CN109113728B

CN109113728B - 用于钻井现场的设备

Info

Publication number: CN109113728B
Application number: CN201810776212.7A
Authority: CN
Inventors: 大卫·A·斯维策尔; 阿伦·W·洛根; 吉利（杰里）·刘; 穆杰塔巴·卡齐米米拉基
Original assignee: Evolution Engineering Inc
Current assignee: Evolution Engineering Inc
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2033-09-05
Also published as: EP3042023B1; EP3418488B1; US9920622B2; WO2015031973A1; CA2922850C; US20160194953A1; EP3418488A1; EP3042023A1; MX2016002893A; AU2018206790A1; AU2018206790B2; CN109113728A; AU2013400079B2; EA201690510A1; EA034155B1; CN105518245B; US20180187545A1; AU2013400079A1; CA2922850A1; EP3042023A4

Abstract

描述了用于提供井孔内的本地以及远程数据遥测的一系列设备和方法。这些设备和方法可以以多种方式组合。在一些实施方式中，利用较高频率的信号来跨钻柱中的间隙来发送数据，对于该较高频率，间隙或跨间隙连接的滤波器的电阻抗低。可以跨间隙施加低频EM遥测信号。间隙以及跨间隙连接的任意滤波器对于低频EM遥测信号呈现高阻抗。所描述的技术可以应用于在井下子器件包之间传送传感器读数。在一些实施方式中，传感器跨钻柱中的电绝缘间隙电连接。

Description

用于钻井现场的设备

本申请是申请号为201380079429.8、申请日为2013年9月5日、名称为“跨钻柱中的电绝缘间隙发送数据”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本公开内容总体上涉及地下钻井。实施方式提供了用于在互相电绝缘的钻柱的部件之间发送数据的方法和设备。例如，一些实施方式应用本教导来跨间隙接头组件发送数据。一些实施方式提供了适用于在随钻测量(MWD)和/或随钻测井(LWD)应用中提供电磁遥测的间隙接头组件。

背景技术

从地下区域回收烃依赖于钻井井孔。在地下钻井中，位于地面的钻井设备驱动钻柱从地面设备向关注的地层或地下区域延伸。钻柱通常由金属管组成。钻柱可以在地面以下延伸数千英尺或数千米。钻柱的终端包括用于钻井孔或延伸井孔的钻头。

地面设备通常包括某种钻井流体体系。在大多数情况下钻井“泥浆”通过钻柱的内部被泵送。钻井泥浆冷却并润滑钻头，离开钻头并且将岩屑运送回到地面。泥浆还帮助控制井底压力并且防止烃从地层涌入到井孔中以及可能在地面的喷出。

定向钻井允许使井孔的路径转向。可以应用定向钻井来使井从竖直转向到与目标终点相交或使井转向为遵循指定路径。在钻柱的末端处的井底组件(BHA)可以包括：1)钻头；2)旋转可转向***的可转向井下泥浆马达；3)用于随钻测井(LWD)和/或随钻测量(MWD)的勘测装置的传感器，该勘测装置用于随着钻井进行评估井下状况；4)用于至地面的数据的遥测的装置；以及5)诸如稳定器或重型钻铤的其他控制设备。

MWD设备可以用于以近乎实时模式在钻井时提供井下传感器和地面处的状态信息。钻井队员可以使用该信息来基于包括租赁边界(lease boundaries)、现有井、地层特性、烃规模和位置的大量因素来作出关于控制和转向井的决定以优化钻井速度和轨迹。这些决定可以包括：基于在钻井过程期间从井下传感器收集的信息，在必要的情况下作出相对于计划井孔有意的偏离。在其获取实时数据的能力方面，MWD允许相对更经济和有效的钻井操作。

可以使用各种遥测方法来将数据从MWD或LWD发送回到地面。这样的遥测方法包括但不限于：硬连线钻杆的使用、声学遥测、光纤电缆的使用、泥浆脉冲(MP)遥测和电磁(EM)遥测。

EM遥测包括在行进穿过地(earth)并且在地面处被检测的井孔处的电磁波的生成。

相对于MP遥测，EM遥测的优点一般包括：较快速的数据传输速率，没有移动靠井下部分而引起的增加的可靠性，对循环漏失材料(LCM)使用的高抵抗，以及对空气/负压钻井的适用性。EM***可以在没有连续流体柱的情况下发送数据；因此EM遥测可以在不存在泥浆流动的情况下使用。这在钻井队员增加新钻杆区段时是有利的，因为EM信号可以在钻井队员增加新杆时发送定向勘测。

EM遥测的缺点包括：较低的深度能力，与一些地层(例如，高盐地层和高电阻率对比度的地层)不兼容，以及较旧已确立方法的接受而引起的某种市场阻力。另外，由于EM发送在穿过地球地层的长距离上强烈衰减，所以需要相对大量的电力以使得信号在地面处被检测到。较高频率的信号比低频信号更快速地衰减。

通常通过借助本领域称为“间隙接头”的绝缘接头或连接器来将钻柱分成两个导电区段来将金属管用作EM遥测工具的偶极天线。

WO 2010/121344和WO 2010/121345描述了钻头组件***，其包括穿过钻头头部与栓体(pin body)之间的电隔离间隙的通道，以提供线的馈通，该线可以运送用于来自钻头的上行链路通信或来自井下EM间隙接头组件的下行链路通信的信息。WO 2009/086637描述了一种间隙接头，其具有延伸穿过该间隙接头的绝缘线。

US6866306、US6992554、US7362235、US2009/0058675、US2010/0175890、US2012/0090827、US2013/0063276和WO2009/032163公开了用于在钻柱的区段之间运送数据信号的各种构造。WO2009/0143405和WO2010/065205公开了中继器的使用以沿着钻柱发送信号。US2008/0245570、WO 2009/048768A2、US7411517、US2004/0163822A1和US8334786公开了井下***。

虽然已经做了工作来开发用于地下遥测的***，但是仍然保持存在实用且可靠的地下遥测***的需要。

发明内容

本发明具有多个方面。一个方面提供了一种用于在井下环境中发送数据运送信号的方法。另一方面提供了一种被构造成有利于沿着钻柱的数据发送的钻柱。另一方面提供了一种用于诸如间隙接头的钻柱部件的构造。另一方面提供了一种用于在两个或更多个井下电子设备包中提供本地数据通信的各种构造。另一方面提供了一种用于在位于钻柱壁上或钻柱壁中的传感器或其他电子设备与位于钻柱的内孔内的探头中的电子设备之间传送数据的方法和构造。另一方面提供了一种用于跨为了在EM遥测中使用而提供的间隙发送数据的方法和构造。钻柱可以被构造成包括这些方面中的两个方面或更多方面中的一个或任意组合。在这些方面中的不同方面中存在协同作用。然而，这些方面也具有独立应用。

一个示例方面提供了一种井下***，其包括在沿着钻柱互相间隔开的位置处耦合至钻柱的多个电子设备包。多个电子设备包中的每个电子设备包包括EM遥测信号发生器。多个电子设备包至少包括第一电子设备包和第二电子设备包。第一电子设备包被配置成以第一频率或第一频率组通过相应EM遥测信号发生器来生成第一EM信号。第一EM信号对第一数据进行编码。第一数据可以源自第一电子设备包中的传感器或与第一电子设备包相关联的传感器和/或源自其它电子设备包。第二电子设备包包括EM信号检测器并且被配置成接收第一EM信号。第二电子设备包还被配置成以与第一频率或第一频率组不同的第二频率或第二频率组通过相应EM遥测信号发生器来生成第二EM信号。第二EM信号对第一数据进行编码。

另一非限制性示例方面提供了一种包括钻柱的设备。该钻柱包括沿着钻柱间隔开的多个电绝缘间隙。多个EM遥测信号发生器均被耦合成跨多个间隙中的相应间隙施加EM遥测信号。间隙中的第一间隙第一频带中具有第一高的第一电阻抗；多个EM信号发生器中的EM遥测信号发生器中的第一EM遥测信号发生器被配置成发送第一频带中的EM遥测信号并且被耦合成跨间隙中的第一间隙施加第一频带中的EM遥测信号。多个间隙中的其他间隙在第一频带中具有低于第一电阻抗的电阻抗。

另一非限制性示例方面提供了一种间隙接头组件，其包括管体，管体具有在管体的井上端处的第一耦合、在管体的井下端处的第二耦合以及在第一耦合与第二耦合之间延伸的内孔。管体包括：导电靠井上部分；以及通过电绝缘间隙隔开的导电靠井下部分以及跨间隙电连接的电高通滤波器或带通滤波器。

另一非限制性示例方面提供了一种间隙接头组件。间隙接头组件包括：导电靠井上部分；以及通过间隙隔开的导电靠井下部分，该间隙在较低频带中提供高电阻抗以及在较高频带中提供较低电阻抗。EM遥测信号发生器被连接成在靠井上部分与靠井下部分之间施加较低频带中的低频EM遥测信号。数据信号发生器被连接成跨间隙驱动较高频率的数据信号，该数据信号具有比较高频带中的EM遥测信号更高的频率，在该较高的频带处间隙呈现出减小的电阻抗。

在以下具体实施方式中描述和/或在附图中图示本发明的其他方面以及示例实施方式的特征。

附图说明

附图图示本发明的非限制性实施方式。

图1是示出钻井现场的示意图，在该钻井现场针对随钻测量使用电磁(EM)遥测。

图2、图2A和图2B是根据示例实施方式的间隙接头组件的示意性纵向截面视图。

图3A、图3B和图3C是根据替代示例实施方式的间隙接头组件的示意性纵向截面视图。

图4是示出根据频率变化的电容器的容抗的行为的图。

图5、图5A和图5B是示出钻柱的区段的示意图，该钻柱具有可以通过跨间隙施加信号来进行通信的间隙和电子设备包。

图6、图6A、图7和图7A是包括根据示例实施方式的间隙的示例钻柱的一部分的示意性纵向截面视图。

具体实施方式

贯穿以下描述，阐述了具体细节以给本领域技术人员提供更充分的理解。然而，为了避免不必要地模糊本公开内容，可能没有详细示出或描述公知的元件。本技术的示例的以下描述非意在将***穷举或限制成任何示例实施方式的精确形式。因此，描述和附图被认为是说明性意思，而非是限制性意思。

图1是钻井现场的示意性表示，在该钻井现场应用EM遥测来将数据发送至地面。钻机10驱动钻柱12，钻柱12包括向钻头14延伸的钻杆的区段。所图示的钻机10包括用于支承钻柱的钻塔10A、钻台10B和绞车10C。钻头14在直径方面大于钻头上面的钻柱。围绕钻柱的环形区15通常填充有钻井流体。根据钻井操作钻井流体通过钻柱中的内孔被泵送至钻头并且通过运送碎屑的环形区15返回至地面。随着钻井的进行，可以在井孔中制成壳体16。在壳体的顶端支承有防喷器17。图1中图示的钻机仅是示例。在本文中所描述的方法和设备不特定于任何特定类型的钻机。

钻柱12包括间隙接头组件20。间隙接头组件20可以例如被定位在BHA的顶部处。间隙接头组件20的端部互相电隔离。间隙接头以上和以下的钻柱部分均形成偶极天线结构的一部分。间隙接头组件20可以以任意合适的方式被耦合在钻柱12中。在一些实施方式中，间隙接头组件20在一端处具有公螺纹耦合并且在另一端处具有母螺纹耦合。螺纹耦合可以例如是API螺纹耦合。

EM信号发生器18被跨间隙接头组件20的电绝缘间隙电连接。EM信号发生器18可以位于例如容纳在钻柱的内孔内或钻柱的壁内的电子探头中。EM信号发生器18可以例如位于钻柱12内的一个或更多个凹处、铠装室、注入室、密封端口和/或加工通道中。EM遥测信号发生器18生成用于EM遥测的合适频率的信号。这样的信号通常在频率方面较低(用于从井下***向地面设备进行通信的典型EM遥测信号具有在十几Hz至20Hz的范围中的频率)。在本文中所描述的各种实施方式包括在不同井下***之间的通信。对于井下***之间的本地通信，可以使用比可用于与地面设备通信的频率更高的频率(例如，在高达几kHz的范围中的频率)。在一些实施方式中，用于本地通信的频率超过50Hz或超过100Hz。这样的本地通信可以例如包括从钻头处或钻头附近的电子设备至泥浆马达以上的电子设备的通信或在沿着钻柱的一部分间隔开的一系列电子设备包之间的通信。

由EM信号发生器18跨间隙施加的电信号引起低频交流电流19A。以定时/编码序列控制来自EM信号发生器18的电信号以以下述方式给地供电，该方式引起地面处可检测的时变电场19B。

在示出的实施方式中，通过信号电缆13A连接信号接收器13以测量电接地桩13B与钻柱12的顶端之间的电势差。可以连接显示器11以解码所检测的信号并且显示由信号接收器13接收的数据。

通过EM遥测可以发送任意种类的数据。可以发送的数据类型的示例包括：传感器读数。可以提供范围广泛的井下传感器。传感器可以包括例如振动传感器、加速度计、方向传感器、磁场传感器、声学传感器、测井传感器、地层电阻率传感器、温度传感器、核粒子检测器、伽马射线检测器、电传感器(例如，测量井下设备中的电流和/或电压的传感器)、流量传感器、应力传感器、设备状态传感器等。

可能期望提供没有全部容置在共用外壳中的井下电子设备。例如，在一些实施方式中，EM信号发生器18和/或一个或更多个其他遥测***可以容置在钻柱12的内孔内的探头中。与某些传感器相关联的电子设备可以位于探头的外部，例如位于钻柱的壁中的凹处内。这引起如何将数据从传感器传送至用于处理和/或发送的探头的问题。

作为可能期望提供井下的不同电子设备包的另一示例情况，可能期望在钻头14处或在钻头14附件提供电子设备，这些电子设备与相对于被连接以驱动钻头的泥浆马达更靠井上的其他电子设备通信。作为另一示例，可能期望在井孔内的不同高度处(例如，相对于井孔从较竖直转为较水平的位置更靠井上和更靠井下)提供电子设备。

通常在井下环境中遇到的振动、温度、压力、冲击的极端状况使在隔开的井下电子设备之间建立数据通信复杂化。另一复杂之处是：将期望提供灵活的通信***(即，可以在最小的重新设计的情况下提供往返附加电子设备包的通信的***)。

图2示出示例间隙接头组件20。间隙接头组件20具有由电绝缘间隙20C隔开的导电靠井上部分20A和导电靠井下部分20B。间隙20C可以填充有例如热塑性材料等的电绝缘材料。

在图2所示的示例实施方式中，EM信号发生器18位于间隙20C的一侧的钻柱12的区段的壁中的凹处21中。EM信号发生器18被连接成在靠井上部分20A与靠井下部分20B之间施加信号，使得该信号跨间隙20C引起时变电势差。由于凹处21制造在靠井下部分20B中，所以EM信号发生器18的一个输出端子可以直接电连接至靠井下部分20B。

EM信号发生器18的第二输出端子借助电导体22电连接至靠井上部分20A，该电导体22与靠井下部分20B电绝缘并且穿过间隙20C以实现与靠井上部分20A电接触。在所示实施方式中，电导体从凹处21延伸穿过通道20D，通道20D纵向延伸穿过靠井下部分20B。

在一些实施方式中，导体22延伸至区段20A中的通道20E中。在间隙接头组件20被恰当地组装的情况下，通道20D和通道20E互相对准。可以在制造期间穿过对准的通道(20D、20E)馈送导线或多条电绝缘线(未示出)以跨越间隙接头组件20的间隙20C。在一些实施方式中，可以提供关于靠井上部分20A和靠井下部分20B的外部特征(未示出)来指示在组装间隙接头组件20时何时通道20D、20E被恰当地对准。在一些实施方式中，靠井上部分20A和靠井下部分20B通过销或在间隙接头组件20被组装时保持通道20D、20E对准的其他耦合来被部分地耦合。

穿过间隙接头20的通道20D、20E的导体可以沿着其长度被支承并且可以避免当导体在间隙接头20的壁内部延伸时极端钻井状况的影响。

图2A示出根据另一示例实施方式的间隙接头20-1，在该实施方式中凹处21中的电子设备可以跨间隙20C通信。在图2A中可选的井下探头24被示出为位于间隙接头20-1的内孔的内部。探头24通过电导体24A和电导体24B与靠井上部分20A和靠井下部分20B电通信。凹处21中的电子设备23被连接成跨20C施加和/或检测电信号。探头24中的电子设备也可以通过电导体24A和电导体24B被连接成跨间隙20C。

电子设备具有连接至如上所述的靠井上部分20A的端子和连接至如上所述的靠井下部分20B的另一端子。因此，电子设备23可以通过下述方式中的任意方式(依赖于电子设备21的配置)与探头24进行通信：跨间隙20C施加时变电势差；通过探头24检测跨间隙20C施加的时变电势差；调制由探头24供应的电流；监视探头24的电流的调制。

在图2A中所示的实施方式中，可以在探头24和电子设备23中的任一个或两者中设置有EM遥测信号发生器。在示例性实施方式中，EM遥测信号发生器设置在探头24中并且在电子设备23中设置有一个或更多个传感器。电子设备23将来自一个或更多个传感器的读数发信号给如上所述的探头24并且探头24然后将读数或利用读数导出的信息发送至地面。

在所有的实施方式中不强制导体22提供凹处21中的电子设备与靠井上部分20A之间的直接电接触。在一些实施方式中，来自凹处21中的电子设备的信号经由滤波器25耦合至靠井上部分20A。滤波器25可以使在特定频带中的信号通过并且阻挡其他频带中的信号。例如，在一些实施方式(例如，其中EM信号发生器18位于探头24中)中，滤波器25可以包括阻挡EM遥测中通常使用的非常低的频率并且使较高频率的信号通过的高通滤波器或带通滤波器。在一些实施方式中，来自电子设备包21的信号通过线圈等之间的电感耦合而跨间隙20C传送。线圈可以位于间隙20C的任一侧和/或嵌在使靠井上部分20A与靠井下部分20B电隔开的介电材料中。可以选择线圈的电特性(例如，电感)来实现用于跨间隙20C发送的期望的滤波特性。

图2B示出通过线圈27A与线圈27B之间的电感耦合跨电子设备包23A和电子设备包23B之间的间隙20C的示例实施方式信号发送。线圈27A连接在井上导体22A与靠井上部分20A之间。线圈27B连接在井下导体22B与靠井下部分20B之间。

图3A、图3B和图3C分别示出根据其他实施方式的间隙接头30-1、30-2和30-3。在这些图中，跨间隙20C传送数据。在这些间隙接头中的每个间隙接头中，在间隙20C的井上侧和井下侧分别设置有电子设备31A和电子设备31B。电子设备31A和电子设备31B均具有电连接至电导体22的端子，该电导体与靠井上部分20A和靠井下部分20B电绝缘并且穿过间隙20C。电导体22可以例如纵向延伸穿过靠井上部分20A和靠井下部分20B中的纵向延伸的通道。通道可以互相对准使得电导体22可以沿纵向方向直接跨间隙20C延伸。

电子设备31A和电子设备31B可以分别位于部分20A和部分20B内的任意合适的室中。室可以例如包括朝部分20A和部分20B的内部或外部敞开的凹处、形成在部分20A和部分20B内部的室、密封端口、加工通道等。室可以被密封以抵挡加压流体的进入和/或被填充有合适的灌注混合物以防止加压流体进入和/或电子设备可以被包含在适用于保护所包含的电子设备免受井下环境影响的壳体内的室中。

图3A、3B和图3C的区别在于跨间隙20C发送数据的机制。在图3A中，电子设备31A的第二端子和电子设备31B的第二端子分别连接至靠井上部分20A和靠井下部分20B。通过间隙20C的电容跨间隙20C发送数据。

由于间隙20C提供了通过介电材料(间隙20C)隔开的两个电导体(井上和井下)部分20A和部分20B，所以间隙20C用作电容器。间隙20C的电容主要由部分20A和部分20B的面对部分的面积、部分20A和部分20B的面对部分之间的介电材料的厚度以及间隙中的材料的介电常数来确定。

平行板电容器的电容由下述公式给出：

其中，C是电容；A是两个板的交叠面积；ε_r是板之间的材料的介电常数；ε₀是电常数(ε₀≈8.854×10^-12F m^-1)；d是板之间的间隔。虽然因为几何因素间隙20C的电容将会与公式1给出的电容不同，但是公式1说明间隙20C的电容随着面积增加和介电常数ε_r的增加而增加，并且随着导电部件之间的间距增加而降低。

电容器将阻止直流电但将使交流电通过。流过电容器的电流将取决于容抗，容抗又取决于所施加的信号的频率。电容的容抗可以使用下述公式来计算：

其中：X_C＝容抗，单位为欧姆，π＝3.142或22/7；f＝交流电的频率，单位为赫兹；C＝电容，单位为法拉。

因此，如在图4中可以看到的，随着跨电容器施加的交流电的频率的增加，容抗减小。对于足够高的频率，可以跨间隙20C直接发送施加至靠井上部分20A的来自电子设备31A的信号以被靠井下部分20B中的电子设备31B接收。导体22提供返回路径。同时，跨间隙20C不传导跨间隙20C施加的低频遥测信号。可以例如通过探头24(在图3A中未示出)施加遥测信号。可以通过采用下述构造来增加间隙20C的电容：在该构造中，部分20A和部分20B的相邻部分的表面积增加(例如在部分20A和部分20B上提供交错销)；减小部分20A和部分20B的相邻部分之间的间隔；和/或使用具有高介电常数的材料作为绝缘材料。

在交流电频率非常高的情况下，间隙接头的容抗变得可忽略。在这些情况下，间隙接头组件可以基本上充当在靠井上部分20A和靠井下部分20B之间直接传导信号的线。

除了跨间隙20C电连接电容器32以外，图3B的间隙接头30-2与间隙接头30-1类似。由于电容器32与间隙20C电气上并联，所以跨间隙20C的电容增加(因而，降低了针对给定信号频率的容抗)。电容器32可以位于例如间隙20C中(例如，嵌在间隙20C的介电材料中或嵌在跨越间隙20C的探头24中或嵌在间隙接头30-1的内孔内的套管中，或者嵌在位于接近间隙20C的钻柱12中的凹处中)。

除了跨间隙20C电连接滤波器33以外，图3C的间隙接头30-3与间隙接头30-1类似。滤波器33可以包括例如高通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器、带阻滤波器、电感耦合等。在电子设备31A和电子设备31B之间发送的信号可以被选择为具有通过滤波器33的频率。同样，导体22提供返回路径。

上述原理还可以应用在在钻柱中存在两个或更多个(多个(plurality))间隙或者在钻柱中存在多个(multiple)(三个或更多个)间隙的情况。在这样的情况下，可以沿着钻柱在被两个或更多个间隙隔开的电子设备之间发送信号。在一些实施方式中，不同的间隙被配置成允许在不同频带内的信号的发送，使得某些信号对于钻柱的一些部分中的电子设备可获得而对于钻柱的其他部分中的电子设备不可获得。

图5示出钻柱40的一部分，钻柱40具有由间隙42A、42B和42C(一般地和总体地称为间隙42)隔开的纵向隔开部分40A、40B、40C、40D。电子设备包41A、41B和41C(一般地和总体地称为电子设备包41)分别位于分别跨越间隙42A、42B和42C的探头43A、43B和43C(一般地和总体地称为探头43)中。

电子设备包41中的一些或全部包括接收器44(例如，被连接成监视跨相应间隙42的电势差的电路)。电子设备包41中的一些或全部还包括被连接成跨相应间隙42施加电信号的信号发生器45。

在示例实施方式中，间隙42A呈现高通滤波特性而间隙42B和42C呈现低通滤波特性。在该实施方式中，如果电子设备包41A跨间隙42A施加低频EM遥测信号，则该信号将相对于间隙42A朝向井上和朝向井下传播。由于间隙42A具有高通滤波特性，所以间隙42A对于低频EM遥测信号表现为绝缘体。在低频遥测信号在间隙42B和42C的通带内的情况下，间隙42B和42C允许信号通过，从而允许在地面处检测EM遥测信号。类似地，电子设备包41A可以接收从地面发送的低频EM下行链路信号。

间隙42B和42C具有下述滤波特性：其提供对于通过间隙42B和42C中的另一间隙而被间隙42A阻挡的频率f_B和f_C的信号提供增加的阻抗。这允许电子设备41B和41C通过监视跨相应间隙42B和42C的电势来检测相应频率的信号。例如，如果电子设备包41A跨间隙42A施加频率为f_B的信号，则由于信号通过间隙42C(间隙42C对该信号表现出低阻抗)，所以在间隙42B处将能够检测到频率为f_B的电势差。类似地，如果电子设备包41A跨间隙42A施加频率为f_C的信号，则由于信号通过间隙42B，在间隙42C处将能够检测到频率为f_C的电势差。

频率f_B和f_C可以足够高，使得其通过穿过大地的传播而被显著衰减。这样的频率可以在EM遥测通常使用的范围之外(例如，这样的频率可以远超20Hz)。然而，由于与间隙42A与地面之间的距离相比，间隙42B和42C可以相对靠近间隙42A，所以虽然频率f_B和f_C可能对于至地面的有效EM遥测过高，但是间隙42B和42C的接收器44可以分别检测处于频率f_B和f_C的信号。

通常，在钻柱中存在N个间隙的情况下，每个间隙具有可以跨间隙施加电信号并且跨间隙检测电势的电子设备包，可以通过选择间隙对中的两者提供高阻抗而其他间隙提供低阻抗的通信频率来在任意电子设备包对之间建立通信。图5A示出根据示例性实施方式的钻柱55的一部分，在该实施方式中中存在三个间隙42。间隙42A具有高通滤波特性(例如，在20kHz以下的所有频率处提供高阻抗的特性)。间隙42B具有低通滤波特性。间隙42C具有带阻(低通以及高通)滤波特性。在示例情况下，电子设备包41A可以在0.1Hz至20Hz的频带中通过EM遥测与地面通信，在2000Hz的频率处与电子设备包41B通信以及在200Hz的频率处与电子设备包41C通信。

可以看到，间隙42B和42C的滤波特性使在低频0.1Hz至20Hz带中的信号通过，从而不干扰电子设备包41A与地面之间的EM遥测。间隙42C通过被间隙42A和42B阻挡的2000Hz的信号。间隙42B通过被两间隙42A和42C阻挡的200Hz的信号。虽然在图5中示出三个间隙42，但是相同的原理也可以应用于存在两个或更多个间隙的情况。可以提供任意合理数量的间隙。

有益地，对于较短距离的通信使用较高的频率而对于较长距离的通信使用较低的频率。例如，可以使用非常低频率的信号(例如，在25Hz以下的带中)来执行往返地面的遥测。可以以适中频率(例如，几百Hz；例如，100Hz至600Hz的带)来执行钻柱中的两个较宽地隔开的电子设备包之间的遥测。可以以较高频率(例如，几kHz；例如，1000kHz至6000kHz的带中的频率)来执行钻柱中的两个较近地间隔开的电子设备包之间的遥测。

在一些实施方式中，不同的频带被很好地隔开(例如，以至少5、至少8或至少10的因子在频率上不同)。这样的实施方式可以使用具有低斜率的滤波器(即，阻抗随着频率变化相对缓慢的滤波器)。在一些实施方式中，滤波器包括一阶滤波器。在一些实施方式中，滤波器具有大约20db/十倍或更小的滚降。

在一些实施方式中，间隙42A在靠近钻柱的下端的井下动力钻具上方并且间隙42B在泥浆马达与钻头之间。在这样的实施方式中可以存在或可以不存在第三间隙。在一些实施方式中，间隙42B在钻头的1米以内。

如上所述，间隙的滤波特性可以由以下中的一个或更多个来提供：由间隙的构造和/或跨间隙连接电子部件(跨间隙直接连接或在跨间隙连接的探头中或在跨间隙连接的其他结构中)产生的电子性质。

图5B示出被连接成跨越钻柱12中的间隙42的探头43。探头43包括全部连接在接触47A和47B之间的信号接收器44、信号发生器45和滤波器46，接触47A与47B接触间隙42以上以及以下的钻柱。在所示的实施方式中，探头43包括导电壳体48，导电壳体48具有通过电绝缘间隙48C隔开的部分48A和48B。

一些实施方式提供了可以被闭合以提供跨间隙42的短路的电控开关50。例如，这样的开关可以设置在探头中。这样的开关可以在某时间闭合以为必须跨间隙42通过的信号提供跨间隙42的改善的导电。在其中图5的探头43A、43B和43C为图5A的相同探头43的示例实施方式中，电子设备包41A通过EM遥测使数据发送至地面。电子设备包41A可以给电子设备包41B和41C发送信号以闭合开关50达足以发送特定数据的时间段。然后电子设备包41B和41C可以操作开关50以使间隙42B和42C短路，由此有利于数据通过电子设备包41A发送至地面和/或从地面发送。在该时段的终点之后，电子设备包41B和41C可以断开开关50使得电子设备包41B和41C可以再次发送和/或接收信号。

在一些实施方式中，基于所检测到的信号的频率来控制开关50。例如，一些电子设备包41可以包括被连接成跨相应间隙42检测信号的信号检测器。响应于检测到在预定频率范围内的信号，电子设备包可以被配置成自动闭合开关50达给定时间段。在示例性实施方式中，一个或更多个电子设备包41可以被配置成在检测到低频信号(例如，小于25Hz的信号)时闭合开关50。

在一些实施方式中，电子设备包41A、41B和/或41C包括针对附加遥测类型(例如，泥浆脉冲遥测)的发送器和/或接收器。在这样的实施方式中，可以可选地通过其他遥测***(例如，泥浆脉冲遥测)来发送用于设定开关50的命令。

在一些实施方式中，多个电子设备包41可以都在同一频带中通信。在这样的实施方式中，间隙42中的每个间隙可以包括滤波器，该滤波器在通过电子设备包中的另一电子设备包发送该频带中的信号的情况下提供足够的阻抗以产生可检测的跨间隙的电势差(但阻抗不至于大到使得信号在间隙42中的其他间隙处不可检测)。

在一些实施方式中，一个电子设备包41可以用作主导装置而其他电子设备包可以用作从属装置。在这样的主-从实施方式中，从属装置可以响应于从主导装置接收到的命令而发送关于一个或更多个频率的信息。例如，主导装置可以给从属装置发送针对来自从属装置的最新信息组的请求。从属装置可以通过发送包括所请求的信息组的数据来进行响应。信息组可以例如包括针对从属装置处的一个或更多个传感器记录的输出值。

在一些实施方式中，主导装置对应于保持与地面的遥测的电子设备包41，而从属装置中的一个或更多个对应于包括一个或更多个传感器的电子设备包。在这样的实施方式中，从属装置可以被配置成应请求给主导装置发送从传感器收集的数据并且主导装置可以被配置成给地面发送从从属装置接收的数据。

图6示出钻柱60的一部分，钻柱60具有由间隙42A、42B和42C隔开的纵向隔开部分60A、60B、60C和60D。电子设备包41A、41B、41C和41D(一般地和总体地称为电子设备包41)分别位于部分60A、60B、60C和60D中。另一些电子设备包可以位于钻柱的内孔内的探头中。每个探头可以跨越间隙42中的一个或更多个间隙(在一些实施方式中，探头在下述意义上跨越一个间隙42：探头在间隙42的任一侧上与钻柱的导电部分直接电接触)。虽然当前在各钻柱部中示出仅一个电子设备包，但是在钻柱部分中的一些或全部钻柱部分中可以存在多于一个电子设备包。

在图6中所示的示例实施方式中，位于钻柱60中的凹处中的多个电子设备包41通过与钻柱部分60A、60B、60C和60D电绝缘的导体22互连。电子设备包41还均具有与相应的钻柱部分60A、60B、60C和60D电接触的端子。如此，每个电子设备包41可以在导体22与钻柱的相应部分之间施加信号和/或通过监视导体22与钻柱的相应部分之间的电势差来检测信号。

如图6中所示的***可以有多种用途，其可以允许连接至导体22的任意电子设备包41对之间的单路或双路通信并且仅需要连接电子设备包的单个导体22。在一些实施方式中，该单个导体可以包括电源线，该电源线从诸如电池组、井下发电机等的电源将电力传递给电子设备包41。导体22可以跨零个、一个或更多个间隙42延伸。可以添加任意数量的附加电子设备包。不同的电子设备包可以包括不同的传感器和/或处理器和/或数据存储器和/或用于控制井下设备的控制电路和/或用于连接至井下设备的接口电路。在一些实施方式中，导体22沿着BHA的全部或一部分延伸。

图6示出分别跨间隙42A、42B和42C电连接的可选滤波器54A、54B和54C。在一些实施方式中，滤波器54A、54B和54C具有不同的特性，使得滤波器54中的至少一个滤波器将使未通过滤波器54中的至少另一滤波器的一些信号通过。该构造是限制某些信号传播至钻柱60的仅某些部分的一种方式。

在一些实施方式中，滤波器54中的一些或全部滤波器具有多个通带。例如，滤波器54中的全部滤波器具有共用通带。可以在与导体22连接的任意电子设备包41对之间发送具有在该共用通带内的频率的信号。每个滤波器54还可以具有不为全部滤波器54所共用的一个或更多个非共用通带。具有在这样的非共用通带内的频率的信号将在滤波器使该非共用通带的频率不通过的间隙处被阻挡。

导体22还可以允许在部分60A、60B、60C和60D的任意不同组之间施加EM遥测信号。例如，在电子设备包41之一中的EM信号发生器可以在导体22与设置有电子设备包41的部分之间施加EM遥测信号。在一个或更多个其他电子设备包中的开关可以被闭合以将导体22与这些部分中的一个或更多个连接。所施加的EM信号可以生成可以在地面检测到的电流19A以及电场19B。

虽然在图6中未示出，但是如上所述的探头24可以可选地位于与与部分60A、60B、60C和60D的任意对电接触的钻柱60的内孔中。在一些实施方式中，一个或更多个电子设备包41被配置成生成指向探头24的信号。例如，图6A示出了一种方式：电子设备包41A可以将信号指向具有与部分60A和部分60B电连接的电接触器的探头24。电子设备包41A在部分60A与导体22之间施加信号。电子设备包41B中的开关或滤波器65使信号从导体22传递至部分60B。由此跨探头24的接触24A和接触24B施加信号。探头24内的电子设备可以检测该信号。

在实践本发明方面可以有多种变化。虽然一些实施方式已经被描述为具有诸如另一特征(诸如间隙)的更靠井下或更靠井上的电子设备包的部件，但是替代地，其他实施方式可以具有另一特征的被移动至更靠井上或更靠井下(在另一侧)的相同或类似部件。虽然以上实施方式使用单个导体22来连接各个电子设备包，但是其他实施方式可以具有跨一个或更多个间隙的两个或更多个导体22。导体22不必需是连续的(能够沿着其长度运送DC电流)。在一些实施方式中，导体22具有与导体的不同区段串联连接的电容器和/或滤波器。

图7示出根据另一示例实施方式的钻柱70，在该实施方式中穿过间隙传播信号。钻柱70的内孔73中的探头24连接在靠井上部分70A与靠井下部分70B之间，其中，通过间隙70C隔开靠井上部分70A与靠井下部分70B。探头24可以跨间隙70C施加低频EM遥测信号。间隙70C用作为针对这些信号的电绝缘体(即，呈现高电阻抗)。

探头24还可以在靠井上部分70A与靠井下部分70B之间施加较高频率的信号。这样的较高频率的信号可以通过包括传感器或其他电子设备的路径绕开间隙70C。在所示的实施方式中，传感器电路75在靠井上部分70A与靠井下部分70B之间与滤波器76串联连接。滤波器76阻挡低频EM遥测信号。探头24可以通过在靠井上部分70A与靠井下部分70B之间施加高频信号来询问传感器电路75中的一个或更多个传感器。

选择高频信号的频率以通过滤波器76。传感器电路75被配置成以对传感器读数进行编码的方式调制高频信号。根据情况，数据信号可以被连续地、周期地或间歇地施加。虽然传感器电路75和滤波器76被示出为是被隔开的，但是支持传感器并且提供滤波以允许数据信号通过(在对于低频EM遥测信号呈现高阻抗的情况下)的功能可以在一个电路中被集成在一起。

数据信号的编码可以是简单的(例如，改变对于与传感器读数有关的数据信号所呈现的阻抗)或更复杂的(例如，改变流经传感器电路75的信号电流以以电流变化对数字数据进行编码)。传感器电路75可以可选地通过由信号所提供的电力来被供电。在另一实施方式中，传感器电路75通过跨间隙70C建立DC电势差来被供电。例如，探头24中的电池组可以被配置成在电接触24A与24B之间施加DC电压。具有至间隙的两侧的连接的其他电子设备包可以通过从探头24中的电池组提取电流来被供电。

传感器电路75中的传感器可以是任意合适的类型。例如，传感器可以包括伽马辐射传感器。

钻柱70可以利用在靠井上部分70A与靠井下部分70B之间添加一个或更多个附加间隙来被修改。通过选择与附加间隙的通带对应的信号频率，探头24可以询问传感器电路75。信号传播穿过附加间隙。

图7A示出钻柱70-1的一部分，其与钻柱70类似，但在靠井上部分70A与靠井下部分70B之间包括三个间隙77A、77B和77C。跨每个间隙连接三个滤波器78、79和80。滤波器78、79和80具有彼此不同的通带。每个间隙具有提供同一组通带的滤波器78、79和80。传感器电路75(分别标为75A、75B和75C)与每个间隙中的一个滤波器串联连接。每个间隙中的传感器电路与具有与在其他间隙中连接的传感器电路不同的通带的滤波器串联连接。在所示的实施方式中，传感器电路75A跨间隙77A与滤波器78串联连接；传感器电路75B跨间隙77B与滤波器79串联连接并且传感器电路75C跨间隙77C与滤波器80串联连接。

探头24可以通过选择不同的信号频率或频率的组合来选择性地询问不同传感器75A、75B和75C。例如，可以通过选择在滤波器78的通带中的信号来询问传感器电路75A。可以通过选择在滤波器80的通带中的信号来询问传感器电路75C。可以同时或在不同时间询问不同的传感器。

在一些实施方式中，钻柱12可以包括定位成彼此间隔一距离的多于一个间隙接头组件20。有益地，间隙接头组件20中的井上间隙接头位于对EM遥测弱的地层(例如，具有高电导率的地层)的上方。这样的实施方式有利于促进位于井上间隙接头组件20处的探头、凹处等中的电子设备包的相对低噪声、低功率的往返地面的遥测。其他间隙接头组件可以沿着最高间隙接头组件以下的钻柱被间隔开允许位于间隙接头组件处的电子设备包之间的可靠通信的足够小的距离。例如，最高间隙接头组件以下的间隙接头组件可以被隔开约10米至约1000米的量级的距离。在一些实施方式中，间隙接头组件可以被隔开3米至30米的距离。

最高电子设备包和间隙接头组件20可以与地面间隔开与其与下面的间隙接头组件所间隔开的距离相比更大的距离。在其他实施方式中，间隙接头组件沿着钻柱几乎相等地被隔开。在其他实施方式中，间隙接头组件沿着钻柱被间隔开考虑了围绕的地层的衰减特性的知识的距离(在衰减较高的区域间隙接头组件可以被更靠近地间隔开，而在其他区域中可以较宽地被间隔开)。在一些实施方式中，间隙接头组件以在3米至300米、3米至50米的范围中的距离被间隔开。

在一些实施方式中，间隙接头组件沿着钻柱足够靠近地被间隔开以利用100Hz或更高的频率通过EM遥测从BHA处或BHA附近的井下位置向地面设备中转数据。虽然这样的高频率可能在井下环境中被显著衰减，但是间隙接头组件和相关联的EM接收器和EM信号发生器的相对靠近间隔允许来自间隙接头组件之一的EM信号在其被过于衰减而不能被可靠地检测之前在进一步更靠井上的另一间隙接头处被接收。

完全沿着钻柱提供相对靠近间隔的间隙接头组件和相关联的电子设备包的一个优点是，数据可以使用较高的频率(以及匹配地较高的数据传输速率)被中转至地面而非对于EM遥测将实施的从BHA中的位置一步至地面。因而，这样的***可以提供比使用常规EM遥测***能够实现的至地面的数据通信更快速的数据通信和/或比使用常规EM遥测***能够实现的数据传输速率更高的数据传输速率。

在一些实施方式中，钻柱12的区段中的一些区段或全部区段通过间隙接头组件20被彼此电隔离并且可以包括一个或更多个电绝缘凹处。这样的凹处可以用于容置井下传感器、电源、收发器、在井下钻井中使用的其他电子设备或其组合中的任意一个。电绝缘凹处中的一些或全部电绝缘凹处可以跨间隙接头组件20互相电连接以直接电通信。这样的通信可以经由容置在通道20D、20E内的直接绝缘线建立，通道20D、20E沿着钻柱12向间隙接头组件20中的每个间隙接头的靠井上部分20A和靠井下部分20B内的间隙延伸。通道可以直接连接通过单个间隙隔开的相邻凹处或者通道可以直接连接通过多于一个间隙隔开的凹处。

如上所述，钻柱可以包括至少部分地通过跨间隙传播的信号联网在一起的多个电子设备包。间隙可以可选地用于使用于发送EM遥测信号的钻柱的部分隔开。在一些实施方式中，电子设备包沿着钻柱分布。电子设备包中的一些或全部可以包括传感器和/或被连接成接收传感器输出值。示例实施方式可以包括在沿着钻柱间隔开的位置处的测量诸如转矩、冲击、振动阻力(vibration drag)、张力、压力、旋转等参数的传感器。可以从电子设备包中的一个或更多个电子设备包将收集的信息发送至地面。

可选地，通过两个或更多个电子设备包将一些数据发送至地面。例如可以在第一电子设备包处收集数据并且以在本文中所述的方式将数据发送至第二电子设备包。第一电子设备包可能在井孔中足够深使得其以给定频率发送的数据在地面不能被接收到。可以在第二电子设备包处接收数据(例如利用上述数据发送方法中的任意方法)。第二电子设备包可以将数据再发送至地面(可以与在第二电子设备包处的传感器所获得的数据和/或来自一个或更多个其他电子设备包的在第二电子设备处接收的数据一起)。第二电子设备包可以识别其再发送的数据的源。例如，不同源(电子设备包)可以以不同频率向第二电子设备包发送数据。第二电子设备包可以在再发送该数据之前对数据加标签以指示数据的源。第二电子设备包可以在再发送数据之前对数据进行处理。例如，第二电子设备包可以将来自一个或更多个源的数据压缩在一起，计算接收数据(以及发送的那些)的平均值或其他统计性质等。

在一些实施方式中，数据从井下电子设备包沿钻柱向上传递至将该数据传递至地面设备的最远井上电子设备包。途经的电子设备包中的一个或更多个电子设备包可以可选地将源自多个电子设备包的数据组合成“加成遥测”(summative telemetry)，其包括所有值以及收集这些值的相关节点。不同的电子设备包可以使用相同和/或不同的频率和/或编码方案和/或数据压缩方法来发送数据。

本发明的实施方式可以采用用于对EM遥测信号中的数据进行编码的任意合适的方案。一个这样的方案是QPSK(正交相移键控)。另一方案是BPSK(二进制相移键控)。PSK(相移键控)编码方案可以使用多个循环(以当前频率)来发送每个符号。用于发送每个符号的循环数可以变化。例如，在低噪声环境中，可以每个符号使用两个循环来成功地发送EM遥测符号。在较高噪声的环境中，期望或必须使用三个循环(或更多个)来发送每个符号。在一些实施方式中，要用于对符号进行编码的循环数基于最近扫描中测量的信噪比(SNR)来选择。其他编码方案包括FSK(频移键控)、QAM(正交振幅调制)、8ASK(8幅度移键控)、APSK(幅度相移键)等。可以应用使用用于传送数据的相位、幅度、脉冲的定时和/或频率的变化的任意合适组合的方案。

在一些实施方式中，收集用于发送至地面的数据的电子设备包可以被配置成添加附加数据，诸如：节点(BHA中的深度位置)；与其接收的特定频率的发送有关的信息(例如，识别频率以及与该频率相关的对应节点(间隙或电子设备包)的信息)。不同频率下的接收到的数据发送的数据的信号强度也可以被记录并被发送至地面设备。

本公开内容的另一方面提供了用于跨间隙接头组件中的间隙发送数据的方法。根据示例性实施方式，该方法包括提供具有通过电绝缘间隙20C隔开的靠井上部分20A和靠井下部分20B的间隙接头。间隙20C被填充有合适的介电材料。该方法包括跨间隙施加低频AC信号以执行EM遥测并且同时地或不同时地跨间隙施加较高频率信号，其具有足以跨过间隙的频率。该方法可以包括对所施加的较高频率信号进行调制以对传感器读数进行编码。经编码的传感器读数可以被探头、凹处等中的电子设备包接收并且被解读、发送等。

本发明的另一方面提供了一种用于从井下电子设备包进行数据遥测的方法，该井下电子设备包被连接成跨钻柱中的间隙施加EM遥测信号。间隙可以通过连接在钻柱中的间隙接头来提供。一个或更多个间隙位于相对于电子设备包更靠井下的位置。其他间隙在EM遥测信号的频率下提供电阻抗。该方法包括闭合开关以至少在EM遥测信号的频率减小其他间隙的电阻抗。开关可以被连接成跨其他间隙产生短路。在示例实施方式中，开关被电控制并且响应于信号或来自电子设备包的信号而被自动闭合。在一些实施方式中，开关响应于检测到EM遥测信号而被自动闭合。

在其他(井下)一个或多个间隙处，控制电路可以监视跨所述一个或多个间隙的信号。响应于检测到与EM遥测信号对应频率处的信号，控制电路可以闭合开关一段时间。

在一些实施方式中，钻柱可以包括多个间隙，这些间隙接连地中转数据直到数据在地面设备处被接收。在一些这样的实施方式中，该方法包括闭合开关以减小相对于当前数据从其发送的间隙更靠井下的其他间隙的阻抗。使用从闭合开关更靠井上的间隙来接连地再发送数据。如上所述，可以在将数据朝向井上发送时将数据与其他数据聚集。

不同的EM遥测信号发生器可以被配置成生成可区分的EM遥测信号(例如不同频率的信号)。沿着钻柱的间隙处的控制电路可以被配置成基于对接收到的EM遥测信号的分析来确定是否闭合开关以减小相应间隙的阻抗。在替代实施方式中，EM遥测信号发生器被配置生成控制信号，该控制信号在其他间隙处的控制电路处被接收并且被所述控制电路用来确定是否闭合开关以改变对应间隙的电阻抗。控制信号可以与EM遥测信号不同(在频率和/或其他方面)。

上述各种实施方式包括沿着钻柱延伸的导体22。导体22可以跨过一个或更多个间隙。导体22不一定延伸钻柱12的全部长度。在一些实施方式中，导体仅在间隙接头组件内延伸以提供在间隙的任一侧上的电子设备之间的电流路径。在一些实施方式中，导体沿着钻柱12的一部分延伸，钻柱12的所述部分相对于钻柱总长度是短的。在一些实施方式中，导体22沿着BHA延伸并且使BHA中的和BHA周围的各种电子设备包互连。在一些实施方式中，钻柱具有多个导体22，这些导体均沿着钻柱的一部分延伸。

本公开内容提供了用于在井下电子设备包之间和/或在下向电子设备包与地面设备之间建立信号连接的各种构造。这些非限制性地包括通过下述方式制造的跨钻柱中的电绝缘间隙的连接：被绝缘的导体、滤波器、电感耦合、开关和直接发送(例如，利用作为高通滤波器的间隙的电性质)。在间隙自身中、在形成为与间隙相邻的凹处中、在跨越间隙的探头中和/或在跨越间隙的钻柱的内孔中的套管中可以设置有诸如滤波器、开关、传感器等的附加部件。这些连接可以单独地实施或以任意合适的组合一起实施以提供期望的信号连接。本文中所描述的以及附图中所示的示例实施方式非意在说明所描述的信号互连技术的可能组合的全部范围。本领域技术人员将理解的是，用于特定应用的井下***可以使用这样技术中的一项技术或任意组合或子组合来在不同的井下的电子设备之间建立通信。

虽然通过描述若干实施方式对本发明进行了说明并且虽然详细地描述了说明性实施方式，但是申请人的意图不是将所附权利要求的范围限定或以任何方式限制成这样的细节。在所附权利要求的范围内的附加优点和修改对于本领域技术人员将是容易明白的。因此在其更宽泛方面中本发明不限于具体细细节、代表性设备和方法以及示出和描述的说明性示例。

本发明的某些修改、置换、添加和子组合是创造性的和有用的并且是本发明的一部分。因此意在将以下所附权利要求以及下文中引入的权利要求解释为包括其真正的精神和范围内的全部这样的修改、置换、添加和子组合。

术语的解释

如在本文中使用的词语“间隙”意指至少在某频率或频带处导电的钻柱、探头或其他结构中的间隙。术语间隙不要求物理开放或者没有东西。间隙可以例如通过在钻柱或钻柱区段的两个导电部分提供机械连接的介电材料来提供。间隙可以通过被配置成耦合至钻柱中的间隙接头来提供。

除非在上下文清楚地要求，否则贯穿说明书和权利要求书：

a)“包括”、“包含”等被解读为包括的含义，而不是排他的或穷举的意义；也就是说，为“包括但不限于”的意义。

b)“连接”、“耦合”或其任何变化形式意为在两个或更多个元件之间直接的或者间接的任何连接或耦合；在元件之间的耦合或连接可以是物理的、逻辑的或其组合。

c)“本文中”、“以上”、“以下”以及类似含义的词语，当用于描述本说明书时应指的是本说明书全部而非本说明书的任何特定部分。

d)在引用两个或更多个项目的列表时，“或”覆盖以下对该词语的全部解释：列表中的项目的任意项、列表中的项目的全部项，以及列表中的项目的任意组合。

e)单数形式“一(a)”、“一(an)”以及“该”也包括任何适当的复述形式的意义。

在本说明书和任何所附权利要求中(如果存在)使用的指示方向的词语，比如“竖向”、“横向”、“水平”、“向上”、“向下”、“向前”、“向后”、“向内”、“向外”、“竖向、“横向”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“下方”、“上方”、“下面”等，取决于所描述的并且示出的设备的特定取向。本文中描述的主题可以假设多种替代取向。因此，这些方向术语不严格地限定并且不应该被狭义地解释。

当如上提及部件(例如，组件、电路、体、装置、钻柱部件、钻机***等)时，除非另外指明，否则提及的部件(包括提及的“装置”)应当被解释为包括执行所描述的部件的功能的作为该部件的等同替代的任何部件(即，功能上等同)，包括执行本发明的图示的示例性实施方式中的功能但在结构上不等同于所公开的结构的部件。

出于说明的目的，在本文中已经对***、方法和设备的特定示例进行了描述。这些仅仅是示例。本文中提供的技术可以被应用于除上述示例***之外的***。在本发明的实践内许多变更、修改、添加、省略及置换是可能的。本发明包括对本领域技术人员而言明显的所描述的实施方式的变化形式，包括通过以下方式获得的变化形式：用等同特征、元件和/或动作替换特征、元件和/或动作；混合和匹配不同实施方式的特征、元件和/或动作；将来自本文中描述的实施方式的特征、元件和/或动作与其他技术的特征、元件和/或动作组合；和/或从所描述的实施方式省略组合的特征、元件和/或动作。

因此，意在于以下所附权利要求和此后引入的权利要求被解释为包括可以合理地推断出的全部这样的修改、置换、添加、省略及子组合。权利要求的范围不应限于示例中阐述的优选实施方式，而应作为整体被赋予与说明书一致的最宽泛的解释。

本公开内容包括以下技术方案。

1.一种间隙接头组件，包括：

导电靠井上部分；以及通过电绝缘间隙隔开的导电靠井下部分；

EM遥测信号发生器，所述EM遥测信号发生器被连接成在所述靠井上部分与所述靠井下部分之间施加低频EM遥测信号；

数据信号发生器，所述数据信号发生器被连接成跨所述间隙驱动较高频数据信号，所述数据信号具有比所述EM遥测信号更高的频率，在所述更高的频率处所述间隙呈现出减小的阻抗。

2.根据方案1所述的间隙接头组件，包括跨所述间隙电连接的电高通滤波器或带通滤波器。

3.根据方案2所述的间隙接头组件，其中，所述滤波器包括连接在所述导电靠井上部分；与所述导电靠井下部分之间的一个或更多个电容器。

4.根据方案2所述的间隙接头组件，其中，所述滤波器包括电感耦合。

5.根据方案2所述的间隙接头组件，包括与所述滤波器串联连接的传感器电路。

6.根据方案1至5中的任一项所述的间隙接头组件，其中，所述EM遥测信号发生器位于所述间隙接头组件的内孔中的探头中，所述探头具有与所述靠井上部分和所述靠井下部分电接触的端子。

7.一种间隙接头组件，包括：

管体，所述管体具有在所述管体的靠井上端处的第一耦合、在所述管体的靠井下端处的第二耦合以及在所述第一耦合与所述第二耦合之间延伸的内孔；所述管体包括：

导电靠井上部分；以及通过电绝缘间隙隔开的导电靠井下部分；以及

跨所述间隙电连接的电高通滤波器或带通滤波器。

8.根据方案7所述的间隙接头组件，其中，所述滤波器包括连接在所述导电靠井上部分；与所述导电靠井下部分之间的一个或更多个电容器。

9.根据方案7所述的间隙接头组件，其中，所述滤波器包括电感耦合。

10.根据方案7所述的间隙接头组件，包括与所述滤波器串联连接的传感器电路。

11.一种设备，包括：

钻柱，所述钻柱包括沿着所述钻柱间隔开的多个电绝缘间隙；

多个EM遥测信号发生器，所述多个EM遥测信号发生器中的每个被耦合成跨所述多个间隙中的相应间隙施加EM遥测信号；

其中，所述间隙中的第一间隙在第一频带中具有第一高的第一电阻抗，所述多个EM信号发生器中的所述EM遥测信号发生器中的第一EM遥测信号发生器被配置成发送在所述第一频带中的EM遥测信号并且被耦合成跨所述间隙中的所述第一间隙在所述第一频带施加所述EM遥测信号，并且所述多个间隙中的其他间隙在所述第一频带中具有低于所述第一电阻抗的电阻抗。

12.根据方案11所述的设备，其中，所述多个间隙中的所述其他间隙中的每个在对应于所述间隙的频带中具有高电阻抗，并且对应于所述间隙的所述EM遥测信号发生器被配置成在对应于所述间隙的所述频带发送EM遥测信号。

13.根据方案12所述的设备，包括跨所述间隙中的所述第一间隙连接的EM遥测接收器。

14.根据方案12所述的设备，其中，所述多个间隙中的所述其他间隙之一包括跨所述间隙连接的EM遥测接收器。

15.根据方案11所述的设备，包括跨所述多个间隙中的所述其他间隙中的每个间隙耦合的电滤波器，所述电滤波器被配置成使所述第一频带通过。

16.根据方案15所述的设备，其中，所述多个间隙中的所述其他间隙包括至少两个间隙，并且跨所述至少两个间隙耦合的所述电滤波器具有互相不同的滤波特性。

17.根据方案16所述的设备，其中，跨所述至少两个间隙耦合的所述电滤波器包括至少一个低通滤波器和至少一个带通滤波器。

18.根据方案15所述的设备，其中，所述多个间隙中的所述其他间隙包括至少一个间隙，并且跨所述至少一个间隙耦合的所述电滤波器是低通滤波器。

19.根据方案18所述的设备，其中，所述低通滤波器具有延伸至至少20Hz的通带。

20.根据方案11所述的设备，其中，所述间隙中的所述第一间隙相对于所述间隙中的所述其他间隙在钻柱中更靠井上。

21.根据方案12所述的设备，包括在所述间隙中的所述第一间隙处的第一EM遥测接收器。

22.根据方案21所述的设备，包括：耦合至所述第一EM遥测信号发生器和所述第一EM遥测接收器的第一电子设备包；以及耦合至与所述间隙中的第二间隙相关联的所述多个EM信号发生器中的第二EM遥测信号发生器的第二电子设备包。

23.根据方案22所述的设备，其中，所述第二电子设备包被配置成控制所述第二EM遥测发送器来以第二频率发送包括一个或更多个第二值的第二数据；所述第一电子设备包被配置成接收来自所述第一EM遥测接收器的所述第二数据，以将一个或更多个第一值与所述一个或更多个第二值组合以生成第一数据并且使用所述第一EM遥测发送器来在所述第一频带以与所述第二频率不同的第一频率发送所述第一数据。

24.根据方案23所述的设备，其中，所述第一电子设备包被配置成在所述第一数据中包括识别所述第二频率和所述第二电子设备包的标识中的至少一个的信息。

25.根据方案11至24中的任一项所述的设备，包括跨所述间隙中的一个间隙连接的电控开关。

26.根据方案25所述的设备，包括与所述电控开关串联连接的滤波器。

27.根据方案25或26所述的设备，包括与所述电控开关串联连接的传感器或传感器电路。

28.一种井下***，包括在沿着钻柱互相间隔开的位置处耦合至所述钻柱的多个电子设备包，所述多个电子设备包中的每个电子设备包包括EM遥测信号发生器，所述多个电子设备包至少包括：

第一电子设备包，所述第一电子设备包被配置成以第一频率或第一频率组通过所述相应EM遥测信号发生器来生成第一EM信号，所述第一EM信号对第一数据进行编码；以及

第二电子设备包，所述第二电子设备包包括被配置成接收所述第一EM信号的EM信号检测器，所述第二电子设备包还被配置成以与所述第一频率或所述第一频率组不同的第二频率或第二频率组通过所述相应EM遥测信号发生器来生成第二EM信号，所述第二EM信号对所述第一数据进行编码。

29.根据方案28所述的井下***，其中，所述第二电子设备包包括一个或更多个传感器，并且被配置成对与所述第二EM信号中的来自所述一个或更多个传感器的读数相关的数据进行编码。

30.根据方案28所述的井下***，其中，所述第二电子设备包被配置成在所述第二EM信号中对基于所述第一频率或所述第一频率组来指示所述第一数据的源的数据进行编码。

31.根据方案28所述的井下***，其中，所述第一电子设备包被配置成使用第一编码方案对所述第一EM信号中的所述第一数据进行编码，并且所述第二电子设备包被配置成使用与所述第一编码方案不同的第二编码方案对所述第二EM信号中的数据进行编码。

32.根据方案31所述的井下***，其中，所述第一编码方案选自由FSK、PSK、QPSK、BPSK、APSK和8ASK构成的组。

33.根据方案28至32中的任一项所述的井下***，其中，所述第一电子设备包和所述第二电子设备包以在3米至200米的范围中的距离被隔开。

34.根据方案28至33中的任一项所述的井下***，其中，所述第二频率低于所述第一频率。

35.根据方案34所述的井下***，其中，所述第二频率为20Hz或更低。

36.根据方案35所述的井下***，其中，所述第一频率为100Hz或更高。

37.根据方案28至36中的任一项所述的井下***，其中，所述第一电子设备包的所述EM信号发生器跨第一间隙连接，所述第一间隙在所述第一间隙的任一侧上隔开所述钻柱的导电区段，并且所述第二电子设备包的所述EM信号发生器跨第二间隙连接，所述第二间隙在所述第二间隙的任一侧上隔开所述钻柱的导电区段。

38.根据方案37所述的井下***，其中，所述第一间隙在所述第一频率或所述第一频率组处提供较高电阻抗，并且在所述第二频率或所述第二频率组处提供较低电阻抗。

39.根据方案38所述的井下***，包括跨所述第一间隙连接的电滤波器，所述电滤波器被配置成使所述第二频率或所述第二频率组通过。

40.根据方案39所述的井下***，其中，所述电滤波器包括低通滤波器。

41.根据方案40所述的井下***，其中，所述低通滤波器包括跨所述第一间隙连接的电容器。

42.根据方案28所述的井下***，其中，所述多个电子设备包包括第三电子设备包，所述第三电子设备包被配置成以第三频率或第三频率组通过所述相应EM遥测信号发生器生成第三EM信号，所述第三EM信号对第三数据进行编码，其中，所述EM信号检测器被配置成接收所述第三EM信号，并且所述第二电子设备包被配置成对所述第二EM信号中的所述第三数据进行编码。

43.根据方案42所述的井下***，其中，所述第一电子设备包的所述EM信号发生器跨第一间隙连接，所述第一间隙在所述第一间隙的任一侧上隔开所述钻柱的导电区段；所述第二电子设备包的所述EM信号发生器跨第二间隙连接，所述第二间隙在所述第二间隙的任一侧上隔开所述钻柱的导电区段；所述第三电子设备包的所述EM信号发生器跨第三间隙连接，所述第三间隙在所述第三间隙的任一侧上隔开所述钻柱的导电区段。

44.根据方案43所述的井下***，其中，所述第一间隙在所述第一频率或所述第一频率组处提供较高电阻抗，并且在所述第二频率或所述第二频率组和所述第三频率或所述第三频率组处提供较低电阻抗。

45.根据方案44所述的井下***，其中，所述第三间隙在所述第三频率或所述第三频率组处提供较高电阻抗，并且在所述第二频率或所述第二频率组和所述第一频率或所述第一频率组处提供较低电阻抗。

46.根据方案28所述的井下***，其中，在所述第二电子设备包与所述钻柱的井底组件之间的所述钻柱的整个部分中，所述多个电子设备包包括相对于所述第二电子设备包更靠井下并且以小于300米的距离互相间隔开的电子设备包。

47.根据方案46所述的井下***，其中，所述第二电子设备包下面的所述电子设备包被配置成通过具有超过100Hz的频率的EM信号从位于所述井底组件中的传感器向所述第二电子设备包传送数据。

48.一种井下***，包括在沿着钻柱互相间隔开的位置处耦合至所述钻柱的多个电子设备包，所述多个电子设备包中的每个电子设备包包括EM遥测信号发生器，所述EM遥测信号发生器具有连接至通过间隙隔开的所述钻柱的导电区段的第一输出和第二输出，所述间隙在所述EM遥测信号发生器的发送频率处提供与所述导电区段相比增加的电阻抗。

49.根据方案48所述的井下***，其中，所述间隙以在3米至300米的范围中的距离被间隔开。

50.根据方案49所述的井下***，其中，在从所述地面向井底组件(BHA)延伸的所述钻柱的部分中，沿着所述钻柱的所述部分每隔300米存在所述多个电子设备包中的至少一个电子设备包以及所述间隙中的相关联的间隙。

51.根据方案50所述的井下***，其中，所述多个电子设备包的所述EM信号发生器以至少50Hz的频率操作。

52.根据方案51所述的井下***，其中，所述多个电子设备包均被配置成接收对来自所述多个电子设备包中的一个或更多其他电子设备包的数据进行编码的EM遥测信号，并且发送包括所述数据中的至少一些的EM遥测信号。

53.根据方案50所述的井下***，包括在所述BHA中的多个传感器，其中，所述***被配置成通过经由以至少50Hz的频率操作的EM遥测在所述多个电子设备包之间中转所述数据，从所述传感器向地面设备传送数据。

54.根据方案50所述的井下***，其中，所述多个电子设备包中的相邻电子设备包的所述EM遥测信号发生器被配置成生成具有不同频率或频率组的EM遥测信号。

55.根据方案54所述的井下***，其中，对于所述多个电子设备包中的每个电子设备包，所述EM遥测信号发生器被配置成以频率或频率组操作，并且与相对于所述电子设备包更靠井下的所述多个电子设备包中的那些其他电子设备包相关联的所述间隙被配置成在所述频率或频率组处具有减小的阻抗。

56.根据方案55所述的井下***，其中，与相对于所述电子设备包更靠井下的所述多个电子设备包中的那些其他电子设备包相关联的所述间隙中的一个或更多个间隙具有跨所述一个或更多个间隙连接的相应滤波器，所述滤波器具有包括所述频率或频率组的通带。

57.根据方案48所述的井下***，包括跨所述间隙中的一个间隙连接的电控开关，和被连接成控制所述电控开关的控制电路，其中，所述控制电路被配置成响应于在跨所述间隙中的另一间隙连接的所述EM遥测信号发生器的发送频率处检测到信号而闭合所述电控开关。

58.根据方案48所述的井下***，其中，相对于所述EM遥测信号发生器更靠井下的多个所述间隙中的每个间隙具有跨所述每个间隙连接的电控开关，以及被连接成控制所述电控开关的控制电路，其中，所述控制电路被配置成响应于在所述相应间隙处检测到信号而闭合所述电控开关。

Claims

1.一种用于钻井现场的设备，包括：

钻柱，所述钻柱包括沿着所述钻柱间隔开的多个间隙，所述多个间隙是电绝缘间隙；以及

其中，所述间隙中的第一间隙在第一频带中具有第一高的第一电阻抗，所述多个EM遥测信号发生器中的第一EM遥测信号发生器被配置成发送在所述第一频带中的EM遥测信号并且被耦合成跨所述间隙中的所述第一间隙施加在所述第一频带中的所发射的EM遥测信号，并且所述多个间隙中的其他间隙在所述第一频带中具有低于所述第一电阻抗的电阻抗。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个间隙中的所述其他间隙中的每个在对应于所述间隙的频带中具有高电阻抗，并且对应于所述间隙的所述EM遥测信号发生器被配置成在对应于所述间隙的所述频带发送EM遥测信号。

3.根据权利要求2所述的设备，包括跨所述间隙中的所述第一间隙连接的EM遥测接收器。

4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述多个间隙中的所述其他间隙之一包括跨所述间隙连接的EM遥测接收器。

5.根据权利要求1所述的设备，包括跨所述多个间隙中的所述其他间隙中的每个间隙耦合的电滤波器，所述电滤波器被配置成使所述第一频带通过。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述多个间隙中的所述其他间隙包括至少两个间隙，并且跨所述至少两个间隙耦合的所述电滤波器具有互相不同的滤波特性。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，跨所述至少两个间隙耦合的所述电滤波器包括至少一个低通滤波器和至少一个带通滤波器。

8.根据权利要求5所述的设备，其中，所述多个间隙中的所述其他间隙包括至少一个间隙，并且跨所述至少一个间隙耦合的所述电滤波器是低通滤波器。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述低通滤波器具有延伸至至少20Hz的通带。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述间隙中的所述第一间隙相对于所述间隙中的所述其他间隙在钻柱中更靠井上。

11.根据权利要求2所述的设备，包括在所述间隙中的所述第一间隙处的第一EM遥测接收器。

12.根据权利要求11所述的设备，包括：耦合至所述第一EM遥测信号发生器和所述第一EM遥测接收器的第一电子设备包；以及耦合至与所述间隙中的第二间隙相关联的所述多个EM遥测信号发生器中的第二EM遥测信号发生器的第二电子设备包。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述第二电子设备包被配置成控制所述第二EM遥测信号发生器来以第二频率发送包括一个或更多个第二值的第二数据；并且所述第一电子设备包被配置成接收来自所述第一EM遥测接收器的所述第二数据，以将一个或更多个第一值与所述一个或更多个第二值组合以生成第一数据，并且使用所述第一EM遥测信号发生器来在所述第一频带以与所述第二频率不同的第一频率发送所述第一数据。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述第一电子设备包被配置成在所述第一数据中包括识别所述第二频率和所述第二电子设备包的标识中的至少一个的信息。

15.根据权利要求1至14中的任一项所述的设备，包括跨所述间隙中的一个间隙连接的电控开关。

16.根据权利要求15所述的设备，包括与所述电控开关串联连接的滤波器。

17.根据权利要求15所述的设备，包括与所述电控开关串联连接的传感器或传感器电路。

18.根据权利要求16所述的设备，包括与所述电控开关串联连接的传感器或传感器电路。