專利名稱：突發(fā)qam井下遙測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將數(shù)據(jù)從井下鉆機(jī)組件發(fā)射到井的表面的遙測(cè)系統(tǒng)。并且具體的說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于在聯(lián)接于井下發(fā)射機(jī)和井上接收機(jī)之間的信息管道上發(fā)信號(hào)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代的石油鉆井和生產(chǎn)操作需要大量關(guān)于井下參數(shù)和條件的信息。這種信息通常包括由鉆井孔(wellbore)所穿過(guò)的地球地巖層特性，以及關(guān)于鉆孔本身的大小和結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^(guò)若干方法來(lái)執(zhí)行關(guān)于井下條件的信息收集，這通常稱為“測(cè)井”提到。
在現(xiàn)有的油井電纜測(cè)井中，在對(duì)一些或全部的井進(jìn)行鉆孔之后，將裝有信息傳感器的探頭或“探測(cè)器”放下到井下，并且該探頭或“探測(cè)器”用于確定鉆井孔所穿過(guò)的某些地巖層特性。探測(cè)器的上端附裝到傳導(dǎo)電纜上，該電纜在鉆井孔中懸掛探測(cè)器。通過(guò)傳導(dǎo)電纜將電力傳送到在探測(cè)器中的傳感器和儀器。類似的，探測(cè)器中的儀器經(jīng)電纜通過(guò)所發(fā)射的電信號(hào)來(lái)和表面?zhèn)魉托畔ⅰ?br> 通過(guò)電纜獲得井下測(cè)量的問(wèn)題是，在可以獲得所需的鉆孔信息之前，必須從被鉆孔的鉆孔中移去或“松開”鉆機(jī)組件。這既消耗了時(shí)間又極度提高了成本，并且特別是在已經(jīng)鉆了井的大部分的情況下。在這種條件下，需要移去上千英尺的管道并且將其堆積在平臺(tái)上(如果是海面上的)。通常，是以相當(dāng)?shù)某杀景慈諄?lái)租用鉆井裝備。因此，鉆井的成本和完成鉆井過(guò)程所需要的時(shí)間直接成比例。移去上千英尺的管道來(lái)插入電纜測(cè)井工具是十分昂貴的事情。
結(jié)果，對(duì)在鉆井過(guò)程中的數(shù)據(jù)的收集日益強(qiáng)調(diào)。在鉆井過(guò)程中收集并處理數(shù)據(jù)消除了移去或松開鉆機(jī)組件來(lái)插入電纜測(cè)井工具的需要。因此，允許鉆井者如所需的做出精確的修改和校正，以最優(yōu)化性能，同時(shí)最小化下降時(shí)間。用于在鉆井的同時(shí)測(cè)量包括鉆機(jī)組件移動(dòng)和位置的井下條件的設(shè)計(jì)已經(jīng)已知是“隨鉆測(cè)量”(measurement-while-drilling)技術(shù)，或“MWD””。更多地集中在地巖層參數(shù)測(cè)量上的類似技術(shù)通常被作為“隨鉆測(cè)井”技術(shù)，或“LWD”提到，雖然MWD和LWD之間存在區(qū)別，但是，通?？苫Q的使用術(shù)語(yǔ)MWD和LWD。為了這個(gè)公開的目的，使用術(shù)語(yǔ)MWD，同時(shí)了解這個(gè)術(shù)語(yǔ)包括收集地巖層參數(shù)和收集關(guān)于鉆機(jī)組件移動(dòng)和位置的信息。
當(dāng)鉆油井或其它鉆孔時(shí)，經(jīng)常必需或需要確定鉆頭和井下電機(jī)的方向和傾角，使得可以按正確方向來(lái)操縱組件。另外，需要關(guān)于被鉆孔地層特性的信息，比如地巖層電阻率、孔隙度、密度和它的伽馬輻射測(cè)量。還經(jīng)常需要知道其它的井下參數(shù)，例如，諸如在鉆孔基底部的溫度和壓力。一旦在鉆孔底部收集了這些數(shù)據(jù)，通常將其發(fā)射到表面，以由鉆井者使用和分析。
在LWD系統(tǒng)中，傳感器或換能器通常位于鉆桿柱的下端。當(dāng)進(jìn)行鉆井時(shí)，這些傳感器持續(xù)地或間歇地監(jiān)控預(yù)先確定的鉆井參數(shù)以及地巖層數(shù)據(jù)，并且將該信息以一些遙測(cè)的形式發(fā)射到表面檢測(cè)器。通常，在MWD應(yīng)用中采用的井下傳感器位于圓柱鉆鋌中，該圓柱鉆鋌位于靠近鉆頭。然后，MWD系統(tǒng)采用遙測(cè)系統(tǒng)，其中將由傳感器所獲得的數(shù)據(jù)發(fā)射到位于表面的接收機(jī)。在現(xiàn)有技術(shù)中有若干遙測(cè)系統(tǒng)，這些遙測(cè)系統(tǒng)尋求將關(guān)于井下參數(shù)的信息向上發(fā)射到表面，而不需要使用電纜線纜。在這些當(dāng)中，泥漿脈沖系統(tǒng)(mud pulse system)是MWD應(yīng)用中最廣泛使用的遙測(cè)系統(tǒng)之一。
遙測(cè)的泥漿脈沖系統(tǒng)在鉆井操作中通過(guò)鉆桿柱來(lái)在鉆井流體中創(chuàng)建“聲的”壓力信號(hào)，該鉆井流體在壓力下循環(huán)。按照在泥漿流中壓力脈沖形成的合適定時(shí)來(lái)發(fā)射由井下傳感器所獲得信息。由位于表面的壓力換能器和計(jì)算機(jī)來(lái)接收和解碼該信息。
在泥漿壓力脈沖系統(tǒng)中，以通常被稱為脈沖發(fā)生器或泥漿脈沖發(fā)生器的閥和控制機(jī)構(gòu)的方式來(lái)調(diào)制在鉆桿柱中的鉆井泥漿壓力。通常將脈沖發(fā)生器裝配在特別地適配的鉆鋌中，其中該鉆鋌位于鉆頭之上。所產(chǎn)生的壓力脈沖在泥漿中以聲速在鉆桿柱內(nèi)部沿泥漿柱向上傳播。根據(jù)所使用的鉆井流體的類型，該速度在大約3000英尺每秒和5000英尺每秒之間變化。但是，因?yàn)槊}沖擴(kuò)散、變形、衰減、調(diào)制速率限制、以及其它比如鉆桿柱中的周邊噪聲的破壞力，使得數(shù)據(jù)的傳輸速率相對(duì)低。通常的脈沖速率處于一個(gè)脈沖每秒(1Hz)的級(jí)別。
隨著近來(lái)鉆井者可用的測(cè)定和操縱技術(shù)的發(fā)展，僅僅以1比特每秒的定時(shí)方式傳送到表面的數(shù)據(jù)量很明顯是不適合的了。作為用于增加數(shù)據(jù)傳輸速率的一個(gè)方法，提出了使用鉆桿柱管道壁中的振動(dòng)來(lái)發(fā)射數(shù)據(jù)，而不是取決于鉆井流體中的壓力脈沖。但是，因?yàn)殂@井過(guò)程造成的在鉆桿柱中已有振動(dòng)的存在嚴(yán)重阻礙了對(duì)以這種方式發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，在這里公開了一種井下遙測(cè)系統(tǒng)，其將突發(fā)QAM上行鏈路信號(hào)發(fā)射到井的表面。在優(yōu)選實(shí)施例中，和一對(duì)導(dǎo)線聯(lián)接的井下儀器將突發(fā)QAM上行鏈路信號(hào)發(fā)射到類似的和一對(duì)導(dǎo)線聯(lián)接的表面系統(tǒng)。突發(fā)QAM信號(hào)優(yōu)選的包括一系列攜帶遙測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀。每一數(shù)據(jù)幀之前優(yōu)選的有一靜止間隔(這時(shí)不存在信號(hào))、一定時(shí)同步序列、以及一訓(xùn)練序列。定時(shí)同步序列設(shè)計(jì)成用于在表面進(jìn)行方便的定時(shí)恢復(fù)，并且訓(xùn)練序列設(shè)計(jì)馬輔助均衡器的適配。數(shù)據(jù)幀本身優(yōu)選的包括同步字段、數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)、以及數(shù)據(jù)相加的校驗(yàn)和。優(yōu)選的采用直接數(shù)字合成來(lái)調(diào)制上行鏈路信號(hào)。


當(dāng)結(jié)合附圖詳細(xì)描述下面的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例時(shí)，可以更好的理解本發(fā)明，附圖中圖1是其中采用遙測(cè)系統(tǒng)的油井的示意圖；圖2A是具有其中包括有螺旋纏繞的信息導(dǎo)管的合成管部分的等尺寸示意圖；圖2B是其中包括有電纜線纜的管部分的等尺寸視圖；圖3是聯(lián)接遙測(cè)信號(hào)和管的電路的示意圖；圖4是表面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能性方框圖；圖5是在督導(dǎo)部分(supervisory sub)中的井下通信模塊的功能性方框圖；圖6是上行鏈路遙測(cè)數(shù)據(jù)幀的示例性實(shí)施；圖7是上行鏈路遙測(cè)發(fā)射機(jī)的功能性方框圖；圖8是上行鏈路遙測(cè)接收機(jī)的功能性方框圖；圖9是其中可能采用遙測(cè)系統(tǒng)的電纜系統(tǒng)的示意圖；圖10示出了七個(gè)導(dǎo)線的電纜線纜的截面圖；并且圖11示出了單一導(dǎo)線的電纜線纜的截面圖。
因?yàn)楸景l(fā)明可以有多種更改的和替代的形式，因此，在附圖中以實(shí)例的方式示出了它的特定實(shí)施例，并且將在這里詳細(xì)描述。但是，應(yīng)該理解附圖和詳細(xì)描述不意在將本發(fā)明限定為公開的特定形式，而是相反的，本發(fā)明意在覆蓋如附加的權(quán)利要求所定義的所有在本發(fā)明范圍中的更改、等效和替換。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，圖9示出了在電纜測(cè)井操作中的井。鉆井平臺(tái)902裝備有支撐起重機(jī)906的鉆塔904。油井和氣井的鉆探通常由鉆管柱來(lái)執(zhí)行，該鉆管柱是由“工具”接頭連接在一起，從而形成鉆桿柱，該鉆桿柱通過(guò)轉(zhuǎn)盤912放下到鉆井孔914中。在圖9中，將鉆桿柱臨時(shí)從鉆井孔914中移去，以允許將探測(cè)器916通過(guò)電纜908放下到鉆井孔914中。通常，將探測(cè)器916放下到感興趣區(qū)域的底部，并且之后以恒定速度向上拉起。在向上行進(jìn)過(guò)程中，探測(cè)器916在經(jīng)過(guò)和鉆井孔相鄰的地巖層919時(shí)測(cè)量它們。將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到測(cè)井設(shè)施920以進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和分析。在另一選擇的情況中(例如，高度偏離或水平的井)，可采用螺紋式或連續(xù)式管柱來(lái)傳遞探測(cè)器通過(guò)該孔。在這個(gè)情況中，電纜可以蔓延通過(guò)管柱的內(nèi)部，或附裝到管柱的外部。
圖10示出了具有多個(gè)導(dǎo)線1002的典型電纜線纜的截面圖。每一導(dǎo)線由絕緣護(hù)套1004包圍。在傳導(dǎo)性不好的外罩1005中將絕緣導(dǎo)線捆扎在一起，該外罩1005由兩層相反纏繞的金屬鎧裝線1006包圍。因?yàn)橛山饘僦圃欤虼?，該鎧裝線是導(dǎo)電的，并且可以用作第八導(dǎo)線。在套管井和水泥井的電纜測(cè)井中，優(yōu)選的使用如圖11所示的單一導(dǎo)線的測(cè)井線纜。該單一導(dǎo)線的線纜通常單一的多絞合導(dǎo)線1102，該多絞合導(dǎo)線1102裝入絕緣材料1104，并且纏繞在織物襯套1106內(nèi)，該織物襯套1106接下來(lái)纏繞在雙層相反纏繞的金屬鎧裝線1108中。通常在單一線纜上在一起傳遞電力和遙測(cè)。在單一導(dǎo)線的線纜中，通常將電力作為低頻信號(hào)發(fā)射，而遙測(cè)信號(hào)在更高的頻帶發(fā)射。在多導(dǎo)線線纜中，通過(guò)使用正交的傳輸模式可以進(jìn)一步改進(jìn)信號(hào)隔離。在由發(fā)明人G.Baird，C.Dodge，T.Henderson和F.Velasquez提出的、名稱為“High-Power Well Logging Method And Apparatus”的共同未決申請(qǐng)no.09/437,594中更為詳細(xì)的公開了這種用途的正交模式和電路，并且將其在合并這里并作為參考。
因此，至少有兩種用于建立用于井下通信的通信信道的方法。可以使用若干正交傳輸模式中的一種來(lái)在多導(dǎo)線線纜上攜帶遙測(cè)信號(hào)，或者使用單一導(dǎo)線的線纜來(lái)以正常的方式攜帶遙測(cè)信號(hào)。圖1示出了采用嵌入在合成管壁中的導(dǎo)線的第三方法。
圖1示出了具有合成或鋼管104的卷盤102的井，通過(guò)噴射器106將該管104插入鉆井孔。將管104插入到通過(guò)堵塞器108以及防噴器110，并且通過(guò)外殼112進(jìn)入鉆井孔。在井中，井下儀器114可以和合成管104聯(lián)接，并且設(shè)置其成經(jīng)過(guò)嵌入包含在合成管104中的信息導(dǎo)管來(lái)和表面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)116通信。另一選擇是，對(duì)于鋼管104，將井下儀器設(shè)置成用來(lái)通過(guò)包含在管104內(nèi)部的電纜線纜來(lái)和表面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)116通信。提供電源118，以通過(guò)在合成管104或電纜線纜中的電力導(dǎo)管來(lái)向井下儀器114提供電力。
將表面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)116設(shè)置成用來(lái)和井下儀器114通信。井下儀器114可以是，例如，用于底部孔鉆機(jī)組件的督導(dǎo)部分。該部分可以和井下傳感器和/或控制裝置相聯(lián)接，該控制裝置可設(shè)置成分別測(cè)量和設(shè)置井下參數(shù)。傳感器的實(shí)例包括溫度、壓力、密度和流速傳感器?？刂蒲b置的實(shí)例包括閥、可變孔徑端口、加熱器、以及人造提升裝置。
優(yōu)選的由軟件120設(shè)置表面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)116，以監(jiān)控并控制井下儀器114。系統(tǒng)116可以包括顯示裝置122和用戶輸入裝置124，從而允許人類操作者和系統(tǒng)控制軟件120交互。
在圖2A中示出了合成管104的等尺寸表示。如名稱所示，合成管104是具有主要由合成材料(例如，諸如玻璃纖維或碳化纖維)制成的壁202的管，盡管其它合適材料也是已知和可預(yù)期的?？梢詫?dǎo)管204嵌入在合成管的壁中。為減少導(dǎo)管泄漏的可能性，優(yōu)選的將該導(dǎo)管螺旋形地纏繞在合成管壁內(nèi)的管孔周圍。優(yōu)選的，纏繞的角度是在導(dǎo)管材料和合成材料之間應(yīng)力系數(shù)差的函數(shù)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，在合成管中包括的導(dǎo)管204是電導(dǎo)線，盡管該一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)管也可以另外是光纖或液壓導(dǎo)管。優(yōu)選的，提供六個(gè)沿圓周分開的導(dǎo)線，其中兩個(gè)相鄰的導(dǎo)線專用于攜帶遙測(cè)信號(hào)?？梢砸圆煌问降倪b測(cè)導(dǎo)管，例如，諸如光纖或液壓導(dǎo)管來(lái)類似地代替用于在電纜線纜中攜帶遙測(cè)的電導(dǎo)線。
在圖2B中示出了鋼管104的等尺寸視圖。在這個(gè)實(shí)例中，示出電纜線纜延伸穿過(guò)該管的內(nèi)部。這減少了因?yàn)殂@井孔中線纜的磨損或“擠壓”而產(chǎn)生導(dǎo)管泄漏的可能性。信息導(dǎo)管可以是電或光導(dǎo)管。
圖3示出了允許上行鏈路遙測(cè)信號(hào)和下行鏈路遙測(cè)信號(hào)共享電導(dǎo)管的一個(gè)電路設(shè)置。在聯(lián)接電路設(shè)置的井下部分中，隔離變壓器302優(yōu)選的聯(lián)接電纜或管的遙測(cè)信號(hào)導(dǎo)線與井下儀器。中心抽頭的次級(jí)繞組的一個(gè)端子端通過(guò)發(fā)射電阻RT和高通濾波器(HPF)304相聯(lián)接，并且另一端子端通過(guò)分路電阻RR和低通濾波器(LPF)306聯(lián)接接地。中心抽頭通過(guò)用于阻抗匹配目的的阻抗模塊308和地相聯(lián)接。
HPF304阻止在上行鏈路信號(hào)截止頻率以下的信號(hào)，由此防止任何上行鏈路信號(hào)能量干擾下行鏈路信號(hào)。通過(guò)LPF306來(lái)從下行鏈路信號(hào)中屏蔽掉上行鏈路信號(hào)能量，該LPF306阻止任何在下行鏈路信號(hào)截止頻率以上的信號(hào)能量。
注意到期望上行鏈路和下行鏈路信號(hào)的能量是可以兼容到井下的。這不是在表面的情況，在那里期望下行鏈路信號(hào)能量實(shí)質(zhì)上大于上行鏈路信號(hào)能量。為了防止下行鏈路信號(hào)覆蓋上行鏈路信號(hào)檢測(cè)器，在該聯(lián)接電路設(shè)置的井上部分中使用橋接布置。
該聯(lián)接電路設(shè)置的表面部分優(yōu)選的使用隔離變壓器310，以聯(lián)接電纜或管的遙測(cè)信號(hào)導(dǎo)線。次級(jí)繞組的一個(gè)端子和地聯(lián)接，而另一端子通過(guò)電阻R和發(fā)射信號(hào)節(jié)點(diǎn)312聯(lián)接。匹配阻抗314的一個(gè)端子也和地相聯(lián)接，且另一端子相同的第二電阻R和節(jié)點(diǎn)312相聯(lián)接。將下行鏈路信號(hào)通過(guò)低通濾波器316和功率放大器318提供到節(jié)點(diǎn)312。在節(jié)點(diǎn)312上的下行鏈路信號(hào)電壓引起類似的電流流過(guò)兩個(gè)支路，并具有由上行鏈路信號(hào)引起的小差值。可以以在支路的中間節(jié)點(diǎn)之間的電壓差值的形式來(lái)檢測(cè)到這個(gè)上行鏈路信號(hào)差值。差分放大器320放大這個(gè)差值，并且將其提供到高通濾波器322進(jìn)行濾波。由差分放大器的共模拒絕來(lái)輔助高通濾波器322在過(guò)濾掉下行鏈路信號(hào)中進(jìn)行的鑒別。
雖然描述了特定的聯(lián)接電路設(shè)置，但是，應(yīng)認(rèn)識(shí)到可以使用其它聯(lián)接技術(shù)。其它合適的“4線到2線”聯(lián)接設(shè)置是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的，并且可以使用。另一選擇是，可以在分開的導(dǎo)線組上攜帶上行鏈路和下行鏈路信號(hào)，或者將其轉(zhuǎn)換為光信號(hào)或用于其它導(dǎo)管類型的壓力信號(hào)。
圖4示出了表面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)116(其可能包括在表面設(shè)施920中)的一個(gè)實(shí)施例。系統(tǒng)116包括和系統(tǒng)存儲(chǔ)器404通過(guò)電橋406聯(lián)接的中央處理單元402。系統(tǒng)存儲(chǔ)器404存儲(chǔ)用于由處理器402執(zhí)行的軟件408。電橋406還聯(lián)接處理器402和外圍總線410。外圍總線410支持向/從處理器402的數(shù)據(jù)傳送。和外圍總線410連接的外設(shè)可以由此向處理器402提供到外部世界的入口。在所示的實(shí)施例中，信號(hào)調(diào)節(jié)板412和數(shù)字解碼器板414和外圍總線410相聯(lián)接。
信號(hào)調(diào)節(jié)板412還和遙測(cè)管道聯(lián)接。將處理器402希望發(fā)送到井下儀器114的下行鏈路數(shù)據(jù)提供給信號(hào)調(diào)節(jié)板412的總線接口邏輯422。接口邏輯422依據(jù)總線協(xié)議進(jìn)行處理，并且從被提供到頻移鍵控(FSK)調(diào)制器424的總線信號(hào)中提取下行鏈路數(shù)據(jù)。FSK調(diào)制器424將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬下行鏈路信號(hào)，之后將其提供到LPF316，以屏蔽掉任何高頻分量。隔離變壓器310將下行鏈路信號(hào)放在遙測(cè)導(dǎo)管上，并提取上行鏈路信號(hào)，將其傳遞到屏蔽掉任何低頻分量的HPF322。由放大器432放大上行鏈路信號(hào)，并且將其提供到在數(shù)字解碼器卡414上的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)442。
ADC442優(yōu)選的將數(shù)字化的信號(hào)提供到數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)444，以進(jìn)行濾波和解碼。由軟件來(lái)設(shè)置DSP444，以執(zhí)行帶通或匹配濾波446以及均衡和定時(shí)恢復(fù)448，從而提取上行鏈路數(shù)據(jù)碼元。數(shù)據(jù)碼元被解碼450，并且將解碼的上行鏈路數(shù)據(jù)提供到處理器402，以進(jìn)行分析。下面將進(jìn)一步討論上行鏈路遙測(cè)信號(hào)格式和解碼的細(xì)節(jié)。
圖5示出了井下儀器遙測(cè)模塊的一個(gè)實(shí)施例。由軟件來(lái)設(shè)置DSP502來(lái)格式化和編碼504上行鏈路數(shù)據(jù)，以傳輸?shù)奖砻妗?yōu)選的以正交幅度調(diào)制(QAM)形式由直接數(shù)字合成(DDS)芯片506來(lái)調(diào)制編碼的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以提供模擬的上行鏈路信號(hào)。該模擬的上行鏈路信號(hào)被高通濾波304，并且被提供到隔離變壓器302。隔離變壓器聯(lián)接上行鏈路信號(hào)和遙測(cè)導(dǎo)管，并且聯(lián)接來(lái)自遙測(cè)導(dǎo)管的下行鏈路信號(hào)和低通濾波器306。LPF306將截止頻率以上的信號(hào)能量屏蔽掉，并且解調(diào)器508將下行鏈路信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字頻帶形式，以由DSP502解碼。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，下行鏈路信號(hào)是使用2.4-9.6kHz頻率頻帶的FSK調(diào)制信號(hào)。優(yōu)選的使用這個(gè)信號(hào)來(lái)將命令和設(shè)置參數(shù)發(fā)射到井下儀器。上行鏈路信號(hào)優(yōu)選的是使用16-48kHz頻率頻帶的突發(fā)QAM調(diào)制信號(hào)。優(yōu)選的使用這個(gè)信號(hào)來(lái)將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)射到表面。
可選的，DSP可以是來(lái)自由在Massachusetts，Norwood經(jīng)營(yíng)的公司Analog Devices制造和銷售的DSP微計(jì)算機(jī)的ADSP-2100系列的芯片?？蛇x的，DDS芯片可以是由相同公司制造和銷售的AD7008CMOS DDS調(diào)制器。
注意到上行鏈路的鏈路優(yōu)選的采用突發(fā)QAM來(lái)實(shí)現(xiàn)增加的信道容量，同時(shí)又不增加接收機(jī)的復(fù)雜性。在一個(gè)實(shí)施例中，以上行鏈路數(shù)據(jù)幀602的形式來(lái)進(jìn)行突發(fā)QAM通信，如圖6所示，每一幀之前有靜止間隔604和定時(shí)同步序列606。也可以緊跟在數(shù)據(jù)幀602之前提供均衡訓(xùn)練序列608。預(yù)期的是，按照16比特字來(lái)進(jìn)行上行鏈路通信，將該16比特字中每一字作為四個(gè)4比特(16-QAM)碼元來(lái)發(fā)射。預(yù)期靜止間隔604是30字(120碼元階段)，預(yù)期定時(shí)序列606是20字(80碼元)，訓(xùn)練序列608是126字(504碼元)，并且?guī)?02最大是1024字(4096碼元)。但是，應(yīng)認(rèn)可，其它設(shè)置也是合適的。例如，可以采用其它的字長(zhǎng)度，并且可以使QAM群集更大(例如，32，64，128，256，512，1024，或更多的群集點(diǎn))，或更小(例如，2，4或8群集點(diǎn))。
數(shù)據(jù)幀602優(yōu)選的以兩個(gè)同步字、一個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)字、最多1020個(gè)數(shù)據(jù)字開始，并且以校驗(yàn)和字結(jié)束。數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)字優(yōu)選的是指示數(shù)據(jù)字的數(shù)量。每幀的數(shù)據(jù)字的數(shù)量可以根據(jù)系統(tǒng)需要、和根據(jù)重新同步和重新訓(xùn)練序列的重復(fù)出現(xiàn)所需的速率來(lái)進(jìn)行調(diào)整。例如，如果在上述實(shí)施例中每幀數(shù)據(jù)字的數(shù)量是1020，則定時(shí)重新同步和重新訓(xùn)練將以10次每秒出現(xiàn)。但是，在一些條件下，可能需要增加重新同步頻率到超過(guò)20次每秒。這可以通過(guò)減少每幀數(shù)據(jù)字的數(shù)量到大約512來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一選擇是，可以增加每QAM碼元的比特?cái)?shù)量來(lái)減少每幀的碼元數(shù)量。
圖7以功能模塊的形式示出了上行鏈路信號(hào)發(fā)射路徑700。在模塊702中，通過(guò)將數(shù)據(jù)幀602逐一比特地與偽隨機(jī)序列做XOR來(lái)對(duì)它進(jìn)行擾頻。偽隨機(jī)序列是很容易再現(xiàn)的掩碼，其將數(shù)據(jù)幀“隨機(jī)化”，以移去在測(cè)量數(shù)據(jù)中通常發(fā)生的可預(yù)測(cè)性、周期性的模式。如果不移去的話，這種模式可能引起不需要的光譜線，該光譜線干擾在接收機(jī)中的適配性均衡。
之后，在模塊704中，將擾頻的數(shù)據(jù)劃分為碼元，該碼元被映射到在QAM群集中的信號(hào)點(diǎn)。在模塊706中，將碼元調(diào)制到載波頻率上，在模塊710將其濾波和放大，并且和遙測(cè)導(dǎo)管聯(lián)接。報(bào)頭產(chǎn)生器模塊708被示出為和數(shù)據(jù)路徑并聯(lián)。報(bào)頭產(chǎn)生器708產(chǎn)生靜止階段604、定時(shí)同步序列606、以及訓(xùn)練序列608，并且將它們插入在每一數(shù)據(jù)幀之前的發(fā)射信號(hào)中。暫時(shí)參考圖5，模塊702和704可以是編碼器軟件504的一部分，模塊706和708可以由DDS芯片506實(shí)現(xiàn)，并且模塊710可以由HPF304實(shí)現(xiàn)。
圖8以功能模塊形式示出了上行鏈路信號(hào)接收路徑800。在模塊802中，濾波從遙測(cè)導(dǎo)管接收的信號(hào)，以屏蔽掉在上行鏈路信號(hào)截止頻率以下的信號(hào)能量。之后在模塊804中使上行鏈路信號(hào)數(shù)字化，并且在模塊806中匹配濾波來(lái)最大化信噪比。在模塊808中，定時(shí)恢復(fù)算法操作來(lái)將接收機(jī)定時(shí)鎖定到定時(shí)同步序列。在模塊810中，對(duì)上行鏈路信號(hào)進(jìn)行均衡，以對(duì)信道效果進(jìn)行校正。在均衡訓(xùn)練序列的過(guò)程中，使用訓(xùn)練序列的知識(shí)來(lái)使均衡器適于遙測(cè)信道。因此，均衡器在數(shù)據(jù)幀上顯示出改善的均衡性能。均衡器輸出是QAM碼元的序列。在模塊812中，將碼元序列轉(zhuǎn)換為16比特字序列，通過(guò)來(lái)自訓(xùn)練序列的知識(shí)來(lái)獲得合適的對(duì)準(zhǔn)。模塊814阻止來(lái)自靜止間隔、定時(shí)序列、以及訓(xùn)練序列的無(wú)關(guān)的字，并且僅使數(shù)據(jù)幀通過(guò)。在模塊816中，反向進(jìn)行擾頻操作，并且將驗(yàn)證的校驗(yàn)和、和數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)、以及數(shù)據(jù)字提供為輸出。暫時(shí)參考圖4，模塊802對(duì)應(yīng)于模塊332，模塊804對(duì)應(yīng)于模塊442，模塊806對(duì)應(yīng)于模塊446，模塊808和810對(duì)應(yīng)模塊448，并且模塊812-816對(duì)應(yīng)于模塊450。
上述示例性的實(shí)施例提供了用于通過(guò)電纜和合成管中的導(dǎo)管的遙測(cè)。在合成管中的電導(dǎo)線的情況中，期望遙測(cè)信道具有最大到50,000ft的范圍，并且在該考慮的頻率范圍中具有40-45dB的衰減。期望在突發(fā)QAM信令中采用的幀結(jié)構(gòu)是提供用于定時(shí)重新同步和均衡器重新訓(xùn)練的正常重現(xiàn)機(jī)會(huì)。期望這可以顯著的提高上行鏈路信道的可靠性。
注意到在這里公開的遙測(cè)系統(tǒng)可以具有多個(gè)應(yīng)用，包括，例如，智能井。智能井是可以具有傳感器和可控制井下機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品井。例如，可如使用傳感器來(lái)檢測(cè)密度和流速。井上系統(tǒng)可以使用這個(gè)信息來(lái)操作可控制機(jī)構(gòu)(例如，可變孔徑端口和加熱器或其它人造提升機(jī)構(gòu))，以使井的生產(chǎn)最佳。
一旦完全理解了上述公開，多種修改和變更對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見的。因此權(quán)利要求意在為包括所有這種修改和變更。
權(quán)利要求
1.一種通信遙測(cè)信息的方法，包括將數(shù)據(jù)幀分組，以形成數(shù)據(jù)幀；發(fā)射在每一數(shù)據(jù)幀之前的報(bào)頭；以及發(fā)射緊跟在各自報(bào)頭之后的數(shù)據(jù)幀。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中報(bào)頭包括靜止間隔。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中報(bào)頭包括定時(shí)同步序列。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中報(bào)頭包括訓(xùn)練序列。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中發(fā)射數(shù)據(jù)幀的動(dòng)作包括使用正交幅度調(diào)制來(lái)將數(shù)據(jù)加在載波信號(hào)上。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括預(yù)先計(jì)劃同步字和對(duì)每一組數(shù)據(jù)字的數(shù)據(jù)字計(jì)數(shù)；以及將校驗(yàn)和附加到每一數(shù)據(jù)字組。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括通過(guò)將數(shù)據(jù)字組和掩碼組合來(lái)對(duì)每一數(shù)據(jù)字組進(jìn)行擾頻。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括接收?qǐng)?bào)頭；產(chǎn)生同步于報(bào)頭中定時(shí)同步序列的本地時(shí)鐘信號(hào)；以及使用報(bào)頭中的訓(xùn)練序列來(lái)更新適配濾波器的系數(shù)。
9.一種遙測(cè)發(fā)射機(jī)，包括擾頻器，其設(shè)置成用來(lái)使數(shù)據(jù)幀和掩碼進(jìn)行異或；報(bào)頭產(chǎn)生器，其設(shè)置成用來(lái)提供在每一數(shù)據(jù)幀之前的報(bào)頭；調(diào)制器，其和報(bào)頭產(chǎn)生器聯(lián)接以接收?qǐng)?bào)頭，并且其和擾頻器聯(lián)接以接收擾頻的數(shù)據(jù)幀，其中調(diào)制器設(shè)置成用來(lái)調(diào)制報(bào)頭和擾頻的數(shù)據(jù)幀，從而形成正交幅度調(diào)制(QAM)信號(hào)。其中幀與幀的報(bào)頭是相同的。
10.如權(quán)利要求9所述的遙測(cè)發(fā)射機(jī)，其中報(bào)頭包括靜止間隔；定時(shí)同步序列；以及訓(xùn)練序列。
11.如權(quán)利要求9所述的遙測(cè)發(fā)射機(jī)，進(jìn)一步包括高通濾波器，其設(shè)置成用來(lái)阻止QAM信號(hào)的低頻分量；以及隔離變壓器，其設(shè)置成用來(lái)聯(lián)接經(jīng)過(guò)濾波的QAM信號(hào)和包括在合成管中的遙測(cè)導(dǎo)線。
12.一種井，包括電纜線纜管，其具有遙測(cè)導(dǎo)管；表面系統(tǒng)，其和遙測(cè)導(dǎo)管相聯(lián)接；以及井下儀器，其和表面系統(tǒng)通過(guò)遙測(cè)導(dǎo)管聯(lián)接，其中井下儀器設(shè)置成用來(lái)使用突發(fā)正交幅度調(diào)制(突發(fā)-QAM)來(lái)將遙測(cè)信息發(fā)射到表面系統(tǒng)。
13.如權(quán)利要求12所述的井，其中突發(fā)QAM使用16點(diǎn)的信號(hào)群集。
14.如權(quán)利要求12所述的井，其中電纜線纜包括多個(gè)電導(dǎo)線，其中一個(gè)或多個(gè)用作遙測(cè)導(dǎo)管。
15.如權(quán)利要求12所述的井，其中井下儀器設(shè)置成用來(lái)發(fā)射數(shù)據(jù)幀中的遙測(cè)信息，并且其中以靜止階段散布在數(shù)據(jù)幀中。
16.如權(quán)利要求12所述的井，其中井下儀器設(shè)置成用來(lái)發(fā)射數(shù)據(jù)幀中的遙測(cè)信息，并且其中每一數(shù)據(jù)幀之前有各自的定時(shí)同步序列。
17.如權(quán)利要求12所述的井，其中井下儀器設(shè)置成用來(lái)發(fā)射數(shù)據(jù)幀中的遙測(cè)信息，并且其中每一數(shù)據(jù)幀之前有各自的訓(xùn)練序列。
18.如權(quán)利要求15所述的井，其中每一數(shù)據(jù)幀包括多個(gè)同步字、數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)字段、多個(gè)數(shù)據(jù)字、以及校驗(yàn)字。
19.如權(quán)利要求12所述的井，其中井下儀器包括發(fā)射路徑，該路徑具有設(shè)置成用來(lái)發(fā)射在每一數(shù)據(jù)幀之前的報(bào)頭的報(bào)頭產(chǎn)生器。
20.如權(quán)利要求19所述的井，其中發(fā)射路徑包括數(shù)據(jù)擾頻器，其設(shè)置成用來(lái)將數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)字和掩碼組合，以使數(shù)據(jù)字隨機(jī)化。
21.如權(quán)利要求20所述的井，其中發(fā)射路徑包括直接數(shù)字合成調(diào)制器，其設(shè)置成用來(lái)使用正交幅度調(diào)制來(lái)調(diào)制擾頻的數(shù)據(jù)字。
22.如權(quán)利要求21所述的井，其中發(fā)射路徑包括高通濾波器，其聯(lián)接在直接數(shù)字合成調(diào)制器和隔離變壓器之間。
23.如權(quán)利要求20所述的井，其中表面系統(tǒng)包括上行鏈路接收路徑，其具有定時(shí)恢復(fù)模塊，其設(shè)置成用來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，該時(shí)鐘信號(hào)被鎖定到遙測(cè)信號(hào)中在每一數(shù)據(jù)幀之前的定時(shí)同步序列；適配均衡器，其設(shè)置成用來(lái)響應(yīng)于遙測(cè)信號(hào)中在每一數(shù)據(jù)幀之前的訓(xùn)練序列來(lái)更新濾波器系數(shù)；成幀模塊，其設(shè)置成用來(lái)將定時(shí)同步序列和訓(xùn)練序列從遙測(cè)信號(hào)中剝離出來(lái)；以及解擾頻模塊，其設(shè)置成用來(lái)將數(shù)據(jù)幀和掩碼組合來(lái)使井下擾頻操作反向進(jìn)行。
24.如權(quán)利要求23所述的井，其中將定時(shí)同步序列和訓(xùn)練序列重復(fù)至少每秒10次。
25.一種井，包括管柱，其延伸進(jìn)鉆井孔；井下儀器，其裝配在管柱的下端；以及電纜線纜，其沿著管柱延伸通過(guò)內(nèi)部空間，其中該井下儀器設(shè)置成用來(lái)使用突發(fā)正交幅度調(diào)制(突發(fā)-QAM)來(lái)將遙測(cè)信息通過(guò)在電纜中的遙測(cè)導(dǎo)管發(fā)射到管柱的上端。
26.如權(quán)利要求25所述的井，其中電纜線纜包括多個(gè)電導(dǎo)線，其中一個(gè)或多個(gè)用作遙測(cè)導(dǎo)管。
27.如權(quán)利要求25所述的井，其中井下儀器設(shè)置成用來(lái)發(fā)射數(shù)據(jù)幀中的遙測(cè)信息，并且其中以靜止階段散布在數(shù)據(jù)幀中。
28.如權(quán)利要求25所述的井，其中井下儀器設(shè)置成用來(lái)發(fā)射數(shù)據(jù)幀中的遙測(cè)信息，并且其中每一數(shù)據(jù)幀之前有各自的定時(shí)同步序列。
29.如權(quán)利要求25所述的井，其中井下儀器設(shè)置成用來(lái)發(fā)射數(shù)據(jù)幀中的遙測(cè)信息，并且其中每一數(shù)據(jù)幀之前有各自的訓(xùn)練序列。
30.如權(quán)利要求27所述的井，其中每一數(shù)據(jù)幀包括多個(gè)同步字、數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)字段、多個(gè)數(shù)據(jù)字、以及校驗(yàn)字。
全文摘要
公開了一種將突發(fā)－QAM上行鏈路信號(hào)發(fā)射到井表面的井下遙測(cè)系統(tǒng)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，和電纜或合成管柱中的一對(duì)導(dǎo)線相聯(lián)接的井下儀器將突發(fā)－QAM上行鏈路信號(hào)發(fā)射到表面系統(tǒng)。該突發(fā)－QAM信號(hào)優(yōu)選的包括一系列攜帶遙測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀(602)。每一數(shù)據(jù)幀前面優(yōu)選的有靜止間隔(604)(其中不存在信號(hào))、定時(shí)同步序列(606)、以及訓(xùn)練序列(608)。定時(shí)同步序列設(shè)計(jì)成用于在表面進(jìn)行容易的定時(shí)恢復(fù)，并且訓(xùn)練序列設(shè)計(jì)成用來(lái)輔助均衡器的適配。數(shù)據(jù)幀本身優(yōu)選的包括同步字段、數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)、以及校驗(yàn)和、以及數(shù)據(jù)。優(yōu)選的采用直接數(shù)字合成來(lái)調(diào)制上行鏈路信號(hào)。
文檔編號(hào)E21B47/12GK1599995SQ02824415
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2002年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月7日
發(fā)明者邁克爾·弗朗西斯·韋, 威廉·特雷納 申請(qǐng)人:哈利伯頓能源服務(wù)公司