定向鉆井通信協(xié)議、設(shè)備以及方法
【專利說明】定向鉆井通信協(xié)議、設(shè)備以及方法
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2013年3月14日提交的美國臨時專利申請No. 61/785,410的優(yōu)先 權(quán)，其內(nèi)容通過引用整體并入本文。本申請還要求于2014年3月13日提交的發(fā)明名稱為 "DIRECTIONALDRILLINGCOMMUNICATIONPROTOCOLS,APPARATUSANDMETHODS"的美國申請 系列No. 14/208. 470的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用整體并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003] 本發(fā)明總的來講涉及定向鉆井領(lǐng)域，特別地，涉及一種高級的定向鉆井通信協(xié)議、 設(shè)備以及方法。
[0004] 經(jīng)常被稱為水平定向鉆井（HDD)的技術(shù)可以被用來實現(xiàn)安裝公共設(shè)施的目的而 不需要挖溝渠。一個典型的公共設(shè)施安裝包括使用具有鉆柱的鉆機，該鉆柱在鉆柱地下端 或遠端支持鉆具。鉆機通過向鉆柱施加推力來推動鉆具穿過地面。在鉆柱延伸的過程中對 鉆具進行轉(zhuǎn)向以形成了一個先導(dǎo)孔。當(dāng)完成先導(dǎo)孔時，鉆柱遠端與回調(diào)設(shè)備相連，回調(diào)設(shè)備 接下來連接至公共設(shè)施的前端?；卣{(diào)設(shè)備和公共設(shè)施通過鉆柱的回縮被拉動穿過先導(dǎo)孔完 成安裝。在一些情況下，回調(diào)設(shè)備包含一個回擴工具，其用于擴張在公共設(shè)施前部擴張先導(dǎo) 孔的直徑，因此與先導(dǎo)孔的原始直徑相比，安裝的公共設(shè)施有一個更大的直徑。
[0005] 可以用一種眾所周知的方式完成對鉆具的轉(zhuǎn)向，這種方式是通過響應(yīng)于向前移 動，對鉆具對稱面定向以使得在地面上實現(xiàn)期望方向的偏向。為了控制這種轉(zhuǎn)向，期望可以 從基于傳感器獲得的傳感器讀數(shù)來監(jiān)控鉆具的方向，所述傳感器形成鉆具所支持的電子封 裝的一部分。傳感器讀數(shù)，例如，可以在通過便攜式定位器或其他適合的地面設(shè)備用來在地 面上接收的電子封裝發(fā)射的定位信號上被調(diào)制。在一些系統(tǒng)中，電子封裝可以將傳感器讀 數(shù)調(diào)制的載波信號耦合到鉆柱上，之后通過用鉆柱作為導(dǎo)電體將信號傳輸?shù)姐@機。不論傳 感器數(shù)據(jù)的傳輸方式如何，對于定量的傳輸功率有一個限定的傳輸范圍，在該范圍內(nèi)能夠 以足夠的準(zhǔn)確性恢復(fù)傳感器數(shù)據(jù)。所述傳輸范圍可以由如下因素進一步限制，例如，工作區(qū) 域內(nèi)存在的電磁干擾。一個現(xiàn)有技術(shù)的試圖增大傳輸范圍的技術(shù)方法是簡單地增加傳輸功 率。但是，申請人意識到這個方法價值有限，特別是當(dāng)?shù)叵碌碾娮臃庋b由電池供電時，這將 在下面進一步討論。另一個方法在于降低數(shù)據(jù)被調(diào)制到定位信號上的數(shù)據(jù)或波特率。遺憾 的是，該方法會導(dǎo)致數(shù)據(jù)吞吐量的下降。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)的前述實例以及與其相關(guān)的限制目的在于說明性而不是排他性。在閱讀 說明書以及學(xué)習(xí)附圖之后現(xiàn)有技術(shù)的其他限制對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將變得顯而易見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 結(jié)合示例性和說明性而不是用于限制范圍的系統(tǒng)、工具和方法來描述和說明以下 實施例及其各方面。在各種實施例中，一個或多個上述問題已經(jīng)被減少或消除，而其他實施 例旨在獲得其他改進。
[0008] 在本公開的一個方面中，一種設(shè)備及相關(guān)方法用來與執(zhí)行地下操作的系統(tǒng)相結(jié)合 使用，在該系統(tǒng)中鉆柱從鉆機向地下工具延伸，使得在地下工作期間，鉆柱的延伸和回縮通 常產(chǎn)生地下工具的相應(yīng)移動。發(fā)射器被構(gòu)造為設(shè)置在地下工具附近以用來感測與地下工具 相關(guān)的多個工作參數(shù)并且用來基于地下工具的運行狀態(tài)定制數(shù)據(jù)信號來表征用于從地下 工具傳輸?shù)乃龉ぷ鲄?shù)中一個或多個。接收器可定位在地面上的位置，其用來接收數(shù)據(jù) 信號并恢復(fù)工作參數(shù)。
[0009] 在本公開的另一方面中，描述了與作為執(zhí)行地下操作的系統(tǒng)的一部分的接收器相 結(jié)合使用的發(fā)射器及其相關(guān)方法，在該系統(tǒng)中鉆柱從鉆機延伸至支撐發(fā)射器的地下工具， 使得在地下工作期間，鉆柱的延伸和回縮通常產(chǎn)生地下工具的相應(yīng)移動。所述發(fā)射器包括 用來感測關(guān)于地下工具的工作狀態(tài)的一個或多個工作參數(shù)的至少一個傳感器，和被構(gòu)造為 用來基于地下工具的工作狀態(tài)定制從發(fā)射器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號的一個處理器。
[0010] 在本公開的另一方面中，描述了與執(zhí)行地下操作的系統(tǒng)的一部分的發(fā)射器相結(jié)合 使用的接收器及其相關(guān)方法，在該系統(tǒng)中鉆柱從鉆機延伸至支持發(fā)射器的地下工具，使得 在地下工作期間，鉆柱的延伸和回縮通常產(chǎn)生地下工具的相應(yīng)移動。接收器被構(gòu)造為接收 由發(fā)射器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號，該數(shù)據(jù)信號表征與地下工具的運行狀態(tài)相關(guān)的一個或多個工作 參數(shù)，使得基于操作狀態(tài)來定制數(shù)據(jù)信號。處理器被構(gòu)造為用來解碼被定制的數(shù)據(jù)信號以 恢復(fù)一個或多個操作參數(shù)。
[0011] 在本公開的另一方面中，描述了與執(zhí)行地下操作的系統(tǒng)相結(jié)合使用的發(fā)射器及其 相關(guān)方法，在該系統(tǒng)中鉆柱從鉆機向地下工具延伸，使得鉆柱的延伸和/或旋轉(zhuǎn)使地下工 具在受到機械沖擊和振動的同時沿著地下路經(jīng)移動。作為發(fā)射器一部分的加速計用來感測 地下工具受到機械沖擊或振動時在高分辨率范圍和低分辨率范圍中的每一個分辨率范圍 內(nèi)的俯仰取向，以產(chǎn)生一系列俯仰讀數(shù)。處理器被構(gòu)造為監(jiān)測一系列俯仰讀數(shù)并且對此做 出響應(yīng)來選擇高分辨率范圍及低分辨率范圍中的一個來表征俯仰取向，以及對所選擇的高 分辨率范圍和低分辨率范圍中的一個的一系列俯仰讀數(shù)進行平均化來產(chǎn)生從發(fā)射器傳輸 的平均俯仰讀數(shù)。
[0012] 在本公開的一個連續(xù)方面中，描述了與執(zhí)行地下操作系統(tǒng)相結(jié)合使用的發(fā)射器及 其相關(guān)方法，在該系統(tǒng)中鉆柱從鉆機向地下工具延伸，使得鉆柱延伸和/或旋轉(zhuǎn)使地下工 具在受到機械沖擊和振動的同時沿著地下路徑移動。加速計形成發(fā)射器的一部分用來感測 地下工具的俯仰取向以產(chǎn)生一系列俯仰讀數(shù)。處理器被構(gòu)造為用來平均化一系列俯仰讀數(shù) 來產(chǎn)生從發(fā)射器傳輸?shù)钠骄┭鲎x數(shù)。
[0013] 在本公開的再一個方面中，認識到可以選擇性使用先進數(shù)據(jù)協(xié)議，例如，用于提高 與監(jiān)測地下工具關(guān)聯(lián)使用的一個或多個參數(shù)的更新速率。這些先進的數(shù)據(jù)協(xié)議可以大幅減 少有效表征給定參數(shù)所需的數(shù)據(jù)數(shù)量，例如，基于改變參數(shù)的分辨率，使得只需更少的數(shù)據(jù) 比特。通過非限制性舉例的方式，描述了與作為執(zhí)行地下操作的系統(tǒng)的一部分的接收器相 結(jié)合使用的發(fā)射器及其相關(guān)方法，在該系統(tǒng)中鉆柱從鉆機向支持發(fā)射器的地下工具延伸， 使得在地下操過程中，鉆柱的伸展與收縮通常使地下工具產(chǎn)生相應(yīng)移動。至少一個發(fā)射器 形成了發(fā)射器的一部分，用來感測與地下工具相關(guān)的一個或多個工作參數(shù)。處理器被構(gòu)造 為以標(biāo)準(zhǔn)模式和可選模式傳輸與一個或多個工作參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，使得可選模式使用少于 由標(biāo)準(zhǔn)模式表征至少一個特定參數(shù)所使用的位數(shù)來表征該特定工作參數(shù)，可選模式以比標(biāo) 準(zhǔn)模式低的分辨率表示該特定參數(shù)。
[0014] 在本公開的另一個方面中，描述了與作為執(zhí)行地下操作的系統(tǒng)的一部分的接收器 相結(jié)合使用的發(fā)射器及其相關(guān)方法，在該系統(tǒng)中鉆柱從鉆機向支持發(fā)射器的地下工具延 伸，使得在地下操過程中，鉆柱的伸展與收縮通常使地下工具產(chǎn)生相應(yīng)移動。至少一個傳感 器形成發(fā)射器的一部分，用來感測與地下工具相關(guān)的一個或多個工作參數(shù)。處理器被構(gòu)造 為使用多個數(shù)據(jù)包通信協(xié)議從發(fā)射器傳輸數(shù)字信號，所述多個數(shù)據(jù)包通信協(xié)議包括特定協(xié) 議，該特定協(xié)議響應(yīng)于檢測到發(fā)射器的靜止?fàn)顟B(tài)來利用固定數(shù)據(jù)幀來表征一個或多個工作 參數(shù)并重復(fù)地傳輸固定數(shù)據(jù)幀。
【附圖說明】
[0015] 示例性實施例在附圖的參考圖中示出。這里所公開的實施例的目的在于說明而非 限制。
[0016] 圖1為根據(jù)本公開的利用地下發(fā)射器和便攜設(shè)備之間的先進通信協(xié)議的執(zhí)行地 下操作的系統(tǒng)的實施例的示意性視圖。
[0017] 圖2為示出一種電子封裝的實施例的框圖，該電子封裝可被地下工具攜帶并根據(jù) 本公開實施。
[0018] 圖3為示出一種用于監(jiān)測地下工具的俯仰并應(yīng)用非線性俯仰范圍分布的方法的 實施例的流程圖。
[0019] 圖4為示出基于地下工具的操作條件或狀態(tài)來定制從地下工具發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù) 據(jù)包結(jié)構(gòu)的方法的實施例的流程圖。
[0020] 圖5為示出響應(yīng)于地下工具的運行狀態(tài)來動態(tài)調(diào)用定長分包進行總體平均化的 方法的實施例的流程圖。
[0021] 圖6為示出基于地下工具遇到的運行條件來動態(tài)定制g力感測以增加動態(tài)范圍的 方法的實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0022] 提供以下描述來使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以制造并使用本發(fā)明，并且在專利應(yīng)用 及專利需求的環(huán)境中給出了這些描述。所描述實施例的各種變型對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言 是顯然的并且此處所教導(dǎo)的基本原理會被運用到其他實施例。因此，本發(fā)明目的不在于限 定為所示實施例，而是與本文公開的原理和特征的最寬范圍相一致，包括變型和等價物。應(yīng) 該注意，附圖不是按比例繪制而是本質(zhì)上是示意的，以一種方式最好地闡明感興趣的特征。 針對圖中所提供的不同視角，可采用描述性術(shù)語用于增強讀者的理解，而不會以任何方式 限制本發(fā)明的范圍。
[0023] 現(xiàn)參見附圖，其中在整個附圖中相同的項通過相同的參考標(biāo)號來表示，現(xiàn)將注意 力放到圖1，其示出用來執(zhí)行地下操作的系統(tǒng)的一個實施例，其總體上由參考標(biāo)號10指出。 該系統(tǒng)包括所示的由地表面22上的操作者握住的便攜裝置20,其也在進一步放大的插圖 視圖中示出。應(yīng)該注意，為了保持視圖清楚，裝置20中的內(nèi)元件纜線沒有被示出，但是應(yīng)當(dāng) 理解為存在并且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以在考慮整個公開后容易地實施。裝置20包括三 軸天線簇26,用來測量磁通量的三個正交排列分量，表示為bx，by，和匕。一個預(yù)期在這里 使用的有用的天線群由美國專利No. 6, 005, 532公開，其與本申請共同所有并且通過引用 并入本文。天線簇26與接收器部分32電連接。提供傾斜傳感器裝置34來測量引力角度， 從該引力角度可以確定一個水平坐標(biāo)系中的通量分量。
[0024] 裝置20進一步包括圖形顯示器36,具有天線40的遙測裝置38以及適當(dāng)?shù)嘏c不同 組件互連的處理部分42。遙測裝置可以傳輸遙測信號44用于在鉆機接收。處理部分可包 括數(shù)字信號處理器（DSP)，其被構(gòu)造為執(zhí)行在操作中所需的不同程序。應(yīng)當(dāng)理解的是，圖形 顯示器36可以是一個觸摸屏，以便幫助操作員選擇在屏幕上定義的不同按鈕，和/或可以 在設(shè)置用于操作員選擇而在屏幕上定義的不同按鈕之間方便地進行滾動。這樣的觸屏可以 單獨使用或者與例如按鍵的輸入裝置48組合使用。后者可以在沒有觸屏?xí)r使用。而且，可 以采用輸入裝置的許多變化并且可以使用滾輪和其他合適的已知形式的選擇裝置。處理部 分包括這樣的組件，例如，一個或多個處理器，任何合適類型的存儲器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器。正 如在本領(lǐng)域眾所周知，后者可以檢測到的頻率至少是所關(guān)心的最高頻率的兩倍。其他組件 可以根據(jù)期望增加，例如，磁強計50用來幫助相對于所述鉆井方向的定位，而超聲換能器 用來測量地表上的裝置高度。
[0025] 仍然參考圖1，系統(tǒng)10進一步包括鉆機80,具有滑架82,其被安裝為沿著一對相 對設(shè)