定向钻井通信协议、设备以及方法
【专利说明】定向钻井通信协议、设备以及方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年3月14日提交的美国临时专利申请No. 61/785,410的优先 权，其内容通过引用整体并入本文。本申请还要求于2014年3月13日提交的发明名称为 "DIRECTIONALDRILLINGCOMMUNICATIONPROTOCOLS,APPARATUSANDMETHODS"的美国申请 系列No. 14/208. 470的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
【背景技术】
[0003] 本发明总的来讲涉及定向钻井领域，特别地，涉及一种高级的定向钻井通信协议、 设备以及方法。
[0004] 经常被称为水平定向钻井（HDD)的技术可以被用来实现安装公共设施的目的而 不需要挖沟渠。一个典型的公共设施安装包括使用具有钻柱的钻机，该钻柱在钻柱地下端 或远端支持钻具。钻机通过向钻柱施加推力来推动钻具穿过地面。在钻柱延伸的过程中对 钻具进行转向以形成了一个先导孔。当完成先导孔时，钻柱远端与回调设备相连，回调设备 接下来连接至公共设施的前端。回调设备和公共设施通过钻柱的回缩被拉动穿过先导孔完 成安装。在一些情况下，回调设备包含一个回扩工具，其用于扩张在公共设施前部扩张先导 孔的直径，因此与先导孔的原始直径相比，安装的公共设施有一个更大的直径。
[0005] 可以用一种众所周知的方式完成对钻具的转向，这种方式是通过响应于向前移 动，对钻具对称面定向以使得在地面上实现期望方向的偏向。为了控制这种转向，期望可以 从基于传感器获得的传感器读数来监控钻具的方向，所述传感器形成钻具所支持的电子封 装的一部分。传感器读数，例如，可以在通过便携式定位器或其他适合的地面设备用来在地 面上接收的电子封装发射的定位信号上被调制。在一些系统中，电子封装可以将传感器读 数调制的载波信号耦合到钻柱上，之后通过用钻柱作为导电体将信号传输到钻机。不论传 感器数据的传输方式如何，对于定量的传输功率有一个限定的传输范围，在该范围内能够 以足够的准确性恢复传感器数据。所述传输范围可以由如下因素进一步限制，例如，工作区 域内存在的电磁干扰。一个现有技术的试图增大传输范围的技术方法是简单地增加传输功 率。但是，申请人意识到这个方法价值有限，特别是当地下的电子封装由电池供电时，这将 在下面进一步讨论。另一个方法在于降低数据被调制到定位信号上的数据或波特率。遗憾 的是，该方法会导致数据吞吐量的下降。
[0006] 现有技术的前述实例以及与其相关的限制目的在于说明性而不是排他性。在阅读 说明书以及学习附图之后现有技术的其他限制对本领域的技术人员来说将变得显而易见。
【发明内容】
[0007] 结合示例性和说明性而不是用于限制范围的系统、工具和方法来描述和说明以下 实施例及其各方面。在各种实施例中，一个或多个上述问题已经被减少或消除，而其他实施 例旨在获得其他改进。
[0008] 在本公开的一个方面中，一种设备及相关方法用来与执行地下操作的系统相结合 使用，在该系统中钻柱从钻机向地下工具延伸，使得在地下工作期间，钻柱的延伸和回缩通 常产生地下工具的相应移动。发射器被构造为设置在地下工具附近以用来感测与地下工具 相关的多个工作参数并且用来基于地下工具的运行状态定制数据信号来表征用于从地下 工具传输的所述工作参数中一个或多个。接收器可定位在地面上的位置，其用来接收数据 信号并恢复工作参数。
[0009] 在本公开的另一方面中，描述了与作为执行地下操作的系统的一部分的接收器相 结合使用的发射器及其相关方法，在该系统中钻柱从钻机延伸至支撑发射器的地下工具， 使得在地下工作期间，钻柱的延伸和回缩通常产生地下工具的相应移动。所述发射器包括 用来感测关于地下工具的工作状态的一个或多个工作参数的至少一个传感器，和被构造为 用来基于地下工具的工作状态定制从发射器传输的数据信号的一个处理器。
[0010] 在本公开的另一方面中，描述了与执行地下操作的系统的一部分的发射器相结合 使用的接收器及其相关方法，在该系统中钻柱从钻机延伸至支持发射器的地下工具，使得 在地下工作期间，钻柱的延伸和回缩通常产生地下工具的相应移动。接收器被构造为接收 由发射器传输的数据信号，该数据信号表征与地下工具的运行状态相关的一个或多个工作 参数，使得基于操作状态来定制数据信号。处理器被构造为用来解码被定制的数据信号以 恢复一个或多个操作参数。
[0011] 在本公开的另一方面中，描述了与执行地下操作的系统相结合使用的发射器及其 相关方法，在该系统中钻柱从钻机向地下工具延伸，使得钻柱的延伸和/或旋转使地下工 具在受到机械冲击和振动的同时沿着地下路经移动。作为发射器一部分的加速计用来感测 地下工具受到机械冲击或振动时在高分辨率范围和低分辨率范围中的每一个分辨率范围 内的俯仰取向，以产生一系列俯仰读数。处理器被构造为监测一系列俯仰读数并且对此做 出响应来选择高分辨率范围及低分辨率范围中的一个来表征俯仰取向，以及对所选择的高 分辨率范围和低分辨率范围中的一个的一系列俯仰读数进行平均化来产生从发射器传输 的平均俯仰读数。
[0012] 在本公开的一个连续方面中，描述了与执行地下操作系统相结合使用的发射器及 其相关方法，在该系统中钻柱从钻机向地下工具延伸，使得钻柱延伸和/或旋转使地下工 具在受到机械冲击和振动的同时沿着地下路径移动。加速计形成发射器的一部分用来感测 地下工具的俯仰取向以产生一系列俯仰读数。处理器被构造为用来平均化一系列俯仰读数 来产生从发射器传输的平均俯仰读数。
[0013] 在本公开的再一个方面中，认识到可以选择性使用先进数据协议，例如，用于提高 与监测地下工具关联使用的一个或多个参数的更新速率。这些先进的数据协议可以大幅减 少有效表征给定参数所需的数据数量，例如，基于改变参数的分辨率，使得只需更少的数据 比特。通过非限制性举例的方式，描述了与作为执行地下操作的系统的一部分的接收器相 结合使用的发射器及其相关方法，在该系统中钻柱从钻机向支持发射器的地下工具延伸， 使得在地下操过程中，钻柱的伸展与收缩通常使地下工具产生相应移动。至少一个发射器 形成了发射器的一部分，用来感测与地下工具相关的一个或多个工作参数。处理器被构造 为以标准模式和可选模式传输与一个或多个工作参数相关的数据，使得可选模式使用少于 由标准模式表征至少一个特定参数所使用的位数来表征该特定工作参数，可选模式以比标 准模式低的分辨率表示该特定参数。
[0014] 在本公开的另一个方面中，描述了与作为执行地下操作的系统的一部分的接收器 相结合使用的发射器及其相关方法，在该系统中钻柱从钻机向支持发射器的地下工具延 伸，使得在地下操过程中，钻柱的伸展与收缩通常使地下工具产生相应移动。至少一个传感 器形成发射器的一部分，用来感测与地下工具相关的一个或多个工作参数。处理器被构造 为使用多个数据包通信协议从发射器传输数字信号，所述多个数据包通信协议包括特定协 议，该特定协议响应于检测到发射器的静止状态来利用固定数据帧来表征一个或多个工作 参数并重复地传输固定数据帧。
【附图说明】
[0015] 示例性实施例在附图的参考图中示出。这里所公开的实施例的目的在于说明而非 限制。
[0016] 图1为根据本公开的利用地下发射器和便携设备之间的先进通信协议的执行地 下操作的系统的实施例的示意性视图。
[0017] 图2为示出一种电子封装的实施例的框图，该电子封装可被地下工具携带并根据 本公开实施。
[0018] 图3为示出一种用于监测地下工具的俯仰并应用非线性俯仰范围分布的方法的 实施例的流程图。
[0019] 图4为示出基于地下工具的操作条件或状态来定制从地下工具发送数据包的数 据包结构的方法的实施例的流程图。
[0020] 图5为示出响应于地下工具的运行状态来动态调用定长分包进行总体平均化的 方法的实施例的流程图。
[0021] 图6为示出基于地下工具遇到的运行条件来动态定制g力感测以增加动态范围的 方法的实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0022] 提供以下描述来使本领域普通技术人员可以制造并使用本发明，并且在专利应用 及专利需求的环境中给出了这些描述。所描述实施例的各种变型对于本领域技术人员而言 是显然的并且此处所教导的基本原理会被运用到其他实施例。因此，本发明目的不在于限 定为所示实施例，而是与本文公开的原理和特征的最宽范围相一致，包括变型和等价物。应 该注意，附图不是按比例绘制而是本质上是示意的，以一种方式最好地阐明感兴趣的特征。 针对图中所提供的不同视角，可采用描述性术语用于增强读者的理解，而不会以任何方式 限制本发明的范围。
[0023] 现参见附图，其中在整个附图中相同的项通过相同的参考标号来表示，现将注意 力放到图1，其示出用来执行地下操作的系统的一个实施例，其总体上由参考标号10指出。 该系统包括所示的由地表面22上的操作者握住的便携装置20,其也在进一步放大的插图 视图中示出。应该注意，为了保持视图清楚，装置20中的内元件缆线没有被示出，但是应当 理解为存在并且本领域普通技术人员可以在考虑整个公开后容易地实施。装置20包括三 轴天线簇26,用来测量磁通量的三个正交排列分量，表示为bx，by，和匕。一个预期在这里 使用的有用的天线群由美国专利No. 6, 005, 532公开，其与本申请共同所有并且通过引用 并入本文。天线簇26与接收器部分32电连接。提供倾斜传感器装置34来测量引力角度， 从该引力角度可以确定一个水平坐标系中的通量分量。
[0024] 装置20进一步包括图形显示器36,具有天线40的遥测装置38以及适当地与不同 组件互连的处理部分42。遥测装置可以传输遥测信号44用于在钻机接收。处理部分可包 括数字信号处理器（DSP)，其被构造为执行在操作中所需的不同程序。应当理解的是，图形 显示器36可以是一个触摸屏，以便帮助操作员选择在屏幕上定义的不同按钮，和/或可以 在设置用于操作员选择而在屏幕上定义的不同按钮之间方便地进行滚动。这样的触屏可以 单独使用或者与例如按键的输入装置48组合使用。后者可以在没有触屏时使用。而且，可 以采用输入装置的许多变化并且可以使用滚轮和其他合适的已知形式的选择装置。处理部 分包括这样的组件，例如，一个或多个处理器，任何合适类型的存储器以及模数转换器。正 如在本领域众所周知，后者可以检测到的频率至少是所关心的最高频率的两倍。其他组件 可以根据期望增加，例如，磁强计50用来帮助相对于所述钻井方向的定位，而超声换能器 用来测量地表上的装置高度。
[0025] 仍然参考图1，系统10进一步包括钻机80,具有滑架82,其被安装为沿着一对相 对设