钻柱适配器以及地埋信号耦合方法.pdf

当钻柱从钻机延伸时，耦合适配器能够插入到所述钻柱的至少一个接头处。耦合适配器包括如下的设备：用于接收由地埋工具生成的数据信号并且将所述数据信号电磁耦合到从所述适配器延伸到钻机处的所述钻柱的至少一部分上，使得至少一些钻管段相协作而用作将数据信号运载到钻机的电导体。在另一特征中，弹性地支撑变流器以将变流器与利用钻柱执行的地埋操作所造成的机械冲击和振动隔离。在另一特征中，描述了钻柱中继器。

1.  在使地埋工具移动穿入执行地埋操作的区域中的地面的系统中，所述系统包括钻机和钻柱，所述钻柱在所述地埋工具和所述钻机之间延伸并且被构造为从所述钻机延伸和缩回，所述钻柱由多个导电钻管段构成，每个导电钻管段均包括段长度而且各导电钻管段被构造为一个接头与所述地埋工具可移除地附接并且在形成于所述钻管段中的相邻钻管段之间的其它接头处可拆除地彼此附接在一起，以使所述钻柱包括多个接头以帮助所述钻柱一次延伸和缩回一个段长度，一种装置包括：
耦合适配器，其具有适配器主体，当所述钻柱延伸时，所述适配器主体能够可移除地插入到所述接头之一中从而随后形成所述钻柱的一部分，并且所述耦合适配器包括：
一种设备，其用于接收由所述地埋工具生成的数据信号且将所述数据信号作为电信号电磁耦合到从所述耦合适配器延伸到所述钻机的所述钻柱的至少一部分上，以使形成所述钻柱的所述部分的所述钻管段中的至少一些相协作而用作将所述数据信号运载到所述钻机上的电导体。

2.  如权利要求1所述的装置，其中，每个钻管段均包括位于一端处的箱配件和位于相对端处的销配件，并且所述耦合适配器包括位于一端处的所述箱配件和位于相对端处的所述销配件。

3.  如权利要求1所述的装置，其中，所述耦合适配器包括变流器，所述变流器与所述地埋工具电连通以接收所述数据信号并且将所述数据信号至少电磁耦合到所述钻柱的所述部分，并且所述耦合适配器还包括适配器主体组件，所述适配器主体组件具有限定环形凹部的外表面构造，所述环形凹部用于在内部接纳所述变流器。

4.  如权利要求3所述的装置，其中，所述变流器包括环形芯。

5.  如权利要求4所述的装置，其中，所述环形芯为拼合式芯。

6.  如权利要求4所述的装置，其中，所述环形芯为带绕芯。

7.  如权利要求3所述的装置，其中，所述适配器主体组件包括主体，所述主体被构造为与延伸主体可移除地接合，以使所述主体限定有用于在内部接纳所述变流器的所述环形凹部，并且所述主体在安装位置处进一步接纳非磁环以覆盖所述环形凹部，使得所述非磁环被捕获在所述主体和所述延伸主体之间，所述延伸主体接合在所述主体上。

8.  如权利要求7所述的装置，其中，所述非磁环包括筒状形状。

9.  如权利要求7所述的装置，其中，所述非磁环为陶瓷环。

10.  如权利要求9所述的装置，其中，所述陶瓷环为相变增韧氧化锆陶瓷。

11.  如权利要求7所述的装置，还包括：
支撑设备，其将所述变流器弹性地支撑在所述主体上，以使所述变流器至少在一定程度上与所述壳体响应于所述地埋操作而经受的机械冲击和振动环境隔离。

12.  如权利要求1所述的装置，其中，所述耦合适配器至少包括：第一高压电连接组件，其用于第一电导体，借助所述第一电导体从所述地埋工具接收所述数据信号；以及变流器，其用于将来自所述第一电导体的所述数据信号电磁耦合到所述钻柱的所述部分。

13.  如权利要求12所述的装置，其中，每个钻管段均限定有贯 通通道以提供通过所述钻柱的钻井流体流，并且所述适配器主体包括具有侧壁厚度的侧壁，并且所述侧壁限定：（i）内部通道，其在所述钻柱中的所述耦合适配器的任意安装位置，提供穿过所述耦合适配器的所述钻井流体流，（ii）阶形孔，其限定为贯通所述侧壁厚度以接纳所述第一高压电连接组件，并且形成压力密封来防止在所述第一高压电连接组件被所述第一电导体接纳的情况下所述钻井流体在来自所述内部通道的压力下从所述内部通道经由所述阶形孔穿过，以及（iii）侧壁通道，其从所述变流器延伸到所述适配器主体的所述侧壁厚度内的所述阶形孔以容纳从所述变流器到所述第一高压电连接组件的第一电连接部。

14.  如权利要求13所述的装置，其中，所述变流器包括第一变流器电引线，所述第一变流器电引线被接纳在所述侧壁通道中并且延伸到所述第一高压电连接组件，并且所述第一高压电连接组件将所述第一变流器电引线与所述第一电导体电连接。

15.  如权利要求12所述的装置，其中，所述耦合适配器包括线圈，所述线圈用作所述变流器的一部分并且具有与所述第一电导体电连通的绕组。

16.  如权利要求15所述的装置，其中，所述适配器主体是导电的，并且在所述第一电导体和第二电导体上能获得来自所述地埋工具的所述数据信号，并且所述变流器包括第一变流器引线和第二变流器引线，所述第一变流器引线与所述第一电导体电连接，并且所述第二电导体和所述第二变流器引线均与所述适配器主体电连接。

17.  如权利要求15所述的装置，其中，在所述第一电导体和第二电导体上能获得来自所述地埋工具的所述数据信号，并且所述变流器包括与所述第一电导体电连接的第一变流器引线和与所述第二电导体电连接的第二变流器引线，并且所述第一变流器引线和所述 第二变流器引线与所述适配器主体电隔离。

18.  如权利要求1所述的装置，其中，所述地埋工具包括限定壳体腔室的壳体，并且所述装置包括电子器件封装件，所述电子器件封装件被接纳在所述壳体腔室中并且与所述设备电连接以生成所述数据信号。

19.  在使地埋工具移动穿入区域中的地面的系统中，所述系统包括钻机和钻柱，所述钻柱在所述地埋工具和所述钻机之间延伸并且被构造为从所述钻机延伸和缩回，所述钻柱由多个导电钻管段构成，每个导电钻管段均包括段长度而且各导电钻管段被构造为一个接头与所述地埋工具可移除地附接并且在形成于所述钻管段中的相邻钻管段之间的其它接头处可拆除地彼此附接在一起，以使所述钻柱包括多个接头以帮助所述钻柱一次延伸和缩回一个段长度，一种方法包括：
当所述钻柱延伸时，将具有适配器主体的耦合适配器可移除地插入到所述接头之一中从而随后形成所述钻柱的一部分，使得所述耦合适配器接收由所述地埋工具生成的数据信号且将所述数据信号作为电信号电磁耦合到至少一些钻管段上，这些钻管段形成从所述耦合适配器延伸到所述钻机处的所述钻柱的一部分且相协作而用作将所述数据信号运载到所述钻机的电导体。

20.  如权利要求19所述的方法，其中，每个钻管段均包括位于一端处的箱配件和位于相对端处的销配件，并且所述方法包括将所述耦合适配器构造为包括位于一端处的所述箱配件和位于相对端处的所述销配件。

21.  如权利要求19所述的方法，包括：将所述耦合适配器构造为至少具有用于第一电导体的第一高压电连接组件，并且布置变流器以将来自所述第一电导体的所述数据信号电磁耦合到所述钻柱的 所述部分上，利用所述第一电导体从所述地埋工具接收所述数据信号。

22.  如权利要求21所述的方法，其中，每个钻管段均限定有贯通通道以提供通过所述钻柱的钻井流体流，并且所述方法包括将所述适配器主体构造为包括具有侧壁厚度的侧壁，使得所述侧壁限定：（i）内部通道，其在所述钻柱中的所述耦合适配器的任意安装位置，提供穿过所述耦合适配器的所述钻井流体流，（ii）阶形孔，其限定为贯通所述侧壁厚度以接纳所述第一高压电连接组件，并且形成压力密封来防止在所述第一高压电连接组件被所述第一电导体接纳的情况下所述钻井流体在来自所述内部通道的压力下从所述内部通道经由所述阶形孔穿过，以及（iii）侧壁通道，其从所述变流器延伸到所述适配器主体的所述侧壁厚度内的所述阶形孔以容纳从所述变流器到所述第一高压电连接组件的第一电连接部。

23.  如权利要求22所述的方法，其中，所述变流器包括第一变流器电引线，并且所述方法包括：将所述第一变流器电引线安装在所述侧壁通道中以延伸到所述第一高压电连接组件，使得所述第一高压电连接组件将所述第一变流器电引线与所述第一电导体电连接。

24.  如权利要求21所述的方法，包括：在所述耦合适配器中构造用作所述变流器的具有绕组的线圈；以及连接所述绕组以与所述第一电导体电连通。

25.  如权利要求24所述的方法，其中，在所述第一电导体和第二电导体上能获得来自所述地埋工具的所述数据信号，所述变流器包括第一变流器引线和第二变流器引线，并且所述方法包括：用导电材料形成所述适配器主体，将所述第一变流器引线与所述第一电导体电连接，以及将所述第二电导体和所述第二变流器引线中的每 一个与所述适配器主体电连接。

26.  如权利要求24所述的方法，其中，在所述第一电导体和第二电导体上能获得来自所述地埋工具的所述数据信号，所述变流器包括第一变流器引线和第二变流器引线，并且所述方法包括：将所述第一变流器引线与所述第一电导体电连接，将所述第二变流器引线与所述第二电导体电连接，以及保持所述第一变流器引线和所述第二变流器引线与所述适配器主体电隔离。

27.  在使地埋工具移动穿入执行地埋操作的区域中的地面的系统中，所述系统包括钻机和钻柱，所述钻柱在所述地埋工具和所述钻机之间延伸并且被构造为从所述钻机延伸和缩回，所述钻柱由多个导电钻管段构成，每个导电钻管段均包括段长度而且各导电钻管段被构造为一个接头与所述地埋工具可移除地附接并且在形成于所述钻管段中的相邻钻管段之间的其它接头处可拆除地彼此附接在一起，以使所述钻柱包括多个接头以帮助所述钻柱一次延伸和缩回一个段长度，并且所述地埋工具包括电子器件封装件，所述电子器件封装件用于与所述地埋工具的操作有关的数据信号的生成和接收中的至少之一，一种装置包括：
耦合适配器，其具有适配器主体，当所述钻柱延伸时，所述适配器主体能够可移除地插入到所述接头之一中从而随后形成所述钻柱的一部分，并且所述耦合适配器包括：
信号耦合设备，其通过使所述数据信号电磁耦合在所述耦合适配器和所述钻柱之间而至少部分地在所述地埋工具和所述钻机之间传输所述数据信号，使得所述数据信号作为电信号沿着从所述耦合适配器延伸的所述钻柱的至少一部分电传导，所述导电钻管段中的至少一些形成所述钻柱的所述部分并且相协作而用作运载所述数据信号的电导体。

28.  如权利要求27所述的装置，其中，所述耦合适配器包括变 流器，所述变流器与所述地埋工具电连通以接收所述数据信号并且将所述数据信号至少电磁耦合到所述钻柱的所述部分，并且所述耦合适配器还包括适配器主体组件，所述适配器主体组件具有限定环形凹部的外表面构造，所述环形凹部用于在内部接纳所述变流器。

29.  在使地埋工具移动穿入执行地埋操作的区域中的地面的系统中，所述系统包括钻机和钻柱，所述钻柱在所述地埋工具和所述钻机之间延伸并且被构造为从所述钻机延伸和缩回，所述钻柱由多个导电钻管段构成，每个导电钻管段均包括段长度而且各导电钻管段被构造为一个接头与所述地埋工具可移除地附接并且在形成于所述钻管段中的相邻钻管段之间的其它接头处可拆除地彼此附接在一起，以使所述钻柱包括多个接头以帮助所述钻柱一次延伸和缩回一个段长度，并且所述地埋工具包括电子器件封装件，所述电子器件封装件用于与所述地埋工具的操作有关的数据信号的生成和接收中的至少之一，一种方法包括：
将耦合适配器构造为包括适配器主体，当所述钻柱延伸时，所述适配器主体能够可移除地插入到所述接头之一中从而随后形成所述钻柱的一部分；以及
通过使所述数据信号电磁耦合在所述耦合适配器和所述钻柱之间而至少部分地在所述地埋工具和所述钻机之间传输所述数据信号，使得所述数据信号作为电信号沿着在所述耦合适配器和所述钻机之间延伸的所述钻柱的至少一部分电传导，所述导电钻管段中的至少一些形成所述钻柱的所述部分并且相协作而用作将所述数据信号运载至所述钻机的电导体。

30.  在使地埋工具移动穿入区域中的地面的系统中，所述系统包括钻机和钻柱，所述钻柱在所述地埋工具和所述钻机之间延伸并且被构造为从所述钻机延伸和缩回，所述钻柱由多个导电钻管段构成，每个导电钻管段均包括段长度而且各导电钻管段被构造为一个接头与所述地埋工具可移除地附接并且在形成于所述钻管段中的相邻钻 管段之间的其它接头处可拆除地彼此附接在一起，以使所述钻柱包括多个接头以帮助所述钻柱一次延伸和缩回一个段长度，一种装置包括：
地埋变流器，其用于在一对电导体上接收由所述地埋工具生成的数据信号并且用于将所述数据信号作为电信号电磁耦合到从所述地埋工具延伸到所述钻机的所述钻柱的至少一部分上，以使形成所述钻柱的所述部分的所述钻管段中的至少一些相协作而用作将所述数据信号至少部分地运载到所述钻机的电导体，所述变流器和所述一对电导体与所述钻柱电隔离。

31.  如权利要求30所述的装置，其中，在第一电导体和第二电导体上能获得来自所述地埋工具的所述数据信号，并且所述变流器包括与所述第一电导体电连接的第一变流器引线和与所述第二电导体电连接的第二变流器引线，所述第一变流器引线和所述第二变流器引线与所述钻柱电隔离。

32.  在使地埋工具移动穿入区域中的地面的系统中，所述系统包括钻机和钻柱，所述钻柱在所述地埋工具和所述钻机之间延伸并且被构造为从所述钻机延伸和缩回，所述钻柱由多个导电钻管段构成，每个导电钻管段均包括段长度而且各导电钻管段被构造为一个接头与所述地埋工具可移除地附接并且在形成于所述钻管段中的相邻钻管段之间的其它接头处可拆除地彼此附接在一起，以使所述钻柱包括多个接头以帮助所述钻柱一次延伸和缩回一个段长度，一种方法包括：
在一对电导体上接收由地埋工具生成的数据信号；
利用变流器将所述数据信号作为电信号电磁耦合到从所述地埋工具延伸到所述钻机处的所述钻柱的至少一部分上，以使形成所述钻柱的所述部分的所述钻管段中的至少一些相协作而用作将所述数据信号运载到所述钻机的电导体；以及
保持所述变流器和所述一对电导体与所述钻柱电隔离。

33.  在使地埋工具在地埋操作过程中移动穿入区域中的地面的系统中，所述系统包括钻机和钻柱，所述钻柱在所述地埋工具和所述钻机之间延伸并且被构造为从所述钻机延伸和缩回，所述钻柱由多个导电钻管段构成，每个导电钻管段均包括段长度而且各导电钻管段被构造为一个接头与所述地埋工具可移除地附接并且在形成于所述钻管段中的相邻钻管段之间的其它接头处可拆除地彼此附接在一起，以使所述钻柱包括多个接头以帮助所述钻柱一次延伸和缩回一个段长度，一种装置包括：
电子器件封装件，其被构造为用于地埋操作；
变流器，其被构造为通过利用所述钻柱作为电导体而与所述钻柱感应耦合通信，从而作为所述钻柱上提供所述电子器件封装件与所述钻机之间的通信的部件；
壳体，其具有壳体主体，当所述钻柱延伸时，所述适配器主体能够可移除地插入到所述接头之一中从而随后形成所述钻柱的一部分，并且所述壳体被构造为至少用于接纳所述变流器，所述变流器与所述钻柱感应耦合；以及
支撑设备，其将所述变流器弹性地支撑在所述壳体主体上，使得所述变流器至少在一定程度上与所述壳体响应于所述地埋操作而经受的机械冲击和振动环境隔离。

34.  如权利要求33所述的装置，其中，所述变流器与所述电子器件封装件电连通。

35.  如权利要求33所述的装置，其中，所述变流器包括环形构造，并且所述壳体主体限定用于接纳所述变流器的环形凹部，并且所述变流器被所述支撑设备支撑在所述环形凹部中。

36.  如权利要求35所述的装置，其中，所述支撑设备包括将所述变流器支撑在所述环形凹部中的弹性泡沫。

37.  如权利要求36所述的装置，其中，所述支撑设备包括由能被接纳在所述环形凹部中以支撑所述变流器的所述弹性泡沫形成的一个或多个环形部件。

38.  如权利要求35所述的装置，其中，所述支撑设备包括分布成围绕所述变流器的周边构造以用于将所述变流器支撑在所述环形凹部中的多个弹性间隔件。

39.  如权利要求38所述的装置，其中，所述支撑设备包括弹性铸封复合物，所述弹性铸封复合物被接纳在所述环形凹部中且位于所述弹性间隔件之间以将所述变流器进一步支撑在所述环形凹部中，从而将所述变流器与所述机械冲击和振动环境隔离。

40.  如权利要求35所述的装置，其中，所述支撑设备包括弹性铸封复合物，所述弹性铸封复合物围绕所述环形凹部中的所述变流器以将所述变流器与所述机械冲击和振动环境隔离。

41.  在使地埋工具在地埋操作过程中移动穿过区域中的地面的系统中，所述系统包括钻机和钻柱，所述钻柱在所述地埋工具和所述钻机之间延伸并且被构造为从所述钻机延伸和缩回，所述钻柱由多个导电钻管段构成，每个导电钻管段均包括段长度而且各导电钻管段被构造为一个接头与所述地埋工具可移除地附接并且在形成于所述钻管段中的相邻钻管段之间的其它接头处可拆除地彼此附接在一起，以使所述钻柱包括多个接头以帮助所述钻柱一次延伸和缩回一个段长度，一种方法包括：
提供被构造为用于地埋操作的电子器件封装件；
将变流器构造为通过利用所述钻柱的至少一部分作为电导体而与所述钻柱感应耦合通信，从而至少作为所述钻柱上提供所述电子器件封装件与所述钻机之间的通信的部件；
布置具有壳体主体的壳体并且将所述壳体构造为至少用于接纳所述变流器，当所述钻柱延伸时，所述适配器主体可移除地插入到所述接头之一中从而随后形成所述钻柱的一部分，所述变流器与所述钻柱感应耦合；以及
将所述变流器弹性地支撑在所述壳体主体上，以用于与所述钻柱感应耦合，使得所述变流器至少在一定程度上与所述壳体响应于所述地埋操作而经受的机械冲击和振动环境隔离。

42.  一种在使地埋工具移动穿入执行地埋操作的区域中的地面的系统中所使用的中继器，所述系统包括钻机和钻柱，所述钻柱在所述地埋工具和所述钻机之间延伸并且被构造为从所述钻机延伸和缩回，所述钻柱由多个导电钻管段构成，每个导电钻管段均包括段长度而且各导电钻管段被构造为一个接头与所述地埋工具可移除地附接并且在形成于所述钻管段中的相邻钻管段之间的其它接头处可拆除地彼此附接在一起，以使所述钻柱包括多个接头以帮助所述钻柱一次延伸和缩回一个段长度，所述中继器包括：
耦合适配器，其具有适配器主体，当所述钻柱延伸时，所述适配器主体可移除地插入到任选一个接头处从而随后形成所述钻柱的一部分，并且所述耦合适配器包括信号耦合设备，所述信号耦合设备用于在所述耦合适配器和所述钻柱之间提供双向电磁耦合，通过将来自所述钻柱的数据信号作为接收到的数据信号与所述耦合适配器电磁耦合，而借助构成所述钻柱的一部分的所述导电钻管段的至少一些接收由电导体运载的数据信号；
地埋壳体，当所述钻柱延伸时，所述地埋壳体可移除地插入一个所述接头处从而随后与所述耦合适配器一起形成所述钻柱的一部分，所述地埋壳体限定有壳体腔室；以及
中继器电子器件封装件，其被接纳在所述地埋壳体的所述壳体腔室中并且与所述耦合适配器的所述信号耦合设备电连通，所述中继器电子器件封装件用于生成基于所述接收到的数据信号但是区别于所述接收到的数据信号的中继器信号，并且用于将所述中继器信 号提供给所述信号耦合设备，使得所述信号耦合设备将所述中继器信号电磁耦合回到所述钻柱，以将所述中继器信号作为另一电信号沿所述钻柱传输，使得所述中继器信号经由构成所述钻柱的不同部分的所述导电钻管段中的至少一些进行电传导。

43.  如权利要求42所述的中继器，其中，所述耦合适配器包括变流器，所述变流器与所述地埋工具电连通，以用于接收所述数据信号并且将所述数据信号至少电磁耦合到所述钻柱的所述部分上，并且所述耦合适配器还包括适配器主体组件，所述适配器主体组件具有限定环形凹部的外表面构造，所述环形凹部用于在内部接纳所述变流器。

44.  一种在使地埋工具移动穿入执行地埋操作的区域中的地面的系统中所使用的方法，所述系统包括钻机和钻柱，所述钻柱在所述地埋工具和所述钻机之间延伸并且被构造为从所述钻机延伸和缩回，所述钻柱由多个导电钻管段构成，每个导电钻管段均包括段长度而且各导电钻管段被构造为一个接头与所述地埋工具可移除地附接并且在形成于所述钻管段中的相邻钻管段之间的其它接头处可拆除地彼此附接在一起，以使所述钻柱包括多个接头以帮助所述钻柱一次延伸和缩回一个段长度，所述方法包括：
构造具有适配器主体的耦合适配器并且将所述耦合适配器构造为包括信号耦合设备，当所述钻柱延伸时，所述适配器主体可移除地插入到任选一个接头处从而随后形成所述钻柱的一部分，所述信号耦合设备用于在所述耦合适配器和所述钻柱之间提供双向电磁耦合，通过将来自所述钻柱的数据信号作为接收到的数据信号与所述耦合适配器电磁耦合，而借助构成所述钻柱的一部分的所述导电钻管段的至少一些接收由电导体运载的数据信号；
布置地埋壳体并且在所述地埋壳体内限定壳体腔室，当所述钻柱延伸时，所述地埋壳体可移除地插入一个所述接头处从而随后与所述耦合适配器一起形成所述钻柱的一部分；以及
在所述地埋壳体的所述壳体腔室中支撑中继器电子器件封装件并且使所述中继器电子器件封装件与所述耦合适配器的所述信号耦合设备电连通，所述中继器电子器件封装件用于生成基于所述接收到的数据信号但是区别于所述接收到的数据信号的中继器信号，并且用于将所述中继器信号提供给所述信号耦合设备，使得所述信号耦合设备将所述中继器信号电磁耦合回到所述钻柱，以将所述中继器信号作为另一电信号沿所述钻柱传输。

45.  如权利要求44所述的方法，包括：使所述耦合适配器构造有变流器，所述变流器与所述中继器电子器件封装件电连通，以用于电磁接收来自所述钻柱的所述数据信号并且将所述中继器信号电磁耦合回到所述钻柱上，并且所述耦合适配器还包括适配器主体组件，所述适配器主体组件具有限定环形凹部的外表面构造，所述环形凹部用于在内部接纳所述变流器。

钻柱适配器以及地埋信号耦合方法
相关申请
本申请与名称为“INGROUND DRILL STRING HOUSING AND METHOD FOR SIGNAL COUPLING（地埋钻柱壳体和信号耦合方法）”的美国专利申请（律师档案号为No.DCI-57）有关，该美国专利申请与本申请共享申请日且其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请整体涉及地埋操作，尤其涉及用于将电信号电磁耦合到导电的钻柱上以在钻柱上生成相应的电信号的系统、装置和方法。
背景技术
通常，例如钻探以形成钻孔、随后出于安装公用事业管线的目的而对钻孔进行铰孔、钻孔测绘等地埋操作使用从地上钻机延伸的导电钻柱。现有技术包括使用导电钻柱作为电导体以起到将数据信号从地埋工具电传导到钻机的作用的实例。周围的土地本身用作信号返回路径，以用于检测钻机处的信号。这种类型的系统通常称为钻探测量同时进行的MWD系统。然而，本发明的申请人认识到存在对MWD系统进行改进的需求。
现有技术的前述实例以及与其相关的局限性旨在示例说明而非穷举。本领域技术人员在阅读说明书和研究附图之后容易理解到现有技术的其它局限性。
发明内容
结合意在示范和示例说明而非限制范围的系统、工具和方法描述和说明下面的实施例及其方案。在各实施例中，减少或消除了一个或多个上述问题，而其它实施例涉及其它改进。
一般地，将装置和相关方法用于使地埋工具移动穿入区域中的地面的系统。该系统包括钻机和钻柱，钻柱在地埋工具和钻机之间延伸并且被构造为从钻机延伸和缩回。钻柱由多个导电钻管段构成，每个导电钻管段均包括段长度而且各导电钻管段被构造为一个接头与所述地埋工具可移除地附接并且在形成于所述钻管段中的相邻钻管段之间的其它接头处可拆除地彼此附接在一起，以使所述钻柱包括多个接头以帮助所述钻柱一次延伸和缩回一个段长度。在公开的一个方案中，耦合适配器包括适配器主体，当所述钻柱延伸时，所述适配器主体可移除地插入到一个所述接头中从而随后形成所述钻柱的一部分。所述耦合适配器包括一种如下设备：用于接收由所述地埋工具生成的数据信号且将所述数据信号作为电信号电磁耦合到所述适配器主体和从所述适配器延伸到所述钻机的所述钻柱的一部分上，以使形成所述钻柱的所述部分的所述钻管段中的至少一些相协作而用作将所述数据信号运载到所述钻机上的电导体。
在公开的另一方案中，布置地埋变流器来在一对电导体上接收由所述地埋工具生成的数据信号并且用于将所述数据信号作为电信号电磁耦合到从所述地埋工具延伸到所述钻机处的所述钻柱的至少一部分上，以使形成所述钻柱的所述部分的所述钻管段中的至少一些相协作而用作将所述数据信号运载到所述钻机的电导体，所述变流器和所述一对电导体保持与所述钻柱电隔离。
在公开的另一方案中，描述了与使地埋工具在地埋操作过程中移动穿入区域中的地面的系统结合使用的方法和相关装置。所述系统包括钻机和钻柱，所述钻柱在所述地埋工具和所述钻机之间延伸并且被构造为从所述钻机延伸和缩回。所述钻柱由多个导电钻管段构成，每个导电钻管段均包括段长度而且各导电钻管段被构造为一个接头与所述地埋工具可移除地附接并且在形成于所述钻管段中的相邻钻管段之间的其它接头处可拆除地彼此附接在一起，以使所述钻柱包括多个接头以帮助所述钻柱一次延伸和缩回一个段长度。装置和相关方法涉及被构造为用于地埋操作的电子器件封装件。变流器被构造为与所述钻柱感应耦合通信并且通过利用所述钻柱作为电 导体而在所述钻柱上提供所述电子器件封装件和所述钻机之间的通信。壳体具有壳体主体，当所述钻柱延伸时，所述壳体主体可移除地插入一个所述接头中从而随后形成所述钻柱的一部分，并且所述壳体被构造为至少用于接纳所述变流器，所述变流器与所述钻柱感应耦合。支撑设备被构造为将所述变流器弹性地支撑在所述壳体主体上，使得所述变流器至少在一定程度上与壳体响应于所述地埋操作而经受的机械冲击和振动环境隔离。
在本公开的另一方案中，描述了在地埋工具移动穿入执行地埋操作的区域中的地面的系统中所使用的中继器和相关方法。所述系统包括钻机和钻柱，所述钻柱在所述地埋工具和所述钻机之间延伸并且被构造为从所述钻机延伸和缩回。所述钻柱由多个导电钻管段构成，每个导电钻管段均包括段长度而且各导电钻管段被构造为一个接头与所述地埋工具可移除地附接并且在形成于所述钻管段中的相邻钻管段之间的其它接头处可拆除地彼此附接在一起，以使所述钻柱包括多个接头以帮助所述钻柱一次延伸和缩回一个段长度。所述中继器被构造为包括耦合适配器，所述耦合适配器具有适配器主体，当所述钻柱延伸时，所述适配器主体可移除地插入到任选一个接头中从而随后形成所述钻柱的一部分，并且所述耦合适配器包括信号耦合设备，所述信号耦合设备用于在所述耦合适配器和所述钻柱之间提供双向电磁耦合，通过将来自所述钻柱的所述数据信号作为接收到的数据信号与所述耦合适配器电磁耦合，而借助构成所述钻柱的一部分的所述导电钻管段的至少一些接收由电导体运载的数据信号。当所述钻柱延伸时，所述地埋壳体可移除地插入一个所述接头处从而与所述耦合适配器一起形成所述钻柱的一部分，所述地埋壳体限定有壳体腔室。中继器电子器件封装件被接纳在所述地埋壳体的所述壳体腔室中并且可以与所述耦合适配器的所述信号耦合设备电连通，以生成基于所述接收到的数据信号但是区别于所述接收到的数据信号的中继器信号。将所述中继器信号提供给所述信号耦合设备，使得所述信号耦合设备将所述中继器信号电磁耦合回到所述钻柱，以将所述中继器信号作为另一电信号沿所述钻柱传输， 使得所述中继器信号经由构成所述钻柱的不同部分的所述导电钻管段中的至少一些进行电传导。
除了上述示例性方案和实施例之外，通过参照附图以及研究下面的说明书，将容易理解其它方案和实施例。
附图说明
在所参照的附图中图示了示例性实施例。其意图在于，本文所公开的实施例和附图为示例性的而非限制性的。
图1是本公开的使用耦合适配器的系统和地埋信号耦合的示意性正视图。
图2是本公开的耦合适配器的一个实施例的示意性透视图。
图3是图2的耦合适配器的实施例的示意性分解透视图，这里显示出结构的细节。
图4是图2和图3的耦合适配器的实施例的示意性分解正视局部剖视图，这里进一步显示出结构的细节。
图5是图2至图4的耦合适配器的实施例的示意性组装图的正视局部剖视图，示出了关于组装构造的细节。
图6是图5中的圆圈6-6内截取的进一步放大的正视局部剖视图，这里显示出关于耦合器适配器的图5的实施例中的电连接部的细节。
图7a为示出本公开的耦合适配器的另一实施例的示意性局部剖视正视图，该耦合适配器将变流器的两个引线与钻柱电隔离。
图7b为图7a的耦合适配器的实施例的示意性分解图的正视局部剖视图，这里进一步显示出结构的细节。
图7c为在图7a的圆圈7c-7c内截取的进一步放大的示意性正视局部剖视图，这里显示出关于图7a和图7b的实施例中的电连接部的细节。
图7d是与图6和图7c的视图相当的耦合适配器的另一实施例的进一步放大的示意性局部剖视图，但是其局限于示出变流器和陶瓷环周围的区域，图7d的目的是示出机械冲击和振动减轻特征。
图7e是整体变流器的一半的示意性正视图，变流器能够用于实施例中以利用支撑间隔件或垫圈部件来提供变流器与地埋操作的机械冲击和振动隔离。
图8是与本公开的耦合适配器连接的采用钻头和地埋壳体形式的地埋工具的一个实施例的示意性透视图。
图9是与本公开的耦合适配器连接的采用张力监控器和铰孔工具形式的地埋工具的另一实施例的示意性透视图。
图10是示出能够用于本公开的耦合适配器的电子器件部分的一个实施例的框图。
图11是示出能够在钻机处使用或者作为钻柱中继器的一部分使用以与本公开的耦合适配器协作而服务于地埋工具的电子器件部分的一个实施例的框图。
具体实施方式
提供下面的说明以使本领域普通技术人员能够实现和使用本发明，并且在专利申请的背景及其要求下提供下面的说明。所描述的实施例的各个变型例对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且本文教导的一般性原理可应用于其它实施例。因此，本发明不意在局限于所示出的实施例，而是使最宽的范围与如在随附权利要求书的范围内所限定的包括变型例和等同内容在内的本文所描述的原理和特征一致。应注意到，附图不是按比例绘制的并且本质上以被认为最佳地示出所关注特征的方式进行示意。可针对描述采用诸如上、下、上方、下方、左、右等说明性术语，然而，采用这些术语的目的在于帮助读者理解，而不旨在进行限制。此外，出于清楚示例的目的，没有按比例绘制附图。
现在看附图，其中，在各图中相似的部件由相似的附图标记表示，立即参照图1，该图为示意性地示出水平向钻井系统的一个实施例的正视图，其总体地由附图标记10表示并且依照本公开而制造。尽管图示的系统显示出在水平向钻井系统及其部件的框架内用于执行地埋（inground）钻探操作的发明，本发明同等适用于其它操作步 骤，包括但不限于垂直钻井操作、用于安装设施的回拉操作、测绘操作等。
图1示出了在区域12中操作的系统10。系统10包括钻机14，钻机14具有从钻机延伸到钻探工具20的钻柱16。钻柱能够被推入地中以使地埋工具20至少大体朝箭头所示的向前方向22移动。尽管本实例从钻探工具的使用方面进行构造，应当理解到本文的论述可应用于任何适当形式的地埋工具，包括但不限于铰孔工具、在能够安装设施或外壳的回拉操作期间使用的张力监控工具、用于对钻孔的路径进行测绘的测绘工具，例如，使用惯性引导单元和向下钻进压力监控。在钻探工具的操作中，通常期望基于钻柱的前进来进行监控，而在诸如回拉操作等其它操作中，通常响应于钻柱的缩回而执行监控。
继续参照图1，钻柱16被部分地显示且被分段，钻柱16由具有段长度或部分长度和壁厚的多个可移除地附接的个体钻管段构成，一些钻管段以1、2、n-1和n来表示。钻管段可互换地被称为具有杆长度的钻杆。在钻机操作期间，能够一次将一个钻管段加到钻柱上并且可动滑架30借助钻机将钻管段推入地中，从而使地埋工具前进。钻机14可以包括适当的监控设备32，其用于测量钻柱向地中的移动，这在例如名称为“SYSTEMS,ARRANGEMENTS AND ASSOCIATED METHODS FOR TRACKING AND/OR GUIDING AN UNDERGROUND BORING TOOL（追踪和/或引导地埋钻探工具的系统、装置和相关方法）”的美国专利6,035,951（下文称为’951专利）中有所描述，该美国专利与本申请是共同所有的并且该美国专利通过引用并入本文。
每个钻管段限定有在管段的相对两端之间延伸的通孔34（示出一个）。钻管段能够装配有所谓的箱配件和销配件，使得预定钻管段的每一端都能够以公知方式与钻柱中另一钻管段的相邻端部螺纹接合。一旦钻管段接合起来而构成钻柱，相邻钻管段的通孔对准而形成如箭头所示的总通道36。通道36能够提供从钻机到钻头与箭头36的方向一致的钻井流体或泥浆的增压流动，下面将进一步描述。
可在钻机14处（例如在控制台42上使用显示器44）确立和显示钻探工具在区域12中的位置以及钻探工具所遵循的地埋路径。控制台可以包括处理设备46和控制致动器设备47。
钻探工具20可以包括钻头50，钻头50具有用于基于滚动定向而转向（steer）的斜面。也就是说，当被向前推而无旋转时，钻头通常基于其斜面的滚动定向而偏转。另一方面，通常通过使钻柱如双头箭头51所示受推动而旋转，来使钻头直线行进。当然，可预测转向以适当的土壤条件为前提。注意的是，前述钻井流体能够在高压下作为射流52喷出，用于刺穿在钻头正前方的土地以及提供钻头的冷却和润滑。钻探工具20包括地埋壳体54，地埋壳体54接纳电子器件封装件56。地埋壳体被构造成为钻头50提供围绕电子器件封装件的钻井流体流。例如，电子器件封装件能够为柱形构造并且以居中方式被支撑在壳体54内。钻头50可以包括箱配件来接纳地埋壳体54的销配件。地埋壳体的相对端可以包括箱配件来接纳耦合适配器60的销配件。耦合适配器60的相对端可以包括箱配件来接纳限定钻柱的远侧地埋端的销配件。应注意的是，钻头、地埋壳体和耦合适配器的箱配件和销配件通常为与钻柱的钻管段上的那些箱配件和销配件（用于帮助在形成钻柱时将钻管段彼此可移除地附接起来）相同的箱配件和销配件。地埋电子器件封装件56可以包括收发器64，在一些实施例中，收发器可以发送诸如偶极定位信号等定位信号66，但这不是必须的。在一些实施例中，收发器64能够接收由其它地埋部件生成的电磁信号，下文将在适当处进行说明。出于描述的目的，本实例将假设电磁信号为偶极信号形式的定位信号。因此，电磁信号可称为定位信号。应当理解的是，偶极信号能够如任何其它电磁信号那样被调制，并且随后可从信号中恢复调制数据。信号的定位功能至少部分地取决于磁通场（flux field）的特征形状及其信号强度，而不取决于其运载调制信号的能力。因此，不需要调制。与钻探工具的一些参数（诸如例如，俯仰和滚动（定向参数）、温度和钻井流体压力）有关的信息能够利用位于钻探工具内的适当的传感设备68（可以包括例如俯仰传感器（pitch sensor）、滚动传 感器（roll sensor）、温度传感器、用于感测近似50/60Hz公用事业管线的AC场传感器以及期望为诸如用于感测偏航定向的DC磁场传感器（三轴磁力计，与三轴加速计形成电子罗盘以测量偏航定向）等任何其它传感器）来测量。电子器件封装件56还包括处理器70，处理器70在需要时与传感设备68和收发器64相连。可以形成传感设备一部分的另一传感器为如下的加速计：被构造为用于检测一个或多个轴上的加速度。可以在壳体内设置用于提供电力的电池（未显示）。
便携式定位器80能够用于检测电磁信号66。在名称为“FLUX PLANE LOCATING IN AN UNDERGROUND DRILLING SYSTEM（在地下钻井系统中定位的磁通面）”的美国专利No.6,496,008中描述了一种适当的且极先进的便携式定位器，该美国专利与本申请为共同所有的并且其全部内容通过引用并入本文。如上所述，本文的描述适用于各种地埋操作，而不意在限制，但是出于说明的目的，采用了水平向钻探的框架。如上所述，电磁信号能够运载包括诸如俯仰和滚动等定向参数在内的信息。电磁信号还能够运载其它信息。举例而言，这种信息可以包括在钻探工具附近或内部测量的参数，包括温度和诸如电池或电源电压等电压。定位器80包括电子器件封装件82。应注意的是，电子器件封装件设有接口以与定位器的各个部件进行电连通并且能够执行数据处理。所关注的信息能够对电磁信号66以任意适当的方式进行调制并且发送到定位器80和/或钻机处的天线84，但这不是必须的。可以使用目前正在使用或者尚未开发出来的任意适当形式的调制。当前可用的且适当类型的调制的实例包括振幅调制、频率调制、相位调制及其变型例。与例如俯仰等钻井操作有关的任何所关注参数可以在从定位信号中恢复时显示在显示器44和/或定位器80的显示器86上。钻机14能够发送可由定位器80接收的遥测信号98。遥测部件提供了钻机和定位器80之间的双向信号传输。作为该信号传输的一个实例，基于由钻机监控单元32所提供的状态，钻机能够发送因为钻管段添加到钻柱上或者从钻柱移除而使钻柱处于静止状态的指示。
仍参照图1，电缆100能够从地埋电子器件封装件56伸出，以能够在该电缆上电传输与地埋工具的操作有关的任何感测值或参数。本领域普通技术人员将理解到，通常所谓的“管中线”能够用于将信号传递到钻机。术语管中线是指容纳在由钻柱形成的内部通道36内的电缆。然而，根据本公开，电缆100延伸到地埋耦合适配器60，紧接下文将进一步进行说明。
现在将结合图1来参看图2。图2为更加详细地示出了耦合适配器60的一个实施例的示意性透视图。具体地说，该耦合适配器包括主体120，主体120形成用于与地埋壳体54的箱配件（未显示）接合的销配件122。应注意的是，为了简要说明，在销配件上未示出螺纹，但是应理解为存在螺纹。主体包括至少一个高压电连接组件130，这将在下文中一个或多个适当处进行进一步详细说明。耦合适配器60还包括延伸主体140，延伸主体140可移除地附接到主体120，使得主体或延伸主体能够被替换。主体和延伸主体能够由任何适当的材料形成，例如包括非磁性不锈钢在内的非磁性合金，以及例如4140、4142、4340等磁性合金，或者任何适当的高强度钢。尤其当耦合适配器要被置于距驱动该耦合适配器的电子组件许多英尺或许多钻杆时，可能不需要非磁性类型。然而，如果要在例如检测大地磁场的转向工具（steering tool）等地内装置附近使用耦合适配器，则非磁性材料的使用避免了可能的场干扰。在这方面，公知的是，非磁性的高强度合金，与其磁性的对应物相反，通常成本高很多。应注意的是，不要求主体和延伸主体由相同材料形成。
筒状环件144被接纳在主体120和延伸主体140之间。该筒状环件能够由通常耐受地埋环境且电绝缘的任何适当材料形成。作为非限制性的实例，一种适当的材料为相变增韧氧化锆陶瓷，其它陶瓷材料也是适当的。从图2和将要描述的其它附图中能够看出，筒状环件144的外表面145能够插入主体和延伸主体两者的外表面内，以降低对筒状环件可能造成的损坏以及减少对筒状环件的磨损。例如，通过使筒状环件插入，在钻机处用于保持管段的夹具（未示出）偶然与耦合适配器接合的情形下，夹具跨过插入的筒状环件并且保 持与插入的筒状环件不接触。此外，由于钻柱的旋转、前进或缩回，能够减少筒状环件的地埋磨损。在这方面，应当理解的是，可以出于相似原因而将电连接组件130插入，如图2以及将要描述的图中所看到的。
参照图2-图4，现在提供耦合适配器60的结构的进一步细节。图3为耦合适配器的示意性分解透视图，而图4为耦合适配器的示意性分解正视局部剖视图。主体120包括附接端150，附接端150带有螺纹以与由延伸主体140限定的带螺纹容器152螺纹接合。应当理解到，螺纹接合不是必要条件，并且可以采用任何适当的技术来将延伸主体附接到主体上，包括但不限于使用紧固件、粘合剂和带有螺纹销的花键。应当理解的是，这种附接方式能够经受其所经历的任何地埋操作的全部扭矩、推力和拉力。当使用螺纹实施例时，为了进一步确保连接不松动，可以在接头扭转之前，应用环氧树脂，或者例如甲基丙烯酸酯粘合剂或不透水的商业螺纹锁定复合物等螺纹锁定复合物。在一个实施例中，外螺纹的销被设计为一旦台肩接触就触底，这在相关领域中被熟知为双台肩。
变流器160被构造为安装在由主体120限定的变流器凹部或凹槽162中。变流器包括缠绕在环状或环形芯上的线圈。在这方面，芯可以包括任何适当的截面形状，例如矩形、方形和圆形。在图示的实施例中，芯可以拼合，从而有利于将变流器安装到变流器凹槽162中。一对电引线164界定变流器线圈的相对两端，用于形成将要说明的外部电连接部。应当理解的是，能够使用任何适当的变流器，并且此处所描述的特定变流器不意在限制。延伸主体140的相对端170限定了用于与钻柱的地埋、远侧端螺纹接合的箱配件172。关于图1，应当理解，在钻柱组装到钻机上时，耦合适配器60能够安装在任意两个相邻钻管段之间。例如，耦合适配器60能够定位在图1的钻管段n-1和n之间。电缆100随后从地埋工具伸出经由钻管段n而到达耦合适配器。
结合图2-图4参看图5和图6，图5是耦合适配器60的正视组装图的局部剖视图，而图6为图5所示的圆圈6-6内截取的进一步放 大的组装图的局部剖视图。当为将要描述的目的如图6所示组装起来时，可以出于在主体120和筒状环件144的内表面之间形成密封的目的使用O形圈178，而使用O形圈180来稳定陶瓷环以及限制与延伸主体140的凸缘182直接接触。O形圈180能够接触陶瓷环、凸缘182和主体120的侧壁184。如图5中所示，耦合适配器60的部件组装起来，以便当地埋工具需要钻井流体时协作地将用于引导流体的贯通通道190限定为整个钻柱的一部分或限定为与整个钻柱配合。当组装起来时，能够实现主体120和延伸主体140之间的压力密封，使得即使当钻井流体处于高压下时，基于包括第一台肩186和第二台肩188的双台肩构造（图5），钻井流体也不能够在主体和延伸主体之间逸出。此外，可以将例如环氧树脂复合物等适当的密封复合物施加于台阶186和188之间的螺纹上以提供附加密封。
结合图4主要参看图6，现在来关注高压电连接组件130的一个实施例的细节。在这方面，应注意的是，在图4中以分解图并且在图6中以组装图示出了高压电连接组件。高压电连接组件出于与变流器160电连接的目的布置在限定于主体120的侧壁中的阶形孔200中。连接组件包括限定凹槽的下绝缘体204，O形圈206被接纳在凹槽中以相对于孔200的阶形周边密封下绝缘体，从而例如当用于钻井操作时防止增压流体/流体逸出。下绝缘体204的整体形状为杯的形状，在杯底部具有居中的开口。下绝缘体可以由能够承受有时恶劣的地埋环境的任何适当的电绝缘材料形成。这种适当的材料包括但不限于不是电导体的高性能聚合物。由下绝缘体限定的杯的空腔接纳电源销210，能够利用O形圈212相对于下绝缘体密封电源销210。电源销限定了中央孔214。电源销可以由能够承受有时恶劣的地埋环境的任何适当的导电材料形成。这种材料包括但不限于无电镀镀镍铍铜或磷青铜。电缆100的远侧端216被接纳在下绝缘体204的中央开口中以及电源销210的中央孔214内。固位螺钉220与电源销的侧壁进行螺纹接合并且延伸到中央腔室214中，以便以将电源销与电缆100电连接的方式将电缆的远侧端216接合和保持在电源销内。与使用固位螺钉220不同，可以使用任何适当的设备 将电缆的远侧端保持在电源销内并且与电源销电连接。
仍参照图6和图4，上绝缘体240被接纳在阶形孔200中并且利用O形圈206之一抵靠阶形孔进行密封。固位螺钉242能够与该上绝缘体螺纹接合，其用途将通过下文的描述变得显而易见。上绝缘体240能够由任何适当的材料形成，包括可以形成下绝缘体204的那些材料。在安装上绝缘体240之前安装固位螺钉242，并且可以通过移除上绝缘体来接触到固位螺钉242。开口246可以由上绝缘体限定，用于例如通过接纳拉动工具的螺纹端而帮助移除上绝缘体。盖260抵靠阶形孔200的上台阶而被接纳并且能够例如借助螺纹紧固件262（图4）保持在适当位置。该盖能够由包括但不限于钢的任何适当材料形成。已经发现适用的一种材料是经热处理的17-4钢。从图6中能够看出，盖260的外表面能够相对于主体和延伸主体两者的外表面插入，用于减少磨损以避免与钻机上的夹紧机构接触。
如上文所讨论的，例如利用拼合式环状芯270将变流器160接纳在环状凹槽162中。引线164a和164b从变流器的线圈272伸出。引线164a被捕获而借助固位螺钉276与主体120电连接。引线164b延伸贯通由主体120限定的内部通道280并且从环状凹槽162引至阶形孔200。引线164b的末端被捕获而借助固位螺钉242与电源销210电连接，使得变流器引线164b与电缆100电连接。任何适当的设备能够用于在引线164b和电源销之间形成电连接。设计变流器至少注意以下几点：
a.冲击和振动。材料选择和构造应当承受向下钻进钻探环境的冲击和振动。
b.磁性材料选择应当基于工作频率下的低芯损耗、高磁通饱和和机械坚固性。
c.高磁通饱和容许磁芯的截面积减小，从而提供适配器耦合主体的截面积的增加，用于扭转和电力传输。
d.用于高频响应的低绕组间电容。
鉴于上述情况，在一个实施例中并且作为非限制性实例，能够使用带绕芯。本领域普通技术人员熟知的是，这种芯比铁氧体芯更 不易于经受冲击和振动。这种带绕芯能够利用薄的、高磁通饱和带制造，从而避免芯中的涡流损耗。在一些实施例中，带厚度的范围可为从0.00025”至0.001”。一种适合的厚度为0.0007”。可以使用例如粉末涂层或环氧树脂涂层将带绕芯磨光。在一个实施例中，基于变流器安装在凹槽162中的方式，能够为变流器及其芯提供附加的冲击和振动保护，如下文适当处所描述的。
变流器能够以单匝二次绕组和周围土壤的方式使用钻管以形成完整的电流路径。变流器的一次绕组能够将从驱动电子器件输出的低电流转换成钻管上的高电流信号，钻管本身用作单匝二次绕组。当然，术语一次绕组和二次绕组能够基于信号耦合方向而互换地使用并且在本文出于描述和非限制的目的来使用。电流比与一次绕组上的匝数成比例。例如，忽略磁损耗和电阻损耗，如果进入一次绕组的电流为10mA rms，则在钻管上感应的电流将为1000mA，这是在一次线匝与二次线匝之比为100/1的情况下的输入电流的一百倍。如上所述，能够利用任何适当的热塑性材料或环氧树脂将带绕芯封装到环氧树脂中以增加机械强度。能够利用例如金刚石锯将成品的芯或环形线圈切割成两个半芯，以用于安装，变流器绕组施加于每半个芯。通过将非磁性材料件（诸如聚酯薄膜（mylar）、强聚酯薄膜）粘合在面对的表面之间而在芯半端的面对表面之间形成磁间隙，例如大约0.001”的小间隙。该间隙有助于防止芯的磁饱和。如本领域公知的，芯的截面积可以由频率、磁通密度、磁线（例如，绝缘铜线）的匝数、饱和磁通密度和施加于变流器上的电压来确定。举例而言，在频率从几千赫兹至一百千赫兹的情况下，截面积可近似为0.2”乘0.2”。在一些实施例中，变流器能够抗冲击地安装在适配器凹槽中，如下文一处或多处所进一步说明的。
例如，可以通过首先将变流器160安装到环状凹槽162中，进行图6所示的实施例的组装。电缆100能够延伸到主体的贯通通道190中并且从阶形孔200离开。随后，在电源销210安装到电缆的远侧端上的情况下，可通过紧固固位螺钉220将下绝缘体204安装到电缆100上。电源销可以被接纳在阶形周边中，从图6中能够看出。 变流器引线164b能够螺旋地通过通道280，变流器引线164b的远侧端如图6所示定位。随后可以安装上绝缘体240，并且紧固固位螺钉242。随后可以安装盖260。变流器引线164a和筒状环件144的安装以直接的方式进行。应当理解的是，变流器、筒状环件和高压电连接组件在本领域是易于更换/维修的。
参照图7a，依照本公开的耦合适配器的另一实施例通常由附图标记60’表示并且以局部剖视图显示。为简要目的，不再重复之前图中所示的类似部件的说明。在这方面，本实施例与之前所述实施例之间的差别主要在于作为改进主体120’一部分的电连接组件130’的构造，如下文紧接着的详细说明。
结合图7a转而参见图7b和图7c，提供改进的电源销210’。图7b为分解正视图的局部剖视图，而图7c为在图7b中所示的圆圈7c-7c内截取的正视局部剖视图。在该实施例中，改进的电源销210’被构造为支撑包括同轴插塞302和同轴插座304的同轴连接组件300。而出于清楚说明的目的，图7c示出了脱离的插塞302和插座304，应当理解的是插塞和插座相配合以用于组装操作。变流器引线164a和164b延伸贯通内部通道280并且与插座304的一对端子310电连接。来自电缆100（在该实施例中可以为同轴电缆）的电导体312a和312b与插塞302的一对端子320电连接。应注意，诸如上绝缘体240等一些部件能够进行微小改进，以便适应同轴连接组件300，但是，根据目前的整个公开，这些微小改进被视为在本领域普通技术人员的能力范围内。应当理解的是，从电缆100到变流器160的电连接保持与适配器主体电隔离并且因此与钻柱本身电隔离。该隔离能够减少会耦合到钻柱上的共模噪声，例如，由于存在50Hz或60Hz的大地电流和地埋环境中的噪声引起的共模噪声。
图7d为与图6和图7c的视图相当的耦合适配器的另一实施例的进一步放大的示意性局部剖室图，但是该图局限于变流器和筒状环件周围的区域350，此处显示该区域以示出能够与图6和图7c的实施例以及采用由适配器主体120”支撑的变流器的任何其它适合实施例一起使用的冲击支承特征。在该实施例中，变流器160能够以 例如如上所述的与图6和图7c一致的方式与由附图标记164’指示的电导体电连接，其中一个或两个电导体能够路经内部通道280。在本实施例中，使用环状冲击支承部件来以提供减缓机械冲击和振动力的方式支撑变流器160。具体地说，第一对环状部件354a和354b定位在变流器162的一个侧向上，而第二对环状部件356a和356b侧向地定位在变流器的相反侧。此外，外环状部件358定位在变流器的外侧或周边与筒状环件144的内侧之间。应注意的是，出于简化图示的目的，未示出变流器上的绕组。能够通过形成贯通环状部件的槽口或凹槽而使一个或多个电导体164’以例如任意适当方式路经各个环状部件。应当理解的是，可以在变流器的内径处设置附加的环状或环形部件，该部件在宽度上对应于变流器或者构造为更宽，甚至宽至凹槽162的全宽度。为了简化图示的目的，未示出附加的环状部件。在这方面，应当理解的是，外环状部件358的宽度可以宽至凹槽162的宽度。此外，变流器侧部的一对环状部件中的一个或两个可以用适当宽度的单个环状部件替代。根据这些论述，显然，根据目前的整个公开，用于冲击支承变流器的图示设备的各种改进对于本领域普通技术人员将是显而易见的，并且落入随附权利要求书的范围内。例如，最初可以将U形环状部件定位在凹槽162中以通过布置在U形部件外的可选筒状构造部件来接纳变流器。各种环状的减震部件可以由诸如弹性泡沫材料等任何适当的材料形成。在一个实施例中，可以使用耐高温泡沫材料。这种当前可获得或将开发出来的泡沫材料能够耐受高达且包含120摄氏度的温度并且例如可以包括硅酮泡沫。例如，利用通常在向下钻进环境中具有足够柔性的适当粘合剂，可以将各种环状部件保持在适当位置。在另一实施例中，可以使用粘合剂泡沫带形成各种环状的减振部件。在另外的实施例中，利用诸如聚氨酯或电子级RTV等柔软或弹性铸封复合物将变流器160铸封在凹槽162中，以用于提供变流器与钻柱所涉及的地埋操作的机械冲击和振动隔离。如之前的实施例，可以使筒状环件144凹入距离d，从而避免由于在钻机上的夹紧而引起的损坏和/或磨损以及例如由于与钻柱的共同旋转引起的地内的地埋磨损。
参照图7e，示出了变流器160的一半，用于图示将变流器与机械冲击和振动隔离的另一实施例。应注意，环状凹部162的边缘在变流器附近以虚线示意性显示。具体地说，能够利用任何适当数量的垫圈或间隔件360对变流器160进行冲击支承。而且，间隔件的环状凹部可以具有任何适当的弧宽度。在一个实施例中，三个间隔件能够在变流器周边周围以适当的或至少近似均匀的分布来使用。每个间隔件能够限定用于接纳变流器的中央孔。由于变流器设置成两个半部，所以在变流器安装到凹槽162中之前可以将间隔件360容易地安装在每个变流器半部上。当变流器设置成两个半部时，每个半部均能够支撑两个以上的减振间隔环部件。间隔环部件能够由例如上文关于图7d的环状减振环状部件所描述的材料等任何适当材料形成，包括但不限于硅酮泡沫。而且，在施加弹性铸封复合物的过程中，可以利用间隔件360作为居中器件来将变流器160铸封在适当位置。在图7e中的凹槽162的边缘的范围内示意性地显示铸封复合物362，如变流器周围的虚线所示。如上所述，在不具有间隔环的一个实施例中可以使用铸封复合物。
因此，本文已经公开了冲击隔离和冲击支承的变流器和相关方法。支撑变流器的壳体包括壳体主体，当钻柱延伸时，所述壳体主体可移除地插入到钻柱的一个接头以随后形成钻柱的一部分。壳体被构造为至少用于接纳变流器，变流器与钻柱感应耦合。支撑设备将变流器弹性地支撑在壳体主体上，使得变流器至少在一定程度上与壳体响应于地埋操作而受到的机械冲击和振动环境隔离。
鉴于前述情况，应当理解的是，在一些情况下，钻管段能够被构造为以与上文所述一致的方式支撑变流器，例如，当钻管段的侧壁厚度足够厚以用于限定变流器的支撑凹槽而不过度削弱钻管段时。因此，具有厚度足够的侧壁的钻管段能够支撑上文所述的电连接部、通道和组件，根据目前的整个公开，本领域普通技术人员将认识到进行有限的改进或不进行改进。
图8是示出呈具有钻头50的钻探工具形式的地埋工具20的示意性透视图。在该实施例中，地埋壳体54包括用于从收发器64（图 1）发射信号66的插槽400。耦合适配器60可移除地附接到地埋壳体54，地埋壳体54本身准备就绪以可移除地附接到钻柱的远侧端。
图9是示出呈铰孔工具形式的地埋工具20的示意性透视图，铰孔工具包括可移除地附接到地埋壳体54的一端上的铰孔器420。在该实施例中，壳体54和耦合适配器60以与图8所示相同的方式设置。沿箭头所指示的方向422拉动铰孔工具，以用于随着钻柱朝向钻机拉动铰孔工具而扩大钻孔。铰孔工具的相对端附接到张力监控设备430的一端。张力监控设备的相对端能够附接到被拉动通过扩大的钻孔的设施（未示出），以用于将设施安装在钻孔中。张力监控设备430测量在铰孔操作期间施加到设施上的拉力。美国专利No.5,961,252中描述了一种适当且极有利的张力监控设备，该美国专利与本申请是共同所有的并且其全部内容通过引用并入本文。张力监控设备430能够发送电磁信号434，在电磁信号434上可以调制有张力监控数据。信号434能够由收发器64（图1）接收，使得利用变流器160（参见图3-图6）能够将对应的数据置于钻柱上以便传输到钻机。应当理解的是，无线信号能够通过收发器64从任何形式的地埋工具接收到，并且描述了张力监控设备的本实施例不意在限制。例如，在其它实施例中，测绘设备能够替代张力监控设备使用。这种测绘设备能够例如利用惯性导航系统（INS）来操作。
图10是示出总体地由附图标记500表示的电子器件部分的一个实施例的框图，电子器件部分能够被支撑在地埋壳体54中。部分500可以包括地埋数字信号处理器510，地埋数字信号处理器510可以有利于图1的收发器64和处理器70的所有功能。传感器部分68经由模拟数字转换器（ADC）512与数字信号处理器510电连接。可以提供任何适当的传感器组合以用于既定应用，并且可以例如从加速计520、磁力计522、温度传感器524和压力传感器526进行选择，压力传感器526能够感测钻井流体的压力。变流器160能够连接为在发送模式（其中数据被调制在钻柱上）和接收模式（其中从钻柱恢复调制数据）中的一种或两种模式下使用。对于发送模式，使用天线驱动器530，天线驱动器530电连接在地埋数字信号处理器510和 变流器160之间以驱动天线。通常，能够利用与用于驱动可发射前述信号66（图1）的偶极天线540的任何频率均不同的频率对耦合到钻柱中的数据进行调制，从而避免干扰。当天线驱动器530关闭时，开/关切换器（SW）550能够将变流器160选择性地连接到中心频率与从钻柱接收到的数据信号的中心频率对应的带通滤波器（BPF）552。BPF552进而与模拟数字转换器（ADC）554连接，ADC554本身与数字信号处理部分520连接。根据所采用的特定调制形式，本领域普通技术人员能够容易地配置数字信号处理部分中调制数据的恢复。
仍参照图10，能够连接偶极天线540以在发送模式（其中信号66被发送到周围土地中）以及接收模式（其中接收例如图9的信号434等电磁信号）中的一种或两种下使用。对于发送模式，使用天线驱动器560，其电连接在地埋数字信号处理器510和偶极天线540之间以驱动天线。而且，信号66的频率通常充分区别于钻柱信号的频率以避免它们之间的干扰。当天线驱动器560关闭时，开/关切换器（SW）570能够将偶极天线540选择性地连接到中心频率与从偶极天线接收到的数据信号的中心频率对应的带通滤波器（BPF）572。BPF572进而与模拟数字转换器（ADC）574连接，ADC574本身与数字信号处理部分510连接。根据所采用的一种或多种特定形式的调制以及根据该整体公开，本领域普通技术人员能够在许多适合的实施例中容易地构造用于数字信号处理部分的收发器电子器件。
参照图1和图11，图11为能够构成上述收发器设备的一个实施例的部件的框图，该部件总体地由附图标记600表示并且与钻柱16耦合。地上变流器602定位在例如钻机14上，以将信号耦合到钻柱16上和/或从钻柱16恢复信号。能够电连接变流器602以在发送模式（其中将数据调制在钻柱上制）和接收模式（其中从钻柱恢复调制数据）中的一种或两种下使用。收发器电子器件封装件606与变流器连接并且能够由电池供电。对于发送模式，使用天线驱动器610，其电连接在地上数字信号处理器620和变流器602之间以驱动变流器。再有，能够利用与用于驱动地埋壳体54（图1）中的偶极 天线540的频率不同的频率对耦合到钻柱中的数据进行调制，从而避免干扰以及区别于在变流器160（图10）将信号耦合到钻柱的地埋端时的频率。当天线驱动器610关闭时，开/关切换器（SW）620能够将变流器602选择性地连接到中心频率与从钻柱接收到的数据信号的中心频率对应的带通滤波器（BPF）622。BPF622进而与模拟数字转换器（ADC）630连接，ADC630本身与数字信号处理部分620连接。应当理解的是，数字信号处理部分620和相关部件能够形成钻机的处理设备46（利用虚线显示）的一部分或者在适当的接口632上与相关部件连接。收发器606能够出于各种目的将指令发送到地埋工具，例如，控制发送功率、选择调制频率、改变数据格式（例如，降低波特率以提高解码范围）等等。根据所采用的一种或多种特定形式的调制以及根据该整体公开，本领域普通技术人员能够在许多适合的实施例中容易地构造用于数字信号处理部分的收发器电子器件。
参照图1，在另一实施例中，另一耦合适配器60和地埋壳体54或54’的另一实例借助与收发器606（图11）连接的变流器160而作为单元插入到钻柱的一个接头中，从而距地埋工具例如1000英尺以中继器的方式起作用。中继器单元能够插入到形成在图1中的钻管段1和2之间的接头中。为在中继器应用中使用，地埋壳体可以包括位于一端的箱配件以及位于相对端的销配件。当然，本领域技术人员将理解到箱与销配合式适配器是公知且易于获得的。在另一实施例中，耦合适配器60能够插入到接头中，而中继器电子器件容纳在能够由相邻钻管段的贯通通道内的定心器支撑的压力筒内。在又一实施例中，中继器电子器件能够置于端装载或侧装载的壳体中并且插入到钻柱中而与耦合适配器电连通。这种端装载或侧装载的壳体能够包括允许钻井流体流过的通道。当然，在这些实施例中的任一实施例中，中继器电子器件能够以与上述一致的方式与耦合适配器变流器电连接。非限制性地举例，为了避免信号干扰，变流器能够在一个载波频率下拾取来自于地埋工具或另一中继器的信号，并且在不同载波频率下中继器电子器件能够从变流器将信号重新发送 到钻柱上，从而使接收到的信号能够区别于耦合回到钻柱的中继器信号。作为另一实例，可以使用适合的调制使中继器信号区别于接收到的信号。因此，中继器电子器件封装件被接纳在地埋壳体的壳体腔室中并且与耦合适配器的信号耦合设备电连通，以生成基于接收到的信号但是区别于接收到的数据信号的中继器信号。中继器信号被提供给信号耦合设备，使得信号耦合设备将中继器信号电磁耦合回到钻柱，以将中继器信号作为另一电信号沿钻柱传输，使得经由构成钻柱的不同部分的导电钻管段中的至少一些对中继器信号进行电传导。
提供前面对本发明的说明是为了示例和说明的目的。不意在穷举或将本发明限制为所公开的一种或多种精确形式，并且根据上述教导可以得到其它的实施例、改进方案和变型例，其中本领域技术人员将领悟到一些改进方案、置换方案、添加及其子组合。