在定向钻探系统中利用多比特符号流的设备和方法技术方案

一种系统包括与水平定向钻探系统结合使用的发射器，其传送表征传感器符号的多比特符号流以由地上便携式装置接收。便携式装置接收符号流用于传感器信号的地上恢复。发射器能够精确地放置符号频率，以至少避免噪声环境，以及避免电力线谐波，并且能够利用波形整形用于发射符号以至少提供传送功率控制、频谱内容控制和宽带天线匹配。接收器能够测量噪声环境以识别发射器使用的符号频率。能够以增量分辨率跨越宽的频率带宽来扫描噪声，以便显示或自动符号频率选择。

Apparatus and method for utilizing multiple bit symbol streams in a directional drilling system

A system includes a transmitter in combination with a horizontal directional drilling system that transmits a plurality of bit symbol streams characterizing sensor symbols to be received by ground portable devices. The portable device receives the symbol stream for ground recovery of the sensor signal. The transmitter can accurately put symbol frequency, at least to avoid noise environment, and avoid power line harmonic, and can use the waveform shaping for transmitting symbols to provide at least transmit power control, spectrum content control and broadband antenna matching. The receiver is able to measure the noise environment to identify the symbol frequencies used by the transmitter. The ability to scan noise across a wide frequency bandwidth across an incremental resolution for display or automatic symbol frequency selection.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在定向钻探系统中利用多比特符号流的设备和方法相关申请本申请涉及并要求于2015年9月3日提交的序列号为14/845,231的美国非临时专利申请,于2014年9月5日提交的序列号为62/046,772的美国临时专利申请,于2014年11月14日提交的序列号为62/080,225的美国临时专利申请,于2015年4月4日提交的序列号为62/143,104的美国临时专利申请的权益和优先权，每个申请的全部内容通过援引并入本文。
本申请总体上涉及与地下装置有关的通信领域，更具体地，涉及使用多比特数据符号的高级地下装置通信协议以及相关的方法。
技术介绍
经常被称为水平定向钻探(HDD)的技术能够用于不需要挖掘沟渠来安装公共设施的目的。典型的公共设施安装包括使用具有钻柱的钻机，其在钻柱的远端或地下端支撑钻孔工具。钻机通过向钻柱施加推力来迫使钻孔工具穿过地面。在钻柱的延伸期间钻孔工具被转向以形成导向孔(“pilotbore”)。在导向孔完成时，钻柱的远端附接到拉回设备，该拉回设备继而附接到公共设施的前端。接着经由钻柱的缩回将拉回设备和公共设施拉通过导向孔以完成安装。在一些情况下，拉回设备能够包括向后铰孔工具(“backreamingtool”)，其用于在公共设施前面扩大导向孔的直径，使得安装的公共设施能够具有比导向孔的初始直径更大的直径。钻孔工具的转向能够以公知的方式通过将钻孔工具的不对称面取向成响应于前向运动在地下沿期望方向偏转而实现。为了控制该转向，期望的是基于由传感器获得的传感器读数来监控钻孔工具的取向，传感器形成由钻孔工具支撑的电子封装的一部分。例如，传感器读数能够被调制到由电子封装发射的定位信号上，以通过便携式定位器或其他适当的在地面上方的装置在地面上方接收。在一些系统中，电子封装能够将由传感器读数调制的载波信号耦合到钻柱上，接着通过将钻柱用作电导体而将信号发射到钻机。与传感器数据的传送方式无关并且对于给定量的传送功率，存在能够以足够的准确性恢复传感器数据的有限传送范围。诸如例如存在于操作区域中的电磁干扰的因素能够进一步限制传送范围。在试图增加传送范围时，一种现有技术方法是从钻孔工具或其他地下工具以这里的申请人称为的“魔术频率”来发射数据。尽管可能遇到多种多样的环境干扰，后者能够被表征为显著地避免环境干扰以提供有效的接收范围的载波频率。如将进一步讨论的，申请人认为至少基于应用于任何一种广泛的地理区域并且特别是基于全世界的应用，这种魔术频率不存在。另一种现有技术方法是仅仅是增加传送功率。然而，申请人意识到，这种方法具有有限的价值，特别是当地下电子封装是由电池供电时。另一种现有技术方法在于降低数据被调制到定位信号上的数据或波特率。不幸地，这种方法伴随着数据吞吐量的下降。相关技术的前述实例和与其相关的限制旨在是说明性的而非排他性的。在阅读说明书和研究附图之后，相关领域的其他限制对于本领域技术人员将变得显而易见。
技术实现思路
广义地，本文公开了在定向钻探系统、设备和方法中的利用多比特数据符号传送的通信协议。结合系统、工具和方法来描述和示出以下多个实施方式和方面，这些系统、工具和方法意在是示例性和说明性的，而不是限制范围。在各种实施方式中，已经减少或消除上述问题中的一个或多个，而其他实施方式针对于其他的改进。在本公开的一个方面中，描述了一种发射器和相关的方法，其用于与水平定向钻探系统结合使用，该系统包括钻柱，钻柱从钻机延伸到支撑发射器的地下工具，使得在地下操作期间钻柱的延伸和缩回使地下工具移动通过地面。发射器包括天线和用于生成一个或多个传感器信号的一个或多个传感器。处理器配置成用于基于传感器信号生成多比特符号流。天线驱动器装置配置成用于电驱动所述天线以发射偶极定位信号作为深度信号，用于地上接收至少用于确定地下工具的深度，以及用于基于多比特符号流电驱动天线，以发射电磁符号流用于传感器信号的地上恢复。在本公开的另一方面中，描述了一种发射器和相关的方法，用于与水平定向钻探系统结合使用，该系统包括钻柱，钻柱从钻机延伸到支撑发射器的地下工具，使得在地下操作期间钻柱的延伸和缩回使地下工具移动通过地面。发射器包括天线和用于生成一个或多个传感器信号的一个或多个传感器。直接数字合成器配置成用于生成符号流，所述符号流由多个固定频率的符号组成，并且直接数字合成器配置成针对不同的符号频率定制驱动波形形状。天线驱动器被配置用于基于符号流电驱动天线以发射电磁符号流，用于传感器信号的地上恢复。在本公开的又一个方面中，描述了一种发射器和相关的方法，用于与水平定向钻探系统结合使用，该系统包括钻柱，钻柱从钻机延伸到支撑发射器的地下工具，使得在地下操作期间钻柱的延伸和缩回使地下工具移动通过地面。发射器包括天线和用于生成一个或多个传感器信号的一个或多个传感器。处理器配置成用于基于传感器信号生成多比特符号流。天线驱动器装置配置成用于基于多比特符号流电驱动天线以发射电磁符号流，以至少用于传感器信号的地上恢复。在本公开的又一个方面中，描述了一种便携式装置和相关的方法，用于与发射器结合使用，所述发射器配置成在操作过程期间在一个区域中移动通过地面，同时发射可由便携式装置接收的发射器信号，所述发射器信号经受能够在所述区域之内变化的电磁噪声。便携式装置包括接收器，其配置成接收发射器信号为多比特符号流，该多比特符号流至少表征在地下操作期间与发射器的操作有关的一组传感器信息，以恢复该组传感器信息。在本公开的另一方面中，描述了一种便携式装置和相关的方法，用于与发射器结合使用，所述发射器配置成在操作过程期间在一个区域中移动通过地面，同时发射可由便携式装置接收的发射器信号，所述发射器信号经受能够在所述区域之内变化的电磁噪声。便携式装置包括接收器，其配置成(i)测量电磁噪声并且响应该测量的电磁噪声识别一组符号频率用于随后从所述射器的传送以基于该组符号频率形成多比特符号流，每个多比特符号对应于符号频率之一，以至少来表征与发射器的操作有关的传感器信息，以及(ii)在地下操作期间接收来自发射器的多比特符号流以恢复传感器信息。在本公开的进一步方面中，描述了一种便携式装置和相关的方法，用于与发射器结合使用，所述发射器配置成在操作过程期间在一个区域中移动通过地面，同时发射可由便携式装置接收的发射器信号，所述发射器信号经受能够在所述区域之内变化的电磁噪声。便携式装置包括接收器，其配置成(i)测量电磁噪声并且响应该测量的电磁噪声识别一组符号频率用于随后从所述发射器的传送，以至少来表征与发射器的操作有关的传感器信息，(ii)在地下操作期间接收来自发射器的符号频率以恢复传感器信息以及(iii)向每个符号频率分配发射功率。在本公开的另一方面中，描述了一种便携式装置和相关的方法，用于与发射器结合使用，所述发射器配置成在操作过程期间在一个区域中移动通过地面，同时发射可由便携式装置接收的发射器信号，所述发射器信号经受能够在所述区域之内变化的电磁噪声。便携式装置包括接收器，其配置为从发射器接收分组结构，所述分组结构由符号流中的多个多比特符号组成，所述符号流包括将所述传感器信息表征为分组数据的至少一组多比特符号，以及用作纠错数据块的至少另一组多比特符号，所述分组数据表征在地下操作期间与发射器的操作有关的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于水平定向钻探的系统,其包括从钻机延伸到地下工具的钻柱，使得在地下操作期间所述钻柱的延伸和缩回使所述地下工具移动通过地面，所述系统包括：发射器，其包括一个或多个传感器，用于测量表征所述地下工具的状态的一个或多个操作参数，其中所述发射器在两个或更多个频率进行传送，其中至少一个所述频率本身表示多个数据比特，所述多个数据比特表征所述地下工具的所述状态，而与所述频率的任何调制无关；以及便携式装置，包括接收器，其配置成接收所述两个或更多个频率，以及处理器，其配置成从所述两个或更多个频率恢复所述地下工具的所述状态。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.05 US 62/046,772;2014.11.14 US 62/080,225;1.一种用于水平定向钻探的系统,其包括从钻机延伸到地下工具的钻柱，使得在地下操作期间所述钻柱的延伸和缩回使所述地下工具移动通过地面，所述系统包括：发射器，其包括一个或多个传感器，用于测量表征所述地下工具的状态的一个或多个操作参数，其中所述发射器在两个或更多个频率进行传送，其中至少一个所述频率本身表示多个数据比特，所述多个数据比特表征所述地下工具的所述状态，而与所述频率的任何调制无关；以及便携式装置，包括接收器，其配置成接收所述两个或更多个频率，以及处理器，其配置成从所述两个或更多个频率恢复所述地下工具的所述状态。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述便携式装置可操作在频率选择模式以在没有所述频率的传送下测量电磁噪声，以及基于测量的电磁噪声将频率识别为所述两个或更多个频率，以用于随后从所述发射器的传送。3.根据权利要求1所述的系统，其中每个频率表示两个或更多比特。4.根据权利要求3所述的系统，其中每个频率都是未调制的。5.一种用于水平定向钻探的发射器，所述水平定向钻探包括从钻机延伸到地下工具的钻柱，使得在地下操作期间所述钻柱的延伸和缩回使所述地下工具移动通过地面，所述发射器包括：天线；一个或多个传感器，其用于测量表征所述地下工具的状态的一个或多个操作参数；天线驱动器，其用于驱动天线在两个或更多个频率处传送，其中至少一个所述频率本身表示多个数据比特，该多个数据比特表征所述地下工具的所述状态，而与所述频率的任何调制无关，用于地面上方接收以恢复地下工具的状态。6.一种用于与发射器结合使用的便携式装置，所述发射器被配置成在操作过程期间在一个区域中移动通过地面，同时传送可由所述便携式装置接收的发射器信号，所述发射器信号经受能够在所述区域之内变化的电磁噪声，所述便携式装置包括：接收器，其配置成接收所述发射器信号的两个或更多个频率，所述频率中的至少一个频率本身表示多个数据比特，所述多个数据比特表征所述地下工具的状态，而与任何的调制无关；以及处理器，其配置成从所述两个或更多个频率恢复所述地下工具的状态。7.一种用于与水平定向钻探系统结合使用的发射器，所述水平定向钻探系统包括从钻机延伸到支撑发射器的地下工具的钻柱，使得在地下操作期间所述钻柱的延伸和缩回使所述地下工具移动通过地面，所述发射器包括：天线；一个或多个传感器，用于生成一个或多个传感器信号；处理器，其配置成用于基于传感器信号生成多比特符号流；以及天线驱动器装置，其用于电驱动所述天线以发射偶极定位信号作为深度信号，用于地上接收至少用于确定地下工具的深度，以及用于基于多比特符号流电驱动天线，以发射电磁符号流用于传感器信号的地上恢复。8.根据权利要求7所述的发射器，其中所述天线驱动器装置包括用于电驱动天线以发射深度信号的第一驱动器以及第二天线驱动器用于电驱动天线以发射电磁符号流。9.根据权利要求7所述的发射器，其中该多比特符号流包括至少四个不同的符号使得每个符号表示至少两比特。10.根据权利要求9所述的发射器，其中符号每个都在未调制的符号频率传送，使得不同符号在不同的符号频率传送。11.根据权利要求10所述的发射器，其中所述处理器配置成用于基于功率分配将符号频率的每个在指定的功率水平传送，使得符号频率之一以第一功率水平传送，所述第一功率水平与针对于至少一个其他符号频率的第二功率水平不同。12.根据权利要求7所述的发射器，进一步包括：直接数字合成器，其配置成生成多比特符号流。13.根据权利要求12所述的发射器，其中所述直接数字合成器包括专用于生成深度信号的第一通道，以用于附加地驱动天线以发射偶极定位信号，以及第二通道，其专用于生成多比特符号流。14.根据权利要求13所述的发射器，其中所述深度信号独立于电磁符号流在固定深度信号频率连续地传送。15.根据权利要求12所述的发射器，其中所述直接数字合成器可操作以生成跨越宽的频率带宽的多个符号频率，并且所述直接数字合成器配置成将符号频率限制到窄的带宽，所述窄的带宽小于所述宽的频率带宽并且至少近似地匹配所述天线。16.一种用于与水平定向钻探系统结合使用的发射器，所述水平定向钻探系统包括从钻机延伸到支撑发射器的地下工具的钻柱，使得在地下操作期间所述钻柱的延伸和缩回使所述地下工具移动通过地面，所述发射器包括：天线；一个或多个传感器，用于生成一个或多个传感器信号；直接数字合成器，其配置成用于生成符号流，所述符号流由多个固定频率符号组成，并且所述直接数字合成器配置成针对不同的符号频率定制驱动波形形状；以及天线驱动器，其用于基于符号流电驱动所述天线以发射电磁符号流，以用于传感器信号的地上恢复。17.根据权利要求16所述的发射器，其中所述直接数字合成器配置成响应于传感器信号跨越宽的频率带宽传送，使得宽的频率带宽的至少一部分与天线失配，并且定制波形形状至少用于控制与不同符号频率相关的发射器功率消耗，否则与恒定驱动电压和波形相比较，发射器功率消耗将跨越宽的频率带宽上变化。18.根据权利要求17所述的发射器，其中宽的频率带宽至少近似为9KHz至45KHz。19.根据权利要求16所述的发射器，其中所述直接数字合成器包括限定对应的一组波形形状的一组查找表，所述一组波形形状覆盖宽的频率带宽，并且基于该系列查找表的波形形状来定制不同的符号频率。20.根据权利要求19所述的发射器，其中该组波形形状的波形形状响应于增加的频率在宽的频率带宽中特定频率处从正弦曲线形状改变成阶跃形状。21.根据权利要求20所述的发射器，其中超过特定频率的最高组的波形形状随着增加的频率从脉冲状改变成方波。22.根据权利要求16所述的发射器，其中所述直接数字合成器包括整形器以锥细每个符号的幅度，以零幅度开始和结束从而限制符号的频谱扩展。23.根据权利要求16所述的发射器，其中所述直接数字合成器包括频率增量，其用于生成在发射器的总带宽之内的不同的符号频率，使得符号频率之一能够定位在50Hz和60Hz电力线频率的任何给定的相邻的电力线谐波中间。24.根据权利要求23所述的发射器，其中每个符号频率包括具有在给定的相邻的电力线谐波之间落下的基本峰值的频谱，并且所述频谱在给定的50Hz和60Hz电力线频率之一的每个电力线谐波频率处显示空。25.一种用于与水平定向钻探系统结合使用的发射器，所述水平定向钻探系统包括从钻机延伸到支撑发射器的地下工具的钻柱，使得在地下操作期间所述钻柱的延伸和缩回使地下工具移动通过地面，所述发射器包括：天线；一个或多个传感器，其用于生成一个或多个传感器信号；处理器，其配置成用于基于所述传感器信号生成多比特符号流；以及天线驱动器装置，其用于基于多比特符号流电驱动天线以发射电磁符号流，以至少用于传感器信号的地上恢复。26.一种用于与发射器结合使用的便携式装置，所述发射器配置成在操作过程期间在一个区域中移动通过地面，同时发射可由便携式装置接收的发射器信号，所述发射器信号经受能够在所述区域之内变化的电磁噪声，所述便携式装置包括：接收器，其配置成接收发射器信号为多比特符号流，该多比特符号流至少表征在地下操作期间与发射器的操作有关的一组传感器信息，以恢复该组传感器信息。27.一种用于与发射器结合使用的便携式装置，所述发射器配置成在操作过程期间在一个区域中移动通过地面，同时传送可由便携式装置接收的发射器信号，所述发射器信号经受能够在所述区域之内变化的电磁噪声，所述便携式装置包括：接收器，其配置成(i)测量电磁噪声并且响应该测量的电磁噪声识别一组符号频率，以用于随后从所述射器的传送以基于该组符号频率形成多比特符号流，每个多比特符号对应于符号频率之一，至少以表征与发射器的操作有关的传感器信息，以及(ii)在地下操作期间接收来自发射器的多位符号流以恢复所述传感器信息。28.根据权利要求27所述的便携式装置，其中所述接收器配置成自动地选择该组符号频率。29.根据权利要求27所述的便携式装置，其中所述接收器配置成在所述组中识别至少四个符号频率。30.根据权利要求27所述的便携式装置，进一步包括：通信装置，其用于将识别的符号频率传送给所述发射器，使得发射器其后在识别的符号频率处进行传送。31.根据权利要求27所述的便携式装置，其中所述接收器配置成通过使用增量固定频率步长跨越频率带宽扫描来测量电磁噪声，以产生一组噪声测量，该组噪声测量表征在每个增量固定频率步长处跨越频率带宽的噪声。32.根据权利要求31所述的便携式装置，其中所述增量固定频率步长被设置成对应于所述发射器的符号频率分辨率，所述符号频率分辨率限定不同的符号频率之间的最小频率间隔。33.根据权利要求32所述的便携式装置，其中所述增量固定频率步长是5Hz。34.根据权利要求31所述的便携式装置，其中所述频率带宽覆盖多个子带，使得所述发射器将符号频率的传送限制在所述子带的特定一个中，并且所述接收器配置成在每个子带中识别所述一组符号频率。35.根据权利要求34所述的便携式装置，其中所述接收器配置成基于针对每个子带识别的该组符号频率确定每个子带的平均噪声。36.根据权利要求34所述的便携式装置，进一步包括：显示器，其用于显示每个子带的平均噪声。37.根据权利要求31所述的便携式装置，其中所述频率带宽覆盖多个子带并且所述接收器配置成用于操作者至少在选择的子带中修改该组符号频率。38.根据权利要求34所述的便携式装置，进一步包括：显示器，其配置成在频率选择模式中为每个子带显示噪声的至少一个统计值并且基于一系列统计值的更新为每个子带主动地更新所述显示。39.根据权利要求37所述的便携式装置，其中所述操作者修改包括将该组符号频率的至少一个符号频率从选择的子带移动到不同的子带。40.根据权利要求39所述的便携式装置，包括显示器，其用于至少显示选择的子带以及用于在选择的子带上放大。41.根据权利要求27所述的便携式装置，其中所述接收器配置成通过使用增量固定频率步长跨越频率带宽扫描来测量电磁噪声，以产生一组噪声测量，所述一组噪声测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁道夫·泽勒，加里·博兰特，蒂莫西·贝利斯，约翰·E·默瑟，
申请(专利权)人：梅林技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US