CN104520535A - 使用最不阻碍流体流的声学调制解调器在管道中通信 - Google Patents

使用最不阻碍流体流的声学调制解调器在管道中通信 Download PDF

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CN104520535A CN201380041198.1A CN201380041198A CN104520535A CN 104520535 A CN104520535 A CN 104520535A CN 201380041198 A CN201380041198 A CN 201380041198A CN 104520535 A CN104520535 A CN 104520535A
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约瑟夫·巴尔-科恩
埃里克·D·阿彻
晓奇·包
斯图尔特·谢里特
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Abstract

一种用来沿着例如井的装管传送数据的多个相控阵声通信设备。这种相控阵声通信设备采用例如压电变换器的声学变换器的相控阵列，用于把声能沿着装管在所需的方向传播。该系统由基于计算机的控制器所控制。包括数据和命令的信息，都是使用数字信令传输。

Description

使用最不阻碍流体流的声学调制解调器在管道中通信
相关申请的交叉参考
本申请要求2012年6月7日提交的序列号为61/656,940的同时审查的美国临时专利申请的优先权和权益，该申请在此全文引入作为参考。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
在这里公开的本发明是在根据NASA合约的执行工作中做出的，并且遵循公共法律96-517(35USC 202)的规定，其中立约人已决定要维持权利。
联合研究协议各方的名称
本发明源于NASA喷气推进实验室和美国Chevron公司联合研究协议下的工作，并且遵守42U.S.C.2473(c)(5)和(6)、以及1958年修订的国家航空与航天法案的第203(c)部分的规定。
通过引用并入的压缩光盘上提交的材料
不适用。
技术领域
本发明总体上涉及通信装置和方法，并且特别涉及声学通信装置和方法。
背景技术
石油工业寻求通过其钻孔远距离传送数据、信息和指挥信号。实现这种通信是一个很大的挑战，因为其管道窄的横截面和避免流经管道的油和其它流体阻塞的需要。通常，水下应用的声学调制解调器在世界范围内的海底应用中使用，它们通过水无线传输数据。然而，这种调制解调器使用声学发射机和接收机在不受阻碍的水通路中通信，但是其并不适用于具有狭窄的通道和复杂的几何形状的油管。现有的声学调制解调器使用的常规变换器(transducer)的限制在于，这些变换器的方向性不是设计用来在这种充满油的管道的环境中进行传输的。因此，干扰，反射和模式转换的发生会使通信的信号分析算法变成一个极复杂的任务。
在传统的钻井实践中，有用的是获得来自传感器的数据，这些传感器可位于推进钻头上，或可以位于井孔的某些位置。不同种类的装置和所感兴趣的数据中的一些包括：加速计和磁力计，以测量井孔的倾角和方位角，使得井可以到达既定位置；钻头的状况和操作相关的信息；关于油井通过的地层和其组成的地质和化学信息，如密度、孔隙率、电阻率数据、磁共振数据、温度和压力数据、伽玛射线数据等。
在传统的钻井实践中，数据可以从测量设备传送到位于井的顶部的数据采集的操作控制站，或在某些情况下，传输到远离所述井本身的类似操作控制站。常用的通信方法包括泥浆脉冲遥测，电磁遥测和有线钻管系统。
在泥浆脉冲遥测中，阀用来控制钻井泥浆的流速，如果在短时间间隔内激活该阀可导致压力变化。该脉冲可作为数字脉冲信号用于发送数据，通常是以数十赫兹或更低的数据速率。另外，由于泥浆也用作钻井流体，启动和停止泥浆的流动可以扰乱(disrupt)该钻头的钻孔动作。
在电磁遥测系统中，钻管本身之间形成了电连接，而且传感器或数据发生器通过绝缘与钻管隔离。第二电触点位于井附近的地面。两个触点形成偶极子天线的两个电极。在两个触点之间的电压差代表的信号是可被分析的接收信号。该系统能够提供的数据速率约为每秒10比特，其可以被非常低的频率的波携带，其范围在数十赫兹单位内。电磁遥测的深度能力有限，通常几千英尺。
在有线系统中，提供一种电连接，例如使用同轴电缆来传输信号。尽管这种系统可提供极高的数据速率，但是保持电连接可能是一个问题。由国民油井华高7909Parkwood Circle博士(德克萨斯州的休斯顿，邮编77036)研究的被称为IntelliServ有线管道网络的系统就是一种这样的系统，据说可以提供数据速率高达每秒1兆比特，其使用感应线圈以连接连续的钻管段。
众所周知，现有技术中已经在医学成像和工业无损测试(NDT)中使用超声相控阵列。医疗声波图通常通过专业多元件变换器(相控阵列)及其附带的硬件和软件制作，并且所述医疗声波图能提供内部器官的详细横截面图像。工业环境中也使用相位阵列系统来提供可视化的超声测试，其中包括焊接检查、粘合试验、厚度剖析、以及使用中的裂纹检测。
相控阵探头通常由变换器组件组成，所述变换器组件具有从16个到多达256个的小的单个元件，其中的每个都可以单独脉冲触发。这些元件可被布置成条带(线性阵列)、环(环形阵列)、循环矩阵(循环阵列)、或更复杂的形状。作为使用常规变换器的情况，相控阵列探头可以被设计为直接接触使用，作为具有楔形角度波束组件的一部分，或通过一个水通路声音耦合用于浸渍(immersion)使用。最常见的变换器频率范围从2MHz至10MHz。相控阵列系统还包括复杂的基于计算机的仪器，该仪器能够驱动所述多单元探头，接收和数字化返回回波，并以各种标准格式绘制回波信息。不同于传统缺陷检测器，相控阵列系统能通过一定范围的折射角度或沿着直线路径扫描声束，或者动态地在多个不同深度聚焦，从而增加了检查设置中的灵活性和能力。超声无损测试仪器、组件、软件和控制电路可购自多个制造商，包括Olympus公司、GE测量和控制公司、美国国家仪器公司、英国声纳检测公司、玛丽埃塔无损检测有限公司(MariettaNondestructive Testing Inc)、X射线工业公司的X-R-I测试分部、以及其它公司。
Mulhauser在1931获得的德国专利，用于使用超声波和使用两个变换器来检测固体中的缺陷。
在现有技术中，同样已知的是在1942年4月21日发布的专利号为2,280,226的Firestone的美国专利，据说公开了一种用于检测材料中的密度或弹性的异质性的存在的设备。
在现有技术中，同样已知的是在1949年10月4日发布的专利号为2,483,821的Firestone的美国专利，据说公开了通过超声波检查材料。
在现有技术中，同时已知的是在1953年1月13日发布的专利号为2,625,035的Firestone的美国专利，据说公开了一种机电变换器，特别是公开了一种发送和接收超声波序列压电晶体装置。
在现有技术中，同样已知的是在1961年10月17日发布的专利号为3,004,425的亨利的美国专利，据说公开了一种压电式变换器(例如天然石英)，特别是公开了当与例如超声波探伤器的仪器一起使用的情况，其中采用了超声资料检查的脉冲回波技术。
在现有技术中，同样已知的是在1976年2月3日发布的专利号为3,936,791的Kossoff的美国专利，据说公开了用于对象的超声检查、特别是用于医疗诊断检查的装置，其包括：相控阵列变换器，它能够聚焦变换器的纵向平面中的超声波脉冲的波束；以及聚焦装置，其聚焦垂直于所述纵向平面的多维波束。
在现有技术中，同样已知的是在1981年12月29日发布的专利号为4,307,613的Fox的美国专利，据说公开了成列布置的的变换器部分的阵列，每一部又分具有多个部分。这些部分有线连接以允许相反相位的两个高频信号中的一个或另一个的激励，而这些部分的多个组的可由相同的相位激励，以接近环形环相位反转的波带片(zone plate)的形状。通过改变被类似激励的元件的编组，波带片所产生的聚焦区域的位置在横向位置偏移。铁氧体磁芯变压器同时便利地用于所述装置接收到的回波信号的分相和相叠加。
在现有技术中，同样已知是在1989年12月26日发布的专利号为4,890,268的Smith等人的美国专利，据说公开了一种二维超声相位阵列，其是圆孔的直线近似，并由多个变换器构成，所述多个变换器设置成基本上同时关于第一(X)轴和第二(Y)轴对称并且位于多个子阵列中，每个子阵列在第一方向上延伸(即平行于扫描轴X)所确定的用于该子阵列的多个变换器的长度，但是，单个变换器的宽度在第二正交的(扫描平面之外或Y)方向延伸，以便于动态聚焦和/或动态变迹。每一个子阵列变换器由多个薄板(2-2陶瓷复合材料的一部分)完全并联电连接构成，所述并联电连接通过将一个变换器电极施加到每个变换器中所有薄片的并置的第一端，而一个公共电极将所有的薄片的剩余端连接在阵列的每个单独的X坐标线上。
在现有技术中，同样已知的是在2004年1月6日发布的专利号为6,672,163的Han等人的美国专利，据说公开了一种使用超声波的声信号用于原位表征井眼中的井下(downhole)流体的方法和装置。音速的测量、信号的衰减、以及声学反散射被用于提供如化合物的定性和定量数据、如固体颗粒的属性、可压缩性、泡点、以及流体的油/水比率。该工具通常包括三组安装在垂直于流动方向的声学变换器。这些变换器能在不同频率下运行，因而可以优化该声信号的频谱。该装置能够在井下工作以提供如井中条件的实时信息。
在现有技术中，同时已知的是在2011年5月31日发布的专利号为7,950,451的Alberty的美国专利，据说公开了一种方法和装置，它结合了井的钻管和井的壁之间的井的环形空间内的物质的实际速度的测量结果，与根据钻管和孔的壁之间的距离的测量结果所确定的流的面积的测量结果，以确定实际物质的体积流速。在沿着井的一个或多个点的体积流速的变化可以用于确定井的功能障碍的发生和位置。然后将该结果用于做出关于处理井的机能障碍的判断，这将导致更有效地使用钻探的准备时间。
需要改进用于沿着钻孔通信的系统和方法。
发明内容
根据一个方面，本发明的特征在于装管中使用的声通信系统。该系统包括装管，其具有第一端和至少第二端；多个相控阵列声通信设备，所述多个相控阵列声通信设备中的每个设备被配置为发送声信号和接收声信号，所述多个相控阵列声通信设备中的第一个位于所述装管的第一端的附近，并且具有至少一个输入端口，用于与控制器通信，并且具有至少一个输出端口，用于与所述控制器通信，且多个相控阵列声通信设备的第二个设备位于距离所述多个相控阵列声通信设备的第一个设备一定距离处，所述多个相控阵列声通信设备的第二个设备配置为与所述多个相控阵列声通信设备的第一个设备通信并配置为通过其接收指令；以及控制器，其配置为通过信号输入端口激活所述多个相控阵列声通信设备中的一个设备，并配置成通过输出端口输入终端接收来自所述多个相控阵列声通信设备中的一个设备的信号，并且配置为通过控制器输出端口提供表示声信号的电信号，所述声信号由所述多个相控阵列声通信设备中的一个设备接收。
在一个实施例中，装管是井孔。
在另一个其他的实施例中，变换器系统不会堵塞或者阻碍井孔。
在另一实施例中，其中所述多个相控阵列声通信设备中的每一个设备都具有用于相控阵列声通信设备之间的通信的唯一的标识符。
在又一实施例中，所述多个相控阵列声通信设备中的每一个设备以不同于所述多个相控阵列声通信设备中的其它所有设备操作的声频的声频操作。
在另一不同实施例中，所述井是油井。
在其他的实施例中，所述井是气井。
在另外的实施例中，所述控制器包括通用可编程计算机和以非暂时性的方式记录在机器可读介质上的指令集。
在一个附加实施例中，当操作通用可编程计算机时，该指令集通过输入端口激活多个相控阵列声通信设备中的一个设备。
在另外的其他实施例中，当操作通用可编程计算机时，该指令集通过所述输出端口输入终端控制所述多个相控阵列声通信设备中的一个设备的信号接收。
在一个实施例中，当操作通用可编程计算机时，该指令集控制在控制器输出端口处提供表示声信号的电信号，所述声信号由多个相控阵列声通信设备之一接收。
在又一实施例中，该系统还包含显示器。
在其他实施例中，当操作通用可编程计算机时，该指令集控制所述显示器的操作。
在另外的其他实施例中，当操作通用可编程计算机时，该指令集控制将要呈现给用户的信息。
在另外的实施例中，该系统还包括用户可操作的输入装置。
在一个附加实施例中，当操作通用可编程计算机时，该指令集可以控制用户输入的接收。
在另一实施例中，多个相控阵列声通信设备中的至少一个设备为管状形式。
在又一实施例中，多个相控阵列声通信设备中的至少一个设备具有内部开口，其至少与装管有相同的横截面。
在另一个其他的实施例中，多个相控阵列声通信设备中的至少一个设备与传感器通信。
本发明的前述和其它目的、方面、特征和优点根据下文的说明和根据权力要求将变得更加明显。
附图说明
参照下文附图所作的说明以及权利要求书，可以更好地理解本发明的目的和特征。附图不一定是按比例绘制的，而是将重点放在说明本发明的原理。在附图中，类似的标号用于指示各个视图中类似的部分。
图1是该系统的一个管道段的示意图。
图2是相控阵列设计的示意图，所述相控阵列用于通过充满液体的管道通信。
图3是相控阵变换器和它的元件的示意图。
图4A是相控阵列变换器激活的示意图，其通过控制所述变换器元件的延迟时间以一个角度发送波束。
图4B是控制所述变换器元件的延迟时间对扫描模式下的相控阵变换器的激活的示意图。图5A是一个成双角度的压电变换器环设计的横截面示意图。箭头示出了从每个变换器发送的信号的方向。该变换器可以检测到相对方向的信号。
图5B是图5A中的变换器的另一视图。
图6是双向容积扩大变换器的示意图，该变换器同时产生沿管道向上和沿管道向下的交替压力。它也可以是配置为单向发送或接收声信号的相控阵列元件。
图7A是一个垂直井的示意图。
图7B是一个独立的水平井的示意图。
图7C是一个多分支井的示意图。
图8是控制器与多个相控阵列声通信设备和传感器通信的示意图。
图9是数据采集过程的示意流程图。
图10是可选择的数据采集过程的示意流程图。
具体实施方式
公开了一种使用多个独立的相控阵列收发器(发射机和接收机)的声学调制解调器，其允许沿充满液体的管道与变换器进行高频声波的侧边(sideway)通信。所公开的声学变换器允许人们在发射机和接收机之间引导声波，同时保证由管道壁的存在引入的干扰最小。在另一实施例中，公开了一种用于通过钻孔向上和向下直接发送通信信号的系统和方法，其使用了成角度的压电环变换器。
公开了一种声学相位阵列变换器，其提高了沿着流体填充的管道的通信。传感器被配置为以小角度向表面发送可以被引导的窄波束，以致最小化沿着通向调制解调器的接收部分的路径的管道的几何结构之间的干扰。
我们描述了通信的系统和方法，其需要从传感器发送数据，以及控制在井的完成的区域中的执行器(actuator)。
变换器
在图1中示出了系统的管道截面的总体示意图。
在工作井或管道中，存在的流体可以包括原油、水、泥沙和化学物质。根据一个实施例，相控阵变换器被用来产生声波和以平行于管道的主方向发送声波，以便沿着流动的流体发送声波。相控阵变换器允许人们将系统设计为在由因衰减产生的截止频率和所需波特率确定的合适的频率来操作。在实践中，频率越高，波特率和衰减就更高。
一种容积扩大双向声学发射器可以产生孔上和孔下超声波/声波通信信号。由于充满液体的管道形成波导，所以不同模式的声波可在液体芯中具有不同的相位和群速度。为了获得清晰的失真较少的信号，更好的做法是以基本模式操作，其可以通过流体传播。对直径为5英寸(12.7厘米)的理想的液体填充的硬管道壁，较高模式下的最低截止频率为大约7千赫兹，其中假设在液体中的速度是1500米/秒，其是一种典型的似水流体。所公开的发明包括即将描述的三种不同的声变换器配置。
线性相控阵变换器
一种线性相控阵列变换器进行电扫描以产生如下所述的孔上行或孔下行的信号。图2示出了用于通过充满液体的管道通信的相控阵列发射机设计的示意图。这种相控阵发射机包括至少两个环变换器。一种有源压电环覆盖一层电绝缘层，并且具有声衬以最小化或防止管道外侧的声能辐射。变换器的频率可以调节为低于任何高模式的截止频率以避免信号失真，并且依然保持在管道中的基本模式下相对较低的传播衰减的优点，其中信号失真是由充满液体的管道中高传播模式下的不同相位和群速度所导致的。变换器的内表面与所述管道的内径相一致，以避免对流动和经过孔下仪器时的机械干扰，并且以避免产生额外的局部湍流，这对信号接收机来说是一个噪声源。图2示出了电子发射机或接收机在向上的方向上的发送或接收信号。延迟时间t＝V/L，其中V是管道中基本模式下液体的音速，而L是相邻变换器的中心间的间隔。变换器的高度应该优选地小于用于高传输效率模式波的半波长。来自变换器的所发送的声信号在管道中向上传播时将被叠加但在向下方向可以在工作频率范围内产生相位抵消(phase cancellation)。当阵列用作声波接收机时，类似的响应可以实现。通过调整变换器的数量和间隔可以优化这种抵消。在一些实施例中，时间延迟级可被移相器代替。正如所完全理解的那样，时间差和相差是等价的，并且如果给出了二者中的一个被应用到相控阵列系统的信号的特征，那么可以将二者相互关联。
一般来说，传统的声学和超声变换器要么具有可以同时产生和接收声波的单个有源元件，要么具有两个配对元件，其中一个用于发送，而另一个元件用于接收。相比之下，相控阵列变换器由多个小的单独的元件的平面组元所制得，并且其中的每一个元件都可以被单独地脉冲激励，正如图所示3。通过控制每一个单独元件所发送的波的相位，可以发生干涉以创建具有可控方向的波。特别地，通过控制信号施加到每个连续元件的发射信号的触发之间的时间延迟，所发射的声波可聚成波束，而该波束可指向预期的角度范围。
图4A是如何通过控制来自变换器元件的时间延迟来激活扫描模式下的相控阵列变换器的示意视图。在图4A中，线410、410’表示按照某一角度穿过管道的定向波束，而该管道的壁被标识为420、420’。发射机相控阵列被标示为430。因此，按角度范围从距阵列表面约+90°变化至距阵列表面约-90°传输的声波可以生成。而该信号可以被另一个沿着管道表面方向上的相距发送器一定距离的相控阵列变换器所接收。
图4B示出了通过控制变换器元件的时间延迟来激活扫描模式下的相控阵列变换器的示意视图。
双向变换器
另一种产生上孔或下孔的超声波/声波通信信号的方法就是使用成角度的压电环(或分段环)变换器。图5A是一个成双角度的压电环变换器的示意横截面视图，其被设计为具有绝大多数(predominately)朝着上孔(540)或者朝着下孔(540’)的法平面。箭头显示了由各个变换器发送的信号的方向。该变换器能够检测相对方向的信号。向上或向下的管道变换器可以被独立的打开，或者同时打开以向孔上或孔下发送信号。在一个实例中，环变换器可被设计成具有固态微型喇叭阵列SMIHA匹配层，以增加所发射的功率和减少反射信号。相关内容可参见Stewart Sherrit、XiaoqiBao、Yoseph Bar-Cohen的“应用于声抗匹配的固态微型喇叭阵列(SolidMicrohorn Arrays for Acoustic Impedance Matching)”(SPIE第15届智能材料和结构国际研讨会的会议论文集，加拿大圣地亚哥，SPIE卷6932-107，2008年3月9-13号)；以及Stewart Sherrit、Xiaoqi Bao、Yoseph Bar-Cohen的“应用于超声阻抗匹配的微型喇叭阵列(Micro-Horn Arrays for UltrasonicImpedance Matching)”(NPO-43907，NASA技术简要，卷33，第9期，46-47页，2009年9月)。可以相信的是，变换器对可以被用来测量由上部分发送的信号，并向下部分传输信息，反之亦然。所示变换器还将在管道中生成行进速度更快的超声波，并且这些信号可以用来证实那些通过油介质传送的信号。
双向容积扩大变换器
图6是双向容积扩大传感器的示意图，该传感器同时产生在向上和向下的管道中行进的交替压力。该变换器同时发送在向上和向下的管道中传送的声信号。该变换器包括在一个或多个组套中的压电环和金属弯曲元件。当变换器被激励时，一个或多个压电环组套扩张和收缩，并且进而压缩该金属弯曲元件，使其本身能回复到未压缩状态。当被压缩时，弯曲元件将弹性保护罩推入管道，并且产生一个在向上和向下的管道中传播的压力波。压力波的产生与激励的压电环组套在相同的频率上。这些可以是沿着管道长度的圆柱形线性阵列的中的单个变换器元件或配置。
系统部件和通信元件
如本文所用的，短语“相控阵声学通信装置”(或“PAACD”)是指一种通信设备，其包括至少一种本文所述类型的声学变换器的相控阵列、以及电源、通用可编程计算机、以及记录在机器可读介质的指令集，以使设备可以接收和发送声信号，可以编码、解码和处理来自和/或去往另一个PAACD或传感器的信息，并且在需要自动地运行时，能自主地运行(例如，并不一定需要由另一个设备支持)。
图7A是垂直井的示意图。在图7A中，有一个相控阵列声通信设备710位于井的顶部，并且还有一个或多个相控阵列的声通信设备712、714位于井中的不同深度处。
图7B是独立的水平井的示意图。在图7B中，有一个相控阵声通信设备730位于井的顶部，并且还有一个或多个位于井孔的不同位置相控阵列声通信设备732、734。
图7C是多分支井的示意图。在图7C中，有一个相控阵列声通信设备750位于井的顶部，并且还有一个或多个相控阵列声通信设备752、754、756位于沿着井孔的不同位置，其可沿孔的不同的分支分布。
图8是一个控制器的示意图，所述控制器与多个相控阵列声通信设备和传感器通信。如图8所示，在一个实施例中，控制器是基于计算机的控制器810，例如通用可编程计算机可通过以非易失性方式记录在在机器可读介质812(例如磁盘)的指令进行编程。这些指令可以从机器可读介质812传送到所述基于计算机的控制器810，例如箭头814所示，其可以指示该机器可读介质812物理地连接到基于计算机的控制器810、或与基于计算机的控制器810进行电子通信。
当基于计算机的控制器上810运行时，以非易失性方式记录在机器可读介质812中的指令定义操作多个相控阵列声通信设备816、830、832、834的方法。通常，至少有两个相控阵声通信设备812、830。声相控阵通信设备816(也称为相控阵声通信设备1或在井的顶部的相控阵列声通信设备)与控制器810进行双向通信，如双向箭头818所示。基于计算机的控制器810和相控阵声通信设备816之间的通信可以使用任何方便的数字协议，例如，使用IEEE 802协议、国际电信联盟(ITU)的H.323协议、或综合业务数字网(ISDN)协议中的任何一种协议。双向通信可以通过有线电连接、无线连接、光纤连接、或任何其他常规的通信连接进行。在控制器810和相控阵声通信设备816之间的物理距离可以是任何合适的距离。
该基于计算机的控制器810可接收来自用户的指令或命令，用户可通过使用诸如键盘、鼠标、触摸屏或任何适合的人机接口设备发布这样的指令或命令，所述设备与所述基于计算机的控制器810通信。
该用户可以位于所述基于计算机的控制器810附近，或者可以远离基于计算机的控制器810，并且使用诸如因特网的基于分组的通信系统连接到基于计算机的控制器810。
该基于计算机的控制器810可以包含显示器。如果用户在基于计算机的控制器810附近，那么可以使用显示器来向用户展示正在发生的通信的进展。如果用户远离基于计算机的控制器810，则可将要显示的信息传送到靠近用户的位置的显示器上。特别是，任何显示器都可以被配置为向用户显示正在进行的通信指示信息。
相控阵列声通信设备816可以使用本发明的声学方法与一个或多个相控阵列声通信设备830、832、…834(表示为相控阵声通信设备2、3、以及N，其中N是大于或等于4的整数)以直接方式(分别由双向箭头842、844和846所示)通信，或者间接地通过使用其它相控阵列声通信设备中的两个之间的通信链路进行通信(由双向箭头852、854所示)。
为了实现通信，每个相控阵声通信设备都包括本地处理器(例如微处理器或微控制器)、本地存储器(例如半导体存储器)、本地电源(如电池)。每个相控阵声通信设备可被分配唯一的标识，例如唯一的字母数字串。或者，每个传感器可以使用唯一的运行频率作为标识符。可以根据商定的协议进行通信，例如通过基于分组的数字协议通过相控阵声通信设备之间的声信号通信。
图8中示出了一个传感器860，它被示出为与相控阵列声通信设备830的双向通信，如带虚线的箭头870所示。带虚线的箭头用来表示有可能切换到另一个相控阵声通信设备的另一个通信链路，这取决于哪个相控阵声通信设备最接近传感器860。
图9是数据采集过程的流程示意图。如图9所示，在步骤920中，由控制器(例如基于计算机的控制器810)发出命令。该命令可以是响应来自用户的指令，或者该指令可基于记录在机器可读介质812上的指令集中的指令发布。该命令指示相控阵列声通信设备1将指令传送到另一个相控阵列声通信设备来收集数据和/或报告已经收集的数据。在步骤922中，相控阵声通信设备1发出合适的命令至第二相控阵声通信设备，例如相控阵声通信设备2(或者，如从图8理解的那样，必需时，可以是任何其它相控阵声通信设备)，该命令指示接收相控阵列通信设备执行规定的动作。在步骤924中，第二相控阵列声通信设备执行必要的动作，例如准备数据。在步骤926中，第二相控阵列声通信设备将数据发送到第一相控阵列声通信设备。在步骤928中，第一相控阵声通信设备将数据发送到控制器。在步骤930中，控制器根据数据产生结果，这是数字数据，如分析数据或将该数据转换成用户所需的形式，例如文本、数字或图形数据。在步骤932中，结果被记录、和/或存储、和/或显示。
图10是另一个数据采集过程的流程示意图。在图10所示的过程中，在步骤1020中，该第二相控阵声通信设备(例如，位于钻孔或井套管的相控阵声通信设备)根据程序(例如，根据记录在所述相控阵列声通信设备的本地机器可读存储器的指令)准备数据。在步骤1022中，第二相控阵列声通信设备将数据发送到所述第一相控阵列声通信设备。在步骤1024，第一相控阵声通信设备将数据发送到控制器。在步骤1026中，控制器根据数据产生结果，这是数字数据，如分析数据或将该数据转换成用户所需的形式，例如文本、数字或图形数据。在步骤1028中，结果被记录、和/或存储、和/或显示。
所述的声学变换器是该系统的重要组成部分，并能提高来自传感器的通信，同时控制完成区域中的执行器。
数据速率和数据量
在第一实施例中，所公开的调制解调器调制模拟载波信号以将数字信息编码，并且还对载波信号进行解调来解码所传送的信息。因此，信号可以被传送和解码以再现原始数字数据。
在第二实施例中，调制解调器可以使用包括在运行频率下的多个周期的脉冲信号以编码和解码信息。在这样的系统中，脉冲和脉冲之间的间隔被用于根据预定义的协议来编码信息。
可以预期的数据速率是在高达几万赫兹的范围内。可传送的信息包括常规记录油井的标准信息，如井的状态、钻孔周围环境的地质条件、油或气的流速、以及任何其他传感器可以提供的信息。
音速
如所理解的，声通信依赖于声信号的传播速度。声音在不同介质的速度呈现于下表1中。
表1
对于流体，如空气和水，在公式给出的参数如下：(θ)是摄氏度(℃)单位下的温度；ρ是流体的密度；而K是流体的体积弹性模量。
对于固体，其被建模为弹性材料，式中给出的参数如下：K和G分别是弹性材料的体积弹性模量和剪切模量，Y为杨氏模量，ν是泊松比。特别是杨氏模量和泊松比之间的关系由下式给出：
Y＝3K(1-2ν)
根据编号为6,672,163的美国专利，液体中的音速是在0.8毫米/微秒(或800米/秒)至2毫米/微秒(或2000米/秒)的范围内。
因此，显而易见的是，从井中的信号源发出的声信号通常需要从几分之一秒(对于靠近地面的信号源)至几秒(对于几千米深的井中的信号源)来传播到位于地面的接收机。在相反方向(从地面的信号源传播到井下有一段距离的接收机上)传输信号的时间也将需要类似的时间。
在一些情况下，可能需要通过配置多个相控阵列声通信设备来“中继”信号，所述多个相控阵列声通信设备位于沿钻孔的不同距离处，使得由钻孔深处的信号源发出的信号可以由更靠近地面的相控阵列声通信设备接收、放大、并再传送到另一个更靠近地面(或在地面上)的相控阵声通信设备，从而提供足够的信号振幅来成功发送信息，并且具有可接受的低错误率。相同的“中继”信号的方法也可以用在向下方向(例如从地面到位于钻孔下的某个距离的相控阵列声通信设备)。在电子数据处理中的延迟将非常短(例如，每个相控阵声通信设备大约为几微秒或更少的数量级)。通过相控阵列声通信设备执行的电信号和声信号之间的信号转换的延迟将是运行频率下的几个声音周期的数量级，在千赫频率下是毫秒量级的。因此，由于传播引起的延迟一般将要成为系统中的限制速率的延迟。
在一些实施例中，信号的“往返”传播的预期的延迟将是几秒钟到几十秒钟的数量级。
电力供给
在钻井时测量的系统(MWD)使用的电力系统通常可被分类为电池或涡轮两种类型之一。这两种类型的电力系统具有固有优势和倾向。在许多MWD系统中，使用这两种类型的电力系统的结合来给MWD工具提供电力，使得在间歇的钻井流体流出的条件下将不会中断电力。电池可以独立于钻井流体循环提供这种电力，并且如果将在移入或移出孔时进行记录，电池是必要的。
锂亚硫酰氯(Lithium-thionyl chloride)电池通常在MWD系统中使用，因为它们结合了优异的高能量密度和在MWD工作温度下的优异性能。它们提供了稳定的电压源，直到非常接近它们使用寿命的结束，并且它们不需要复杂的电子装置来调节供应。然而，这些电池的瞬时能量输出有限，并且它们可能不适于需要高电流消耗的应用。虽然这些电池在较低温度下是安全的，如果加热到180℃以上，它们可能经历剧烈加速反应，然后发生剧烈爆炸。即使这些电池在其使用寿命内非常有效，它们也不是可充电的，并且它们的处理严格遵守环保法规。或者，人们可以使用再生(或可再充电)电池。
充足电力的第二来源是涡轮动力，其使用钻机的钻井流体作为能量源(或将能量从井口的动力源传送到消耗电力的井下设备)。涡轮使用泥浆流以产生旋转运动。旋转力由涡轮转子通过公共轴传递到交流发电机，以产生三相可变频率的交流电(AC)。电子电路将交流电整流成可用直流电(DC)。过量电流可用于充电可再充电电池。
计算机控制操作
市售的数据采集和分析包，例如LabWindowsTM/CVI软件和PXI硬件(可从德克萨斯州奥斯汀N.Mopac Expwy 11500的美国国家仪器公司购得，邮编78759-3504)可用于接收、记录并分析数据，并使用通用目的可编程计算机控制硬件的运行。上述内容已经在几年前被文字报道过。本领域普通技术人员可以最小的试验需要来构建和运行这种系统。
定义
除非本文另外明确陈述，否则对声信号、电子信号或电磁信号(或它们的等价物)的任何引用都应被理解为是指非暂时性的声信号、非暂时性的电子信号或非暂时性的电磁信号。
运行或数据采集的结果的记录，例如，在特定频率或波长的结果记录应理解为是指和在此定义为以非暂时性的的方式将输出数据写入到存储元件、写入到机器可读存储介质、或写入到存储装置。可在本发明中使用的非暂时性计算机可读存储介质包括电子、磁和/或光存储介质，如磁软盘和硬盘；在一些实施例中可以采用DVD光盘、任何CD-ROM盘(即，只读光学存储盘)、CD-R盘(即，一次写入、多次可读光学存储盘)和CD-RW盘(即，可重写的光学存储盘)的DVD驱动器、光盘驱动器；以及电子存储介质，诸如RAM、ROM、EPROM、紧凑型闪存卡、PCMCIA卡、或可替换地SD或SDIO储存器；以及适应和读取和/或写入存储介质的电子组件(例如，软盘驱动器、DVD驱动器、CD/CD-R/CD-RW驱动器或紧凑型闪存/PCMCIA/SD适配器)。除非另外明确陈述，否则这里提及的“记录条目”或“记录动作”理解为指非暂时性的记录条目或非暂时性的记录动作。
如机器可读存储介质领域中的技术人员所知，新的数据存储介质和格式正在被不断地设计，并且商业上可获得的任何方便的存储介质和将来可用的相应的读/写设备有可能适合使用，特别是在如果它提供更大的存储容量、更高的存取速度、更小的尺寸和更低的每比特信息存储的成本中的任何一项的情况下有可能适合使用。已知的较老的机器可读介质也在某些条件下使用，例如穿孔纸带或卡、磁带或线上的磁记录、印刷字符的光学或磁性读取数据(例如，OCR和磁编码符号)和机器可读符号，例如一维和两维的条形码。记录图像数据以备后用(例如，将图像写入到储存器或数字储存器)的执行可以将所记录的信息作为输出、作为向用户展示的数据、或者作为以后可使用的数据。这种数字储存器元件或芯片可作为独立储存器设备、或可结合进感兴趣的设备。“写入输出数据”或“将图像写入到储存器”在这里被定义为包括在微型计算机内将变换后的数据写入寄存器。
“微型计算机”在此定义为等同于微处理器、微控制器和数字信号处理器(“DSP”)。应当理解，例如，微型计算机所使用的储存器，包括用于数据处理的编码为“固件”的指令可以物理的驻留在微型计算机芯片的储存器内、或在微型计算机外部的存储器内、或者内部储存器和外部储存器的组合中。同样地，模拟信号可以被存在于微型计算机封装中的独立的模数转换器(“ADC”)或一个或多个ADC通道或多路复用ADC通道数字化。还应该理解，现场可编程门阵列(“FPGA”)芯片或专用集成电路(“ASIC”)芯片可以执行微型计算机的功能，无论是以微型计算机的硬件逻辑形式、软件模拟形式、还是这两种形式的组合。具有本文所述的任何特征的装置可以完全在一个微型计算机上操作或可包括一个以上的微型计算机。
用于控制仪器、记录信号和分析信号或数据的通用可编程计算机，根据本说明书可以是任何个人计算机(PC)、基于计算机的微处理器、便携式计算机或其它类型的处理设备。通用可编程计算机通常包括中央处理单元、能记录和读取信息的存储器或储存器单元和机器可读存储介质、通信终端(例如有线通信设备或无线通信设备)、输出设备(例如显示器终端)、以及输入装置(例如键盘)。显示终端可以是触摸屏显示器，在这种情况下，可以同时作为显示设备和输入设备。可以存在不同的和/或附加输入设备(例如，指向设备，如鼠标或操纵杆)，并且可以存在不同或附加的输出设备(例如，发声器，如扬声器)、第二显示器或打印机。该计算机可以运行多种操作系统中的任何一种，例如，Windows、UNIX或MacOS，或Linux的各种版本中的任何一种。通用计算机运行所获得的计算结果可被存储供以后使用，和/或显示给用户。最起码，每个基于微处理器的通用计算机都具有寄存器，其能够存储微处理器内的各个计算步骤的结果，该结果共同存储在高速缓冲储存器中，以便稍后使用，以使该结果可被显示、记录到非易失性存储器、或用于进一步的数据处理或分析。
理论论述
尽管本文给出的理论描述被认为是正确的，但是本文描述和要求保护的设备的运行不依赖于理论描述的准确性或有效性。也就是说，后续的理论发展可能解释所观察到的结果，其依据不同于这里介绍的理论，但将不会偏离在这里描述的本发明。
本说明书中确定的任何专利、专利申请、专利申请出版物、期刊文章、书籍、发表的论文、或其它公开可得材料在此以全文引用的方式并入本文中。任何材料或其部分，即所述以引用方式并入本文但与现有定义、表述或者本文明确阐述的其它公开材料冲突的任何材料或其部分，仅引入到所引入的材料与本公开材料之间不发生冲突的范围内。如果发生冲突，冲突应以有利于本文作为优选的公开内容为原则。
尽管本发明已经具体示出并参照如附图所示的优选模式进行了描述，但是本领域普通技术人员将理解的是，可以对其各种细节进行改变而不偏离所附权利要求书所限定本发明的精神和范围。

Claims (19)

1.一种装管中使用的声通信系统，包括：
装管，其具有第一端和至少第二端；
多个相控阵列声通信设备，所述多个相控阵列声通信设备中的每个相控阵列声通信设备被配置为发送声信号和接收声信号，所述多个相控阵列声通信设备中的第一相控阵列声通信设备位于所述装管的所述第一端的附近，并且具有用于与控制器通信的至少一个输入端口，还具有用于与所述控制器通信的至少一个输出端口，且所述多个相控阵列声通信设备中的第二相控阵列声通信设备位于距离所述多个相控阵列声通信设备的所述第一相控阵列声通信设备一定距离处，所述多个相控阵列声通信设备的所述第二相控阵列声通信设备配置为与所述多个相控阵列声通信设备的所述第一相控阵列声通信设备通信，并通过所述多个相控阵列声通信设备的所述第一相控阵列声通信设备接收指令；以及
控制器，其配置为通过所述输入端口激活所述多个相控阵列声通信设备中的一个相控阵列声通信设备，配置成通过输出端口输入终端接收来自所述多个相控阵列声通信设备中的所述一个相控阵列声通信设备的信号，并且配置为在控制器输出端口处提供电信号，所述电信号表示由所述多个相控阵列声通信设备中的所述一个相控阵列声通信设备接收的声信号。
2.根据权利要求1所述的装管中使用的声通信系统，其中，所述装管是井的孔。
3.根据权利要求2所述的装管中使用的声通信系统，其中，所述变换器系统不堵塞或者阻碍所述井的所述孔。
4.根据权利要求1所述的装管中使用的声通信系统，其中所述多个相控阵列声通信设备中的每个相控阵列声通信设备具有用于相控阵列声通信设备之间的通信的唯一的标识符。
5.根据权利要求1所述的装管中使用的声通信系统，其中所述多个相控阵列声通信设备中的每个相控阵列声通信设备以不同于所述多个相控阵列声通信设备中的所有其它相控阵列声通信设备运行的声频的声频运行。
6.根据权利要求1所述的装管中使用的声通信系统，其中所述井是油井。
7.根据权利要求1所述的装管中使用的声通信系统，其中所述井是气井。
8.根据权利要求1所述的装管中使用的声通信系统，其中所述控制器包括通用可编程计算机和以非暂时性的方式记录在机器可读介质上的指令集。
9.根据权利要求8所述的装管中使用的声通信系统，其中所述指令集在所述通用可编程计算机上运行时，通过所述输入端口激活所述多个相控阵列声通信设备中的所述一个相控阵列声通信设备。
10.根据权利要求8所述的装管中使用的声通信系统，其中所述指令集在所述通用可编程计算机上运行时，通过所述输出端口输入终端控制对来自所述多个相控阵列声通信设备中的所述一个相控阵列声通信设备的信号的接收。
11.根据权利要求8所述的装管中使用的声通信系统，其中所述指令集在所述通用可编程计算机上运行时，控制在控制器输出端口处提供电信号，所述电信号表示由所述多个相控阵列声通信设备中的所述一个相控阵列声通信设备接收的声信号。
12.根据权利要求1所述的装管中使用的声通信系统，还包括显示器。
13.根据权利要求12所述的装管中使用的声通信系统，其中所述指令集在所述通用可编程计算机上运行时，控制所述显示器的运行。
14.根据权利要求12所述的装管中使用的声通信系统，其中所述指令集在所述通用可编程计算机上运行时，控制将要呈现给用户的信息。
15.根据权利要求1所述的装管中使用的声通信系统，还包括由用户可操作的输入设备。
16.根据权利要求15所述的装管中使用的声通信系统，其中所述指令集在所述通用可编程计算机上运行时，控制对来自用户的输入的接收。
17.根据权利要求1所述的装管中使用的声通信系统，其中，所述多个相控阵列声通信设备中的至少一个相控阵列声通信设备为管状形式。
18.根据权利要求1所述的装管中使用的声通信系统，其中，所述多个相控阵列声通信设备中的至少一个相控阵列声通信设备具有内部开口，所述内部开口至少具有与所述装管相同的横截面。
19.根据权利要求1所述的装管中使用的声通信系统，其中，所述多个相控阵列声通信设备中的至少一个相控阵列声通信设备与传感器通信。
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