоке 1714 может обуславливать процедуру возвращения на позицию 1706 для новой итерации на более низкой скорости передачи в бодах.
Одним подходом для продления времени работы при использовании подземной батареи является увеличение габаритов батареи. Как показано на Фиг. 1 и в одном варианте осуществления, блок батареи может нести, например, трубная секция N для обеспечения электропитания приемлемого уровня мощности. Дополнительные меры, вместе с тем, можно также предпринимать для сохранения энергии батареи.
Как показано на Фиг. 1, приемопередатчик 64 может передавать дипольный сигнал 66 через грунт, например, для определения на поверхности земли местоположения и измерения глубины. Конечно, передача дипольного сигнала должна расходовать энергию батареи в забойном приемопередатчике. Как пример, обычный дипольный передатчик увеличивает мощность потребления энергии батареи на около 0,35 Вт при активном возбуждении дипольной антенны. Когда антенна не возбуждается и нет передачи сигнала на бурильную колонну, расход приемопередатчиком 64 электроэнергии может снижаться до мощности около 0,15 Вт; при этом продолжают подавать электроэнергию на датчики и для работы блока обработки данных. Расход электроэнергии приемопередатчиком 704 со стороны забоя скважины (Фиг. 10a) должно увеличиваться на скромные около 0,1 Вт мощности для возбуждения бурильной колонны, например, с использованием трансформатора тока или электроизолирующего промежутка для передачи сигнала на бурильную колонну.
На Фиг. 13b в блок-схеме последовательности операций способа, позиция 1730, показан вариант осуществления способа динамического и автоматического управления передачей сигнала определения местоположения. В блоке 1732 локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом автоматически выполняет мониторинг, устанавливая в каком состоянии находится локатор, активном или пассивном. Локатор активно задействуется для приема и использования сигнала определения местоположения в активном состоянии. В пассивном состоянии, вместе с тем, локатор может останавливать работу компонентов и/или процессов, задействованных в обнаружении и обработке данных сигнала определения местоположения. Мониторинг можно выполнять любым подходящим способом. Например, акселерометр 520 (Фиг. 6) может легко обнаруживать любое перемещение локатора. Если локатор не перемещается согласно отсчетам акселерометра за некоторый период времени, например, две минуты, пассивное состояние можно задействовать или подтвердить. В качестве другого примера, близость локатора к грунту можно обнаруживать, например, используя ультразвуковой сенсор. Если локатор стационарно стоит на поверхности, например, поверхности грунта в течение относительно короткого период времени, например, две минуты, пассивное состояние можно инициировать или подтвердить. После обнаружения изменения состояния, операция переходит к позиции 1734, в это время индикацию состояния можно передавать на буровую установку телеметрическим сигналом 92 (Фиг. 1), указывающим на активное/пассивное состояние. В ответ на индикацию нового состояния в блоке 1736, текущее состояние может представлять один или несколько дисплеев в системе, дополнительно описано ниже.
На Фиг. 13c, связанной с Фиг. 13b, показан вариант осуществления снимка экрана, который может быть показан на дисплее 1740, реагирующем на этап 1736, и который может представлять экран 44 на буровой установке, экран 86 на устройстве 80 и/или любой подходящий дисплей в системе 10. Дисплей может указывать текущее автоматически выбранное активное или пассивное состояние 1742 сигнала определения местоположения и может дополнительно обеспечивать выбор вручную, позиция 1744 активного/пассивного сигнала определения местоположения для селективного переключения сигнала 66 определения местоположения между активным и пассивным состояниями. Данная ручная селекция может служить для корректировки вручную любого автоматически выбранного текущего состояния сигнала определения местоположения. В блоке 1746 осуществляется мониторинг выбора корректировки вручную. Если выбирается корректировка вручную, текущее состояние сигнала определения местоположения не изменяется, и операция возвращается на позицию 1732. Если корректировка вручную не выбирается, операция переходит к позиции 1748, в которой утверждают новое активное/пассивное состояние. Операция может затем возвращаться на позицию 1732. В ответ на изменение активного/пассивного состояния на дисплее 44 буровой установки, можно передавать команду по бурильной колонне на приемопередатчик 56 со стороны забоя скважины (Фиг. 6), при этом забойный приемопередатчик может реагировать надлежащим образом. Если оператор обеспокоен возможностью потери портативным устройством телеметрической связи с буровой установкой, оператор может обеспечивать установку сигнала определения местоположения в активное состояние перед потерей телеметрии. Оператор может выбрать корректировку вручную селекции, позиция 1742 в других ситуациях. Например, оператор может считать целесообразным установить локатор на грунт на стационарной позиции и наблюдать продвижение бурильного инструмента на дисплее локатора. Если сигнал определения местоположения становится пассивным, оператор может корректировать вручную селекцию, позиция 1744 для обеспечения возобновления забойным приемопередатчиком передачи сигнала определения местоположения. Корректировка вручную селекции 1744 может также являться полезной при наращивании бурильной штангой бурильной колонны, поскольку это может занимать значительный период времени. Многие операторы выбирают подтверждение положения и глубины бурильного инструмента перед наращиванием бурильной штанги. После выполнения данного подтверждения, оператор либо на буровой установке или перед портативным локатором может дать команду на переход сигнала определения местоположения в пассивное состояние для сохранения энергии батареи на забое.
Соответственно, если серьезно требуется дипольный сигнал 66, например, для получения измерения глубины, приемопередатчик 702 на устье скважины может давать команду приемопередатчику 704 со стороны забоя скважины прекратить работу передатчика дипольной антенны для сохранения энергии батареи. Заявители считают, что экономию электроэнергии по меньшей мере в 20% можно получить, прекращая передачу дипольного сигнала и передачу данных в виде электрического сигнала на бурильной колонне согласно идеям, раскрытым в данном документе. При этом, соотношение между сроком службы батареи и экономией электроэнергии является в общем нелинейным, так что данную экономию электроэнергии можно превращать в значительно более высокие проценты увеличения срока службы батареи. Кроме того, забойный приемопередатчик или удаленная станция, если используется, может идентифицировать характеристики дипольного сигнала на локатор 80, таким образом сохраняя точность определения глубины локатором. Таким образом, характеристики по энергосбережения дипольного сигнала можно изменять в процессе работы на основе окружающей среды бурения в данный момент, например, экстремальной глубины или высоких уровней шума/интерференции. Когда определение местоположения локатором с наземной аппаратурой над подземным зондом является невозможным, , например, во время пересечения реки, приемопередатчик на устье скважины может давать команду на забойный приемопередатчик на выключение дипольной антенны до дополнительного уведомления для сохранения запаса электроэнергии батареи, при этом, заставляя забойный приемопередатчик по меньшей мере прекратить передачу сигнала 66 определения местоположения (Фиг. 6) для инициирования пассивного режима сигнала определения местоположения.
Также для решения аспектов сохранения запаса электроэнергии забойный приемопередатчик можно выполнить с возможностью входа в режим ожидания, когда не обнаруживается перемещение за некоторый период времени. Данный период времени может основываться на периоде времени принятия решения по умолчанию, например, 10 минут и/или может являться программируемым. Во время режима ожидания забойный приемопередатчик может осуществлять мониторинг ориентации по крену и входить в рабочий режим, реагируя на обнаружение вращения. В варианте осуществления забойный приемопередатчик может периодически переходить на прослушивание, используя приемник 802, (Фиг. 10a) бурильной колонны на предмет проверки передачи каких-либо команд с приемопередатчика на устье скважины и входить в рабочий режим реагируя на обнаружение команд. При входе в рабочий режим забойный приемопередатчик может повторно инициировать состояние для передачи сигнала определения местоположения одинаковое с состоянием до перехода в режим ожидания. Последний признак также является предпочтительным, например, в случае, когда буровая установка сталкивается с механическими проблемами и может не работать некоторый период времени. В случае разрыва бурильной штанги и перехода в режим ожидания забойного приемопередатчика связь по бурильной колонне можно поддержать, протолкнув бурильную колонну для уменьшения промежутка на интервале разрыва и повторного инициировав связь. Сигнал определения местоположения можно затем активировать для обеспечения извлечения бурильного инструмента из грунта. В общем, буровая установка должна иметь достаточную мощность передачи для достижения забойного приемопередатчика. Понятно, что портативное устройство 80 можно также выполнить с возможностью входа в режим ожидания. Реагируя на выключение оператором портативного устройства и/или при входе портативного устройства в режим ожидания, портативное устройство может передавать команду входа в пассивное состояние на буровую установку, при которой передачу сигнала определения местоположения можно прекратить.
Как рассмотрено выше и показано на Фиг. 1 и дополнительно показано на Фиг. 6, модуляции сигнала 66 определения местоположения не является обязательным требованием. В варианте осуществления, где передается сигнал 66 определения местоположения без модуляции по меньшей мере, практически, как простой тон, Заявители считают, что улучшенная дальность действия по глубине и/или дальность наведения можно создать для данного уровня мощности передачи, в применении к сигналу определения местоположения. Улучшенные возможности создаются по факторам, включающим в себя предотвращение увода мощности несущей частоты на боковые лепестки диаграммы направленности антенны при модуляции, а также возможность применения фильтрации очень узкой полосы частот для приема простого тона на локатор 80. Полоса частот для такого узкополосного фильтра может составлять, например, 0,5-1 Гц. Отмечаем, что нижний предел диапазона влияет на время реакции. Другими словами, для передачи немодулированной несущей частоты для данной дальности действия по глубине и/или данной дальности наведения мощность передачи, применяемую для сигнала 66 определения местоположения, можно уменьшить по меньшей мере для сохранения энергии батареи. Конечно, система, показанная на Фиг. 1 обеспечивает одновременную модуляцию электромагнитного сигнала определения местоположения и скважинного сигнала. С помощью переключения данных, например, полученных внутрискважинными сенсорами с модуляции на электромагнитном сигнале определения местоположения на модуляцию на сигнале с забоя, проходящем вверх по бурильной колонне, электромагнитный сигнал определения местоположения может ближе подходить или аппроксимировать глубину или дальность приема, которую должен обеспечивать простой тон, немодулированный сигнал определения местоположения.
В варианте осуществления, портативный/с наземной аппаратурой над подземным зондом локатор 80 может обеспечивать автоматическую и/или ручную селекцию мощности дипольной передачи и/или частоты передавая информацию выбора на буровую установку с помощью телеметрического сигнала 92. На буровой установке приемопередатчик 600 на устье скважины может передавать команды выбора на забойный приемопередатчик для обеспечения передачи сигнала 66 определения местоположения соответственно. Вследствие зависимости точного определения глубины, как от частоты передачи, так и от интенсивности диполя, глубину можно определить с помощью любого подходящего компонента системы, в том числе без ограничения этим, портативного локатора и приемопередатчика на устье скважины. В варианте осуществления на портативный локатор 80 можно автоматически и/или вручную передавать команды для мониторинга характеристик принятого дипольного сигнала 66, например, силы сигнала. Если отношение сигнал/шум падает ниже конкретного порога, портативный локатор может извещать оператора и/или автоматически передавать команды, как описано выше, для улучшения отношения сигнал/шум. Такой автоматический мониторинг дипольного сигнала, а также изменение конфигурации дипольного сигнала можно выполнять в фоновом режиме, не требующего уведомления оператора портативного локатора. Например, реагирующий на обнаружение ухудшения отношения сигнал/шум, портативный локатор может внутренне инициировать сканирование других имеющихся частот для дипольного сигнала, который определяет текущее отношение сигнал/шум, связанное с другими имеющимися частотами и после этого выбирает частоту с самым высоким отношением сигнал/шум. В варианте осуществления достаточное ухудшение сигнала определения местоположения, при модуляции, можно обнаруживать на основе невозможности декодирования информации ориентации по крену, информации по тангажу и/или другой информации состояния из сигнала определения местоположения. Такое ухудшение сигнала определения местоположения может возникать, например, в среде высокой интерференции.
На Фиг. 14 показана блок-схема последовательности операций способа, в общем указанная позицией 1800, применимой к работе приемопередатчика 702 на устье скважины, Фиг. 10a во взаимодействии с забойным приемопередатчиком 704, Фиг. 10a. Способ в частности направлен на запуск, а также реагирование на потерю связи, имеющей место во время нормальной работы. Способ может стартовать в блоке 1802 с включением электропитания или обнаружения потери связи. В блоке 1804 приемопередатчик на устье скважины сканирует шум с использованием одного из способов, рассмотренных выше. В общем, данный этап выполняется с выключенными передатчиками на устье и забое скважины. В блоке 1806 приемопередатчик на устье скважины передает команду на забойный приемопередатчик, которая определяет частоты передачи забойного приемопередатчика и дает команду забойному приемопередатчику передать настроечную последовательность, как показано в блоке 1404 на Фиг. 10b. В блоке 1808 забойный передатчик может подтвердить запрос, передачей настроечной последовательности 1404 (Фиг. 10a) на приемопередатчик на устье скважины. В блоке 1820 контур слежения за несущей частотой многократной фазовой манипуляции и демодулятор 1004 (Фиг. 10b) делают попытку захвата несущей частоты и фазы сигнала с забойного приемопередатчика. На этапе 1822 определяют заблокирован ли контур слежения за несущей частотой. Если нет, операция возвращается на этап 1806. Если контур слежения за несущей частотой успешно блокирован, операция переходит к блоку 1824. На данном последнем этапе определяют захватил ли контур 1006 слежения за изменением данных в приемопередатчике на устье скважины символы данных. Если нет, операция может возвращаться на этап 1806. Если контур слежения за изменением данных успешно заблокирован, операция может переходить к 1828. В блоке 1828 определяют настроен ли успешно приемник на устье скважины, в ответ на передачу настроечной последовательности. Если настройка прошла успешно, операция переходит к позиции 1830, где определяется по меньшей мере диапазон частот канала и отношение сигнал/шум на приемопередатчике на устье скважины. В блоке 1832 приемопередатчика на устье скважины определяет самую приемлемую частоту передачи на основе, например, результатов настройки и характеризации канала для использования забойным приемопередатчиком, а также параметров, которые могут включать в себя скорость передачи в цифровых системах и оптимальную мощность передачи, которая гарантирует надежную связь в сочетании с экономией электроэнергии. Отмечаем, что выбранную частоту передачи можно изменять в данной точке в процессе операции в сравнении с частотой передачи, ранее определенной на этапе 1804. В блоке 1836 определенные параметры передаются на забойный приемопередатчик. В блоке 1838 забойный приемопередатчик меняет конфигурацию работы передатчика на основе определенных параметров и начинает нормальную работу, передавая данные датчика на приемопередатчик на устье скважины.
На Фиг. 15 показана блок-схема последовательности операций варианта осуществления способа, в общем указанного позицией 1900, представляющего протокол линии передачи данных между портативным локатором 80 и забойным приемопередатчиком 702 для поддержания приема сигнала 66 определения местоположения (Фиг. 1 и 6) с помощью портативного локатора, переданного с забойного приемопередатчика. В блоке 1910 потеря сигнала 66 определения местоположения или существенное ухудшение качества сигнала обнаруживается портативным локатором. В варианте осуществления ухудшение качества сигнала определения местоположения может определяться частотой ошибочных битов, отслеживаемых локатором при приеме сигнала определения местоположения. Потерю сигнала можно указывать в ответ на превышение частотой ошибочных битов порога максимальной частоты ошибочных битов. В другом варианте осуществления ухудшение качества сигнала можно определить на основе отношения сигнал/шум для сигнала определения местоположения, где потерю сигнала указывает нарушение отношением сигнал/шум минимального отношения сигнал/шум. В некоторых вариантах осуществления можно выполнять мониторинг нескольких аспектов ухудшения качества сигнала, например, частоты ошибочных битов и отношения сигнал/шум. Как не ограничивающий пример, пороги для установления неприемлемого качества сигнала могут составлять 5 дБ для отношения сигнал/шум и 0,2 (20 процентов) для частоты ошибочных битов в контексте любой методики, описанной в данном документе. Конечно, потеря сигнала, где сигнал больше не обнаруживается нарушает данные значения. Любую подходящую методику можно использовать для мониторинга качества сигнала определения местоположения. в блоке 1912 портативный локатор выполняет сканирование шума для идентификации имеющейся частоты передачи, которая показывает самый низкий уровень зашумления, например, как описано в указанной выше патентной заявке U.S. Published Patent Application №2011-0001633. Например, в одном варианте осуществления дискретное преобразование Фурье (ДПФ) можно применять для определения шума, присутствующего на частоте, представляющей интерес. Понятно, что любую подходящую методику можно использовать, в том числе, например, с применением фильтра Гертцля или в другом примере, трансформацию формы импульса. В блоке 1914 портативный локатор передает команды потери сигнала с помощью телеметрического сигнала 92 (Фиг. 1), который идентифицирует новые параметры для сигнала 66 определения местоположения, причем новые параметры могут включать в себя без ограничения этим мощность передачи, несущую частоту, скорость передачи в бодах и режим модуляции. Например, наименее зашумленную имеющуюся несущую частоту вначале можно выбрать совместно с приемлемой скоростью передачи в бодах. Если частота ошибок является слишком высокой для выбранной скорости передачи в бодах, скорость передачи в бодах можно уменьшить и частоту ошибок можно повторно определить. Когда скорость передачи в бодах становится слишком низкой, можно выбрать отличающийся режим модуляции. Выбор нового режима модуляции можно выполнять любым подходящим способом. Как не ограничивающий пример, другой режим модуляции, который можно выбрать, является мультиплексированием с ортогональным делением частот, в котором близко разнесенные ортогональные вспомогательные несущие частоты можно использовать для несения данных на нескольких параллельных информационных потоках или каналах способом известным в технике. Таким образом, много не интерферирующих частот можно использовать с относительно низкой скоростью передачи в цифровых системах для более высокой защиты от шума с помощью распределения данных по нескольким каналам. Отмечаем, что для максимальной дальности по глубине и наведению режим модуляции может устанавливать, что несущая частота не модулируется или по существу является простым тоном. В блоке 1916 приемопередатчик на устье скважины принимает команды потери сигнала с помощью телеметрии и ретранслирует команду на забойный приемопередатчик. В блоке 1920 забойный приемопередатчик принимает команды потери сигнала и меняет конфигурацию дипольной передачи параметров соответственно.
Из показанного на Фиг. 1 понятно, что система 10 включает в себя систему связи, дающую ряд преимуществ. Данная система связи состоит из приемопередатчика на устье скважины, установленного на буровой установке, забойного приемопередатчика, установленного в скважине вблизи подземного инструмента и приемопередатчика телеметрии, образующего часть локатора с наземной аппаратурой над подземным зондом, образующих первый канал 2000 двусторонней связи между приемопередатчиком на устье скважины и забойным приемопередатчиком, который использует бурильную колонну, как электрический проводник для создания связи между ними. Второй канал 2002 двусторонней связи образуется между приемопередатчиком на устье скважины и приемопередатчиком телеметрии локатора с наземной аппаратурой над подземным зондом, который использует беспроводную электромагнитную связь. Дополнительно, по меньшей мере канал 2004 односторонней связи образуется из забойного приемопередатчика подземного инструмента на локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом. Данные каналы связи создают несколько режимов связи, в том числе первый режим связи от забойного приемопередатчика на приемопередатчик на устье скважины на буровой установке через бурильную колонну с использованием первого канала 2000 двусторонней связи. Втор режим связи создается от забойного приемопередатчика на приемопередатчик на устье скважины через канал 2004 односторонней связи, приемопередатчик телеметрии на локаторе с наземной аппаратурой над подземным зондом и второй канал 2002 двусторонней связи. Режимами связи можно управлять с помощью контроллера связи/блока управления 2010, образующего часть приемопередатчика 702 на устье скважины, и который может образовывать часть устройства 46 обработки данных на буровой установке, так что система может реагировать динамически и автоматически на любые неисправности, возникающие в системе.
На Фиг. 16, совместно рассматриваемой с Фиг. 1, показан вариант осуществления способа работы контроллера 2010 связи, как не ограничивающий пример в общем указан позицией 2300. Контроллер может быть выполнен с возможностью выбирать во время запуска системы в блоке 2304, первый режим связи в режиме по умолчанию. Нормальная работа начинается в блоке 2308. Мониторинг состояния режима 1 связи осуществляется в блоке 2312 и состояние может определяться любым подходящим способом. Например, состояние несрабатывания можно устанавливать, реагируя на полную потерю сигнала и/или в случае, когда передача сигнала в каком-либо либо направлении между приемопередатчиком на устье скважины и забойным приемопередатчиком не удовлетворяет заданному требованию по отношению сигнал/шум и/или превышает частоту ошибочных битов. При условии, что режим 1 связи остается штатным, нормальная работа может переходить в блок 2308. Если режим 1 связи нештатный на основе определения в блоке 2312, режим 2 связи вводится в блоке 2316 для связи с забойного приемопередатчика на приемопередатчик на устье скважины через локатор 80. Нормальная работа затем возобновляется в блоке 2322. Как часть нормальной работы на этапе 2326 осуществляют мониторинг на предмет условия несрабатывания режима 2 связи. Если нештатные условие не обнаруживается в режиме 2 связи, выполняется тестирование в блоке 2330 для определения наличия вновь режима 1 связи. Если режим 1 связи отсутствует, нормальная работа возобновляется в блоке 2322. С другой стороны, если режим 1 связи поддерживается, контроллер выполняет переключение на режим 1 связи в блоке 2334. Возвращаясь вновь на этап 2326, если режим 2 связи не работает, система также переключается на режим 1 связи в блоке 2334. Если переключение на режим 1 связи не срабатывает, условие ошибки можно определить в блоке 2338, из которого затем переходят к режиму ручного управления в блоке 2342. Если условие ошибки не определено в блоке 2338, операция может переходить в блок 2346, что может обеспечивать оператору возможность переключения на ручное управление, если требуется, в блоке 2346. Если оператор не выбрал ручное управление, работа возвращается в блок 2308. Понятно, что способ 2300 может работать во время работы системы. При этом способ можно выполнять с высокой скоростью в несколько итераций в секунду.
Заявителям представляется что система и способы, описанные в данном документе создают невиданные ранее преимущества. Например, раскрытая усовершенствованная системы связи обеспечивает удобную двустороннюю связь с надежной передачей данных электрическим сигналом напрямую на существующие бурильные колонны без модификации, но с использованием усовершенствованной методики связи, которая ранее не считалась применимой в контексте настоящей системы, и не требует затратных по времени условий, накладываемых методиками известной техники, например, устройство провода в трубе. Заявители считают предпочтительным использование асимметричных уровней передачи мощности в раскрытой системе связи бурильной колонны. То есть, передача с приемопередатчика на устье скважины на забойный приемопередатчик при уровнях высокой мощности обеспечивает возможность надежного установления связи с забойным приемопередатчиком, а передачу с забойного приемопередатчика на приемопередатчик на устье скважины можно выполнять с использованием набора оптимизированных параметров, в том числе надежного низкого/минимизированного уровня мощности для удовлетворения противоречивых соображений по надежной связи и сохранению энергии батареи. Система настоящего изобретения может обеспечивать дополнительные преимущества, благодаря селективной передаче сигнала определения местоположения простого тона для наведения и/или определения местоположения с забойного приемопередатчика на портативный наземный локатор, обеспечивая одновременную передачу данных вверх по бурильной колонне, модулированных напрямую на бурильной колонне, как электрическом проводнике. Заявителям не известна какая-либо существующая система, выполненная данным способом. Считается, что раскрытая система и связанные способы являются ранее не известными по меньшей мере, по той причине, что создание надежной связи в нормальных или растянутых диапазонах с помощью прямой передачи электрического сигнала на бурильной колонне приводит к проблемам, которые весьма трудно разрешить и что специалист в данной области техники обычно считает данный набор трудностей действительно непреодолимыми.
Приложение A
Дифференцирование для линейной оценки с минимальной среднеквадратической ошибкой.
Даны два случайно выбранных изменяемых вектора {x,y} размера L×1 и нулевое среднее, линейная и несмещенная оценка для x имеет форму
Где W - некоторая постоянная матрица размера L×L. Отмечаем, что жирный шрифт используется для векторных переменных и большие буквы с жирным шрифтом для матричных переменных. Ограничивающее условие для оценки в EQ(A1) состоит в том, что она должна иметь минимальную среднеквадратическую ошибку. Поэтому оценка должна удовлетворять следующему ограничивающему условию.
Поскольку  имеет нулевое среднее, минимальная среднеквадратическая ошибка EQ (A2) равна сумме индивидуальной минимальной среднеквадратической ошибки. i назначим i-й выборкой в векторе, тогда индивидуальная минимальная среднеквадратическая ошибка равна
i
Отмечаем, что w является i-ым рядом матрицы W. Разложение квадратной таблицы дает:
i
Минимизируя функцию в EQ(4A) частичным дифференцированием относительно w и полагая равной нулю:
0i
Где . Поэтому оптимальный выбор для w удовлетворяющий линейной несмещенной оценке х с минимальной среднеквадратической ошибкой
0i
Собирая все {w}, полная оценка составляет
y
Когда Rне отрицательная знакоопределенная и положительная знакоопределенная матрица, тогда EQ(A7) должно иметь следующее единственное решение:
Поэтому  уравнение EQ(A1) можно теперь переписать так
Теперь оценку, рассмотренную в уравнениях EQ11a, EQ11b и EQ12, приведенных выше можно решить для которых по типу:
y
хy
Матрица Rи R пересчитывается с использованием уравнения EQ(A10):
x
n
n
y
y
*
*
Где R=E{xx} и поскольку R>0 (т.е. n случайно выбранный вектор шума с нулевым средним с ковариационной матрицей R=E{nn}>0), это дает R>0. Поэтому  R является обратимым элементом. Теперь линейную оценку  с минимальной среднеквадратической ошибкой можно определить из уравнений EQ(A8), EQ(A10) и EQ(A11), то есть
Приведенное описание изобретения представлено именно в качестве иллюстрации и описания. Описание не является исчерпывающим или ограничивающим изобретение точной раскрытой формой или формами, другие варианты осуществления, модификации и вариации являются возможными с учетом раскрытых выше идей, при этом специалисту в данной области техники должны быть очевидны некоторые модификации, переделки, дополнения и комбинации изобретения.
Все элементы, части и этапы, описанные в данном документе предпочтительно включены в состав. Следует понимать, что любой из данных элементов, частей и этапов можно заменить другими элементами, частями и этапами или исключить вообще, что должно быть очевидно специалисту в данной области техники.
КОНЦЕПЦИИ
В настоящем описании раскрыты по меньшей мере следующие концепции:
Концепция 1. Система связи бурильной колонны, в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту в качестве электрического проводника, обеспечивающего связь между ними, система содержит:
приемопередатчик на устье скважины, расположенный на буровой установке, включающий в себя передатчик на устье скважины, который передает сигнал на устье скважины на бурильную колонну для передачи на подземный инструмент; и
забойный приемопередатчик, расположенный в зоне забоя вблизи подземного инструмента, включающий в себя забойный передатчик, передающий сигнал с забоя скважины на бурильную колонну для передачи на приемник на устье скважины, который образует часть приемопередатчика на устье скважины, и при этом приемопередатчик на устье скважины и забойный приемопередатчик выполнены с возможностью совместной работы для автоматической модификации по меньшей мере одного рабочего параметра передачи сигнала с забоя скважины по меньшей мере частично на основании ухудшения качества сигнала с забоя скважины, обнаруженного приемопередатчиком на устье скважины.
Концепция 2. Система концепции 1, в которой приемопередатчик на устье скважины и забойный приемопередатчик выполнены с возможностью автоматически модифицировать набор рабочих параметров сигнала с забоя скважины в ответ на ухудшение качества сигнала.
Концепция 3. Система концепции 2, в которой группа модифицированных параметров включает в себя два или больше из следующего: несущая частота, уровень мощности, скорость передачи в бодах и режим модуляции.
Концепция 4. Система концепций 1-3, в которой по меньшей мере один из следующего: забойный приемопередатчик и приемопередатчик на устье скважины включает в себя сканер шума для проведения сканирования зашумленности имеющихся частот передачи сигнала с забоя скважины, при этом устанавливается наименее зашумленная частота передачи.
Концепция 5. Система концепции 4, в которой сканер шума выполнен с возможностью определения спектра шума в полосе имеющихся частот передачи с применением выбранного одного из следующего: быстрое преобразование Фурье, дискретное преобразование Фурье и спектральная плотность распределения мощности.
Концепция 6. Система концепции 4, в которой сканер шума включает в себя блок фильтров с множеством полосно-пропускающих фильтров для определения наименее зашумленной частоты передачи.
Концепция 7. Система концепции 4-6, в которой забойный передатчик и передатчик на устье скважины выполнены с возможностью выключения во время сканирования шума.
Концепция 8. Система концепции 4-7, в которой выбранный один из следующего: приемопередатчик на устье скважины и забойный приемопередатчик выполнен с возможностью инициирования сканирования шума, как части процедуры пуска.
Концепция 9. Система концепции 8, в которой приемопередатчик на устье скважины выполнен с возможностью повторно инициировать сканированием шума в ответ на потерю сигнала с забойного передатчика по меньшей мере для выбора новой частоты передачи для сигнала с забоя скважины.
Концепция 10. Система концепции 1-9, в которой бурильная колонна включает в себя функцию преобразования канала, наводящего искажение бурильной колонной на каждый сигнал на устье скважины, и при этом по меньшей мере приемопередатчик на устье скважины выполнен с возможностью снятия характеристик функции преобразования канала, как фильтра c ограниченной полосой пропускания, имеющего реакцию ограничения полосы частот.
Концепция 11. Система концепции 10, в которой реакцию ограничения полосы частот дополнительно характеризуют, как конечную импульсную характеристику.
Концепция 12. Система концепции 10, в которой по меньшей мере приемник приемопередатчика на устье скважины включает в себя по меньшей мере один выравниватель частотной характеристики для компенсации искажения бурильной колонной.
Концепция 13. Система концепции 12, в которой выравниватель частотной характеристики включает в себя реагирование выравнивателя частотной характеристики, настраиваемое на основе набора коэффициентов выравнивателя частотной характеристики, так что реагирование выравнивателя частотной характеристики является адаптирующимся к интервалу отклонений в функции преобразования канала.
Концепция 14. Система концепции 13, в которой забойный передатчик выполнен с возможностью передачи настроечной последовательности, модулированной на сигнал с забоя скважины, и приемник на устье скважины выполнен с возможностью извлечения настроечной последовательности из сигнала с забоя скважины для установления набора коэффициентов выравнивателя частотной характеристики.
Концепция 15. Система концепции 14, в которой приемопередатчик на устье скважины включает в себя копию настроечной последовательности для сравнения с принятой настроечной последовательностью, представляющей настроечную последовательность, переданную передатчиком со стороны забоя скважины и искаженную функцией преобразования канала.
Концепция 16. Система концепции 15, в которой забойный приемопередатчик включает в себя мультиплексор для выбора между настроечной последовательностью и данными датчика для модуляции на сигнал с забоя скважины.
Концепция 17. Система концепции 15, в которой приемопередатчик на устье скважины выполнен с возможностью определения набора коэффициентов на основе минимальной среднеквадратической ошибки разности между копией настроечной последовательности и принятой настроечной последовательностью.
Концепция 18. Система концепции 1, в которой забойный приемопередатчик выполнен с возможностью приема данных датчика и модулирования сигнала с забоя скважины на основе данных датчика.
Концепция 19. Система концепции 18, в которой забойный приемопередатчик применяет несколько фазовых манипуляций к сигналу с забоя скважины.
Концепция 20. Система концепции 1, в которой приемопередатчик на устье скважины выполнен с возможностью синхронного обнаружения сигнала с забоя скважины.
Концепция 21. Система концепции 20, в которой забойный приемопередатчик выполнен с возможностью применения нескольких фазовых манипуляций для модуляции сигнала с забоя скважины, и приемопередатчик на устье скважины включает в себя контур слежения за несущей частотой нескольких фазовых манипуляций и демодулятор для извлечения сигнала с забоя скважины.
Концепция 22. Система концепции 21, в которой забойный приемопередатчик выполнен с возможностью применения квадратурной фазовой манипуляции к сигналу с забоя скважины.
Концепция 23. Система концепции 22, в которой бурильная колонна включает в себя функцию преобразования канала, наводящего искажение бурильной колонной на каждый сигнал на устье скважины, и по меньшей мере приемопередатчик на устье скважины выполнен с возможностью снятия характеристик функции преобразования канала, как фильтра c ограниченной полосой пропускания, и приемопередатчик на устье скважины включает в себя синфазный выравниватель частотной характеристики и несинфазный выравниватель частотной характеристики для компенсации искажения бурильной колонной.
Концепция 24. Система концепции 23, в которой приемопередатчик на устье скважины выполнен с возможностью синхронного обнаружения сигнала с забоя скважины, и включает в себя контур отслеживания перехода данных для переключения между синфазным выравнивателем частотной характеристики и несинфазным выравнивателем частотной характеристики.
Концепция 25. Система связи бурильной колонны, в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту, в качестве электрического проводника для обеспечения связи между ними, система содержит:
приемопередатчик на устье скважины, расположенный на буровой установке, включающий в себя передатчик на устье скважины, который передает сигнал на устье скважины на бурильную колонну при подаче на устье скважины электропитания передачи на подземный инструмент; и
забойный приемопередатчик, расположенный в зоне забоя вблизи подземного инструмента, включающий в себя забойный передатчик, передающий сигнал с забоя скважины на бурильную колонну при подаче на забое электропитания, выбираемого в диапазоне мощности передачи на буровую установку на бурильной колонне, при этом мощность передачи на устье скважины всегда больше любой выбранной мощности передачи на забое в диапазоне мощности передачи на забое.
Концепция 26. Система концепции 25, в которой забойный приемопередатчик включает в себя батарею для обеспечения электропитания для передачи на забое, и батарея по меньшей мере устанавливает верхний лимит на выбор мощности передачи на забое.
Концепция 27. Система концепции 26, в которой максимальная мощность передачи на забое не превышает 5 Вт.
Концепция 28. Система концепции 25, в которой приемопередатчик на устье скважины выполнен с возможностью по меньшей мере инициировать связь с забойным приемопередатчиком на максимальной мощности передатчика на устье скважины.
Концепция 29. Система концепции 28, в которой максимальная мощность передатчика на устье скважины образует верхний предел мощности диапазона мощности передатчика на устье скважины.
Концепция 30. Способ эксплуатации системы связи бурильной колонны, в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту в качестве электрического проводника, обеспечивающего связь между ними, способ содержит:
выполнение приемопередатчика на устье скважины на буровой установке, включающего в себя передатчик на устье скважины, который передает сигнал на устье скважины на бурильную колонну при подаче на устье скважины электропитания передачи на подземный инструмент;
расположение забойного приемопередатчика в зоне забоя вблизи подземного инструмента, включающего в себя забойный передатчик; и
передачу сигнала на забое скважины на бурильную колонну с забойного передатчика при подаче на забое электропитания, выбираемого в диапазоне мощности передачи на буровую установку на бурильной колонне, при этом мощность передачи на устье скважины всегда больше любой выбранной мощности передачи на забое.
Концепция 31. Способ эксплуатации системы связи бурильной колонны, в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту в качестве электрического проводника, обеспечивающего связь между ними, способ содержит:
в ответ на потерю приема сигнала с забоя скважины, передаваемого на бурильной колонне с подземного инструмента с применением текущего набора параметров передачи, повторное инициирование связи с буровой установки на подземный инструмент с применением приемопередатчика на устье скважины на максимальной мощности передачи на устье скважины приемопередатчика для передачи на устье скважины сигнала повторной инициализации на подземный инструмент, и
на основе ответа с подземного инструмента на сигнал повторной инициализации на устье скважины, ввод процедуры установки нового набора параметров передачи для по меньшей мере одного из следующего: сигнал с забоя скважины и сигнал на устье скважины для установления в результате связи между буровой установкой и подземным инструментом.
Концепция 32. Способ концепции 31, включающий в себя, как часть сигнала повторной инициализации, передачу команды на забойный приемопередатчик для ответа на максимальной мощности передачи на забое.
Концепция 33. Способ концепции 31 включающий в себя выполнение забойного приемопередатчика с возможностью ответа на сигнал повторной инициализации на максимальной мощности передачи на забое.
Концепция 34. Система связи бурильной колонны, в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту в качестве электрического проводника, обеспечивающего связь между ними, система содержит:
приемопередатчик на устье скважины, расположенный на буровой установке, включающий в себя передатчик на устье скважины, который передает сигнал на устье скважины на бурильную колонну при подаче на устье скважины электропитания передачи на подземный инструмент;
забойный приемопередатчик, расположенный в зоне забоя вблизи подземного инструмента, включающий в себя забойный передатчик, передающий сигнал с забоя скважины на бурильную колонну при подаче на забое электропитания, выбираемого в диапазоне мощности передачи на буровую установку на бурильной колонне и выделения электромагнитного сигнала определения местоположения, имеющего по меньшей мере один выбираемый рабочий параметр; и
локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом для приема электромагнитного сигнала определения местоположения и для обнаружения заданного ухудшения качества принятого сигнала определения местоположения и, система выполнена с возможностью в ответ на обнаружение автоматически генерировать команду переналадки, меняющую по меньшей мере одно из следующего: несущая частота, мощность передачи, скорость передачи в бодах и режим модуляции электромагнитного сигнала определения местоположения.
Концепция 35. Система концепции 34, в которой локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом осуществляет мониторинг заданного ухудшения качества сигнала на основе по меньшей мере одного из следующего: частота ошибочных битов и отношение сигнал/шум электромагнитного сигнала определения местоположения.
Концепция 36. Система концепции 34 или 35, в которой локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом выполнен с возможностью выдачи команды переналадки и, затем передачи команды переналадки с помощью телеметрии на буровую установку, и приемопередатчик на устье скважины выполнен с возможностью передачи команды переналадки на забойный приемопередатчик через бурильную колонну.
Концепция 37. Система связи бурильной колонны, в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту в качестве электрического проводника, обеспечивающего связь между ними, система содержит:
приемопередатчик на устье скважины, расположенный на буровой установке, включающий в себя передатчик на устье скважины, который передает сигнал на устье скважины на бурильную колонну при подаче на устье скважины электропитания передачи на подземный инструмент;
забойный приемопередатчик, расположенный в зоне забоя вблизи подземного инструмента, включающий в себя забойный передатчик, передающий сигнал с забоя скважины на бурильную колонну при подаче на забое электропитания, выбираемого в диапазоне мощности передачи на буровую установку на бурильной колонне и выделения электромагнитного сигнала определения местоположения, имеющего по меньшей мере один выбираемый рабочий параметр; и
локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом для приема электромагнитного сигнала определения местоположения и для обнаружения потери приема электромагнитного сигнала определения местоположения и, в ответ на потерю приема, автоматической индикации условия потери сигнала на буровой установке.
Концепция 38. Система концепции 37, в которой локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом указывает условие потери сигнала, передавая команду потери сигнала на приемопередатчик на устье скважины на буровой установке.
Концепция 39. Система концепции 38, в которой команда потери сигнала задает новый набор параметров для электромагнитного сигнала определения местоположения.
Концепция 40. Система концепции 39, в которой новый набор параметров задает по меньшей мере одно из следующего: новая мощность передачи, новая несущая частота, новая скорость передачи в бодах для электромагнитного сигнала определения местоположения и новый режим модуляции.
Концепция 41. Система концепции 40, в которой новый набор параметров задает отсутствие модуляции новой несущей частоты.
Концепция 42. В системе связи бурильной колонны, в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту, в качестве электрического проводника для обеспечения связи между ними, и бурильная колонна обладает функцией преобразования канала, когда действует в качестве электрического проводника, несущего сигнал с забоя скважины, который передается на бурильную колонну подземным инструментом, устройство содержит:
приемник на устье скважины, который принимает сигнал с забоя скважины с бурильной колонны как переданный сигнал, на который влияет функция преобразования канала, при этом приемник на устье скважины выполнен с возможностью применения компенсации в ответ на переданный сигнал, данный ответ с компенсацией настраивается на основе функции преобразования канала.
Концепция 43. Устройство концепции 42, в котором функция преобразования канала наводит искажение бурильной колонной на сигнал с забоя скважины, и по меньшей мере приемник на устье скважины выполнен с возможностью снятия характеристик функции преобразования канала, как реагирования фильтра c ограниченной полосой пропускания.
Концепция 44. Устройство концепции 43, в котором реагирование фильтра c ограниченной полосой пропускания дополнительно характеризуется, как конечная импульсная характеристика.
Концепция 45. Устройство концепции 43-44, в котором приемник на устье скважины включает в себя по меньшей мере один выравниватель частотной характеристики для компенсации искажения бурильной колонной.
Концепция 46. Устройство концепции 45, в котором выравниватель частотной характеристики включает в себя реагирование выравнивателя частотной характеристики, настраиваемого на основе набора коэффициентов выравнивателя частотной характеристики, так что реагирование выравнивателя частотной характеристики является адаптирующимся к интервалу отклонений в функции преобразования канала.
Концепция 47. Устройство концепции 46, в котором приемник на устье скважины сохраняет копию настроечной последовательности, и приемник на устье скважины выполнен с возможностью извлечения переданной версии настроечной последовательности из сигнала с забоя скважины, который искажен функцией преобразования канала, для сравнения с копией настроечной последовательности для установления набора коэффициентов выравнивателя частотной характеристики.
Концепция 48. Устройство концепции 47, в которой приемник на устье скважины выполнен с возможностью определения набора коэффициентов на основе минимальной среднеквадратической ошибки разности между копией настроечной последовательности и переданной версией настроечной последовательности.
Концепция 49. Локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом для применения в системе, в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту с подземным инструментом, выполненным с возможностью передачи электромагнитного сигнала определения местоположения, локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом содержит:
приемник, выполненный с возможностью приема сигнала определения местоположения и обнаружения ухудшения качества приема сигнала определения местоположения, а также генерирования команды потери сигнала в ответ на обнаружение указанного ухудшения качества; и
передатчик телеметрии передачи команды потери сигнала на буровую установку.
Концепция 50. Локатор концепции 49, выполненный с возможностью генерирования команды потери сигнала в ответ на потерю приема сигнала определения местоположения.
Концепция 51. Локатор концепции 49, выполненный с возможностью генерирования потери сигнала в ответ на заданную степень ухудшения качества сигнала определения местоположения.
Концепция 52. Локатор концепции 49, выполненный с возможностью выполнения вначале сканирования шума в ответ на обнаружение потери приема для идентификации новой частоты для электромагнитного сигнала определения местоположения.
Концепция 53. Локатор концепции 49, в котором команда потери сигнала идентифицирует по меньшей мере одно из следующего: новая мощность передачи, новая несущая частота, новая скорость передачи в бодах и новый режим модуляции для электромагнитного сигнала определения местоположения.
Концепция 54. Система для выполнения подземных работ по меньшей мере в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту в качестве электрического проводника, обеспечивающего связь между ними, система содержит:
забойный приемопередатчик, расположенный в зоне забоя вблизи подземного инструмента, выполненный с возможностью (i) приема по меньшей мере одного сигнала датчика, относящегося к рабочему параметру подземного инструмента, (ii) генерирования сигнала с забоя скважины, передающегося на буровую установку на бурильной колонне, причем данный сигнал с забоя скважины модулируется на основе сигнала датчика, и (iii) выделения электромагнитного сигнала определения местоположения для обнаружения на наземной аппаратуре, причем данный сигнал определения местоположения является не модулированным по меньшей мере сигналом датчика;
приемопередатчик на устье скважины, расположенный на буровой установке, включающий в себя приемник на устье скважины выполненный с возможностью приема сигнала с забоя скважины с бурильной колонны и извлечения сигнала датчика, обеспечивающего наличие информации, относящей к рабочим параметрам на буровой установке; и
локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом для приема электромагнитного сигнала определения местоположения служащий по меньшей мере одним из следующего: приводом наведения и средством отслеживания сигнала, при этом дальность обнаружения сигнала определения местоположения для данной мощности передачи без модуляции больше, чем дальность обнаружения сигнала определения местоположения, модулированного сигналом датчика при одинаковой данной мощности передачи.
Концепция 55. Система концепции 54, в которой локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом включает в себя узкополосный фильтр, отцентрованный на несущей частоте электромагнитного сигнала определения местоположения.
Концепция 56. Система концепции 54-55, в которой локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом выполнен для связи по телеметрии с приемопередатчиком на устье скважины на буровой установке по меньшей мере для корреляции связанных с датчиком данных, передаваемых на приемопередатчик на устье скважины на бурильной колонне с подземного инструмента с генерируемыми локатором данными, передаваемыми с помощью электромагнитного телеметрического сигнала на приемопередатчик на устье скважины.
Концепция 57. Система для выполнения подземных работ по меньшей мере в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту в качестве электрического проводника, обеспечивающего связь между ними, система содержит:
приемопередатчик на устье скважины, расположенный на буровой установке, включающий в себя передатчик на устье скважины выполненный по меньшей мере с возможностью передачи на устье скважины сигнала на бурильной колонне на подземный инструмент;
забойный приемопередатчик, расположенный в зоне забоя скважины вблизи подземного инструмента, выполненный с возможностью приема на устье скважины сигнала с бурильной колонны и селективного выделения электромагнитного сигнала определения местоположения для обнаружения на наземной аппаратуре;
локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом для приема электромагнитного сигнала определения местоположения и для автоматического обнаружения активного/пассивного состояния локатора и, локатор выполнен с возможностью в ответ на обнаружение изменения в активном/пассивном состоянии, передачи индикации состояния на буровую установку, указывающей новое активное/пассивное состояние;
и приемопередатчик на устье скважины и забойный приемопередатчик дополнительно выполнены с возможностью совместной работы по меньшей мере для выключения электромагнитного сигнала определения местоположения в ответ на пассивное состояние.
Концепция 58. Система концепции 57, в которой локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом выполнен с возможностью активного использования электромагнитного сигнала определения местоположения во время активного состояния.
Концепция 59. Система концепции 57, в которой локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом включает в себя по меньшей мере один акселерометр, дающий на выходе данные ускорения в ответ на перемещение локатора, и локатор выполнен с возможностью обнаружения пассивного состояния на основе выходных данных акселерометра.
Концепция 60. Система концепции 57, в которой локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом включает в себя датчик, обнаруживающий близость локатора к поверхности грунта, и локатор выполнен с возможностью индикации пассивного состояния в ответ на установку локатора на поверхности грунта.
Концепция 61. В системе для выполнения подземных работ, по меньшей мере в которой применяют бурильную колонну, проходящую от буровой установки к подземному инструменту и датчик с наземной аппаратурой над подземным зондом служащий по меньшей мере одним из следующего: приводной маяк и отслеживающее устройство, система связи содержит:
приемопередатчик на устье скважины, расположенный на буровой установке;
забойный приемопередатчик, расположенный в зоне забоя вблизи подземного инструмента;
приемопередатчик телеметрии, образующий часть локатора с наземной аппаратурой над подземным зондом;
первый канал двусторонней связи между приемопередатчиком со стороны устья и забойным приемопередатчиком, которые используют бурильную колонну в качестве электрического проводника для обеспечения связи между ними;
второй канал двусторонней связи между приемопередатчиком на устье скважины и приемопередатчиком телеметрии локатора с наземной аппаратурой над подземным зондом которые используют беспроводную электромагнитную связь между ними; и
по меньшей мере канал односторонней связи от скважинного приемопередатчика подземного инструмента на локатор с наземной аппаратурой над подземным зондом так что (i) первый режим связи создается от забойного приемопередатчика на приемопередатчик на устье скважины на буровой установке через бурильную колонну с использованием первого канала двусторонней связи, (ii) второй режим связи создается от забойного приемопередатчика на приемопередатчик на устье скважины через канал односторонней связи, приемопередатчик телеметрии на локаторе с наземной аппаратурой над подземным зондом и второй канал двусторонней связи, и (iii) имеется контроллер для управления связью между приемопередатчиком со стороны забоя и приемопередатчиком на устье скважины по меньшей мере частично на основе состояния системы.
Концепция 62. Система концепции 61, дополнительно содержащая:
диспетчера связи по меньшей мере для управления связью со скважинного приемопередатчика на подземном инструменте на приемопередатчик на устье скважины на буровой установке с помощью автоматического выбора между первым режимом связи и вторым режимом связи для любой данной передачи с подземного инструмента на буровую установку по меньшей мере частично на основании рабочего состояния первого и второго каналов двусторонней связи и канала односторонней связи.
Концепция 63. Система концепции 62, в которой контроллер выполнен с возможностью выбора первого режима связи по умолчанию.