專利名稱：用于與地下測(cè)量?jī)x器密封裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的方法和設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明總的涉及發(fā)送和接收地下活動(dòng)的數(shù)據(jù)，更具體地，涉及在地面發(fā)射機(jī)/接收機(jī)和地下電子測(cè)量裝置(諸如用于檢測(cè)地下鉆探設(shè)備的位置和狀態(tài)的傳感器)之間的數(shù)據(jù)通信。
在向下鉆孔的鉆井中，鉆頭組可以包括在鉆頭附近的測(cè)量?jī)x器密封裝置，以便監(jiān)視鉆探設(shè)備的地下部分在運(yùn)行期間的位置和條件。由測(cè)量?jī)x器密封裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被發(fā)送到地面，以供操作者使用。
現(xiàn)有技術(shù)描述從地下裝置發(fā)送數(shù)據(jù)有幾種方式。在所謂的有線結(jié)構(gòu)中，來自測(cè)量?jī)x器密封裝置的數(shù)據(jù)是通過從測(cè)量?jī)x器密封裝置經(jīng)過鉆頭組到地面的接收機(jī)的電線傳輸?shù)?。電線可以是使用鉆頭組作為返回通路的單個(gè)導(dǎo)體，或是諸如同軸電纜的雙導(dǎo)線。電線可被使用來由地面的電源向測(cè)量?jī)x器密封裝置供電。典型地，這可達(dá)到至少約1200bps(每秒比特)的數(shù)據(jù)速率。
然而，除了其它缺點(diǎn)以外，有線結(jié)構(gòu)對(duì)于電線連接故障特別脆弱。在鉆探設(shè)備安裝和運(yùn)行期間必須細(xì)心地處理電線，以避免電線受到纏結(jié)或斷開。而且，電線會(huì)由于扭曲、振動(dòng)、反復(fù)彎曲和扭轉(zhuǎn)、以及與鉆探設(shè)備運(yùn)行有關(guān)的其它機(jī)械力而被損壞。另外，有線結(jié)構(gòu)可能需要旋轉(zhuǎn)的電氣連接，這趨于減小可靠度。
另一個(gè)傳統(tǒng)的方法即泥漿脈沖遙測(cè)技術(shù)，依靠流過鉆探設(shè)備的泥漿流的調(diào)制。在鉆頭運(yùn)行期間，泥漿或鉆探液體流過鉆井。設(shè)置在鉆頭組末端附近的機(jī)構(gòu)通過打開和閉合一個(gè)孔徑而調(diào)制泥漿流。泥漿流中的調(diào)制被地面上的機(jī)構(gòu)檢測(cè)到。
由于泥漿脈沖遙測(cè)技術(shù)不需要在鉆頭組中有測(cè)量?jī)x器密封裝置與接收機(jī)之間的有線連接，它避免與有線連接有關(guān)的許多問題。然而，泥漿脈沖遙測(cè)技術(shù)只具有1-2bps的數(shù)據(jù)速率。而且，該技術(shù)需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，這就減小了可靠度。
另一個(gè)傳統(tǒng)的方法使用無線的或電磁(EM)的結(jié)構(gòu)，其中來自地下鉆孔的測(cè)量?jī)x器密封裝置的數(shù)據(jù)作為電磁信號(hào)或脈沖被發(fā)送。測(cè)量?jī)x器密封裝置包括一個(gè)電源，它把電壓施加在絕緣的縫隙上，由此而產(chǎn)生電磁場(chǎng)。該縫隙典型地是千分之幾英寸寬，以及可以通過把一個(gè)絕緣外套提供在鉆頭組的兩部分之間的連接面上而形成縫隙。EM脈沖被發(fā)送到鉆探設(shè)備周圍的電阻性的土壤中，以及被地面上的接收機(jī)接收。
由于EM結(jié)構(gòu)像泥漿脈沖遙測(cè)技術(shù)一樣，不需要在測(cè)量?jī)x器密封裝置與接收機(jī)之間的通過鉆頭組的有線連接，它避免與有線連接有關(guān)的許多問題。然而，EM結(jié)構(gòu)也有許多缺點(diǎn)。
例如，因?yàn)楸皇褂脕硖峁╇娫匆员惝a(chǎn)生EM脈沖的電池電源位于鉆探設(shè)備的地下部分，而不是在地面，它不容易被接近以便進(jìn)行充電或替換。而且，用于電源的電池增加了測(cè)量?jī)x器密封裝置的體積和重量。
另外，通過土壤發(fā)送EM脈沖需要較大的功率，以及它比起通過電線的傳輸，其數(shù)據(jù)速率低得多。采用EM結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)典型地只達(dá)到約5-20bps的數(shù)據(jù)速率。從實(shí)際考慮施加在電源上的體積和重量限制來看，這是特別不利的。
因此，需要一種發(fā)送地下活動(dòng)的數(shù)據(jù)的改進(jìn)的系統(tǒng)。
發(fā)明概要本發(fā)明總的目的是提供用于與地下電子裝置進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，它克服傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供不需要有線連接的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，有線連接可能被鉆探設(shè)備纏結(jié)或斷裂，或可能遇到由于與鉆探設(shè)備運(yùn)行有關(guān)的機(jī)械力而發(fā)生的故障。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中通信電源位于地面，而不是在鉆探設(shè)備的地下部分，這樣，它容易接近，以便充電和替換，以及不增加地下電子裝置的體積和重量。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供具有可與傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率相比較的或超過它的數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。
按照上述的目的，本發(fā)明的一個(gè)方面提供了用于與被設(shè)置在鉆探設(shè)備上的測(cè)量?jī)x器密封裝置通信的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。該鉆探設(shè)備具有在第一和第二導(dǎo)電段之間的絕緣段。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括被連接到鉆探設(shè)備的第一導(dǎo)電段和地的電源。接收機(jī)被連接來測(cè)量流過電源的電流。電通路被提供在鉆探設(shè)備的第一和第二導(dǎo)電段之間。一個(gè)開關(guān)根據(jù)由測(cè)量?jī)x器密封裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來斷開和閉合電通路。
本發(fā)明的另一個(gè)方面提供用于與地下電子裝置通信的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括第一導(dǎo)電段、被放置在地下和被電連接到電子裝置的第二導(dǎo)電段、以及被放置在第一和第二導(dǎo)電段之間和連接第一和第二導(dǎo)電段的絕緣段。電源被連接到第一導(dǎo)電段和地。接收機(jī)測(cè)量流過電源的電流。一個(gè)開關(guān)被提供在第一和第二導(dǎo)電段之間的電通路中。該開關(guān)根據(jù)由電子裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來斷開和閉合電通路。
本發(fā)明的另一個(gè)方面提供用于與被設(shè)置在鉆探設(shè)備上的地下測(cè)量?jī)x器密封裝置通信的數(shù)據(jù)通信方法。該鉆探設(shè)備具有在第一和第二導(dǎo)電段之間的絕緣段。數(shù)據(jù)通信方法包括把電源連接到鉆探設(shè)備的第一導(dǎo)電段和地的步驟。通過使用接收機(jī)來測(cè)量流過電源的電流。被提供在鉆探設(shè)備的第一和第二導(dǎo)電段之間的開關(guān)根據(jù)由測(cè)量?jī)x器密封裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)而被斷開和閉合。
本發(fā)明的各個(gè)方面可以包括一個(gè)或多個(gè)以下的特性。
該開關(guān)可包括晶體管，諸如場(chǎng)效應(yīng)晶體管。該開關(guān)可以把頻移鍵控調(diào)制加到電通路中的電流上。
當(dāng)電通路被開關(guān)斷開時(shí)，測(cè)量?jī)x器密封裝置的內(nèi)部的電源可以被在鉆探設(shè)備的第一和第二導(dǎo)電段之間形成的電壓所充電。
電通路可包括穿過鉆探設(shè)備的絕緣段的電線。電線的末端可被連接到鉆探設(shè)備的第一導(dǎo)電段。
開關(guān)可被電連接到測(cè)量?jī)x器密封裝置的導(dǎo)電的外殼，以及測(cè)量?jī)x器密封裝置的外殼可被電連接到鉆探設(shè)備的第二導(dǎo)電段。
電源可以通過被插入到在地下測(cè)量?jī)x器密封裝置上方的地中的電線而被連接到地。測(cè)量?jī)x器密封裝置包括用于檢測(cè)鉆探設(shè)備的狀態(tài)的傳感器。
數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)也可包括控制發(fā)射機(jī)，它用于把控制測(cè)量?jī)x器密封裝置的控制信號(hào)疊加在由電源產(chǎn)生的電流上。在測(cè)量?jī)x器密封裝置中的控制接收機(jī)可以接收控制信號(hào)和根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生控制數(shù)據(jù)?？刂瓢l(fā)射機(jī)可以利用頻移鍵控。
測(cè)量?jī)x器密封裝置可以根據(jù)電源的關(guān)斷來啟動(dòng)用于內(nèi)部電源的低功率消耗模式。測(cè)量?jī)x器密封裝置可以根據(jù)控制數(shù)據(jù)來啟動(dòng)用于內(nèi)部電源的低功率消耗模式。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是帶有按照本發(fā)明的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的鉆探設(shè)備的方框圖。
圖2是按照本發(fā)明的鉆頭組的一部分的方框圖。
圖3是按照本發(fā)明的測(cè)量?jī)x器密封裝置的方框圖。
圖4是按照本發(fā)明的控制子系統(tǒng)的方框圖。
圖5是按照本發(fā)明的通信電路的方框圖。
圖6是通信系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備的方框圖。
詳細(xì)描述如圖1所示，按照本發(fā)明，鉆探機(jī)105使用被安置在向下鉆孔的鉆井中的鉆頭組110執(zhí)行地下鉆探。鉆頭組110包括一系列鉆管115，以及在它的終結(jié)端具有鉆頭組件120。鉆頭組110包括測(cè)量?jī)x器密封裝置125，它靠近鉆頭120末端。
測(cè)量?jī)x器密封裝置125可包括各種各樣的電子裝置(諸如傳感器)，以便檢測(cè)鉆頭120的位置和取向。傳感器也可檢測(cè)鉆探設(shè)備的狀態(tài)和條件，例如，鉆頭組件的溫度。在測(cè)量?jī)x器密封裝置中也可以提供其它類型的電子裝置，諸如地質(zhì)測(cè)試設(shè)備或油井監(jiān)視設(shè)備。本發(fā)明提供當(dāng)測(cè)量?jī)x器密封裝置125處在地下時(shí)與測(cè)量?jī)x器密封裝置中的電子裝置的數(shù)據(jù)通信。
除了圖1所示的水平鉆探應(yīng)用以外，本發(fā)明當(dāng)然可被使用于其它應(yīng)用，諸如垂直鉆探。而且，本發(fā)明可被用于與生產(chǎn)井監(jiān)視設(shè)備(諸如用于油井或氣井的監(jiān)視設(shè)備)進(jìn)行通信。
為了說明本發(fā)明起見，鉆頭組110可被劃分成三段。測(cè)量?jī)x器密封裝置125被安裝在鉆頭組110的導(dǎo)電的底部段130中。底部段130通過絕緣段140而與鉆頭組110的上部段135分隔開。
地面電源145被連接到鉆頭組110的上部段135和地150。在電源145與鉆頭組110之間的連接可以是通過電線155。地連接可以通過在接近地下測(cè)量?jī)x器密封裝置125的上方的地點(diǎn)處被插入到地150的電線160而完成，或電線160可被連接到插入在地中的探針165。正如下面進(jìn)一步討論的，雖然探針165的插入點(diǎn)影響接收信號(hào)電平，但在系統(tǒng)安裝期間，很容易確定有效的位置。
鉆頭組110的導(dǎo)電段135與130以及被連接到地面電源145的電線155與160構(gòu)成通信電路的部件。通信電路的其余部分由兩個(gè)其中電流要流過土壤的電路部分構(gòu)成。這些電路部分的第一部分是在鉆頭組110的上部135和底部130導(dǎo)電段之間的縫隙。在這兩個(gè)導(dǎo)電段之間有電流流過絕緣段140的周圍的土壤。這些電路部分中的另一個(gè)部分是在鉆頭組110的底部導(dǎo)電段130與電源接地探針165之間的縫隙。同樣地，在這兩個(gè)地點(diǎn)之間有電流流過處在鉆頭組110的底部導(dǎo)電段130的上方的土壤。
地面電源145在通信電路中產(chǎn)生電流。因?yàn)殡娫?45位于地面，而不是在測(cè)量?jī)x器密封裝置125中，它可以容易地被調(diào)節(jié)或用不同的電源替換，這可根據(jù)具體安裝的需要而定。例如，對(duì)于其中土壤具有高的電阻性、或測(cè)量?jī)x器密封裝置被放置在更深的地下的安裝情形，可以增加電源電平。
正如下面進(jìn)一步討論的，測(cè)量?jī)x器密封裝置125通過調(diào)制流過通信電路的電流而發(fā)送數(shù)據(jù)到地面。接收機(jī)通過測(cè)量在電阻172上的電壓而測(cè)量和解調(diào)該電流，從而重現(xiàn)該數(shù)據(jù)。同樣地，發(fā)射機(jī)175可被使用來通過把控制數(shù)據(jù)疊加在由電源145產(chǎn)生的電流上而發(fā)送控制數(shù)據(jù)給測(cè)量?jī)x器密封裝置125。
圖2顯示鉆頭組110的一部分，其中包括上部導(dǎo)電段135、絕緣段140、底部導(dǎo)電段130、測(cè)量?jī)x器密封裝置125、以及鉆頭組件120。測(cè)量?jī)x器密封裝置125被包含在安裝在底部導(dǎo)電段130內(nèi)的密封的金屬外殼205中。
電線210從測(cè)量?jī)x器密封裝置125延伸通過絕緣段140，以及連接到上部導(dǎo)電段135。電線210可被使用來短路通過絕緣段140的周圍的土壤的電流通路。換句話說，電流可被引導(dǎo)流過具有相對(duì)較低的電阻的電線210，或流過在絕緣段140周圍的具有相對(duì)較高的電阻的土壤。對(duì)于已知的地面電源電壓，將電流引導(dǎo)流過土壤的高的電阻通路，將會(huì)導(dǎo)致較低的電流水平，而將電流引導(dǎo)流過低電阻的電線210，將導(dǎo)致較高的電流水平。所以，測(cè)量?jī)x器密封裝置125可通過在這些電流通路之間交替流過電流而調(diào)制該電流。
如圖3所示，電線210被連接到測(cè)量?jī)x器密封裝置125的控制子系統(tǒng)300。控制子系統(tǒng)300也被連接到測(cè)量?jī)x器密封裝置125的金屬外殼?？刂谱酉到y(tǒng)300所以可以把電線210連接到與底部130導(dǎo)電段相連接的金屬外殼205，由此，建立在上部135和底部130導(dǎo)電段之間的電連接。替換地，控制子系統(tǒng)300可被直接連接到底部導(dǎo)電段130。
測(cè)量?jī)x器密封裝置125包括用于測(cè)量參量的傳感器305，這些參數(shù)諸如但不限于鉆頭組件120的取向和設(shè)備狀態(tài)。傳感器305的輸出由數(shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)310接收，數(shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)把傳感器305的輸出變換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以及把數(shù)據(jù)格式化用于發(fā)送。要被發(fā)送的數(shù)據(jù)被傳送到控制子系統(tǒng)300，它根據(jù)編碼的數(shù)據(jù)來調(diào)制電流。測(cè)量?jī)x器密封裝置125也包括內(nèi)部的電源315，用于給傳感器305、控制子系統(tǒng)300、和數(shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)310供電。
圖4顯示控制子系統(tǒng)300的部件。開關(guān)400如上所述地控制通過鉆頭組110的電流通路。當(dāng)開關(guān)400被閉合時(shí)，電流流過連接上部135和底部130導(dǎo)電段的電線210。當(dāng)開關(guān)400被斷開時(shí)，電流流過在絕緣段140周圍的土壤從而在上部135和底部130導(dǎo)電段之間流動(dòng)。開關(guān)400可以由晶體管(諸如場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET))來實(shí)施。替換地，可以使用其它開關(guān)機(jī)構(gòu)。
開關(guān)400由微處理器405控制，它接收來自數(shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)310的傳感器數(shù)據(jù)。微處理器405根據(jù)按照一種調(diào)制技術(shù)的接收數(shù)據(jù)來控制開關(guān)400?？梢允褂枚喾N不同的調(diào)制技術(shù)，諸如頻移鍵控(FSK)調(diào)制。
例如，通過使用FSK，微處理器405可以用以2400Hz的頻率來斷開和閉合開關(guān)400以便代表邏輯零，以及用以4000Hz的頻率來斷開和閉合開關(guān)400以便代表邏輯一。通過使用這個(gè)調(diào)制技術(shù)，可以達(dá)到約1200bps的數(shù)據(jù)速率，這大約比典型的無線EM系統(tǒng)快100倍。
如上所述，控制信號(hào)可被疊加在流過通信電路的電流上?？刂菩盘?hào)由控制接收機(jī)410來檢測(cè)，它把控制數(shù)據(jù)輸出到微處理器405。
控制數(shù)據(jù)可被使用來在不需要傳感器305的時(shí)間間隔期間命令功率控制415去關(guān)斷內(nèi)部電源315。替換地，功率控制415可以激活低的功率消耗模式，在該模式中只有測(cè)量?jī)x器密封裝置125的關(guān)鍵部件(諸如微處理器405)被供電。功率控制415也可被配置成根據(jù)地面電源145被關(guān)斷而自動(dòng)關(guān)斷內(nèi)部電源315。另外，當(dāng)內(nèi)部電源315被關(guān)斷或處在較低功率消耗模式時(shí)，它可以通過使用在絕緣段140上形成的電壓而被慢慢地充電。因此，內(nèi)部電源315的壽命被延長(zhǎng)，以及它的重量和體積可被減小。
如上所述，測(cè)量?jī)x器密封裝置125通過在經(jīng)過絕緣段140周圍的土壤的高電阻的電流通路與連接上部135和底部130導(dǎo)電段的低電阻電線210之間進(jìn)行切換而調(diào)制通信電路中的電流。對(duì)于給定的電源電壓，在這兩條通路之間的切換改變通信電路的總的電阻，由此改變電流大小。
為了接收機(jī)能檢測(cè)調(diào)制，電流幅度的改變必須足夠大。因此，進(jìn)行分析來估值在絕緣段周圍的土壤的電阻，以便確定由于切換操作造成的電流幅度的改變。
在分析時(shí)，假定絕緣段為6米長(zhǎng)(20英尺)。也假定等電位軌跡和電流流量分布是關(guān)于位于絕緣段的中點(diǎn)處的垂直面對(duì)稱的。由于等電位面和流量分布的精確計(jì)算的復(fù)雜性，使用較簡(jiǎn)單的函數(shù)來近似這些函數(shù)，以便得到在一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)的結(jié)果。
為了估計(jì)通過絕緣段周圍的土壤的電阻，可以把施加到絕緣段上的總電壓除以流過中點(diǎn)垂直面的電流。這個(gè)電流可被如下地估計(jì)(1)計(jì)算在中點(diǎn)平面處的對(duì)稱軸的圓柱體的電阻。圓柱體具有0.1m的半徑和0.1m的長(zhǎng)度。R=ρ1A]]>=ρ0.10.01π]]>＝3.18ρΩ(2)計(jì)算對(duì)于在這個(gè)圓柱體的兩端之間的電壓V之下流過這個(gè)圓柱體的電流。該電壓可被估值為在中點(diǎn)處的梯度乘以圓柱體長(zhǎng)度的乘積。
對(duì)于均勻電場(chǎng)，該梯度等于總電壓V除以絕緣段的長(zhǎng)度。然而，上部的和底部的導(dǎo)電段構(gòu)成在絕緣段的每個(gè)末端處形成薄的電極，這導(dǎo)致在絕緣段的末端處的大的梯度，以及在中點(diǎn)處的最小梯度。中點(diǎn)電壓梯度是約為0.2與0.5之間的值乘以該均勻的梯度。所以，在計(jì)算電流密度時(shí)，電壓梯度將被估值為0.5V除以6.0m，這將等于0.083V/m。
電流(I)和中心線電流密度(J0)被給出為I=0.083V×0.13.18ρ]]>=0.0026VρAmps]]>J0=0.0026V(0.1π)ρ]]>=0.083VρAmps/m2]]>(3)中心線的電流密度隨半徑增加平滑地減小?？偟闹虚g平面的電流可以通過假定電流密度保持在它的中心線的數(shù)值到一個(gè)1.5米的半徑處(該段長(zhǎng)度的1/3的半徑的一個(gè)圓柱體)而被近似求出，然后隨1.5米的電場(chǎng)折疊長(zhǎng)度而指數(shù)衰減。這些假定產(chǎn)生對(duì)于電流密度的以下表示式J＝J00≤r≤15=J0e-(r-1.5)1.3r>1.5]]>(4)計(jì)算總的電流，即電流密度的積分乘以從中心線延伸到無窮遠(yuǎn)半徑的中間面的面積I0=J0[2.25π+∫1.5∞2πre-(r-1.5)1.3dr]]]>=J0[7.07+2π(2.25)∫0∞(x+1)e-xdx]]]>＝J0[7.07+14.14(Γ(2)+Γ(1))]＝J0[7.07+14.14(1+1)]＝35.4J0Amps(5)把總的電壓除以總的電流It，得到視在電阻R=V35.4J0]]>=Vρ35.4×0.083V]]>＝0.34ρΩ(6)如圖所示，為了確定當(dāng)絕緣的部分被短路時(shí)的電流變化，可以假定該開關(guān)電路和導(dǎo)線具有0.5歐姆的電阻，它是與絕緣段的計(jì)算的視在電阻R相并聯(lián)的。電路的其余部分(即鉆頭組的導(dǎo)電段、電源導(dǎo)線、和在底部導(dǎo)電段與電壓接地連接之間的土壤通路)可被假定為具有電阻Rr。
電路的總的電阻Rt可以對(duì)于短路(開關(guān)閉合)和非短路(開關(guān)斷開)條件作為電路的其余部分的電阻Rr的函數(shù)而被計(jì)算。這個(gè)計(jì)算是對(duì)于形成電阻率ρ的幾個(gè)值進(jìn)行的，如下表所示。
形成電阻率 Rt未短路的 Rt短路的 比值0.1 0.068 0.066 1.030.2 0.136 0.128 1.060.5 0.340.297 1.141.0 0.680.542 1.252.0 1.360.968 1.405.0 3.402.086 1.6310.0 6.803.836 1.7720.0 13.67.266 1.8750.0 34.0 17.485 1.94100.0 68.0 34.492 1.97對(duì)于大于1.0歐姆-米的形成電阻率，當(dāng)絕緣段被短路時(shí)，電流幅度改變25％或更多。即使低到0.1歐姆米的形成電阻率，也提供3％的改變，這對(duì)應(yīng)于1A的總電流的30mA的改變。幅度的這樣的改變是很容易被接收機(jī)檢測(cè)到的。
除了上述的分析以外，通過使用圖6所示的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試。為了模擬電信號(hào)通過土壤的傳輸，測(cè)試設(shè)備包括一個(gè)4英尺×8英尺的水槽605，其中包含約2英寸高的水，添加有含量為500ppm的NaCl。鉆頭組用一段1/4英寸乘1/4英寸的不銹鋼棒來模擬，它被做成如下的結(jié)構(gòu)。上部導(dǎo)電段用一段5英尺長(zhǎng)度的棒610來模擬，絕緣段用一個(gè)1英尺間隙段615來模擬，以及底部導(dǎo)電段用附加的一段1英尺長(zhǎng)度的棒620來模擬。
被連接在100歐姆電阻630兩端的電壓表625被使用來表示接收機(jī)和測(cè)量流過電路的電流。電源635與電阻630串聯(lián)，以及通過#18磁線660被連接到該5英尺段的棒。表示電源接地連接的探針640被連接到電阻630的另一端。探針640被加到水槽605的一系列間隔為3英寸的測(cè)量位置645，由此，完成測(cè)量電路。
在5英尺段610與1英尺段620之間連接有絕緣的線650和開關(guān)655，以表示被使用來短路鉆頭組的絕緣段的電通路。在每個(gè)測(cè)量位置645處，當(dāng)開關(guān)655被斷開和閉合時(shí)，可測(cè)量電阻630兩端的電壓。
下表顯示使用5伏DC源在每個(gè)測(cè)量位置645處對(duì)于斷開和閉合開關(guān)時(shí)在100歐姆電阻兩端測(cè)量的電壓。
下表顯示對(duì)于被設(shè)置為4.781VAC和100Hz的AC源在100歐姆電阻兩端測(cè)量的電壓。在每個(gè)位置進(jìn)行三組測(cè)量(對(duì)于開關(guān)斷開和閉合)。
下表顯示對(duì)于被設(shè)置為4.789VAC和300Hz的AC源在100歐姆電阻兩端測(cè)量的電壓。
下表顯示對(duì)于被設(shè)置為4.792VAC和1kHz的AC源在100歐姆電阻兩端測(cè)量的電壓。
下表顯示對(duì)于被設(shè)置為4.788VAC和3kHz的AC源在100歐姆電阻兩端測(cè)量的電壓。
下表顯示對(duì)于被設(shè)置為4.792VAC和1kHz的AC源，在100歐姆電阻兩端測(cè)量的電壓。
如以上數(shù)據(jù)表示的不同的電壓對(duì)測(cè)量位置并不過分敏感。所以，對(duì)應(yīng)于電源接地探針165(圖1)的測(cè)量探針640不一定必須被放置在直接在測(cè)量?jī)x器密封裝置125上方的地點(diǎn)。接地連接如有必要可被重新安置，以便改進(jìn)測(cè)量信號(hào)電平。也發(fā)現(xiàn)，探針165的大的表面積產(chǎn)生增加的信號(hào)電平。
在進(jìn)一步的測(cè)試中，將一個(gè)操縱工具(即，測(cè)量?jī)x器密封裝置)和操縱工具接收機(jī)被連接到測(cè)試設(shè)備。一個(gè)FET被用作為開關(guān)，并且被該操縱工具產(chǎn)生的頻移鍵控(FSK)調(diào)制信號(hào)所控制。接收機(jī)成功地檢測(cè)數(shù)據(jù)，其性能可以與有線通信系統(tǒng)相比較。
雖然上面詳細(xì)地描述本發(fā)明的特定的實(shí)施例，但將會(huì)看到，這個(gè)描述僅僅是為了說明用的。除了上面描述的以外，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以作出相應(yīng)于優(yōu)選實(shí)施例的揭示的方面的各種修改和等價(jià)結(jié)構(gòu)，而不背離在以下的權(quán)利要求中規(guī)定的、本發(fā)明的的精神，本發(fā)明的范圍被給予最廣泛的解釋，以便包括這樣的修改和等價(jià)的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.用于與被設(shè)置在鉆探設(shè)備上的地下測(cè)量?jī)x器密封裝置通信的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，鉆探設(shè)備具有在第一和第二導(dǎo)電段之間的絕緣段，該數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括電源，被連接到鉆探設(shè)備的第一導(dǎo)電段和地；接收機(jī)，被連接來測(cè)量流過所述電源的電流；電通路，被提供在鉆探設(shè)備的第一和第二導(dǎo)電段之間；以及開關(guān)，被提供在所述電通路中，用以根據(jù)由測(cè)量?jī)x器密封裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來斷開和閉合電通路。
2.權(quán)利要求1的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中所述開關(guān)包括晶體管。
3.權(quán)利要求2的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中所述晶體管是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
4.權(quán)利要求1的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中所述開關(guān)把頻移鍵控調(diào)制施加到在所述電通路中的電流上。
5.權(quán)利要求1的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中測(cè)量?jī)x器密封裝置的內(nèi)部電源在電通路被所述開關(guān)斷開時(shí)，被鉆探設(shè)備的第一和第二導(dǎo)電段之間形成的電壓充電。
6.權(quán)利要求1的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中所述電通路包括穿過鉆探設(shè)備的絕緣段的電線。
7.權(quán)利要求6的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中所述電線的末端被連接到鉆探設(shè)備的第一導(dǎo)電段。
8.權(quán)利要求1的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中所述開關(guān)被電連接到測(cè)量?jī)x器密封裝置的導(dǎo)電的外殼，以及測(cè)量?jī)x器密封裝置的外殼被電連接到鉆探設(shè)備的第二導(dǎo)電段。
9.權(quán)利要求1的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中所述電源通過被插入到在地下測(cè)量?jī)x器密封裝置上方的地中的電線而被連接到地。
10.權(quán)利要求1的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中測(cè)量?jī)x器密封裝置包括用于檢測(cè)鉆探設(shè)備的狀態(tài)的傳感器。
11.權(quán)利要求1的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，還包括控制發(fā)射機(jī)，用于把控制測(cè)量?jī)x器密封裝置的控制信號(hào)疊加在由所述電源產(chǎn)生的電流上；以及控制接收機(jī)，被設(shè)置在測(cè)量?jī)x器密封裝置中，所述接收機(jī)被連接來接收控制信號(hào)和根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生控制數(shù)據(jù)。
12.權(quán)利要求11的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中所述控制發(fā)射機(jī)利用頻移鍵控。
13.權(quán)利要求11的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中測(cè)量?jī)x器密封裝置根據(jù)所述電源的關(guān)斷啟動(dòng)用于內(nèi)部電源的低功率消耗模式。
14.權(quán)利要求11的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中測(cè)量?jī)x器密封裝置根據(jù)控制數(shù)據(jù)啟動(dòng)用于內(nèi)部電源的低功率消耗模式。
15.用于與地下電子裝置通信的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括第一導(dǎo)電段；第二導(dǎo)電段，被設(shè)置在地下和被電連接到電子裝置；絕緣段，被設(shè)置在所述第一和第二導(dǎo)電段之間和連接所述第一和第二導(dǎo)電段；電源，被連接到所述第一導(dǎo)電段和地；接收機(jī)，被連接來測(cè)量流過所述電源的電流；以及開關(guān)，被提供在所述第一和第二導(dǎo)電段之間的電通路中，所述開關(guān)用于根據(jù)由電子裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來斷開和閉合電通路。
16.權(quán)利要求15的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中所述開關(guān)包括晶體管。
17.權(quán)利要求15的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中所述開關(guān)把頻移鍵控調(diào)制施加到在電通路中的電流上。
18.權(quán)利要求15的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中所述電源通過被插入到在地下測(cè)量?jī)x器密封裝置上方的地中的電線而被連接到地。
19.用于與地下電子裝置通信的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括用于傳導(dǎo)電信號(hào)的第一導(dǎo)電裝置；用于傳導(dǎo)電信號(hào)的第二導(dǎo)電裝置，所述第二導(dǎo)電裝置被放置在地下和被電連接到電子裝置；絕緣連接裝置，用于連接所述第一和第二導(dǎo)電裝置；電源，被連接到所述第一導(dǎo)電裝置和地；接收機(jī)，被連接來測(cè)量流過所述電源的電流；以及調(diào)制裝置，用于根據(jù)由電子裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來斷開和閉合在所述第一和第二導(dǎo)電裝置之間的電通路。
20.權(quán)利要求19的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中所述調(diào)制裝置包括晶體管。
21.權(quán)利要求19的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中所述調(diào)制裝置把頻移鍵控調(diào)制施加到在電通路中的電流上。
22.權(quán)利要求19的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中所述電源通過被插入到在地下測(cè)量?jī)x器密封裝置上方的地中的電線而被連接到地。
23.用于與被設(shè)置在鉆探設(shè)備上的地下測(cè)量?jī)x器密封裝置通信的數(shù)據(jù)通信方法，該鉆探設(shè)備具有在第一和第二導(dǎo)電段之間的絕緣段，數(shù)據(jù)通信方法包括以下步驟把電源連接到鉆探設(shè)備的第一導(dǎo)電段和地；通過使用接收機(jī)來測(cè)量流過電源的電流；以及根據(jù)由測(cè)量?jī)x器密封裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，斷開和閉合被提供在鉆探設(shè)備的第一和第二導(dǎo)電段之間的開關(guān)。
24.權(quán)利要求23的數(shù)據(jù)通信方法，其中開關(guān)包括晶體管。
25.權(quán)利要求24的數(shù)據(jù)通信方法，其中晶體管是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
26.權(quán)利要求23的數(shù)據(jù)通信方法，還包括通過使用開關(guān)把頻移鍵控調(diào)制施加到在電通路中的電流上的步驟。
27.權(quán)利要求23的數(shù)據(jù)通信方法，還包括在電通路被開關(guān)斷開時(shí)由在鉆探設(shè)備的第一和第二導(dǎo)電段之間形成的電壓充電測(cè)量?jī)x器密封裝置的內(nèi)部電源的步驟。
28.權(quán)利要求23的數(shù)據(jù)通信方法，其中電通路包括穿過鉆探設(shè)備的絕緣段的電線。
29.權(quán)利要求28的數(shù)據(jù)通信方法，其中電線的末端被連接到鉆探設(shè)備的第一導(dǎo)電段。
30.權(quán)利要求23的數(shù)據(jù)通信方法，還包括以下步驟把開關(guān)電連接到測(cè)量?jī)x器密封裝置的導(dǎo)電的外殼；以及把測(cè)量?jī)x器密封裝置的外殼電連接到鉆探設(shè)備的第二導(dǎo)電段。
31.權(quán)利要求23的數(shù)據(jù)通信方法，還包括把所述電源通過被插入到在地下測(cè)量?jī)x器密封裝置上方的地中的電線而連接到地的步驟。
32.權(quán)利要求23的數(shù)據(jù)通信方法，其中測(cè)量?jī)x器密封裝置包括用于檢測(cè)鉆探設(shè)備的狀態(tài)的傳感器。
33.權(quán)利要求23的數(shù)據(jù)通信方法，還包括以下步驟通過使用發(fā)射機(jī)把用于控制測(cè)量?jī)x器密封裝置的控制信號(hào)疊加在由電源產(chǎn)生的電流上；以及通過使用被設(shè)置在測(cè)量?jī)x器密封裝置中的控制接收機(jī)接收控制信號(hào)和根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生控制數(shù)據(jù)。
34.權(quán)利要求33的數(shù)據(jù)通信方法，其中所述控制發(fā)射機(jī)利用頻移鍵控。
35.權(quán)利要求33的數(shù)據(jù)通信方法，其中測(cè)量?jī)x器密封裝置根據(jù)所述電源的關(guān)斷啟動(dòng)用于內(nèi)部電源的低功率消耗模式。
36.權(quán)利要求33的數(shù)據(jù)通信方法，其中測(cè)量?jī)x器密封裝置根據(jù)控制數(shù)據(jù)啟動(dòng)用于內(nèi)部電源的低功率消耗模式。
全文摘要
提供了用于與被放置在鉆探設(shè)備上的測(cè)量?jī)x器密封裝置通信的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。鉆探設(shè)備具有在第一和第二導(dǎo)電段之間的絕緣段。系統(tǒng)包括被連接到鉆探設(shè)備的第一導(dǎo)電段和地的電源。接收機(jī)測(cè)量流過電源的電流。電通路被提供在鉆探設(shè)備的第一和第二導(dǎo)電段之間。被提供在電通路中的開關(guān)根據(jù)由測(cè)量?jī)x器密封裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來斷開和閉合電通路。
文檔編號(hào)E21B47/12GK1365552SQ00808599
公開日2002年8月21日 申請(qǐng)日期2000年4月7日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月8日
發(fā)明者G·羅伯茨, E·弗拉賽爾, F·埃爾尼斯特 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司