本申請(qǐng)是基于2013年1月4日提交的、申請(qǐng)?zhí)枮?01310001524.8、發(fā)明創(chuàng)造名稱為“鉆柱通信系統(tǒng)、部件和方法”的中國(guó)專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

相關(guān)申請(qǐng)

本申請(qǐng)要求于2012年1月5日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序號(hào)為61/583，591的優(yōu)先權(quán)，通過(guò)引用的方式將該申請(qǐng)整體并入本文。本申請(qǐng)還要求于2013年1月2日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)為13/733,097的優(yōu)先權(quán)，通過(guò)引用的方式將該申請(qǐng)整體并入本文。

本申請(qǐng)總體上涉及地下(inground)操作，并且更具體地，涉及一種包括先進(jìn)鉆柱通信系統(tǒng)的系統(tǒng)、設(shè)備和方法，其中該先進(jìn)鉆柱通信系統(tǒng)將電信號(hào)耦合到導(dǎo)電鉆柱上以便數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)至少為噪聲和失真效應(yīng)提供補(bǔ)償。地面步行定位器(walkoverlocator)通信能夠整體地受到該系統(tǒng)和相關(guān)方法的支持。

背景技術(shù)：

通常，地下操作，例如，鉆井以形成鉆孔、隨后為了安裝公用線路而對(duì)鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔、鉆孔測(cè)繪等使用從地面上的鉆機(jī)延伸出來(lái)的導(dǎo)電鉆柱。現(xiàn)有技術(shù)包括使用導(dǎo)電鉆柱作為電導(dǎo)體以便用于將來(lái)自地下工具的數(shù)據(jù)信號(hào)電傳導(dǎo)至鉆機(jī)的示例。周?chē)懙乇旧碛米鳈z測(cè)鉆機(jī)處的信號(hào)的信號(hào)返回路徑。該類型的系統(tǒng)通常被稱為隨鉆測(cè)量(mwd)系統(tǒng)。然而，申請(qǐng)人意識(shí)到仍然存在對(duì)mwd系統(tǒng)改進(jìn)的需要。

相關(guān)技術(shù)的上述示例以及與其相關(guān)的限制為說(shuō)明性的而不是排他性的。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言經(jīng)閱讀說(shuō)明書(shū)和對(duì)附圖研究之后，相關(guān)技術(shù)的其它限制將變得顯而易見(jiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

描述了一種鉆柱通信系統(tǒng)。井上收發(fā)器可以以一定的功率將信號(hào)耦合至鉆柱上，該功率可以大于并且在一些實(shí)施例中總是大于針對(duì)井下信號(hào)的可選擇功率?？梢允褂镁鲜瞻l(fā)器的最大井上傳輸功率重新開(kāi)始從鉆機(jī)至地下工具的通信。程序可以建立針對(duì)鉆柱信號(hào)的新的一組傳輸參數(shù)從而建立鉆機(jī)和地下工具之間的通信。該系統(tǒng)可以包括接收激活/禁用狀態(tài)控制的電磁定位信號(hào)的地面步行定位器。響應(yīng)于定位信號(hào)衰減，重新配置命令可以修改定位信號(hào)。井上收發(fā)器和井下收發(fā)器可以自動(dòng)地修改井下信號(hào)的至少一個(gè)參數(shù)。井上接收器可以將補(bǔ)償響應(yīng)施加于傳送信號(hào)以補(bǔ)償鉆柱信道傳遞函數(shù)。

結(jié)合作為示例性和說(shuō)明性而在范圍上非限制性的系統(tǒng)、工具和方法對(duì)下面的實(shí)施例及其方面進(jìn)行了描述和說(shuō)明。在各種實(shí)施例中，上述問(wèn)題中的一個(gè)或多個(gè)已減少或消除，而其它實(shí)施例涉及其它改進(jìn)。

在本公開(kāi)的一個(gè)方面，公開(kāi)了一種鉆柱通信系統(tǒng)、相關(guān)設(shè)備和方法。該鉆柱通信系統(tǒng)使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信。井上收發(fā)器位于鉆機(jī)處并且包括井上發(fā)射器，井上發(fā)射器以井上傳輸功率將井上信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至地下工具。井下收發(fā)器位于井下靠近地下工具并且包括井下發(fā)射器，井下發(fā)射器以井下傳輸功率將井下信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至鉆機(jī)處的鉆柱上，井下傳輸功率能夠在井下功率傳輸范圍內(nèi)進(jìn)行選擇并且井上傳輸功率總是大于在井下功率傳輸范圍內(nèi)的任何選定的井下傳輸功率。

在本公開(kāi)的另一個(gè)方面，描述了一種用于操作鉆柱通信系統(tǒng)的方法和相關(guān)設(shè)備，鉆柱通信系統(tǒng)使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信。響應(yīng)于利用當(dāng)前一組傳輸參數(shù)從地下工具傳輸至鉆柱上的井下信號(hào)的接收的耗損，使用井上收發(fā)器以井上收發(fā)器的最大井上傳輸功率重新開(kāi)始從鉆機(jī)至地下工具的通信以將井上重新開(kāi)始信號(hào)耦合至地下工具?；趤?lái)自地下工具對(duì)井上重新開(kāi)始信號(hào)的響應(yīng)，進(jìn)入程序以針對(duì)井下信號(hào)和井上信號(hào)中的至少一個(gè)建立新的一組傳輸參數(shù)，以在其后建立鉆機(jī)和地下工具之間的通信。

在本公開(kāi)的另一個(gè)方面中，描述了一種鉆柱通信系統(tǒng)和相關(guān)方法，鉆柱通信系統(tǒng)使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信。井上收發(fā)器位于鉆機(jī)處并且包括井上發(fā)射器，井上發(fā)射器以井上傳輸功率將井上信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至地下工具。井下收發(fā)器位于井下靠近地下工具并且包括井下發(fā)射器，井下發(fā)射器以井下傳輸功率將井下信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至鉆機(jī)處的鉆柱上并且發(fā)出具有至少一個(gè)可選擇操作參數(shù)的電磁定位信號(hào)，井下傳輸功率能夠在井下功率傳輸范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。地面步行定位器接收電磁定位信號(hào)且檢測(cè)接收到的定位信號(hào)的預(yù)定衰減，并且響應(yīng)于檢測(cè)到預(yù)定衰減，系統(tǒng)配置成自動(dòng)地生成重新配置命令，重新配置命令改變電磁定位信號(hào)的以下參數(shù)中的至少一個(gè)：載波頻率、傳輸功率、波特率和調(diào)制模式。

在本公開(kāi)的另一個(gè)方面中，描述了一種鉆柱通信系統(tǒng)和相關(guān)方法，鉆柱通信系統(tǒng)使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信。井上收發(fā)器位于鉆機(jī)處并且包括井上發(fā)射器，井上發(fā)射器以井上傳輸功率將井上信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至地下工具。井下收發(fā)器位于井下靠近地下工具并且包括井下發(fā)射器，井下發(fā)射器以井下傳輸功率將井下信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至鉆機(jī)處的鉆柱上并且發(fā)出具有至少一個(gè)可選擇操作參數(shù)的電磁定位信號(hào)，井下傳輸功率在井下功率傳輸范圍內(nèi)可選擇。便攜式地面步行定位器接收電磁定位信號(hào)且檢測(cè)電磁定位信號(hào)的接收耗損，并且響應(yīng)于接收耗損，自動(dòng)地向鉆機(jī)表明信號(hào)耗損情況。

在本公開(kāi)的另一個(gè)方面中，一種鉆柱通信系統(tǒng)和相關(guān)方法使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信。井上收發(fā)器位于鉆機(jī)處并且包括井上發(fā)射器，井上發(fā)射器將井上信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至地下工具。井下收發(fā)器位于井下靠近地下工具并且包括井下發(fā)射器，井下發(fā)射器將井下信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至形成井上收發(fā)器的一部分的井上接收器。井上收發(fā)器和井下收發(fā)器配置成協(xié)作以至少部分地基于由井上收發(fā)器所檢測(cè)到的井下信號(hào)的信號(hào)衰減而自動(dòng)改變井下信號(hào)的至少一個(gè)可操作傳輸參數(shù)。

在本公開(kāi)的另一個(gè)方面中，描述了一種用于鉆柱通信系統(tǒng)中的設(shè)備和相關(guān)方法，該鉆柱通信系統(tǒng)使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信。鉆柱在用作載送井下信號(hào)的這樣的電導(dǎo)體時(shí)展現(xiàn)信道傳遞函數(shù)，井下信號(hào)通過(guò)地下工具耦合至鉆柱。井上接收器接收來(lái)自鉆柱作為傳送信號(hào)的井下信號(hào)，傳送信號(hào)受到信道傳遞函數(shù)的影響，并且井上接收器配置成將補(bǔ)償響應(yīng)施加于傳送信號(hào)，基于信道傳遞函數(shù)定制補(bǔ)償響應(yīng)。

在本公開(kāi)的另一個(gè)方面中，描述了一種地面步行定位器和相關(guān)方法，其用于使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱的系統(tǒng)中，地下工具配置成傳輸電磁定位信號(hào)。接收器配置成接收定位信號(hào)，檢測(cè)定位信號(hào)的接收的衰減，并且響應(yīng)于衰減檢測(cè)生成信號(hào)耗損命令。遙測(cè)發(fā)射器配置成將信號(hào)耗損命令傳輸至鉆機(jī)。

在本公開(kāi)的另一個(gè)方面中，描述了一種至少用于執(zhí)行地下操作的系統(tǒng)和相關(guān)方法，其使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信。井下收發(fā)器位于井下靠近地下工具，并且配置成(i)接收與地下工具的可操作參數(shù)相關(guān)的至少一個(gè)傳感器信號(hào)，(ii)生成井下信號(hào)，井下信號(hào)被傳輸至鉆機(jī)處的鉆柱上，并且基于傳感器信號(hào)對(duì)井下信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，和(iii)發(fā)出電磁定位信號(hào)以便進(jìn)行地上檢測(cè)，該定位信號(hào)至少?zèng)]有通過(guò)傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。井上收發(fā)器位于鉆機(jī)處并且包括井上接收器，井上接收器配置成從鉆柱接收井下信號(hào)并且恢復(fù)傳感器信號(hào)，以使得在鉆機(jī)處可獲得與可操作參數(shù)相關(guān)的信息。地面步行定位器接收電磁定位信號(hào)用作歸航信標(biāo)和跟蹤信號(hào)中的至少一個(gè)，使得針對(duì)給定傳輸功率在不調(diào)制的情況下定位信號(hào)的檢測(cè)范圍大于針對(duì)相同的給定傳輸功率經(jīng)過(guò)傳感器信號(hào)調(diào)制的調(diào)制定位信號(hào)的檢測(cè)范圍。

在本公開(kāi)的另一個(gè)方面中，描述了一種至少用于執(zhí)行地下操作的系統(tǒng)和方法，其使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信。井上收發(fā)器位于鉆機(jī)處并且包括井上接收器，井上接收器配置成至少將鉆柱上的井上信號(hào)傳輸至地下工具。井下收發(fā)器位于井下靠近地下工具，并且配置成從鉆柱接收井上信號(hào)并且選擇性地發(fā)出電磁定位信號(hào)以便地上檢測(cè)。地面步行定位器接收電磁定位信號(hào)并自動(dòng)地檢測(cè)地面步行定位器的激活/禁用狀態(tài)，并且響應(yīng)于檢測(cè)到激活/禁用狀態(tài)變化，地面步行定位器配置成將表明新激活/禁用狀態(tài)的狀態(tài)指示傳輸至鉆機(jī)。井上收發(fā)器和井下收發(fā)器被進(jìn)一步配置成協(xié)作以至少響應(yīng)于禁用狀態(tài)斷開(kāi)電磁定位信號(hào)。

在本公開(kāi)的另一個(gè)方面中，描述了一種用于至少執(zhí)行地下操作的系統(tǒng)中的通信系統(tǒng)和相關(guān)方法，其使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱以及用作歸航信標(biāo)和跟蹤裝置中的至少一個(gè)的地面步行檢測(cè)器。井上收發(fā)器位于鉆機(jī)處。井下收發(fā)器位于井下靠近地下工具。遙測(cè)收發(fā)器形成地面步行定位器的一部分。井上收發(fā)器和井下收發(fā)器之間的第一雙向通信鏈路使用鉆柱作為電導(dǎo)體以提供井上收發(fā)器和井下收發(fā)器之間的通信。井上收發(fā)器和地面步行定位器的遙測(cè)收發(fā)器之間的第二雙向通信鏈路采用了井上收發(fā)器與遙測(cè)收發(fā)器之間的無(wú)線電磁通信。從地下工具的井下收發(fā)器至地面步行定位器至少形成了單向通信鏈路使得(i)使用第一雙向通信鏈路從井下收發(fā)器經(jīng)由鉆柱至鉆機(jī)處的井上收發(fā)器提供了第一通信模式，(ii)從井下收發(fā)器經(jīng)由單向通信鏈路、地面步行定位器處的遙測(cè)收發(fā)器和第二雙向通信鏈路至井上收發(fā)器提供了第二通信模式，和(iii)控制器至少部分地基于系統(tǒng)狀態(tài)管理井下收發(fā)器和井上收發(fā)器之間的通信。

附圖說(shuō)明

示例性實(shí)施例顯示在附圖的參考圖中。意欲表明：本文公開(kāi)的實(shí)施例和附圖是示例性的而不是限制性的。

圖1是利用了本公開(kāi)的先進(jìn)鉆柱耦合系統(tǒng)的系統(tǒng)的立面圖解視圖。

圖2是耦合適配器的一個(gè)實(shí)施例的圖解透視圖，其中該耦合適配器利用了用于從導(dǎo)電鉆柱耦合信號(hào)以及將信號(hào)耦合至導(dǎo)電鉆柱的電流互感器。

圖3是耦合適配器的另一個(gè)實(shí)施例的圖解視圖，其中該耦合適配器形成了用于從導(dǎo)電鉆柱耦合信號(hào)以及將信號(hào)耦合至導(dǎo)電鉆柱的電隔離間隙。

圖4是地下工具的一個(gè)實(shí)施例的透視圖解視圖，該地下工具呈連接至本公開(kāi)的耦合適配器實(shí)施例的鉆頭和地下殼體的形式。

圖5是地下工具的另一個(gè)實(shí)施例的透視圖解視圖，該地下工具呈連接至本公開(kāi)的耦合適配器實(shí)施例的張力監(jiān)測(cè)器和擴(kuò)孔工具的形式。

圖6是顯示了可與本公開(kāi)的耦合適配器一起使用的電子部分的一個(gè)實(shí)施例的框圖。

圖7是顯示了可用在鉆機(jī)處或者用作鉆柱中繼器的一部分的電子部分的一個(gè)實(shí)施例的框圖，其中該鉆柱中繼器與服務(wù)于地下工具的本公開(kāi)的耦合適配器協(xié)作。

圖8是先進(jìn)雙向鉆柱通信系統(tǒng)的實(shí)施例的框圖。

圖9是由多個(gè)可拆卸連接的導(dǎo)電鉆管分段構(gòu)成的鉆柱的近似模型。

圖10a和圖10b是分別示出先進(jìn)井下收發(fā)器和先進(jìn)井上收發(fā)器的細(xì)節(jié)的實(shí)施例的框圖。

圖11a是線性信道均衡器的實(shí)施例的框圖。

圖11b是判決反饋均衡器的實(shí)施例的框圖。

圖12a和圖12b分別是面向判決的適應(yīng)性線性和判決反饋均衡器的實(shí)施例的框圖。

圖13a是用于本公開(kāi)的系統(tǒng)啟動(dòng)和重新初始化的方法的實(shí)施例的流程圖。

圖13b是用于動(dòng)態(tài)地/自動(dòng)地控制定位信號(hào)傳輸?shù)姆椒ǖ膶?shí)施例的流程圖。

圖13c是顯示表明定位信號(hào)的有效/無(wú)效狀態(tài)和改變當(dāng)前狀態(tài)的能力的外觀的實(shí)施例的屏幕截圖。

圖14是用于協(xié)作操作本公開(kāi)的井上和井下收發(fā)器的方法的實(shí)施例的流程圖。

圖15是本公開(kāi)的井下收發(fā)器和便攜式定位器之間的通信協(xié)議方法的實(shí)施例的流程圖。

圖16是用于操作通信控制器的方法的實(shí)施例的流程圖。

具體實(shí)施方式

提出以下描述使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，并且在專利應(yīng)用和其需求的背景下提供以下描述。對(duì)所述實(shí)施例的各種變型對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將容易地成為顯而易見(jiàn)的，并且本文中教導(dǎo)的一般原理可以適用于其它實(shí)施例。因此，本發(fā)明不限于所示實(shí)施例，而是符合如限定在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的包括變型和等同物的與本文所述的原理和特征一致的最寬范圍。需要注意的是，附圖不是按照比例繪制，并且本質(zhì)上是被認(rèn)為最佳地說(shuō)明了興趣特征的方式的圖解。關(guān)于這些說(shuō)明可以使用描述性術(shù)語(yǔ)，然而，該術(shù)語(yǔ)采用是為了便于讀者理解，并非旨在限制。進(jìn)一步地，為了顯示清楚而未按照比例繪制附圖。

現(xiàn)在返回至附圖，在各個(gè)附圖中相同的部件由相同的參考數(shù)字表示，立即將注意力指向圖1，圖1是以圖解方式顯示根據(jù)本公開(kāi)制造且總體上由參考數(shù)字10表示的水平定向鉆井系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的立面圖。雖然圖示系統(tǒng)顯示了本發(fā)明在水平定向鉆井系統(tǒng)和它的用于執(zhí)行地下鉆孔操作的部件的框架內(nèi)，但是關(guān)于其它操作程序(包括但不限于豎直鉆井操作、用于安裝公用設(shè)施的拉回操作、繪圖操作等)，本發(fā)明享有等同適用性。

圖1顯示了在區(qū)域12操作的系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括具有鉆柱16的鉆機(jī)14，鉆柱16從鉆機(jī)14延伸至鉆孔工具20a或20b。需要注意的是，為了將變得顯而易見(jiàn)的原因，顯示了鉆柱12a和12b的地下端部的兩個(gè)例子以及鉆孔工具20a和20b。使用實(shí)線顯示鉆柱的例子16a和鉆孔工具20a，而使用虛線以虛幻的方式顯示鉆柱的例子16b和鉆孔工具20b。應(yīng)理解的是，在給定地下操作期間僅使用兩個(gè)圖示例子中選定的一個(gè)。對(duì)鉆柱和鉆孔工具的一般參考可以使用參考數(shù)字16和20。鉆柱可被推至地面中以大致地沿箭頭所示的向前方向22至少移動(dòng)地下工具20。盡管本示例是依據(jù)鉆孔工具的使用而構(gòu)建，然而應(yīng)理解的是，討論適用于任何合適形式的地下工具，包括但不限于擴(kuò)孔工具、拉回操作(其中可以安裝公用設(shè)施或殼體)期間使用的張力監(jiān)測(cè)工具、用于繪制鉆孔路徑的繪圖工具(例如，使用慣性引導(dǎo)單元和井下壓力監(jiān)測(cè))。在鉆孔工具的操作中，通常期望基于鉆柱的推進(jìn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而在諸如拉回操作的其它操作中，通常響應(yīng)于鉆柱的撤回進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

繼續(xù)參考圖1，鉆柱16部分地示出并且被分段，從而由多個(gè)可拆卸附接的單獨(dú)鉆管分段構(gòu)成，其中的一些鉆管分段表示為1、2、n-1和n，具有分段長(zhǎng)度和壁厚。鉆管分段可互換地稱為具有桿長(zhǎng)度的鉆桿。在鉆機(jī)操作期間，為了推進(jìn)地下工具，可以一次將一個(gè)鉆管分段增加至鉆柱，并且通過(guò)鉆機(jī)利用可移動(dòng)托架24將其推至地面中。鉆機(jī)14可以包括合適的監(jiān)測(cè)布置，以測(cè)量鉆柱進(jìn)入地面的移動(dòng)，例如，在名稱為“systems,arrangementsandassociatedmethodsfortrackingand/orguidinganundergroundboringtool”的us專利no.6,035,951(下文為'951專利)中所描述的，該專利與本申請(qǐng)共同歸屬并由此通過(guò)參引的方式并入。例如，固定超聲波接收器28可以定位在鉆機(jī)的鉆架上，而超聲波發(fā)射器30可以定位在可移動(dòng)托架上，可移動(dòng)托架用于伸出和撤回鉆柱。接收器28和發(fā)射器30之間的距離可以建立在不到一英寸的范圍內(nèi)。通過(guò)監(jiān)測(cè)該距離并結(jié)合監(jiān)測(cè)夾緊布置32(其響應(yīng)于將鉆桿移除或增加至鉆柱而動(dòng)作)的狀態(tài)，可以追蹤鉆柱的長(zhǎng)度。

每個(gè)鉆管分段限定了在管分段的相對(duì)端部之間延伸的貫通開(kāi)口34(示出了其中的兩個(gè))。鉆管分段可以與通常被稱為盒和銷(xiāo)配件進(jìn)行配合，使得給定鉆管分段的每個(gè)端部可以以眾所周知的方式與鉆柱中的另一個(gè)鉆管分段的相鄰端部螺紋接合。一旦鉆管分段接合構(gòu)成鉆柱，鉆管分段中相鄰鉆管分段的貫通開(kāi)口就會(huì)對(duì)準(zhǔn)以形成箭頭所示的總通路36。鉆柱的每個(gè)井下例子的通路36可以提供用于鉆井液或泥漿的符合箭頭方向36從鉆機(jī)至鉆頭的加壓流動(dòng)，如將進(jìn)一步描述的。

可以利用顯示器44在鉆機(jī)14處(例如控制臺(tái)42上)建立并顯示鉆孔工具在區(qū)域12內(nèi)的位置以及鉆孔工具所沿的地下路徑。控制臺(tái)可以包括處理裝置46和控制致動(dòng)器裝置47。需要注意的是，鉆機(jī)處的處理裝置46可以包括下文被稱為井上收發(fā)器的裝置。

鉆孔工具20可以包括鉆頭50，鉆頭50具有成角度的面，以用于基于工具面取向(rollorientation)的轉(zhuǎn)向中。即，鉆頭在被向前推動(dòng)而不旋轉(zhuǎn)時(shí)通常將基于其成角度的面的工具面取向而進(jìn)行偏斜。另一方面，在推動(dòng)鉆柱時(shí)，通過(guò)如雙箭頭51所示地旋轉(zhuǎn)鉆柱，通常可以使鉆頭沿直線行進(jìn)。當(dāng)然，可預(yù)見(jiàn)的轉(zhuǎn)向是以合適的土壤條件為前提的。需要注意的是，為了穿過(guò)就在鉆頭前面的地面以及對(duì)鉆頭提供冷卻和潤(rùn)滑，上述鉆井液在高壓下可以噴射為射流52。鉆孔工具20包括容納電子封裝件56的地下殼體54。為了下面的描述，該電子封裝件可以稱為井下收發(fā)器。地下殼體構(gòu)造成提供用于使鉆井液圍繞電子封裝件流動(dòng)至鉆頭50。例如，電子封裝件在構(gòu)造上可以是圓柱形的并且以居中的方式支撐在殼體54內(nèi)。鉆頭50可以包括盒配件，該盒配件接收地下殼體54的銷(xiāo)配件。地下殼體的相對(duì)端部可以包括盒配件，該盒配件接收耦合適配器60a或60b的銷(xiāo)配件。需要注意的是，通過(guò)非限制性示例顯示的耦合適配器的兩個(gè)例子大體由參考數(shù)字60表示，可以理解的是可以采用任何合適的實(shí)施例。耦合適配器60的相對(duì)端部可以包括盒配件，該盒配件接收限定鉆柱的遠(yuǎn)側(cè)地下端部的銷(xiāo)配件。需要注意的是，鉆頭、地下殼體和耦合適配器的盒和銷(xiāo)配件是與鉆柱的鉆管分段上便于在形成鉆柱時(shí)鉆管分段彼此可拆卸的附接的盒和銷(xiāo)配件大體相同的盒和銷(xiāo)配件。地下電子封裝件56可以包括收發(fā)器64，在一些實(shí)施例中收發(fā)器64可以傳輸定位信號(hào)66(例如，偶極定位信號(hào))，然而這不是必須的。在一些實(shí)施例中，收發(fā)器64可以接收由其它地下部件生成的電磁信號(hào)，如將在下面合適點(diǎn)處描述的。為了描述性目的，本示例將假定電磁信號(hào)是偶極信號(hào)形式的定位信號(hào)。相應(yīng)地，電磁信號(hào)可稱為定位信號(hào)。應(yīng)理解的是，偶極信號(hào)可以像任何其它電磁信號(hào)一樣經(jīng)過(guò)調(diào)制并且之后該調(diào)制數(shù)據(jù)可以從該信號(hào)恢復(fù)。信號(hào)的定位功能性至少部分地取決于通量場(chǎng)的特性形狀和其信號(hào)強(qiáng)度，而不是攜帶調(diào)制的能力。因此，調(diào)制不是必須的。關(guān)于鉆孔工具的某些參數(shù)(例如，傾角(pitch)和面向角(roll)(取向參數(shù))、溫度和鉆井液壓力)的信息可以由位于鉆孔工具內(nèi)的合適的傳感器裝置68進(jìn)行測(cè)量，傳感器裝置68例如可以包括傾角傳感器、面向角傳感器、溫度傳感器、用于感測(cè)大約50/60hz公用線路的ac場(chǎng)傳感器、以及需要的任何其它傳感器，例如，用于感測(cè)偏航取向的dc磁場(chǎng)傳感器(三軸磁力計(jì)，與三軸加速度計(jì)一起形成電子羅盤(pán)對(duì)偏航取向進(jìn)行測(cè)量)。電子封裝件56還包括根據(jù)需要與傳感器裝置68和收發(fā)器64接口的處理器70。可以形成傳感器裝置的一部分的另一個(gè)傳感器是配置用于檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)軸上的加速度的加速度計(jì)。電池(圖未示)可以設(shè)置在殼體內(nèi)，用于提供電力。

地面步行/便攜式定位器80可用于檢測(cè)電磁信號(hào)66。在名稱為“fluxplanelocatinginanundergrounddrillingsystem”的us專利no.6,496,008中描述了一種合適的且高度先進(jìn)的便攜式定位器，該專利與本申請(qǐng)共同歸屬并由此通過(guò)參引的方式將其全部并入本文中。如上所述，盡管為了描述性目的已采用水平定向鉆井的框架，然而本描述適用于各種地下操作，且并非旨在限制。如上討論，電磁信號(hào)可以攜帶包括取向參數(shù)(例如，傾角和面向角)的信息。電磁信號(hào)也可以攜帶其它信息。這樣的信息例如可以包括接近鉆孔工具或在鉆孔工具內(nèi)部測(cè)得的參數(shù)，包括溫度和電壓(例如電池或電源電壓)。定位器80包括電子封裝件82。需要注意的是，電子封裝件與定位器的各個(gè)部件接口以便進(jìn)行電通信，并且可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?？梢砸匀魏魏线m的方式將感興趣的信息調(diào)制到電磁信號(hào)66上，并且傳輸至定位器80和/或鉆機(jī)處的天線84，然而這不是必須的。當(dāng)前可獲得的或者有待開(kāi)發(fā)的任何合適形式的調(diào)制均可使用。當(dāng)前可獲得的合適類型的調(diào)制的示例包括幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制及其變型。關(guān)于鉆井的任何感興趣的參數(shù)(例如，傾角)可以顯示在顯示器44上和/或如從該定位信號(hào)恢復(fù)地顯示在定位器80的顯示器86上。鉆機(jī)14可以傳輸遙測(cè)信號(hào)98，遙測(cè)信號(hào)98可以由定位器80接收。遙測(cè)信號(hào)92可以從定位器80經(jīng)由遙測(cè)天線94傳輸至鉆機(jī)。遙測(cè)部件提供用于鉆機(jī)和定位器80之間的雙向發(fā)信號(hào)。作為這樣發(fā)信號(hào)的一個(gè)示例，基于夾緊裝置32的狀態(tài)，鉆機(jī)可以因?yàn)殂@管分段正增加至鉆柱或從鉆柱移除(在此期間，夾緊布置與鉆柱接合)而傳輸鉆柱處于靜止?fàn)顟B(tài)的指示。

仍然參考圖1，電纜100可以從地下電子封裝件56延伸出來(lái)，使得可以在該電纜上電傳輸與地下工具的操作相關(guān)的任何感測(cè)值或參數(shù)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，通稱為“管中線(wire-in-pipe)”的可用于將信號(hào)傳輸至鉆機(jī)。術(shù)語(yǔ)管中線指的是容納在由鉆柱形成的內(nèi)部通道34內(nèi)的電纜。然而，根據(jù)本公開(kāi)，電纜100延伸至地下耦合適配器60的實(shí)施例或其它合適地下裝置。如上所述，耦合至鉆孔工具50a的第一實(shí)施例由參考數(shù)字60a指示，并且耦合至鉆孔工具50b的第二實(shí)施例由參考數(shù)字60b指示，如下文即將進(jìn)一步描述的。

注意力現(xiàn)在指向圖2并且結(jié)合圖1。圖2是進(jìn)一步詳細(xì)地顯示耦合適配器的實(shí)施例60a的圖解透視圖。需要注意的是，耦合適配器60a如上所述表示合適的耦合裝置的一個(gè)實(shí)施例，并且在名稱為“drillstringcouplingadapterandmethodforingroundsignalcoupling”的序號(hào)為no.13/035,774的us專利申請(qǐng)中詳細(xì)地進(jìn)行了描述，由此通過(guò)參引的方式將該專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容并入。具體地，耦合適配器60a包括主體120，主體120形成銷(xiāo)配件122以便與地下殼體54的盒配件(圖未示)接合。需要注意的是，為了顯示清楚未在銷(xiāo)配件上示出螺紋，但是應(yīng)理解為存在螺紋。主體包括至少一個(gè)高壓電連接組件。耦合適配器60a還包括延伸體140，延伸體140可拆卸地附接至主體120使得可以更換主體或延伸體。主體和延伸體可以由任何合適材料形成，例如由非磁性合金(包括非磁性不銹鋼)和磁性合金(例如，4140、4142、4340或任何合適的高強(qiáng)度鋼)形成。具體地，當(dāng)距離驅(qū)動(dòng)耦合適配器的電子模塊許多英尺或許多鉆桿放置耦合適配器時(shí)，非磁性形式可能不是必要的。然而，如果在檢測(cè)地磁場(chǎng)的地下裝置(例如，導(dǎo)向工具)附近使用耦合適配器，則使用非磁性材料以避免潛在磁場(chǎng)干擾。在這點(diǎn)上眾所周知的是，非磁性高強(qiáng)度合金與它們的磁性對(duì)應(yīng)材料相比在成本方面通常高得多。需要注意的是，不存在主體和延伸體由相同材料形成的這樣要求。

圓柱形環(huán)144容納在主體120和延伸體140之間。需要注意的是，為了本說(shuō)明而使圓柱形環(huán)呈現(xiàn)為透明的使得電流互感器160是可見(jiàn)的。圓柱形環(huán)可以由通常對(duì)地下環(huán)境具有抵抗力且電絕緣的任何合適材料形成。通過(guò)非限制性示例，一種合適的材料是相變?cè)鲰g氧化鋯陶瓷，其它陶瓷材料可能也是合適的。如圖2所見(jiàn)，圓柱形環(huán)144的外表面相對(duì)于主體和延伸體的外表面可以是嵌入件，目的是減小對(duì)圓柱形環(huán)的潛在損壞以及減小圓柱形環(huán)上的磨損。例如，基于該嵌入件，夾緊布置32(圖1)可以跨接并且保持與圓柱形環(huán)不接觸。進(jìn)一步地，可以減小因鉆柱的旋轉(zhuǎn)、前進(jìn)和撤回而引起的圓柱形環(huán)的地下磨損。在這點(diǎn)上，應(yīng)理解的是，因相似的原因，電連接組件130可以是嵌入件，如圖2中可見(jiàn)的。電流互感器可以包括纏繞在環(huán)形或環(huán)形鐵芯上的線圈。就這一點(diǎn)而言，鐵芯可以包括任何合適的橫截面形狀，例如，矩形，正方形和圓形。在圖示的實(shí)施例中，鐵芯可以是分離的以便于電流互感器的安裝。來(lái)自電流互感器線圈的相對(duì)端部的一對(duì)電導(dǎo)線可以耦合至電連接組件130處的電纜100。應(yīng)理解的是，可以使用任何合適的電流互感器并且此處描述的具體電流互感器不是作為限制性的。延伸體140的相對(duì)端部170限定了用于與鉆柱的地下遠(yuǎn)側(cè)端部螺紋接合的盒配件。關(guān)于圖1，應(yīng)理解的是，當(dāng)在鉆機(jī)處組裝鉆柱時(shí)，耦合適配器60可以安裝在任何兩個(gè)相鄰的鉆管分段之間。例如，圖1中耦合適配器的合適實(shí)施例可以位于鉆管分段n-1和n之間。然后，電纜100從地下工具延伸通過(guò)鉆管分段n到達(dá)耦合適配器。

現(xiàn)在注意力轉(zhuǎn)向圖3，圖3是顯示耦合適配器60b的實(shí)施例的圖解透視圖。需要注意的是，圖3對(duì)應(yīng)于名稱為“drillstringingroundisolatorinanmwdsystemandassociatedmethod”的序列號(hào)為no.13/593,439的us專利申請(qǐng)(下文稱為‘439申請(qǐng))的圖2，由此通過(guò)參引方式將該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容引入。圖3的實(shí)施例表示‘439申請(qǐng)中公開(kāi)的眾多合適實(shí)施例中的一個(gè)。這些實(shí)施例中的每一個(gè)在定位于圖1所示的鉆柱中時(shí)形成了鉆柱中的電隔離間隙或間斷?！?39申請(qǐng)還公開(kāi)了形成電隔離間隙的地下可互換工具系統(tǒng)，作為本申請(qǐng)背景下的另一個(gè)有用實(shí)施例。

該組件包括具有銷(xiāo)配件202的銷(xiāo)端部殼體200，銷(xiāo)配件202限定了貫通通道，電纜100可以從該貫通通道延伸出來(lái)以進(jìn)行外部電連接。盒端部殼體210限定了盒配件212。銷(xiāo)配件202和盒配件212可以與鉆管分段(鉆管分段構(gòu)成鉆柱16)上的配件匹配，使得隔離器可以插入鉆柱中的任何期望接合處。隔離器還包括與銷(xiāo)殼體端部200和盒殼體端部210中每一個(gè)接合的傳動(dòng)牙嵌(drivedog)殼體220，其中傳動(dòng)牙嵌殼體電耦合至整個(gè)組件中的銷(xiāo)殼體。本實(shí)施例中的銷(xiāo)殼體端部、盒殼體端部和傳動(dòng)牙嵌殼體通常由合適的高強(qiáng)度材料制成，例如，4340、4140、4142以及15-15hs或蒙乃爾合金k500(其中后兩種是非磁性高強(qiáng)度合金)，這是因?yàn)檫@些部件遭受潛在不利的井下環(huán)境以及相對(duì)極端的力?；诙鄠€(gè)電隔離構(gòu)件270的部署(可以是任何合適的形狀)，盒端部殼體210與銷(xiāo)端部殼體200電隔離以限定電隔離/絕緣間隙。

應(yīng)理解的是，為了將信號(hào)耦合至鉆柱上可以使用任何合適布置，并且為了實(shí)現(xiàn)將信號(hào)耦合至鉆柱的關(guān)于圖示實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)并不認(rèn)為是限制性的。例如，在名稱為“ingrounddrillstringhousingandmethodforsignalcoupling”的序列號(hào)為no.13/035,833的us專利申請(qǐng)中描述了利用電流互感器的另一種合適布置，通過(guò)參引的方式將該專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容并入。在該后者應(yīng)用中，電流互感器由地下殼體支撐，地下殼體還可以支撐電子封裝件。此外，現(xiàn)有技術(shù)包括至少聲明設(shè)置電隔離間隙的其它布置的示例。通過(guò)示例，us專利no.7,649,474在第三欄第33至42行描述了使用例如配置有金屬端部的玻璃纖維分段的材料形成鉆柱中的電隔離分段的簡(jiǎn)單方法。

圖4是透視圖解視圖，示出了呈鉆孔工具形式的地下工具20，其具有鉆頭50。為了該公開(kāi)，耦合適配器/隔離器60或其它合適布置安裝作為具有井上部分400和井下部分402的鉆柱的一部分。鉆柱的井下部分可以包括任何合適的地下殼體54(例如鉆頭殼體)和/或?qū)⒏綦x器60連接至地下殼體的一個(gè)或多個(gè)介入鉆管分段(圖未示)。在本示例中，地下殼體是鉆頭或鉆孔工具。電纜100可以在鉆柱的貫通通道內(nèi)延伸至電子封裝件56以便與鉆柱收發(fā)器64(圖1)電通信。取決于特定實(shí)施例，電纜100的導(dǎo)體例如可以連接至電流互感器或者以跨接電隔離間隙的方式連接。如上討論，鉆井液可以圍繞電子套件流動(dòng)以到達(dá)鉆柱的地下遠(yuǎn)側(cè)端部(例如鉆頭)。在圖示實(shí)施例中，為了從收發(fā)器64(圖1)發(fā)射信號(hào)66，地下殼體54包括槽420。耦合適配器60可拆卸地附接至地下殼體54，地下殼體54自身準(zhǔn)備好可拆卸地附接至鉆柱的遠(yuǎn)側(cè)端部。

圖5是透視圖解視圖，其示出了呈擴(kuò)孔工具形式的地下工具20，其包括可拆卸地附接至地下殼體54的一個(gè)端部的擴(kuò)孔鉆(reamer)422。在該實(shí)施例中，以與圖4相同的方式另外地設(shè)置殼體54和耦合適配器60。在鉆柱朝向鉆機(jī)拉擴(kuò)孔工具時(shí)，為了擴(kuò)大鉆孔，沿箭頭所示的方向424拉擴(kuò)孔工具。擴(kuò)孔工具的相對(duì)端部附接至張力監(jiān)測(cè)裝置430的一個(gè)端部。張力監(jiān)測(cè)裝置的相對(duì)端部可以附接至公用設(shè)施(圖未示)，通過(guò)擴(kuò)大的鉆孔拉該公用設(shè)施以便將該公用設(shè)施安裝在鉆孔中。張力監(jiān)測(cè)裝置430測(cè)量在擴(kuò)孔操作期間施加于公用設(shè)施上的拉力。在us專利no.5,961,252中描述了一種合適的且高度有利的張力監(jiān)測(cè)裝置，該美國(guó)專利與本申請(qǐng)共同歸屬并通過(guò)參引的方式將其全部?jī)?nèi)容并入本文中。張力監(jiān)測(cè)裝置430可以傳輸電磁信號(hào)434，張力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以在電磁信號(hào)434上進(jìn)行調(diào)制。信號(hào)434可以由收發(fā)器64(圖1)接收，使得可以使用電流互感器160(參見(jiàn)圖2)將相應(yīng)數(shù)據(jù)置于鉆柱上以便傳輸至鉆機(jī)。應(yīng)理解的是，可以通過(guò)收發(fā)器64從任何形式的地下工具接收無(wú)線信號(hào)，并且描述了張力監(jiān)測(cè)裝置的本實(shí)施例并非旨在限制。例如，在另一個(gè)實(shí)施例中可以使用繪圖裝置代替張力監(jiān)測(cè)裝置。這樣的繪圖裝置例如可以利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(ins)進(jìn)行操作。

圖6是進(jìn)一步詳細(xì)示出電子部分56的實(shí)施例的框圖。部分56可以包括實(shí)現(xiàn)圖1的收發(fā)器64實(shí)現(xiàn)所有功能的地下數(shù)字信號(hào)處理器510。傳感器部分68可以經(jīng)由模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)512電連接至數(shù)字信號(hào)處理器510?？梢葬槍?duì)給定應(yīng)用提供任何合適組合的傳感器，并且例如可以從加速度計(jì)520、磁力計(jì)522、溫度傳感器524和壓力傳感器526中進(jìn)行選擇，壓力傳感器526可以在從鉆柱和/或圍繞鉆柱的井下部分的環(huán)形區(qū)域內(nèi)噴射鉆井液之前感測(cè)鉆井液的壓力。適配器/隔離器60以圖解的方式顯示為將鉆柱的井下部分402與鉆柱的井上部分400分離，以便用于發(fā)送模式(將數(shù)據(jù)耦合至鉆柱上)和接收模式(從鉆柱恢復(fù)數(shù)據(jù))中的一者或兩者中。如圖所示，通過(guò)第一導(dǎo)線528a和第二導(dǎo)線528b(可以由參考數(shù)字528共同地表示)將電子部分連接在由隔離器形成的電絕緣/隔離中斷兩端。在使用電流互感器的實(shí)施例中，這些導(dǎo)線可以連接至電流互感器導(dǎo)線。關(guān)于發(fā)送模式，可以使用電連接在地下數(shù)字信號(hào)處理器510和導(dǎo)線528之間的天線驅(qū)動(dòng)部分530以直接驅(qū)動(dòng)鉆柱。通常，為了避免干擾，可以使用與用于驅(qū)動(dòng)偶極天線540的任何頻率不同的頻率對(duì)耦合至鉆柱中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，偶極天線540可以發(fā)射上述信號(hào)66(圖1)。當(dāng)天線驅(qū)動(dòng)器530斷開(kāi)時(shí)，通/斷開(kāi)關(guān)(sw)550可以選擇性地將導(dǎo)線528連接至帶通濾波器(bpf)552，帶通濾波器(bpf)552具有的中心頻率對(duì)應(yīng)于從鉆柱接收的數(shù)據(jù)信號(hào)的中心頻率。bpf552接著連接至模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)554，模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)554自身連接至數(shù)字信號(hào)處理部分510?？紤]到所采用的特定形式的調(diào)制，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地對(duì)數(shù)字信號(hào)處理部分中經(jīng)調(diào)制的數(shù)據(jù)的恢復(fù)進(jìn)行配置。

仍然參考圖6，偶極天線540可以連接以便用于發(fā)送模式(信號(hào)66被發(fā)送至周?chē)恋刂?和接收模式(接收例如圖5的信號(hào)434的電磁信號(hào))中的一者或二者中。關(guān)于發(fā)送模式，使用電連接在地下數(shù)字信號(hào)處理器510和偶極天線540之間的天線驅(qū)動(dòng)部分560以驅(qū)動(dòng)天線。此外，信號(hào)66的頻率通常將明顯不同于鉆柱信號(hào)的頻率以避免其間的干擾。當(dāng)天線驅(qū)動(dòng)器560斷開(kāi)時(shí)，通/斷開(kāi)關(guān)(sw)570可以選擇性地將偶極天線540連接至帶通濾波器(bpf)572，帶通濾波器(bpf)572具有的中心頻率對(duì)應(yīng)于從偶極天線接收的數(shù)據(jù)信號(hào)的中心頻率。bpf572接著連接至模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)574，模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)574自身連接至數(shù)字信號(hào)處理部分510?？紤]到所采用的特定形式的調(diào)制并且考慮到該全部公開(kāi)內(nèi)容，在許多合適的實(shí)施例中本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以容易地對(duì)用于數(shù)字信號(hào)處理部分的收發(fā)器電子器件進(jìn)行配置。鑒于本文中已公開(kāi)的教導(dǎo)，可以以任何合適的方式來(lái)修改圖6所示的設(shè)計(jì)。

參考圖1和圖7，后者是可以構(gòu)成地上收發(fā)器裝置的實(shí)施例的部件的框圖，地上收發(fā)器裝置總體上由參考數(shù)字600表示并且耦合至鉆柱16。地上電流互感器602例如定位在鉆機(jī)14上以便將信號(hào)耦合至鉆柱16和/或從鉆柱16恢復(fù)信號(hào)。電流互感器602可以電連接以便用于發(fā)送模式(將數(shù)據(jù)調(diào)制到鉆柱上)和接收模式(從鉆柱恢復(fù)經(jīng)調(diào)制的數(shù)據(jù))中的一者或兩者中。收發(fā)器電子封裝件606連接至電流互感器，并且可以由電池供電或者由鉆機(jī)供電使得可以獲得基本無(wú)限量的電力。就這點(diǎn)而言，井上傳輸功率通?？偸谴笥谟呻姵毓╇姷木率瞻l(fā)器的井下傳輸功率。因此，井下傳輸功率在井下傳輸功率范圍內(nèi)可選擇，井下傳輸功率范圍低于最小井上傳輸功率使得井上功率總是大于任何選定的井下傳輸功率。在一個(gè)實(shí)施例中，最大井下傳輸功率可以低至1瓦特。通常，難以在電池電源上獲得超過(guò)5瓦特的最大功率。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)使用超級(jí)電容器來(lái)存儲(chǔ)來(lái)自電池的能量可以獲得較高功率水平(例如，3至5瓦特)。然而，由于超級(jí)電容器的有限能量容量，因而工作周期將受到限制。相比之下，井上傳輸功率(即使為最小值)可以是100瓦特。對(duì)于發(fā)送模式，使用電連接在地上數(shù)字信號(hào)處理器618和電流互感器602之間的天線驅(qū)動(dòng)部分610以驅(qū)動(dòng)電流互感器。此外，為了避免干擾，可以使用與用于驅(qū)動(dòng)地下殼體54中的偶極天線540(圖1和圖6)不同并且與隔離器60將信號(hào)驅(qū)動(dòng)至鉆柱的地下端部上的頻率不同的頻率對(duì)耦合至鉆柱中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)天線驅(qū)動(dòng)器610斷開(kāi)時(shí)，通/斷開(kāi)關(guān)(sw)620可以選擇性地將電流互感器602連接至帶通濾波器(bpf)622，帶通濾波器(bpf)622具有的中心頻率對(duì)應(yīng)于從鉆柱接收的數(shù)據(jù)信號(hào)的中心頻率。bpf622接著連接至模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)630，模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)630自身連接至數(shù)字信號(hào)處理部分618。應(yīng)理解的是，數(shù)字信號(hào)處理部分618和包括井上收發(fā)器的相關(guān)部件，可以形成鉆機(jī)的處理裝置46(使用虛線示出的)的一部分，或者在合適的接口634上連接至處理裝置46。收發(fā)器606可以向地下工具發(fā)送命令，以實(shí)現(xiàn)各種目的，例如，控制傳輸功率、選擇調(diào)制頻率、改變數(shù)據(jù)格式(例如，降低波特率以增加解碼范圍)等?？紤]到所采用的特定形式的調(diào)制并且考慮到該全部公開(kāi)內(nèi)容，在許多合適的實(shí)施例中本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以容易地對(duì)用于數(shù)字信號(hào)處理部分的收發(fā)器電子器件進(jìn)行配置。

仍然參考圖1和圖7，在中繼器實(shí)施例中，另一個(gè)地下隔離器裝置640(顯示在虛線框內(nèi))與地下殼體54的另一個(gè)例子一起替換電流互感器602。裝置640可以包括根據(jù)本公開(kāi)的地下適配器/隔離器的任何合適的實(shí)施例，其包括在地下工具處使用的隔離器的另一個(gè)例子。在該裝置中，隔離器連接至收發(fā)器606(圖6)并且作為單元插入鉆柱的一個(gè)接合處(通過(guò)示例，在距離地下工具1000英尺處)中以中繼器的方式進(jìn)行服務(wù)。因此，鉆柱的分段400’可以將隔離器連接至鉆機(jī)，而鉆柱的分段402’用作在隔離器裝置640和地下工具處的隔離器60之間的鉆柱的中間分段。中繼器單元例如可以插入形成在圖1的鉆管分段1和2之間的接合處。用于中繼器應(yīng)用中的地下殼體可以包括在一個(gè)端部處的盒配件和在相對(duì)的端部處的銷(xiāo)配件。當(dāng)然，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識(shí)到，盒與銷(xiāo)配件的適配器是眾所周知并且可容易地獲得。在另一個(gè)實(shí)施例中，隔離器裝置640可以插入接合處，同時(shí)中繼器電子器件容納在由扶正器(centralizer)支撐在相鄰鉆管分段的貫通通道內(nèi)的壓力筒中。在又一個(gè)實(shí)施例中，中繼器電子器件可以置于端部加載或側(cè)面加載的殼體中，并且以與隔離器電通信的方式插入鉆柱中。這種端部或側(cè)面加載的殼體可以包括允許鉆井液流過(guò)其中的通道。當(dāng)然，在這些實(shí)施例中的任何一個(gè)中，中繼器電子器件可以以與上文描述一致的方式電連接至隔離器。為了避免信號(hào)干擾并且通過(guò)非限制性示例的方式，中繼器可以以一個(gè)載波頻率拾取源自地下工具或另一個(gè)中繼器的信號(hào)，并且為了使信號(hào)彼此可區(qū)別，該中繼器電子器件可以以不同載波頻率向鉆柱上重新傳輸信號(hào)。作為另一個(gè)示例，可以使用合適的調(diào)制以使信號(hào)可區(qū)別。因此，可以以與隔離器的信號(hào)耦合裝置電通信以便基于接收的數(shù)據(jù)信號(hào)產(chǎn)生中繼器信號(hào)(其區(qū)別于接收的數(shù)據(jù)信號(hào))的任何合適的方式來(lái)容納中繼器電子封裝件。

注意力現(xiàn)在指向圖8，圖8是顯示總體上由參考數(shù)字700表示的先進(jìn)雙向鉆柱通信系統(tǒng)的實(shí)施例的框圖。系統(tǒng)700包括井上收發(fā)器702和井下收發(fā)器704。井上收發(fā)器702通常至少可以包括圖7的先前描述的收發(fā)器600的特征，而井下收發(fā)器704通常至少可以包括圖6的先前描述的井下收發(fā)器56的特征，從而包括用于發(fā)射定位信號(hào)的設(shè)置。因此，該雙向通信系統(tǒng)可以在構(gòu)成鉆柱16的鉆管/桿上沿兩個(gè)方向發(fā)送數(shù)據(jù)。申請(qǐng)人意識(shí)到，至少因?yàn)槔鐝呐紭O天線540(圖6)發(fā)射的電磁信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度(與距離的立方成反比)隨著距離而經(jīng)歷耗損，因此系統(tǒng)700通過(guò)避免至少一些信號(hào)發(fā)射通過(guò)地面而帶來(lái)益處。對(duì)于給定傳輸功率，通過(guò)使用鉆柱作為電導(dǎo)體進(jìn)行傳輸將可獲得通信范圍的增加。在下文公開(kāi)的技術(shù)提供了經(jīng)由鉆柱使用這種雙向通信的更進(jìn)一步改進(jìn)。

申請(qǐng)人意識(shí)到，關(guān)于通過(guò)鉆柱傳送電信號(hào)存在一些挑戰(zhàn)。例如，鉆機(jī)可以將來(lái)自其系統(tǒng)的電氣/電子噪聲電耦合至鉆柱中。作為另一個(gè)示例，電磁噪聲可以例如從與光纖電纜等相關(guān)的地下電力線和追蹤器線沿著鉆井路徑傳出。該噪聲可以經(jīng)由土壤的導(dǎo)電性而耦合至鉆柱上。作為又一個(gè)示例，信號(hào)失真可能由于構(gòu)成鉆柱的鉆桿、鉆桿之間的互連以及鉆柱周?chē)耐寥蓝a(chǎn)生。隨后的詳細(xì)討論噪聲和失真對(duì)鉆柱所載送的電信號(hào)的影響來(lái)描述信號(hào)退化，之后提出涉及進(jìn)一步增強(qiáng)這樣的通信系統(tǒng)的至少三種方法和相關(guān)設(shè)備。如將看見(jiàn)的，這些方法涉及：(1)噪聲掃描，(2)均衡和(3)訓(xùn)練或定制接收器。

如上討論，鉆柱中的電噪聲可以從鉆機(jī)和/或經(jīng)由土壤的導(dǎo)電性從土壤中的地下源(例如地下電力線)耦合至鉆柱。這些噪聲依賴于鉆井現(xiàn)場(chǎng)處的周?chē)h(huán)境，并因此，隨著現(xiàn)場(chǎng)的不同而可以發(fā)生變化。相應(yīng)地，假設(shè)噪聲由函數(shù)n(t)表示，并且既可以是寬帶又可以是窄帶。通過(guò)非限制性的示例，窄帶噪聲包括50或60周期電力線噪聲的基波，而寬帶噪聲包括電力線通信(plc)、馬達(dá)控制器噪聲和50或60周期電力線頻率的諧波。

失真可以由于通過(guò)鉆桿(例如鉆桿之間的互連)引入的電寄生元件以及從鉆桿周?chē)耐寥赖膶?dǎo)電性而產(chǎn)生。圖9示出了土壤中總體上由參考數(shù)字720表示的鉆柱的一個(gè)近似模型。鉆柱由n個(gè)鉆桿構(gòu)成，并且土壤的導(dǎo)電性至少在某種程度上難以定義，然而，它可以通過(guò)示出的模型近似逼近。這種電模型可以通過(guò)下面的數(shù)學(xué)拉普拉斯表達(dá)式進(jìn)行表示：

其中ai是常數(shù)并且由模型的電寄生電阻器和電容器以及土壤的導(dǎo)電性進(jìn)行限定，例如，在圖9中所示出的。術(shù)語(yǔ)“信道”指的是在井下收發(fā)器704和井上收發(fā)器702之間延伸的互連鉆管分段的全部路徑長(zhǎng)度。下文，信道可以指整個(gè)鉆柱的電特性。方程式eq(1)可以稱為信道的傳遞函數(shù)。可以如下面所示地以更熟悉的形式來(lái)表達(dá)方程式eq(1)：

方程式eq(2)揭示了信道像帶限濾波器(bandlimitingfilter)一樣作用于傳輸信號(hào)上。方程式eq(2)具有時(shí)域表達(dá)式，如下：

其中指的是拉普拉斯逆變換。下文即將討論噪聲和失真與由構(gòu)成鉆柱的鉆管分段載送的電信號(hào)的相互作用。

注意力現(xiàn)在指向圖10a和圖10b，圖10a和圖10b分別是顯示關(guān)于井下收發(fā)器704和井上收發(fā)器702的細(xì)節(jié)的框圖。最初地，需要注意的是，井上收發(fā)器702的發(fā)射器800可以是任何合適的類型，例如，使用用于驅(qū)動(dòng)電流互感器602(圖7)的h橋配置。由發(fā)射器800生成的信號(hào)可以通過(guò)井下收發(fā)器704中的接收器802(使用任何合適類型的接收器，例如，包括耦合至低噪聲前置放大器的前端保護(hù)電路，跟隨低噪聲前置放大器之后的是耦合至模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器的帶通濾波器)進(jìn)行接收。就這一點(diǎn)而言，需要注意的是，這樣的接收器通常用于接收定位信號(hào)66。關(guān)于發(fā)射器800和接收器802，申請(qǐng)人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，為了穿通至井下收發(fā)器的通信，可以在鉆機(jī)處獲得基本不限量的功率，如下面將進(jìn)一步討論的。在井下收發(fā)器704中的發(fā)射器部分802接收轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的傳感器數(shù)據(jù)812。傳感器數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)編碼器/加密部分810進(jìn)行編碼和加密。就這一點(diǎn)而言應(yīng)理解的是，數(shù)據(jù)加密不是必須的。雖然本文中所描述的實(shí)施例通過(guò)非限制性示例采用相移鍵控的變型，然而應(yīng)理解的是，可以使用當(dāng)前可獲得的或有待開(kāi)發(fā)的任何合適形式的調(diào)制，同時(shí)仍然依賴于本文中公開(kāi)的教導(dǎo)。其它合適調(diào)制方案包括例如移頻鍵控(fsk)和曼切斯特編碼。多路復(fù)用器910然后可以選擇性地將數(shù)據(jù)耦合至mpsk(多相移鍵控)調(diào)制器912，以便調(diào)制到載波上。mpsk調(diào)制器可以執(zhí)行2^m相位調(diào)制，其中m＝{1,2,3,4}。多路復(fù)用器914然后可以選擇用于電磁耦合至鉆柱上的經(jīng)調(diào)制的信號(hào)。耦合信號(hào)可以具有以下形式的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

其中pt是傳輸功率，fc是載波頻率，θk是表示數(shù)據(jù)位的載波相位，以及d(t)是基帶信號(hào)。例如，如果m＝1，那么mpsk變成bpsk(二進(jìn)制相移鍵控)，其中根據(jù)以下映射二進(jìn)制數(shù)據(jù)：

或者

作為另一個(gè)示例，對(duì)于m＝2，mpsk變?yōu)閝psk(正交相移鍵控)，其將兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)位映射成四個(gè)相位中的一個(gè)。下面示出了兩個(gè)位至載波相位{θk}的qpsk的一種映射：

相應(yīng)地，在qpsk實(shí)施例中四個(gè)載波相位值表示四個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)。

在方程式eq(4a)中，d(t)表示如下限定的基帶信號(hào)：

其中tb是位持續(xù)時(shí)間，并且p(t)可以定義如下：

響應(yīng)于電信號(hào)在鉆柱上的傳輸，信號(hào)在到達(dá)接收器(例如，在鉆柱的相對(duì)的端部處)時(shí)因噪聲和失真而衰減。衰減的接收到的信號(hào)可以以數(shù)學(xué)方式說(shuō)明如下：

其中pl<1表示傳輸信號(hào)在傳播通過(guò)鉆管分段中遭受例如泄漏至導(dǎo)電土壤中的功率耗損。術(shù)語(yǔ)n(t)表示從周?chē)h(huán)境引入到鉆柱上的噪聲，噪聲增加至傳輸信號(hào)。函數(shù)f(t)表示通過(guò)信道已失真的基帶波形并且可以定義如下：

其中*指的是卷積運(yùn)算，d(t)定義在eq(5a)中，以及c(t)定義在eq(3)中。例如，在方程式eq(6a)中定義的信號(hào)到達(dá)井上收發(fā)器702處，在井上收發(fā)器702處可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼以恢復(fù)基帶二進(jìn)制數(shù)據(jù){cos(θk),sin(θk)}。

圖10b是示出井上收發(fā)器702的實(shí)施例的框圖。在該實(shí)施例中，井上收發(fā)器包括井上接收器1000。后者可以放置成經(jīng)由多路復(fù)用器1002并使用諸如電流互感器602的合適耦合裝置選擇性地與鉆柱16通信。接收器1000包括載波跟蹤環(huán)和解調(diào)器1004，載波跟蹤環(huán)和解調(diào)器1004跟蹤接收到的信號(hào)的載波頻率和相位，然后連貫地/同步地解調(diào)載波。當(dāng)然，選定的具體類型的載波跟蹤環(huán)和解調(diào)器與用在井下收發(fā)器中的調(diào)制器互補(bǔ)。還可以采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換跟蹤環(huán)(dttl)1006來(lái)跟蹤位計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)換，使得可以以增加的準(zhǔn)確度對(duì){cos(θk),sin(θk)}進(jìn)行解碼。這樣，在該實(shí)施例中，井上接收器的同步操作可以增強(qiáng)其自身的通信能力。同步檢測(cè)至少提供了使用相對(duì)更窄帶寬的信號(hào)檢測(cè)的好處。使用與井上數(shù)據(jù)編碼器和解密器810互補(bǔ)的數(shù)據(jù)解碼器/解密器1008。信道帶寬和信噪比估計(jì)器1010可以跟蹤帶寬與信噪比的反比關(guān)系。例如，隨著距離增加，信號(hào)耗損的水平相應(yīng)地增加。為了在增加距離的情況下維持給定信噪比，通常需要減小帶寬和/或增加信號(hào)功率(如果可以獲得更大的功率)。關(guān)于增強(qiáng)井下和井上收發(fā)器之間經(jīng)由鉆管分段的通信，可以采取附加措施以更進(jìn)一步地減小噪聲和失真的影響。如下面詳細(xì)討論，這些措施可以包括但不限于：(1)噪聲掃描，(2)均衡，以及(3)訓(xùn)練序列的應(yīng)用。

噪聲掃描

參考圖10a，鉆柱16攜帶的電噪聲會(huì)大大減小傳輸信號(hào)的有用范圍。在一個(gè)實(shí)施例中，可以避免鉆柱信號(hào)在含有噪聲的頻率上進(jìn)行傳輸。因此，噪聲掃描儀1012可以確定哪些頻率噪聲最少。需要注意的是，噪聲掃描儀1012還以虛幻的形式顯示在圖10b中。因?yàn)榫显肼暫途略肼暦浅２煌?，因此可以提供并使用這些噪聲掃描儀中的一個(gè)或者兩個(gè)?？梢允褂迷S多合適方法中的任何一種來(lái)確定哪些頻率含有噪聲以及哪些頻率不含有噪聲。通過(guò)非限制性示例，例如，可以在任何期望帶寬上或以預(yù)定頻率使用fft(快速傅里葉變換)、dft(離散傅里葉變換)或psd(功率譜密度)確定噪聲頻譜。就這一點(diǎn)而言，共同歸屬的于2009年7月6日提交的us公開(kāi)專利申請(qǐng)no.2011-0001633(us序列號(hào)為no.12/497,990)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)參引的方式并入本文中，其描述了用于確定噪聲頻譜的技術(shù)。在本申請(qǐng)中，在井上和井下收發(fā)器中的發(fā)射器斷開(kāi)的情況下，可以更有效地掃描噪聲。在發(fā)射器斷開(kāi)且假設(shè)以采樣頻率(每秒樣本數(shù))fs對(duì)eq(6a)中表示的噪聲信號(hào)n(t)進(jìn)行采樣，則的fft為

方程式eq(7)可以提供至少在[-0.5fs,0.5fs]的帶寬上作為頻率函數(shù)的噪聲的大小。用于傳輸?shù)钠谕l率可以是具有最小值|r(f)|²的可獲得頻率。

在另一個(gè)實(shí)施例中，噪聲掃描儀1012可以包括濾波器組，例如，一組帶通濾波器或一組goertzel濾波器，用于確定一組頻率中哪些頻率含有噪聲以及哪些頻率不含有噪聲。可以以任何合適的方式定制構(gòu)成濾波器組的各個(gè)濾波器的帶寬。從濾波器組的第k個(gè)濾波器測(cè)得的噪聲功率為

由于濾波器組中的每個(gè)濾波器可以處于感興趣的頻率處，因此產(chǎn)生pn的最小值的濾波器可以選擇作為噪聲最小的頻率。應(yīng)理解的是，可以使用任何合適類型的濾波器，只要該濾波器提供確定特定頻率處或頻帶內(nèi)的功率的能力。通過(guò)非限制性示例，合適的濾波器的實(shí)施例包括fir(有限脈沖響應(yīng))和iir(無(wú)限脈沖響應(yīng))濾波器。

信號(hào)失真校正

鑒于上述討論，已表明：至少?gòu)膶?shí)際角度來(lái)說(shuō)，由可拆卸附接的鉆管分段構(gòu)成的信道的行為像帶限濾波器(例如，fir(有限脈沖響應(yīng))濾波器)一樣。在該信道上傳輸信號(hào)導(dǎo)致失真，如eq(6a)和eq(6b)所示。申請(qǐng)人意識(shí)到，該類型的失真使基帶波形拓展。這樣的現(xiàn)象被稱為符號(hào)間干擾(isi)，并且具有降低信噪比(snr)的效果，這縮短了井下和井上收發(fā)器之間通信的有用范圍。可以使用補(bǔ)償響應(yīng)來(lái)校正isi，可以通過(guò)使用均衡器實(shí)施補(bǔ)償響應(yīng)。如將看到的，均衡器包括均衡器響應(yīng)，該均衡器響應(yīng)可以基于一組均衡器系數(shù)進(jìn)行定制，使得均衡器響應(yīng)可適用于信道傳遞函數(shù)中變量的范圍。實(shí)際上，均衡器可以被認(rèn)為是接收器處的另一個(gè)fir濾波器(還稱為解卷積濾波器)，將基于信道響應(yīng)的估計(jì)值與測(cè)得數(shù)據(jù)之間的差的最小均方誤差(mmse)來(lái)確定系數(shù)。參考圖10b，同相位均衡器1014和正交相位均衡器1016選擇性地接收來(lái)自切換部分108的符號(hào)輸入，切換部分108響應(yīng)于dttl1006進(jìn)行切換。通常，對(duì)于本實(shí)施例在90度增量中進(jìn)行切換。其它實(shí)施例可以使用合適的但不同的切換增量。假設(shè)接收到的信號(hào)已成功解調(diào)使得基帶數(shù)據(jù)得以恢復(fù)，方程式eq(6a)簡(jiǎn)化至同相位和正交相位分量：

其中b(k)是基于fir函數(shù)的信道近似。應(yīng)理解的是，可以以符號(hào)率(參見(jiàn)eq(4c))對(duì)eq(9a)和eq(9b)進(jìn)行處理。字符“*”指的是卷積處理。

期望的是估計(jì)或表征用于帶限信道的系數(shù)b(k)。在實(shí)施例中，通過(guò)采集ri(k)或rq(k)的n+1個(gè)采樣可以確定系數(shù)b(k)。應(yīng)理解的是，任何一個(gè)均可以使用，因?yàn)樾诺老禂?shù)b(k)在兩種情況下是相同的。相應(yīng)地，不需要使用ri(k)和rq(k)兩者來(lái)確定信道響應(yīng)b(k)。相應(yīng)地，

以向量形式(即，在n+1個(gè)采樣上)，方程式eq(10)可以寫(xiě)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矩陣，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，可以使用附錄a中討論的最小均方誤差(mmse)標(biāo)準(zhǔn)解出信道系數(shù)b(k)。一旦估計(jì)出表示為的信道系數(shù)b(k)，可以從下面的方程式確定數(shù)據(jù)符號(hào)cos(θk)(具有最小isi)：

請(qǐng)注意，d(k)針對(duì)所有k值總是為1，因此為清楚起見(jiàn)從上述方程式中省略它?？梢允褂梅匠淌絜q(12)的一般形式以確定sin(θk)或者cos(θk)(即，正交信道中的數(shù)據(jù)符號(hào))的最小isi。方程式eq(6a)的同相位和正交相位分量可以如上討論地單獨(dú)處理，或者一起處理。方程式eq(9a)和eq(9b)可以重新寫(xiě)成復(fù)數(shù)形式，使得eq(6a)的同相位和正交相位分量可以同時(shí)處理。在復(fù)數(shù)形式中，方程式eq(9a)和eq(9b)可以寫(xiě)成

rc(k)＝z(k)*b(k)+n(k)eq(13a)

其中

n(k)＝ni(k)+nq(k)eq(13c)

其中在向量形式中，方程式eq(13a)可以寫(xiě)成：

rc(k)＝z(k)b(k)+n(k)eq(14)

請(qǐng)注意z(k)現(xiàn)在是大小為(n+1)×m的矩陣。使用附錄a中的方程式eq(a13)可以確定信道系數(shù)b(k)。同樣地，方程式eq(13b)所示的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)z(k)可以確定如下：

可以使用附錄a中的方程式eq(a13)確定復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)符號(hào)z(k)。

總體而言，通過(guò)使用均衡器可以校正由fir信道造成的isi。圖11a和圖11b以圖解的方式示出了可用于圖10b背景下的兩個(gè)均衡器的一般實(shí)施例。在mpsk的例子中，需要注意的是，均衡器的相同實(shí)施例一般用于同相位和正交相位均衡器。圖11a中的第一均衡器1200是線性信道均衡器，其使用含有噪聲的當(dāng)前和在前的測(cè)量結(jié)果ri(k)或rq(k)或rc(k)以消除isi。

圖11b示出了為非適應(yīng)性判決反饋(dfe)均衡器的第二均衡器1300，其使用在前的估計(jì)數(shù)據(jù)位來(lái)改善isi的消除。dfe包括前饋濾波器1302、閾值檢測(cè)器1304和反饋濾波器1308。前饋濾波器1302和反饋濾波器1308用作線性分量，而檢測(cè)器1304引入濾波器的非線性元素。在實(shí)施例中并通過(guò)非限制性示例，如果電壓大于或等于零則閾值檢測(cè)器可以設(shè)置為邏輯電平1，如果電壓小于零則閾值檢測(cè)器可以設(shè)置為邏輯電平-1。反饋濾波器1308的輸入是來(lái)自檢測(cè)器1304的最后確定的位。通過(guò)將反饋濾波器1308的輸出增加至來(lái)自前饋濾波器1302的輸出，可以從估計(jì)位中減小isi。均衡器1300輸出每個(gè)數(shù)據(jù)位的軟估計(jì)1310以及每個(gè)數(shù)據(jù)位的硬限幅器估計(jì)1312。“軟”數(shù)據(jù)位指的是可以由任何合適的電壓值或任何合適的幅值表示的位。例如，軟估計(jì)數(shù)據(jù)位可以具有{+a，-b}的值，其中“a”表示任何電壓或幅值，并且b表示任何電壓或幅值。即，軟估計(jì)位不是二進(jìn)制，并且可以表征為在均衡器1300收斂時(shí)滿足最小均方誤差條件的多個(gè)不同值中的一個(gè)。通過(guò)獲取輸出1310和傳輸數(shù)據(jù)序列的差的平均值可以用公式表達(dá)最小均方誤差。另一方面，“硬限幅器”數(shù)據(jù)位是二進(jìn)制，并且指的是由一組僅兩個(gè)值表示的位(先前為軟估計(jì)位)。例如，硬限幅器估計(jì)位可以具有僅{+1或-1}或{+a或–a}的值，其中a是幅值或電壓值。從均衡器輸出的數(shù)據(jù)位的軟估計(jì)可以提供至軟判決前向糾錯(cuò)(fec)解碼器。從均衡器輸出的硬限幅器估計(jì)位可以提供至硬判決fec解碼器或數(shù)據(jù)解密-加密器。當(dāng)由通信信道提供的環(huán)境已知且期望該環(huán)境相對(duì)靜態(tài)/穩(wěn)定時(shí)，可以提前確定前饋濾波器1302的前饋傳遞函數(shù)f(z)和反饋濾波器1308的反饋傳遞函數(shù)d(z)，使得可以使用非適應(yīng)性均衡器。

均衡器的另一種形式是適應(yīng)性均衡器，其依賴于均衡器輸出的判決或訓(xùn)練序列來(lái)對(duì)均衡器的前饋傳遞函數(shù)和反饋傳遞函數(shù)的系數(shù)進(jìn)行更新。圖12a是總體上由參考數(shù)字1400表示的適應(yīng)性前饋均衡器的實(shí)施例的框圖。在本實(shí)施例中，均衡器適應(yīng)于基于硬限幅器輸出1312中選定的一個(gè)或通過(guò)訓(xùn)練位序列1404(也顯示在圖10a中)的通信信道傳遞函數(shù)?？梢越?jīng)由以圖解方式示出的開(kāi)關(guān)1408獲取訓(xùn)練位序列。前饋濾波器1410從通信通道接收輸入1412。應(yīng)理解的是，前饋濾波器1410與圖11b的前饋濾波器1302不同，這至少是因?yàn)闉V波器1410的系數(shù)可適應(yīng)于改變的通信信道傳遞函數(shù)。濾波器1410的系數(shù)可以調(diào)節(jié)以將輸入誤差信號(hào)1414驅(qū)動(dòng)至最小均方誤差(mse)值。通過(guò)斜線以圖解的方式表示被前饋濾波器1410使用以調(diào)節(jié)其系數(shù)的誤差信號(hào)，該斜線穿過(guò)前饋濾波器。通過(guò)從均衡器的硬限幅器輸出位序列或訓(xùn)練位序列(取決于開(kāi)關(guān)1408的設(shè)置)減去軟估計(jì)1310形成誤差信號(hào)1414。當(dāng)調(diào)節(jié)濾波器1410的系數(shù)時(shí)，作為時(shí)間函數(shù)的誤差信號(hào)1414的mse將傾向于收斂或傾向于發(fā)散以分別展現(xiàn)負(fù)斜率或正斜率。當(dāng)誤差信號(hào)1414的mse展現(xiàn)正斜率時(shí)，濾波器的適應(yīng)性或者可以利用較小的調(diào)節(jié)步長(zhǎng)重新開(kāi)始或者可以使用訓(xùn)練序列。當(dāng)誤差信號(hào)1414的mse展現(xiàn)負(fù)斜率(即，誤差的mse趨向于越來(lái)越小)時(shí)，前饋濾波器1410的系數(shù)的適應(yīng)性收斂。當(dāng)作為時(shí)間函數(shù)的誤差信號(hào)1414的mse為水平(即，斜率為零)時(shí)，則已利用最小均方誤差值使前饋濾波器1410收斂并適于通信信道傳遞函數(shù)。當(dāng)使用訓(xùn)練序列時(shí)且在利用訓(xùn)練序列的適應(yīng)性過(guò)程期間，當(dāng)均衡器的適應(yīng)性發(fā)生時(shí)發(fā)射器必須在通信信道上將相同的訓(xùn)練序列發(fā)射至接收器。

使用訓(xùn)練位序列(而不是估計(jì)位序列)適應(yīng)性地調(diào)節(jié)f(z)的系數(shù)可以提供均衡器的更好的準(zhǔn)確性和更好的性能，即使是在低信噪比(snr)的情況下。然而，應(yīng)記住的是，在系統(tǒng)端至端之間使用訓(xùn)練位序列時(shí)訓(xùn)練間隔必須是專用的。即，為了進(jìn)行訓(xùn)練過(guò)程在井上和井下收發(fā)器之間需要協(xié)作，這是因?yàn)榫率瞻l(fā)器將訓(xùn)練序列傳輸至井上收發(fā)器，或者反之亦然。應(yīng)理解的是，如果井下收發(fā)器包括均衡器，則井上發(fā)射器可以將訓(xùn)練序列傳輸至井下收發(fā)器。另一方面，如果均衡器的硬限幅器輸出1312用于調(diào)節(jié)前饋均衡器1410以調(diào)諧f(z)的系數(shù)，則專用訓(xùn)練時(shí)間是不需要的。

圖12b是整體上由參考數(shù)字1500表示的適應(yīng)性判決反饋(dfe)均衡器的實(shí)施例的框圖，該均衡器使用了訓(xùn)練序列1404并且如均衡器1400一樣為了反饋而使用開(kāi)關(guān)1408在硬限幅器輸出1312和訓(xùn)練序列1404之間可進(jìn)行切換。均衡器1500是包括反饋濾波器1504的dfe均衡器。應(yīng)理解的是，反饋濾波器1504與圖11b的反饋濾波器1308不同，這至少是因?yàn)榫馄鞯挠蚕薹鬏敵鑫?312或訓(xùn)練位序列可以選擇性地用于形成誤差信號(hào)1508，誤差信號(hào)1508然后用于適應(yīng)性地調(diào)諧反饋濾波器d(z)1504的系數(shù)。使用誤差信號(hào)1508根據(jù)通信信道響應(yīng)的變化適應(yīng)性地調(diào)諧前饋濾波器f(z)1410和反饋濾波器d(z)1504。取決于開(kāi)關(guān)1408的設(shè)置通過(guò)從均衡器的硬限幅器輸出1312或從訓(xùn)練序列1404減去軟估計(jì)輸出1310，可以以公式表達(dá)誤差信號(hào)1508。然后將誤差信號(hào)1508饋送至濾波器d(z)和f(z)，由穿過(guò)f(z)1410和d(z)1504的斜線或豎線以圖解方式示出，其中f(z)和d(z)濾波器的系數(shù)被重新調(diào)諧以將誤差信號(hào)1508驅(qū)動(dòng)至最小值。該最小值可以稱為最小均方誤差(mmse)。當(dāng)mmse增加時(shí)，濾波器的系數(shù)被認(rèn)為發(fā)散。在該情況下，可以利用較小的更新步長(zhǎng)或通過(guò)使用用于自適應(yīng)的訓(xùn)練序列重新設(shè)置并重新開(kāi)始該過(guò)程。當(dāng)mmse減小時(shí)，濾波器的系數(shù)被認(rèn)為收斂。當(dāng)隨著時(shí)間或采樣指數(shù)(sampleindex)的變化mmse的曲線平直(即，斜率至少大致為零)時(shí)，那么濾波器f(z)和d(z)的系數(shù)被認(rèn)為收斂，并且均方誤差信號(hào)1508被認(rèn)為處于最小。當(dāng)開(kāi)關(guān)1408選擇訓(xùn)練序列時(shí)，通過(guò)將輸入誤差信號(hào)1508(由穿過(guò)f(z)1410和d(z)1504的斜線或豎線以圖解方式表示)驅(qū)動(dòng)至最小值根據(jù)改變的通信信道傳遞函數(shù)適應(yīng)性地調(diào)諧f(z)和d(z)的系數(shù)。在井上收發(fā)器中的均衡器利用訓(xùn)練序列進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，井下收發(fā)器也通過(guò)信道將相同的訓(xùn)練序列傳輸至井上收發(fā)器。在另一個(gè)實(shí)施例中，井下收發(fā)器可以包括被動(dòng)均衡器(subjectequalizer)，使得井上收發(fā)器將訓(xùn)練序列傳輸至井下收發(fā)器。在這樣的實(shí)施例中，井上收發(fā)器可以包括圖10a所表示的元件部分，并且井下收發(fā)器可以包括圖10b所表示的元件部分。即，本文中描述的任何類型的均衡器可以設(shè)置在井上和井下收發(fā)器中。再一次地，在mpsk的例子中，需要注意的是，均衡器的相同實(shí)施例一般用于同相位和正交相位均衡器。

在一個(gè)實(shí)施例中，如果isi主要由鉆管造成，在不引入噪聲考慮因素和不需要獲取測(cè)得的數(shù)據(jù)(在鉆井環(huán)境中受環(huán)境噪聲的影響)的情況下，通過(guò)預(yù)先確定信道傳遞函數(shù)可以提前開(kāi)發(fā)用于鉆管的信道模型(即，傳遞函數(shù))。在該情況下，信道傳遞函數(shù)是鉆管的電特性和鉆柱中管的數(shù)量的函數(shù)。因此，可以提前開(kāi)發(fā)信道傳遞函數(shù)，如方程式eq(1)、eq(2)和eq(3)中所示。

接收器訓(xùn)練

在一個(gè)實(shí)施例中，本公開(kāi)的通信系統(tǒng)可以采用至少用于訓(xùn)練圖10b的井上接收器702中的均衡器的訓(xùn)練序列1404。需要注意的是，訓(xùn)練序列也顯示在圖12a和圖12b的均衡器中。為了增強(qiáng)通信，可以通過(guò)該過(guò)程確定多個(gè)接收器參數(shù)。信道帶寬確定頻率范圍或有效到達(dá)井上收發(fā)器的帶寬。然后識(shí)別系統(tǒng)能夠操作的可行頻率作為參數(shù)，使得落入該信道帶寬內(nèi)的最低噪聲頻率可用于通信。其它參數(shù)包括傳輸功率耗損和噪聲功率，其可以確定井下發(fā)射器至少用來(lái)發(fā)射到井上接收器的最小功率。應(yīng)理解的是，通過(guò)在仍保持足夠可靠通信的同時(shí)以最小功率操作，可以實(shí)現(xiàn)井下收發(fā)器中電池壽命的顯著增強(qiáng)。期望的是選擇具有如下的自協(xié)方差的長(zhǎng)度l的訓(xùn)練序列：

其中t(i)指的是訓(xùn)練序列，并且tb是位持續(xù)時(shí)間。為了使訓(xùn)練有效，接收器包括位形式的訓(xùn)練序列1404(圖10b)的副本。在將訓(xùn)練序列傳輸至接收器之后，接收器然后在信道傳遞函數(shù)和接收器信噪比(snr)的計(jì)算中可以使用訓(xùn)練序列的副本，以與接收到的訓(xùn)練序列進(jìn)行比較。即，在存儲(chǔ)的訓(xùn)練序列與從均衡器輸出的接收到的訓(xùn)練序列之間的差。一旦誤差(訓(xùn)練序列與估計(jì)序列之間的差)達(dá)到最小均方值，訓(xùn)練序列還可以用于訓(xùn)練適應(yīng)性均衡器。圖12a和圖12b示出了適應(yīng)性均衡器怎樣使用訓(xùn)練序列。一旦適應(yīng)性均衡器達(dá)到最佳、最小誤差解，就可以如下地估計(jì)出信道帶寬：

其中是均衡器的傳遞函數(shù)的離散傅里葉變換。假設(shè)數(shù)據(jù)分量和噪聲分量正交并展現(xiàn)零平均值，則可以確定用于數(shù)據(jù)分量的接收功率。假設(shè)均衡器已達(dá)到最佳解，其輸出可以近似為：

需要注意的是，是在方程式eq(13b)中定義的訓(xùn)練序列z(k)的估計(jì)，并且當(dāng)均衡器達(dá)到最佳解時(shí)，估計(jì)和訓(xùn)練序列至少大致相等。因此，信號(hào)分量的功率可以確定如下：

其中是存儲(chǔ)在接收器處的訓(xùn)練序列。用于噪聲分量的接收功率可以確定如下：

請(qǐng)注意，d(k)對(duì)于所有k值而言總是為1，因此為清楚起見(jiàn)在eq(20)中省略它。在方程式eq(20)中，第二和項(xiàng)是訓(xùn)練序列的自相關(guān)，因此它可以提前確定。此外，通過(guò)數(shù)據(jù)分量和噪聲分量為正交且具有零平均值的假設(shè)，可以獲得eq(20)中的結(jié)果。根據(jù)分別在eq(19)和eq(20)中限定的用于數(shù)據(jù)分量和噪聲分量的接收功率，接收器處的信噪比得以確定，如下：

經(jīng)過(guò)訓(xùn)練接收器均衡器、確定信道帶寬和接收信噪比，發(fā)射器的傳輸頻率和發(fā)射功率水平均可以設(shè)置以在發(fā)射器和接收器之間提供可靠且功率有效通信。

系統(tǒng)操作

注意力現(xiàn)在指向圖13a，圖13a示出了總體上由參考數(shù)字1700表示的方法的實(shí)施例，其至少可適用于響應(yīng)于誤差條件啟動(dòng)和重新初始化系統(tǒng)。該方法在1702處開(kāi)始于通電。在通電之后且在井上和井下發(fā)射器斷開(kāi)的情況下，在1704，井下收發(fā)器使用上述討論的方法中的一種(例如，在上述并入的us公開(kāi)專利申請(qǐng)no.2011-0001633中所描述的方法)掃描噪聲。需要注意的是，在另一個(gè)實(shí)施例中，噪聲掃描儀可以在井上收發(fā)器中。在噪聲掃描之后，在1706，包含適當(dāng)?shù)脑肼晵呙鑳x的收發(fā)器可以選擇確定為含有最小噪聲的傳輸頻率。在1708，選定的頻率然后用于將命令發(fā)送至井下收發(fā)器，其中具有足夠的功率使其到達(dá)。如上所述，申請(qǐng)人意識(shí)到，在鉆機(jī)處可獲得基本不限量的功率，使得僅通過(guò)使用足夠的傳輸功率幾乎總是可以建立從鉆機(jī)至地下設(shè)備的通信。在一個(gè)實(shí)施例中，井上收發(fā)器至少最初可以使用最大發(fā)射器功率來(lái)發(fā)射命令。一些實(shí)施例可以包括2瓦到至少10瓦范圍內(nèi)的最大功率。一些實(shí)施例基于用在鉆機(jī)上的信號(hào)耦合裝置和電子器件的配置可以包括例如達(dá)100瓦甚至更高的最大功率。在1708，該命令識(shí)別井下收發(fā)器用于將訓(xùn)練序列傳輸回到鉆機(jī)處的井上收發(fā)器應(yīng)使用的頻率。在1710，井下收發(fā)器例如可以使用其最大發(fā)射器功率來(lái)傳輸訓(xùn)練序列。在1712，井上收發(fā)器響應(yīng)于該訓(xùn)練序列而訓(xùn)練其接收器均衡器，確定接收信噪比，并且確定信道的帶寬，如上所述。在1714，如果均衡器訓(xùn)練失敗，則操作返回至1706以選擇新的傳輸頻率，接著重復(fù)該方法的后續(xù)步驟。通過(guò)非限制性示例，在1712處的訓(xùn)練失敗判決可以基于誤包率、信噪比或其任何合適的組合。通過(guò)非限制性示例，在與傳輸至鉆柱上的信號(hào)的質(zhì)量相關(guān)的本文中所述的任何背景下，用于建立不合適性能的合適閾值對(duì)于snr可以是5db，以及對(duì)于誤包率/誤碼率可以是0.2(百分之二十)。在一個(gè)實(shí)施例中，操作可以返回至1704以重復(fù)噪聲掃描，這是因?yàn)榄h(huán)境噪聲條件自最后一次噪聲掃描之后可能會(huì)發(fā)生變化。在另一個(gè)實(shí)施例中，操作器可以設(shè)置有選項(xiàng)，以響應(yīng)于訓(xùn)練失敗手動(dòng)設(shè)置諸如傳輸頻率等參數(shù)和/或在操作期間的任何時(shí)間手動(dòng)超控(override)自動(dòng)頻率選擇。響應(yīng)于成功訓(xùn)練或手動(dòng)超控，在1716，井上收發(fā)器至少已建立可行傳輸頻率，井下收發(fā)器應(yīng)使用什么樣的符號(hào)數(shù)據(jù)率并且應(yīng)使用什么樣的發(fā)射器功率設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠通信，同時(shí)節(jié)省電池功率。這些總結(jié)如下：

●選擇位于信道帶寬(由eq(16)描述)內(nèi)且含有最小噪聲的傳輸頻率。

●選擇使用小于信道帶寬的符號(hào)率。

●選擇發(fā)射器功率使得snr>1。

在1716，將操作參數(shù)傳輸至井下收發(fā)器。參數(shù)選擇可以是一組完整的自動(dòng)選定的參數(shù)或者是自動(dòng)和手動(dòng)選定參數(shù)的任意組合。作為后者的示例，可以手動(dòng)地選擇頻率，并且自動(dòng)地選擇所有其它參數(shù)。進(jìn)一步地，鑒于手動(dòng)選定的參數(shù)的值，可以對(duì)自動(dòng)選定的參數(shù)的值進(jìn)行調(diào)節(jié)。在1720可以進(jìn)行正常操作。例如，一旦井下收發(fā)器配置有這些參數(shù)，井下收發(fā)器則可以開(kāi)始將傳感器數(shù)據(jù)(圖10a)向上傳輸至鉆機(jī)。應(yīng)理解的是，在操作期間以預(yù)定間隔(例如，以鉆柱的預(yù)定長(zhǎng)度和/或以預(yù)定時(shí)間間隔)自動(dòng)地重復(fù)程序1700。在一個(gè)實(shí)施例中，可以在鉆柱的100英尺(然而可以使用任何合適的距離)延伸處執(zhí)行訓(xùn)練，并且訓(xùn)練可以是基于通信信道的動(dòng)態(tài)而進(jìn)行的。進(jìn)一步地，操作器可以設(shè)有手動(dòng)選擇以在任何時(shí)間啟動(dòng)該方法。在一個(gè)實(shí)施例中，在1722，在繼續(xù)操作期間可以由井上收發(fā)器檢測(cè)通信耗損或某些程度的衰減。通過(guò)非限制性示例，可以監(jiān)測(cè)誤包率以檢測(cè)信號(hào)衰減。例如通過(guò)監(jiān)測(cè)包結(jié)構(gòu)內(nèi)的同步位可以即時(shí)建立誤碼率(ber)。在一些實(shí)施例中，可以監(jiān)測(cè)超過(guò)一個(gè)方面的信號(hào)衰減，例如，ber和snr。當(dāng)前可獲得的或有待開(kāi)發(fā)的任何合適的技術(shù)可以用來(lái)監(jiān)測(cè)信號(hào)的質(zhì)量。應(yīng)理解的是，當(dāng)用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)對(duì)定位信號(hào)66進(jìn)行調(diào)制時(shí)，這樣的錯(cuò)誤率監(jiān)測(cè)也可以適用于定位信號(hào)66。響應(yīng)于該檢測(cè)，操作返回至噪聲掃描1704。否則，在1720重新開(kāi)始正常操作。

電池壽命和通信優(yōu)化

如通過(guò)上文描述所證明的，申請(qǐng)人意識(shí)到，井下收發(fā)器可以利用鉆柱16上足夠的傳輸功率以足夠可靠的水平維持通信。如通過(guò)圖13a所表明的，如果地下收發(fā)器由于距離和/或地面條件而遭受足夠的數(shù)據(jù)丟失，則井上收發(fā)器指示井下收發(fā)器單獨(dú)地或組合地采取任何數(shù)量的行動(dòng)實(shí)現(xiàn)改善通信的目的?？色@得的行動(dòng)包括(1)增加傳輸功率，(2)選擇不同傳輸頻率，以及(3)改變向上傳輸至鉆柱上的數(shù)據(jù)的波特率，因此交換波特率以增加信噪比?？梢詥为?dú)地或以任何合適的組合以很大程度的靈活性采用這些行動(dòng)。例如，圖13a的步驟1706最初可以選擇可獲得最低噪聲的傳輸頻率?；谟?xùn)練序列，步驟1712可以確定誤包率。如果誤包率太高，則波特率可以指定至較低值，并且1714處的訓(xùn)練失敗可以使程序返回至1706，以較低波特率進(jìn)行新的迭代。

當(dāng)使用地下電池時(shí)關(guān)于增加操作時(shí)間的一種方法是增加電池的大小。參考圖1且在一個(gè)實(shí)施例中，例如可以由管分段n攜帶電池組件以提供足夠水平的可用功率。然而，關(guān)于節(jié)省電池功率也可以采取附加措施。

參考圖1，收發(fā)器64可以傳輸偶極信號(hào)66通過(guò)地面，以便例如進(jìn)行地上定位和深度檢測(cè)。當(dāng)然，偶極信號(hào)的傳輸將耗費(fèi)井下收發(fā)器中的電池功率。作為示例，當(dāng)積極地驅(qū)動(dòng)偶極天線時(shí)，典型的偶極發(fā)射器增加約0.35瓦特的電池消耗。當(dāng)不驅(qū)動(dòng)天線或者不將信號(hào)耦合至鉆柱上時(shí)，收發(fā)器64的功率消耗能下降至約0.15瓦特，同時(shí)仍然允許功率用于傳感器和處理活動(dòng)。井下收發(fā)器704(圖10a)的功率消耗將增加約適中的0.1瓦特用于驅(qū)動(dòng)鉆柱，例如，使用電流互感器或電隔離間隙將信號(hào)耦合至鉆柱上。

參考圖13b，由參考數(shù)字1730表示的流程圖示出了動(dòng)態(tài)地且自動(dòng)地控制定位信號(hào)的傳輸?shù)姆椒ǖ膶?shí)施例。在1732，地面步行定位器自動(dòng)地監(jiān)測(cè)地面步行定位器是否處于激活或禁用狀態(tài)。處于激活狀態(tài)的定位器積極地進(jìn)行接收并使用定位信號(hào)。然而，在禁用狀態(tài)下，定位器會(huì)使涉及定位信號(hào)的檢測(cè)和處理的部件和/或處理停止。可以以任何合適的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)。例如，加速度計(jì)520(圖6)可以容易地檢測(cè)定位器的任何移動(dòng)。如果基于加速度計(jì)的讀數(shù)確定定位器在一段時(shí)間(例如，兩分鐘)內(nèi)未移動(dòng)，則可以調(diào)用或重申禁用狀態(tài)。作為另一個(gè)示例，例如可以使用超聲波傳感器來(lái)檢測(cè)定位器與地面的靠近程度。如果定位器靜止地坐置于表面(例如地的表面)上持續(xù)相對(duì)較短的時(shí)間段(例如，兩分鐘)，則可以調(diào)用或重申禁用狀態(tài)。一旦檢測(cè)到狀態(tài)改變，操作進(jìn)行至1734，此時(shí)可以將狀態(tài)指示經(jīng)由遙測(cè)信號(hào)92(圖1)傳輸至鉆機(jī)，遙測(cè)信號(hào)92表示新的激活/禁用狀態(tài)。響應(yīng)于新的狀態(tài)指示，在1736，當(dāng)前狀態(tài)可以呈現(xiàn)在系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)顯示器上，如將進(jìn)一步描述的。

參考圖13c并結(jié)合圖13b，前者示出了屏幕截圖的實(shí)施例，該屏幕截圖響應(yīng)于步驟1736可以呈現(xiàn)在顯示器1740上并且可以表示鉆機(jī)處的屏幕44、裝置80上的屏幕86和/或系統(tǒng)10中任何合適的顯示器。顯示器可以顯示定位信號(hào)的當(dāng)前自動(dòng)選定的激活或禁用狀態(tài)1742，并且可以進(jìn)一步提供激活/禁用定位信號(hào)超控選擇1744以在激活和禁用狀態(tài)之間選擇性地切換定位信號(hào)66。該手動(dòng)選擇可用于超控定位信號(hào)的任何自動(dòng)地選定的當(dāng)前狀態(tài)。在1746，監(jiān)測(cè)超控選擇。如果選擇超控，則定位信號(hào)的當(dāng)前狀態(tài)不發(fā)生變化，并且操作返回至1732。如果未選擇超控，操作進(jìn)行至1748，聲明新的激活/禁用狀態(tài)。操作然后返回至1732。響應(yīng)于改變鉆機(jī)的顯示器44上的激活/禁用狀態(tài)，可以將命令從鉆柱向下傳輸至井下收發(fā)器56(圖6)使得井下收發(fā)器能夠適當(dāng)?shù)仨憫?yīng)。如果操作者意識(shí)到便攜式裝置即將失去與鉆機(jī)的遙測(cè)通信，則操作者可以保證在遙測(cè)失去之前將定位信號(hào)設(shè)置為激活狀態(tài)。在其它情況下，操作者可以選擇以使用超控選擇1742。例如，操作者可能希望將定位器置于地面上的靜止位置處并且在定位器顯示器上觀察鉆孔工具的進(jìn)程。如果定位信號(hào)變?yōu)榻?，則操作者可以使用超控選擇1744，以使井下收發(fā)器重新開(kāi)始傳輸定位信號(hào)。當(dāng)鉆桿增加至鉆柱時(shí)超控選擇1744也是有用的，因?yàn)檫@能夠包括相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間段。許多操作者選擇在增加鉆桿之前確認(rèn)鉆孔工具的位置和深度。在完成該確認(rèn)之后，或者鉆機(jī)或者便攜式定位器處的操作者可以指示定位信號(hào)進(jìn)入禁用以節(jié)省井下電池功率。

相應(yīng)地，除非積極需要偶極信號(hào)66(例如，獲得深度測(cè)量)，井上收發(fā)器702可以命令井下收發(fā)器704斷開(kāi)偶極天線發(fā)射器以節(jié)省電池功率。申請(qǐng)人意識(shí)到，根據(jù)本文中公開(kāi)的教導(dǎo)，當(dāng)不傳輸偶極信號(hào)且不將作為電信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸至鉆柱上時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)至少20％的功率節(jié)約。就這一點(diǎn)而言，電池壽命和功率節(jié)約之間的關(guān)系通常是非線性的，使得功率節(jié)約可以轉(zhuǎn)化為電池壽命的顯著更大百分比的增加。此外，井下收發(fā)器或遠(yuǎn)程站(如果使用)可以識(shí)別到達(dá)定位器80的偶極信號(hào)的特性，因此保持定位器的深度準(zhǔn)確性。因此，基于附近的鉆井環(huán)境(例如，極端深度或高水平的噪聲/干擾)，可以即時(shí)改變偶極信號(hào)的功率節(jié)約特性。當(dāng)不能進(jìn)行地面步行定位時(shí)(例如，在穿越河流期間)，井上收發(fā)器甚至可以指示井下收發(fā)器斷開(kāi)偶極天線直到進(jìn)一步通知以節(jié)省電池功率，由此迫使井下收發(fā)器至少停止定位信號(hào)66(圖6)的傳輸以啟動(dòng)定位信號(hào)的禁用模式。

為了解決功率節(jié)省方面的問(wèn)題，井下收發(fā)器可以配置為響應(yīng)于某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的不移動(dòng)的檢測(cè)而進(jìn)入休眠模式。該時(shí)間段可以是基于默認(rèn)時(shí)間段(例如，10分鐘)和/或可以是可編程的。在休眠模式期間，井下收發(fā)器可以監(jiān)測(cè)面向角取向并響應(yīng)于旋轉(zhuǎn)檢測(cè)而喚醒。在一個(gè)實(shí)施例中，使用接收器802(圖10a)，井下收發(fā)器可周期性地監(jiān)聽(tīng)鉆柱以檢查來(lái)自井上收發(fā)器的任何命令，并且響應(yīng)于檢測(cè)到命令而喚醒。在喚醒之后，井下收發(fā)器可以重新啟動(dòng)定位信號(hào)在其進(jìn)入休眠時(shí)的相同狀態(tài)。后者在例如鉆機(jī)遇到機(jī)械困難且在某個(gè)時(shí)間段不能操作的情況下也是有用的。在鉆桿斷裂且井下收發(fā)器進(jìn)入休眠的情況下，通過(guò)推動(dòng)鉆柱以減小跨越斷裂的間隙并重新開(kāi)始通信可以維持經(jīng)由鉆柱的通信。然后，可以激活定位信號(hào)，使得可以從地面重新獲得鉆孔工具。通常，鉆機(jī)將具有充足的傳輸功率以到達(dá)井下收發(fā)器。應(yīng)理解的是，便攜式裝置80還可以配置成進(jìn)入休眠模式。響應(yīng)于操作者使便攜式裝置停止和/或使便攜式裝置進(jìn)入休眠模式，便攜式裝置能夠?qū)⒔脿顟B(tài)命令發(fā)送至鉆機(jī)，使得定位信號(hào)可以停止。

如上參考圖1以及附加參考圖6的討論，不需要對(duì)定位信號(hào)66進(jìn)行調(diào)制。在不調(diào)制的情況下傳輸定位信號(hào)66的實(shí)施例中，至少?gòu)淖鳛榧円舻膶?shí)際角度出發(fā)，申請(qǐng)人意識(shí)到，對(duì)于施加于定位信號(hào)的給定水平的傳輸功率，可以提供增強(qiáng)的深度范圍和/或歸航范圍。增強(qiáng)的能力可以歸因于以下因素，包括避免將載波功率分散至調(diào)制旁瓣，以及為了在定位器80處接收純音而應(yīng)用非常窄的帶寬濾波的能力。用于這樣的窄帶濾波器的帶寬可以是例如0.5hz至1hz。需要注意的是，該范圍的下限影響響應(yīng)時(shí)間。如以不同方式闡明的，在給定深度范圍和/或給定歸航范圍下傳輸未調(diào)制載波，可以減小施加于定位信號(hào)66的傳輸功率，至少用于節(jié)省電池功率。當(dāng)然，圖1的系統(tǒng)提供用于電磁定位信號(hào)和井下信號(hào)的同時(shí)調(diào)制。通過(guò)將例如井下傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)從電磁定位信號(hào)上的調(diào)制轉(zhuǎn)移至井下信號(hào)(沿鉆柱向上行進(jìn))上的調(diào)制，該電磁定位信號(hào)可以更靠近或接近由純音(未調(diào)制定位信號(hào))提供的深度或接收范圍。

在一個(gè)實(shí)施例中，便攜式/地面步行定位器80通過(guò)將選擇信息經(jīng)由遙測(cè)信號(hào)92傳送至鉆機(jī)可以提供對(duì)偶極傳輸功率和/或頻率的自動(dòng)和/或手動(dòng)選擇。在鉆機(jī)處，井上收發(fā)器600可以將選擇命令發(fā)送至井下收發(fā)器，以相應(yīng)地傳輸定位信號(hào)66。由于準(zhǔn)確深度確定依賴于傳輸頻率和偶極強(qiáng)度，因此可以通過(guò)系統(tǒng)的任何合適的部件來(lái)確定深度，其中合適的部件包括但不限于便攜式定位器和井上收發(fā)器。在一個(gè)實(shí)施例中，可以自動(dòng)地和/或手動(dòng)地指示便攜式定位器80監(jiān)測(cè)接收到的偶極信號(hào)66的特性，例如，信號(hào)強(qiáng)度。如果信噪比低于特定閾值，則便攜式定位器然后可以通知操作器和/或自動(dòng)地發(fā)送指令，如上所述，目的是改善信噪比。在缺乏對(duì)于便攜式定位器的操作器一部分所需要的了解的背景下，可以執(zhí)行這樣的偶極信號(hào)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)以及偶極信號(hào)重新配置。例如，響應(yīng)于檢測(cè)到信噪比下降，便攜式定位器可以內(nèi)在地開(kāi)始對(duì)偶極信號(hào)的其它可用頻率的掃描(確定與其它可用頻率相關(guān)的當(dāng)前信噪比)，并且之后，選擇具有最高信噪比的頻率。在一個(gè)實(shí)施例中，定位信號(hào)被調(diào)制時(shí)，可以基于不能對(duì)來(lái)自于定位信號(hào)的面向角取向信息、傾角取向信息和/或其它狀態(tài)信息進(jìn)行解碼而檢測(cè)到定位信號(hào)的大幅衰減。定位信號(hào)的這種衰減可能出現(xiàn)在例如高干擾環(huán)境中。

圖14是示出了總體上由參考數(shù)字1800表示的方法的實(shí)施例的流程圖，其適用于與圖10a的井下收發(fā)器704協(xié)作的圖10a的井上收發(fā)器702的操作。該方法具體涉及啟動(dòng)以及對(duì)正常操作期間發(fā)生的通信耗損的響應(yīng)。該方法在1802可以開(kāi)始于通電或檢測(cè)到通信耗損。在1804，井上收發(fā)器使用上述方法中的一種掃描噪聲。通常，該步驟在井上和井下發(fā)射器斷開(kāi)的情況下進(jìn)行。在1806，井上收發(fā)器將命令發(fā)送至井下收發(fā)器，該命令指定井下收發(fā)器使用的傳輸頻率和請(qǐng)求井下收發(fā)器傳輸圖10b中1404處所示的訓(xùn)練序列。在1808，井下發(fā)射器通過(guò)將訓(xùn)練序列1404(圖10a)傳輸至井上收發(fā)器來(lái)確認(rèn)該請(qǐng)求。在1820，mpsk載波跟蹤環(huán)和解調(diào)器1004(圖10b)試圖鎖定至來(lái)自井下收發(fā)器的信號(hào)的載波頻率和相位上。步驟1822判決載波跟蹤環(huán)是否成功鎖定。如果不成功，操作則返回至步驟1806。如果載波跟蹤環(huán)被成功鎖定，操作則進(jìn)行至1824。該后一步驟確定井上收發(fā)器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化跟蹤環(huán)(dttl)1006是否已鎖定至數(shù)據(jù)符號(hào)上。如果沒(méi)有，則操作返回至步驟1806。如果dttl成功鎖定，則操作進(jìn)行至1828。在1828，確定井上接收器是否響應(yīng)于訓(xùn)練序列而被成功訓(xùn)練。如果訓(xùn)練成功，操作則進(jìn)行至1830，在1830至少確定井上收發(fā)器處的信道帶寬和信噪比。在1832，例如基于訓(xùn)練結(jié)果和由井下收發(fā)器使用的信道特性以及包括符號(hào)率和最佳傳輸功率(能夠結(jié)合功率節(jié)約確?？煽客ㄐ?的參數(shù)，井上收發(fā)器確定最可行的傳輸頻率。需要注意的是，相比于先前通過(guò)步驟1804確定的傳輸頻率，選定的傳輸頻率在操作期間的這個(gè)時(shí)間點(diǎn)可以發(fā)生變化。在1836，確定的參數(shù)被傳送至井下收發(fā)器。在1838，井下收發(fā)器基于確定的參數(shù)重新配置發(fā)射器操作，并且通過(guò)將傳感器數(shù)據(jù)傳輸至井上收發(fā)器而開(kāi)始正常操作。

圖15是示出了總體上由參考數(shù)字1900表示的方法的實(shí)施例的流程圖，其表示在便攜式定位器80和井下收發(fā)器702之間的通信協(xié)議以用于在從井下收發(fā)器傳輸定位信號(hào)66(圖1和6)時(shí)維持便攜式定位器對(duì)定位信號(hào)66的接收。在1910，由便攜式定位器檢測(cè)定位信號(hào)66的耗損或信號(hào)大幅度衰減。在一個(gè)實(shí)施例中，定位信號(hào)的衰減可以通過(guò)誤碼率(ber)進(jìn)行確定，在接收定位信號(hào)時(shí)由定位器跟蹤誤碼率。可以響應(yīng)于違背最大ber閾值的誤碼率表明信號(hào)耗損。在另一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)衰減可以是基于定位信號(hào)的信噪比(snr)的確定，該定位信號(hào)具有通過(guò)響應(yīng)于違背最小snr的信噪比而表明的信號(hào)耗損。在一些實(shí)施例中，可以監(jiān)測(cè)信號(hào)衰減的幾個(gè)方面，例如，ber和snr。通過(guò)非限制性示例，在本文中所述的任何技術(shù)的背景下，用于建立不合適信號(hào)質(zhì)量的閾值對(duì)于snr可以是5db，以及對(duì)于ber可以是0.2(百分之二十)。當(dāng)然，信號(hào)耗損(其中信號(hào)不能再被檢測(cè)到)違背了這些值。任何合適的技術(shù)可以采用以用于監(jiān)測(cè)定位信號(hào)的質(zhì)量。在1912，便攜式定位器進(jìn)行噪聲掃描以識(shí)別可獲得的展現(xiàn)最低噪聲水平的傳輸頻率，例如，在上述并入的us公布專利申請(qǐng)no.2011-0001633中所描述的。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，離散傅里葉變換(dft)可以應(yīng)用于確定感興趣的頻率處出現(xiàn)的噪聲。應(yīng)理解的是，可以采用任何合適的技術(shù)，包括例如goertzel濾波器，或者作為另一個(gè)示例的小波變換。在1914，便攜式定位器經(jīng)由遙測(cè)信號(hào)92(圖1)傳輸信號(hào)耗損命令，遙測(cè)信號(hào)92識(shí)別用于定位信號(hào)66的新參數(shù)，新參數(shù)可以包括但不限于傳輸功率、載波頻率、波特率和調(diào)制模式。例如，最初可以選擇最低噪聲可用載波頻率以及適當(dāng)?shù)牟ㄌ芈?。如果針?duì)選定的波特率誤碼率太高，則可以降低波特率并且重新確定誤碼率。在波特率變得太低的情況下，可以選擇不同調(diào)制模式?？梢砸匀魏魏线m的方式進(jìn)行新調(diào)制模式的選擇。通過(guò)非限制性示例，可以選擇的另一種調(diào)制模式是正交頻分復(fù)用(ofdm)，其中可以使用間隔緊密的正交子載波以本領(lǐng)域已知的方式承載多個(gè)并行數(shù)據(jù)流或信道上的數(shù)據(jù)。因此，通過(guò)在多個(gè)信道上分散數(shù)據(jù)，可以使用許多互不干擾的頻率，以相對(duì)較低的符號(hào)率來(lái)實(shí)現(xiàn)較高的抗擾度。需要注意的是，對(duì)于最大深度和歸航范圍，調(diào)制模式可以指定載波未調(diào)制或基本為純音。在1916，井上收發(fā)器經(jīng)由遙測(cè)信號(hào)接收信號(hào)耗損命令并且將該命令轉(zhuǎn)送至井下收發(fā)器。在1920，井下收發(fā)器接收信號(hào)耗損命令并且相應(yīng)地重新配置偶極傳輸參數(shù)。

再參考圖1，應(yīng)理解的是，系統(tǒng)10包括伴隨著眾多好處的通信系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)由位于鉆機(jī)處的井上收發(fā)器、位于井下接近地下工具的井下收發(fā)器、以及形成地面步行定位器的一部分的遙測(cè)收發(fā)器構(gòu)成，從而在井上收發(fā)器和井下收發(fā)器之間形成第一雙向通信鏈路2000，第一雙向通信鏈路2000使用鉆柱作為電導(dǎo)體以提供井上收發(fā)器和井下收發(fā)器之間的通信。第二雙向通信鏈路2002形成在井上收發(fā)器和地面步行定位器的遙測(cè)收發(fā)器之間，其采用無(wú)線電磁通信。進(jìn)一步地，至少?gòu)牡叵鹿ぞ叩木率瞻l(fā)器至地面步行定位器形成了單向通信鏈路2004。這些通信鏈路提供了多種通信模式，包括使用第一雙向通信鏈路2000從井下收發(fā)器經(jīng)由鉆柱至鉆機(jī)處的井上收發(fā)器的第一通信模式。從井下收發(fā)器經(jīng)由單向通信鏈路2004、地面步行定位器處的遙測(cè)收發(fā)器和第二雙向通信鏈路2002至井上收發(fā)器提供了第二通信模式。可以由形成井上收發(fā)器702的一部分的通信控制器/管理器2010對(duì)通信模式進(jìn)行管理，通信控制器/管理器2010可以形成鉆機(jī)處的處理裝置46的一部分使得系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地且自動(dòng)地對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的任何故障做出響應(yīng)。

參考圖16并結(jié)合圖1，前者示出了用于通過(guò)非限制性示例操作通信控制器2010的方法的實(shí)施例，其總體上由參考數(shù)字2300表示。在2304系統(tǒng)啟動(dòng)期間，控制器可以配置成選擇第一通信模式作為默認(rèn)模式。在2308進(jìn)入正常操作。然后，在2312監(jiān)測(cè)通信模式1的狀態(tài)，并且以任何合適的方式確定通信模式1的狀態(tài)。例如，響應(yīng)于信號(hào)的完全丟失和/或在沿井上收發(fā)器和井下收發(fā)器之間的任一方向發(fā)送信號(hào)不能滿足給定信噪比和/或超過(guò)給定誤碼率的情況下，可以指定失敗狀態(tài)。只要通信模式1沒(méi)有問(wèn)題，在2308可以進(jìn)行正常操作。如果基于在2312的確定通信模式1有問(wèn)題，則在2316進(jìn)入通信模式2以從井下收發(fā)器經(jīng)由定位器80至井上收發(fā)器進(jìn)行通信。然后在2322重新開(kāi)始正常操作。作為正常操作的一部分，步驟2326監(jiān)測(cè)通信模式2的失敗情況。如果關(guān)于通信模式2沒(méi)有檢測(cè)到異常情況，則在2330進(jìn)行測(cè)試以確定通信模式1是否再次可用。如果通信模式1不可用，則在2322重新開(kāi)始正常操作。另一方面，如果通信模式1可用，則在2334控制器切換至通信模式1。再返回至步驟2326，如果通信模式2失敗，則在2334系統(tǒng)還是切換至通信模式1。如果切換至通信模式1未成功，則在2338確定錯(cuò)誤情況，然后在2342轉(zhuǎn)換至手動(dòng)模式。如果在2338檢測(cè)沒(méi)有錯(cuò)誤情況，那么操作可以進(jìn)行至2346，其可以為操作者提供切換至手動(dòng)控制(在2346，如果需要)的機(jī)會(huì)。如果操作者沒(méi)有選擇手動(dòng)控制，則操作返回至2308。應(yīng)理解的是，在系統(tǒng)操作期間，方法2300可以在后臺(tái)運(yùn)行。這樣做，該方法可以以每秒多個(gè)迭代的快速率執(zhí)行。

申請(qǐng)人認(rèn)為本文中描述的系統(tǒng)和方法提供在此之前未看見(jiàn)的好處。例如，公開(kāi)的先進(jìn)通信系統(tǒng)通過(guò)將作為電信號(hào)的數(shù)據(jù)可靠地直接傳輸?shù)浆F(xiàn)有鉆柱上而方便地實(shí)現(xiàn)了雙向通信，除了通過(guò)使用從未被認(rèn)為適用于本系統(tǒng)的背景下的先進(jìn)通信技術(shù)之外未做修改，并且無(wú)需現(xiàn)有技術(shù)(例如，管中線布置)所施加的耗時(shí)限制。申請(qǐng)人認(rèn)識(shí)到在公開(kāi)的鉆柱通信系統(tǒng)中使用不對(duì)稱功率傳輸水平的好處。即，以高功率水平從井上收發(fā)器至井下收發(fā)器的傳輸提供了可靠建立至井下收發(fā)器的通信的能力，而可以利用一組優(yōu)化參數(shù)(包括可靠的低/最小化功率水平)執(zhí)行從井下收發(fā)器至井上收發(fā)器的傳輸，以滿足可靠通信和電池功率節(jié)省的競(jìng)爭(zhēng)性關(guān)注點(diǎn)。本公開(kāi)的系統(tǒng)可以提供另外的好處，通過(guò)選擇性地傳輸純音定位信號(hào)以實(shí)現(xiàn)從井下收發(fā)器至便攜式地上定位器的歸航和/或定位的目的，同時(shí)允許沿鉆柱向上、直接調(diào)制到作為電導(dǎo)體的鉆柱上的數(shù)據(jù)的同時(shí)傳輸。申請(qǐng)人不知道已按照該方式配置的任何現(xiàn)有系統(tǒng)。相信從未見(jiàn)過(guò)公開(kāi)的系統(tǒng)和相關(guān)方法，至少因?yàn)槿缦略颍和ㄟ^(guò)在鉆柱上的直接電信號(hào)傳輸提供正?；驍U(kuò)展范圍內(nèi)的可靠通信的能力引入了挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)不只是難以解決，而且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將隨即認(rèn)為組合后的一系列挑戰(zhàn)實(shí)際上是不可克服的。

優(yōu)選地包括本文中描述的所有元素、部分和步驟。應(yīng)理解的是，這些元素、部分和步驟中的任何一個(gè)可以由其它元素、部分和步驟代替或完全刪除，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見(jiàn)的。

附錄a

具有最小均方誤差的線性估計(jì)的推導(dǎo)。

給定大小l×1的兩個(gè)任意可變向量{x，y}和零平均值，關(guān)于x的線性和無(wú)偏估計(jì)如下形式

其中w是大小為l×l的一些常數(shù)矩陣。請(qǐng)注意，粗體字用于向量變量，并且粗體字中的大寫(xiě)字母用于矩陣變量。對(duì)eq(a1)中估計(jì)的限制在于它必須具有最小均方誤差(mmse)。因此該估計(jì)必須滿足如下限制。

因?yàn)?imgfile="bda0001363478340000422.gif"wi="125"he="52"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>具有零平均值，eq(a2)的mmse是單個(gè)mmse的和。讓i表示向量中第i個(gè)采樣，則單個(gè)mmse是

注意wi是矩陣w的第i行。展開(kāi)平方項(xiàng)得出：

通過(guò)對(duì)wi求偏微分來(lái)使eq(4a)中的函數(shù)最小化，并且將它設(shè)置為等于零：

其中，rxy，i＝e{x(i)y^*}，ry＝e{yy^*}，因此，對(duì)于wo，i的滿足具有mmse的x的線性、無(wú)偏估計(jì)的最佳選擇是

wo，jry＝rxy，ieq(a6)

收集所有的{wo，i}，全估計(jì)是

wory＝rxyeq(a7)

當(dāng)ry是非負(fù)定矩陣和正定矩陣時(shí)，則eq(a7)將具有唯一解，如下：

因此，方程式eq(a1)現(xiàn)在可以重新寫(xiě)成

現(xiàn)在可以求解在上面方程式eq11a、eq11b和eq12中所討論的估計(jì)，因?yàn)槠錇槿缦滦问剑?/p>

y＝bx+neq(a10)

使用方程式eq(a10)對(duì)矩陣ry和rxy重新計(jì)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?yàn)閞n＞0(即n是零平均值隨機(jī)噪聲向量，其中協(xié)方差矩陣為rn＝e{nn^*}＞0)，這產(chǎn)生了ry＞0。因此，ry是可逆的。

現(xiàn)在可以從eq(a8)、eq(a10)和eq(a11)確定具有最小均方誤差的的線性估計(jì)為

為了例證和說(shuō)明的目的，已提供了本發(fā)明的上面的描述。不是旨在排他性或?qū)⒈景l(fā)明限制為所公開(kāi)的具體形式，而且根據(jù)上述教導(dǎo)，其它實(shí)施例、修改和變型也是可能的，其中本領(lǐng)域技術(shù)將意識(shí)到某些修改、變更、增加和其子組合。

構(gòu)思

在本文中，至少公開(kāi)了下面的構(gòu)思。

構(gòu)思1：一種鉆柱通信系統(tǒng)，其使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信，所述系統(tǒng)包括：

井上收發(fā)器，其位于鉆機(jī)處并且包括井上發(fā)射器，井上發(fā)射器以井上傳輸功率將井上信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至地下工具；以及

井下收發(fā)器，其位于井下靠近地下工具并且包括井下發(fā)射器，井下發(fā)射器以井下傳輸功率將井下信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至鉆機(jī)處的鉆柱上，井下傳輸功率在井下功率傳輸范圍內(nèi)可選擇，并且所述井上傳輸功率總是大于在所述井下功率傳輸范圍內(nèi)的任何選定的井下傳輸功率。

構(gòu)思2：構(gòu)思1的系統(tǒng)，其中，所述井下收發(fā)器包括電池，以提供所述井下傳輸功率，并且所述電池至少在選定的井下傳輸功率上施加了上限。

構(gòu)思3：構(gòu)思2的系統(tǒng)，其中，最大井下傳輸功率不超過(guò)5瓦特。

構(gòu)思4：構(gòu)思1的系統(tǒng)，其中，所述井上收發(fā)器配置成至少以最大井上發(fā)射器功率開(kāi)始與井下收發(fā)器的通信。

構(gòu)思5：構(gòu)思1至4中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中，最大井上發(fā)射器功率形成井上發(fā)射器功率范圍的功率上限。

構(gòu)思6：一種用于操作鉆柱通信系統(tǒng)的方法，鉆柱通信系統(tǒng)使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信，所述方法包括：

配置鉆機(jī)處的井上收發(fā)器，井上收發(fā)器包括井上發(fā)射器，井上發(fā)射器以井上傳輸功率將井上信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至地下工具；

將井下收發(fā)器布置在井下靠近地下工具，井下收發(fā)器包括井下發(fā)射器；以及

以井下傳輸功率將井下信號(hào)從井下發(fā)射器耦合至鉆柱上以便傳輸至鉆機(jī)處的鉆柱上，井下傳輸功率在井下功率傳輸范圍內(nèi)可選擇，并且井上傳輸功率總是大于任何選定的井下傳輸功率。

構(gòu)思7：一種用于操作鉆柱通信系統(tǒng)的方法，所述鉆柱通信系統(tǒng)使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供所述鉆機(jī)與所述地下工具之間的通信，所述方法包括：

響應(yīng)于利用當(dāng)前一組傳輸參數(shù)從地下工具傳輸至鉆柱上的井下信號(hào)的接收的耗損，使用井上收發(fā)器以井上收發(fā)器的最大井上傳輸功率重新開(kāi)始從鉆機(jī)至地下工具的通信以將井上重新開(kāi)始的信號(hào)耦合至地下工具；以及

基于來(lái)自地下工具對(duì)井上重新開(kāi)始的信號(hào)的響應(yīng)，進(jìn)入程序以針對(duì)井下信號(hào)和井上信號(hào)中的至少一個(gè)建立新的一組傳輸參數(shù)，以在其后建立鉆機(jī)和地下工具之間的通信。

構(gòu)思8：構(gòu)思7的方法包括，作為所述重新開(kāi)始的信號(hào)的一部分，指示井下收發(fā)器以最大井下傳輸功率作出響應(yīng)。

構(gòu)思9：構(gòu)思7的方法包括配置井下收發(fā)器以最大井下傳輸功率對(duì)重新開(kāi)始的信號(hào)作出響應(yīng)。

構(gòu)思10：一種鉆柱通信系統(tǒng)，其使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信，所述系統(tǒng)包括：

井上收發(fā)器，其位于鉆機(jī)處并且包括井上發(fā)射器，井上發(fā)射器以井上傳輸功率將井上信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至地下工具；

井下收發(fā)器，其位于井下靠近地下工具并且包括井下發(fā)射器，井下發(fā)射器以井下傳輸功率將井下信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至鉆機(jī)處的鉆柱上并且發(fā)出具有至少一個(gè)可選擇操作參數(shù)的電磁定位信號(hào)，井下傳輸功率在井下功率傳輸范圍內(nèi)可選擇；和

地面步行定位器，其用于接收電磁定位信號(hào)且用于檢測(cè)接收到的定位信號(hào)的預(yù)定衰減，并且響應(yīng)于所述檢測(cè)，系統(tǒng)配置成自動(dòng)地生成重新配置命令，重新配置命令改變電磁定位信號(hào)的以下參數(shù)中的至少一個(gè)：載波頻率、傳輸功率、波特率和調(diào)制模式。

構(gòu)思11：構(gòu)思10的系統(tǒng)，其中，所述地面步行定位器基于電磁定位信號(hào)的誤碼率和信噪比中至少一個(gè)監(jiān)測(cè)所述預(yù)定信號(hào)衰減。

構(gòu)思12：構(gòu)思10的系統(tǒng)，其中，所述地面步行定位器配置成產(chǎn)生重新配置命令并在其后通過(guò)遙測(cè)將重新配置命令傳輸至鉆機(jī)，并且井上收發(fā)器配置成經(jīng)由鉆柱將重新配置命令傳輸至井下收發(fā)器。

構(gòu)思13：一種鉆柱通信系統(tǒng)，其使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信，所述系統(tǒng)包括：

井上收發(fā)器，其位于鉆機(jī)處并且包括井上發(fā)射器，井上發(fā)射器以井上傳輸功率將井上信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至地下工具；

井下收發(fā)器，其位于井下靠近地下工具并且包括井下發(fā)射器，井下發(fā)射器以井下傳輸功率將井下信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至鉆機(jī)處的鉆柱上并且發(fā)出具有至少一個(gè)可選擇操作參數(shù)的電磁定位信號(hào)，井下傳輸功率在井下功率傳輸范圍內(nèi)可選擇；和

地面步行定位器，其用于接收電磁定位信號(hào)且用于檢測(cè)電磁定位信號(hào)的接收耗損，并且響應(yīng)于所述接收耗損，自動(dòng)地向所述鉆機(jī)表明信號(hào)耗損情況。

構(gòu)思14：構(gòu)思13的系統(tǒng)，其中，所述地面步行定位器通過(guò)將信號(hào)耗損命令傳輸至鉆機(jī)處的井上收發(fā)器來(lái)表明所述信號(hào)耗損情況。

構(gòu)思15：構(gòu)思14的系統(tǒng)，其中，信號(hào)耗損命令針對(duì)電磁定位信號(hào)指定了新的一組參數(shù)。

構(gòu)思16：構(gòu)思15的系統(tǒng)，其中，新的一組參數(shù)指定了以下參數(shù)中至少一個(gè)：針對(duì)電磁定位信號(hào)的新傳輸功率、新載波頻率、新波特率以及新調(diào)制模式。

構(gòu)思17：構(gòu)思16的系統(tǒng)，其中，新的一組參數(shù)指定了不調(diào)制新載波頻率。

構(gòu)思18：一種鉆柱通信系統(tǒng)，其使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信，所述系統(tǒng)包括：

井上收發(fā)器，其位于鉆機(jī)處并且包括井上發(fā)射器，井上發(fā)射器將井上信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至地下工具；以及

井下收發(fā)器，其位于井下靠近地下工具并且包括井下發(fā)射器，井下發(fā)射器將井下信號(hào)耦合至鉆柱上以便傳輸至形成井上收發(fā)器的一部分的井上接收器，并且其中，井上收發(fā)器和井下收發(fā)器配置成協(xié)作以至少部分地基于由井上收發(fā)器所檢測(cè)的井下信號(hào)的信號(hào)衰減而自動(dòng)改變井下信號(hào)的至少一個(gè)可操作傳輸參數(shù)。

構(gòu)思19：構(gòu)思18的系統(tǒng)，其中，所述井上收發(fā)器和所述井下收發(fā)器配置成響應(yīng)于信號(hào)衰減自動(dòng)地修改井下信號(hào)的一組可操作參數(shù)。

構(gòu)思20：構(gòu)思19的系統(tǒng)，其中，修改的一組參數(shù)包括載波頻率、功率水平、波特率和調(diào)制模式中的兩個(gè)或多個(gè)。

構(gòu)思21：構(gòu)思18的系統(tǒng)，其中，井下收發(fā)器和井上收發(fā)器中至少一個(gè)包括噪聲掃描儀，用于進(jìn)行針對(duì)井下信號(hào)的可用傳輸頻率的噪聲掃描，使得建立最低噪聲傳輸頻率。

構(gòu)思22：構(gòu)思21的系統(tǒng)，其中，噪聲掃描儀配置成利用快速傅里葉變換、離散傅里葉變換和功率譜密度中選定的一個(gè)來(lái)確定可用傳輸頻率上的噪聲頻譜。

構(gòu)思23：構(gòu)思21的系統(tǒng)，其中，噪聲掃描儀包括具有多個(gè)帶通濾波器的濾波器組，以確定最低噪聲傳輸頻率。

構(gòu)思24：構(gòu)思21的系統(tǒng)，其中，井下發(fā)射器和井上發(fā)射器配置成在噪聲掃描期間關(guān)閉。

構(gòu)思25：構(gòu)思21的系統(tǒng)，其中，井上收發(fā)器和井下收發(fā)器中選定的一個(gè)配置成開(kāi)始作為啟動(dòng)程序的一部分的噪聲掃描。

構(gòu)思26：構(gòu)思25的系統(tǒng)，其中，井上收發(fā)器配置成響應(yīng)于來(lái)自井下發(fā)射器的信號(hào)耗損重新開(kāi)始噪聲掃描以至少選擇針對(duì)井下信號(hào)的新傳輸頻率。

構(gòu)思27：構(gòu)思18的系統(tǒng)，其中，所述鉆柱包括信道傳遞函數(shù)，所述信道傳遞函數(shù)包括在每個(gè)井上信號(hào)上的鉆柱失真，并且其中，至少所述井上收發(fā)器配置成表征所述信道傳遞函數(shù)為具有頻帶限制響應(yīng)的帶限濾波器。

構(gòu)思28：構(gòu)思27的系統(tǒng)，其中，頻帶限制響應(yīng)進(jìn)一步表征為有限脈沖響應(yīng)。

構(gòu)思29：構(gòu)思27的系統(tǒng)，其中，至少井上收發(fā)器的井上接收器包括至少一個(gè)均衡器以補(bǔ)償鉆柱失真。

構(gòu)思30：構(gòu)思29的系統(tǒng)，其中，均衡器包括均衡器響應(yīng)，均衡器響應(yīng)基于一組均衡器系數(shù)可定制使得均衡器響應(yīng)適應(yīng)于信道傳遞函數(shù)中變量的范圍。

構(gòu)思31：構(gòu)思30的系統(tǒng)，其中，井下發(fā)射器配置成傳輸調(diào)制到井下信號(hào)上的訓(xùn)練序列，并且井上接收器配置成從井下信號(hào)恢復(fù)訓(xùn)練序列以建立一組均衡器系數(shù)。

構(gòu)思32：構(gòu)思31的系統(tǒng)，其中，井上收發(fā)器包括訓(xùn)練序列的副本以與接收到的訓(xùn)練序列進(jìn)行比較，接收到的訓(xùn)練序列表示由井下發(fā)射器傳輸并且通過(guò)信道傳遞函數(shù)失真的訓(xùn)練序列。

構(gòu)思33：構(gòu)思32的系統(tǒng)，其中，井下收發(fā)器包括多路復(fù)用器，多路復(fù)用器在訓(xùn)練序列和傳感器數(shù)據(jù)之間進(jìn)行選擇以調(diào)制到井下信號(hào)上。

構(gòu)思34：構(gòu)思32的系統(tǒng)，其中，井上收發(fā)器配置成基于訓(xùn)練序列的副本與接收到的訓(xùn)練序列之間的差的最小均方誤差確定一組系數(shù)。

構(gòu)思35：構(gòu)思18的系統(tǒng)，其中，井下收發(fā)器配置成接收傳感器數(shù)據(jù)并且基于傳感器數(shù)據(jù)調(diào)制井下信號(hào)。

構(gòu)思36：構(gòu)思34的系統(tǒng)，其中，井下收發(fā)器將多相移鍵控施加于井下信號(hào)。

構(gòu)思37：構(gòu)思18的系統(tǒng)，其中，井上收發(fā)器配置成同步地檢測(cè)井下信號(hào)。

構(gòu)思38：構(gòu)思37的系統(tǒng)，其中，井下收發(fā)器配置成施加多相移鍵控以調(diào)制井下信號(hào)，并且井上收發(fā)器包括用于恢復(fù)井下信號(hào)的多相移鍵控載波跟蹤環(huán)和解調(diào)器。

構(gòu)思39：構(gòu)思38的系統(tǒng)，其中，井下收發(fā)器配置成將正交相移鍵控施加于井下信號(hào)。

構(gòu)思40：構(gòu)思18至39中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中，鉆柱包括信道傳遞函數(shù)，信道傳遞函數(shù)包括在每個(gè)井上信號(hào)上的鉆柱失真，并且至少井上收發(fā)器配置成表征信道傳遞函數(shù)為帶限濾波器，并且井上收發(fā)器包括同相位均衡器和異相位均衡器以補(bǔ)償鉆柱失真。

構(gòu)思41：構(gòu)思40的系統(tǒng)，其中，井上收發(fā)器配置成同步地檢測(cè)井下信號(hào)，并且包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換跟蹤環(huán)以便在同相位均衡器和異相位均衡器之間切換。

構(gòu)思42：一種鉆柱通信系統(tǒng)中的設(shè)備，鉆柱通信系統(tǒng)使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信，并且所述鉆柱在用作載送井下信號(hào)的所述電導(dǎo)體時(shí)展現(xiàn)信道傳遞函數(shù)，井下信號(hào)通過(guò)地下工具耦合至鉆柱，設(shè)備包括：

井上接收器，其接收來(lái)自鉆柱作為傳送信號(hào)的井下信號(hào)，傳送信號(hào)受到信道傳遞函數(shù)的影響，并且所述井上接收器配置成將補(bǔ)償響應(yīng)施加于傳送信號(hào)，基于信道傳遞函數(shù)定制補(bǔ)償響應(yīng)。

構(gòu)思43：構(gòu)思42的設(shè)備，其中，信道傳遞函數(shù)導(dǎo)致井下信號(hào)上的鉆柱失真，并且至少井上接收器配置成將信道傳遞函數(shù)表征為帶限濾波器響應(yīng)。

構(gòu)思44：構(gòu)思43的設(shè)備，其中，帶限濾波器響應(yīng)被進(jìn)一步表征為有限脈沖響應(yīng)。

構(gòu)思45：構(gòu)思43的設(shè)備，其中，井上接收器包括至少一個(gè)均衡器以補(bǔ)償鉆柱失真。

構(gòu)思46：構(gòu)思45的設(shè)備，其中，均衡器包括均衡器響應(yīng)，均衡器響應(yīng)基于一組均衡器系數(shù)可定制使得均衡器響應(yīng)適應(yīng)于信道傳遞函數(shù)中變量的范圍。

構(gòu)思47：構(gòu)思46的設(shè)備，其中，井上接收器存儲(chǔ)訓(xùn)練序列的副本，并且井上接收器配置成從通過(guò)信道傳遞函數(shù)失真的井下信號(hào)恢復(fù)訓(xùn)練序列的傳送版本，以與訓(xùn)練序列的副本進(jìn)行比較從而建立一組均衡器系數(shù)。

構(gòu)思48：構(gòu)思47的設(shè)備，其中，井上接收器配置成基于訓(xùn)練序列的副本與訓(xùn)練序列的傳送版本之間的差的最小均方誤差確定一組系數(shù)。

構(gòu)思49：一種地面步行定位器，其用于使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱的系統(tǒng)中，地下工具配置成傳輸電磁定位信號(hào)，所述地面步行定位器包括：

接收器，其配置成接收定位信號(hào)，檢測(cè)定位信號(hào)的接收的衰減，并且響應(yīng)于所述衰減檢測(cè)生成信號(hào)耗損命令；以及

遙測(cè)發(fā)射器，用于將信號(hào)耗損命令傳輸至鉆機(jī)。

構(gòu)思50：構(gòu)思49的地面步行定位器，其配置成響應(yīng)于定位信號(hào)的接收耗損生成所述信號(hào)耗損命令。

構(gòu)思51：構(gòu)思49的地面步行定位器，其配置成響應(yīng)于定位信號(hào)的預(yù)定衰減程度生成所述信號(hào)耗損。

構(gòu)思52：構(gòu)思49的地面步行定位器，其配置成最初地響應(yīng)于所述接收耗損的檢測(cè)進(jìn)行噪聲掃描以識(shí)別針對(duì)電磁定位信號(hào)的新頻率。

構(gòu)思53：構(gòu)思49的地面步行定位器，其中，信號(hào)耗損命令識(shí)別針對(duì)電磁定位信號(hào)的以下參數(shù)中的至少一個(gè)：新傳輸功率、新載波頻率、新波特率和新調(diào)制模式。

構(gòu)思54：一種至少執(zhí)行地下操作的系統(tǒng)，其使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信，所述系統(tǒng)包括：

井下收發(fā)器，其位于井下靠近地下工具，并且配置成(i)接收與地下工具的可操作參數(shù)相關(guān)的至少一個(gè)傳感器信號(hào)，(ii)生成井下信號(hào)，井下信號(hào)被傳輸至鉆機(jī)處的鉆柱上，并且基于傳感器信號(hào)對(duì)井下信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，和(iii)發(fā)出電磁定位信號(hào)以便進(jìn)行地上檢測(cè)，其中定位信號(hào)至少?zèng)]有通過(guò)所述傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；

井上收發(fā)器，其位于鉆機(jī)處并且包括井上接收器，井上接收器配置成從鉆柱接收井下信號(hào)并且恢復(fù)傳感器信號(hào)使得在鉆機(jī)處可獲得與可操作參數(shù)相關(guān)的信息；和

地面步行定位器，其接收電磁定位信號(hào)用作歸航信標(biāo)和跟蹤信號(hào)中的至少一個(gè)，使得針對(duì)給定傳輸功率在不調(diào)制的情況下定位信號(hào)的檢測(cè)范圍大于針對(duì)相同的給定傳輸功率經(jīng)過(guò)所述傳感器信號(hào)調(diào)制的調(diào)制定位信號(hào)的檢測(cè)范圍。

構(gòu)思55：構(gòu)思54的系統(tǒng)，其中，地面步行定位器包括在電磁定位信號(hào)的載波頻率上居中的窄帶濾波器。

構(gòu)思56：構(gòu)思54或55的系統(tǒng)，其中，地面步行定位器配置成至少為了獲得傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)與地面步行定位器生成數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性而與鉆機(jī)處的井上收發(fā)器進(jìn)行遙測(cè)通信，傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)從地下工具傳送至井上收發(fā)器處的鉆柱上，地面步行定位器生成數(shù)據(jù)通過(guò)電磁遙測(cè)信號(hào)傳送至井上收發(fā)器。

構(gòu)思57：一種至少執(zhí)行地下操作的系統(tǒng)，其使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱作為電導(dǎo)體以提供鉆機(jī)與地下工具之間的通信，所述系統(tǒng)包括：

井上收發(fā)器，其位于鉆機(jī)處并且包括井上發(fā)射器，井上發(fā)射器配置成至少將鉆柱上的井上信號(hào)傳輸至地下工具；

井下收發(fā)器，其位于井下靠近地下工具，并且配置成從鉆柱接收井上信號(hào)并且選擇性地發(fā)出電磁定位信號(hào)以便地上檢測(cè)；

地面步行定位器，其用于接收電磁定位信號(hào)并用于自動(dòng)地檢測(cè)地面步行定位器的激活/禁用狀態(tài)，并且響應(yīng)于檢測(cè)到激活/禁用狀態(tài)變化，所述地面步行定位器配置成將表明新激活/禁用狀態(tài)的狀態(tài)指示傳輸至鉆機(jī)；和

所述井上收發(fā)器和所述井下收發(fā)器被進(jìn)一步配置成協(xié)作以至少響應(yīng)于禁用狀態(tài)斷開(kāi)電磁定位信號(hào)。

構(gòu)思58：構(gòu)思57的系統(tǒng)，其中，地面步行定位器配置成在激活狀態(tài)期間積極地使用電磁定位信號(hào)。

構(gòu)思59：構(gòu)思57的系統(tǒng)，其中，地面步行定位器包括至少一個(gè)加速度計(jì)，加速度計(jì)響應(yīng)于地面步行定位器的移動(dòng)產(chǎn)生加速度計(jì)輸出，并且地面步行定位器配置成基于所述加速度計(jì)輸出檢測(cè)禁用狀態(tài)。

構(gòu)思60：構(gòu)思57的系統(tǒng)，其中，地面步行定位器包括檢測(cè)定位器靠近地的表面的傳感器，并且地面步行定位器配置成響應(yīng)于定位器位于地的表面上而表明禁用狀態(tài)。

構(gòu)思61：一種至少用于執(zhí)行地下操作的通信系統(tǒng)可，其使用了從鉆機(jī)延伸至地下工具的鉆柱以及用作歸航信標(biāo)和跟蹤裝置中的至少一個(gè)的地面步行檢測(cè)器，通信系統(tǒng)包括：

位于鉆機(jī)處的井上收發(fā)器；

位于井下靠近地下工具的井下收發(fā)器；

形成地面步行定位器的一部分的遙測(cè)收發(fā)器；

井上收發(fā)器和井下收發(fā)器之間的第一雙向通信鏈路，其使用鉆柱作為電導(dǎo)體以提供井上收發(fā)器和井下收發(fā)器之間的通信；

井上收發(fā)器和地面步行定位器的遙測(cè)收發(fā)器之間的第二雙向通信鏈路，其在井上收發(fā)器和遙測(cè)收發(fā)器之間采用無(wú)線電磁通信；以及

從地下工具的井下收發(fā)器至地面步行定位器的至少單向通信鏈路使得(i)使用第一雙向通信鏈路從井下收發(fā)器經(jīng)由鉆柱至鉆機(jī)處的井上收發(fā)器提供了第一通信模式，(ii)從井下收發(fā)器經(jīng)由單向通信鏈路、地面步行定位器處的遙測(cè)收發(fā)器和第二雙向通信鏈路至井上收發(fā)器提供了第二通信模式，和(iii)用于至少部分地基于系統(tǒng)狀態(tài)來(lái)管理井下收發(fā)器和井上收發(fā)器之間的通信的控制器。

構(gòu)思62：構(gòu)思61的系統(tǒng)還包括：

通信管理器，其至少用于至少部分地基于第一和第二雙向通信鏈路以及單向通信鏈路的當(dāng)前可操作狀態(tài)、針對(duì)任何給定的從地下工具至鉆機(jī)的傳輸、通過(guò)自動(dòng)地在第一通信模式和第二通信模式之間進(jìn)行選擇來(lái)管理從地下工具處的井下收發(fā)器至鉆機(jī)處的井上收發(fā)器的通信。

構(gòu)思63：權(quán)利要求62的系統(tǒng)，其中控制器配置成選擇第一通信模式作為默認(rèn)模式。