[發明專利]使用改進的多頻液壓振動器的通信方法

無效

• 申請號: 200980133867.1
• 申請日: 2009-08-24
• 公開（公告）號: CN102159969A
• 公開（公告）日: 2011-08-17
• 發明（設計）人: 赫爾曼·科利特
• 申請（專利權）人: 赫爾曼·科利特
• 主分類號: G01V3/00
• 分類號: G01V3/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 張昱;曹若

【技術領域】

本發明總體上涉及數據通信領域，更具體地涉及一種數據通信系統，其改進了液壓導管內的位置之間數據的近亞音速異步傳輸。采用這些傳輸類型的系統流行于地孔鉆探(earth?bore?drilling)，在地孔鉆探中將它們用于從接近穿透點向地面傳送被編碼和加密的位置和環境信息。甚至更具體地，在此描述的系統和方法還可以用于從地面向鉆探設備的井底鉆具組件傳送被編碼的控制信號。該系統和方法主要使用來自循環流體的能量和小的控制信號來為這樣的管道內的這些數據的傳輸產生重復的周期壓力振蕩。

【背景技術】

多年來在井的鉆探期間已經使用遠程操作傳感器封裝件(sensor?package)。在下水管線清潔系統中使用了類似的系統。通常在這些應用中找到的傳感器封裝件提供諸如傾斜、方位角和所關心的各種測井傳感器測量的信息。

在通常的鉆井操作期間，通過鉆桿(drill?pipe)將液壓流體(在本領域中已知如“鉆探泥漿”或“鉆探流體”)泵送進井底鉆具組件(bottom?hole?assembly)中，該井底鉆具組件可以包含機械裝置以在形成鉆孔中控制鉆頭的方向。井底鉆具組件還可以包含液壓馬達和/或液壓錘以向鉆頭提供功率。該流體還循環通過鉆頭以清潔、潤滑并冷卻鉆頭。然后，承載切屑的鉆探流體通過在鉆桿與鉆孔或套管(casting)之間的環形物返回地面(surface)，在地面處，鉆探流體被清除掉切屑，從而能重新使用鉆探流體。諸如下水清潔系統的其他系統通常采用開端型系統，其中沿導管泵送流體，流體離開鉆頭或清潔頭并且通過該系統排出。

在鉆井的情況下，早在1942年確定，在鉆探操作期間可以將流動的鉆探流體用作用于孔下形成的數據的傳輸介質，如此即術語“在鉆探的同時測量”(MWD)的起源。早期的系統采用雙信號法。在“正脈沖”系統中，例如如Arps的美國專利2,677,790和2,759,143所示；裝置通過將孔口安置在鉆柱中并將提升閥插入孔口以提高鉆桿內的壓力來改變鉆桿中的鉆探流體的壓力。在“負脈沖”系統中，諸如例如在Arps和Sherbatskoy的美國專利2,755,432、Gearhart和Sherbatskoy等人的美國專利3,964,556、以及Sherbatskoy的美國專利4,351,037中；在鉆桿與環形物之間打開孔口，以允許流(flow)旁路通過井底鉆具組件和鉆頭的底部剩余部分。該孔口由提升閥關閉，以密封到環形物的流。瞬時打開產生“短路”，并且降低了鉆桿內的壓力，導致負壓力脈沖。

通過提升閥重復的插入和移除，從而打開和關閉孔口，在鉆探流體中產生一系列壓力脈沖。這些壓力脈沖或變化可以在地面上檢測到并用于傳送信息。不幸地是，這些壓力變化是在工業界內被稱為“脈沖”的甚低頻，并且相當于壓力級變化，其中發射信號的譜分量以大約3Hz為中心，并且透射能量低于20Hz出現且具有以0.1至1.5Hz的范圍為中心的峰值能量。Sherbatskoy認識到系統強加大約100Hz的頻率上限，其中不管原始脈沖的初始譜分量，不可檢測到高于該頻率的原始壓力級偏移的頻率分量。

除嚴重地限制數據傳輸率之外，由泥漿脈沖器產生的這些低頻與在鉆探期間產生的噪聲頻率重合。通常在數據通信中，一種用于改善信噪比的常用技術是對噪聲濾波。由于信號與噪聲頻率的類似，所以用于消除鉆探噪聲的常規濾波也從發射脈沖去除了大量的剩余能量。

在試圖改善正脈沖系統性能的過程中，誘發壓力脈沖的振幅被增大。然而，因壓力脈沖的閥元件的侵蝕是強加的壓降的函數。因此，增大壓降縮短了壓降脈沖器的壽命。簡單地增大誘發壓力脈沖的振幅的另一問題是產生這樣的脈沖所需的功率。大的功率需求意味著大的且更強大的原動機來操作提升閥，并且這對于MWD系統促成了更大的重量和成本。

在美國專利3,309,656中，Godbey認識到流體系統支持連續的低頻循環傳輸的能力。Godbey的挑戰是調查井下裝備狀況以及使用多重頻率來指示該狀況。這通過觀察和記錄哪個頻率被發射來實現。生成的頻率在沒有數據加密的情況下傳送狀態。不同于在此描述的“閥脈沖器”，Godbey采用可軸向旋轉的壓力元件。如美國專利3,789,355所示出和描述地，該方法被Patton改進；其中在同步傳輸中采用了加密。Claycomb的美國專利3,997,867及其他形成了當前的商業同步發射器的基礎。這些同步系統改善了信噪比以及因此的數據率。