DE112016002545T5

DE112016002545T5 - Elektromagnetische Telelemetrie unter Verwendung kapazitiver Elektroden

Info

Publication number: DE112016002545T5
Application number: DE112016002545.9T
Authority: DE
Inventors: Glenn Andrew WILSON; Paul Andrew Cooper
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2015-08-03
Filing date: 2016-08-03
Publication date: 2018-04-05
Also published as: SA518390681B1; CA2991330A1; CN107849915A; CA2991330C; MX2018001057A; GB201800050D0; BR112018000607A2; WO2017024083A1; GB2557037B; GB2557037A; US10352156B2; NO20180015A1; US20180135409A1

Abstract

Es wird ein elektromagnetisches (EM) Telemetriesystem mit kapazitiven Elektroden zur Verwendung mit Bohrlochausrüstung beschrieben. Ausführungsformen des EM-Telemetriesystems mit kapazitiven Elektroden beinhalten einen Bohrlochsendeempfänger, der einen Sender für codierte Signale, einen Bohrlochsensor, der zur Überwachung der Bohrlochausrüstung angeordnet ist, und einen Empfänger für codierte Signale beinhaltet, der eine oder mehrere kapazitive Gegenelektroden umfasst. Die eine oder die mehreren kapazitiven Gegenelektroden empfangen ein erstes codiertes Signal von dem Bohrlochsendeempfänger, wobei das codierte Signal einer Spannung entspricht, die zwischen der Gegenelektrode und einem Bohrlochkopf gemessen wird. Ein Decodierer und Demodulator des Empfängers für codierte Signale stellt Informationen in dem ersten codierten Signal wieder her. Ein zweites codiertes Signal, das Anweisungen für die Bohrlochausrüstung beinhalten kann, kann auf ähnliche Weise codiert, moduliert und von dem Empfänger für codierte Signale an den Bohrlochsendeempfänger gesendet werden.

Description

HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
Verwandte Anmeldung
Es wird die Priorität der am 3. August 2015 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung mit der Nr. 62/200,432 beansprucht, deren gesamter Inhalt hiermit durch die Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Gegenstand der Offenbarung
Die Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Systeme und Verfahren zur elektromagnetischen (EM) Telemetrie. Die Offenbarung bezieht sich im Besonderen auf EM-Telemetrie unter Verwendung kapazitiver Elektroden während Vorgängen zum Bohren, Messen während des Bohrens (MWD) und/oder Aufzeichnen während des Bohrens (LWD).
Allgemeiner Stand der Technik
Elektromagnetische (EM) Telemetrie ist ein Verfahren zum Übertragen von einer Bohrlochgarnitur (BHA) zur Oberfläche eines Bohrlochs bei Bohranwendung. Zum Beispiel kann die Fähigkeit, Daten zur Bohrdynamik zu senden und zu empfangen, ein schnelleres Bohren ermöglichen kann, während die Fähigkeit, Daten zur Formationsbewertung zu senden und zu empfangen, wie zum Beispiel Daten zum Messen während des Bohrens (MWD, Measurement-While-Drilling) und/oder Aufzeichnen während des Bohrens (LWD, Logging-While-Drilling), eine akkurate Platzierung im Bohrloch ermöglichen kann, um den Wert der Lagerstädte zu maximieren. EM-Telemetriesysteme werden typischerweise bei Frequenzen zwischen 1 und 50 Hz mit Datenraten, die nominal zwischen 3 und 12 bps liegen, von einer begrenzten Anzahl von Kommunikationskanälen betrieben.
Wie bei vielen Kommunikationstechniken besteht ein Ziel der EM-Telemetrie darin, robuste codierte Kommunikationssignale und hohe Datenraten bei Vorhandensein von Rauschen bereitzustellen. Die in EM-Telemetriesystemen verwendeten Kommunikationssignale können durch ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) gekennzeichnet sein, das sich aus dem Verhältnis zwischen der Stärke des Kommunikationssignals und der Stärke des Rauschsignals ergibt. Im Allgemeinen entspricht das Verbessern des SNR einer verbesserten Genauigkeit einer Kommunikationstechnik, die verwendet werden kann, um Kommunikationssysteme mit höheren effektiven Datenraten, mehr Kanälen, geringeren Bitfehlerraten und/oder dergleichen zu konzipieren.
Ein weiteres Ziel eines EM-Telemetriesystems und seiner einzelnen Bestandteile besteht darin, eine schnelle Installation zu fördern, stabil unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen zu funktionieren und eine lange Betriebsdauer zu haben. Zum Beispiel ist es wünschenswert, dass sich die einzelnen Bestandteile eines EM-Telemetriesystems bei der Installation schnell in der Umgebung stabilisieren und widerstandsfähig gegen Schädigung, Korrosion und/oder dergleichen sind. Da verschiedene Bestandteile eines typischen EM-Telemetriesystems mit relativ rauen Umgebungen wie Erdformationen, Fluiden und/oder Gewässern interagieren und/oder sich mit diesen verbinden (z. B. mechanisch, elektrisch und/oder chemisch interagieren), kann es unter Verwendung herkömmlicher Systeme und Verfahren schwierig sein, eine schnelle Stabilisierung, einen stabilen Betrieb und Korrosionsbeständigkeit zu erzielen.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem System und Verfahren zum Verbessern des SNR, der Stabilisierungszeit, der Stabilität und der Lebensdauer von EM-Telemetriesystemen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung besser verständlich. In den Zeichnungen stehen gleiche Bezugszeichen für identische oder funktionell ähnliche Elemente. Nachfolgend werden Ausführungsformen detailliert mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben, wobei:
1 eine Draufsicht eines landbasierten Bohrsystems ist, das ein EM-Telemetriesystem der Offenbarung beinhaltet.
2 eine Draufsicht eines meeresbasierten Fördersystems ist, das ein EM-Telemetriesystem der Offenbarung beinhaltet.
3 eine Draufsicht eines Bohrlochsendeempfängers eines EM-Telemetriesystems der Offenbarung ist;
4 eine Draufsicht einer Oberflächenanordnung eines EM-Telemetriesystems der Offenbarung ist;
5 eine Draufsicht einer Oberflächenanordnung eines EM-Telemetriesystems ist, das eine Vielzahl kapazitiver Gegenelektroden der Offenbarung verwendet;
6 ein Ablaufdiagramm eines EM-Telemetrieverfahrens unter Verwendung von Fernreferenzierung ist; und
7 ein Blockdiagramm eines EM-Telemetriesystems der Offenbarung ist.
Detaillierte Beschreibung der Offenbarung
Die Offenbarung kann Bezugszeichen und/oder Buchstaben in den verschiedenen Beispielen oder Figuren wiederholen. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Verständlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Ausgestaltungen vor. Ferner können räumlich relative Ausdrücke wie unterhalb, unter, unteres, über, oberes, lochaufwärts, lochabwärts, stromaufwärts, stromabwärts und dergleichen hier zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um das Verhältnis eines Elements oder Merkmals zu (einem) anderen Element(en) oder Merkmal(en) wie veranschaulicht zu beschreiben, wobei die Aufwärtsrichtung in Richtung der Oberseite der entsprechenden Figur und die Abwärtsrichtung in Richtung der Unterseite der entsprechenden Figur zu verstehen ist, wobei die Lochaufwärtsrichtung in Richtung der Oberfläche des Bohrlochs, die Lochabwärtsrichtung in Richtung des Fußes des Bohrlochs zu verstehen ist. Sofern nicht etwas anderes angegeben ist, sollen die räumlich relativen Ausdrücke unterschiedliche Ausrichtungen der verwendeten oder betriebenen Vorrichtung zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung umfassen. Beispielsweise wären, wenn eine Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, Elemente, die als „unter“ oder „unterhalb“ anderer Elementen oder Merkmalen beschrieben sind, dann „oberhalb“ der anderen Elemente oder Merkmale ausgerichtet. Dementsprechend kann der beispielhafte Ausdruck „unter“ sowohl eine Ausrichtung „über“ als auch „unter“ umfassen. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder mit anderen Ausrichtungen) und die hier verwendeten räumlich relativen beschreibenden Elemente können ebenfalls entsprechend interpretiert werden.
Darüber hinaus liegt für den Fachmann auf der Hand, dass wenngleich eine Figur ein horizontales Bohrloch oder ein vertikales Bohrloch darstellen kann, wenn nicht etwas anderes angegeben ist, die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ebenso gut zur Verwendung in Bohrlöchern geeignet sein kann, die andere Ausrichtungen haben, einschließlich vertikaler Bohrlöcher, schräger Bohrlöcher, Mutlilateral-Bohrlöcher oder dergleichen. Außerdem liegt für den Fachmann auf der Hand, dass wenngleich eine Figur unter Umständen einen Onshore-Vorgang darstellt, sofern nichts anderes angegeben ist, die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ebenso gut zur Verwendung bei Offshore-Vorgängen geeignet sein kann und umgekehrt. Ferner liegt für den Fachmann auf der Hand, dass wenngleich eine Figur unter Umständen ein verrohrtes Loch darstellt, sofern nichts anderes angegeben ist, die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ebenso gut zur Verwendung bei Vorgängen an unverrohrten Löchern geeignet sein kann.
Im Allgemeinen ist in einer oder mehreren Ausführungsformen ein EM-Telemetriesystem bereitgestellt, bei dem kapazitive Elektroden verwendet werden, um die Erkennung codierter Signale zu verbessern, die während Vorgängen zum Bohren, Aufzeichnen während des Bohrens (LWD), Messen während des Bohrens (MWD), Förderbetrieben oder sonstiger Bohrlochbetriebe unter Verwendung von EM-Telemetrie gesendet oder empfangen werden. Die Verwendung kapazitiver Elektroden in einem EM-Telemetriesystem bietet zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen EM-Telemetriesystemen, einschließlich der Folgenden: geringer Elektrodenformationskontaktwiderstand, lange Betriebsdauer, geringe Temperaturdriften, kein elektrochemisches Rauschen, kurze Stabilisierungszeiten und leichtes Einsetzen.
In Bezug auf die 1 und 2 ist eine Aufrissansicht in Teilquerschnitt eines Bohrlochbohrungs- und Fördersystems 10 dargestellt, das dazu verwendet wird, aus dem Bohrloch 12, das sich durch verschiedene Erdschichten in einer Öl- und Gasformation 14 erstreckt, die sich unter der Erdoberfläche 16 befindet, Kohlenwasserstoffe zu fördern. Das Bohrloch 12 kann aus einem einzelnen oder mehreren Bohrlöchern 12a, 12b ... 12n (in 2) dargestellt ausgebildet sein, die sich in die Formation 14 erstrecken, und in beliebiger Ausrichtung angeordnet sein, wie zum Beispiel das in 2 dargestellte horizontale Bohrloch 12b.
Das Bohr- und Fördersystem 10 beinhaltet eine Bohranlage oder einen Bohrturm 20. Die Bohranlage 20 kann eine Hebevorrichtung 22, einen Kloben 24 und einen Schwenk 26 zum Anheben und Absenken des Futterrohrs, der Bohrstange, des Rohrwendels, des Steigrohrs, sonstiger Arten von Rohrsträngen oder sonstiger Arten von Fördermitteln wie zum Beispiel Wireline, Slickline und dergleichen 30 beinhalten. In 1 ist das Fördermittel 30 ein im Wesentlichen röhrenförmiger, sich axial erstreckender Bohrstrang, der aus einer Vielzahl von Bohrstangen gebildet ist, die über eine Ende-Ende-Verbindung miteinander gekoppelt sind, während das Fördermittel 30 in 2 ein Komplettierungsrohr ist, das eine Komplettierungsanordnung wie nachstehend beschrieben hält. Die Bohranlage 20 kann eine Mitnehmerstange 32, einen Drehtisch 34 und sonstige Ausrüstung aufweisen, die mit der Rotation und/oder Translation des Rohrstrangs 30 in einem Bohrloch 12 verbunden ist. Für einige Anwendungen kann die Bohranlage 20 auch eine obere Antriebseinheit 36 aufweisen.
Die Bohranlage 20 kann nahe einem Bohrlochkopf 40 wie in 1 dargestellt oder von dem Bohrlochkopf 40 beabstandet angeordnet sein, so zum Beispiel bei einer Offshore-Anordnung wie in 2 dargestellt. Eine oder mehrere Drucksteuervorrichtungen 42 wie zum Beispiel Bohrlochabsperrventile (BOPs) und sonstige Ausrüstung, die mit dem Bohren oder Fördern eines Bohrlochs verbunden sind, können ebenfalls am Bohrlochkopf 40 oder an anderer Stelle in dem System 10 bereitgestellt sein.
Für Offshore-Vorgänge wie in 2 dargestellt kann unabhängig davon, ob gebohrt oder gefördert wird, eine Bohranlage 20 an einer Öl- oder Gasplattform 44 wie der dargestellten Offshore-Plattform, Halbtauchern, Bohrschiffen und dergleichen (nicht abgebildet) angebracht sein. Wenngleich das System 10 in 2 als meeresbasiertes Fördersystem dargestellt ist, kann das System 10 in 2 auch an Land verwendet werden. Außerdem kann, wenngleich das System 10 in 1 als landbasiertes Bohrsystem dargestellt ist, das System 10 in 1 auch offshore verwendet werden. In jedem Fall erstrecken sich bei meeresbasierten Systemen eine oder mehrere untermeerische Leitungen oder Steigrohre 46 vom Deck 50 der Plattform 44 zu einem untermeerischen Bohrlochkopf 40. Der Rohrstrang 30 erstreckt sich von der Bohranlage 20 durch die untermeerische Leitung 46 und BOP 42 nach unten in das Bohrloch 12.
Eine Arbeits- oder Betriebsfluidquelle 52 kann ein Arbeitsfluid 58 zuführen, das zum oberen Ende des Rohrstrangs 30 gepumpt wird und durch den Rohrstrang 30 fließt. Die Arbeitsfluidquelle 52 kann beliebiges Fluid zuführen, das bei Bohrlochbetrieben verwendet wird, einschließlich, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Bohrspülungsfluid, zementhaltige Aufschlämmung, Säuerungsfluid, Flüssigwasser, Dampf oder sonstige Arten von Fluid.
Das Bohrloch 12 kann darin angeordnete Untergrundausrüstung 54 wie zum Beispiel einen Bohrmeißel und eine Bohrlochgarnitur (BHA), eine Komplettierungsanordnung oder eine andere Art von Bohrlochwerkzeug beinhalten.
Das Bohrlochbohrungs- und -fördersystem 10 kann im Allgemeinen als ein Rohrsystem 56 aufweisend gekennzeichnet sein. Im Sinne der vorliegenden Offenbarung kann das Rohrsystem 56 Futterrohr, Steigrohre, Verrohrung, Bohrstränge, Komplettierungs- oder Förderstränge, Übergänge, Köpfe oder sonstige Rohre, Röhren oder Ausrüstung, die sich mit den Vorstehenden verbinden, zum Beispiel Strang 30 und Leitung 46 sowie das Bohrloch und Seitenteile, in denen die Rohre, das Futterrohr und die Stränge verwendet werden können, beinhalten. Insofern kann das Rohrsystem 56 ein oder mehrere Futterrohrstränge 60 beinhalten, die in dem Bohrloch 12 zementiert sind, zum Beispiel das in 1 dargestellte Standrohr, Zwischenrohr und Förderrohr 60. Ein Ring 62 ist zwischen den Wänden der Gruppen angrenzender röhrenförmiger Komponenten ausgebildet, zum Beispiel zwischen konzentrischen Futterrohrsträngen 60 oder der Außenseite des Rohrstrangs 30 und der Innenwand des Bohrlochs 12 oder dem Futterrohrstrang 60, je nach dem.
Wenn eine Untergrundausrüstung 54 zum Bohren verwendet wird und es sich bei dem Fördermittel 30 um einen Bohrstrang handelt, kann das untere Ende des Bohrstrangs 30 eine Bohrlochgarnitur (BHA) 64 beinhalten, die an einem distalen Ende einen Bohrmeißel 66 aufweisen kann. Während Bohrvorgängen wird eine Meißelbelastung (WOB) angewendet, wenn der Bohrmeißel 66 gedreht wird, wodurch es dem Bohrmeißel 66 ermöglicht wird, die Formation 14 und das Bohrloch 12 entlang eines vorab festgelegten Wegs in Richtung einer Zielzone in Eingriff zu nehmen. Im Allgemeinen kann der Bohrmeißel 66 mit dem Bohrstrang 30 von der Anlage 20 mit oberem Antrieb 36 oder Drehtisch 34 und/oder mit einem Bohrlochschlammmotor 68 in BHA 64 gedreht werden. Das Arbeitsfluid 58 kann zum oberen Ende des Bohrstrangs 30 gepumpt werden und durch die längliche Innenseite 70 des Bohrstrangs 30 durch die Bohrlochgarnitur 64 strömen und die in dem Bohrmeißel 66 gebildeten Düsen verlassen. Am unteren Ende 72 des Bohrlochs 12 kann sich Bohrspülungsfluid 58 mit Formationsabtragungen, Formationsfluiden und sonstigen Bohrlochfluiden und -ablagerungen vermischen. Das Bohrspülungsgemisch kann anschließend durch einen Ring 62 nach oben strömen, um Formationsabtragungen und sonstige Bohrlochablagerungen wieder an die Oberfläche 16 zu bringen.
Die Bohrlochgarnitur 64 und/oder der Bohrstrang 30 können verschiedene sonstige Werkzeuge beinhalten, einschließlich einer Stromquelle 69, mechanischen Übergängen 71 wie zum Beispiel direktionalen Bohrübergängen und einer Messausrüstung 73 wie zum Beispiel Instrumenten zum Messen während des Bohrens (MWD) und/oder zum Aufzeichnen während des Bohrens (LWD), Sensoren, Schaltungen oder sonstiger Ausrüstung, um Informationen über das Bohrloch 12 und/oder die Formation 14 bereitzustellen, wie zum Beispiel Aufzeichnungs- oder Messdaten aus dem Bohrloch 12. Messdaten und sonstige Informationen von den Werkzeugen können unter Verwendung elektrischer Signale, akustischer Signale oder sonstiger Telemetrie, die an der Anlage 20 in elektrische Signale umgewandelt werden kann, übertragen werden, um unter anderem die Leistung des Bohrstrangs 30, der Bohrlochgarnitur 64 und des dazugehörigen Bohrmeißels 66 zu überwachen sowie die Umgebungsverhältnisse zu überwachen, denen die Bohrlochgarnitur 64 ausgesetzt ist.
In Bezug auf 2, in der eine Untergrundausrüstung 54 als Komplettierungsausrüstung dargestellt ist, ist in einem im Wesentlichen horizontalen Abschnitt des Bohrlochs 12 eine untere Komplettierungsanordnung 74 angeordnet, die verschiedene Werkzeuge wie zum Beispiel eine Unteranordnung für Orientierung und Ausrichtung 76, einen Packer 78, eine Sandsteuerungsfilteranordnung 110, einen Packer 112, eine Sandsteuerungsfilteranordnung 114, einen Packer 116, eine Sandsteuerungsfilteranordnung 118 und einen Packer 120 beinhaltet.
Von der unteren Komplettierungsanordnung 74 lochabwärts erstrecken sich ein oder mehrere Übertragungskabel 122 wie zum Beispiel ein Sensor- oder elektrisches Kabel, das durch die Packer 78, 112 und 116 verläuft und mit einer oder mehreren elektrischen Vorrichtungen 124, die mit der unteren Komplettierungsanordnung 74 verbunden sind, wie zum Beispiel Sensoren, die an die Sandsteuerungsfilteranordnungen 110, 114, 118 angrenzend oder an der Sandfront der Formation 14 angeordnet sind, oder Bohrlochsteuerungen oder Betätigungselementen wirkverbunden ist, die verwendet werden, um die Bohrlochwerkzeuge oder Fluidstromsteuervorrichtungen zu betreiben. Das Kabel 122 kann als Übertragungsmedium zum Übertragen von Energie oder Daten und dergleichen zwischen der unteren Komplettierungsanordnung 74 und einer oberen Komplettierungsanordnung 125 dienen.
Insofern ist in dem Bohrloch 12 am unteren Ende des Rohrstrangs 30 eine obere Komplettierungsanordnung 125 angeordnet, die verschiedene Werkzeuge wie einen Packer 126, ein Dehnungsstück 128, einen Packer 100, ein Fluidstromsteuermodul 102 und eine Ankeranordnung 104 beinhaltet.
Von der oberen Komplettierungsanordnung 125 erstrecken sich lochaufwärts ein oder mehrere Übertragungskabel 106 wie zum Beispiel ein Sensorkabel oder ein elektrisches Kabel, das durch die Packer 126, 100 verläuft und sich bis zur Oberfläche 16 erstreckt. Das Kabel 106 kann als Übertragungsmedium, zum Übertragen von Energie oder Daten und dergleichen zwischen einer Oberflächensteuerung (nicht abgebildet) und der oberen und der unteren Komplettierungsanordnung 125, 74 dienen.
In 1 und 2 ist die Anwendung eines elektromagnetischen (EM) Telemetriesystems 80 unter Verwendung kapazitiver Elektroden gemäß einigen Ausführungsformen dargestellt. In einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet das EM-Telemetriesystem 80 eine Oberflächenanordnung 81, die eine Gegenelektrode 83 und einen Bohrlochsendeempfänger 89 aufweist. Das EM-Telemetriesystem 80 ermöglicht die Kommunikation zwischen der Oberflächenanordnung 81 und dem Bohrlochsendeempfänger 89. Zum Beispiel kann das EM-Telemetriesystem 80 eine Kommunikation zwischen einer Steuerung und/oder einem Datenerwerbsmodul, das mit der Oberflächenanordnung 81 gekoppelt ist, und Bohrlochausrüstung und/oder Sensor(en) ermöglichen, der/die mit dem Bohrlochsendeempfänger 89 gekoppelt sind. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das EM-Telemetriesystem 80 bidirektional sein; das heißt eine oder beide von der Oberflächenanordnung 81 und dem Bohrlochsendeempfänger 89 können zu einer bestimmten Zeit als Sender und/oder Empfänger des EM-Telemetriesystems 80 ausgelegt sein. Zur Förderung derartiger Ausführungsformen können beliebige geeignete Duplextechniken wie zum Beispiel Zeitduplexverfahren, Frequenzduplexverfahren und/oder dergleichen verwendet werden. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das EM-Telemetriesystem 80 unidirektional sein.
Das codierte Signal 90, wie in 1 und 2 dargestellt, ist ein sich zeitlich veränderndes elektromagnetisches Feld, das Informationen zwischen der Oberflächenanordnung 81 und dem Bohrlochsendeempfänger 89 überträgt. Beispielsweise kann das codierte Signal 90 die Mess- und/oder Aufzeichnungsdaten, die von der Bohrlochausrüstung und/oder den Bohrlochsensoren erhalten werden, übertragen, wobei die Daten zur weiteren Verarbeitung an die Oberfläche übertragen werden. Da das codierte Signal 90 während des Bohrvorgangs gesendet und empfangen werden kann, ist das EM-Telemetriesystem 80 für Anwendungen zum Messen während des Bohrens (MWD) und/oder Aufzeichnen während des Bohrens geeignet. Beispielsweise kann das codierte Signal 90 Messdaten, Aufzeichnungsdaten und/oder Anweisungen für Bohrwerkzeuge übertragen, zum Beispiel Anleitungen zur Verwendung bei direktionalen Bohranwendungen. In einer oder mehreren Ausführungsformen können die von dem codierten Signal 90 übertragenen Informationen in einem digitalen und/oder einem analogen Format vorliegen. Dementsprechend können beliebige geeignete digitale und/oder analoge Codier- und/oder Modulationsschemata verwendet werden, um eine verlässliche, sichere und/oder eine Hochgeschwindigkeitsübertragung zwischen dem Bohrlochsendeempfänger 89 und der Oberflächenanordnung 81 zu erzielen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Codier- und Modulationsschema Pulsweitenmodulation, Pulsphasenmodulation, Ein-Aus-Tastung, Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Einseitenbandmodulation, Frequenzumtastung, Phasenumtastung (z. B. binäre Phasenumtastung und/oder M-ary-Phasenumtastung), Mehrtonverfahren oder orthogonales Frequenzmultiplexverfahren und/oder dergleichen beinhalten. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das codierte Signal 90 einen Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 50 Hz und eine nominale Datenrate zwischen etwa 3 und 12 Bits pro Sekunde haben.
Wenn das EM-Telemetriesystem 80 mit dem Bohrlochsendeempfänger 89 als Sender und der Oberflächenanordnung 81 als Empfänger betrieben wird, wird das codierte Signal 90 durch das Anlegen eines Spannungssignals über eine Lücke in dem Bohrlochsendeempfänger 89 hinweg erzeugt. Beispielsweise kann die Lücke den Bohrmeißel 66 elektrisch gegen den Bohrstrang 30 isolieren. Allgemeiner gesagt isoliert die Lücke elektrisch einen Abschnitt des System 10, der elektrisch mit dem Bohrlochkopf 40 gekoppelt ist, gegen einen Abschnitt des Systems 10, der elektrisch mit der Formation 14 gekoppelt ist. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das angelegte Spannungssignal eine Stärke von etwa 3 V (z. B. nominal zwischen 0,5 und 5 V) aufweisen. Das codierte Signal 90 breitet sich durch die Erde und den Bohrstrang 30 zu der Oberflächenanordnung 81 aus. An der Oberfläche misst eine Gegenelektrode 83 ein Spannungssignal, das dem codierten Signal 90 entspricht, wobei das Spannungssignal auf Grundlage einer Differenzspannung zwischen der Gegenelektrode 83 und dem Bohrlochkopf 40 bestimmt wird. Das gemessene Spannungssignal wird demoduliert und/oder decodiert, um die von dem codierten Signal 90 übertragenen Informationen wiederherzustellen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das gemessene Spannungssignal eine Stärke von etwa 10 µV aufweisen. Analog wird, wenn das EM-Telemetriesystem 80 mit der Oberflächenanordnung 81 als Sender und dem Bohrlochsendeempfänger 89 als Empfänger des codierten Signals 90 betrieben wird, das codierte Signal 90 durch das Anlegen eines Spannungssignals zwischen der Gegenelektrode 83 und dem Bohrlochkopf 40 übertragen. Ein entsprechendes Spannungssignal über die Lücke in dem Bohrlochsendeempfänger hinweg wird gemessen, demoduliert und/oder decodiert, um die von dem codierten Signal 90 übertragenen Informationen wiederherzustellen.
Wenngleich der Bohrlochsendeempfänger 89 nicht auf eine bestimmte Art oder Ausgestaltung beschränkt ist, stellt 3 eine Ausführungsform des Bohrlochsendeempfängers 89 dar. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Bohrlochsendeempfänger 89 als Empfänger für codierte Signale des EM-Telemetriesystems 80 ausgestaltet sein. Zur Förderung derartiger Ausführungsformen kann der Bohrlochsendeempfänger 89 eine Steuerung 310 beinhalten, die einen Codierer 311, einen Modulator 312 und einen Sender 313 beinhaltet. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Bohrlochsendeempfänger 89 zusätzlich und/oder alternativ dazu als Empfänger des EM-Telemetriesystems 80 ausgestaltet sein. Zur Förderung derartiger Ausführungsformen kann die Steuerung 310 einen Decodierer 314, einen Demodulator 315 und einen Empfänger 316 beinhaltet. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Codierer 311 an eine oder mehrere Bohrlochdatenquellen gekoppelt sein, zum Beispiel Bohrlochausrüstung 330 und/oder einen Bohrlochsensor 340, und kann über Eingabeschnittstelle 322 analoge und/oder digitale Daten von den Datenquellen empfangen. Der Codierer 311 kann die empfangenen Daten in Bitströme umwandeln, der Modulator 312 kann den Bitstrom in analoge und/oder digitale Symbole umwandeln, und der Sender 313 kann die Symbole in ein Spannungssignal umwandeln, das dem codierten Signal 90 entspricht. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Codierer 311 verschiedene Vorgänge an den eingehenden Daten ausführen, einschließlich Codierung, Verschachtelung, Verschlüsselung, Kanalcodierung, Faltungscodierung und/oder dergleichen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Modulator 312 den eingehenden Datenstrom gemäß einer Vielzahl von Modulationsschemata modulieren, einschließlich Pulsweitenmodulation, Pulsphasenmodulation, Ein-Aus-Tastung, Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Einseitenbandmodulation, Frequenzumtastung, Phasenumtastung (z. B. binäre Phasenumtastung und/oder M-ary-Phasenumtastung), Mehrtonverfahren oder orthogonalem Frequenzmultiplexverfahren und/oder dergleichen. Das Spannungssignal wird zwischen einer Lücke 332 in dem Bohrlochsendeempfänger 89 angewendet. Wie in 3 dargestellt, isoliert die Lücke 332 den Bohrmeißel 66 elektrisch gegen den Bohrstrang 30 gemäß 1. Es versteht sich jedoch, dass die Lücke 332 andere Bohrlochkomponenten wie zum Beispiel die Wireline 30, von der oberen Komplettierungsanordnung 125 trennen kann, wie in 2 dargestellt. Analog können, wenn der Bohrlochsendeempfänger 89 als Empfänger für codierte Signale des EM-Telemetriesystems 80 ausgestaltet ist, der Decodierer 314, der Demodulator 315 und der Empfänger 316 betrieben werden, um ein Spannungssignal über die Lücke 332 hinweg zu messen und das gemessene Spannungssignal zu demodulieren/decodieren, um ausgegebene analoge und/oder digitale Daten einem oder mehreren Bohrlochwerkzeugen über eine Ausgabeschnittstelle 324 bereitzustellen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Bohrlochsensor 340 angeschlossen, angekoppelt und/oder anderweitig angeordnet sein, um die Bohrlochausrüstung 330 zu überwachen, und kann Informationen (z. B. Mess- und Aufzeichnungsdaten), die der Bohrlochausrüstung 330 zugeordnet sind, über die Steuerung 310 an die Oberflächenanordnung 81 übertragen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Bohrlochausrüstung 330 über die Steuerung 310 Anweisungen von der Oberflächenanordnung 81 empfangen. In einigen Ausführungsformen kann die Bohrlochausrüstung 330 Bohrausrüstung, Ausrüstung zum Aufzeichnen während des Bohrens (LWD), Ausrüstung zum Messen während des Bohrens (MWD), Förderausrüstung und/oder dergleichen beinhalten. In manchen Ausführungsformen kann der Bohrlochsensor 340 einen oder mehrere Temperatursensoren, Drucksensoren, Dehnungssensoren, ph-Wert-Sensoren, Dichtesensoren, Viskositätssensoren, Sensoren für die chemische Zusammensetzung, Radioaktivitätssensoren, Widerstandssensoren, akustische Sensoren, Potenzialsensoren, mechanische Sensoren, NMR-Aufzeichnungssensoren, Schwerkraftsensor, einen Drucksensor, Fixlängenliniensensor, optischen Spurführungssensor, einen Fluidmesssensor, einen Beschleunigungsintegrationssensor, einen Geschwindigkeitszeitablaufsensor, einen Wegstreckenzähler, einen Magnetmerkmalspurverfolgungssensor, einen Optikmerkmalspurverfolgungssensor, einen Elektromerkmalspurverfolgungssensor, einen Akustikmerkmalspurverfolgungssensor, einen Koppelnavigationssensor, einen Formationssensor, einen Ausrichtungssensor, eine Art Impedanzsensor, einen Durchmessersensor und/oder dergleichen beinhalten.
Wenngleich die Oberflächenanordnung 81 nicht auf eine bestimmte Art oder Ausgestaltung beschränkt ist, stellt 4 eine Ausführungsform der Oberflächenanordnung 81 dar. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Oberflächenanordnung 81 als Empfänger für codierte Signale des EM-Telemetriesystems 80 ausgestaltet sein. Zur Förderung derartiger Ausführungsformen kann die Oberflächenanordnung 81 eine Steuerung 410 beinhalten, die einen Codierer 411, einen Modulator 412 und einen Sender 413 beinhaltet, wie vorstehend in Bezug auf 3 beschrieben. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Oberflächenanordnung 81 zusätzlich und/oder alternativ dazu als Sender für codierte Signale des EM-Telemetriesystems 80 ausgestaltet sein. Zur Förderung derartiger Ausführungsformen kann die Steuerung 410 einen Decodierer 414, einen Demodulator 415 und/oder einen Empfänger 416 beinhaltet. Diese Funktionen, die von dem Decodierer 414, dem Demodulator 415 und dem Empfänger 416 an den empfangenen Daten ausgeführt werden, spiegeln im Allgemeinen die Funktionen wider, die von dem Codierer 311, dem Modulator 312 und dem Sender 313 ausgeführt werden, die in 3 dargestellt sind. Somit kann der Decodierer 414 beispielsweise Quelldecodierung, Entschachtelung, Kanaldecodierung, Faltdecodierung und/oder dergleichen ausführen. Die Steuerung 410 kann ferner eine Eingabeschnittstelle 422 und eine Ausgabeschnittstelle 424 zum Übertragen gesendeter bzw. empfangener Daten zu und von verschiedenen Datenquellen und/oder -senken beinhalten, wie zum Beispiel eine Steuerung und/oder ein Datensammelmodul, eine Benutzerschnittstelle und/oder dergleichen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Empfänger 416 eine hochohmige Amplifikationsschaltung beinhalten, zum Beispiel eine hochohmige Lade- und/oder elektronische Amplifikationsschaltung. Da bekannt ist, dass hochohmige Schaltungen empfindlich gegenüber dem Aufnehmen elektromagnetischer Störungen sind, können die Amplifikationsschaltungen des Empfängers 416 aktive elektronische Vorrichtungen (z. B. Transistoren) und/oder Rückkopplungsschaltung zum Abschwächen des Rauschens beinhalten. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Eingangsimpedanz des Empfängers 416 bei ungefähr 1 MΩ (z. B. zwischen 500 kΩ und 10 MΩ) oder mehr liegen. Umgekehrt hat der Sender 413 vorzugsweise eine geringe Eingangsimpedanz (z. B. ungefähr 10 Ω oder weniger).
Die Oberflächenanordnung 81 beinhaltet eine Gegenelektrode 83. Die Gegenelektrode 83 wird von dem Sender 413 und/oder Empfänger 416 verwendet, um ein Spannungssignal zwischen der Gegenelektrode 83 und dem Bohrlochkopf 40 zu messen und/oder anzulegen (1 und 2). Ein Draht 440 koppelt die Steuerung 410 an den Bohrlochkopf 40 (1 und 2), sodass eine Potenzialdifferenz zwischen der Gegenelektrode 83 und dem Bohrlochkopf 40 von einer Steuerung 410 gemessen und/oder angelegt werden kann. In einigen Ausführungsformen ist die Gegenelektrode 83 zehn oder mehr Meter von dem Bohrlochkopf 40 entfernt angeordnet (1 und 2).
In einem herkömmlichen EM-Telemetriesystem mit einer Gegenelektrode ist die Gegenelektrode galvanisch mit der Erde gekoppelt. Zum Beispiel kann die Gegenelektrode eines herkömmlichen EM-Telemetriesystems einen Metallpfahl, eine poröse Tonzelle, einen zurückgelassenen Bohrlochkopf oder eine zurückgelassene Bohrinsel und/oder dergleichen beinhalten, der/die sich über elektrochemische Reaktionen elektrisch mit der Erde koppelt. Insbesondere dienen galvanische Gegenelektroden als elektrochemische Wandler, die elektrische Leitung aus ionischer Leitung in der Formation (d. h. der Erde) in elektronische Leitung in der Metallelektrode umwandeln. Die elektrochemischen Reaktionen an den Elektroden, die Elektronengewinn oder -verlust beinhalten, sind Oxidations-Reduktions-Reaktionen. Ein genaues und zuverlässiges Messen der Spannungssignale unter Verwendung galvanischer Gegenelektroden ist aus mehreren Gründen, wie nachfolgend erörtert, problematisch.
Galvanische Gegenelektrode neigen dazu, einen hohen Elektroden-Formations-Übergangswiderstand zu haben (d. h. den Widerstand zwischen der Gegenelektrode und der Erde). Ferner kann der Elektroden-Formations-Übergangswiderstand hinsichtlich Zeit und Ort deutlich variieren. Galvanische Gegenelektroden können unter Verwendung eines festen Metalls (z. B. Stahl) oder eines Metalls/Metallsalzes (z. B. Ag/AgCl) in Kontakt mit Formationsfluiden verwendet werden. In diesen und ähnlichen Ausgestaltungen wird der Übergangswiderstand der Gegenelektrode primär durch eine Übergangsschicht an der Oberfläche der Elektroden bestimmt, wo die elektronische Leitung in dem Metallabschnitt der Elektrode in und von ionische(r) Leitung in der Formation umgewandelt wird. Eine derartige Übertragungsschicht beinhaltet typischerweise zwei Unterschichten mit unterschiedlicher Elektrochemie. Die Elektrochemie dieser sogenannten „Doppelschicht“ ist komplex und hat einen hohen Widerstand gegenüber Strom zur Folge, der von der Elektrode in die Formation fließen soll. Das Vorhandensein einer Doppelschicht macht es für galvanische Gegenelektroden schwer, einen Übergangswiderstand von weniger als 1 kΩ pro Elektrode zu erzielen, was bei vielen EM-Telemetrieanwendungen gewünscht ist. Ferner variieren die Konzentrationen unterschiedlicher ionischer Spezies in den Formationsfluiden hinsichtlich Zeit und Raum. Die Variabilität der Formationsfluide, die mit der Doppelschicht interagieren, bewirkt, dass der Übergangswiderstand in Bezug auf Zeit und/oder Ort variabel ist.
Galvanische Gegenelektroden haben eine geringe Betriebsdauer. Insbesondere tritt, wenn die elektrische Leitung in die und aus der Gegenelektrode erfolgt, aufgrund der elektrochemischen Reaktionen, die für galvanische Kopplung charakteristisch sind, naturgemäß eine entsprechende chemische Degradation (d. h. Korrosion) der Elektroden auf. Somit sind galvanische Gegenelektroden nicht zur Langzeitverwendung geeignet, selbst wenn sie intermittierend verwendet werden. Die Betriebsdauer galvanischer Gegenelektroden kann bei Offshore-Anwendungen, bei denen die Korrosion durch das Vorhandensein von Salzwasser dazu neigt, schneller abzulaufen, weiter herabgesetzt sein.
Galvanische Gegenelektroden können darüber hinaus einem temperaturabhängigen Drift, elektrochemischem Rauschen und langen Stabilisierungszeiten ausgesetzt sein. Insbesondere können die elektrochemischen Reaktionen, die an galvanischen Gegenelektroden ablaufen, durch die temperaturabhängige Nernst-Gleichung beschrieben werden, was zu einer starken und unerwünschten Temperaturabhängigkeit des Übergangswiderstands führt. Ferner führen die elektrochemischen Reaktionen, die an galvanischen Gegenelektroden auftreten, zu elektromagnetischem Rauschen (d. h. Korrosionsrauschen), das das SNR des erkannten Signals reduziert. Ferner dauert es häufig lange (z. B. eine oder mehrere Wochen), bis die elektrochemischen Reaktionen, die an galvanischen Gegenelektroden ablaufen, nach dem Positionieren der Elektrode ein Gleichgewicht erreichen.
Die vorstehenden Probleme im Zusammenhang mit galvanischen Gegenelektroden haben häufig einen variablen Übergangswiderstand zur Folge, der im Laufe der Zeit und/oder hinsichtlich der Position zwischen einer vollkommen geerdeten Asymptote (null Übergangswiderstand) und einer ungeerdeten Asymptote (unendlicher Übergangswiderstand) schwankt. Zum Beispiel können Spannungsmessungen unter Verwendung galvanischer Elektroden aufgrund von Schwankungen in Bezug auf den Übergangswiderstand eine Unsicherheit von bis zu 50 % aufweisen. Somit ist die galvanische Kopplung von Elektroden mit der Erde ein unzuverlässiges Verfahren zur Spannungserfassung in EM-Telemetrieanwendungen. Dementsprechend wäre es wünschenswert, ein EM-Telemetriesystem mit einer Gegenelektrode zu versehen, die die Nachteile der galvanischen Gegenelektroden nicht aufweist.
Die Gegenelektrode 83 der Oberflächenanordnung 81 ist eine kapazitive Gegenelektrode. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die kapazitive Gegenelektrode 83 eine leitfähige Platte 432 beinhalten, die von der Erdformation 434 durch eine Sperrschicht 436 getrennt ist. Im Allgemeinen ist die Sperrschicht 436 elektrisch isolierend und unempfindlich gegenüber Fluiden in der Formation 434, um elektrische Leitung und/oder elektrochemische Reaktionen zwischen der leitfähigen Platte 432 und der Formation 434 zu verhindern. Die leitfähige Platte 432 wird somit kapazitiv über elektrische Felder, die über die Sperrschicht 436 hinweg gebildet werden, mit der Formation 434 gekoppelt. Die leitfähige Platte 432 kann verschiedene physische Eigenschaften haben; zum Beispiel kann die leitfähige Platte 432 flach, strukturiert, starr, beweglich, metallisch, nichtmetallisch und/oder dergleichen sein. Analog kann die Sperrschicht 436 verschiedene physische Eigenschaften aufweisen; zum Beispiel kann die Sperrschicht 436 eine Passivierungsschicht aufweisen, die auf eine leitfähige Platte 432 aufgetragen ist. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Sperrschicht 436 einen Luftspalt beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann die Gegenelektrode 83 als Leiter (z. B. Kupfer, Aluminium und/oder dergleichen) gebildet sein, der mit einer Passivierungsschicht beschichtet ist, die mit der Formation 434 und/oder Fluiden darin nicht chemisch reagiert. In anderen Ausführungsformen kann die Gegenelektrode 83 als Leiter ausgebildet sein, der aus einem Material einschließlich, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Aluminium (Al), Tantal (Ta), Titan (Ti) und/oder sonstigem geeignetem Metall hergestellt ist, das behandelt wird, um an seiner Außenfläche eine Schutzschicht zu bilden. Zum Beispiel kann eine Oxidschutzschicht an der Außenfläche des leitfähigen Materials ausgebildet sein. Das heißt der Teil der Elektrode, der während des Betriebs in Kontakt mit der Erdformation kommt, wird oxidiert. Aluminium wird als Beispiel dafür angeführt, wobei Aluminium in Luft unter Bildung einer 4 nm dicken Passivierungsschicht des elektrisch isolierenden Aluminiumoxids an der Oberfläche des Aluminiummetalls oxidiert. Die Passivierungsschicht kann durch Eloxierverfahren weiter verstärkt werden kann. Ein Vorteil der Verwendung eines Materials wie Aluminium für die leitfähige Platte 432 besteht darin, dass die schützende Aluminiumoxidschicht, die auf dem Aluminium ausgebildet ist, eine „Selbstheilung“ vornimmt, falls das Aluminiumoxid durchdrungen wird. Das heißt, dass Teile der leitfähigen Platte 432, die der Formation 434 ausgesetzt sind, wenn die Sperrschicht 436 durchdrungen wird, bei Exposition gegenüber der Luft erneut oxidiert werden, wodurch sich erneut eine kontinuierliche Sperrschicht 436 bildet und mögliche schädliche Auswirkungen der Durchdringung der Sperre abgeschwächt werden.
Die kapazitive Kopplung zwischen der leitfähigen Platte 432 und der Formation 434 bietet gegenüber den galvanischen Kopplungsmechanismen, die in Gegenelektroden herkömmlicher EM-Telemetriesysteme verwendet werden, viele Vorteile. In einer oder mehreren Ausführungsformen verringert und/oder beseitigt die kapazitive Kopplung viele der vorstehend erörterten Probleme im Zusammenhang mit galvanischen Elektroden, einschließlich Elektrodendegradation und/oder Korrosion, Temperaturdrift und Korrosionsrauschen. Darüber hinaus stabilisieren sich kapazitive Elektroden unmittelbar oder nahezu unmittelbar und weisen eine viel kürzere Stabilisierungszeit auf als die eine oder die zwei Wochen, die für galvanische Elektroden typisch sind. Ferner kann, da der hohe Übergangswiderstand einer galvanischen Elektrode beseitigt wird, das von einer kapazitiven Elektrode erkannte Spannungssignal vorteilhafterweise unter Verwendung eines hochohmigen Empfängers wie des Empfängers 416 erkannt werden. Analog kann ein niederohmiger Sender wie der Sender 413 verwendet werden, um ein Spannungssignal unter Verwendung einer kapazitiven Elektrode zu senden.
Wenngleich in 4 eine einzelne kapazitive Gegenelektrode 83 dargestellt ist, versteht es sich, dass die Oberflächenanordnung 81 eine Vielzahl kapazitiver Gegenelektroden und/oder eine Kombination aus einer oder mehreren kapazitiven Gegenelektroden und einer oder mehreren galvanischen Gegenelektroden beinhalten kann. In 5 ist ein Beispiel für eine Oberflächenanordnung 81, die eine Vielzahl von kapazitiven Gegenelektroden 83a, 83b, ... 83n aufweist, gemäß einigen Ausführungsformen dargestellt. Wie 4 beinhaltet jede aus der Vielzahl von kapazitiven Gegenelektroden 83a, 83b, ... 83n eine entsprechende leitfähige Platte 532a, 532b, ... 532n und Sperrschicht 536a, 536b, ... 536n, die die entsprechende leitfähige Platte von der Erdformation 534 und/oder Fluiden darin trennt. Die Steuerung 510 misst ein Spannungssignal aus kapazitiven Gegenelektroden 83a, 83b, ... 83n und/oder legt eines an, um Informationen zu den Eingabe- und Ausgabeschnittstellen 522 und 524 zu empfangen und/oder zu senden. Ein Draht 540 koppelt die Steuerung 510 mit dem Bohrlochkopf 40 (1 und 2), sodass eine Potenzialdifferenz zwischen den kapazitiven Gegenelektroden 83a, 83b, ... 83n und dem Bohrlochkopf 40 von der Steuerung 510 gemessen und/oder angelegt werden kann. In einer anderen Ausführungsform können die kapazitiven Gegenelektroden 83a, 83b, ... 83n in Bezug auf einander als Gitter, Ring, Linie und/oder sonstige geeignete Array-Ausgestaltung ausgestaltet sein. Ein Vorteil der Ausgestaltung der kapazitiven Gegenelektroden 83a, 83b, ... 83n als Array aus Elektroden besteht in der Fähigkeit, sie optimal auszurichten und/oder anzuordnen, um das SNR des EM-Telemetriesystems 80 zu verbessern.
6 zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines Verfahrens 600 zur EM-Telemetrie unter Verwendung kapazitiver Elektroden gemäß einigen Ausführungsformen. Gemäß einigen Ausführungsformen, die mit den 1–5 übereinstimmen, kann das EM-Telemetriesystem 80 das Verfahren 600 ausführen, um eine verlässliche und genaue Kommunikation zwischen einer Oberflächenanordnung (wie zum Beispiel Oberflächenanordnung 81) und einem Bohrlochsendeempfänger (zum Beispiel dem Bohrlochsendeempfänger 89) zu erzielen. Insbesondere kann eine Steuerung der Oberflächenanordnung wie zum Beispiel die Steuerung 410 und/oder 510, die in 4 bzw. 5 dargestellt ist, das Verfahren 600 ausführen, wenn sie mit dem Bohrlochsendeempfänger kommuniziert.
Bei Schritt 610 wird unter Verwendung eines oder mehrerer kapazitiver Gegenelektroden wie der kapazitiven Elektrode 83 ein erstes codiertes Signal verwendet. In einer oder mehreren Ausführungsformen entspricht das empfangene codierte Signal einer Spannung, V^m die zwischen der Gegenelektrode 83 und dem Bohrlochkopf 40 gemessen wird. Das gemessene Spannungssignal V^m kann in analogem und/oder digitalem Format dargestellt werden. Das gemessene Spannungssignal V^m ist durch ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) gekennzeichnet, dass durch das Dividieren der Stärke des codierten Signals 90 durch die Stärke verschiedener Rauschsignale gemessen wird. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das erste codierte Signal von einem Bohrlochsendeempfänger gesendet werden und Informationen von einem oder mehreren Bohrlochwerkzeugen an die Oberfläche übertragen. Beispielsweise kann das erste codierte Signal 90 Daten einschließlich Daten zum Messen während des Bohrens und Daten zum Aufzeichnen während des Bohrens übertragen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Spannungsdifferenz zwischen der Gegenelektrode 83 und dem Bohrlochkopf 40 unter Verwendung eines Empfängers 416 mit hoher Eingangsimpedanz gemessen werden. Zum Beispiel kann der Empfänger eine Eingangsimpedanz von 1 MΩ oder mehr aufweisen.
Bei Schritt 620 wird das erste codierte Signal 90 demoduliert und decodiert, um die in dem ersten codierten Signal übertragenen Informationen zurückzugewinnen. Dank der vorstehend erörterten Vorteile können in einer oder mehreren Ausführungsformen der Demodulator 415 und der Decodierer 414, die gemäß Verfahren 600 betrieben werden, Ausgabedaten zuverlässiger und/oder schneller erzeugen als herkömmliche EM-Telemetriesysteme. Die Demodulations- und Decodierverfahren spiegeln im Allgemeinen die Verfahrensschritte wider, die von dem Bohrlochsendeempfänger 89 ausgeführt werden, um das erste codierte Signal 90 zu erzeugen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Codier- und Modulationsschema (und das entsprechende Decodier- und Demodulationsschema) Pulsweitenmodulation, Pulsphasenmodulation, Ein-Aus-Tastung, Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Einseitenbandmodulation, Frequenzumtastung, Phasenumtastung (z. B. binäre Phasenumtastung und/oder M-ary-Phasenumtastung), Mehrtonverfahren oder orthogonales Frequenzmultiplexverfahren und/oder dergleichen beinhalten.
Bei Schritt 630 wird ein erstes codiertes Signal 90 codiert und moduliert. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das zweite codierte Signal Informationen von der Oberfläche 16 zu einem oder mehreren Bohrlochwerkzeugen übertragen. Zum Beispiel kann das erste codierte Signal 90 Anweisungen für die Bohrlochwerkzeuge übertragen, zum Beispiel Anleitungen für direktionale Bohranwendungen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Codier- und Modulationsschema (und das entsprechende Decodier- und Demodulationsschema) Pulsweitenmodulation, Pulsphasenmodulation, Ein-Aus-Tastung, Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Einseitenbandmodulation, Frequenzumtastung, Phasenumtastung (z. B. binäre Phasenumtastung und/oder M-ary-Phasenumtastung), Mehrtonverfahren oder orthogonales Frequenzmultiplexverfahren und/oder dergleichen beinhalten.
Bei Schritt 640 wird das zweite codierte Signal 90 unter Verwendung der einen oder mehreren kapazitiven Gegenelektroden gesendet. In einer oder mehreren Ausführungsformen wird das zweite codierte Signal unter Anlegen einer sich zeitlich verändernden Differenzspannung V^a zwischen der einen oder den mehreren kapazitiven Gegenelektroden 83 und dem Bohrlochkopf 40 gesendet. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das zweite codierte Signal von einem Bohrlochsendeempfänger 89 empfangen werden, der an die Bohrlochwerkzeuge 330 gekoppelt ist. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Spannung zwischen der Gegenelektrode 83 und dem Bohrlochkopf 40 unter Verwendung eines Senders mit niedriger Eingangsimpedanz wie des Senders 413 angelegt werden. Zum Beispiel kann der Sender eine Ausgangsimpedanz von 10 Ω oder weniger aufweisen.
Ein beliebiges der vorstehenden Verfahren kann während verschiedener Verfahren in einem Bohrloch besonders nützlich sein. Somit kann in einer oder mehreren Ausführungsformen ein Bohrloch gebohrt werden und können während des Bohrens oder während einer Aussetzung des Bohrens Informationen zu Bohrlochausrüstung, die in dem Bohrloch angeordnet ist, erzeugt werden. Die Bohrlochausrüstung kann aus der Gruppe bestehend aus Bohrausrüstung, Ausrüstung zum Aufzeichnen während des Bohrens (LWD), Ausrüstung zum Messen während des Bohrens (MWD) und Förderausrüstung ausgewählt sein. Außerdem kann in einer oder mehreren Ausführungsformen Bohrlochförderausrüstung in einem Bohrloch angeordnet sein und können während Fördervorgängen Informationen über die in dem Bohrloch angeordnete Bohrlochausrüstung erzeugt werden. Die Informationen können unter Verwendung eines oder mehrerer Sensoren erzeugt werden, die in dem Bohrloch angeordnet sind und aus der Gruppe bestehend aus Temperatursensoren, Drucksensoren, Dehnungssensoren, ph-Wert-Sensoren, Dichtesensoren, Viskositätssensoren, Sensoren für die chemische Zusammensetzung, Radioaktivitätssensoren, Widerstandssensoren, akustischen Sensoren, Potenzialsensoren, mechanischen Sensoren, NMR-Aufzeichnungssensoren, Schwerkraftsensor, einem Drucksensor, Fixlängenliniensensor, optischem Spurführungssensor, einem Fluidmesssensor, einem Beschleunigungsintegrationssensor, einem Geschwindigkeitszeitablaufsensor, einem Wegstreckenzähler, einem Magnetmerkmalspurverfolgungssensor, einem Optikmerkmalspurverfolgungssensor, einem Elektromerkmalspurverfolgungssensor, einem Akustikmerkmalspurverfolgungssensor, einem Koppelnavigationssensor, einem Formationssensor, einem Ausrichtungssensor, einer Art Impedanzsensor und einem Durchmessersensor ausgewählt sein.
7 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Computersystems 700, bei dem die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung angepasst werden können, um EM-Telemetrie unter Verwendung von Fernreferenzierung auszuführen. Zum Beispiel können die Schritte der Vorgänge von Verfahren 600 in 6 und/oder die Komponenten der Steuerung 310 in 3, Steuerung 410 in 4 und/oder Steuerung 510 in 5, wie vorstehend beschrieben, unter Verwendung des Systems 700 implementiert werden. Bei dem System 700 kann es sich um einen Computer, ein Telefon, einen persönlichen digitalen Assistenten (PDA) oder eine beliebige andere Art elektronische Vorrichtung handeln. Eine derartige elektronische Vorrichtung beinhaltet verschiedene Arten von computerlesbaren Medien und Schnittstellen für verschiedene Arten von computerlesbaren Medien. Wie in 7 dargestellt beinhaltet das System 700 eine Permanentspeichervorrichtung 702, einen Systemspeicher 704, eine Ausgabevorrichtungsschnittstelle 706, einen Systemkommunikationsbus 708, einen Nurlesespeicher (ROM) 710, (eine) Verarbeitungseinheit(en) 712, eine Eingabevorrichtungsschnittstelle 714 und eine Netzwerkschnittstelle 716.
Der Bus 708 stellt kollektiv für alle Systeme, periphere und Chipsatz-Busse, die eine Kommunikationsverbindung der zahlreichen internen Vorrichtungen des Systems 700 herstellen. Beispielsweise stellt der Bus 708 eine Kommunikationsverbindung zwischen der/den Verarbeitungseinheit(en) 712 mit dem ROM 710, dem Systemspeicher 704 und der Permanentspeichervorrichtung 702 her.
Von diesen verschiedenen Speichereinheiten ruft/rufen die Verarbeitungseinheit(en) 712 auszuführende Anweisungen und zu verarbeitende Daten ab, um die Verfahren der vorliegenden Offenbarung auszuführen. Die Verarbeitungseinheit(en) kann/können in unterschiedlichen Ausgestaltungen ein Einzelprozessor oder ein Mehrkernprozessor sein.
Der ROM 710 speichert statische Daten und Anweisungen, die von der/den Verarbeitungseinheit(en) 712 und sonstigen Modulen von System 700 benötigt werden. Die Permanentspeichervorrichtung 702 hingegen ist eine Lese-und-Schreib-Speichervorrichtung. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich um eine nichtflüchtige Speichereinheit, die Anweisungen und Daten selbst dann speichert, wenn das System 700 ausgeschaltet ist. Einige Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung verwenden eine Massenspeichervorrichtung (wie zum Beispiel eine Magnet- oder optische Platte und ihr entsprechendes Laufwerk) als Permanentspeichervorrichtung 702.
Andere Ausgestaltungen verwenden eine entfernbare Speichervorrichtung (wie zum Beispiel eine Diskette, einen USB-Stick und das entsprechende Laufwerk) als Permanentspeichervorrichtung 702. Wie die Permanentspeichervorrichtung 702 ist der Systemspeicher 704 eine Lese-und-Schreib-Speichervorrichtung. Anders als die Speichervorrichtung 702 ist der Systemspeicher 704 jedoch ein flüchtiger Lese-und-Schreib-Speicher, zum Beispiel ein Direktzugriffsspeicher (RAM). Der Systemspeicher 704 speichert einige dieser Anweisungen und Daten, die der Prozessor benötigt, während der Laufzeit. In derartigen Ausgestaltungen sind die Prozesse der vorliegenden Offenbarung in dem Systemspeicher 704, der Permanentspeichervorrichtung 702 und/oder dem ROM 710 gespeichert. Zum Beispiel beinhalten die verschiedenen Speichereinheiten Anweisungen für eine computergestützte Rohrstranggestaltung auf Grundlage bestehender Rohrstranggestaltungen gemäß einigen Ausführungsformen. Von diesen verschiedenen Speichereinheiten ruft/rufen die Verarbeitungseinheit(en) 712 auszuführende Anweisungen und zu verarbeitende Daten ab, um die Verfahren einiger Ausgestaltungen auszuführen.
Der Bus 708 verbindet sich darüber hinaus mit den Eingabe- und Ausgabevorrichtungsschnittstellen 714 bzw. 706. Die Eingabevorrichtungsschnittstelle 714 ermöglicht es dem Benutzer, Informationen zu übertragen und Befehle an das System 700 auszuwählen. Zu den Eingabevorrichtungen, die mit der Eingabevorrichtungsschnittstelle 714 verwendet werden, zählen beispielsweise alphanumerische, QWERTZ- oder T9-Tastaturen, Mikrofone und Zeigevorrichtungen (auch als „Cursorsteuervorrichtungen“ bezeichnet). Die Ausgabevorrichtungsschnittstellen 706 ermöglicht beispielsweise die Anzeige von Bildern, die von dem System 700 erzeugt werden. Zu den Ausgabevorrichtungen, die mit der Ausgabevorrichtungsschnittstelle 706 verwendet werden, zählen beispielsweise Drucker und Anzeigevorrichtungen wie zum Beispiel Kathodenstrahlröhren (CRT) oder Flüssigkristallanzeigen (LCD). Einige Ausgestaltungen beinhalten Vorrichtungen wie einen Berührungsbildschirm, der sowohl als Eingabe- als auch als Ausgabevorrichtung funktioniert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Verwendung eines Computers einschließlich beliebiger Arten von Eingabe- und Ausgabevorrichtungen zum Ermöglichen einer Interaktion mit einem Benutzer implementiert werden können. Zu einer derartigen Interaktion können Rückkopplung zu und von dem Benutzer in unterschiedlichen Formen von sensorischer Rückkopplung zählen, einschließlich, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, visueller Rückkopplung, akustischer Rückkopplung oder taktiler Rückkopplung. Ferner können Eingaben von dem Benutzer in beliebiger Form empfangen werden, einschließlich, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, akustischer, Sprach- oder taktiler Eingaben. Darüber hinaus kann die Interaktion mit dem Benutzer das Senden und Empfangen unterschiedliche Arten von Informationen, z. B. in Form von Dokumenten zu und von dem Benutzer über die vorstehend beschriebenen Schnittstellen, beinhalten.
Außerdem koppelt sich, wie in 7 dargestellt, der Bus 708 das System 700 über eine Netzwerkschnittstelle 716 an ein öffentliches oder privates Netzwerk (nicht dargestellt) oder eine Kombination von Netzwerken. Ein derartiges Netzwerk kann beispielsweise ein lokales Netzwerk (LAN) wie zum Beispiel ein Intranet oder ein Weitverkehrsnetzwerk oder ein Weitverkehrsnetzwerk (WAN) wie zum Beispiel das Internet einschließen. Beliebige oder sämtliche Komponenten des Systems 700 können in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
Diese vorstehend beschriebenen Funktionen können in digitaler elektronischer Schaltung, in Computersoftware, -firmware oder -hardware implementiert werden. Die Techniken können unter Verwendung eines oder mehrerer Computerprogrammprodukte umgesetzt werden. Programmierbare Prozessoren und Computer können in Mobilvorrichtungen enthalten oder als solche umgesetzt sein. Die Verfahren und Logikabläufe können von einem oder mehreren programmierbaren Prozessoren und von einer oder mehreren programmierbaren logischen Schaltungen ausgeführt werden. Computervorrichtungen und Speichervorrichtungen für allgemeine und besondere Zwecke können über Kommunikationsnetze miteinander verbunden sein.
Einige Ausgestaltungen beinhalten elektronische Komponenten wie zum Beispiel Mikroprozessoren und Speicher, die Computerprogrammanweisungen in einem maschinenlesbaren oder computerlesbaren Medium speichern (alternativ dazu als computerlesbare Speichermedien, maschinenlesbare Medien oder maschinenlesbare Speichermedien bezeichnet). Zu einigen Beispielen für derartige computerlesbare Medien zählen RAM, ROM, Nur-Lese-CDs (CD-ROM), beschreibbare CDs (CD-R), wiederbeschreibbare CDs (CD-RW), Nur-Lese-DVDs (z. B. DVD-ROM, Doppelschicht-DVD-ROM), eine Vielzahl beschreibbarer/wiederbeschreibbarer DVDs (z. B. DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW usw.), Flash-Speicher (z. B. SD-Karten, Mini-SD-Karten, Mikro-SD-Karten usw.), Magnet- und/oder Festkörperlaufwerke, Nur-Lese- und beschreibbare Blu-Ray^® Discs, Ultra Density Optical Discs und sonstige optische oder magnetische Medien und Disketten. Die computerlesbaren Medien können ein Computerprogramm speichern, das von mindestens einer Verarbeitungseinheit ausgeführt werden kann und Anweisungssätze zum Ausführen verschiedener Vorgänge beinhaltet. Zu Beispielen für Computerprogramme oder Computercode zählen Maschinencode, der beispielsweise von einem Compiler erzeugt wird, und übergeordneten Code enthaltende Dateien, die von einem Computer, einer elektronischen Vorrichtung oder einem Mikroprozessor unter Verwendung eines Interpreters ausgeführt werden.
Wenngleich sich die vorstehende Erörterung primär auf Mikroprozessor oder Mehrkernprozessoren bezieht, die Software ausführen, werden einige Implementierungen von einer oder mehreren integrierten Schaltungen ausgeführt, wie zum Beispiel anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) oder im Feld programmierbaren Gate-Arrays (Field Programmable Gate Arrays, FGPAs). In derartigen Ausgestaltungen führen integrierte Schaltungen Anweisungen aus, die auf der Schaltung selbst gespeichert sind. Dementsprechend können die Schritte der Vorgänge aus Verfahren 600 in 6, die vorstehend beschrieben sind, unter Verwendung von System 700 oder einem beliebigen Computersystem implementiert werden, das Verarbeitungsschaltung oder ein Computerprogrammprodukt aufweist und darin gespeicherte Anweisungen enthält, die, wenn sie von mindestens einem Prozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der Prozessor Funktionen in Bezug auf diese Verfahren ausführt.
In der vorliegenden Beschreibung und sämtlichen Ansprüchen dieser Anmeldung beziehen sich die Ausdrücke „Computer“, „Server“, „Prozessor“ und Speicher“ allesamt auf elektronische oder sonstige technologische Vorrichtungen. Diese Ausdrücke schließen Menschen oder Menschengruppen aus. Im hier verwendeten Sinne beziehen sich die Ausdrücke „computerlesbares Medium“ und „computerlesbare Medien“ im Allgemeinen auf greifbare, physische und nichtflüchtige elektronische Speichermedien, die Informationen in einer Form speichern, die für einen Computer lesbar sind.
Ausführungsformen des in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Gegenstands können in einem Computersystem implementiert sein, das eine Back-End-Komponente, z. B. einen Datenserver; eine Middleware-Komponente, z. B. einen Anwendungsserver; eine Front-End-Komponente, z. B. einen Client-Computer mit einer grafischen Benutzeroberfläche oder einem Webbrowser, über den ein Benutzer mit einer Implementierung des in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Gegenstand interagieren kann; oder eine beliebige Kombination aus einer oder mehreren derartigen Back-End-, Middleware- und Front-End-Komponenten beinhaltet. Die Komponenten des Systems können über eine beliebige Form oder ein beliebiges Medium der digitalen Datenübertragung, z. B. ein Kommunikationsnetz, miteinander verbunden sein. Zu Beispielen für Kommunikationsnetze zählen ein lokales Netzwerk (LAN) und ein Weitverkehrsnetzwerk (WAN), ein Verbindungsnetz (z. B. das Internet) und Peer-to-Peer-Netzwerke (z. B. Ad-hoc-Peer-to-Peer-Netzwerke).
Das Computersystem kann Clients und Server beinhalten. Ein Client und ein Server sind im Allgemeinen voneinander getrennt und interagieren typischerweise über ein Kommunikationsnetz. Die Beziehung von Client und Server entsteht aufgrund von Computerprogrammen, die auf den jeweiligen Computern ablaufen und eine Client-Server-Beziehung zueinander haben. In einigen Ausführungsformen sendet ein Server Daten (z. B. eine Webseite) an eine Client-Vorrichtung (z. B. um einem Benutzer, der mit der Client-Vorrichtung interagiert, Daten anzuzeigen oder von ihm Benutzereingaben zu empfangen). An der Client-Vorrichtung erzeugte Daten (z. B. infolge der Benutzerinteraktion) können von der Client-Vorrichtung an dem Server empfangen werden.
Es versteht sich, dass es sich bei beliebigen konkreten Reihenfolgen oder Rangfolgen von Schritten in den offenbarten Verfahren um eine Veranschaulichung beispielhafter Vorgehensweisen handelt. Es versteht sich, dass die konkrete Reihenfolge oder Rangfolge von Schritten in den Verfahren auf Grundlage von Gestaltungspräferenzen umgeordnet werden kann oder dass alle veranschaulichten Schritte ausgeführt werden können. Einige der Schritte können gleichzeitig ausgeführt werden. Beispielsweise können unter bestimmten Umständen Multitasking und Parallelverarbeitung vorteilhaft sein. Darüber hinaus ist die Trennung verschiedener Systemkomponenten in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nicht so zu verstehen, dass eine derartige Trennung in allen Ausführungsformen erforderlich ist, und es versteht sich, dass die beschriebenen Programmkomponenten und Systeme im Allgemeinen zusammen in ein einziges Softwareprodukt integriert oder in mehreren Softwareprodukten umgesetzt sein können.
Ferner können die hier beschriebenen beispielhaften Verfahren von einem System implementiert werden, das eine Verarbeitungsschaltung oder ein Computerprogrammprodukt einschließlich Anweisungen beinhaltet, die, wenn sie von mindestens einem Prozessor ausgeführt werden, bewirken, dass der Prozessor beliebige der hier beschriebenen Verfahren ausführt.
Somit wurde ein EM-Telemetriesystem, das kapazitive Elektroden verwendet, beschrieben. Ausführungsformen eines EM-Telemetriesystems mit kapazitiven Elektroden beinhalten einen Bohrlochsendeempfänger, der einen Sender für codierte Signale, Bohrlochausrüstung, einen Bohrlochsensor, der zur Überwachung der Bohrlochausrüstung angeordnet ist, wobei der Bohrlochsensor mit dem Sender gekoppelt ist, und einen Empfänger für codierte Signale umfasst, der eine oder mehrere kapazitive Gegenelektroden umfasst. Außerdem wurde ein elektromagnetisches (EM) Telemetriesystem zur Verwendung in einem Bohrloch, das sich von einer Oberfläche erstreckt, beschrieben und kann im Allgemeinen Bohrlochausrüstung, die in dem Bohrloch angeordnet ist, einen Sensor, der in dem Bohrloch positioniert und zum Überwachen der Bohrlochausrüstung angeordnet ist, einen Bohrlochsendeempfänger, der in dem Bohrloch angeordnet ist, wobei der Bohrlochsendeempfänger einen Sender für codierte Signale umfasst, und einen Empfänger für codierte Signale beinhalten, der an die Oberfläche angrenzend angeordnet ist, wobei der Empfänger für codierte Signale eine oder mehrere kapazitive Gegenelektroden umfasst. Außerdem kann ein EM-Telemetriesystem zur Verwendung mit Bohrlochausrüstung einen Bohrlochsendeempfänger, der einen Sender für codierte Signale umfasst, einen Bohrlochsensor, der zur Überwachung der Bohrlochausrüstung angeordnet ist, und einen Empfänger für codierte Signale beinhalten, der eine oder mehrere kapazitive Gegenelektroden umfasst.
Bei beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen kann das System ein beliebiges der folgenden Elemente, allein oder in Kombination miteinander, beinhalten: der Bohrlochsensor ist mit dem Sendeempfänger gekoppelt; der Empfänger für codierte Signale ist mit an die Oberfläche angrenzend angeordnet; die Bohrlochausrüstung ist aus einer Gruppe bestehend aus Bohrlochausrüstung, Ausrüstung zum Aufzeichnen während des Bohrens (LWD) und Ausrüstung zum Messen während des Bohrens (MWD) und Förderausrüstung ausgewählt; der Sensor ist aus einer Gruppe bestehend aus Temperatursensoren, Drucksensoren, Dehnungssensoren, ph-Wert-Sensoren, Dichtesensoren, Viskositätssensoren, Sensoren für die chemische Zusammensetzung, Radioaktivitätssensoren, Widerstandssensoren, akustischen Sensoren, Potenzialsensoren, mechanischen Sensoren, NMR-Aufzeichnungssensoren, Schwerkraftsensor, einem Drucksensor, Fixlängenliniensensor, optischen Spurführungssensor, einem Fluidmesssensor, einem Beschleunigungsintegrationssensor, einem Geschwindigkeitszeitablaufsensor, einem Wegstreckenzähler, einem Magnetmerkmalspurverfolgungssensor, einem Optikmerkmalspurverfolgungssensor, einem Elektromerkmalspurverfolgungssensor, einem Akustikmerkmalspurverfolgungssensor, einem Koppelnavigationssensor, einem Formationssensor, einem Ausrichtungssensor, einer Art Impedanzsensor und einem Durchmessersensor ausgewählt; ein codiertes Signal, das Sensorinformationen in Bezug auf die Bohrlochausrüstung umfasst; die eine oder die mehreren kapazitiven Gegenelektroden umfassen jeweils eine leitfähige Platte und eine Sperrschicht, die die leitfähige Platte von einer Erdformation und Fluiden darin trennt; die Sperrschicht ist elektrisch isolierend und für die Fluide undurchdringbar; die Sperrschicht heilt sich selbst; die leitfähige Platte und die Erdformation sind über die Sperrschicht kapazitiv gekoppelt; die eine oder die mehreren kapazitiven Gegenelektroden umfassen jeweils einen Leiter, der in einer Passivierungsschicht beschichtet ist; der Leiter besteht aus einem oder mehreren aus Kupfer, Aluminium, Tantal und Titan; die eine oder die mehreren kapazitiven Gegenelektroden umfassen jeweils einen Metallleiter mit einer oxidierten Oberfläche; die oxidierte Oberfläche ist ferner eloxiert; die eine oder die mehreren kapazitiven Gegenelektroden sind in einer Array-Ausgestaltung angeordnet; das codierte Signal wird unter Verwendung von mindestens einer von Pulsweitenmodulation, Pulsphasenmodulation, Ein-Aus-Tastung, Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Einseitenbandmodulation, Frequenzumtastung, Phasenumtastung, Mehrtonverfahren und orthogonalem Frequenzmultiplexverfahren codiert; der Empfänger für codierte Signale hat eine Eingangsimpedanz von ungefähr 1 MΩ oder mehr; der Empfänger für codierte Signale umfasst einen Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz; der Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz hat eine Eingangsimpedanz von ungefähr 1 MΩ oder mehr; ein zweiter Sender für codierte Signale ist zwischen der einen oder den mehreren kapazitiven Gegenelektrode und einem Bohrlochkopf angekoppelt; der zweite Sender für codierte Signale umfasst einen Verstärker mit einer geringen Ausgangsimpedanz; der Verstärker mit geringer Ausgangsimpedanz hat eine Ausgangsimpedanz von ungefähr 10 Ω oder weniger; das codierte Signal trägt Daten einschließlich eines oder mehrerer von Daten zum Messen während des Bohrens und Daten zum Aufzeichnen während des Bohrens; das codierte Signal trägt Daten einschließlich Anweisungen für die Bohrlochausrüstung; und die Anweisungen beinhalten direktionale Bohranweisungen für die Bohrlochausrüstung.
Es wurde ein Verfahren zum Kommunizieren mit einem Bohrlochsendeempfänger beschrieben. Ausführungsformen des Verfahrens können das Empfangen eines ersten codierten Signals unter Verwendung einer kapazitiven Gegenelektrode und das Decodieren des ersten codierten Signals beinhalten. Das Verfahren kann ferner das Codieren eines zweiten codierten Signals und Senden des zweiten codierten Signals unter Verwendung der kapazitiven Elektrode beinhalten. Andere Ausführungsformen des Verfahrens können das Überwachen einer Bohrlochausrüstung in einem Bohrloch, das Erzeugen von Informationen über die Bohrlochausrüstung, das Senden eines codierten Signals einschließlich der erzeugten Informationen und das Empfangen des codierten Signals unter Verwendung einer kapazitiven Gegenelektrode beinhalten.
Bei den vorstehenden Ausführungsformen kann das Verfahren einen beliebigen der folgenden Schritte, allein oder in Kombination miteinander, beinhalten: Bohren eines Bohrlochs, Erzeugen von Informationen aus dem Inneren des Bohrlochs über Bohrlochausrüstung, die in dem Bohrloch angeordnet ist, und Senden des ersten codierten Signals einschließlich der erzeugten Informationen; Einsetzen der Bohrlochförderausrüstung in einem Bohrloch, Ausführen von Fördervorgängen und Erzeugen von Informationen aus dem Inneren des Bohrlochs über die Fördervorgänge oder Bohrlochausrüstung, die in dem Bohrloch angeordnet ist, und Senden des ersten codierten Signals einschließlich der erzeugten Informationen; die Bohrlochausrüstung ist aus einer Gruppe bestehend aus Bohrlochausrüstung, Ausrüstung zum Aufzeichnen während des Bohrens (LWD) und Ausrüstung zum Messen während des Bohrens (MWD) und Förderausrüstung ausgewählt; die Bohrlochausrüstung steht in Kommunikationsverbindung mit einem Bohrlochsensor, der zur Überwachung der Bohrlochausrüstung angeordnet ist; der Sensor ist aus einer Gruppe bestehend aus Temperatursensoren, Drucksensoren, Dehnungssensoren, ph-Wert-Sensoren, Dichtesensoren, Viskositätssensoren, Sensoren für die chemische Zusammensetzung, Radioaktivitätssensoren, Widerstandssensoren, akustischen Sensoren, Potenzialsensoren, mechanischen Sensoren, NMR-Aufzeichnungssensoren, Schwerkraftsensor, einem Drucksensor, Fixlängenliniensensor, optischen Spurführungssensor, einem Fluidmesssensor, einem Beschleunigungsintegrationssensor, einem Geschwindigkeitszeitablaufsensor, einem Wegstreckenzähler, einem Magnetmerkmalspurverfolgungssensor, einem Optikmerkmalspurverfolgungssensor, einem Elektromerkmalspurverfolgungssensor, einem Akustikmerkmalspurverfolgungssensor, einem Koppelnavigationssensor, einem Formationssensor, einem Ausrichtungssensor, einer Art Impedanzsensor und einem Durchmessersensor ausgewählt; das erste codierte Signal umfasst Sensorinformationen in Bezug auf die Bohrlochausrüstung; die eine oder die mehreren kapazitiven Gegenelektroden umfassen jeweils eine leitfähige Platte und eine Sperrschicht, die die leitfähige Platte von einer Erdformation und Fluiden darin trennt; die Sperrschicht ist elektrisch isolierend und für die Fluide undurchdringbar; die Sperrschicht heilt sich selbst; die leitfähige Platte und die Erdformation sind über die Sperrschicht kapazitiv gekoppelt; die eine oder die mehreren kapazitiven Gegenelektroden umfassen jeweils einen Leiter, der in einer Passivierungsschicht beschichtet ist; der Leiter besteht aus einem oder mehreren aus Kupfer, Aluminium, Tantal und Titan; die eine oder die mehreren kapazitiven Gegenelektroden umfassen jeweils einen Metallleiter mit einer oxidierten Oberfläche; die oxidierte Oberfläche ist ferner eloxiert; die eine oder die mehreren kapazitiven Gegenelektroden sind in einer Array-Ausgestaltung angeordnet; das erste und/oder das zweite codierte Signal wird/werden unter Verwendung von mindestens einer von Pulsweitenmodulation, Pulsphasenmodulation, Ein-Aus-Tastung, Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Einseitenbandmodulation, Frequenzumtastung, Phasenumtastung, Mehrtonverfahren und orthogonalem Frequenzmultiplexverfahren codiert; das erste codierte Signal wird von einem Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz empfangen; der Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz hat eine Eingangsimpedanz von ungefähr 1 MΩ oder mehr; das zweite codierte Signal wird unter Verwendung eines Senders für codierte Signale gesendet, der zwischen der einen oder den mehreren kapazitiven Gegenelektroden und einem Bohrlochkopf angekoppelt ist; der Sender für codierte Signale umfasst einen Verstärker mit einer geringen Ausgangsimpedanz; der Verstärker mit geringer Ausgangsimpedanz hat eine Ausgangsimpedanz von ungefähr 10 Ω oder weniger; das erste codierte Signal überträgt Daten einschließlich eines oder mehrerer von Daten zum Messen während des Bohrens und Daten zum Aufzeichnen während des Bohrens; das zweite codierte Signal überträgt Daten einschließlich Anweisungen für die Bohrlochausrüstung; die Anweisungen beinhalten direktionale Bohranweisungen für die Bohrlochausrüstung; Messen einer Spannungsdifferenz zwischen der Gegenelektrode und einem Bohrlochkopf; und Anlegen einer zeitlich variierenden Differenzspannung zwischen der einen oder den mehreren kapazitiven Gegenelektroden und dem Bohrlochkopf.
Wenngleich sich die vorstehende Offenbarung auf die konkreten Ausführungsformen der Offenbarung bezieht, liegen für den Fachmann verschiedene Modifikationen auf der Hand. Es ist beabsichtigt, dass alle Variationen innerhalb des Schutzumfangs und Geistes der beigefügten Ansprüche von der vorstehenden Offenbarung abgedeckt sind.

Claims

Elektromagnetisches (EM) Telemetriesystem zur Verwendung mit Bohrlochausrüstung, wobei das System Folgendes umfasst: einen Bohrlochsendeempfänger, der einen Sender für codierte Signale umfasst; einen Bohrlochsensor, der zur Überwachung der Bohrlochausrüstung angeordnet ist; und einen Empfänger für codierte Signale, der eine oder mehrere kapazitive Gegenelektroden umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der Bohrlochsensor mit dem Sender gekoppelt ist.
System nach Anspruch 2, wobei der Empfänger für codierte Signale an die Oberfläche angrenzend angeordnet ist.
System nach Anspruch 3, ferner umfassend ein codiertes Signal, das Sensorinformationen in Bezug auf die Bohrlochausrüstung umfasst.
System nach Anspruch 4, wobei die eine oder die mehreren kapazitiven Gegenelektroden jeweils eine leitfähige Platte und eine Sperrschicht umfassen, die die leitfähige Platte von einer Erdformation und Fluiden darin trennt.
System nach Anspruch 5, wobei die Sperrschicht elektrisch isolierend und für die Fluide undurchdringbar ist.
System nach Anspruch 5, wobei sich die Sperrschicht selbst heilt.
System nach Anspruch 5, wobei die leitfähige Platte und die Erdformation kapazitiv über die Sperrschicht gekoppelt sind.
System nach Anspruch 4, wobei die eine oder die mehreren kapazitiven Gegenelektroden jeweils einen Leiter umfassen, der in einer Passivierungsschicht aufgetragen ist.
System nach Anspruch 9, wobei der Leiter aus einem oder mehreren von Kupfer, Aluminium, Tantal und Titan besteht.
System nach Anspruch 4, wobei die eine oder die mehreren kapazitiven Gegenelektroden jeweils einen Metallleiter mit einer oxidierten Oberfläche umfassen.
System nach Anspruch 11, wobei die oxidierte Oberfläche ferner eloxiert ist.
System nach Anspruch 4, wobei die eine oder die mehreren kapazitiven Gegenelektroden in einer Array-Ausgestaltung angeordnet sind.
System nach Anspruch 4, wobei der Empfänger für codierte Signale eine Eingangsimpedanz von ungefähr 1 MΩ oder mehr aufweist.
System nach Anspruch 4, ferner umfassend einen zweiten Sender für codierte Signale, der zwischen der einen oder den mehreren kapazitiven Gegenelektroden und einem Bohrlochkopf angeordnet ist.
Verfahren zum Kommunizieren mit einem Bohrlochsendeempfänger, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Empfangen eines ersten codierten Signals unter Verwendung einer kapazitiven Gegenelektrode; Decodieren des ersten codierten Signals; Codieren eines zweiten codierten Signals; und Senden des zweiten codierten Signals unter Verwendung der kapazitiven Elektrode.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das erste codierte Signal Daten einschließlich eines oder mehrerer von Daten zum Messen während des Bohrens und Daten zum Aufzeichnen während des Bohrens beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das zweite codierte Signal Daten einschließlich Anweisungen für Bohrlochausrüstung beinhaltet, die mit dem Bohrlochsendeempfänger gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend das Messen einer Spannungsdifferenz zwischen der Gegenelektrode und einem Bohrlochkopf.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend das Anlegen einer zeitlich variierenden Differenzspannung zwischen der einen oder den mehreren kapazitiven Gegenelektroden und dem Bohrlochkopf.