随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)系统的很多价值来源于 提供关于钻头附近的井下状况的实时信息的能力。石油公司使用这些 井下测量在钻井过程中作出决定，例如，为如Schlumberger开发的 GeoSteering系统等精密钻井技术提供输入或反馈信息。这种技术严重 依赖于对正在钻井的地层的即时了解。因此，工业界继续为MWD/LWD 开发新的实时(或接近实时)测量，包括具有高数据容量的成像类型 的测量。
这种新的测量和相关控制系统需要遥测系统，其比当前可利用的 那些系统具有更高的数据传输率。因此，已经提出或尝试了许多和 MWD/LWD系统一起使用的新的和/或改进的遥测技术，具有不同程度 的成功。
在井下和地面位置之间数据传输的传统工业标准是泥浆脉冲遥 测，其中钻柱用来传送钻井流体中的调制声波。使用泥浆脉冲遥测的 数据传输率在1-6比特/秒的范围。这种慢速率不能够传输LWD柱通常 所采集的大量数据。因此，在某些情形下(例如当使用泡沫钻井流体 时)，泥浆脉冲遥测根本不可行。因此，MWD/LWD系统所采集的一 些或全部数据存储在井下存储器并在钻头行程的末端进行下载，是很 平常的。这种延时大大降低了用于实时或接近实时应用的数据的价 值。同时，有极大的数据丢失的风险，例如如果MWD/LWD工具遗失 在井眼中。
已经尝试了经由地下土壤通道的电磁(EM)遥测，具有有限的成 功。即使在低数据传输率下，电磁遥测的效用也是深度有限的，依赖 于土壤的电阻率。
已经广泛研究了通过钻管本身的声学遥测，但至今尚未商用。在 理论上，利用通过钢钻柱传送的声波，十几比特/秒的数据传输率应该 是可能的，但这尚未被可靠地证明。
在过去25年内，无数次地提出了在互相连接的钻管接头内布线的 概念。一些先前的提议披露在：Denison的美国专利No.4,126,848，Barry 等人的美国专利No.3,957,118，及Heilhecker等人的美国专利No. 3,807,502，以及在出版物中，如W.J.McDonald的“Four Different Systems Used for MWD(四种用于MWD的不同系统)”，The Oil and Gas Journal，第115至124页，1978年4月3号。
许多更新近的专利和出版物集中于电流耦合的感应耦合器在有线 钻管(WDP)内的使用。Meador的美国专利No.4,605,268描述了安 装在钻管密封面处的电流耦合的感应耦合器的使用和基本操作。俄联 盟出版的Basarygin等人的专利申请No.2140537以及更早的俄联盟出 版的Konovalov等人的专利申请No.2040691，都描述了钻管遥测系 统，其使用安装于钻管密封面附近的电流耦合的感应耦合器。Jürgens 等人的国际出版物No.WO 90/14497 A2描述了安装在钻管接头内径处 的感应耦合器，用于数据传输。其他相关专利包括以下美国专利： Hernandez-Marti等人的5,052,941，Veneruso的4,806,928，Veneruso 的4,901,069，Veneruso的5,531,592，Rhein-Knudsen等人的5,278,550， Huber等人的5,971,072，及Boyle等人的6,641,434。
以上参考通常集中于穿过互相连接的钻管接头的耦合端部进行数 据传输，而不是沿着管接头的轴向长度。许多其他专利参考披露或建 议了特殊方案，用于沿着井下管道或管接头的轴向长度进行数据传 输，包括美国专利：Polkd的2,000,716，Hawthorn的2,096,359，Denison 等人的4,095,865，Weldon的4,72,402，Mohn的4,953,636，Hall等人 的6,392,317，及Hall等人的6,799,632。其他相关专利参考包括Williams 等人的国际出版物No.WO 2004/033847A1，Hall等人的国际出版物 No.WO 0206716A1，及Davies等人的美国出版物No.US 2004/0119607 A1。
定义
在本说明书中，有些术语在它们第一次使用时进行定义，而另一 些在本说明书中使用的术语定义如下。
“通信的”指能够传导或传送信号。
“通信耦合器”指用来连接两个相邻管形构件的各自端部，如相 邻管接头的有螺纹的阴(box)/阳(pin)螺纹端部的装置或结构，信号可 以通过其进行传导。
“通信链路”指多个通信连接的管形构件，如用于远距离传导信 号的互相连接的WDP接头。
“遥测系统”指至少一个通信链路加上其他部件，例如地面的计 算机、MWD/LWD工具、通信异径接头和/或路由器，这些是测量、传 输和指示/记录从井眼或通过井眼得到的数据所需要的。
“有线链路”指沿着或穿过WDP接头至少部分有线的通道，用于 传导信号。
“有线钻管”或“WDP”指一个或多个管形构件——包括钻管、 钻铤、套管、管子和其他管道——其适合用于钻柱，每个管形构件包 括有线链路。有线钻管可包括衬套或衬里，并且可以是可扩张的，以 及其他变动。

本发明涉及数据沿着管道或管接头轴向长度传输，适合用于井下 操作，如钻井。因此，一方面，本发明提供了制造沿其长度传输信号 的管道的方法。本发明的方法包括如下步骤：在管形主体两个端部的 每个端部处或附近，为管形主体装备通信耦合器，并且在管形主体内 定位可扩张管形套筒。该套筒具有预先安排的在施加内部流体压力下 进行初始扩张的部分。一个或多个传导线在管形主体内壁和管形套筒 之间延伸，并且该一个或多个线连接在通信耦合器之间，以便建立有 线链路。通过在管形套筒内壁上施加流体压力，管形套筒在管形主体 内扩张。以这种方式，传导线固定在管形主体和管形套筒之间。
在本发明方法的特殊实施例中，通过在管形套筒内壁上局部施加 机械力；在管形套筒外壁上局部施加机械力；改动管形套筒的部分的 材料特性；或这些的组合，来预先形成(即，在将管形套筒定位在管 形主体内以前形成)管形套筒的预先安排的部分。管形套筒的预先安 排的部分可以以其他方法来限定，例如通过：减小管形套筒的部分的 壁厚、增强除其部分之外的管形套筒、或这些的组合。
另一方面，本发明提供了采用衬垫来制造沿其长度传输信号的管 道的方法。该方法包括如下步骤：在管形主体两个端部的每个端部处 或附近，为管形主体装备通信耦合器，并且在管形主体内壁处或附近 定位伸长的衬垫。一个或多个传导线沿着衬垫延伸，使得一个或多个 线布置在管形主体内壁和衬垫的至少部分之间，并且该一个或多个线 连接在通信耦合器之间，以便建立有线链路。伸长的衬垫固定到管形 主体上。以这种方式，传导线固定在管形主体和衬垫之间。
在本发明的采用衬垫的方法的特殊实施例中，固定衬垫的步骤包 括：在管形主体内定位可扩张管形套筒，使得衬垫布置在管形主体和 可扩张套筒之间，并且将可扩张套筒扩张至与管形主体接合，由此衬 垫固定在可扩张套筒和管形主体之间的步骤。当其定位在管形主体内 时，可扩张管形套筒可呈现不同形状，比如圆柱形或具有大致为U形 的截面。此外，可扩张管形套筒在其中可具有多个轴向定向的狭槽， 以便有助于套筒扩张。
扩张套筒的步骤可包括：在管形套筒内壁上施加流体压力，在管 形套筒内壁上机械施加力，或这些步骤的组合。此外，扩张套筒的步 骤可包括引爆管形套筒内的爆炸物，以便在管形套筒内壁上施加爆炸 力。
在本发明的采用衬垫的方法的进一步实施例中，固定衬垫的步骤 包括沿其长度切割管形套筒的步骤，该管形套筒在这样的切割前具有 直径，该直径防止套筒装配在管形主体内。在被切割的管形套筒上施 加压缩力，以便径向皱缩管形套筒，使其装配在管形主体内。当管形 套筒维持在皱缩状态时，其定位在管形主体内，使得伸长的衬垫定位 在管形主体和管形套筒之间。随后从其皱缩状态释放管形套筒，使得 管形套筒径向扩张至与伸长的衬垫和管形主体接合。
在本发明的采用衬垫的方法的特殊实施例中，其中衬垫是金属 的，固定衬垫的步骤包括将衬垫在沿着其的一个或多个位置焊接到管 形主体内壁上。
在本发明的采用衬垫的方法的进一步实施例中，其中衬垫是玻璃 纤维的，固定衬垫的步骤包括将衬垫结合到管形主体内壁上。此外， 一个或多个传导线可以结合到管形主体的内壁上。
在本发明的采用衬垫的方法的特殊实施例中，管形主体是具有阴 螺纹端部和阳螺纹端部的钻管接头，每个端部配备有通信耦合器。在 该实施例中，连接线的步骤可包括在钻管接头的阴阳螺纹端部形成开 口的步骤，开口从各自通信耦合器延伸至钻管内壁，并且包括延伸一 个或多个传导线穿过开口的步骤。
在本发明的采用衬垫的方法的特殊实施例中，衬垫的形状大致限 定圆柱段，其具有补足管形主体内壁的外弓形表面。在衬垫外弓形表 面上可以形成伸长的凹槽，以接收一个或多个传导线。
在本发明的采用衬垫的方法的特殊实施例中，衬垫是金属、聚合 体、复合物、玻璃纤维、陶瓷或其组合中的一个。
另一方面，本发明提供了采用凹槽来制造沿其长度传输信号的管 道的方法。该方法包括如下步骤：在管形主体两个端部的每个端部处 或附近，为管形主体装备通信耦合器。在管形主体内壁和外壁的至少 一个壁上，形成一个或多个凹槽，其大致在通信耦合器之间延伸。一 个或多个传导线穿过一个或多个凹槽延伸。一个或多个线连接在通信 耦合器之间，以便建立一个或多个有线链路。一个或多个线固定在一 个或多个内凹槽内。
在本发明的采用凹槽的方法的特殊实施例中，一个或多个凹槽形 成在管形主体的内壁上。在该实施例中，固定线的步骤可包括：在一 个或多个凹槽内结合一个或多个线。固定线的步骤可另外包括覆盖一 个或多个凹槽，例如通过围绕管形主体内壁涂上聚合体涂层。覆盖凹 槽的步骤可另外包括：将一个或多个板固定到管形主体内壁上，以便 独立覆盖一个或多个凹槽中的每一个。固定线的步骤可另外包括：延 伸一个或多个线穿过一个或多个第二管道，每个第二管道结合到凹槽 中的一个上，每个第二管道这样成形和定向，使其大致在通信耦合器 之间延伸。
在本发明的采用凹槽的方法的特殊实施例中，一个或多个凹槽形 成在管形主体的外壁上。在该实施例中，固定线的步骤可包括：在一 个或多个凹槽内结合一个或多个线。固定线的步骤可另外包括覆盖一 个或多个凹槽，例如通过围绕管形主体外壁固定套筒。这种套筒可以 是金属、聚合体、复合物、玻璃纤维、陶瓷或其组合中的一个。
另一方面，本发明提供了衬里井下管形构件的可扩张管形套筒， 其包括管形主体，管形主体具有预先安排的在施加内部流体压力下进 行初始扩张的部分。主体的预先安排的部分可以是塑性变形的部分， 例如通过在主体的内壁或外壁上局部施加机械力来形成。主体的预先 安排的部分可另外由具有减小壁厚的主体的部分限定。例如通过增大 除预先安排的部分之外所有地方的壁厚，可实现减小的壁厚。主体的 预先安排的部分可另外通过改动主体的部分的材料特性来形成，例如 通过局部热处理。
另一方面，本发明提供了用于在井眼环境中沿其长度传输信号的 管道，其包括管形主体，在管形主体两个端部的每个端部处或附近， 管形主体装备有通信耦合器。通信耦合器的每个包括具有两个或多个 独立线圈绕组的线圈，每个线圈绕组大致位于分立的线圈圆弧内。两 个或多个导体沿着或穿过管形主体壁独立延伸，并且连接在各自的线 圈绕组之间，以便建立两个或多个独立的有线链路。每个导体包括一 个或多个传导线。
在本发明的管道的特殊实施例中，每个通信耦合器的线圈具有两 个独立的线圈绕组，每个绕组大致位于线圈分立的180°圆弧内。
另一方面，本发明提供了沿管形主体长度传输信号的方法。在管 形主体两个端部的每个端部处或附近，管形主体装备有通信耦合器， 通信耦合器的每个包括具有两个或多个独立线圈绕组的线圈。两个或 多个导体沿着或穿过管形主体壁独立延伸，并且独立的导体连接在各 自独立的线圈绕组之间，以便建立两个或多个独立的有线链路。因此， 当有线链路中的一个(或可能为多个)发生故障时，可维持有线通信。
另一方面，本发明提供了采用衬垫的管道，用于在井眼环境中沿 其长度传输信号。管道包括管形主体，在管形主体两个端部的每个端 部处或附近，管形主体装备有通信耦合器，并且沿管形主体内壁固定 有伸长的衬垫。一个或多个传导线沿着衬垫延伸，使得一个或多个线 布置在管形主体内壁和衬垫的至少部分之间，并且该一个或多个线连 接在通信耦合器之间，以便建立有线链路。伸长的衬垫可以通过在管 形主体内扩张的管形套筒来固定。
另一方面，本发明提供了采用凹槽的管道，用于在井眼环境中沿 其长度传输信号，管道包括管形主体，在管形主体两个端部的每个端 部处或附近，管形主体装备有通信耦合器。在管形主体内壁和外壁的 至少一个壁上，管形主体具有一个或多个凹槽，其大致在通信耦合器 之间延伸。一个或多个传导线延伸穿过并固定在一个或多个凹槽内。 一个或多个线连接在通信耦合器之间，以便建立一个或多个有线链 路。
另一方面，本发明提供了互相连接的管道的系统，用于在井眼环 境中传输信号。管道的每一个包括管形主体，在管形主体两个端部的 每个端部处或附近，管形主体装备有通信耦合器，通信耦合器允许信 号在相邻的互相连接的管道之间传输。沿着管形主体内壁定位伸长的 衬垫，一个或多个传导线沿着衬垫延伸，使得一个或多个线布置在管 形主体内壁和衬垫的至少部分之间。该一个或多个线连接在通信耦合 器之间，以便建立有线链路。管形套筒在管形主体内扩张，使得衬垫 固定在管形主体和扩张的套筒之间。
附图说明
参考附图中所说明的实施例，可给出以上简述的本发明的更详细 描述，以便能够详细了解以上叙述的本发明的特征和优势。然而，应 当说明，附图只是说明了本发明的典型实施例，因而不应认为是其范 围的限定，因为本发明可允许其他同样有效的实施例。
图1是钻柱组件的正视图说明，可以有利地采用带有该组件的本 发明。
图2是有线管道的一个实施例的剖视图说明，可以有利地采用带 有该管道的本发明。
图3是根据图2有线管道的面对的通信耦合器对的部分切掉的透 视图说明。
图4是图3的面对的通信耦合器对的详细剖视图说明，通信耦合 器对锁定在一起，作为操作的管道柱的部分。
图5说明了类似于图2中所示的管道，但采用了可扩张管形套筒， 以固定和保护在根据本发明的通信耦合器对之间的一个或多个传导 线。
图6A-6D说明了实行图5的可扩张套筒的各种方式，以便预先安 排套筒的部分，在施加内部流体压力如液压成形时，进行初始扩张。
图7说明了定位在类似图5的可扩张管形套筒内的爆炸物，用于 在爆炸时扩张套筒。
图8A是类似于图5中显示的管道的剖视图说明，但采用了与可扩 张管形套筒结合的伸长的衬垫，用于固定和保护一个或多个根据本发 明的传导线。
图8B是图8A的管道的透视图说明，在可扩张管形套筒已扩张至 与伸长的衬垫和管道内壁接合之后。
图9A是图8A的管道的截面说明，也具有以虚线说明的替代的U 形可扩张管形套筒。
图9B是图8B的管道的详细截面说明，其中套筒已扩张至与伸长 的衬垫和管道内壁接合。
图10A说明了类似于图5中显示的管道，但采用了焊接的、带凹 槽的伸长的衬垫，以固定一个或多个根据本发明的传导线。
图10B是图10A的管道沿图10A的剖面线10B-10B所截取的截 面说明。
图11A显示了根据本发明的可扩张管形套筒的一个实施例，其配 备有轴向定向的狭槽，以有助于其扩张。
图11B显示了图11A的扩张后的套筒。
图11C显示了用于机械扩张图11A的套筒的心轴。
图12是类似于图9B的详细截面说明，但其中与可扩张管形套筒 无关地采用了伸长的衬垫，并且衬垫结合到管道内壁上。
图13A-B是替代的可扩张管形套筒的截面说明，分别处于收缩和 扩张的状态，被用来固定根据本发明的伸长的衬垫。
图14A是在其内壁采用凹槽的管道的截面说明，用于固定根据本 发明的一个或多个传导线。
图14B说明了配备有覆盖板的图14A的带凹槽管道。
图15是在其外壁采用凹槽及外衬套的管道的截面说明，用于固定 根据本发明的一个或多个传导线。
图16A示意性地说明了根据图2-4的管道的有线链路。
图16B示意性地说明了一对根据本发明的管道所采用的独立有线 链路。

图1说明了传统的钻机和钻柱，在其中可以有利地使用本发明。 如图1所示，平台和塔架组件10定位在穿入地下地层F的井眼11上 方。钻柱12悬挂在井眼11内，并在其下端包括钻头15。钻柱12由钻 台16旋转，钻台由图中未示的装置供给电源，其在钻柱上端接合方钻 杆17。钻柱12通过方钻杆17和旋转接头19从吊钩18悬挂，吊钩接 附于移动块(图中未示)上，旋转接头允许钻柱相对于吊钩旋转。
钻井流体或泥浆26存储在在井场处形成的坑27内。泥浆泵29通 过旋转接头19内的端口(未编号)将钻井流体26输送到钻柱12内部， 导致钻井流体通过钻柱12向下流动，如方向箭头9所示。随后钻井流 体通过钻头15内的端口退出钻柱12，并随后通过钻柱外部和井眼壁之 间的称为环面的区域向上循环，如方向箭头32所示。以此方式，钻井 流体润滑钻头15，并当钻井流体返回至坑27时，将地层切屑带到地面 上，进行筛选和再循环。
钻柱12进一步包括布置于钻头15附近的底部钻具组件(BHA) 20。底部钻具组件20可包括测量、处理和存储信息以及与地面(例如 与MWD/LWD工具)通信的能力。美国专利No.5,339,037中详细描述 了可用于底部钻具组件的通信设备的例子。
可通过换能器31在地面处接收来自底部钻具组件的通信信号，换 能器耦合到井上接收子系统90。接收子系统90的输出随后耦合到处理 器85和记录器45。地面系统可进一步包括与井下仪器通信的发射系统 95。井下仪器和地面系统的通信链路可包括钻柱遥测系统及其他部 件，钻柱遥测系统包括多个有线钻管(WDP)接头。
钻柱12可另外采用“顶部驱动”构造(也是公知的)，其中动力 旋转台旋转钻柱，而不是方钻杆和钻台。本领域中的普通技术人员也 将理解：通过使用公知的Moineau类型的泥浆马达，可另外进行“滑 动”钻井操作，该马达将来自从泥浆坑27向下通过钻柱12抽出的钻 井泥浆26的液压能转化为旋转钻头的转矩。还可以利用在相关技术中 已知的所谓的“旋转可操控”系统来进行钻井。本发明的各个方面适 合于在这些钻井构造的每一个中采用，并不限于传统的旋转钻井操 作。
钻柱12采用有线遥测系统，其中多个WDP接头210在钻柱内互 相连接，以形成通信链路(未编号)。如Boyle等人的美国专利No. 6,641,434所披露的并且转让给本发明的受让人的一种类型的WDP接 头使用通信耦合器——尤其是感应耦合器——来跨越WDP接头传输 信号。根据Boyle等人，WDP接头内的感应耦合器包括变换器，其具 有由高磁导率、低损耗材料如超透磁合金(其是处理为特别高的起始 磁导率的镍铁合金，并适合于低电平信号变换器的应用)制成的环形 磁心。包括多匝绝缘线的绕组盘绕在环形磁心上，以形成环形磁心变 换器。在一个构造中，环形变换器罐封在橡胶或其他绝缘材料中，组 装的变换器凹入到位于钻管连接中的凹槽内。
现在转向图2-4，显示的WDP接头210在其各自的阴螺纹端部222 的端部241和阳螺纹端部232的端部234处或附近，具有通信耦合器 221、231——尤其是感应耦合器元件。第一电缆214以以下将进一步 描述的方式延伸穿过管道213，以连接通信耦合器221、231。
WDP接头210配备有伸长的管形主体211，管形主体具有轴向内 腔212、阴螺纹端部222、阳螺纹端部232及从阴螺纹端部222延伸到 阳螺纹端部232的第一电缆214。第一电流环路感应耦合器元件221(例 如环形变换器)和类似的第二电流环路感应耦合器元件231分别布置 于阴螺纹端部222和阳螺纹端部232处。第一电流环路感应耦合器元 件221、第二电流环路感应耦合器元件231及第一电缆214共同提供了 跨越每个WDP接头长度的通信管道。显示了在两个WDP接头之间的 耦合接口处的感应耦合器(或通信连接)220，其由WDP接头210的 第一感应耦合器元件221和邻接管形构件的第二电流环路感应耦合器 元件231’所构成，该邻接管形构件可以是另一个WDP接头。本领域的 普通技术人员将认识到：在本发明的一些实施例中，感应耦合器元件 可以由其他起类似通信功能的通信耦合器来替代，例如如Denison的美 国专利No.4,126,848中披露的类型的直接电触点连接。
图4更详细地描述了图3的感应耦合器或通信连接220。阴螺纹端 部222包括内螺纹223和具有第一狭槽225的环形内接触肩224，第一 环形变换器226布置在狭槽内。环形变换器226连接到电缆214上。类 似的，邻近有线管形构件(例如另一个WDP接头)的阳螺纹端部232’ 包括外螺纹233’和具有第二狭槽235’的环形内接触管端234’，第二环 形变换器236’布置在第二狭槽内。第二环形变换器236’连接到邻近管 形构件9a的第二电缆214’上。狭槽225和235’可以包覆高传导率、低 磁导率材料(例如铜)，以提高感应耦合的效率。当一个WDP接头的 阴螺纹端部222与邻近管形构件(例如另一个WDP接头)的阳螺纹端 部232’组装时，形成通信连接。这样图4显示了由此得到的接口的部 分的截面，在其中面对的感应耦合器元件对(即环形变换器226、236’) 锁定在一起，以在可操作的通信链路内形成通信连接。该截面视图也 显示了闭合的环形路径240和240’分别围住了环形变换器226和236’， 并且管道213和213’形成了内电缆214和214’的通道，该电缆连接两 个布置于每个WDP接头两端的感应耦合器元件。
上述的感应耦合器包括用双环制成的电耦合器。双环耦合器使用 阴阳螺纹端部的内肩作为电触点。在构成阴阳螺纹端部时，内肩在极 大的压力下实现接合，确保阴阳螺纹端部之间的电连续性。依靠放置 于狭槽中的环形变换器，在连接的金属内感应出电流。在给定频率(例 如100kHz)下，这些电流由集肤深度效应限制在狭槽表面。阴阳螺纹 端部构成各自变换器的次级电路，两个次级电路通过配对的内肩表面 背对背连接。
虽然图3-5描述了某些通信耦合器类型，本领域的普通技术人员将 理解：可使用多种耦合器，用于跨越互相连接的管形构件的信号通信。 例如，这种系统可包括磁耦合器，如Hall等人的国际专利申请No.WO 02/06716中描述的那些。其它系统和/或耦合器也可以设想。
本发明涉及通过一个或多个传导线沿着例如WDP的管道或管接 头的轴向长度传输数据。图5说明了类似于图2中显示的WDP接头的 管道510。因此，管道510由管形主体502所限定，在管形主体各自的 阴阳螺纹端部522、532处或附近，管形主体配备有一对通信耦合器 521、531。例如合金钢钻管的欲用于井下使用的管道，通常包括直的 管子部分(见管形主体502)，其具有下部的阳螺纹连接(见阳螺纹端 部532)和上部的阴螺纹连接(见阴螺纹端部522)。在标准钻管的情 况下，内径(ID)变化，使得最小内径位于端部连接(见ID1)处，而 最大内径位于沿着管主体的中间轴向部分(见ID2)。端部连接内径和 管主体内径的典型差别为0.5至0.75英寸，但在某些情况下可以更大 (例如1.25英寸或更大)。然而应理解：其他井下管道(甚至一些钻 管)并不呈现这种逐缩内径，而是采用贯穿端部连接和主体的恒定内 径。恒定内径钻管的一个例子是Grant Prideco的HiTorqueTM钻管。本 发明适合于具有众多(变化的或恒定的)内径构造的井下管道。
通信耦合器521、531可以是感应耦合器元件，每一个包括环形变 换器(图中未示)，并且通过一个或多个传导线514(这儿也简称为“电 缆”)连接，以在其之间传输信号。通过在加厚(upset)端的每一个 内的“深孔钻的”孔或机加工的凹槽，电缆端部通常布线穿过管道的 “加厚”端，以便到达例如各自的环形变换器。这样，通信耦合器521、 531和电缆514共同提供了沿每个管道510(例如沿每个WDP接头) 的通信链路。
本发明的特殊效用包括固定和保护电传导线或传导线对(也称为 导体)，例如电缆514，其从管道接头的一个端部延伸到另一个端部。 如果只使用一个传导线，管道本身可作为第二导体，以完成电路。通 常将采用至少两个传导线，例如绞合线对或同轴电缆。导体中至少一 个必须与其他导体电绝缘。在某些情形下，出于冗余或其他目的，使 用多于两个导体是理想的。以下将参考图16A-B来描述这种冗余线的 布线例子。
在一个实施例中，通过可扩张管形套筒550来固定和保护导体， 显示的管形套筒布置于(并且扩张于)图5的管形主体502内。设计 套筒550，使得在其未扩张状态下，其将装配入管道510的最狭窄直径 ID1。这样，例如，可扩张管形套筒550的形状最初可以是圆柱形的， 并呈现出比ID1处的管道内径稍窄的外径(OD)。应理解：可扩张管 形套筒最初不需要为圆柱形，可以有利地采用各种构造(例如，如以 下描述的U形)。
在特殊实施例中，可扩张管形套筒具有预先安排的部分，在施加 内部流体压力下，如气压或流体压力，尤其是通过液压成形(下文将 进一步描述)，该部分进行初始扩张。当如套筒550的套筒布置于管 道510内时，电缆514——已经连接在通信耦合器521、531之间以建 立有线链路——沿着管道的管形主体502在管形主体内壁和(未扩张 的)管形套筒550之间延伸。通过在管形套筒内壁上施加流体压力， 管形套筒550随后在管形主体502内扩张，并且扩张起始于预定的位 置(例如在主体502的中心处或附近)。这种扩张具有将电缆514可 靠固定在管形主体502和管形套筒550之间的效果。
图6A-D说明了各种预先形成(即在将管形套筒定位在管形管道主 体内之前形成)类似图5中套筒550的可扩张套筒的方式，以便预先 安排套筒的部分，使其在施加内部流体压力下开始扩张。在本发明方 法的特殊实施例中，通过在管形套筒内壁上局部施加机械力(见图6A 中套筒650的扩张环形部分652)、在管形套筒外壁上局部施加机械力 (见图6B中套筒650’的收缩环形部分652’)、减小管形套筒的部分的 壁厚(见图6C中套筒650”的变薄环形部分652”)、选择性地增强管 形套筒(见图6D中套筒650的未增强环形部分652)、改动管形 套筒的部分的材料特性(例如通过局部热处理——未说明)、或这些 方法的组合，预先形成管形套筒的预先安排的部分。
在例如钻管的管道内扩张可扩张管形套筒的特殊方法，以称为液 压成形的已知过程来使用高压水，液压成形是可以在环境温度下进行 的液压三维扩张过程，以便在管道内固定套筒。管道的管形主体可以 保持在闭合模组件内，而布置在管道内的套筒装满高压的(例如 5,000-10,000psig)例如水的液压流体。液压成形的装备可包括例如多 个密封活塞和液压泵，如本领域中通常已知的。在液压压力施加在套 筒内径上时，通过在端部施加压缩推力(正比于液压压力，例如几千 psig)来轴向供给套筒是理想的。
液压成形过程导致套筒塑性扩张，直至套筒接合并符合管道的内 部轮廓(见例如图5的管形主体502的内径内的套筒550)。使用专用 的金属成形润滑油，以使套筒外径和管道内径之间的摩擦减到最小。 一旦完成液压扩张，过多的套筒材料将轴向延伸出两个管道端部，并 且修整到一定长度。
当去除内部液压压力时，套筒在管道内弹性地稍微收缩，由此在 套筒和管道内径之间留下小的环形间隙。使用已知的真空填充过程， 该间隙可以充满如环氧树脂的聚合体。其也可以充满如树脂的防腐蚀 剂和/或润滑油(例如油或油脂)。填充到材料使腐蚀性流体对环形间 隙的侵入减为最少。其也将套筒在管道内的任何相对运动减为最少。
可扩张管形套筒可具有由金属或聚合体制成的薄壁管形主体，并 呈现稍小于最小钻管内径的直径，以有助于套筒插入到管道内。电缆 在套筒和管道内壁之间延伸。在聚合体套筒的情况下，电缆可以嵌入 到套筒壁内。对于金属套筒，保护性的隔离物(例如金属杆或下文将 进一步描述的伸长的衬垫)定位在电缆附近或周围，以防止电缆在套 筒扩张过程中被压坏。除了保护电缆，可扩张管形套筒也可以保护管 道(尤其是钻管)免受腐蚀、侵蚀或其他破坏。在某些情况下，套筒 能够去掉对任何钻管内径涂层的需要，因而降低了总成本。
钻管接头的一个例子在端部连接处呈现3.00英寸的内径，在管形 套筒主体的中间部分呈现4.276英寸的内径。对于该几何形状，金属管 形套筒需要从正好小于3.00英寸的初始外径扩张到4.276英寸的外 径，以便符合钻管的内径轮廓。这导致接近43％的扩张，并建议使用 可延展的管类材料来液压成形，例如完全退火的304不锈钢管道(3.00” 外径x0.065”壁厚)。在液压成形过程中，也可以预期这种套筒经历充 分的伸长(例如55-60％)。
液压成形过程的目的是以足够的安全裕度实现应变(在管子的所 有点上)在可限定的安全区域的最终状态。适当的实验将指示液压成 形过程所能够实现的套筒壁变薄的程度和由此得到的安全裕度。
现在参考图7，另一个扩张引用为750的管形套筒以便在管道710 内固定并保护电缆714的方法，采用爆炸药包754。以类似于液压成形 的方式，在例如钻管710的管道内放置壁相对薄的套筒750。爆炸药包 754在套筒750内引爆，导致套筒迅速扩张并符合钻管内径。可以采用 金属隔离物(图中未示)来在爆炸过程中保护电缆714免受损坏。理 想地，套筒将通过爆炸力而冶金结合到钻管内径上。然而，为了避免 破坏电缆714，使用相对小量的爆炸物来扩张套筒是足够的，使衬套将 不结合到钻管内径上，但在尺寸和形状上将几乎符合内径(即留下窄 的环形间隙)。如同使用液压成形的套筒，可以在套筒750和钻管712 之间放置树脂或其他保护性材料，以填充任何空隙并确保腐蚀防护。
图8A是与图5中显示的管道510类似的管道810的剖视说明，但 采用了与可扩张管形套筒850结合的伸长的衬垫856，用于固定一个或 多个根据本发明的传导线(也称为电缆)814。图8B是图8A的管道 810的透视图说明，在可扩张管形套筒850已扩张至与伸长的衬垫856 和管道810内壁接合之后。在管形主体802各自的阴阳螺纹端部822、 832处或附近，管道810的管形主体802配备有一对通信耦合器821、 831。伸长的衬垫856定位在管形主体802内壁处或附近，以保护和固 定电缆814，电缆在通信耦合器821、831之间贴靠着管形主体802的 内壁延伸，由此建立可靠的有线链路。伸长的衬垫可为金属构造，允 许其弯曲而适合管道810的内径轮廓。在管道的连接端部内径上机加 工出来的键槽特征件(图中未示)，可用来将衬垫固定在其中。应理 解：例如通过应用合适的粘合剂，衬垫可另外固定到管道内壁上。当 以此方式固定时，在管形套筒850扩张的过程中，可防止衬垫移动。
图9A是管道810的截面说明，显示的圆柱形可扩张管形套筒850 处于未扩张状态，同时也以虚线说明了替代的U形可扩张管形套筒 850’。在套筒插入至管道810内时，替代套筒850’最初具有圆形截面， 并且其直径接近在管道810内的最终扩张直径。通过部分皱缩套筒， 套筒850’预先形成为U形。在任一种情况下，套筒(例如850或850’) 将具有稍小于管道810端部连接处的最小内径(称为ID3)的外径。图 9B是管道810的部分的详细截面说明，其中套筒850已扩张至与伸长 的衬垫856和管道主体802的内壁接合。扩张的套筒与带凹槽的金属 衬垫856一起固定电缆814，电缆在管道(例如钻管)810的端部之间 沿着其内径延伸。金属衬垫856的凹槽858提供了平滑的电缆槽道， 并保护电缆814免受施加在套筒850上的扩张力以及井下环境的影 响。
通过在套筒内壁上施加流体压力(如上参考图5-6的液压成形所描 述的)、通过在管形套筒内壁上机械施加力(见图11C)、或这些步 骤的组合，管形套筒850可以扩张至与衬垫856和管道内壁接合。此 外，扩张套筒的步骤可包括引爆管形套筒内的爆炸物，以便施加爆炸 力到管形套筒的内壁上，如上参考图7所描述的。
图11A-B说明了可扩张管形套筒1150，其配备有多个在其中轴向 定向的狭槽1162，以有助于套筒扩张。这样，在狭槽1162闭合的情况 下，管形套筒1150插入至钻管或其他管道内，如图11A所说明的。机 械的或液压的心轴M(见图11C)用来扩张套筒1150，这张开狭槽 1162，如图11B所示。
再次参考图8-9，伸长的衬垫856的形状大致限定圆柱段，其具有 补足管道主体802内壁的外弓形表面(即伸长的衬垫856是月牙形 的)，以减小套筒850内受到的最大应变。在衬垫856的外弓形表面 上形成伸长的凹槽858，以接收一个或多个传导线(即电缆)814。如 上所述，在套筒850扩张前，衬垫856固定到管道810的内径上，例如 通过将衬垫856胶合到管道内壁上，以确保其在套筒扩张过程中不会 移动。然而，在金属衬垫的情况下，可以预先形成衬垫，以符合管道 (例如钻管)的内径轮廓，其也趋向于在套筒扩张过程中将衬垫保持 在适当位置。在端部连接处或附近，管道810在其内径上可采用狭槽/ 键槽特征件(图中未示)，以布线电缆814从衬垫856的线槽道858 至管道端部822、832处的深孔钻的开口或凹槽(图中未示)。
现在参考图10A-B，应理解：如衬垫1056的伸长的衬垫可以大致 是金属、聚合体、复合物、玻璃纤维、陶瓷或其组合。在衬垫为金属 的特殊实施例中，通过在沿着衬垫1056的一个或多个位置1055(见图 10B)上将衬垫焊接其上，衬垫1056可以固定到管道1010的内壁上。 在这个焊接的构造中，不需要可扩张套筒来固定/保护管道1010内的衬 垫1056。衬垫1056可通过间断焊(例如定位焊)或连续焊来接附于管 道内壁上。可以以多种方法来构造衬垫，例如螺旋线、直线或正弦波。 可使用机器人焊接固定物来到达例如钻管的三十英尺接头的中部。采 用钻管的(或其他管道的)内壁作为线通道的部分，有效地增大了钻 管的直径间隙，并可能减少了侵蚀、泥流压力下降和测井工具的堵塞 等问题。这样该设计使用了跟随钻管的内径轮廓的带凹槽的金属衬垫 或条。安装在该带凹槽的金属条内的线，通过在端部连接内钻的孔布 线到各自管道端部的凹槽。
在衬垫是玻璃纤维的进一步的实施例中，如图12中衬垫1256所 说明的，通过将衬垫1256用环氧树脂1266结合到管道的管形主体内 壁上，如防腐蚀所通常应用的那样，将衬垫固定到管道1210上，此外， 组成电缆1214的一个或多个传导线可以例如使用同样的环氧树脂1266 结合到管形主体内壁上。通过提供多孔织物使与环氧树脂的接触面积 达到最大并确保可靠结合，玻璃纤维衬垫1256帮助电缆1214的附着。 玻璃纤维衬垫也保护电缆免受侵蚀、磨损和其他机械破坏，即使环氧 树脂涂层削掉。
图13A-B是替代的可扩张管形套筒1350的截面说明，分别处于收 缩和扩张状态。采用套筒1350来固定根据本发明的管道1310内的伸 长的衬垫1356。管形套筒1350沿其长度切割(例如轴向或成螺旋形)， 该管形套筒在切割前具有直径，该直径防止套筒装配入表示为ID4的管 道1310的最小内径。在切割后的管形套筒1350上施加压缩力，以便 径向皱缩管形套筒成螺旋形状，使其装配入管道1310的管形主体的端 部连接处的最小间隙ID4。当管形套筒1350维持在皱缩状态时，其定 位于管道1310内，如图13A所说明的。因此，伸长的衬垫1356定位 于管道1310和管形套筒1350之间。随后从其皱缩状态释放(并且可 能迫使其张开)管形套筒1350，使得管形套筒径向扩张至与伸长的衬 垫1356和管道1310的管形主体接合，如图13B所说明的。在该位置， 套筒1350的至少部分将扩张至管道1310的中间主体部分的表示为ID5 的较大内径。可以添加支承环到张开的管形套筒内部，以提供额外的 强度，支承环可以定位焊接在适当位置。
图14A是在其内壁采用一个或多个内凹槽1458的管道1410的截 面说明，用于保护和固定根据本发明的电缆1414。在管道的管形主体 的两个端部的每个端部处或附近，管道1410装备有通信耦合器(图中 未示)。通过机加工或优选地在管挤压成形过程中，在管道的管形主 体内壁上形成内凹槽1458。凹槽1458大致在管道的通信耦合器之间延 伸。具有一个或多个传导线的电缆1414延伸穿过凹槽1458。以类似于 以上对其他实施例所描述的方式，电缆1414连接在通信耦合器之间， 以便建立一个或多个有线链路。电缆1414通过罐封件1466固定在内 凹槽1458内。
凹槽1458可另外包括一个或多个板1448，板结合到管道管形主体 的内壁上，如图14B所示，以便独立覆盖一个或多个凹槽中的每一个。 使用传统焊接方法或通过爆炸成形技术，覆盖条1448可结合到钻管或 其他管道1410上。环氧树脂涂层经常涂到管内径上，以防腐蚀，并且 也可以用来保护凹槽内的线。电缆1414可通过延伸电缆穿过一个或多 个小的第二管道另外固定，每个第二管道结合到凹槽中的一个上或之 内，每个第二管道这样成形和定向，使其大致在通信耦合器(在图14A-B 中未示)之间延伸。
图15是管道1510的截面说明，其采用在其外壁内的一个或多个 凹槽1558和外衬套/套筒1550，用于保护和固定电缆1514，电缆根据 本发明在凹槽1558内具有一个或多个传导线。电缆1514可以罐封在 凹槽内，并且可另外例如通过围绕管道1510外壁固定套筒1550来覆 盖在凹槽内。这种套筒1550可以是金属、聚合体、复合物、玻璃纤维、 陶瓷或其组合中的一个。
本领域的普通技术人员将理解：这儿描述的有线管道非常适合于 整合到钻柱内，作为互相连接的WDP的遥测系统，以在井眼环境中传 输信号。管道的每个包括管形主体，在管形主体两个端部的每个端部 处或附近，管形主体装备有通信耦合器，通信耦合器允许信号在邻近 的互相连接的管道之间传输。在该系统的特殊形式中，例如，伸长的 衬垫和/或可扩张管形套筒沿着管形管道主体内壁定位，并且一个或多 个传导线沿着衬垫/套筒延伸，使得一个或多个线布置在管形主体内壁 和衬垫/套筒的至少部分之间。这儿也称为电缆的一个或多个线连接在 通信耦合器之间，以便建立有线链路。
当然应进一步理解：本发明提高了一定的制造效率。例如，钻管 通常以焊接在一起的三个分立零件来制造。中心零件(管形主体)是 简单的钢管，通过锻造操作来加厚任一端部。端部零件(工具接头或 端部连接)始于锻钢形状，在它们摩擦焊接到管形主体上之前，在其 上机加工出螺纹和其他特征件。
这儿描述的相对于普通管道、尤其是钻管的变动，可以通常在钻 管完全制造后实现。然而，如果在制造过程中进行，某些操作会更为 容易。例如，从变换器线圈到管形管主体的线通道(例如深钻孔)， 可以在机加工管接头的螺纹和肩部的同时进行机加工。类似的，当管 主体内径更易到达时，可以在将工具接头结合到管形主体上的摩擦焊 接操作之前，将凹槽和其他特征件添加到主体上。
前面部分中描述的很多方法可有利地另外合并入制造过程中，并 在某些情况下根据不同的时间来实行方法步骤。例如，可以在任何加 厚和/或焊接步骤前，将线布线特征件建立在钻管的长中间部分内。在 具有均匀内径的钻管内建立线布线特征件，比在端部通常具有较小内 径的完成的钻管内进行同样操作要容易得多。一旦中间部分装配有线 布线特征件，其随后可经历已知的加厚和焊接操作。以下构造方法提 供了内置的线布线特征件，其跨越接近80％的完成的钻管长度(例如 30英尺中的25英尺)。
首先，在加厚操作前，金属或聚合体管形套筒可以在主体内液压 成形。由于内径更为均匀，扩张量将大为减小，简化了操作并提高了 顺应性。将使用分立的布线方法，以从工具接头并通过摩擦焊接来传 达线路。
类似的，在摩擦焊接前，金属套筒可以在管道的管形主体内爆炸 形成。此外，将套筒冶金结合到管上是可能的，有助于加厚过程。类 似的，在摩擦焊接前，金属衬垫可以更容易地焊接在适当位置。
此外，在管形主体加厚和焊接前，可以在管形管形主体内挤压、 形成或机加工包含电缆的内/外凹槽。特别的，挤压的或形成的凹槽比 机加工的要便宜得多，并且其更坚固，且抵抗疲劳。
其他制造变动涉及本发明的有线管道抵抗线路故障或其他故障的 能力。图16A示意性地说明了根据图2-4的管道(例如WDP)的有线 链路。这样，一对相对的环形变换器226、236(各自通信耦合器的部 件)通过电缆214互相连接，电缆具有一对在管道的管形主体内布线 的绝缘传导线。每个环形变换器采用具有高磁导率的磁心材料(例如 超透磁合金)，并且卷绕N匝绝缘线(N为100到200匝)。绝缘线 围绕环形磁心的圆周均匀盘绕，以形成变换器线圈(未分别编号)。 使用四个绝缘焊制的、焊接的或压接的连接或连接器215，来连接电缆 214的线和变换器226、236各自的线圈。
可靠性对于这种WDP接头是非常重要的。如果这种接头中任何线 断了，那么采用发生故障WDP接头的整个WDP系统也发生故障了。 有几种可能发生的故障模式。例如，“虚焊”不是不平常的——其中， 焊料没有正确地结合到两个线上。这些会间歇性地断开并随后在断开 状况发生故障。如果没有牢固固定，长期的振动能导致线疲劳和断开。 热膨胀、冲击或碎片可能损坏或切割用来卷绕环形磁心的线。
图16B示意性地说明了一对根据本发明的例如WDP接头的管道 所采用的独立有线链路。这样，一对相对的环形变换器1626、1636的 每一个包括具有两个独立线圈绕组的线圈系统，每个线圈绕组大致位 于线圈系统的180°圆弧内。更具体说，环形变换器1626具有第一线圈 绕组1626a和第二线圈绕组1626b，其每一个都独立且均匀地围绕变换 器1626的环形磁心的半圆周盘绕。类似的，环形变换器1636具有第 一线圈绕组1636a和第二线圈绕组1636b，其每一个都独立且均匀地围 绕变换器1636的环形磁心的半圆周盘绕。一对称为电缆1614a的绝缘 传导线，通过四个绝缘焊点1615a在线圈绕组1626a、1636a之间延伸 并且在其各自端部处连接线圈绕组。类似的，一对称为电缆1614b的 绝缘传导线，通过四个绝缘焊点1615b在线圈绕组1626b、1636b之间 延伸并且在其各自端部处连接线圈绕组。独立于电缆1614b来布线电 缆1614a(指分开的电通道，但未必是WDP内的远距离布线位置)， 使得电缆和其各自互相连接的线圈绕组建立两个独立的有线链路。
应理解：可以通过使用如图16B所示的双卷绕(或其他多重卷绕) 构造，来提高WDP的可靠性。在该设计中，有第二冗余电路。每个环 形磁心卷绕有两个独立的线圈绕组(以点线和短划线指示)。在特殊 实施例中，每个绕组具有相同数目的匝数(M)。然而，两个卷绕可 具有不同数目的匝数，并且仍提供大部分冗余的好处。如果M＝N，那 么新设计的电磁特性基本与先前设计相同。
因为两个电路是并联的，如果一个电路故障了，另一个电路仍能 够传送遥测信号。此外，传输线的特征阻抗不会明显改变，因此这种 故障将不会增加衰减。如果一个电路故障了，连接线的串联电阻在钻 管的该部分将增加，但不管怎样，连接线的串联电阻并不支配传输损 耗。如果一个电路故障了，环形磁心的漏磁通也将稍微增加，但这也 将具有较小的影响。因为磁心的磁导率非常大，来自一个绕组的大部 分通量仍将保持在该磁心内。
不相关的故障应该大大减少了。例如，以每个焊接操作10-3的发 生率，假设虚焊是不相关的。假定660个钻管(20,000英尺)具有单 一电路，每个钻管有四个焊点。那么该系统的虚焊数是(10-3)(660)(4)， 约为3。如果在钻头行程中，这些虚焊中只有一个故障了，WDP系统 将故障。现在考虑具有冗余、第二电路的WDP。每个钻管现在具有8 个焊点，因此20,000英尺的钻柱将具有(10-3)(660)(8)即约为6个虚焊。 然而，如果这些焊点中的一个故障了，那么第二电路继续传送信号。 第二电路由于虚焊而故障的可能性现在为约10-3。
如果石块或其他小物体接触到线圈绕组并压坏或切割线，可形成 另一种类型的故障。如果两个绕组的每一个大致位于环形变换器相对 半部的180°圆环内，那么两个绕组都损坏的机会大大减小了。物理上 分离两个绕组因此是优选的，但散布两个绕组使每一个占据环形磁心 的360°也是可能的。
如果两个电路在位于环形变换器之间的、沿着钻管的两个不同的 通道上布线，两个电路同时损坏的机会进一步减小了。例如，如果在 沿着钻管载有线的槽道内有任何尖锐边缘，那么冲击和振动可导致线 摩擦这种尖锐边缘，并被切割。在制造过程中，机械零件不完善的修 边可产生这种尖锐边缘。
应理解：从上述描述中，可以对本发明的优选的和替代的实施例 进行各种变动和改变，而不偏离其真正的精神实质。例如，在本发明 的独立有线链路方面，在有线钻管中可采用三个或多个电路，以获得 更大程度的冗余。在这种情况下，每个绕组将大致位于环形变换器的 120°圆弧内。这样，即使一个钻管内的两个电路故障了，第三个电路仍 将传送信号。
其他类型的感应耦合也将受益于冗余电路。例如，已知的WDP系 统在钻管的每个端部处采用感应耦合器，每个耦合器在磁心内包括一 个或多个线环。然而，这种系统中每个钻管只包含一个电路。根据本 发明的独立有线链路方面，可以使用两个或多个独立电路，其中每个 电路包括每个耦合器的一个线环及两个耦合器之间的连接线。
本领域的普通技术人员应进一步理解：根据其各个方面和实施 例，本发明将不限于WDP的应用。这样，例如，本发明的有线链路和 相关方面可有利地应用于并不用来钻井的井下管子、套管等。一个这 样的应用涉及永久的地下设施，其采用传感器来长期监控各种地层参 数。因此，在这种永久监控应用中可采用本发明，来实现地面和永久 的地下传感器之间的通信。
本说明书只是出于说明的目的，不应以限制的意义来解释。本发 明的范围只应当由下面的权利要求书的语言来确定。权利要求书里的 术语“包括”意指“包括至少”，使得权利要求中列举的元件清单是 开集或开群。类似的，术语“包含”、“具有”和“包括”都意指元 件的开集或开群。除非明确地排除，“A”、“an”和其他单数术语有 意包括其复数形式。此外，方法权利要求并不限于该权利要求出现的 步骤的次序或顺序。这样，例如，方法权利要求的第一个列举的步骤 未必一定要在权利要求的第二个列举的步骤之前执行。