钻柱通信系统、部件和方法与流程
本申请是基于2013年1月4日提交的、申请号为201310001524.8、发明创造名称为“钻柱通信系统、部件和方法”的中国专利申请的分案申请。
相关申请
本申请要求于2012年1月5日提交的美国临时专利申请序号为61/583，591的优先权，通过引用的方式将该申请整体并入本文。本申请还要求于2013年1月2日提交的美国专利申请序列号为13/733,097的优先权，通过引用的方式将该申请整体并入本文。
本申请总体上涉及地下(inground)操作，并且更具体地，涉及一种包括先进钻柱通信系统的系统、设备和方法，其中该先进钻柱通信系统将电信号耦合到导电钻柱上以便数据传输，同时至少为噪声和失真效应提供补偿。地面步行定位器(walkoverlocator)通信能够整体地受到该系统和相关方法的支持。
背景技术：
通常，地下操作，例如，钻井以形成钻孔、随后为了安装公用线路而对钻孔进行扩孔、钻孔测绘等使用从地面上的钻机延伸出来的导电钻柱。现有技术包括使用导电钻柱作为电导体以便用于将来自地下工具的数据信号电传导至钻机的示例。周围陆地本身用作检测钻机处的信号的信号返回路径。该类型的系统通常被称为随钻测量(mwd)系统。然而，申请人意识到仍然存在对mwd系统改进的需要。
相关技术的上述示例以及与其相关的限制为说明性的而不是排他性的。对本领域技术人员而言经阅读说明书和对附图研究之后，相关技术的其它限制将变得显而易见。
技术实现要素：
描述了一种钻柱通信系统。井上收发器可以以一定的功率将信号耦合至钻柱上，该功率可以大于并且在一些实施例中总是大于针对井下信号的可选择功率。可以使用井上收发器的最大井上传输功率重新开始从钻机至地下工具的通信。程序可以建立针对钻柱信号的新的一组传输参数从而建立钻机和地下工具之间的通信。该系统可以包括接收激活/禁用状态控制的电磁定位信号的地面步行定位器。响应于定位信号衰减，重新配置命令可以修改定位信号。井上收发器和井下收发器可以自动地修改井下信号的至少一个参数。井上接收器可以将补偿响应施加于传送信号以补偿钻柱信道传递函数。
结合作为示例性和说明性而在范围上非限制性的系统、工具和方法对下面的实施例及其方面进行了描述和说明。在各种实施例中，上述问题中的一个或多个已减少或消除，而其它实施例涉及其它改进。
在本公开的一个方面，公开了一种钻柱通信系统、相关设备和方法。该钻柱通信系统使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信。井上收发器位于钻机处并且包括井上发射器，井上发射器以井上传输功率将井上信号耦合至钻柱上以便传输至地下工具。井下收发器位于井下靠近地下工具并且包括井下发射器，井下发射器以井下传输功率将井下信号耦合至钻柱上以便传输至钻机处的钻柱上，井下传输功率能够在井下功率传输范围内进行选择并且井上传输功率总是大于在井下功率传输范围内的任何选定的井下传输功率。
在本公开的另一个方面，描述了一种用于操作钻柱通信系统的方法和相关设备，钻柱通信系统使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信。响应于利用当前一组传输参数从地下工具传输至钻柱上的井下信号的接收的耗损，使用井上收发器以井上收发器的最大井上传输功率重新开始从钻机至地下工具的通信以将井上重新开始信号耦合至地下工具。基于来自地下工具对井上重新开始信号的响应，进入程序以针对井下信号和井上信号中的至少一个建立新的一组传输参数，以在其后建立钻机和地下工具之间的通信。
在本公开的另一个方面中，描述了一种钻柱通信系统和相关方法，钻柱通信系统使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信。井上收发器位于钻机处并且包括井上发射器，井上发射器以井上传输功率将井上信号耦合至钻柱上以便传输至地下工具。井下收发器位于井下靠近地下工具并且包括井下发射器，井下发射器以井下传输功率将井下信号耦合至钻柱上以便传输至钻机处的钻柱上并且发出具有至少一个可选择操作参数的电磁定位信号，井下传输功率能够在井下功率传输范围内进行选择。地面步行定位器接收电磁定位信号且检测接收到的定位信号的预定衰减，并且响应于检测到预定衰减，系统配置成自动地生成重新配置命令，重新配置命令改变电磁定位信号的以下参数中的至少一个：载波频率、传输功率、波特率和调制模式。
在本公开的另一个方面中，描述了一种钻柱通信系统和相关方法，钻柱通信系统使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信。井上收发器位于钻机处并且包括井上发射器，井上发射器以井上传输功率将井上信号耦合至钻柱上以便传输至地下工具。井下收发器位于井下靠近地下工具并且包括井下发射器，井下发射器以井下传输功率将井下信号耦合至钻柱上以便传输至钻机处的钻柱上并且发出具有至少一个可选择操作参数的电磁定位信号，井下传输功率在井下功率传输范围内可选择。便携式地面步行定位器接收电磁定位信号且检测电磁定位信号的接收耗损，并且响应于接收耗损，自动地向钻机表明信号耗损情况。
在本公开的另一个方面中，一种钻柱通信系统和相关方法使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信。井上收发器位于钻机处并且包括井上发射器，井上发射器将井上信号耦合至钻柱上以便传输至地下工具。井下收发器位于井下靠近地下工具并且包括井下发射器，井下发射器将井下信号耦合至钻柱上以便传输至形成井上收发器的一部分的井上接收器。井上收发器和井下收发器配置成协作以至少部分地基于由井上收发器所检测到的井下信号的信号衰减而自动改变井下信号的至少一个可操作传输参数。
在本公开的另一个方面中，描述了一种用于钻柱通信系统中的设备和相关方法，该钻柱通信系统使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信。钻柱在用作载送井下信号的这样的电导体时展现信道传递函数，井下信号通过地下工具耦合至钻柱。井上接收器接收来自钻柱作为传送信号的井下信号，传送信号受到信道传递函数的影响，并且井上接收器配置成将补偿响应施加于传送信号，基于信道传递函数定制补偿响应。
在本公开的另一个方面中，描述了一种地面步行定位器和相关方法，其用于使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱的系统中，地下工具配置成传输电磁定位信号。接收器配置成接收定位信号，检测定位信号的接收的衰减，并且响应于衰减检测生成信号耗损命令。遥测发射器配置成将信号耗损命令传输至钻机。
在本公开的另一个方面中，描述了一种至少用于执行地下操作的系统和相关方法，其使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信。井下收发器位于井下靠近地下工具，并且配置成(i)接收与地下工具的可操作参数相关的至少一个传感器信号，(ii)生成井下信号，井下信号被传输至钻机处的钻柱上，并且基于传感器信号对井下信号进行调制，和(iii)发出电磁定位信号以便进行地上检测，该定位信号至少没有通过传感器信号进行调制。井上收发器位于钻机处并且包括井上接收器，井上接收器配置成从钻柱接收井下信号并且恢复传感器信号，以使得在钻机处可获得与可操作参数相关的信息。地面步行定位器接收电磁定位信号用作归航信标和跟踪信号中的至少一个，使得针对给定传输功率在不调制的情况下定位信号的检测范围大于针对相同的给定传输功率经过传感器信号调制的调制定位信号的检测范围。
在本公开的另一个方面中，描述了一种至少用于执行地下操作的系统和方法，其使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信。井上收发器位于钻机处并且包括井上接收器，井上接收器配置成至少将钻柱上的井上信号传输至地下工具。井下收发器位于井下靠近地下工具，并且配置成从钻柱接收井上信号并且选择性地发出电磁定位信号以便地上检测。地面步行定位器接收电磁定位信号并自动地检测地面步行定位器的激活/禁用状态，并且响应于检测到激活/禁用状态变化，地面步行定位器配置成将表明新激活/禁用状态的状态指示传输至钻机。井上收发器和井下收发器被进一步配置成协作以至少响应于禁用状态断开电磁定位信号。
在本公开的另一个方面中，描述了一种用于至少执行地下操作的系统中的通信系统和相关方法，其使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱以及用作归航信标和跟踪装置中的至少一个的地面步行检测器。井上收发器位于钻机处。井下收发器位于井下靠近地下工具。遥测收发器形成地面步行定位器的一部分。井上收发器和井下收发器之间的第一双向通信链路使用钻柱作为电导体以提供井上收发器和井下收发器之间的通信。井上收发器和地面步行定位器的遥测收发器之间的第二双向通信链路采用了井上收发器与遥测收发器之间的无线电磁通信。从地下工具的井下收发器至地面步行定位器至少形成了单向通信链路使得(i)使用第一双向通信链路从井下收发器经由钻柱至钻机处的井上收发器提供了第一通信模式，(ii)从井下收发器经由单向通信链路、地面步行定位器处的遥测收发器和第二双向通信链路至井上收发器提供了第二通信模式，和(iii)控制器至少部分地基于系统状态管理井下收发器和井上收发器之间的通信。
附图说明
示例性实施例显示在附图的参考图中。意欲表明：本文公开的实施例和附图是示例性的而不是限制性的。
图1是利用了本公开的先进钻柱耦合系统的系统的立面图解视图。
图2是耦合适配器的一个实施例的图解透视图，其中该耦合适配器利用了用于从导电钻柱耦合信号以及将信号耦合至导电钻柱的电流互感器。
图3是耦合适配器的另一个实施例的图解视图，其中该耦合适配器形成了用于从导电钻柱耦合信号以及将信号耦合至导电钻柱的电隔离间隙。
图4是地下工具的一个实施例的透视图解视图，该地下工具呈连接至本公开的耦合适配器实施例的钻头和地下壳体的形式。
图5是地下工具的另一个实施例的透视图解视图，该地下工具呈连接至本公开的耦合适配器实施例的张力监测器和扩孔工具的形式。
图6是显示了可与本公开的耦合适配器一起使用的电子部分的一个实施例的框图。
图7是显示了可用在钻机处或者用作钻柱中继器的一部分的电子部分的一个实施例的框图，其中该钻柱中继器与服务于地下工具的本公开的耦合适配器协作。
图8是先进双向钻柱通信系统的实施例的框图。
图9是由多个可拆卸连接的导电钻管分段构成的钻柱的近似模型。
图10a和图10b是分别示出先进井下收发器和先进井上收发器的细节的实施例的框图。
图11a是线性信道均衡器的实施例的框图。
图11b是判决反馈均衡器的实施例的框图。
图12a和图12b分别是面向判决的适应性线性和判决反馈均衡器的实施例的框图。
图13a是用于本公开的系统启动和重新初始化的方法的实施例的流程图。
图13b是用于动态地/自动地控制定位信号传输的方法的实施例的流程图。
图13c是显示表明定位信号的有效/无效状态和改变当前状态的能力的外观的实施例的屏幕截图。
图14是用于协作操作本公开的井上和井下收发器的方法的实施例的流程图。
图15是本公开的井下收发器和便携式定位器之间的通信协议方法的实施例的流程图。
图16是用于操作通信控制器的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
提出以下描述使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并且在专利应用和其需求的背景下提供以下描述。对所述实施例的各种变型对于本领域技术人员而言将容易地成为显而易见的，并且本文中教导的一般原理可以适用于其它实施例。因此，本发明不限于所示实施例，而是符合如限定在所附权利要求的范围内的包括变型和等同物的与本文所述的原理和特征一致的最宽范围。需要注意的是，附图不是按照比例绘制，并且本质上是被认为最佳地说明了兴趣特征的方式的图解。关于这些说明可以使用描述性术语，然而，该术语采用是为了便于读者理解，并非旨在限制。进一步地，为了显示清楚而未按照比例绘制附图。
现在返回至附图，在各个附图中相同的部件由相同的参考数字表示，立即将注意力指向图1，图1是以图解方式显示根据本公开制造且总体上由参考数字10表示的水平定向钻井系统的一个实施例的立面图。虽然图示系统显示了本发明在水平定向钻井系统和它的用于执行地下钻孔操作的部件的框架内，但是关于其它操作程序(包括但不限于竖直钻井操作、用于安装公用设施的拉回操作、绘图操作等)，本发明享有等同适用性。
图1显示了在区域12操作的系统10。系统10包括具有钻柱16的钻机14，钻柱16从钻机14延伸至钻孔工具20a或20b。需要注意的是，为了将变得显而易见的原因，显示了钻柱12a和12b的地下端部的两个例子以及钻孔工具20a和20b。使用实线显示钻柱的例子16a和钻孔工具20a，而使用虚线以虚幻的方式显示钻柱的例子16b和钻孔工具20b。应理解的是，在给定地下操作期间仅使用两个图示例子中选定的一个。对钻柱和钻孔工具的一般参考可以使用参考数字16和20。钻柱可被推至地面中以大致地沿箭头所示的向前方向22至少移动地下工具20。尽管本示例是依据钻孔工具的使用而构建，然而应理解的是，讨论适用于任何合适形式的地下工具，包括但不限于扩孔工具、拉回操作(其中可以安装公用设施或壳体)期间使用的张力监测工具、用于绘制钻孔路径的绘图工具(例如，使用惯性引导单元和井下压力监测)。在钻孔工具的操作中，通常期望基于钻柱的推进进行监测，而在诸如拉回操作的其它操作中，通常响应于钻柱的撤回进行监测。
继续参考图1，钻柱16部分地示出并且被分段，从而由多个可拆卸附接的单独钻管分段构成，其中的一些钻管分段表示为1、2、n-1和n，具有分段长度和壁厚。钻管分段可互换地称为具有杆长度的钻杆。在钻机操作期间，为了推进地下工具，可以一次将一个钻管分段增加至钻柱，并且通过钻机利用可移动托架24将其推至地面中。钻机14可以包括合适的监测布置，以测量钻柱进入地面的移动，例如，在名称为“systems,arrangementsandassociatedmethodsfortrackingand/orguidinganundergroundboringtool”的us专利no.6,035,951(下文为'951专利)中所描述的，该专利与本申请共同归属并由此通过参引的方式并入。例如，固定超声波接收器28可以定位在钻机的钻架上，而超声波发射器30可以定位在可移动托架上，可移动托架用于伸出和撤回钻柱。接收器28和发射器30之间的距离可以建立在不到一英寸的范围内。通过监测该距离并结合监测夹紧布置32(其响应于将钻杆移除或增加至钻柱而动作)的状态，可以追踪钻柱的长度。
每个钻管分段限定了在管分段的相对端部之间延伸的贯通开口34(示出了其中的两个)。钻管分段可以与通常被称为盒和销配件进行配合，使得给定钻管分段的每个端部可以以众所周知的方式与钻柱中的另一个钻管分段的相邻端部螺纹接合。一旦钻管分段接合构成钻柱，钻管分段中相邻钻管分段的贯通开口就会对准以形成箭头所示的总通路36。钻柱的每个井下例子的通路36可以提供用于钻井液或泥浆的符合箭头方向36从钻机至钻头的加压流动，如将进一步描述的。
可以利用显示器44在钻机14处(例如控制台42上)建立并显示钻孔工具在区域12内的位置以及钻孔工具所沿的地下路径。控制台可以包括处理装置46和控制致动器装置47。需要注意的是，钻机处的处理装置46可以包括下文被称为井上收发器的装置。
钻孔工具20可以包括钻头50，钻头50具有成角度的面，以用于基于工具面取向(rollorientation)的转向中。即，钻头在被向前推动而不旋转时通常将基于其成角度的面的工具面取向而进行偏斜。另一方面，在推动钻柱时，通过如双箭头51所示地旋转钻柱，通常可以使钻头沿直线行进。当然，可预见的转向是以合适的土壤条件为前提的。需要注意的是，为了穿过就在钻头前面的地面以及对钻头提供冷却和润滑，上述钻井液在高压下可以喷射为射流52。钻孔工具20包括容纳电子封装件56的地下壳体54。为了下面的描述，该电子封装件可以称为井下收发器。地下壳体构造成提供用于使钻井液围绕电子封装件流动至钻头50。例如，电子封装件在构造上可以是圆柱形的并且以居中的方式支撑在壳体54内。钻头50可以包括盒配件，该盒配件接收地下壳体54的销配件。地下壳体的相对端部可以包括盒配件，该盒配件接收耦合适配器60a或60b的销配件。需要注意的是，通过非限制性示例显示的耦合适配器的两个例子大体由参考数字60表示，可以理解的是可以采用任何合适的实施例。耦合适配器60的相对端部可以包括盒配件，该盒配件接收限定钻柱的远侧地下端部的销配件。需要注意的是，钻头、地下壳体和耦合适配器的盒和销配件是与钻柱的钻管分段上便于在形成钻柱时钻管分段彼此可拆卸的附接的盒和销配件大体相同的盒和销配件。地下电子封装件56可以包括收发器64，在一些实施例中收发器64可以传输定位信号66(例如，偶极定位信号)，然而这不是必须的。在一些实施例中，收发器64可以接收由其它地下部件生成的电磁信号，如将在下面合适点处描述的。为了描述性目的，本示例将假定电磁信号是偶极信号形式的定位信号。相应地，电磁信号可称为定位信号。应理解的是，偶极信号可以像任何其它电磁信号一样经过调制并且之后该调制数据可以从该信号恢复。信号的定位功能性至少部分地取决于通量场的特性形状和其信号强度，而不是携带调制的能力。因此，调制不是必须的。关于钻孔工具的某些参数(例如，倾角(pitch)和面向角(roll)(取向参数)、温度和钻井液压力)的信息可以由位于钻孔工具内的合适的传感器装置68进行测量，传感器装置68例如可以包括倾角传感器、面向角传感器、温度传感器、用于感测大约50/60hz公用线路的ac场传感器、以及需要的任何其它传感器，例如，用于感测偏航取向的dc磁场传感器(三轴磁力计，与三轴加速度计一起形成电子罗盘对偏航取向进行测量)。电子封装件56还包括根据需要与传感器装置68和收发器64接口的处理器70。可以形成传感器装置的一部分的另一个传感器是配置用于检测一个或多个轴上的加速度的加速度计。电池(图未示)可以设置在壳体内，用于提供电力。
地面步行/便携式定位器80可用于检测电磁信号66。在名称为“fluxplanelocatinginanundergrounddrillingsystem”的us专利no.6,496,008中描述了一种合适的且高度先进的便携式定位器，该专利与本申请共同归属并由此通过参引的方式将其全部并入本文中。如上所述，尽管为了描述性目的已采用水平定向钻井的框架，然而本描述适用于各种地下操作，且并非旨在限制。如上讨论，电磁信号可以携带包括取向参数(例如，倾角和面向角)的信息。电磁信号也可以携带其它信息。这样的信息例如可以包括接近钻孔工具或在钻孔工具内部测得的参数，包括温度和电压(例如电池或电源电压)。定位器80包括电子封装件82。需要注意的是，电子封装件与定位器的各个部件接口以便进行电通信，并且可以进行数据处理。可以以任何合适的方式将感兴趣的信息调制到电磁信号66上，并且传输至定位器80和/或钻机处的天线84，然而这不是必须的。当前可获得的或者有待开发的任何合适形式的调制均可使用。当前可获得的合适类型的调制的示例包括幅度调制、频率调制、相位调制及其变型。关于钻井的任何感兴趣的参数(例如，倾角)可以显示在显示器44上和/或如从该定位信号恢复地显示在定位器80的显示器86上。钻机14可以传输遥测信号98，遥测信号98可以由定位器80接收。遥测信号92可以从定位器80经由遥测天线94传输至钻机。遥测部件提供用于钻机和定位器80之间的双向发信号。作为这样发信号的一个示例，基于夹紧装置32的状态，钻机可以因为钻管分段正增加至钻柱或从钻柱移除(在此期间，夹紧布置与钻柱接合)而传输钻柱处于静止状态的指示。
仍然参考图1，电缆100可以从地下电子封装件56延伸出来，使得可以在该电缆上电传输与地下工具的操作相关的任何感测值或参数。本领域普通技术人员将理解的是，通称为“管中线(wire-in-pipe)”的可用于将信号传输至钻机。术语管中线指的是容纳在由钻柱形成的内部通道34内的电缆。然而，根据本公开，电缆100延伸至地下耦合适配器60的实施例或其它合适地下装置。如上所述，耦合至钻孔工具50a的第一实施例由参考数字60a指示，并且耦合至钻孔工具50b的第二实施例由参考数字60b指示，如下文即将进一步描述的。
注意力现在指向图2并且结合图1。图2是进一步详细地显示耦合适配器的实施例60a的图解透视图。需要注意的是，耦合适配器60a如上所述表示合适的耦合装置的一个实施例，并且在名称为“drillstringcouplingadapterandmethodforingroundsignalcoupling”的序号为no.13/035,774的us专利申请中详细地进行了描述，由此通过参引的方式将该专利申请的全部内容并入。具体地，耦合适配器60a包括主体120，主体120形成销配件122以便与地下壳体54的盒配件(图未示)接合。需要注意的是，为了显示清楚未在销配件上示出螺纹，但是应理解为存在螺纹。主体包括至少一个高压电连接组件。耦合适配器60a还包括延伸体140，延伸体140可拆卸地附接至主体120使得可以更换主体或延伸体。主体和延伸体可以由任何合适材料形成，例如由非磁性合金(包括非磁性不锈钢)和磁性合金(例如，4140、4142、4340或任何合适的高强度钢)形成。具体地，当距离驱动耦合适配器的电子模块许多英尺或许多钻杆放置耦合适配器时，非磁性形式可能不是必要的。然而，如果在检测地磁场的地下装置(例如，导向工具)附近使用耦合适配器，则使用非磁性材料以避免潜在磁场干扰。在这点上众所周知的是，非磁性高强度合金与它们的磁性对应材料相比在成本方面通常高得多。需要注意的是，不存在主体和延伸体由相同材料形成的这样要求。
圆柱形环144容纳在主体120和延伸体140之间。需要注意的是，为了本说明而使圆柱形环呈现为透明的使得电流互感器160是可见的。圆柱形环可以由通常对地下环境具有抵抗力且电绝缘的任何合适材料形成。通过非限制性示例，一种合适的材料是相变增韧氧化锆陶瓷，其它陶瓷材料可能也是合适的。如图2所见，圆柱形环144的外表面相对于主体和延伸体的外表面可以是嵌入件，目的是减小对圆柱形环的潜在损坏以及减小圆柱形环上的磨损。例如，基于该嵌入件，夹紧布置32(图1)可以跨接并且保持与圆柱形环不接触。进一步地，可以减小因钻柱的旋转、前进和撤回而引起的圆柱形环的地下磨损。在这点上，应理解的是，因相似的原因，电连接组件130可以是嵌入件，如图2中可见的。电流互感器可以包括缠绕在环形或环形铁芯上的线圈。就这一点而言，铁芯可以包括任何合适的横截面形状，例如，矩形，正方形和圆形。在图示的实施例中，铁芯可以是分离的以便于电流互感器的安装。来自电流互感器线圈的相对端部的一对电导线可以耦合至电连接组件130处的电缆100。应理解的是，可以使用任何合适的电流互感器并且此处描述的具体电流互感器不是作为限制性的。延伸体140的相对端部170限定了用于与钻柱的地下远侧端部螺纹接合的盒配件。关于图1，应理解的是，当在钻机处组装钻柱时，耦合适配器60可以安装在任何两个相邻的钻管分段之间。例如，图1中耦合适配器的合适实施例可以位于钻管分段n-1和n之间。然后，电缆100从地下工具延伸通过钻管分段n到达耦合适配器。
现在注意力转向图3，图3是显示耦合适配器60b的实施例的图解透视图。需要注意的是，图3对应于名称为“drillstringingroundisolatorinanmwdsystemandassociatedmethod”的序列号为no.13/593,439的us专利申请(下文称为‘439申请)的图2，由此通过参引方式将该申请的全部内容引入。图3的实施例表示‘439申请中公开的众多合适实施例中的一个。这些实施例中的每一个在定位于图1所示的钻柱中时形成了钻柱中的电隔离间隙或间断。‘439申请还公开了形成电隔离间隙的地下可互换工具系统，作为本申请背景下的另一个有用实施例。
该组件包括具有销配件202的销端部壳体200，销配件202限定了贯通通道，电缆100可以从该贯通通道延伸出来以进行外部电连接。盒端部壳体210限定了盒配件212。销配件202和盒配件212可以与钻管分段(钻管分段构成钻柱16)上的配件匹配，使得隔离器可以插入钻柱中的任何期望接合处。隔离器还包括与销壳体端部200和盒壳体端部210中每一个接合的传动牙嵌(drivedog)壳体220，其中传动牙嵌壳体电耦合至整个组件中的销壳体。本实施例中的销壳体端部、盒壳体端部和传动牙嵌壳体通常由合适的高强度材料制成，例如，4340、4140、4142以及15-15hs或蒙乃尔合金k500(其中后两种是非磁性高强度合金)，这是因为这些部件遭受潜在不利的井下环境以及相对极端的力。基于多个电隔离构件270的部署(可以是任何合适的形状)，盒端部壳体210与销端部壳体200电隔离以限定电隔离/绝缘间隙。
应理解的是，为了将信号耦合至钻柱上可以使用任何合适布置，并且为了实现将信号耦合至钻柱的关于图示实施例的具体结构的细节并不认为是限制性的。例如，在名称为“ingrounddrillstringhousingandmethodforsignalcoupling”的序列号为no.13/035,833的us专利申请中描述了利用电流互感器的另一种合适布置，通过参引的方式将该专利申请的全部内容并入。在该后者应用中，电流互感器由地下壳体支撑，地下壳体还可以支撑电子封装件。此外，现有技术包括至少声明设置电隔离间隙的其它布置的示例。通过示例，us专利no.7,649,474在第三栏第33至42行描述了使用例如配置有金属端部的玻璃纤维分段的材料形成钻柱中的电隔离分段的简单方法。
图4是透视图解视图，示出了呈钻孔工具形式的地下工具20，其具有钻头50。为了该公开，耦合适配器/隔离器60或其它合适布置安装作为具有井上部分400和井下部分402的钻柱的一部分。钻柱的井下部分可以包括任何合适的地下壳体54(例如钻头壳体)和/或将隔离器60连接至地下壳体的一个或多个介入钻管分段(图未示)。在本示例中，地下壳体是钻头或钻孔工具。电缆100可以在钻柱的贯通通道内延伸至电子封装件56以便与钻柱收发器64(图1)电通信。取决于特定实施例，电缆100的导体例如可以连接至电流互感器或者以跨接电隔离间隙的方式连接。如上讨论，钻井液可以围绕电子套件流动以到达钻柱的地下远侧端部(例如钻头)。在图示实施例中，为了从收发器64(图1)发射信号66，地下壳体54包括槽420。耦合适配器60可拆卸地附接至地下壳体54，地下壳体54自身准备好可拆卸地附接至钻柱的远侧端部。
图5是透视图解视图，其示出了呈扩孔工具形式的地下工具20，其包括可拆卸地附接至地下壳体54的一个端部的扩孔钻(reamer)422。在该实施例中，以与图4相同的方式另外地设置壳体54和耦合适配器60。在钻柱朝向钻机拉扩孔工具时，为了扩大钻孔，沿箭头所示的方向424拉扩孔工具。扩孔工具的相对端部附接至张力监测装置430的一个端部。张力监测装置的相对端部可以附接至公用设施(图未示)，通过扩大的钻孔拉该公用设施以便将该公用设施安装在钻孔中。张力监测装置430测量在扩孔操作期间施加于公用设施上的拉力。在us专利no.5,961,252中描述了一种合适的且高度有利的张力监测装置，该美国专利与本申请共同归属并通过参引的方式将其全部内容并入本文中。张力监测装置430可以传输电磁信号434，张力监测数据可以在电磁信号434上进行调制。信号434可以由收发器64(图1)接收，使得可以使用电流互感器160(参见图2)将相应数据置于钻柱上以便传输至钻机。应理解的是，可以通过收发器64从任何形式的地下工具接收无线信号，并且描述了张力监测装置的本实施例并非旨在限制。例如，在另一个实施例中可以使用绘图装置代替张力监测装置。这样的绘图装置例如可以利用惯性导航系统(ins)进行操作。
图6是进一步详细示出电子部分56的实施例的框图。部分56可以包括实现图1的收发器64实现所有功能的地下数字信号处理器510。传感器部分68可以经由模拟至数字转换器(adc)512电连接至数字信号处理器510。可以针对给定应用提供任何合适组合的传感器，并且例如可以从加速度计520、磁力计522、温度传感器524和压力传感器526中进行选择，压力传感器526可以在从钻柱和/或围绕钻柱的井下部分的环形区域内喷射钻井液之前感测钻井液的压力。适配器/隔离器60以图解的方式显示为将钻柱的井下部分402与钻柱的井上部分400分离，以便用于发送模式(将数据耦合至钻柱上)和接收模式(从钻柱恢复数据)中的一者或两者中。如图所示，通过第一导线528a和第二导线528b(可以由参考数字528共同地表示)将电子部分连接在由隔离器形成的电绝缘/隔离中断两端。在使用电流互感器的实施例中，这些导线可以连接至电流互感器导线。关于发送模式，可以使用电连接在地下数字信号处理器510和导线528之间的天线驱动部分530以直接驱动钻柱。通常，为了避免干扰，可以使用与用于驱动偶极天线540的任何频率不同的频率对耦合至钻柱中的数据进行调制，偶极天线540可以发射上述信号66(图1)。当天线驱动器530断开时，通/断开关(sw)550可以选择性地将导线528连接至带通滤波器(bpf)552，带通滤波器(bpf)552具有的中心频率对应于从钻柱接收的数据信号的中心频率。bpf552接着连接至模拟至数字转换器(adc)554，模拟至数字转换器(adc)554自身连接至数字信号处理部分510。考虑到所采用的特定形式的调制，本领域技术人员可以容易地对数字信号处理部分中经调制的数据的恢复进行配置。
仍然参考图6，偶极天线540可以连接以便用于发送模式(信号66被发送至周围土地中)和接收模式(接收例如图5的信号434的电磁信号)中的一者或二者中。关于发送模式，使用电连接在地下数字信号处理器510和偶极天线540之间的天线驱动部分560以驱动天线。此外，信号66的频率通常将明显不同于钻柱信号的频率以避免其间的干扰。当天线驱动器560断开时，通/断开关(sw)570可以选择性地将偶极天线540连接至带通滤波器(bpf)572，带通滤波器(bpf)572具有的中心频率对应于从偶极天线接收的数据信号的中心频率。bpf572接着连接至模拟至数字转换器(adc)574，模拟至数字转换器(adc)574自身连接至数字信号处理部分510。考虑到所采用的特定形式的调制并且考虑到该全部公开内容，在许多合适的实施例中本领域普通技术人员可以容易地对用于数字信号处理部分的收发器电子器件进行配置。鉴于本文中已公开的教导，可以以任何合适的方式来修改图6所示的设计。
参考图1和图7，后者是可以构成地上收发器装置的实施例的部件的框图，地上收发器装置总体上由参考数字600表示并且耦合至钻柱16。地上电流互感器602例如定位在钻机14上以便将信号耦合至钻柱16和/或从钻柱16恢复信号。电流互感器602可以电连接以便用于发送模式(将数据调制到钻柱上)和接收模式(从钻柱恢复经调制的数据)中的一者或两者中。收发器电子封装件606连接至电流互感器，并且可以由电池供电或者由钻机供电使得可以获得基本无限量的电力。就这点而言，井上传输功率通常总是大于由电池供电的井下收发器的井下传输功率。因此，井下传输功率在井下传输功率范围内可选择，井下传输功率范围低于最小井上传输功率使得井上功率总是大于任何选定的井下传输功率。在一个实施例中，最大井下传输功率可以低至1瓦特。通常，难以在电池电源上获得超过5瓦特的最大功率。在一个实施例中，通过使用超级电容器来存储来自电池的能量可以获得较高功率水平(例如，3至5瓦特)。然而，由于超级电容器的有限能量容量，因而工作周期将受到限制。相比之下，井上传输功率(即使为最小值)可以是100瓦特。对于发送模式，使用电连接在地上数字信号处理器618和电流互感器602之间的天线驱动部分610以驱动电流互感器。此外，为了避免干扰，可以使用与用于驱动地下壳体54中的偶极天线540(图1和图6)不同并且与隔离器60将信号驱动至钻柱的地下端部上的频率不同的频率对耦合至钻柱中的数据进行调制。当天线驱动器610断开时，通/断开关(sw)620可以选择性地将电流互感器602连接至带通滤波器(bpf)622，带通滤波器(bpf)622具有的中心频率对应于从钻柱接收的数据信号的中心频率。bpf622接着连接至模拟至数字转换器(adc)630，模拟至数字转换器(adc)630自身连接至数字信号处理部分618。应理解的是，数字信号处理部分618和包括井上收发器的相关部件，可以形成钻机的处理装置46(使用虚线示出的)的一部分，或者在合适的接口634上连接至处理装置46。收发器606可以向地下工具发送命令，以实现各种目的，例如，控制传输功率、选择调制频率、改变数据格式(例如，降低波特率以增加解码范围)等。考虑到所采用的特定形式的调制并且考虑到该全部公开内容，在许多合适的实施例中本领域普通技术人员可以容易地对用于数字信号处理部分的收发器电子器件进行配置。
仍然参考图1和图7，在中继器实施例中，另一个地下隔离器装置640(显示在虚线框内)与地下壳体54的另一个例子一起替换电流互感器602。装置640可以包括根据本公开的地下适配器/隔离器的任何合适的实施例，其包括在地下工具处使用的隔离器的另一个例子。在该装置中，隔离器连接至收发器606(图6)并且作为单元插入钻柱的一个接合处(通过示例，在距离地下工具1000英尺处)中以中继器的方式进行服务。因此，钻柱的分段400’可以将隔离器连接至钻机，而钻柱的分段402’用作在隔离器装置640和地下工具处的隔离器60之间的钻柱的中间分段。中继器单元例如可以插入形成在图1的钻管分段1和2之间的接合处。用于中继器应用中的地下壳体可以包括在一个端部处的盒配件和在相对的端部处的销配件。当然，本领域普通技术人员将意识到，盒与销配件的适配器是众所周知并且可容易地获得。在另一个实施例中，隔离器装置640可以插入接合处，同时中继器电子器件容纳在由扶正器(centralizer)支撑在相邻钻管分段的贯通通道内的压力筒中。在又一个实施例中，中继器电子器件可以置于端部加载或侧面加载的壳体中，并且以与隔离器电通信的方式插入钻柱中。这种端部或侧面加载的壳体可以包括允许钻井液流过其中的通道。当然，在这些实施例中的任何一个中，中继器电子器件可以以与上文描述一致的方式电连接至隔离器。为了避免信号干扰并且通过非限制性示例的方式，中继器可以以一个载波频率拾取源自地下工具或另一个中继器的信号，并且为了使信号彼此可区别，该中继器电子器件可以以不同载波频率向钻柱上重新传输信号。作为另一个示例，可以使用合适的调制以使信号可区别。因此，可以以与隔离器的信号耦合装置电通信以便基于接收的数据信号产生中继器信号(其区别于接收的数据信号)的任何合适的方式来容纳中继器电子封装件。
注意力现在指向图8，图8是显示总体上由参考数字700表示的先进双向钻柱通信系统的实施例的框图。系统700包括井上收发器702和井下收发器704。井上收发器702通常至少可以包括图7的先前描述的收发器600的特征，而井下收发器704通常至少可以包括图6的先前描述的井下收发器56的特征，从而包括用于发射定位信号的设置。因此，该双向通信系统可以在构成钻柱16的钻管/杆上沿两个方向发送数据。申请人意识到，至少因为例如从偶极天线540(图6)发射的电磁信号的信号强度(与距离的立方成反比)随着距离而经历耗损，因此系统700通过避免至少一些信号发射通过地面而带来益处。对于给定传输功率，通过使用钻柱作为电导体进行传输将可获得通信范围的增加。在下文公开的技术提供了经由钻柱使用这种双向通信的更进一步改进。
申请人意识到，关于通过钻柱传送电信号存在一些挑战。例如，钻机可以将来自其系统的电气/电子噪声电耦合至钻柱中。作为另一个示例，电磁噪声可以例如从与光纤电缆等相关的地下电力线和追踪器线沿着钻井路径传出。该噪声可以经由土壤的导电性而耦合至钻柱上。作为又一个示例，信号失真可能由于构成钻柱的钻杆、钻杆之间的互连以及钻柱周围的土壤而产生。随后的详细讨论噪声和失真对钻柱所载送的电信号的影响来描述信号退化，之后提出涉及进一步增强这样的通信系统的至少三种方法和相关设备。如将看见的，这些方法涉及：(1)噪声扫描，(2)均衡和(3)训练或定制接收器。
如上讨论，钻柱中的电噪声可以从钻机和/或经由土壤的导电性从土壤中的地下源(例如地下电力线)耦合至钻柱。这些噪声依赖于钻井现场处的周围环境，并因此，随着现场的不同而可以发生变化。相应地，假设噪声由函数n(t)表示，并且既可以是宽带又可以是窄带。通过非限制性的示例，窄带噪声包括50或60周期电力线噪声的基波，而宽带噪声包括电力线通信(plc)、马达控制器噪声和50或60周期电力线频率的谐波。
失真可以由于通过钻杆(例如钻杆之间的互连)引入的电寄生元件以及从钻杆周围的土壤的导电性而产生。图9示出了土壤中总体上由参考数字720表示的钻柱的一个近似模型。钻柱由n个钻杆构成，并且土壤的导电性至少在某种程度上难以定义，然而，它可以通过示出的模型近似逼近。这种电模型可以通过下面的数学拉普拉斯表达式进行表示：
其中ai是常数并且由模型的电寄生电阻器和电容器以及土壤的导电性进行限定，例如，在图9中所示出的。术语“信道”指的是在井下收发器704和井上收发器702之间延伸的互连钻管分段的全部路径长度。下文，信道可以指整个钻柱的电特性。方程式eq(1)可以称为信道的传递函数。可以如下面所示地以更熟悉的形式来表达方程式eq(1)：
方程式eq(2)揭示了信道像带限滤波器(bandlimitingfilter)一样作用于传输信号上。方程式eq(2)具有时域表达式，如下：
其中
注意力现在指向图10a和图10b，图10a和图10b分别是显示关于井下收发器704和井上收发器702的细节的框图。最初地，需要注意的是，井上收发器702的发射器800可以是任何合适的类型，例如，使用用于驱动电流互感器602(图7)的h桥配置。由发射器800生成的信号可以通过井下收发器704中的接收器802(使用任何合适类型的接收器，例如，包括耦合至低噪声前置放大器的前端保护电路，跟随低噪声前置放大器之后的是耦合至模拟至数字转换器和数字信号处理器的带通滤波器)进行接收。就这一点而言，需要注意的是，这样的接收器通常用于接收定位信号66。关于发射器800和接收器802，申请人已经认识到，为了穿通至井下收发器的通信，可以在钻机处获得基本不限量的功率，如下面将进一步讨论的。在井下收发器704中的发射器部分802接收转换成数字形式的传感器数据812。传感器数据由数据编码器/加密部分810进行编码和加密。就这一点而言应理解的是，数据加密不是必须的。虽然本文中所描述的实施例通过非限制性示例采用相移键控的变型，然而应理解的是，可以使用当前可获得的或有待开发的任何合适形式的调制，同时仍然依赖于本文中公开的教导。其它合适调制方案包括例如移频键控(fsk)和曼切斯特编码。多路复用器910然后可以选择性地将数据耦合至mpsk(多相移键控)调制器912，以便调制到载波上。mpsk调制器可以执行2m相位调制，其中m＝{1,2,3,4}。多路复用器914然后可以选择用于电磁耦合至钻柱上的经调制的信号。耦合信号可以具有以下形式的数学表达式：
其中pt是传输功率，fc是载波频率，θk是表示数据位的载波相位，以及d(t)是基带信号。例如，如果m＝1，那么mpsk变成bpsk(二进制相移键控)，其中根据以下映射二进制数据：
作为另一个示例，对于m＝2，mpsk变为qpsk(正交相移键控)，其将两个二进制数据位映射成四个相位中的一个。下面示出了两个位至载波相位{θk}的qpsk的一种映射：
相应地，在qpsk实施例中四个载波相位值表示四个数据符号。
在方程式eq(4a)中，d(t)表示如下限定的基带信号：
其中tb是位持续时间，并且p(t)可以定义如下：
响应于电信号在钻柱上的传输，信号在到达接收器(例如，在钻柱的相对的端部处)时因噪声和失真而衰减。衰减的接收到的信号可以以数学方式说明如下：
其中pl<1表示传输信号在传播通过钻管分段中遭受例如泄漏至导电土壤中的功率耗损。术语n(t)表示从周围环境引入到钻柱上的噪声，噪声增加至传输信号。函数f(t)表示通过信道已失真的基带波形并且可以定义如下：
其中*指的是卷积运算，d(t)定义在eq(5a)中，以及c(t)定义在eq(3)中。例如，在方程式eq(6a)中定义的信号到达井上收发器702处，在井上收发器702处可以对信号进行解调和解码以恢复基带二进制数据{cos(θk),sin(θk)}。
图10b是示出井上收发器702的实施例的框图。在该实施例中，井上收发器包括井上接收器1000。后者可以放置成经由多路复用器1002并使用诸如电流互感器602的合适耦合装置选择性地与钻柱16通信。接收器1000包括载波跟踪环和解调器1004，载波跟踪环和解调器1004跟踪接收到的信号的载波频率和相位，然后连贯地/同步地解调载波。当然，选定的具体类型的载波跟踪环和解调器与用在井下收发器中的调制器互补。还可以采用数据转换跟踪环(dttl)1006来跟踪位计时转换，使得可以以增加的准确度对{cos(θk),sin(θk)}进行解码。这样，在该实施例中，井上接收器的同步操作可以增强其自身的通信能力。同步检测至少提供了使用相对更窄带宽的信号检测的好处。使用与井上数据编码器和解密器810互补的数据解码器/解密器1008。信道带宽和信噪比估计器1010可以跟踪带宽与信噪比的反比关系。例如，随着距离增加，信号耗损的水平相应地增加。为了在增加距离的情况下维持给定信噪比，通常需要减小带宽和/或增加信号功率(如果可以获得更大的功率)。关于增强井下和井上收发器之间经由钻管分段的通信，可以采取附加措施以更进一步地减小噪声和失真的影响。如下面详细讨论，这些措施可以包括但不限于：(1)噪声扫描，(2)均衡，以及(3)训练序列的应用。
噪声扫描
参考图10a，钻柱16携带的电噪声会大大减小传输信号的有用范围。在一个实施例中，可以避免钻柱信号在含有噪声的频率上进行传输。因此，噪声扫描仪1012可以确定哪些频率噪声最少。需要注意的是，噪声扫描仪1012还以虚幻的形式显示在图10b中。因为井上噪声和井下噪声非常不同，因此可以提供并使用这些噪声扫描仪中的一个或者两个。可以使用许多合适方法中的任何一种来确定哪些频率含有噪声以及哪些频率不含有噪声。通过非限制性示例，例如，可以在任何期望带宽上或以预定频率使用fft(快速傅里叶变换)、dft(离散傅里叶变换)或psd(功率谱密度)确定噪声频谱。就这一点而言，共同归属的于2009年7月6日提交的us公开专利申请no.2011-0001633(us序列号为no.12/497,990)的全部内容通过参引的方式并入本文中，其描述了用于确定噪声频谱的技术。在本申请中，在井上和井下收发器中的发射器断开的情况下，可以更有效地扫描噪声。在发射器断开且假设以采样频率(每秒样本数)fs对eq(6a)中表示的噪声信号n(t)进行采样，则
方程式eq(7)可以提供至少在[-0.5fs,0.5fs]的带宽上作为频率函数的噪声的大小。用于传输的期望频率可以是具有最小值|r(f)|2的可获得频率。
在另一个实施例中，噪声扫描仪1012可以包括滤波器组，例如，一组带通滤波器或一组goertzel滤波器，用于确定一组频率中哪些频率含有噪声以及哪些频率不含有噪声。可以以任何合适的方式定制构成滤波器组的各个滤波器的带宽。从滤波器组的第k个滤波器测得的噪声功率为
由于滤波器组中的每个滤波器可以处于感兴趣的频率处，因此产生pn的最小值的滤波器可以选择作为噪声最小的频率。应理解的是，可以使用任何合适类型的滤波器，只要该滤波器提供确定特定频率处或频带内的功率的能力。通过非限制性示例，合适的滤波器的实施例包括fir(有限脉冲响应)和iir(无限脉冲响应)滤波器。
信号失真校正
鉴于上述讨论，已表明：至少从实际角度来说，由可拆卸附接的钻管分段构成的信道的行为像带限滤波器(例如，fir(有限脉冲响应)滤波器)一样。在该信道上传输信号导致失真，如eq(6a)和eq(6b)所示。申请人意识到，该类型的失真使基带波形拓展。这样的现象被称为符号间干扰(isi)，并且具有降低信噪比(snr)的效果，这缩短了井下和井上收发器之间通信的有用范围。可以使用补偿响应来校正isi，可以通过使用均衡器实施补偿响应。如将看到的，均衡器包括均衡器响应，该均衡器响应可以基于一组均衡器系数进行定制，使得均衡器响应可适用于信道传递函数中变量的范围。实际上，均衡器可以被认为是接收器处的另一个fir滤波器(还称为解卷积滤波器)，将基于信道响应的估计值与测得数据之间的差的最小均方误差(mmse)来确定系数。参考图10b，同相位均衡器1014和正交相位均衡器1016选择性地接收来自切换部分108的符号输入，切换部分108响应于dttl1006进行切换。通常，对于本实施例在90度增量中进行切换。其它实施例可以使用合适的但不同的切换增量。假设接收到的信号已成功解调使得基带数据得以恢复，方程式eq(6a)简化至同相位和正交相位分量：
其中b(k)是基于fir函数的信道近似。应理解的是，可以以符号率(参见eq(4c))对eq(9a)和eq(9b)进行处理。字符“*”指的是卷积处理。
期望的是估计或表征用于带限信道的系数b(k)。在实施例中，通过采集ri(k)或rq(k)的n+1个采样可以确定系数b(k)。应理解的是，任何一个均可以使用，因为信道系数b(k)在两种情况下是相同的。相应地，不需要使用ri(k)和rq(k)两者来确定信道响应b(k)。相应地，
以向量形式(即，在n+1个采样上)，方程式eq(10)可以写成：
ri(k)＝hi(k)b(k)+ni(k)eq(11a)
rq(k)＝hq(k)b(k)+nq(k)eq(11b)
其中ri(i)和rq(i)是(n+1)列向量，hi(i)和hq(i)是(n+1)×m矩阵，以及ni(i)和nq(i)是(n+1)列向量。在方程式eq(11a)和eq(11b)的形式中，可以使用附录a中讨论的最小均方误差(mmse)标准解出信道系数b(k)。一旦估计出表示为
请注意，d(k)针对所有k值总是为1，因此为清楚起见从上述方程式中省略它。可以使用方程式eq(12)的一般形式以确定sin(θk)或者cos(θk)(即，正交信道中的数据符号)的最小isi。方程式eq(6a)的同相位和正交相位分量可以如上讨论地单独处理，或者一起处理。方程式eq(9a)和eq(9b)可以重新写成复数形式，使得eq(6a)的同相位和正交相位分量可以同时处理。在复数形式中，方程式eq(9a)和eq(9b)可以写成
rc(k)＝z(k)*b(k)+n(k)eq(13a)
其中
n(k)＝ni(k)+nq(k)eq(13c)
其中
rc(k)＝z(k)b(k)+n(k)eq(14)
请注意z(k)现在是大小为(n+1)×m的矩阵。使用附录a中的方程式eq(a13)可以确定信道系数b(k)。同样地，方程式eq(13b)所示的复数数据符号z(k)可以确定如下：
可以使用附录a中的方程式eq(a13)确定复数数据符号z(k)。
总体而言，通过使用均衡器可以校正由fir信道造成的isi。图11a和图11b以图解的方式示出了可用于图10b背景下的两个均衡器的一般实施例。在mpsk的例子中，需要注意的是，均衡器的相同实施例一般用于同相位和正交相位均衡器。图11a中的第一均衡器1200是线性信道均衡器，其使用含有噪声的当前和在前的测量结果ri(k)或rq(k)或rc(k)以消除isi。
图11b示出了为非适应性判决反馈(dfe)均衡器的第二均衡器1300，其使用在前的估计数据位来改善isi的消除。dfe包括前馈滤波器1302、阈值检测器1304和反馈滤波器1308。前馈滤波器1302和反馈滤波器1308用作线性分量，而检测器1304引入滤波器的非线性元素。在实施例中并通过非限制性示例，如果电压大于或等于零则阈值检测器可以设置为逻辑电平1，如果电压小于零则阈值检测器可以设置为逻辑电平-1。反馈滤波器1308的输入是来自检测器1304的最后确定的位。通过将反馈滤波器1308的输出增加至来自前馈滤波器1302的输出，可以从估计位中减小isi。均衡器1300输出每个数据位的软估计1310以及每个数据位的硬限幅器估计1312。“软”数据位指的是可以由任何合适的电压值或任何合适的幅值表示的位。例如，软估计数据位可以具有{+a，-b}的值，其中“a”表示任何电压或幅值，并且b表示任何电压或幅值。即，软估计位不是二进制，并且可以表征为在均衡器1300收敛时满足最小均方误差条件的多个不同值中的一个。通过获取输出1310和传输数据序列的差的平均值可以用公式表达最小均方误差。另一方面，“硬限幅器”数据位是二进制，并且指的是由一组仅两个值表示的位(先前为软估计位)。例如，硬限幅器估计位可以具有仅{+1或-1}或{+a或–a}的值，其中a是幅值或电压值。从均衡器输出的数据位的软估计可以提供至软判决前向纠错(fec)解码器。从均衡器输出的硬限幅器估计位可以提供至硬判决fec解码器或数据解密-加密器。当由通信信道提供的环境已知且期望该环境相对静态/稳定时，可以提前确定前馈滤波器1302的前馈传递函数f(z)和反馈滤波器1308的反馈传递函数d(z)，使得可以使用非适应性均衡器。
均衡器的另一种形式是适应性均衡器，其依赖于均衡器输出的判决或训练序列来对均衡器的前馈传递函数和反馈传递函数的系数进行更新。图12a是总体上由参考数字1400表示的适应性前馈均衡器的实施例的框图。在本实施例中，均衡器适应于基于硬限幅器输出1312中选定的一个或通过训练位序列1404(也显示在图10a中)的通信信道传递函数。可以经由以图解方式示出的开关1408获取训练位序列。前馈滤波器1410从通信通道接收输入1412。应理解的是，前馈滤波器1410与图11b的前馈滤波器1302不同，这至少是因为滤波器1410的系数可适应于改变的通信信道传递函数。滤波器1410的系数可以调节以将输入误差信号1414驱动至最小均方误差(mse)值。通过斜线以图解的方式表示被前馈滤波器1410使用以调节其系数的误差信号，该斜线穿过前馈滤波器。通过从均衡器的硬限幅器输出位序列或训练位序列(取决于开关1408的设置)减去软估计1310形成误差信号1414。当调节滤波器1410的系数时，作为时间函数的误差信号1414的mse将倾向于收敛或倾向于发散以分别展现负斜率或正斜率。当误差信号1414的mse展现正斜率时，滤波器的适应性或者可以利用较小的调节步长重新开始或者可以使用训练序列。当误差信号1414的mse展现负斜率(即，误差的mse趋向于越来越小)时，前馈滤波器1410的系数的适应性收敛。当作为时间函数的误差信号1414的mse为水平(即，斜率为零)时，则已利用最小均方误差值使前馈滤波器1410收敛并适于通信信道传递函数。当使用训练序列时且在利用训练序列的适应性过程期间，当均衡器的适应性发生时发射器必须在通信信道上将相同的训练序列发射至接收器。
使用训练位序列(而不是估计位序列)适应性地调节f(z)的系数可以提供均衡器的更好的准确性和更好的性能，即使是在低信噪比(snr)的情况下。然而，应记住的是，在系统端至端之间使用训练位序列时训练间隔必须是专用的。即，为了进行训练过程在井上和井下收发器之间需要协作，这是因为井下收发器将训练序列传输至井上收发器，或者反之亦然。应理解的是，如果井下收发器包括均衡器，则井上发射器可以将训练序列传输至井下收发器。另一方面，如果均衡器的硬限幅器输出1312用于调节前馈均衡器1410以调谐f(z)的系数，则专用训练时间是不需要的。
图12b是整体上由参考数字1500表示的适应性判决反馈(dfe)均衡器的实施例的框图，该均衡器使用了训练序列1404并且如均衡器1400一样为了反馈而使用开关1408在硬限幅器输出1312和训练序列1404之间可进行切换。均衡器1500是包括反馈滤波器1504的dfe均衡器。应理解的是，反馈滤波器1504与图11b的反馈滤波器1308不同，这至少是因为均衡器的硬限幅器输出位1312或训练位序列可以选择性地用于形成误差信号1508，误差信号1508然后用于适应性地调谐反馈滤波器d(z)1504的系数。使用误差信号1508根据通信信道响应的变化适应性地调谐前馈滤波器f(z)1410和反馈滤波器d(z)1504。取决于开关1408的设置通过从均衡器的硬限幅器输出1312或从训练序列1404减去软估计输出1310，可以以公式表达误差信号1508。然后将误差信号1508馈送至滤波器d(z)和f(z)，由穿过f(z)1410和d(z)1504的斜线或竖线以图解方式示出，其中f(z)和d(z)滤波器的系数被重新调谐以将误差信号1508驱动至最小值。该最小值可以称为最小均方误差(mmse)。当mmse增加时，滤波器的系数被认为发散。在该情况下，可以利用较小的更新步长或通过使用用于自适应的训练序列重新设置并重新开始该过程。当mmse减小时，滤波器的系数被认为收敛。当随着时间或采样指数(sampleindex)的变化mmse的曲线平直(即，斜率至少大致为零)时，那么滤波器f(z)和d(z)的系数被认为收敛，并且均方误差信号1508被认为处于最小。当开关1408选择训练序列时，通过将输入误差信号1508(由穿过f(z)1410和d(z)1504的斜线或竖线以图解方式表示)驱动至最小值根据改变的通信信道传递函数适应性地调谐f(z)和d(z)的系数。在井上收发器中的均衡器利用训练序列进行训练时，井下收发器也通过信道将相同的训练序列传输至井上收发器。在另一个实施例中，井下收发器可以包括被动均衡器(subjectequalizer)，使得井上收发器将训练序列传输至井下收发器。在这样的实施例中，井上收发器可以包括图10a所表示的元件部分，并且井下收发器可以包括图10b所表示的元件部分。即，本文中描述的任何类型的均衡器可以设置在井上和井下收发器中。再一次地，在mpsk的例子中，需要注意的是，均衡器的相同实施例一般用于同相位和正交相位均衡器。
在一个实施例中，如果isi主要由钻管造成，在不引入噪声考虑因素和不需要获取测得的数据(在钻井环境中受环境噪声的影响)的情况下，通过预先确定信道传递函数可以提前开发用于钻管的信道模型(即，传递函数)。在该情况下，信道传递函数是钻管的电特性和钻柱中管的数量的函数。因此，可以提前开发信道传递函数，如方程式eq(1)、eq(2)和eq(3)中所示。
接收器训练
在一个实施例中，本公开的通信系统可以采用至少用于训练图10b的井上接收器702中的均衡器的训练序列1404。需要注意的是，训练序列也显示在图12a和图12b的均衡器中。为了增强通信，可以通过该过程确定多个接收器参数。信道带宽确定频率范围或有效到达井上收发器的带宽。然后识别系统能够操作的可行频率作为参数，使得落入该信道带宽内的最低噪声频率可用于通信。其它参数包括传输功率耗损和噪声功率，其可以确定井下发射器至少用来发射到井上接收器的最小功率。应理解的是，通过在仍保持足够可靠通信的同时以最小功率操作，可以实现井下收发器中电池寿命的显著增强。期望的是选择具有如下的自协方差的长度l的训练序列：
其中t(i)指的是训练序列，并且tb是位持续时间。为了使训练有效，接收器包括位形式的训练序列1404(图10b)的副本。在将训练序列传输至接收器之后，接收器然后在信道传递函数和接收器信噪比(snr)的计算中可以使用训练序列的副本，以与接收到的训练序列进行比较。即，在存储的训练序列与从均衡器输出的接收到的训练序列之间的差。一旦误差(训练序列与估计序列之间的差)达到最小均方值，训练序列还可以用于训练适应性均衡器。图12a和图12b示出了适应性均衡器怎样使用训练序列。一旦适应性均衡器达到最佳、最小误差解，就可以如下地估计出信道带宽：
其中
需要注意的是，
其中
请注意，d(k)对于所有k值而言总是为1，因此为清楚起见在eq(20)中省略它。在方程式eq(20)中，第二和项是训练序列的自相关，因此它可以提前确定。此外，通过数据分量和噪声分量为正交且具有零平均值的假设，可以获得eq(20)中的结果。根据分别在eq(19)和eq(20)中限定的用于数据分量和噪声分量的接收功率，接收器处的信噪比得以确定，如下：
经过训练接收器均衡器、确定信道带宽和接收信噪比，发射器的传输频率和发射功率水平均可以设置以在发射器和接收器之间提供可靠且功率有效通信。
系统操作
注意力现在指向图13a，图13a示出了总体上由参考数字1700表示的方法的实施例，其至少可适用于响应于误差条件启动和重新初始化系统。该方法在1702处开始于通电。在通电之后且在井上和井下发射器断开的情况下，在1704，井下收发器使用上述讨论的方法中的一种(例如，在上述并入的us公开专利申请no.2011-0001633中所描述的方法)扫描噪声。需要注意的是，在另一个实施例中，噪声扫描仪可以在井上收发器中。在噪声扫描之后，在1706，包含适当的噪声扫描仪的收发器可以选择确定为含有最小噪声的传输频率。在1708，选定的频率然后用于将命令发送至井下收发器，其中具有足够的功率使其到达。如上所述，申请人意识到，在钻机处可获得基本不限量的功率，使得仅通过使用足够的传输功率几乎总是可以建立从钻机至地下设备的通信。在一个实施例中，井上收发器至少最初可以使用最大发射器功率来发射命令。一些实施例可以包括2瓦到至少10瓦范围内的最大功率。一些实施例基于用在钻机上的信号耦合装置和电子器件的配置可以包括例如达100瓦甚至更高的最大功率。在1708，该命令识别井下收发器用于将训练序列传输回到钻机处的井上收发器应使用的频率。在1710，井下收发器例如可以使用其最大发射器功率来传输训练序列。在1712，井上收发器响应于该训练序列而训练其接收器均衡器，确定接收信噪比，并且确定信道的带宽，如上所述。在1714，如果均衡器训练失败，则操作返回至1706以选择新的传输频率，接着重复该方法的后续步骤。通过非限制性示例，在1712处的训练失败判决可以基于误包率、信噪比或其任何合适的组合。通过非限制性示例，在与传输至钻柱上的信号的质量相关的本文中所述的任何背景下，用于建立不合适性能的合适阈值对于snr可以是5db，以及对于误包率/误码率可以是0.2(百分之二十)。在一个实施例中，操作可以返回至1704以重复噪声扫描，这是因为环境噪声条件自最后一次噪声扫描之后可能会发生变化。在另一个实施例中，操作器可以设置有选项，以响应于训练失败手动设置诸如传输频率等参数和/或在操作期间的任何时间手动超控(override)自动频率选择。响应于成功训练或手动超控，在1716，井上收发器至少已建立可行传输频率，井下收发器应使用什么样的符号数据率并且应使用什么样的发射器功率设置来实现可靠通信，同时节省电池功率。这些总结如下：
●选择位于信道带宽(由eq(16)描述)内且含有最小噪声的传输频率。
●选择使用小于信道带宽的符号率。
●选择发射器功率使得snr>1。
在1716，将操作参数传输至井下收发器。参数选择可以是一组完整的自动选定的参数或者是自动和手动选定参数的任意组合。作为后者的示例，可以手动地选择频率，并且自动地选择所有其它参数。进一步地，鉴于手动选定的参数的值，可以对自动选定的参数的值进行调节。在1720可以进行正常操作。例如，一旦井下收发器配置有这些参数，井下收发器则可以开始将传感器数据(图10a)向上传输至钻机。应理解的是，在操作期间以预定间隔(例如，以钻柱的预定长度和/或以预定时间间隔)自动地重复程序1700。在一个实施例中，可以在钻柱的100英尺(然而可以使用任何合适的距离)延伸处执行训练，并且训练可以是基于通信信道的动态而进行的。进一步地，操作器可以设有手动选择以在任何时间启动该方法。在一个实施例中，在1722，在继续操作期间可以由井上收发器检测通信耗损或某些程度的衰减。通过非限制性示例，可以监测误包率以检测信号衰减。例如通过监测包结构内的同步位可以即时建立误码率(ber)。在一些实施例中，可以监测超过一个方面的信号衰减，例如，ber和snr。当前可获得的或有待开发的任何合适的技术可以用来监测信号的质量。应理解的是，当用适当的数据对定位信号66进行调制时，这样的错误率监测也可以适用于定位信号66。响应于该检测，操作返回至噪声扫描1704。否则，在1720重新开始正常操作。
电池寿命和通信优化
如通过上文描述所证明的，申请人意识到，井下收发器可以利用钻柱16上足够的传输功率以足够可靠的水平维持通信。如通过图13a所表明的，如果地下收发器由于距离和/或地面条件而遭受足够的数据丢失，则井上收发器指示井下收发器单独地或组合地采取任何数量的行动实现改善通信的目的。可获得的行动包括(1)增加传输功率，(2)选择不同传输频率，以及(3)改变向上传输至钻柱上的数据的波特率，因此交换波特率以增加信噪比。可以单独地或以任何合适的组合以很大程度的灵活性采用这些行动。例如，图13a的步骤1706最初可以选择可获得最低噪声的传输频率。基于训练序列，步骤1712可以确定误包率。如果误包率太高，则波特率可以指定至较低值，并且1714处的训练失败可以使程序返回至1706，以较低波特率进行新的迭代。
当使用地下电池时关于增加操作时间的一种方法是增加电池的大小。参考图1且在一个实施例中，例如可以由管分段n携带电池组件以提供足够水平的可用功率。然而，关于节省电池功率也可以采取附加措施。
参考图1，收发器64可以传输偶极信号66通过地面，以便例如进行地上定位和深度检测。当然，偶极信号的传输将耗费井下收发器中的电池功率。作为示例，当积极地驱动偶极天线时，典型的偶极发射器增加约0.35瓦特的电池消耗。当不驱动天线或者不将信号耦合至钻柱上时，收发器64的功率消耗能下降至约0.15瓦特，同时仍然允许功率用于传感器和处理活动。井下收发器704(图10a)的功率消耗将增加约适中的0.1瓦特用于驱动钻柱，例如，使用电流互感器或电隔离间隙将信号耦合至钻柱上。
参考图13b，由参考数字1730表示的流程图示出了动态地且自动地控制定位信号的传输的方法的实施例。在1732，地面步行定位器自动地监测地面步行定位器是否处于激活或禁用状态。处于激活状态的定位器积极地进行接收并使用定位信号。然而，在禁用状态下，定位器会使涉及定位信号的检测和处理的部件和/或处理停止。可以以任何合适的方式进行监测。例如，加速度计520(图6)可以容易地检测定位器的任何移动。如果基于加速度计的读数确定定位器在一段时间(例如，两分钟)内未移动，则可以调用或重申禁用状态。作为另一个示例，例如可以使用超声波传感器来检测定位器与地面的靠近程度。如果定位器静止地坐置于表面(例如地的表面)上持续相对较短的时间段(例如，两分钟)，则可以调用或重申禁用状态。一旦检测到状态改变，操作进行至1734，此时可以将状态指示经由遥测信号92(图1)传输至钻机，遥测信号92表示新的激活/禁用状态。响应于新的状态指示，在1736，当前状态可以呈现在系统中的一个或多个显示器上，如将进一步描述的。
参考图13c并结合图13b，前者示出了屏幕截图的实施例，该屏幕截图响应于步骤1736可以呈现在显示器1740上并且可以表示钻机处的屏幕44、装置80上的屏幕86和/或系统10中任何合适的显示器。显示器可以显示定位信号的当前自动选定的激活或禁用状态1742，并且可以进一步提供激活/禁用定位信号超控选择1744以在激活和禁用状态之间选择性地切换定位信号66。该手动选择可用于超控定位信号的任何自动地选定的当前状态。在1746，监测超控选择。如果选择超控，则定位信号的当前状态不发生变化，并且操作返回至1732。如果未选择超控，操作进行至1748，声明新的激活/禁用状态。操作然后返回至1732。响应于改变钻机的显示器44上的激活/禁用状态，可以将命令从钻柱向下传输至井下收发器56(图6)使得井下收发器能够适当地响应。如果操作者意识到便携式装置即将失去与钻机的遥测通信，则操作者可以保证在遥测失去之前将定位信号设置为激活状态。在其它情况下，操作者可以选择以使用超控选择1742。例如，操作者可能希望将定位器置于地面上的静止位置处并且在定位器显示器上观察钻孔工具的进程。如果定位信号变为禁用，则操作者可以使用超控选择1744，以使井下收发器重新开始传输定位信号。当钻杆增加至钻柱时超控选择1744也是有用的，因为这能够包括相当长的时间段。许多操作者选择在增加钻杆之前确认钻孔工具的位置和深度。在完成该确认之后，或者钻机或者便携式定位器处的操作者可以指示定位信号进入禁用以节省井下电池功率。
相应地，除非积极需要偶极信号66(例如，获得深度测量)，井上收发器702可以命令井下收发器704断开偶极天线发射器以节省电池功率。申请人意识到，根据本文中公开的教导，当不传输偶极信号且不将作为电信号的数据传输至钻柱上时，可以实现至少20％的功率节约。就这一点而言，电池寿命和功率节约之间的关系通常是非线性的，使得功率节约可以转化为电池寿命的显著更大百分比的增加。此外，井下收发器或远程站(如果使用)可以识别到达定位器80的偶极信号的特性，因此保持定位器的深度准确性。因此，基于附近的钻井环境(例如，极端深度或高水平的噪声/干扰)，可以即时改变偶极信号的功率节约特性。当不能进行地面步行定位时(例如，在穿越河流期间)，井上收发器甚至可以指示井下收发器断开偶极天线直到进一步通知以节省电池功率，由此迫使井下收发器至少停止定位信号66(图6)的传输以启动定位信号的禁用模式。
为了解决功率节省方面的问题，井下收发器可以配置为响应于某个时间段内的不移动的检测而进入休眠模式。该时间段可以是基于默认时间段(例如，10分钟)和/或可以是可编程的。在休眠模式期间，井下收发器可以监测面向角取向并响应于旋转检测而唤醒。在一个实施例中，使用接收器802(图10a)，井下收发器可周期性地监听钻柱以检查来自井上收发器的任何命令，并且响应于检测到命令而唤醒。在唤醒之后，井下收发器可以重新启动定位信号在其进入休眠时的相同状态。后者在例如钻机遇到机械困难且在某个时间段不能操作的情况下也是有用的。在钻杆断裂且井下收发器进入休眠的情况下，通过推动钻柱以减小跨越断裂的间隙并重新开始通信可以维持经由钻柱的通信。然后，可以激活定位信号，使得可以从地面重新获得钻孔工具。通常，钻机将具有充足的传输功率以到达井下收发器。应理解的是，便携式装置80还可以配置成进入休眠模式。响应于操作者使便携式装置停止和/或使便携式装置进入休眠模式，便携式装置能够将禁用状态命令发送至钻机，使得定位信号可以停止。
如上参考图1以及附加参考图6的讨论，不需要对定位信号66进行调制。在不调制的情况下传输定位信号66的实施例中，至少从作为纯音的实际角度出发，申请人意识到，对于施加于定位信号的给定水平的传输功率，可以提供增强的深度范围和/或归航范围。增强的能力可以归因于以下因素，包括避免将载波功率分散至调制旁瓣，以及为了在定位器80处接收纯音而应用非常窄的带宽滤波的能力。用于这样的窄带滤波器的带宽可以是例如0.5hz至1hz。需要注意的是，该范围的下限影响响应时间。如以不同方式阐明的，在给定深度范围和/或给定归航范围下传输未调制载波，可以减小施加于定位信号66的传输功率，至少用于节省电池功率。当然，图1的系统提供用于电磁定位信号和井下信号的同时调制。通过将例如井下传感器产生的数据从电磁定位信号上的调制转移至井下信号(沿钻柱向上行进)上的调制，该电磁定位信号可以更靠近或接近由纯音(未调制定位信号)提供的深度或接收范围。
在一个实施例中，便携式/地面步行定位器80通过将选择信息经由遥测信号92传送至钻机可以提供对偶极传输功率和/或频率的自动和/或手动选择。在钻机处，井上收发器600可以将选择命令发送至井下收发器，以相应地传输定位信号66。由于准确深度确定依赖于传输频率和偶极强度，因此可以通过系统的任何合适的部件来确定深度，其中合适的部件包括但不限于便携式定位器和井上收发器。在一个实施例中，可以自动地和/或手动地指示便携式定位器80监测接收到的偶极信号66的特性，例如，信号强度。如果信噪比低于特定阈值，则便携式定位器然后可以通知操作器和/或自动地发送指令，如上所述，目的是改善信噪比。在缺乏对于便携式定位器的操作器一部分所需要的了解的背景下，可以执行这样的偶极信号的自动监测以及偶极信号重新配置。例如，响应于检测到信噪比下降，便携式定位器可以内在地开始对偶极信号的其它可用频率的扫描(确定与其它可用频率相关的当前信噪比)，并且之后，选择具有最高信噪比的频率。在一个实施例中，定位信号被调制时，可以基于不能对来自于定位信号的面向角取向信息、倾角取向信息和/或其它状态信息进行解码而检测到定位信号的大幅衰减。定位信号的这种衰减可能出现在例如高干扰环境中。
图14是示出了总体上由参考数字1800表示的方法的实施例的流程图，其适用于与图10a的井下收发器704协作的图10a的井上收发器702的操作。该方法具体涉及启动以及对正常操作期间发生的通信耗损的响应。该方法在1802可以开始于通电或检测到通信耗损。在1804，井上收发器使用上述方法中的一种扫描噪声。通常，该步骤在井上和井下发射器断开的情况下进行。在1806，井上收发器将命令发送至井下收发器，该命令指定井下收发器使用的传输频率和请求井下收发器传输图10b中1404处所示的训练序列。在1808，井下发射器通过将训练序列1404(图10a)传输至井上收发器来确认该请求。在1820，mpsk载波跟踪环和解调器1004(图10b)试图锁定至来自井下收发器的信号的载波频率和相位上。步骤1822判决载波跟踪环是否成功锁定。如果不成功，操作则返回至步骤1806。如果载波跟踪环被成功锁定，操作则进行至1824。该后一步骤确定井上收发器中的数据转化跟踪环(dttl)1006是否已锁定至数据符号上。如果没有，则操作返回至步骤1806。如果dttl成功锁定，则操作进行至1828。在1828，确定井上接收器是否响应于训练序列而被成功训练。如果训练成功，操作则进行至1830，在1830至少确定井上收发器处的信道带宽和信噪比。在1832，例如基于训练结果和由井下收发器使用的信道特性以及包括符号率和最佳传输功率(能够结合功率节约确保可靠通信)的参数，井上收发器确定最可行的传输频率。需要注意的是，相比于先前通过步骤1804确定的传输频率，选定的传输频率在操作期间的这个时间点可以发生变化。在1836，确定的参数被传送至井下收发器。在1838，井下收发器基于确定的参数重新配置发射器操作，并且通过将传感器数据传输至井上收发器而开始正常操作。
图15是示出了总体上由参考数字1900表示的方法的实施例的流程图，其表示在便携式定位器80和井下收发器702之间的通信协议以用于在从井下收发器传输定位信号66(图1和6)时维持便携式定位器对定位信号66的接收。在1910，由便携式定位器检测定位信号66的耗损或信号大幅度衰减。在一个实施例中，定位信号的衰减可以通过误码率(ber)进行确定，在接收定位信号时由定位器跟踪误码率。可以响应于违背最大ber阈值的误码率表明信号耗损。在另一个实施例中，信号衰减可以是基于定位信号的信噪比(snr)的确定，该定位信号具有通过响应于违背最小snr的信噪比而表明的信号耗损。在一些实施例中，可以监测信号衰减的几个方面，例如，ber和snr。通过非限制性示例，在本文中所述的任何技术的背景下，用于建立不合适信号质量的阈值对于snr可以是5db，以及对于ber可以是0.2(百分之二十)。当然，信号耗损(其中信号不能再被检测到)违背了这些值。任何合适的技术可以采用以用于监测定位信号的质量。在1912，便携式定位器进行噪声扫描以识别可获得的展现最低噪声水平的传输频率，例如，在上述并入的us公布专利申请no.2011-0001633中所描述的。例如，在一个实施例中，离散傅里叶变换(dft)可以应用于确定感兴趣的频率处出现的噪声。应理解的是，可以采用任何合适的技术，包括例如goertzel滤波器，或者作为另一个示例的小波变换。在1914，便携式定位器经由遥测信号92(图1)传输信号耗损命令，遥测信号92识别用于定位信号66的新参数，新参数可以包括但不限于传输功率、载波频率、波特率和调制模式。例如，最初可以选择最低噪声可用载波频率以及适当的波特率。如果针对选定的波特率误码率太高，则可以降低波特率并且重新确定误码率。在波特率变得太低的情况下，可以选择不同调制模式。可以以任何合适的方式进行新调制模式的选择。通过非限制性示例，可以选择的另一种调制模式是正交频分复用(ofdm)，其中可以使用间隔紧密的正交子载波以本领域已知的方式承载多个并行数据流或信道上的数据。因此，通过在多个信道上分散数据，可以使用许多互不干扰的频率，以相对较低的符号率来实现较高的抗扰度。需要注意的是，对于最大深度和归航范围，调制模式可以指定载波未调制或基本为纯音。在1916，井上收发器经由遥测信号接收信号耗损命令并且将该命令转送至井下收发器。在1920，井下收发器接收信号耗损命令并且相应地重新配置偶极传输参数。
再参考图1，应理解的是，系统10包括伴随着众多好处的通信系统。该通信系统由位于钻机处的井上收发器、位于井下接近地下工具的井下收发器、以及形成地面步行定位器的一部分的遥测收发器构成，从而在井上收发器和井下收发器之间形成第一双向通信链路2000，第一双向通信链路2000使用钻柱作为电导体以提供井上收发器和井下收发器之间的通信。第二双向通信链路2002形成在井上收发器和地面步行定位器的遥测收发器之间，其采用无线电磁通信。进一步地，至少从地下工具的井下收发器至地面步行定位器形成了单向通信链路2004。这些通信链路提供了多种通信模式，包括使用第一双向通信链路2000从井下收发器经由钻柱至钻机处的井上收发器的第一通信模式。从井下收发器经由单向通信链路2004、地面步行定位器处的遥测收发器和第二双向通信链路2002至井上收发器提供了第二通信模式。可以由形成井上收发器702的一部分的通信控制器/管理器2010对通信模式进行管理，通信控制器/管理器2010可以形成钻机处的处理装置46的一部分使得系统可以动态地且自动地对系统中出现的任何故障做出响应。
参考图16并结合图1，前者示出了用于通过非限制性示例操作通信控制器2010的方法的实施例，其总体上由参考数字2300表示。在2304系统启动期间，控制器可以配置成选择第一通信模式作为默认模式。在2308进入正常操作。然后，在2312监测通信模式1的状态，并且以任何合适的方式确定通信模式1的状态。例如，响应于信号的完全丢失和/或在沿井上收发器和井下收发器之间的任一方向发送信号不能满足给定信噪比和/或超过给定误码率的情况下，可以指定失败状态。只要通信模式1没有问题，在2308可以进行正常操作。如果基于在2312的确定通信模式1有问题，则在2316进入通信模式2以从井下收发器经由定位器80至井上收发器进行通信。然后在2322重新开始正常操作。作为正常操作的一部分，步骤2326监测通信模式2的失败情况。如果关于通信模式2没有检测到异常情况，则在2330进行测试以确定通信模式1是否再次可用。如果通信模式1不可用，则在2322重新开始正常操作。另一方面，如果通信模式1可用，则在2334控制器切换至通信模式1。再返回至步骤2326，如果通信模式2失败，则在2334系统还是切换至通信模式1。如果切换至通信模式1未成功，则在2338确定错误情况，然后在2342转换至手动模式。如果在2338检测没有错误情况，那么操作可以进行至2346，其可以为操作者提供切换至手动控制(在2346，如果需要)的机会。如果操作者没有选择手动控制，则操作返回至2308。应理解的是，在系统操作期间，方法2300可以在后台运行。这样做，该方法可以以每秒多个迭代的快速率执行。
申请人认为本文中描述的系统和方法提供在此之前未看见的好处。例如，公开的先进通信系统通过将作为电信号的数据可靠地直接传输到现有钻柱上而方便地实现了双向通信，除了通过使用从未被认为适用于本系统的背景下的先进通信技术之外未做修改，并且无需现有技术(例如，管中线布置)所施加的耗时限制。申请人认识到在公开的钻柱通信系统中使用不对称功率传输水平的好处。即，以高功率水平从井上收发器至井下收发器的传输提供了可靠建立至井下收发器的通信的能力，而可以利用一组优化参数(包括可靠的低/最小化功率水平)执行从井下收发器至井上收发器的传输，以满足可靠通信和电池功率节省的竞争性关注点。本公开的系统可以提供另外的好处，通过选择性地传输纯音定位信号以实现从井下收发器至便携式地上定位器的归航和/或定位的目的，同时允许沿钻柱向上、直接调制到作为电导体的钻柱上的数据的同时传输。申请人不知道已按照该方式配置的任何现有系统。相信从未见过公开的系统和相关方法，至少因为如下原因：通过在钻柱上的直接电信号传输提供正常或扩展范围内的可靠通信的能力引入了挑战，这些挑战不只是难以解决，而且本领域普通技术人员将随即认为组合后的一系列挑战实际上是不可克服的。
优选地包括本文中描述的所有元素、部分和步骤。应理解的是，这些元素、部分和步骤中的任何一个可以由其它元素、部分和步骤代替或完全删除，如本领域技术人员将显而易见的。
附录a
具有最小均方误差的线性估计的推导。
给定大小l×1的两个任意可变向量{x，y}和零平均值，关于x的线性和无偏估计如下形式
其中w是大小为l×l的一些常数矩阵。请注意，粗体字用于向量变量，并且粗体字中的大写字母用于矩阵变量。对eq(a1)中估计的限制在于它必须具有最小均方误差(mmse)。因此该估计必须满足如下限制。
因为
注意wi是矩阵w的第i行。展开平方项得出：
通过对wi求偏微分来使eq(4a)中的函数最小化，并且将它设置为等于零：
其中，rxy，i＝e{x(i)y*}，ry＝e{yy*}，因此，对于wo，i的满足具有mmse的x的线性、无偏估计的最佳选择是
wo，jry＝rxy，ieq(a6)
收集所有的{wo，i}，全估计是
wory＝rxyeq(a7)
当ry是非负定矩阵和正定矩阵时，则eq(a7)将具有唯一解，如下：
因此，方程式eq(a1)现在可以重新写成
现在可以求解在上面方程式eq11a、eq11b和eq12中所讨论的估计，因为其为如下形式：
y＝bx+neq(a10)
使用方程式eq(a10)对矩阵ry和rxy重新计算：
ry＝e{yy*}＝e{(bx+n)(bx+n)*}＝brxb*+rneq(a11)
rxy＝e{xy*}＝e{(x)(bx+n)*}＝rxb*eq(a12)
其中rx＝e{xx*}，并且因为rn＞0(即n是零平均值随机噪声向量，其中协方差矩阵为rn＝e{nn*}＞0)，这产生了ry＞0。因此，ry是可逆的。
现在可以从eq(a8)、eq(a10)和eq(a11)确定具有最小均方误差的
为了例证和说明的目的，已提供了本发明的上面的描述。不是旨在排他性或将本发明限制为所公开的具体形式，而且根据上述教导，其它实施例、修改和变型也是可能的，其中本领域技术将意识到某些修改、变更、增加和其子组合。
构思
在本文中，至少公开了下面的构思。
构思1：一种钻柱通信系统，其使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信，所述系统包括：
井上收发器，其位于钻机处并且包括井上发射器，井上发射器以井上传输功率将井上信号耦合至钻柱上以便传输至地下工具；以及
井下收发器，其位于井下靠近地下工具并且包括井下发射器，井下发射器以井下传输功率将井下信号耦合至钻柱上以便传输至钻机处的钻柱上，井下传输功率在井下功率传输范围内可选择，并且所述井上传输功率总是大于在所述井下功率传输范围内的任何选定的井下传输功率。
构思2：构思1的系统，其中，所述井下收发器包括电池，以提供所述井下传输功率，并且所述电池至少在选定的井下传输功率上施加了上限。
构思3：构思2的系统，其中，最大井下传输功率不超过5瓦特。
构思4：构思1的系统，其中，所述井上收发器配置成至少以最大井上发射器功率开始与井下收发器的通信。
构思5：构思1至4中任一项的系统，其中，最大井上发射器功率形成井上发射器功率范围的功率上限。
构思6：一种用于操作钻柱通信系统的方法，钻柱通信系统使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信，所述方法包括：
配置钻机处的井上收发器，井上收发器包括井上发射器，井上发射器以井上传输功率将井上信号耦合至钻柱上以便传输至地下工具；
将井下收发器布置在井下靠近地下工具，井下收发器包括井下发射器；以及
以井下传输功率将井下信号从井下发射器耦合至钻柱上以便传输至钻机处的钻柱上，井下传输功率在井下功率传输范围内可选择，并且井上传输功率总是大于任何选定的井下传输功率。
构思7：一种用于操作钻柱通信系统的方法，所述钻柱通信系统使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供所述钻机与所述地下工具之间的通信，所述方法包括：
响应于利用当前一组传输参数从地下工具传输至钻柱上的井下信号的接收的耗损，使用井上收发器以井上收发器的最大井上传输功率重新开始从钻机至地下工具的通信以将井上重新开始的信号耦合至地下工具；以及
基于来自地下工具对井上重新开始的信号的响应，进入程序以针对井下信号和井上信号中的至少一个建立新的一组传输参数，以在其后建立钻机和地下工具之间的通信。
构思8：构思7的方法包括，作为所述重新开始的信号的一部分，指示井下收发器以最大井下传输功率作出响应。
构思9：构思7的方法包括配置井下收发器以最大井下传输功率对重新开始的信号作出响应。
构思10：一种钻柱通信系统，其使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信，所述系统包括：
井上收发器，其位于钻机处并且包括井上发射器，井上发射器以井上传输功率将井上信号耦合至钻柱上以便传输至地下工具；
井下收发器，其位于井下靠近地下工具并且包括井下发射器，井下发射器以井下传输功率将井下信号耦合至钻柱上以便传输至钻机处的钻柱上并且发出具有至少一个可选择操作参数的电磁定位信号，井下传输功率在井下功率传输范围内可选择；和
地面步行定位器，其用于接收电磁定位信号且用于检测接收到的定位信号的预定衰减，并且响应于所述检测，系统配置成自动地生成重新配置命令，重新配置命令改变电磁定位信号的以下参数中的至少一个：载波频率、传输功率、波特率和调制模式。
构思11：构思10的系统，其中，所述地面步行定位器基于电磁定位信号的误码率和信噪比中至少一个监测所述预定信号衰减。
构思12：构思10的系统，其中，所述地面步行定位器配置成产生重新配置命令并在其后通过遥测将重新配置命令传输至钻机，并且井上收发器配置成经由钻柱将重新配置命令传输至井下收发器。
构思13：一种钻柱通信系统，其使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信，所述系统包括：
井上收发器，其位于钻机处并且包括井上发射器，井上发射器以井上传输功率将井上信号耦合至钻柱上以便传输至地下工具；
井下收发器，其位于井下靠近地下工具并且包括井下发射器，井下发射器以井下传输功率将井下信号耦合至钻柱上以便传输至钻机处的钻柱上并且发出具有至少一个可选择操作参数的电磁定位信号，井下传输功率在井下功率传输范围内可选择；和
地面步行定位器，其用于接收电磁定位信号且用于检测电磁定位信号的接收耗损，并且响应于所述接收耗损，自动地向所述钻机表明信号耗损情况。
构思14：构思13的系统，其中，所述地面步行定位器通过将信号耗损命令传输至钻机处的井上收发器来表明所述信号耗损情况。
构思15：构思14的系统，其中，信号耗损命令针对电磁定位信号指定了新的一组参数。
构思16：构思15的系统，其中，新的一组参数指定了以下参数中至少一个：针对电磁定位信号的新传输功率、新载波频率、新波特率以及新调制模式。
构思17：构思16的系统，其中，新的一组参数指定了不调制新载波频率。
构思18：一种钻柱通信系统，其使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信，所述系统包括：
井上收发器，其位于钻机处并且包括井上发射器，井上发射器将井上信号耦合至钻柱上以便传输至地下工具；以及
井下收发器，其位于井下靠近地下工具并且包括井下发射器，井下发射器将井下信号耦合至钻柱上以便传输至形成井上收发器的一部分的井上接收器，并且其中，井上收发器和井下收发器配置成协作以至少部分地基于由井上收发器所检测的井下信号的信号衰减而自动改变井下信号的至少一个可操作传输参数。
构思19：构思18的系统，其中，所述井上收发器和所述井下收发器配置成响应于信号衰减自动地修改井下信号的一组可操作参数。
构思20：构思19的系统，其中，修改的一组参数包括载波频率、功率水平、波特率和调制模式中的两个或多个。
构思21：构思18的系统，其中，井下收发器和井上收发器中至少一个包括噪声扫描仪，用于进行针对井下信号的可用传输频率的噪声扫描，使得建立最低噪声传输频率。
构思22：构思21的系统，其中，噪声扫描仪配置成利用快速傅里叶变换、离散傅里叶变换和功率谱密度中选定的一个来确定可用传输频率上的噪声频谱。
构思23：构思21的系统，其中，噪声扫描仪包括具有多个带通滤波器的滤波器组，以确定最低噪声传输频率。
构思24：构思21的系统，其中，井下发射器和井上发射器配置成在噪声扫描期间关闭。
构思25：构思21的系统，其中，井上收发器和井下收发器中选定的一个配置成开始作为启动程序的一部分的噪声扫描。
构思26：构思25的系统，其中，井上收发器配置成响应于来自井下发射器的信号耗损重新开始噪声扫描以至少选择针对井下信号的新传输频率。
构思27：构思18的系统，其中，所述钻柱包括信道传递函数，所述信道传递函数包括在每个井上信号上的钻柱失真，并且其中，至少所述井上收发器配置成表征所述信道传递函数为具有频带限制响应的带限滤波器。
构思28：构思27的系统，其中，频带限制响应进一步表征为有限脉冲响应。
构思29：构思27的系统，其中，至少井上收发器的井上接收器包括至少一个均衡器以补偿钻柱失真。
构思30：构思29的系统，其中，均衡器包括均衡器响应，均衡器响应基于一组均衡器系数可定制使得均衡器响应适应于信道传递函数中变量的范围。
构思31：构思30的系统，其中，井下发射器配置成传输调制到井下信号上的训练序列，并且井上接收器配置成从井下信号恢复训练序列以建立一组均衡器系数。
构思32：构思31的系统，其中，井上收发器包括训练序列的副本以与接收到的训练序列进行比较，接收到的训练序列表示由井下发射器传输并且通过信道传递函数失真的训练序列。
构思33：构思32的系统，其中，井下收发器包括多路复用器，多路复用器在训练序列和传感器数据之间进行选择以调制到井下信号上。
构思34：构思32的系统，其中，井上收发器配置成基于训练序列的副本与接收到的训练序列之间的差的最小均方误差确定一组系数。
构思35：构思18的系统，其中，井下收发器配置成接收传感器数据并且基于传感器数据调制井下信号。
构思36：构思34的系统，其中，井下收发器将多相移键控施加于井下信号。
构思37：构思18的系统，其中，井上收发器配置成同步地检测井下信号。
构思38：构思37的系统，其中，井下收发器配置成施加多相移键控以调制井下信号，并且井上收发器包括用于恢复井下信号的多相移键控载波跟踪环和解调器。
构思39：构思38的系统，其中，井下收发器配置成将正交相移键控施加于井下信号。
构思40：构思18至39中任一项的系统，其中，钻柱包括信道传递函数，信道传递函数包括在每个井上信号上的钻柱失真，并且至少井上收发器配置成表征信道传递函数为带限滤波器，并且井上收发器包括同相位均衡器和异相位均衡器以补偿钻柱失真。
构思41：构思40的系统，其中，井上收发器配置成同步地检测井下信号，并且包括数据转换跟踪环以便在同相位均衡器和异相位均衡器之间切换。
构思42：一种钻柱通信系统中的设备，钻柱通信系统使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信，并且所述钻柱在用作载送井下信号的所述电导体时展现信道传递函数，井下信号通过地下工具耦合至钻柱，设备包括：
井上接收器，其接收来自钻柱作为传送信号的井下信号，传送信号受到信道传递函数的影响，并且所述井上接收器配置成将补偿响应施加于传送信号，基于信道传递函数定制补偿响应。
构思43：构思42的设备，其中，信道传递函数导致井下信号上的钻柱失真，并且至少井上接收器配置成将信道传递函数表征为带限滤波器响应。
构思44：构思43的设备，其中，带限滤波器响应被进一步表征为有限脉冲响应。
构思45：构思43的设备，其中，井上接收器包括至少一个均衡器以补偿钻柱失真。
构思46：构思45的设备，其中，均衡器包括均衡器响应，均衡器响应基于一组均衡器系数可定制使得均衡器响应适应于信道传递函数中变量的范围。
构思47：构思46的设备，其中，井上接收器存储训练序列的副本，并且井上接收器配置成从通过信道传递函数失真的井下信号恢复训练序列的传送版本，以与训练序列的副本进行比较从而建立一组均衡器系数。
构思48：构思47的设备，其中，井上接收器配置成基于训练序列的副本与训练序列的传送版本之间的差的最小均方误差确定一组系数。
构思49：一种地面步行定位器，其用于使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱的系统中，地下工具配置成传输电磁定位信号，所述地面步行定位器包括：
接收器，其配置成接收定位信号，检测定位信号的接收的衰减，并且响应于所述衰减检测生成信号耗损命令；以及
遥测发射器，用于将信号耗损命令传输至钻机。
构思50：构思49的地面步行定位器，其配置成响应于定位信号的接收耗损生成所述信号耗损命令。
构思51：构思49的地面步行定位器，其配置成响应于定位信号的预定衰减程度生成所述信号耗损。
构思52：构思49的地面步行定位器，其配置成最初地响应于所述接收耗损的检测进行噪声扫描以识别针对电磁定位信号的新频率。
构思53：构思49的地面步行定位器，其中，信号耗损命令识别针对电磁定位信号的以下参数中的至少一个：新传输功率、新载波频率、新波特率和新调制模式。
构思54：一种至少执行地下操作的系统，其使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信，所述系统包括：
井下收发器，其位于井下靠近地下工具，并且配置成(i)接收与地下工具的可操作参数相关的至少一个传感器信号，(ii)生成井下信号，井下信号被传输至钻机处的钻柱上，并且基于传感器信号对井下信号进行调制，和(iii)发出电磁定位信号以便进行地上检测，其中定位信号至少没有通过所述传感器信号进行调制；
井上收发器，其位于钻机处并且包括井上接收器，井上接收器配置成从钻柱接收井下信号并且恢复传感器信号使得在钻机处可获得与可操作参数相关的信息；和
地面步行定位器，其接收电磁定位信号用作归航信标和跟踪信号中的至少一个，使得针对给定传输功率在不调制的情况下定位信号的检测范围大于针对相同的给定传输功率经过所述传感器信号调制的调制定位信号的检测范围。
构思55：构思54的系统，其中，地面步行定位器包括在电磁定位信号的载波频率上居中的窄带滤波器。
构思56：构思54或55的系统，其中，地面步行定位器配置成至少为了获得传感器相关数据与地面步行定位器生成数据之间的相关性而与钻机处的井上收发器进行遥测通信，传感器相关数据从地下工具传送至井上收发器处的钻柱上，地面步行定位器生成数据通过电磁遥测信号传送至井上收发器。
构思57：一种至少执行地下操作的系统，其使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱作为电导体以提供钻机与地下工具之间的通信，所述系统包括：
井上收发器，其位于钻机处并且包括井上发射器，井上发射器配置成至少将钻柱上的井上信号传输至地下工具；
井下收发器，其位于井下靠近地下工具，并且配置成从钻柱接收井上信号并且选择性地发出电磁定位信号以便地上检测；
地面步行定位器，其用于接收电磁定位信号并用于自动地检测地面步行定位器的激活/禁用状态，并且响应于检测到激活/禁用状态变化，所述地面步行定位器配置成将表明新激活/禁用状态的状态指示传输至钻机；和
所述井上收发器和所述井下收发器被进一步配置成协作以至少响应于禁用状态断开电磁定位信号。
构思58：构思57的系统，其中，地面步行定位器配置成在激活状态期间积极地使用电磁定位信号。
构思59：构思57的系统，其中，地面步行定位器包括至少一个加速度计，加速度计响应于地面步行定位器的移动产生加速度计输出，并且地面步行定位器配置成基于所述加速度计输出检测禁用状态。
构思60：构思57的系统，其中，地面步行定位器包括检测定位器靠近地的表面的传感器，并且地面步行定位器配置成响应于定位器位于地的表面上而表明禁用状态。
构思61：一种至少用于执行地下操作的通信系统可，其使用了从钻机延伸至地下工具的钻柱以及用作归航信标和跟踪装置中的至少一个的地面步行检测器，通信系统包括：
位于钻机处的井上收发器；
位于井下靠近地下工具的井下收发器；
形成地面步行定位器的一部分的遥测收发器；
井上收发器和井下收发器之间的第一双向通信链路，其使用钻柱作为电导体以提供井上收发器和井下收发器之间的通信；
井上收发器和地面步行定位器的遥测收发器之间的第二双向通信链路，其在井上收发器和遥测收发器之间采用无线电磁通信；以及
从地下工具的井下收发器至地面步行定位器的至少单向通信链路使得(i)使用第一双向通信链路从井下收发器经由钻柱至钻机处的井上收发器提供了第一通信模式，(ii)从井下收发器经由单向通信链路、地面步行定位器处的遥测收发器和第二双向通信链路至井上收发器提供了第二通信模式，和(iii)用于至少部分地基于系统状态来管理井下收发器和井上收发器之间的通信的控制器。
构思62：构思61的系统还包括：
通信管理器，其至少用于至少部分地基于第一和第二双向通信链路以及单向通信链路的当前可操作状态、针对任何给定的从地下工具至钻机的传输、通过自动地在第一通信模式和第二通信模式之间进行选择来管理从地下工具处的井下收发器至钻机处的井上收发器的通信。
构思63：权利要求62的系统，其中控制器配置成选择第一通信模式作为默认模式。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！