HK1218321B - 定向钻井通信协议、设备以及方法 - Google Patents

Description

定向钻井通信协议、设备以及方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月14日提交的美国临时专利申请No.61/785,410的优先权，其内容通过引用整体并入本文。本申请还要求于2014年3月13日提交的发明名称为“DIRECTIONAL DRILLING COMMUNICATION PROTOCOLS,APPARATUS AND METHODS”的美国申请系列No.14/208.470的优先权，其内容通过引用整体并入本文。

背景技术

本发明总的来讲涉及定向钻井领域，特别地，涉及一种高级的定向钻井通信协议、设备以及方法。

经常被称为水平定向钻井(HDD)的技术可以被用来实现安装公共设施的目的而不需要挖沟渠。一个典型的公共设施安装包括使用具有钻柱的钻机，该钻柱在钻柱地下端或远端支持钻具。钻机通过向钻柱施加推力来推动钻具穿过地面。在钻柱延伸的过程中对钻具进行转向以形成了一个先导孔。当完成先导孔时，钻柱远端与回调设备相连，回调设备接下来连接至公共设施的前端。回调设备和公共设施通过钻柱的回缩被拉动穿过先导孔完成安装。在一些情况下，回调设备包含一个回扩工具，其用于扩张在公共设施前部扩张先导孔的直径，因此与先导孔的原始直径相比，安装的公共设施有一个更大的直径。

可以用一种众所周知的方式完成对钻具的转向，这种方式是通过响应于向前移动，对钻具对称面定向以使得在地面上实现期望方向的偏向。为了控制这种转向，期望可以从基于传感器获得的传感器读数来监控钻具的方向，所述传感器形成钻具所支持的电子封装的一部分。传感器读数，例如，可以在通过便携式定位器或其他适合的地面设备用来在地面上接收的电子封装发射的定位信号上被调制。在一些系统中，电子封装可以将传感器读数调制的载波信号耦合到钻柱上，之后通过用钻柱作为导电体将信号传输到钻机。不论传感器数据的传输方式如何，对于定量的传输功率有一个限定的传输范围，在该范围内能够以足够的准确性恢复传感器数据。所述传输范围可以由如下因素进一步限制，例如，工作区域内存在的电磁干扰。一个现有技术的试图增大传输范围的技术方法是简单地增加传输功率。但是，申请人意识到这个方法价值有限，特别是当地下的电子封装由电池供电时，这将在下面进一步讨论。另一个方法在于降低数据被调制到定位信号上的数据或波特率。遗憾的是，该方法会导致数据吞吐量的下降。

现有技术的前述实例以及与其相关的限制目的在于说明性而不是排他性。在阅读说明书以及学习附图之后现有技术的其他限制对本领域的技术人员来说将变得显而易见。

发明内容

结合示例性和说明性而不是用于限制范围的系统、工具和方法来描述和说明以下实施例及其各方面。在各种实施例中，一个或多个上述问题已经被减少或消除，而其他实施例旨在获得其他改进。

在本公开的一个方面中，一种设备及相关方法用来与执行地下操作的系统相结合使用，在该系统中钻柱从钻机向地下工具延伸，使得在地下工作期间，钻柱的延伸和回缩通常产生地下工具的相应移动。发射器被构造为设置在地下工具附近以用来感测与地下工具相关的多个工作参数并且用来基于地下工具的运行状态定制数据信号来表征用于从地下工具传输的所述工作参数中一个或多个。接收器可定位在地面上的位置，其用来接收数据信号并恢复工作参数。

在本公开的另一方面中，描述了与作为执行地下操作的系统的一部分的接收器相结合使用的发射器及其相关方法，在该系统中钻柱从钻机延伸至支撑发射器的地下工具，使得在地下工作期间，钻柱的延伸和回缩通常产生地下工具的相应移动。所述发射器包括用来感测关于地下工具的工作状态的一个或多个工作参数的至少一个传感器，和被构造为用来基于地下工具的工作状态定制从发射器传输的数据信号的一个处理器。

在本公开的另一方面中，描述了与执行地下操作的系统的一部分的发射器相结合使用的接收器及其相关方法，在该系统中钻柱从钻机延伸至支持发射器的地下工具，使得在地下工作期间，钻柱的延伸和回缩通常产生地下工具的相应移动。接收器被构造为接收由发射器传输的数据信号，该数据信号表征与地下工具的运行状态相关的一个或多个工作参数，使得基于操作状态来定制数据信号。处理器被构造为用来解码被定制的数据信号以恢复一个或多个操作参数。

在本公开的另一方面中，描述了与执行地下操作的系统相结合使用的发射器及其相关方法，在该系统中钻柱从钻机向地下工具延伸，使得钻柱的延伸和/或旋转使地下工具在受到机械冲击和振动的同时沿着地下路经移动。作为发射器一部分的加速计用来感测地下工具受到机械冲击或振动时在高分辨率范围和低分辨率范围中的每一个分辨率范围内的俯仰取向，以产生一系列俯仰读数。处理器被构造为监测一系列俯仰读数并且对此做出响应来选择高分辨率范围及低分辨率范围中的一个来表征俯仰取向，以及对所选择的高分辨率范围和低分辨率范围中的一个的一系列俯仰读数进行平均化来产生从发射器传输的平均俯仰读数。

在本公开的一个连续方面中，描述了与执行地下操作系统相结合使用的发射器及其相关方法，在该系统中钻柱从钻机向地下工具延伸，使得钻柱延伸和/或旋转使地下工具在受到机械冲击和振动的同时沿着地下路径移动。加速计形成发射器的一部分用来感测地下工具的俯仰取向以产生一系列俯仰读数。处理器被构造为用来平均化一系列俯仰读数来产生从发射器传输的平均俯仰读数。

在本公开的再一个方面中，认识到可以选择性使用先进数据协议，例如，用于提高与监测地下工具关联使用的一个或多个参数的更新速率。这些先进的数据协议可以大幅减少有效表征给定参数所需的数据数量，例如，基于改变参数的分辨率，使得只需更少的数据比特。通过非限制性举例的方式，描述了与作为执行地下操作的系统的一部分的接收器相结合使用的发射器及其相关方法，在该系统中钻柱从钻机向支持发射器的地下工具延伸，使得在地下操过程中，钻柱的伸展与收缩通常使地下工具产生相应移动。至少一个发射器形成了发射器的一部分，用来感测与地下工具相关的一个或多个工作参数。处理器被构造为以标准模式和可选模式传输与一个或多个工作参数相关的数据，使得可选模式使用少于由标准模式表征至少一个特定参数所使用的位数来表征该特定工作参数，可选模式以比标准模式低的分辨率表示该特定参数。

在本公开的另一个方面中，描述了与作为执行地下操作的系统的一部分的接收器相结合使用的发射器及其相关方法，在该系统中钻柱从钻机向支持发射器的地下工具延伸，使得在地下操过程中，钻柱的伸展与收缩通常使地下工具产生相应移动。至少一个传感器形成发射器的一部分，用来感测与地下工具相关的一个或多个工作参数。处理器被构造为使用多个数据包通信协议从发射器传输数字信号，所述多个数据包通信协议包括特定协议，该特定协议响应于检测到发射器的静止状态来利用固定数据帧来表征一个或多个工作参数并重复地传输固定数据帧。

附图说明

示例性实施例在附图的参考图中示出。这里所公开的实施例的目的在于说明而非限制。

图1为根据本公开的利用地下发射器和便携设备之间的先进通信协议的执行地下操作的系统的实施例的示意性视图。

图2为示出一种电子封装的实施例的框图，该电子封装可被地下工具携带并根据本公开实施。

图3为示出一种用于监测地下工具的俯仰并应用非线性俯仰范围分布的方法的实施例的流程图。

图4为示出基于地下工具的操作条件或状态来定制从地下工具发送数据包的数据包结构的方法的实施例的流程图。

图5为示出响应于地下工具的运行状态来动态调用定长分包进行总体平均化的方法的实施例的流程图。

图6为示出基于地下工具遇到的运行条件来动态定制g力感测以增加动态范围的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

提供以下描述来使本领域普通技术人员可以制造并使用本发明，并且在专利应用及专利需求的环境中给出了这些描述。所描述实施例的各种变型对于本领域技术人员而言是显然的并且此处所教导的基本原理会被运用到其他实施例。因此，本发明目的不在于限定为所示实施例，而是与本文公开的原理和特征的最宽范围相一致，包括变型和等价物。应该注意，附图不是按比例绘制而是本质上是示意的，以一种方式最好地阐明感兴趣的特征。针对图中所提供的不同视角，可采用描述性术语用于增强读者的理解，而不会以任何方式限制本发明的范围。

现参见附图，其中在整个附图中相同的项通过相同的参考标号来表示，现将注意力放到图1，其示出用来执行地下操作的系统的一个实施例，其总体上由参考标号10指出。该系统包括所示的由地表面22上的操作者握住的便携装置20，其也在进一步放大的插图视图中示出。应该注意，为了保持视图清楚，装置20中的内元件缆线没有被示出，但是应当理解为存在并且本领域普通技术人员可以在考虑整个公开后容易地实施。装置20包括三轴天线簇26，用来测量磁通量的三个正交排列分量，表示为b_x,b_y,和b_z。一个预期在这里使用的有用的天线群由美国专利No.6,005,532公开，其与本申请共同所有并且通过引用并入本文。天线簇26与接收器部分32电连接。提供倾斜传感器装置34来测量引力角度，从该引力角度可以确定一个水平坐标系中的通量分量。

装置20进一步包括图形显示器36，具有天线40的遥测装置38以及适当地与不同组件互连的处理部分42。遥测装置可以传输遥测信号44用于在钻机接收。处理部分可包括数字信号处理器(DSP)，其被构造为执行在操作中所需的不同程序。应当理解的是，图形显示器36可以是一个触摸屏，以便帮助操作员选择在屏幕上定义的不同按钮，和/或可以在设置用于操作员选择而在屏幕上定义的不同按钮之间方便地进行滚动。这样的触屏可以单独使用或者与例如按键的输入装置48组合使用。后者可以在没有触屏时使用。而且，可以采用输入装置的许多变化并且可以使用滚轮和其他合适的已知形式的选择装置。处理部分包括这样的组件，例如，一个或多个处理器，任何合适类型的存储器以及模数转换器。正如在本领域众所周知，后者可以检测到的频率至少是所关心的最高频率的两倍。其他组件可以根据期望增加，例如，磁强计50用来帮助相对于所述钻井方向的定位，而超声换能器用来测量地表上的装置高度。

仍然参考图1，系统10进一步包括钻机80，具有滑架82，其被安装为沿着一对相对设置的铁轨83的长度移动。地下工具90与钻柱92的相对的一端相连。作为非限定性示例，地下工具示为钻具，被用作本描述的框架，但是应该理解，可以使用任何适合的地下装置，例如，在进行回拉操作时使用的扩孔工具或者绘图工具。一般地，钻柱92由多个可移动可连接的钻管段组成，使得钻机可以利用箭头94的方向上的移动来将钻柱推进地下并且可以响应反方向移动来缩回钻柱。钻管段限定了用于输送钻具在压力下发射的钻井泥浆或液体的直通通道，以帮助切割穿透地面以及冷却钻头。一般地，钻井泥浆也用于悬浮切割物并且将切割物沿着钻柱的外部长度带到表面。可以通过响应于向前、推进运动将定向钻具的不对称面96定向为在地下在期望方向上偏向来完成转向，这可以被称为“推进模式”。钻机绕钻柱绕转或旋转通常将导致钻具向前或直线前进，这可以被称为“旋转”或“前进”模式。

钻孔操作由操作员(未显示)在控制台100(最好在放大的插入视图看)控制，控制台100包括与遥测天线104连接的遥测收发器102、显示屏106、比如键盘110的输入器件、处理装置112，其可以包括合适的界面、存储器以及一个或多个处理器。多个控制杆114，例如，控制滑架82的移动。遥测收发器104可以发射遥测信号116来促进与便携装置20的双向通信。在实施例中，屏幕106可以为触摸屏，因此键盘110是可选的。

装置20被构造为接收从钻具或其他地下工具发射的电磁定位信号120。所述定位信号可以是偶极信号。在此情况下，所述便携装置与以下所描述的便携装置中的任一个相一致，例如，美国专利No.6,496,008、No.6,737,867、No.6,727,704以及美国公开专利申请No.2011-0001633,其中的任意一篇在此引用并入本文。考虑到这些专利，应当理解的是便携装置可以在如图1所示的定位模式下操作，或是在便携装置置于地上的家庭模式中操作，如专利6,727,704中所示。虽然本公开示出从钻具发出并且绕场的对称轴旋转的偶极子定位场，本公开不限制于此。

定位信号120可由钻具产生的信息调制，这些信息包括但是不限于回拉操作等环境下的基于俯仰(pitch)及滚动(roll)定向传感器读数、温度值、压力值、电池状态、张力读数的位置定向参数。装置20使用天线阵26接收信号120并且处理收到的信号以恢复数据。应该注意，作为调制定位信号的选择，对象信息可以用例如线管装置的电导从钻柱传导到钻机。在另一个实施例中，可以通过用钻柱本身作为电导来完成双向数据传输。这样一个系统的先进的实施例在共同拥有的美国申请序列号13/733,097中有所描述，其以美国公开申请No.2013/0176139公开，在此其整体上通过引用并入本文。在任何一种情况下，可以在钻机的控制台100获得所有信息。

图2是示意电子封装的实施例的框图，该电子封装总体上由参考标号200表示，其可以由钻具90支撑。所述电子封装可包括地下数字信号处理器210。传感器部分214可以通过模数转换器(ADC)216与数字信号处理器210电相连。任何合适的传感器组合可以提供给给定的应用并且可以进行选择，例如，从加速计220、磁强计222、温度传感器224以及压力传感器226中选择，该压力传感器226可以检测在钻井液被从钻柱中发射之前和/或在钻柱的井下部分附近的环形区域中的钻井液压力。在通过使用钻柱作为电导实施与钻机的通信的实施例中，隔离器230在钻柱中形成了电隔离连接并且被图解地示出用来在发送模式和接收模式这两个传输模式中的一个或两个中将钻柱的井口部分234从钻柱的井下部分238分离，在发送模式中数据耦合到钻柱上，而在接收模式中数据从钻柱中恢复。在许多实施案例中，电隔离可以作为地下工具的一部分被提供。如图所示，所述电子部分可以穿过隔离器形成的电绝缘/隔离间隔被总体上用参考标号205表示的第一引线250a以及第二引线250b连接。对于发射模式，使用天线驱动器部分330，其在地下数字信号处理器210以及引线250之间实现电连接来直接驱动钻柱。一般地，耦合在钻柱上的数据可以用任何不同于用来驱动能够发射上述信号120(图1)的偶极天线340的频率来调制，以避免干扰。当天线驱动器330关闭，开/关转换器(SW)350可以选择性地连接引线250到一个带通滤波器(BPF)352，该带通滤波器的中心频率与从钻柱接收到的数据信号的中心频率相对应。BPF 352依次连接模数转换器(ADC)354，ADC本身连接到数字信号处理部分210。在实施例中，DC阻挡抗混叠滤波器用来替代带通滤波器。在数字信号处理部分中的被调制的数据的恢复可以由本技术领域的普通技术人员考虑到所运用调制的特定形式以及考虑到本公开整体的来容易地实现。

仍然参照图2，偶极天线340可以在发射模式和接收模式中的一个或两个中被连接使用，发射模式中信号120被发射到地表周围，接收器模式中接收电磁信号，该电磁信号从例如张力监视器的地下工具发射。对于发射模式，使用天线驱动器部分360，其在地下数字信号处理器210和偶极天线340之间实现电连接来驱动所述天线。再次地，信号120的频率通常与钻柱信号频率十分不同以此来避免相互间的干扰。当天线驱动器360关闭，开/关转换器(SW)370能够选择性地将偶极天线340连接到一个带通滤波器(BPF)372，带通滤波器的中心频率与从偶极天线接收到的数据信号的中心频率相对应。在实施例中，DC阻挡抗混叠滤波器用来替代带通滤波器。BPF 372依次连接到模数转换器(ADC)374,其本身与数字信号处理部分210相连。数字信号处理部分的收发器电子部件可以由一个本技术领域的普通技术人员在考虑到所应用调制的一种特定形式或多种形式以及考虑到发明整体的情况下容易地在许多合适的实施例中构造。图2中所示设计可以基于本文已经公开的教导以任何适合的方式修改。

再一次参照图1，通过便携式装置20接收的定位信号120的范围与距离的立方成反比。虽然从地下工具增加发送功率会增加范围，应当理解的是，双倍的发送功率仅仅会导致范围增加15％。当然，当由地下工具支撑的发射器由电池供电时，响应于这种功率增加，电池寿命会严重降低。而且，接收范围受本地干扰影响很大。(n×50)Hz以及(n×60)Hz的电力线噪音谐波代表一个重要的噪音源。在过去，要仔细选择用于定位信号120的载波频率以避免电力线谐波。在一些情况下，避免电力线谐波需要窄化在定位信号120上被调制的数据的带宽。但是申请人意识到，窄化数据带宽会导致较低的数据吞吐量。就在便携装置处达到足够快速的数据更新而言，相对较低的数据吞吐量值可能是有问题的。例如，当操作者试图建立预期的地下工具的滚动取向来达到转向目的时，相对较慢的滚动取向更新可能会引发这成为一个耗时过程。根据前面所述，现在显然的是，避免噪音干扰与数据吞吐量之间具有利益冲突。到目前为止，考虑到这些利益冲突，申请人还不能提交一个有效的解决方案。正如将要看到的，申请人已经发现了根据地下操作更有效地利用可用数据带宽而定制的数据协议。应该理解的是，这些协议适用于通过电磁定位信号或通过使用钻柱作为电导的传输。当根据电磁信号描述特定构思时，这些构思对于在钻柱上的传输而言同样适用。

根据本公开的数据传输的目的，数据可以在载波上以任何合适的方式被编码，例如，相位编码、振幅调制、频率调制或任何其适合的组合。某一调制方案，例如，曼彻斯特编码在能提高定位范围的载波频率上保持信号能量这方面是有益的。在另一方面，另一个调制方案，例如，正交相移键控(QPSK)为给定的带宽提供一个相对较高的数据吞吐量。

一般地，数据可以以数字的形式用数据包结构在定位信号120上传输。数据可以用特定类型数据所特有的数据包所来传输。例如，不同数据包结构可以用来传输滚动数据、俯仰数据、电池状态、温度以及压力等。当从便携装置20接收时，数据包越短，越不易受到噪音损坏的影响。由于数据包以一种流式方式被传输到便携装置，便携装置需要能够辨别新数据包的开端。在此公开的数据包的实施例可以利用同步比特来实现这个目的。考虑到这些基本原理，以下将立刻描述许多唯一的数据包结构。

表1图示了在曼彻斯特编码的情况下基于本公开的滚动数据包的实施例，虽然后者不是必需的。下面通过举例的方式考虑，传统滚动数据包可以通过使用对编码没有贡献的附加同步比特来编码24个滚动位置(即，15度增量)。申请人意识到，同步比特可以被用来对编码产生贡献。同时，可以减小编码滚动位置的数量来减少滚动数据包的尺寸。例如，申请人发现8个编码的滚动位置足以识别钻具的滚动取向，因此只有3个数据比特是必需的。表1阐明了8滚动位置的滚动数据包结构。每个L(低)和H(高)值以与曼彻斯特编码一致的方式表示比特时间的一半。同步比特1和同步比特2代表三个数据比特中的比特1。在本实施例中，每个同步比特包含一个半比特时间。如表1中所看到的，同步比特1和2包含的允许的同步间隔值包括3低比特时间跟着是3高比特时间(滚动1-4)或者3高比特时间跟着是3低比特时间(滚动5-8)中的一种。因此，同步比特1和同步比特2结合可以代表数据比特1并且仅需两个附加的数据比特1和2一起组成3个数据比特来达到编码三个比特值的目的。因此，一个数据包的任何实施例可以以这种方式利用同步比特作为最高有效位(MSB)。例如，可以对温度进行正常、高和非常高地编码，使得需要同步比特和仅一个数据比特来编码温度数据包。应当理解的是，可以优先进行数据包传输。例如，在正常温度条件下，温度数据包可以以一个固定间隔被发送，例如15秒。但是当温度变化的速率超过一个确定的阈值时，温度数据包可以立刻被传送。作为非限制性示例，这样一个温度阈值可以在2秒内升高超过10℃。例如，一个电池状态数据包可以用除了同步比特1和2代表的最高有效位以外的3个数据比特来编码。

表1

滚动数据包

虽然滚动数据包经常以最快速更新为目标，俯仰数据包也十分频繁地被传输。作为非限制性示例，每六个滚动数据包传输一个俯仰数据包。习惯上，俯仰数据包以定义一个高分辨率俯仰读数为目的来说是冗长的。例如，传统俯仰数据包在不考虑钻具的操作状态的情况下有0.05°或0.1％的分辨率。申请人意识到，当地下工具旋转或仅仅移动时，冲击和振动可以严重地限制俯仰读数的准确性，其是由钻具承载的电子封装的传感器阵列中的加速计产生的。当钻具在石质土中前进时这种影响甚至会进一步加剧。基于这种认识，当钻具旋转和/或前进时，所述俯仰数据包的分辨率可以被动态定制。动态俯仰数据包分辨率范围的一个实施例由表2阐释。

表2

动态俯仰分辨率

俯仰范围	数据比特的数量	俯仰分辨率
			+/-16°	5	1°
+/-17°到45°	6	1.5°

如表2中所见，当地下工具移动时，俯仰读数包括5个数据比特来定义在俯仰范围+/-16°中的俯仰分辨率1°。如果同步比特被用来表示所述俯仰的(+/-)符号，仅需四个数据比特。在所述+/-16°范围的任一侧，从+17°到+45°以及从-17°到-45°，六个数据比特可以被用来定义1.5°的俯仰分辨率。如果同步比特被用来表示所述俯仰的(+/-)符号，只需5个数据比特。

应当理解的是，至少从实用观点来说，俯仰读数可以被限制在(+/-)45°。在确定的环境下高准确性俯仰读数是令人满意的，例如，重力下水道线安装。当钻具在前进和/或旋转时，提供这种高分辨率俯仰准确性是不实际的，但是申请人意识到响应于静止的被探测的钻具，发射高分辨率俯仰数据包是实际的。当然，使用作为钻具中电子封装的传感器陈列的一部分的加速计可以容易地执行这种探测。同时，申请人进一步意识到，当钻具或其他地下装置静止时，可以定制俯仰数据包从而以高效的方式利用数据比特。作为非限制性示例，俯仰分辨率可以被压缩在+/-11°的范围里，以便在这个范围内提供高俯仰分辨率，同时在范围(即，当俯仰角超过11°)以外提供一个更自由的分辨率。就这一点而言，大多数重力下水道线装置被限制在+/-5％的级别，这近似相当于+/-2.86°。由表3阐释的这个静止俯仰分辨率实施例包括用来特定俯仰分辨率的四种不同俯仰范围内的值的数量。总共需要509个值，因此具有9个数据比特的俯仰数据包可以被用来覆盖所有四个所描绘的俯仰范围。而且，如果同步比特被用来标记，仅需要8个数据比特。

表3

静止/动态俯仰分辨率

用度表示俯仰范围

范围内值的数量

俯仰分辨率

+/-11	441	0.05°
			+12到+20，-12到-20	36	0.5°
+21到+27，-21到-27	14	1°
			+28到+44，-28到-44	18	2°

应当理解的是，通过举例的方式提供了表3中的静态俯仰分辨率范围，其目的不在于限制本发明的范围，而是说明了以非线性方式的增长的俯仰分辨率范围，以用于限制在俯仰数据包中所需数据比特数量。通过本文已经公开的教导，可以显著降低数据包尺寸，例如，大约为1/2(即，因素为2)，这将显著增长更新速率以便监视地下工具同时利用窄数据带宽来提供足够的噪音抗扰性。

图3为示出总体上由参考标号400表示的一种方法的一个实施例的流程图，该方法用于例如根据表2和3中的任意一个来监视俯仰并应用一个非线性俯仰范围分布。该方法从404开始并进行到408，在408调用感兴趣的非线性俯仰分辨率范围并设置一个初始范围作为起始点。在412，当前的俯仰值被作为步骤416的输入而测量。后者决定当前的俯仰是否在当前指定的俯仰范围内。如果是，步骤420以当前指定俯仰范围的分辨率传输当前的俯仰值。之后下一个俯仰值在424获得。如果步骤416检测到当前俯仰读数不在当前指定俯仰范围内，操作进行到428，其依照当前俯仰读数设置适当的俯仰范围。之后操作返回到步骤416。

将注意力集中到图4，图4为示出总体上由参考标号500表示的一种方法的一个实施例的流程图，该方法用于基于地下工具的运行条件来改变数据包结构。所述方法在504开始进行到508，在508初始化在此进程中使用的数据包结构。在一个实施例中，例如，初始化可以基于发射器在启动时的俯仰取向进行。在另一个实施例中，初始化可以基于操作区域的干扰进行，因此可以使用这里所述的具有较高噪音/干扰抗扰性的先进的数据包协议。例如，本地干扰可以以任何适当的方式被检测到，包括依照上述引入的美国2011-0001633申请中的方法和/或在与本申请共同拥有的美国公开申请No.2013/0176139中所述的方法，该申请在此通过引入并入本文。例如，所述2013/0176139申请教导了基于无法对滚动取向(roll orientation)信息、俯仰取向(pitch orientation)信息和/或其他状态信息进行解码可以检测到定位信号的足够退化。进一步，可以与可接受阈值相关地监测所述定位信号的误码率(BER)。在512，地下工具的运行状态可以例如在一段短暂时间内监测加速计输出来决定。如果地下工具是静态的，则不会探测到短暂加速。如果检测到地下工具是静止的，操作进行到516，其例如根据表3向要传输的俯仰数据包应用一个静态俯仰数据包结构或分辨率。之后所述俯仰数据包在520被传输。如果，在另一方面，步骤512确定地下工具不是静止的，操作进行到524，其例如根据表2应用一个动态俯仰数据包结构和分辨率。

在另一个实施例中，当地下工具被检测到为静止的，来自所述各种方位传感器(加速计)的信号应该是稳定的并且不变的。在这些条件下，电子封装可以转化为固定长度的数据包或数据帧，其包括任意期望的数据集合，例如，滚动取向、俯仰取向、电池状态以及温度。所述固定长度的数据帧可以在钻具的静止状态过程中被重复地传输，以便通过增加连续的数据帧同时使随机噪声总和为零，以此来允许整体平均化的应用以达到增加信号强度的整体效果。就这一点而言，如果n是样本的数量并且噪声是随机的，则信噪比以n的平方根增加。换句话说，增加的数据帧的数量越大，信噪比的作用越大。结果是其随着电子封装200和装置20中的时钟的稳定性而增强。装置20可以采用锁相环路来通过定位信号载波的相位锁定进一步加强稳定性。通过非限制性示例，可用SSSRRRRRPPPPPPPPPPPBBTT代表固定的数据帧其中S代表同步比特、R表示滚动数据比特、P代表俯仰数据比特、B代表电池状态数据比特以及T代表温度状态比特。装置20中的数据缓冲器可以接收重复传输并且可以例如以PPPBBTTSSSRRRRRPPPPPPPP存储帧。由于附加帧可以被累加，例如，在高干扰区域，便携式装置将继续搜索同步比特并且最后定位同步位作为解码帧的一部分。当然，数据可以在钻机或其他任何合适的地方被缓存以用来达到解码的目的。需要注意的是，平均4个数据包或帧可以减小两倍噪声。前述示例用5比特分配给滚动(给24个时钟位置32个值)以及11比特分配给俯仰，从而以0.1％分辨率覆盖+/-45°或+/-100％级别。如上所述以及表3所列，非线性俯仰编码可以通过用少量的数据比特(例如，用9数据比特而不是11比特)来减少覆盖所述+/-45°范围所需的比特的数量。

在另一个实施例中，当步骤512检测到地下工具不在旋转和/或静止时，可以将滚动数据包的传输暂停作为整个静止数据包结构的一部分。响应于检测到地下工具至少在转动，滚动数据包的传输可以重新开始。在一些实施例中，地下工具的前进是被禁止的，直到在旋转过程中收到滚动数据包。

现将注意力集中到图5，其为示出总体上由参考标号600表示的一种方法的实施例的流程图，该方法用于响应于地下工具的运行状态而动态地调用固定数据包长度进行整体平均化。所述方法在604开始并且进行到608，在608初始化基于地下工具的运行状态而采用的不同的数据结构。例如，当地下工具正在移动，滚动取向可以用根据表1的8个滚动位置指出，同时俯仰取向可以根据例如表2指出。当地下工具不在移动时可以应用固定长度的数据包结构，例如，与前面描述一致。之后运行移动到612，其确定地下工具的运行状态，处于运动还是静止。如上所述，在一个实施例中，通过在一小段时间内监测加速计输出来做出该确定。如果发现钻具在移动，操作进行到616，例如根据表1和2调用动态数据包结构。在620，发送数据包。操作然后返回到612。当后一个步骤确定所述地下工具是静止的，操作进行到624，其初始化固定长度的数据包结构。在628，所述固定长度的数据包被重复地/反复地传送，以被地面上的便携式装置或其他适合的硬件接收。在632，接收到固定长度的数据包并且其可以通过上述方式被增加到缓存器中。在636可以例如针对每次重复来尝试解码缓存器值。在其他实施例中，便携式装置可以延迟任何解码的尝试，直到在缓存器内累积了预定数量的数据。对于每一次重复，如果解码不成功，操作返回到步骤632，接收下一个数据包。一旦获得成功的解码，操作进行到640，其将解码值转移到适合的位置，之后清除缓存器。之后，操作返回到612。

如上所述并参考图2，加速计220受到较高程度的冲击和振动。为了在钻井的同时提供一个实时的滚动读数，在一个实施例中，处理器210可以针对原始滚动数据应用连续滤波器来平滑冲击和振动引发的变化。例如，速率滤波可以去除变化快于每秒+/-3°的滚动变化。本示例的每秒+/-3°值不是必需的，但是其由这样一个事实引出，制造钻柱的钻管显示出一个有限的弯曲半径，使得钻具外壳在没有经历某一有限距离时不能改变俯仰或方向。例如，如果R是钻管的限制弯曲半径，S是工具行程的弧长以及△(θ)是俯仰角的变化：

R＝Sxθ(公式1)

如果R＝100ft而且θ＝3°，则S＝5.236ft。除非穿进速率在转向期间比3.57mph要快，否则所述每秒+/-3°是足够的。

在另一个实施例中，当地下工具旋转和/或移动时可以通过转换到一个较高g传感器(即，加速器)使钻井时的俯仰角被平均化。当凿岩时，在地下工具表壳上的冲击和振动可能是数百个g。一般地用于水平方向的钻井应用的传统MEMS加速计的测量范围通常限制在+/-2g，这是由于需要高分辨率的原因。由于这种有限动态范围，取决于钻井条件，这种加速计会不断地遇到它的上下限。在有限动态范围的不利条件下，即使对俯仰数据应用平均化，也很难获得有意义的平均俯仰。因此，当地下工具旋转时，一个低成本、高g、低分辨率加速计660(图2)可以被增加到所述传感器阵列中来追踪平均俯仰。在另一个实施例中，可以使用具有可程序化g范围的MEMS加速计，使得当条件得到保证时，可以实时地改编俯仰范围。

现转向图6，图6为示出总体上由参考标号700表示的一种方法的实施例的流程图，该方法用于基于地下工具所处运行条件动态地定制g力感测以增加动态范围。所述方法开始于704并进行到708，在708用一个高分辨率有限范围的g力传感器或在使用可编程传感器时的高分辨率传感器范围来进行初始化感测。在712，获得g力读数(即，加速计读数)。在716，读数被用来与基于当前使用的加速计的工作范围性能而设定的阈值进行比较。如果当前读数在范围内，所述方法继续至在720使用高分辨率范围并且在正常的操作中在724传输读数。另一方面，如果步骤716检测到当前g力读数超过了阈值，则操作进行到728，从高分辨率传感器转换到高g力、低分辨率传感器。之后，操作进行到724，以使来自高分辨率传感器的俯仰读数可以被整体平均化，以被系统使用和/或显示给便携式装置和/或钻机的操作者。作为正常操作的一部分，该过程迭代地循环返回到步骤712去获得下一个加速计读数。

本发明的前文描述是出于说明和描述的目的而给出的。并不意图详尽或将本发明局限于确切的形式或公开的形式，考虑到以上教导可以实现其他修改和变化。例如，上述数据协议可以被手动或自动选择。在一个实施例中，可以从便携式定位器、其他地上设备或从钻机中选择用来制造扩充范围和/或提供抗干扰性的一个或多个所述先进数据协议。在另一个实施例中，可以基于发射器在启动时的俯仰取向来选择一个或多个所述的先进数据协议。在另一个实施例中，可以基于钻柱滚动取向序列来选择一个或多个所述先进数据协议。因此，那些现有技术领域中的技术人员应当能够识别出上述实施例中的某些修改、排列、增加以及组合。

优选地包括在此描述的所有元素、部分以及步骤。需要理解的是，对本领域技术人员来说，这些元素、部分以及步骤中的任何一个都可以被其他元素、部分以及步骤代替或完全删除。

作为一个简短的总结，所写公开至少包括以下部分。在地下工具附近设置发射器，用来感测与地下工具相关的多个工作参数。所述发射器基于地下工具的运行状态来定制数据信号表征从地下工具传输的一个或多个工作参数。接收器接收所述数据信号并恢复所述工作参数。描述先进的数据协议。描述基于监测地下工具的机械冲击和振动的加速计读数的俯仰平均化以及动态俯仰范围的增大。

构思

本文进一步定义至少以下构思。

构思1.一种用来与进行地下操作的系统相结合使用的设备，在该系统中钻柱从钻机延伸到地下工具，使得钻柱的延伸和回缩通常使地下工具在地下操作期间产生相应移动，所述设备包括：

发射器，被构造为设置在地下工具附近，用于感测与地下工具相关的多个工作参数，并且基于地下工具运行状态定制数据信号来表征从地下工具传输的工作参数中的一个或多个；和

接收器，定位在地表位置，用于接收数据信号和恢复工作参数。

构思2.根据构思1所述的设备，其中，发射器被构造为基于检测到地下工具的移动和旋转中的至少一种来确定地下工具的运行状态。

构思3.根据构思1或2所述的设备，其中，发射器和接收器被构造为协作地利用多个通信协议来分别发射和接收所述数字信号，以及所述发射器被构造为响应于检测到地下工具的运行状态的变化而改变通信协议。

构思4.根据构思3所述的设备，其中，发射器被构造为至少检测以下运行状态的变化：(i)从静止状态到动态的变化以及(i i)从动态到静止状态的变化。

构思5.根据构思3或4所述的设备，其中，多个通信协议包括静态俯仰分辨率协议和动态俯仰分辨率协议。

构思6.根据构思5所述的设备，其中，静态俯仰分辨率协议的分辨率高于动态俯仰分辨率协议的分辨率。

构思7.根据构思5或6所述的设备，其中，动态俯仰分辨率协议和静态俯仰分辨率协议中的至少一个包括代表基于分辨率的发射器的俯仰取向，该分辨率响应于俯仰取向的幅度的增大而在一个或多个步骤中降低。

构思8.根据构思7所述的设备，其中，静态俯仰分辨率协议基于定义固定数量比特值的固定数量比特来表征俯仰取向，并且所述步骤定义至少两个俯仰范围，所述俯仰范围分配有所述比特值，以为每一个俯仰范围确立分辨率。

构思9.根据构思3至8中的任一项所述的设备，其中，发射器被构造为检测到其静止状态，并且对其作出响应，转换到固定长度的数据包来表征所述一个或多个工作参数，以及此后在静止状态过程中重复发射该固定长度的数据包以便被接收器接收。

构思10.根据构思9所述的设备，其中，发射器进一步构造为包括发射器的滚动取向、俯仰取向、电池状态以及温度中的至少一个作为所表征的固定长度的数据包的工作参数。

构思11.根据构思9或10所述的设备，其中，接收器被构造为对多个固定长度的数据包的接收进行总体平均化以恢复所表征的工作参数。

构思12.根据前述任一构思所述的设备，其中，工作参数包括发射器的滚动取向，并且发射器被构造为响应于检测到地下工具旋转而利用包括多种不同类型数据包的数据包结构发射所述数据信号以表征至少包括指定滚动取向的滚动取向数据包的多个工作参数，并且响应于检测到地下工具不旋转而暂停从数据包结构发送滚动取向数据包。

构思13.根据前述任一构思所述的设备，其中，所述工作参数中的一个是地下工具的俯仰取向，并且所述发射器被构造为响应于检测到地下工具处于动态而利用包括低分辨率俯仰数据包的数据包协议来发射数据信号和响应于检测到地下工具处于静态而利用包括高分辨率俯仰数据包的数据包协议来发射数据信号。

构思14.根据前述任一构思所述的设备，其中，所述数据信号基于用于将一系列数据包从发射器转移到接收器的数据包协议而构造，以表征一个或多个工作参数，使得每个数据包包括至少两个同步比特以用于在接收器处解码每个数据包而同步比特同时用作一个数据比特来连同其他比特一起表征工作参数中的一个或多个。

构思15.根据构思14所述的设备，其中，工作参数是地下工具的滚动取向。

构思16.一种与作为执行地下操作的系统的一部分的接收器相结合使用的发射器，在该系统中钻柱从钻机延伸到支撑发射器的地下工具，使得钻柱的延伸和回缩通常使地下工具在地下操作期间产生相应移动，所述发射器包括：

至少一个传感器，用于感测与地下工具的运行状态相关的一个或多个工作参数；和

处理器，被构造为基于地下工具的运行状态定制从发射器发射的数据信号。

构思17.一种与作为执行地下操作的系统的一部分的发射器相结合使用的接收器，在该系统中钻柱从钻机延伸到支撑发射器的地下工具，使得钻柱的延伸和回缩通常使地下工具在地下操作期间产生相应移动，所述接收器包括：

用于接收发射器发射的数据信号的装置，该数据信号表征与地下工具的运行状态相关的一个或多个工作参数，使得数据信号基于运行状态来定制；以及

处理器，其被构造为用于解码所定制的数据信号以恢复一个或多个工作参数。

构思18.一种与进行地下操作的系统相结合使用的发射器，在该系统中钻柱从钻机延伸至地下工具，使得钻柱的延伸和/或旋转使地下工具在受到机械冲击以及振动的同时沿着地下路径移动，所述发射器包括：

加速计，用于感测地下工具在受到机械冲击及振动时在高分辨率范围和低分辨率范围中的每一个范围中的俯仰取向，以产生一系列俯仰读数；以及

处理器，其被构造为监测所述一系列俯仰读数，并且对此进行响应，选择高分辨率范围和低分辨率范围中的一个来表征俯仰取向，并且对从高分辨率范围和低分辨率范围中选出的范围中的一系列俯仰读数进行平均化以产生从发射器发射的平均俯仰读数。

构思19.根据构思18所述的发射器，其中，所述加速计布置为包括用于在高分辨率范围内产生一系列俯仰读数的高g力、低分辨率加速计，以及用于在低分辨率范围内产生一系列俯仰读数的低g力、高分辨率加速计。

构思20.根据构思18所述的发射器，其中，所述加速计布置为包括可程序化的加速计，用于提供响应于所述处理器的高分辨率范围和低分辨率范围。

构思21.根据构思18或1所述的发射器，其中，所述处理器被构造为基于g力阈值在高分辨率范围和低分辨率范围之间转换。

构思22.一种与执行地下操作的系统相结合使用的发射器，在该系统中，钻柱从钻机延伸到地下工具，使得钻柱的延伸和/或旋转使地下工具在受到机械冲击以及振动的同时沿着地下路径移动，所述发射器包括：

加速计，用于感测地下工具的俯仰取向，以产生一系列俯仰读数；以及

处理器，被构造为对一系列俯仰读数进行平均化，以产生从发射器发射的平均俯仰读数。

构思23.根据构思22所述的发射器，进一步被构造为持续性对一系列俯仰读数进行滤波，以减少响应于机械冲击和振动的平均俯仰读数的变化。

构思24.根据构思23所述的发射器，其中，所述处理器被构造为去除所述一系列俯仰读数中的表示俯仰取向的变化速率大于预定值的俯仰变化。

构思25.一种与作为进行地下操作的系统的一部分的接收器相结合使用的发射器，在该系统中，钻柱从钻机延伸到支撑发射器的地下工具，使得钻柱的延伸和回缩通常使地下工具在地下操作期间产生相应移动，所述发射器包括：

至少一个传感器，用于感测与地下工具相关的一个或多个工作参数；以及

处理器，被构造为以标准模式和替换模式发射与一个或多个工作参数相关的数据，所述替换模式表征至少一个特定工作参数所使用的比特数量比标准模式表征该特定参数所使用的比特数量少，以及所述替换模式以比标准模式低的分辨率来表示该特定参数。

构思26.根据构思25所述的发射器，其中，所述特殊工作参数是地下工具的滚动取向，并且所述发射器被构造为使用数据包协议来发射数据信号，该数据包协议包括所述标准模式中的较高分辨率滚动数据包以及替换模式中的较低分辨率滚动数据包。

构思27.根据构思26所述的发射器，其中，标准模式表示24个滚动位置，而替换模式表示8个滚动位置。

构思28.根据构思25所述的发射器，其中，所述特定参数是具有幅度并且处于标准模式和替换模式中的至少一个模式的俯仰取向，响应于俯仰取向幅度的增大，俯仰取向分辨率在一个或多个步骤中降低。

构思29.根据构思25所述的发射器，其中，所述特定工作参数是发射器的滚动取向，并且发射器被构造为在所述标准模式中使用包括多个不同类型数据包的数据包结构来发射所述数据信号以表征至少包括指定滚动取向的多个工作参数，以及在所述替换模式中暂停滚动取向数据包的发射。

构思30.根据构思25所述的发射器，其中，所述特定工作参数是地下工具的俯仰取向，并且所述发射器被构造为在所述标准模式中使用包括高分辨率俯仰数据包的数据包协议发射数据信号，而在所述替换模式中使用包括低分辨率俯仰数据包的数据包协议发射数据信号。

构思31.根据构思25至30中的任一项所述的发射器，进一步被构造为基于检测到的电磁干扰而转换到所述交替模式。

构思32.一种与作为进行地下操作的系统的一部分的接收器相结合使用的发射器，在该系统中，钻柱从钻机延伸至支撑发射器的地下工具，使得钻柱的延伸和回缩通常使地下工具在地下操作期间产生相应移动，所述发射器包括：

至少一个传感器，用于检测与地下工具相关的一个或多个工作参数；以及

处理器，被构造为使用多个数据包通信协议从发射器发射数据信号，多个数据包通信协议包括一个特定协议，该特定协议响应于检测到发射器处于静止状态而利用固定数据帧来表征一个或多个工作参数并且重复地发射固定数据帧。

构思33.根据构思32所述的发射器，被构造为包括固定数据帧的发射器的滚动取向、俯仰取向、电池状态以及温度中的至少一个。

Claims (32)

1.一种用来与进行地下操作的系统相结合使用的设备，在该系统中钻柱从钻机延伸到地下工具，使得钻柱的延伸和回缩使地下工具在地下操作期间产生相应移动，所述设备包括：

发射器，其被构造为设置在所述地下工具附近，用于感测与所述地下工具相关的多个工作参数，用于检测所述地下工具的运行状态处于静止还是运动以及运行状态的变化，并且发射数据，当所述地下工具处于静止时所述数据以第一分辨率水平表征所述工作参数中的一个或多个工作参数，和当所述地下工具处于运动时所述数据以第二分辨率水平表征所述工作参数中的一个或多个工作参数，其中所述第一分辨率水平高于所述第二分辨率水平；和

接收器，其定位在地表位置，用于接收所述数据信号和恢复所述工作参数。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述发射器被构造为基于检测到所述地下工具的移动和旋转中的至少一种来确定所述地下工具的关于运动的运行状态。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，表征所述工作参数中的一个或多个工作参数的所述经发射的数据包括静态俯仰分辨率协议和动态俯仰分辨率协议。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述静态俯仰分辨率协议的分辨率高于所述动态俯仰分辨率协议的分辨率。

5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述动态俯仰分辨率协议和所述静态俯仰分辨率协议中的至少一个包括代表基于如下分辨率的发射器的俯仰取向，该分辨率响应于所述俯仰取向的幅度的增大而在一个或多个步骤中降低。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述静态俯仰分辨率协议基于定义固定数量比特值的固定数量比特来表征俯仰取向，并且所述步骤定义至少两个俯仰范围，所述俯仰范围分配有所述比特值，以为每一个俯仰范围确立分辨率。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述发射器被构造为检测到其静止状态，并且对其作出响应，转换到固定长度的数据包来表征所述一个或多个工作参数，以及此后在静止状态过程中重复发射该固定长度的数据包以便被所述接收器接收。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述发射器进一步构造为包括所述发射器的滚动取向、俯仰取向、电池状态以及温度中的至少一个作为所表征的固定长度的数据包的工作参数。

9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述接收器被构造为对所述固定长度的数据包的多个接收进行总体平均化以恢复所表征的工作参数。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述工作参数包括所述发射器的滚动取向，并且所述发射器被构造为当所述地下工具旋转时发射指定滚动取向的滚动取向数据包，并且当所述地下工具不旋转时暂停发送滚动取向数据包。

11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述工作参数中的一个是所述地下工具的俯仰取向，并且所述发射器被构造为响应于检测到所述地下工具处于运动而发射低分辨率俯仰数据包和响应于检测到所述地下工具处于静止而发射高分辨率俯仰数据包。

12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述数据基于用于将一系列数据包从所述发射器转移到所述接收器的数据包协议而构造，以表征一个或多个工作参数，使得每个数据包包括至少两个同步比特以用于在所述接收器处解码每个数据包而同步比特同时用作一个数据比特来连同其他比特一起表征所述工作参数中的一个或多个。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述工作参数是所述地下工具的滚动取向。

14.一种与作为执行地下操作的系统的一部分的接收器相结合使用的发射器，在该系统中钻柱从钻机延伸到支撑所述发射器的地下工具，使得钻柱的延伸和回缩使所述地下工具在地下操作期间产生相应移动，所述发射器包括：

至少一个传感器，其用于感测与所述地下工具相关的一个或多个工作参数；和

处理器，其被构造为用于基于所述传感器输入来检测所述地下工具处于静止还是运动，和发射数据，当所述地下工具处于静止时所述数据以第一分辨率水平表征所述工作参数中的一个或多个工作参数，和当所述地下工具处于运动时所述数据以第二分辨率水平表征所述工作参数中的一个或多个工作参数，其中所述第一分辨率水平高于所述第二分辨率水平。

15.一种与进行地下操作的系统相结合使用的发射器，在该系统中钻柱从钻机延伸至地下工具，使得钻柱的延伸和/或旋转使地下工具在受到机械冲击以及振动的同时沿着地下路径移动，所述发射器包括：

加速计，用于感测所述地下工具在受到机械冲击及振动时在高分辨率范围和低分辨率范围中的每一个范围中的俯仰取向，以产生一系列俯仰读数；以及

处理器，其被构造为监测所述一系列俯仰读数，并且对此进行响应，选择高分辨率范围和低分辨率范围中的一个来表征俯仰取向，并且对从高分辨率范围和低分辨率范围中选出的范围中的一系列俯仰读数进行平均化以产生从所述发射器发射的平均俯仰读数。

16.根据权利要求15所述的发射器，其中，所述加速计布置为包括用于在所述高分辨率范围内产生一系列俯仰读数的高g力、低分辨率加速计，以及用于在低分辨率范围内产生一系列俯仰读数的低g力、高分辨率加速计。

17.根据权利要求15所述的发射器，其中，所述加速计布置为包括可程序化的加速计，用于提供响应于所述处理器的高分辨率范围和低分辨率范围。

18.根据权利要求15所述的发射器，其中，所述处理器被构造为基于g力阈值在高分辨率范围和低分辨率范围之间转换。

19.一种与执行地下操作的系统相结合使用的发射器，在该系统中，钻柱从钻机延伸到地下工具，使得钻柱的延伸和/或旋转使地下工具在受到机械冲击以及振动的同时沿着地下路径移动，所述发射器包括：

加速计，其用于感测所述地下工具的俯仰取向，以产生一系列俯仰读数；以及

处理器，其被构造为对所述一系列俯仰读数进行平均化，以产生从所述发射器发射的平均俯仰读数，并且用于持续性对所述一系列俯仰读数进行滤波，以减少响应于机械冲击和振动的平均俯仰读数的变化。

20.根据权利要求19所述的发射器，其中，所述处理器被构造为去除所述一系列俯仰读数中的表示俯仰取向的变化速率大于预定值的俯仰变化。

21.一种与作为进行地下操作的系统的一部分的接收器相结合使用的发射器，在该系统中，钻柱从钻机延伸到支撑发射器的地下工具，使得钻柱的延伸和回缩使地下工具在地下操作期间产生相应移动，所述发射器包括：

至少一个传感器，其用于感测与所述地下工具相关的一个或多个工作参数；以及

处理器，其被构造为以标准模式和替换模式发射与所述一个或多个工作参数相关的数据，所述替换模式表征所述工作参数中的至少一个特定工作参数所使用的比特数量比标准模式表征所述工作参数中的该一个特定工作参数所使用的比特数量少，以及所述替换模式以比标准模式低的分辨率来表示所述工作参数中的所述一个特定工作参数。

22.根据权利要求21所述的发射器，其中，所述工作参数中的所述一个特定工作参数是所述地下工具的滚动取向，并且所述发射器被构造为使用所述标准模式中的较高分辨率滚动数据包来发射所述数据，和使用所述替换模式中的较低分辨率滚动数据包来发射所述数据。

23.根据权利要求22所述的发射器，其中，所述标准模式表示20个滚动位置，而所述替换模式表示8个滚动位置。

24.根据权利要求21所述的发射器，其中，所述工作参数中的所述一个特定工作参数是具有幅度并且处于标准模式和替换模式中的至少一个模式的俯仰取向，响应于俯仰取向幅度的增大，俯仰取向分辨率在一个或多个步骤中降低。

25.根据权利要求21所述的发射器，其中，所述工作参数中的所述一个特定工作参数是发射器的滚动取向，并且所述发射器被构造为在所述标准模式中使用指定所述滚动取向的滚动取向数据包来发射所述数据，以及在所述替换模式中暂停所述滚动取向数据包的发射。

26.根据权利要求21所述的发射器，其中，所述工作参数中的所述一个特定工作参数是所述地下工具的俯仰取向，并且所述发射器被构造为在所述标准模式中使用高分辨率俯仰数据包发射所述数据，而在所述替换模式中使用包括低分辨率俯仰数据包的数据包协议发射数据信号。

27.根据权利要求21所述的发射器，进一步被构造为基于检测到的电磁干扰而转换到所述替换模式。

28.一种与作为进行地下操作的系统的一部分的接收器相结合使用的发射器，在该系统中，钻柱从钻机延伸至支撑所述发射器的地下工具，使得钻柱的延伸和回缩使所述地下工具在地下操作期间产生相应移动，所述发射器包括：

至少一个传感器，用于检测与所述地下工具相关的一个或多个工作参数；以及

处理器，被构造为使用多个数据包通信协议发射数据信号，所述多个数据包通信协议包括一个特定协议，该特定协议响应于检测到所述发射器处于静止状态而利用固定数据帧来表征所述一个或多个工作参数并且重复地发射所述固定数据帧。

29.根据权利要求28所述的发射器，被构造为包括所述固定数据帧中的发射器的滚动取向、俯仰取向、电池状态以及温度中的至少一个。

30.一种用来与进行地下操作的系统相结合使用的设备，在该系统中钻柱从钻机延伸到地下工具，使得钻柱的延伸和回缩使地下工具在地下操作期间产生相应移动，所述设备包括：

发射器，其被构造为设置在所述地下工具附近，用于感测与所述地下工具相关的多个工作参数，所述工作参数包括所述发射器的滚动取向，以及所述发射器用于响应于检测到所述地下工具旋转而发射包括指定所述滚动取向的滚动取向数据包的数据信号和响应于检测到所述地下工具不旋转而暂停发射所述滚动取向数据包；和

接收器，其定位在地表位置，用于接收所述数据信号和恢复所述工作参数。

31.一种用来与进行地下操作的系统相结合使用的设备，在该系统中钻柱从钻机延伸到地下工具，使得钻柱的延伸和回缩使地下工具在地下操作期间产生相应移动，所述设备包括：

发射器，其被构造为设置在所述地下工具附近，用于感测与所述地下工具相关的多个工作参数，所述工作参数包括所述发射器的俯仰取向，以及所述发射器用于响应于检测到所述地下工具处于运动而发射包括低分辨率俯仰数据包的数据信号和响应于检测到所述地下工具处于静止而发射高分辨率俯仰数据包；和

接收器，其定位在地表位置，用于接收所述数据信号和恢复所述工作参数。

32.一种用来与进行地下操作的系统相结合使用的设备，在该系统中钻柱从钻机延伸到地下工具，使得钻柱的延伸和回缩使地下工具在地下操作期间产生相应移动，所述设备包括：

发射器，其被构造为设置在所述地下工具附近，用于感测与所述地下工具相关的多个工作参数并且基于将一系列数据包从所述发射器转移的数据包协议而从所述地下工具发射数据信号，以表征一个或多个所述工作参数，使得每个数据包包括至少两个同步比特以用于解码每个数据包而同步比特同时用作一个数据比特来连同其他比特一起表征所述工作参数中的一个或多个；和

接收器，其定位在地表位置，用于接收所述数据信号和恢复所述工作参数。