背景

現(xiàn)代石油鉆探和生產(chǎn)操作需要與井下參數(shù)和條件相關(guān)的大量信息。這種信息通常包括井筒和鉆探組件的位置和取向、地層性質(zhì)和井下鉆探環(huán)境參數(shù)。與井下地層性質(zhì)和條件相關(guān)的信息的收集通常稱為“測井”，并可在鉆探過程本身期間執(zhí)行。

存在用于電纜測井和隨鉆測井的各種測量工具。一種這樣的工具是電阻率工具，其包括用于向地層中發(fā)射電磁信號的一根或多根天線和用于接收地層響應(yīng)的一根或多根天線。當(dāng)在低頻率下操作時(shí)，電阻率工具可叫做“感應(yīng)”工具，并且在高頻率下，它可叫做電磁波傳播工具。雖然對測量起決定作用的物理現(xiàn)象可能隨頻率變化，但工具的操作原理是一致的。在一些情況下，將接收信號的振幅和/或相位與發(fā)射信號的振幅和/或相位進(jìn)行比較以測量地層電阻率。在其他情況下，將接收信號的振幅和/或相位與彼此進(jìn)行比較以測量地層電阻率。

在電阻率工具的情況下，天線可位于不同接頭或模塊上。這樣，一個(gè)接頭可向地層中發(fā)射信號，而另一個(gè)接頭接收來自地層的響應(yīng)。在這種情況以及涉及其他井下工具的其他情況下，優(yōu)選的是，使接頭精確地同步以使得能夠緊密地協(xié)調(diào)它們的各種操作。

附圖簡述

因此，本文公開用于使井下接頭同步的系統(tǒng)和方法。在以下對各種公開實(shí)施方案的詳細(xì)描述中，將參考附圖，其中：

圖1是說明性隨鉆測井環(huán)境的上下文視圖；

圖2是說明性電纜測井環(huán)境的上下文視圖；

圖3是具有多個(gè)接頭的說明性電阻率測井工具的等距視圖；

圖4是示出用于限定傾斜天線的取向的坐標(biāo)的圖解；

圖5a-5e是用于地質(zhì)導(dǎo)向工具組件的說明性擴(kuò)展接頭的等距視圖；

圖6是說明性地質(zhì)導(dǎo)向工具組件的等距視圖；

圖7是使兩個(gè)說明性接頭同步的框圖；

圖8是用于使兩個(gè)接頭同步的說明性鎖相環(huán)電路的框圖；

圖9-11是使兩個(gè)說明性接頭同步的框圖；并且

圖12是使用兩個(gè)同步的接頭來獲得測量結(jié)果的說明性方法的流程圖。

然而，應(yīng)理解，在附圖和對其進(jìn)行的詳細(xì)描述中給出的具體實(shí)施方案并不限制本公開。相反，它們?yōu)槠胀夹g(shù)人員辨識與一個(gè)或多個(gè)給出的實(shí)施方案一起涵蓋在所附權(quán)利要求書的范圍中的替代形式、等效物和修改提供了基礎(chǔ)。

符號和術(shù)語

某些術(shù)語貫穿以下描述和權(quán)利要求書用于指代特定系統(tǒng)部件和配置。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，公司可用不同名稱來指代部件。本文件不意圖區(qū)分名稱不同但功能相同的部件。在以下討論中并且在權(quán)利要求書中，術(shù)語“包括”和“包含”是以開放形式使用，并且因此應(yīng)解釋為意味著“包括但不限于……”。此外，術(shù)語“耦接(couple/couples)”旨在表示間接或直接電連接。因此，如果第一裝置耦接到第二裝置，那么所述連接可以是通過直接電連接或通過借由其他裝置和連接進(jìn)行的間接電連接。此外，術(shù)語“附接”旨在表示間接或直接物理連接。因此，如果第一裝置附接到第二裝置，那么所述連接可以是通過直接物理連接或通過借由其他裝置和連接進(jìn)行的間接物理連接。

詳述

在背景中標(biāo)識的問題通過用于使井下接頭同步的系統(tǒng)和方法至少部分地得到解決。為了說明所公開系統(tǒng)和方法的上下文，圖1示出在鉆探操作期間的井。鉆探平臺2裝備有支撐提升機(jī)6的井架4。油井和氣井的鉆探由一串鉆桿執(zhí)行，所述一串鉆桿由“工具”連接頭7連接在一起以便形成鉆柱8。提升機(jī)6懸掛通過轉(zhuǎn)臺12使鉆柱8下降的方鉆桿10。鉆頭14連接到鉆柱8的下端。通過使鉆柱8旋轉(zhuǎn)、通過使用位于鉆頭14附近的井下電機(jī)、或通過這兩種方法，鉆頭旋轉(zhuǎn)并且完成鉆井。

稱作“泥漿”的鉆井液由泥漿再循環(huán)設(shè)備16高壓且高量地泵送通過供給管18、通過方鉆桿10并向下通過鉆柱8，以通過鉆頭14中的噴嘴或噴口冒出。隨后，泥漿經(jīng)由形成在鉆柱8的外側(cè)與鉆孔壁20之間的環(huán)帶沿著孔向上往回行進(jìn)、通過防噴器并進(jìn)入地面上的泥漿坑24中。在地面上，鉆井泥漿得到清潔并隨后由再循環(huán)設(shè)備16再循環(huán)。

對于隨鉆測井(lwd)，井下傳感器26在鉆柱8中位于鉆頭14附近。傳感器26包括定向儀器和具有用于檢測礦床邊界的傾斜天線的模塊化電阻率工具。定向儀器測量lwd工具的傾斜角、水平角以及旋轉(zhuǎn)角(又稱“工具面角”)。如在本領(lǐng)域中通常定義的那樣，傾斜角是與垂直向下方向的偏差，水平角是水平面中從正北方開始的角，并且工具面角是從井孔的高邊開始的取向(圍繞工具軸線旋轉(zhuǎn)的)角。在一些實(shí)施方案中，如下進(jìn)行定向測量：三軸加速度計(jì)測量相對于工具軸線和工具圓周上稱為“工具面劃線”的點(diǎn)的地球重力場矢量。(工具面劃線在工具表面上被繪制為平行于工具軸線的線。)從這種測量，可確定lwd工具的傾斜角和工具面角。另外，三軸磁力儀以類似的方式測量地球磁場矢量。從組合的磁力儀數(shù)據(jù)和加速度計(jì)數(shù)據(jù)可確定lwd工具的水平角。此外，可并入陀螺儀或其他形式的慣性傳感器以執(zhí)行位置測量并進(jìn)一步優(yōu)化取向測量。

在一些實(shí)施方案中，井下傳感器26耦接到遙測發(fā)射器28，所述遙測發(fā)射器28通過調(diào)制對鉆柱8中的泥漿流的阻力來發(fā)射遙測信號。遙測接收器30耦接到方鉆桿10以接收發(fā)射的遙測信號。其他遙測發(fā)射技術(shù)是眾所周知的并且可使用。接收器30將遙測數(shù)據(jù)傳送到處理并存儲(chǔ)測量結(jié)果的地面裝置。地面裝置通常包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(例如，臺式計(jì)算機(jī))，所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可用于通知鉆工鉆頭與附近礦床邊界之間的相對位置和距離。

鉆頭14被示出為正在穿透具有以一定角度斜傾的一系列分層礦床34的地層。示出與傳感器26相關(guān)聯(lián)的第一(x,y,z)坐標(biāo)系，并且示出與礦床32相關(guān)聯(lián)的第二坐標(biāo)系(x”,y”,z”)。礦床坐標(biāo)系具有垂直于層理平面的z”軸，具有在水平面中的y”軸上，并且具有指向“下坡”的x”軸。兩個(gè)坐標(biāo)系的z軸之間的角度稱為“傾角”，并在圖1中被示出為角度β。

對于電纜環(huán)境，如圖2中所示，鉆探平臺102裝備有支撐提升機(jī)106的井架104。在鉆探過程期間的不同時(shí)間，鉆柱從鉆孔被移除。一旦鉆柱已移除，就可使用電纜測井工具134(即，由纜線142懸掛、通過轉(zhuǎn)臺112運(yùn)行的傳感儀器探測器，其具有用于向工具輸送電力并將遙測數(shù)據(jù)從工具輸送到地面的導(dǎo)體)進(jìn)行測井操作。測井工具134的多部件感應(yīng)測井部分可具有扶正臂136，當(dāng)朝井上拉動(dòng)工具時(shí)，扶正臂136使工具在鉆孔內(nèi)居中。測井設(shè)施144從測井工具134收集測量結(jié)果，并且包括用于處理并存儲(chǔ)由測井工具從地層收集的測量結(jié)果121的處理系統(tǒng)。

現(xiàn)在參考圖3，說明性基礎(chǔ)接頭302被示出為呈電阻率工具的形式?；A(chǔ)接頭302設(shè)置有具有減小直徑的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域306。金屬絲線圈304放置在區(qū)域306中并與基礎(chǔ)接頭302的表面間隔開恒定距離。為了機(jī)械地支撐并保護(hù)線圈304，可在減小直徑的區(qū)域306中使用非導(dǎo)電填充材料(未示出)，諸如環(huán)氧樹脂、橡膠、玻璃纖維或陶瓷。發(fā)射器線圈和接收器線圈可包括少至一圈金屬絲，盡管更多圈可提供附加的信號功率。線圈與工具表面之間的距離優(yōu)選地在1/16英寸至3/4英寸的范圍內(nèi)，但可以更大。

在圖3的工具實(shí)施方案中，線圈304和308是發(fā)射器線圈，并且線圈310和312是接收線圈。在操作中，發(fā)射器線圈304發(fā)射詢問電磁信號，所述詢問電磁信號傳播通過井孔并進(jìn)入周圍地層中。來自地層的信號到達(dá)接收器線圈310、312，從而感應(yīng)出信號電壓，所述信號電壓被檢測并測量以確定線圈310和312之間的振幅衰減和相移。使用發(fā)射器308重復(fù)測量?？墒褂贸Ｒ?guī)技術(shù)來從測量的衰減和相移估計(jì)地層的電阻率。

然而，所示的基礎(chǔ)接頭302缺少任何方位靈敏性，從而使得難以確定任何所接近的礦床邊界的方向。因此，希望使天線中的一根或多根傾斜。圖4示出位于具有與工具軸線成θ的角并相對于工具面劃線成α的方位角的法向矢量的平面內(nèi)的天線。當(dāng)θ等于零時(shí)，天線被認(rèn)為是同軸的，并且當(dāng)θ大于零時(shí)，天線被認(rèn)為是傾斜的。

盡管說明性基礎(chǔ)接頭302并不包括傾斜天線，但考慮到其他基礎(chǔ)接頭配置。例如，基礎(chǔ)接頭可包括一根或多根傾斜天線以提供方位靈敏性?；A(chǔ)接頭可包括少至一根天線(用于發(fā)射或用于接收)，或者在另一種極端情況下，基礎(chǔ)接頭可以是完全獨(dú)立的地質(zhì)導(dǎo)向和電阻率測井工具。當(dāng)采用擴(kuò)展接頭時(shí)(如以下所討論)，預(yù)期基礎(chǔ)接頭中的至少一根天線被用于向擴(kuò)展接頭上的接收器發(fā)射或從擴(kuò)展接頭上的發(fā)射器接收。以這種方式，擴(kuò)展接頭擴(kuò)展基礎(chǔ)接頭的功能。

圖5a-5e示出可添加到基礎(chǔ)接頭(諸如井下工具302(圖3))以向所述工具提供方位靈敏性或其他增強(qiáng)(諸如更深的電阻率測量)的各種擴(kuò)展接頭。在一些替代實(shí)施方案中，這些接頭也可充當(dāng)基礎(chǔ)接頭，使得這些接頭能夠根據(jù)開發(fā)的新的測井技術(shù)或地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的需要混合并匹配以形成完全定制的測井工具。如以下進(jìn)一步討論的，這些接頭可設(shè)置有允許它們將每根天線操作為發(fā)射器或接收器的電子器件。在一些實(shí)施方案中，提供單線路功率和通信總線(其中工具主體充當(dāng)?shù)鼐€)，以實(shí)現(xiàn)接頭之間的功率傳輸和數(shù)字通信。

電阻率工具接頭具有使得每個(gè)接頭能夠耦接到其他接頭的附接機(jī)構(gòu)。在一些實(shí)施方案中，附接機(jī)構(gòu)可以是如圖5a-5e中所示的螺紋公母機(jī)構(gòu)。在本發(fā)明的一些其他實(shí)施方案中，附接裝置可以是螺口式機(jī)構(gòu)、壓配機(jī)構(gòu)、焊縫或允許工具組件以受控的方位對準(zhǔn)附接到其他工具組件的一些其他附接裝置。

圖5a示出具有同軸天線504的擴(kuò)展接頭502。圖5b示出擴(kuò)展接頭506，所述擴(kuò)展接頭506具有成角度凹陷508，所述成角度凹陷508容納傾斜天線510，從而實(shí)現(xiàn)方位角敏感的電阻率測量。傾斜天線510(和凹陷508)優(yōu)選地設(shè)置成處于θ＝45°的角度。然而，在其他實(shí)施方案中，傾斜天線510可設(shè)置成處于其他角度。圖5c示出具有帶有相應(yīng)的傾斜天線516和520的兩個(gè)成角度凹陷514、518的擴(kuò)展接頭512。在單個(gè)接頭中提供多根天線可使得能夠滿足更緊密的間隔要求，并且可使得能夠執(zhí)行更準(zhǔn)確的微差測量。

圖5d示出具有處于與圖5b中的天線的方位角偏離180°的方位角的凹陷524和傾斜天線526的擴(kuò)展接頭522。擴(kuò)展接頭522可被設(shè)計(jì)成與其他接頭耦接，其方式為確保天線526相對于任何其他天線(諸如圖5b-5c中的那些天線)的這種相異對準(zhǔn)?？商娲兀瑪U(kuò)展接頭可設(shè)置有耦接機(jī)構(gòu)，所述耦接機(jī)構(gòu)使得能夠?qū)⑻炀€固定成處于任何期望的方位對準(zhǔn)，從而使接頭506和522等效。作為又一個(gè)替代方案，可提供如圖5e中所示的多軸天線接頭528，以實(shí)現(xiàn)天線對準(zhǔn)的虛擬轉(zhuǎn)向。虛擬轉(zhuǎn)向涉及由或利用不同天線530、532和534進(jìn)行的測量的組合，以構(gòu)造本應(yīng)由或利用取向成處于任意角度和方位角的天線進(jìn)行的測量。

如上所述，每個(gè)工具接頭包括圍繞管材的外圓周的凹陷。天線設(shè)置在管狀工具組件的凹陷內(nèi)，而沒有留下徑向輪廓以阻礙將工具柱放置在鉆孔內(nèi)。在一些替代實(shí)施方案中，如果需要，天線可纏繞在管材的非凹陷區(qū)段上、或許在保護(hù)性磨損帶之間。

圖6示出耦接到擴(kuò)展接頭506的圖3的基礎(chǔ)接頭302，擴(kuò)展接頭506在凹陷508內(nèi)具有傾斜天線510以實(shí)現(xiàn)方位角敏感的電阻率測量，擴(kuò)展接頭506可用作鉆柱的一部分以提供相對于附近礦床邊界的地質(zhì)導(dǎo)向，或用作電纜工具柱的一部分以提供增強(qiáng)的電阻率測量。

圖12是示出利用井下工具組件(例如，圖6的電阻率工具組件)中的兩個(gè)同步接頭來獲得測量結(jié)果的方法1200的流程圖解。在1202處，將一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)展接頭耦接到基礎(chǔ)接頭。在一些實(shí)施方案中，擴(kuò)展接頭被擰入到與基礎(chǔ)接頭相鄰的井底鉆具組件或工具串中，而在其他實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)中間管材和/或測井工具被定位在基礎(chǔ)接頭與一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)展接頭之間或穿插在所述基礎(chǔ)接頭與所述一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)展接頭之中。連接器中的電觸點(diǎn)建立使得接頭能夠交換電信號的內(nèi)部導(dǎo)體的工具總線連接。也可使用其他合適的通信技術(shù)。

在1204處，基礎(chǔ)接頭標(biāo)識其所耦接到的擴(kuò)展接頭中的每一個(gè)。每個(gè)擴(kuò)展接頭優(yōu)選地包括預(yù)編程的唯一標(biāo)識符以及接頭類型(例如，發(fā)射器、接收器、天線取向以及單一或差別配置)和型號的一些指示，以使得這個(gè)標(biāo)識過程能夠由基礎(chǔ)接頭自動(dòng)地執(zhí)行。然而，現(xiàn)場工程師進(jìn)行的定制配置或編程也可用作用于設(shè)置工具的方法。

在1206處，基礎(chǔ)接頭建立測量參數(shù)并將它們傳送到相關(guān)的擴(kuò)展接頭。例如，測量參數(shù)可指定發(fā)射器天線、期望的頻率和功率設(shè)置以及期望的啟動(dòng)時(shí)間。在采用脈沖信號的情況下，還可指定脈沖的形狀和持續(xù)時(shí)間。

在1208處，基礎(chǔ)接頭通過使工具進(jìn)入同步模式來發(fā)起時(shí)鐘同步程序，如以下關(guān)于圖7-11所述。為了確保測量準(zhǔn)確度，可在每次測量之前重復(fù)或優(yōu)化同步過程。如本文所用，同步意味著完全相位同步。這樣，除了相位之外，基礎(chǔ)接頭和擴(kuò)展接頭還實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘、頻率、時(shí)間等的同步。一旦基礎(chǔ)接頭和擴(kuò)展接頭同步，工具就可退出同步模式并進(jìn)入通信或測量模式。一些替代實(shí)施方案允許在與工具的其他總線通信和操作共存的單獨(dú)頻帶或通信信道中的連續(xù)同步。

在1210處，發(fā)射器啟動(dòng)并且接收器測量相位和衰減。基礎(chǔ)接頭與擴(kuò)展接頭中的每一個(gè)通信以收集接收器測量結(jié)果。在擴(kuò)展接頭發(fā)射信號的情況下，還可收集實(shí)際發(fā)射時(shí)間，如果所述接頭測量所述實(shí)際發(fā)射時(shí)間的話。

在1212處，基礎(chǔ)接頭確定工具取向并相應(yīng)地處理相位和衰減測量結(jié)果。在一些實(shí)施方案中，工具在其收集測量結(jié)果時(shí)旋轉(zhuǎn)。測量結(jié)果被分到方位分區(qū)中并與來自所述分區(qū)的其他測量結(jié)果組合。由于取平均效應(yīng)，通過以此方式組合測量結(jié)果可減少測量誤差。基礎(chǔ)接頭處理測量結(jié)果以確定測量結(jié)果的方位和徑向相關(guān)性，并且還可通過求相反取向處的測量結(jié)果之間或給定分區(qū)的測量結(jié)果與所有分區(qū)的平均值之間的差值來生成地質(zhì)導(dǎo)向信號。

在1214處，基礎(chǔ)接頭在將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中之前任選地壓縮數(shù)據(jù)和/或?qū)?shù)據(jù)提供給遙測發(fā)射器以傳送到地面。在1216處，基礎(chǔ)接頭確定是否應(yīng)繼續(xù)測井，并且如果是，那么操作從1206處開始重復(fù)。

圖7示出使兩個(gè)接頭702、704(諸如關(guān)于圖12所述的基礎(chǔ)接頭和擴(kuò)展接頭)同步的系統(tǒng)700。如本文所用，同步意味著完全相位同步。這樣，除了相位之外，兩個(gè)接頭702、704還實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘、頻率、時(shí)間等的同步。在各種實(shí)施方案中，接頭702、704可以是相鄰的接頭或者可由插入的接頭分開。為了清楚起見，將討論兩個(gè)接頭702、704的同步。然而，在各種實(shí)施方案中，可單獨(dú)地或同時(shí)地使任何數(shù)量的接頭同步。第一接頭702包括生成相對高頻時(shí)鐘信號的時(shí)鐘706。時(shí)鐘信號在高狀態(tài)與低狀態(tài)之間振蕩并且用于協(xié)調(diào)接頭內(nèi)的過程。例如，時(shí)鐘信號可以是方波，并且過程可在方波的上升沿、下降沿或上升沿和下降沿兩者上協(xié)調(diào)。時(shí)鐘706可包括共振電路(諸如壓電振蕩器和放大器電路)，并且在各種實(shí)施方案中，時(shí)鐘706可被實(shí)現(xiàn)為單獨(dú)電路、集成電路、較大電路的較小部分等。

第一接頭708還包括分頻器708，所述分頻器708耦接到時(shí)鐘706以便修改時(shí)鐘信號。如圖所示，分頻器708與時(shí)鐘706分離，但是兩者都可實(shí)現(xiàn)在同一電路或硬件內(nèi)。分頻器708接收具有f的頻率的時(shí)鐘信號作為輸入，并輸出具有f/n的頻率的時(shí)鐘信號，其中n是整數(shù)。在至少一些實(shí)施方案中，可使用分?jǐn)?shù)分頻器，并且n可以是分?jǐn)?shù)。分頻器708可被實(shí)現(xiàn)為單獨(dú)電路、集成電路、較大電路的較小部分等。在至少一個(gè)實(shí)施方案中，分頻器708是可從時(shí)鐘信號生成多種類型的波形(通常為正弦波)的直接數(shù)字頻率合成器。直接數(shù)字頻率合成器可基于變化的條件改變波形輸出的類型。例如，間歇性電磁干擾可引起一個(gè)波形(例如，正弦波)比另一個(gè)波形(例如，方波)表現(xiàn)得更好，并且直接數(shù)字頻率合成器可響應(yīng)所述干擾在波形之間切換。

分頻器708將相對低頻時(shí)鐘信號輸出到總線710。在至少一個(gè)實(shí)施方案中，耦合電路被用來在總線710上注入和接收信號?？偩€710可以是在接頭702、704之間輸送通信數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的接頭間通信和功率總線或類似總線。由于總線電容，總線710在較高頻率下可具有高衰減。這樣，總線710上的信令的范圍可限制于低于對于同步來說將理想的那些頻率的頻率。因此，在至少一個(gè)實(shí)施方案中，在低頻時(shí)鐘信號的發(fā)射期間可中止其他通信數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可使用專用頻帶通過總線710發(fā)射低頻時(shí)鐘信號，而在同時(shí)使用單獨(dú)頻帶發(fā)射通信數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)。

第二接頭704包括耦接到第二時(shí)鐘714的鎖相環(huán)電路712，如將關(guān)于圖8所描述。鎖相環(huán)電路712從總線710或耦合電路接收低頻時(shí)鐘信號作為輸入，并輸出相對高頻信號。在至少一個(gè)實(shí)施方案中，這個(gè)高頻信號是與由第一時(shí)鐘706生成的信號同步的第二時(shí)鐘信號。這樣，可省略第二時(shí)鐘714，并且高頻信號可直接用作用于第二總線704的時(shí)鐘信號。在另一個(gè)實(shí)施方案中，高頻信號作為輸入被供給到第二時(shí)鐘714，并且第二時(shí)鐘714基于高頻信號生成第二時(shí)鐘信號。第二時(shí)鐘信號與由第一時(shí)鐘706生成的信號同步。這樣，兩個(gè)時(shí)鐘706、714將同步時(shí)鐘信號供給到它們相應(yīng)的接頭702、704，并且接頭702、704得以同步。

圖8示出鎖相環(huán)電路712，其包括相位檢測器802、環(huán)路濾波器804、追蹤與保持電路806(有時(shí)同義地稱為采樣與保持(s/h)電路)、壓控振蕩器808以及分頻器810，其中每一個(gè)可被實(shí)現(xiàn)為單獨(dú)電路、集成電路等。相位檢測器802從總線710接收相對低頻時(shí)鐘信號作為輸入。相位檢測器802將由分頻器810提供的反饋與低頻時(shí)鐘信號進(jìn)行比較，并將表示相位差或誤差的信號輸出到環(huán)路濾波器804。在至少一個(gè)實(shí)施方案中，環(huán)路濾波器804是低通濾波器，并且這樣從由相位檢測器802供給的信號消除任何相對高頻。一旦被濾波，環(huán)路濾波器804的輸出就作為輸入被供給到追蹤與保持電路806。

追蹤與保持電路806(或采樣與保持電路)包括開關(guān)807和一個(gè)或多個(gè)電容器809，在各種實(shí)施方案中，開關(guān)807可以是機(jī)械的、電子的/固態(tài)的等等。在至少一個(gè)實(shí)施方案中，可被禁用的電子門/緩沖器可用作開關(guān)。當(dāng)開關(guān)807閉合時(shí)，追蹤與保持電路806并且因此鎖相環(huán)電路712以追蹤模式操作。因此，追蹤與保持電路806的輸出“追蹤”來自環(huán)路濾波器的輸出，即環(huán)路濾波器804將電壓供給到壓控振蕩器808(vco)。vco808是振蕩頻率由電壓輸入控制、即所施加的輸入電壓確定瞬時(shí)振蕩頻率的電子振蕩器。由vco808輸出的信號是提供到分頻器810的相對高頻信號。由于由分頻器810提供的反饋，相位檢測器802將繼續(xù)調(diào)節(jié)vco808的輸出，直到已實(shí)現(xiàn)同步為止。

一旦實(shí)現(xiàn)同步，開關(guān)807就被斷開，并且追蹤與保持電路806并且因此鎖相環(huán)電路712以保持模式操作。具體地，追蹤與保持電路806“保持”vco處的電壓恒定，使得不再需要相對低頻時(shí)鐘信號。如果通信數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)發(fā)射已中止，那么這些發(fā)射可在保持模式下恢復(fù)執(zhí)行。vco808輸出相對高頻信號，直到來自追蹤與保持電路806的電壓由于例如電容器放電而開始下降為止。追蹤與保持電路806可保持電壓的長度是電容器大小、電路阻抗以及電路的漏電量的函數(shù)。為了獲得更長的保持時(shí)間，電容值和阻抗值應(yīng)更大，并且電路的漏電量應(yīng)最小化。保持時(shí)間與所必需的同步次數(shù)成反比，也就是說，較長的保持時(shí)間導(dǎo)致在給定時(shí)間段內(nèi)在接頭702、704之間的較少的重新同步。

如圖所示，電容器850將電壓供給到vco808。在另一個(gè)實(shí)施方案中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器在保持模式期間將電壓供給到vco808。具體地，模數(shù)轉(zhuǎn)換器可用于將來自環(huán)路濾波器804的輸出的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字表示，并且隨后數(shù)模轉(zhuǎn)換器可用于重建所述相同的電壓并將其輸出到vco。因?yàn)閿?shù)模轉(zhuǎn)換器不會(huì)隨時(shí)間的推移而遭受電壓下降，這個(gè)實(shí)施方案以復(fù)雜性換得能夠無限期地保持vco輸入電壓的優(yōu)點(diǎn)。

圖9示出用于將第一時(shí)鐘信號修改成用于通過總線710發(fā)射的較高頻信號而不是較低頻信號的系統(tǒng)900。當(dāng)例如工具總線可支持高頻同步信號而不會(huì)不利地影響正常的工具總線操作時(shí)，較高頻信號可能是有益的。第一接頭702包括鎖相環(huán)電路902。鎖相環(huán)電路902接收相對較低頻時(shí)鐘信號作為輸入，并輸出與輸入時(shí)鐘信號同相的相對高頻信號。第二接頭704在鎖相環(huán)電路712的輸入端處包括第二分頻器904，以將從總線710接收的較高頻時(shí)鐘信號降低到相對低頻以便輸入到鎖相環(huán)電路712。

通常，在各種實(shí)施方案中，可添加或省略分頻器以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率的許多組合。如以上所討論，當(dāng)時(shí)鐘信號從一個(gè)接頭行進(jìn)到另一個(gè)接頭時(shí)，頻率可從相對高頻修改到低頻、再修改到高頻。類似地，當(dāng)時(shí)鐘信號從一個(gè)接頭行進(jìn)到另一個(gè)接頭時(shí)，頻率可從相對低頻修改到高頻、再修改到低頻。然而，即使使用不同的相對頻率，也可使用本文所公開的概念來使單獨(dú)的接頭時(shí)鐘同步。例如，如果當(dāng)時(shí)鐘信號從一個(gè)接頭行進(jìn)到另一個(gè)接頭時(shí)只使用一個(gè)分頻器(在任一個(gè)接頭上)將頻率從相對高頻修改到低頻，或相反地從相對低頻修改到高頻，那么仍可使用本文所公開的概念來使接頭同步。類似地，即使當(dāng)時(shí)鐘信號從一個(gè)接頭行進(jìn)到另一個(gè)接頭時(shí)不使用分頻器并且頻率保持相對高或低，仍可使用本文所公開的概念來使兩個(gè)接頭同步。

圖10示出用于以具有窄帶和低振幅的正弦信號的形式發(fā)射時(shí)鐘信號的系統(tǒng)1000。在至少一個(gè)實(shí)施方案中，信號的振幅低于將干擾井下工具通信和操作的振幅的閾值。第一接頭702包括濾波器1002和/或衰減器，所述濾波器1002和/或衰減器從分頻器708接收相對低頻時(shí)鐘信號作為輸入，并輸出在窄帶內(nèi)的具有低振幅的正弦信號。濾波器1002可實(shí)現(xiàn)在通過總線710發(fā)射信號的發(fā)射器中。第二接頭704包括濾波器1004和/或放大器，所述濾波器1004和/或放大器接收在窄帶內(nèi)的具有低振幅的正弦信號作為輸入，并輸出相對低頻方波以便輸入到鎖相環(huán)電路712。低振幅和窄帶減輕發(fā)射期間來自總線710上的通信數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的干擾，并且反之亦然。這樣，井下工具通信和操作可在接頭702、704主動(dòng)地與彼此同步時(shí)不間斷地連續(xù)進(jìn)行。

圖11示出用于無線發(fā)射時(shí)鐘信號的系統(tǒng)1100。第一接頭702包括發(fā)射器1002，所述發(fā)射器1002包括天線線圈304(諸如在圖3中所示的井下工具上找到的那些)，以從分頻器708接收時(shí)鐘信號并發(fā)射時(shí)鐘信號。第二接頭704包括接收器1004，所述接收器1004包括天線線圈312，以接收時(shí)鐘信號并輸出信號以用于鎖相環(huán)電路712的輸入。這個(gè)實(shí)施方案可在接頭702、704之間不存在電連接或無線連接將提供更好的效率、可靠性等時(shí)使用。

在至少一個(gè)實(shí)施方案中，線圈304可通過地球地層無線發(fā)射時(shí)鐘信號。類似地，在其他實(shí)施方案中，發(fā)射器天線304和接收器天線312可以是環(huán)形繞組，并且像通過地層一樣，時(shí)鐘信號可通過工具主體、井筒、工具孔、泥漿等無線發(fā)射。無線發(fā)射的時(shí)鐘信號可具有相對低頻，因?yàn)殡S著天線線圈304、312之間的間隔的增大，可使用的頻帶由于地層中的較高頻率的衰減而可能愈發(fā)偏斜到較低的頻率范圍。

一種系統(tǒng)包括：第一井下接頭，所述第一井下接頭包括被配置來生成未修改時(shí)鐘信號的時(shí)鐘信號生成器。第一井下接頭還包括被配置來修改所述時(shí)鐘信號的修改電路。所述系統(tǒng)還包括第二井下接頭，所述第二井下接頭包括被配置來接收所述修改后時(shí)鐘信號作為輸入并輸出與所述未修改時(shí)鐘信號同步的第二時(shí)鐘信號的鎖相環(huán)電路。如本文所用，同步意味著完全相位同步。這樣，除了相位之外，第一井下接頭和第二井下接頭還實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘、頻率、時(shí)間等的同步。

鎖相環(huán)電路可包括耦接到追蹤與保持電路(即，采樣與保持)的壓控振蕩器。追蹤與保持電路可包括被配置來在第二時(shí)鐘信號與未修改時(shí)鐘信號同步時(shí)斷開的開關(guān)(例如，機(jī)械開關(guān)、電子/固態(tài)開關(guān)等)。鎖相環(huán)電路可包括耦接到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的壓控振蕩器。時(shí)鐘信號生成器和修改電路可由被配置成在第二時(shí)鐘信號與未修改時(shí)鐘信號同步時(shí)斷開的開關(guān)(例如，機(jī)械開關(guān)、電子/固態(tài)開關(guān)等)耦接。開關(guān)可實(shí)現(xiàn)為可被禁用的電子門/緩沖器。當(dāng)?shù)诙r(shí)信鐘號與未修改時(shí)鐘信號同步時(shí)，不在第一井下接頭與第二井下接頭之間傳輸修改后時(shí)鐘信號。修改電路可以是分頻器。修改電路可以是第二鎖相環(huán)電路。修改后時(shí)鐘信號可以是具有窄帶和低振幅的正弦信號。在各種實(shí)施方案中，修改后時(shí)鐘信號可通過井下地層、工具主體、井筒、工具孔、泥漿等無線發(fā)射。第一井下接頭和第二井下接頭可通過一個(gè)或多個(gè)插入的井下接頭耦接。

一種電路包括：相位檢測器，所述相位檢測器被配置來接收從未修改時(shí)鐘信號修改的修改后時(shí)鐘信號。所述電路還包括壓控振蕩器，所述壓控振蕩器被配置來輸出與所述未修改時(shí)鐘信號同步的時(shí)鐘信號。所述電路還包括追蹤與保持電路，所述追蹤與保持電路包括被配置來在所述時(shí)鐘信號與所述未修改時(shí)鐘信號同步時(shí)斷開的開關(guān)。

所述追蹤與保持電路可在所述開關(guān)斷開時(shí)為所述壓控振蕩器供給恒定電壓。當(dāng)不能供給恒定電壓時(shí)，開關(guān)可閉合。追蹤與保持電路可包括供給恒定電壓的電容器。追蹤與保持電路可包括供給恒定電壓的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。相位檢測器可從通信總線接收修改后時(shí)鐘信號。相位檢測器可從功率總線接收修改后時(shí)鐘信號。

一種用于使兩個(gè)井下接頭同步的方法包括：沿著鉆孔輸送包括基礎(chǔ)接頭和擴(kuò)展接頭的工具；在所述基礎(chǔ)接頭處，生成未修改時(shí)鐘信號；在所述基礎(chǔ)接頭處，修改所述未修改時(shí)鐘信號以創(chuàng)建修改后時(shí)鐘信號；在所述工具的同步模式期間，將所述修改后時(shí)鐘信號從所述基礎(chǔ)接頭發(fā)送到所述擴(kuò)展接頭；以及在所述擴(kuò)展接頭處，獲取所述修改后時(shí)鐘信號，并基于所述修改后時(shí)鐘信號使第二時(shí)鐘信號與所述未修改時(shí)鐘信號同步。

所述方法還可包括：停止所述同步模式并開始所述工具的通信模式。

雖然本公開已相對于數(shù)量有限的實(shí)施方案進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解大量的修改以及由此得到的變化。所附權(quán)利要求書旨在覆蓋所有這類修改和變化。