BRPI0707825A2 - sistema e mÉtodo para telemetria da mediÇço durante perfuraÇço - Google Patents
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Abstract
SISTEMA E MÉTODO PARA TELEMETRIA DA MEDIÇAO DURANTE PERFURAÇçO A presente invenção refere-se a um sistema para transmitir a informação em um poço que compreende uma coluna tubular disposta nopoço e tendo um fluido de perfuração que flui através da mesma. Um gerador de pulso é disposto na coluna tubular e transmite um marcador de sincronização de pulso que compreende um sinal de zumbido.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA EMÉTODO PARA TELEMETRIA DA MEDIÇÃO DURANTE PERFURAÇÃO".
Antecedentes da Invenção
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a sistemas de telemetria de fluidode perfuração, e, mais particularmente, a um sistema e método para intensi-ficar a transferência de dados.
Descrição da Técnica Afim
Sistemas de telemetria de fluido de perfuração, geralmente de-nominados de sistemas de telemetria de pulso na lama, são particularmenteadaptados para a telemetria de informação entre o fundo de um furo de poçoe a superfície da terra durante operações de perfuração de poços de petró-leo. A informação de telemetria freqüentemente inclui, mas não é limitada aparâmetros operacionais, tais como pressão, temperatura, direção e desviodo furo dê poço. Outros parâmetros incluem dados de registros de poço, taiscomo a condutividade elétrica das várias camadas de formação, as proprie-dades acústicas e nucleares, a porosidade, e gradientes de pressão relacio-nados aos reservatórios que circundam o furo de poço. Esta informação éútil durante a operação de perfuração e a produção econômica dos reserva-tórios.
Inúmeros tipos diferentes de dispositivos pulsadores (pulsado-res) que foram utilizados para gerar pulsos de pressão na lama são conheci-dos daqueles versados na técnica. Tais pulsadores incluem pulsadores degatilho para gerar pulsos de pressão positivos ou negativos; pulsadores desirene para gerar sinais de pulso de onda contínua; e pulsadores de válvulade corte giratoriamente oscilante que podem gerar pulsos discretos e/ou si-nais de onda contínua. Várias técnicas de codificação são conhecidas natécnica para transmitir dados utilizando os sinais de pulso gerados. Em ge-ral, tais sistemas geram um pulso de pressão em bloqueando e ventilandouma porção do fluido de perfuração que flui na coluna de perfuração para abroca. O pulso gerado propaga para a superfície onde ele é detectado e de-codificado para uso adicional.Inúmeros fatores afetam a recepção e a decodificação adequadada informação transmitida. Por exemplo, uma fonte de ruído no sinal detec-tado é um resultado dos grandes pulsos de pressão associados com o usode bombas tipo embolo de deslocamento positivo utilizadas para bombear ofluido de perfuração através do sistema. Tais bombas comumente gerampulsos de pressão de uma ou duas ordens de magnitude maior do que ossinais de pressão detectados no ponto de detecção de sinal. Além disso, afreqüência de bomba, e/ou sua harmônica, está comumente dentro da faixade freqüência de sinal pulsado. Outro fator que pode afetar a recepção dainformação transmitida na superfície é a mudança no canal de transmissãode guia de onda de coluna de perfuração durante o processo de perfuração.Múltiplas reflexões das juntas na coluna de perfuração e das mudanças deimpedância ao longo do canal de transmissão podem também fazer com quealgumas freqüências sejam substancialmente atenuadas enquanto outrasfreqüências são transmitidas com pouca atenuação. Estas variações no per-curso de transmissão podem causar degradação substancial no sinal recebi-do, o que pode causar a perda de detecção de sinal, resultando assim emtempo perdido na operação de perfuração.
Desse modo, existe uma necessidade de um método aperfeiço-ado que aperfeiçoe a detecção de sinal e a confiabilidade de transferênciade informação.
Sumário da Invenção
Em um aspecto da presente invenção, um sistema para transmi-tir informação em um poço compreende uma coluna tubular disposta no po-ço e apresentando um fluido de perfuração que flui através da mesma. Emum aspecto, um pulsador é disposto na coluna tubular e transmite um mar-cador de sincronização de pulso compreendendo um sinal de zumbido. Umcontrolador de superfície, que atua de acordo com instruções programadas,detecta o sinal de zumbido e ajusta uma técnica de decodificação de sinalcom base no sinal de zumbido detectado. O controlador de superfície de-sempenha a função de supressão de ruído na qual é removido o ruído, inclu-indo pelo menos uma porção do ruído de bomba. O controlador estima umafunção de transferência de canal que caracteriza o canal de lama entre opulsador de furo de poço e a superfície. Etapas adicionais executadas pelocontrolador incluem uma equalização para remover a distorção entre o sinalprocessado e o sinal transmitido. O equalizador pode ser um equalizadorlinear adaptativo, um equalizador de feedback de decisão adaptativo, ouqualquer outro equalizador adequado.
Em outro aspecto, é provido um método para transmitir a infor-mação em um poço, que incluiu a disposição de um pulsador em uma colunatubular no poço. A coluna tubular apresenta um fluido de perfuração que fluiatravés da mesma. O pulsador transmite pelo menos um marcador de sin-cronização de pulso que pode ser um sinal de zumbido. O sinal de zumbidoé detectado na superfície. Uma técnica de decodificação é ajustada com ba-se no sinal de zumbido detectado. É executada a supressão de ruído, inclu-indo a supressão de ruído da bomba. É estimada uma função de transferên-cia de canal que caracteriza o canal de lama entre o pulsador de furo de po-ço e a superfície. Etapas adicionais executadas pelo controlador incluemuma etapa de equalização para remover a distorção entre o sinal processa-dor e o sinal transmitido. A equalização pode ser executada por um equali-zador de feedback.
Outra concretização da invenção é um meio legível por compu-tador para uso com um aparelho de telemetria de pulso na lama. O aparelhoinclui um pulsador de furo de poço que transmite sinais para uma localizaçãode superfície através de um canal de lama. Um processador de superfícierecebe sinais depois da transmissão através do canal de lama. O sinal rece-bido inclui ruído, tal como ruído de bomba. O meio inclui instruções quepermitem que um processador suprime o ruído, estime uma função de trans-ferência do canal e recupere o sinal transmitido. O meio legível por compu-tador pode incluir ROMS, EPROMs, EAROMs, memórias flash, discos rígi-dos e discos ópticos.
Exemplos de características mais importantes da invenção fo-ram, portanto, resumidos um tanto amplamente a fim de que a descriçãodetalhada dos mesmos, a seguir, possa ser melhor entendida, e a fim de queas contribuições à técnica possam ser apreciadas.
Breve Descrição dos Desenhos
Para um entendimento detalhado da presente invenção, são fei-tas referências à seguinte descrição detalhada da concretização preferida,tomada em conjunção com os desenhos anexos, nos quais elementos seme-lhantes receberam numerais semelhantes, onde:
a figura 1 mostra um sistema de perfuração exemplificativo deacordo com uma concretização da presente invenção;
a figura 2 é um fluxograma de um sistema de telemetria de fluidode perfuração de acordo com uma concretização da presente invenção;
a figura 3 é um esboço de uma linha de tempo exemplificativa decodificação de Não-Retorno para Zero (NRZ);
a figura 4 mostra um sinal de pulso de onda contínua e de chavede deslocamento de freqüência (FSK) e o sinal de faixa de base NRZ cor-respondente;
a figura 5 mostra um sinal de chave de deslocamento de ampli-tude (ASK) exemplificativo e o sinal de faixa de base NRZ correspondente;
a figura 6 mostra um sinal modulado por fase contínuo (CPM)exemplificativo e os bits digitais correspondentes;
a figura 7 mostra um esquema de detecção de transdutor depressão dual exemplificativo;
a figura 8 mostra um fluxo de transmissão exemplificativo quecompreende quadros de sincronização e quadros de dados desiguais;
a figura 9 mostra detalhes de uma concretização de um quadrode sincronização;
a figura 10 mostra uma representação de um sinal de zumbidocomo uma função da freqüência versus tempo e como uma função da ampli-tude versus tempo;
a figura 11 mostra uma função de autocorrelação de um sinal dezumbido no domínio de tempo;
a figura 12 mostra uma autocorrelação de um sinal de zumbidono domínio de freqüência; ea figura 13 mostra um diagrama de bloco de uma função detransferência de canal.
Descrição Detalhada da Invenção
A figura 1 é um diagrama esquemático que mostra um equipa-mento de perfuração 1 engajado em operações de perfuração. O fluido deperfuração 31, também chamado de lama de perfuração, é circulado pelabomba 12 através da coluna de perfuração 9 através do conjunto de fundode poço (BHA) 10, através da broca 11 e de volta para a superfície atravésda coroa anular 15 entre a coluna de perfuração 9 e a parede do furo de po-ço 16. O BHA 10 pode compreender qualquer dos inúmeros módulos desensor 17, 20, 22 que podem incluir, por exemplo, sensores de avaliação deformação (FE), sensores que suprem informação a cerca das condições deoperação do BHA, e sensores de pesquisa que suprem informação de pes-quisa a cerca do furo de poço. Uma lista parcial de sensores FE pode incluirsensores nucleares, sensores dè resistividade, sensores acústicos, sensoresNMR, etc. Uma lista parcial das condições de operação pode incluir tempe-ratura, pressão, taxa de penetração, peso sobre a broca, velocidade rotacio-nal, torque, e medições de redemoinho. Sensores de pesquisa podem incluirum magnetômetro, um acelerômetro, e/ou um giroscópio. Estes sensoressão bem conhecidos na técnica e não são descritos adicionalmente. O BHA10 também contém um conjunto pulsador 19 que induz as flutuações depressão no fluxo de lama. As flutuações de pressão, ou pulsos, propagampara a superfície através da lama e são detectadas na superfície por umsensor 18 e uma unidade de controle 24. O sensor 18 é conectado à linha defluxo 13 e pode compreender pelo menos um sensor, o sensor de pressão, osensor de fluxo, ou uma combinação de um sensor de pressão e um sensorde fluxo. Como aquele versado na técnica irá apreciar, o pulso de pressãoapresenta um pulso de velocidade de fluido associado que também se pro-paga através do fluido de perfuração e pode ser detectado e decodificado.
Em uma concretização, o conjunto pulsador 19 compreende umpulsador de válvula de corte oscilante capaz de gerar pulsos de onda contí-nuos. Tal pulsador é descrito nas Patentes Norte-americanas 6.975.244, e-mitida em 13 de dezembro de 2005, e 6.626.253, emitida em 30 de setembrode 2003, e no Pedido de Patente Norte-americano de N9 de série10/422.440, depositado em 24 de abril de 2003 e publicado como US2004/0012500, em 22 de janeiro de 2004, cada um dos quais é atribuído aocessionário deste pedido de patente, e cada um dos quais é aqui incorpora-do para referência. A válvula de corte oscilante descrita nestas referências écapaz de gerar formas de onda de pulso de freqüência, amplitude, fase eforma variadas, incluindo ondas senoidais substancialmente contínuas nasfreqüências de pelo menos 40 Hz. Outros tipos de pulsadores, tal como umpulsador do tipo de gatilho, podem também ser usados.
O pulsador de furo de poço 19, também chamado de transmis-sor, é apenas uma parte do sistema de telemetria MWD. O sistema de tele-metria completo consiste do canal de transmissão, um receptor de superfí-cie, e camadas de processamento de furo de poço e de superfície adicio-nais. Os componentes de superfície e de furo de poço do sistema são proje-tados para proverem um sistema de telemetria confiável que distribui a taxade bit mais alta possível para o ambiente de perfuração específico.
A figura 2 é uma digrama de bloco funcional de uma concretiza-ção do sistema de telemetria de fluido 100. Conforme mostrado aqui, os da-dos dos sensores 17, 20, 22 (vide figura 1) são introduzidos no pulsador 19.O pulsador 19 contém circuitos de um processador, conforme descrito nosdocumentos de referência incorporados, para processar e transmitir os da-dos para a superfície. No sistema de furo de poço, os dados são comprimi-dos. O esquema de compressão 40 pode abranger a escala de dados e/ouqualquer técnica de compressão de dados conhecida na técnica da trans-missão de informação digital.
Os dados binários codificados de proteção de erro e opcional-mente comprimidos são modulados 42. Em uma concretização, é usado umesquema de modulação de não-retorno para zero (NRZ) para transmissãode faixa de base. No esquema NRZ, vide figura 3, a linha de tempo é dividi-da em intervalos de tempo igual, cada um dos quais é um período de bit, Tm.O nível de sinal é mantido constante em um dos dois níveis durante o perío-do de bit. Por exemplo, um binário 1 pode ser representado por um nível de+1 e um zero binário por um nível de -1.
Em outra concretização da presente invenção, os dados bináriosde proteção de erro e opcionalmente comprimidos são modulados 42 usan-do um esquema de modulação de amplitude de pulso de faixa de base (PAMde faixa de base) para transmissão. O esquema PAM de faixa de base con-fere mais de dois níveis de sinal. Preferivelmente, o número de níveis M éuma potência de dois, de modo que o número de bits transmitidos por sím-bolo possa ser expressado m=log2M. No esquema PAM, a linha de tempo édividida em intervalos de tempo igual, cada um dos quais é um período desímbolo onde o período de símbolo é igual a m períodos de bit. O nível desinal é mantido constante em um dos m níveis durante o período de símbolo.
Conforme discutido anteriormente, o pulsador 19 é capaz de ge-rar freqüências de pulso de até cerca de 40 Hz. Esta característica permite ouso de esquemas de modulação comumente chamados de modulação defaixa de passagem. A modulação de faixa de passagem abrange sinais emuma freqüência portadora ou centralizado na mesma. A modulação da fre-qüência portadora é executada para transmitir informação. O pulsador 19 ébem adequado para transmitir tais sinais. Há quatro subconjuntos de sinali-zação de faixa de passagem que são de interesse: chaveamento de deslo-camento de freqüência (FSK), chaveamento de deslocamento de amplitude(ASK), chaveamento de deslocamento de fase (PSK) e modulação de fasecontínua (CPM).
O Chaveamento de Deslocamento de Freqüência (FSK) é o usode uma forma de onda modulada por freqüência para conduzir informaçãodigital. No caso de FSK binário, uma primeira freqüência representa um 1, euma segunda freqüência representa um 0. A ordem das freqüências não éimportante, contanto que seja conhecida nas localizações tanto do transmis-sor quanto do receptor. Um exemplo de tal sinal modulado 400 é mostradona figura 4, onde o fluxo de bits ilustrado no desenho inferior é modulado.Uma freqüência f-ι representa um 1, e uma freqüência f2 representa um 0.Esquemas de modulação de nível mais alto com m diferentes freqüênciassão também possíveis.
O Chaveamento de Deslocamento de Amplitude (ASK) é o usode uma forma de onda modulada por amplitude para conduzir informaçãodigital. No ASK1 uma forma de onda de uma única freqüência é usada pararepresentar um 1 e nenhum sinal é enviado para um 0. Alternativamente, atransformação pode ser invertida de modo que um O seja representado comuma forma de onda de sinal conhecido, e um 1 sem qualquer sinal. Um e-xemplo de um sinal ASK 500 é mostrado na figura 5, onde o fluxo de bitsilustrado no desenho inferior da figura 5 é modulado por ASK. Uma freqüên-cia constante é sinalizada para transmitir um 1 e nenhum sinal representaum 0. É notado que a mesma palavra de dados, "1010011", é transmitidatanto na figura 4 como na figura 5. Esquemas de modulação de nível maisalto com m níveis de amplitude da mesma freqüência são também possíveis.
O Chaveamento de Deslocamento de Fase (PSK) é o uso deuma forma de onda modulada por fase para conduzir informação digital. Natransmissão PSK, a freqüência é mantida constante, e a fase do sinal é alte-rada nos limites de bit. Com referência à figura 6, por exemplo, com PSKbinário (apenas dois estados sendo representados, 0 ou 1), a diferença defase é de 180°. Devido ao fato de um pulsador tipicamente não poder mudarinstantaneamente de fase, será inserida uma fatia de tempo de transição602 entre os pulsos. Esta fatia de tempo é exatamente um período (da fre-qüência portadora) longo. A fim de manter a taxa de dados constante no de-correr do tempo, a fatia de tempo será inserida antes de cada bit, mesmoquando a fase da freqüência portadora 600 não mudar nas bordas de bit(seqüência binária 11 ou 00). Neste caso, o modulador PSK insere um perí-odo da freqüência portadora. Quando o bit mudar de 1 para 0 ou de 0 para1, o modulador irá inserir um meio período de metade da freqüência portado-ra para gerar a mudança de fase. A inserção deste "período de transição"será feita com relação à fase do sinal de portadora no final do bit preceden-te. O início de cada bit modulado depende, portanto, do bit anterior. Este éum exemplo da modulação de fase contínua (CPM). Esquemas de modula-ção de nível mais alto com m níveis de fase da mesma freqüência são tam-bém possíveis.
Uma vez que os dados são modulados por faixa de base 42, osdados são passados para o transmissor 43, que, em uma concretização, é opulsador19.
Com referência novamente à figura 2, a informação codificada emodulada é transmitida como sinais de pressão através do percurso detransmissão de fluido 50 e os sinais são detectados no receptor 44 na oupróximo da superfície. O receptor 44 compreende o sensor 18 descrito ante-riormente, que pode ser um sensor de pressão, um sensor de fluxo, umacombinação de sensores de pressão e fluxo. Alternativamente, uma plurali-dade de sensores de pressão, sensores de fluxo, ou uma combinação dosmesmos pode ser usada como uma disposição de sensor para detectar ossinais de pressão, conforme descrito abaixo. O sistema de superfície é basi-camente o inverso do sistema de furo de poço, empregando, contudo, asvárias tarefas adicionais para compensar o sinal medido quanto à distorçãodurante a transmissão. Os sinais recebidos são tratados para remover oscomponentes de ruído e a distorção usando técnicas de supressão de ruído45 e de equalização de canal 46. Os dados são então desmodulados 47, edecodificados 48. Os dados são então descomprimidos 49, e emitidos paraarmazenamento permanente e/ou análise e interpretação adicionais, conformeexigido nas operações de perfuração e/ou interpretação de reservatório.Detecção de Superfície usando uma Técnica de Transdutor de Pressão Dual(DPT)
Esta técnica usa dados de um par de transdutores Iongitudinal-mente espaçados, vide figura 7, na superfície para discriminar entre compo-nentes de sinal que estão percorrendo a montante (por exemplo, informaçãodo pulsador de furo de poço 19) e aqueles percorrendo a jusante (por exem-plo, ruído de bomba de lama).
Dois canais de entrada correspondem a um par casado detransdutores. Estes podem ser ou transdutores de pressão, ou transdutoresde fluxo. Eles devem ser colocados na mesma seção de tubo reto. O DTPemite um único canal contendo o componente dos sinais que é estimadopara estar percorrendo a montante.
Descrição DPT
Com referência à figura 7, as saídas dos dois transdutores sãorotuladas de T1 e T2. T2 é originária do transdutor a montante, mais pertodas bombas. Cada resposta do transdutor contém um componente constan-te P, um componente transitório descendente D, e um componente transitó-rio ascendente U. As respostas do transdutor podem ser escritas como
T1(t) = P1+D1(t) + U(t) (1)
T2(t) = P2 = D2(t) + U2(t) (2)
Se houver um componente de sinal que percorre a jusante a par-( tir das bombas, ele irá alcançar T2 antes de alcançar T1, com um retardo detempo δ1. Desse modo, o componente descendente no transdutor T2 notempo (t- ôt), escrito como D2(t - ôt), é igual ao componente D1(t) no trans-dutor T1.
Supondo-se agora que o sinal é retardado de T2 em ôt, e subtra-indo-o do sinal em T1:
Tl(t)-T2(t-St)=PI+D 1 (t)+U1 (t)-P2-D2(t-ôt)-U2(t-ôt) (3)Substituindo D2(t-ót)=D1(t),
T1 (t)-T2(t-St)=P 1-P2+U1 (t)-U2(t-St) (4)
Além disso, o componente ascendente leva o tempo ôt para percorrer de T1para T2, de modo que
U2(t-St)=U1(t-St) (5)
e
T1 (t)-T2(t-St)=P 1-P2+U1 (t)-U 1 (t-2St) (6)
A operação de retardo e subtração é, portanto, capaz de eliminaro componente descendente, enquanto deixa o componente transitório as-cendente na forma U IftHJ A(t-2.õt). Por meio de inspeção, esta é uma apro-ximação do derivativo de tempo do componente ascendente U1, e, portanto,deve ser possível reconstruir o componente ascendente pela integração detempo. Para dados uniformemente amostrados, a integração do tempo podeser conseguida pela soma acumulativa. Entretanto, não é desejável integraro componente constante (P2-P1), uma vez que isto poderia fazer com que asaída subisse ou descesse indefinidamente. Por isso, o componente transi-tório é isolado pelo filtro de passagem de freqüências elevadas, antes daintegração ser executada. O componente constante do sinal original (isto é,seu componente CC) pode ser encontrado pelo filtro de passagem de fre-qüências baixas que o transdutor original emite. A saída final da técnica é asoma dos componentes constante e transitório.
Os transdutores Τ1, T2 podem ser colocados em uma única se-ção de tubo reto uniforme para minimizar a atenuação e reflexões. A separa-ção entre os transdutores pode ser tal de modo que o retardo seja relativa-mente baixo, por exemplo, não mais de 1/20 segundos, que corresponde aum espaçamento máximo de cerca de 50m. O espaçamento mínimo podeser equivalente a cerca de 10 amostras de dados; em uma taxa de amostrade 1024 por segundo, isto corresponde a cerca de 10m. Detalhes do uso detransdutor de pressão dual são descritos no Pedido de Patente Norte-americano de Nq de série 11./0Ί8.344 e 11/311.196 apresentando o mesmocessionário que a presente invenção e os conteúdos do qual são aqui incor-porados para referência.
Processamento de Sinais Detectados na Superfície
Técnicas adicionais são aplicadas aos sinais detectados parareduzir os efeitos de ruído e distorção no sinal detectado, conforme compa-rado ao sinal transmitido. Conforme discutido anteriormente, o ruído debomba está presente nos sinais detectados e o sinal de bomba pode sersignificativamente maior do que o sinal de dados desejado. Além disso, asreflexões e as características de transmissão do canal de transmissão decoluna de perfuração causam distorção no sinal de dados na medida em queele transita no canal de transmissão. Diversas técnicas são usadas para ten-tar minimizar estes efeitos. Deve ser notado que mais de um processadorpoderá ser usado para processamento na superfície.
Supressão de Ruído de Bomba (PNC)
Em uma concretização, a técnica PNC utilizar sinais de estrobode bomba de cada bomba ativa. Pelo menos no conceito, esta técnica é rela-tivamente fácil de ser descrita. A assinatura para cada bomba é montadapela marcação do tempo no qual ocorrem os sucessivos estrobos de bombae o empilhamento de registros de pressão entre os estrobos. Isto resulta nasupressão de ruído aleatório, e no surgimento da assinatura de bomba. Estaassinatura de bomba é então subtraída dos dados de pressão brutos; o re-sultado é o sinal de pressão medido com o sinal da bomba suprimido. Nocaso ideal, que ocorre muito freqüentemente, este sinal resultante contémapenas o sinal originário do pulsador 19. Para detalhes adicionais, recorra àPatente Norte-americana 4642800, que é aqui incorporada para referência.
Alternativamente, o sinal de pressão da bomba pode ser anali-sado diretamente para prover uma indicação da assinatura de freqüência desinal de bomba. Esta técnica elimina a necessidade de sensores de estrobode bomba. Detalhes adicionais de tal técnica são descritos no sumário dosPedidos de Patente N2s 564-39321-US e 564-42151-US, depositados nomesmo dia que este pedido de patente e cedido ao cessionário deste pedidode patente, e que são aqui incorporados para referência.
Equalizacão de Canal
A equalização de canal é dirigida para remover quaisquer distor-ções das formas de onda que possam ter ocorrido durante seu trânsito atra-vés do canal de telemetria. Em uma concretização, um filtro de interferênciaé usado para estimar a resposta do canal de transmissão. Basicamente, écomputado um modelo da função de transferência (também conhecida comoa função de resposta de freqüência) do canal de telemetria, vide figura 13. Afunção de transferência não é nada mais que uma descrição das mudançasna amplitude e fase para cada receptáculo de freqüência que ocorrem emum sinal durante seu percurso do furo de poço para a superfície. A técnicaestima pressão e/ou fluxo no pulsador de furo de poço usando a pressãomedida e o fluxo na superfície da descrição detalhada da linha de lama entreo pulsador e os sensores (sensor de pressão de medidor de fluxo).
Para o modelo para simular a transmissão de dados através docanal de lama, é usado o método de matriz de transferência. Derivadas dasequações diferenciais parciais que descrevem a propagação de onda comos estados de pressão e fluxo, as matrizes de transferência são calculadaspara diferentes componentes do sistema. Aqui, os diferentes componentessão tubos (BHA1 tubo de perfuração, mangueira Kelly, etc.)
<formula>formula see original document page 14</formula>
Com γ2 = Cs(Ls+R), onde L = 1/gA é a inertância, C = gA/a? é acapacitância, A = πΐΰ2 a área de seção transversal interna, s = σ + ico, e Raresistência Iinearizada por comprimento de unidade dependente do fluxo notubo.
Com o uso destas matrizes de transferência para cada compri-mento de coluna de perfuração, é possível conectar os estados de pressão ede fluxo de uma extremidade a montante e a jusante (as localizações de su-perfície e de furo de poço). Para as colunas de perfuração com diferentesseções, as matrizes têm que ser multiplicadas a partir do furo acima à es-querda. Isto é,
<formula>formula see original document page 14</formula>
As combinações arbitrárias das seções de tubo são possíveis edescritas em um arquivo contendo a descrição de coluna de perfuração. Pa-ra a reconstrução da pressão de pulsador, são usadas matrizes de transfe-rência inversas com zeros nas freqüências de pólos possíveis:
<formula>formula see original document page 14</formula>
Esta última equação descreve o filtro de inferência no domíniode freqüência, conforme descrito no Pedido de Patente Norte-americano deSérie N- 10/412.915, de Jogi e outros, e cedido ao cessionário deste pedidode patente, e que é aqui incorporado para referência. No domínio de tempo,a saída do filtro de inferência é fornecida pela convolução dos sinais depressão e de fluxo medidos com a transformação inversa de Fourier, respec-tivamente, de Tinvi,i e Tinvi,2. O cálculo dos coeficientes de filtro é feito nocontrolador de superfície 24 (vide figura 1) ou em qualquer outro dispositivode processamento adequado na superfície, e atualizado com os novos coefi-cientes. Este cálculo é executado em cada mudança na coluna de perfura-ção e/ou linha de lama entre o pulsador e os sensores de superfície (quandodo acréscimo de uma nova junta de tubo, da mudança dos BHAs1 e assimpor diante). Detalhes adicionais na equalização de canal são contidos nosPedidos de Patente Norte-americanos depositados sob o número de sumário564-42779 e 564-43121, depositados no mesmo dia que este pedido de pa-tente e cedido ao cessionário deste pedido de patente, e que são aqui incor-porados para referência. A determinação da função de transferência de ca-nal pode ser feita usando um sinal de zumbido de referência, conforme des-crito no pedido de patente norte-americano de N9 de série 11/284.319, deHentati e outros, cedido ao cessionário deste pedido de patente, e que é a-qui incorporado para referência.
Além da equalização de canal e supressão de ruído de bomba,outras técnicas são usadas para aumentar a confiabilidade da transferênciade dados. Estas incluem a Estimativa de Canal descrita nos pedidos norte-americanos 11/311.196 e 11/018.344 e cedido ao cessionário deste pedidode patente, e que são incorporados aqui para referência.
Sincronização
A fim de desmodular 47 e de decodificar 48 os dados recebidos,é necessário que o sistema de superfície seja sincronizado no fluxo de da-dos. Conforme descrito anteriormente, em uma concretização, os dados sãotransmitidos em um padrão conhecido apresentando um período de bit, Tbit.Para decifrar o fluxo de dados de entrada, o controlador de superfície 24 temque identificar o início do padrão de bit de modo que o valor de bit, 1 ou 0,em cada período de bit possa ser determinado. A sincronização no fluxo dedados é alcançada através do uso de marcadores de sincronização 601, queserão tipicamente integrados no fluxo de pulsos quando o pulsador for inici-ado e periodicamente dentro do fluxo de dados contínuo, e identificadores dequadro (FIDs) 602 que ocorrem periodicamente dentro do fluxo de bits, videfigura 8. Os FIDs 602 têm um comprimento fixo, e delineiam o início de umquadro de dados. Dentro de um quadro, os bits de dados 603 ficam dentrode palavras em um formato que é conhecido tanto do transmissor de furo depoço como do receptor de superfície. Os marcadores de sincronização 601são inseridos no fluxo de dados durante a codificação de furo de poço 41.
Em uma concretização, o marcador de sincronização compreen-de um ou mais sinais de zumbido e um preâmbulo, vide figura 9. O sinal dezumbido, vide figura 10, é um pulso linear modulado por freqüência. No iní-cio do pulso (tempo = 0 seg), a freqüência é f0é elevada para fend > fo no fi-nal do pulso. A figura 10 mostra o pulso de zumbido no domínio de tempo(figura inferior) e sua freqüência no decorrer do tempo (figura superior). Afreqüência é elevada acima da largura de tempo de pulso T de 0 Hz a 40 Hz.O pulso de zumbido exemplificativo apresenta então uma largura de faixa de40 Hz.
Zumbidos apresentam a característica importante de seremcompressíveis no domínio de tempo, bem como no domínio de freqüência. Acompressão de zumbido é feita pela operação de correlação. A autocorrela-ção de um zumbido resulta em um pulso de amplitude muito preciso e alto. Amesma operação no domínio de freqüência confere um pico alto na freqüên-cia de 0 Hz. A função de autocorrelação agrupa (comprime) a maior parte daenergia do pulso de zumbido em um ponto. A figura 112 mostra a autocorre-lação do pulso de zumbido no domínio de tempo e no domínio de freqüência.A compressão de zumbido significa uma projeção da curva de freqüêncialinear 800, 801 no eixo vertical, no caso da correlação de domínio de tempo,e no eixo horizontal, no caso de correlação de domínio de freqüência, videfiguras 11 e 12, respectivamente.
Conforme mostrado acima, a compressão do zumbido gera pul-sos precisos com altos picos. A largura de pico é igual à largura de faixa de2/zumbido. A amplitude do pico é igual a T (a duração do zumbido). Nas fi-guras 11 e 12, a função de correlação é normalizada com relação à largurade pulso de zumbido Τ. O zumbido poderá ser detectado quando a amplitu-de da função de correlação do sinal com o zumbido de referência excederum determinado limite. Entretanto, este método é muito sensível ao ruído,especialmente quando a média do sinal mudar no decorrer do tempo. Parasuperar este problema, o sinal é dividido em blocos sobrepostos de duração2*N-1 (N é a duração de um zumbido) e cada bloco de sinal é normalizadopelo valor médio de sua amplitude.
<formula>formula see original document page 17</formula>
O número de amostras sobrepostas afeta a precisão de detec-ção dos zumbidos. Os dados de poço de teste mostraram que é suficiente ouso de uma sobreposição de (2*1024-1 )-256 amostras (deslocamento por256 amostras).
A posição de zumbido estimada é encontrada a partir da ampli-tude máxima dos blocos de sinal normalizados. O valor de pico do Lésimo blo-co de sinal é fornecido por:
<formula>formula see original document page 17</formula>
Se o valor de pico for mais alto do que um determinado limite (T-Limite), então um zumbido será detectado e sua posição será emitida para apróxima etapa.
Devido ao fato de os níveis de ruído mudarem no decorrer dotempo, é feita a média dos valores de pico medidos no sentido do bloco e olimite (para detectar zumbidos) é ajustado em 1,2 vezes o valor médio. Olimite St será atualizado cada vez que o valor de pico de um novo bloco desinal for calculado:
<formula>formula see original document page 17</formula>
A fim de conseguir uma detecção confiável de zumbido, as posi-ções de zumbido estimadas serão verificadas pelo seguinte:
Compressão de zumbido de domínio de freqüência
Neste estágio, o zumbido de referência é multiplicado com umbloco de sinal que apresenta a mesma duração que o zumbido e que come-ça na posição de zumbido estimada pela etapa anterior. O sinal resultante étransformado no domínio de freqüência por um FET. Apenas uma largura defaixa de 40 Hz concentrada em 0 Hz é considerada neste estágio. Isto nãodeve ser construído como uma limitação à invenção.
Correção para posição de zumbido
Quando ocorrer um pulso de zumbido, a compressão de domíniode freqüência resultará em um pico alto na freqüência de 0 Hz. Similar à de-tecção de pico de domínio de tempo, a saída FET é normalizada com rela-ção ao valor médio de sua amplitude. Se a amplitude em 0 Hz exceder umdeterminado limite Sf (F-limite, limite de domínio de freqüência), então, aposição de zumbido estimada na etapa 1 será assumida como sendo a posi-ção correta de um zumbido; de outro modo, ele será considerado um alarmefalso.
Sinalização de zumbidos
Para marcar as posições de pulso de zumbido no sinal de entra-da, a técnica de detecção de zumbido acrescenta à primeira amostra do pul-so de zumbido um número inteiro com amplitude muito alta. Isto asseguraque o pico resultante seja muito maior do que a amplitude de sinal MWDmais alta. Estes picos serão detectados na etapa de decodificação 48 paramanter a sincronização.
Além dos zumbidos discutidos acima, outras seqüências, taiscomo ondas senoidais de freqüência podem ser transmitidas para ajudar nasincronização.
Em uma concretização, para os sinais modulados FSK, CPM ePSK, um preâmbulo de múltiplos bits conhecido, por exemplo, dezesseisbits, é usado para aperfeiçoar a sincronização fina.
O uso de múltiplos bits em uma seqüência conhecida permiteque o sistema de superfície determine com maior precisão os limites de bitpara eventual decodificação de sinais.
Em uma concretização, os sinais de zumbido são integrados nofluxo de dados em pontos conhecidos e o sistema de superfície localiza eidentifica estes zumbidos para ganhar ou manter a sincronização.Uma vez que o controlador de superfície é sincronizado com ofluxo de dados, o sinal é desmodulado 47, decodificado 48, descomprimido49 e emitido para armazenamento e ou análise adicional.
Enquanto discutido acima em relação aos dados que percorremdo furo de poço para a superfície, aquele versado na técnica irá apreciar queum esquema de transmissão similar pode ser usado para transmitir dados dasuperfície para um receptor de furo de poço. Tal sistema é descrito no Pedi-do Norte-americano de N9 de série 10/422.440, depositado em 24 de abril de2003, e publicado como US 2004/0012500 em 22 de janeiro de 2004, incor-porado anteriormente aqui para referência. Será apreciado que tal comuni-j cação downlink permite mudanças na operação do sistema de furo de poço,e adicionalmente permite um sistema de telemetria substancialmente auto-matizado para ajustar esquemas de transmissão para aperfeiçoar a confiabi-lidade de transferência de informação.
Os dados descomprimidos podem ser então armazenados emum meio adequado para processamento e/ou exibição adicionais. Tais exibi-ções comumente incluem registros das propriedades de formação que sãomedidas pelo sensor de avaliação de formação, as condições de operaçãodo BHA, e a informação de furo de poço.
A operação do transmissor e dos receptores pode ser controladapelo processador de furo de poço e/ou processador de superfície. No contro-le e no processamento dos dados está implícito o uso de um programa decomputador em um meio legível por máquina adequado que permite que oprocessador execute o controle e o processamento. O meio legível por má-quina pode incluir ROMs, EPROMs, EAROMs, memórias flash e discos ópti-cos.
A descrição anterior é dirigida a concretizações específicas dapresente invenção para fins de ilustração e explanação. Ficará evidente,contudo, àquele versado na técnica que são possíveis muitas modificações emudanças à concretização apresentada acima. Pretende-se que as seguin-tes reivindicações sejam interpretadas como abrangendo todas estas modifi-cações e mudanças.
Claims (28)
1. Sistema de comunicação de dados a partir de uma localizaçãode furo de poço para uma localização na superfície, o sistema compreen-dendo:(a) um conjunto de fundo de poço (BHA) transportado em umfuro de poço na formação de terra;(b) uma fonte de sinal no BHA, a fonte de sinal configurada paraproduzir uma variação pulsada em um fluido em um furo de poço, a variaçãopulsada incluindo um fluxo de bits indicativo dos dados a serem comunicados;(c) pelo menos um sensor próximo à localização da superfície nofuro de poço configurado para produzir um sinal responsivo à variação pulsada; e(d) pelo menos um processador configurado para:A. estimar a partir do sinal a variação pulsada produzida, eB. utilizar a variação pulsada estimada para estimar os dados.
2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que os dados aserem comunicados são indicativos de uma saída de um sensor de avalia-ção de formação (FE) no BHA.
3. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que os dados aserem comunicados são indicações de uma condição de operação do BHA5,o sistema compreendendo adicionalmente um sensor configurado para fazerumamedição em torno da condição de operação.
4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que os dados aserem comunicados são uma informação de pesquisa sobre o furo de poço,o sistema compreendendo adicionalmente um dispositivo de pesquisa confi-gurado para produzir a informação de pesquisa.
5. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que a fonte desinal é selecionada a partir do grupo que consiste em (i) uma válvula oscilan-te, (ii) um pulsador do tipo de gatilho e (iii) uma sirene.
6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que a variaçãopulsada adicionalmente compreende pelo menos um de (i) um pulso depressão, e (ii) um pulso de vazão.
7. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o fluxo debits adicionalmente compreende um marcador de sincronização e em que oprocessador é adicionalmente configurado para utilizar o marcador de sin-cronização em processamento de sinal
8. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que a variaçãopulsada adicionalmente compreende uma modulação selecionada a partirde: (i) uma modulação de pulso de amplitude, (ii) chaveamento de desloca-mento de freqüência, (iii) chaveamento de deslocamento de amplitude, (iv)chaveamento de deslocamento de fase e (v) redução contínua de fase.
9. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o sensorcompreende pelo menos um de (i) um sensor de pressão e (ii) um sensor devazão.
10. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que pelo me-nos um processador é adicionalmente configurado para fazer pelo menosum de: (i) remover componentes de ruído, e (ii) realizar uma equalização decanal.
11. Sistema de acordo com a reivindicação 1, compreendendoadicionalmente um processador de fundo de poço configurado para executaruma operação de compressão de dados aos dados.
12. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que pelo me-nos um processador é adicionalmente configurado para executar uma des-compressão.
13. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o sensorna posição de superfície adicionalmente compreende pelo menos doistransdutores longitudinalmente espaçados.
14. Sistema de acordo com a reivindicação 7, em que o marca-dor de sincronização adicionalmente compreende pelo menos um sinal dezumbido.
15. Sistema de acordo com a reivindicação 7, em que o marca-dor de sincronização adicionalmente compreende uma pluralidade de sinaisde zumbidos integrados em pontos conhecidos.
16. Método de comunicar dados de uma posição do fundo depoço para uma posição de superfície, o método compreendendo:(a) transportar um conjunto de fundo de poço (BHA) transporta-do em um furo de poço na formação da terra;(b) ativar uma fonte do sinal no BHA para produzir uma variaçãopulsada em um fluido em um furo de poço, a variação pulsada incluindo umfluxo de bits indicativo dos dados a ser comunicados;(c) utilizar pelo menos um sensor próximo de uma posição desuperfície no furo de poço para produzir um sinal responsivo à variação pul-sada;(d) estimar a partir do sinal a variação pulsada produzida, e(e) utilizar a variação pulsada estimada para estimar os dados.
17. Método de acordo com a reivindicação 1, em que os dados aser comunicados são indicativos pelo menos de um de: (!) uma propriedadeda formação da terra, (ii) condição de operação do BHA, e (iii) informação dapesquisa sobre furo de poço.
18. Método de acordo com a reivindicação 16, em que produzir avariação pulsada compreende adicionalmente a produção de pelo menos umde: (i) um pulso da pressão, e (ii) um pulso vazão.
19. Método de acordo com a reivindicação 16 adicionalmentecompreendendo utilizar um marcador de sincronização no fluxo de bits, ométodo adicionalmente compreendendo utilizar o marcador de sincronizaçãono processamento do sinal.
20. Método de acordo com reivindicação 16, em que produzir avariação pulsada compreende adicionalmente a execução de uma codifica-ção de modulação pelo menos uma de: (i) uma modulação de amplitude depulso, (ii) chaveamento de deslocamento de freqüência, (iii) chaveamento dedeslocamento de amplitude, (iv) chaveamento de deslocamento de fase e (v)redução contínua de fase.
21. Método de acordo com a reivindicação 16, em que utilizar osensor compreende adicionalmente utilizar pelo menos um de: (i) um sensorde pressão, e (ii) um sensor de vazão.
22. Método de acordo com a reivindicação 16, adicionalmentecompreendendo pelo menos um de: (i) remover os componentes de ruído, e(ii) executar uma equalização de canal.
23. Método de acordo com a reivindicação 16, adicionalmentecompreendendo executar uma operação de compressão de dados antes dafonte do sinal produzir a variação pulsada.
24. Método de acordo com a reivindicação 16, adicionalmentecompreende executar uma descompressão na localização de superfície.
25. Método de acordo com a reivindicação 16, onde utilizar osensor na localização de superfície compreende adicionalmente utilizar pelomenos dois transdutores longitudinalmente espaçados.
26. Método de acordo com a reivindicação 19, em que o marca-dor de sincronização adicionalmente compreende uma pluralidade de sinaisdo zumbidos integrados em pontos conhecidos.
27. Meio legível por computador para a utilização com um siste-ma para comunicar dados de uma localização de fundo de poço e a umalocalização de superfície, o sistema compreendendo:(a) um conjunto do fundo de poço (BHA) transportado em umfuro de poço na formação de terra;(b) uma fonte de sinal no BHA, a fonte de sinal configurada paraproduzir uma variação pulsada em um fluido em um furo de poço, a variaçãopulsada incluindo um fluxo de bits indicativo dos dados a ser comunicados; e(c) um sensor próximo de uma localização de superfície no furode poço configurado para produzir um sinal responsivo à variação pulsada; omeio compreendendo as instruções que permitem um processador para:(d) estimar o sinal da variação pulsada produzida, e(e) utilizar a variação pulsada estimada para estimar os dados.
28. Meio de acordo com a reivindicação 27, adicionalmentecompreendendo pelo menos um de (i) uma ROM, (ii) uma EPROM, (iii) umaEAROM, (iv) uma memória flash, e (v) um disco ótico.
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