与钻柱遥测一起使用的地面通信装置和方法.pdf

一种用于井下设备与地表面处的处理器子系统之间的双向通信系统，包括：有线钻杆段，该有线钻杆至少包括钻杆组成的钻柱的上面部分，并形成井下设备与钻杆组成的钻柱顶部之间的双向通信的至少一部分；钻柱的驱动柱部分，与最上面的有线钻杆机械连接；与所述驱动柱部分机械连接的驱动机构，用于旋转钻柱；安装在钻柱的驱动柱部分上的第一无线收发器子系统(185)，用于与钻柱联合旋转；电缆，电联接在最上面的有线钻杆的顶部接头与第一收发器子系统之间；和第二无线收发器子系统(110)，所述第二无线收发器子系统(110)与井口处理器子系统连接，该第二无线收发器子系统与第一无线收发器子系统双向通信。

1.   用于在钻地表孔的操作中使用的系统，使用：钻机；钻柱，所述钻柱具有通常为这样的上端，在所述上端可与钻机机械地连接并可从钻机悬挂；以及钻柱上的井下设备，该系统用于井下设备与地表面处的处理器子系统之间的双向通信，包括：
有线钻杆段，该有线钻杆段包括钻杆的钻柱的至少上部，并形成井下设备与钻杆的钻柱的顶部之间的双向通信链路的至少一部分；
钻柱的驱动柱部分，与最上面的有线钻杆机械地连接；
与所述驱动柱部分机械连接的驱动机构，用于旋转所述钻柱；
安装在钻柱的所述驱动柱部分上的第一无线收发器子系统，用于与钻柱接合在一起旋转；
电缆，电联接在所述最上面的有线钻杆的顶部接头与所述第一收发器子系统之间；和
第二无线收发器子系统，所述第二无线收发器子系统与井口处理器子系统连接，该第二无线收发器子系统与第一无线收发器子系统双向通信。

2.   根据权利要求1的系统，其中所述电缆包括多条线。

3.   根据权利要求2的系统，其中所述有线钻杆段在每一个杆的接头处具有电感耦合器，且其中所述电缆通过电感联接器电联接到所述最上面的有线钻杆的顶部接头。

4.   根据权利要求1的系统，其中所述第一收发器子系统包括第一天线子系统，而所述第二收发器子系统包括第二天线子系统。

5.   根据权利要求4的系统，其中所述第一天线子系统包括多个天线。

6.   根据权利要求4的系统，其中所述第二天线子系统包括多个天线。

7.   根据权利要求1的系统，其中钻柱的所述驱动柱部分包括方钻杆。

8.   根据权利要求7的系统，其中所述驱动机构包括具有方钻杆衬套的旋转工作台，该衬套与所述方钻杆接合。

9.   根据权利要求1的系统，其中钻柱的所述驱动柱部分包括顶部传动接头。

10.   根据权利要求9的系统，其中所述驱动机构包括与所述顶部传动接头接合的顶部驱动器。

11.   根据权利要求7的系统，其中钻柱的所述驱动柱部分还包括所述方钻杆与所述最上面的有线钻杆之间的保护接头。

12.   根据权利要求9的系统，其中钻柱的所述驱动柱部分还包括所述顶部传动接头与所述最上面的有线钻杆之间的保护接头。

13.   根据权利要求4的系统，其中所述第一天线子系统的天线和所述第一无线收发器子系统安装在钻柱的所述驱动柱部分上基本相同的位置处。

14.   根据权利要求4的系统，其中所述第一天线子系统的天线和所述第一无线收发器子系统的至少一部分安装在钻柱的所述驱动柱部分上各自不同的位置处。

15.   根据权利要求4的系统，其中所述第一天线子系统包括在钻柱的所述驱动柱部分上的不同方位处的多个天线。

16.   根据权利要求4的系统，其中所述第二天线子系统包括多个间隔开的天线。

17.   根据权利要求1的系统，还包括用于产生由所述第一收发器子系统使用的电力的发电机，所述发电机包括安装在钻柱的所述驱动柱部分上的旋转发电机构件和安装在钻机的固定部分上的固定发电机构件。

18.   根据权利要求17的系统，其中所述固定发电机构件包括磁体环。

19.   根据权利要求18的系统，其中所述旋转发电机构件包括至少一个定子线圈。

20.   根据权利要求19的系统，其中所述旋转发电机构件和固定发电机构件紧密靠近地设置以使得来自所述磁体环的磁通量与所述至少一个定子线圈交叉。

21.   根据权利要求17的系统，还包括由所述发电机充电的可充电电池，所述电池存储由所述第一收发器子系统使用的所述电力。

22.   根据权利要求20的系统，还包括由所述发电机充电的可充电电池，所述电池存储由所述第一收发器子系统使用的所述电力。

23.   根据权利要求21的系统，其中所述可充电电池安装成与所述第一收发器子系统相结合以便与钻柱接合在一起旋转。

24.   用于在钻地表孔的操作中使用的系统，在该操作中使用：钻机；钻杆的钻柱，所述钻柱具有通常为这样的上端，所述上端可与钻机机械地连接并可从所述钻机悬挂；钻柱的驱动柱部分，可与所述钻柱的最上面的钻杆机械地连接；以及可与所述钻柱机械地连接以便旋转所述驱动柱及钻柱的驱动机构；该系统用于在驱动柱区域中产生电力，包括：
发电机，所述发电机包括：安装在所述驱动柱上以便与其一起旋转的旋转发电机构件；和安装在钻机的固定部分上的固定发电机构件，所述旋转发电机构件在所述驱动柱区域中产生电力。

25.   根据权利要求24的系统，其中所述固定发电机构件包括磁体环。

26.   根据权利要求25的系统，其中所述旋转发电机构件包括至少一个定子线圈。

27.   根据权利要求26的系统，其中所述旋转发电机构件和固定发电机构件紧密靠近地设置以使得来自所述磁体环的磁通量与所述至少一个定子线圈交叉。

28.   根据权利要求24的系统，还包括由所述发电机充电并安装在所述驱动柱上的可充电电池。

29.   根据权利要求24的系统，还包括钻井遥测子系统，形成钻柱上的井下设备与井口处理器子系统之间的通信链路的至少一部分；且其中来自所述发电机的所述电力适于向所述通信链路提供电力。

30.   根据权利要求27的系统，还包括钻井遥测子系统，形成钻柱上的井下设备与井口处理器子系统之间的通信链路的至少一部分；且其中来自所述发电机的所述电力适于向所述通信链路提供电力。

31.   根据权利要求24的系统，还包括：
用于井下设备与地表面处的处理器子系统之间的双向通信的系统，包括：有线钻杆段，该有线钻杆段包括至少钻杆的钻柱的上部，并形成井下设备与钻杆的钻柱顶部之间的双向通信链路的至少一部分；安装在钻柱的所述驱动柱部分上的第一无线收发器子系统，用于与钻柱接合在一起旋转，所述第一无线收发器子系统与所述有线钻杆段联接；和第二无线收发器子系统，所述第二无线收发器子系统与所述进口处理器子系统联接，所述第二无线收发器子系统与所述第一无线收发器子系统双向通信；且
其中来自所述的发电机的所述电力适于由所述第一收发器子系统使用。

32.   一种用于在钻地表孔的操作中使用的方法，在该操作中使用：钻机；钻柱，所述钻柱具有通常为这样的上端，所述上端可与钻机机械地连接并从所述钻机可悬挂，以及钻柱上的井下设备，该方法用于井下设备与地表面处的处理器子系统之间进行双向通信，包括以下步骤：
提供钻柱遥测系统，该系统包括钻杆的钻柱的至少上部并形成井下设备与钻杆的钻柱的顶部之间的双向通信链路的至少一部分；
提供钻柱的驱动柱部分，该驱动柱部分可与最上面的钻杆机械地连接；
提供驱动机构，该驱动机构可与所述驱动柱部分机械地连接，用于旋转所述钻柱；
提供第一无线收发器子系统，该第一无线收发器子系统安装在钻柱的所述驱动柱部分上，用于与钻柱接合在一起旋转；
提供电缆，该电缆在所述最上面的钻杆的顶部接头处、电联接所述钻柱遥测系统和所述第一无线收发器子系统之间；以及
提供第二无线收发器子系统，该第二无线收发器子系统与所述井口处理器子系统联接，所述第二无线收发器子系统与所述第一无线收发器子系统双向通信。

33.   根据权利要求32的方法，还包括：在钻柱顶部周围提供传感器的步骤，所述传感器用于测量与钻井操作相关的参数，且来自所述传感器的信号与所述电缆联接。

34.   根据权利要求33的方法，其中所述提供所述传感器的步骤包括提供至少一个传感器，该至少一个传感器选自温度传感器、压力传感器、钻井液流速传感器、噪声传感器、振动传感器、扭矩传感器、加速度传感器和旋转传感器组成的组。

35.   根据权利要求32的方法，还包括加密信号的步骤，所述信号在所述第一无线收发器子系统和所述第二无线收发器子系统之间双向通信。

36.   根据权利要求32的方法，还包括压缩信号的步骤，所述信号在所述第一无线收发器子系统和所述第二无线收发器子系统之间双向通信。

37.   一种用于在钻地表孔的操作中使用的方法，在该操作中使用：钻机；钻杆的钻柱，所述钻柱具有通常为这样的上端，所述上端可与钻机机械地连接并可从所述钻机悬挂；钻柱的驱动柱部分，可与所述钻柱的最上面的钻杆机械地连接；和可与所述钻柱机械地连接以便旋转驱动柱及钻柱的驱动机构；该方法用于在驱动柱区域中产生电力，包括以下步骤：
提供具有第一构件的发电单元，该第一构件安装在所述驱动柱上以便与其一起运动；和
根据所述第一构件的运动在所述驱动柱的区域中产生电力。

38.   根据权利要求37的方法，其中所述产生电力的步骤包括根据所述第一构件的振动产生电力。

39.   据权利要求37的方法，还包括在钻机的固定部分上安装第二构件，且其中所述产生电力的步骤包括根据所述第一构件相对所述第二构件的相对运动产生电力。

40.   根据权利要求39的方法，其中所述相对运动包括所述第一构件相对于所述第二构件的旋转。

与钻柱遥测一起使用的地面通信装置和方法
技术领域
本发明涉及钻井和制造碳氢化合物井领域，且涉及井下地层特性的测量，且涉及用于井下与地面设备之间的测量和控制信息的双向通信的钻柱遥测，以及涉及用于钻柱遥测与地面处理器之间的双向通信的地面通信系统。
背景技术
钻探的同时进行测量(MWD)和钻探的同时进行记录(LWD)，以及特殊钻井方法(比如定向钻井)的开发已经在钻井和制造碳氢化合物井的技术领域取得了重要的进步。这些方法需要在地面与井下测量及钻井设备之间在两个方向上都进行通信。目前，钻井液脉冲遥测是在钻探的同时进行井下设备与地面之间的通信这个方面普遍商业使用的唯一技术。[除非另外地说明，全文中涉及到的“钻探的同时”等是表示钻柱处在钻孔中或部分地处在钻孔中，作为包括钻井、间停和/或起下钻(tripping)的整个钻井操作的一部分，而不必要求钻头正在旋转。]在钻井液脉冲遥测技术中，数据作为压力脉冲在钻井液中传输。不过，钻井液脉冲遥测技术具有公知的局限，包括相对较慢的通信、低的数据速率和小的可靠性。当前的钻井液脉冲技术能够以仅大约每秒12比特(bit)的速率发送MWD/LWD数据。在许多情况下，该速率不足以发送由LWD钻具组(tool string)收集的所有数据，或者限制了想要的钻具组的结构。此外，钻井液脉冲技术在扩大的延伸区域的钻井中不能良好地工作。为了控制工序比如定向钻孔和钻具运行而通过调节钻井液泵流速实现的从井口到井下的信号传递也很慢，且具有非常低的信息速率。此外，在特定的情况下，例如采用气体或泡沫钻井流体的欠平衡的钻井的情况下，当前的钻井液脉冲遥测技术不起作用。
近年来已经有各种尝试来开发钻井液脉冲遥测技术的可选技术，这些可选技术更快，具有更高的数据速率，并且不需要特殊类型的钻井流体的存在。例如，已经提出了声学遥测，其通过钻柱传送声波。数据速率估算为大约比钻井液脉冲遥测高一个数量级，但仍有限，且噪声是个问题。声波遥测还未实现商业化利用。另一个例子是穿过地表的电磁遥测。该技术被认为具有有限的范围，取决于钻孔周围的地层的性质尤其是电阻率，并也具有有限的数据速率。
长期以来提出在钻杆中设置用于传送信号的电线。一些早期的针对有线的钻柱的建议披露在：美国专利No.4126848，美国专利No.3957118和美国专利No.3807502，和出版物“Four Different Systems Used for MWD”，W.J.Mcdonald，The Oil and Gas Journal，115-124页，1978年4月3日。
还已经提出比如在管接头处使用电感耦合器的构思。以下披露了在钻柱中使用电感耦合器：美国专利No.4605268，俄罗斯联邦公布的1997年12月18日提交的专利申请2140527，俄罗斯联邦公布的1992年2月14日提交的专利申请2040691，和WO公开90/14497A2，以及参见：美国专利No.5052941，美国专利No.4806928，美国专利No.4901069，美国专利No.5531592，美国专利No.5278550，以及美国专利No.5971072。
美国专利6641434描述了一种有线钻杆接头，其在有线钻杆技术领域对于以高的数据速率在地面站与钻孔所处的位置之间双向地、可靠地传输测量数据有显著的进步。’434专利披露了一种低损耗的有线钻杆接头，其中导电层通过减少在每一个电感耦合器处的电阻损耗和通量损耗而减少了整个钻柱长度之上的信号能量损耗。有线钻杆接头是耐用的，因为它在导电层中存在间隙的情况下也保持可操作。钻柱遥测技术领域中的性能以及这些和其他进步提供了创新的机会，其中范围、速度以及数据速率方面的现有缺点在以前已经限制了系统的性能。
当使用有线钻杆系统时，在最上面的有线钻杆与地面处理器之间必须有通信链接(除其他以外，其通常执行一个或多个以下功能：接收和/或发送数据，记录信息，以及/或者控制去往和/或来自井下与地面设备的信息，执行计算和分析，并且与操作人员及与远程位置进行通信)。已经建议了各种方法，其中的一些总结在美国专利7040415中，包括使用滑动环装置，以及使用基于电磁感应或所谓变压器作用的旋转电耦合器。滑动环(也已知为电刷接触表面)是公知的设计成将电流或信号从固定电线传送到旋转装置的电连接器。典型地，它由支撑在非旋转构件中(例如，支撑在方钻杆接头的上面部分)的在旋转金属环的外径上摩擦的固定石墨或金属触点(电刷)构成。随着金属环旋转，电流或信号通过固定电刷传导至金属环，形成了连接。
已知为旋转变压器的基于感应(变压器作用)的旋转电耦合器，提供了对于基于旋转与固定电路之间的传导的滑动环和触点电刷的另一选择，所以直接接触已无必要。变压器绕组包括固定线圈和旋转线圈，两者都与旋转轴同心。任一个线圈都能用作初级绕组而另一个用作次级绕组。
这些类型的用于地面通信的方法伴随着复杂的电动机械结构的使用具有特定的局限和缺点，且在本发明目的中，其一是提供一种系统，用于信号在最上面的有线钻杆与地面处理器之间的双向通信，能够提高效率和可靠性。
本文阐述的钻孔和测量技术领域中的另一个方面涉及井位的安全，以及在可能被分类为危险地区的地点不使用电力运输线地向旋转装置提供动力的问题。现有技术具有特定的局限。例如，通过驱动钻井流体而提供动力的钻井液涡轮，其建造和维护都相对较复杂和昂贵。当钻井操作必须因为更换电池而中断时普通电池的使用可能会成问题。因此本发明的另一个目的是提供一种与旋转钻柱有关的安全、有效和可靠的电力源。
发明内容
已经认识到无线地面通信可能用于钻柱遥测系统和地面处理器(参见，例如，美国专利No.7040415)之间的通信。不过，其中该可能会有利地实现的方式迄今还没有实现。
本发明的一种形式针对用于钻地表孔的操作中，使用：钻机；钻柱，所述钻柱的上端可与钻机机械连接和并从所述钻机可悬挂；以及钻柱上的井下设备。提供一种用于井下设备与地表面处的处理器子系统之间的双向通信的系统，包括：有线钻杆段，该有线钻杆段包括至少钻杆组成的钻柱的上部分，并形成井下设备与钻杆的钻柱顶部之间的双向通信链路的至少一部分；钻柱的驱动柱部分，可与最上面的有线钻杆机械可连接；可与所述驱动柱部分机械可连接的驱动机构，用于旋转钻柱；安装在钻柱的驱动柱部分上的第一无线收发器子系统，用于与钻柱接合旋转；电缆，所述电缆电联接在最上面地有线钻杆的顶部接头与第一收发器子系统之间；和第二无线收发器子系统，所述第二无线收发器子系统与井口处理器子系统连接，该第二无线收发器子系统与第一无线收发器子系统双向通信。[如这里所用，钻柱的“驱动柱”部分包括连接在钻柱的最上面的钻杆之上的所有接头、方钻杆、顶部驱动器等。在描述的该实施例中，最上面的钻杆也是钻柱的最上面的有线钻杆。]
尽管在一些情况下，在本发明的优选实施例中可以使用单根线，但电缆包括多条线，比如线对。在这种实施例形式中，有线钻杆段在每一个杆的接头处都具有电感耦合器，且该电缆通过电感耦合器电联接到所述最上面的有线钻杆的顶部接头。此外，在本发明的一个优选实施例中，第一收发器子系统包括第一天线子系统，且第二收发器子系统包括第二天线子系统。每个天线子系统可以包括多个天线。天线可以相对驱动柱处于在不同的方位上。
在本发明的一个实施例中，钻柱的驱动柱部分包括方钻杆，且在该实施例的形式中，钻柱的驱动柱部分还包括方钻杆与最上面的有线钻杆之间的保护接头(saver sub)。在本发明的另一个实施例中，钻柱的驱动柱部分包括顶部传动接头，且驱动机构包括与顶部传动接头相接合的顶部驱动器。在该实施例的形式中，钻柱的驱动柱部分还包括顶部传动接头与所述最上面的有线钻杆之间的保护接头。
在本发明的实施例中，第一天线子系统的天线和第一无线收发器子系统安装在钻柱的驱动柱部分上基本上相同的位置处，而在另一实施例中，第一天线子系统的天线与至少部分所述第一无线收发器子系统安装在钻柱的驱动柱部分上各自不同的位置处。
根据本发明的另一形式中，提供用于产生由第一收发器子系统使用的电力的发电机，该发电机包括安装在钻柱的驱动柱部分上的旋转发电机构件和安装在钻机(drilling rig)的固定部分上的固定发电机构件。在本发明的这种形式的实施例中，固定发电机构件包括磁体环，而旋转发电机构件包括至少一个定子线圈。旋转发电机构件和固定发电机构件密切靠近地设置以使得来自磁体环的磁通量与该至少一个定子线圈交叉。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其他特征和优点将变得更加容易理解。
附图说明
图1是其中能够使用本发明实施例的系统的视图，部分地以示意图形式且部分地以方块图形式表示。
图2是用于地面通信接头与地面计算机之间地双向无线通信的现有配置的视图，部分地以方块图表示。
图3是根据本发明一个实施例的双向地面通信子系统的横截面示意图，部分地以方块图表示。
图4是根据本发明另一个实施例的双向地面通信子系统的横截面示意图，部分地以方块图表示。
图5是根据本发明另一个实施例的双向地面通信子系统的横截面示意图，部分地以方块图表示。
图6是根据本发明另一个实施例的双向地面通信子系统的横截面示意图，部分地以方块图表示。
图7是根据本发明的一个实施例的电力发电子系统的视图。
图8是根据本发明的图7所示的电力发电子系统的分解图。
图9是根据本发明实施例的图7和8所示的电力发电子系统的示意图，部分地以方块图表示。
具体实施方式
图1表示可以采用本发明的井位系统。井位可以在陆上或者海上。在该示例系统中，钻孔11通过以公知方式旋转钻井而形成在地下的地层中。钻井可以为已知的可选地为基于钻井液电动机的定向钻井。
钻柱12悬挂在钻孔11以内并具有井下组件100，该井下组件100包括在其下端的钻头105。地面系统包括位于井下11之上的平台和钻塔组件10，该组件10包括旋转工作台16，方钻杆17，吊钩18和旋转接头19。钻柱12通过由未示出的装置供给能量的旋转工作台16驱动旋转，该旋转工作台与钻柱上端处的方钻杆17相接合。通过方钻杆17和允许钻柱相对吊钩旋转的旋转接头19，钻柱12悬挂在连接到游动滑车(也没有示出)上的吊钩18上。如公知的那样，可选地可使用顶部驱动系统。
在本实施例的示例中，地面系统还包括存储在形成于井位处的凹坑27中的钻井流体或钻井液26。泵29将钻井流体26经由旋转接头19的端口输送到钻柱12的内部，使得钻井流体向下流过钻柱12，如方向箭头8所示。钻井流体经由钻头105中的端口流出钻柱12，然后经过钻柱外部与钻孔壁之间的环形状区域循环向上，如方向箭头9所示。在该公知方式中，钻井流体润滑钻头15并在它返回到凹坑27以便再循环时将地层的岩屑运送到地面。
如本技术领域公知的那样，传感器可设置在井位周围以收集有关井位操作以及井位状况的数据，优选地实时收集。例如，这种地面传感器可以设置来测量参数比如立管压力、吊钩载荷、深度、地面扭矩、转速以及其他。
所示实施例的井下组件100包括接口接头110，钻探的同时进行记录(LWD)模块120，钻探的同时进行测量(MWD)模块130，用于定向钻井的旋转式导向系统和电动机150，以及钻头105。
LWD模块120容纳在特殊类型的钻铤(drill collar)中，如本领域所公知的那样，并可以包含一个或多个已知类型的记录工具。(还参见上述公开的美国专利申请序列号______[文件号19.DST])，与本申请恰好同一日期提交并属于与本申请相同的受让人。)LWD模块包括用于测量、处理和存储信息的能力，以及用于与地面设备通信的能力。LWD模块可包括例如一个或多个以下类型的测量地层性质的记录装置：电阻率测量装置，定向电阻率测量装置，声波测量装置，核测量装置，核磁共振测量装置，压力测量装置，地震测量装置，成像装置，以及地层采样装置。
MWD模块130也容纳在特殊类型的钻铤中，如本领域所公知的那样，并可以包含一个或多个用于测量钻柱和钻头的性质的装置。MWD工具还可以包括用于给井下系统发电的装置。这通常可以包括由钻井流体流提供动力的钻井液涡轮发电机，尽管也可以采用其他的动力和/或电池系统。MWD模块可包括例如一个或多个以下类型的测量装置：钻上重量测量装置，扭矩测量装置，振动测量装置，冲击测量装置，粘滑测量装置，方向测量装置，以及倾度测量装置。
在图1的系统中，采用了钻柱遥测系统，在所示的实施例中，该系统包括从地面接头185延伸到井下组件中的接口接头110的电感耦合有线钻杆180的系统。根据包括钻柱长度的因素，中继接头或转发器可以每隔一段距离地设置在有线钻杆的柱中，一个例子表示在182。其也可以设有传感器的中继接头在上述参考的共同待审的美国专利申请序列号______(文件19.0410/11)有进一步的说明，该申请与本申请恰好在同一日期提交，并属于与本申请相同的受让人。
接口接头110提供LWD和MWD模块与钻柱遥测系统之间的通信电路的接口，在该实施例中，该钻柱遥测系统包括具有电感耦合器的有线钻杆。接口接头110，其也可以设有传感器，在上述参考的共同审理中的美国专利申请序列号______(文件19.0410/11)有进一步的说明。
在有线钻柱的顶部，可设置另一个接口接头185，并在这种情况下用作地面接头。如上所述，例如，在美国专利7040415中，有线钻杆可以与电子子系统联接，该电子子系统随着方钻杆17一起旋转并包括与记录和控制单元4的天线和收发器双向通信的收发器和天线，该记录和控制单元在本实施例中实施井口处理器子系统。在关于此的实施例中，接口接头185可包括有线保护接头(后面将要说明)，且收发器30的电子装置安装在方钻杆上或钻柱的其他部分上，如将要说明的那样。在图1中，通信链路175示意性地表示在电子装置子系统30与记录和控制单元4的天线之间。因此，图1的配置提供了从记录和控制单元4通过通信链路175至地面接头185，通过有线钻杆遥测系统至井下接口110以及井下组件的构件(同样其反向)用于双向操作的通信链路。
如参考的共同待审美国申请序列号______(文件19.0410/11)，虽然在一个井位只显示了一个记录和控制单元4，但也可以横跨一个或多个井位设置一个或多个地面单元。这些地面单元可以用有线或无线链路经由一个或多个通信线路链接到一个或多个地面接口。地面接口与地面系统之间的通信拓扑可以是点到点，点到多点或多点到点。有线连接包括使用任何类型的电缆(使用任何类型的协议(串行的，以太网，等)的电线)和光纤。无线技术可以是任何种类的标准无线通信技术，比如IEEE 802.11规范，Bluetooth，zigbee或者任何非标准的RF或者使用任何种类的调制方案的光通信技术，比如FM，AM，PM，FSK，QAM，DMT，OFDM，等与任何种类的数据复用技术比如TDMA，FDMA，CDMA，等相结合。
图2显示一种类型的能够用于图1的电子装置30的无线收发器子系统电子装置。也可以参考美国专利7040415。来自/去往最上面的有线钻杆的顶部接头的电感耦合器的信号与WDP调制解调器联接。WDP调制解调器221反过来与无线调制解调器231联接。还设置电池250和电源255以供给调制解调器电力。其他可能更优选的发电装置在下文说明。记录和控制单元也有例如具有无线调制解调器的收发器。
WDP地面调制解调器适用于与井下组件中的一个或多个调制解调器，转发器或其他接口经由有线钻杆遥测系统通信。优选地，调制解调器提供双向通信。调制解调器与位于井下工具中的另一个调制解调器或转发器或其他接头通信。任何种类的数字和模拟调制方案都可以使用，比如双相，频移键控(FSK)，正交相移键控(QPSK)，正交幅度调制(QAM)，离散多频声(DMT)，等。这些方案可以与任何种类的数据复用技术比如时分复用(TDM)，频分复用(FDM)，等结合使用。调制解调器可以包括用于钻杆诊断法和井下工具诊断法的功能。
尽管表示了单个的地面处理器，但可以理解的是可以在多个位置以记录/控制单元形式设置复数个地面处理器，以有线和/或无线收发器连接，其还可以进一步理解成能够利用本文提到的任何通信模式，并且也可以利用数据的压缩和/或加密。每一个单元都可以具有其自己的天线和/或共用的天线。天线可以设置在最适宜的位置和最适宜的定向以使信号强度和质量最优化。还可以实现去向/来自遥远位置的通信，包括经由卫星的通信。
图3表示本发明的一个实施例，其中特定的保护接头340设置在方钻杆350与最上面的有线钻杆181之间。保护接头340在其与最上面的有线钻杆的电感耦合器189电联接的下端处具有电感耦合器341。连接到电感耦合器341的电缆315穿过密封端口引出保护接头340，并在方钻杆350的外表上延伸到收发器子系统330，该收发器子系统包括天线335。在保护接头340上的电缆的引出位置，可以设置连接器346。沿着方钻杆350的外部延伸的电缆可以密封在方钻杆中的槽中，且例如由环氧或PEEK材料保护。可在收发器子系统电子装置处设置另一个连接器。电缆315设有至少一个线对。
在图4的实施例中，保护接头440和方钻杆450具有内电缆，且驱动柱包括在方钻杆450上面的特定的顶部接头470，在该顶部接头上安装了无线收发器子系统430。在该实施例的形式中，保护接头440和方钻杆450每一个都在两端处具有电感耦合器，其中电缆(再一次，而且自始至终，优选地包括至少一个线对)，以441和451表示，在每一个的两端部之间延伸。可以理解的是可选地在接头处使用其他类型的联接器。安装在方钻杆450上面的特定的顶部接头470随着钻柱旋转。在该例中，顶部接头470在其下端处具有电感耦合器，和与无线收发器子系统430联接的内电缆470。
在图3和4的实施例中，无线收发器子系统电子装置以及相关联的天线，在钻柱的驱动柱部分上的一个通常的位置上，但也可以理解为具有邻接的或分离的天线的部分和所有的电子装置可以在多个位置处。例如，在图5的实施例中，特定的地面接头590在其下端具有电感耦合器，其中以591表示的内部布线延伸到电子装置530。在该例中，无线收发器子系统电子装置530，或至少其一部分，安装在特定的地面接头590的内部。接头中的电子装置的内部封装的例子表示在上述参考的美国专利申请号(文件19.0410/11)中，与本申请恰好在同一日期提交，并属于与本申请相同的受让人。在本实施例中，天线535(以及，如果想要的话，一部分相关联的电子装置)安装在方钻杆550上并与剩余的电子装置530经由电缆531联接，该电缆，在本实施例中，在密封端口或连接器处引出特定的接头590，并能以如上所述的相同方式容纳在方钻杆中的槽中。如果想要的话，电子装置530与天线/电子装置535之间的双向链路可传送数字化信号。在该实施例中，可以理解的是接头590和一部分方钻杆550至少一部分时间可以在钻井液平面以下，但天线/电子装置535将在钻井液平面以上。图5表示随方钻杆旋转的多个天线，可以理解的是旋转的驱动柱上的方位冗余天线会使无线链路的哑点或薄弱点最小化。同样的也可应用到其他实施例中。此外，无线收发器子系统的多个天线可能是有利的。
图6表示与顶部驱动器605结合使用的本发明的一个实施例。在图6的例子中，与最上面的有线钻杆181联接的保护接头440，在两个端部处具有通过电缆441连接的电感耦合器，如图4和5的实施例中那样。顶部传动接头690设置在顶部驱动器605和保护接头440之间，且该实施例的无线收发器子系统630安装在顶部传动接头690上。此外在该实施例中，顶部传动接头在其下端处具有电感耦合器，和从电感耦合器延伸到子系统630的内电缆691。不过，可以理解的是可以使用外电缆，如图3的实施例中的那样，或者可以分离电子装置和/或天线，如图5的实施例中的那样。
图7-9表示本发明的实施方式，其中在井位的旋转构件上设置了安全和可靠的电源，其可用于例如给无线收发器子系统30供电和/或其他应用。在该实施例中，磁体环710操作用作固定发电机构件并安装在以705表示的钻机的固定部分上，例如邻近方钻杆或顶部驱动器的安装件上。地面接头720(其可以是例如图3-6的一个地面接头)包括定子725(图8和9)，整流器726，充电电路727，和可充电电池728(图9)，其特别用于给第一收发器子系统30供电。定子725具有一个或多个定子线圈，并与磁体环成环形对准，且与其紧密靠近以使得定子725随着钻柱的驱动柱部分旋转时来自磁体环的通量与一个或多个定子交叉。磁体环，在该实施例中，包括以交替极性布置的磁体。来自定子的交流电由整流器726整流，其输出直流电，直流电输入到充电电路727，充电电路727的输出接着给可充电电池728充电。在本实施例中，电池给第一无线收发器子系统30供电，并也可以给例如测量和/或通信的其他电路供电。此外，可以理解的是发电机的输出和/或整流器可以，如果想要的话，用来直接给设备的电路和子系统供电。
已经关于多个特定优选实施例说明了本发明，但本发明的主旨和范围内的变更对于本领域技术人员是可以想到的。例如，尽管图3-6显示了耦合器的各种组合，内部和外部电缆，电子装置部分的内部和/或外部安装，保护接头和/或特定的地面接头的使用等的组合，但可以理解的是其他的组合也是可能的，在由权利要求限定的范围内是可以预料的。同样，尽管有线钻杆子系统是钻柱遥测系统的一个优选实施例，但是可以认识到，也可以使用的例子是声学钻柱遥测技术的其他钻柱遥测技术形式，在这种情况下传感器子系统可以设置在钻柱遥测子系统的顶部以转换成电信号或由电信号转换。此外，可以理解的是利用了钻柱的运动(包括旋转或振动)的其他技术，可以用来在钻柱的区域内发电。