CN111247310A - 沿着管状构件执行无线超声通信的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
描述了一种用于沿着管状构件进行无线通信的方法和系统。该方法包括确定、构建和安装通信网络，该通信网络使用一个或多个通信耦合设备(114)沿着一个或多个管状构件(110)进行通信。该通信网络用于执行系统的操作，诸如烃操作，所述操作可能涉及烃勘探、烃开发和/或烃生产。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年11月17日提交的题为“Method and System for PerformingWireless Ultrasonic Communications along Tubular Members”的美国临时申请序列No.62/588,080的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
本申请涉及于2018年3月1日公开的题为“Dual Transducer CommunicationsNode for Downhole Acoustic Wireless Networks and Method Employing Same”的美国专利公开No.2018/0058207、于2018年3月1日公开的题为“Communication Networks,RelayNodes for Communication Networks,and Methods of Transmitting Data Among aPlurality of Relay Nodes”美国专利公开No.2018/005206、于2018年3月1日公开的题为“Hybrid Downhole Acoustic Wireless Network”的美国公开No.2018/0058208、于2018年3月1日公开的题为“Methods of Acoustically Communicating and Wells that Utilizethe Methods”的美国公开No.2018/0058203、于2018年3月1日公开的题为“DownholeMultiphase Flow Sensing Methods”的美国公开No.2018/0058209、于2018年3月8日公开的题为“Acoustic Housing for Tubulars”的美国公开No.2018/0066510，其公开内容通过引用整体并入本文。
本申请涉及以下具有共同发明人和受让人的美国临时申请：于2018年9月24日提交的题为“Method and System for Performing Operations using Communications”的美国专利申请No.16/139,414、于2018年9月24日提交的题为“Method and System forPerforming Communications using Aliasing”的美国专利申请No.16/139,394、于2018年9月24日提交的题为“Method and System for Performing Operations withCommunications”的美国专利申请No.16/139,427、于2018年9月24日提交的题为“Methodand System for Performing Wireless Ultrasonic Communications along a DrillingString”的美国专利申请No.16/139,421、于2018年9月24日提交的题为“Method andSystem for Performing Hydrocarbon Operations with Mixed CommunicationNetworks”的美国专利申请No.16/139,384、于2017年11月17日提交的题为“Method andSystem for Performing Communications During Cementing Operations”的美国临时申请No.62/588,054、于2018年9月24日提交的题为“Vertical Seismic Profiling”的美国专利申请No.16/139,373、于2017年11月17日提交的题为“Method and System forPerforming Operations using Communications for a Hydrocarbon System”的美国临时申请No.62/588,067以及于2017年11月17日提交的题为“Method and System forPerforming Hydrocarbon Operations using Communications Associated withCompletions”的美国临时申请No.62/588,103，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开一般而言涉及与沿着管状构件的通信节点声学通信的领域。具体而言，本公开涉及用于与沿着一个或多个管状构件布置的通信节点进行声学通信以增强操作的方法和系统。
背景技术
本部分旨在介绍本领域的各个方面，这些方面可以与本公开的示例性实施例相关联。相信该讨论有助于提供促进更好地理解本发明的特定方面的框架。因此，应该理解的是，该部分应该从这个角度来阅读而不必作为对现有技术的承认。
信息的交换可以用于管理系统的各种类型的操作。作为示例，已经在烃勘探、烃开发和/或烃生产操作中提出了几种实时数据系统或方法。为了交换信息，设备可以利用物理连接或无线连接进行通信。作为第一个示例，将诸如缆线、电导体或光缆之类的物理连接固定到管状构件，该管状构件可以用于评估地下条件。缆线可以固定到管状构件的内部部分和/或管状构件的外部部分。缆线提供物理或硬线连接，以提供实时数据传输。此外，缆线可以用于提供高数据传输速率以及直接将电力输送到井下设备，诸如传感器。但是，物理缆线的使用可能是困难的，因为必须将缆线解绕并附接到布置在井筒内的管状构件部分上。因此，缆线可能被井筒内的其它操作损坏和/或可能在管状构件的安装期间(例如，在涉及旋转管状构件的安装时)损坏。此外，必须在某些井下装备中提供通道以为缆线提供物理路径。这些通道引入了额外的潜在故障点，并且可能必须在甚至不与通信网络关联的装备中提供，这可能会增加烃操作的成本。
作为物理连接或硬线配置的替代方案，无线连接或技术可以用于沿着管状构件的通信。此类技术被称为无线遥测。无线网络可以包括彼此交换信息以管理井筒内的数据通信的各种通信节点。另外，计算机系统也可以与无线网络通信以从地面位置管理烃操作。为了操作，通信节点可以涉及不同的无线网络类型。作为第一个示例，无线电传输可以用于井筒通信。但是，在某些环境中或在某些操作(诸如钻井操作)期间使用无线电传输可能是不切实际或不可用的。其它系统可以使用声学无线网络经由音调传输介质来传输诸如振动的声信号。一般而言，给定的音调传输介质可能只允许在特定频率范围内进行通信；并且在一些系统中，该频率范围可能相对较小。这样的系统在本文中可以被称为频谱受限的系统。频谱受限的系统的示例可以包括井，诸如烃井，其包括沿着管状构件的长度间隔开的多个通信节点。实际上，井下环境可能包括井筒内未知且不可预测的条件。当在井筒内执行烃操作时，这些条件会更加复杂，这可能导致流体成分(例如，天然气、水和油)变化和/或井筒内执行的活动变化(例如，旋转机械、钻井或生产振动等)。
虽然沿着管状构件的无线网络可能是有益的，但是常规的数据传输机制可能不是有效的，并且操作可能成问题。实际上，随着井下操作(诸如钻井、完井监视和储层管理)对数据需求不断增加，越来越多的井下传感器被用于提供所需的数据。当前，大多数传感器被夹到管状构件或附接到管状构件以提供可靠的性能。这些类型的传感器通常涉及安装和维护的大量劳动工作以及相关联的钻机进度的延迟。
因此，工业上仍然需要更高效并且可以减轻与嘈杂和无效通信相关联的问题的方法和系统。此外，仍然需要沿着管状构件执行声学通信的高效方案，该方案可以管理所传输的信号以在操作期间增强系统内的通信。本技术提供了克服以上讨论的一个或多个缺陷的方法和系统。
发明内容
在一个实施例中，描述了一种在系统的多个通信节点之间传送数据的方法。该方法包括：确定通信网络，其中该通信网络包括多个通信节点；配置多个通信节点，其中该多个通信节点中的每个通信节点被配置为沿着多个管状构件在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传输信号；提供多个通信耦合设备，其中该多个通信耦合设备中的每个通信耦合设备被配置为将多个通信节点中的一个或多个通信节点封装在通信耦合设备的内部区域内；在系统中的多个管状构件中的两个管状构件之间安装多个通信耦合设备中的每个通信耦合设备；在系统的操作期间，在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传送操作数据；以及基于操作数据执行操作。
该方法可以包括各种增强。该方法可以包括：其中在多个管状构件中的两个管状构件之间安装多个通信耦合设备中的每个通信耦合设备还包括：将通信耦合设备机械地耦合到多个管状构件中的第一管状构件，以及将通信耦合设备机械地耦合到多个管状构件中的第二管状构件；其中将通信耦合设备机械地耦合到第一管状构件包括将通信耦合设备穿过(threading)第一管状构件；并且其中将通信耦合设备机械地耦合到第二管状构件包括将通信耦合设备穿过第二管状构件；其中将通信耦合设备机械地耦合到第一管状构件包括将通信耦合设备焊接到第一管状构件，并且其中将通信耦合设备机械地耦合到第二管状构件包括将通信耦合设备焊接到第二管状构件；其中将通信耦合设备机械地耦合到第一管状构件包括将通信耦合设备的凸缘固定到第一管状构件的凸缘，并且其中将通信耦合设备机械地耦合到第二管状构件包括将通信耦合设备的凸缘固定到第二管状构件的凸缘；还包括：识别要在系统中测量的参数，并且其中多个通信耦合设备中的一个或多个通信耦合设备被配置为将一个或多个传感器封装在内部区域内，其中一个或多个传感器中的每个传感器被配置为测量与系统相关联的参数；其中一个或多个传感器中的至少一个传感器被配置为在多个管状构件内内部获得测量结果；其中一个或多个传感器中的至少一个传感器被配置为从管状构件外部获得测量结果；其中与系统相关联的参数包括压力、温度、流速、声音、振动、电阻率、阻抗、电容、红外线、伽马射线及其任意组合中的一个或多个；其中多个通信节点中的每个通信节点被配置为以全向模式或定向模式在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传输信号，并且其中以定向模式或全向模式执行操作数据的传输；其中多个通信节点中的每个通信节点包括一个或多个换能器；其中多个通信节点中的每个通信节点包括第一换能器阵列和第二换能器阵列；其中第一换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的至少一个通信耦合设备的周边周向间隔开，并且第二换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的至少一个通信耦合设备的周边周向间隔开；其中第一换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的一个通信耦合设备的周边等距间隔开，并且第二换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的一个通信耦合设备的周边等距间隔开；其中第一换能器阵列布置在通信耦合设备的第一端上，并且第二换能器阵列布置在通信耦合设备的第二端上；其中第一换能器阵列包括至少一个被配置为从第一端的通信耦合设备传输数据分组的换能器和至少一个被配置为接收数据分组的换能器，并且其中第二换能器阵列包括至少一个被配置为从第二端的通信耦合设备传输数据分组的换能器和至少一个被配置为接收数据分组的换能器；其中第一换能器阵列被配置为生成一个或多个信号，以向在第二端处接收的一个或多个信号提供相长干涉；其中第一换能器阵列和第二换能器阵列被配置为与多个通信节点中的其它通信节点交换声信号，并且被配置为经由物理连接在第一换能器阵列和第二换能器阵列之间交换信号；其中多个通信节点中的每个通信节点被配置为包括：在多个通信节点中的一个通信节点中接收一个或多个信号，以及使用高通滤波器对该一个或多个信号进行滤波，以减少多个通信节点中的一个通信节点中的来自一个或多个信号的背景噪声；其中在系统的操作期间在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传送操作数据还包括在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间通过多个管状构件的一部分传输操作数据；其中在系统的操作期间在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传送操作数据还包括在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间通过与多个管状构件相邻的流体的一部分传输操作数据；其中多个通信节点之间的通信包括交换大于(>)20千赫兹的高频信号；其中多个通信节点之间的通信包括交换在大于20千赫兹和1兆赫兹之间的范围内的高频信号；其中多个通信节点之间的通信包括交换在大于100千赫兹和500千赫兹之间的范围内的高频信号；和/或还包括利用操作数据执行烃操作。
在一个实施例中，描述了一种用于沿着系统的多个管状构件通信的系统。该系统包括：与系统相关联的多个管状构件；与系统相关联的通信网络，其中通信网络包括多个通信节点，该多个通信节点被配置为在操作期间在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传送操作数据；以及多个通信耦合设备，其中多个通信耦合设备中的每个通信耦合设备被配置为将多个通信节点中的一个或多个通信节点封装在通信耦合设备的内部区域内，并且多个通信耦合设备中的每个通信耦合设备固定在多个管状构件中的两个管状构件之间。
该系统可以包括各种增强。该系统可以包括：其中多个通信耦合设备中的一个或多个通信耦合设备被配置为将至少一个传感器封装在内部区域内，其中至少一个传感器中的每个传感器被配置为测量与系统相关联的参数；其中至少一个传感器被配置为在多个管状构件内内部获得测量结果；其中至少一个传感器被配置为从管状构件外部获得测量结果；其中测量包括压力、温度、流速、声音、振动、电阻率、阻抗、电容、红外线、伽马射线及其任意组合；其中多个通信节点中的每个通信节点被配置为以全向模式或定向模式在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传输信号，并且其中以定向模式或全向模式执行操作数据的传输；其中多个通信节点中的每个通信节点包括一个或多个换能器；其中多个通信节点中的每个通信节点包括第一换能器阵列和第二换能器阵列；其中第一换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的至少一个通信耦合设备的周边周向间隔开，并且第二换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的至少一个通信耦合设备的周边周向间隔开；其中第一换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的一个通信耦合设备的周边等距间隔开，并且第二换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的一个通信耦合设备的周边等距间隔开；其中第一换能器阵列布置在通信耦合设备的第一端上，并且第二换能器阵列布置在通信耦合设备的第二端上；其中第一换能器阵列包括至少一个被配置为从第一端的通信耦合设备传输数据分组的换能器和至少一个被配置为接收数据分组的换能器，并且其中第二换能器阵列包括至少一个被配置为从第二端的通信耦合设备传输数据分组的换能器和被配置为接收数据分组的至少一个转换器；其中第一换能器阵列被配置为生成一个或多个信号，以向在第二端处接收的一个或多个信号提供相长干涉；其中第一换能器阵列和第二换能器阵列被配置为与多个通信节点中的其它通信节点交换声信号，并且被配置为经由物理连接在第一换能器阵列和第二换能器阵列之间交换信号；其中多个通信节点中的每个通信节点被配置为包括：在多个通信节点中的一个通信节点中接收一个或多个信号；以及使用高通滤波器对该一个或多个信号进行滤波，以减少多个通信节点中的一个通信节点中的来自一个或多个信号的背景噪声；其中多个通信节点中的每个通信节点被配置为交换大于(>)20千赫兹的高频信号；其中多个通信节点中的每个通信节点被配置为交换在大于20千赫兹和1兆赫兹之间的范围内的高频信号，和/或其中多个通信节点中的每个通信节点被配置为交换在大于100千赫兹和500千赫兹之间的范围内的高频信号。
附图说明
通过参考以下详细描述和附图，可以更好地理解本发明的优点。
图1是被配置为利用根据本公开的方法的井的示意图。
图2A和2B是图1的通信耦合设备的示例性视图。
图3是根据本技术的实施例的示例性流程图。
图4A、图4B、图4C、图4D、图4E和图4F是根据本技术的实施例的容纳一个或多个通信节点的通信耦合设备的示例性视图的示例性图示。
图5是根据本技术的实施例的容纳一个或多个通信节点的通信耦合设备的示例性视图的图示。
具体实施方式
在下面的详细描述部分中，结合优选实施例描述了本公开的特定实施例。但是，就以下描述特定于本公开的特定实施例或特定用途的程度而言，这仅旨在是示例性目的，并且仅提供示例性实施例的描述。因此，本公开不限于下面描述的特定实施例，而是包括落入所附权利要求的真实精神和范围内的所有替代、修改和等同形式。
下面定义本文所使用的各种术语。对于在权利要求中使用的未在下面定义的术语，应给予相关领域技术人员如在至少一个印刷出版物或已发布的专利中反映的为该术语给出的最广泛的定义。
冠词“该”、“一”和“一个”不一定仅限于一个，而是包括性和开放性的，以便可选地包括多个这样的要素。
为了方便起见，在参考附图时使用了诸如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等方向术语。一般而言，“上方”、“上部”、“向上”和类似术语是指沿着井筒朝着地球表面的方向，而“下方”、“下部”、“向下”和类似术语是指沿着井筒远离地球表面的方向。继续井筒中的相对方向的示例，“上部”和“下部”也可以指沿着井筒的纵向维度而不是相对于表面的相对位置，诸如在描述垂直井和水平井时。
如本文所使用的，放置在第一实体和第二实体之间的术语“和/或”意味着以下之一：(1)第一实体、(2)第二实体，以及(3)第一实体和第二实体。用“和/或”列出的多个元素应以相同的方式解释，即，如此结合的“一个或多个”元素。除了由“和/或”子句具体识别出的元素之外，还可以可选地存在其它元素，无论它们是与具体识别出的那些元素相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，当与诸如“包括”之类的开放式语言结合使用时，对“A和/或B”的引用可以在一个实施例中仅指A(可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施例中仅指B(可选地包括除A以外的元素)；在又一个实施例中，指A和B两者(可选地包括其它元素)。如本文在说明书和权利要求中所使用的，“或”应当被理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当分离列表中的项时，“或”或者“和/或”应被解释为包含性的，即，包括多个元素或元素列表中的至少一个，但也包括多个元素或元素列表中的多于一个，以及(可选地)其它未列出的项。只有明确指示相反的术语(诸如“只有一个”或“恰好一个”，或者，当在权利要求中使用时，“由...组成”)将指确切地包括多个元素或元素列表中的一个元素。一般而言，如本文所使用的，术语“或”仅当前面有排他性术语(诸如，“任一”、“…之一”、“仅…之一”或“确切地…之一”)时才应被解释为指示排他性替代物(即“一个或另一个但不是两个”)。
如本文所使用的，“大约”是指基于针对识别出的特定特性的典型实验误差的偏差程度。提供术语“大约”的界限(latitude)将取决于具体的上下文和特定特性，并且本领域技术人员可以容易地辨别。术语“大约”不旨在扩展或限制可能以其它方式提供特定值的等同物的程度。此外，除非另有说明，否则术语“大约”应明确地包括“确切地”，与下面关于范围和数值数据的讨论一致。
如本文所使用的，“任何”意味着任意数量的一个、一些或不加选择地全部。
如本文所使用的，引用一个或多个元素的列表的短语“至少一个”应当被理解为意味着从该元素列表中的任何一个或多个元素中选择的至少一个元素，但不一定包括在该元素列表中具体列出的每个元素中的至少一个元素，并且不排除元素列表中元素的任何组合。这个定义还允许除在短语“至少一个”所指的元素列表内具体识别出的元素之外可选地存在元素，无论它们与具体识别出的那些元素相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或等同地，“A或B中的至少一个”，或等同地“A和/或B中的至少一个”)可以在一个实施例中指至少一个，可选地包括多于一个，A，不存在B(并且可选地包括除B以外的元素)；在另一个实施例中指至少一个，可选地包括多于一个，B，不存在A(并且可选地包括除A以外的元素)；在又一个实施例中指至少一个，可选地包括多于一个，A以及至少一个，可选地包括多于一个，B(并且可选地包括其它元素)。短语“至少一个”、“一个或多个”和“和/或”是开放式表达，在操作中既是连接的又是分离的。例如，表达“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”、和“A、B和/或C”意味着仅A、仅B、仅C、A和B一起、A和C一起、B和C一起，或者A、B和C在一起。
如本文所使用的，除非另外明确指出，否则“基于”并不意味着“仅基于”。换句话说，短语“基于”描述“仅基于”、“至少基于”和“至少部分基于”。
如本文所使用的，“导管”是指形成通道的管状构件，通过该通道来运送某些东西。导管可以包括管道、歧管、油管等中的一种或多种。任何形式的术语“连接”、“接合”、“耦合”、“附接”或任何其它描述元件之间的相互作用的术语的任何使用并不意味着将相互作用限制为元件之间的直接相互作用，并且还可以包括所描述的元件之间的间接相互作用。
如本文所使用的，“确定”涵盖各种各样的动作，因此“确定”可以包括计算、处理、推导、调查、查找(例如，在表、数据库或另一种数据结构中查找)、确定等。而且，“确定”可以包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。而且，“确定”可以包括解析、选择、选定、建立等。
如本文所使用的，“一个实施例”、“实施例”、“一些实施例”、“一个方面”、“方面”、“一些方面”、“一些实现”、“一个实现”、“实现”或类似构造都意味着结合该实施例、方面或实现描述的特定部件、特征、结构、方法或特点包括在所要求保护的主题的至少一个实施例和/或实现中。因此，在整个说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”(或“方面”或“实现”)不一定都指相同的实施例和/或实现。此外，特定特征、结构、方法或特点可以在一个或多个实施例或实现中以任何合适的方式组合。
如本文所使用的，“示例性”在本文中专门用于表示“用作示例、实例或说明”。本文被描述为“示例性”的任何实施例都不必被解释为比其它实施例优选或有利。
如本文所使用的，“地层”是指任何可定义的地下区域。地层可以包含任何地质层的一个或多个含烃层、一个或多个非含烃层、上覆岩层和/或下覆岩层。
如本文所使用的，“烃”通常被定义为主要由碳和氢原子形成的分子，诸如油和天然气。烃还可以包括其它元素或化合物，诸如，但不限于卤素、金属元素、氮、氧、硫、硫化氢(H2S)和二氧化碳(CO2)。烃可以通过渗透含烃地层的井从烃储层中产生。衍生自烃储层的烃可以包括但不限于石油、油页岩、沥青、焦性沥青、沥青质、焦油、油、天然气或其组合。烃可以位于地球上被称为储层的矿物基质之内或附近。基质可以包括但不限于沉积岩、沙子、硅质岩、碳酸盐、硅藻土和其它多孔介质。
如本文所使用的，“烃勘探”是指与确定地下区域中的烃的位置相关联的任何活动。烃勘探通常是指通过获取与地下地层相关联的测量数据以及与数据相关联的建模来识别烃类聚合的潜在位置进行的获得测量结果的任何活动。因此，烃勘探包括获取测量数据、对测量数据进行建模以形成地下模型以及确定地下烃储层的可能位置。测量数据可以包括地震数据、重力数据、磁数据、电磁数据等。烃勘探活动可以包括钻井操作，诸如钻勘探井。
如本文所使用的，“烃开发”是指与开采计划和/或获取地下区域中的烃相关联的任何活动。烃开发通常是指为计划从地下地层获取和/或生产烃而进行的任何活动以及为识别优选的开发方案和方法而进行的相关联的数据建模。作为示例，烃开发可以包括对地下地层的建模和生产周期的开采计划、确定和计划要用于从地下地层开采烃的装备以及要利用的技术等。
如本文所使用的，“烃流体”是指气体或液体的烃或烃的混合物。例如，烃流体可以包括在地层条件、加工条件下或在环境条件(20°摄氏度(C)和1大气(atm)压)下为气体或液体的烃或烃的混合物。烃流体可以包括例如油、天然气、气体冷凝物、煤层甲烷、页岩油、页岩气以及处于气态或液态的其它烃。
如本文所使用的，“烃操作”是指与烃勘探、烃开发和/或烃生产相关联的任何活动。
如本文所使用的，“烃生产”是指与从诸如井或其它开口之类的地下位置开采烃相关联的任何活动。烃生产通常是指为形成井筒而进行的任何活动以及在完成井之后在井中或井上的任何活动。因此，烃生产或开采不仅包括一次烃的开采，而且还包括二次和三次生产技术，诸如注入气体或液体以增加驱动压力、移动烃或通过例如化学物进行处理、水力压裂井筒以促进流量增加、井服务、测井和其它井和井筒处理。烃生产操作可以包括钻井操作，诸如从钻井平台或地面位置钻用于注入和/或生产操作的附加井，其可以是海底井。
如本文所使用的，“可操作地连接”和/或“可操作地耦合”意味着直接或间接地连接以传输或传递信息、力、能量或物质。
如本文所使用的，“最优”、“优化”、“最优性”(以及那些术语的派生词和其它形式以及语言相关的词语和短语)并不意味着在要求本发明找到最佳解决方案或做出最佳决定的意义上进行限制。虽然数学上最优的解决方案实际上可以达到所有数学上可用的可能性中的最佳解决方案，但是优化例程、方法、模型和处理的现实世界实施例可以朝着这样的目标努力而无需实际实现完美。因而，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解的是，在本发明的范围的上下文中，这些术语是更一般的。这些术语可以描述以下当中的一个或多个：1)致力于解决方案，该解决方案可以是最佳可用解决方案、优选解决方案或在一系列约束内提供具体益处的解决方案；2)不断改进；3)精炼；4)搜索目标的高点或最大值；5)进行处理，以减少惩罚函数；和/或6)在最大化、最小化或以其它方式控制一个或多个其它因素等方面，根据竞争和/或合作利益寻求最大化一个或多个因素。
如本文所使用的，“灌封”是指用环氧树脂、弹性体、硅树脂或沥青或类似化合物封装电气部件，以排除水分或蒸汽。灌封部件可以或可以不气密密封。
如本文所使用的，诸如浓度、维度、量和其它数值数据之类的“范围”在本文中可以以范围格式给出。应当理解的是，这种范围格式仅仅是为了方便和简洁而使用的，并且应当被灵活地解释为不仅包括明确列举为范围限制的数值，而且还包括涵盖在那个范围内的所有单独数值或子范围，好像每个数值和子范围被明确地叙述了一样。例如，大约1至大约200的范围应当被解释为不仅包括明确列举的1和大约200的限制，而且还包括诸如2、3、4等的各个尺寸，以及诸如10至50、20至100等的子范围。类似地，应当理解的是，当提供数值范围时，此类范围应被解释为提供对仅陈述该范围的下限值的权利要求限制以及对仅陈述该范围的上限值的权利要求限制的字面支持。例如，公开的数字范围10至100为陈述“大于10”(没有上限)的权利要求和陈述“小于100”(没有下限)的权利要求提供字面支持。
如本文所使用的，“密封材料”是指可以将壳体的盖子密封到壳体的主体上以足以承受一个或多个井下条件(包括但不限于例如温度、湿度、土壤成分、腐蚀性元素、pH值和压力)的任何材料。
如本文所使用的，“传感器”包括任何电感测设备或量规。传感器可以能够监视或检测压力、温度、流体流、振动、电阻率或其它地层数据。替代地，传感器可以是位置传感器。
如本文所使用的，“流”是指被引导通过诸如装备和/或地层的各种区域的流体(例如，固体、液体和/或气体)。装备可以包括导管、容器、歧管、单元或其它合适的设备。
如本文所使用的，“地下”是指发生在地球表面下方出现的地层。
如本文所使用的，“管状构件”或“管状主体”是指任何管道，诸如套管的接头、衬里的一部分、钻柱、生产油管、注入油管、小接头、掩埋管道、水下管道或地上管道。在不脱离本公开的范围的情况下，可以从给定实施例中省略其中的实线以及任何适当数量的此类结构和/或特征。
如本文所使用的，“井筒”或“井下”是指通过在地下钻孔或将导管插入地下而在地下形成的孔。井筒可以具有基本圆形的横截面或其它横截面形状。如本文所使用的，术语“井”在指地层中的开口时可以与术语“井筒”互换使用。
如本文所使用的，“区”、“区域”、“容器”或“隔间”是框架或模型中包含的定义的空间、面积或体积，其可以由包含感兴趣的面积或体积的一个或多个对象或多边形界定。该体积可以包括相似的特性。
信息交换可以用于管理不同技术的操作。作为示例，通信网络可以包括沿着一个或多个管状构件布置的通信节点。通信节点可以沿着管状构件分布，诸如套管或钻柱、管线或海底导管，以增强相关联的操作。为了交换信息，通信网络可以包括物理连接的通信节点、无线连接的通信节点或物理连接的通信节点和无线连接的通信节点的组合。但是，对于系统的某些操作，通信节点的附接可能成问题。
作为示例，通信网络可以用于操作数据的数据交换，该操作数据可以例如作为烃勘探操作、烃开发操作和/或烃生产操作的一部分用于实时或并行操作。该系统或方法可以涉及经由通信网络(其可以在井下环境中)进行通信，该通信网络包括沿着管状构件的长度间隔开的各种通信节点，该管状构件可以是音调传输介质(例如，导管)。通信节点可以彼此通信以管理系统的数据交换，并且可以与用于管理系统的操作的计算机系统通信。例如，通信网络可以涉及经由管状构件通过数据分组形式的声音音调的一个或多个频率来传输和/或接收信号或音调。通过管状构件的无线通信对于增强烃操作(诸如优化钻井)可以是有益的。在这样的通信中，通信网络可以包括利用超声声频来交换信息的通信节点。
通信节点可以包括将各种部件与相应环境隔离的壳体。例如，通信节点可以包括一个或多个编码部件，该一个或多个编码部件可以被配置为经由诸如管状构件的音调传输介质生成和/或诱发一个或多个声学音调。另外，通信节点可以包括一个或多个解码部件，该一个或多个解码部件可以被配置为接收和/或解码来自音调传输介质的声学音调。解码部件可以包括用于修改接收到的信号的滤波器，其可以包括例如用于消除和/或减小噪声的高通滤波器。通信节点可以包括一个或多个电源，该一个或多个电源被配置为向诸如电池的其它部件供电。通信节点可以包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器可以被配置为获得与相关联的环境、相关联的地层和/或相关联的装备相关联的测量数据。通信节点可以包括相对较小的换能器以减小通信节点的尺寸和能量需求，使得通信节点中的每个通信节点可以被布置或固定到具有有限间隙的位置，诸如管状构件的连续层之间。与较大的换能器相比，较小的换能器具有更高的声共振频率，并且因此，与较大的换能器相比，较小的换能器使用较少的能量在共振频带附近发送声信号。
为了管理信号的传输和接收，通信节点可以包括处理器，该处理器操作以管理沿着一个或多个管状构件的通信。例如，本技术可以利用超声通信系统来进行烃操作。该系统可以包括沿着管状构件布置的多个通信节点。每个通信节点可以包括被配置为传输和接收由超声频率表示的数据分组的一个或多个编码部件(例如，发送器)和一个或多个解码部件(接收器)。可以选择通信节点在通信网络上使用的通信频率，使得信号不在背景噪声的范围内，背景噪声诸如泥浆流噪声、旋转机械振动噪声、挖石噪声、交通噪声和在操作期间可能出现的任何其它噪声。
如可以认识到的，各种系统的数据需求持续增加。作为示例，各种操作，诸如钻井、完井监视和储层管理，都涉及沿着管状构件安装的大量传感器，以获得系统的数据。常规配置包括夹在套管和/或油管上的传感器(例如，夹具型传感器)或设计为直列式(in-line)工具的传感器(例如，直列型传感器)以提供可靠的性能。直列式工具是安装在管状构件和/或一些其它系统之间的工具。直列式工具或传感器还可以在两端具有螺钉以与其它管状构件连接。直列式工具的长度可以不同，因为它不是标准安装，并且因此与标准套环操作相比可能涉及额外的工作。遗憾的是，安装夹具型传感器或直列型传感器涉及大量的劳动，并且可能潜在地延迟操作。类似地，无线通信网络可以用于类似的安装方案，在将通信节点安装到井筒中之前将其预先附接在套管上。这种类型的安装一般而言涉及大量且费时的劳动，以在通信节点之间提供正确的对准以及核实足够的机械结合。
本技术提供了一种机制，该机制用于通过相关联环境通过通信节点的通信网络交换数据分组，该相关联环境利用通信耦合设备，诸如套环、接头、耦合工具和/或其它合适的耦合设备来容纳通信节点和传感器。由于通信耦合设备被用于机械地耦合两个管状构件(例如，钻柱和/或套管)，因此，除了在两个相邻的管状构件之间提供机械连接之外，通信耦合设备还可以被配置为容纳传感器和通信节点。该配置可以沿着管状构件的长度均匀地分布通信耦合设备，并且可以提供牢固的机械连接，该机械连接也可以用作传感器的平台。本技术将通信节点和传感器集成在通信耦合设备内，以简化安装过程并增强传感器的有效安装，从而除了测量与管状构件(例如，管状构件的内部和/或管状构件的外部)相关联的参数之外还测量管状构件内的参数。通信耦合设备可以与管状构件一起使用，以经由用于超声波生成和检测的更加对称的环境来提供各种增强，以改进遥测和声学感测。
作为示例，每个通信耦合设备可以包括一个或多个传感器以及处于不同配置的一个或多个通信节点。在一种配置中，每个通信耦合设备可以包括连接套管和/或油管的两个接头的耦合机构(例如，凸缘、焊缝、螺纹)。这样的配置可以包括足够的机械强度以在套管运行期间维持两个接头，以及被胶合在井筒内。
在另一种配置中，传感器可以被配置为取决于被测量的参数在内部和/或外部获得测量结果。传感器可以被配置为测量某些特性，诸如压力、温度、流速、声音、振动、电阻率、阻抗(例如，交流(AC)阻抗)、电容、红外线、伽马射线以及其任何组合。如果测量与管状构件内部的材料和/或条件相关，那么传感器可以被配置为在耦合通信设备的内表面内获得测量结果。因此，通信耦合设备可以包括不侵入流路或不干扰内表面内的流体流动的配置。类似地，如果测量与管状构件外部的材料和/或条件相关，那么传感器可以被配置为从外部测量通信耦合设备外部的材料和/或条件的特性。此外，内部传感器和外部传感器的集合可以安装在相同的通信耦合设备上，并且可以被配置为获得不同方向上(例如，在外部表面通信耦合设备外部和/或在内部表面通信耦合设备内部)的测量结果。
作为示例，通信节点可以包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器可以被配置为测量某些特性。例如，通信节点可以测量阻抗，该阻抗可以用于提供关于流内的流体成分的信息。特别地，AC阻抗是通过使用电极提供感测数据的电测量。交变场可以与介质(例如，空气中不同于油的水)耦合，并且然后经由来自作为天线操作的电极的AC阻抗测量来进行测量。流量测量可以包括在通信节点上执行的附加处理，通信节点然后可以将通知传递给控制单元或其它通信节点。作为另一个示例，通信节点可以测量可以用于提供关于介质和/或流内的特性的信息的红外数据。
在又一个配置中，通信耦合设备可以包括在特定频带中执行超声遥测和感测。作为示例，通信网络可以利用低频范围和/或高频范围(例如，可以包括低频通信节点和/或高频通信节点)。低频通信节点可以被配置为发送和接收小于或等于(≤)200kHz、≤100kHz、≤50kHz或≤20kHz的信号。特别地，低频通信节点可以被配置为交换在100Hz和20kHz之间的范围内；在1kHz和20kHz之间的范围内；以及在5kHz和20kHz之间的范围内的信号。其它配置可以包括低频通信节点，其可以被配置为交换在100Hz和200kHz之间的范围内；在100Hz和100kHz之间的范围内；在1kHz和200kHz之间的范围内；在1kHz和100kHz之间的范围内；在5kHz和100kHz的范围内以及在5kHz和200kHz之间的范围内的信号。通信节点还可以包括高频通信节点，该高频通信节点被配置为发送和接收大于(>)20kHz、>50kHz，>100kHz或>200kHz的信号。而且，高频通信节点可以被配置为交换在大于20kHz和1MHz之间的范围内、在大于20kHz和750kHz之间的范围内、在大于20kHz和500kHz之间的范围内的信号。其它配置可以包括高频通信节点，其可以被配置为交换在大于100kHz和1MHz之间的范围内；在大于200kHz和1MHz之间的范围内；在大于100kHz和750kHz之间的范围内；在大于200kHz和750kHz之间的范围内；在大于100kHz和500kHz之间的范围内；以及在大于200kHz和500kHz之间的范围内的信号。
在这样的配置中，低频带和/或高频带可以利用压电系统来增强操作。通信耦合设备可以包括压电换能器，该压电换能器可以耦合到要感测的环境(例如，来自薄钢壁后面的压电组件的脉冲回波，并且因此靠近可能在管状构件内的流动介质、水合物、沙子)。该配置可以包括使用在方位上间隔开的声学或其它换能器阵列。此类换能器阵列可以用于发射单模声波或振动波，该单模声波或振动波可以针对以下一项或多项进行裁剪：(i)长距离遥测，(ii)将声能集中在钢管中、介质内或管表面外部，(iii)对于一个或多个压电换能器，端接特性、与相邻管状部件的耦合，以及可以通过径向设计而不是点或宽线附接来增强的优选的声波特性。
在又一个配置中，电子电路存在于通信耦合设备(例如，包括通信节点)内，以处理收集到的测量数据、存储用于传输的数据以及进行必要的车载计算来简化用于传输的数据。故障数据的本地检测、数据压缩以及与相邻传感器的自动通信可以通过车载电子器件、信号处理部件和微处理器执行。
在另一种配置中，通信耦合设备可以包括通信节点(例如，被配置为用作发送器和/或接收器)，以用于向顶侧或其它设备的数据传输。在其它实施例中，可以连接多种不同类型的设备。例如，如果是声学系统，那么可以促进将压电体用作发送器和接收器，以将数据分组中继回顶侧或其它有线工具。如果是电磁系统，那么可以集成具有通信频率范围的射频接收器。
在其它配置中，通信耦合设备可以包括通信节点(例如，被配置为用作发送器和/或接收器)，该通信节点可以定向为在管状构件内部、管状构件外部和/或其组合中接收和/或发送。通过直接向管状构件广播而不是在管状构件的外部进行接收和发送，可以扩展通信节点的范围。另外，可以增强广播到管状构件中时声学传输的可靠性和质量。
另外，其它配置可以包括通信耦合设备，该通信耦合设备可以包括集成到通信耦合设备中的通信节点，诸如套环或子接头。这种集成可以通过避免在安装之前将通信节点夹在管状构件上的添加步骤来节省时间。这种集成可以包括通过消除现场安装和消除通信节点与管状构件的潜在不合适或不良配合来增强可靠性。集成可以避免与通信耦合设备进行通信的外部通信节点的成本和/或复杂性，这对于直接测量流动区或流动环空中的压力可能是必需的。遥测电子器件和/或硬件以及集成封装中的传感器可以维持通信节点的物理完整性，同时增强流入区测量的准确性。
除了上述配置的变型之外，通信耦合设备还可以包括不同类型的传感器，诸如声波测井部件和/或成像测量部件。在这样的配置中，通信耦合设备可以包括附加电源，诸如电池，以驱动声源阵列或单个声源以生成足够的声能来执行声波测井或获取成像测量，其中声源可以由通信节点触发。
作为示例，传感器可以包括声波测井部件。声波测井部件可以通过在通信耦合设备上发射大的声脉冲来操作，该通信耦合设备布置在管状构件的端部附近。类似于常规的声波测井技术，声波可以沿着管状构件、沿着任何相关联的水泥和任何相关联的地层传播，并具有足以由通信节点检测到的能量。使用声波测井解释技术，数据可以用于评估附近地层中的裂缝、渗透率、孔隙度、岩性或流体类型，和/或评估穿孔(perforation)之前和之后的水泥。评估其中一些特性可能涉及系统的附加数据或知识(例如，井数据)。
另一个示例，传感器可以是执行各种成像技术(例如，日光成像)的成像测量部件。例如，声(或地震)成像可以使用源和/或接收器的组合来形成源和接收器对之间的材料的图像。日光成像涉及使用环境背景噪声在接收器对(例如，不是源或接收器对)之间形成图像。因此，通信耦合设备可以用于创建环境噪声，使得日光成像技术可以应用于井下无线接收节点以形成周围介质的图像。成像测量部件可以被配置为获得通信节点之间的脉冲函数，该脉冲函数可以被称为格林函数或传递函数。优选地，本技术可以涉及同时具有作为高强度声发射器和声接收器的某些通信节点。这提供了通过从一个通信节点向另一个通信节点传输声信号来探测任意两个通信节点之间的声学特性(例如，通过使用脉冲函数)的机制，但是能量需求可能是限制因素。因此，通信节点可以既作为接收器又作为发送器操作，这可能使用更多的功率。更多的功率会增加每个通信节点的成本和大小。为了形成周围介质的声像，可以将许多通信节点转换成接收器和发送器。因此，在通信耦合设备上的一个或多个声源将通信节点维持为低成本接收器。因此，可以应用日光成像来形成周围介质的图像。这种能力可以为用户提供关于水泥周围的区间隔离、附近地层中的岩性或附近地层中的裂缝的数据或洞察力。通过采用不同的方案，可以使用称为日光成像的方法探查任何一对通信节点之间的声学特性，其中每个通信节点都是接收器。除了通信节点之外，沿着管状构件放置一些随机声发生器(例如，它们可以被放置在带有电池的通信耦合设备上，从而以足够的声能驱动发射器。基于实施方式和目标，可以使用许多随机声发生器并且可以将其放置在特定位置。当随机声发生器被激活时，随机声发生器可以发出不相关的、具有随机振幅和随机相位的声波，这些声波在其行进中会被通信节点收集。作为示例，在任何两个通信节点A和B处测量的信号的互相关提供对通信节点A和B之间的脉冲函数的直接测量。脉冲函数是可以在声信号从通信节点A传输到通信节点B时被测量的声信号。特别地，如果总共有m个通信节点，那么可以同时为m2-m个通信节点对计算脉冲函数。一个实施例可以是在不同阶段的穿孔之前和之后执行测量。通过将相邻通信节点之间的穿孔之前和之后的脉冲函数与通信节点之间的穿孔进行比较，脉冲函数的变化可以与穿孔的大小和程度相关。
在另一种配置中，描述了一种在系统的多个通信节点之间传送数据的方法。该方法包括：确定通信网络，其中该通信网络包括多个通信节点；配置多个通信节点，其中该多个通信节点中的每个通信节点被配置为沿着多个管状构件在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传输信号；提供多个通信耦合设备，其中该多个通信耦合设备中的每个通信耦合设备被配置为将多个通信节点中的一个或多个通信节点封装在通信耦合设备的内部区域内；在系统中的多个管状构件中的两个管状构件之间安装多个通信耦合设备中的每个通信耦合设备；在系统的操作期间，在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传送操作数据；以及基于操作数据执行操作。
该方法可以包括各种增强。该方法可以包括：其中在多个管状构件中的两个管状构件之间安装多个通信耦合设备中的每个通信耦合设备还包括：将通信耦合设备机械地耦合到多个管状构件中的第一管状构件，以及将通信耦合设备机械地耦合到多个管状构件中的第二管状构件；其中将通信耦合设备机械地耦合到第一管状构件包括将通信耦合设备穿过第一管状构件；并且其中将通信耦合设备机械地耦合到第二管状构件包括将通信耦合设备穿过第二管状构件；其中将通信耦合设备机械地耦合到第一管状构件包括将通信耦合设备焊接到第一管状构件，并且其中将通信耦合设备机械地耦合到第二管状构件包括将通信耦合设备焊接到第二管状构件；其中将通信耦合设备机械地耦合到第一管状构件包括将通信耦合设备的凸缘固定到第一管状构件的凸缘，并且其中将通信耦合设备机械地耦合到第二管状构件包括将通信耦合设备的凸缘固定到第二管状构件的凸缘；还包括：识别要在系统中测量的参数，并且其中多个通信耦合设备中的一个或多个通信耦合设备被配置为将一个或多个传感器封装在内部区域内，其中一个或多个传感器中的每个传感器被配置为测量与系统相关联的参数；其中一个或多个传感器中的至少一个传感器被配置为在多个管状构件内内部获得测量结果；其中一个或多个传感器中的至少一个传感器被配置为从管状构件外部获得测量结果；其中与系统相关联的参数包括压力、温度、流速、声音、振动、电阻率、阻抗、电容、红外线、伽马射线及其任意组合中的一个或多个；其中多个通信节点中的每个通信节点被配置为以全向模式或定向模式在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传输信号，并且其中以定向模式或全向模式执行操作数据的传输；其中多个通信节点中的每个通信节点包括一个或多个换能器；其中多个通信节点中的每个通信节点包括第一换能器阵列和第二换能器阵列；其中第一换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的至少一个通信耦合设备的周边周向间隔开，并且第二换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的至少一个通信耦合设备的周边周向间隔开；其中第一换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的一个通信耦合设备的周边等距间隔开，并且第二换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的一个通信耦合设备的周边等距间隔开；其中第一换能器阵列布置在通信耦合设备的第一端上，并且第二换能器阵列布置在通信耦合设备的第二端上；其中第一换能器阵列包括至少一个被配置为从第一端的通信耦合设备传输数据分组的换能器和至少一个被配置为接收数据分组的换能器，并且其中第二换能器阵列包括至少一个被配置为从第二端的通信耦合设备传输数据分组的换能器和至少一个被配置为接收数据分组的换能器；其中第一换能器阵列被配置为生成一个或多个信号，以向在第二端处接收的一个或多个信号提供相长干涉；其中第一换能器阵列和第二换能器阵列被配置为与多个通信节点中的其它通信节点交换声信号，并且被配置为经由物理连接在第一换能器阵列和第二换能器阵列之间交换信号；其中多个通信节点中的每个通信节点被配置为包括：在多个通信节点中的一个通信节点中接收一个或多个信号，以及使用高通滤波器对该一个或多个信号进行滤波，以减少多个通信节点中的一个通信节点中的来自一个或多个信号的背景噪声；其中在系统的操作期间在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传送操作数据还包括在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间通过多个管状构件的一部分传输操作数据；其中在系统的操作期间在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传送操作数据还包括在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间通过与多个管状构件相邻的流体的一部分传输操作数据；其中多个通信节点之间的通信包括交换大于(>)20千赫兹的高频信号；其中多个通信节点之间的通信包括交换在大于20千赫兹和1兆赫兹之间的范围内的高频信号；其中多个通信节点之间的通信包括交换在大于100千赫兹和500千赫兹之间的范围内的高频信号；和/或还包括利用操作数据执行烃操作。
在又一个配置中，描述了一种用于沿着系统的多个管状构件通信的系统。该系统包括：与系统相关联的多个管状构件；与系统相关联的通信网络，其中通信网络包括多个通信节点，该多个通信节点被配置为在操作期间在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传送操作数据；以及多个通信耦合设备，其中多个通信耦合设备中的每个通信耦合设备被配置为将多个通信节点中的一个或多个通信节点封装在通信耦合设备的内部区域内，并且多个通信耦合设备中的每个通信耦合设备固定在多个管状构件中的两个管状构件之间。
该系统可以包括各种增强。该系统可以包括：其中多个通信耦合设备中的一个或多个通信耦合设备被配置为将至少一个传感器封装在内部区域内，其中至少一个传感器中的每个传感器被配置为测量与系统相关联的参数；其中至少一个传感器被配置为在多个管状构件内内部获得测量结果；其中至少一个传感器被配置为从管状构件外部获得测量结果；其中测量包括压力、温度、流速、声音、振动、电阻率、阻抗、电容、红外线、伽马射线及其任意组合；其中多个通信节点中的每个通信节点被配置为以全向模式或定向模式在多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传输信号，并且其中以定向模式或全向模式执行操作数据的传输；其中多个通信节点中的每个通信节点包括一个或多个换能器；其中多个通信节点中的每个通信节点包括第一换能器阵列和第二换能器阵列；其中第一换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的至少一个通信耦合设备的周边周向间隔开，并且第二换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的至少一个通信耦合设备的周边周向间隔开；其中第一换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的一个通信耦合设备的周边等距间隔开，并且第二换能器阵列中的换能器围绕多个通信耦合设备中的一个通信耦合设备的周边等距间隔开；其中第一换能器阵列布置在通信耦合设备的第一端上，并且第二换能器阵列布置在通信耦合设备的第二端上；其中第一换能器阵列包括至少一个被配置为从第一端的通信耦合设备传输数据分组的换能器和至少一个被配置为接收数据分组的换能器，并且其中第二换能器阵列包括至少一个被配置为从第二端的通信耦合设备传输数据分组的换能器和被配置为接收数据分组的至少一个转换器；其中第一换能器阵列被配置为生成一个或多个信号，以向在第二端处接收的一个或多个信号提供相长干涉；其中第一换能器阵列和第二换能器阵列被配置为与多个通信节点中的其它通信节点交换声信号，并且被配置为经由物理连接在第一换能器阵列和第二换能器阵列之间交换信号；其中多个通信节点中的每个通信节点被配置为包括：在多个通信节点中的一个通信节点中接收一个或多个信号；以及使用高通滤波器对该一个或多个信号进行滤波，以减少多个通信节点中的一个通信节点中的来自一个或多个信号的背景噪声；其中多个通信节点中的每个通信节点被配置为交换大于(>)20千赫兹的高频信号；其中多个通信节点中的每个通信节点被配置为交换在大于20千赫兹和1兆赫兹之间的范围内的高频信号，和/或其中多个通信节点中的每个通信节点被配置为交换在大于100千赫兹和500千赫兹之间的范围内的高频信号。
有利的是，本技术对操作提供各种增强。本技术提供了可靠的声学和/或电连接，其可以在部署之前制造以减轻安装问题，并且然后可以以最小的工作来进行配置和部署(例如，附接到管状构件，诸如钻杆、套管和/或生产管状物)。另外，当将管状构件布置到井筒中时，通信耦合设备可以提供增强的通信路径，而不必在安装操作期间耦合(例如，用带固定、用胶粘合或焊接)管状构件上的通信节点。另外，通信耦合设备可以布线在一起，以实现相控阵声学或电磁收发器，其具有以下优势：感测(例如，在通信耦合设备的内部或外部以更大或更小的程度的波形询问)射频或声波类型，其感测流动相、水泥、水泥浆、弹性体密封、完整性和/或储层特性(诸如地层质量、支撑剂和压裂液的渗透、地层中的应变和裂缝形成，和/或包括油和/或气的生产液运动)。另外，本技术可以包括更可靠、更快和更低的误码率的声学或电磁网络形成。通信耦合设备两端的换能器(例如，接收器和发送器换能器)避免了损耗(可能高达90％的声能损耗)，其可以被一端的接收器换能器避免并且可以在另一端耦合到发送器换能器(例如，它们可以被线连在一起)。因此，可以参考下面进一步描述的图1至图4F来进一步理解本技术。
图1是被配置为利用具有所提出的通信节点的配置的网络的井100的示意图。井100包括从地面装备120延伸到地下区域128的井筒102。井筒102在本文中也可以被称为在地面区域126和地下区域128之间延伸和/或在地下地层124内延伸，该地下地层在地下区域内延伸。井筒102可以包括多个管状部分，其可以由碳钢(诸如套管或衬里)形成。地下地层124可以包括烃。井100可以是烃井、生产井和/或注入井。
井100还包括声学无线网络。声学无线网络在本文中也可以被称为井下声学无线网络，其包括各种通信耦合设备114，该通信耦合设备114可以包括通信节点以及传感器和顶侧通信节点116和/或控制单元132。通信耦合设备114可以沿着音调传输介质130间隔开，该音调传输介质130沿着井筒102的长度延伸。在井100的情况下，音调传输介质130可以包括可以在井筒102内延伸的井下管状物110、可以在井筒102内延伸的井筒流体104、邻近井筒102的地下区域128的一部分、邻近井筒102的地下地层124的一部分和/或可以在井筒102内延伸和/或可以在井筒102与井下管状物110之间的环形区域内延伸的水泥106。井下管状物110可以限定流体导管108。
通信耦合设备114可以包括一个或多个通信节点，其可以包括一个或多个编码部件，该编码部件可以被配置为生成诸如声学音调112之类的声学音调，和/或在音调传输介质130内诱发声学音调。通信节点还可以包括一个或多个解码部件，其可以被配置为从音调传输介质接收声学音调112。通信节点可以根据给定节点是发送声学音调(例如，用作编码部件)还是接收声学音调(例如，用作解码部件)而用作编码部件和解码部件两者。通信节点可以包括编码和解码功能或结构，其中根据给定的通信节点是对声学音调进行编码还是对声学音调进行解码来选择性地利用这些结构。另外，通信耦合设备114可以包括用于测量、控制和监视井筒102内的条件的传感器。
在井100中，声学音调112的传输可以沿着井筒102的长度。由此，声学音调的传输基本上是沿着管状构件轴向的，和/或诸如通过音调传输介质130定向的。这样的配置可以与更常规的无线通信方法形成对比，后者通常可以在多个方向上或者甚至在每个方向上传输对应的无线信号。
通信耦合设备可以包括本文更详细讨论的通信节点和传感器，其在井100(诸如烃井)的上下文中公开。但是，在本公开的范围内，可以利用这些方法来在任何适当的网络(诸如任何声学无线通信网络)中经由声学音调进行通信。作为示例，通信网络可以在海底井中和/或在在海底环境内延伸的海底管状构件的情况下使用。在这些条件下，音调传输介质可以包括或者是海底管状构件和/或在海底环境内、靠近海底管状构件和/或在海底管状构件内延伸的海底流体。作为另一个示例，在表面管状物的情况下的通信网络在表面区域内延伸。在这些条件下，音调传输介质可以包括或者可以是表面管状构件和/或在表面区域内、靠近表面管状构件和/或在表面管状构件内延伸的流体。
在通信节点中使用的多个频率可以包括用于第一类型的通信节点类型的第一频率和/或用于第二类型的通信节点类型的第二频率。可以以不同的配置来利用每种无线网络类型以提供用于烃操作的通信。各个频率范围可以是任何合适的值。作为示例，多个高频范围中的每个频率可以是至少20千赫兹(kHz)、至少25kHz、至少50kHz、至少60kHz、至少70kHz、至少80kHz、至少90kHz、至少100kHz、至少200kHz、至少250kHz、至少400kHz、至少500kHz和/或至少600kHz。附加地或替代地，多个高频范围中的每个频率可以是至多1,000kHz(1兆赫兹(MHz))、最多800kHz、最多750kHz、最多600kHz、最多500kHz、最多400kHz、最多200kHz、最多150kHz、最多100kHz和/或最多80kHz。此外，低频范围中的每个频率可以是至少20赫兹(Hz)、至少50Hz、至少100Hz、至少150Hz、至少200Hz、至少500Hz、至少1kHz、至少2kHz、至少3kHz、至少4kHz和/或至少5kHz。附加地或替代地，高频范围中的每个频率可以是最多10kHz、最多12kHz、最多14kHz、最多15kHz、最多16kHz、最多17kHz、最多18kHz和/或最多20kHz。
通信耦合设备可以包括各种配置，诸如在图2A和图2B中描述的配置。通信耦合设备可以布置在井筒内的管状构件(例如，导管和/或管状部分)之间、海底导管中的管状构件之间和/或管线的管状构件之间。通信耦合设备可以包括通信节点和/或传感器，该通信节点和/或传感器可以与装备相关联、可以与管状构件相关联和/或可以与地面装备相关联。通信节点还可以被配置为发送和接收管状构件的内表面或外表面、通信耦合设备内的流体、通信耦合设备和/或装备外部的流体的通信。
作为具体示例，通信耦合设备可以被构造和安排为在所选择的位置处与其它管状构件相互作用(例如，机械地耦合两个或更多个管状构件)。通信耦合设备可以包括通信节点，该通信节点被配置为与管状构件的一个或多个表面(例如，内表面和/或外表面)相互作用。通信耦合设备还可以包括一个或多个传感器。作为示例，通信耦合设备可以布置在井筒环境中作为布置在地面和与装备相关联的任何通信节点之间的中间通信节点。通过在管状构件之间附接，通信耦合设备以及相关联的通信节点和/或传感器可以不干扰管状部分的内孔内的流体的流动。
图2A是示例性通信耦合设备的图示200。通信耦合设备200可以包括具有第一机械耦合件220和第二机械耦合件222的壳体202。第一机械耦合件220和第二机械耦合件222可以是凸缘、焊缝、螺纹和/或它们的任何组合中的一个或多个。在壳体202内，通信耦合设备可以包括中央处理单元(CPU)204、存储器206和/或电源部件212、总线216、一个或多个感测部件214(例如，传感器)和/或一个或多个通信节点，其可以包括一个或多个编码部件208和/或一个或多个解码部件210。中央处理单元(CPU)204可以是任何通用CPU，但是可以使用其它类型的CPU 204的体系架构，只要CPU 204支持如本文所述的发明操作即可。CPU 204可以根据公开的方面和方法来执行各种逻辑指令。例如，CPU 204可以根据本文公开的方面和方法执行用于执行处理的机器级指令。CPU 204可以包含以一个或多个时钟速度操作的两个或更多个微处理器。CPU 204可以是片上系统(SOC)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)或它们的组合。存储器206可以包括随机存取存储器(RAM)，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)等，只读存储器(ROM)，诸如可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电子可擦除PROM(EEPROM)等，以及NAND闪存和/或NOR闪存。总线216可以提供用于在通信耦合设备中的部件之间进行通信的机制。一个和/或多个感测部件214可以被配置为获得感测数据并将感测数据传送到其它通信节点。此外，电源部件212可以设置在壳体202中并且可以被配置为向其它部件提供电力。电源部件212可以包括一个或多个电池、电容器、超级电容器或其它能量存储部件。第一机械耦合件220和第二机械耦合件222可以被配置为在通信耦合设备和相应的管状构件之间形成耦合。
为了管理通信，通信耦合设备200可以包括由壳体202内的一个或多个编码部件208和一个或多个解码部件210表示的一个或多个通信节点。编码部件208可以布置在壳体202内，并且可以被配置为生成声学音调和/或在音调传输介质内诱发声学音调。一个或多个解码部件210可以布置在壳体202内并且可以被配置为从音调传输介质接收声学音调。
编码部件208和解码部件210可以通过处理器的操作来管理信号(例如，分别进行信号的传输或接收)。为了提供不同的操作模式，诸如全向模式和定向模式，编码部件208可以包括具有两个或更多个换能器的阵列配置。换能器可以包括压电发送器堆叠、平面内剪切d36型PMNT压电晶片和/或电磁声发送器。通信节点可以包括阵列配置，该阵列配置可以被配置为在一个方向上发送信号并且在相反的方向上衰减发送的信号或在各种方向上发送信号(例如，以定向模式或全向模式)。可以调节阵列中的多个换能器之间的相对相位，以生成特定模式的导波。编码部件可以包括沿着通信耦合设备间隔开的不同的换能器，其可以沿着通信耦合设备的圆周固定地布置。阵列配置可以包括配置在一个或多个换能器环和/或其它形状的换能器中的换能器阵列。阵列配置中的每个换能器可以围绕通信耦合设备的周边周向间隔开、或者等距或均等地间隔开，并且可以被配置为彼此操作以管理数据分组的传输和数据分组的接收。特别地，换能器阵列可以用于生成减小或抵消由其它换能器之一生成的信号的信号。在某些配置中，编码部件可以是一个换能器阵列、三个换能器阵列或者甚至是四个换能器阵列。其它配置可以包括角射束换能器，其具有换能器和楔形物，用于提供所选择的角度。通过控制每个换能器上的每个元件的宽度、间距、激励的声频和带宽以及相对激活时间延迟，可以沿着通信耦合设备或相关联的管状构件生成声波。角射束换能器可以安排成阵列的配置。因此，编码部件可以提供全向传输或定向传输，其可以基于用于数据分组或通信节点的优选通信模式。
在又一个示例性配置中，图2B是可以在系统中使用的通信耦合设备250的示例性截面图。通信耦合设备250的视图沿着纵轴。通信耦合设备250包括壳体252，壳体252可以由碳钢或其它合适的材料制造，以避免在耦合处腐蚀。壳体252的维度被确定为提供足够的结构强度以保护内部电子器件。内部区域或腔体262容纳电子器件，电子器件包括，作为示例但不限于，电源254(例如，一个或多个电池)、供电线264、第一换能器集合256、第二传感器集合258和电路板266。电路板266可以优选地包括处理声信号的一个或多个微处理器和/或一个或多个电子模块。同样，换能器集合256和258可以是电声换能器。
为了在通信节点之间进行通信，第一换能器集合256和第二换能器集合258可以被配置为将声能转换成电能(或反之亦然)，并且在附接到管状构件的一侧上与外壁260声学耦合。作为示例，可以将被配置为接收声信号的第一换能器集合256和可以被配置为传输声信号的第二换能器集合258(例如，发送器)布置在壳体252的腔体262中。第一换能器集合256和第二换能器集合258提供用于沿着管状构件(例如，在井筒上方或在井筒下方或在海底管道上方或在海底下方)从节点到节点发送和接收声信号的机制。在某些配置中，用于通信节点的、可以被配置为用作发送器的第二换能器集合258也可以产生声遥测信号，该声遥测信号可以是定向的或全向的。而且，电信号经由驱动器电路被传递到第二换能器集合258。作为示例，在诸如第二换能器集合258的换能器之一中生成的信号穿过壳体252到达管状构件，并沿着管状构件传播到其它通信节点。因此，生成或接收声信号的换能器可以是磁致伸缩换能器(例如，包括包裹在芯周围的线圈)和/或压电陶瓷换能器。作为示例，通信节点可以被配置为使用较小的压电换能器以高频(在优选实施例中，在其共振频带附近)进行传输，这可以减少在井筒内传输信号的能量使用。不管换能器的具体类型如何，电编码数据都被转换成声波，该声波通过井筒中管状部件的壁承载。因此，换能器可以被配置为仅接收信号、仅发送信号、或接收信号和发送信号。
此外，通信耦合设备250的内部部件可以包括保护层268。保护层268封装电子电路板266、缆线264、电源254以及换能器256和258。该保护层268可以提供附加的机械耐久性和湿气隔离。通信耦合设备250也可以被流体密封在壳体252内，以保护内部电子器件不暴露于非期望的流体和/或在壳体的空隙内维持介电完整性。内部电子器件的一种保护形式是使用灌封材料。
为了将通信节点固定到管状构件，通信耦合设备250可以包括第一耦合件270和第二耦合件272。更具体而言，通信耦合设备250可以包括布置在壁260的相对端的一对耦合件270和272。耦合件270和272中的每一个提供机构(例如，机械机构)以形成与相应管状构件的牢固结合。第一耦合件270和第二耦合件272还可以在保护性外层268下方具有可选的声耦合材料(未示出)。第一耦合件270和第二耦合件272可以基于相应的管状构件和管状构件的相关联耦合而包括不同类型的耦合件。
在其它配置中，通信耦合设备可以包括各种不同的壳体，该壳体被配置为容纳用于换能器集合中的换能器并且可以彼此通信。如上所述，该配置可以连接到管状构件，并且可以包括缆线以在分离的壳体内的电子器件之间交换通信。
为了增强性能，通信节点可以被配置为提供定向模式或全向模式。全向模式可以涉及沿着管状构件在两个方向上传输信号。该模式可以包括使用至少一个换能器或换能器阵列(例如，发送器)来提供信号的传输。定向模式可以涉及在主方向上传输信号。定向模式可以包括使用换能器阵列来提供信号在主方向上的传输。
在各种通信耦合设备中，阵列配置可以包括通信节点控制器以及用于管理各个换能器的一个或多个环形控制器。在某些配置中，通信节点控制器可以是CPU 204或电路板266的一部分。例如，阵列配置可以包括与管理换能器的通信节点控制器通信的各种换能器，和/或具有管理相应换能器环中的每一个的环控制器。
图3是根据本技术的实施例的示例性流程图300。在图3中，流程图300是用于创建、安装和使用无线通信网络的方法，该方法在系统的操作期间使用。该方法可以包括创建通信网络和安装通信网络，如方框302至310所示。然后，可以在操作期间利用通信网络，如方框312至316所示。
首先，该方法涉及为系统创建、配置和安装无线通信网络，如方框302至310所示。在方框302处，获得用于系统的数据。该系统可以包括与地下区域相关联的烃系统。井数据可以包括地震数据、振动数据、声学数据、电磁数据、电阻率数据、重力数据、测井数据、岩心样本数据及其组合。在其它配置中，井数据可以包括管状构件(例如，钻柱、生产油管和套管)的维度和材料成分、井筒内的水泥或流体的材料成分、管状构件的长度、水泥的长度、流体和/或与井的装备和/或配置相关联的其它信息。此外，数据还可以包括温度、压力、应变、电容、电导率、流速、密度和/或其它类似特性。数据可以从存储器获得、根据系统的模型或模拟预测和/或从与系统相关联的装备确定。在方框304处，识别要测量用于系统的参数。参数可以包括温度、压力、应变、电容、电导率、流速、密度和/或其它类似特性，其可以由通信耦合设备中的一个或多个传感器测量。然后，在方框306处，基于所获得的数据来创建通信网络。通信网络的创建可以包括诸如以下的设置：选择声频带；选择各个频率；为每对通信节点优化声学通信频带；确定用于通信网络的编码方法和/或确定用于通信网络的选择模式。另外，通信网络的创建可以包括：确定噪声和要用于通信的相关联的滤波器、确定用于通信节点的定向模式设置，以及确定用于通信节点的全向模式设置。此外，通信网络可以被配置为利用不同的网络类型，诸如物理网络和/或无线网络。例如，通信耦合设备内的通信节点可以被配置为与不同的无线网络类型一起操作，诸如低频、高频和/或射频。此外，通信耦合设备内的通信节点可以被配置为通过硬线和/或物理连接在通信耦合设备内进行通信。这些不同的网络类型中的每一个都可以用于在不同的通信节点之间交换数据分组或信号，这可以进行定向通信或全向通信以增强烃操作。通信网络的创建可以包括利用通信节点的配置执行模拟，其可以包括对井筒的特定区或段内的特定频率和/或某种类型的通信节点的使用进行建模。模拟可以包括对钻柱、通信节点之间的信号通信和/或其它方面进行建模，其可以指示优选的频带和优选的传输模式。模拟结果可以包括计算随时间变化的流体压力和流体成分以及预测井筒内或海底导管或管线内的信号传播时间。执行模拟还可以包括基于通信网络对流体进行建模、对信号传输进行建模和/或对结构变化进行建模。然后，如方框308所示，基于通信网络配置来配置通信耦合设备。通信耦合设备的配置可以包括配置通信节点以利用特定的通信设置，诸如选择声频带；选择各个频率；为每对通信节点优化声学通信频带；确定用于通信网络的编码方法；确定用于通信网络的选择模式，和/或特定的传输模式(例如，定向或全向模式)，以增强数据(例如，井筒内的操作数据)的交换。通信耦合设备的配置可以包括配置一个或多个传感器以检测特定特性，诸如温度、压力、应变、电容、电导率、流速、密度和/或其它类似特性。然后，在方框310处，基于通信网络配置，将每个通信耦合设备安装在两个管状构件之间。通信耦合设备的安装可以包括将通信耦合设备之一布置在两个管状构件之间，以及将通信耦合设备和管状构件布置到系统(例如，布置到井筒中)。作为示例，安装可以包括使一个或多个管状构件通过井筒、将通信耦合设备固定到现有的管状构件，然后将一个或多个管状构件固定到通信耦合设备和现有的管状构件、布置一个或多个管状构件、通信耦合设备和井筒内的现有管状构件，并且重复该处理，直到各种通信耦合设备和管状构件被安装到井筒中以形成井筒内的通信网络。
然后，可以将通信网络用于操作，如方框310至316所示。在方框310处，交换数据分组以执行系统的操作。数据分组的交换可以用于在系统上执行操作，其可以与操作并发或同时执行。操作可以包括钻勘探井、生产井、注入井和/或其任何组合。这些操作可以包括监视井底组件、监视管状构件、调整井底组件的性能和/或调整钻头的方向。此外，通信可以包括交换关于钻头、相关联的地层和/或其它钻井装备(例如，钻井马达、钻柱和/或井底组件中的其它装备)的信息。操作可以包括烃勘探操作、烃开发操作、井筒数据的收集和/或烃生产操作。例如，通信网络可以用于估计井性能预测。作为另一个示例，通信网络可以用于调整烃生产操作，诸如安装或修改井或完井、修改或调整钻井操作和/或安装或修改生产设施。此外，结果可以用于预测地下区域内的烃累积；提供估计的恢复因子；调整穿孔操作和/或确定地下区域的流体流速。生产设施可以包括一个或多个单元，以处理和管理来自地层的生产流体(诸如烃和/或水)的流动。
然后，在方框314处，确定操作是否完成。如果操作未完成，那么如方框312所示，使用通信网络继续执行交换数据以继续执行操作。如果操作完成，那么操作可以完成，如方框316所示。操作的完成可以涉及关闭操作，和/或从系统(例如，从井筒)移除管状构件以及通信耦合设备。
有利的是，该方法增强了烃的生产、开发和/或勘探。特别地，该方法可以用于通过提供优化通信的特定配置来增强系统(例如，井筒)内的通信。此外，增强的通信可以涉及较少的计算工作、可以涉及较少的交互干预，和/或可以以计算高效的方式执行。因此，这可以以较低的成本和较低的风险提供对生产的增强。
如可以认识到的，图3的方框可以被省略、重复、以不同的顺序执行或通过未示出的附加步骤来扩充。一些步骤可以顺序执行，而其它步骤可以同时或并发地并行执行。例如，在某些实施例中，可以确定传输模式，并且可以将通信节点配置为利用不同的传输模式。传输节点的确定可以基于正在执行的操作，使得通信节点所使用的传输模式(例如，诸如定向模式和/或全向模式)可以基于正在执行的操作。同样，在其它配置中，可以确定滤波器以减少来自操作的背景噪声，然后可以将滤波器安装到通信节点中以在钻井操作期间使用。而且，该方法可以包括为要执行的每个操作确定滤波器。然后，每个通信节点可以被配置为基于正在执行的操作来调整相应通信节点中的滤波器。因此，基于正在执行的操作，可以将特定的滤波器用于相应的通信节点。
图4A、图4B、图4C、图4D、图4E和图4F是根据本技术的实施例的容纳一个或多个通信节点的通信耦合设备的示例性视图的示例性图示。在图示400、410、420、430、440和450中，沿着不同的视图示出了各种通信耦合设备。换能器可以是压电换能器或电磁声换能器。
图4A和图4B是示例性通信耦合设备的示例性图示400和410，该通信耦合设备包括主体402，该主体402包括用于包括通信节点和/或传感器的壳体404。在图示400中，主体402可以包括第一耦合部分406和第二耦合部分408。耦合部分406和408可以包括配置为与管状构件相互作用并形成耦合的螺纹。在图示410中，沿着线4B-4B示出了图4A中的通信耦合设备的视图。
图4C和图4D是示例性通信耦合设备的示例性图示420和430，该通信耦合设备包括主体422，该主体422包括用于包括通信节点和/或传感器的第一壳体424和用于包括通信节点和/或传感器的第二壳体426。在图示420中，主体422可以包括第一耦合部分428和第二耦合部分432。耦合部分428和432可以包括被配置为与管状构件相互作用并形成耦合的螺纹。在图示430中，沿着线4D-4D示出了图4C中的通信耦合设备的视图。
图4E和图4F是示例性通信耦合设备的示例性图示440和450，该通信耦合设备包括主体442，该主体442包括用于包括通信节点和/或传感器的第一壳体444；用于包括通信节点和/或传感器的第二壳体446；用于包括通信节点和/或传感器的第三壳体448，以及用于包括通信节点和/或传感器的第四壳体456。在图示440中，主体442可以包括第一耦合部分452和第二耦合部分454。耦合部分452和454可以包括被配置为与管状构件相互作用并形成耦合的螺纹。在图示450中，沿着线4F-4F示出了图4F中的通信耦合设备的视图。
在其它配置中，通信耦合设备的物理实现可以形成到内部区域中，该内部区域可以形成为包括一个或多个通信节点和/或一个或多个传感器。作为示例，内部区域可以包括换能器及其电子控制电路以及电源电池。换能器可以取决于其电子电路连接用作信号发送器或接收器。换能器类型可以是压电设备或电磁声换能器。
在某些配置中，感测部件可以包括用于提供连续的监视数据的光纤模块，而其它传感器可以用于提供离散的监视数据。通信节点可以包括两个或更多个感测部件，其可以包括两种或更多种类型的特性。
图5是根据本技术的实施例的容纳一个或多个通信节点的通信耦合设备的示例性视图的图示。在图示500中，示出了具有通信节点和/或可以被称为换能器的发送器和接收器的通信耦合设备，其布置在通信耦合设备的每个端部附近。换能器可以是压电换能器或电磁声换能器。
在图示500中，通信耦合设备504可以布置在管状构件502和506之间，管状构件502和506可以是管接头。通信耦合设备504可以具有主体508以及用于耦合到管状构件的第一耦合部分和用于耦合到管接头506的第二耦合部分。主体508可以包括邻近管状构件502布置的第一换能器510和第二换能器512；以及邻近管状构件506布置的第三换能器514和第四换能器516。主体508还可以包括控制节点518，控制节点518包括通信节点电子器件。作为示例，第一换能器510可以是发射换能器，其被配置为沿着管状构件502发射信号520，如沿着箭头522所示，并且第二换能器512被配置为沿着管状构件502接收信号。作为示例，第三换能器514可以是发射换能器，其被配置为沿着管状构件506发射信号526，如沿着箭头524所示，并且第四换能器516被配置为沿着管状构件506接收信号。
通过将换能器布置在通信耦合设备504的端部附近，可以以更高效的方式来发送和接收声信号。这种配置的主要好处是能够使两端的换能器直接与每个连接的接头通信。通过穿过通信耦合设备504，该配置减轻了信号衰减、信号损失和信号形式的劣化，通信耦合设备504对信号沿着管状构件的传播是一个挑战。通过在通信耦合设备504的每一端具有换能器，在一端接收信号，并且通信耦合设备504在另一端生成新的声信号，这消除了声信号穿过通信耦合设备504的需要。因此，通信耦合设备504提供了一种机制，该机制提供了在每个接头上生成干净信号并且消除了声信号穿过通信耦合设备504的需要。因此，本技术可以增强范围、信号强度、容错率、能量效率和系统可靠性。
在其它配置中，该配置可以包括各种增强。在增强中，可以沿着通信耦合设备发送信号以提供关于各种特性的数据。例如，通信耦合设备可以包括感测配置，诸如跨通信耦合设备声学地传输信号，然后经由通信耦合设备处的通信节点生成类似信号。然后，可以评估两个相应的信号以确定特性(例如，确定信号之间的差)。这些特性可以用于确定关于水泥质量、管道内容等的信息。
在又一个配置中，该配置可以在通信耦合设备中包括不同的阵列配置，这可以类似于图4A至图4F。示例性通信耦合设备包括壳体，该壳体包括发送器和接收器换能器和/或可以作为接收器和收发器操作的换能器。阵列配置可以在通信耦合设备的每个端部处包括两个接收器换能器和/或两个发送器换能器。在又一个配置中，阵列配置可在通信耦合设备的每个端部处包括三个接收器换能器和/或三个发送器换能器，而另一个阵列配置可以在通信耦合设备的每个端部处包括四个接收器换能器和/或四个发送器换能器。
在其它配置中，通信耦合设备可以包括不同的换能器以提供各种增强。例如，通信耦合设备可以包括单个换能器，该单个换能器被配置为在通信耦合设备的每个端部处接收声信号并且在通信耦合设备的每个端部处传输声信号。在其它配置中，可以将两个或更多个换能器配置为以不同的频率操作。例如，第一换能器可以被配置为在通信耦合设备的每个端部处接收声信号，第二换能器可以被配置为在通信耦合设备的每个端部处传输声信号，并且第三换能器被配置为在通信耦合设备的每个端部处以与第一换能器不同的频率传输声信号。第三换能器可以被配置为以较低的频率操作。
在又一个配置中，通信耦合设备可以包括布置在通信耦合设备的每个端部处的不同换能器阵列。通信耦合设备可以被配置为提供相长干涉，以增加通过通信耦合设备的信号，这可以使用更少的能量消耗。通信耦合设备可以被配置为提供相消干涉，以减少通过通信耦合设备的信号。通信耦合设备可以被配置为通过通信耦合设备的相应端部处的换能器来提供相消干涉和/或相长干涉的功能。该配置可以在通信耦合设备的相应端部处包括两个或更多个传输换能器，其可以包括指向不同的主要方向的两个传输换能器。
本技术包括可以利用包括一个或多个通信节点的通信耦合设备的配置，该一个或多个通信节点可以是一个或多个低频通信节点和/或一个或多个高频通信节点。可以利用这些不同的通信节点来提供对操作的增强。作为示例，某些通信耦合设备可以包括一个或多个通信节点，但是可以不包括传感器(例如，没有传感器)，这可以涉及将通信节点布置在不需要被监视或涉及感测的位置。通信节点可以涉及将低频通信节点用于远程遥测，其可以用于具有低系统复杂度的最佳性能。此外，通信耦合设备可以包括一个或多个通信节点以及一个或多个传感器，这可以涉及将通信节点布置在确实需要被监视或涉及感测的位置。通信节点可以涉及使用高频通信节点以在涉及感测和/或可以包括监视的位置中使用。与低频范围相比，高频通信节点可以涉及更高的频率范围。
在其它配置中，通信节点可以包括其它增强。例如，通信节点可以被配置为利用不同的有效时钟速度(例如，低频有效时钟速度)来监视接收到的信号，并将通信节点从利用另一个有效时钟速度(例如，高频有效时钟速度)的睡眠模式唤醒；可以被配置为以低频有效时钟速度通信，以能够与其它低频设备通信，这些低频设备可能以高于噪声的频率操作；可以被配置为提供冗余通信；可以被配置为调整或修改混叠频率和/或可以被配置为通过利用具有高通滤波器的混叠来避免井下噪声。
另外，其它配置可以包括处理器，该处理器包括不同类型的换能器，例如，压电部件或磁致伸缩部件，以生成信号和/或接收信号。作为示例，通信节点可以包括不同尺寸的压电换能器。编码部件可以包括较小的压电换能器，该压电换能器可以被配置为传输较高频率的信号(例如，围绕其共振频带)，其与较大的压电换能器相比使用较少的电功率或在给定的换能器的共振频带之外传输信号。另外，较小的压电换能器可以提供减小通信节点的结构尺寸的机制。因此，编码部件可以被配置为以较高的频率传输，这比低频传输使用更少的能量。因此，通过使用高频进行传输并结合解码部件(例如，接收器)上的低频有效时钟速度，通信节点可以减少能量使用。
在其它配置中，混叠信号(例如，混叠频率)可以用于增强冗余。特别地，可以以两个或更多个频带来生成发送的信号，该两个或更多个频带对应于接收端(例如，接收通信节点)处的相同混叠频率。例如，如果第一频带中的频率在井下环境中不工作，那么通信节点可以在第二频带上交替地发送信号，因为两个频带混叠到相同的混叠频率(例如，一旦归一化为低频时钟，就映射到相似的可检测频率)。因此，基于时钟速度的差异，可以使用几个替代频带。因此，可以使用几个混叠频率来减轻由于不工作的频带(例如，井下环境或井筒状况，诸如由频率选择性衰落引起的)而失去通信的风险。作为示例，可以使用几个混叠频率来将指令传送到井底组件以管理操作。
在一种或多种配置中，滤波器可以用于进一步管理通信节点之间的数据分组(例如，操作数据)的交换。通信节点可以包括被配置为去除生产噪声和/或来自存在典型的低频(例如，小于(＜)大约10kHz到大约15kHz)的操作中的噪声的滤波器。作为示例，通信节点可以包括被配置为使某些频率通过的高通滤波器。优选地，滤波器可以用于去除低频信号。在优选的配置中，可以在通信节点中激活或停用一个或多个滤波器，这可以基于在通信节点之间传送的信号来通信调整。由此，通信节点可以被配置为在启用设置时将滤波器应用于每个接收到的信号，并且在禁用设置时绕过滤波器。过滤状态的改变可以基于通信节点中的设置或者基于在发送的信号中接收到的通知。
在一个或多个配置中，通信网络可以是包括不同类型的无线通信类型的无线通信网络。无线通信网络可以包括：高频通信网络，其包括高频通信节点；和/或低频通信网络，其包括低频通信节点。作为示例，本技术可以包括利用不同类型的通信节点(例如，低频通信节点和/或高频通信节点)以形成可以包括不同类型的网络的通信网络的配置。这些不同的通信节点可以沿着一个或多个管状构件分布以增强操作，该一个或多个管状构件可以在井筒内、沿着管线或者沿着海底管状构件。通信节点可以包括在不涉及感测的位置(例如，在未完成的垂直部分中)使用低频通信节点。低频通信节点可以涉及低频范围，该低频范围可以用于具有低系统复杂度的最佳性能。高频通信节点可以用于涉及感测的位置(例如，接近完井或感兴趣的区域)。与低频通信节点所使用的低频相比，高频通信节点可以涉及更高的频率。
作为另一个示例，通信网络可以包括低频通信节点；高频通信节点；被配置为与高频和低频信号通信的通信节点和被配置为与低频和/或高频射频(RF)通信的通信节点。低频通信节点可以被配置为发送和接收小于或等于(≤)200kHz、≤100kHz、≤50kHz或≤20kHz的信号。特别地，低频通信节点可以被配置为交换在100Hz和20kHz之间的范围内；在1kHz和20kHz之间的范围内；以及在5kHz和20kHz之间的范围内的信号。其它配置可以包括低频通信节点，其可以被配置为交换在100Hz和200kHz之间的范围内；在100Hz和100kHz之间的范围内；在1kHz和200kHz之间的范围内；在1kHz和100kHz之间的范围内；在5kHz和100kHz之间的范围内以及在5kHz和200kHz的范围内的信号。通信节点还可以包括高频通信节点，该高频通信节点被配置为发送和接收大于(>)20kHz、>50kHz、>100kHz或>200kHz的信号。而且，高频通信节点可以被配置为交换在大于20kHz和1Mhz之间的范围内、在大于20kHz和750kHz之间的范围内、在大于20kHz和500kHz之间的范围内的信号。其它配置可以包括高频通信节点，该高频通信节点可以被配置为交换大于100kHz和1MHz之间的范围内；在大于200kHz和1MHz之间的范围内；在大于100kHz和750kHz之间的范围内；在大于200kHz和750kHz之间的范围内；在大于100kHz和500kHz之间的范围内；以及在大于200kHz和500kHz之间的范围内的信号。
在一种或多种配置中，通信网络可以包括物理连接网络。物理连接可以包括一个或多个缆线、一个或多个电导体和/或一个或多个光纤缆线，它们可以固定到管状构件并用于评估地下条件。物理连接可以固定到管状构件的内部部分和/或管状构件的外部部分。物理连接提供了硬线连接，该硬线连接可以提供数据分组沿着管状构件的并发或实时交换。另外，物理连接可以用于直接向通信耦合设备内的通信节点和/或井下传感器提供电力。作为示例，物理连接可以在换能器的阵列内，该换能器被配置为与不与该阵列相关联的其它换能器进行无线通信。
在其它配置中，由于在某些环境(例如，井筒)中物理缆线可能难以沿着管状构件部署，因此通信网络可以包括一个或多个无线网络与一个或多个物理连接网络的组合。在这样的配置中，通信节点的物理连接网络可以布置在不涉及感测的位置(例如，沿着管状构件的某些部分)，而通信节点的无线网络可以布置在井筒的水平部分或涉及感测的部分中的位置(例如，沿着钻柱或井底组件的某些部分或特定位置，其可能靠近钻头)。另一个配置可以包括使用通信节点的无线网络用于远程通信，而通信节点的有线物理连接网络可以用于井筒的受监视部分，以处理那些部分内的高速数据传输。作为示例，通信网络可以是混合网络，其被配置为沿着钻柱的某些部分具有较短的有线部分或有线通信节点。钻柱的无线部分可以在接头附近(例如，在钻柱的一部分的顶部或底部)，以使由于旋转管状构件(例如，钻柱)而引起的断线风险最小化。
在又一个配置中，解码或检测模式可以利用窗口化、滑动窗口、数据平滑、统计平均、趋势检测、多方图等。检测模式还可以与各种形式的扩频通信(诸如频谱受限的应用)的简单冗余相结合。而且，解码模式可以与一层或多层前向纠错(FEC)相结合。作为示例，解码模式可以包括分别经由频域和时域解码的快速傅立叶变换(FFT)检测和/或过零检测(ZCX)。如果FFT识别正确的频率或ZCX识别正确的周期，那么可以将音调定义为已被解码或已被检测到。可以根据部署在通信节点中的微控制器的计算能力和能量效率来选择FFT和/或ZCX。对于FFT，音调选择可以基于每个音调的相对幅度。FFT可能涉及更大的计算能力，但更能够处理背景噪声。对于ZCX，音调选择可以基于每个音调的归一化的过零周期。ZCX可能涉及较少的计算能力，但可能容易因背景噪声而导致错误检测。同样，FFT可以解析振幅相关信号，而ZCX涉及低功率设备和/或低接收信号电平。
在其它配置中，可以在系统内使用其它设备(未示出)来与通信耦合设备中的通信节点进行通信。作为示例，其它设备可以包括水听器和/或其它工具，其可以沿着电线和/或钻柱、套管或油管布置在井筒内部。可以利用其它工具来与相应通信耦合设备中的通信节点交换数据(例如，操作数据)，该通信耦合设备可以被固定在管状构件之间。其它设备可以被配置为接收低频信号，诸如小于或等于(≤)200kHz、≤100kHz、≤50kHz，≤20kHz；在100Hz和20kHz之间的范围内；在1kHz和20kHz之间的范围内；以及在5kHz和20kHz之间的范围内的信号。这些低频设备可以沿着管状构件的不同部分布置。
本技术领域的技术人员将容易认识到，在所公开的方法的实际应用中，其部分地在计算机上执行，通常是适当编程的数字计算机或基于处理器的设备。此外，下面详细描述的一些部分按照过程、步骤、逻辑块、处理和对计算机存储器内的数据位的操作的其它符号表示给出。这些描述和表示是数据处理领域的技术人员用来将其工作的实质最有效地传达给本领域中其它技术人员的手段。在本申请中，过程、步骤、逻辑块、处理等被认为是产生期望结果的步骤或指令的自洽序列。这些步骤是需要对物理量进行物理操纵的步骤。一般而言，虽然不是必须的，但是这些量采取能够在计算机系统中被存储、传输、组合、比较和以其它方式操纵的电或磁信号的形式。
但是，应该记住，所有这些和类似术语均应与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便标签。除非从以下讨论中另外明确指出，否则应该认识到的是，贯穿本申请，利用诸如“处理”或“计算(computing)”、“计算(calculating)”、“比较”、“确定”、“显示”、“复制”、“生产”、“存储”、“添加”、“应用”、“执行”、“维护”、“更新”、“创建”、“构造”、“生成”等术语的讨论是指计算机系统或类似电子计算设备的动作和处理，该动作和处理将表示为计算机系统寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据操纵和变换为类似地表示为计算机系统存储器或寄存器或其它此类信息存储、传输或显示设备内的物理量的其它数据。
本技术的实施例还涉及用于执行本文的操作的装置。该装置(诸如控制单元或通信节点)可以出于所需目的而专门构造，或者它可以包括通用计算机或由存储在计算机中的计算机程序(例如，一组或多组指令)选择性地激活或重新配置的基于处理器的设备。这样的计算机程序可以存储在计算机可读介质中。计算机可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式存储或传输信息的任何机制。例如但不限于，计算机可读(例如，机器可读)介质包括机器(例如，计算机)可读存储介质(例如，只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存存储器设备等)，以及机器(例如，计算机)可读传输介质(电、光、声或其它形式的传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号等))。
此外，如对于相关领域的普通技术人员显而易见的，本发明的模块、特征、属性、方法和其它方面可以被实现为软件、硬件、固件或这三者的任意组合。当然，在将本发明的部件实现为软件的地方，该部件可以被实现为独立程序、更大程序的一部分、多个单独的程序、静态或动态链接库、内核可加载模块、设备驱动程序和/或计算机编程领域的技术人员现在或将来已知的每个所有其它方式。此外，本技术绝不限于在任何特定操作系统或环境中的实现方式。
烃操作可以包括利用通信节点和控制单元。通信网络可以包括执行串行联网；可以包括在沿着管状构件的不同区域中执行并行处理；和/或可以包括与一个或多个无线电网络(例如，在顶部，其可能在地下)、与一个或多个水听器网络、与有线网络(例如，可以连线到特定深度或在特定区域内)一起执行超声频率网络。通信节点可以被配置为基于预定义或内置规则自主操作，或者被传达指令的其它通信节点隐式地操作，甚至可以在操作期间调整指令。
作为示例，控制单元可以包括可以用于执行本文公开的任何方法的计算机系统。中央处理单元(CPU)耦合到系统总线。CPU可以是任何通用CPU，但是可以使用其它类型的CPU(或示例性系统的其它部件)的体系架构，只要CPU(和系统的其它部件)支持本文描述的发明性操作即可。CPU可以根据公开的方面和方法来执行各种逻辑指令。例如，CPU可以执行机器级指令，以根据本文公开的方面和方法来执行处理。
计算机系统还可以包括计算机部件，诸如随机存取存储器(RAM)，其可以是SRAM、DRAM、SDRAM等。计算机系统还可以包括只读存储器(ROM)，其可以是PROM、EPROM、EEPROM、NOR闪存、NAND闪存等。RAM和ROM保持用户和系统数据以及程序，如现有技术中已知的。计算机系统还可以包括输入/输出(I/O)适配器、图形处理单元(GPU)、通信适配器、用户界面适配器和显示适配器。在某些方面和技术中，I/O适配器、用户界面适配器和/或通信适配器可以使用户能够与计算机系统交互以输入信息。
I/O适配器优选地将(一个或多个)存储设备(诸如硬盘驱动器、紧凑盘(CD)驱动器、软盘驱动器、带驱动器等中的一个或多个)连接到计算机系统。当RAM不足以满足与存储用于本技术的实施例的操作的数据相关联的存储器需求时，可以使用(一个或多个)存储设备。计算机系统的数据存储设备可以用于存储如本文公开的那样使用或生成的信息和/或其它数据。通信适配器可以将计算机系统耦合到网络(未示出)，该网络可以包括用于井筒的通信网络和与远程位置进行通信的单独的网络，该通信适配器可以使信息能够经由网络(例如，广域网、局域网、无线网络、前述的任意组合)输入到系统和/或从系统中输出。用户界面适配器将诸如键盘、定点设备等用户输入设备耦合到计算机系统。显示适配器由CPU驱动，以通过显示驱动器控制显示设备上的显示。
系统的体系架构可以根据需要变化。例如，可以使用任何合适的基于处理器的设备，包括但不限于个人计算机、膝上型计算机、计算机工作站和多处理器服务器。而且，实施例可以在专用集成电路(ASIC)或超大规模集成(VLSI)电路上实现。实际上，根据实施例，本领域普通技术人员可以使用能够执行逻辑操作的任何数量的合适结构。
如可以认识到的，该方法可以用机器可读逻辑来实现，使得一组指令或代码在被执行时从存储器执行指令或操作。作为示例，通信节点可以包括处理器；编码部件；解码部件和存储器。解码部件与处理器通信并且被配置为接收与钻井操作相关联的操作数据。存储器与处理器通信，并且存储器具有一组指令，其中该组指令在被执行时被配置为执行如上所述的方法步骤或配置。
在某些配置中，本技术可以利用混叠频率和信号频率之间的周期关系来解码信号信息。通过限制通信频带以使混叠导致超声波频率与混叠频率之间一一对应关系，每个混叠频率恰好确定一个超声波频率。例如，对于第一频带，通信节点可以被配置为使用以低频有效时钟速度操作的处理器对信号信息进行解码，其与以高频有效时钟速度操作的处理器相比，使用更少的功率。特别地，处理器可以以32.768kHz的有效时钟速度操作，这可以对应于汲取1毫安(mA)电流的接收器，而处理器可以以48MHz的有效时钟速度操作，这可以对应于汲取15mA电流的接收器。由此，与以高频有效时钟速度操作的处理器相比，以低频有效时钟速度操作的处理器可以显著减少所使用的能量。
在某些配置中，本技术涉及各种关系来管理通信网络内的频率混叠。作为示例，低频有效时钟速度与高频有效时钟速度之比可以大于1:2；可以大于1:4；可以大于1:10；在1:2和1:1000之间的范围内；在1:4和1:100之间的范围内和/或在1:10和1:80之间的范围内。在其它配置中，奈奎斯特频率与接收通信节点相关联，并且基于在接收通信节点处生效的有效时钟速度。例如，发送信号频率可以大于奈奎斯特频率；可以大于奈奎斯特频率的两倍；可以大于奈奎斯特频率的三倍；或者发送信号频率可以大于奈奎斯特频率的四倍。奈奎斯特频率与发送信号频率之比可以在1:2和1:1000之间的范围内；可以在1:2和1:100之间的范围内和/或可以在1:2和1:10之间的范围内。作为另一个示例，可以对以比采样频率高的频率的发送信号进行解码，以提供用于对分组的其余部分进行解码的信息。
在一种配置中，通信节点可以被配置为以高频有效时钟速度发送并且可以被配置为以低频有效时钟速度接收。在这样的配置中，通信节点可以在发送数据分组中利用较高的能量，并且可以在接收数据分组(例如，操作数据)中利用较低的能量。作为示例，通信节点可以包括以大约48MHz的有效时钟速度操作以在通信网络上传输数据分组的一个或多个处理器，以及以大约32.768kHz的有效时钟速度操作以接收数据分组的一个或多个处理器。低频有效时钟速度可以包括32kHz、32.768kHz、38kHz、77.500kHz、100kHz、120kHz和131.072kHz；并且高频有效时钟速度可以包括500kHz、1MHz、2MHz、8MHz、32MHz、48MHz和80MHz。
另外，其它配置可以包括处理器，该处理器包括不同类型的换能器，例如，压电部件或磁致伸缩部件，以生成信号和/或接收信号。作为示例，通信节点可以包括不同尺寸的压电换能器。编码部件可以包括较小的压电换能器，该压电换能器可以被配置为传输较高频率的信号(例如，围绕其共振频带)，其与较大的压电换能器相比使用较少的电功率或在给定的换能器的共振频带之外传输信号。另外，较小的压电换能器可以提供减小通信节点的结构尺寸的机制。因此，编码部件可以被配置为以较高的频率传输，这与低频的传输使用更少的能量。因此，通过使用高频进行传输并结合解码部件(例如，接收器)上的低频有效时钟速度，通信节点可以减少能量使用。
在其它配置中，混叠信号(例如，混叠频率)可以用于增强冗余。特别地，可以以两个或更多个频率来生成发送的信号，该两个或更多个频率对应于接收端(例如，接收通信节点)处的相同混叠频率。例如，如果第一频带中的频率在井下环境中不可工作，那么通信节点可以交替地在第二频带上发送信号，因为两个频带都混叠到相同的混叠频率(例如，一旦归一化为低频有效时钟速度，就映射到相似的可检测频率)。因此，基于有效时钟速度的差异，可以使用几个替代频带。因此，可以使用几个混叠频率来减轻由于不工作的频带(例如，井下环境或井筒状况，诸如由频率选择性衰落引起的)而失去通信的风险。某些配置可以利用混叠频率来发信号通知通信节点，该通信节点可以执行特定的操作或发送数据分组(例如，操作数据)。作为示例，通信节点可以被配置为使用一个或多个混叠频率的组合作为信号，以使通信节点在相应的通信节点中进入操作模式。特别地，通信节点可以使用一个或多个混叠频率的序列作为信号来改变通信节点中的模式。
在又一个配置中，通信节点可以被配置为与低频信号和/或高频信号一起操作，该低频信号和/或高频信号可以用于与通信节点进行通信。低频设备可以用于向通信节点交换数据或指令。该配置可以用于到达通信节点或与通信节点通信，该通信节点可以提供比井筒内常规使用的通信更长的通信范围。作为具体示例，通信节点可以被配置为从通信设备(诸如水听器或指定的通信节点)接收通信信号，从而以较低频带发送(例如，以提供更长距离的通信)而无需涉及重新配置任何网络设备，诸如通信节点。特别地，井下网络可以被配置为接收和/或发送小于200kHz或小于150kHz但大于钻探噪声的频率，钻探噪声小于50kHz。较低频率的使用扩展了较低频率通信节点可以彼此间隔开的距离，并维持了数据分组的交换。作为具体示例，某些通信节点可以被配置为以小于200kHz的频率接收信号。这些低频通信节点可以布置在井筒的不同区域内，它们可以在各个区域内加以利用，以减小变得分离或丢失井下网络的一部分的风险。与以较高频率操作的通信节点相比，以这些较低频率操作的通信节点可以被配置为接收更长范围的信号。因此，较低频通信节点可以是可达的，而较高频通信节点可能无法在管状构件的某些部分中进行通信。
在一种或多种配置中，滤波器可以用于进一步管理通信节点之间的数据分组(例如，操作数据)的交换。通信节点可以包括被配置为去除噪声和/或其中存在典型的低频(例如，小于大约10kHz、小于大约15kHz、小于大约50kHz或小于大约65kHz)的其它背景噪声的滤波器。作为示例，通信节点可以包括被配置为使某些频率通过的高通滤波器。优选地，滤波器可以用于去除低频信号。在优选的配置中，可以在通信节点中激活或停用一个或多个滤波器，这可以基于在通信节点之间传送的信号来通信调整，并且可以基于正在执行的钻井钻探操作。由此，通信节点可以被配置为在启用设置时将滤波器应用于每个接收到的信号，并且在禁用设置时绕过滤波器。过滤状态的改变可以基于通信节点中的设置或者基于在发送的信号中接收到的通知。
在又一配置中，通信节点的高频有效时钟速度可以与同一通信节点中的低频有效时钟速度一起使用，其可以一起用于验证在通信节点之间交换的信号。例如，通信节点可以接收信号并且以高频有效时钟速度和低频有效时钟速度对信号进行解码。然后，通信节点可以被配置为将解码的信息与不同的有效时钟速度进行比较以确定信号是否准确和/或将解码的信息与不同的有效时钟速度进行比较以获得指示的信息或使用低频有效时钟速度进行解码首先作为初步筛选，以决定是否使用高频有效时钟速度，如果需要，那么使用高频有效时钟速度，这样可以通过避免尽可能多地使用高频有效时钟速度来节省能量。
作为另一个示例，通信网络可以包括低频通信节点；高频通信节点；被配置为与高频和低频信号通信的通信节点和被配置为与低频和/或高频射频(RF)通信的通信节点。低频通信节点可以被配置为发送和接收小于或等于(≤)200kHz、≤175kHz或≤150kHz的信号。特别地，低频通信节点可以被配置为交换在100Hz和200kHz之间的范围内的信号。其它配置可以包括低频通信节点，该低频通信节点可以被配置为交换在100Hz和200kHz之间的范围内的信号；或在100Hz和150kHz之间的范围内的信号。通信节点还可以包括高频通信节点，该高频通信节点被配置为发送和接收大于(>)200kHz、>500kHz或>750kHz的信号。而且，高频通信节点可以被配置为交换在大于200kHz和1MHz之间的范围内、在大于200kHz和750kHz之间的范围内、在大于200kHz和500kHz之间的范围内的信号。
在又一个配置中，混叠可以利用不同的解码模式。解码或检测模式可以利用窗口化、滑动窗口、数据平滑、统计平均、趋势检测、多方图等。检测模式还可以与各种形式的扩频通信(诸如频谱受限的应用)的简单冗余相结合。而且，解码模式可以与一层或多层前向纠错(FEC)相结合。作为示例，解码模式可以包括分别经由频域和时域解码的快速傅立叶变换(FFT)检测和/或过零检测(ZCX)。如果FFT识别正确的频率或ZCX识别正确的周期，那么可以将音调定义为已被解码或已被检测到。可以根据部署在通信节点中的微控制器的计算能力和能量效率来选择FFT和/或ZCX。对于FFT，音调选择可以基于每个音调的相对幅度。FFT可能涉及更大的计算能力，但更能够处理背景噪声。对于ZCX，音调选择可以基于每个音调的归一化的过零周期。ZCX可能涉及较少的计算能力，但可能容易因背景噪声而导致错误检测。同样，FFT可以解析振幅相关信号，而ZCX涉及低功率设备和/或低接收信号电平。
应该理解的是，前述仅仅是本发明的具体实施例的详细描述，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以根据这里的公开内容对所公开的实施例进行多种改变、修改和替换。因此，前面的描述并不意味着限制本发明的范围。而是，本发明的范围仅由所附权利要求及其等同物确定。还可以预期的是，在本示例中实施的结构和特征可以彼此更改、重新布置、替代、删除、重复、组合或添加。因此，对于本领域的技术人员显而易见的是，对本文所述实施例的许多修改和变化是可能的。如所附权利要求所定义的，所有这样的修改和变化都意图落入本发明的范围内。
Claims (29)
1.一种在系统的多个通信节点之间传送数据的方法，所述方法包括：
确定通信网络，其中所述通信网络包括多个通信节点；
配置所述多个通信节点，其中所述多个通信节点中的每个通信节点被配置为沿着多个管状构件在所述多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传输信号；
提供多个通信耦合设备，其中所述多个通信耦合设备中的每个通信耦合设备被配置为将所述多个通信节点中的一个或多个通信节点封装在所述通信耦合设备的内部区域内；
在所述系统中的所述多个管状构件中的两个管状构件之间安装所述多个通信耦合设备中的每个通信耦合设备；
在所述系统的操作期间在所述多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传送操作数据；以及
基于所述操作数据执行操作。
2.如权利要求1所述的方法，其中在所述多个管状构件中的两个管状构件之间安装所述多个通信耦合设备中的每个通信耦合设备还包括：
将通信耦合设备机械地耦合到所述多个管状构件中的第一管状构件；以及
将通信耦合设备机械地耦合到所述多个管状构件中的第二管状构件。
3.如权利要求1或2所述的方法，还包括：
识别要在系统中测量的参数；
其中所述多个通信耦合设备中的一个或多个通信耦合设备被配置为将一个或多个传感器封装在所述内部区域内，其中所述一个或多个传感器中的每个传感器被配置为测量与所述系统相关联的参数；
其中所述一个或多个传感器中的至少一个传感器被配置为在所述多个管状构件内部或从管状构件外部获得测量结果；以及
其中与所述系统相关联的参数包括压力、温度、流速、声音、振动、电阻率、阻抗、电容、红外线、伽马射线及其任意组合中的一个或多个。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中所述多个通信节点中的每个通信节点被配置为以全向模式或定向模式在所述多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传输信号；以及
其中以定向模式或全向模式执行所述操作数据的传输。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中所述多个通信节点中的每个通信节点包括一个或多个换能器。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中所述多个通信节点中的每个通信节点包括第一换能器阵列和第二换能器阵列。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述第一换能器阵列中的换能器围绕所述多个通信耦合设备中的至少一个通信耦合设备的周边周向间隔开，并且其中所述第二换能器阵列中的换能器围绕所述多个通信耦合设备中的至少一个通信耦合设备的周边周向间隔开。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述第一换能器阵列中的换能器围绕所述多个通信耦合设备中的一个通信耦合设备的周边等距间隔开，并且其中所述第二换能器阵列中的换能器围绕所述多个通信耦合设备中的一个通信耦合设备的周边等距间隔开。
9.如权利要求6至8中的任一项所述的方法，其中所述第一换能器阵列布置在所述通信耦合设备的第一端上，并且其中所述第二换能器阵列布置在所述通信耦合设备的第二端上，所述第一换能器阵列包括至少一个被配置为从所述第一端的通信耦合设备传输数据分组的换能器以及至少一个被配置为接收数据分组的换能器，所述第二换能器阵列包括至少一个被配置为从所述第二端的通信耦合设备传输数据分组的换能器以及至少一个被配置为接收数据分组的换能器。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述第一换能器阵列被配置为生成一个或多个信号，以向在所述第二端处接收到的一个或多个信号提供相长干涉。
11.如权利要求6至10中的任一项所述的方法，其中所述第一换能器阵列和所述第二换能器阵列被配置为与所述多个通信节点中的其它通信节点交换声信号，并且被配置为经由物理连接在所述第一换能器阵列和所述第二换能器阵列之间交换信号。
12.如权利要求1至11中的任一项所述的方法，其中所述多个通信节点中的每个通信节点：
在所述多个通信节点中的一个通信节点中接收一个或多个信号，以及
使用高通滤波器对所述一个或多个信号进行滤波，以减少所述多个通信节点中的所述一个通信节点中来自所述一个或多个信号的背景噪声。
13.如权利要求1至12中的任一项所述的方法，其中在所述系统的操作期间在所述多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传送操作数据还包括通过以下传输操作数据：
在所述多个通信节点中的所述两个或更多个通信节点之间的所述多个管状构件的一部分，或
与在所述多个通信节点中的所述两个或更多个通信节点之间的所述多个管状构件相邻的流体的一部分。
14.如权利要求1至13中的任一项所述的方法，其中在所述多个通信节点之间的传送包括交换大于20千赫兹的高频信号。
15.如权利要求1至13中的任一项所述的方法，其中所述多个通信节点之间的传送包括交换在100千赫兹和500千赫兹之间的范围内的高频信号。
16.如权利要求1至15中的任一项所述的方法，其中所述操作包括烃操作。
17.一种用于沿着系统的多个管状构件通信的系统，包括：
与系统相关联的多个管状构件；
与系统相关联的通信网络，其中所述通信网络包括多个通信节点，所述多个通信节点被配置为在操作期间在所述多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传送操作数据；以及
多个通信耦合设备，其中所述多个通信耦合设备中的每个通信耦合设备被配置为将所述多个通信节点中的一个或多个通信节点封装在所述通信耦合设备的内部区域内，并且所述多个通信耦合设备中的每个通信耦合设备被固定在所述多个管状构件中的两个管状构件之间。
18.如权利要求17所述的系统，其中所述多个通信耦合设备中的一个或多个通信耦合设备被配置为将至少一个传感器封装在所述内部区域内，其中所述至少一个传感器中的每个传感器被配置为测量与所述系统相关联的参数，以及其中所述至少一个传感器被配置为在所述多个管状构件内部或从管状构件外部获得测量结果，所述测量结果包括压力、温度、流速、声音、振动、电阻率、阻抗、电容、红外线、伽马射线及其任意组合中的一个或多个。
19.如权利要求17或权利要求18所述的系统，其中所述多个通信节点中的每个通信节点被配置为以全向模式或定向模式在所述多个通信节点中的两个或更多个通信节点之间传输信号；以及
其中以定向模式或全向模式执行所述操作数据的传输。
20.如权利要求17至19中的任一项所述的系统，其中所述多个通信节点中的每个通信节点包括一个或多个换能器。
21.如权利要求17至20中的任一项所述的系统，其中所述多个通信节点中的每个通信节点包括第一换能器阵列和第二换能器阵列。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述第一换能器阵列中的换能器围绕所述多个通信耦合设备中的至少一个通信耦合设备的周边周向间隔开，并且其中所述第二换能器阵列中的换能器围绕所述多个通信耦合设备中的至少一个通信耦合设备的周边周向间隔开。
23.如权利要求21所述的系统，其中所述第一换能器阵列中的换能器围绕所述多个通信耦合设备中的一个通信耦合设备的周边等距间隔开，并且其中所述第二换能器阵列中的换能器围绕所述多个通信耦合设备中的一个通信耦合设备的周边等距间隔开。
24.如权利要求21至23中的任一项所述的系统，其中所述第一换能器阵列布置在所述通信耦合设备的第一端上，并且其中所述第二换能器阵列布置在所述通信耦合设备的第二端上，所述第一换能器阵列包括至少一个被配置为从所述第一端的通信耦合设备传输数据分组的换能器以及至少一个被配置为接收数据分组的换能器，并且所述第二换能器阵列包括至少一个被配置为从所述第二端的通信耦合设备传输数据分组的换能器以及至少一个被配置为接收数据分组的换能器。
25.如权利要求24所述的系统，其中所述第一换能器阵列被配置为生成一个或多个信号，以向在所述第二端处接收到的一个或多个信号提供相长干涉。
26.如权利要求21至25中的任一项所述的系统，其中所述第一换能器阵列和所述第二换能器阵列被配置为与所述多个通信节点中的其它通信节点交换声信号，并且被配置为经由物理连接在所述第一换能器阵列和所述第二换能器阵列之间交换信号。
27.如权利要求17至26中的任一项所述的系统，其中所述多个通信节点中的每个通信节点被配置为：
在所述多个通信节点中的一个通信节点中接收一个或多个信号；以及
使用高通滤波器对所述一个或多个信号进行滤波，以从所述多个通信节点中的所述一个通信节点的所述一个或多个信号中减去背景噪声。
28.如权利要求17至27中的任一项所述的系统，其中所述多个通信节点中的每个通信节点被配置为交换大于20千赫兹的高频信号。
29.如权利要求17至27中的任一项所述的系统，其中所述多个通信节点中的每个通信节点被配置为交换在100千赫兹和500千赫兹之间的范围内的高频信号。
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