CN101015147A - 用于有线油管的井下遥测系统 - Google Patents

Abstract

一种如图6所示的通信系统，该系统在通过感耦管(602)形成的通信通道中采用离散多音频(“DMT”)调制信号。在一实施例中，该通信系统包括将发送器耦合到接收器(608)的接线管柱杆接头。管柱中的各个杆接头具有：被配置成与其它杆接头机械连接的螺纹端、在各个螺纹端上的电或电感耦合器、以及电连接耦合器的绝缘导线。所述发送器和接收器通过由接线管柱传输的DMT调制信号进行通信。该系统还可包括管柱中的多个中继器。各个中继器可被配置成接收DMT－调制信号、从该DMT－调制信号中恢复信息、以及以DMT－调制信号形式重发信息。

Description

用于有线油管的井下遥测系统

背景技术

现代石油钻井和开采作业需要大量关于井下参数和状况的信息。这些信息一般包括地球地层特征以及关于井眼自身的信息。可用来采集井下信息的方法包括：电缆测井、随钻测井(“LWD”)、以及地震成像。在钻井完成之后，可通过永久放置传感器、电缆测井、以及地震监测来执行井下数据采集。

在常规的电缆测井中，在已经钻凿了部分或全部矿井之后，将包括有地层传感器的探针(“探头”)向下放入井眼中。探测装置的顶端连接到电缆，该电缆将探测装置悬挂在井眼中。电缆将电源从地面传输到探头装置，并将信息从探头装置传输到地面。电缆测井通常要求在开始测井之前将钻柱或采油管从井眼中移出。因此，在钻井或开采作业期间不能执行电缆测井。

在LWD中，从其名称可看出，在钻井过程中可采集数据。在钻井过程期间采集并处理数据消除了移除钻井组件以插入电缆测井工具的需要。因此LWD向钻孔机提供了更佳控制，并允许性能优化和最小化停工时间。对测量关于钻井组件的移动与位置的井下状况的设计作为“随钻测量”技术或“MWD”已经众所周知。LWD一般更专注于地层参数的测量，但是术语MWD和LWD通常是可互换使用的。为了本公开的目的，术语LWD可理解成：此术语包括地层参数的采集与关于钻井组件的移动和位置的信息的采集。

在LWD中，测井仪器通常位于钻柱的下端。该仪器可连续或间断地工作，以监测预定的钻井参数和地层数据。然后使用一些遥测技术来将信息发送到地面接收器。存在各种遥测系统，包括泥浆脉冲系统以及通过钻柱发送声音信号的系统。

在地震成像中，地震波通过地球地层传输并在各种边界和间断面反射。地震成像涉及在地面上或在期望了解的地下地层的位置附近的井眼中架线数百个监听设备。一旦已经放置了监听设备，就会对所产生的地震波造成干扰。当这些波穿过地层并遇到地层边界时，一些波能就会反射回地面。通过适当处理接收到的信号，可构造地表地层的三维图象。

上述数据采集方法主要用来定位和钻开油气层。一旦储集层被钻开，目标就变成尽可能多地从该层中开采油气。传感器被置入井眼中，以监测压强、温度、液体成分、以及流量。电缆工具可用来搜索先前错失的完井机会。最后，长期的地震监测可用来识别油气层及其周围的流体流动图。

信息对于石油和天然气工业来说是至关重要的。所具有的与油气层中油气的位置和流动图相关的信息越多，则越可能在最佳位置钻开油气层，并可利用其全部储量。因此，通常制造出更新及更复杂的传感器装置并置入钻井中，这些传感器装置是如此之多以致于现有的遥测技术已变得不够用了。出于这些原因，需要具有能够支持钻井传感器与地面装置之间的高速率通信的通信技术。

发明内容

因此，本文公开了一种在由感耦管形成的信道上使用离散多音频(“DMT”)调制信号的通信系统。在一实施例中，该通信系统包括将传送器耦合到接收器的接线管柱的钻杆接头。该管柱中的各个杆接头具有被配置成用于机械连接到其它杆接头的螺纹端。传送器和接收器通过经由接线管柱传输的DMT调制信号进行通信。该系统还可在管柱中包括多个中继器。各个中继器可被配置成接收DMT-调制信号、从该DMT-调制信号中恢复信息、以及以DMT-调制信号形式重发信息。

附图说明

为了详细描述各个发明实施例，现在将参考附图，其中：

图1示出一示例性钻井环境；

图2示出钻杆连接器的剖视图；

图3示出钻杆之间的连接的横截面视图；

图4示出第一示例性钻杆线路配置；

图5示出第二示例性钻杆线路配置；

图6示出第一示例性中继器配置；

图7示出第二示例性中继器配置；

图8示出示例性接收信号频谱；

图9A和9B示出信号强度对位置的示例性曲线图；

图10示出第三示例性中继器配置；

图11示出图10中继器的接收信号频谱；

图12示出示例性离散多音频(“DMT”)收发器的框图；

图13示出可用来建立多链路信道的一种示例性方法；以及

图14示出可用来建立单通信链路的一种示例性方法。

虽然本发明易于有各种变体和替代方案，但是其具体实施例将在附图中作为示例示出，并在本文中进行详细描述。然而，应当理解：附图和对其的详细说明并非旨在将本发明限制在所公开的特定方案中，相反本发明将涵盖所有落在由附加权利要求所限定的精神和范围内的所有变体、等效方案、以及可替代方案。

注释和术语

特定术语将用来在以下的整个说明书和权利要求中指示特定系统元件。如本领域技术人员可理解的，各个公司将可能使用不同名称来指示同一元件。本文件并非旨在区分名称不同而功能相同的元件。在以下讨论和权利要求中，术语“包含”和“包括”将被广泛使用，因此应当理解成“包括，但不限于…”。同样，术语“耦合”或“连接”也旨在说明非直接或直接电连接。因而，如果第一设备连接到第二设备，该连接可能通过直接电连接，或者通过经由其它设备和连接的非直接电连接。在此公开的上下文中，术语逆流和顺流一般分别指将信息从地下装置传输到地面装置，以及从地面装置传输到地下装置。另外，术语地面和地下是相对术语。事实上，描述为在地面上的特定硬件并不一定意味着它必须是物理上处于地球表面之上；而是仅仅描述地面和地下装置的相对位置。

具体实施方式

图1示出在钻井作业期间的示例性油井。钻井平台2配备了支承提升机6的井架4。油井和天然气井的钻井通常使用通过“钻具”接头7连接在一起以形成钻柱8的钻杆来执行。提升机6悬挂用来通过转盘放下钻柱8的方钻杆10。钻头14连接到钻柱8的下端。该钻头14通过旋转钻柱8或通过操作钻头附近的井下马达来转动。钻头14的转动使井眼延伸。

钻井液通过循环装置16经由输送管18抽运、再通过方钻杆10、并向下通过高压和高容量钻柱8从喷嘴排出或从钻头14喷出。然后钻井液经由钻柱8外部与井壁20之间的环形套筒、通过防喷器(未具体示出)向上输送回井眼，并进入地面上的泥浆池24。在地面上，钻井液进行净化并通过循环装置16进行循环。钻井液冷却钻头14、将钻屑传送到地面、并平衡岩层中的流体静压力。

井下仪器异径接头(Sub)26可连接到与地面通信、以提供遥测信号和接收命令信号的遥测发送器28。地面收发器30可连接到方钻杆10以接收所发送的遥测信号并向井下发送命令信号。或者，地面收发器可连接到索具的另一部分或连接到钻柱8。可以沿钻柱设置一个或多个中继器模块32，以接收和转发遥测和命令信号。地面收发器30连接到可采集、存储、处理、以及分析遥测信息的测井装置(未示出)。

遥测和命令信号可通过嵌入钻杆中的电导线来传送。钻具接头中的耦合器将一钻杆的电导线连接到下一钻杆的电导线。已提出了各种连接技术，并且它们在Michael J.Jellison等人的于2003年2月在阿姆斯特丹的IADC/SPE钻井会议上的“遥测钻杆：井下网络的启动技术(Telemetry Drill Pipe：Enabling Technology for theDownhole Internet)”中概述。所提出的连接技术包括直接电连接和电感连接。本公开特别感兴趣的是电感耦合器。

图2示出钻杆连接器(一“销”端)202的剖视图。钻杆连接器202具有由锥形和螺纹表面206围绕的中心孔204。在连接器202的端面上是围绕中心孔204的电感耦合器208。电感耦合器208通过电导线210电连接到钻杆相对端的电感耦合器。

图3示出由管脚端连接器202和相匹配的“套筒端”(box end)连接器302形成的钻具接头的横截面视图。电感耦合器208紧靠套筒端连接器302中匹配的电感耦合器308。类似于电感耦合器208，电感耦合器308通过电导线310电连接到相对端的电感耦合器。电感耦合器208、308没有任何定向要求。

图4示出可对电感耦合器使用的第一线路配置。示出了用于两个钻杆402、404、以及邻接连接器的接线。钻杆402在相对两端具有电感耦合器408和410。耦合器408用邻接连接器与耦合器406相匹配。钻杆404在相对两端具有电感耦合器412和414。电感耦合器412与电感耦合器410相匹配，而耦合器414用邻接连接器与耦合器416相匹配。线路配置的这种对称特性允许双向通信。

为了理解图4配置的操作，假定交变电流“I”流过电感耦合器406。电感耦合器406是响应于电流产生磁场的多匝线圈。电感耦合器408是驻留在该磁场中的多匝线圈。磁场在电感耦合器408中感生电流，且该电流从耦合器408传导到电感耦合器410，其中该过程重复。在一实现中，各个钻具接头上的信号损耗是很小的几分之一分贝，从而允许信号在需要任何增强或激活增强之前在许多钻杆上传送。

图5示出可对电感耦合器使用的另一线路配置。示出了用于两个钻杆502、504、以及邻接连接器的接线。钻杆502在相对两端具有电感耦合器508和510。耦合器508用邻接连接器与耦合器506相匹配。钻杆504在相对两端具有电感耦合器512和514。电感耦合器512与耦合器510相匹配，同时耦合器514用邻接连接器与耦合器516相匹配。线路配置的这种对称特性也允许双向通信。

为了理解图5配置的操作，假定交变电流“I”流过电感耦合器506。电感耦合器506是响应于电流产生电场(或，如果被导电材料包围，则是电流密度分布)的螺旋管。电感耦合器508是驻留在该电场(或电流密度分布)中的螺旋管。电场(或电流密度分布)在电感耦合器508中感生电流，且该电流从耦合器508传导到耦合器510，其中该过程重复。在美国专利No.4,605,268(变压器电缆连接器“Transformer Cable Connector”)中提供有一示例性实现。

通过钻柱中的感耦线路传播的信号由于衰减、连接器上阻抗的不匹配、以及连接器上的不良耦合而遭受损耗。虽然这些损耗对于各个连接器和钻杆而言是细微的，但是累积损耗可能会相当显著，以致需要使用一个或多个中继器，即接收和转发信息的设备，由此来克服信号损耗。

图6示出可用于感耦钻杆遥测的一示例性中继器配置。钻杆602包括通过变压器604耦合到一条或两条电导线的中继器模块605。中继器模块605包括混合电路606和回波抵消器608。混合电路606是双向通道(钻杆602的电导线)与两个单向通道之间的接口。混合电路606从回波抵消器608处接收发送信号并将发送信号耦合到变压器604。混合电路606还检测来自变压器604的接收信号，并向回波抵消器608提供所检测的接收信号。回波抵消器608包括：生成对由发送信号引起的干扰的估算的滤波器610；以及从接收信号中减去所估算干扰的加法器612。滤波器610可根据诸如在Haykin的教科书“自适应滤波器原理”(Adaptive FilterTheory)中所描述的公知技术来实现为自适应滤波器。

图6的示例性配置使用了耦合在中继器模块605与电导线之间的变压器。图7示出一可选中继器配置，其中中继器模块605电连接在钻杆702的电导线之间。在这两个配置中，电导线并不端接到中继器模块605。这种情况允许信号沿钻柱传播并经过中继器。这种传播即使在中继器故障时也允许连续通信(虽然是以下降速率)。

中继器模块605包括分别被配置成发送和接收离散多音频(“DMT”)调制信号的发送器和接收器(示例性发送器/接收器(“收发器”)将在以下图12的说明中进行讨论。)。图8示出已被划分成三个频带的通道的示例性接收信号频谱。通道带宽划分成大量频率“面元”(bin)。出于示例性目的，图8示出64个频率面元(标号为0-63)，但是典型实施例可能期望具有至少256或512个点。可不使用最低频率面元801，以避免来自功率或其它低频电信号的干扰。剩下的面元可划分成三个(或多个)频带802、804、以及806。在这些频带之间，一个或多个面元803、805可被保留为保护频带以简化信号分离。

图8示出三个频带802、804、806的每一个中的示例性接收信号频谱。由于信号衰减根据频率增加，所以高频率面元可能不像较低面元一样支持高比特率。因此，高频带可分配比低频带更多的面元。

图9A示出作为沿钻柱的位置的函数的示例性信号功率的对数图。沿钻柱的7个位置被标识成：地面收发器、井下收发器、以及5个中间中继器。两个功率电平被标识为：发送功率电平、以及最小接收功率电平。地面收发器发送随传播衰减的信号902。第一中继器(RPTR1)接收来自地面发送器的信号902，以及来自第二中继器(RPTR2)的信号906。为了避免干扰，第一中继器与地面发送器在第一频带进行通信，与第二中继器在第二频带进行通信。在第一频带从地面发送器接收的信息在第二频带进行转发，且在第二频带接收的信息则在第一频带进行转发。

第一中继器发送在双向传播时衰减的信号904。第二中继器接收来自第一中继器的信号904，且接收来自第三中继器(RPTR3)的信号908。为了避免第一中继器上的干扰信号902，第三中继器不在第一频带发送任何信息。在第二频带进行第一与第二中继器之间的通信，同时在第三频带执行第二与第三中继器之间的通信。在第二频带所接收的信息(来自第一中继器)在第三频带中进行转发，同时在第三频带接收的信息(来自第三中继器)在第二频带进行转发。

第三中继器以类似的方式接收信号906和910，在第三频带与第二中继器进行通信，并在第一频带与第四中继器(RPTR4)进行通信。第四中继器接收信号908和912，在第一频带与第三中继器进行通信，并在第二频带与第五中继器(RPTR5)进行通信。第五中继器接收信号910和914，在第二频带与第四中继器进行通信，并在第三频带与井下收发器进行通信。该井下收发器接收信号912，并在第三频带与第五中继器进行通信。

系统可设计成中继器可检测来自非邻接中继器或收发器的信号。因而，例如第三中继器不仅能够检测来自第二和第四中继器的信号，还可检测来自第一和第五中继器的信号。这些来自更远信号源的信号一般会被来自邻近信号源的传输所淹没，但是这种设计即使一个中继器发生故障也允许保持通信。

因而，例如，图9B示出在第二中继器已经发生故障时，作为位置的函数的信号功率的示例性对数图。为了使通信成功进行，现在系统应当避免信号904、910、以及912之间的干扰。在一个实施例中，系统禁用第四中继器，并与前面一样使用第三频带进行通信。(例如，第一频带用于地面收发器与第一中继器之间的通信，第二频带用于第一与第三中继器之间的通信，第三频带用于第三与第五中继器之间的通信，且第一频带用于第五中继器与井下收发器之间的通信。)

在另一个实施例中，系统重新分配通道频带以避免干扰、并最大化越过故障接收器的数据率。故障接收器在系统中造成“瓶颈”。第一与第三中继器之间的通信受到通道衰减的限制，所以在其它中继器与收发器之间具有高数据速率并无多少益处。因此，可分配稍大一些的带宽用于通信以越过故障中继器，并且那些通信可在具有最小衰减的频带中进行(通常是最低频带)。在下文中，该带宽和频率分配称为“通道1”。其它三个通道(通道2、3和4)也被分配，用于其它中继器与收发器之间的通信。与用于图9A系统的三个频带相比，可预期通道1将具有明显更大的带宽，且通道2-4将具有明显更小的带宽。

因为通道1已被分配用于第一与第三中继器之间的通信，这是分配通道的起点。通道4可用于地面收发器与第一中继器之间的通信。通道2可用于第三与第四中继器之间的通信，通道3可用于第四与第五中继器之间的通信，而通道4可用于第五中继器与井下收发器之间的通信。

图6和7的中继器配置提供了稳健性，即即使一中继器发生故障系统仍继续工作的能力。此稳健性的协调需要时分多路复用、频分多路复用、或码分多路复用，以避免不同中继器的发送信号之间的干扰。图10示出从不同中继器中分离出信号、从而可在管线的各个段中使用全通道带宽的配置。

图10示出具有连接到钻杆相对端上的耦合器的中继器模块1005的钻杆1002。各个耦合器连接到相应混合电路606，该混合电路606又耦合到相应回波抵消器608和相应收发器1004、1006。控制器1008连接到各个收发器1004、1006，并控制双向信息流。另外控制器1008可耦合到各种传感器(未示出)以检测钻井液和中继器周围的井眼状况。控制器1008可将来自这些传感器的测量结果插入传送到地面的信息中。控制器1008还可检测传送到井下的信息流中的命令，并可响应于这些命令调节其操作。

各个收发器1004、1006可被配置成发送和接收DMT调制信号。图11示出由图10的中继器配置所支持的一示例性接收频谱。通道带宽被划分成许多等间隔频率面元，并且可不使用最低频率面元以避免来自邻近功率信号的干扰。可将剩下的面元分组到可用于双向通信的单通道频带。

如前所述，示例性遥测系统使用离散多音频(DMT)调制来传输信息。DMT调制一般在异步数字用户线(ADSL)系统中使用，所以可在ADSL文献中获得许多关于DMT实现的细节。DMT调制将频谱划分成许多相邻频率面元(例如参见图8和11)。在理想情况下，频率面元将与其它频率面元具有相同的数据传输速率。然而，各个面元的数据速率取决于各种因素。例如，具有特定频率的干扰将影响集中在噪声源频率附近的面元。被影响的面元将具有更低的信噪比，因此其数据承载容量将低于其它面元。另一个影响数据速率的因素可能是电导线的频率相关衰减，由于电容的影响该频率相关衰减一般在高频率上表现出平滑递增衰减。诸如变压器或不良阻抗匹配连接器的其它系统元件还会进一步加剧选定频率的衰减。ADSL系统一般包括用于调节各个面元的数据传输以最优化可靠数据传输率的机构。

在感耦管中，规律间隔耦合器由于阻抗不匹配将造成反射和驻波。这些反射影响通道的传输频谱，从而产生许多窄通带和阻带。DMT调制技术对于开发全通道容量是特别有益的。DMT调制允许将数据分配到特定频带(例如，更多数据分配到具有低衰减的频带，以及很少或没有数据分配到具有高衰减的频带)。通常，DMT频带的宽度与DMT码元长度成反比，所以通过更长的DMT-码元提供对频率使用的更精细控制。

通道脉冲响应的长度可用作对确定期望DMT码元长度的实际引导。期望使DMT码元长度显著比脉冲响应的长度长(或至少是脉冲响应的不可忽略部分的长度)。可期望采用长度为1024或2048个样本(不包括循环前缀)的DMT-码元。这些码元长度提供相对于高带宽QAM信令显著减小的码间干扰(ISI)。

将数据分配到频带也是十分灵活的，这使得DMT调制特别适于通道状况的改变。当杆柱承受压力和扭矩负载时，耦合器将有耦合和/或阻抗变化。DMT收发器可快速地改变数据分配，以不管这种通道变化而保持数据速率。DMT收发器的灵活性也扩展到整体数据速率，该数据速率可随着通道发生变化进行调节。如果一个或多个中继器发生故障，则剩下的中继器和收发器将试图越过故障中继器且它们的通信算法没有显著变化。这些灵活性很大程度上提高了通信系统的可靠性。

图12示出具有发送器链和接收器链的一示例性收发器1006。发送器链包括数据成帧器1202、纠错编码器1204、音频映射器1206、离散傅立叶逆变换(IDFT)块1208、循环前缀发生器1210、以及线路接口1212。接收器链包括线路接口1214、循环前缀剥离器1216、离散傅立叶变换(DFT)块1218、频域均衡器1220、解调和位析取块1222、纠错解码器1224、以及CRC/解帧块1226。

在发送器链中，数据成帧器1202组合上行数据的字节以形成数据帧。然后，将数据帧与同步帧及循环冗余校验码(CRC)相结合，该循环冗余校验码根据数据帧的内容来计算。CRC提供了一种用于检测接收端所接收的数据中的差错的方法。该冗余可用于检测和纠正因通道干扰所引起的差错。里德-索罗门(RS)码是适用的，但也可使用其它纠错码。

音频映射器1206从数据流中提取比特并将它们分配到频率面元。对于各个频率面元，这些比特被用来确定指定频率幅度的离散傅立叶变换(DFT)系数。分配给各个频率面元的比特数目是可变的(即，各个面元的数目可以不同)和动态的(即，数目可随时间改变)，并且该数目取决于各个频率的估计误码率。各端的微控制器或软件(未具体示出)协作确定由接收器在各个频带检测到的误码率，并相应地调节音频映射器。

通过IDFT块1208处理由音频映射器1206所提供的系数，以生成在各个频率承载所期望信息的时域信号。循环前缀块712重复时域信号的端部，并将其加在时域信号的头部。如以下将要进一步讨论的，这允许对接收端的信号进行时域均衡。然后，将具有前缀的信号转换成模拟形式、滤波、并放大以通过链路接口1212在信道上传输。

在接收器链中，链路接口1214对所接收的信号进行过滤，将其转换成数字形式，并执行任何期望的时域均衡。时域均衡至少局部地补偿了由通道引入的失真，但可能仍残留至少一些码间干扰。剥离器块1216移除通过信号源的前缀块(对应块1210)添加的循环前缀，但是信号中仍将残留来自循环前缀的码间干扰。DFT块1218对信号执行DFT以获得频率系数。如果需要，可通过块1220执行频域均衡以补偿残留的码间干扰。注意：对DFT系数的频域均衡是循环卷积运算，该循环卷积运算将导致循环前缀不能在通道上传输差错均衡结果。

块1222使用信号源的音频映射器(对应映射器1206)的逆映射来提取数据位。解码器1224解码数据流，从而在其纠错能力范围内对差错进行纠正。然后，解帧器1226识别并移除同步信息，并且确定CRC是否指示存在任何差错。如果没有差错，则数据转发到输出端。否则，控制器将得到数据差错的通知。

图13示出一种示例性方法，该方法可通过地面收发器的控制器来实现，以初始化各种收发器(在下文中，术语“收发器”包括任何中继器)和在地面与井下收发器之间建立完整的通信路径。收发器之间的各个链路分配唯一的索引和相应的唯一触发信号。该触发信号可以是用来向适当收发器发送警报以在链路上建立接触的一个音频或音频组合。在一实现中，索引是二进制字，且每个收发器一个比特。然后，通过将两个比特值设置成“1”来标识链路，即，这两个比特值与链路端部的收发器相关联。然后触发信号可以是一对音频，各个音频标识收发器之一。

从框1302开始，控制器将链路索引设置成一些初始值。因此，当链路索引在框1304增加时，链路索引将循环通过从地面收发器到井底装置之间的链路。在框1306，地面收发器发送相应的触发信号。在发送触发信号之后，控制器或者接收成功训练的报告，或者在等待预定时间后超时。在框1308，控制器进行检验以确定是否接收到成功报告。如果收到，则控制器在框1310进行检验以确定是否需要建立更多链路。如果需要建立更多的链路，则控制器返回到框1304。否则，控制器在框1312发送开始命令以完成通信路径。

如果控制器在框1308确定没有接收到成功报告，则控制器尝试在框1314开始建立旁路路径。在框1314，控制器将旁路索引设置成一些初始值。然后，随着旁路索引在框1316递增，旁路索引将循环通过从上一成功链路到井下装置的旁路链路。对于链路索引，旁路索引可实现为二进制且每个收发器一个比特。旁路链路通过将两个不相邻的比特值设置成“1”来标识，即，这两个比特值与旁路链路端部的收发器相关联。用于旁路链路的触发信号将可通过与前面相同的方式来实现。

在框1318，控制器发送用于旁路链路的触发信号。在发送触发信号之后，控制器或者接收成功训练的报告，或者在等待预定时间后超时。在框1320，控制器进行检验以确定是否接收到成功报告。如果收到，则控制器返回框1310。否则，控制器在框1312进行检验以确定是否可尝试任何其它旁路链路。如果可以，则控制器返回到框1316。否则，控制器报告失败以在框1324建立完全通信路径。

图14示出可通过各个收发器(包括地面收发器)的控制器来实现的一种示例性方法。在框1402，控制器等待触发信号。在框1404，控制器确定触发信号是否标识与收发器相关联的链路或旁路链路之一。如果收发器不与所标识的链路相关联，则控制器返回到框1402。否则，控制器进入框1406中的激活阶段。

假定与链路都相关联的两个收发器都已经接收到触发信号，则两个收发器将激活阶段。在激活阶段中，两个收发器的每一个都发送单音频以建立接触，并确定哪一个将控制链路中的定时。在框1408，收发器单独确定是否已经成功接触到另一收发器，如果没有，则收发器回到框1402中的监听模式。

如果已经建立接触，则收发器在框1410交换宽频带信号。该宽频带信号允许各个单元计算所接收的功率谱密度、允许调节自动增益控制、以及允许在各个接收机中执行均衡器的初始训练。也可提供静默期来允许各个收发器确定线路噪声或训练回波抵消均衡器。在框1412，收发器确定训练是否已经成功完成，如果没有，则回到框1402中的监听模式。

如果训练成功，则收发器在框1414彼此提供基本信息。该基本信息包括各个接收器的容量和计划数据速率。还发送另外的训练信号以允许进行进一步的均衡训练。在框1416，收发器可交换关于通道测量结果、期望数据速率、以及要用于随后通信的其它配置参数的信息。

一旦已经交换了通信参数，收发器就在框1418各自发送表示通信已经成功建立的信号。然后收发器在框1420进入转发模式。在转发模式中，各个收发器监听触发信号和成功报告。如果接收到其中之一，则在转发模式中收发器重发触发信号或成功报告。为了避免过度重发触发信号或成功报告，各个收发器在重发此信号之后将在预定间隔内忽略任何触发信号和成功报告。

进入转发模式的各个收发器将因为以下任一情况而从转发模式中退出：预定延迟的终止、接收到开始命令、或收到标识与该收发器相关联的触发信号。

在框1422，接收器确定是否已过了预定时间，如果已过，则收发器就回到框1402中的监听模式。否则，收发器将在框1424确定是否收到开始命令。如果收到，则然后收发器将进入框1426中的通信模式。否则，收发器将在框1425确定是否收到相关联的触发信号。如果收到，则收发器将转到框1406。如果没有，则收发器重新进入转发模式1420。

在框1426，收发器在链路上如上参考图9A-9B所述地开始通信、在频带之间转换消息、以及重发。如果损耗功率或接收到触发信号，则收发器退出通信模式。在框1428，收发器确定是否已经收到触发信号，如果收到则将回到框1402中的监听模式。

本文所公开的系统和方法期望提供与井下传感器的可靠、高数据速率的通信。这些通信通过向钻井机快速警报包括与防喷相关的突发涌流和关键孔隙压力信息的井下状况来极大地提高整体安全性。这些信息将使得接近平衡钻井可行和安全，从而允许更经济的钻井作业。

上述讨论是对本发明的原理和各个实施例的阐述。本领域技术人员一旦全面理解了上述公开，许多改变和更改将变得显而易见。以下权利要求旨在解释成涵盖所有这些改变和更改。

Claims (18)

1.一种通信系统，其特征在于，包括：

多个接线管柱钻杆接头，各个杆接头具有：

被配置成用于与其它杆接头机械连接的螺纹端；

各个螺纹端上的耦合器，所述耦合器被配置成用连接杆接头与耦合器进行电或电感耦合；以及

电连接所述耦合器的绝缘导线；

耦合到所述管柱的一端并被配置成产生DMT-调制信号的发送器；以及

耦合到所述管柱的另一端并被配置成接收和解调DMT-调制信号的接收器。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

多个中继器，各个中继器耦合到所述管柱的两个接线管柱杆接头之间，其中各个中继器被配置成接收DMT-调制信号、从所述DMT-调制信号中恢复信息、以及以DMT-调制信号的形式重发所述信息。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，各个中继器被配置成从所接收的DMT-调制信号的一个频带中恢复信息、以及在不同于所述发送DMT-调制信号的频带的频带中调制所述信息。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，从发送器传送到接收器的信息在三个或多个频带的相应之一中由所述发送器和中继器进行调制。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

耦合在所述管柱中的两个接线管柱接头之间的中继器，其中所述中继器被配置成接收DMT-调制信号、从所述DMT-调制信号中恢复信息、以及以DMT-调制信号的形式重发所述信息。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述中继器包括：

配置成用于与杆接头机械连接的螺纹端；以及

各个螺纹端上的耦合器，所述耦合器被配置成用连接杆接头与耦合器进行电或磁耦合。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述中继器还包括：

在一螺纹端上耦合到所述耦合器的第一收发器；

在相对螺纹端上耦合到所述耦合器的第二收发器；以及

耦合到所述第一和第二收发器的控制器。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述中继器还包括：

电连接所述耦合器的绝缘导线。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述绝缘导线被配置成在所述中继器发生故障时在耦合器之间传送信号。

10.一种用于将感耦管用作信道的系统的通信方法，所述方法包括：

采用DMT调制以生成发送信号；以及

经由所述信道发送所述发送信号。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：

接收并解调所述发送信号以获得来自第一频带的发送数据；以及

使用DMT调制在第二、不同频带中生成具有所述发送数据的第二发送信号。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：

经由所述信道发送所述第二发送信号。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：

接收并解调所述第二发送信号以获得来自第二频带的发送数据；以及

使用DMT调制在不同于所述第一和第二频带的第三频带中生成具有所述发送数据的第三发送信号。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：

经由所述信道发送所述第三发送信号。

15.一种用于具有中继器的井下通信系统的通信方法，所述方法包括：

在中继器之间顺序地建立DMT-信号链路；以及

发送开始命令以初始化沿包括所述DMT-信号链路的通信路径的通信。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述建立DMT-信号链路包括：

确定是否能与下一中继器建立DMT-信号链路；以及

如果链路不能建立，则尝试使用后续中继器来建立DMT-信号链路，由此绕过所述下一中继器。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：

向邻接中继器分配非重叠的频带。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：

优先将具有最小衰减的所述频带分配给绕过一中继器的任何DMT-信号链路。

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