Высокоскоростная сеть скважинных датчиков и телеметрии

Высокоскоростная сеть скважинных датчиков и телеметрии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

По настоящей заявке испрашивается приоритет в соответствии с § 119(e) раздела 35 Свода законов США согласно предварительной заявке на патент США № 61/551176, поданной 25 октября 2011 г. Полное содержание этой патентной заявки включено в настоящий документ посредством ссылки.

Изобретение согласно настоящей заявке также относится к изобретению согласно заявке на патент США № 12/470842, поданной 22 мая 2009 г., ныне патент США № 8242928, по которой испрашивается приоритет в соответствии с § 119(e) раздела 35 Свода законов США согласно предварительной заявке на патент США №№ 61/128582, поданной 23 мая 2008 г., и 61/206550, поданной 2 февраля 2009 г., и приоритет заявки на патент США № 13/142612, поданной 10 августа 2011 г., которая является заявкой США национальной стадии PCT/US2009/069434, поданной 23 декабря 2009 г., по которой, в свою очередь, испрашивается приоритет в соответствии с § 119(e) раздела 35 Свода законов США согласно предварительной заявке на патент США №№ 61/204100, поданной 2 января 2009 г., и 61/206550, поданной 2 февраля 2009 г. Полные раскрытия этих заявок на патент включаются в настоящий документ посредством ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к областям систем передачи данных и сетей датчиков и исполнительных средств. В частности, изобретение относится к системам передачи данных, подходящим для скважинного использования, как, например, на бурильной колонне, используемой при поиске нефти и газа, или на колоннах заканчивания или на обсадных колоннах. Такие колонны в последующем рассмотрении будут сокращенно называться "колоннами" или "трубными колоннами". Такие системы передачи данных были ранее описаны настоящим изобретателем в вышеупомянутом родственном патенте США № 8242928 и в вышеупомянутой родственной заявке на патент США № 13/142612, поданной 10 августа 2011 г.

Уровень техники

Скважинные системы передачи данных имеют множество назначений: Во-первых, данные датчиков, собранные в "компоновке низа бурильной колонны" (BHA), должны передаваться ("телеметрироваться") на поверхность в реальном времени. Во-вторых, поверхностные системы должны связываться с и иметь управление над компонентами BHA, например, для направления буровой головки в желаемом направлении. В-третьих, данные, собранные на трубной колонне распределенными датчиками, должны посылаться в реальном времени на поверхность. В-четвертых, распределенными датчиками и также распределенными исполнительными средствами должны осуществляться операция и управление с поверхности в реальном времени. В качестве примера, скважинная система передачи данных этого типа с распределенными датчиками была описана в патенте США № 7207396 для Холла и др., выданном 24 апреля 2007 г.

В качестве альтернативы, управляющий блок внутри BHA или расположенный на бурильной колонне может принять на себя роль поверхностной системы. Такая конфигурация может, в частности, иметь преимущества, поскольку BHA непрерывно соединяется с бурильной колонной, в то время как поверхностная система может только периодически соединяться с бурильной колонной. Например, в течение спускоподъемных операций, трубная колонна поднимается или опускается, являясь при этом разбираемой (во время подъема) или собираемой (во время спуска) без поверхностного оборудования связи, соединенного с бурильной колонной. В течение нормальных буровых операций, поверхностная система связи периодически отсоединяется, чтобы обеспечить возможность для протягивания бурильной колонны на поверхности. Во всех этих случаях будут возникать преимущества в случае наличия управляющего блока, расположенного в BHA или расположенного на бурильной колонне, выполняющего функции управления связью вместо поверхностного блока.

Буровая операция, подходящая для осуществления настоящего изобретения, показана на фиг. 1. Буровая установка 100 приводит в действие бурильную колонну 110, которая состоит из большого количества взаимосоединенных секций 120, называемых звеньями бурильных труб. В типичной буровой операции установка вращает бурильную колонну 110 и, таким образом, также и BHA 130. BHA 130 может содержать различные комплекты контрольно-измерительных приборов; она может содержать забойный двигатель или роторно-ориентируемую систему, стабилизаторы, центраторы, утяжеленные бурильные трубы, и он содержит буровую головку.

Система передачи данных, также показанная схематически на фиг. 1, может иметь следующие основные компоненты: поверхностная система 200 управления, поверхностный интерфейсный блок 210, множество сегментов 220 передачи, которые переносят сигналы вверх и вниз по трубной колонне, множество повторителей 230, которые периодически обновляют и восстанавливают сигнал, скважинный интерфейсный блок ("BHA-интерфейс") 240, скважинные контрольно-измерительные приборы, содержащиеся в BHA 130, и множество датчиков и исполнительных средств ("узлов") 250, распределенных по трубной колонне. BHA-интерфейс 240 или дополнительные контрольно-измерительные приборы внутри BHA 130 могут осуществлять достаточно функциональных возможностей для выполнения задач поверхностной системы 200 управления. В качестве альтернативы, такие задачи могут выполняться блоками, расположенными внутри трубной колонны. Непрерывная линия передачи данных от поверхностной системы к BHA может осуществляться путем соединения сегментов 220 передачи через электрические, магнитные или электромагнитные средства соединения, установленные на концах звеньев 120 труб. В качестве дополнения к или вместо сквозной связи между поверхностью и BHA 130, эта линия передачи данных может также задействоваться для подключения к матрице датчиков и/или узлов 250 исполнительных средств. Как рассмотрено выше, поверхностная система 200 управления и поверхностный интерфейсный блок 210 могут удаляться из системы передачи данных, например, в течение спускоподъемных операций или во время протягивания или укорачивания бурильной колонны.

Повторители 230 и узлы 250 обычно отличаются по своим физическим компоновкам. Повторитель 230 обычно должен быть очень небольшим, чтобы вместиться в звено трубы. Схожим образом, источник питания повторителя 230 должен быть небольшим, чтобы удовлетворить ограничению физического размера, и обычно имеет только малый допустимый ток и/или зарядную емкость. Следовательно, повторитель может потреблять только очень малую мощность, в частности потому, что его время развертывания может измеряться сотнями и тысячами часов. Узел 250, с другой стороны, может быть отдельным скважинным устройством с местом для цепных плат и аккумуляторов, состоящих из нескольких первичных гальванических элементов. Таким образом, цепь узла может по существу быть более сложной и может иметь гораздо больше возможностей, чем цепь повторителя. Дополнительно, узлы могут принимать больше профилактического обслуживания и могут иметь меньше часов развертывания, чем повторители.

В целях последующего рассмотрения, следует предполагать, что узел 250 обычно также осуществляет функциональные возможности повторителя, и потому термин "повторитель" охватывает фактический повторитель 230, а также и функциональные возможности повторителя датчика и/или исполнительного узла 250. Кроме того, такие термины, как "поверхностная система (связи)" и "система (связи) восстающей скважины" используются взаимозаменяемым образом; как и термины "скважинная система (связи)" и "BHA-система (связи)", которые также используются взаимозаменяемым образом.

BHA 130 содержит множество устройств, используемых в процессе бурения. Множество датчиков постоянно генерируют данные, описывающие состояние процесса бурения путем отслеживания параметров, таких как нагрузка на долото, крутящий момент на долото, вибрация, направление магнитного поля, гравитационное направление и т.д.; состояние буровой скважины (температура, давление, газосодержание и т.д.); а также состояние горных пород (плотность, радиоактивность, электрическое сопротивление и т.д.). Дополнительно, сейсмика в процессе бурения ("SWD") или подобные службы исследования могут производиться попеременно или одновременно с процессом бурения. Эти исследования генерируют сейсмографические данные или другие данные датчиков, как в BHA, так и по трубной колонне. Обычно совокупность всей BHA-информации, которая должна быть послана в реальном времени на поверхность, может представлять скорость передачи данных 100-1 000 000 бит/с. Дополнительно, управляющая информация должна постоянно посылаться к BHA с поверхности в реальном времени. Такая управляющая информация может включать в себя ориентирующие команды для роторно-ориентируемой системы (RSS). Данные, которые должны быть переданы по восходящей линии связи на поверхность, и данные, которые должны быть переданы по нисходящей линии связи с поверхности, постоянно генерируются и обычно не синхронизируются относительно друг друга. Таким образом, существует потребность в связи с BHA в обоих направлениях и с максимально возможной эффективностью.

Датчики, содержащиеся в узлах 250, распределенных по трубной колонне, могут быть использованы для отслеживания скважинных условий, таких как температура и давление внутри и вне трубной колонны; для отслеживания условий бурения, таких как нагрузка, натяжение и крутящий момент; для отслеживания условий колонны, таких как натяжение, сжатие, вибрация, искривление, крутящий момент и/или направление; и могут также входить в состав вышеупомянутых служб исследования, таких как SWD. Один такой датчик может генерировать данные с такой низкой скоростью, как 1 бит/с или ниже, и с такой высокой, как 1 000 000 бит/с или выше. Датчики могут быть размещены с интервалами от менее 10 метров до 1 км или более. Можно без труда понять, что матрица из распределенных датчиков количеством от десятков до сотен может накладывать очень большие нагрузки на полосу частот данных даже в очень быстрых скважинных системах передачи. Таким образом, существует потребность в связи с матрицей распределенных узлов датчиков настолько эффективно, насколько это возможно.

Узлы 250 могут также быть использованы для оперирования исполнительными средствами, которые могут открывать и закрывать краны или могут выполнять другие механические функции на трубной колонне. Поскольку такие исполнительные средства могут осуществлять важные функции безопасности, существует потребность в быстром доступе в реальном времени к этим узлам и исполнительным средствам. Такой доступ должен быть возможен даже в то время, когда другие компоненты системы передачи данных не являются действующими.

Ввиду издержек комплектации буровой трубы или сегментов кожуха средствами переноса сигналов, такими как кабельные сегменты, всего одна линия 300 передачи (фиг. 2 и последующие чертежи) может осуществляться. Линия 300 передачи должна расцениваться как "общая" в том смысле, что фактическое осуществление может содержать большое количество кабельных сегментов, средств соединения, повторителей, преобразователей и т.д., расположенных последовательно. Линия 300 передачи должна использоваться совместно множеством источников данных, которых может быть много сотен на трубной колонне, и обычно используется как для восстающего направления данных ("восходящая линия связи" или "телеметрия"), так и для скважинного направления данных ("нисходящая линия связи" или "управление").

Для того, чтобы обеспечить беспрерывную связь в случае кабельного сегмента, может осуществляться более одной линии 300 передачи. Эти линии передачи могут выполнять функцию резервного средства для всех остальных и могут быть использованы в качестве "холодного резерва" или в качестве "горячего резерва". Линия передачи "холодного резерва" активируется в случае отказа первичной линии передачи, в то время как линия передачи "горячего резерва" активна параллельно с первичной линией передачи. Комбинация "холодного резерва" и "горячего резерва" также возможна, например, в случае временной необходимости высокой скорости передачи данных, a линия передачи "холодного резерва" может быть активирована параллельно с первичной линией передачи.

Емкость данных линии передачи или линий передачи обычно довольно большая и может достигать нескольких Мбит/с или более. Однако, если эта емкость должна совместно использоваться множеством устройств, как в случае с матрицей распределенных датчиков, которые должны оперировать одновременно с BHA с высокоскоростной передачей данных, емкость, доступная для каждого датчика, сокращается очень быстро. Таким образом, существует большая потребность в том, чтобы доступная емкость передачи использовалась настолько эффективно, насколько это возможно.

Линия(-и) 300 передачи всегда диссипативны, т.е. сигнал затухает и будет искажен по мере распространения по колонне. Сигнал и информация, которую он переносит, должны периодически восстанавливаться посредством повторителей 230 сигналов на колонне. Как показано на фиг. 2, для таких повторителей существуют различные возможные конфигурации. Фиг. 2a изображает стандартную, "последовательную" конфигурацию, в которой повторители электрически последовательны с линией 300 передачи. Под управлением логики 234 повторителей линейные приемопередатчики 232 включают и выключают их соответственные выходные данные и приводят в действие "верхний" и "нижний" сегменты линии 300 при необходимости маршрутизации сигналов. Хотя такая конфигурация не представляет сложности в осуществлении, она не отказобезопасна. Условие отказа в любом повторителе, которых может быть много сотен, может исключать возможность связи между "верхней" и "нижней" секциями линий, это условие, в котором линия связи между BHA и поверхностной системой управления может быть потеряна. Таким образом, существует сильная потребность в том, чтобы доступная емкость передачи была отказобезопасной, так, чтобы линия связи между BHA и поверхностью не терялась даже в случае неисправности в одном или нескольких перемежающихся элементах передачи.

Повторители 230 обычно разнесены на расстояние от десятков метров до нескольких сотен метров друг от друга. Полное количество повторителей может быть в диапазоне от десятков до тысяч в зависимости от длины колонны и от технологии, используемой для генерирования сигнала и переноса сигнала. С точки зрения сети, эффект повторителей состоит в замедлении сигнала и данных. В то время как сигнал может распространяться внутри одного кабельного сегмента с приблизительно 2/3 скорости света в атмосфере, типичные задержки сигнала в системе передачи повторительного типа будут порядка 0,01-10 миллисекунд на километр или 0,1-100 миллисекунд полного времени передачи для десятикилометровой колонны. Если линия 300 передачи колонны должна быть использована для двусторонней связи или если несколько линий 300 передачи используются параллельно с одним и тем же направлением сигнала в любой данный момент времени, эта полная задержка должна поддерживаться настолько низкой, насколько это возможно, поскольку все сигналы, перемещающиеся в одном направлении, должны быть приняты до того, как направление потока сигналов может измениться, ввиду чего происходит пауза в передаче данных. Таким образом, существует сильная потребность в том, чтобы распространение сигнала было по возможности быстрым, и чтобы время, требуемое на повторение сигнала, было по возможности коротким, и чтобы полное время передачи ("задержка передачи") было по возможности коротким, и чтобы время, требуемое для изменения направлений связи, было по возможности коротким.

Если в конкретных точках на трубной колонне требуется больше функциональных возможностей, чем то, что обеспечено базовым повторителем, в колонну вводится "узловое" устройство. Узел может быть носителем одного датчика или множества датчиков или он может быть носителем одного исполнительного средства или множества исполнительных средств, и узел может также осуществлять функциональные возможности повторителя. Как показано на фиг. 3, под управлением интерфейса 254 узлов линейные приемопередатчики 252 включают и выключают их соответственные выходы и приводят в действие "верхний" и "нижний" сегменты линии 300 при необходимости маршрутизации сигналов. Интерфейс 252 узлов связывается с интерфейсом 256 исполнительных средств и/или интерфейсом 258 датчиков, как требуется конкретной конфигурации исполнительного средства и/или датчика узла. Интерфейс 252 узлов может также осуществлять функцию логики 234 повторителей. Такой узел 250 электрически последователен с линией 300 передачи, что упрощает маршрутизацию и протоколы связи, но осуществлять отказобезопасную архитектуру. Как упомянуто выше, существует сильная потребность в том, чтобы доступная емкость передачи была отказобезопасной, так, чтобы линия связи между BHA и поверхностью не терялась даже в случае неисправности в одном или нескольких перемежающихся элементах передачи.

Обычно единственными источниками мощности, легко доступными на скважинной колонне, являются аккумуляторы. Эти аккумуляторы обычно собираются из литиевых первичных или вторичных элементов. Элементы имеют ограниченную энергоемкость и недоступны для замещения или перезарядки на периоды в недели и месяцы. Таким образом, существует сильная потребность в минимизации расхода электрической мощности повторителей и узлов. Такой минимальный расход мощности может достигаться путем минимизации активности, требуемой каждому повторителю или узлу, и/или путем минимизации времени, в течение которого повторитель или узел активны, и/или путем минимизации полосы частот данных и, следовательно, расхода мощности на повторитель (и/или на узел) и/или путем задействования емкости существующего канала настолько эффективно, насколько это возможно. Таким образом, существует сильная потребность в обеспечении средств связи в сети, которые настолько эффективны, насколько это возможно, в отношении расхода мощности на линии(-ях) передачи.

Из соображений безопасности, очень желательно конструировать повторители в виде герметичных блоков. Как части трубной колонны, повторители и узловые устройства могут оперировать внутри самой критичной зоны безопасности буровой установки ("Зоны 0"), которая может содержать легковоспламеняющиеся и/или горючие газы или смеси газов, такие как смесь метана/воздуха. Герметичные блоки могут выступать как безопасные при этих условиях, поскольку даже взрывная разгрузка внутреннего блока хранения энергии (обычно первичного элемента аккумулятора) содержится внутри герметичного ограждения. С другой стороны, такие герметичные блоки могут быть невосстанавливаемыми и необслуживаемыми. Таким образом, для обеспечения достаточной продолжительности эксплуатации существует сильная потребность в том, чтобы электронные средства повторителей были по возможности простыми, и потребляли по возможности мало мощности аккумулятора. Таким образом, существует сильная потребность в обеспечении средств связи, которые накладывают только низкие требования на электронные средства повторителей в смысле сложности, расхода мощности и возможностей обработки данных, в то же время сохраняя высокие скорости передачи сигналов и высокие скорости пропускной способности данных.

В течение расширенных операций строительства скважины может иметься возможность обслуживать или замещать повторители и/или узлы. В таких обстоятельствах некоторые из внутренних аккумуляторов могут разряжаться, в то время как система связи все еще в эксплуатации. Такая преждевременная разрядка может происходить, например, ввиду допускаемых производственных отклонений и/или ввиду длительного воздействия высоких температур у забоя скважины. Таким образом, существует сильная потребность в обеспечении средств связи, которые могут преодолевать один или несколько непитаемых повторителей и/или узлов.

В течение нормальных операций обычно происходят длительные задержки без активности связи. Такие задержки происходят, например, в течение перемещения трубы, когда труба находится в резерве или передвигается к устью скважины или когда труба используется в целях строительства скважины, отличных от бурения/связи, таких как перекачивание цемента или жидкостей для гидравлического разрыва. В целях, обрисованных выше, существует сильная потребность в обеспечении средств связи, которые могут помещаться в надлежащее время в режимы ожидания, которые требуют мало или почти не требуют мощности, благодаря чему увеличивается срок эксплуатации внутренних источников мощности, таких как аккумуляторы.

В течение нормальных операций, трубные сегменты могут использоваться очень различными способами. Некоторые трубные сегменты могут находиться в скважине только короткие периоды времени, другие сегменты могут находиться в скважине долгие периоды времени, еще одни сегменты могут находиться в резерве в течение всего времени. Если много или все трубные сегменты содержат повторитель, эти повторители могут предполагать очень различные профили использования в течение процесса строительства скважины. В результате внутренние источники мощности могут разряжаться с различными скоростями. Будет целесообразно оценить остальную продолжительность эксплуатации такой системы связи на основе "среднего" профиля использования и, с другой стороны, будет нерационально оценивать остальную продолжительность эксплуатации такой системы связи на основе профиля использования "худшего случая". Таким образом, существует сильная потребность в системе связи, которая может отслеживать профиль использования каждого внутреннего источника питания, которая может производить опрос состояний каждого внутреннего источника питания перед тем, как такой источник питания вступает в эксплуатацию в скважине, и которая может автоматически отмечать необходимость замещения внутреннего источника питания или замещения устройства, содержащего такой источник питания.

Как упомянуто выше, скважинная система передачи данных может иметь важные функции безопасности. Например, датчики в BHA могут обнаруживать небезопасные условия бурения, такие как приближение к подземному газовому пузырю, о котором необходимо немедленно предоставить отчет на поверхность. Таким образом, существует сильная потребность в установке приоритетов между источниками данных, где BHA обычно наделяется наивысшим приоритетом для передачи данных на поверхность, и в механизмах, которые обеспечивают функционирующую линию связи от BHA к поверхности даже при наличии аварий и неисправностей аппаратных средств в промежуточных повторителях и/или узлах.

Режим передачи скважинной системы передачи данных обычно последователен по битам ввиду вышеупомянутых издержек аппаратных средств, ассоциированных с обеспечением канала передачи на всей колонне. Осуществление множества параллельных каналов существенно увеличит стоимость такой скважинной системы передачи. Биты обычно представляются "импульсами" как показано на фиг. 17. Множество схем существует для преобразования между битами и импульсами, эти схемы в общем случае известны как "линейные коды". Один такой возможный код показан на фиг. 17a. Последовательность импульсов, где каждый импульс может быть короткой вспышкой высокочастотного несущего сигнала, кодирует последовательность бит так, чтобы равномерно разнесенные "тактовые" импульсы ("C") устанавливали схему синхронизации, а импульсы "данных" ("D") представляли информацию. Присутствие или отсутствие некоторого конкретного D-импульса представляют логические "0" или "1" или наоборот, т.е. пара из одного C-импульса и одного D-импульса переносит 1 бит информации. Как показано на фиг. 17b, скорость передачи данных может быть увеличена путем изменения соотношения C- и D-импульсов так, чтобы фиксированное количество из более чем одного D-импульса следовало за каждым C-импульсом. В крайнем варианте самотактирующихся линейных кодов используются только D-импульсы.

Существует много возможных линейных кодов, и представления фиг. 17a и 17b служат лишь в качестве примера для помощи в понимании настоящего изобретения. Например, линейные коды могут использовать позицию импульса, ширину импульса, амплитуду импульса, фазу импульса и/или частоту импульса помимо других параметров, для представления множества бит данных посредством одного импульса. Эти различные линейные коды, однако, могут накладывать различные ограничения на электронные средства повторителей в смысле возможностей обработки сигнала. Каждый повторитель должен иметь возможность верным образом восстановить те физические характеристики импульсов, которые кодируют информацию, в то время как физические свойства импульсов, которые не кодируют информацию, могут меняться в течение процесса передачи. Каждая из таких физических характеристик требует различных возможностей повторителя для распознавания входящих импульсов и для генерирования исходящих импульсов, причем каждая возможность добавляет сложность к электронным средствам и увеличивает расход мощности. Таким образом, существует сильная потребность в обеспечении схем линейного кодирования, которые и эффективны в смысле передачи данных, т.е. достигают высокой скорости передачи бит на импульс или группу импульсов, и в то же время накладывают только низкие требования на возможности обработки сигналов у повторителей.

Поскольку данные передаются через физический канал, они подвергаются помехам либо от случайного электрического шума, либо от электрических помех, которые могут возникать изнутри самой системы связи. Как в любой системе передачи данных, некоторое количество переданных данных могут теряться, искажаться или любым другим образом подвергаться воздействию в течение переноса. Как должно быть очевидно из вышеупомянутого описания, большинство, если не все из данных, передаваемых в скважинной системе передачи, являются критически важными и должны быть переданы и приняты без ошибок. Таким образом, данные должны быть защищены данными четности, которые используется аппаратными и программными средствами выявления ошибок и/или исправления ошибок для обеспечения надежности данных. В ограниченной по пропускной способности сети, как в случае скважинной сети, количество требуемых данных четности должно быть относительно мало по сравнению с данными полезной нагрузки, передаваемыми с целью поддержания эффективности всей системы. Дополнительно, обнаружение ошибок и/или исправление ошибок должны происходить с по возможности малым служебным сигнализированием. Из вышеупомянутого должно стать ясно, что изменение направлений сигнала может быть времязатратным процессом, и, таким образом, повторная передача данных также может быть времязатратной. Таким образом, существует сильная потребность в обеспечении средств безошибочной связи в сети, которые эффективны в отношении использования полосы частот и системного служебного сигнализирования и которые приспособлены к особенностям скважинной сети, т.е. путем минимизации количества требуемых изменений направления.

Широко используемый подход организует биты информации, которые должны быть переданы по каналу группами, называемыми пакетами, которые содержат как пользовательские данные ("полезную нагрузку"), так и описательные данные ("заголовок"). Обычно биты сгруппированы в байты, а пакеты состоят из нескольких байт. Каждый байт или группа байт имеет конкретные функции в пакете: например, адрес назначения, адрес источника, длина пакета, данные полезной нагрузки, проверочные байты и т.д. Все биты, содержащие пакет, передаются как непрерывный единый блок между сетевыми узлами. Пакеты данных разделены короткими периодами времени, в которые никакие данные не передаются. Эти промежутки необходимы для обеспечения возможности сети с пакетной коммутацией изменять маршрутизацию между сетевыми узлами и маршрутизировать отдельные пакеты через различные сигнальные пути при необходимости. Информация о том, как обеспечить путь маршрутизации на попакетной основе, извлекается из заголовков пакетов и из таблиц маршрутизации, описывающих текущую конфигурацию сети. Любой сетевой узел может определять из пакета путем инспектирования (a) допустимость пакета и (b) назначенное расположение пакета. Узел может обнаруживать, что он является назначенным адресатом пакета, или узел может требоваться для перенаправления пакета. Поврежденные пакеты, в которых проверочные байты не согласуются с остальным пакетом, обычно отвергаются, как только они обнаружены. Организация данных в пакеты является широко известным способом маршрутизации данных через сеть. К сожалению, это может быть очень неэффективным способом в случаях, когда большое количество источников данных должны совместно использовать один сигнальный канал, что является обычным для скважинной сети.

Другая проблема с подходом пакетизации состоит в потере полосы частот данных, ассоциированной с данными не полезной нагрузки, такими как заголовок пакета. Данные в реальном времени должны часто обновляться, т.е. приходят относительно небольшими порциями, и пакетизация данных полезной нагрузки может требовать сравнительно существенного количества дополнительных бит не полезной нагрузки.

Еще одна проблема с пакетизацией данных состоит в служебном сигнализировании, ассоциированном с конфигурацией линии передачи перед каждой передачей данных, и ограниченной скорости распространения сигнала через усиленную повторителями сеть. Каждый раз, когда направление сигнала изменяется, тратится время на ожидание, пока последний пакет идет в старом направлении, чтобы прибыть к своему месту назначения, и пока будет установлено новое, противоположное направление данных на всей линии передачи, благодаря чему дополнительно уменьшается эффективность сеть, ограниченной по полосе частот.

Из вышеприведенного описания общей проблемы скважинный связи и различных подходов для ее решения можно без труда понять, что новые решения необходимы для осуществления скважинный сети связи, которая может содержать большое количество повторителей и/или узлов связи, которая удовлетворяет требованиям высокой эффективности в комбинации с низким расходом мощности и отказобезопасной операцией и которая может комбинировать одновременную приоритезированную связь матричного типа со сквозной связью, с использованием одной или небольшого количества параллельных линий передачи. Настоящее изобретение отвечает этим потребностям в данной области техники.

Сущность изобретения

Скважинная система передачи данных отвечает потребностям в данной области техники путем передачи данных по скважинной колонне, включающей в себя ведущее средство связи, выбранное из группы, включающей в себя поверхностный интерфейс, скважинный интерфейс и узел, и включающей в себя линию связи, включающую в себя множество сегментов передачи, которые переносят сигналы по скважинной колонне, и множество повторителей сигналов низкой мощности, которые периодически обновляют и восстанавливают сигналы, переданные по скважинной колонне. Для минимизации расхода мощности и для улучшения эффективности связи поверхностный интерфейс, узел и скважинный интерфейс осуществляют связь по линии(-ям) связи с использованием импульсов радиочастотной энергии. Эти импульсы могут быть организованы в кадры данных, которые могут включать в себя один или несколько пробуждающих импульсов. Система передачи данных может дополнительно отличаться тем, что повторители и/или ведущее средство связи соединены с линией связи отказобезопасным образом, причем импульсы радиочастотной энергии обходят или проходят через повторитель сигналов и/или ведущее средство связи, когда повторитель сигналов и/или ведущее средство связи отказывает.

В одном примерном варианте осуществления система передачи данных отличается тем, что повторители и/или узлы соединены с линией(-ями) связи в "T"-образной конфигурации или конфигурации "бокового ответвления" для обеспечения отказобезопасной операции на линии(-ях) связи. Система передачи данных в такой системе дополнительно отличается тем, что повторители и/или узлы соединены с линией(-ями) связи параллельно ключу, который определенно-закрыт или определенно-открыт в своем деактивированном состоянии для обеспечения отказобезопасной операции на линии(-ях) связи.

В том же или другом примерном варианте осуществления кадр данных включает в себя по меньшей мере один пробуждающий импульс и один или несколько импульсов данных. В примерном варианте осуществления ведущее средство связи осуществляет связь по линии(-ям) связи путем модулирования данных в импульсы радиочастотной энергии, и по меньшей мере один из множества повторителей сигналов повторно генерирует импульсы радиочастотной энергии без декодирования всех из упомянутых данных, модулированных в импульсы. Предпочтительно, чтобы импульсы радиочастотной энергии обходили или проходили через отказобезопасный повторитель сигналов, когда отказобезопасный повторитель сигналов отказывает. Дополнительно, ведущее средство связи может наделяться приоритетом передачи над другими устройствами передачи. Соответственные кадры данных также могут быть расположены на некотором расстоянии для обеспечения возможности высокоприоритетной передачи данных между кадрами данных.

Эти и другие отличительные признаки изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники из последующего подробного описания.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 изображает схематическое представление среды бурения с установленными элементами передачи данных.

Фиг. 2a изображает схематическое представление общего повторителя сигналов предшествующего уровня техники.

Фиг. 2b изображает схематическое представление повторителя сигналов согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2c изображает схематическое представление другого повторителя сигналов согласно настоящему изобретению.

Фиг. 3 изображает схематическое представление общего узла предшествующего уровня техники.

Фиг. 4 изображает схематическое представление узла согласно настоящему изобретению.

Фиг. 5 изображает схематическое представление другого узла согласно настоящему изобретению.

Фиг. 6 изображает концептуальный чертеж звена трубы согласно настоящему изобретению, разбитого на секции параллельно главной оси и с установленными элементами системы передачи данных.

Фиг. 7 изображает концептуальный чертеж короткого звена согласно настоящему изобретению, разбитого на секции параллельно главной оси и с установленными элементами системы передачи данных.

Фиг. 8 изображает вид в поперечном разрезе звена трубы, показанного на фиг. 6, вдоль плоскости A-A'.

Фиг. 9 изображает вид, помеченный как "B", на фиг. 6 и 7, показывающий конец шпильки и средство соединения шпильки.

Фиг. 10 изображает вид, помеченный как "B", на фиг. 6 и 7, показывающий осуществление конца шпильки и альтернативного средства соединения шпильки.

Фиг. 11a-11c изображают поперечные сечения вдоль плоскостей B-B', C-C' и D-D', соответствующие фиг. 10.

Фиг. 12 изображает вид, помеченный как "C", на фиг. 6 и 7, показывающий конец муфты повторителя.

Фиг. 13 изображает концептуальную структурную схему цепи электронных средств повторителя.

Фиг. 14 изображает концептуальную структурную схему цепи электронных средств внешнего интерфейса узла.

Фиг. 15 изображает концептуальный вид соединительного замка со встроенным "кнопочным" повторителем.

Фиг. 16 изображает концептуальную структурную схему цепи электронных средств "кнопочного" повторителя.

Фиг. 17a-17b изображают схематические представления двух линейных кодов PCM.

Фиг. 18 изображает схематическое представление линейного кода PPM.

Фиг. 19 изображает схематичную структурную схему модема узла/терминала.

Фиг. 20 изображает схематичную структурную схему FEC-блока модема узла/терминала.

Фиг. 21 изображает схематичную структурную схему сегмента PPM-кодера модема узла/терминала.

Фиг. 22 изображает схематичную структурную схему сегмента PPM-декодера модема узла/терминала.

Фиг. 23 изображает схематичную структурную схему блока исправления ошибок модема узла/терминала.