BRPI0610567A2 - aparelho e método para comunicações sem fio em um ambiente de operações de perfuração - Google Patents
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Abstract
Uma forma de realização inclui um aparelho para comunicações sem fio em um ambiente de operações de perfuração. Em uma forma de realização, o aparelho inclui um cubo de instrumentos que fica em linha com o tubo de perfuração de uma coluna de perfuração. O cubo instrumento inclui um sensor para receber comunicações furo abaixo. O cubo de instrumentos também inclui um transmissor para transmitir sem fio dados representativos das comunicações furo abaixo para uma unidade processadora de dados.
Description
"APARELHO E MÉTODO PARA COMUNICAÇÕES SEM FIO EM UMAMBIENTE DE OPERAÇÕES DE PERFURAÇÃO"
PRIORIDADE DA INVENÇÃO
Este pedido não-provisório reivindica o benefício deprioridade sob 35 U.S.C. § 119(e) para o Pedido de Patente Provisória U.S.No. de Série 60/584.732, depositado em 1 de julho de 2004, que é aquiincorporado por referência.
CAMPO TÉCNICO
O pedido refere-se genericamente a comunicações. Emparticular, o pedido refere-se a uma comunicação sem fio em um ambiente deoperações de perfuração.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
Durante as operações de perfuração para extração dehidrocarbonetos, uma variedade de técnicas de comunicação e transmissão foitentada para fornecer dados em tempo real das vizinhanças da broca para asuperfície durante a perfuração. O uso de medições enquanto perfurando(MWD), com transmissão de dados em tempo real, fornece substanciaisbenefícios durante uma operação de perfuração. Por exemplo, omonitoramento das condições furo abaixo permite uma resposta imediata aproblemas de controle de poço potenciais e melhora os programas de lama.
A medição de parâmetros tais como peso sobre a broca,torque, desgaste e condição do mancai em tempo real prove operações deperfuração mais eficientes. De fato, taxas de penetração mais rápidas, melhorplanejamento de manobra, reduzidas falhas de equipamento, menores retardospara levantamentos direcionais e a eliminação da necessidade de interrompera perfuração para detecção de pressão anormal são obteníveis empregando-setécnicas MWD.
Além disso, durante uma operação de manobra externa, arecuperação de dados da ferramenta de furo abaixo tipicamente requer que umcabo de comunicação seja conectado nela.
A taxa de dados para baixar dados da ferramenta de furoabaixo através de tais cabos é tipicamente lenta e requer contato físico com aferramenta. Adicionalmente, um operador de equipamento de perfuração deveestar presente para conectar um cabo de comunicação à ferramenta de furoabaixo para transferir dados dela. O cabo de comunicação e os conectores sãocom freqüência avariados pelo meio-ambiente severo do aparelho. Tempo deaparelho valioso é com freqüência perdido pelo manuseio normal do cabo,bem como reparos do cabo. Além disso, se a ferramenta de furo abaixo incluiruma fonte nuclear, a conexão do cabo e a transferência de dados não pode seriniciada, até que tal fonte seja primeiro removida com segurança.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
As formas de realização da invenção podem ser melhorentendidas por referência à seguinte descrição e desenhos anexos, queilustram tais formas de realização. O esquema de numeração para as Figurasincluídas aqui são de modo que o número líder para um dado número dereferência de uma Figura é associado com o número da Figura. Por exemplo,um sistema 100 pode ser localizado na Figura 1. Entretanto, os números dereferência são os mesmos para aqueles elementos que são os mesmos atravésdas diferentes Figuras. Nos desenhos:
A Figura 1 ilustra um sistema para operações de perfuração, deacordo com alguma forma de realização da invenção.
A Figura 2 ilustra um cubo de instrumentos, integrado dentrode uma coluna de perfuração, de acordo com algumas formas de realização dainvenção.
A Figura 3 ilustra um cubo de instrumentos, que incluiatenuadores integrados dentro de uma coluna de perfuração, de acordo comalgumas formas de realização da invenção.
A Figura 4 ilustra um fluxograma de operações de um cubo deinstrumentos, de acordo com algumas formas de realização da invenção.
A Figura 5 ilustra uma ferramenta de furo abaixo, tendo umtransceptor sem fio, de acordo com algumas formas de realização dainvenção.
A Figura 6 ilustra um fluxograma de operações de umaferramenta de furo abaixo, de acordo com algumas formas de realização dainvenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
São descritos métodos, aparelho e sistemas para comunicaçãosem fio em um ambiente de operações de perfuração. Na seguinte descrição,numerosos detalhes específicos são dados. Entretanto, entende-se que asformas de realização da invenção podem ser praticadas sem estes detalhesespecíficos. Em outros exemplos, circuitos, estruturas e técnicas bemconhecidos não foram mostrados em detalhes, a fim de não obscurecer oentendimento desta descrição.
Embora descritas com referência a comunicações sem fio paraoperações de perfuração (tais como Medição Durante Perfuração (MWD) ouRegistro Durante Perfuração (LWD), as formas de realização da invenção nãosão assim limitadas. Por exemplo, algumas formas de realização podem serusadas para comunicações durante uma operação de registro, empregando-seferramentas com linha de comunicação por fios.
Algumas formas de realização incluem um cubo deinstrumentos que é integrado dentro de uma coluna de perfuração paraoperações de perfuração. O cubo de instrumentos pode ser localizado no ouacima do furo de sonda. Por exemplo, o cubo de instrumentos pode serlocalizado no ou acima do piso do equipamento. O cubo de instrumentos podetambém incluir uma antena sem fio bi-direcional para comunicação com umaestação remota em terra. Em algumas formas de realização, o cubo deinstrumentos pode incluir numerosos sensores e atuadores para comunicar-secom a instrumentação que está no fundo do poço. O cubo de instrumentospode também incluir uma bateria para energizar a instrumentação dentro docubo de instrumentos. Por conseguinte, algumas formas de realização incluemum cubo de instrumentos integrado dentro da coluna de perfuração, que nãorequer fiação externa para energia ou comunicações. Portanto, algumasformas de realização permitem comunicações com instrumentação furoabaixo, enquanto as operações de perfuração ou perfuração continuam aocorrer. Além disso, algumas formas de realização permite comunicação semfio entre o cubo de instrumentos e uma estação remota em terra, enquanto asoperações de perfuração continuam. Portanto, a coluna de perfuração podecontinuar a girar enquanto estas diferentes comunicações estão ocorrendo.Além disso, em razão de os sensores e atuadores dentro do cubo deinstrumentos serem integrados dentro da coluna de perfuração, algumasformas de realização permitem uma melhor relação sinal-para-ruído, emcomparação com outras abordagens.
Algumas formas de realização incluem uma ferramenta de furoabaixo (que é parte da coluna de perfuração), que inclui uma antena paracomunicação sem fio, com uma estação remota em terra. A antena pode serseparada dos outros componentes da ferramenta de furo abaixo, usada paramedir parâmetros de furo abaixo. Em algumas formas de realização, os dadosarmazenados em um meio legível por máquina (por exemplo, uma memória)da ferramenta de furo abaixo podem ser recuperados durante uma operação demanobra externa, após a antena ficar em faixa de comunicação da estaçãoremota em terra. Desta maneira, o tempo da operação de manobra externapode ser reduzido porque não há necessidade de fisicamente conectar umcabo de comunicação com a ferramenta de furo abaixo antes da transferênciade dados. Sem dúvida, a transferência de dados pode começar após a antenaficar em faixa de comunicação da estação remota em terra. Portanto, algumasformas de realização reduzem a perda de valioso tempo do aparelho deperfuração, associado com manuseio de cabo normal e seus reparos.
A Figura 1 ilustra um sistema para operações de perfuração, deacordo com algumas formas de realização da invenção. Um sistema 100 incluium equipamento de perfuração 102, localizado em uma superfície 104 de umpoço. O equipamento de perfuração 102 fornece suporte para uma coluna deperfuração 108. A coluna de perfuração 108 penetra em uma mesa rotativa110 para perfurar um furo de sondagem 112 através de formações desubsuperfície 114. A coluna de perfuração 108 inclui uma haste quadrada 116(na parte superior), um tubo de perfuração 118 e uma unidade de furo abaixo120 (localizada na parte inferior do tubo de perfuração). A unidade de furoabaixo 120 pode incluir um colar de perfuração 122, uma ferramenta de furoabaixo 124 e uma broca de perfuração 126. A ferramenta de furo abaixo 124pode ser qualquer uma de numerosos diferentes tipos de ferramentas,incluindo ferramentas de Medição Durante Perfuração (MWD), ferramentasde Registro Durante Perfuração (LWD), um impulsor de topo etc. Emalgumas formas de realização, a ferramenta de furo abaixo 124 pode incluiruma antena, para permitir comunicação sem fio com uma estação remota emterra. Uma descrição mais detalhada da ferramenta de furo abaixo 124 é dadaabaixo.
Durante as operações de perfuração, a coluna de perfuração108 (incluindo a haste quadrada 116, o tubo de perfuração 118 e a unidade defuro abaixo 120) pode ser girada pela mesa rotativa 110. Em adição ou emalternativa a tal rotação, a unidade de furo abaixo 120 pode também ser giradapor um motor (não mostrado), que fica no furo abaixo. O colar de perfuração122 pode ser usado para adicionar peso à broca de perfuração 126. O colar deperfuração 122 pode também enrijecer a unidade de furo abaixo 120, parapermitir que a unidade de furo abaixo 120 transfira o peso para a broca deperfuração 126. Por conseguinte, este peso provido pelo colar de perfuração122 também auxilia a broca de perfuração 126 na penetração da superfície104 e nas formações de subsuperfície 114.
Durante as operações de perfuração, uma bomba de lama 132pode bombear fluido de perfuração (conhecido como "lama de perfuração")de um buraco de lama 134, através de uma mangueira 136, para dentro dotubo de perfuração 118 até a broca de perfuração 126. O fluido de perfuraçãopode fluir para fora da broca de perfuração 126 e retornar de volta para asuperfície através de uma área anular 140, entre o tubo de perfuração 118 e oslados do furo de sondagem 112. O fluido de perfuração pode então serretornado para o buraco de lama 134, onde tal fluido é filtrado. Portanto, ofluido de perfuração pode esfriar a broca de perfuração 126, bem comofornecer lubrificação da broca de perfuração 126 durante operação deperfuração. Adicionalmente, o fluido de perfuração remove as aparas dasformações de subsuperfície 114, criadas pela broca de perfuração 126.
A coluna de perfuração 108 (incluindo a ferramenta de furoabaixo 124) pode incluir um a numerosos diferentes sensores 151, quemonitoram diferentes parâmetros de furo abaixo. Tais parâmetros podemincluir a temperatura e pressão de furo abaixo, as várias características dasformações de subsuperfície (tais como resistividade, densidade, porosidadeetc), as características do furo de sondagem (por exemplo, tamanho, formatoetc.) etc. A coluna de perfuração 108 pode também incluir um transmissoracústico 123, que transmite sinais de telemetria na forma de vibraçõesacústicas dentro da parede de tubulação da coluna de perfuração 108. Umcubo de instrumentos 115 é integrado dentro do (parte da coluna deperfuração 108) e acoplado à haste quadrada 116. O cubo de instrumentos 115fica em linha e funciona como parte do tubo de perfuração 118. Em algumasformas de realização, o cubo de instrumentos 115 pode incluir transceptorespara comunicação com instrumentação furo abaixo. O cubo de instrumentos115 pode também incluir uma antena sem fio. O sistema 100 também incluiuma antena remota 190, acoplada a uma estação remota em terra 192. Aantena remota 190 e/ou a estação remota em terra 192 pode ou não serposicionada próxima ao ou sobre o piso do equipamento de perfuração. Aestação remota em terra 192 pode comunicar-se sem fio (194) utilizando aantena remota 190 com o cubo de instrumentos 115 utilizando a antena semfio. Uma descrição mais detalhada do cubo de instrumentos 115 é dadaabaixo.
A Figura 2 ilustra um cubo de instrumentos integrado dentrode uma coluna de perfuração, de acordo com algumas formas de realização dainvenção. Em particular, a Figura 2 ilustra o cubo de instrumentos 115 emlinha com a coluna de perfuração, entre a haste quadrada /impulsor de topo225 e uma seção do tubo de perfuração 202. O cubo de instrumentos 115 e otubo de perfuração 202 incluem uma abertura 230, para a passagem da lamade perfuração da superfície para a broca de perfuração 126. Em algumasformas de realização, o tubo de perfuração 202 pode ser ligado por fio, talcomo Intellipipe®. Portanto, as comunicações entre o cubo de instrumentos115 e a instrumentação furo abaixo podem ser através do fio do tubo ligadopor fio.
Alternativamente ou em adição, a comunicação entre o cubode instrumentos 115 e a instrumentação furo abaixo pode ser baseada no pulsode lama, comunicações acústicas, comunicações ópticas etc. O cubo deinstrumentos 115 pode incluir sensores/calibres 210. Os sensores/calibres 210podem incluir acelerômetros para medir as ondas acústicas transmitidas pelainstrumentação furo abaixo. Os acelerômetros podem também monitorar adinâmica da coluna de perfuração de baixa freqüência e medir o ruído debroca gerado deslocando-se tubo de perfuração acima. Os sensores/calibres210 podem incluir sensores interruptores de fluxo magnético, para detectarcampos magnéticos que podem ser gerados pela instrumentação do furoabaixo 124. Por exemplo, os sensores interruptores de fluxo magnético podemser usados para detectar um componente de campo magnético de um campoeletromagnético que pode ser representativos da comunicação de dados sendotransmitida pela instrumentação da ferramenta de furo abaixo 124. Ossensores/calibres 210 podem incluir calibres de tensão para monitorar asvariações de torque e carga aplicados. Os calibres de tensão podem tambémmonitorar o comportamento de baixa freqüência do tubo de perfuração. Emalgumas formas de realização, os sensores/calibres 210 podem incluir calibresde pressão para monitorar a pressão de fluxo de lama e para medir os pulsosde telemetria dos pulsos de lama propagando-se através da coroa anular dotubo de perfuração. Em algumas formas de realização, a leitura domanômetro, em combinação com a leitura de pressão do tubo vertical, podeser processada implementando-se técnicas de processamento de sistema desensores, para aumentar a relação de sinal para ruído dos pulsos de lama. Ossensores/calibres 210 podem incluir calibres de profundidade acústica ouóptica, para monitorar o comprimento da coluna de perfuração 108 do piso doequipamento. Em algumas formas de realização, os sensores/calibres 210podem incluir elementos de torque e carga para monitorar o peso sobre abroca (WOB) e o torque sobre a broca (TOB). Os sensores/calibres 210podem incluir uma bobina de indução, para comunicação através do tuboligado por fio. Os sensores/calibres 210 podem incluir um transceptor óptico,para comunicação através de fibra óptica de furo abaixo.
Os sensores/calibre 210 podem ser acoplados ao codificador208. O codificador 208 pode fornecer condicionamento de sinal, conversão deanalógico para digital (A-para-D) e codificação. Por exemplo, o codificador208 pode receber os dados dos sensores/calibres 210 e condicionar o sinal. Ocodificador 208 pode digitar e codificar o sinal condicionado. Ossensores/calibre 210 pode ser acoplado a um transmissor 206. O transmissor206 pode ser acoplado à antena 204. Em algumas formas de realização, aantena 204 compreende uma antena enrolada em volta. Tais configuraçõespermitem que a transmissão e recepção sem fio sejam direcionalmenteinsensíveis ao prover um campo de transmissão uniforme, transversal àcoluna de perfuração 108.
A antena 204 pode também ser acoplado a um receptor 212. Oreceptor 212 é acoplado a um decodificador 214. O decodificador 214 podeser acoplado ao acionador de enlace descendente 216. O acionador de enlacedescendente 216 pode ser acoplado ao transmissor de enlace descendente 218.O transmissor de enlace descendente 218 pode incluir componentes para gerarsinais acústicos, sinais de pulso de lama, sinais elétricos, sinais ópticos etc.para transmissão de dados para a instrumentação furo abaixo. Por exemplo, otransmissor de enlace descendente 218 pode incluir uma pilha piezoelétricapara gerar um sinal acústico. O transmissor de enlace descendente 218 podeincluir um mecanismo de válvula eletromecânica (tal como um atuadoreletromecânico) para gerar sinais telemétricos de pulso de lama. Em algumasformas de realização, o transmissor de enlace descendente 218 pode incluirinstrumentação para gerar sinais elétricos que são transmitidos através do fiodo tubo ligado por fio. O transmissor de enlace descendente 218 pode tambémincluir instrumentação para gerar sinais ópticos, que são transmitidos atravésdos cabos ópticos, que podem ficar dentro da coluna de perfuração 108.
Em algumas formas de realização, o cubo de instrumentos 115pode também incluir uma bateria 218, que é acoplada a um conversor de DC(Corrente Contínua) 220. O conversor DC 220 pode ser acoplado a diferentescomponentes do cubo de instrumentos 115, para fornecer energia para estescomponentes.
A Figura 3 ilustra um cubo de instrumentos que incluiatenuadores integrados em uma coluna de perfuração de acordo com algumasformas de realização da invenção. Em particular, a Figura 3 ilustra o cubo deinstrumentos 115, de acordo com algumas formas de realização da invenção.O cubo de instrumentos 115 inclui a antena 204 e instrumentação/bateria302A-302B (como descrito acima na Figura 2). O cubo de instrumentos 115pode também incluir os atenuadores 304A-304N. Os atenuadores 304A -304B podem reduzir o ruído que é gerado pela haste quadrada/impulsor detopo 225, que pode interferir com os sinais sendo recebidos do furo abaixo.Os atenuadores 304 podem também reduzir o ruído produzido pelas reflexõesdos sinais (recebidos do furo abaixo) de volta para dentro do cubo deinstrumentos 115 da haste quadrada /impulsor de topo 225.
É agora feita uma descrição mais detalhada de algumas formasde realização das operações do cubo de instrumentos 115. Em particular, aFigura 4 ilustra um fluxograma de operações de um cubo de instrumentos deacordo com algumas formas de realização da invenção.
No bloco 402, um primeiro sinal é recebido da instrumentaçãoque está no furo abaixo para dentro de um cubo de instrumentos, que éintegrado dentro de uma coluna de perfuração. Com referência às formas derealização das Figuras 1 e 2, o cubo de instrumentos 115 pode receber oprimeiro sinal da instrumentação da ferramenta de furo abaixo 124. Porexemplo, a instrumentação pode incluir uma pilha piezoelétrica, que gera umsinal acústico; um pulsador de lama para gerar pulsos de lama; eletrônica paragerar sinais elétricos; etc. Um dos sensores/calibres 210 pode receber oprimeiro sinal. Por exemplo, um sensor acústico pode receber o sinal acústicomodulado ao longo da coluna de perfuração 108. Um dispositivo sensor depressão pode ser posicionado para receber os pulsos de lama ao longo dacoroa anular. Os sensores podem incluir bobinas de indução ou transdutoresóptico, para receber um sinal elétrico ou óptico, respectivamente. O controlecontinua no bloco 404.
No bloco 404, o primeiro sinal é transmitido sem fio,empregando-se uma antena que é enrolada em torno do cubo de instrumentos,para uma unidade processadora de dados remota. Com referência às formas derealização das Figuras 1 e 2, o codificador 208 pode receber o primeiro sinaldos sensores/calibres 210 e codificar o primeiro sinal. O codificador 208 podecodificar o primeiro sinal usando-se numerosos diferentes formatos.
Por exemplo, comunicação entre o cubo de instrumentos 115 ea estação remota em terra 192 pode ser formatada de acordo com as normasCDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Código) 2000 e WCDMA (CDMAde banda larga), uma norma TDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de tempo)e uma norma FDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Freqüência). Acomunicação pode também ser formatada de acordo com uma norma doInstitute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11, 802,16 ou802.20.
Para mais informações referentes a várias normas IEEE802.11, por favor reportar-se às "IEEE Standards for Information Technology- Telecommunications and Information Exchange between Systems - Localand Metropolitan Area Network - Specific Requirements - Part 11: WirelessLAN Médium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY), ISO/IEC8802-11: 1999" e emendas relacionadas. Para mais informação referente àsnormas IEEE 802.16, por favor reportar-se à "IEEE Standard for Local andMetropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed BroadbandWireless Systems, IEEE 802.16 - 2001", bem como emendas e normasrelacionadas, incluindo "Médium Acess Control Modifications and AdditionalPhysical Layer Specifications for 2-11 GHz, IEEE 802.16a-2003". Para maisinformação referente às normas IEEE 802.20, por favor reportar-se a "IEEEStandard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 20: Standard AirInterface for Mobile Broadband Wireless Acess Systems SupportingVehicular Mobility - Physicaland Media Acess Control Layer Specification,IEEE 802.20 PD-02, 2002", bem como emendas e documentos relacionados,incluindo "Mobile Broadband Wireless Acess Systems "Five Criteria"Vehicular Mobility, IEEE 802.20 PD-03, 2002".
Para mais informações referentes às normas WCDMA, porfavor reportem-se às várias especificações 3rd Generation Partnership Project(3GPP), incluindo "IMT-2000 DS-CDMA System", ARIB STD-T63 Verf.1.4303.100 (Draft), Association of Radio Industries and Business (ARIB),2002. Para mais informações referentes a normas CDMA 2000, por favorreportem-se a várias especificações 3rd Generation Partnership Project 2(3GPP2), incluindo "Physical Layer Standard for CDMA2000 SpreadSpectrum Systems," 3GPP2 C.S0002-D, Ver. 1.0, Rev. D, 2004.
A comunicação entre o cubo de instrumentos 115 e a estaçãoremota em terra 192 pode ser baseada em numerosas diferentes técnicas deespectro de dispersão. As técnicas de espectro de dispersão podem incluirespectro de dispersão de salto de freqüência (FHSS), espectro de dispersão deseqüência direta (DSSS), multiplexação de domínio de freqüência ortogonal(OFDM) ou especificações de múltipla entrada múltipla saída (MIMO) (istoé, antena múltipla), por exemplo.
O transmissor 206 pode receber o sinal codificado docodificador 208 e transmitir sem fio o sinal codificado através da antena 204para a estação remota em terra 192. O controle continua no bloco 406.
No bloco 406, um segundo sinal é recebido sem fio,empregando-se a antena que é enrolada em torno do cubo de instrumentos115, da unidade de processamento de dados remota. Com referência às formasde realização das Figuras 1 e 2, o receptor 212 pode receber sem fio, atravésda antena 204, o segundo sinal da estação remota em terra 192 (através daantena 190). O receptor 212 pode desmodular o segundo sinal. Odecodificador 214 pode receber e decodificar o sinal desmodulado. Odecodificador 214 pode decodificar o sinal desmodulado com base no formatode comunicação usado para comunicações entre a antena 214 e a antenaremota 190 (como descrito acima). O controle continua no bloco 408.
No bloco 408, o segundo sinal é transmitido para ainstrumentação furo abaixo. Com referência às formas de realização dasFiguras 1 e 2, o acionador de enlace descendente 216 Pode receber o sinaldecodificado do decodificador 214. O acionador de enlace descendente 216pode controlar o transmissor de enlace descendente 218, para gerar um sinal(representativo de dados do segundo sinal) que é transmitido para ainstrumentação da ferramenta de furo abaixo 124. Por exemplo, o transmissorde enlace descendente 218 pode ser uma pilha piezoelétrica, que gera umsinal acústico, que é modulado ao longo da coluna de perfuração 108. Otransmissor de enlace descendente 218 pode ser um pulsador de lama, quegera pulsos de lama dentro da lama de perfuração escoando através daabertura 230. O transmissor de enlace descendente 218 pode ser um circuitopara gerar um sinal elétrico ao longo do fio dentro do tubo de fio da coluna deperfuração 108. o transmissor de enlace descendente 218 pode também ser umcircuito para gerar um sinal óptico ao longo de um meio de transmissão óptica(tal como uma linha de fibra óptica etc).
Embora as operações do fluxograma 400 sejam mostradas emuma dada ordem, as formas de realização não são assim limitadas. Porexemplo, as operações podem ser realizadas simultaneamente em parte ou emuma ordem diferente. Como descrito, não ha exigência para parar asoperações de perfuração (incluindo a rotação da coluna de perfuração 108)enquanto as operações do fluxograma 400 estão sendo realizadas. Porconseguinte, as formas de realização podem permitir que as operações deperfuração sejam realizadas mais rápida e precisamente.
A Figura 5 ilustra uma ferramenta de furo abaixo, que incluium transceptor sem fio e é parte de um sistema para operações de perfuração,de acordo com algumas formas de realização da invenção. Em particular, aFigura 5 ilustra a ferramenta de furo abaixo 124 dentro de um sistema 500(que é similar ao sistema 100 da Figura 1), de acordo com algumas formas derealização da invenção. Como mostrado, a coluna de perfuração 108, queinclui a ferramenta de furo abaixo 124 e a broca de perfuração 126, está sendorecuperada do furo abaixo durante uma operação de manobra para fora.A ferramenta de furo abaixo 124 inclui uma antena 502 e umsensor 504. O sensor 504 pode ser representativo de um a numerosossensores, que podem medir numerosos diferentes parâmetros, tais como atemperatura e pressão de furo abaixo, as várias características das formaçõesde subsuperfície (tais como a resistividade, densidade, porosidade etc), ascaracterísticas do furo de sonda (por exemplo, tamanho, formato etc.) etc. Aantena 502 pode ser usada para comunicação sem fio com a estação remotaem terra 192 (mostrada na Figura 1), durante uma operação de manobra dacoluna de perfuração 108. Em algumas formas de realização, a antena 502não é usada para medir os parâmetros do furo abaixo.
A comunicação entre a antena 502 da ferramenta de furoabaixo 124 e a estação remota em terra 192 pode ser formatada de acordo comas normas CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Código) 2000 e WCDMA(CDMA de banda larga), uma norma TDMA (Acesso Múltiplo por Divisão deTempo) e uma norma FDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Freqüência). Acomunicação pode também ser formatada de acordo com uma norma doInstitute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11, 802.16 OU802.20. A comunicação entre a antena 502 e a estação remota em terra 192pode ser baseada em numerosas diferentes técnicas de espectro de dispersão.
As técnicas de espectro de dispersão podem incluir espectro de dispersão desalto de freqüência (FHSS), espectro de dispersão de seqüência direta (DSSS),multiplexação de domínio de freqüência ortogonal (OFDM), ouespecificações de múltipla entrada múltipla saída (MIMO) (isto é, antenamúltipla), por exemplo.
Uma descrição mais detalhada de algumas formas derealização das operações da ferramenta de furo abaixo 124 é agora feita. Emparticular, a Figura 6 ilustra um fluxograma de operações de uma ferramentade furo abaixo de acordo com algumas formas de realização da invenção.
No bloco 602 de um fluxograma 600, um parâmetro de furoabaixo é medido, empregando-se um sensor em uma ferramenta de furoabaixo de uma coluna de perfuração, enquanto a ferramenta de furo abaixoestá abaixo da superfície. Com referência às formas de realização das Figuras1 e 5, o sensor 504 pode medir numerosos parâmetros de furo abaixo, duranteuma operação de Registro durante Perfuração (LWD). Estas medições podemser armazenadas em um meio legível por máquina, dentro da ferramenta defuro abaixo 124. O controle continua no bloco 604.
No bloco 604, o parâmetro de furo abaixo é transmitido semfio, usando-se uma antena de ferramenta de furo abaixo, para uma estaçãoremota em terra, durante uma operação de manobra para fora da coluna deperfuração e após a ferramenta de furo abaixo estar aproximadamente na oupróxima da superfície. Com referência às formas de realização das Figuras 1 e5, a antena 502 pode realizar esta comunicação sem fio do parâmetro de furoabaixo para a estação remota em terra 192 (utilizando-se a antena 190). Porexemplo, em algumas formas de realização, a estação remota em terra 192pode começar uma operação de pingue sem fio após uma operação demanobra para fora começar. Tal operação de pingue pode ser iniciada por umoperador de equipamento de perfuração. Após a antena 502 receber estepingue e transmitir um pongue em retorno, a antena 502 pode começar acomunicação sem fio de pelo menos parte dos dados armazenados no meiolegível por máquina (por exemplo, memória) da ferramenta de furo abaixo124. Portanto, dependendo da faixa de comunicação, esta comunicação semfio pode começar enquanto a ferramenta de furo abaixo 124 está aindaembaixo da superfície. Em algumas formas de realização, a ferramenta defuro abaixo 124 pode incluir instrumentação para detectar a constantedielétrica do ar. Por conseguinte, após esta detecção do ar ter ocorrido durantea operação de manobra para fora, a antena 502 pode começar a comunicaçãosem fio. por exemplo, a detecção do ar pode ocorrer após a ferramenta de furoabaixo estar acima da superfície da terra.Na descrição, numerosos detalhes específicos, tais comoimplementações lógicas, opcódigos, meios para especificar operandos,implementações de partição/compartilhamento/duplicação de recursos, tipos einter-relacionamentos dos componentes do sistema e escolhas deposicionamento/integração lógicos são expostos em ordem, para fornecer umentendimento mais completo da presente invenção. Será observado,entretanto, por aqueles hábeis na técnica, que as formas de realização dainvenção podem ser praticadas sem tais detalhes específicos. Em outrosexemplos, estruturas de controle, circuitos de nível de porta e seqüênciascompletas de instrução de software não foram mostradas em detalhe, a fim denão obscurecer as formas de realização da invenção. Aqueles de habilidadecomum na técnica, com as descrições inclusas, serão capazes de implementarapropriada funcionalidade, sem indevida experimentação.
Referências na especificação a "uma forma de realização","uma forma de realização exemplo" etc. indicam que a forma de realizaçãodescrita pode incluir um aspecto, estrutura ou característica particular. Alémdisso, tais frases não estão necessariamente referindo-se à mesma forma derealização. Ademais, quando um aspecto, estrutura ou característica particularé descrito com relação a uma forma de realização, é sugerido que se encontradentro do conhecimento de uma pessoa hábil na técnica afetar tal aspecto,estrutura ou característica com relação a outras formas de realização, quer ounão explicitamente descrito.
Numerosas figuras mostram diagramas de bloco de sistemas eaparelho para comunicação sem fio em um ambiente de operações deperfuração, de acordo com algumas formas de realização da invenção.Numerosas figuras mostram fluxogramas ilustrando operações paracomunicação sem fio em um ambiente de operações de perfuração, de acordocom algumas formas de realização da invenção. As operações dosfluxogramas são descritas com referência aos sistemas/aparelhos mostradosnos diagramas de bloco. Entretanto, deve ser entendido que as operações dosfluxogramas poderiam ser realizadas pelas formas de realização dos sistemase aparelhos que não aqueles examinados com referência aos diagramas debloco, e as formas de realização examinadas com referência aossistemas/aparelhos poderiam realizar operações diferentes daquelas debatidascom referência aos fluxogramas.
Em vista da larga variedade de permutações para as formas derealização aqui descritas, esta descrição detalhada é destinada a ser somenteilustrativa e não deve ser entendida como limitando o escopo da invenção. Oque é reivindicado como a invenção, portanto, são todas as modificações quepossam situar-se dentro do escopo e espírito das seguintes reivindicações eseus equivalentes. Portanto, a especificação e desenhos devem serconsiderados em um sentido ilustrativo em vez de restritivo.
Claims (32)
1. Aparelho para comunicações sem fio em um ambiente deoperações de perfuração, caracterizado pelo fato de compreender:um cubo de instrumentos que fica em linha com o tubo deperfuração de uma coluna de perfuração, em que o cubo de instrumentoscompreende:um sensor para receber comunicação de instrumentação furoabaixo; eum transmissor para transmitir sem fio dados representativosdas comunicações furo abaixo para uma unidade de processamento de dados.
2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do cubo de instrumentos compreender ainda uma antena.
3. Aparelho de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato da antena incluir uma antena enrolada em volta.
4. Aparelho de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato da antena ser para receber comunicações do processador de dados daunidade de processamento de dados, em que o cubo de instrumentoscompreende ainda um decodificador para decodificar as comunicações doprocessador.
5. Aparelho de acordo com a reivindicação 4, caracterizadopelo fato do cubo de instrumentos compreender ainda um transmissor deenlace descendente, para receber as comunicações decodificadas deprocessador de dados do decodificar e transmitir as comunicaçõesdecodificadas do processador de dados para a instrumentação furo abaixo.
6. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do sensor incluir um acelerômetro e um regulador de fluxo.
7. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do cubo de instrumentos compreender ainda um meio para fornecerenergia para o sensor e a antena.
8. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do cubo de instrumentos ficar na ou acima da superfície da terra.
9. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato da antena ser sem fio para transmitir as comunicações furo abaixo,que são formatadas de acordo com uma de uma norma do Institute ofElectrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11, uma norma do IEEE 802.16, uma norma do IEEE 802.20, uma norma do Acesso Múltiplo porDivisão de Código (CDMA) 2000 e uma norma do CDMA de banda larga.
10. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de o tubo de perfuração compreender um tubo provido de fio e emque o sensor compreende uma bobina de indução para receber ascomunicações furo abaixo, através de um sinal elétrico transmitido ao longodo fio do tubo provido de fio.
11. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do transmissor ser para transmitir sem fio, enquanto a coluna deperfuração está em rotação.
12. Aparelho para comunicações sem fio em um ambiente deoperações de perfuração, caracterizado pelo fato de compreender:um cubo de instrumentos que é integrado dentro de umacoluna de perfuração, em que o cubo de instrumentos compreende:um sensor para receber, durante operações de perfuração,comunicações analógicas da instrumentação que está no furo abaixo;um conversor de analógico para digital, para converter ascomunicações analógicas em comunicações digitais, durante operações deperfuração;uma antena; eum transmissor para energizar a antena para transmitir sem fioas comunicações digitais para uma unidade processadora de dados remota,enquanto a coluna de perfuração está girando.
13. Aparelho de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato das comunicações analógicas incluírem comunicações acústicas.
14. Aparelho de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato das comunicações analógicas incluírem comunicações de pulso de lama.
15. Aparelho de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato da antena enrolada em volta é para receber comunicações da unidaderemota de processamento de dados.
16. Aparelho de acordo com a reivindicação 13, caracterizadopelo fato do cubo de instrumentos compreender ainda um transmissor decomunicações, para transmitir as comunicações recebidas pela antenaenrolada em volta para a instrumentação furo abaixo.
17. Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato do transmissor de comunicações inclui uma pilha piezoelétrica.
18. Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato do transmissor de comunicações incluir um elementomagnetorestriti vo.
19. Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato do transmissor de comunicações incluir um atuador eletromecânico,para transmitir as comunicações através de pressão dentro da coluna de lama.
20. Aparelho para comunicações sem fio em um ambiente deoperações de perfuração, caracterizado pelo fato de compreender:uma ferramenta de furo abaixo que compreende:um repositório de dados para armazenar dados relacionadoscom um parâmetro medido; eum transmissor sem fio para transmitir sem fio os dados parauma estação remota em terra, após o transceptor sem fio estar em faixa decomunicação de um receptor da estação remota em terra.
21. Aparelho de acordo com a reivindicação 20, caracterizadopelo fato de compreender um sensor para medir o parâmetro de comunicação.
22. Aparelho de acordo com a reivindicação 20, caracterizadopelo fato da ferramenta de furo abaixo compreender uma fonte nuclear.
23. Aparelho de acordo com a reivindicação 20, caracterizadopelo fato do transceptor sem fio ser para transmitir sem fio os dados que sãoformatados de acordo com uma de uma norma do Institute of Electrical andElectronics Engineers (IEEE) 802.11, uma norma do IEEE 802.16, umanorma do IEEE 802.20, uma norma do Acesso Múltiplo por Divisão deCódigo (CDMA) 2000 e uma norma do CDMA de banda larga.
24. Aparelho de acordo com a reivindicação 20, caracterizadopelo fato da faixa de comunicação ser na ou próximo da superfície de um furode sondagem.
25. Aparelho de acordo com a reivindicação 20, caracterizadopelo fato da ferramenta de furo abaixo ser parte de uma coluna de perfuraçãoe o transceptor sem fio ser para transmitir sem fio os dados, enquanto a colunade perfuração está sendo manobrada.
26. Aparelho de acordo com a reivindicação 20, caracterizadopelo fato do transmissor sem fio ser afixado ao repositório de dados, após aferramenta de furo abaixo ser manobrada para fora aproximadamente próximoda superfície.
27. Aparelho para comunicações sem fio em um ambiente deoperações de perfuração, caracterizado pelo fato de compreender:um cubo de instrumentos que fica em linha com o tubo deperfuração de um coluna de perfuração e posicionado no ou acima do piso doequipamento durante uma operação de perfuração, em que o cubo deinstrumentos compreende um calibre de pressão para monitorar a pressão dofluxo de lama que é para circular através da coluna de perfuração e da áreaanular entre o tubo de perfuração e uma parede de um furo de sondagem, emque o tubo de perfuração é localizado durante a operação de perfuração.
28. Aparelho de acordo com a reivindicação 27, caracterizadopelo fato do cubo de instrumentos compreender ainda um calibre de tensão,para monitorar variações do torque e carga aplicados sobre a coluna deperfuração.
29. Aparelho de acordo com a reivindicação 27, caracterizadopelo fato do cubo de instrumentos compreender ainda um calibre deprofundidade óptica, para monitorar o comprimento da coluna de perfuração.
30. Aparelho de acordo com a reivindicação 27, caracterizadopelo fato do cubo de instrumentos compreender ainda:um sensor para receber comunicações da instrumentação furoabaixo; eum transmissor para transmitir sem fio dados representativosdas comunicações furo abaixo para uma unidade de processamento de dados.
31. Método para comunicações sem fio em um ambiente deoperações de perfuração, caracterizado pelo fato de compreender:medir, empregando-se um sensor de uma ferramenta de furoabaixo de uma coluna de perfuração, um parâmetro de furo abaixo, enquantoa ferramenta de furo abaixo está abaixo da superfície; etransmitir sem fio o parâmetro de furo abaixo para umaestação remota em terra que está na superfície, enquanto a coluna deperfuração está sendo manobrada e após a ferramenta de furo abaixo estaraproximadamente na ou próximo da superfície.
32. Método de acordo com a reivindicação 31, caracterizadopelo fato de medir, usando-se o sensor da ferramenta de furo abaixo da colunade perfuração, o parâmetro de furo abaixo, compreender medir, usando-se umsensor nuclear da ferramenta de furo abaixo da coluna de perfuração, oparâmetro de furo abaixo.
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