DE102010006166A1

DE102010006166A1 - Schlammimpulstelementrie-Datenmodulationstechnik

Info

Publication number: DE102010006166A1
Application number: DE102010006166A
Authority: DE
Inventors: Sandra Reyes; Remi Hutin; Robert W. Tennent; Christopher Paul Houston Reed
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2010-08-05
Also published as: GB2467416A; GB2467416B; US8302685B2; US20100195442A1; GB201000671D0

Abstract

Es wird eine Technik zum Übertragen von Daten in einem Bohrloch (16) geschaffen. In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren das Empfangen digitaler Daten (70) und das Codieren der digitalen Daten (70) zu Symbolen, wovon jedes für ein oder mehrere Datenbits der digitalen Daten (70) bezeichnend ist. In dieser Ausführungsform umfasst das Verfahren außerdem das Modulieren der Phase einer Schallwelle im Bohrloch (16), um die mehreren Symbole darzustellen, wobei das Modulieren der Phase einer Scharart, dass die Schallwelle sanfte Phasenübergänge zwischen aufeinanderfolgenden Phasen, die für die mehreren Symbole bezeichnend sind, aufweist, umfasst. Außerdem werden weitere Verfahren, Systeme und Vorrichtungen geschaffen.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Bohrloch-Bohroperationen und insbesondere auf die Datenübertragung zwischen Einrichtungen im Bohrloch und Einrichtungen an der Oberfläche während solcher Operationen.
Während bestimmter Bohrloch-Bohrprozesse kann es wünschenswert sein, Informationen von der Sohle des Bohrlochs zur Oberfläche zu übertragen. Beispielsweise können Techniken für Protokollierung während des Rohrens (LWD, Jogging while drilling) und Messung während des Rohrens (MWD, measurement while drilling) allgemein die Sammlung einer Anzahl verschiedener Messwerte durch einen oder mehrere Sensoren im Bohrloch umfassen. Daten, die durch solche Techniken gesammelt werden, können beispielsweise Messwerte, die auf Charakteristika des Bohrlochs (z. B. Azimut und Neigung) oder der Bohrkomponenten selbst (z. B. Drehzahl) bezogen sind, oder Messwerte, die die Eigenschaften geologischer Formationen (z. B. Dichte, Druck oder spezifischen elektrischen Widerstand) betreffen, umfassen.
Die Messdaten können durch Schlammimpulstelemetrietechniken übertragen werden, bei denen Bohrfluid oder ”Schlamm” als Ausbreitungsmedium für eine Signalwelle wie etwa eine Druckwelle verwendet wird. Genauer können Daten übertragen werden, indem ein oder mehrere Merkmale der Welle moduliert werden, um die Daten darzustellen. Beispielsweise können die Amplitude, die Frequenz und/oder die Phase der Welle so verändert werden, dass jede Veränderung entweder ein einzelnes Datenbit (d. h. binäre Modulation) oder mehrere Datenbits (d. h. nicht binäre Modulation) von digitalen Daten darstellt. Wenn sich die Welle zur Oberfläche ausbreitet, können diese Modulationen erfasst werden und aus den Modulationen die Datenbits bestimmt werden.
Es sei jedoch angemerkt, dass die Charakteristika des verwendeten Untertagemodulators und der Schlammimpulstelemetriekanal selbst Übertragungsraten, -leistung, -bandbreite und -genauigkeit verschiedener Modulationstechniken beeinflussen können. Beispielsweise werden bei einer Phasenumtastungs-(PSK)-Modulationstechnik digitale Daten im Allgemeinen der Welle im Schlamm aufgeprägt, indem die Phase der Welle innerhalb des Bohrlochs moduliert wird. Ein Demodulator an der Oberfläche erfasst die Phase und rekonstruiert die digitalen Daten.
Obwohl die PSK-Modulation im Allgemeinen nach plötzlichen (tatsächlich im Idealfall unverzögerten) Phasenänderungen verlangt, wird ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass der oben beschriebene Modulator keine unverzögerten Phasenänderungen erzeugen kann. Stattdessen approximieren Schlammimpulstelemetriesysteme, die die PSK-Modulation verwenden, typischerweise die plötzlichen Phasenänderungen, indem sie so schnell, wie dies der Untertagemodulator mechanisch zulässt, Phasenänderungen an der Welle vornehmen. Obwohl das Steuern des Modulators zum Durchführen von Phasenänderungen so schnell wie physikalisch möglich das Übertragen von Daten durch gewisse PSK-Techniken niedrigerer Ordnung (z. B. binäre PSK) ermöglicht, wird geglaubt, dass eine solche Steuerung keine wirksame Übertragung von Daten durch andere PSK-Techniken höherer Ordnung (z. B. 8-PSK, bei der acht diskrete Phasen verwendet werden, um verschiedene Datengruppen mit jeweils drei Bits darzustellen) erlaubt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Schlammimpulstelemetriesystem zu schaffen, das ein wirksames Übertragen von Daten durch PSK-Techniken höherer Ordnung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System nach Anspruch 1, 11 oder 25 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 15. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Nachstehend werden bestimmte Aspekte von hier beispielhalber offenbarten Ausführungsformen zusammengefasst. Selbstverständlich sind diese Aspekte nur dargestellt, um dem Leser eine kurze Zusammenfassung bestimmter Formen, die eine hier offenbarte und/oder beanspruchte Erfindung annehmen könnte, zu liefern, wobei diese Aspekte den Umfang einer jeden hier offenbarten und/oder beanspruchten Erfindung nicht begrenzen sollen. Tatsächlich kann jede hier offenbarte und/oder beanspruchte Erfindung eine Reihe von Aspekten umfassen, die eventuell im Folgenden nicht dargelegt sind.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Techniken zum Übertragen von Daten durch Modulieren einer Schallwelle in einem Schlammimpulstelemetriesystem. Gemäß einer offenbarten Ausführungsform wird die Schallwelle moduliert, um gemäß einer PSK-Technik, die nicht binäre Modulationen mit sanften Übergängen verwendet, Daten darzustellen. Bei bestimmten Ausführungsformen wird die Schallwelle gemäß Fehlerprüf- und/oder Fehlerkorrekturtechniken wie etwa Techniken der Trellis-codierten Modulation (TCM) weiter moduliert.
Im Zusammenhang mit verschiedenen Aspekten der Erfindung können verschiedene Verfeinerungen der oben angeführten Merkmale vorkommen. Ebenso können in diesen verschiedenen Aspekten weitere Merkmale aufgenommen sein. Diese Verfeinerungen und zusätzlichen Merkmale können einzeln oder in irgendeiner Kombination vorkommen. Beispielsweise können verschiedene Merkmale, die im Folgenden im Zusammenhang mit einer oder mehreren der erläuterten Ausführungsformen besprochen werden, in jedem der oben beschriebenen Aspekte der Erfindung allein oder in irgendeiner Kombination vorkommen. Wiederum soll die oben präsentierte Kurzzusammenfassung, ohne den beanspruchten Gegenstand zu begrenzen, nur dazu vorgesehen sein, den Leser mit bestimmten Aspekten und Kontexten von Ausführungsformen der Erfindung vertraut zu machen.
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden verständlicher beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen, wobei in allen Abbildungen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile repräsentieren und worin:
1 ein Schema ist, das allgemein ein Bohrlochbohrsystem gemäß einer Ausführungsform zeigt;
2A ein Blockschaltplan eines Druckwellenmodulators mit einem Drehventil, der im System von 1 verwendet werden kann, gemäß einer Ausführungsform ist;
2B ein Blockschaltplan eines Modulators mit einem Ventil wie etwa einem oszillierenden Ventil oder auf- und abgehenden Ventil, der im System von 1 verwendet werden kann, gemäß einer Ausführungsform ist;
3 ein Blockschaltplan ist, der Komponenten eines Schlammimpulstelemetriesystems gemäß einer Ausführungsform zeigt;
4 eine Tabelle von Bitfolgen und entsprechenden Symbolen zum Verändern einer Druckwelle gemäß einer Phasenumtastungs-(PSK)-Modulationstechnik einer Ausführungsform ist;
5 ein Ablaufplan eines Beispiels eines Prozesses zum Übertragen digitaler Daten durch Modulation und Demodulation einer Druckwelle gemäß einer Ausführungsform ist; und
6 ein Diagramm ist, das die Modulation der Druckwelle durch den Prozess von 5 gemäß einer Ausführungsform zeigt.
Im Folgenden werden eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich Beispiele der Erfindung. Außerdem sind im Bemühen, eine prägnante Beschreibung dieser beispielhaften Ausführungsformen zu liefern, eventuell nicht sämtliche Merkmale einer wirklichen Ausführung in dieser Patentbeschreibung beschrieben.
Selbstverständlich müssen bei der Entwicklung jeder solchen wirklichen Ausführung wie etwa bei einem Konstruktions- oder Entwurfsprojekt zahlreiche ausführungsspezifische Entscheidungen getroffen werden, um die spezifischen Ziele des Entwicklers zu erreichen, beispielsweise die Beachtung systembezogener und unternehmensbezogener Zwänge, die von einer Ausführung zur anderen verschieden sein können. Außerdem könnte eine solche Entwicklungsanstrengung natürlich umfangreich und zeitaufwändig sein, jedoch wäre sie trotzdem für den Durchschnittsfachmann, der den Nutzen aus dieser Offenbarung zieht, ein Routineunterfangen hinsichtlich des Entwurfs, der Fertigung und der Herstellung.
Beim Einführen von Elementen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung sollen die Artikel ”ein” und ”der” bzw. ”eine” und ”die” bedeuten, dass es eines oder mehrere der Elemente gibt. Die Begriffe ”umfassen”, ”aufweisen” und ”besitzen” sollen alles einschließend sein und bedeuten, dass es zusätzliche Elemente geben kann, die von den aufgelisteten Elementen verschieden sind. Außerdem sei hervorgehoben, dass, obwohl hier der Begriff ”beispielhaft” in Verbindung mit bestimmten Beispielen von Aspekten oder Ausführungsformen des hier offenbarten Gegenstands verwendet wird, diese Beispiele dem Wesen nach veranschaulichend sind und dass der Begriff ”beispielhaft” hier nicht dazu verwendet wird, irgendeine Präferenz oder Anforderung bezüglich eines offenbarten Aspekts oder einer offenbarten Ausführungsform zu bezeichnen. Ferner erfolgt jede Verwendung der Begriffe ”oben”, ”unten”, ”über” und ”unter” sowie anderer positionsbezogener Begriffe und Abwandlungen dieser Begriffe der Einfachheit halber, verlangt jedoch keine besondere Orientierung der beschriebenen Komponenten.
Um sich nun den Zeichnungen zuzuwenden, ist in 1 zunächst ein Beispiel eines Bohrsystems 10 angegeben, das geeignet ist, durch eine oder mehrere Schlammimpulstelemetrietechniken Daten zu übertragen. Obwohl in 1 verschiedene Elemente des Bohrsystems 10 gezeigt sind, die nachstehend allgemein besprochen werden, kann wohlgemerkt das Bohrsystem 10 neben jenen, die gezeigt sind und besprochen werden, oder anstelle von diesen weitere Komponenten umfassen. Das System 10 kann allgemein ein Bohrgestell 12, das einen in einem Bohrloch 16 angeordneten Bohrstrang 14 unterstützt, umfassen. Am Ende des Bohrstrangs 14 kann eine Bohrkrone 18 positioniert sein, die ausgestaltet sein kann, um in geologische Formationen zu schneiden und dadurch die Tiefe des Bohrlochs 16 zu erweitern. Das gezeigte System 10 kann außerdem eine Verrohrung 20 umfassen, die allgemein die bauliche Unversehrtheit des Bohrlochs 16 in der Nähe der Oberfläche aufrechterhält.
Während eines Bohrprozesses kann sich in der Nähe der Sohle des Bohrlochs 16 verschiedener Schutt (z. B. Bohrabfall) ansammeln. Außerdem kann infolge der Reibung zwischen der Bohrkrone 18 und der gebohrten geologischen Formation die Temperatur der Bohrkrone 18 ansteigen. Folglich kann ein Bohrfluid 22, das gewöhnlich als ”Bohrschlamm” bezeichnet wird, durch das Bohrloch 16 umgewälzt werden, um solchen Schutt zu entfernen und die Kühlung der Bohrkrone 18 zu fördern. Bei der hier gezeigten Ausführungsform kann das Bohrfluid 22 aus einem Vorratsbehälter oder einer ”Schlammgrube” 24 gepumpt und durch eine Pumpe 26 durch das Bohrloch 16 gepumpt werden. Genauer kann die Pumpe 26 Bohrfluid 22 durch Zuleitungen 28 (z. B. Rohre oder Schläuche) zum Bohrstrang 14 leiten, wie durch die Pfeile 30 allgemein angedeutet ist. Das Bohrfluid kann durch den Bohrstrang 14 nach unten zu einem distalen Ende fließen, wie durch die Pfeile 32 allgemein angegeben ist, und den Bohrstrang 14 an oder in der Nähe der Bohrkrone 18 verlassen.
Das Bohrfluid 22 kann dann durch einen Ringraum 34, der allgemein zwischen dem Umfang des Bohrlochs und dem Bohrstrang 14 definiert ist, zur Oberfläche zurückkehren, wie durch Pfeile 36 angegeben ist. Schließlich kann das Bohrfluid das Bohrloch 16 durch eine Rückleitung 38 verlassen, die den Bohrschlamm 22 zurück zum Vorratsbehälter 24 leitet, wie durch Pfeile 40 allgemein gezeigt ist. In dieser Weise kann Bohrfluid 22, das durch das Bohrloch 16 geleitet wird, die Bohrkrone 18 kühlen und Schutt aus dem Bohrloch 16 entfernen. Außerdem kann sich der Schutt im Bohrfluid 22, das aus dem Bohrloch 16 zum Vorratsbehälter 24 zurückkehrt, am Boden des Vorratsbehälters 24 absetzen, womit das Bohrfluid 22 erneut durch das Bohrloch 16 umgewälzt werden kann.
Wohlgemerkt können verschiedene zusätzliche Komponenten und Werkzeuge wie beispielsweise Komponenten, die ausgestaltet sind, um MWD- oder LWD-Operationen zu unterstützen, im Bohrloch 16 vorgesehen sein. Bei einer Ausführungsform können solche zusätzlichen im Bohrloch 16 angeordneten Komponenten eine oder mehrere Datenquellen 42 umfassen. Die Datenquellen 42 können beispielsweise verschiedene Instrumente oder Sensoren umfassen, die ausgestaltet sind, um Informationen zu ermitteln, die für einen Bohrprozess relevant sind. Beispiele solcher Informationen umfassen Positionsdaten, Orientierungsdaten, Druckdaten und Gammastrahlendaten, obwohl ebenso die Verwendung von Sensoren zum Messen weiterer Parameter in Betracht kommt.
Daten, die von der einen oder den mehreren Datenquellen 42 gesammelt werden, können elektronisch zu einer Baugruppe gesendet werden, die einen Codierer 44 und einen Modulator 46 umfasst, die zusammenwirken, um eine Schallwelle (z. B. eine Druckwelle) zu erzeugen und verschiedene Aspekte der Welle zu verändern, um die Daten von der einen oder den mehreren Datenquellen 42 darzustellen, wie weiter unten näher besprochen wird. Die Welle breitet sich durch das Bohrfluid 22 im Bohrstrang 14 und in der Zuleitung 28 (die ein Standrohr des Bohrgestells 12 umfassen kann) aus, wie durch die Pfeile 50 allgemein angegeben ist. Die Veränderungen in der Welle können durch einen oder mehrere Sensoren 52 (z. B. einen oder mehrere Druckmessumformer) an der Oberfläche des Systems 10 erfasst werden.
Die erfassten Veränderungen können durch einen Computer 54 verarbeitet werden, um die ursprünglichen Daten von der einen oder den mehreren Datenquellen 42 zu rekonstruieren. Wie erkennbar ist, kann der Computer 54 bei einer Ausführungsform einen Prozessor umfassen, der ausgestaltet ist, um ein oder mehrere in einem Speicher des Computers gespeicherte Programme auszuführen, um die Wellenmodulationen mit Folgen von Bits der ursprünglichen digitalen Daten von der einen oder den mehreren Datenquellen 42 zu korrelieren. Es sei jedoch ferner angemerkt, dass stattdessen eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung eine solche Funktionalität verschaffen oder ergänzen kann. Außerdem kann der Computer 54 auch die Steuerung und/oder die Überwachung weiterer Aspekte des Systems 10 unterstützen. Beispielsweise kann bei einer Ausführungsform der Computer 54 die Steuerung der Pumpe 26 unterstützen.
In 2A sind beispielhafte Komponenten eines Modulators 46 gemäß einer Ausführungsform allgemein gezeigt. Es sei jedoch angemerkt, dass verschiedene Modulatoren zum Erzeugen und Modulieren von Schallwellen in Schlammimpulstelemetriesystemen bekannt sind und dass die vorliegenden Techniken nicht auf den Modulator 46 der hier gezeigten Ausführungsform begrenzt sind. Der Modulator 46 kann ein Drehventil 56, das mit einem Motor 58 gekoppelt ist, umfassen. Ein Motorcontroller 60 kann Steuersignale zum Motor 58 liefern, der seinerseits eine mechanische Kraft auf einen Rotor 62 des Drehventils 56 ausüben kann. Bei manchen Ausführungsformen kann die mechanische Kraft den Rotor 62 antreiben, während bei anderen (z. B. jenen, bei denen der Rotor 62 durch eine Turbine als Reaktion auf einen Fluidfluss angetrieben wird) die mechanische Kraft dazu verwendet werden kann, eine Bremskraft auf den Rotor 62 auszuüben.
Der Rotor 62 kann sich in Bezug auf einen Stator 64 des Drehventils 56 drehen, um wahlweise den Fluss von Bohrfluid 22 durch das Drehventil 56 zu sperren und Druckimpulse (z. B. die Schallwelle) zu erzeugen, wie oben besprochen wurde. Beispielsweise können der Rotor 62 und der Stator 64 komplementäre Öffnungen aufweisen, die den Fluss von Bohrfluid 22 durch das Drehventil 56 ermöglichen, wenn der Rotor 62 in einer ”geöffneten” Stellung orientiert ist, und die einen solchen Fluss verhindern, wenn der Rotor 62 in einer ”geschlossenen” Stellung orientiert ist. Bei einer Ausführungsform führt die wahlweise Sperrung des Flusses von Bohrfluid 22 zu einer kontinuierlichen Druckwelle, die eine Periode besitzt, die zur Unterbrechungsrate proportional ist und die sich durch das Bohrfluid 22 vom Drehventil 56 nach oben zur Oberfläche ausbreitet.
2B zeigt beispielhafte Komponenten eines Modulators 46 gemäß einer anderen Ausführungsform. Der Modulator 46 kann jede andere Art von Ventil 59 wie etwa ein oszillierendes Ventil, ein auf- und abgehendes Ventil oder irgendeinen anderen bekannten oder bislang entwickelten Ventiltyp für Schlammimpulstelemetriemodulation umfassen. Bei einer solchen Ausführungsform kann der Motorcontroller 60 Steuersignale zum Motor 58 liefern, der seinerseits eine mechanische Kraft anwenden kann, um die Stellung des Ventils 59 zu verändern. Beispielsweise kann der Motorcontroller 60 veranlassen, dass der Motor 58 ein auf- und abgehendes Ventil in eine geöffnete Stellung oder eine geschlossene Stellung antreibt. In einem anderen Beispiel kann der Motorcontroller 60 veranlassen, dass der Motor 58 ein oszillierendes Ventil so steuert, dass es von einer Stellung in die andere wechselt oder eine bestimmte Oszillationsfrequenz beibehält.
Mit der Feinsteuerung des Motors 58 lässt sich die absolute Stellung der oben besprochenen Ventile 56 und 59 besser steuern. In Verbindung mit dem hier offenbarten Gegenstand können alle geeigneten Motorsteuertechniken einschließlich jener, die beispielsweise in den US-Patenten mit den Nummern 6,327,524 und 7,129,673 und in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2005/0263330, die alle hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen sind, offenbart sind, verwendet werden.
Die Modulation und Demodulation von Daten und die Übertragung der Daten von der Sohle des Bohrlochs 16 zur Oberfläche ist in 3 allgemein gezeigt. Wie in 3 gezeigt ist, kann eine Datenquelle 68 (z. B. ein Sensor oder eine Speichervorrichtung) digitale Daten 70 zu einem Codierer 72 schicken. Der Codierer 72 kann seinerseits die Datenbits der digitalen Daten 70 in Gruppen von einem oder mehreren Datenbits unterteilen und den Gruppen verschiedene Symbole (d. h. Veränderungen der Welle, die für Gruppen von Datenbits bezeichnend sind) zuordnen. In Abhängigkeit von der angewandten Modulationstechnik können die Symbole, die für die Gruppen bezeichnend sind, beispielsweise Veränderungen des Phase, der Frequenz und/oder der Amplitude der Welle umfassen.
Der Modulator 74 ist ausgestaltet, um die Druckwelle 76 gemäß der durch den Codierer 72 gelieferten Symbole zu modulieren. Obwohl im Folgenden in Verbindung mit einer PSK-Modulationstechnik ein Beispiel angegeben wird, sei angemerkt, dass neben oder anstelle der PSK-Modulation zahlreiche andere Modulationstechniken angewandt werden könnten. Beispiele solcher anderer Modulationstechniken umfassen die Amplitudenmodulation (AM), die Frequenzmodulation (FM), die Minimalphasenlagenmodulation (MSK), die Frequenzumtastung (FSK), die Phasenmodulation (PM), die kontinuierliche Phasenmodulation (CPM), die Quadraturamplitudenmodulation (QAM) und die Trellis-Code-Modulation (TCM). Die Druckwelle 76 kann dann von einem Demodulator/Decodierer 78 wie etwa dem Sensor 52 und dem Computer 54 (1) empfangen werden, die die Modulationen in der Druckwelle 76 erfassen, den Modulationen die Symbole zuordnen und anhand solcher Symbole die ursprünglichen digitalen Daten 70 rekonstruieren können.
Ein ausführlicheres Beispiel dieses Prozesses wird nachstehend gemäß einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 4–6 besprochen. In diesem Beispiel werden Daten durch die Druckwelle 76 gemäß einer PSK-Technik übertragen, obwohl wohlgemerkt außerdem oder stattdessen andere Codiertechniken angewandt werden können. Das vorliegende Beispiel ist speziell auf die Übertragung der Daten gemäß einer 8-PSK-Technik gerichtet, die in der Tabelle 80 von 4 allgemein angegeben ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Datenbits der digitalen Daten in Drei-Bit-Gruppen gruppiert, wie sie in der Spalte 82 der Tabelle 80 allgemein angegeben sind. Jeder möglichen Bitfolge solcher Gruppen kann ein in Spalte 84 allgemein gezeigtes Symbol zugeordnet werden, das durch Modulieren der Druckwelle 76 auf die entsprechende in der Spalte 86 gezeigte Phase dargestellt wird.
Wie in 5 allgemein gezeigt ist, kann in einem weiteren Beispiel ein Abschnitt 92 eines Datenstroms der digitalen Daten 70 eine Neun-Bit-Datenfolge ”000110011” umfassen. Diese bestimmte Folge von Daten kann in eine Gruppe 94 von Datenbits ”000”, eine Gruppe 96 von Datenbits ”110” und eine Gruppe 98 von Datenbits ”011” unterteilt werden. Diese Gruppen 94, 96 und 98 können dann im Schritt 100 eines Schlammimpulstelemetrieprozesses 90 codiert werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform, die eine 8-PSK-Technik anwendet, kann unter Bezugnahme auf die Tabelle 80 der Gruppe 94 ein erstes Symbol θ = π/8 zugeordnet werden. Ähnlich kann der Gruppe 96 ein zweites Symbol θ = 9π/8 zugeordnet werden und der Gruppe 98 ein weiteres Symbol θ = 5π/8.
Neben der PSK-Modulationstechnik können bei manchen Ausführungsformen die Daten auch gemäß einer sanften Phaseninterpolationstechnik codiert werden, bei der die Übergänge zwischen Phasen in einer gesteuerten und sanften Weise anstatt so schnell, wie es der Modulator 74 mechanisch erlauben würde, vorgenommen werden. Bei einer Ausführungsform lässt sich das Wellensignal für eine sanfte PSK-Modulation wie folgt darstellen:
wobei E_S die Energie pro Symbol ist, T die Symbolperiode ist, f_c die Trägerfrequenz ist, q(.) eine Übergangsfunktion ist, σ(n) der Zustand des Modulators zum Zeitpunkt nT ist und Θ_m einer von m zu erreichenden diskreten Phasepegel ist.
Eine Möglichkeit zum Erzeugen der Übergangsfunktion q(.) ist von Borah, D. K. in "Smooth Phase Interpolated Modulations for Nonlinear Channels", Proc. IEEE Global Commun. Conf., GLOBECOM '2004, Bd. 1, S. 10–14 (2004), der hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist, beschrieben worden. Bei manchen Ausführungsformen können die Übergangsfunktionen die volle Symbolperiode einnehmen, um den gewünschten Phasenpegel zu erreichen. Bei anderen Ausführungsformen können jedoch Übergangsfunktionen, die nur einen Bruchteil der Symbolperiode wie etwa im Wesentlichen die Hälfte oder ein Viertel der Symbolperiode verwenden, um den gewünschten Phasenpegel zu erreichen, verwendet werden. Außerdem kommen noch andere Möglichkeiten zum Erzeugen des Phasenübergangs in Betracht..
Bei wenigstens einigen Ausführungsformen kann das Verwenden sanfter Phasenübergänge die Energie des Signals außerhalb seines Hauptbandes verringern. Eine solche Verringerung der Energie außerhalb des Hauptbandes des Signals kann das Aufteilen des Signalspektrums zwischen mehreren Modulatoren, ohne dass sie sich gegenseitig stören, erleichtern. Außerdem sei angemerkt, dass das Anwenden M-wertiger PSK-Techniken höherer Ordnung (z. B. von 8-PSK anstatt 4-PSK), wobei M die Anzahl diskreter Phasen repräsentiert, ebenso die Bandbreite des Signals bei einer festen Bitrate verkleinern kann. Außerdem senken diese sanften Phasenübergangs-Modulationstechniken im Allgemeinen die Leistungsanforderungen des Modulators und dessen mechanische Belastung. Folglich können höhere Telemetrieraten und kleinere Bitfehlerraten erzielt werden.
Ferner können bei manchen Ausführungsformen auch verschiedene Fehlerprüf- und/oder Fehlerkorrekturcodes in den Modulationsprozess aufgenommen sein. Beispielsweise kann eine Ausführungsform die Anwendung der Trellis-codierten Modulation (TCM) in Verbindung mit einer 8-PSK-Modulationstechnik umfassen, die eine Bitfehlerrate von 0,01 % erreichen kann, und zwar bei einem relativ niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis von weniger als 6,5 dB, verglichen mit dem ungefähren 8,5-dB-Verhältnis, das erforderlich ist, um unter Anwendung von 4-PSK allein dieselbe Fehlerrate zu erreichen, und dem ungefähren 11,5-dB-Verhältnis, das erforderlich ist, um unter Anwendung von 8-PSK allein dieselbe Fehlerrate zu erreichen. Des Weiteren sei angemerkt, dass bei wenigstens manchen Ausführungsformen die Anwendung der absoluten PSK-Modulation (bei der jede Phasenmodulation durch Vergleich einer gegenwärtigen Phase mit jener eines ursprünglichen Bezugssignals gemessen wird) anstelle der differentiellen PSK (bei der jede Phasenmodulation durch Vergleich einer gegenwärtigen Phase mit jener des vorhergehenden Symbols gemessen wird) die Fehlerrate weiter verkleinern kann, wenn systematische, fehlerkorrigierende Faltungscodes verwendet werden.
Das Verfahren 90 von 5 kann das Modulieren der Druckwelle auf eine Phase von π/8 im Schritt 102, um die Gruppe 94 von Datenbits darzustellen, umfassen. Im Schritt 104 kann die Phase der Druckwelle 76 erfasst und demoduliert werden, um die Datenbitfolge ”000” der Gruppe 94 zu rekonstruieren. Ähnlich kann zum Darstellen der Gruppe 96 von Datenbits die Phase der Druckwelle 76 im Schritt 106 auf 9π/8 moduliert werden. Diese Modulation kann im Schritt 108 erfasst und demoduliert werden, um die Datenbitfolge ”110” der Gruppe 96 zu rekonstruieren. Ähnlich können im Schritt 110 die Daten der Gruppe 98 dargestellt werden, indem die Phase der Druckwelle 76 auf 5π/8 moduliert wird, die dann im Schritt 112 erfasst und demoduliert werden kann, um die Datenbitfolge ”011” der Gruppe 98 zu rekonstruieren. In einer ähnlichen Weise können weitere Gruppen von Datenbits moduliert und demoduliert werden, um das Übertragen von Daten von der Sohle eines Bohrlochs zur Oberfläche zu ermöglichen. Es sei wiederum angemerkt, dass bei wenigstens manchen Ausführungsformen diese Modulationen gemäß einer nicht binären PSK-Modulationstechnik (z. B. 8-PSK-Modulationstechnik) mit sanften Phasenübergängen (wie oben besprochen wurde) sowie einer TCM-Modulationstechnik ausgeführt werden.
In 6 ist ein Diagramm 120 allgemein angegeben, das für die oben bezüglich der Schritte 102, 106 und 110 besprochenen Modulationen bezeichnend ist. Das Diagramm 120 zeichnet den Druck als Funktion der Zeit auf, wie durch die vertikale und die horizontale Achse 122 bzw. 124 allgemein dargestellt ist. Im Diagramm 120 ist zum Schaffen einer klareren Veranschaulichung der Phasensprungmodulationen der Druckwelle 76, die durch die Kurve 128 allgemein dargestellt ist, eine Bezugskurve 126 enthalten, die der Welle mit einer Phase (8) gleich null entspricht. Das Diagramm 120 ist in drei Symbolperioden allgemein unterteilt, die im Wesentlichen gleiche Dauern 130 besitzen. Die erste Symbolperiode umfasst einen Übergangsabschnitt 132, während dem die Phase der Druckwelle 76 (durch die Kurve 128 wiedergegeben) von einem Startpunkt θ = 0 auf θ = π/8, was für die Gruppe 94 von Daten (”000”) bezeichnend ist, moduliert wird. Dieser Phasensprung von π/8 bezüglich der Bezugskurve 126 ist durch den Pfeil 136 allgemein angegeben.
Die Phase der Druckwelle kann für den restlichen Abschnitt 134 der ersten Symbolperiode auf π/8 gehalten und dann in einem Übergangsabschnitt 138 der zweiten Symbolperiode auf θ = 9π/8 moduliert werden, was, wie oben besprochen wurde, allgemein die Datenfolge ”110” der Gruppe 96 repräsentiert. Sobald dieser Übergang abgeschlossen ist (d. h. die Differenz 142 zwischen der Kurve 128 und der Bezugskurve 126 9π/8 beträgt), kann die Phase für den verbleibenden Abschnitt 140 der zweiten Symbolperiode auf diesem Pegel gehalten werden. Die Druckwelle kann wieder in einem Übergangsabschnitt 144 der dritten Symbolperiode (z. B. von θ = 9π/8 auf θ = 5π/8, was für die Daten der Gruppe 98 bezeichnend ist) moduliert werden, wobei die Phase von 5π/8 über den gesamten verbleibenden Abschnitt 146 der dritten Symbolperiode hinweg beibehalten werden kann. Die Phase von 5π/8 ist allgemein als Differenz 148 zwischen den Kurven 126 und 128 gezeigt.
Obwohl die Erfindung verschiedene Abwandlungen und alternative Formen zulässt, sind spezifische Ausführungsformen beispielhalber in den Zeichnungen gezeigt und hier ausführlich beschrieben worden. Jedoch soll die Erfindung selbstverständlich nicht auf die offenbarten bestimmten Formen begrenzt sein. Vielmehr soll die Erfindung alle Abwandlungen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die im Schutzbereich der Erfindung, der durch die folgenden angehängten Ansprüche definiert ist, fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6327524 [0031]
- US 7129673 [0031]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Borah, D. K. in ”Smooth Phase Interpolated Modulations for Nonlinear Channels”, Proc. IEEE Global Commun. Conf., GLOBECOM '2004, Bd. 1, S. 10–14 (2004) [0037]

Claims

Schlammimpulstelemetriesystem, das umfasst: einen Druckimpulsgenerator, der in einem Bohrloch (16) angeordnet ist, wobei der Druckimpulsgenerator ausgestaltet ist, um eine Druckwelle (76) in einem im Bohrloch (16) verteilten Bohrfluid (22) zu erzeugen; und einen Datencodierer (44; 72; 78), der im Bohrloch (16) angeordnet und ausgestaltet ist, um digitale Daten (70) von einer Datenquelle (42; 68) zu empfangen, die Datenbits der digitalen Daten (70) zu Gruppen (94, 96, 98) mit einem oder mehreren Datenbits zu gruppieren und die Phase der Druckwelle (76) auf Bitmustern der jeweiligen Gruppen (94, 96, 98) von Datenbits basierend zu verändern, derart, dass die Phase der Druckwelle (76) gleichzeitig das eine oder die mehreren Datenbits einer Gruppe (94, 96, 98) von Datenbits codiert, wobei der Druckimpulsgenerator ausgestaltet ist, um die Druckwelle (76) von einer ersten Phase, die eine erste Gruppe von Datenbits der digitalen Daten (70) codiert, auf eine zweite Phase, die eine zweite Gruppe von Datenbits der digitalen Daten (70) codiert, zu modulieren und die Druckwelle (76) so zu modulieren, dass sie einen sanften Phasenübergang zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase aufweist.
Schlammimpulstelemetriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Datencodierer (44; 72; 78) so ausgestaltet ist, dass er die Datenbits der digitalen Daten (70) zu Gruppen (94, 96, 98) von einem oder mehreren Datenbits gruppiert und jeder Gruppe (94, 96, 98) von einem oder mehreren Datenbits einen jeweiligen Druckwellen-Phasenwert zuordnet, der für das Bitmuster der Gruppe bezeichnend ist.
Schlammimpulstelemetriesystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Datendecodierer (78), der ausgestaltet ist, um die Druckwelle (76) zu empfangen und anhand der jeweiligen Phasen der Druckwelle (76) die digitalen Daten (70) zu rekonstruieren.
Schlammimpulstelemetriesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Datendecodierer (78) so ausgestaltet ist, dass er die digitalen Daten (70) anhand der Druckwelle (76) im Bohrfluid (22) gemäß einer Phasenumtastungstechnik, die wenigstens acht diskrete Phasen verwendet, rekonstruiert.
Schlammimpulstelemetriesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Datendecodierer (78) so ausgestaltet ist, dass er die digitalen Daten (70) anhand der Druckwelle (76) im Bohrfluid (22) gemäß einer absoluten Phasenumtastungstechnik rekonstruiert.
Schlammimpulstelemetriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckimpulsgenerator einen Generator für kontinuierliche Druckwelle umfasst.
Schlammimpulstelemetriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckimpulsgenerator umfasst: ein Ventil (56, 59), das im Bohrstrang (14) angeordnet und ausgestaltet ist, um zum Erzeugen der Druckwelle (76) wahlweise einen Fluss von Bohrfluid (22) durch den Bohrstrang (14) zu unterbrechen; einen Motor (58), der mit dem Ventil (56, 59) gekoppelt und ausgestaltet ist, um eine mechanische Kraft zum Verändern der Stellung des Ventils (56, 59) auszuüben; und einen Motorcontroller (60), der ausgestaltet ist, um zum Verändern der Stellung des Ventils (56, 59) und der Phase der Druckwelle (76) Steuersignale an den Motor (58) auszugeben.
Schlammimpulstelemetriesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (56, 59) ein drehendes Ventil, ein oszillierendes Ventil oder ein auf- und abgehendes Ventil umfasst.
Schlammimpulstelemetriesystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Datenquelle (42; 68).
Schlammimpulstelemetriesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenquelle (42; 68) wenigstens einen Sensor (52) umfasst.
Schlammimpulstelemetriesystem, das umfasst: einen Modulator (46; 74), der ausgestaltet ist, um angeordnet in einem Bohrstrang (14) eines Bohrlochs (16) die Phase einer Welle in einem Medium im Bohrstrang (14) zu modulieren; und einen Demodulator (78), der ausgestaltet ist, um die Welle durch das Medium zu empfangen, wobei der Modulator (46; 74) und der Demodulator (78) ausgestaltet sind, um die Phase gemäß einer M-wertigen Phasenumtastungstechnik zu modulieren und zu demodulieren, bei der Übergänge zwischen aufeinander folgenden Phasen der Welle so interpoliert werden, dass die Übergänge zwischen den aufeinander folgenden Phasen sanfte Phasenübergänge umfassen, wobei M eine ganze Zahl ist, die gleich oder größer als acht ist.
Schlammimpulstelemetriesystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (46; 74) und der Demodulator (78) so ausgestaltet sind, dass sie die Phase gemäß einer Trellis-Codierungs-Modulationstechnik modulieren bzw. demodulieren.
Schlammimpulstelemetriesystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (46; 74) ein drehendes Ventil (56), ein oszillierendes Ventil (59) oder ein auf- und abgehendes Ventil (59) umfasst, wobei der Modulator (46; 74) so ausgestaltet ist, dass er durch einen Motor (58), der durch einen Motorcontroller (60) gesteuert wird, angetrieben wird.
Schlammimpulstelemetriesystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (46; 74) ausgestaltet ist, um die digitalen Daten (70) zu empfangen, die Datenbits der digitalen Daten (70) zu Gruppen (94, 96, 98) mit drei oder mehr Datenbits zu gruppieren und die Phase der Druckwelle (76) auf Bitmustern der jeweiligen Gruppen (94, 96, 98) von Datenbits basierend zu verändern, derart, dass die Phase der Druckwelle (76) gleichzeitig die drei oder mehr Datenbits einer Gruppe (94, 96, 98) von Datenbits codiert.
Verfahren zum Übertragen von Daten in einem Bohrloch (16), wobei das Verfahren umfasst: Empfangen von digitalen Daten (70); Codieren der digitalen Daten (70) zu mehreren Symbolen, wobei jedes Symbol für ein oder mehrere Datenbits der digitalen Daten (70) bezeichnend ist; und Modulieren der Phase einer Schallwelle im Bohrloch (16), um die mehreren Symbole darzustellen, wobei das Modulieren der Phase einer Schallwelle das Verändern der Phase der Schallwelle derart, dass die Schallwelle sanfte Phasenübergänge zwischen aufeinander folgenden Phasen, die für die mehreren Symbole bezeichnend sind, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulieren der Phase der Schallwelle das Modulieren der Phase gemäß einer Fehlerkorrekturtechnik umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulieren der Phase gemäß einer Fehlerkorrekturtechnik das Modulieren der Phase gemäß einer Trellis-codierten Modulationstechnik umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch das Erzeugen der Schallwelle an einem ersten Ort und das Empfangen der Schallwelle an einem zweiten Ort.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch das Demodulieren der am zweiten Ort empfangenen Schallwelle.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Demodulieren der Schallwelle das Erfassen von absoluten Phasenmodulationen der Schallwelle und das Zuordnen jeder der absoluten Phasenmodulationen zu einem Symbol der mehreren Symbole umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der Schallwelle das Erzeugen einer kontinuierlichen Schallwelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulieren der Phase der Schallwelle das Modulieren der Phase derart, dass die Schallwelle mehrere Symbolperioden gleicher Dauer umfasst, umfasst, wobei jede Symbolperiode ein Übergangszeitintervall für den Übergang zwischen Phasen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulieren der Phase der Schallwelle das Modulieren der Phase derart, dass die Dauer des Übergangszeitintervalls kleiner oder gleich jener der Symbolperiode ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulieren der Phase der Schallwelle das Modulieren der Phase derart, dass die Dauer des Übergangszeitintervalls im Wesentlichen gleich der halben Dauer der Symbolperiode ist, umfasst.
Schlammimpulstelemetriesystem, das umfasst: einen Modulator (46; 74), der ausgestaltet ist, um angeordnet in einem Bohrstrang (14) eines Bohrlochs (16) die Phase einer Welle in einem Medium im Bohrstrang (14) zu modulieren; und einen Demodulator (78), der ausgestaltet ist, um die Welle durch das Medium zu empfangen, wobei der Modulator (46; 74) und der Demodulator (78) ausgestaltet sind, um die Phase gemäß einer M-wertigen Phasenumtastungstechnik zu modulieren und zu demodulieren, bei der Übergänge zwischen aufeinander folgenden Phasen der Welle so interpoliert werden, dass die Übergänge zwischen den aufeinander folgenden Phasen sanfte Phasenübergänge umfassen, wobei M eine ganze Zahl ist, die gleich oder größer als zwei ist.
Schlammimpulstelemetriesystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (46; 74) ausgestaltet ist, um die digitalen Daten (70) zu empfangen, die Datenbits der digitalen Daten (70) zu Gruppen (94, 96, 98) mit einem oder mehren Datenbits zu gruppieren und die Phase der Druckwelle (76) auf Bitmustern der jeweiligen Gruppen (94, 96, 98) von Datenbits basierend zu verändern, derart, dass die Phase der Druckwelle (76) gleichzeitig das eine oder die mehreren Datenbits einer Gruppe (94, 96, 98) von Datenbits codiert.