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Genaue Beschreibung der
Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Protokollierungstechnik zum Messen physikalischer
Eigenschaften von unterirdischen Formationen, und insbesondere auf
ein Protokollierungsverfahren und ein System, die Schallwellen verwenden.
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Hintergrund
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Um unterirdische Rohstoffquellen,
wie z. B. solche, die Öl
und Erdgas liefern, zu erkunden, wurde bisher eine Protokollierungstechnik
verwendet, bei der ein Bohrloch in den Boden gebohrt wurde, eine Messvorrichtung,
die als Bohrlochwerkzeug oder Sonde bezeichnet wird, innerhalb des
Bohrlochs angeordnet wurde, so dass es nach oben und nach unten
bewegbar war, und ein gemessenes Signal vom Bohrlochwerkzeug mittels
einer Verarbeitungsvorrichtung verarbeitet wurde, die an der Oberfläche angeordnet
und über
ein Protokollierungskabel mit dem Bohrlochwerkzeug verbunden war.
Ferner ist die Schallprotokollierung wohlbekannt, die das Ermitteln der
Geschwindigkeit des Schalls, der sich durch die unterirdische Formation
ausbreitet, unter Verwendung eines Schallwellengenerators und eines
Empfängers,
der am Bohrlochwerkzeug vorgesehen ist, umfasst. Es sei z. B. auf "Geophysical Well
Logging", Jay Tittaman,
Academic Press Inc., und auf "Illustration
Physical Exploration",
1988, Physical Exploration Society, verweisen.
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Bei der herkömmlichen Schallprotokollierung wird
eine Schallwelle in Form eines Impulses von einem Schallgenerator
ausgegeben und in den Boden übertragen,
wobei die sich durch den Boden ausbreitende Schallwelle von einem
Empfänger
erfasst wird und als eine analoge Signalform über ein Protokollierungskabel
zur Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung übertragen
wird, die die analoge Signalform verarbeitet, um die Ankunftszeit
der Schallwelle am Empfänger
zu ermitteln. Aufgrund der Unzuverlässigkeit von analogen Daten,
die nach der Übertragung über ein
langes Protokollierungskabel empfangen werden, wurde jedoch vor
kurzem vorgeschlagen, das analoge Signal am Bohrlochwerkzeug in
ein digitales Signal umzuwandeln und anschließend dieses digitale Signal
für die benötigte Verarbeitung
zur Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung
zu übermitteln
(siehe "Acquisition
and Analysis of Sonic Waveform From a Borehole Monopole and Dipole Source
for the Determination of Compression and Shear Speeds and Their
Relation to Rock Mechanical Properties and Surface Seismic Data", A. R. Harrison,
C. J. Randal, J. B. Aron, C. F. Morris, A. H. Wingnall, R. A. Dwoorak,
L. L. Rulledge und J. L. Perkins, SPE 20557, 1990, 23.–26. September,
New Orleans, SPE 65th Annual Technical Conference and Exhibition).
In der oben erwähnten
Literatur (SPE 20557) wird jedoch, wie in deren 3 und 4 gezeigt ist,
das gesamte digitale Signal, das einen im voraus gesetzten Schwellenwert überschreitet,
für eine
Analyse durch die Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung
zu dieser übertragen.
Dies erfordert die Übertragung
einer übermäßigen Menge
an digitalen Daten zur Oberfläche,
wobei eine breite Bandbreite für
die Telemetrie benötigt
wird. Da außerdem
ferner die Daten, die für
die Schallprotokollierungsanalyse nicht unbedingt erforderlich sind,
ebenfalls übertragen
werden, ist die Effizienz der Operation sehr schlecht. Da ferner
eine große
Menge an digitalen Daten durch ein langes Protokollierungskabel übertragen
wird, besteht auch die Möglichkeit
von Fehlern bei der Übertragung.
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Von der Erfindung
zu lösenden
Aufgaben
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Die vorliegende Erfindung, die im
Hinblick auf die oben erwähnten
Punkte gemacht worden ist, schlägt
ein Schallprotokollierungsverfahren und ein System vor, die die
Nachteile des Standes der Technik, wie sie oben beschrieben worden
sind, beseitigen können.
Um dies zu erreichen, schlägt
sie Möglichkeiten
zur Minimierung der Menge an digitalen Daten vor, die zur Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung
zu übertragen
sind, wodurch die für
die Telemetrie benötigte
Bandbreite reduziert wird und ferner die Möglichkeit von Datenfehlern
reduziert wird, um somit die Zuverlässigkeit des Systems zu verbessern.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Schallprotokollierungsverfahren zum Bestimmen
der Eigenschaften der Formationen, durch die ein Bohrloch verläuft, geschaffen,
wobei das Verfahren ein Bohrlochwerkzeug verwendet, das im Bohrloch
aufwärts
und abwärts
beweglich ange ordnet werden kann und mit einer Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung über ein
Protokollierungskabel gekoppelt ist, wobei das Werkzeug mit wenigstens
einem Schallwellengenerator und mit wenigstens einem Empfänger, die
voneinander beabstandet sind, und außerdem mit einer Bohrlochverarbeitungsvorrichtung
versehen ist, die mit dem Generator und mit dem Empfänger und
außerdem
mit der Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung über das
Protokollierungskabel funktional gekoppelt ist, wobei in dem Verfahren
das Bohrlochwerkzeug zunächst
im Bohrloch geeignet angeordnet wird und dann der Schallwellengenerator
dazu veranlasst wird, eine Schallwelle zu erzeugen und anschließend zu
empfangen,
wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die
folgenden Schritte:
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- (1) Verarbeiten eines Erfassungssignals vom
Empfänger
durch die Bohrlochverarbeitungsvorrichtung, um dadurch eine Ankunftszeit
der Schallwelle bei ihrem Empfänger
zu bestimmen; und
- (2) Senden der so bestimmten Ankunftszeit zu der Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung
durch das Protokollierungskabel.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Schallprotokollierungs-Bohrlochwerkzeug
zum Bestimmen der Eigenschaften der Formationen, durch die ein Bohrloch verläuft, geschaffen,
wobei das Werkzeug umfasst:
wenigstens einen Schallwellengenerator;
und
wenigstens einen Empfänger,
der die Schallwelle empfangen kann, nachdem sich die Welle durch
eine Bohrlochbodenformation oder eine Bohrlochverrohrung bewegt
hat;
wobei das Werkzeug gekennzeichnet ist durch eine Steuervorrichtung,
die die Erzeugung und den Empfang der Schallwelle steuert, wobei
die Steuervorrichtung umfasst:
einen Analog/Digital-Umsetzer
zum Digitalisieren eines Erfassungssignals von dem Empfänger in
einem vorgegebenen Abtastintervall;
einen ersten Speicher zum
Speichern einer auf diese Weise digitalisierten Signalform;
einen
zweiten Speicher zum Speichern eines vorgegebenen Programms für die Verarbeitung
der auf diese Weise digitalisierten Signalform; und
einen Mikroprozessor,
der das in dem zweiten Speicher gespeicherte Programm ausführen kann,
um dadurch im Betrieb die in dem ersten Speicher gespeicherte digitalisierte
Signalform zu verarbeiten, um eine Ankunftszeit einer Schallwelle,
die vom Generator erzeugt wird und beim Empfänger ankommt, zu bestimmen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Schallprotokollierungssystem geschaffen,
das die Zentralisierung der Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung
und ein Schallwellenprotokollierungs-Bohrlochwerkzeug der Erfindung,
wie eben definiert worden ist, umfasst.
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Bei der Schallprotokollierung wird
gewöhnlich
eine Schallsignalform genutzt, die eine Mittenfrequenz von 15 kHz
und eine Wellenlänge
von 2,5 m aufweist. Beim Digitalisieren derselben führt dies
im Fall einer 16-Bit-Auflösung
zu 250·16
Bits = 4 Kilobits. Bei der herkömmlichen
digitalen Schallprotokollierung wird diese Menge an digitalen Daten
zu einer Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung
durch ein Protokollierungskabel mittels Telemetriekommunikation übertragen,
wobei die Verarbeitung zum Ermitteln der Ankunftszeit und der Amplitude
der P-(Kompressions)-Welle von der Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung
ausgeführt
wird. Was jedoch wirklich bei der Schallprotokollierung erforderlich
ist, ist grundsätzlich
nur die Ankunftszeit und die Amplitude der P-Welle – selten
oder niemals sind die restlichen digitalen Signalformdaten erforderlich.
Die Daten, die wirklich notwendig sind, nämlich die zwei Zeitpunkte,
umfassen somit bei der Digitalisierung lediglich 2·16 Bits
= 32 Bits. Wie aus diesem einfachen Beispiel deutlich wird, kann
dann, wenn die Verarbeitung der digitalisierten Signalform im Bohrlochwerkzeug
selbst ausgeführt
wird und nur die resultierende Ankunftszeit und die Amplitude zur
Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung übertragen
werden, die Menge an Daten, die durch das Protokollierungskabel
zu übertragen
sind, auf ein Hundertstel oder weniger reduziert werden, wobei als
Ergebnis die Übertragungseffizienz
deutlich verbessert wird und das Auftreten von Fehlern ebenfalls
deutlich reduziert wird. Außerdem
weist das Protokollierungskabel eine erhöhte Leerlaufzeit auf, so dass
das Protokollierungskabel für
bestimmte andere Zwecke verwendet werden kann. Die vorliegende Erfindung
wurde hauptsächlich
im Hinblick auf diese Punkte gemacht. Obwohl im übrigen gemäß der vorliegenden Erfindung
die Hauptaufgabe darin besteht, im Bohrloch die Schallsignalankunftszeit
und/oder die Amplitude zu bestimmen und anschließend das Ergebnis zur Oberfläche zu übertragen,
ist es selbstverständlich
in der vorliegenden Erfindung auch möglich – und in bestimmten Fällen wird
dies sogar bevorzugt – nicht
das gesamte digitale Signal sondern nur einen ausgewählten Abschnitt desselben
zur Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung
zu übertragen.
Wie im folgenden genauer erläutert
wird, hat eine solche selektive Übertragung
des digitalen Signals den Vorteil, dass sie die Bestätigung der
Datenzuverlässigkeit
erlaubt (durch Ausführen
einer erneuten Verarbeitung mit der Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung).
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Im folgenden wird lediglich zur Erläuterung eine
Ausführungsform
der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung, die ein Schallprotokollierungssystem
zeigt, das auf der Grundlage einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
konstruiert ist.
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2(1) und (2) sind schematische Darstellungen, die
die Anordnung der Schallsender und -empfänger in einem Schallprotokollierungs-Bohrlochwerkzeug
der vorliegenden Erfindung zeigen.
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3 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das eine Ausführungsform einer Bohrloch-Verarbeitungseinheit
zeigt, die im Schallprotokollierungs-Bohrlochwerkzeug der vorliegenden
Erfindung vorgesehen ist.
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4 ist
ein Flussdiagramm, das eine Erfassungsroutine auf der Grundlage
einer Ausführungsform
eines Schallprotokollierungsverfahrens der vorliegenden Endung zeigt.
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5(a) und (b) sind Darstellungen, die die digitalen
Signalformen jeweils für
offene und verschalte Bohrlöcher
zeigen.
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6(a) und (b) sind Darstellungen, die ein Schwellenerfassungsverfahren
in der analogen bzw. digitalen Schallprotokollierung zeigen.
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7(a) und (b) sind Darstellungen, die das Gleichstromoffset-Messzeitverfahren
bzw. die Rauschmessungszeitspanne zeigen.
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8 ist
eine Darstellung, die die Ankunftszeiterfassungs-Zeitspannen-Startzeit und die
Spitzenamplituden-Messzeitspanne zeigt.
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9 ist
eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Niedrig- und Hoch-Schwellenerfassung und
der Spitzenamplitudenerfassung zeigt.
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10(a), (b) und (c) sind
Darstellungen, die den Prozess zum Ausführen der Hochschwellenerfassung
unter Verwendung der Interpolationsverarbeitung zeigen.
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11 ist
eine Darstellung, die zeigt, wie die Spitzenamplitude durch die
quadratische Interpolation unter Verwendung einer parabelförmigen Linie
ermittelt wird.
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Erläuterung
der Bezugszeichen
- 1
- Bohrlochwerkzeug
- 2
- Protokollierungskabel
- 3
- Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung
- 4
- Bohrloch
- 8
- Bohrloch-Verarbeitungseinheit
- 12c
- ADC-Umsetzer
- 13a
- digitaler
Signalprozessor
- 13c
- Telemetrieschnittstelle
- 13d
- Programmspeicher
- Tt
- Ankunftszeit
- T0
- Schallwellenzündungszeit
- Td
- Erfassungsstartzeit
- Tp
- vorherige
Ankunftszeit
- Tht
- Hoch-Schwellen-Ankunftszeit
- TIt
- Niedrig-Schwellen-Ankunftszeit
- E1
- erste
Spitze
- E2
- zweite
Spitze
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 ist
eine schematische Darstellung, die ein Schallprotokollierungssystem
zeigt, das gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Wie in 1 gezeigt ist, enthält das vorliegende Schallprotokollierungssystem
ein Bohrlochwerkzeug (auch als Sonde bezeichnet) 1, das
innerhalb eines in den Boden gebohrten Bohrloches 4 nach
oben und nach unten bewegt werden kann. Das Bohrlochwerkzeug 1 weist
eine längliche
Form auf, wobei an einer äußeren Umfangsoberfläche seines Gehäuses ein
Schallsender T und ein Paar von Empfängern R1 und R2,
die voneinander mit einem vorgegebenen Abstand in vertikaler Richtung
beabstandet sind und auch von dem Sen der T mit einem vorgegebenen
Abstand in vertikaler Richtung beabstandet sind, montiert sind.
Innerhalb des Gehäuses
des Bohrlochwerkzeuges 1 ist eine Bohrloch-Verarbeitungseinheit 8 gekapselt
angeordnet. Ein Beispiel einer spezifischen Struktur einer Bohrloch-Verarbeitungseinheit 8 wird
später
mit Bezug auf 3 genauer
beschrieben. Die Bohrloch-Verarbeitungseinheit 8 ist mit
dem Schallsender T und den Empfängern R1 und R2 über (nicht
gezeigte) interne Verbindungen verbunden, wobei eine Schallwelle
in Form eines Impulses vom Schallsender T entsprechend einem Befehl
von der Bohrloch-Verarbeitungseinheit 8 in die unterirdische
Formation ausgesendet wird. Die Schallwelle breitet sich durch die
unterirdische Formation längs
des Bohrloches 4 in vertikaler Richtung aus und wird von
den Empfängern R1 bzw. R2 empfangen,
so dass entsprechende Erfassungssignale von den Empfängern R1 und R2 der
Bohrloch-Verarbeitungseinheit 8 zugeführt werden. Wenn auf diese Weise
die jeweiligen Ankunftszeiten T1 und T2 der Schallwelle an dem jeweiligen
Empfängern R1 und R2,
nachdem sie vom Schallsender T ausgesendet worden ist und
sich durch die unterirdische Formation ausgebreitet hat, erfasst
werden und eine Differenz zwischen diesen Ankunftszeiten, d. h. ΔT = T1 – T2, berechnet
wird, kann anschließend
die Ausbreitungszeit der Schallwelle, die sich durch die unterirdische Formation über die
vertikale Strecke zwischen dem Paar der Empfänger R1 und R2 ausgebreitet
hat, berechnet werden. Aus diesem vertikalen Abstand und der Ausbreitungszeit
kann dementsprechend die Geschwindigkeit der Schallwelle, die sich
durch die unterirdische Formation ausgebreitet hat, berechnet werden.
Da ferner die Ausbreitungszeit der Schallwelle mit der Struktur
der unterirdischen Formation in Beziehung steht, ist es möglich, eine
solche Struktur zu analysieren.
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Es ist zu beachten, dass das in 1 gezeigte Bohrloch ein
sogenanntes "nacktes
Bohrloch" ist, so
dass die Wand des Bohrloches 4 von der unterirdischen Formation
gebildet wird. Da in diesem Fall, wie oben beschrieben worden ist,
die Schallwelle, die sich durch die unterirdische Formation ausgebreitet
hat, erfasst wird, ist es möglich,
hauptsächlich die
Struktur der unterirdischen Formation zu analysieren. Andererseits
wurde ein verschaltes Bohrloch verwendet, wobei in diesem Fall eine
zylindrische Verschalung (Verrohrung) längs der Wandoberfläche des
Bohrloches 4 eingesetzt ist. Wenn eine Verschalung vorhanden
ist, ist, da sich die Schallwelle durch die Verschalung ausbreitet,
die Schallwelle, die zuerst am Empfänger ankommt, diejenige, die
sich durch die Verschalung ausgebreitet hat. In diesem Fall kann
durch Messen der Amplitude der ersten P-Welle die Zemen tierung zwischen
der Verschalung und der unterirdischen Formation, der Verbindungszustand
zwischen den Segmenten der Verschalung oder dergleichen bewertet
werden. Da insbesondere bei der Schallprotokollierung das Bohrlochwerkzeug 1 in
der Mitte des Bohrloches 4 angeordnet sein soll, sind in
der in 1 gezeigten Ausführungsform
Zentrierelemente 1a, 1a an geeigneten oberen und
unteren Stellen des Bohrlochwerkzeuges 1 vorgesehen. Es
ist zu beachten, dass im Fall der Bewegung des Bohrlochwerkzeugs 1 nach
oben und nach unten längs
des Bohrloches 4 die Zentrierelemente 1a vorzugsweise
in ihre zurückgezogene
Positionen versetzt werden.
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Der obere Abschnitt des Bohrlochwerkzeugs 1 ist
mit einem Protokollierungskabel 2 verbunden ist, so dass
das Bohrlochwerkzeug 1 am Protokollierungskabel 2 aufgehängt ist.
Das Protokollierungskabel 2 hält nicht nur das Bohrlochwerkzeug 1 in
einem mechanisch aufgehängten
Zustand, sondern enthält auch
(nicht gezeigte) Übertragungsleitungen,
um somit die Übertragung
von Signalen elektrisch oder optisch zu und von der Bohrloch-Verarbeitungseinheit 8 zu
erlauben. Das Protokollierungskabel 2 ist um eine Trommel 6 gewickelt,
die an einer Bodenoberfläche 5 angeordnet
ist, und ist mit einem Verlängerungs-Protokollierungskabel 2' an der Zentralwelle
der Trommel 6 verbunden. Ferner ist das Verlängerungs-Protokollierungskabel 2' mit einer Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung 3 verbunden,
die typischerweise ein Computersystem umfasst.
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2 zeigt
einige Beispiele einer Anordnung von Schallsendern und Empfängern eines
Bohrlochwerkzeuges, das gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Das heißt, in der
in 1 gezeigten Ausführungsform
ist ein einzelner Schallsender T und ein Paar von Empfängern R1
und R2 vorgesehen, während
in einem Bohrlochwerkzeug 1' der 2(1) ein paar Schallsender UT und LT und
ein paar Empfänger R1 und R2 vorgesehen
ist. In diesem Fall kommt eine vom oberen Schallsender UT ausgesendete
Schallwelle an dem Paar der Empfänger R1 und R2 zu
den Ankunftszeiten TT1 bzw. TT2 an, während andererseits vom unteren
Schallsender LT ausgesendete Schallwelle an dem Paar der Empfänger R1 und
R2 zu den Ankunftszeiten TT3 bzw. TT4 ankommt. Andererseits sind
in einem Bohrlochwerkzeug 1'' der 2(2) zwei Paare von Empfängern R1 und R3 sowie R3 und R4 zwischen
einem Paar von Schallsendern UT und LT angeordnet, wobei eine Schallwelle vom
oberen Schallsender UT an dem paar Empfänger R2 und R4 zu den Ankunftszeiten
TT2 und TT1 ankommt, während
eine Schallwelle vom unteren Schallsender LT an dem anderen Paar
der Empfänger R1 und R3 zu
den Ankunftszeiten TT3 bzw. TT4 ankommt. Auf diese Weise kann durch
Vorsehen einer Struktur, in der Schallwellen von separaten Schallsendern
am selben Formationsort erfasst werden, die Zuverlässigkeit
von Daten erhöht
werden, wobei eine genaue Analyse einer unterirdischen Formation
durchgeführt
werden kann.
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3 ist
ein Blockschaltbild, das eine genaue Struktur einer Ausführungsform
der Bohrloch-Verarbeitungseinheit 8 innerhalb des Bohrlochwerkzeugs 1 zeigt.
In 3 enthält die Bohrloch-Verarbeitungseinheit 8 einen
Bodenverbinder 10, der mit dem Schallsender T und
den Empfängern R1 und R2 des
Bohrlochwerkzeugs 1 elektrisch verbunden ist. Da in der
in 1 gezeigten Ausführungsform
das Bohrlochwerkzeug 1 ein paar Empfänger R1 und R2 aufweist,
sind diese mit dem Bodenverbinder 10 und somit mit den
jeweiligen entsprechenden Vorverstärkern 11a in einem
Vorverstärkerabschnitt 11 verbunden.
Außerdem
ist auch der Schallsender T mit dem Bodenverbinder 10 verbunden,
so dass ein Zündungssteuersignal
zum Zünden
(Aussenden) einer Schalwelle durch Anregen des Schallsenders T dem Schallsender T zugeführt wird
und eine Hochspannung zum Zünden
einer Schallwelle von einer Hochspannungsstromversorgung 14b eines
Stromversorgungsabschnitts 14 dem Schallsender T zugeführt wird.
Außerdem
wird ein Erfassungssignal der Schallwellenzündungszeit Tp vom Schallsender
T geliefert. Im Vorverstärkerabschnitt 11 ist
ferner ein Signalpegelumsetzer 11b vorgesehen, der mit
den jeweiligen Vorverstärkern 11a verbunden
ist. Dieser Signalpegelumsetzer 11b kann verwendet werden
in dem Fall, in dem das Bohrlochwerkzeug 1 zwei Kanäle besitzt,
als Verstärkungseinstelleinheit.
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Der Vorverstärkerabschnitt 11 ist über einen Bus,
der zwei parallele Pfade aufweist, die jeweils einen Multiplexer 12a,
einen Verstärker 12b (der
ein Anti-Aliasing-Filter enthält)
und einen Analog-Digital-Umsetzer 12c enthalten, mit einem
Datenerfassungsabschnitt 12 verbunden. Der Datenerfassungsabschnitt 12 ist
ferner über
einen Bus mit einem Steuerabschnitt 13 verbunden. Der Steuerabschnitt 13 enthält einen
digitalen Signalprozessor (DSP) 13a, eine digitale Steuerungsschnittstelle 13b,
eine Telemetrieschnittstelle 13c, einen Programmspeicher 13d und
einen Datenspeicher 13e, die über Busse miteinander verbunden
sind, wobei sich der DSP 13a in der Mitte befindet. Obwohl
in dieser Ausführungsform
für den
DSP 13a der ADSP-2101 verwendet wird, der im Handel vom
Analog Devices Inc. erhältlich
ist, soll die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung eines
solchen spezifischen Prozessors beschränkt sein, wobei auch irgendein
anderer Uni versal-Mikroprozessor, ein Mikrokontroller oder dergleichen
verwendet werden kann. Der Programmspeicher 13d kann mittels
einem oder mehrerer gewöhnlicher
nichtflüchtiger
Speicher konstruiert sein, wie z. B. ROM, PROM, EPROM und EEPROM.
Insbesondere ist zu beachten, dass eine Schallprotokollierungsroutine
(z. B. eine digitale Erste-Ankunft-Erfassung, oder einfach DFDA)
zum Implementieren verschiedener einzigartiger Schallprotokollierungsfunktionen
der vorliegenden Erfindung, die später genauer beschrieben werden,
in diesem Programmspeicher 13d gespeichert ist. Das heißt, die
Erfassungssignale von den Empfängern und
R2 werden A/D-Umsetzer 12c digitalisiert, wobei die resultierenden
digitalen Signalformen im Datenspeicher 13e gespeichert
werden, so dass es für
den DSP 13a möglich
ist, die im Datenspeicher 13e gespeicherten digitalen Signalformen
entsprechend einem Schallprotokollierungsprogramm zu verarbeiten,
das im Programmspeicher 13d gespeichert ist, um somit die
Ankunftszeit, die Amplitude oder dergleichen der ersten P-Welle
zu ermitteln. Ferner ist zu beachten, dass der Datenspeicher 13e einen
RAM zum Speichern von Arbeitsdaten umfasst. Die digitale Steuerungsschnittstelle 13b ist
insbesondere für
die Zeitsteuerung verantwortlich und steuert den Zeitablauf der Operation
des Vorverstärkerabschnitts 11,
des Datenerfassungsabschnitts 12 und des Schallsenders T.
Außerdem
ist zu beachten, dass als eine alternative Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung der Prozessor 13a und der Programmspeicher 13d in Form
von Firmware, wie z. B. Logikgattern, anstelle eines Mikroprozessors
konstruiert sein können.
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Der Steuerabschnitt 13 ist
mit einem oberen Verbinder 15 über einen Bus verbunden, wobei
der obere Verbinder 15 mit einem (nicht gezeigten) Telemetrieeinsatz
verbunden ist, der seinerseits mit einem Ende des Protokollierungskabels 2 verbunden ist.
Somit kann der DSP 13a Daten zu oder von der Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung 3 mittels
Telemetriekommunikation über
das Protokollierungskabel 2 senden oder empfangen. Außerdem ist eine
Niedrigspannungs-Stromversorgung 14a im Stromversorgungsabschnitt 14 vorgesehen,
um dem Vorverstärkerabschnitt 11,
dem Datenerfassungsabschnitt 12 und dem Steuerabschnitt 13 Strom
zuzuführen.
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Im folgenden wird mit Bezug auf die 4 bis 11 eine einzigartige Bohrloch-Schallprotokollierungsfunktion
und ein Verfahren der vorliegenden Erfindung genauer beschrieben. 4 zeigt ein Flussdiagramm
des DFAD-(Digitale-Erste-Ankunft-Erfassung)-Programms
zum Ermitteln der Ankunftszeit und der Amplitude im Bohrloch, d.
h. innerhalb eines Bohrloches, im Schallprotokollierungsprogramm
der vorliegenden Erfindung, das in dem in 3 gezeigten Programmspeicher 13d gespeichert
ist. Es ist zu beachten, dass die in 4 gezeigte
DFAD-Routine nur ein Teil der Schallprotokollierung der vorliegenden
Erfindung ist. Das heißt,
eine Bohrloch-Schallprotokollierungssequenz der vorliegenden Erfindung enthält grundsätzlich die
folgenden vier Routinen.
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- (1) Schallsender-Aktivierungsroutine
- (2) Datenerfassungs- und Digitalisierungsroutine
- (3) DFAD-Routine
- (4) Telemetrieübertragung
der DFAD-Ergebnisse zur Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung
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Das heißt, gemäß der Bohrloch-Schallprotokollierungssequenz
der vorliegenden Erfindung liefert an erster Stelle in der Routine
(1) der DSP 13a einen Befehl zum Aussenden einer
Schallwelle an den Schallsender T entsprechend dem Schallprotokollierungsprogramm,
das im Programmspeicher 13d gespeichert ist. Anschließend erfasst
der DSP 13a in der Routine (2) den Schallzündungszeitpunkt
Tp und tastet die Erfassungssignale von den Empfängern R1 und R2 mit
einem vorgegebenen Abtastintervall (z. B. 10 Mikrosekunden) ab und
digitalisiert diese anschließend
mittels des A/D-Umsetzers 12c. Die resultierende digitale Signalform
wird im Datenspeicher 13e gespeichert. Es ist zu beachten,
dass auch in diesen Routinen (1) und (2) die DFAD-Routine
bei Bedarf aufgerufen wird, um die in der DFAD gespeicherten Daten
zu verwenden. Anschließend
tritt er in den Ablauf der DFAD-Routine ein (4), in der die im Datenspeicher 13a gespeicherte
digitale Signalform verarbeitet wird, um somit die Ankunftszeit und/oder
die Amplitude bezüglich
der ersten P-Welle in der digitalen Signalform zu ermitteln. Anschließend tritt
er in die Routine (4) ein, wo die Ankunftszeit und/oder
Amplitude, die so ermittelt worden sind, in einen Telemetrierahmen
eingesetzt werden, der seinerseits über die Telemetrieschnittstelle 13c zur
Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung 3 gesendet
wird oder in einen Bereitschaftszustand versetzt wird, bis der Telemetrierahmen
voll wird. Die obenbeschriebene Bohrloch-Schallprotokollierungssequenz wird
in verschiedenen Tiefen im Bohrloch 4 wiederholt ausgeführt, während das
Bohrlochwerkzeug 1 längs
des Bohrloches 4 bewegt wird, um somit eine Protokollierung
längs der
Längsrichtung
des Bohrloches 4 zu erhalten.
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Im folgenden werden mit Bezug auf
das Flussdiagramm der 4 ein zelne
Routinen zum Ermitteln der Ankunftszeit und der Amplitude der ersten P-Welle von einer digitalen
Signalform in der DFAD-Routine genauer beschrieben.
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Sobald wie oben beschrieben eine
digitale Signalform, die durch Abtasten mit einem vorgegebenen Verstärkungsfaktor
und einem vorgegebenen Abtastintervall (z. B. 10 Mikrosekunden)
nach dem Zünden
einer Schallwelle und Digitalisieren der abgetasteten Daten (z.
B. umfasst jeder Abtastwert einen vorzeichenbehafteten ganzzahligen
Wert von 16 Bits) erhalten worden ist, im Datenspeicher 13e gespeichert
worden ist, ruft der DSP 13a im Schritt 20 der 4 die im Programmspeicher 13d gespeicherte
DFAD-Routine auf.
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Obwohl im Flussdiagramm der 4 nicht gezeigt, wird in
der vorliegenden Ausführungsform
zu Beginn von DFAD zuerst ermittelt, ob eine digitale Signalform
zu invertieren ist, in Abhängigkeit
von der Art des Bohrlochs 4. Das heißt, wie vorher beschrieben
worden ist, das Bohrloch 4 weist grundsätzlich zwei Arten auf und kann
somit ein nacktes Bohrloch sein, d. h. ein offener Typ ohne Verschalung,
wie in 1 gezeigt ist,
oder ein verschaltes Bohrloch, d. h. ein verkleideter Typ, bei dem
die Wandoberfläche des
Bohrloches 4 mit einer zylindrischen Verschalung verkleidet
ist. In Abhängigkeit
davon, ob das Bohrloch 4 einem dieser zwei Typen entspricht,
unterscheidet sich somit das Signalformmuster eines erfassten Signals,
weshalb sich auch dessen Verarbeitung unterscheidet. Im Fall eines
offenen Bohrloches wird hauptsächlich
die Ankunftszeit der ersten P-Welle, die sich durch die Bodenformation
längs des Bohrloches
ausgebreitet hat und von den jeweiligen Empfängern empfangen worden ist,
ermittelt, woraufhin auf der Grundlage der so ermittelten Ankunftszeit die
Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle, oder dessen Inverse
der Langsamkeit, berechnet wird. Solche Parameter, wie die Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Schallwelle und die Langsamkeit, werden zur Struktur einer unterirdischen
Formation in Beziehung gesetzt, so dass eine solche unterirdische Formationsstruktur
(z. B. die Existenz von Öl
oder dergleichen) analysiert werden kann, indem diese Parameter
längs der
Longitudinalrichtung eines Bohrloches abgebildet werden. Andererseits
wird im Fall eines Verschalungstyp-Bohrloches hauptsächlich die
Amplitude der ersten P-Welle, die sich durch die Verschalung ausgebreitet
hat, ermittelt und anschließend
auf der Grundlage der Größe der Amplitude
die Verbindungsfestigkeit (Verbindungsindex) oder der Grad der Zementierung
zwischen der Verschalung und der Bodenformation ausgewertet. Das heißt, da mit
höherer
Bindungsfestigkeit zwischen der Verschalung und ihrer umgebenden
Bodenformation mehr Schallenergie in die umge bende Bodenformation
austritt, wird die Amplitude der ersten P-Welle, die vom Empfänger R erfasst
wird, kleiner.
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Wie in 5(a) gezeigt
ist, wird im Fall der Protokollierung mit einem offenen Bohrloch
die Polarität
der erfassten digitalen Signalform invertiert, da es üblich ist,
die Ankunftszeit T unter Verwendung einer zweiten Spitze
E2 statt der ersten Spitze E1 der P-Welle zu ermitteln. Es ist zu
beachten, dass, obwohl die digitale Signalform tatsächlich individuelle diskrete
Datenwerte aufweist, die voneinander mit dem Abtastintervall beabstandet
sind, diese als eine glatte und kontinuierliche Kurve in 5 der Bequemlichkeit halber
gezeigt ist. Wie vorher erläutert worden
ist, bezeichnet Tp die Schallwellenzündungszeit. Andererseits, wie
in 5(b) gezeigt, wird im Fall der
Protokollierung mit einem Verschalungstyp-Bohrloch die Polarität der digitalen Signalform
in diesem Fall nicht invertiert, da es üblich ist, die Amplitude A
unter Verwendung der ersten Spitze E1 zu ermitteln. Da die zweite
Spitze E2 in der Polarität
entgegengesetzt zur ersten Spitze E1 ist, ist es dann, wenn die
aktuelle DFAD-Routine sowohl beim offenen Typ als auch beim verschalten
Typ der Bohrlöcher
verwendet werden soll, notwendig, die Polarität der Daten einer digitalen
Signalform zu invertieren, wenn die Ankunftszeit T unter
Verwendung der zweiten Spitze E2 ermittelt wird. Auf diese Weise
ist es in dem Fall, indem die Verarbeitung mit der DFAD-Routine
durch Invertieren der Polarität
der Daten einer digitalen Signalform ausgeführt wird, erforderlich, die
Daten der digitalen Signalform nach der Verarbeitung mit der DFAD-Routine
erneut zu invertieren, um somit zum ursprünglichen Zustand zurückzukehren.
Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Ausführung es
erforderlich ist, die Polarität
einer digitalen Signalform zu invertieren, da sie so strukturiert
ist, dass die Ankunftszeit T unter Verwendung der zweiten
Spitze E2 bei der Protokollierung mit einem offenen Bohrloch ermittelt
wird; wenn sie jedoch so strukturiert ist, dass die Ankunftszeit T unter
Verwendung der ersten Spitze E1 auch im Fall eines offenen Bohrlochs
ermittelt wird, ist es selbstverständlich nicht erforderlich,
die Polarität
der digitalen Signalform zu invertieren.
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Wie mit Schritt 21 der 4 gezeigt ist, wird anschließend eine
Gleichspannungsoffset-Messung ausgeführt. Dieser Schritt dient dazu,
den Nullpegel der Grundlinie einer Signalform einzurichten, d. h. den
Erfassungspegel unter der Bedingung, in der noch keine Schallwelle
am Detektor R angekommen ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine digitale Signalform durch Digitalisieren eines Erfassungssignals
mittels des A/D-Umsetzers 12c innerhalb des Bohrlochwerkzeuges 1 erhalten,
wobei jedoch die Grundlinie der digitalen Signalform nicht unbedingt
mit dem Nullpegel im Ausgangssignal eines D/A-Umsetzers 12c genau übereinstimmt.
Genauer wird in dieser Ausführungsform
ein 16-Bit-ADC (oder A/D-Umsetzer)
als A/D-Umsetzer 12c verwendet, wobei in diesem Fall eine solche
Differenz im Besonderen vernachlässigbar
ist. Um eine Differenz zwischen dem Nullpegel im Ausgangssignal
des A/D-Umsetzers 12c und der Grundlinie der digitalen Signalform
zu berücksichtigen,
muss daher eine solche Differenz als ein Gleichspannungsoffset gemessen
werden. Wie in 7(a) gezeigt ist, kann
eine Gleichspannungsoffset-Messzeitspanne TOFF als
ein willkürlicher
Ort des Grundlinienabschnitts einer digitalen Signalform gesetzt
werden, jedoch muss sie vor dem Start einer Ankunftszeiterfassungszeitspanne gesetzt
werden. Indem in 7(a) gezeigten Beispiel
ist die Gleichspannungsoffset-Messzeitspanne TOFF so gesetzt, dass sie 100 Mikrosekunden
beträgt, während das
Abtastintervall auf 10 Mikrosekunden gesetzt ist, so dass sich 11
abgetastete Datenpunkte ergeben. Der Gleichspannungsoffset wird
durch Berechnen des Durchschnitts dieser Datenpunkte ermittelt.
Es ist zu beachten, wie später
beschrieben wird, dass der so erhaltene Gleichspannungsoffset für das Anpassen
des Orts der Schwelle verwendet wird, die zum Ermitteln der Ankunftszeit
Tt und ferner zum Korrigieren des gemessenen Wertes der Spitzenamplitude
verwendet wird.
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Anschließend wird die Rauschmessung
im Schritt 22 der 4 ausgeführt. In
dieser Rauschmessung wird die Amplitude der maximalen positiven Rauschspitze
in der Grundlinie einer digitalen Signalform bis zum Start der Ankunftszeiterfassungs-Zeitspanne
ermittelt. Die so ermittelte maximale Rauschamplitude wird zum Einstellen
des Rauschpegels der Amplitude der ersten P-Welle verwendet, die später zu bestimmen
ist, und ferner zum Bewerten der Amplitude der so ermittelten P-Welle.
Vorzugsweise wird z. B. mit den gesetzten Mittelund Hoch-Rauschschwellen
die maximale Rauschamplitude, die so ermittelt worden ist, klassifiziert,
indem bestimmt wird, ob sie ein niedriger Rauschpegel, ein mittlerer
Rauschpegel oder ein hoher Rauschpegel ist, woraufhin sie zum Bewerten
des Ergebnisses verwendet wird, das durch diese Routine im Bewertungsschritt 30 erhalten
wird, der der letzte Schritt in der Routine ist. In der in 7(b) gezeigten Ausführungsform ist die Rauschmessung
so eingestellt, das eine Rauscherfassungszeitspanne TRAUSCHEN am
Anfang der Ankunftszeit-Erfassungszeitspanne endet, wobei, da elf
Abtastpunkte im Intervall von 10 Mikrosekunden vorhanden sind, diese
auf 100 Mikrosekunden gesetzt ist. Ferner wird bei der Rauschmessung
die maximale positive Spitze MLP in dieser Rauscherfassungszeitspanne
ermittelt. In diesem Fall wird die Rauschspitze z. B. ermittelt,
indem die maximale positive Amplitude gefunden wird, deren vorangehende
und nachfolge benachbarte Abtastpunkte jeweils eine kleinere Amplitude
aufweisen. Die Rauscherfassungszeitspanne kann auf eine willkürliche Zeitspanne
an einer willkürlichen
Grundlinienposition gesetzt werden, in Abhängigkeit von verschiedenen
Bedingungen, solange sie vor dem Start der Ankunftszeit-Erfassungszeitspanne
bleibt.
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Anschließend wird im Schritt 23 der 4 eine automatische Verstärkungssteuerroutine
ausgeführt.
In der automatischen Verstärkungssteuerroutine,
wie in 5(a) gezeigt ist, wird bei
der Erfassung der Ankunftszeit Tt der ersten P-Welle ein Schnittpunkt
der Kurve, die in Richtung zur positiven Spitze E2 der ersten P-Welle
gerichtet ist, mit einer vorgegebenen Schwelle ermittelt, wobei
die Ankunftszeit anhand der Zeitspanne vom Schallwellenzündungszeitpunkt
T0 zum Schnittpunkt ermittelt wird. Der
Grund dafür,
dass die Ankunftszeit unter Verwendung eines Schnittpunktes mit
einer ausgewählten
Schwelle statt mit der Grundlinie einer digitalen Signalform oder dem
Nulldurchgang mit dem Nullpegel ermittelt wird, liegt darin, dass,
wie oben beschrieben, die Grundlinie einer digitalen Signalform
Rauschen sowie einen Gleichspannungsoffset enthält, wobei ein Fehler auftreten
kann, wenn der Nulldurchgang mit der Grundlinie der digitalen Signalform
verwendet wird. Sie ist daher so strukturiert, dass hinsichtlich
des erfassten Rauschens und des Gleichspannungsoffsets ein Schwellenpegel
ermittelt wird und ein Schnittpunkt mit dieser Schwelle erfasst
wird, um die Ankunftszeit Tt zu bestimmen. Eine solche Schwelle
wird somit als ein vorgegebenes Verhältnis relativ zur Amplitude der
Spitze E2 der ersten P-Welle ermittelt. Wenn der Schwellenpegel,
der für
die Bestimmung der Ankunftszeit Tt verwendet werden soll, als ein
vorgegebenes Verhältnis
relativ zur Spitze E2 in dieser Weise definiert ist, wird es in
dem Fall, in dem der Amplitudenwert der Spitze E2 der nächsten digitalen
Signalform sich vom Amplitudenwert der Spitze E2 der vorangehenden
digitalen Signalform unterscheidet, erforderlich, den für die Spitze
E2 der vorangehenden digitalen Signalform verwendeten Schwellenpegel anzupassen,
wenn die Ankunftszeit Tt für
die nächste digitale
Signalform bestimmt werden soll. Die automatische Verstärkungssteuerung
ermittelt aus diesem Grund eine Erfassungsverstärkung, die für die Erfassungsverarbeitung
zu verwenden ist, und passt den Schwellenpegel unter Verwendung
der Erfassungsverstärkung
für jede
digitale Signalform an, wodurch die Ermittlung einer Ankunftszeit
Tt unter Verwendung eines Schwellenpegels, der immer mit einem vorgegebenen
Verhältnis
relativ zur Spitze E2 ermittelt wird, sicherzustellen.
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Was im vorangehenden Absatz beschrieben worden
ist, wird mit Bezug auf die 6(a) und (b) genauer beschrieben. 6(a) zeigt
den Zustand, indem die Ankunftszeit Tt unter Verwendung eines Schwellenpegels
im Stand der Technik der analogen Schallprotokollierung ermittelt
wird. Wenn in diesem Fall eine Schallwelle von einem Bohrlochwerkzeug erfasst
wird, wird deren Erfassungssignal zu einer Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung
mittels Telemetriekommunikation übertragen,
so dass die Ermittlung der Ankunftszeit von der Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung
ausgeführt
wird. Die in 6(a) gezeigte Signalform
ist daher eine kontinuierliche analoge Signalform. Im übrigen ist
Td die Erfassungsstartzeit für
die aktuelle Ankunftszeiterfassung, während Tp die Ankunftszeit ist,
die durch die vorangehende Ankunftszeit-Erfassungsverarbeitung ermittelt
worden ist. Ein von Tp nach Td gerichteter Pfeil zeigt die Tatsache
an, dass die Startzeit Td der aktuellen Erfassungszeitspanne um
ein Zeitmaß, das
vorher ausgewählt
worden ist oder durch Ausführen
eines vorgegebenen Prozesses ermittelt wird, früher gesetzt ist als die Ankunftszeit
Tp, die von der vorangehenden Verarbeitung ermittelt worden ist.
Tt ist die Ankunftszeit, die durch die aktuelle Verarbeitung ermittelt
worden ist.
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In 6(a) ist
der Fall gezeigt, indem die Verstärkungssteuerung ausgeführt wird,
um die Amplitude der Spitze E2 über
die veränderliche
Verstärkungssteuerung
in einem analogen Erfassungssystem bei 5.000 mV zu halten. Es ist
gezeigt, dass zwei Schwellen, nämlich
eine hohe Schwelle von 1.000 mV und eine niedrige Schwelle von 250
mV, gesetzt werden. Selbst wenn somit die Spitze E2 der nächsten Signalform
einen Amplitudenwert aufweist, der sich von demjenigen der Spitze
E2 der vorangehenden Signalform unterscheidet, ändert sich der Schwellenpegel,
der einmal gesetzt worden ist, nicht, so dass die erfasste Ankunftszeit
und der Amplitudenwert der Spitze E2 sich von Signalform zu Signalform
im Wert unterscheiden.
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Andererseits zeigt 6(b) das Erfassungsprinzip auf der Grundlage
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Obwohl 6(b) ein
Erfassungssignal der Bequemlichkeit halber mittels einer durchgezogenen
Linie zeigt, ist zu beachten, dass diese Linie tatsächlich eine
Ansammlung diskreter Abtast punkte ist, da sie eine digitale Signalform
ist. In 6(b) ist Ad eine gewünschte Spitzenamplitude der
Spitze E2, HT ist eine hohe Schwelle und LT ist eine niedrige Schwelle.
Es ist zu beachten, dass die gewünschte
Spitzenamplitude Ad eine Amplitude ist, für die die automatische Verstärkungssteuerung
eine Spitze wünscht,
wobei die Erfassungsverstärkung
für die
nächste
Erfassung auf der Grundlage der aktuellen Erfassungsverstärkung und
einem Verhältnis
zwischen der vorangehenden Ad und der vorangehenden Amplitude angepasst
wird. Die übrigen
Parameter haben die gleichen Bedeutungen wie diejenigen der 6(a). Da gemäss der vorliegenden Erfindung die
Verarbeitung innerhalb eines Bohrlochwerkzeuges ausgeführt wird,
ist es für
den Operator unmöglich,
die Verstärkung
des Verstärkers
zu steuern. Außerdem
wird bei der Bohrloch-Verarbeitungseinheit 8 eine digitale
Signalform mit einer vorgegebenen Verstärkung abgetastet. Wenn somit
in diesem Fall der Schwellenpegel auf einem konstanten Pegel fixiert ist, ändert sich
das Verhältnis
der Spitze E2 zur Amplitude Ad der jeweiligen Signalform. Um die
Pegel der Schwellen HT und LT relativ zur Spitze E2 auf vorgegebenen
Verhältnissen
für die
jeweiligen Signalformen zu halten, wird unter diesen Umständen die
Erfassungsverstärkung
für jede
der Signalformen auf der Grundlage der Amplitude der erfassten E2 berechnet.
Anschließend
werden die Schwellenpegel HT und LT für jede der Signalformen auf
der Grundlage der so berechneten Erfassungsverstärkung gesetzt.
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Der Grund dafür, dass die Erfassungsverstärkung auf
diese Weise berechnet wird, liegt darin, dass in der Verarbeitung
einer digitalen Signalform die Ankunftszeit und der Amplitudenwert
der Spitze E2 unter Verwendung der Erfassungsverstärkung ermittelt
werden, die für
die vorangehende Signalform ermittelt worden ist oder vom Benutzer
im Fall der allerersten Verarbeitung ausgewählt worden ist, woraufhin die
Erfassungsverstärkung
auf der Grundlage dieser Werte für
die aktuelle Signalform modifiziert wird. Ferner wird die aktuelle
Signalform unter Verwendung der Erfassungsverstärkung verarbeitet, die so modifiziert
worden ist, um somit eine verfeinerte Ankunftszeit und einen verfeinerten
Amplitudenwert der Spitze E2 zu ermitteln. Durch zweimaliges Wiederholen
eines solchen Prozesses können
die Ankunftszeit und der Amplitudenwert der Spitze E2 auf der Grundlage
der Erfassungsverstärkung
der aktuellen Signalform ermittelt werden. Da wie oben beschrieben
in der obenbeschriebenen Ausführungsform
die Schwellen HT und LT bei vorgegebenen Verhältnissen bezüglich der
Spitze E2 für
jede der Signalformen ermittelt werden, ist es notwendig, die Erfassungsverstär kung für jede der
Signalformen zu ermitteln, wobei für diesen Zweck eine digitale
Signalform verarbeitet wird, um die Erfassungsverstärkung dieser
Signalform in der automatischen Verstärkungssteuerroutine zu ermitteln.
In einer bevorzugten Ausführungsform
werden in der automatischen Verstärkungssteuerroutine maximale
und minimale Erfassungsverstärkungen
in Abhängigkeit
von den Bedingungen gesetzt, wobei nur dann eine gültige Erfassungsverstärkung ermittelt
wird, wenn die berechnete Erfassungsverstärkung zwischen diese fällt.
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Anschließend werden im Schritt 24 der 4 unter Verwendung der Erfassungsverstärkung, wie oben
berechnet worden ist, verschiedene Schwellenpegel einschließlich hoher
und niedriger Schwellenpegel HT und LT berechnet. In einer Ausführungsform
werden z. B. (1) die gewünschte
Amplitude (100%), (2) die niedrige Schwelle (5%), (3) die hohe Schwelle
(20%), (4) die mittlere Rauschschwelle (4%) und (5) die hohe Rauschschwelle
(40%) berechnet.
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Anschließend wird im Schritt 25 der 4 eine Ankunftszeit-Erfassungszeitspanne
für die
Erfassung der Ankunftszeit Tt in einer digitalen Signalform gesetzt.
Die Ankunftszeit-Erfassungszeitspanne dient dazu, zu ermitteln,
welcher Abschnitt einer digitalen Signalform für die Erfassung der Ankunftszeit
Tt zu verwenden ist. Eine solche Erfassungszeitspanne kann veränderlich
gesetzt werden, oder auf einen festen Wert für jede der Signalformen. Um
die Erfassungsverarbeitung der Ankunftszeit Tt schnell und effizient
auszuführen,
ist es wünschenswert,
die Erfassungszeitspanne an einen Ort zu setzen, wo die Ankunftszeit
Tt wahrscheinlich vorhanden ist, d. h. so, dass die Erfassungszeitspanne
unmittelbar vor der Umgebung eines Schnittpunktes mit einer Schwelle beginnt.
Zum Beispiel wird die Erfassungszeitspanne für die aktuelle und die nächste digitale
Signalform auf der Grundlage des verarbeiteten Ergebnisses der vorangehenden
digitalen Signalform gesetzt, wobei es, da es nicht wahrscheinlich
ist, dass die Ankunftszeit der aktuellen digitalen Signalform sich
von der Ankunftszeit der vorangehenden digitalen Signalform deutlich ändert, vorgezogen
wird, den Start der Erfassungszeitspanne zu ermitteln, indem über eine
vorgegebene Zeitspanne auf der Grundlage der Ankunftszeit der vorangehenden
digitalen Signalform zurückgegangen
wird. Genauer, da im Fall eines offenen Bohrlochs die Schallwelle,
die sich durch die unterirdische Formation ausbreitet, erfasst wird,
ist es wirksam, die Erfassungszeitspanne veränderlich für jede der digitalen Signalformen
zu setzen. Da andererseits im Fall eines Verschalungstyp-Bohrloches die
Ankunftszeit für
die Größe einer
gegebenen Verschalung gleich bleibt, ist es mög lich, eine feste Erfassungszeitspanne
zu verwenden.
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In 8 ist
Td die Startzeit der Ankunftszeit-Erfassungszeitspanne und wird
gesetzt, indem über
eine vorgegebene Zeitspanne von der Ankunftszeit Tp, die bei der
vorangehenden Verarbeitung ermittelt worden ist, zurückgegangen
wird, wobei sich zeigt, dass die Ankunftszeit Tt an einem positiv
verlaufenden Schnittpunkt der digitalen Signalform mit der hohen
Schwelle HT für
die erste Zeit gesetzt ist und die Erfassungszeitspanne hier endet.
Bei der Ermittlung der Ankunftszeit Tt beginnt eine Amplitudenmessungs-Zeitspanne
für die
Spitze E2 im Schritt 29 der 4,
wobei die Amplitudenmessungs-Zeitspanne an einem vorgegebenen Zeitpunkt
Ta endet. Außerdem
zeigt 9, dass eine digitale
Signalform sich zuerst auf einem Ausgangsnullpegel A0 des A/D-Umsetzers
befindet und sich zur ersten positiven Spitze E2 ändert. Die
Zeitpunkt, zu dem die digitale Signalform die niedrige Schwelle
LT zum ersten Mal schneidet, wird mit TLT bezeichnet,
während
der Zeitpunkt, zu dem die digitale Signalform die hohe Schwelle
HT zum ersten Mal schneidet, mit THT bezeichnet
wird. Der Zeitpunkt THT wird zur Ankunftszeit Tt,
die für
diese Signalform ermittelt wird. Außerdem wird der Amplitudenwert
der Spitze E2 durch Ad angegeben.
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Anschließend wird in den Schritten 26 bis 28 die 4 eine Niedrig- und Hoch-Schwellenerfassungsroutine
ausgeführt.
Diese Routine kann grundsätzlich
als in zwei Stufen unterteilt betrachtet werden. Nämlich (1)
eine Niedrig- und Hoch-Schwellenerfassung unter Verwendung abgetasteter
Signalformdaten, und (2) eine endgültige Hoch-Schwellenerfassung
mittels Interpolation von Signalformdaten. In der ersten Stufe,
wie in 10(a) gezeigt ist, werden digitale
Signalformabtastpunkte, die in einem Intervall von 10 Mikrosekunden
abgetastet worden sind, in einer Erfassungszeitspanne, die wie oben
beschrieben gesetzt ist, abgetastet, um somit die ersten Abtastpunkte
zu finden, die jeweils die Niedrigund Hoch-Schwellen LT und HT zum
ersten Mal in positive Richtung geschnitten haben. Im vorliegenden
Fall ist es der Abtastpunkt TLT, der die
niedrige Schwelle LT zum ersten Mal in positiver Richtung geschnitten hat,
und es ist der Abtastpunkt THT, der die
hohe Schwelle HT zum ersten Mal in positiver Richtung geschnitten
hat. Somit wird gemäß der Verarbeitung
der ersten Stufe der Abtastpunkt THT vorläufig als
die Ankunftszeit Tt ermittelt. Dies liegt daran, dass in dieser Ausführungsform
die Ankunftszeit als ein Zeitpunkt definiert ist, zu dem die erste
T-Welle die hohe Schwelle HT zum ersten Mal in positiver Richtung schneidet.
Wenn somit die Ankunftszeit anders definiert wird, kann ein spezifisches
Ver fahren zum Ermitteln der Ankunftszeit abweichen. Obwohl auf diese
Weise der Abtastpunkt THT vorläufig als
die Ankunftszeit dieser digitalen Signalform in Folge der ersten
Stufe dieser Routine ermittelt wird, kann ein Fall auftreten, bei
dem der Abtastpunkt THT tatsächlich weit
entfernt von der hohen Schwelle HT liegt. Dies liegt daran, dass
die jeweiligen Abtastpunkte über
das Abtastintervall von 10 Mikrosekunden bei der Datenerfassung
beabstandet sind. Selbst wenn somit das Abtastintervall ausreichend
fein ist oder das Abtastintervall relativ grob ist, jedoch der Abtastpunkt
THT, der durch die erste Stufe ermittelt
worden ist, die hohe Schwelle HT mit einer ausreichenden Genauigkeit
schneidet, kann diese Routine am Ende der ersten Stufe beendet werden.
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Diese Routine erlaubt, die Ankunftszeit
und hohe Genauigkeit zu ermitteln, indem ein Schnittpunkt zwischen
der digitalen Signalform und der hohen Schwelle HT genau geschätzt wird,
indem ein Interpolationsprozess in der zweiten Stufe ausgeführt wird.
Diese zweite Stufe entspricht der Schleife, die den Schritt 28 in 4 enthält. In der vorliegenden Ausführungsform
wird dieser Interpolationsprozess ebenfalls in zwei Stufen ausgeführt. Das
heißt,
an erster Stelle wird eine bandbegrenzte Interpolation, die in 10(b) gezeigt ist, ausgeführt, woraufhin eine
in 10(c) gezeigte lineare Interpolation
ausgeführt
wird. Wie in 10(b) gezeigt ist, wird
die bandbegrenzte Interpolation ausgehend vom Abtastpunkt (in diesem
Fall dem Abtastpunkt TLT) angewendet, der
den Abtastpunkt THT, der vorläufig als
Ankunftszeit Tt ermittelt worden ist, unmittelbar vorangeht, um
somit Interpolationspunkte in einem Intervall von 2,5 Mikrosekunden
zwischen den Abtastpunkten bei 10 Mikrosekunden in der digitalen
Signalform zu finden. Anschließend
wird eine Verarbeitung ausgeführt,
um einen Punkt (Abtastpunkt oder Interpolationspunkt) zu finden,
der die hohe Schwelle HT an der ersten Stelle in positiver Richtung
schneidet, sowohl für
die Abtast- als auch die Interpolationspunkte. In dieser Ausführungsform
wird der Interpolationspunkt THT' als Ergebnis
einer solchen Verarbeitung gefunden, so dass dieser Interpolationspunkte THT' vorläufig als
neu definierte Ankunftszeit Tt ermittelt wird. Anschließend, wie
in 10(c) gezeigt ist, werden zwei
Punkte (in diesem Beispiel der Abtastpunkt TLT und
der Interpolationspunkt THT'), die dem Schnittpunkt mit der
hohen Schwelle HT am nächsten
sind, gefunden, wobei eine lineare Interpolation für diese
zwei Punkte ausgeführt
wird, um einen Schnittpunkt THT'' mit der hohen Schwelte HT zu
berechnen, der anschließend
als die endgültige
Ankunftszeit Tt bestimmt wird. Wie oben beschrieben worden ist,
wird in der vorliegenden Ausführungsform die
Inter polationsverarbeitung in zwei Stufen ausgeführt, nämlich einer ersten Stufe mit
einer bandbegrenzten Interpolation und einer zweiten Stufe mit linearer
Interpolation, jedoch ist es selbstverständlich auch möglich, eine
Struktur zu schaffen, die nur die bandbegrenzte Interpolation oder
die lineare Interpolation in Abhängigkeit
von den Anwendungsbedingungen ausführt.
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Die obenbeschriebene bandbegrenzte
Interpolation ist auch als ein Verfahren für die Neuabtastung oder Bestimmung
der Interpolationspunkte zwischen Abtastpunkten mit einer höheren Auflösung als
die Abtastpunkte, die zum ersten Mal durch die Digitalisierung erhalten
worden sind, bekannt. Diesbezüglich
sei z. B. auf "Reconstruction
of Bandlimited Signal from its Samples", A. V. Oppenheim und R. W. Shafer,
Discrete Time Signal Processing, Inglewood Cliff, New Jersey, USA,
Prentice Hall, 1989, verwiesen. Bei der bandbegrenzten Interpolation
werden Abtastpunkte einer Signalform selbst für die Konstruktion eines Signalformsignals
zwischen den Abtastpunkten verwendet. Das heißt, eine interpolierte Amplitude
y(t) an einem gegebenen Punkt in einer Signalform zum Zeitpunkt
t kann durch die folgende bandbegrenzte Interpolationsgleichung
berechnet werden.
wobei y
i:
Amplitude des i-ten Signalform-Abtastwertes,
t
i:
Zeitpunkt des i-ten Signalform-Abtastwertes,
T: Abtastintervall,
n:
Anzahl der Signalform-Abtastwerte.
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Die obenbeschriebene bandbegrenzte
Gleichung erfordert jedoch die Verwendung aller Signalform-Abtastwerte
und ferner die Anwendung eines Filters mit der gleichen Menge wie
die Signalform. Um die Berechnung einer solchen übermäßigen Menge an Daten zu vermeiden,
wird in einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine modifizierte bandbegrenzte Interpolation
verwendet, in der ein Filter mit kürzerer Länge verwendet wird und eine
geringere Anzahl von Signalform-Abtastwerten um einen Punkt, der
interpoliert werden soll, verwendet werden kann. Diese modifizierte
bandbegrenzte Interpolationsgleichung wird wie folgt ausgedrückt:
wobei i
t:
Zeitindex, der t am nächsten
ist,
f: Filterlänge
in Abtastwertzahl, ungerade Zahl.
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Somit wird in der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung diese modifizierte bandbegrenzte Interpolationsgleichung
verwendet, um die Randbedingungen bei der Berechnung zu lockern
und die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen.
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Anschließend wird im Schritt 29 der 4 ein Amplitudenmessprozess
ausgeführt.
Im Amplitudenmessprozess wird eine Amplitude Ap der ersten ankommenden
Spitze gemessen. Diese Amplitudenmessung wird nach der Erfassung
der hohen Schwelle ausgeführt.
Die so gemessene Amplitude wird in der automatischen Verstärkungssteuerroutine
verwendet, die die hohen und niedrigen Schwellen HT und LT wie vorher
beschrieben ermittelt. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird diese Spitzenamplitude anhand der Signalform-Interpolationspunkte
ermittelt, die in einem Abtastintervall interpoliert worden sind,
das feiner ist als das Abtastintervall zum Zeitpunkt der Datenerfassung.
Außerdem
wird insbesondere im Fall eines Verschalungstyp-Bohrloches bei der
Ermittlung der endgültigen
Amplitude eine quadratische Interpolationsgleichung genutzt, die
durch eine parabelförmige Linie
genähert
wird.
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Eine Spitzenamplitudenmessungs-Zeitspanne
wird vor der Erfassung der Ankunftszeit gesetzt, wenn die Ankunftszeit-Erfassungszeitspanne
gesetzt wird. Die Spitzenamplitudenmessungs-Zeitspanne reicht von
Td bis Ta in 8. Die Messung der Spitzenamplitude
kann unabhängig
von oder gleichzeitig mit der Erfassung der niedrigen und hohen
Schwellen ausgeführt
werden, so dass selbst dann, wenn die Erfassung der niedrigen und
hohen Schwellen nicht ausgeführt
wird, die Erfassung der Spitzenamplitude ausgeführt werden kann. Andererseits
wird in dem Fall, in dem die hohe Schwelle zum Zeitpunkt Tt erfasst
wird, der Zeitpunkt Ta verändert,
so dass die Spitzenamplitudenmessungs-Zeitspanne nach einer vorgegebenen
Zeitspanne nach dem Zeitpunkt Tt endet. Die digitalen Signalform-Abtastwerte
innerhalb der Spitzenamplitudenmessungs-Zeitspanne werden abgetastet,
um die größte Spitze
zu finden. Wenn die Amplituden der beiden benachbarten vorangehenden
und folgenden Abtastpunkte (links und rechts im dargestellten Beispiel)
kleiner sind als die Amplitude eines aktuellen Abtastpunk tes, wird
der aktuelle Abtastpunkt als Spitze extrahiert, wobei die Spitze
mit der größten Amplitude
unter den so extrahierten Spitzen die Spitzenamplitude Ap wird.
Die Amplitudenmessung wird für
den Gleichspannungsoffset Ap angepasst. Es ist wichtig, den Endzeitpunkt
Ta so zu setzen, dass dann, wenn ein Schnittpunkt mit der hohen
Schwelle erfasst worden ist, irgendwelche folgenden P-Wellen, die
der ersten P-Welle folgen, nicht erfasst werden. Wenn ein Schnittpunkt
mit der hohen Schwelle erfasst worden ist, kann die Abtastung der
abgetasteten Datenpunkte gestoppt werden, wobei die Abtastung der
Interpolationscode zwischen den abgetasteten Datenpunkten eingeleitet werden
kann.
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Das heißt, gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird zum Ausführen einer Amplitudenmessung
nach dem Finden des Interpolationspunkts THT' durch Ausführen der Hoch-Schwellenerfassung
unter Verwendung der in 10(a) gezeigten
digitalen Signalform-Abtastwerte und der Hoch-Schwellenerfassung
durch die in 10(b) gezeigte bandbegrenzte
Interpolation der Zeitpunkt nach 25 Mikrosekunden ausgehend von diesem
Interpolationspunkt als der Endpunkt Ta der Spitzenamplitudenmessungs-Zeitspanne
gesetzt. Unter den Abtastpunkten und Interpolationspunkten in einem
Intervall von 2,5 Mikrosekunden in der Spitzenamplitudenmessungs-Zeitspanne
wird der Punkt mit der größten Amplitude
als Spitzenamplitude Ap ermittelt. Wenn die Spitzenamplitudenerfassung nach
der Erfassung der hohen und niedrigen Schwellen ausgeführt werden
soll, ist es selbstverständlich möglich, die
Spitzenamplitudenerfassungsverarbeitung unter Verwendung der Daten
der 10(b) auszuführen. Insbesondere im Fall
eines Verschalungstyp-Bohrloches, wie in 11 gezeigt, kann eine verfeinerte endgültige Spitzenamplitude
Ap ermittelt werden, indem eine quadratische Interpolation mit einer
parabelförmigen
Näherung
unter Verwendung von drei Punkten nahe der Spitze ausgeführt wird.
Da die Amplitudenmessung ohne die quadratische Interpolation normalerweise
für die
automatische Verstärkungssteuerroutine
ausreicht, wird die Ermittlung der Spitzenamplitude unter Verwendung der
quadratischen Interpolation nur im Fall des Verschalungstyp-Bohrloches
ausgeführt.
Wenn jedoch eine Genauigkeit bei der automatischen Verstärkungssteuerungsroutine
erforderlich ist, kann die Ermittlung der Spitzenamplitude ebenfalls
unter Verwendung der quadratischen Interpolation ausgeführt werden.
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Im Folgenden wird die Fehlerprüfroutine
beschrieben, die im Schritt 30 der 4 als Zyklusauslassungs-Wiederherstellungslogik
bezeichnet ist. In diesem Schritt nach der Ermittlung der Ankunftszeit Tt
durch den Hoch- Schwellenerfassungsprozess wird
ermittelt, ob sie als die Ankunftszeit ausgegeben wird. Diese Fehlerprüfroutine
ermittelt, ob der Hoch-Schwellenerfassungsprozess die Ankunftszeit falsch
erzeugt hat. Wenn ermittelt wird, dass die Ankunftszeit falsch erzeugt
worden ist, wird die Ankunftszeit, die im vorangehenden Erfassungsprozess erhalten
worden ist, erneut ausgegeben. Außerdem ermittelt diese Fehlerprüfroutine,
ob es notwendig ist, die automatische Verstärkungssteuerroutine und die Erfassungszeitspannen-Steuerroutine
außer
Kraft zu setzen, wenn nicht angenommen wird, dass der Erfassungsprozess
korrekt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, wie vorher beschrieben worden ist, wird
in dem Fall, in dem das während
der Rauscherfassung für
die Grundlinie der digitalen Signalform erfasst worden ist, in drei
Arten von niedrigen, mittleren und hohen Rauschen klassifiziert
wird, wenn das Rauschen als niedriges Rauschen klassifiziert wird
und das Erfassungsergebnis durch die Niedrig- und Hoch-Schwellenerfassung
konsistent ist, das Erfassungsergebnis durch diese Fehlerprüfroutine
als gültig
beurteilt. Wenn andererseits keine Konsistenz für das Erfassungsergebnis vorliegt, indem
die Niedrig- und Hoch-Schwellenerfassung oder das Rauschen als mittleres
oder hohes Rauschen klassifiziert wird, beurteilt diese Fehlerprüfroutine
dieses Erfassungsergebnis als ungültig. In der obigen Ausführungsform
wird die Interpolationsverarbeitung im Fall der Hoch-Schwellenerfassung
ausgeführt,
wobei keine Interpolationsverarbeitung im Fall der Niedrig-Schwellenerfassung
ausgeführt
wird. Dies liegt daran, dass die Auflösung von 10 Mikrosekunden normalerweise
für die
Niedrig-Schwellenerfassung ausreicht. Wenn jedoch eine höhere Auflösung auch
in der Niedrig-Schwellenerfassung benötigt wird, ist es selbstverständlich möglich, eine ähnliche
Interpolationsverarbeitung auch in der Niedrig-Schwellenerfassung
auszuführen.
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Anschließend, wie in 4 gezeigt ist, wird nach Abschluss des
Fehlerprüfschritts 30 die
gesamte Erfassungssequenz, die in 4 gezeigt
ist, wiederholt für
dieselbe digitale Signalform ausgeführt, wobei die Erfassungssequenz
mindestens zwei Mal für
dieselbe digitale Signalform wiederholt wird. Dies liegt daran,
dass in dem Fall, in dem die Erfassungssequenz der 4 zum ersten Mal für eine spezifische digitale
Signalform ausgeführt
wird, die Erfassungssequenz unter Verwendung der Werte ausgeführt wird,
die vom Benutzer gesetzt worden sind, oder der Werte, die in der
vorangehenden Erfassungssequenz erhalten worden sind, wobei im Fall der
Ausführung
der Erfassungssequenz zum zweiten Mal die Schwelle genutzt werden
kann, die für
die Spitzenamplitude ge setzt worden ist, die durch Ausführen der
Erfassungssequenz beim ersten Mal für die spezifische digitale
Signalform erhalten worden ist. Obwohl somit die gesamte Sequenz
zwei Mal für dieselbe
digitale Signalform wiederholt wird, erlaubt dies, die Genauigkeit
des erhaltenen Ergebnisses deutlich zu verbessern, wobei ein dreimaliges
Ausführen
der gesamten Sequenz aufgrund einer Erhöhung der Berechnungszeit nicht
unbedingt vorteilhaft ist. Es trifft jedoch zu, dass mit einer höheren Anzahl an
Wiederholungen die Zuverlässigkeit
höher wird.
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Obwohl oben spezifische Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, sollte die vorliegende
Erfindung nicht auf diese spezifischen Ausführungsformen beschränkt sein, wobei
verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom technischen
Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Auswirkungen
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine digitale Verarbeitung im Bohrloch ausgeführt, wobei es
nur erforderlich ist, eine minimale Menge an Daten mittels einer
Telemetriekommunikation zu einer Bodenoberflächen-Verarbeitungsvorrichtung
zu übertragen,
so dass die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Fehlern minimiert
wird. Da außerdem
die Bandbreite der Telemetriekommunikation entlastet wird, werden
die Bedingungen für
die Telemetriekommunikation gelockert und eine Kostenreduktion ermöglicht.
Da außerdem
die Zeit für
die Telemetriekommunikation minimiert wird, wird die Geschwindigkeit
der Schallprotokollierungsoperation erhöht.