钻柱通信系统、部件和方法

专利名称：钻柱通信系统、部件和方法
技术领域：
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(Walkover locator)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。

发明内容
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(i i i )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，( )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。


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1Oa和图1Ob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1la是线性信道均衡器的实施例的框图。图1lb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。
具体实施例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, ARRANGEMENTS ANDASSOCIATED METHODS FOR TRACKING AND/OR ⑶IDING AN UNDERGROUND BORING TOOL” 的US专利N0.6，035，951 (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(roll orientation)的转向中。S卩，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“FLUX PLANELOCATING IN AN UNDERGROUND DRILLING SYSTEM” 的 US 专利 N0.6，496，008 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-1n-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“DRILL STRING COUPLING ADAPTER AND METHOD FOR INGROUND SIGNALCOUPLING”的序号为N0.13/035，774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η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 “DRILL STRING INGROUND ISOLATOR IN AN MWD SYSTEM ANDASSOCIATED METHOD”的序列号为N0.13/593，439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(drive dog)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 “INGR0UND DRILL STRING HOUSING AND METHOD FOR SIGNAL COUPLING” 的序列号为N0.13/035,833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N0.7，649，474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N0.5，961，252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I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I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:
权利要求
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所述钻机与所述地下工具之间的通信，所述系统包括: 井上收发器，其位于所述钻机处并且包括井上发射器，所述井上发射器以井上传输功率将井上信号耦合至所述钻柱上以便传输至所述地下工具；以及 井下收发器，其位于井下靠近所述地下工具并且包括井下发射器，所述井下发射器以井下传输功率将井下信号耦合至所述钻柱上以便传输至所述钻机的所述钻柱上，所述井下传输功率能够在井下功率传输范围内进行选择，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。
2.根据权利要求1所述的系统，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所述选定的井下传输功率上施加了上限。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，最大井下传输功率不超过5瓦特。
4.根据权利要求1所述的系统，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所述井下收发器的通信。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述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。
6.一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: 配置所述钻机处的井上收发器，所述井上收发器包括井上发射器，所述井上发射器以井上传输功率将井上信号耦合至所述钻柱上以便传输至所述地下工具； 将井下收发器布 置在井下靠近所述地下工具，所述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所述井下发射器耦合至所述钻柱上以便传输至所述钻机的所述钻柱上，所述井下传输功率能够在井下功率传输范围内进行选择，并且所述井上传输功率总是大于任何选定的井下传输功率。
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所述地下工具传输至所述钻柱上的井下信号的接收的耗损，使用井上收发器以所述井上收发器的最大井上传输功率重新开始从所述钻机至所述地下工具的通信以将井上重新开始的信号耦合至所述地下工具；以及 基于来自所述地下工具对所述井上重新开始的信号的响应，进入程序以针对所述井下信号和所述井上信号中的至少一个建立新的一组传输参数，以在其后建立所述钻机和所述地下工具之间的通信。
8.根据权利要求7所述的方法，其包括，作为所述重新开始的信号的一部分，指示所述井下收发器以最大井下传输功率作出响应。
9.根据权利要求7所述的方法，其包括配置所述井下收发器以最大井下传输功率对所述重新开始的信号作出响应。
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所述钻机与所述地下工具之间的通信，所述系统包括: 井上收发器，其位于所述钻机处并且包括井上发射器，所述井上发射器以井上传输功率将井上信号耦合至所述钻柱上以便传输至所述地下工具；井下收发器，其位于井下靠近所述地下工具并且包括井下发射器，所述井下发射器以井下传输功率将井下信号耦合至所述钻柱上以便传输至所述钻机的所述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，所述井下传输功率能够在井下功率传输范围内进行选择；和 地面步行定位器，其用于接收所述电磁定位信号且用于检测所接收到的定位信号的预定衰减，并且响应于所述检测，所述系统配置成自动地生成重新配置命令，所述重新配置命令改变所述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。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述地面步行定位器基于所述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。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述地面步行定位器配置成产生所述重新配置命令并在其后通过遥测技术将所述重新配置命令传输至所述钻机，并且所述井上收发器配置成经由所述钻柱将所述重新配置命令传输至所述井下收发器。
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所述钻机与所述地下工具之间的通信，所述系统包括: 井上收发器，其位于所述钻机处并且包括井上发射器，所述井上发射器以井上传输功率将井上信号耦合至所述钻柱上以便传输至所述地下工具； 井下收发器，其位于井下靠近所述地下工具并且包括井下发射器，所述井下发射器以井下传输功率将井下信号耦合至所述钻柱上以便传输至所述钻机的所述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，所述井下传输功率能够在井下功率传输范围内进行选择；和 地面步行定位器， 其用于接收所述电磁定位信号且用于检测所述电磁定位信号的接收的耗损，并且响应于所述接收的耗损，自动地向所述钻机表明信号耗损情况。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述地面步行定位器通过将信号耗损命令传输至所述钻机处的所述井上收发器来表明所述信号耗损情况。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述信号耗损命令为所述电磁定位信号指定新的一组参数。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述新的一组参数指定以下参数中至少一个:针对所述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。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述新的一组参数指定不调制所述新载波频率。
18.—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所述钻机与所述地下工具之间的通信，所述系统包括: 井上收发器，其位于所述钻机处并且包括井上发射器，所述井上发射器将井上信号耦合至所述钻柱上以便传输至所述地下工具；以及 井下收发器，其位于井下靠近所述地下工具并且包括井下发射器，所述井下发射器将井下信号耦合至所述钻柱上以便传输至形成所述井上收发器的一部分的井上接收器，并且其中，所述井上收发器和所述井下收发器配置成协作以至少部分地基于由所述井上收发器所检测到的所述井下信号的信号衰减而自动改变所述井下信号的至少一个可操作传输参数。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述井上收发器和所述井下收发器配置成响应于所述信号衰减自动地修改所述井下信号的一组可操作参数。
20.根据权利要求19所述的系统，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。
21.根据权利要求18所述的系统，其中，所述井下收发器和所述井上收发器中至少一个包括噪声扫描仪，用于进行针对所述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。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述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所述可用传输频率上的噪声频谱。
23.根据权利要求21所述的系统，其中，所述噪声扫描仪包括具有多个带通滤波器的滤波器组，以确定所述最低噪声传输频率。
24.根据权利要求21所述的系统，其中，所述井下发射器和所述井上发射器配置成在噪声扫描期间关闭。
25.根据权利要求21所述的系统，其中，所述井上收发器和所述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。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述井上收发器配置成响应于来自所述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所述井下信号的新传输频率。
27.根据权利要求18所述的系统，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将所述信道传递函数表征为具有频带限制响应的带限滤波器。
28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述频带限制响应进一步表征为有限脉冲响应。
29.根据权利要求27所述的系统，其中，至少所述井上收发器的所述井上接收器包括至少一个均衡器以补偿钻柱失真。
30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述均衡器包括均衡器响应，所述均衡器响应基于一组均衡器系数可定制使得所述均衡器响应适应于所述信道传递函数中变量的范围。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述井下发射器配置成传输调制到所述井下信号上的训练序列，并且所述井上接收器配置成从所述井下信号恢复所述训练序列以建立所述一组均衡器系数。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述井上收发器包括所述训练序列的副本以与接收到的训练序列进行比较，所述接收到的训练序列表示由所述井下发射器传输并且通过所述信道传递函数失真的训练序列。
33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述井下收发器包括多路复用器，所述多路复用器在所述训练序列和传感器数据之间进行选择，以调制到所述井下信号上。
34.根据权利要求32所述的系统，其中，所述井上收发器配置成基于所述训练序列的副本与所述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。
35.根据权利要求18所述的系统，其中，所述井下收发器配置成接收传感器数据并且基于所述传感器数据调制所述井下信号。
36.根据权利要求34所述的系统，其中，所述井下收发器将多相移键控施加于所述井下信号。
37.根据权利要求18所述的系统，其中，所述井上收发器配置成同步地检测所述井下信号。
38.根据权利要求37所述的系统，其中，所述井下收发器配置成施加多相移键控以调制所述井下信号，并且所述井上收发器包括用于恢复所述井下信号的多相移键控载波跟踪环和解调器。
39.根据权利要求38所述的系统，其中，所述井下收发器配置成将正交相移键控施加于所述井下信号。
40.根据权利要求18至39中任一项所述的系统，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，并且至少所述井上收发器配置成将所述信道传递函数表征为带限滤波器，并且所述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。
41.根据权利要求40所述的系统，其中，所述井上收发器配置成同步地检测所述井下信号，并且包括数据转换跟踪环以便在所述同相位均衡器和所述异相位均衡器之间切换。
42.一种钻柱通信系统中的设备，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，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，所述井下信号通过所述地下工具耦合至所述钻柱，所述设备包括: 井上接收器，其接 收来自所述钻柱作为传送信号的井下信号，所述传送信号受到所述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所述传送信号，基于所述信道传递函数定制所述补偿响应。
43.根据权利要求42所述的设备，其中，所述信道传递函数在所述井下信号上导致钻柱失真，并且至少所述井上接收器配置成将所述信道传递函数表征为带限滤波器响应。
44.根据权利要求43所述的设备，其中，所述带限滤波器响应被进一步表征为有限脉冲响应。
45.根据权利要求43所述的设备，其中，所述井上接收器包括至少一个均衡器以补偿钻柱失真。
46.根据权利要求45所述的设备，其中，所述均衡器包括均衡器响应，所述均衡器响应基于一组均衡器系数可定制，以使得所述均衡器响应适应于所述信道传递函数中变量的范围。
47.根据权利要求46所述的设备，其中，所述井上接收器存储训练序列的副本，并且所述井上接收器配置成从通过所述信道传递函数失真的所述井下信号恢复所述训练序列的传送版本，以与所述训练序列的副本进行比较从而建立一组均衡器系数。
48.根据权利要求47所述的设备，其中，所述井上接收器配置成基于所述训练序列的副本与所述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。
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，所述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，其配置成接收所述定位信号，检测所述定位信号的接收的衰减，并且响应于所述衰减的检测生成信号耗损命令；以及 遥测发射器，用于将所述信号耗损命令传输至所述钻机。
50.根据权利要求49所述的地面步行定位器，其配置用于响应于所述定位信号的接收耗损生成所述信号耗损命令。
51.根据权利要求49所述的地面步行定位器，其配置成响应于所述定位信号的预定衰减程度生成所述信号耗损。
52.根据权利要求49所述的地面步行定位器，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所述电磁定位信号的新频率。
53.根据权利要求49所述的地面步行定位器，其中，所述信号耗损命令识别针对所述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。
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所述钻机与所述地下工具之间的通信，所述系统包括: 井下收发器，其位于井下靠近所述地下工具，并且配置成(i )接收与所述地下工具的可操作参数相关的至少一个传感器信号，( )生成井下信号，所述井下信号被传输至所述钻机的所述钻柱上，并且基于所述传感器信号对所述井下信号进行调制，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，其位于所述钻机处并且包括井上接收器，所述井上接收器配置成从所述钻柱接收所述井下信号并且恢复所述传感器信号，以使得在所述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，其接收所述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所述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。
55.根据权利要求54所述的系统，其中，所述地面步行定位器包括在所述电磁定位信号的载波频率上居中的窄带滤波器。
56.根据权利要求54或55所述的系统，其中，所述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而与所述钻机处的所述井上收发器进行遥测通信，所述传感器相关数据从所述地下工具传送至所述井上收发器处的所述钻柱上，所述地面步行定位器生成数据通过电磁遥测信号传送至所述井上收发器。
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所述钻机与所述地下工具之间的通信，所述系统包括: 井上收发器，其位于所述钻机处并且包括井上发射器，所述井上发射器配置成至少将所述钻柱上的井上信号传输至所述地下工具； 井下收发器，其位于井下靠近所述地下工具，并且配置成从所述钻柱接收所述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，其用于接收所述电磁定位信号并用于自动地检测所述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的激活/禁用状态的状态指示传输至所述钻机；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所述禁用状态断开所述电磁定位信号。
58.根据权利要求57所述的系统，其中，所述地面步行定位器配置成在所述激活状态期间积极地使用所述电磁定位信号。
59.根据权利要求57所述的系统，其中，所述地面步行定位器包括至少一个加速度计，所述加速度计响应于所述地面步行定位器的移动产生加速度计输出，并且所述地面步行定位器配置成基于所述加速度计输出检测所述禁用状态。
60.根据权利要求57所述的系统，其中，所述地面步行定位器包括检测所述定位器靠近地的表面的传感器，并且所述地面步行定位器配置成响应于所述定位器位于地的表面上而表明所述禁用状态。
61.一种至少用于执行地下操作的通信系统，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，所述通信系统包括: 位于所述钻机处的井上收发器； 位于井下靠近所述地下工具的井下收发器； 形成所述地面步行定位器的一部分的遥测收发器； 所述井上收发器和所述井下收发器之间的第一双向通信链路，其使用所述钻柱作为电导体以提供所述井上收发器和所述井下收发器之间的通信； 所述井上收发器和所述地面步行定位器的所述遥测收发器之间的第二双向通信链路，其在所述井上收发器和所述遥测收发器之间采用无线电磁通信；以及 至少从所述地下 工具的所述井下收发器至所述地面步行定位器的单向通信链路，以使得(i)使用所述第一双向通信链路从所述井下收发器经由所述钻柱至所述钻机处的所述井上收发器提供了第一通信模式，( )从所述井下收发器经由所述单向通信链路、所述地面步行定位器处的所述遥测收发器和所述第二双向通信链路至所述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所述井下收发器和所述井上收发器之间的通信的控制器。
62.根据权利要求61所述的系统，其还包括: 通信管理器，其至少用于至少部分地基于所述第一和第二双向通信链路以及所述单向通信链路的当前可操作状态、针对任何给定的从所述地下工具至所述钻机的传输、通过自动地在所述第一通信模式和所述第二通信模式之间进行选择来管理从所述地下工具处的所述井下收发器至所述钻机处的所述井上收发器的通信。
63.根据权利要求62所述的系统，其中，所述控制器配置成选择所述第一通信模式作为默认模式。
全文摘要
本发明描述了一种钻柱通信系统、部件和方法。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。
文档编号H04L25/03GK103195414SQ20131000152
公开日2013年7月10日 申请日期2013年1月4日 优先权日2012年1月5日
发明者艾伯特·周, 洛茨·林 申请人:默林科技股份有限公司