DE102015104101A1

DE102015104101A1 - Mud-Sirenen-Anordnungen und Verfahren zum Codieren und Übertragen von einer mehrere Bits aufweisenden Information

Info

Publication number: DE102015104101A1
Application number: DE102015104101.4A
Authority: DE
Inventors: Mouhammed Jandal Berro; Michael Sohmer; Matthias Reich
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2016-09-22
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: DE102015104101B4

Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Mud-Sirenen-Anordnung bereitgestellt, aufweisend: eine Bohrgarnitur; eine in der Bohrgarnitur angeordnete erste Mud-Sirene; mindestens eine in der Bohrgarnitur angeordnete weitere Mud-Sirene; und mindestens eine Codiereinrichtung, die mit der ersten Mud-Sirene und der mindestens einen weiteren Mud-Sirene gekoppelt ist. Die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene sind derart angeordnet und die Codiereinrichtung steuert die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene derart an, dass zu einem Codierzeitpunkt mittels der ersten Mud-Sirene und der mindestens einen weiteren Mud-Sirene eine mehrere Bits aufweisende Information codiert und übertragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft Mud-Sirenen-Anordnungen und Verfahren zum Codieren und Übertragen von einer mehrere Bits aufweisenden Information.
Zum Überwachen und Steuern von Tiefbohrungen ist eine Bohrgarnitur üblicherweise mit verschiedenen Sensoren und Messgeräten ausgestattet, die während des Bohrens den so genannten Bohrpfad vermessen und das Gestein untersuchen. Die gewonnenen Daten sollen während des so genannten Abteufens der Bohrung von der Bohrlochsohle an die Oberfläche übertragen werden.
Die Datenübertragung dient in der Tiefbohrtechnik dazu, die Messdaten der gemessenen geologischen Daten (auch bezeichnet als Logging While Drilling, LWD) und der gemessenen Ausrichtungsdaten wie beispielsweise die Neigung (Inklination), die Himmelsrichtung (Azimut), sowie die Ausrichtung des Bohrwerkzeugs (auch bezeichnet als Measuring While Drilling, MWD) zur Erdoberfläche (also Übertage) zu übertragen. Die Messdaten ermöglichen einem Richtbohrer die genaue Überwachung des Bohrvorgangs. Das am meisten verbreitete Verfahren für die Datenübertragung in einem Bohrloch ist die so genannte Mud-Pulse-Telemetrie. Sie sendet die Informationen mittels codierter Druckpulse über die Bohrspülung, die kontinuierlich durch ein Bohrgestänge gepumpt wird, zur Oberfläche. Dort werden die Druckpulse mittels eines Druckaufnehmers empfangen, decodiert und angezeigt. Zur untertägigen Pulserzeugung werden üblicherweise verschiedene Pulserarten eingesetzt, eine davon ist die so genannte Mud-Sirene.
Eine Mud-Sirene weist üblicherweise einen Stator und einen Rotor auf, wobei mittels einer Drehbewegung des Rotors gegenüber dem Stator kontinuierliche Druckpulse (auch bezeichnet als „Töne”) erzeugt werden. Der maximale Druck im Bohrstrang über der Mud-Sirene wird dabei jedes Mal erreicht, wenn der oder die massiven Rotorblätter des Rotors die offenen Räume des Stators der Mud-Sirene überdecken. Im Gegensatz dazu ist der Druck im Bohrstrang über der Mud-Sirene dann minimal, wenn die offenen Räume des Rotors mit freien Flächen des Stators korrespondieren.
Ein Nachteil der herkömmlichen Mud-Sirene liegt in ihrer geringen Datenrate. Da deutlich weniger Daten nach Übertage übertragen werden können, als Untertage anfallen, ist es herkömmlicherweise erforderlich, mittels eines untertägigen Rechners eine aufwändige Vorprozessierung der gemessenen Rohdaten vorzunehmen. Dies resultiert jedoch in einer erforderlichen sehr komplexen und damit teuren Untertage-Recheneinheit. Auch ist die Untertage-Recheneinheit an die untertägigen Bedingungen anzupassen, beispielsweise an die im Bohrloch herrschenden Temperaturen von mindestens 150°C, an extreme Schläge und Vibrationen, sowie an die im Bohrloch herrschenden sehr hohen Drücke.
Somit liegt der Erfindung das Problem zu Grunde, die erreichbare Datenrate einer Mud-Sirenen-Anordnung zu erhöhen.
Das Problem wird durch die Mud-Sirenen-Anordnungen und das Verfahren zum Codieren und Übertragen von einer mehrere Bits aufweisenden Information gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Mud-Sirenen-Anordnung bereitgestellt, aufweisend: eine Bohrgarnitur; eine in der Bohrgarnitur angeordnete erste Mud-Sirene; mindestens eine in der Bohrgarnitur angeordnete weitere Mud-Sirene; und mindestens eine Codiereinrichtung, die mit der ersten Mud-Sirene und der mindestens einen weiteren Mud-Sirene gekoppelt ist. Die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene sind derart angeordnet und die Codiereinrichtung steuert die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene derart an, dass zu einem Codierzeitpunkt mittels der ersten Mud-Sirene und der mindestens einen weiteren Mud-Sirene eine mehrere Bits aufweisende Information codiert und übertragen wird.
Auf diese Weise kann zu einem Codierzeitpunkt, beispielsweise in einem Zeitschlitz (auch bezeichnet als Slot), nicht nur eine Ein-Bit-Information übertragen werden, sondern eine Information, die mehrere Bits aufweist. Somit wird die erreichbare Datenrate vervielfacht.
Es ist darauf hinzuweisen, dass nicht nur zwei Mud-Sirenen vorgesehen sein können, sondern es können auch drei, vier, fünf oder sogar mehr Mud-Sirenen in der Bohrgarnitur angeordnet sein, womit es sogar möglich wird, eine Information von mehr als zwei Bits pro Codierzeitpunkt, beispielsweise pro Zeitschlitz, zu übertragen. So ist es beispielsweise möglich, bei drei Mud-Sirenen in der Bohrgarnitur pro Codierzeitpunkt drei Informationsbits zu übertragen, bei vier Mud-Sirenen in der Bohrgarnitur pro Codierzeitpunkt vier Informationsbits, bei fünf Mud-Sirenen in der Bohrgarnitur pro Codierzeitpunkt fünf Informationsbits, usw.
Somit kann die erzielbare Datenrate deutlich erhöht werden.
In einer Ausgestaltung können die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene (im Folgenden auch bezeichnet als zweite Mud-Sirene) hintereinander in der Bohrgarnitur angeordnet sein. Dies entspricht anschaulich einer Reihenschaltung mehrerer Mud-Sirenen innerhalb der Bohrgarnitur. Wenn mehr als zwei Mud-Sirenen hintereinander in Reihenschaltung innerhalb der Bohrgarnitur angeordnet sind, dann können die jeweiligen Mud-Sirenen mit unterschiedlichen Frequenzen zum Codieren und Übertragen der jeweiligen Information angetrieben werden.
Die unterschiedlichen Frequenzen sollten keine ganzzahligen Vielfachen voneinander sein.
In noch einer Ausgestaltung können die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene nebeneinander in der Bohrgarnitur angeordnet sein. Dies entspricht anschaulich einer Parallelschaltung mehrerer Mud-Sirenen innerhalb der Bohrgarnitur.
Auch in diesem Fall sollten die unterschiedlichen Frequenzen keine ganzzahligen Vielfachen voneinander sein.
Es ist darauf hinzuweisen, dass in verschiedenen Ausführungsbeispielen die unterschiedlichen Frequenzen der Mud-Sirenen nicht nur durch Einstellung der Drehzahl erreicht werden können, sondern auch durch Veränderung der Flügelzahl von Rotor und/oder Stator (anders ausgedrückt durch Veränderung der Anzahl von Rotorblättern und/oder Statorblättern in den Mud-Sirenen).
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, sowohl die Drehzahl zu verändern und auch Mud-Sirenen mit einer unterschiedlichen Anzahl von Rotorblättern und/oder Statorblättern in den Mud-Sirenen zu verändern, um die jeweils gewünschten Frequenzen zu erzeugen.
Allgemein können eine Vielzahl von Mud-Sirenen innerhalb der Bohrgarnitur zu einer Kombination von einer oder mehreren Reihenschaltungen mit einer oder mehreren Parallelschaltungen angeordnet werden und zum Codieren und zum Übertragen der Information beispielsweise mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden.
In noch einer Ausgestaltung kann die Codiereinrichtung die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene derart ansteuern, dass die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene mit voneinander unterschiedlichen Frequenzen zum Codieren der mehrere Bits aufweisenden Information angetrieben werden. Um eine möglichst gute Datenübertragung gewährleisten zu können bei einer möglichst geringen Dämpfung der übertragenen Signale ist es vorteilhaft, wenn die unterschiedlichen Frequenzen nicht zu hoch gewählt werden.
Weiterhin sollten die Frequenzen keine ganzzahligen Vielfachen voneinander sind.
Der Codierzeitpunkt kann ein Beginn eines Zeitschlitzes einer Mehrzahl von Zeitschlitzen sein. Der Codierzeitpunkt kann somit beispielsweise derart verstanden werden, dass er den Beginn der Codierung und Übertragung einer mehr Bit-wertigen Information bezeichnet.
Die Frequenzen der Mud-Sirenen im Betrieb können kleiner oder gleich ungefähr 100 Hz sein, beispielsweise kleiner oder gleich ungefähr 90 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich ungefähr 80 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich ungefähr 70 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich ungefähr 60 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich ungefähr 50 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich ungefähr 40 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich 30 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich 25 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich 20 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich 15 Hz.
Anschaulich ist somit in verschiedenen Ausführungsformen eine Mud-Sirenen-Anordnung bereitgestellt mit mehreren zueinander parallel und/oder seriell geschalteten Mud-Sirenen, die derart angesteuert werden, dass sie einerseits vorzugsweise mit unterschiedlichen Betriebsfrequenzen betrieben werden (beispielsweise derart, dass die unterschiedlichen Frequenzen keine ganzzahligen Vielfachen voneinander sind) und andererseits derart, dass sie zu einem vorgegebenen Codierzeitpunkt jeweils ein vorgebbares Codewort (bei zwei vorgesehenen Mud-Sirenen sind beispielsweise folgende Codeworte vorgesehen: „00”, „01”, „10”, und „11”) codieren und mittels der in dem Bohrgestänge enthaltenen Spülung an die Oberfläche des Bohrlochs, anschaulich an den Anfang des Bohrgestänges, welches sich Übertage befinden kann, übertragen, wo sie dann von einem entsprechend eingerichteten Empfänger empfangen und von einer Decodiereinrichtung decodiert werden.
Das Problem wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Codieren und Übertragen von einer mehrere Bits aufweisenden Information. Das Verfahren kann aufweisen ein Betreiben einer in einer Bohrgarnitur angeordneten ersten Mud-Sirene mit einer ersten Frequenz; ein Betreiben einer in der Bohrgarnitur angeordneten mindestens einen weiteren Mud-Sirene mit einer weiteren Frequenz, die von der ersten Frequenz unterschiedlich ist; und ein Ansteuern der ersten Mud-Sirene und der mindestens einen weiteren Mud-Sirene derart, dass zu einem Codierzeitpunkt mittels der ersten Mud-Sirene und der mindestens einen weiteren Mud-Sirene die mehrere Bits aufweisende Information codiert und übertragen wird.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein im Wesentlichen inkompressibles Medium (beispielsweise eine im Wesentlichen inkompressible Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser oder Wasser- oder Ölbasische Bohrspülung) zum Übertragen der Information zur Erdoberfläche durch die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene gespült. Unter einem im Wesentlichen inkompressiblen Medium wird ein Medium verstanden, bei dem, wenn es durch eine Mud-Sirene hindurchströmt, unter Annahme eines bestimmten konstanten Differenzdrucks über der Mud-Sirene immer nur so viel des Mediums (beispielsweise Wasser) durch eine Reihenschaltung mehrerer Mud-Sirenen hindurchströmt, wie durch die Mud-Sirene hindurchpasst, die gerade die kleinste Querschnittsöffnung aller in Reihe geschalteter Mud-Sirenen aufweist.
Die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene können hintereinander in der Bohrgarnitur angeordnet sein.
Alternativ können die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene nebeneinander in der Bohrgarnitur angeordnet sein.
Es ist allgemein anzumerken, dass bei einer Parallelschaltung mehrerer Mud-Sirenen als TFA die Summe der einzelnen TFAs der individuellen zueinander parallel geschalteten Mud-Sirenen ermittelt wird.
Ferner können die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene mit voneinander unterschiedlichen Frequenzen zum Codieren der mehrere Bits aufweisenden Information angetrieben werden.
Der Codierzeitpunkt kann ein Beginn eines Zeitschlitzes einer Mehrzahl von Zeitschlitzen sein.
Die Frequenzen der Mud-Sirenen im Betrieb können kleiner oder gleich ungefähr 100 Hz sein, beispielsweise kleiner oder gleich ungefähr 90 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich ungefähr 80 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich ungefähr 70 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich ungefähr 60 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich ungefähr 50 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich ungefähr 40 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich 30 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich 25 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich 20 Hz, beispielsweise kleiner oder gleich 15 Hz.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Mud-Sirenen-Decodieranordnung bereitgestellt, aufweisend: einen Empfänger, eingerichtet zum Empfangen eines mittels einer Bohrspülung übertragenen Mud-Sirenen-Signals; einen mit dem Empfänger gekoppelten Decoder, eingerichtet zum Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals; wobei der Decoder eingerichtet ist zum Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals zu einem ersten Mehr-Bit-Signal, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem ersten Frequenzbereich ist, zum Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals zu einem zweiten Mehr-Bit-Signal, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem zweiten Frequenzbereich ist, und zum Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals zu einem dritten Mehr-Bit-Signal, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem dritten Frequenzbereich ist.
In einer Ausgestaltung kann der Decoder ferner eingerichtet sein zum Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals zu einem vierten Mehr-Bit-Signal, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem vierten Frequenzbereich ist oder wenn das empfangenen Mud-Sirenen-Signal im Zeitbereich oder die Energie des empfangenen Mud-Sirenen-Signals im Frequenzbereich unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt und beispielsweise im Wesentlichen kein Druckwellensignal (d. h. keine Veränderung des Druckes gegenüber einem Spülvorgang bei vollkommen geöffneten Mud-Sirene(n)) beispielsweise von dem Empfänger erfasst wird.
In einer Ausgestaltung kann der Empfänger mindestens einen Drucksensor aufweisen zum Empfangen des Mud-Sirenen-Signals.
In noch einer Ausgestaltung können das erste Mehr-Bit-Signal, das zweite Mehr-Bit-Signal und das dritte Mehr-Bit-Signal jeweils mindestens oder genau zwei Bit aufweisen. In anderen Worten kann die Information, die mittels eines solchen Mehr-Bit-Signals zu einem Codierzeitpunkt bzw. während eines Zeitschlitzes codiert und übertragen wird und somit während eines entsprechenden Empfangs-Zeitschlitzes empfangen wird, mehrere Bits aufweisen, beispielsweise zwei Bits, drei Bits, vier Bits, fünf Bits, oder sogar mehr Bits.
Weiterhin können/kann der erste Frequenzbereich und/oder der zweite Frequenzbereich und/oder der dritte Frequenzbereich kleiner oder gleich ungefähr 50 Hz sein.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein Verfahren zum Empfangen und Decodieren eines Mud-Sirenen-Signals, das mittels einer Bohrspülung, die durch mehrere Mud-Sirenen und durch eine Bohrgarnitur gespült wird, übertragen wird, bereitgestellt. Das Verfahren kann aufweisen: ein Empfangen von dem mittels der Bohrspülung übertragenen Mud-Sirenen-Signal; ein Ermitteln einer Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals; ein Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals zu einem ersten Mehr-Bit-Signal, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem ersten Frequenzbereich ist; ein Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals zu einem zweiten Mehr-Bit-Signal, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem zweiten Frequenzbereich ist; und ein Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals zu einem dritten Mehr-Bit-Signal, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem dritten Frequenzbereich ist.
In noch einer Ausgestaltung können das erste Mehr-Bit-Signal, das zweite Mehr-Bit-Signal und das dritte Mehr-Bit-Signal jeweils mindestens oder genau zwei Bit aufweisen.
Weiterhin können/kann der erste Frequenzbereich und/oder der zweite Frequenzbereich und/oder der dritte Frequenzbereich kleiner oder gleich ungefähr 50 Hz sein.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Mud-Sirenen-Anordnung bereitgestellt, aufweisend: einen Stator, der mindestens einen ersten Teil-Stator und mindestens einen zweiten Teil-Stator aufweist; eine erste Mud-Sirene mit einem ersten Rotor, wobei die erste Mud-Sirene eine erste offene Querschnittsfläche aufweist, wenn der erste Teil-Stator und der erste Rotor sich zumindest teilweise überlappen; eine zweite Mud-Sirene mit einem zweiten Rotor, wobei die zweite Mud-Sirene eine zweite offene Querschnittsfläche aufweist, wenn der zweite Teil-Stator und der zweite Rotor sich zumindest teilweise überlappen; wobei der zweite Teil-Stator den ersten Teil-Stator teilweise umgibt; wobei der zweite Rotor den ersten Rotor teilweise umgibt; wobei die zweite offene Querschnittsfläche die erste offene Querschnittsfläche teilweise umgibt.
Der erste Teil-Stator kann Teil der ersten Mud-Sirene sein und der zweite Teil-Stator kann Teil der zweiten Mud-Sirene sein.
Der erste Teil-Stator Teil und der zweite Teil-Stator können alternativ einstückig ausgebildet sein.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Mud-Sirenen-Anordnung bereitgestellt, aufweisend: eine erste Mud-Sirene mit einem ersten Stator und einem ersten Rotor, wobei die erste Mud-Sirene eine erste offene Querschnittsfläche aufweist, wenn der erste Stator und der erste Rotor sich zumindest teilweise überlappen; eine zweite Mud-Sirene mit einem zweiten Stator und einem zweiten Rotor, wobei die zweite Mud-Sirene eine zweite offene Querschnittsfläche aufweist, wenn der zweite Stator und der zweite Rotor sich zumindest teilweise überlappen; wobei der zweite Stator den ersten Stator teilweise umgibt; wobei der zweite Rotor den ersten Rotor teilweise umgibt; wobei die zweite offene Querschnittsfläche die erste offene Querschnittsfläche teilweise umgibt.
Anschaulich stellt eine solche Mud-Sirenen-Anordnung eine Parallelanordnung zweier Mud-Sirenen dar. Anschaulich wird die erste Mud-Sirene von der mindestens einen weiteren Mud-Sirene umschlossen. Sowohl die erste Mud-Sirene als auch die zweite Mud-Sirene können eine oder mehrere offene Querschnittsflächen aufweisen (auch bezeichnet als Durchgangsöffnung). In verschiedenen Ausführungsformen kann die Summe der einen oder der mehreren offenen Querschnittsflächen der ersten Mud-Sirene gleich sein der Summe der einen oder der mehreren offenen Querschnittsflächen der zweiten Mud-Sirene. Bei einer solchen Dimensionierung wird die Ermittlung der jeweiligen Betriebsfrequenzen der beiden Mud-Sirenen erheblich vereinfacht.
Allgemein kann die Mud-Sirenen-Telemetrie mit der Mud-Sirenen-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen eingesetzt werden zur schnelleren Übermittlung der Untertage gemessenen Informationen (Daten) zur Oberfläche. Mit der Mud-Sirenen-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die erzielbare Datenrate in einem herkömmlichen hydraulischen Datenübertragungssystem gegenüber einer herkömmlichen Mud-Sirene vervielfacht (beispielsweise verdoppelt oder verdreifacht) werden. Dadurch können die Bohrungen effizienter und sicherer abgeteuft werden, was zu einer Reduzierung der Bohrkosten führen kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1 ein Spülungspuls-Telemetrie-System mit einem Bohrgestänge und einer Mud-Sirenen-Anordnung gemäß einer Ausführungsform;
2 eine Bohrgarnitur gemäß einer Ausführungsform;
3A bis 3D eine herkömmliche Mud-Sirene in verschiedenen Durchlass-Zuständen;
4 ein Diagramm, in dem eine Codierung einer Ein-Bit-Information zur Datenübertragung dargestellt ist;
5 eine Mud-Sirenen-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
6A bis 6H eine Darstellung von Zwei-Bit-Mud-Sirenen-Signalen im Zeitbereich und im Frequenzbereich;
7A bis 7D eine Mud-Sirenen-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen in verschiedenen Durchlass-Zuständen;
8 ein Diagramm, in dem die Änderung der offenen Querschnittsfläche der Mud-Sirenen-Anordnung aus 6A bis 6D im zeitlichen Verlauf dargestellt ist;
9A und 9B Diagramme, in denen eine Mud-Sirenen-Signal-Überlagerung von zwei Mud-Sirenen dargestellt ist;
10 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren zum Codieren und Übertragen von einer Mehrfach-Bit-Information gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist;
11 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren zum Empfangen und Decodieren eines Mud-Sirenen-Signals gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist
12 eine Darstellung eines Beispiels einer Übertragungsfunktion des Strömungskreislaufs in einem Bohrstrang;
13 eine Darstellung der Ermittlung einer Übertragungsfunktion und der Übertragung der Steuerungsparameter zwischen Übertage und Untertage;
14 eine Mud-Sirenen-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
15A bis 15E die Mud-Sirenen-Anordnung gemäß 14 in verschiedenen Durchlass-Zuständen;
16A und 16B Diagramme, in denen ein von der Mud-Sirenen-Anordnung gemäß 14 erzeugtes Mud-Sirenen-Signal im Zeitbereich (16A) und im Frequenzbereich (16B) dargestellt ist;
17 eine Mud-Sirenen-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
18 eine Querschnittsansicht der Mud-Sirenen-Anordnung gemäß 17;
19 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren zum Ermitteln eines Signalspektrums gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist;
20 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren zum Ermitteln eines Signalspektrums gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist;
21 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren zum Ermitteln eines Signalspektrums gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist;
22 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren zum Ermitteln eines Signalspektrums gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist;
23 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren zum Ermitteln eines Signalspektrums gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist;
24 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren zum Ermitteln eines Signalspektrums gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist; und
25 ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren zum Ermitteln eines Signalspektrums gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „vorderes”, „hinteres” usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe ”verbunden”, ”angeschlossen” sowie ”gekoppelt” verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
In einem Bohrloch können Daten, die von den Sensoren erfasst werden, quasi in Echtzeit übertragen werden. Diese Daten können einen wichtigen Beitrag zu sicheren und kostengünstigen Bohrungen leisten. Spülungspuls-Telemetrie-Systeme (englisch: Mud pulse telemetry systems) können codierte Druckimpulse (bezeichnet auch als Träger (englisch: carrier) verwenden für die Übertragung von gemessenen Informationen (beispielsweise Richtungs- und Geologische Information) vom Bohrloch und können quasi in Echtzeit codiert zur Oberfläche übertragen werden.
Der Nachweis der Impulse und deren Eigenschaften (beispielsweise Diskontinuitätspositionen, Dauer und Frequenzen), die anhand eines Geräusches durch ein Signal, das in der Spülung an einem Punkt am Standrohr gemessen werden können, kann für den Erhalt der wichtigen Informationen und für Entscheidungen über den Bohrvorgang während des Bohrens sehr wichtig sein.
1 zeigt ein Spülungspuls-Telemetrie-System 100 in einem Bohrloch 108 mit einem Bohrgestänge und einer Mud-Sirenen-Anordnung gemäß einer Ausführungsform. In 1 ist ein drahtloses Telemetriesystem, das für Datenübertragung in Bohrlöchern quasi in Echtzeit verwendet werden kann, gezeigt. In einer Bohrgarnitur 102 können Sensoren 104 angeordnet sein. Die von den Sensoren 104 erfassten, beispielsweise gemessenen, Informationen können mittels eines Senders 106 (z. B. mittels einer Spülungs-Sirene-Anordnung (im Folgenden auch bezeichnet als Mud-Sirenen-Anordnung) innerhalb eines Bohrlochs 108 übertragen werden. Ein Bohrstrang 110 kann mit einem Bohrmeißel der Bohrgarnitur 102 verbunden sein. In dem Bohrloch 108 kann sich Bohrspülung 112 befinden. Bohrspülungs-Pumpen 116, Spülungs-Tanks 118 und ein Bohrgerüst 120 (beispielsweise ein Bohrturm und ein Bohrmasten) können z. B. oberhalb des Bohrlochs 108 bereitgestellt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können verschiedene Arten von Drahtlos-Telemetriesystemen für eine Übertragung, z. B. eine Übertragung quasi in Echtzeit, von Daten in Bohrlöchern verwendet werden. Während des Bohrens kann eine Art von Drahtlos-Telemetriesystem für die Übertragung verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform kann eine Verarbeitung der Daten für jede Art von Drahtlos-Telemetriesystem verwendet werden.
Mit einem Telemetriesystem können Daten von den Sensoren 104 in dem Bohrloch gemessen werden. Die Daten können anschließend codiert werden. Anschließend können, je nach verwendetem Telemetriesystem, die Daten zusätzlich moduliert werden. Der Sender kann angesteuert werden zum Senden der Information zur Oberfläche des Bohrlochs 108.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein System, das Druckpulstelemetrie oder Spülungs-Puls-Telemetrie (englisch: mud pulse telemetry) genannt werden kann, bereitgestellt werden. Gemäß einer Ausführungsform werden die Daten durch Erzeugen von codierten Druck-Wellen 113 (in anderen Worten: Druckwellen 113 in der Bohrspülung 112) gesendet. Die Druck-Wellen 113 breiten sich durch die Bohrspülung 112 innerhalb des Bohrstrangs 110 aus. An der Oberfläche des Bohrlochs 108 wird ein Druckaufnehmer, beispielsweise ein Empfänger 114, verwendet, um das Drucksignal zu messen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann auch mehr als ein Sensor, beispielsweise mehr als ein Druckaufnehmer, beispielsweise mehr als ein Empfänger, verwendet werden. Der Empfänger kann über ein Kabel 122 des Druckpuls-Telemetriesystems (oder die Empfänger können mit einem oder mehreren Kabeln) mit einem Computer 124 verbunden sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein System, das elektromagnetisches Telemetriesystem oder elektrodynamisches Telemetriesystem genannt werden kann, bereitgestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein System, das akustisches Telemetriesystem genannt werden kann, bereitgestellt werden.
Die gleichen Prinzipien des Übertragens von Daten oder Kommandos (wie Befehlen oder Steuerbefehlen) können von der Oberfläche zu einem Gerät in dem Bohrloch 108, z. B. zu dem Werkzeug in dem Bohrloch 108, angewendet werden. Dies kann als „Downlink” bezeichnet werden, während die Übertragung von Daten von dem Bohrloch zur Oberfläche als „Uplink” bezeichnet werden kann.
In 1 sind neben der Darstellung des Bohrlochs 108 auch Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform dargestellt. In 138 können Sensoren Daten erfassen (in anderen Worten: ein Messen von Daten durchführen). In 140 können die gemessenen Daten codiert werden. In 142 kann das codierte Signal moduliert werden. In 144 kann das modulierte Signal gesendet werden. Das Senden des Signals kann erfolgen mittels einer Mud-Sirenen-Anordnung, wie sie weiter oben erläutert wurde und im Folgenden noch näher beschrieben wird.
Die codierten Informationen können in Sender-Aktuierungen konvertiert werden, um Pulse (in anderen Worten: Wellen) zu induzieren oder zu erzeugen, die sich in der Bohrspülung bis zur Oberfläche (d. h. Übertage) ausbreiten.
Beispielsweise kann die im Folgenden noch näher beschriebene Mud-Sirenen-Anordnung verwendet werden.
An der Oberfläche (d. h. Übertage) kann ein Empfänger 114 verwendet werden zum Messen des Drucks in der Bohrspülung 112. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mehr als ein Empfänger 114 verwendet werden. Der oder die Empfänger 114 kann (oder die Empfänger können) mit einem Computer 124 verbunden sein über ein Kabel 122 (oder über mehrere Kabel). Nach Empfangen und Messen des Drucks kann der umgekehrte Prozess (Demodulation 150, Decodieren 152 und Rauschfilterung 148) in dem Computer 124 ausgeführt werden, um die Information zu extrahieren.
In 148 kann das empfangene Signal einer Rauschfilterung unterzogen werden. In 150 kann das Signal demoduliert werden. In 152 kann das Signal decodiert werden. In 154 können die Daten (in anderen Worten: die Information) extrahiert werden, beispielsweise für eine Echtzeit-Entscheidung. In 156 kann die Information beispielsweise einem Benutzer, beispielsweise einem Bohrmeister, angezeigt werden.
2 zeigt die Bohrgarnitur 102 aus 1 gemäß einer Ausführungsform im Detail. Es ist darauf hinzuweisen, dass auch eine andere Art von Bohrgarnitur oder eine anders ausgestattete Bohrgarnitur in verschiedenen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein kann.
Beispielsweise weist die Bohrgarnitur 102 einen Bohrmeißel 200 sowie eine Vielzahl von Sensoren auf.
Beispielsweise kann ein oder können mehrere der folgenden Sensoren in der Bohrgarnitur 102 vorgesehen sein:

– ein Inklinationssensor 202, mit dem ermittelt werden kann, welche Neigung die Bohrung hat;
– ein Drucksensor 204, mit dem ermittelt werden kann, welcher Druck im Bohrloch 108 herrscht;
– ein Gammasensor 206, mit dem beispielsweise eine Entfernung zu einer Oberkante einer Lagerstätte ermittelt werden kann;
– ein Widerstandssensor 208, mit dem beispielsweise eine Entfernung zu einer Unterkante einer Lagerstätte ermittelt werden kann;
– ein Richtungssensor 210, mit dem ermittelt werden kann, ob in gerader Richtung gebohrt wird;
– ein Vibrationssensor 212, mit dem ermittelt werden kann, ob die Bohrung ruhig läuft oder vibriert;
– ein Kalibersensor 214, mit dem ein Durchmesser der Bohrung ermittelt werden kann;
– ein Dichtesensor 216, mit dem ermittelt werden kann, ob es Poren im Gestein gibt, in denen Öl oder Gas zu finden ist; und/oder
– ein Porösitätssensor 218, mit dem ermittelt werden kann, ob es Poren im Gestein gibt, in denen Öl oder Gas zu finden ist.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die gemessenen Daten Informationen enthalten, die während des Bohrens gemessen wurden, um den Bohrungsverlauf zu überwachen und zu steuern (so genannte MWD-Daten), die während des Bohrens geloggt werden, um Information über die Beschaffenheit des durchbohrten Gesteins zu gewinnen (so genannte LWD-Daten) und Daten über den dynamischen Zustand des Bohrstranges 110 und/oder der Bohrgarnitur 102 beim Bohren (Schwingungen, Schläge usw.).
MWD-Daten können beispielsweise Richtungs-Daten (Inklination, Azimut und Werkzeug-Ausrichtung) enthalten.
LWD-Daten können beispielsweise Daten über Gamma-Strahlung, Widerstand, Dichte, Porosität, Messtaster (englisch: caliper), Druck, Temperatur, seismischer Aktivität während des Bohrens, Schallgeschwindigkeit, Härte des Gesteins, Permeabilität, Abbildungen des Bohrlochs und/oder Spülungs-Eigenschaften (wie beispielsweise Widerstand, Dichte, Hydrogensulfid-Gehalt, Temperatur, und/oder Druck), enthalten.
Daten über Bohr-Dynamiken können enthalten die Meißel-Andruckkraft (englisch: weight an bit) und/oder Drehmoment an dem Bohrmeißel 200 und in der Bohrgarnitur 102 und Biegemomente zusammen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können Echtzeit-Dienste basierend auf Telemetrie-Daten profitieren oder bereitgestellt werden und die Echtzeit-Dienste können von den Telemetrie-Daten profitieren. Die Echtzeit-Dienste können enthalten Richtbohrarbeiten, Reservoir-Navigation, Bohr-Optimierung, Bohrlochstabilität, und/oder das so genannte „Pressure Management” (Optimierung des Druckes in der Bohrung). Dadurch kann eine Erhöhung der Produktion und/oder Produktivität, eine Reduktion der Bohrkosten, erleichtertes Risiko-Management und/oder ein sichereres Bohren erreicht werden.
Ferner kann die Bohrgarnitur 102 eine Mud-Sirenen-Anordnung 222 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen aufweisen, wie sie im Folgenden noch näher erläutert wird. Die Mud-Sirenen-Anordnung 222 kann an dem Ende der Bohrgarnitur 102 vorgesehen sein, die dem Ende gegenüberliegt, an dem der Bohrmeißel 200 angebracht ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Mud-Sirenen-Anordnung 222 grundsätzlich in allen Arten von Bohrungen eingesetzt werden, von flachen bis tiefen Bohrlöchern, auch wenn Materialien zur Eindämmung von Spülungsverlusten verwendet werden. Er kann in Reservoir-Navigation-Anwendungen verwendet werden oder auch bei Seismic-While-Drilling-Anwendungen (deutsch: Seismik-Während-Bohrens-Anwendungen), also in Anwendungen, in denen hohe Datenübertragungsraten erforderlich sind.
Zur näheren Erläuterung der Druckpulstelemetrie wird zunächst unter Verweis auf 3A bis 3D und 4 der Aufbau und die Funktionsweise einer herkömmlichen Mud-Sirene 300 dargestellt.
Die herkömmliche Mud-Sirene 300 weist üblicherweise einen unbeweglichen Stator 302 (mit einem oder mit mehreren unbeweglichen Statorblättern 304, in dem Beispiel sind vier Statorblätter 304 dargestellt, allgemein kann die Anzahl von Statorblättern 304 jedoch beliebig sein) und einen Rotor 310 (mit einem oder mit mehreren Rotorblättern 312, in dem Beispiel sind vier Rotorblätter 312 dargestellt, allgemein kann die Anzahl von Rotorblättern 312 jedoch beliebig sein) auf. Der Rotor 310 ist um eine Achse rotierbar gelagert. Der Stator 302 ist derart gestaltet, dass das Statorblatt 304 oder die Statorblätter 304 eine oder mehrere Durchflussöffnungen 306 definieren, durch welche, wenn die Mud-Sirene 300 in den Bohrstrang 110 eingesetzt ist, die Bohrspülung 112 hindurchströmen kann. Das Statorblatt 304 oder die Statorblätter 304 blockieren anschaulich die Bohrspülung in 112 in dem Bohrstrang 110. Beispielsweise bilden die Statorblätter 304 Kreissegmente, deren Außenumfang den Außenumfang der Mud-Sirene 300 definiert. Das Rotorblatt 312 oder die Rotorblätter 312 rotieren um eine Achse, die üblicherweise eine gemeinsame Achse mit dem Stator 302 ist. Je nach der Position des oder der Rotorblätter 312 relativ zu dem oder den Statorblättern 304 wird mehr oder weniger Fläche der einen oder der mehreren Durchflussöffnungen 306 des Stators 302 überdeckt, womit mehr oder weniger der von dem Stator 302 durchgelassenen Bohrspülung 112 noch blockiert wird. Auf diese Weise wird die Menge an Bohrspülung 112, die pro Zeiteinheit durch die Mud-Sirene 300 hindurchströmen kann, variiert, womit der Druck innerhalb der Bohrspülung 112 variiert werden kann. Diese Druckänderung kann Übertage mittels eines oder mehrerer Drucksensoren erfasst werden und auf diese Weise können Daten übertragen werden. Üblicherweise, jedoch nicht notwendigerweise, sind die Rotorblätter 312 relativ zu den Statorblättern 304 so gestaltet, dass sie zumindest in einer Position im Wesentlichen die gesamte Fläche der Durchflussöffnungen 306 abdecken können, womit ein Durchströmen der Mud-Sirene 300 mit der Bohrspülung 112 im Wesentlichen vollständig blockiert und damit verhindert wird. Der Rotor 310 kann beispielsweise im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn relativ zu dem Stator 302 rotiert werden.
3A zeigt die herkömmliche Mud-Sirene 300 in einem ersten Zustand, in dem die Rotorblätter 312 im Wesentlichen in vollständiger Überdeckung sind mit den Statorblättern 304 sind. 3B zeigt die Mud-Sirene 300 in einem zweiten Zustand, in dem die Rotorblätter 312 teilweise in Überdeckung sind mit den Statorblättern 304 und teilweise die Durchflussöffnungen 306 überdecken; auf diese Weise wird die Menge der Bohrspülung 112, welche durch die Durchflussöffnungen 306 pro Zeiteinheit strömen kann, gegenüber dem ersten Zustand reduziert. 3C zeigt die Mud-Sirene 300 in einen dritten Zustand, in dem die Rotorblätter 312 im Wesentlichen in vollständiger Überdeckung sind mit den Durchflussöffnungen 306, womit ein Durchströmen der Mud-Sirene 300 mit der Bohrspülung 112 im Wesentlichen vollständig verhindert wird. 3D zeigt die Mud-Sirene 300 in einem vierten Zustand, in dem die Rotorblätter 312 erneut teilweise in Überdeckung sind mit den Statorblättern 304 und teilweise die Durchflussöffnungen 306 überdecken; somit wird es zumindest gegenüber dem dritten Zustand nunmehr wieder ermöglicht, dass eine bestimmte Menge an Bohrspülung 112 durch die Mud-Sirene 300 strömen kann.
Durch diese zyklische Rotation des Rotors 310 relativ zu dem Stator 302 wird eine Druckschwingung in der Bohrspülung 112 erzeugt, die Übertage von dem oder den Drucksensoren erfasst werden kann.
4 zeigt ein Diagramm 400, in dem eine Codierung einer Ein-Bit-Information zur Datenübertragung dargestellt ist. Das Diagramm 400 zeigt einen Druckverlauf über die Zeit. Wie in den Diagramm 400 dargestellt ist, wird ein erster Bit-Wert „1” einem ersten Betriebszustand (beispielsweise „Zustand 1” (auch bezeichnet als erste Frequenz)) der Mud-Sirene 300 zugeordnet und ein zweiter Bit-Wert „0” wird einen zweiten Betriebszustand (beispielsweise „Zustand 2” (auch bezeichnet als zweite Frequenz)) der Mud-Sirene 300 zugeordnet. Jeder dieser beiden Zustände erzeugt in einem jeweiligen Zeitschlitz 402 einen charakteristischen Druckverlauf in der Bohrspülung 112 (einen ersten Druckverlauf 404 für den ersten Bit-Wert „1” und einen zweiten Druckverlauf 406 für den zweiten Bit-Wert „0”), der mittels der Drucksensoren erfasst werden kann. Auf diese Weise kann nunmehr eine binäre Bitsequenz codiert und übertragen werden (in dem in 4 dargestellten Beispiel ist somit die Bitsequenz „11010” codiert).
Es ist darauf hinzuweisen, dass jede beliebige andere Modulationsart, auch alle derzeit an sich bekannten Modulationsarten, in verschiedenen Ausführungsbeispielen eingesetzt werden können. Beispielsweise wird ein erster Bit-Wert „1” einem ersten Betriebszustand (beispielsweise „Aktiviert-Zustand” (An)) der Mud-Sirene zugeordnet und ein zweiter Bit-Wert „0” wird einen zweiten Betriebszustand (beispielsweise „Deaktiviert-Zustand” (Aus)) der Mud-Sirene zugeordnet (diese Modulation wird im Folgenden zur Erläuterung der verschiedenen Ausführungsbeispiele verwendet).
Herkömmlich wird jedoch pro Zeitschlitz nur genau ein Bit codiert und übertragen.
In Tabelle 1 ist eine entsprechende Codierung für eine herkömmliche Mud-Sirene dargestellt (einem Aktiviert-Zustand (An) der Mud-Sirene ist ein erster Bit-Wert „1” zugeordnet und einem Deaktiviert-Zustand (Aus) der Mud-Sirene ist ein zweiter Bit-Wert „0” zugeordnet):

Mud-Sirene Ein-Bit-Codierung

An 1

Aus 0

Tabelle 1: Codierung bei einer herkömmlichen Mud-Sirene mit einer Frequenz
Für die Vervielfachung der erzielbaren Datenrate kann die Mud-Sirenen-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen gleichzeitig (d. h. in einem gemeinsamen Zeitschlitz) Druckwellen in der Bohrspülung mit mehreren unterschiedlichen Frequenzen erzeugen, beispielsweise gleichzeitig zwei oder drei oder mehr Frequenzen, und zwar unabhängig voneinander. Mit einer solchen Mud-Sirenen-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen können dann pro Zeiteinheit (allgemein zu einem jeweiligen Codierzeitpunkt), beispielsweise pro vorgegebenem Zeitschlitz (vorgegebener Länge) in einem Übertragungsschema mit einer Vielzahl von Zeitschlitzen, mehrere Bits an Information gleichzeitig statt herkömmlicherweise nur ein Bit an Information pro Zeiteinheit (beispielsweise pro Zeitschlitz) übertragen werden. Dies ist beispielhaft in der Tabelle 1 und der Tabelle 2 dargestellt. Ein Zeitschlitz kann beispielsweise eine jeweilige Zeitdauer in einem Bereich von ungefähr 0,1 Sekunden bis ungefähr 1 Sekunde aufweisen, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0,2 Sekunden bis ungefähr 0,9 Sekunden, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0,2 Sekunden bis ungefähr 0,8 Sekunden.
In Tabelle 2 ist beispielhaft eine Codierung für eine Mud-Sirenen-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen mit einer ersten Mud-Sirene und einer zweiten Mud-Sirene, die mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden, dargestellt (einem Aktviert-Zustand (An) der jeweiligen Mud-Sirene ist ein jeweiliger erster Bit-Wert „1” zugeordnet und einem Deaktiviert-Zustand (Aus) der jeweiligen Mud-Sirene ist ein jeweiliger zweiter Bit-Wert „0” zugeordnet):

Erste Mud-Sirene Zweite Mud-Sirene Zeichen

Aus Aus 00

Aus An 01

An Aus 10

An An 11

Tabelle 2: Codierung bei einer Mud-Sirenen-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen mit einer ersten Mud-Sirene und einer zweiten Mud-Sirene mit zwei voneinander unabhängigen Frequenzen
Es ergeben sich somit pro Codierzeitpunkt (beispielsweise pro Zeitschlitz) folgende Zustandskombinationen der beiden Mud-Sirenen, denen jeweils ein eindeutiger 2-Bit-Wert zugeordnet ist:

– erste Mud-Sirene deaktiviert (ausgeschaltet) und zweite Mud-Sirene deaktiviert (ausgeschaltet): erste Bit-Wert-Kombination „00”;
– erste Mud-Sirene deaktiviert (ausgeschaltet) und zweite Mud-Sirene aktiviert (angeschaltet): zweite Bit-Wert-Kombination „01”;
– erste Mud-Sirene aktiviert (angeschaltet) und zweite Mud-Sirene deaktiviert (ausgeschaltet): dritte Bit-Wert-Kombination „10”; und
– erste Mud-Sirene aktiviert (angeschaltet) und zweite Mud-Sirene aktiviert (angeschaltet): vierte Bit-Wert-Kombination „11”.

Allgemein können somit bei n unabhängig voneinander einstellbaren Frequenzen (und somit bei n Mud-Sirenen in einer Mud-Sirenen-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen) entsprechend eine Anzahl von n Bits pro Codierzeitpunkt, d. h. pro Zeiteinheit (beispielsweise pro Zeitschlitz) codiert und gesendet werden.
5 zeigt eine Mud-Sirenen-Anordnung 500 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
Die Mud-Sirenen-Anordnung 500 weist eine Mehrzahl von mindestens zwei Mud-Sirenen 502, 504 auf, in dem in 5 dargestellten Beispiel eine erste Mud-Sirene 502 sowie eine zweite Mud-Sirene 504. Die beiden Mud-Sirenen 502, 504 können in einer Bohrgarnitur (beispielsweise in der Bohrgarnitur 102) angeordnet sein, und zwar in diesem Beispiel anschaulich in einer Serienschaltung, also innerhalb der Bohrgarnitur 102 in Strömungsrichtung der Bohrspülung 112 hintereinander. Weiterhin ist eine Codiereinrichtung 506 vorgesehen (beispielsweise implementiert in Form eines Computers), die sowohl mit der ersten Mud-Sirene 502 als auch mit der zweiten Mud-Sirene 504 elektrisch verbunden ist, wobei die Codiereinrichtung 506 beispielsweise mittels einer ersten elektrischen Verbindung 508 (beispielsweise ein erstes Kabel 508) mit der ersten Mud-Sirene 502 verbunden ist und mittels einer zweiten elektrischen Verbindung 510 (beispielsweise ein zweites Kabel 510) mit der zweiten Mud-Sirene 504 verbunden ist.
Wie im Folgenden noch näher erläutert wird sind die erste Mud-Sirene 502 und die zweite Mud-Sirene 504 derart beispielsweise innerhalb der Bohrgarnitur 102 angeordnet und die Codiereinrichtung 506 steuert die erste Mud-Sirene 502 und die zweite Mud-Sirene 504 derart an, dass zu einem Codierzeitpunkt (beispielsweise zu Beginn eines Zeitschlitzes vorgegebener Zeitdauer) mittels der ersten Mud-Sirene 502 und der zweiten Mud-Sirene 504 eine mehrere Bits aufweisende Information codiert und übertragen wird. Die Codierung kann in einer Weise erfolgen, wie sie in der obigen Tabelle 2 dargestellt ist.
Die Codiereinrichtung 506 ist ferner eingerichtet zur Kommunikation mit einem oder mehreren Sensoren, welche beispielsweise ebenfalls in dem Bohrgestänge 102 enthalten sind, beispielsweise mit einem oder mehreren Sensoren, wie sie im Zusammenhang mit 2 oben beschrieben worden sind. So kann die Codiereinrichtung 506 beispielsweise eingerichtet sein zum Auslesen von Sensorwerten, welche von dem oder den Sensoren erfasst worden sind, optional zusätzlich zur Durchführung einer Signalprozessierung der ausgelesenen Daten und zum Codieren der ausgelesenen Daten in digitaler Form und zum Übertragen der codierten Daten mittels der mindestens zwei Mud-Sirenen 502 und 504. Somit ist die Codiereinrichtung 506 anschaulich eingerichtet zur Kommunikation mit einem Empfänger, der Übertage oberhalb des Bohrloches 110 angeordnet ist, indem sie die Mud-Sirenen 502, 504 ansteuert zum Erzeugen von Druckwellen in der Druckspülung 112 mit unterschiedlichen Frequenzen, wie es im Folgenden noch näher erläutert wird.
Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass grundsätzlich eine beliebige Anzahl von Mud-Sirenen in der Mud-Sirenen-Anordnung 500 vorgesehen sein können, um die erzielbare Datenrate noch weiter zu erhöhen. Eine solche Mud-Sirenen-Anordnung 500, welche mehrere Mud-Sirenen 502, 504 aufweist, welche mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden, kann als auch als Mehrklang-Sirene bezeichnet werden.
Ein Grundgedanke einer solchen Mud-Sirenen-Anordnung 500 ist, dass je mehr Frequenzen gleichzeitig zur Datenübertragung genutzt werden, desto mehr Zeichen (auch bezeichnet als Symbole oder Codeworte) können pro Zeitschlitz (auch bezeichnet als Slot) übertragen werden. Oben dargestellte und erläuterte Tabelle 2 illustriert beispielhaft diesen Grundgedanken für eine Mud-Sirenen-Anordnung mit zwei einstellbaren Frequenzen. Es ist zunächst anzunehmen, dass in diesem Fall pro Zeitschlitz jeweils zwei Zeichen gleichzeitig übertragen werden könnten.
Es hat sich jedoch in verschiedenen Versuchen folgendes herausgestellt: schaltet man zwei Mud-Sirenen 502, 504 in Reihe, wie es in 5 dargestellt ist, so entstehen bei gleichzeitigem Betrieb der beiden Mud-Sirenen 502, 504 (im Allgemeinen bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer Mud-Sirenen) Störfrequenzen, welche die Datenübertragung erschweren.
Dieser Sachverhalt wird im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden konkreten Beispiels verdeutlicht. Auf einer Versuchsanlage wurde eine Reihenschaltung aus zwei Mud-Sirenen wie beispielsweise der Mud-Sirenen 502, 504, installiert, bei der die Mud-Sirenen 502, 504 so eingestellt wurden (mittels der Codiereinrichtung 506), dass die erste Mud-Sirene 502 einen 15 Hz-Ton und die zweite Mud-Sirene 504 einen 39 Hz-Ton erzeugte. Beim Betreiben nur der ersten Mud-Sirene 502 der beiden Mud-Sirenen 502, 504 dieser Mud-Sirenen-Anordnung 500 wurde ein 15 Hz-Ton in die Bohrspülung 112 induziert, die fehlerrobust von dem Empfänger 114 registriert werden konnte. Beim alleinigen Betrieb der zweiten Mud-Sirene 504 wurde ein 39 Hz-Ton in die Bohrspülung 112 induziert, die ebenfalls fehlerrobust von dem Empfänger 114 registriert werden konnte. Beim gleichzeitigen Betrieb der beiden Mud-Sirenen 502, 504 (Betrieb der ersten Mud-Sirene 502 zum Erzeugen eines 15 Hz-Tons und Betrieb der zweiten Mud-Sirene 504 zum Erzeugen eines 39 Hz-Tons) entstanden jedoch zwei dominante Frequenzen, die in diesem Beispiel bei 15 Hz und bei 24 Hz lagen.
Es hat sich somit herausgestellt, dass die Mehrklang-Sirene in diesem Beispielfall bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer Mud-Sirenen, welche in Reihe geschaltet sind (anders ausgedrückt in Reihe angeordnet sind), nicht die beiden für die jeweiligen Mud-Sirenen 502, 504 eingestellten Einzelfrequenzen in die Bohrspülung 112 und damit in das Rohrsystem induziert, sondern die tiefere eingestellte Frequenz (also die Frequenz, mit der die erste Mud-Sirene 502 betrieben wird, somit 15 Hz) sowie die Differenz aus beiden eingestellten Einzelfrequenzen (in diesem konkreten Einzelfall also 39 Hz – 15 Hz = 24 Hz).
Bei anderen Drehzahlen (Frequenzen) ergeben sich unter den jeweiligen Betriebsbedingungen durchaus auch andere akustische Zusammenhänge. Die bei gleichzeitigem Betrieb der ersten Mud-Sirene 502 und der zweite Mud-Sirene 504, wie oben beschrieben wurde, entstehenden dominanten Frequenzen sind in einem Frequenzdiagramm 512 in 5 dargestellt.
Weiterhin zeigt 5 eine optionale Pumpe 514, welche die Bohrspülung von 112 durch den Bohrstrang 102 und dann durch die Bohrgarnitur 102 pumpt.
Für die Datenübertragung mittels einer solchen Mud-Sirenen-Anordnung 500 bedeutet dies nun, dass bei einer solchen Reihenschaltung der beiden Mud-Sirenen 502, 504 gemäß diesem Ausführungsbeispiel drei Frequenzen für die Datenübertragung verwendet werden, wie in der folgenden Tabelle 3 dargestellt ist:

Erste Mud-Sirene Zweite Mud-Sirene 15 Hz 39 Hz 24 Hz Zeichen

Aus Aus – – – 00

Aus An – + – 01

An Aus + – – 10

An An + (–) + 11

Tabelle 3: Codierung sowie die zur Datenübertragung genutzten Frequenzen bei einer Mud-Sirenen-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen mit einer ersten Mud-Sirene und einer zweiten Mud-Sirene mit zwei voneinander unabhängigen Frequenzen
Mit dem Symbol „–” wird angegeben, dass die jeweilige Frequenz nicht in dem erzeugten Mud-Sirenen-Signal enthalten ist. Mit dem Symbol „+” wird angegeben, dass die jeweilige Frequenz in dem erzeugten Mud-Sirenen-Signal enthalten ist. Mit dem Symbol „(–)” wird angegeben, dass die jeweilige Frequenz nicht in dem erzeugten Mud-Sirenen-Signal in einer Stärke enthalten ist, dass sie zur Datenübertragung mittels beispielsweise der Bohrspülung verwendet werden könnte.
Es ergeben sich somit pro Codierzeitpunkt (beispielsweise pro Zeitschlitz) folgende Zustandskombinationen der beiden Mud-Sirenen, denen jeweils ein eindeutiger 2-Bit-Wert zugeordnet ist, wobei unterschiedliche Frequenzen zur Datenübertragung mittels der Bohrspülung 112 verwendet werden:

– erste Mud-Sirene 502 deaktiviert (ausgeschaltet) und zweite Mud-Sirene 504 deaktiviert (ausgeschaltet): erste Bit-Wert-Kombination „00”; auf den Betriebsfrequenzen der Mud-Sirenen 502, 504 wird kein veränderliches Druckwellensignal erzeugt und übertragen;
– erste Mud-Sirene 502 deaktiviert (ausgeschaltet) und zweite Mud-Sirene 504 aktiviert (angeschaltet): zweite Bit-Wert-Kombination „01”; es wird ein veränderliches Druckwellensignal auf der Betriebsfrequenz der ersten Mud-Sirene 502 (15 Hz) erzeugt und übertragen;
– erste Mud-Sirene 502 aktiviert (angeschaltet) und zweite Mud-Sirene 504 deaktiviert (ausgeschaltet): dritte Bit-Wert-Kombination „10”; es wird ein veränderliches Druckwellensignal auf der Betriebsfrequenz der zweiten Mud-Sirene 504 (39 Hz) erzeugt und übertragen; und
– erste Mud-Sirene 502 aktiviert (angeschaltet) und zweite Mud-Sirene 504 aktiviert (angeschaltet): vierte Bit-Wert-Kombination „11” es wird ein veränderliches Druckwellensignal auf der Differenzfrequenz (24 Hz) aus der Betriebsfrequenz der zweiten Mud-Sirene 504 (39 Hz) und der Betriebsfrequenz der ersten Mud-Sirene 502 (15 Hz) erzeugt und übertragen.

6A bis 6H zeigen eine Darstellung von Zwei-Bit-Mud-Signalen im Zeitbereich und im Frequenzbereich.
Es werden somit anschaulich für die vier Zeichen, welche mittels zwei Bit codiert werden können, die jeweiligen Druckwellensignale in der Bohrspülung im Zeitbereich und im Frequenzbereich dargestellt. Im Zeitbereich wird das Signal jeweils für eine Zeitdauer von (also für einen Zeitschlitz der Dauer von) 0,7 Sekunden dargestellt. In Frequenzbereich ist der Bereich von 0 Hz bis 100 Hz dargestellt. Das Signal im Frequenzbereich stellt eine Fast Fourier Transformation des jeweiligen Zeitsignals dar. Allgemein kann jedoch auch eine beliebige andere Spektraltransformation zum Ermitteln der jeweiligen Frequenzbereiche verwendet werden.
Ein erstes Zeitdiagramm 600 in 6A zeigt im Wesentlichen keine Veränderung des Druckes in der Bohrspülung (erste Mud-Sirene 502 ist deaktiviert und zweite Mud-Sirene 504 ist deaktiviert) über die gesamte Zeitdauer von 0,7 Sekunden (siehe erstes Zeitsignal 602), und somit auch im Wesentlichen keine wesentliche Veränderung im Frequenzverlauf (siehe erstes Frequenzsignal 612 in einem ersten Frequenzdiagramm 610 in 6B). Ein solches erstes Zeitsignal dient somit zum Codieren des Zeichens „00” mit zwei Bit. Der Empfänger ist nach erfolgter Kalibrierung, wie sie im Folgenden noch näher erläutert wird, darauf eingestellt, in verschiedenen Frequenzbereichen, welche jeweils einem codierten Zeichen zugeordnet sind, Signale zu erfassen. Erfasst der Empfänger (beispielsweise Empfänger 114) beispielsweise über den gesamten Frequenzbereich von 0 Hz bis 100 Hz kein Signal, dessen Amplitude über einem vorgegebenen ersten Schwellenwert liegt, so decodiert er das Signal in dem jeweiligen Zeitschlitz zu dem Zeichen „00”.
Ein zweites Zeitdiagramm 620 in 6C zeigt einen sinusförmigen Verlauf der Veränderung des Druckes in der Bohrspülung (erste Mud-Sirene 502 ist aktiviert und zweite Mud-Sirene 504 ist deaktiviert) über die Zeitdauer von 0,7 Sekunden (siehe zweites Zeitsignal 622), das im Frequenzbereich eine Frequenzkomponente zeigt, die im Wesentlichen die Betriebsfrequenz der ersten Mud-Sirene 502 von 15 Hz repräsentiert (siehe zweites Frequenzsignal 632 in einem zweiten Frequenzdiagramm 630 in 6D). Ein solches zweites Zeitsignal dient somit zum Codieren des Zeichens „10” mit zwei Bit. Erfasst der Empfänger (beispielsweise Empfänger 114) beispielsweise ein Signal, das mindestens eine Spektralkomponente in einem ersten Frequenzbereich (beispielsweise in einem Frequenzbereich von 12 Hz bis 18 Hz) aufweist, dessen Amplitude über einem vorgegebenen zweiten Schwellenwert liegt, so decodiert er das Signal in dem jeweiligen Zeitschlitz zu dem Zeichen „10”. In diesem Beispielfall ist eine deutliche Spektralkomponente in dem ersten Frequenzbereich mit einem Maximum in einem Bereich von ungefähr 15 Hz zu erkennen, womit der Empfänger für diesen Zeitschlitz das Zeichen „10” decodieren würde.
Ein drittes Zeitdiagramm 640 in 6E zeigt ebenfalls einen näherungsweise sinusförmigen Verlauf der Veränderung des Druckes in der Bohrspülung (erste Mud-Sirene 502 ist deaktiviert und zweite Mud-Sirene 504 ist aktiviert) über die Zeitdauer von 0,7 Sekunden (siehe drittes Zeitsignal 642), das im Frequenzbereich eine Frequenzkomponente zeigt, die im Wesentlichen die Betriebsfrequenz der zweiten Mud-Sirene 504 von 39 Hz repräsentiert (siehe drittes Frequenzsignal 652 in einem dritten Frequenzdiagramm 650 in 6F). Ein solches drittes Zeitsignal dient somit zum Codieren des Zeichens „01” mit zwei Bit. Erfasst der Empfänger (beispielsweise Empfänger 114) beispielsweise ein Signal, das mindestens eine Spektralkomponente in einem zweiten Frequenzbereich (beispielsweise in einem Frequenzbereich von 37 Hz bis 41 Hz) aufweist, dessen Amplitude über einem vorgegebenen dritten Schwellenwert liegt, so decodiert er das Signal in dem jeweiligen Zeitschlitz zu dem Zeichen „01”. In diesem Beispielfall ist eine deutliche Spektralkomponente in dem zweiten Frequenzbereich mit einem Maximum in einem Bereich von ungefähr 39 Hz zu erkennen, womit der Empfänger für diesen Zeitschlitz das Zeichen „01” decodieren würde.
Ein viertes Zeitdiagramm 660 in 6G zeigt ebenfalls eine Überlagerung mehrerer sinusförmiger Signale, welche den Verlauf der Veränderung des Druckes in der Bohrspülung (erste Mud-Sirene 502 ist aktiviert und zweite Mud-Sirene 504 ist aktiviert) über die Zeitdauer von 0,7 Sekunden (siehe drittes Zeitsignal 642) repräsentieren. Im Frequenzbereich ergeben sich mehrere Frequenzkomponenten mit einer relevanten Amplitude, nämlich

– eine erste Frequenzkomponente 672, die im Wesentlichen die Betriebsfrequenz der ersten Mud-Sirene 502 von 15 Hz repräsentiert (siehe viertes Frequenzsignal 678 in einem vierten Frequenzdiagramm 670 in 6H);
– eine zweite Frequenzkomponente 676, die im Wesentlichen die Betriebsfrequenz der zweiten Mud-Sirene 504 von 39 Hz repräsentiert; und
– eine dritte Frequenzkomponente 674, die im Wesentlichen die Differenz der beiden obigen Betriebsfrequenzen (in einem anderen Beispiel kann die Beziehung zu den Betriebsfrequenzen anders sein), von 24 Hz repräsentiert.

Ein solches viertes Zeitsignal 662 dient somit zum Codieren des Zeichens „11” mit zwei Bit. Erfasst der Empfänger (beispielsweise Empfänger 114) beispielsweise ein Signal, das mindestens eine Spektralkomponente in einem dritten Frequenzbereich (beispielsweise in einem Frequenzbereich von 22 Hz bis 26 Hz) aufweist, dessen Amplitude über einem vorgegebenen vierten Schwellenwert liegt, so decodiert er das Signal in dem jeweiligen Zeitschlitz zu dem Zeichen „11”. In diesem Beispielfall ist eine deutliche Spektralkomponente in dem dritten Frequenzbereich mit einem Maximum in einem Bereich von ungefähr 24 Hz zu erkennen, womit der Empfänger für diesen Zeitschlitz das Zeichen „11” decodieren würde.
Bei Verwendung von drei oder mehr Mud-Sirenen in einer Reihenschaltung mit unterschiedlichen Betriebsfrequenzen sind die Zusammenhänge zwischen den jeweils individuell eingestellten Einzel-Betriebsfrequenzen der Mud-Sirenen und den in der Bohrspülung und damit in dem Rohrsystem induzierten Frequenzen (insbesondere bei mehreren gleichzeitig aktiven Mud-Sirenen) komplizierter, jedoch prinzipiell von demselben Charakter. Die an den Mud-Sirenen eingestellten Einzel-Betriebsfrequenzen werden in der Bohrspülung und damit in dem Rohrsystem zum Teil durch weitere Frequenzen übertönt, worauf der oder die Empfänger entsprechend kalibriert werden sollten.
Somit entstehen anschaulich bei einer Reihenschaltung mehrerer Mud-Sirenen im Betrieb zusätzliche Frequenzen, welche die eingestellten Grundfrequenzen (auch bezeichnet als Einzel-Betriebsfrequenzen) der jeweiligen einzelnen Mud-Sirenen zum Teil deutlich überlagern und somit bei der Decodierung empfängerseitig berücksichtigt werden.
Wie oben beschrieben wurde, wird somit bei einem gleichzeitigen Betrieb mehrerer in Reihe geschalteter Mud-Sirenen (wobei eine erste Mud-Sirene einzeln betrieben eine erste Frequenz f1 erzeugt und eine weitere (zweite) Mud-Sirene einzeln betrieben eine zweite Frequenz f2 erzeugt) ein Mehrklang erzeugt, bei dem andere Frequenzen (Störfrequenzen) als die eigentlich zu erzeugenden Frequenzen (f1 und f2) enthalten sind. Die Störfrequenzen sind dabei teilweise deutlich lauter als die eingestellten Grundfrequenzen (f1 bzw. f2). Diese Effekt der „Verstimmung” wurde gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen erkannt und in ein Codierverfahren überführt und darin berücksichtigt (beispielsweise in einem Modell zum Berechnen der jeweils erforderlichen Betriebsfrequenzen zum Erzeugen der gewünschten Übertragungsfrequenzen innerhalb der Bohrspülung). Anschaulich wird dieses Modell in verschiedenen Ausführungsbeispielen verwendet, um zu berechnen, mit welchen Drehzahlen die jeweils einzelnen miteinander in Serie geschalteten Mud-Sirenen betrieben werden müssen, damit die gewünschten dominanten Frequenzen in der Druckwelle der Bohrspülung entstehen, welche zur Datenübertragung genutzt werden sollen. Es ist darauf hinzuweisen, dass in verschiedenen Ausführungsbeispielen die verschiedenen Frequenzen alternativ oder zusätzlich auch mittels Einstellens einer entsprechenden Anzahl von Rotorblättern und/oder Statorblättern realisiert werden können. Verschiedene Modelle zur Berechnung der jeweiligen Frequenzen werden im Weiteren noch näher erläutert.
Somit wird gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Verfahren bereitgestellt, mit dem eine Reihenschaltung aus mehreren einzelnen Mud-Sirenen aufgebaut, konfiguriert und betrieben werden kann, die frei wählbaren Mehrklänge erzeugt, die zu einer schnelleren Datenübertragung genutzt werden können.
Zum einfacheren Verständnis der „Verstimmung” der Mehrklang-Mud-Sirenen-Anordnung wird zunächst die Signalentstehung erläutert anhand einer vereinfachten Mud-Sirenen-Anordnung, bei der die Mud-Sirene nur ein Statorblatt und ein Rotorblatt aufweist.
Zunächst wird dargestellt, wie groß die resultierende offene Querschnittsfläche (im Folgenden auch bezeichnet als total flow area (TFA)) für die Strömung (beispielsweise für die Bohrspülung) ist, wenn eine einzelne Mud-Sirene betrieben wird (siehe 7A bis 7D). Die Mud-Sirene 700 weist einen Rotor 702 mit genau einem Rotorblatt und einen Stator 704 mit genau einem Statorblatt auf. Die Querschnittsfläche ist von dem Drehwinkel α des Rotors 702 abhängig. In den 7A bis 7D sind verschiedene Rotorpositionen des Rotors 702 dargestellt. Zur einfacheren Darstellung ist sowohl das Rotorblatt des Rotors 702 als auch das Statorblatt des Stators 704 als Halbkreis angenommen. Somit ergibt sich das maximal mögliche TFA, im Folgenden auch bezeichnet als TFA_max, ebenfalls als halbe Kreisfläche. Wenn die Mud-Sirene 700 in Betrieb versetzt wird, ändert sich die Rotorposition und damit das TFA mit der Zeit. Die TFA-Änderung über der Zeit (anders ausgedrückt der Zeitverlauf 802 des TFA) ist in 8 in einem TFA-Diagramm 800 zu der Mud-Sirene 700 dargestellt. Der zeitliche Verlauf 802 des TFA ergibt sich für diesen vereinfachten Fall als ein Signal in Sägezahnform.
Beträgt der Drehwinkel α des Rotors 702 relativ zu dem Stator 704 0° oder 360° (vgl. 7A), so schließt das Rotorblatt des Rotors 702 im Wesentlichen vollständig die freie Querschnittsfläche 706 und somit kann kein Medium, beispielsweise keine Flüssigkeit, beispielsweise kein Wasser (und somit auch gegebenenfalls keine Bohrspülung) durch die Mud-Sirene 700 strömen. In diesem Fall beträgt das TFA das Minimum TFA_min (siehe Punkte A und E in dem TFA-Diagramm 800). Es ist jedoch anzumerken, dass in der Praxis der Spülungsstrom nie ganz verschlossen werden sollte, weil sonst ein so genannter starker „Wasserhammer-Effekt” eintritt. Damit wird in einer praktischen Implementierung verschiedener Ausführungsbeispiele in der Regel ein kleiner Spalt zwischen den Mud-Sirenen offen bleiben. Beträgt der Drehwinkel α des Rotors 702 relativ zu dem Stator 704 90° (vgl. 7B), so beträgt das TFA die Hälfte von TFA_max (siehe Punkt B in dem TFA-Diagramm 800). Beträgt der Drehwinkel α des Rotors 702 relativ zu dem Stator 704 180°, so steht das Rotorblatt des Rotors 702 im Wesentlichen vollständig hinter dem Statorblatt des Stators 704 und gibt den gesamten halbkreisförmigen Querschnitt, anders ausgedrückt die gesamte offene Querschnittsfläche 706 frei (vgl. 7C). In diesem Fall beträgt das TFA das Maximum TFAmax (siehe Punkt C in dem TFA-Diagramm 800). Beträgt der Drehwinkel α des Rotors 702 relativ zu dem Stator 704 270° (vgl. 7D), so beträgt das TFA die Hälfte von TFA_max (siehe Punkt D in dem TFA-Diagramm 800).
Analog dazu wird nun eine Reihenschaltung zweier Mud-Sirenen betrachtet. Die Mud-Sirenen sollen mit verschiedenen Frequenzen betrieben werden. Somit hat jeder Rotor 702 der jeweiligen Mud-Sirene seinen eigenen zeitabhängigen Drehwinkel. Dementsprechend erzeugt jede Mud-Sirene ihren eigenen TFA-Verlauf im Zeitbereich und im Frequenzbereich, die jedoch ähnlich sind zu dem in 8 dargestellten TFA-Verlauf.
Da das Medium, beispielsweise die Bohrspülung, das die Mud-Sirene jeweils durchströmt, als im Wesentlichen inkompressibel angesehen werden kann, kann bei einem bestimmten und als konstant angenommenen Differenzdruck über die jeweiligen Mud-Sirene immer nur so viel Medium, beispielsweise Wasser, beispielsweise Bohrspülung, durch die Reihenschaltung mehrerer Mud-Sirenen hindurchströmen, wie durch die Mud-Sirene hindurchpasst, die gerade das kleinste TFA von allen in der Reihenschaltung vorhandenen Mud-Sirenen aufweist.
9A und 9B zeigen Diagramme, in denen eine Mud-Signal-Überlagerung von zwei Mud-Sirenen dargestellt ist. 9A zeigt die Überlagerung im Zeitbereich in einen Zeitdiagramm 900 und 9B zeigt die Überlagerung im Frequenzbereich in einem Frequenzdiagramm 910.
9A und 9B illustrieren somit anschaulich den Sachverhalt für eine Reihenschaltung von zwei Mud-Sirenen, welche mit unterschiedlichen Frequenzen, in diesem Fall beispielsweise mit 15 Hz bzw. mit 39 Hz, betrieben werden.
9A zeigt in einer ersten Kennlinie 902, wie sich das TFA der Reihenschaltung mehrerer Mud-Sirenen mit der Zeit verändert, wenn jeweils das kleinere TFA der beiden Mud-Sirenen als maßgeblich für die durch Strömung der Reihenschaltung der Mud-Sirenen angesehen wird.
9B zeigt in einer zweiten Kennlinie 912 das Ergebnis einer Spektraltransformation (anders ausgedrückt einer Frequenzanalyse), welche auf die erste Kennlinie 902 angewendet worden ist. Beispielsweise wird auf die erste Kennlinie 902 eine Fast Fourier Transformation angewendet, resultierend in der zweiten Kennlinie 912. Aus 9B ist zu erkennen, dass die Reihenschaltung der Mathe-Sirenen tatsächlich die oben beschriebene im Experiment beobachtete „Verstimmung” beschreibt. Dabei sind die eingestellten beiden Frequenzen 15 Hz (Frequenzkomponente ist bezeichnet mit Bezugszeichen 914) und 39 Hz (Frequenzkomponente ist bezeichnet mit Bezugszeichen 916) dargestellt, aber auch zusätzlich entstehende Störfrequenzen, beispielsweise die bereits oben beschriebene Störfrequenz bei 24 Hz (Frequenzkomponente ist bezeichnet mit Bezugszeichen 918).
Dieses Verständnis wird in verschiedenen Ausführungsbeispielen in einem entsprechenden mathematischen Modell verwendet um zu berechnen, mit welchen Drehzahlen die jeweiligen einzelnen (beispielsweise zwei) Mud-Sirenen betrieben werden müssen, damit zwei oder mehr gewünschte Frequenzen in die Strömung (beispielsweise in die Bohrspülung) induziert werden. Der Betrieb einer Multifrequenz-Mud-Sirene ist somit ermöglicht worden.
10 zeigt ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren 1000 zum Codieren und Übertragen von einer Mehrfach-Bit-Information dargestellt ist.
Zu Beginn des Verfahrens wird üblicherweise im Rahmen einer „Kalibrierungsphase” eine Übertragungsfunktion eines Strömungskreislaufs in einem Rohrsystem, in dem die Daten übertragen werden, beispielsweise eine Übertragungsfunktion des mit dem Übertragungsmedium, beispielsweise der Bohrspülung 112, gefüllten Bohrstrangs 110, ermittelt (Block 1002). Anschaulich wird in diesem Teilprozess ermittelt, welche Frequenzen sich für eine Datenübertragung des konkreten Systems besonders gut eignen, anders ausgedrückt, Signale welcher Frequenzen werden im Rahmen der Druckwellen-Signalübertragung in den Bohrstrang 110 ausreichend gering gedämpft, so dass die Druckwellensignale noch übertägigen von dem Empfänger 114 in ausreichender Qualität empfangen werden können.
Die Ermittlung und die spätere Festlegung der Frequenzen, die sich für die Datenübertragung ausreichend gut eignen, ist für jeden Einsatzfall und für jedes Rohrsystem, also für jeden Bohrstrang 110 individuell durchzuführen. Da sich die Übertragungsfunktion mit jeder neu aufgeschraubten Bohrstange ändert, ist die Übertragungsfunktion auch im laufenden Betrieb immer wieder neue zu ermitteln. Durch Reflexionen und Interferenzen in dem Bohrstrang 110 werden einige Frequenzen verstärkt und andere gedämpft oder sogar ganz ausgelöscht. Je nach den Dimensionen des Bohrstranges 110, der Position des Empfängers 114 (das heißt anschaulich der Position des einen oder der mehreren Sensoren, beispielsweise Druckaufnehmer) beispielsweise am Steigrohr und der Beschaffenheit der Bohrspülung 112 ergeben sich für den Übertragungskanal jeweils unterschiedliche individuelle Pass-Frequenzbänder und Stopp-Frequenzbänder, und damit Frequenzen (d. h. Signale mit solchen Frequenzen), die sich zwischen dem untertägigen Sender und dem übertägigen Empfänger 114 übertragen und erkennen lassen und solchen Frequenzen (d. h. Signale mit solchen Frequenzen), die zu stark gedämpft werden, und somit nicht mehr für den Empfänger erfassbar sind. Wenn man die Amplitude des Signals, das an dem Empfänger 114 ankommt, in ein Verhältnis setzt zu der oder den Amplituden des von dem Mud-Sirenen erzeugten Signals, so erhält man die so genannte Übertragungsfunktion des Kanals, in verschiedenen Ausführungsbeispielen die Übertragungsfunktion des mit der Bohrspülung 112 gefüllten Bohrstrangs 110.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Übertragungsfunktion 1200 (siehe 12) experimentell ermittelt. Dazu wird zum Beispiel an dem Sender (also an der oder an den Mud-Sirenen) ein so genannter Sweep erzeugt (d. h. es werden Signale erzeugt mit allen Frequenzen und jeweils konstanter Amplitude, anders ausgedrückt, es werden alle Frequenzen mit konstanter Amplitude durchfahren), und das Signal (d. h. das Druckwellensignal), das an dem Empfänger 114 ankommt, wird jeweils gemessen. Die Signale mit denjenigen Frequenzen, die an dem Empfänger 114 mit den größten Amplituden ankommen, zeigen diejenigen Frequenzen an, die am besten zur Datenübertragung in dem konkreten Rohrsystem, beispielsweise dem konkreten Bohrstrang 110, geeignet sind.
12 zeigt eine experimentell ermittelte Übertragungsfunktion 1200. An dem Sender wurden Signale mit Frequenzen in einem Frequenzbereich von 10 Hz bis 70 Hz eingestellt und die Signalstärke (Amplitude) wurde an einen Empfänger eines Rohrsystems gemessen. Es ergaben sich, wie in 12 dargestellt, mehrere Frequenzbereiche, in denen die Signale an dem Empfänger (beispielsweise an dem Empfänger 114) mit großer Amplitude ankommen, anders ausgedrückt, empfangen werden. Diese Frequenzbereiche liegen beispielsweise in den Frequenzbereichen von ungefähr 10 Hz bis ungefähr 18 Hz (erster Frequenzbereich 1202), von ungefähr 35 Hz bis ungefähr 46 Hz (zweiter Frequenzbereich 1204), und von ungefähr 55 Hz bis ungefähr 65 Hz (dritter Frequenzbereich 1206). Es ist darauf hinzuweisen, dass die Übertragungsfunktion 1200 sehr stark abhängig ist von dem jeweils konkreten Rohrsystem bzw. Bohrstrang und der Bohrspülung. Somit ist eine solche Übertragungsfunktion 1200 immer nur für eine jeweils konkret untersuchte Rohrleitung bzw. ein konkret untersuchtes Rohrsystem gültig und kann nicht auf andere Rohrsysteme oder andere Bohrstränge ohne weiteres mit ausreichender Genauigkeit angewendet werden. Jede Veränderung in dem Rohrsystem bzw. Bohrstrang und/oder der Bohrspülung, allgemein dem Übertragungsmedium) oder sogar schon eine andere Positionierung des Empfängers (beispielsweise des einen oder der mehreren Drucksensoren) in dem System verändert das Übertragungsverhalten und somit auch die sich ergebende Übertragungsfunktion.
Nachdem die Frequenzbänder ermittelt worden sind (d. h. nachdem die Übertragungsfunktion ermittelt worden ist), in denen eine Signalübertragung mit ausreichend geringer Dämpfung möglich ist, werden mindestens drei Frequenzen ermittelt, die zur Übertragung von Daten in dem Rohrsystem, beispielsweise in den Bohrstrang 110 verwendet werden sollen (Block 1004).
Wie im Folgenden noch näher erläutert wird kann das Ermitteln der Übertragungsfunktion und auch das Ermitteln der mindestens drei Frequenzen von einem übertägigen Computer (beispielsweise dem Computer 112) durchgeführt werden.
Anschließend können in 1006 mindestens zwei der drei ermittelten Frequenzen an die Codiereinrichtung 506 in dem Bohrgestänge 102 übertragen werden. Die übertragenen Frequenzen geben der Codiereinrichtung 506 die Betriebsfrequenzen der mindestens zwei Mud-Sirenen 502, 504 an. Die Übertragung im Downlink der mindestens zwei Frequenzen kann durch Übertragung des absoluten Wertes oder durch einen Index oder durch irgendeine andere Art der direkten oder indirekten (referenzierten) Übertragung der Frequenzwerte erfolgen.
Nachdem die Codiereinrichtung 506 nunmehr die Steuerungsinformation erhalten hat, anders ausgedrückt die Steuerungsanweisung nunmehr zur Verfügung hat, d. h. anschaulich die Information, mit welchen Frequenzen die beiden Mud-Sirenen (beispielsweise die mindestens zwei Mud-Sirenen 502, 504) betrieben werden sollen, beginnt die Codiereinrichtung 506 die Übertragung von Daten (von Untertage nach Übertage), indem sie die zu übertragenden Daten in Zeichen (Symbolen) von jeweils mindestens zwei Bit Länge codiert, wie oben beschrieben wurde, und diese Mehrfach-Bit-Information pro Zeitschlitz (anders ausgedrückt ein Zeichen oder Symbol pro Zeitschlitz) mittels der entsprechenden Ansteuerung der zwei Mud-Sirenen 502, 504 zu dem Empfänger 114 überträgt. Somit erfolgt in 1008 ein Codieren von mehrere Bits aufweisender Information und ein Übertragen derselben mittels Betreibens von mindestens zwei Mud-Sirenen 502, 504 mit den zwei übermittelten Frequenzen gemäß der jeweils vorgegebenen Codierungsvorschrift, wie sie beispielsweise in obiger Tabelle 3 dargestellt und beschrieben worden ist.
11 zeigt ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren 1100 Verfahren zum Empfangen und Decodieren eines Mud-Sirenen-Signals dargestellt ist.
Die von den Mud-Sirenen 502, 504 erzeugten Druckwellen in dem Rohrsystem, beispielsweise in der Bohrspülung 112 des Bohrstranges 110, werden mittels eines Empfängers, der beispielsweise einen oder mehrerer Drucksensoren aufweist, beispielsweise mittels des Empfängers 114, Übertage empfangen. Anders ausgedrückt wird ein Mud-Sirenen-Signal empfangen (Block 1102).
Im Rahmen des empfangenen des Mud-Sirenen-Signals 1102 und/oder nach dem empfangen des Mud-Sirenen-Signals 1102 wird die mindestens eine Signalfrequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals ermittelt, anders ausgedrückt werden die einer oder mehreren Frequenzkomponenten des empfangenen Mud-Sirenen-Signals ermittelt (Block 1104).
In 1106 erfolgt ein Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals zu einer mehrere Bits aufweisenden Information abhängig von der ermittelten mindestens einen Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals. Dies kann beispielsweise auf folgende Weise geschehen.

– Das empfangene Mud-Sirenen-Signal kann zu einem ersten Mehr-Bit-Signal decodiert werden, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem ersten Frequenzbereich liegt; so kann beispielsweise das empfangene Mud-Sirene-Signal gemäß der oben dargestellten Tabelle 3 zu der Bitsequenz „10” für einen jeweiligen Zeitschlitz decodiert werden, wenn das empfangene Mud-Sirenen-Signal in einem jeweiligen Zeitschlitz im Wesentlichen eine Frequenz aufweist, die der Betriebsfrequenz der ersten Mud-Sirene entspricht, also beispielsweise eine Frequenz von ungefähr 15 Hz aufweist.
– Das empfangene Mud-Sirenen-Signal kann zu einem zweiten Mehr-Bit-Signal decodiert werden, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem zweiten Frequenzbereich liegt; so kann beispielsweise das empfangene Mud-Sirene-Signal gemäß der oben dargestellten Tabelle 3 zu der Bitsequenz „01” für einen jeweiligen Zeitschlitz decodiert werden, wenn das empfangene Mud-Sirenen-Signal in einem jeweiligen Zeitschlitz im Wesentlichen eine Frequenz aufweist, die der Betriebsfrequenz der zweiten Mud-Sirene entspricht, also beispielsweise eine Frequenz von ungefähr 39 Hz aufweist.
– Das empfangene Mud-Sirenen-Signal kann zu einem dritten Mehr-Bit-Signal decodiert werden, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem dritten Frequenzbereich liegt; so kann beispielsweise das empfangene Mud-Sirene-Signal gemäß der oben dargestellten Tabelle 3 zu der Bitsequenz „11” für einen jeweiligen Zeitschlitz decodiert werden, wenn das empfangene Mud-Sirenen-Signal in einem jeweiligen Zeitschlitz im Wesentlichen eine Frequenzkomponente aufweist, die beispielsweise der Differenzfrequenz der Betriebsfrequenzen der zweiten Mud-Sirene und der Betriebsfrequenzen der ersten Mud-Sirene entspricht, also beispielsweise eine Frequenzkomponente von ungefähr 24 Hz aufweist.
– Das empfangene Mud-Sirenen-Signal kann zu einem vierten Mehr-Bit-Signal decodiert werden, wenn beispielsweise das empfangene Signal keine Frequenzkomponente aufweist, deren Amplitude größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert; so kann beispielsweise das empfangene Mud-Sirene-Signal gemäß der oben dargestellten Tabelle 3 zu der Bitsequenz „00” für einen jeweiligen Zeitschlitz decodiert werden, wenn das empfangene Mud-Sirenen-Signal in einem jeweiligen Zeitschlitz im Wesentlichen keine Frequenzkomponente mit ausreichender Amplitude aufweist.

Nachdem für einen jeweiligen Zeitschlitz die Bitsequenz mit mehreren Bits decodiert worden ist, wird die auf diese Weise die codierte mehrere Bits aufweisende Information ausgegeben (Block 1108).
Anschließend wird das Verfahren für den nächsten Zeitschlitz, allgemein für eine anschließende Zeitperiode, wiederholt. Es ist anzumerken, dass das Verfahren selbstverständlich auch für mehrere Zeitschlitze im Wesentlichen parallel durchgeführt werden kann oder auch ein Mud-Sirenen-Signal für eine Vielzahl von Zeitschlitzen empfangen wird und erst nach Empfangen eines „längeren” Mud-Sirenen-Signals die Decodierung durchgeführt wird.
13 zeigt eine Darstellung 1300 der Ermittlung einer Übertragungsfunktion und der Übertragung der Steuerungsparameter zwischen Übertage und Untertage. Wie in 13 dargestellt ist wird in der oben beschriebenen „Kalibrierungsphase” von einem Sender 1302 (beispielsweise von einer Mud-Sirene) ein Sweep 1304 durchgeführt, indem eine Vielzahl unterschiedlicher Druckwellensignale 1306 unterschiedlicher Frequenz aber immer gleicher Amplitude erzeugt wird und von dem Empfänger 114 (beispielsweise mittels eines oder mehrerer Drucksensoren) erfasst wird (Block 1308). Auf diese Weise wird, wie oben im Detail erläutert, die Übertragungsfunktion 1310, welche das Übertragungsverhalten des Übertragungskanals 1312, beispielsweise gebildet von dem Bohrstrang 110 und der Bohrspülung 112, ermittelt und es erfolgt eine Auswertung 1314 hinsichtlich zur Datenübertragung geeigneter Frequenzen. Diese ermittelte Frequenzinformation 1316 wird von Übertage (beispielsweise von dem Computer 112) nach Untertage übertragen, beispielsweise an die Codiereinrichtung 506.
Alternativ kann es in verschiedenen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, dass der Sweep von Übertage nach Untertage geschickt wird und der untertägige Computer das Ergebnis direkt untertage auswertet und entsprechende Frequenzen selbst festlegt.
Zusammenfassend werden Daten mittels Druckwellen bei spezifischen Frequenzen übertragen. Die Druckwellen werden mit einem Mehrfrequenzpulser (Sender), der mehrere Mud-Sirenen aufweist, untertage erzeugt und übertage mittels Drucksensoren (Empfänger) wieder empfangen. Einige Frequenzen werden durch Reflexionen und Interferenzen in dem Bohrstrang 110 verstärkt und andere Frequenzen werden gedämpft oder sogar ganz ausgelöscht. Deswegen weist der Frequenzgang des Übertragungskanals (gebildet unter anderem von der Bohrspülung) Durchlass-Frequenzbereiche und Sperr-Frequenzbereiche auf. Eine adaptive bzw. frequenzselektive Technik wird eingesetzt, um die Durchlass-Frequenzbänder zu identifizieren. Dabei führt der Sender einen so genannten Sweep durch (Durchfahren aller Frequenzen mit konstanter Amplitude), während das Signal an dem Empfänger gemessen wird. Diejenigen Frequenzen, die an dem Empfänger mit den größten Amplituden ankommen sind, sind diejenigen, die am besten zur Datenübertragung genutzt werden können. Meist kommen nur relativ wenige Frequenzen zur Datenübertragung in Betracht, beispielsweise auch deshalb, weil eher hohe Frequenzen oberhalb von ungefähr 20 Hz eine sehr starke Signaldämpfung erfahren und somit zur Datenübertragung in Tiefbohrungen generell weniger geeignet sind. Weiterhin sollten die zur Datenübertragung genutzten Frequenzen keine ganzzahligen Vielfachen voneinander sein, die Kombination beispielsweise von 5 Hz und 20 Hz sollte vermieden werden. Auch sollten sich die gewählten Frequenzen so weit voneinander unterscheiden, dass eine einfache, klare und fehlerrobuster Unterscheidung durch einen Auswertealgorithmus möglich ist.
Die übertägig als am besten zur Datenübertragung geeignet erachteten Frequenzen werden zunächst anhand des im Folgenden noch näher beschriebenen mathematischen Modells ermittelt.
Das im Folgenden noch näher erläuterte mathematische Modell erlaubt es zu berechnen, welche Drehzahlen (bzw. Oszillationsraten), anders ausgedrückt welche Betriebsfrequenzen, an den untertägigen Mud-Sirenen eingestellt werden sollten, damit die gewünschten Frequenzen in den Spülungskanal induziert werden. Diese Drehzahlen (bzw. Oszillationsraten) werden mittels eines „Downlink”-Kommunikationskanals (Übertragung von Daten von Übertage nach Untertage zu einer Mud-Sirene oder einer Codiereinrichtung, die sich in dem Bohrloch befindet) an die Sendeinheit übertragen, die dann an den Mud-Sirenen die entsprechenden Drehzahlen bzw. Oszillationsraten einstellt.
Beispielsweise werden zwei Mud-Sirenen in Reihenschaltung eingesetzt, um 2 Bits pro Zeitschlitz übertragen zu können in diesem Zusammenhang sollen drei Frequenzen (f1, f2 und f3) ausgewählt werden wobei gilt: f3 = f2 minus f1. (1)
Eine erste Mud-Sirene erzeugt die erste Frequenz f1 und eine zweite Mud-Sirene erzeugt die zweite Frequenz f2; zur Datenübertragung werden aber alle drei Frequenzen (f1, f2 und f3) verwendet, wie oben beschrieben worden ist Es ist darauf hinzuweisen, dass die Anpassung der Frequenzen der Mud-Sirenen jedoch nicht nur durch Einstellung der Drehzahl verändert werden kann, sondern (alternativ oder zusätzlich) auch durch Veränderung der Flügelzahl von Rotor und Stator, anders ausgedrückt durch Veränderung bzw. Einstellen einer entsprechenden Anzahl von Rotorblättern und/oder Statorblättern der jeweiligen Mud-Sirene(n).
Im Folgenden wird nun eine Parallelschaltung von mehreren Mud-Sirenen, beispielsweise von zwei Mud-Sirenen, näher erläutert.
Es ist darauf hinzuweisen, dass bei Verwendung von einer Parallelschaltung zweier Mud-Sirenen nur die zwei Betriebsfrequenzen der Mud-Sirenen (f1 und f2) zur Datenübertragung verwendet werden, die an den beiden Mud-Sirenen (beispielsweise an den beiden Mud-Sirenen 502, 504) eingestellt sind.
Das oben beschriebene so genannte Sweep kann auch in diesem Fall von der Übertageeinheit (beispielsweise von dem Computer 112) zu der Untertageeinheit (beispielsweise zu der Codiereinheit 506) geschickt werden, wobei die manuelle Auswertung der Frequenzen in diesem Fall nicht mehr vorgesehen ist. Die Übertageeinheit kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen automatisiert werden, indem sie das Sweep-Signal empfangen kann und die Frequenzen automatisch auswerten kann und ferner den Sender über die am besten geeigneten Frequenzen zur Datenübertragung informieren kann.
14 zeigt eine Mud-Sirenen-Anordnung 1400 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. Die Mud-Sirenen-Anordnung 1400 weist anschaulich mehrere Mud-Sirenen auf, welche in diesen Beispielen zueinander parallel geschaltet sind (anders ausgedrückt, sie bilden eine Parallelschaltung mehrerer, beispielsweise von zwei Mud-Sirenen), d. h. nebeneinander beispielsweise innerhalb der Bohrgarnitur 102 angeordnet sind und nicht, wie bei den oben beschriebenen Beispielen hintereinander.
So weist in verschiedenen Ausführungsbeispielen die Mud-Sirenen-Anordnung 1400 einen Stator auf, der mindestens einen ersten Teil-Stator 1402 und mindestens einen zweiten Teil-Stator 1404 aufweist. Die Mud-Sirenen-Anordnung 1400 weist ebenfalls eine erste Mud-Sirene auf mit einem ersten Rotor 1406 und eine zweite Mud-Sirene mit einem zweiten Rotor 1408.
Die erste Mud-Sirene weist eine erste offene Querschnittsfläche auf, wenn der erste Teil-Stator 1402 und der erste Rotor 1406 sich zumindest teilweise überlappen. Die zweite Mud-Sirene weist eine zweite offene Querschnittsfläche auf, wenn der zweite Teil-Stator 1404 und der zweite Rotor 1408 sich zumindest teilweise überlappen. Wenn nur ein Teil der ersten offenen Querschnittsfläche und/oder der zweiten offenen Querschnittsfläche nicht von dem jeweiligen Rotor 1406, 1408 überdeckt ist, so kann durch diese Öffnung das Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, beispielsweise die Bohrspülung 112, strömen. Durch die Veränderung der Größe der insgesamt offenen Querschnittsfläche, also der Summe der zu einem jeweiligen Zeitpunkt nicht von dem ersten Rotor 1406 überdeckten ersten offenen Querschnittsfläche und der zu dem Zeitpunkt nicht von dem zweiten Rotor 1408 überdeckten zweiten offenen Querschnittsfläche, werden Druckwellen in dem Medium erzeugt und es wird ein Mud-Sirenen-Signal codiert und übertragen, wie oben im Zusammenhang einer Reihenschaltung von mehreren Mud-Sirenen schon im Detail erläutert wurde. In verschiedenen Ausführungsbeispielen umgibt der zweite Teil-Stator 1404 den ersten Teil-Stator 1402 teilweise. Ferner umgibt der zweite Rotor 1408 den ersten Rotor 1406 teilweise. Die zweite offene Querschnittsfläche umgibt die erste offene Querschnittsfläche teilweise. Mittels Rotierens des ersten Rotors 1406 relativ zu dem ersten Teil-Stator 1402 um eine Rotationsachse wird die erste offene Querschnittsfläche verändert. Mittels Rotierens des zweiten Rotors 1408 relativ zu dem zweiten Teil-Stator 1404 um eine Rotationsachse (wobei eine gemeinsame Rotationsachse die beiden Rotationsachsen bilden kann) wird die zweite offene Querschnittsfläche verändert. Der erste Rotor 1406 und der zweite Rotor 1408. werden mit unterschiedlichen Frequenzen rotiert, d. h. angetrieben.
Anschaulich bilden der erste Teil-Stator 1402 und der erste Rotor 1406 eine erste Mud-Sirene und der zweite Teil-Stator 1404 und der zweite Rotor 1408 bilden eine zweite Mud-Sirene.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen können der erste Teil-Stator und der zweite Teil-Stator einstückig ausgebildet sein, alternativ getrennt voneinander. Ferner können die Statoren und Rotoren jeweils aus einem oder mehreren Statorblättern und/oder Rotorblättern gebildet werden.
Bei geeigneter Auswahl der beiden Betriebsfrequenzen für den ersten Rotor 1406 und den zweiten Rotor 1408 ist ebenfalls eine Codierung einer mehrere Bits aufweisenden Information, d. h. eine Codierung eines Zeichens oder Symbols zu je einem Zeitschlitz möglich, das mehrere Bits aufweist.
Bei der Mud-Sirenen-Anordnung 1400 können zwei Rotoren bezüglich zweier Teil-Statoren unabhängig voneinander betrieben werden. Die Mud-Sirenen-Anordnung 1400 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann mehrere Frequenzen, beispielsweise zwei Frequenzen, gleichzeitig unabhängig voneinander erzeugen. Vorteilhaft bei einer solchen Parallelschaltung mehrerer Mud-Sirenen gegenüber einer Reihenschaltung mehrerer Mud-Sirenen, wie sie oben beschrieben worden ist, ist, dass keine Störfrequenzen erzeugt werden. Wenn beide Mud-Sirenen der Mud-Sirenen-Anordnung 1400 gleichzeitig aktiviert sind, wird im Gegensatz zur Reihenschaltung ein Mehrklang erzeugt, der genau den Drehzahlen (d. h. den Frequenzen) der einzelnen Rotoren 1406, 1408 entspricht.
15A bis 15E zeigt die Mud-Sirenen-Anordnung 1400 gemäß 14 in verschiedenen Durchlass-Zuständen.
In den 15A bis 15E sind verschiedene Rotorpositionen des ersten Rotors 1406 und des zweiten Rotors 1408 dargestellt. Zur einfacheren Darstellung ist sowohl das Rotorblatt des ersten Rotors 1406 als auch das Statorblatt des ersten Teil-Stators 1402 als Halbkreis angenommen. Auch ist sowohl das Rotorblatt des zweiten Rotors 1408 als auch das Statorblatt des zweiten Teil-Stators 1404 als Halbkreis angenommen. Somit ergibt sich das maximal mögliche TFA, im Folgenden auch bezeichnet als TFA_max, ebenfalls als halbe Kreisfläche. Wenn die Mud-Sirenen-Anordnung 1400 in Betrieb versetzt wird, ändert sich die Rotorposition der beiden Rotoren 1406 und 1408 und damit das TFA mit der Zeit. Die TFA-Änderung über der Zeit (anders ausgedrückt der Zeitverlauf 1602 des TFA) ist in 16A in einem TFA-Diagramm 1600 zu der Mud-Sirenen-Anordnung 1400 dargestellt, wenn beide Mud-Sirenen der Mud-Sirenen-Anordnung 1400 aktiviert sind und rotieren. Wenn sowohl die Statorflächen (also beispielsweise im Wesentlichen die Flächen der Statorblätter) als auch die Rotorflächen (also beispielsweise im Wesentlichen die Flächen der Rotorblätter) (bezeichnet als A1 und A2) gleich groß sind, so ist auch das maximal mögliche TFA_max der beiden Mud-Sirenen der Mud-Sirenen-Anordnung 1400 gleich. Bei dieser Mud-Sirenen-Anordnung 1400 ist das resultierende Signal nicht mehr von dem kleinsten gemeinsamen TFA abhängig, sondern von der Summe der TFA beider Mud-Sirenen der Mud-Sirenen-Anordnung 1400. Somit werden nur die zwei gezielten Frequenzen erzeugt. Beispielsweise zeigt 16B das resultierende Frequenzsignal 1612 zu dem zeitlichen Verlauf 1602 aus 16A in einem Frequenzdiagramm 1610, wobei in diesem konkreten Beispiel die beiden Frequenzen 15 Hz und 39 Hz mittels der beiden Mud-Sirenen erzeugt werden. Auch das Frequenzsignal 1612 weist im Wesentlichen nur die beiden Frequenzen 15 Hz (bezeichnet mit Bezugszeichen 1614) und 39 Hz (bezeichnet mit Bezugszeichen 1616) auf.
15A zeigt einen Durchlass-Zustand, in dem der Drehwinkel α₁ des ersten Rotors 1406 relativ zu dem ersten Teil-Stator 1402 als auch der Drehwinkel α₂ des zweiten Rotors 1408 relativ zu dem zweiten Teil-Stator 1404 0° oder 360° betragen. In diesem Fall schließen die Rotorblätter der Rotoren 1406, 1408 im Wesentlichen vollständig die gesamte freie Querschnittsfläche beider Mud-Sirenen und somit kann kein Medium, beispielsweise keine Flüssigkeit, beispielsweise kein Wasser (und somit auch gegebenenfalls keine Bohrspülung) durch die Mud-Sirenen-Anordnung 1400 strömen. In diesem Fall beträgt das TFA das Minimum TFA_min. Es ist jedoch anzumerken, dass in der Praxis der Spülungsstrom nie ganz verschlossen werden sollte, weil sonst ein so genannter starker „Wasserhammer-Effekt” eintritt. Damit wird in einer praktischen Implementierung verschiedener Ausführungsbeispiele in der Regel ein kleiner Spalt zwischen den Mud-Sirenen offen bleiben.
Beträgt der Drehwinkel α₁ des ersten Rotors 1406 relativ zu dem ersten Teil-Stator 1402 135° und der Drehwinkel α₂ des zweiten Rotors 1408 relativ zu dem zweiten Teil-Stator 1404 45°, so überdecken Teile der Rotorblätter der Rotoren 1406, 1408 einen Teil der jeweiligen offenen Querschnittsflächen und es ergibt sich ein TFA₁, das zwischen TFA_max und TFA_min liegt (siehe 15B).
Beträgt der Drehwinkel α₁ des ersten Rotors 1406 relativ zu dem ersten Teil-Stator 1402 180° und der Drehwinkel α₂ des zweiten Rotors 1408 relativ zu dem zweiten Teil-Stator 1404 180°, so stehen die Rotorblätter der Rotoren 1406, 1408 im Wesentlichen vollständig hinter den Statorblättern der Teil-Statoren 1402, 1404 und geben den gesamten halbkreisförmigen Querschnitt, anders ausgedrückt die gesamte offene Querschnittsfläche 1502 frei (vgl. 15C). In diesem Fall beträgt das TFA das Maximum TFAmax.
Beträgt der Drehwinkel α₁ des ersten Rotors 1406 relativ zu dem ersten Teil-Stator 1402 270° und der Drehwinkel α₂ des zweiten Rotors 1408 relativ zu dem zweiten Teil-Stator 1404 90°, so überdecken wiederum Teile der Rotorblätter der Rotoren 1406, 1408 einen Teil der jeweiligen offenen Querschnittsflächen und es ergibt sich ein TFA₂, das ebenfalls zwischen TFA_max und TFA_min liegt (siehe 15D). In diesem konkreten Beispielfall bedeckt das Rotorblatt des ersten Rotors 1406 die Hälfte der ersten offenen Querschnittsfläche und das Rotorblatt des zweiten Rotors 1408 überdeckt die Hälfte der zweiten offenen Querschnittsfläche.
Beträgt der Drehwinkel α₁ des ersten Rotors 1406 relativ zu dem ersten Teil-Stator 1402 90° und der Drehwinkel α₂ des zweiten Rotors 1408 relativ zu dem zweiten Teil-Stator 1404 315°, so überdecken wiederum Teile der Rotorblätter der Rotoren 1406, 1408 einen Teil der jeweiligen offenen Querschnittsflächen und es ergibt sich ein TFA₃, das ebenfalls zwischen TFA_max und TFA_min liegt (siehe 15D). In diesem konkreten Beispielfall bedeckt das Rotorblatt des ersten Rotors 1406 wiederum die Hälfte der ersten offenen Querschnittsfläche (allerdings im Vergleich zu dem Zustand aus 15D die andere Hälfte) und das Rotorblatt des zweiten Rotors 1408 überdeckt ungefähr zwei Drittel der zweiten offenen Querschnittsfläche.
17 zeigt eine Mud-Sirenen-Anordnung 1700 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen mit zwei Mud-Sirenen in Parallelschaltungen. 18 zeigt eine Querschnittsansicht der Mud-Sirenen-Anordnung gemäß 17.
Die Mud-Sirenen-Anordnung 1700 ist in einem Bohrgestänge 1702 angeordnet und weist einen unbeweglichen Stator 1704 auf, einen innen halbkreisförmigen (ersten) Rotor 1706 und einen diesen teilweise umgebenden außen halbkreisförmigen (zweiten) Rotor 1708 auf. Die Mud-Sirenen-Anordnung 1700 weist ferner einen ersten Antrieb 1710 für den ersten Rotor 1706 auf sowie einen zweiten Antrieb 1712 für den zweiten Rotor 1708. Es ist darauf hinzuweisen, dass der erste Antriebs 1710 und der zweite Antrieb 1712 auch als gemeinsamer kombinierter Antrieb implementiert sein kann. Die beiden Rotoren 1706, 1708 können mittels einer Wellen-Hohlwellenkombination 1714 miteinander und mit den Antrieben 1710, 1712 verbunden, beispielsweise mechanisch gekuppelt sein.
Ein Teil des Stators 1704, der erste Rotor 1706, der erste Antrieb 1710 sowie die Antriebswelle zum Antreiben des ersten Rotors 1706 mittels des ersten Antriebs 1710, die Teil der Wellen-Hohlwellenkombination 1714 ist, bildet eine erste Mud-Sirene in der Mud-Sirenen-Anordnung 1700.
Ein Teil des Stators 1704, der zweite Rotor 1708, der zweite Antrieb 1712 sowie die Antriebswelle zum Antreiben des zweiten Rotors 1708 mittels des zweiten Antriebs 1712, die Teil der Wellen-Hohlwellenkombination 1714 ist, bildet eine zweite Mud-Sirene in der Mud-Sirenen-Anordnung 1700.
Der Betrieb der Mud-Sirenen-Anordnung 1700 zum Codieren von Informationen, welche mehrere Bits aufweist, zu einem jeweiligen Codierzeitpunkt, beispielsweise zu einem jeweiligen Zeitschlitz, ist im Wesentlichen gleich dem Betrieb der Mud-Sirenen-Anordnung 1400 gemäß 14, weshalb auf eine erneute Beschreibung der Codierung und Übertragung von Mehrfach-Bit-Daten. Es wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung beispielsweise der 14 bis 16B verwiesen.
In den 19 bis 25 sind verschiedene Verfahren dargestellt zum Ermitteln eines Signalspektrums, welche die Übertragungsfunktion, beispielsweise die Übertragungsfunktion 1200, beschreibt, aus dem bzw. aus der jeweils sich die induzierten Frequenzkomponenten ergeben, woraus sich die jeweiligen Betriebsfrequenzen für die Mud-Sirenen einer Reihenschaltung in einer Mud-Sirenenanordnung ergeben bzw. ausgewählt werden können.
In den jeweiligen Berechnungsvorschriften wird folgende Nomenklatur verwendet:

– TFA₁(t) bezeichnet die so genannte Total Flow Area-Funktion über die Zeit einer ersten Mud-Sirene von zwei oder mehr als zwei in Reihe oder parallel angeordneten Mud-Sirenen einer Mud-Sirenen-Anordnung;
– n bezeichnet einen Berechnungsschritt-Index und ist eine ganze natürliche Zahl, die von 0 bis (B-1) läuft (n = 0, 1, 2, 3, ..., (B-1)) (er wird nur verwendet, wenn der jeweilige Rotor mehrere Rotorblätter aufweist, wobei B die Anzahl der Rotorblätter angibt);
– B₁ bezeichnet die Anzahl der Rotorblätter des Rotors der ersten Mud-Sirene;
– α₁(t) bezeichnet eine Funktion der Veränderung des Drehwinkel α₁ des Rotors relativ zu dem Stator der ersten Mud-Sirene;
– r₁ bezeichnet den Radius der Öffnungsfläche der ersten Mud-Sirene;
– TFA₂(t) bezeichnet die so genannte Total Flow Area-Funktion über die Zeit einer zweiten Mud-Sirene von zwei oder mehr als zwei in Reihe oder parallel angeordneten Mud-Sirenen einer Mud-Sirenen-Anordnung;
– B₂ bezeichnet die Anzahl der Rotorblätter des Rotors der zweiten Mud-Sirene;
– α₂(t) bezeichnet eine Funktion der Veränderung des Drehwinkel α₂ des Rotors relativ zu dem Stator der zweiten Mud-Sirene; und
– r₂ bezeichnet bei einer Reihenschaltung mehrerer Mud-Sirenen den Radius der Öffnungsfläche der zweiten Mud-Sirene, und bei einer Parallelschaltung mehrerer Mud-Sirenen den Radius ausgehend von der Rotationsachse der zweiten Mud-Sirene bis zum Außenumfang der zweiten Mud-Sirene (der „Radius” der Öffnungsfläche der zweiten Mud-Sirene ergibt sich in dem Fall einer Parallelschaltung zu (r₂ – r₁)).

19 zeigt ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren 1900 zum Ermitteln eines Signalspektrums gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist. Das Verfahren 1900 kann für eine Reihenschaltung 1902 von zwei Mud-Sirenen (einer ersten Mud-Sirene 1904 und einer zweiten Mud-Sirene 1906) in einer Mud-Sirenen-Anordnung eingesetzt werden, wobei der Rotor einer jeweiligen Mud-Sirene eine beliebige Anzahl von Rotorblättern (B₁ und B₂) aufweisen kann und wobei der Stator einer jeweiligen Mud-Sirene ebenfalls eine beliebige Anzahl von Statorblättern (gleich B₁ und B₂) aufweisen kann.
In 1908 wird TFA₁(t) ermittelt für einen jeweiligen Wert des Laufindex n. Dies geschieht dadurch, dass in 1910 für den jeweiligen Wert von n überprüft wird, ob für den zeitlichen Verlauf des Drehwinkels α₁(t) folgende Vorschrift erfüllt ist: 2n 360° / 2B₁ < α₁(t) ≤ (2n + 1) 360° / 2B₁ (2)
Wenn dies der Fall ist (Block 1912), dann ergibt sich für diesen Wert von n die TFA₁(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 1914): TFA₁(t) = B₁(πr 2 / 1α₁(t) / 360°). (3)
Wenn dies jedoch nicht der Fall ist (Block 1918), dann ergibt sich für diesen Wert von n die TFA₁(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 1920):
Damit ist TFA₁(t) ermittelt und damit bekannt für alle Drehwinkel (Block 1916).
Weiterhin wird in 1922 TFA₂(t) ermittelt für den Wert des Index n. Dies geschieht dadurch, dass in 1924 für den Wert von n überprüft wird, ob für den zeitlichen Verlauf des Drehwinkels α₂(t) folgende Vorschrift erfüllt ist: 2n 360° / 2B₂ < α₂(t) ≤ (2n + 1) 360° / 2B₂. (5)
Wenn dies der Fall ist (Block 1926), dann ergibt sich für diesen Wert von n die TFA₂(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 1928): TFA₂(t) = B₂(πr 2 / 2α₂(t) / 360°). (6)
Wenn dies jedoch nicht der Fall ist (Block 1930), dann ergibt sich für diesen Wert von n die TFA₂(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 1932):
Damit ist TFA₂(t) ermittelt und damit bekannt für alle Drehwinkel (Block 1934).
Nunmehr wird überprüft, ob TFA₁(t) kleiner ist als TFA₂(t) (Block 1936).
Ist dies der Fall (Block 1938), so gilt folgende Zuordnung (Block 1940): TFA(t) = TFA₁(t). (8)
Ist dies jedoch nicht der Fall (Block 1942), so gilt folgende Zuordnung (Block 1944): TFA(t) = TFA₂(t). (9)
Damit ist TFA(t) bekannt (Block 1946).
Auf die nunmehr bekannte Funktion TFA(t) im Zeitbereich kann in 1948 eine Spektraltransformation, beispielsweise eine Fourier Transformation, beispielsweise eine Fast Fourier Transformation, angewendet werden, womit sich ein Signalspektrum ergibt (Block 1950). Daraus können die induzierten Frequenzkomponenten und die sich daraus ergebenden Antriebsfrequenzen für die beiden Mud-Sirenen 1904, 1906 ermittelt werden, wie oben beschrieben wurde.
20 zeigt ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren 2000 zum Ermitteln eines Signalspektrums gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist. Das Verfahren 2000 kann für eine Reihenschaltung 2002 von zwei Mud-Sirenen (einer ersten Mud-Sirene 2004 und einer zweiten Mud-Sirene 2006) in einer Mud-Sirenen-Anordnung eingesetzt werden, wobei der Rotor einer jeweiligen Mud-Sirene genau ein Rotorblatt (ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit wird ein halbkreisförmiges Rotorblatt angenommen) aufweist und wobei der Stator einer jeweiligen Mud-Sirene ebenfalls genau ein Statorblatt (ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit wird ein halbkreisförmiges Statorblatt angenommen) aufweist. Weiterhin wird ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit angenommen: r₁ = r₂ = r.
In 2008 wird TFA₁(t) ermittelt. Dies geschieht dadurch, dass in 2010 überprüft wird, ob für den zeitlichen Verlauf des Drehwinkels α₁(t) folgende Vorschrift erfüllt ist: α₁(t) ≤ 180°. (10)
Wenn dies der Fall ist (Block 2012), dann ergibt sich TFA₁(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 2014): TFA₁(t) = πr² α₁(t) / 360°. (11)
Wenn dies jedoch nicht der Fall ist (Block 2016), dann ergibt sich TFA₁(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 2018): TFA₁(t) = ( 1 / 2πr²) – (πr² α₁(t) – 180° / 360°). (12)
Damit ist TFA₁(t) ermittelt und damit bekannt (Block 2020).
Weiterhin wird in 2022 TFA₂(t) ermittelt. Dies geschieht dadurch, dass in 2024 überprüft wird, ob für den zeitlichen Verlauf des Drehwinkels α₂(t) folgende Vorschrift erfüllt ist: α₂(t) ≤ 180°. (13)
Wenn dies der Fall ist (Block 2026), dann ergibt sich TFA₂(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 2028): TFA₂(t) = πr² α₂(t) / 360°. (14)
Wenn dies jedoch nicht der Fall ist (Block 2030), dann ergibt sich TFA₂(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 2032): TFA₂(t) = ( 1 / 2πr²) – (πr² α₂(t) – 180° / 360°). (15)
Damit ist TFA₂(t) ermittelt und damit bekannt (Block 2034).
Nunmehr wird überprüft, ob TFA₁(t) kleiner ist als TFA₂(t) (Block 2036).
Ist dies der Fall (Block 2038), so gilt folgende Zuordnung (Block 2040): TFA(t) = TFA₁(t). (16)
Ist dies jedoch nicht der Fall (Block 2042), so gilt folgende Zuordnung (Block 2044): TFA(t) = TFA₂(t). (17)
Damit ist TFA(t) bekannt.
Auf die nunmehr bekannte Funktion TFA(t) im Zeitbereich kann in 2046 eine Spektraltransformation, beispielsweise eine Fourier Transformation, beispielsweise eine Fast Fourier Transformation, angewendet werden, womit sich ein Signalspektrum ergibt (Block 2048). Daraus können die induzierten Frequenzkomponenten und die sich daraus ergebenden Antriebsfrequenzen für die beiden Mud-Sirenen 2004, 2006 ermittelt werden, wie oben beschrieben wurde.
21 zeigt ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren 2100 zum Ermitteln eines Signalspektrums gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist. Das Verfahren 2100 kann für eine Reihenschaltung 2102 von einer beliebigen Anzahl N von Mud-Sirenen (einer ersten Mud-Sirene 2104, einer zweiten Mud-Sirene 2106, einer dritten Mud-Sirene 2108, ..., einer i-ten Mud-Sirene 2110, und einer N-ten Mud-Sirene 2112) in einer Mud-Sirenen-Anordnung eingesetzt werden, wobei der Rotor einer jeweiligen Mud-Sirene eine beliebige Anzahl von Rotorblättern aufweisen kann und wobei der Stator einer jeweiligen Mud-Sirene ebenfalls eine beliebige Anzahl von Statorblättern aufweisen kann.
Für jede der Mud-Sirenen wird die jeweilige TFA_i(t) ermittelt, nämlich TFA₁(t) für die erste Mud-Sirene 2104 (Block 2114), TFA₂(t) für die zweite Mud-Sirene 2106 (Block 2116), TFA₃(t) für die dritte Mud-Sirene 2108 (Block 2118), ..., TFA_i(t) für die i-te Mud-Sirene 2110 (Block 2120), und TFA_N(t) für die N-te Mud-Sirene 2112 (Block 2122).
Dies erfolgt beispielsweise unter Verwendung der Gleichungen (2) bis (4), wie in Bezug auf 19 beschrieben (Block 2124).
Damit sind alle TFA_i(t) ermittelt und damit bekannt für alle geschaltete Sirenen bei jedem Drehwinkel (Blöcke 2126, 2128, 2130, 2132, und 2134).
Anschließend erfolgt in 2136 ein Vergleich aller berechneten Werte der TFA_i(t) (also aller berechneten Werte von TFA₁(t) bis TFA_N(t)). Das kleinste TFA_i(t) wird als TFA(t) zugeordnet. Damit ist TFA(t) bekannt (Block 2138).
Auf die nunmehr bekannte Funktion TFA(t) im Zeitbereich kann in 2140 eine Spektraltransformation, beispielsweise eine Fourier Transformation, beispielsweise eine Fast Fourier Transformation, angewendet werden, womit sich ein Signalspektrum ergibt (Block 2142). Daraus können die induzierten Frequenzkomponenten und die sich daraus ergebenden Antriebsfrequenzen für die N Mud-Sirenen 2104, 2106, 2108, ..., 2110, 2112 ermittelt werden, wie oben beschrieben wurde.
22 zeigt ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren 2200 zum Ermitteln eines Signalspektrums gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist. Das Verfahren 2200 kann für eine Parallelschaltung 2202 von zwei Mud-Sirenen (einer ersten Mud-Sirene 2204 und einer zweiten Mud-Sirene 2206) in einer Mud-Sirenen-Anordnung eingesetzt werden, wobei der Rotor einer jeweiligen Mud-Sirene eine beliebige Anzahl von Rotorblättern aufweisen kann und wobei der Stator einer jeweiligen Mud-Sirene ebenfalls eine beliebige Anzahl von Statorblättern aufweisen kann.
In 2208 wird TFA₁(t) ermittelt für einen jeweiligen Wert des Laufindex n. Dies geschieht dadurch, dass in 2210 für den jeweiligen Wert von n überprüft wird, ob für den zeitlichen Verlauf des Drehwinkels α₁(t) folgende Vorschrift erfüllt ist: 2n 360° / 2B₁ < α₁(t) ≤ (2n + 1) 360° / 2B₁ (18)
Wenn dies der Fall ist (Block 2212), dann ergibt sich für diesen Wert von n die TFA₁(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 2214): TFA₁(t) = B₁(πr 2 / 1α₁(t) / 360°). (19)
Wenn dies jedoch nicht der Fall ist (Block 2218), dann ergibt sich für diesen Wert von n die TFA₁(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 2220):
Damit ist TFA₁(t) ermittelt und damit bekannt für alle Drehwinkel (Block 2216).
Weiterhin wird in 2222 TFA₂(t) ermittelt für einen jeweiligen Wert des Laufindex n. Dies geschieht dadurch, dass in 2224 für den jeweiligen Wert von n überprüft wird, ob für den zeitlichen Verlauf des Drehwinkels α₂(t) folgende Vorschrift erfüllt ist: 2n 360° / 2B₂ < α₂(t) ≤ (2n + 1) 360° / 2B₂. (21)
Wenn dies der Fall ist (Block 2226), dann ergibt sich für diesen Wert von n die TFA₂(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 2228): TFA₂(t) = B₂(π(r 2 / 2 – r 2 / 1) α₂(t) / 360°). (22)
Wenn dies jedoch nicht der Fall ist (Block 2230), dann ergibt sich für diesen Wert von n die TFA₂(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 2232):
Damit ist TFA₂(t) ermittelt und damit bekannt für alle Drehwinkel (Block 2234).
Nunmehr wird TFA(t) ermittelt gemäß folgender Vorschrift (Block 2236): TFA(t) = TFA₁(t) + TFA₂(t) (24)
Auf die nunmehr ermittelte Funktion TFA(t) im Zeitbereich kann in 2238 eine Spektraltransformation, beispielsweise eine Fourier Transformation, beispielsweise eine Fast Fourier Transformation, angewendet werden, womit sich ein Signalspektrum ergibt (Block 2240). Daraus können die induzierten Frequenzkomponenten und die sich daraus ergebenden Antriebsfrequenzen für die beiden Mud-Sirenen 2204, 2206 ermittelt werden, wie oben beschrieben wurde.
23 zeigt ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren 2300 zum Ermitteln eines Signalspektrums gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist. Das Verfahren 2300 kann für eine Parallelschaltung 2302 von zwei Mud-Sirenen (einer ersten Mud-Sirene 2304 und einer zweiten Mud-Sirene 2306) in einer Mud-Sirenen-Anordnung eingesetzt werden, wobei der Rotor einer jeweiligen Mud-Sirene genau ein Rotorblatt aufweist und wobei der Stator einer jeweiligen Mud-Sirene ebenfalls genau ein Statorblatt aufweist.
In 2308 wird TFA₁(t) ermittelt. Dies geschieht dadurch, dass in 2310 überprüft wird, ob für den zeitlichen Verlauf des Drehwinkels α₁(t) folgende Vorschrift erfüllt ist: α₁(t) ≤ 180°. (25)
Wenn dies der Fall ist (Block 2312), dann ergibt sich TFA₁(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 2314): TFA₁(t) = π·r 2 / 1· α₁(t) / 360°. (26)
Wenn dies jedoch nicht der Fall ist (Block 2316), dann ergibt sich TFA₁(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 2318): TFA₁(t) = ( 1 / 2πr 2 / 1) – (πr 2 / 1α₁(t) – 180° / 360°). (27)
Damit ist TFA₁(t) ermittelt und damit bekannt für alle Drehwinkel (Block 2320).
Weiterhin wird in 2322 TFA₂(t) ermittelt. Dies geschieht dadurch, dass in 2324 überprüft wird, ob für den zeitlichen Verlauf des Drehwinkels α₂(t) folgende Vorschrift erfüllt ist: α₂(t) ≤ 180°. (28)
Wenn dies der Fall ist (Block 2326), dann ergibt sich TFA₂(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 2328): TFA₂(t) = π(r 2 / 2 – r 2 / 1) α₂(t) / 360°. (29)
Wenn dies jedoch nicht der Fall ist (Block 2330), dann ergibt sich TFA₂(t) gemäß folgender Vorschrift (Block 2332): TFA₂(t) = π·(r 2 / 2 – r 2 / 1)·( 1 / 2 – α₂(t) – 180° / 360°). (30)
Damit ist TFA₂(t) ermittelt und damit bekannt für alle Drehwinkel (Block 2334).
Nunmehr wird TFA(t) ermittelt gemäß folgender Vorschrift (Block 2336): TFA(t) = TFA₁(t) + TFA₂(t) (31)
Auf die nunmehr bekannte Funktion TFA(t) im Zeitbereich kann in 2338 eine Spektraltransformation, beispielsweise eine Fourier Transformation, beispielsweise eine Fast Fourier Transformation, angewendet werden, womit sich ein Signalspektrum ergibt (Block 2340). Daraus können die induzierten Frequenzkomponenten und die sich daraus ergebenden Antriebsfrequenzen für die beiden Mud-Sirenen 2004, 2006 ermittelt werden, wie oben beschrieben wurde.
24 zeigt ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren 2400 zum Ermitteln eines Signalspektrums gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist. Das Verfahren 2400 kann für eine Parallelschaltung 2402 von einer beliebigen Anzahl N von Mud-Sirenen (einer ersten Mud-Sirene 2404, einer zweiten Mud-Sirene 2406, einer dritten Mud-Sirene 2408, ..., einer i-ten Mud-Sirene 2410, und einer N-ten Mud-Sirene 2412) in einer Mud-Sirenen-Anordnung eingesetzt werden, wobei der Rotor einer jeweiligen Mud-Sirene eine beliebige Anzahl von Rotorblättern aufweisen kann und wobei der Stator einer jeweiligen Mud-Sirene ebenfalls eine beliebige Anzahl von Statorblättern aufweisen kann.
Für jede der Mud-Sirenen wird die jeweilige TFA_i(t) ermittelt, nämlich TFA₁(t) für die erste Mud-Sirene 2404 (Block 2414), TFA₂(t) für die zweite Mud-Sirene 2406 (Block 2416), TFA₃(t) für die dritte Mud-Sirene 2408 (Block 2418), ..., TFA_i(t) für die i-te Mud-Sirene 2410 (Block 2420), und TFA_N(t) für die N-te Mud-Sirene 2412 (Block 2422).
Dies erfolgt beispielsweise unter Verwendung der Gleichungen (18) bis (23), wie in Bezug auf 22 beschrieben (Block 2424).
Damit sind alle TFA_i(t) ermittelt und damit bekannt für alle Drehwinkel (Blöcke 2426, 2428, 2430, 2432, und 2434).
Nunmehr wird TFA(t) ermittelt gemäß folgender Vorschrift (Block 2436): TFA(t) = TFA₁(t) + TFA₂(t) + TFA₃(t) + ... + TFA_N(t) (32)
Auf die nunmehr bekannte Funktion TFA(t) (Block 2438) im Zeitbereich kann in 2440 eine Spektraltransformation, beispielsweise eine Fourier Transformation, beispielsweise eine Fast Fourier Transformation, angewendet werden, womit sich ein Signalspektrum ergibt (Block 2442). Daraus können die induzierten Frequenzkomponenten und die sich daraus ergebenden Antriebsfrequenzen für die N Mud-Sirenen 2404, 2406, 2408, ..., 2410, 2412 ermittelt werden, wie oben beschrieben wurde.
25 zeigt ein Ablaufdiagramm, in dem ein Verfahren 2500 zum Ermitteln eines Signalspektrums gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt ist. Das Verfahren 2500 kann für eine Kombination 2502 einer Reihenschaltung 2504 von einer beliebigen Anzahl N von Mud-Sirenen 2506 (einer ersten Mud-Sirene 1.MS, einer zweiten Mud-Sirene 2.MS, einer i-ten Mud-Sirene i.MS, und einer N-ten Mud-Sirene N.MS) mit einer Parallelschaltung 2508 von einer beliebigen Anzahl N von Mud-Sirenen 2510 (einer ersten Mud-Sirene 1.MS, einer zweiten Mud-Sirene 2.MS, einer i-ten Mud-Sirene i.MS, und einer N-ten Mud-Sirene N.MS) in einer Mud-Sirenen-Anordnung eingesetzt werden, wobei der Rotor einer jeweiligen Mud-Sirene eine beliebige Anzahl von Rotorblättern aufweisen kann und wobei der Stator einer jeweiligen Mud-Sirene ebenfalls eine beliebige Anzahl von Statorblättern aufweisen kann. Die Anzahl von in der Reihenschaltung 2504 und in der Parallelschaltung 2508 vorgesehenen Mud-Sirenen kann gleich oder unterschiedlich voneinander sein.
Zunächst wird für jede der Mud-Sirenen in Reihenschaltung 2504 die jeweilige TFA_iRS(t) ermittelt, nämlich TFA_1RS(t) für die erste Mud-Sirene, TFA_2RS(t) für die zweite Mud-Sirene, TFA_3RS(t) für die dritte Mud-Sirene, ..., TFA_iRS(t) für die i-te Mud-Sirene, und TFA_NRS(t) für die N-te Mud-Sirene.
Dies erfolgt beispielsweise unter Verwendung der Gleichungen (2) bis (4), wie in Bezug auf 19 beschrieben (Block 2512).
Damit sind alle TFA_i(t) ermittelt und damit bekannt für alle geschaltete Sirenen bei jedem Drehwinkel.
Anschließend erfolgt in 2514 ein Vergleich aller berechneten Werte der TFA_iRS(t) (also aller berechneten Werte von TFA_1RS(t) bis TFA_NRS(t)). Das kleinste TFA_iRS(t) wird als TFA_RS(t) zugeordnet. Damit ist TFA_RS(t) bekannt.
Ferner wird für jede der Mud-Sirenen die jeweilige TFA_iPS(t) ermittelt, nämlich TFA_1PS(t) für die erste Mud-Sirene, TFA_2PS(t) für die zweite Mud-Sirene, TFA_3PS(t) für die dritte Mud-Sirene, ..., TFA_iPS(t) für die i-te Mud-Sirene, und TFA_NPS(t) für die N-te Mud-Sirene.
Dies erfolgt beispielsweise unter Verwendung der Gleichungen (18) bis (23), wie in Bezug auf 22 beschrieben (Block 2516).
Damit sind alle TFA_iPS(t) ermittelt und damit bekannt für alle geschaltete Sirenen bei jedem Drehwinkel.
Nunmehr wird TFA_PS(t) ermittelt gemäß folgender Vorschrift (Block 2518): TFA_PS(t) = TFA_1PS(t) + TFA_2PS(t) + TFA_3PS(t) + ... + TFA_NPS(t) (33)
Nunmehr wird überprüft, ob folgende Vorschrift erfüllt ist: TFA_RS(t) < TFA_PS(t). (34)
Ist Vorschrift (34) erfüllt (Block 2522), dann wird TFA_RS(t) im Folgenden als TFA(t) verwendet (Block 2524).
Ist Vorschrift (34) jedoch nicht erfüllt (Block 2526), dann wird TFA_PS(t) im Folgenden als TFA(t) verwendet (Block 2528).
Auf die nunmehr ermittelte Funktion TFA(t) im Zeitbereich kann in 2530 eine Spektraltransformation, beispielsweise eine Fourier Transformation, beispielsweise eine Fast Fourier Transformation, angewendet werden, womit sich ein Signalspektrum ergibt (Block 2532). Daraus können die induzierten Frequenzkomponenten und die sich daraus ergebenden Antriebsfrequenzen für die N + N Mud-Sirenen ermittelt werden, wie oben beschrieben wurde.
Es ist darauf hinzuweisen, dass in einer Mud-Sirenen-Anordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen eine beliebige Anzahl von in Reihe und/oder parallel geschaltete Mud-Sirenen vorgesehen sein können und entsprechend mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden können zum Erzielen einer entsprechend hohen Datenrate.
Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass die Mud-Sirenen-Anordnungen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen in allen Tiefbohrungen eingesetzt werden können, von flachen bis hin zu tiefen Bohrlöchern. Eine erhöhte Datenrate zwischen den untertägigen Sensoren und den übertägigen Einrichtungen erleichtert die Bohrarbeiten und die gezielte Steuerung der Bohrung in ein gewünschtes Zielgebiet erheblich.

Claims

Mud-Sirenen-Anordnung, aufweisend: • eine Bohrgarnitur; • eine in der Bohrgarnitur angeordnete erste Mud-Sirene; • mindestens eine in der Bohrgarnitur angeordnete weitere Mud-Sirene; • mindestens eine Codiereinrichtung, die mit der ersten Mud-Sirene und der weiteren Mud-Sirene gekoppelt ist; und • wobei die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene derart angeordnet sind und die Codiereinrichtung die erste Mud-Sirene und die weitere Mud-Sirene derart ansteuert, dass zu einem Codierzeitpunkt mittels der ersten Mud-Sirene und der weiteren Mud-Sirene eine mehrere Bits aufweisende Information codiert und übertragen wird.
Mud-Sirenen-Anordnung gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: wobei die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene hintereinander in der Bohrgarnitur angeordnet sind.
Mud-Sirenen-Anordnung gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: wobei die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene nebeneinander in der Bohrgarnitur angeordnet sind.
Mud-Sirenen-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Codiereinrichtung die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene derart ansteuert, dass die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene mit voneinander unterschiedlichen Frequenzen zum Codieren der mehrere Bits aufweisenden Information angetrieben werden.
Mud-Sirenen-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Codierzeitpunkt ein Beginn eines Zeitschlitzes ist.
Mud-Sirenen-Anordnung gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die Frequenzen kleiner oder gleich ungefähr 50 Hz sind.
Verfahren zum Codieren und Übertragen von einer mehrere Bits aufweisenden Information, wobei das Verfahren aufweist: • Betreiben einer in einer Bohrgarnitur angeordneten ersten Mud-Sirene mit einer ersten Frequenz; • Betreiben mindestens einer in der Bohrgarnitur angeordneten mindestens einer weiteren Mud-Sirene mit einer weiteren Frequenz, die von der ersten Frequenz unterschiedlich ist; und • Ansteuern der ersten Mud-Sirene und der mindestens einen weiteren Mud-Sirene derart, dass zu einem Codierzeitpunkt mittels der ersten Mud-Sirene und der mindestens einen weiteren Mud-Sirene die mehrere Bits aufweisende Information codiert und übertragen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei ein im Wesentlichen inkompressibles Medium zum Übertragen der Information zur Erdoberfläche durch die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene gespült wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene hintereinander in der Bohrgarnitur angeordnet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene nebeneinander in der Bohrgarnitur angeordnet sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die erste Mud-Sirene und die mindestens eine weitere Mud-Sirene mit voneinander unterschiedlichen Frequenzen zum Codieren der mehrere Bits aufweisenden Information angetrieben werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der Codierzeitpunkt ein Beginn eines Zeitschlitzes ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die Frequenzen kleiner oder gleich ungefähr 50 Hz sind.
Mud-Sirenen-Decodieranordnung, aufweisend: einen Empfänger, eingerichtet zum Empfangen eines mittels einer Bohrspülung übertragenen Mud-Sirenen-Signals; einen mit dem Empfänger gekoppelten Decoder, eingerichtet zum Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals; wobei der Decoder eingerichtet ist zum • Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals zu einem ersten Mehr-Bit-Signal, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem ersten Frequenzbereich ist; • Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals zu einem zweiten Mehr-Bit-Signal, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem zweiten Frequenzbereich ist; und • Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals zu einem dritten Mehr-Bit-Signal, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem dritten Frequenzbereich ist.
Mud-Sirenen-Decodieranordnung gemäß Anspruch 14, wobei der Empfänger mindestens einen Drucksensor aufweist zum Empfangen des Mud-Sirenen-Signals.
Mud-Sirenen-Decodieranordnung gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei das erste Mehr-Bit-Signal, das zweite Mehr-Bit-Signal und das dritte Mehr-Bit-Signal jeweils mindestens oder genau zwei Bit aufweisen.
Mud-Sirenen-Decodieranordnung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der erste Frequenzbereich und/oder der zweite Frequenzbereich und/oder der dritte Frequenzbereich kleiner oder gleich ungefähr 50 Hz ist.
Verfahren zum Empfangen und Decodieren eines Mud-Sirenen-Signals, das mittels einer Bohrspülung, die durch mehrere Mud-Sirenen und durch eine Bohrgarnitur gespült wird, übertragen wird, wobei das Verfahren aufweist: • Empfangen von dem mittels der Bohrspülung übertragenen Mud-Sirenen-Signal; • Ermitteln einer Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals; • Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals zu einem ersten Mehr-Bit-Signal, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem ersten Frequenzbereich ist; • Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals zu einem zweiten Mehr-Bit-Signal, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem zweiten Frequenzbereich ist; • Decodieren des empfangenen Mud-Sirenen-Signals zu einem dritten Mehr-Bit-Signal, wenn die ermittelte Frequenz des empfangenen Mud-Sirenen-Signals in einem dritten Frequenzbereich ist.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das erste Mehr-Bit-Signal, das zweite Mehr-Bit-Signal und das dritte Mehr-Bit-Signal jeweils mindestens oder genau zwei Bit aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei der erste Frequenzbereich und/oder der zweite Frequenzbereich und/oder der dritte Frequenzbereich kleiner oder gleich ungefähr 50 Hz ist.
Mud-Sirenen-Anordnung, aufweisend: • einen Stator, der mindestens einen ersten Teil-Stator und mindestens einen zweiten Teil-Stator aufweist; • eine erste Mud-Sirene mit einem ersten Rotor, wobei die erste Mud-Sirene eine erste offene Querschnittsfläche aufweist, wenn der erste Teil-Stator und der erste Rotor sich zumindest teilweise überlappen; • eine zweite Mud-Sirene mit einem zweiten Rotor, wobei die zweite Mud-Sirene eine zweite offene Querschnittsfläche aufweist, wenn der zweite Teil-Stator und der zweite Rotor sich zumindest teilweise überlappen; • wobei der zweite Teil-Stator den ersten Teil-Stator teilweise umgibt; • wobei der zweite Rotor den ersten Rotor teilweise umgibt; • wobei die zweite offene Querschnittsfläche die erste offene Querschnittsfläche teilweise umgibt.
Mud-Sirenen-Anordnung gemäß Anspruch 21, wobei der erste Teil-Stator Teil der ersten Mud-Sirene ist; und wobei der zweite Teil-Stator Teil der zweiten Mud-Sirene ist
Mud-Sirenen-Anordnung gemäß Anspruch 21, wobei der erste Teil-Stator Teil und der zweite Teil-Stator einstückig ausgebildet sind.