FR2716492A1 - Procédé et appareil pour communiquer des données dans un trou de sonde et détecter l'arrivée d'un gaz. - Google Patents
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Abstract
Un transducteur assure la transmission acoustique dans un trou de sonde et comprend des entrefers de circuit magnétique et des enroulements électriques. Des sections de transition et à réflecteur et un agencement de coupleur directionnel et de résonateur sont décrits. Un système de communication, décrit, comprend au moins un émetteur-récepteur de fond et un émetteur-récepteur de surface relié à un ordinateur envoyant des commandes à celui de fond. Postérieurement, l'émetteur-récepteur de fond transmet des données codées depuis les capteurs en sous sol à celui de surface. On utilise notamment la modulation à déplacement minimal (MSK) dans les deux sens de transmission. Le canal acoustique permet au système de sélectionner les meilleures fréquence et bande passante, le système réalisant un fonctionnement synchrone en transmettant des signaux de synchronisation entre les deux émetteurs-récepteurs, avant que les unités n'échangent les commandes et les données.
Description
La présente invention se rapporte à :
(a) un transducteur pouvant être utilisé pour transmettre et recevoir des données dans un trou de sonde; (b) un système de communication destiné à améliorer la communication des données dans un trou de sonde; (c) une application du transducteur dans un système de mesure en cours de forage; et (d) une application du transducteur et du système de communication afin de détecter l'arrivée de gaz dans un trou de sonde.
L'un des problèmes les plus difficiles associés à tout trou de sonde est la communication de renseignements entre un ou plusieurs emplacements situés dans le fond d'un trou de sonde et la surface, ou entre des emplacements dans le trou de sonde. Par exemple, une communication est souhaitée par l'industrie pétrolière pour récupérer, à la surface, des données générées dans le trou durant des opérations de forage, y compris durant des périodes de repos intercalées avec des opérations réelles de forage ou pendant des manoeuvres d'aller et retour; pendant des opérations de complétion telles que la perforation, la fracturation ou l'essai du puits ou de tiges de forage; et pendant des opérations de production telles que l'essai d'évaluation du réservoir, le contrôle de la pression et de la température.
Une communication est également souhaitée dans cette industrie pour transmettre des renseignements depuis la surface à des outils ou des instruments se trouvant en fond de trou pour effectuer, commander ou modifier des opérations ou des paramètres.
Une communication précise et fiable avec le fond du trou est particulièrement importante lorsque des données (renseignements) doivent être communiquées. Cette information se présente souvent sous la forme d'un signal numérique codé.
Une approche qui a été largement prise en considération pour une communication ou transmission dans un trou de forage est l'utilisation d'une connexion directe par fils entre la surface et un ou plusieurs emplacements en fond de trou. La communication peut alors s'effectuer par l'intermédiaire d'un signal électrique empruntant le fil.
Bien qu'un travail important ait été consacré à une communication ou transmission "par fil", cette approche n'a pas été adoptée dans l'industrie, car elle s'est avérée très coûteuse et peu fiable. Par exemple, une difficulté rencontrée avec cette approche est que, étant donné que le fil est souvent posé par l'intermédiaire de nombreuses longueurs de masses-tiges de forage ou de colonne de production, il n'est pas rare qu'une rupture ou une mauvaise connexion de fil apparaisse au moment de l'installation initiale de l'ensemble à fils. Bien qu'il ait été proposé (voir brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 215 426) d'éviter les problèmes associés à un couplage électrique direct de masses-tiges de forage en établissant un couplage par induction pour la liaison de communication en un tel emplacement, un couplage par induction présente, entre autres problèmes, une perte importante du signal à chaque couplage.
Il repose aussi sur la mise en place d'agencements spéciaux et complexes de rames de forage.
Une autre technique de communication en trou de forage qui a été étudiée est la transmission d'ondes acoustiques. Ces ondes physiques ont besoin d'un milieu de transmission qui les propage. On reconnaîtra que des éléments tels que des variations des couches de terrain, le profil de densité, etc., rendent la terre totalement impropre en tant que milieu de transmission pour une communication acoustique.
En raison de ces problèmes connus, on s'est généralement limité, dans cette technique, à explorer une communication acoustique par l'intermédiaire de milieux en rapport avec les trous de sonde.
On a consacré beaucoup de travaux à développer un système approprié de communication acoustique dans lequel la masse-tige de forage ou la colonne de production, elle-même, dans le trou de forage, agit en tant que milieu de transmission. Un problème majeur associé à de tels agencements est dû au fait que les configurations de masses- tiges de forage ou de colonnes de production varient en général notablement dans la direction longitudinale. Ces variations sont habituellement différentes dans chaque trou.
De plus, la configuration d'un trou particulier peut varier avec le temps du fait, par exemple, de l'addition d'outils ou d'une colonne à la rame. Il en résulte qu'aucun système à usage général, reposant sur une transmission par masse-tige de forage ou colonne de production, n'a été accepté de façon significative sur le marché.
On a également consacré des efforts à l'utilisation d'un liquide à l'intérieur d'un trou de sonde en tant que milieu de transmission acoustique. A première vue, on pourrait penser que l'utilisation d'un liquide en tant que milieu de transmission dans un trou de sonde constitue une approche relativement simple, du fait de la large utilisation et des développements importants de systèmes de communication et de systèmes sonar reposant sur la transmission acoustique dans l'océan.
La transmission acoustique via un liquide à l'intérieur d'un trou de sonde est considérablement différente de la transmission acoustique en océan ouvert en raison des problèmes associés aux limites entre le liquide et les structures le confinant dans un trou de sonde. Des critères concernant ces problèmes sont d'une importance primordiale. Cependant, du fait de l'aspect attractif du concept d'une transmission acoustique dans un liquide indépendamment de son mouvement, il a été proposé, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3 964 556, un système utilisant des variations de pression dans un liquide non en mouvement, pour communiquer. Cependant, un tel système ne s'est pas avéré pratique, car il ne s'agit pas d'un système autonome et un certain mouvement du liquide s'est avéré nécessaire pour transmettre des variations de pression.
Compte tenu de ce qui précède, une communication significative d'informations par des liquides de trou de sonde était limitée à des systèmes qui faisaient appel à l'écoulement du liquide pour transporter une modulation acoustique d'un point d'émission jusqu'à un récepteur. Cette approche est généralement appelée dans la technique "processus MWD" (mesure en cours de forage). Les développements le concernant ont été limités à une communication durant la phase de forage de la durée de vie d'un trou de sonde, principalement du fait que c'est uniquement durant le forage que l'on peut s'assurer d'un fluide pouvant être modulé en écoulement entre l'emplacement du forage et la surface. La plupart des systèmes MWD sont également limités du fait de l'opération de forage elle-même.
Par exemple, il n'est pas inhabituel que l'opération de forage doive être arrêtée pendant une communication pour éviter le bruit associé à ce forage. De plus, une communication durant les opérations d'aller et retour est impossible.
Malgré les problèmes posés par la communication MWD, le désir d'obtenir une bonne communication en trou de sonde a entraîné une recherche importante portant sur ce mode de communication. Il en est résulté un nombre important de brevets concernant le processus MWD, dont un grand nombre porte sur des solutions proposées aux divers problèmes qui ont été rencontrés. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 215 426 décrit un agencement dans lequel de l'énergie (plutôt qu'une communication) est transmise au fond de trou par modulation de fluide apparentée à la communication MWD, énergie dont une partie est évacuée en divers emplacements en fond de trou pour alimenter des repéteurs d'un système de transmission pour une communication par fils.
La mise au point d'une communication utilisant des ondes acoustiques se propageant à travers des fluides non en écoulement dans un trou de sonde a été ralentie par l'absence d'un transducteur convenable. Pour être mis en pratique dans une application à un trou de sonde, un tel transducteur doit s'ajuster dans une enceinte sous pression d'un diamètre extérieur ne dépassant pas 3,175 cm (1,25 pouce), fonctionner à des températures pouvant s'élever à 150 c sous pression pouvant s'élever à 1000 bars, et survivre dans l'environnement de travail, aux opérations de manutention et de descente dans un puits. Il faut également prendre en considération pour un tel transducteur les différences notables entre une communication dans un environnement formé d'un fluide libre, par exemple dans l'océan, et un agencement à fluide confiné, par exemple dans un trou de sonde.
La mise au point d'une communication utilisant des ondes acoustiques se propageant à travers des fluides non en écoulement dans un trou de sonde a été ralentie par le fait que 1' environnement du trou de sonde est extrêmement bruyant. De plus pour être pratique, un système de communication acoustique utilisant un liquide non en écoulement, doit être très adaptable à des modifications survenant dans le canal de trou de sonde et doit fournir une quantité de données sûres et fiables en dépit de telles modifications.
En ce qui concerne le transducteur, la présente invention concerne un transducteur pratique pour communication acoustique dans un trou de sonde. Ce transducteur est capable de générer des ondes acoustiques ou de réagir à de telles ondes dans un liquide visqueux confiné dans un trou de sonde. On prend en considération, dans sa conception, la nature du guide d'ondes formé par un trou de sonde. A cet égard, il est apparu que, pour être mis en pratique, un transducteur acoustique pour trou de sonde doive générer des ondes acoustiques, ou réagir à des ondes acousti- ques, ayant des fréquences inférieures à 1 kHz, avec des bandes passantes de quelques dizaines de hertz, de façon efficace dans divers liquides. Il doit pouvoir se comporter ainsi tout en présentant un déplacement important et en ayant une impédance mécanique inférieure à celle des dispositifs classiques utilisés en océan ouvert. Le transducteur de l'invention satisfait ces critères, ainsi que les critères de dimension et de fonctionnement mentionnés précédemment.
Le transducteur de l'invention possède de nombreuses particularités qui contribuent à ses possibilités.
Il est similaire à un haut-parleur à bobine mobile dans lequel un mouvement d'un bobinage électrique par rapport à un flux magnétique dans l'entrefer d'un circuit magnétique est utilisé pour effectuer une conversion entre de l'énergie électrique et un mouvement mécanique. Il utilise la même interaction pour l'émission et la réception. Une particularité dominante du transducteur de l'invention est que plusieurs entrefers sont utilisés avec un nombre correspondant (et des emplacements correspondants) de bobinages électriques. Ceci facilite le développement, avec un tel agencement de faible diamètre, des forces et des déplacements qui s'avèrent être nécessaires pour la transduction des ondes à basse fréquence demandées pour une transmission appropriée à travers un fluide visqueux non en écoulement, confiné dans un trou de sonde. De plus, on peut inclure un résonateur en tant que partie du transducteur, si cela est souhaité, pour établir une charge élastique en retour.
L'invention englobe plusieurs agencements destinés à assurer une bonne transmission des ondes acoustiques dans le trou de sonde. Pour l'un d'eux, une section de transition est incluse pour établir une adaptation d'impédance acoustique entre des sections du trou de sonde ayant des aires notablement différentes, en coupe transver- sale, par exemple entre la section du trou de sonde compor- tant le transducteur et toute section adjacente du trou de sonde. A cet égard, lorsque l'on se réfère, dans ce mémoire, à l'aire de la "coupe transversale", on considère l'aire de la coupe transversale du canal de transmission (commu- nication). Dans un autre agencement, un dispositif à coupleur directionnel est décrit, lequel est au moins partiellement destiné à empêcher une transmission dans le sens opposé au sens de la communication souhaitée dans le trou de sonde. En particulier, une section de réflexion est définie dans le trou de sonde, laquelle section est espacée généralement d'un nombre impair de quarts d'ondes du transducteur et est placée dans un sens opposé à celui souhaité pour la communication, afin de renvoyer par réflexion, dans le sens approprié de communication, toutes ondes acoustiques reçues par cette section, qui se propagent dans le mauvais sens. Il est très souhaitable, comme décrit en détail ci-après, de mettre en place un nombre multiple de sections de réflexion satis- faisant ces critères.
Un coupleur bidirectionnel spécial, basé sur une charge de réaction du piston du transducteur, peut également être prévu à cet effet. Il est très souhaitable que le transducteur de communication acoustique en trou de sonde selon l'invention présente une chambre définissant une charge élastique de réaction pour le piston, à travers laquelle s'étend une fenêtre qui est espacée de l'emplacement auquel la partie restante du transducteur interagit avec du liquide se trouvant dans le trou de sonde, généralement d'un nombre impair de quarts d'ondes de la fréquence nominale de la longueur d'onde central d'ondes de communication potentielle aux emplacements de ladite fenêtre et au point d'interaction.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront décrits ou ressortiront de la description détaillée suivante et non limitative.
En ce qui concerne le système de communication, la présente invention concerne un système de communication acoustique dans un trou de sonde pratique. Il est capable de communiquer à la fois dans des liquides visqueux en écoulement ou non en écoulement et qui sont confinés dans un trou de sonde, bien que de nombreuses caractéristiques de ce système soient utiles dans une communication de trou de sonde, la colonne de production ou la masse-tige de forage constituant le milieu acoustique. Sa conception, cependant, prend en considération la nature de guide d'onde d'un trou de sonde. Il s'est avéré que pour qu'un système de communication acoustique dans un trou de sonde soit pratique, il devait fonctionner à des fréquences inférieures à 1 kHz dans une largeur de bande passante appropriée. La bande passante dépend de divers facteurs, y compris le rendement du milieu de transmission. Il s'est avéré qu'une bande passante de plusieurs Hertz au moins était nécessaire pour une communication efficace dans divers liquides. Le système doit transférer les informations d'une façon robuste et fiable, même durant des périodes de bruit acoustique excessif et dans un environnement dynamique.
Une importante caractéristique de l'invention est que le système de communication acoustique caractérise le canal de transmission lorsque (1) le fonctionnement du système est démarré et (2) lorsque la synchronisation entre l'émetteur-récepteur acoustique de fond de trou (DAT) et l'émetteur-récepteur acoustique de surface (SAT) est perdue.
Pour faciliter la caractérisation du canal, un signal "modulé en fréquence" à large bande (un signal ayant son énergie distribuée à travers le spectre candidat) est transmis du DAT au SAT. Le signal reçu est traité pour déterminer la partie du spectre qui donne un rapport signal-bruit exceptionnel et une bande passante capable d'assurer la transmission des données.
Une autre caractéristique importante de l'invention est de réaliser une communication à deux sens entre des emplacements. Chacun des transducteurs de communication est un émetteur-récepteur destiné à recevoir les signaux acoustiques provenant de, et pour communiquer des signaux acoustiques au liquide de trou de sonde (préférable- ment) immobile. La communication est réciproque en ce sens qu'elle est réalisée en s'assurant que l'impédance de charge électrique pour la réception d'un signal acoustique provenant du liquide du trou de sonde est égale à l'impédance source d'un tel émetteurrécepteur pour la transmission. Il est très désirable que les émetteursrécepteurs soient synchronisés dans le temps pour assurer un système de communication solide. La synchronisation initiale s'accomplit à travers la transmission d'un signal de synchronisation sous la forme d'une séquence à impulsions modulées en fréquence répétitive par l'une des unités, l'émetteur-récepteur acoustique de fond de trou (DAT) dans la réalisation préférée, par exemple.
L'émetteur-récepteur acoustique de surface (SAT) traite la séquence reçue afin d'établir une synchronisation d'horloge approximative. Lorsque la communication se fait entre un emplacement de fond de trou et la surface, comme dans la réalisation préférée, il est préférable que la plupart, sinon la totalité, du traitement des données prennent place à la surface o l'espace n'est pas limité.
La première synchronisation n'est qu'une approximation. Une caractéristique dominante supplémentaire est qu'un second signal de synchronisation est transmis du SAT au DAT pour affiner une telle synchronisation. Le second signal de synchronisation comprend deux tonalités, chacun à une fréquence différente. L'analyse des signaux de ces tonalités par le DAT permet la synchronisation du DAT devant être ajustée de façon synchrone avec le SAT.
Bien que le système de communication de l'invention soit particulièrement destiné à l'utilisation d'un liquide de trou de sonde en tant que milieu de transmission, nombreuses sont ces caractéristiques à pouvoir être utilisées pour améliorer la transmission acoustique lorsque le système de transmission utilise une masse-tige de forage, une colonne de production ou d'autres moyens s'étendant dans un trou de sonde en tant que milieu de transmission. Par exemple, il fournit la correction d'horloge durant les données de temps qui sont transmises.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront ou seront décrits en regard de la description détaillée suivante d'une réalisation préférée et des alternatives.
En ce qui concerne l'application de mesures en cours de forage, alors que la réalisation préférée de la présente invention décrite ici est l'utilisation du système de communication dans un puits de production de pétrole et de gaz, il est également possible d'utiliser le transducteur et le système de communication de la présente invention durant les opérations de forage pour transmettre les données, préférablement à travers le fluide de forage, (1) des points sélectionnés de la rame de forage ou (2) entre un point sélectionné de la rame de forage et la surface terrestre. La présente invention peut être utilisée en parallèle avec un système de transmission des données de mesure en cours de forage conventionnel ou en tant que substitut pour un système de transmission des données de mesure en cours de forage conventionnel. La présente invention est supérieure aux systèmes de transmission des données de mesure en cours de forage conventionnels dans la mesure o la communication intervient lorsqu'il n'y a pas de circulation de fluide dans le trou de sonde. La présente invention peut être utilisée pour une transmission bidirectionnelle des données et des signaux de télécommande dans le trou de sonde.
En ce qui concerne la détection d'arrivée de gaz, le transducteur et le système de communication de la présente invention peuvent être également utilisés dans un trou de sonde afin de détecter l'entrée de gaz naturel dans le trou de sonde, typiquement pendant les opérations de forage et de complétion. Comme les personnes versées dans l'art le comprendront, l'introduction de gaz à haute pression dans une colonne de fluide d'un trou de sonde peut résulter en une perte de commande du puits, et dans le pire cas, peut se traduire par une éruption du puits. Les technologies présentes sont inappropriées à la fois pour déterminer (1) qu'une arrivée de gaz indésirable ayant eu lieu et (2) la position de la "bulle" de gaz dans la colonne de fluide (avoir présent à l'esprit que l'arrivée de gaz se déplace ill généralement vers le haut dans la colonne de fluide). La présente invention peut être utilisée pour déterminer si une bulle de gaz est présente ou non dans la colonne de fluide et pour fournir une indication générale de la position de la bulle de gaz dans la colonne de fluide. Avec ces informations, l'opérateur de puits peut prendre des mesures préventives pour éviter la perte de commande du puits, par exemple, en augmentant ou en diminuant le "poids" (densité) de la colonne de fluide.
D'autres objets, caractéristiques et avantages
ressortiront de la description écrite qui suit.
L'invention elle-même, ainsi qu'un mode de réalisation préféré de l'invention, ses objets et avantages supplémentaires, seront mieux compris en se référant à la description détaillée suivante d'un mode de réalisation lorsqu'elle est lue en conjonction avec les dessins dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique globale en coupe illustrant un emplacement possible dans un trou de sonde pour une forme de réalisation de l'invention; la figure 2 est une vue schématique à échelle agrandie d'une partie de l'agencement montré sur la figure 1; la figure 3 est une vue globale en coupe d'un mode de réalisation du transducteur selon l'invention; la figure 4 est une vue en coupe à échelle agrandie d'une partie de la forme de réalisation montrée sur la figure 3; la figure 5 est une vue en coupe transversale suivant la ligne 5-5 de la figure 4; la figure 6 est une vue en coupe quelque peu schématique et partielle montrant le circuit magnétique établi par la forme de réalisation illustrée sur les figures 3 à 5; la figure 7A est une vue schématique correspondant à la forme de réalisation de l'invention représentée sur les figures 3 à 6 et la figure 7B est une vue schématique d'une variante de cette forme de réalisation; les figures 8 à 11 sont des vues en coupe illustrant diverses variantes de réalisation; la figure 12 est une vue schématique en coupe d'une combinaison préférée de ces éléments; la figure 13 est une vue globale en coupe d'une autre forme de réalisation de l'invention; la figure 14 est une vue en coupe à échelle agrandie d'une partie de la forme de réalisation représentée sur la figure 13; les figures 15A à 15C sont des vues schématiques en coupe de diverses formes de réalisation d'une partie à coupleur directionnel de l'invention; la figure 16 est une vue en coupe globale quelque peu schématique illustrant une forme de réalisation de l'invention, un emplacement potentiel dans un trou de sonde dans la même forme de réalisation; la figure 17 est un bloc diagramme d'une réalisation préférée de l'invention; la figure 18 est un schéma fonctionnel illustrant le processus de synchronisation de la partie de l'émetteur- récepteur acoustique de fond de trou de la réalisation préférée de la figure 17; la figure 19 est un schéma fonctionnel illustrant le processus de synchronisation de la partie émetteurrécepteur acoustique de surface de la réalisation préférée de la figure 2; les figures 20A, 20B et 20C illustrent la structure du signal de synchronisation; la figure 21 est un bloc diagramme détaillé de l'émetteur-récepteur acoustique du fond de trou; la figure 22 est un bloc diagramme détaillé de l'émetteur-récepteur acoustique de surface; la figure 23 illustre les seconds signaux de synchronisation et les signaux de corrélation résultants; la figure 24 illustre l'utilisation du transducteur et du système de communication de la présente invention dans une rame de forage durant les opérations de forage afin de transmettre les données entre les emplacements sélectionnés de la rame de forage; les figures 25 et 26 sont utilisées pour illustrer l'application du transducteur et du système de communication de la présente invention durant les opérations de forage afin d'identifier et de détecter l'arrivée de gaz dans une colonne de fluide d'un trou de sonde; et les figures 27 et 28 sont des représentations de bloc diagramme d'un système de communication des données alternatif pour la présente invention.
En ce qui concerne le transducteur, le transducteur de la présente invention est décrit en se référant aux figures 1 à 15.
En référence à la figure 1, un trou de sonde, désigné globalement par la référence numérique 11, est illustré, s'étendant dans la terre 12. Le trou de sonde 11 est représenté sous la forme d'un trou de complétion de produit pétrolier, à titre illustratif. A cet égard, il comprend un tubage indiqué schématiquement en 13 et une colonne 14 de production dans laquelle s'écoule le pétrole ou autre produit pétrolier souhaité. L'espace annulaire compris entre le tubage et la colonne de production est rempli d'un liquide de complétion représenté par des points 16. La viscosité du liquide de complétion peut être toute viscosité comprise dans une large gamme de viscosités possibles. Sa masse volumique peut également être d'une valeur quelconque comprise dans une large gamme, et il peut comprendre des constituants liquides corrosifs comme un sel à haute densité tel qu'un composé de sodium, de potassium et/ou de brome.
Conformément à la pratique classique, un obturateur annulaire ou packer, représenté en 17, est prévu pour séparer de façon étanche le trou de sonde et le fluide de complétion du produit pétrolier souhaité. La colonne 14 de production s'étend à travers le packer, comme illustré, et peut comprendre une soupape de sûreté, des instruments de collecte de données, etc., situés du côté pétrole du packer ou obturateur annulaire 17.
Un support 19 pour le transducteur de l'invention est prévu sur l'extrémité inférieure de la colonne 14. Comme illustré, une section 21 de transition et l'une ou plusieurs sections 22 de réflexion, lesquelles sections sont décrites plus en détail ci-dessous, séparent le support de la partie restante de la colonne de production. Ce support présente une ouverture allongée 23 à l'intérieur de laquelle le transducteur de communication selon l'invention est maintenu d'une manière classique, par exemple par des colliers ou analogues. Un instrument de collecte de données, un bloc à batterie, etc. peuvent également être logés à l'intérieur de l'ouverture allongée 23.
C'est le liquide 16 de complétion qui agit en tant que milieu de transmission pour des ondes acoustiques produites par le transducteur mais d'autres fluides peuvent être utilisés pour la transmission, y compris mais non limités à ceux-ci, les fluides de productions, les fluides de forages, l'eau salée ou douce. Une communication entre le transducteur et l'espace annulaire qui confine ce liquide est représentée par un orifice 24 sur les figures 1 et 2. Des données peuvent être transmises à travers l'orifice 24 au liquide de complétion et donc par celui-ci conformément à l'invention. Par exemple, on peut utiliser une bande prédéterminée de fréquences pour une signalisation par des techniques de codage et de modulation, des données binaires peuvent être codées dans des blocs, un certain contrôle d'erreur peut être ajouté et les blocs transmis en série par une modulation de fréquence (FSK) ou une modulation de phase (PSK). Le récepteur, ensuite, démodule et contrôle chaque bloc pour la détection d'erreurs.
L'espace annulaire au niveau du support 19 est d'une aire en coupe transversale notablement inférieure à celle de la plus grande partie du puits contenant, sur sa plus grande longueur, uniquement la colonne 14 de production.
Il en résulte une désadaptation correspondante des admittances acoustiques caractéristiques. La fonction de la section 21 de transition est deminimiser les réflexions provoquées par la désadaptation entre la section ayant le transducteur et la section adjacente. Sa longueur nominale est d'un quart d'onde à la fréquence centrale souhaitée et la vitesse du son dans le fluide, et elle est choisie de façon à avoir un diamètre tel que l'aire de l'espace annulaire entre elle et le tubage 13 soit égale à la moyenne géométrique du produit des aires annulaires adjacentes, c'est-à-dire les aires annulaires définies par la colonne 14 de production et le support 19. D'autres sections de transition peuvent être prévues comme nécessaires dans le trou de sonde pour atténuer les désadaptations des admittances acoustiques le long du trajet de communication.
Des réflexions à partir de l'obturateur annulaire ou packer (ou du fond du puits dans d'autres formes de réalisation) sont minimisées par la présence d'un nombre multiple de sections ou gradins de réflexion au- dessous du support, dont le premier est indiqué par la référence numérique 22. Il établit une transition avec l'aire annulaire maximale possible un quart d'onde au-dessous de l'orifice de communication du transducteur. Il est suivi par une section tubulaire 25 longue d'un quart d'onde établissant une aire annulaire pour le liquide avec l'aire minimale en coupe transversale à laquelle il ferait autrement face. Chacune des sections ou chacun des gradins de réflexion peut avoir une longueur égale à un multiple de quarts d'onde. Les sections 19 et 21 doivent être d'un nombre impair de quarts d'onde, alors que la section 25 doit être d'un nombre impair ou pair (y compris zéro) de quarts d'onde, suivant que le dernier étage avant l'obturateur annulaire 17 présente ou non une coupe transversale grande ou petite. Il doit être d'un nombre pair (ou égal à zéro) sur le dernier gradin avant que l'obturateur annulaire passe d'une coupe transversale importante à une coupe transversale petite.
Bien que le premier gradin ou la première section de réflexion, comme décrit ici, soit le plus efficace, chaque gradin ou chaque section supplémentaire pouvant être ajouté améliore le degré et la bande passante d'isolement. (La section 21 de transition, la section 22 de réflexion et la section tubulaire peuvent toutes être considérées comme faisant partie de la combinaison constituant le transducteur préféré de l'invention.) Un transducteur de communication destiné à recevoir les données est également prévu à l'emplacement dans lequel on souhaite avoir de telles données. Dans la plupart des agencements, il s'agit de la surface du puits, et les circuits électroniques pour la commande du récepteur et l'analyse des données communiquées se trouvent aussi à la surface ou, dans certains cas, en un autre emplacement. Le transducteur récepteur 24 est le plus avantageusement une reproduction, en principe, du transducteur décrit. (Il est représenté sur la figure 1 par une case 25 à la surface du puits). Les circuits électroniques de communication et d'analyse sont représentés par une case 26.
L'homme de l'art reconnaîtra que l'agencement de transducteur acoustique de l'invention n'est pas nécessairement limité à une communication depuis le fond du puits jusqu'à la surface; par exemple, on peut placer les transducteurs pour une communication entre deux emplacements différents en fond de trou. Il est également important de noter que le principe sur lequel est basé le transducteur de l'invention se prête de lui-même à une conception bidirectionnelle, c'est-à-dire qu'un transducteur unique peut être conçu à la fois pour convertir un signal électrique de communication en ondes acoustiques de communication, et vice versa.
Une forme de réalisation du transducteur de l'invention est désignée globalement par la référence numérique 26 sur les figures 3 à 6. Ce mode particulier de réalisation se termine, à une extrémité, dans un obturateur 27 de couplage ou d'extrémité qui est vissé dans un corps 28 de vessie. Une vessie 29, destinée à être gonflée par pression, est prévue dans un tel corps. Le corps 28 présente des orifices 31 permettant un écoulement libre vers l'intérieur de celui-ci du liquide de complétion du trou de sonde pour qu'il interagisse avec la vessie. Cette vessie communique par un tube avec un alésage 32 s'étendant à travers un coupleur 33. L'alésage 32 se termine dans un autre tube 34 qui s'étend jusque dans un résonateur 36. La longueur du résonateur est nominalement d'un quart de la longueur d'onde (A/4) dans le liquide à l'intérieur du résonateur 36.
Le résonateur est rempli d'un liquide qui satisfait les critères constitués par de faibles densité, viscosité, vitesse du son, teneur en eau, pression de vapeur et coefficient de dilatation thermique. Etant donné que certaines de ces exigences sont contradictoires entre elles, un compromis doit être établi, sur la base des conditions d'application et des contraintes de conception. Les meilleurs choix ont donc été jusqu'à présent trouvés parmi les huiles aux silicones des séries 200 et 500 de la firme Dow Corning, des huiles de réfrigération telles que l'huile "Capella B", et des hydrocarbures légers tels que le kérosène. La fonction de l'ensemble à vessies est de permettre la dilatation d'un tel liquide, comme cela est nécessaire du fait de la pression et de la température, du liquide se trouvant à l'emplacement en fond de trou du transducteur.
Le transducteur de l'invention génère (ou détecte) de l'énergie sous forme d'ondes acoustiques au moyen de l'interaction du piston se trouvant dans le boîtier du transducteur avec le liquide du trou de sonde. Dans cette forme de réalisation, ceci est effectué par un mouvement d'un piston 37 dans une chambre 38 remplie du même liquide que celui remplissant le résonateur 36. Ainsi, l'interaction du piston 37 avec le liquide du trou de sonde est indirecte, c'est-à-dire que le piston n'est pas en contact direct avec ce liquide. Les ondes acoustiques sont générées par une expansion et une contraction d'un piston 37 du type à soufflet dans la chambre 38 du boîtier. A cet égard, une extrémité du soufflet de l'agencement à piston est fixée de façon permanente autour d'une petite ouverture 39 d'une structure 41 de cornet afin qu'un mouvement alternatif de l'autre extrémité du soufflet provoque l'expansion et la contraction souhaitées de ce dernier. Ces expansion et contraction provoquent des flexions correspondantes de diaphragmes isolants 42 dans les fenêtres 43 pour communiquer des ondes d'énergie acoustique au liquide du trou de sonde se trouvant sur l'autre côté de ces diaphragmes. Le résonateur 36 produit une charge élastique de réaction à ce mouvement du piston. Il convient de noter que le même liquide qui remplit la chambre du résonateur 36 et la chambre 38 remplit les diverses cavités de l'élément d'entraînement du piston, à décrire ci-après, et que la variation de forme volumétrique de la chambre 38 provoquée par le mouvement alternatif du piston a lieu avant qu'une égalisation de pression puisse se produire.
Une façon de considérer le résonateur est de considérer que sa chambre 36 agit, en fait, à la manière d'un tuyau d'accord pour renvoyer en phase au piston 37 l'énergie acoustique qui n'est pas transmise par le piston au liquide se trouvant dans la chambre 38 lorsque ce piston se déplace initialement. A cet effet, le piston 37, formé d'un soufflet 46 en acier (figure 4), est ouvert à l'extrémité entourant l'orifice 39 du cornet. L'autre extrémité du soufflet est fermée et comporte une barre d'entraînement 47 qui lui est fixée. La structure en cornet 41 fait communiquer le résonateur 36 avec le piston, et ce résonateur aide à assurer que toute l'énergie acoustique généree par le piston n'aboutit pas directement à un mouvement des diaphragmes isolants 42, lequel mouvement renforce le mouvement oscillant du piston. Il intercepte essentiellement l'énergie des ondes acoustiques développée par le piston, qui n'aboutit pas directement à un rayonnement d'ondes acoustiques et il l'utilise pour renforcer ce rayonnement. Il agit aussi de façon à constituer une charge élastique réactive pour le piston 37 comme indiqué précédemment. Il convient de noter que la paroi intérieure du résonateur pourrait être effilée ou autrement profilée de façon à modifier la réponse en fréquence.
L'élément d'entraînement pour le piston sera à présent décrit. Il comprend la barre d'entraînement 47 fixée à l'extrémité fermée du soufflet. Cette barre est également reliée à un chapeau 48 pour une bobine tubulaire 49 qui porte deux enroulements ou bobinages annulaires 51 et 52 dans des entrefers radiaux, séparés et correspondants 53 et 54 (figure 6) d'un circuit magnétique à boucle fermée, décrit ci-après mais plusieurs bobines peuvent être utilisées. Cette bobine se termine à son autre extrémité dans un second chapeau extrême 55 qui est supporté en position par un ressort plat 56. Le ressort 56 centre l'extrémité de la bobine à laquelle il est fixé et contraint cette dernière à un mouvement limité dans la direction de l'axe longitudinal du transducteur, représenté par la ligne 57 sur la figure 4. Un ressort plat similaire 58 est prévu pour le chapeau d'extrémité 48.
Conformément à l'invention, un circuit magnétique ayant plusieurs entrefers est défini à l'intérieur du boîtier. A cet effet, un aimant permanent cylindrique 60 est prévu en tant que partie de l'élément d'entraînement, centré sur l'axe 57. Cet aimant permanent génère le flux magnétique nécessaire au circuit magnétique et aboutit, à chacune de ses extrémités, dans une pièce polaire 61 et 62, respectivement, pour concentrer le flux magnétique afin qu'il s'écoule à travers les deux entrefers 53 et 54, espacés longitudinalement, dans le circuit magnétique. Le circuit magnétique est complété par un élément annulaire, magnétiquement passif, en matière magnétiquement perméable 64. Comme illustre, cet élément comporte deux rebords annulaires 66 et 67 dirigés vers l'intérieur, qui aboutissent à proximité immédiate des bobinages 51 et 52 et qui définissent un côté des entrefers 53 et 54.
Le circuit magnétique formé par cette forme de réalisation est représenté sur la figure 6 par des lignes de flux magnétique 68 en boucle fermée. Comme illustré, ces lignes partent de l'aimant 60, passent dans la pièce polaire 61, à travers l'entrefer 53 et la bobine 51, parcourent le trajet de retour établi par l'élément 64, traversent l'entrefer 54 et la bobine 52 et arrivent à travers la pièce polaire 62 à l'aimant 60. Avec cet agencement, on voit que le flux magnétique passe radialement vers l'extérieur à travers l'entrefer 53 et radialement vers l'intérieur à travers l'entrefer 54. Les enroulements 51 et 52 sont connectés en opposition et en série, afin que les courants y passant appliquent des forces s'additionnant sur la bobine commune.
Ainsi, si le transducteur est utilisé pour émettre une communication, un signal électrique définissant celle-ci et parcourant les enroulements 51 et 52 provoque un mouvement correspondant de la bobine 49 et donc du piston 37. Ce piston interagit à travers les fenêtres 43 avec le liquide du trou de sonde et y communique l'énergie acoustique de communication. L'énergie électrique représentée par le signal électrique est donc converti par le transducteur en énergie mécanique, c'est-à-dire les ondes acoustiques.
Lorsque le transducteur reçoit une communication, l'énergie acoustique définissant celle-ci fait fléchir les diaphragmes 42 et déplace de façon correspondante le piston 37. Un mouvement de la bobine et des enroulements dans les intervalles 53 et 54 génère un signal électrique correspondant dans les bobinages 51 et 52 du fait des lignes de flux magnétique qu'ils coupent. En d'autres termes, l'énergie acoustique est convertie en énergie électrique.
Dans la forme de réalisation décrite, il convient de noter que l'aimant permanent 60 et ses pièces polaires associées 61 et 62 sont globalement de forme cylindrique, l'axe 57 constituant un axe de révolution. La bobine est un cylindre de même axe, les bobinages 51 et 52 étant de forme annulaire. L'élément 64 de trajet de retour est également annulaire et entoure l'aimant, etc. L'aimant est maintenu centralement par des tiges 71 de support faisant saillie vers l'intérieur de l'élément de trajet de retour, à travers des encoches de la bobine 49. Les ressorts plats 56 et 58 centrent de façon correspondante la bobine tout en permettant un mouvement longitudinal limité de celle-ci comme indiqué précédemment. Des conducteurs électriques convenables 72 pour les enroulements et d'autres pièces électriques pénètrent dans le boîtier au moyen de traversées enrobées 73.
La figure 7A illustre la forme de réalisation, décrite ci-dessus, sous forme schématique. Le résonateur est représenté en 36, la structure de cornet en 41 et le piston en 37. La barre d'entraînement du piston est représentée en 47, alors que le mécanisme d'entraînement lui-même est représenté par une case 74. La figure 7B montre une variante d'agencement dans laquelle l'élément d'entraînement est placé à l'intérieur du résonateur 76 et le piston 37 communique directement avec le liquide du trou d'onde qui peut s'écouler vers l'intérieur à travers les fenêtres 43. A cet égard, ces fenêtres sont ouvertes, c'est-à- dire qu'elles ne comportent pas de diaphragme ou une autre structure empêchant le liquide du trou de sonde d'entrer dans la chambre 38. On voit que dans cette agencement, le piston 37 et la structure 41 de cornet établissent un isolement hermétique aux fluides entre cette chambre et le résonateur 36. Il convient cependant de noter que l'on pourrait également concevoir que le résonateur 36 soit submergé par le liquide du trou de sonde. A cet égard, il est souhaitable que s'il est conçu pour être submergé, ce résonateur comporte un filtre à petites ouvertures ou analogues afin de tenir à l'écart les particules en suspension. Dans tous les cas, l'élément d'entraînement proprement dit doit avoir son propre système de fluide inerte en raison des tolérances étroites et des champs magnétiques puissants. L'utilisation nécessaire de certaines matières dans cet élément le rend sensible à une détérioration par la corrosion et une contamination par des particules, en particulier des particules magnétiques.
Les figures 8 à 12 sont des illustrations schématiques représentant diverses approches et modifications conceptuelles de l'invention. La figure 8 illustre la conception modulaire de l'invention. A cet égard, il convient de noter que l'invention est destinée à être logée dans un tuyau de diamètre réduit, mais la longueur n'est pas critique. L'invention permet d'utiliser le mieux possible l'aire de la coupe transversale tandis que des modules multiples peuvent être empilés pour améliorer leur efficacité et le rendement.
La bobine, représentée en 81 sur la figure 8, porte trois enroulements annulaires séparés représentés en 82, 83 et 84. Deux circuits magnétiques sont prévus, avec les aimants permanents représentés en 86 et 87 ayant des polarités magnétiques et des pôles opposés 88-90. Les trajets de retour pour les deux circuits sont établis par un élément annulaire passif 91.
On voit que les deux circuits magnétiques de la configuration de la figure 8 comprennent le pôle central 89 et son entrefer associé, en commun. Il en résulte un dispositif d'entraînement à trois bobinages ayant un rendement d'émission (puissance acoustique disponible en sortie/puissance électrique en entrée) supérieur au double de celui d'un dispositif d'entraînement simple, du fait de l'absence de flux de formation de franges aux extrémités jointes. Le processus "d'empilage" de deux éléments d'entraînement à bobine comme indiqué dans cet agencement, avec des polarités d'aimant alternées, peut évidemment être prolongé sur la longueur souhaitée, la bobine commune étant supportée de façon appropriée. Dans cet agencement schématique, la bobine est connectée à un piston 85 qui comprend une partie bombée centrale et un soufflet ou analogue reliant de façon étanche le piston à une enveloppe extérieure représentée en 92. Ce support flexible d'étanchéité est préféré à des joints d'étanchéité coulissants et à des paliers car ces derniers présentent une striction qui introduit une distorsion, en particulier à de faibles déplacements rencontrés lorsque le transducteur est utilisé pour la réception. En variante, un piston rigide peut être relié de façon étanche au boîtier à l'aide d'un soufflet et un ressort ou un croisillon séparé peut être utilisé pour le centrage. Un croisillon représenté en 94 peut être utilisé à l'extrémité opposée de la bobine pour la centrer. Si un tel croisillon est en métal, il peut être isolé du boîtier et peut être utilisé pour les connexions électriques avec les bobinages mobiles, éliminant les conducteurs flexibles autrement nécessaires.
Dans la variante illustrée schématiquement sur la figure 9, l'aimant 86 est réalisé de façon à être annulaire et il entoure en son centre un élément 91 de trajet de retour de flux passif. Etant donné que des matières passives sont utilisables avec des densités de flux de saturation environ doubles de la rémanence des aimants, la conception illustrée a pour avantage de permettre un faible diamètre des pôles représentés en 88 et 90 de façon à réduire la résistance des bobinages et à augmenter l'efficacité. L'élément 91 de trajet de retour de flux passif pourrait être remplacé par un autre aimant permanent. Un modèle à deux aimants pourrait évidemment permettre une réduction de la longueur du disposi- tif d'entraînement.
La figure 10 illustre schématiquement une autre structure magnétique pour le dispositif d'entraînement. Il comprend deux aimants annulaires 95 et 96 polarisés radialement en opposition. Comme illustré, ces aimants définissent les bords extérieurs des entrefers. Dans cet agencement, un élément magnétique passif annulaire 97 est prévu, ainsi qu'un élément central 91 de trajet de retour.
Bien que cet agencement présente l'avantage d'une longueur réduite du fait d'une diminution de la fuite du flux aux entrefers et d'une faible fuite de flux vers l'extérieur, il a pour inconvénient une fabrication plus difficile des aimants et une densité de flux inférieure dans ces entrefers.
Des interfaces coniques peuvent être prévues entre es aimants et les pièces polaires, c'est-à-dire que les jonctions d'accouplement peuvent être réalisées de façon à être obliques par rapport au grand axe du transducteur.
Cette conception maximise le volume magnétique et son énergie disponible associée tout en évitant des densités de flux localisées qui pourraient dépasser la rémanence d'un aimant.
Il convient de noter que l'une quelconque des jonctions entre aimants, entre pièces polaires et évidemment entre aimants et pièces polaires, peut être réalisée de façon à être conique.
La figure 11 illustre un agencement ayant cette particularité. Il convient de noter que dans cet agencement, les aimants peuvent comprendre des pièces 98 aux extrémités de l'élément passif 91 de retour de fluide comme illustré.
La figure 12 illustre schématiquement une combinaison particulière des options présentées sur les figures 8 à 11, qui pourrait être considérée comme une forme préférée de réalisation pour certaines applications. Elle comprend deux pièces polaires 101 et 102 qui s'accouplent de façon conique avec des aimants radiaux 103, 104 et 105. Les deux circuits magnétiques qui sont formés comprennent des éléments passifs 106 et 107 de trajet de retour aboutissant aux entrefers dans des aimants supplémentaires 108 et 110.
Une forme de réalisation de l'invention comprenant certaines des particularités mentionnées ci-dessus est illustrée sur les figures 13 et 14. Cette forme de réalisation comprend deux circuits magnétiques, des aimants annulaires définissant l'extérieur du circuit magnétique et une pièce polaire centrale. De plus, le piston est en contact direct avec le liquide du trou de sonde et la chambre résonnante est remplie de ce liquide.
La forme de réalisation montrée sur les figures 13 et 14 est similaire en de nombreux points à la forme de réalisation illustrée et décrite en regard des figures 3 à 6.
Les pièces communes sont désignées par les mêmes références numériques que celles utilisées précédemment, suivies du signe prime. Cette forme de réalisation comprend un grand nombre des particularités de la forme de réalisation précédente, lesquelles particularités doivent être considérées comme y étant incorporées, sauf indication contraire.
La forme de réalisation des figures 13 et 14 est généralement désignée par la référence numérique 120. La chambre 36' du résonateur est située vers le fond par rapport au piston 37' et son dispositif d'entraînement dans cet agencement, et elle peut être remplie du liquide du trou de sonde plutôt que d'être remplie avec un liquide spécial comme décrit pour la forme de réalisation précédente. A cet égard, la vessie et le boîtier qui lui est associé sont éliminés et l'obturateur extrême 27' est vissé directement dans la chambre 36 du résonateur. Cet obturateur extrême présente plusieurs lumières allongées 122 qui font communiquer le trou de sonde avec un tube 34' pénétrant dans le résonateur 36. De même que dans la forme de réalisation décrite précédemment, le tube 34' est d'une longueur égale nominalement à un quart de la longueur d'onde de communication dans le fluide du résonateur, c'est-à-dire le fluide du trou de sonde de cette forme de réalisation. Le diamètre des lumières 122 est choisi par rapport au diamètre intérieur du tube 34' de façon à assurer qu'aucune particule de matière provenant du liquide du trou de sonde, de dimension suffisamment grande pour boucher ce tube, n'entre dans celui-ci.
Il convient de noter que, bien qu'avec cet agencement de la chambre 36', qui présente une charge élastique de réaction pour le mouvement du piston 37', soit en communication directe avec le liquide du trou de sonde par l'intermédiaire du tube 34', l'énergie des ondes acoustiques dans celuici n'est pas transmise à l'extérieur de la chambre du fait de l'affaiblissement produit par ce tube.
Le piston 37' est un soufflet comme décrit pour la forme de réalisation précédente et il agit de façon à isoler le dispositif d'entraînement du piston, décrit ci- dessous, d'une chambre 38' qui peut être remplie avec le liquide du trou de sonde. Cette chambre 38' est illustrée comme ayant deux parties, à savoir les parties 123 et 124, qui communiquent directement entre elles. Comme illustré, des fenêtres 43' s'étendent jusqu'à l'espace annulaire entourant le transducteur, sans l'intermédiaire de diaphragmes isolants comme dans la forme de réalisation précédente. Par conséquent, dans cette forme de réalisation, le piston 37' est en contact direct avec le liquide du trou de sonde qui remplit la chambre 38' Le piston 37' est relié par un écrou 127 et une barre d'entraînement au mécanisme d'entraînement. A cet effet, la barre d'entraînement est reliée à un chapeau extrême 48' d'une bobine tubulaire 49'. La bobine 49' porte trois enroulements ou bobinages annulaires dans un nombre correspondant d'entrefers radiaux de deux circuits magnétiques à boucle fermé, comme décrit ci-après. Deux de ces enroulements sont représentés en 128 et 129. Le troisième enroulement se trouve sur le côté axial de l'enroulement 129 opposé à celui de l'enroulement 128, conformément à l'agencement montré sur la figure 8. De plus, l'enroulement 129 est d'une longueur axiale double de celle de l'enroulement 128. La bobine 49' est contrainte en position similairement à la bobine 49' par des ressorts 56' et 58' Le dispositif d'entraînement de cette forme de réalisation est, de par sa conception, une forme hybride des approches illustrées sur les figures 8 et 9. Autrement dit, il comprend deux circuits magnétiques adjacents se partageant un trajet commun. De plus, les aimants permanents sont annulaires, entourant un noyau plein qui constitue un élément passif. Plus en détail, trois aimants illustrés en 131, 132 et 133 sur la figure 14 développent un flux qui s'écoule à Travers les entrefers à l'intérieur desquels les bobinages décrits précédemment se déplacent vers un élément passif de noyau, cylindrique et plein 132. Les circuits magnétiques sont complétés par un boîtier annulaire 134 qui entoure les aimants. Ce boîtier 134 est hermétique aux fluides et agit de façon à isoler le dispositif d'entraînement, tel que décrit, du liquide du trou de sonde. A cet égard, il comprend, à son extrémité espacée du piston 37', un soufflet d'isolement 136 qui transmet au résonateur 36' des variations de pression engendrées dans le boîtier 132 du dispositif d'entraînement.
Le soufflet 136 flotte librement dans le sens o il n'est pas relié physiquement à la bobine tubulaire 49' et il fléchit simplement de façon à suivre les variations de pression du 1n fluide spécial se trouvant dans le boîtier du dispositif d'entraînement. Il se loge dans une cavité ou un alésage central 37 à 'intérieur d'un obturateur 38 qui s'étend entre le boîtier du dispositif d'entraînement et la paroi de la chambre résonnante 36'. Un trou allongé ou une ouverture 0 allongée relie l'intérieur du soufflet 136 à la chambre du résonateur.
Un dispositif de couplage directionnel passif est illustré de façon conceptuelle par les figures 15A à 15C. Le piston du transducteur est représenté en 220. Sa conception est basée sur le fait que l'admittance acoustique caractéristique dans un guide d'ondes cylindrique est proportionnelle à l'aire de sa section transversale. Les fenêtres pour la transmission de l'énergie acoustique de communication au fluide du trou de sonde sont représentées en 221. Un second orifice ou une seconde série annulaire d'orifices 222 est situé soit à trois quarts d'onde (figure 15A) soit à un quart d'onde (figures 15B et 15C) des fenêtres 221. Le coupleur est divisé en sections 223 à 226 de trois quarts d'onde. L'aire en coupe transversale de ces sections est choisie de manière à minimiser tout défaut d'adaptation qui pourrait nuire au couplage directionnel. La section centrale 224 présente une aire en coupe transversale A3 qui est nominalement égale au carré de l'aire de la coupe transversale des sections 223 et 226 (A2) divisé par la section transversale annulaire du trou de sonde à l'emplacement des orifices 221 et 222. L'aire réduite en coupe transversale de la section 224 est obtenue par l'incorporation d'un étranglement annulaire 227 dans cette dernière.
Le coupleur directionnel est en contact direct avec la face arrière du piston 220, ce qui a pour résultat que l'énergie des ondes acoustiques pénètre dans le coupleur en opposition de phase avec celle de la communication souhaitée. La relation des aires en coupe transversale, décrite précédemment, assure que l'énergie acoustique qui sort de l'orifice 222 annule toute transmission à partir de l'orifice 221, laquelle transmission pourrait autrement se diriger vers l'orifice 222.
La forme de réalisation du coupleur directionnel représenté sur la figure 15A est à longueur complète, nécessitant un long tube de trois quarts d'onde, c'est-à-dire que la chambre est divisée en trois sections d'un quart d'onde de longueur. Les versions représentées sur les figures 15B et 15C sont des versions repliées, réduisant ainsi la longueur demandée. Autrement dit, la version de la figure 15B est repliée une fois, les airesen coupe des sections satisfaisant les critères décrits précédemment. Deux des sections de chambre sont coaxiales entre elles. La version représentée sur la figure 15C est repliée deux fois.
Autrement dit, les trois sections sont toutes coaxiales. Les deux versions des figures 15B et 15C sont à un quart d'onde de l'orifice 222 et sont donc sur le côté "trou supérieur" de l'orifice 221 comme illustré. Il convient de noter, cependant, que la bande passante du couplage directionnel effectif est réduite par le pliage.
On reconnaîtra que dans l'une quelconque des configurations des figures 15A à 15C, l'orifice 222 peut contenir un diaphragme ou un soufflet, qu'une chambre à expansion peut être ajoutée et qu'un fluide de remplissage autre que le fluide du puits pourrait être utilisé. Un profilage supplémentaire de la zone pourrait également être réalisé pour modifier la bande passante et le rendement du couplage. Une mise en forme des orifices et un alignement d'orifices multiples pourraient également être réalisés pour le même but.
On pourrait également obtenir un couplage directionnel en utilisant deux transducteurs ou plus selon l'invention, tels que décrits, avec des orifices séparés axialement pour synthétiser un réseau en phase. Le couplage directionnel serait réalisé par l'attaque de chaque transducteur avec un signal soumis à une prédistorsion appropriée, en phase et en amplitude. Un tel couplage directionnel actif pourrait être réalisé sur une bande passante plus large que celle obtenue avec un système passif.
Les fonctions de prédistorsion doivent évidemment tenir compte de toutes les résonances couplées dans chaque situation particulière.
En ce qui concerne le système de communication, le système de communication de la présente invention est décrit en se référant aux figures 16 à 23.
En se référant à la figure 16, un trou de sonde, généralement identifié par la référence numérique 1100, est illustré en s'étendant à travers la terre 1102. Le trou de sonde 1100 est montré en tant que trou de complétion de produit pétrolier pour l'illustration. Il comprend un tubage indiqué schématiquement en 1104 et une colonne 1106 de production dans laquelle s'écoule le pétrole ou tout autre produit pétrolier souhaité. L'espace annulaire compris entre le tubage et la colonne de production est rempli d'un liquide de complétion représenté par des points 1108. Les propriétés d'un fluide de complétion peuvent varier notablement d'un puits à l'autre et au cours du temps en tout puits spécifique. Typiquement, il comprend des particules en suspension ou est partiellement un gel. Il est non newtonien et peut posséder des propriétés élastiques non linéaires. Sa viscosité peut être toute viscosité comprise dans une large gamme de viscosités possibles. Sa masse volumique peut également être d'une valeur quelconque comprise dans une large gamme, et il peut comprendre des constituants solides ou liquides corrosifs comme un sel à haute densité tel qu'un composé de sodium, de calcium, de potassium et/ou de brome.
Un support 1112 pour un émetteur-récepteur acoustique de fond de trou (DAT) et son transducteur associé est prévu à l'extrémité inférieure de la colonne 1106. Comme illustré, une section de transition 1114 et une ou plusieurs sections 1116 de réflexion, cela étant très souhaitable, sont comprises et séparent le support 1112 du reste de la colonne de production 1106. Le support 1112 comporte de nombreuses ouvertures selon la pratique conventionnelle, à l'intérieur desquelles une d'entre elles, l'ouverture 1118, le transducteur de communication (DAT) de l'invention est maintenu par des colliers ou analogues. Un ou plusieurs instruments de collecte de données ou un bloc à batterie peuvent également être logés à l'intérieur des ouvertures telles que l'ouverture 1118. Dans la réalisation préférée, une ouverture est utilisée pour loger un bloc à batterie et une autre ouverture (ouverture 1118) est utilisée pour loger le transducteur et l'électronique associée. I1 sera considéré qu'une pluralité d'ouvertures peuvent être prévues pour servir la fonction de l'ouverture 1118. L'espace annulaire entre le tubage et la colonne de production est fermé de façon étanche et adjacente au fond du trou de sonde à l'aide d'un packer 1110. La colonne de production 1106 s'étend à travers le packer et une soupape de sécurité, une instrumentation de collecte de données et d'autres outils de puits peuvent être inclus.
C'est le liquide 1108 de complétion qui agit en tant que milieu de transmission pour des ondes acoustiques produites par le transducteur. Une communication entre le transducteur et l'espace annulaire qui confine ce liquide est représentée par un orifice 1120 sur la figure 16. Des données peuvent être transmises à travers l'orifice 1120 au liquide de completion via des signaux acoustiques. Une telle communication ne dépend pas de l'écoulement du liquide de completion.
Un émetteur-récepteur acoustique de surface (SAT) 1126 est prévu à la surface, communiquant avec le liquide de complétion de n'importe quelle façon pratique, mais préférablement en utilisant un transducteur conformément à la présente invention. La configuration de surface du puits de production est diagrammaticalement représentée et comprend un chapeau d'extrémité sur le tubage 1104. La colonne de production 1106 s'étend à travers une étanchéité représentée en 1122 vers une ligne d'écoulement de production 1123. Une ligne d'écoulement destinée au fluide de complétion 1124 est également illustrée, qui s'étend vers un système de circulation conventionnelle.
Dans sa forme la plus simple, l'agencement convertit les informations constituées des données en un signal acoustique qui est couplé au liquide de trou de sonde en un emplacement dans le trou de sonde. Le signal acoustique est reçu en un second emplacement dans le trou de sonde ou les données sont récupérées. Alternativement, la communication s'effectue entre les deux emplacements de façon bidirectionnelle. Et en tant qu'alternative supplémentaire, la communication peut s'effectuer entre des emplacements multiples dans le trou de sonde, de telle façon qu'un réseau d' émetteurs-récepteurs de communication soit disposé le long du trou de sonde. De plus, la communication peut également se faire à travers le fluide dans le tubage de production, à travers le produit en cours de production. De nombreux aspects du procédé de communication spécifique décrit sont applicables, comme mentionné précédemment, à la communication à travers d'autres milieux de transmission présents dans un trou de sonde, dans les parois de la colonne 1106, par
exemple.
En se référant à la figure 17, le transducteur acoustique de fond de trou (DAT) 1200 en un emplacement de fond de trou est couplé à un système d'acquisition de données de l'émetteur-récepteur acoustique de fond de trou (DAT) 1202 pour transmettre acoustiquement les données collectées depuis les capteurs associés 1201 des DAT. Le système d'acquisition de données de l'émetteur-récepteur acoustique de fond de trou (DAT) 1202 comprend des circuits de traitement de signaux, tels que des circuits d'adaptation d'impédance, des circuits amplificateurs, des circuits filtres, des circuits convertisseurs analogiques-numériques, des circuits d'alimentation électrique et un microprocesseur ainsi que ses circuits associés. Le DAT 1202 est capable à la fois de moduler un signal électrique utilisé pour stimuler le transducteur 1200 pour la transmission et de démoduler des signaux reçus par le transducteur 1200 provenant du système d'acquisition de données de l'émetteur-récepteur acoustique de surface (SAT) 1204. Le système d'acquisition de données de l'émetteur-récepteur acoustique de surface (SAT) 1204 comprend des circuits de traitement de signaux, tels que des circuits d'adaptation d'impédances, des circuits amplificateurs, des circuits filtres, des circuits de conversion analogiques-numériques, des circuits d'alimentation électrique et un microprocesseur ainsi que ses circuits associés. En d'autres termes, le DAT 1202 reçoit et transmet les informations. De façon similaire, le SAT 1204 reçoit et transmet les informations. La communication se fait directement entre le DAT 1202 et le SAT 1204 à travers les transducteurs 1200, 1205. Alternativement, des émetteursrécepteurs intermédiaires pourraient être positionnes dans le trou de sonde pour relayer les données. Des DAT supplémentaires pourraient également être prévus pour transmettre indépendamment les données collectées provenant de leurs propre capteurs au SAT ou à un autre DAT.
Plus spécifiquement, le système de communication bidirectionnelle de l'invention établit un transfert de données précis en conduisant une série d'étapes destinées à caractériser le canal de communication du trou de sonde 1206, choisir la meilleure fréquence centrale à partir de la caractérisation de canal, synchroniser le SAT 1204 et le DAT 1202 et finalement, transférer les données de façon bidirectionnelle. Ce processus complexe est mis en oeuvre car le canal 1206 à travers lequel le signal acoustique doit se propager est dynamique et varie avec le temps. De plus, le canal doit être réciproque: les transducteurs sont chargés électriquement selon ce qui est nécessaire pour réaliser une réciprocité.
Afin d'inhiber les effets de l'interférence de canal avec la sortie d'informations, le système de communication de l'invention caractérise le canal dans le sens allant vers le haut du trou 1210. Pour y parvenir, le DAT 1202 envoie un signal modulé en fréquence répétitif que le SAT 1204, en conjonction avec son ordinateur 1128, analyse pour déterminer la meilleure fréquence centrale que le système doit utiliser pour une communication efficace dans le sens allant vers le haut du trou. De façon courante, le canal 1210 est caractérisé seulement dans le sens allant vers le haut du trou; ainsi, une supposition implicite de réciprocité est incorporée dans la conception. Il sera reconnu que le sens allant vers le bas 1208 pourrait être caractérisée plutôt que, ou en sus de, la caractérisation pour la communication allant vers le haut du trou. De plus, dans la conception courante, le débit binaire des données transmises par le DAT 1202 peut être supérieur à celui des commandes envoyées par le SAT 1204 au DAT 1202. De cette façon, il est avantageux d'atteindre le meilleur rapport signal- bruit pour les signaux allant vers le haut du trou.
Alternativement, si aucune réciprocité ne peut être obtenue, chaque émetteur-récepteur pourrait être conçu pour caractériser le canal dans la direction de la communication d'arrivée: le SAT 1204 pourrait analyser le canal pour la communication allant vers le haut du trou 1210 et le DAT 1202 pourrait analyser la communication allant vers le bas du trou 1208, puis donner instruction au système de transmission correspondant d'utiliser la meilleure fréquence centrale pour la direction caractérisée par lui. Cependant, cette alternative nécessiterait une capacité de traitement supplémentaire dans le DAT 1202. Une capacité de traitement supplémentaire entraîne des exigences en puissance et en dimensions qui sont, dans la plupart des cas, non désirables.
En plus du choix d'un canal de transmission convenable, la synchronisation du système est importante pour tout système de communication cohérent. Pour réaliser à la fois la caractérisation de canal et les processus de synchronisation, le DAT commence par transmettre des séquences à impulsions modulées en fréquence répétitives une fois qu'un délai programmé est sélectionné pour être supérieur au temps d'atténuation attendu.
La figure 20A-C illustre la structure de signalisation de séquences à impulsions modulées en fréquence. Dans une forme de réalisation préférée, un bloc unique modulé en fréquence a une durée de 100 millisecondes et contient trois cycles d'un signal de cent cinquante (150) Hz, quatre cycles d'un signal de deux cents (200) Hz, cinq cycles de signal de deux cent cinquante (250) Hz, six cycles de signal de trois cents (300) Hz et sept cycles de cycles de trois cent cinquante (350) Hz. La structure du signal à impulsions modulées en fréquence est illustrée sur la figure 20A. De cette façon, la bande passante complète du canal acoustique désiré, de cent cinquante à trois cent cinquante (150-350) Hz est modulée en fréquence par chaque bloc.
Comme illustré sur la figure 20B, le bloc modulé en fréquence est répété avec un retard entre chaque bloc.
Comme illustré sur la figure 20, cette séquence est répétée trois fois à des intervalles de deux minutes. Les deux premières séquences sont transmises sequentiellement sans retard entre elles, puis un retard est créé avant qu'une troisième séquence ne soit transmise. Durant la plus grande partie du reste de l'intervalle, le DAT 1202 attend une instruction (ou une fréquence de défaut) provenant du SAT 1204. La séquence spécifique de signaux a impulsions modulées en fréquence ne doit pas être considérée comme limitant l'invention: des variations apportées a l'arrangement de base, comprenant mais non limitées à différentes fréquences modulées, des durées de modulation, des séparations d'impulsions modulées, etc., sont prévisibles. Il est également considéré que les séquences PN, une impulsion, ou tout signal variable qui occupe le spectre désiré pourraient être utilisés.
Le SAT 1204 de la réalisation préférée de l'invention utilise deux microprocesseurs 1616, 1626, pour commander effectivement les fonctions SAT, comme illustré sur la figure 22. L'ordinateur central 1128 commande la totalité des activités du SAT 1204 et est connecté à ce SAT via l'un des deux canaux en série d'un microprocesseur Modèle 68 000 1626 du SAT 1204. Dans des réalisations alternatives, le SAT 1204 peut être monté sur une carte d'entrée/sortie dont la taille est adaptée pour qu'elle soit insérée dans un emplacement d'extension d'un ordinateur central. Le microprocesseur 68 000 accomplit l'ensemble des fonctions de traitement de signaux qui sont mentionnées ci-dessous. Le second canal en série du microprocesseur 68 000 est connecté à un processeur 68HC11 1616 qui commande la numérisation des signaux, le retrait des données reçues et l'envoi de tonalités et de commandes au DAT. La séquence modulée en fréquence est reçue à partir du DAT par le transducteur 1205 et est convertie en un signal électrique à partir d'un signal acoustique. Le signal électrique est couplé au récepteur à travers le transformateur 1600 qui assure l'adaptation d'impédances. L'amplificateur 1602 augmente le niveau du signal et le filtre passe- bande 1604 limite la bande passante de bruit à trois cent cinquante (350) Hz centrée sur deux cent cinquante (250) Hz et également agit en tant que filtre anti-repliement de spectre. Naturellement, des bandes passantes différentes ou supplémentaires comprises entre un maximum de 1 kHz à un minimum de 1 Hz peuvent être utilisées dans des réalisation alternatives de la présente invention, mais dans le cadre de cette description écrite, la gamme de fréquences entre cent et trois cents Hertz est décrite et utilisée à titre d'exemple, et non pas en tant que limitation de la présente invention.
En se référant à la figure 21, le DAT 1202 possède un microprocesseur 68HCll unique 1512 qui commande toutes les fonctions d'émetteur-récepteur, les activités de centralisation des mesures, le retrait et la transmission des données mesurées et la commande de puissance. Pour la simplicité, toutes les communications sont commandées par interruption. De plus, les données provenant des capteurs transitent, à leur arrivée, par une mémoire-tampon, comme représenté par le bloc 1510. De plus, les commandes sont traitées dans le fond par des algorithmes 1700 qui sont spécifiquement conçus à cet effet.
Le DAT 1202 et le SAT 1204 comprennent, bien qu' ils ne soient pas explicitement montrés dans les blocs diagrammes des figures 21 et 22, tous les circuits de support de microprocesseur nécessaires. Ces circuits, comprenant la RAM, la ROM, les horloges et les tampons sont bien connus dans l'art de la conception de circuit de microprocesseur.
La génération d'une séquence modulée en fréquence est accomplie par un générateur de signaux numériques commandé par le microprocesseur DAT 1512. Typiquement, le bloc modulé en fréquence est généré par un compteur numérique dont la sortie est commandée par un microprocesseur afin de terminer la séquence modulée en fréquence. Les circuits de cette nature sont fréquemment utilisés pour la génération de signaux d'horloge à fréquence variable. Le circuit de génération d'impulsions modulées en fréquence est illustré en tant que bloc 1500 sur la figure 21, un bloc diagramme du DAT 1202. Il convient de noter que la sortie numérique est utilisée pour générer un signal à trois niveaux en 1502 pour attaquer le transducteur 1200. Dans le cadre de cette application, on a choisi de maintenir la plupart de l'énergie de signaux dans le spectre acoustique concerné : entre cent cinquante Hertz et trois cent cinquante Hertz. L'objet primaire du troisième état est de terminer le fonctionnement de la partie de transmission d'un émetteur-récepteur en mode de réception: il s'agit, essentiellement, d'un court- circuit.
Les figure 18 et figure 19 sont des schémas fonctionnels des fonctionnements des DAT et SAT, respectivement. Les séquences modulées en fréquence sont générées durant l'étape 1300. Avant que la première impulsion modulée en fréquence soit transmise postérieurement au retard sélectionné, l'émetteur-récepteur de surface attend l'arrivée de séquences modulées en fréquence conformément à l'étape 1400 de la figure 19. Le DAT est programmé pour transmettre une salve d'impulsions modulées en fréquence toutes les deux minutes jusqu'à ce qu'il reçoive deux tonalités: fc et fc+l.
La synchronisation initiale commence après qu'une commande "caractériser canal" soit transmise à l'ordinateur central.
En recevant la commande "caractériser canal" le SAT commence à numériser les données du transducteur. Les données du transducteur brutes sont conditionnées à travers une chaîne d'amplificateurs, de filtres anti-repliement de spectre et de traducteurs de niveaux avant d'être numérisées. Un second bloc de données (1024 échantillons) est mémorisé dans une mémoire-tampon et conduit vers un traitement ultérieur.
Les fonctions du corrélateur modulé en fréquence sont de trois ordres. Premièrement il synchronise l'horloge SAT TX/RX à celle du DAT. Deuxièmement il calcule une erreur d'horloge entre les bases temporelles du SAT et du DAT et corrige l'horloge du SAT pour l'adapter à celle du DAT.
Troisièmement il calcul un spectre de canaux avec une résolution de 1 Hz.
Le corrélateur effectue une FFT ("transformée de FOURIER rapide") sur un bloc de données de 0,25 seconde et conserve les binaires de signal FFT compris entre 140 Hz et 360 Hz. Le signal complexe à valeur ajoutée est additionné de façon cohérente à une mémoire-tampon de sommes en fonctionnement contenant la somme FFT sur les six dernières secondes (24 FFT). De plus, les binaires FFT sont additionnés de façon incohérente comme suit: la grandeur est élevée au carré, dans la somme en fonctionnement sur les six dernières secondes. Une estimation du rapport signal-bruit (SNR) dans chaque binaire de fréquence est réalisée par un rapport de la puissance de binaire cohérente ramenée à la puissance de binaire de bruit estimé. La puissance de bruit de chaque binaire de fréquence est calculée comme étant la puissance binaire incohérente diminuée de la puissance binaire cohérente. Une fois que le SNR de chaque binaire est calculé, une "somme SNR" est calculée en additionnant les binaires individuels SNR. La somme SNR est ajoutée aux sommes SNR des dernières 12 et 18 secondes afin de constituer une sortie de corrélateur toutes les 0,25 secondes et est mémorisée dans une mémoire-tampon circulaire de 18 secondes. De plus, un angle de déphasage de chaque binaire de fréquence est calculé à partir de la somme de mémoire-tampon de 6 secondes et est placé dans une mémoire-tampon d'angle de déphasage circulaire de 18 secondes pour une utilisation ultérieure dans les calculs d'erreurs d'horloge.
Une fois que le corrélateur modulé en fréquence a passé en machine les données durant le nombre de secondes désiré et a mémorisé les résultats dans une mémoire-tampon de corrélateur, la pointe de corrélateur est trouvée en comparant chaque point de corrélateur à un niveau plancher de bruit additionné d'un seuil prédéterminé. Apres avoir détecté une modulation en fréquence, toutes les activités SAT postérieures sont synchronisées à l'instant auquel la pointe a été trouvée.
Après que la présence de modulation de fréquence a été détectée, une estimation de la différence d'horloge d'échantillonnage entre le SAT et le DAT est calculée en utilisant la mémoire-tampon d'angle de déphasage circulaire de 18 secondes. La différence d'angle de déphasage (n) sur un intervalle de temps de six secondes est calculée pour chaque binaire de fréquence. Une première estimation d'erreur d'horloge est calculée en faisant la moyenne de la différence d'angles de déphasage pondérés sur la totalité des binaires de fréquence. Des deuxième et troisième estimations d'erreur d'horloge sont calculées de façon similaire respectivement sur des intervalles de temps de 100 et 85 secondes. Une moyenne pondérée des trois estimations d'erreur d'horloge donne la valeur finale d'erreur d'horloge. A cet instant, l'horloge SAT est ajustée et un affinage supplémentaire d'horloge est réalisé durant le prochain intervalle modulé en fréquence de deux minutes, de façon similaire.
Après le second affinement d'horloge, le SAT attend l'ensemble suivant d'impulsions modulées en fréquence durant l'intervalle de deux minutes et fait la moyenne de vingt quatre modulations en fréquence de 0,25 seconde sur les 6 secondes suivantes. Les données moyennées sont remplies de zéro, puis la FFT est calculée pour obtenir un spectre de canal de résolution de 1 Hz. Le système de surface recherche une fréquence de transmission appropriée comprise entre Hz et 350 Hz. Généralement, une bande passante de fréquence comportant un bon rapport signal-bruit et des bandes passantes d'environ 2 à 40 Hz sont acceptables. Une largeur de bande du canal disponible définit la cadence de modulation acceptable.
La seconde phase du processus initial de communication implique l'établissement d'un lien de communication opérationnelle entre le SAT 1204 et de DAT 1202. A cet effet, deux tonalités, chacune ayant une durée de deux secondes, sont séquentiellement envoyées au DAT 1202.
Une tonalité est la fréquence centrale choisie et l'autre est décalée de la fréquence centrale de 1 Hz, exactement. Cette étape de fonctionnement du SAT 1204 est représentée par le bloc 1406 de la figure 19.
Le DAT recherche en permanence ces deux tonalités: fc et fc+l, une fois qu'il a arrêté les impulsions modulées en fréquence. Avant de rechercher ces tonalités, il saisit un second bloc de données à l'instant o il sait qu'il n'y a pas de signal. La collecte de bruit commence généralement six secondes après la fin de la modulation en fréquence afin de laisser du temps pour que les échos s'évanouissent, et continuent pendant les trente secondes suivantes. Durant l'intervalle de collecte de bruit de trente secondes, un spectre de puissances d'un bloc de données d'une seconde s'ajoute au spectre de puissances moyennes fonctionnant durant trois secondes aussi souvent que le processeur peut calculer le spectre de puissances (une seconde) des 1024 points.
Le DAT commence par rechercher les deux tonalités approximativement trente six secondes après la fin de la modulation en fréquence et continue de les chercher durant une période de quatre secondes (durée de tonalité) plus deux fois le temps maximum de propagation. Le DAT calcule à nouveau le spectre de puissances de blocs d'une seconde aussi vite qu'il le peut et calcule les rapports signal-bruit pour chacune des binaires de fréquence dont la largeur est de 1 Hz. Toutes les composantes de fréquence qui sont situées à un seuil prédéterminé au-dessus d'un niveau plancher de bruit sont des candidates possibles. Lorsqu'une fréquence est une candidate dans deux blocs successifs, alors la tonalité est détectée à sa fréquence. Lorsque deux tonalités ne sont pas reconnues, le DAT continue à moduler en fréquence durant l'intervalle de deux minutes suivant. Lorsque les tonalités sont reçues et reconnues convenablement par le DAT, le DAT transmet en retour les deux tonalités semblables au SAT, à la fréquence porteuse sélectionnée fc qui est reconnue en tant que signal de réception. Puis, le SAT transmet des caractères au DAT, ce qui entraîne que le DAT recherche un "signal de séquence de reconnaissance" codé. Les données de commande suivent le signal de reconnaissance. Préférablement, le signal de séquence de reconnaissance comprend un signal de cadence de modulation qui identifie en direction du DAT la cadence de modulation attendue, comme déterminée par le SAT.
Le DAT, alors, répond à toute commande qui lui est transmise, après le signal de séquence de reconnaissance. Typiquement, le SAT commande au DAT de commencer la transmission des données depuis l'emplacement de fond de trou en vue de la réception par le SAT en un emplacement de haut de puits.
Une conséquence du processus de reconnaissance des tonalités est qu'il permet au DAT de synchroniser son horloge interne à l'horloge de l'émetteur-récepteur de surface. En utilisant l'horloge SAT comme horloge de référence, la paire de tonalités peut être considérée comme commençant à l'instant t = O. On suppose également que l'horloge dans l'émetteurrécepteur de surface produit un tic-tac à chaque seconde, comme illustré sur la figure 23.
cet alignement est désirable afin de permettre à chaque horloge d'égrener les secondes de façon synchrone et de maintenir la cohérence pour démoduler de façon précise les données. Cependant, le DAT n'est pas certain du moment o il reçoit la paire, de sorte qu'il conduit une FFT à chaque seconde par rapport à son horloge interne propre qu'on peut supposer ne pas être alignée avec l'horloge de surface.
Lorsque les quatre secondes de la paire de tonalités arrivent, elles ont une grande probabilité de couvrir l'intervalle de la FFT de trois secondes seulement complètement et uniquement deux de ces secondes contiendront une fréquence unique. La figure 23 aide à visualiser cet agencement. Il est à noter que les intervalles de FFT ont un signal de tonalité d'une seconde complet situé durant ces périodes et qui produiront une pointe FFT maximum.
Une fois reçue, une FFT de chacune des tonalités de deux secondes produit les composantes d'amplitude et de phase du signal. Lorsque la composante de phase du premier signal est comparée avec la composante de phase du second signal, le tic-tac d'une seconde de l'horloge de fond de trou peut être synchronisé avec l'horloge de surface. Par exemple, une tonalité de 200 Hz suivie immédiatement par une tonalité de 201 Hz est envoyée depuis l'émetteur-récepteur a l'instant t = 0. On suppose que le temps de propagation est de une et une demi-seconde et que la différence entre le tic-tac de une seconde des horloges est de 0,25 seconde. Cet intervalle est équivalent à 350 cycles d'un signal de 200 Hz et 351,75 cycles d'une tonalité de 201 Hz. Puisqu'un nombre paire de cycles est passé pour lapremière tonalité, sa phase est zéro une fois que la FFT est réalisée. Cependant, la phase de la seconde tonalité est à 270 de celle de la première tonalité.
En conséquence, la différence entre les phases de chaque tonalité, est de 270 , ce qui correspond à un décalage de 0,75 seconde entre les horloges. Lorsque le DAT ajuste son horloge de 0, 75 seconde, le second tic-tac est synchronisé.
En général, la différence de phase définit le décalage de temps. Ce décalage est corrigé dans cette forme de réalisation. Le processus de correction de synchronisation est représenté par l'étape 1308 de la figure 18 et est accompli par le logiciel dans le DAT, comme représenté par les blocs 1504, 1506, 1508 dans le bloc diagramme DAT de la figure 21.
Il convient de noter que les tonalités sont générées à la fois dans le DAT et le SAT de la même façon que les signaux modulés en fréquence sont générés dans le DAT.
Comme précédemment décrit, dans la réalisation préférée de l'invention, un générateur de signaux numériques commandé par microprocesseur 1500, 1628, crée un courant d'impulsions ayant toutes les fréquences de la bande concernée. A la suite de la génération, les tonalités sont converties en un signal à trois niveaux à 1502, 1630 en vue d'une transmission par le transducteur 1200, 1205 à travers le canal acoustique.
Après la reconnaissance de tonalité et de la retransmission, le DAT ajuste son horloge, puis passe au mode de réception en modulation à déplacement minimal (MSK).
(Toute technique de modulation peut être utilisée, bien que ce soit la technique MSK qui soit préférablement utilisée pour l'invention, pour les raisons mentionnées ci-dessous).
Additionnellement, lorsque les tonalités sont convenablement reconnues par le SAT en étant identiques aux tonalités qui étaient envoyées (étape 1408), il transmet une commande modulée MSK donnant instruction au DAT pour que la cadence de synchronisation de l'unité de fond de trou soit utilisée pour envoyer ces données afin d'atteindre le meilleur rapport énergie binaire-bruit au SAT (étape 1410). Le DAT est capable de sélectionner 2 à 40 bauds par incrément de 2 bauds pour ces transmissions. La liaison de communication dans le sens allant vers le fond de trou est maintenue à une cadence de 2 bauds, laquelle cadence pourrait être augmentée si désiré. De plus, le message initial donne instruction à l'émetteur- récepteur de fond de trou d'utiliser la fréquence centrale de transmission convenable pour ses transmissions.
Lorsque, cependant, les tonalités ne sont pas reçues par l'émetteurrécepteur de fond de trou, il se remet à moduler en fréquence à nouveau. Si le SAT n'a pas reçu le signal de réception de deux tonalités puisque le DAT ne les a pas transmises, dans ce cas, l'opérateur peut soit essayer d'envoyer des tonalités le nombre de fois qu'il désire ou essaye de recaractériser le canal qui resynchronise essentiellement le système. Dans le cas d'un envoi répété de deux tonalités, le SAT attend jusqu'au prochain instant de transmission de tonalité durant lequel le DAT sera à l'écoute des tonalités.
Lorsque l'émetteur-récepteur de fond de trou reçoit les tonalités et les retransmet, mais que le SAT ne les détecte pas, le DAT doit passer au mode MSK pour attendre les commandes MSK, et il ne lui est pas possible de détecter les tonalités qui sont transmises une seconde fois, lorsque l'opérateur décide de les retransmettre plutôt que de recaractériser. Par conséquent, le DAT attendra durant un accord. Lorsque la commande MSK n'est pas reçue durant cette période, elle revient au mode de synchronisation et commence à envoyer des séquences modulées en fréquence toutes les deux minutes. Cette procédure de récupération identique est mise en oeuvre lorsque le lien de communication établi se détériore ultérieurement.
Comme précédemment mentionné, les commandes sont modulées dans un format MSK. Le MSK est une forme de modulation qui, en effet, est une modulation de fréquence (FSK) binaire ayant une phase continue lorsqu'interviennent des déplacements de fréquence. Comme mentionné ci-dessus, le choix d'une modulation MSK pour l'utilisation de la réalisation préférée de l'invention ne doit pas être considéré comme limitant l'invention. Par exemple, la modulation de phase binaire (BPSK), la modulation de déplacement de quadrature de phase (QPSK), ou l'une quelconque des nombreuses formes de modulation peut être utilisée dans ce système de communication acoustique.
Dans la réalisation préférée, les commandes sont générées par l'ordinateur central 1128 en tant que mots numériques. Chaque commande étant codée par un code de redondance cyclique (CRC) destiné à fournir une détection d'erreur et une capacité de correction. De cette façon, la commande de base est étendue par l'addition des binaires de détection d'erreur. La commande codée est envoyée à la partie modulateur MSK du logiciel du microprocesseur 68HCll. Les bits de commande codés commandent le même générateur de fréquence numérique 1628 utilisé pour la génération de tonalité afin de générer les signaux modulés MSK. En général, chaque bit de commande codé est mis en correspondance, dans cette forme de réalisation, avec une première fréquence et le bit suivant est mis en correspondance avec une seconde fréquence. Par exemple, lorsque la fréquence centrale de canal est de 213 Hz, les données peuvent être mises en correspondance avec des fréquences de 218 Hz, représentant un "1", et 208 Hz, représentant un "0". Les transitions entre les deux fréquences sont continues en phase.
En recevant la commande de cadence de synchronisation, le DAT envoie un signal de réception au SAT.
Lorsque le signal de réception n'est pas reçu par le SAT, il renvoie la commande de cadence de synchronisation si l'opérateur décide de réessayer. Si l'opérateur le souhaite, le SAT peut être commandé pour resynchroniser et recaractériser avec l'ensemble suivant d'impulsions modulées en fréquence.
Une commande est envoyée par le SAT pour donner instruction au DAT de commencer à envoyer les données. Si un signal de réception n'est pas reçu, l'opérateur peut réenvoyer la commande si désiré. Le SAT revient à zéro et attend les signaux modulés en fréquence si l'opérateur décide de resynchroniser. Cependant, si un signal de réception est envoyé à partir du DAT, les données sont automatiquement transmises par le DAT directement à la suite du signal de réception. Les données sont reçues par le SAT à l'étape représentée en 1434.
Nominalement, l'émetteur-récepteur de fond de trou transmet pendant quatre minutes puis s'arrête et écoute en attendant la commande suivante provenant du SAT. Une fois que la commande est reçue, le DAT transmet un bloc de données pendant quatre autres minutes. Alternativement, la période de transmission peut être programmée via les commandes à partir de l'unité de surface.
Il est prévisible que les données peuvent être collectées depuis les capteurs 1202 de l'outil de fond de puits plus rapidement qu'elles ne sont envoyées à la surface.
Par conséquent, comme montré sur la figure 21 le DAT peut comprendre une mémoire-tampon 1510 pour mémoriser les données d'arrivée provenant des capteurs 1201 pendant une courte période avant de les transmettre à la surface.
Les données sont codées et modulées par MSK dans le DAT, de la même façon que les commandes sont codées et modulées dans le SAT, excepté que le DAT peut utiliser un débit d'informations plus important: 2 à 40 bauds, pour la transmission. Le codage CRC est réalisé par le microprocesseur 1512 avant la modulation des signaux, en utilisant le même circuit 1500 utilisé pour générer les salves modulées en fréquence et de tonalité. Les signaux modulés par MSK sont convertis en signaux à trois états 1502 puis transmis via le transducteur 1200.
Dans le DAT et le SAT, les données numérisées sont traitées par un démodulateur en quadrature. Les formes d'onde sinus et cosinus générées par les oscillateurs 1635, 1636 sont centrées sur la fréquence centrale originalement choisie durant le mode de synchronisation. Initialement, la phase de chaque oscillateur est synchronisée avec la phase du signal d'arrivée, via la transmission par courants porteurs.
Au cours de la récupération des données, la phase du signal d'arrivée est suivie pour conserver le synchronisme via un système de suivi de phase, tel qu'une boucle Costas ou une boucle de mise au carré.
Les canaux I et Q utilisent chacun des filtres passe-bas 1638 à réponse impulsionnelle finie (FIR) dont la réponse correspond approximativement au débit binaire. En ce qui concerne le DAT, la réponse du filtre est fixée puisque le système reçoit en permanence des commandes de 32 bits.
Inversement, le SAT reçoit des données selon des débits de bauds qui varient; par conséquent, les filtres doivent pouvoir s'adapter pour être en correspondance avec la rapidité de modulation en cours. La réponse du filtre est modifiée à chaque fois que la rapidité de modulation est modifiée.
Ensuite, l'algorithme d'échantillonnage I/Q 1640 échantillonne de façon optimale les canaux I et Q au sommet du bit démodulé. Cependant, un échantillonnage optimal nécessite un circuit de suivi d'horloge active, qui est fourni. L'un quelconque des nombreux circuits de suivi d'horloge traditionnels devraient suffire: une boucle de suivi d'horloge à activation tau, une boucle de suivi à verrouillage dans le temps, ou équivalent. La sortie de l'échantillonneur I/Q consiste en un courant de bits représentatif des informations.
Les informations qui sont originalement transmises sont récupérées en décodant le courant binaire. A cet effet, un décodeur 1642 qui correspond au codeur utilisé dans le processus de transmission: un décodeur CRC décode et détecte les erreurs dans les données reçues. Les informations décodées transportant les données sont utilisées pour donner instruction au DAT pour accomplir une nouvelle tache, pour donner instruction au SAT de recevoir selon une rapidité de modulation différente ou pour être utilisées comme données de capteur reçues par l'ordinateur central du SAT.
Le transducteur, en tant qu'interface entre l'électronique et le milieu de transmission, est un segment important de l'invention présente. Par conséquent, il est mentionné séparément ci-dessus. Un transducteur identique est utilisé à chaque extrémité du lien de communications dans cette forme de réalisation, bien qu'il soit reconnu que dans de nombreuses situations il puisse être désirable d'utiliser des transducteurs configurés différemment à des extrémités opposées du lien de communication. Dans cette forme de réalisation, le système est assuré en analysant le canal que le transmetteur et le récepteur de lien sont réciproques et que seules les anomalies de canal sont analysées. De plus, pour répondre aux besoins d'environnement du trou de sonde, les transducteurs doivent être extrêmement robustes ou bien la fiabilité risque d'être compromise.
En ce qui concerne l'application de mesures en cours de forage, dans la description précédente, le transducteur et le système de communication sont décrits comme étant utilisés dans un puits de production. Cependant, le transducteur et le système de communication peuvent également être utilisés dans un puits durant les opérations de complétion ou les opérations de forage. La figure 24 montre une telle utilisation du transducteur et du système de communication durant des opérations de forage. Comme montré, le puits 601 s'étend depuis la surface 603 au trou de fond 605. La rame de forage 607 est disposée à l'intérieur et est constituée d'une section de conduit de forage 609 et d'une section de collier de forage 611. Le collier de forage 611 est situé à la partie la plus basse de la rame de forage 607 et se termine à son extrémité la plus basse sur le trépan à cône 613. Comme cela est courant, durant les opérations de forage, un fluide est circulé vers le bas à travers la rame de forage 607 pour refroidir et lubrifier le trépan 613 et pour éliminer vers le haut les coupures de formation à travers l'annulaire 615 du puits 601.
Typiquement, un des deux types de trépans utilisés pour les opérations de forage, comprend: (a) un trépan du type à cône qui nécessite que la rame de forage 607 soit mise en rotation à la surface 603 pour provoquer la désintégration de la formation au niveau du trou de fond (605) et (b) un trépan qui comprend des coupoirs qui sont disposés dans une position fixe par rapport au trépan et qui est mis en rotation par la rotation de la rame de forage 607 ou par la rotation d'une partie du collier de forage 611 grâce à l'utilisation d'un moteur.
Dans un cas comme dans l'autre, une colonne de fluide existe dans la rame de forage 607 et une colonne de fluide existe dans l'annulaire 615 se trouvant entre la rame de forage 607 et le puits 601. Il est habituel durant des opérations de forage conventionnelles d'utiliser un système de transmission de données de mesure qui applique une série d'impulsions de pression positive ou négative sur le fluide se trouvant dans l'annulaire 615 afin de communiquer les données depuis la section du collier de forage 611 à la surface 603. Typiquement, un système de transmission de données de mesure en cours de forage comprend une pluralité d'instruments destinés à mesurer les conditions de forage, telles que la température et la pression et les conditions de formation telles que la résistivité de la formation, la désintégration de rayonnement gamma de la formation et les propriétés dielectriques de la formation. Il est habituel d'utiliser des systèmes de mesure en cours de forage pour donner à l'opérateur à la surface, les informations se rapportant à l'avancée des opérations de forage ainsi que les informations se rapportant aux caractéristiques ou aux qualités des formations qui ont été traversées par le trépan 613.
Sur la figure 24, l'assemblage de mesure en cours de forage 617 comprend des capteurs qui détectent les informations se rapportant aux opérations de forage et entourant les formations ainsi que le traitement des données et l'équipement de transmission des données nécessaires pour transmettre de façon cohérente les données depuis le collier de forage 611 à la surface 603.
Un besoin important existe dans l'industrie du forage pour des informations supplémentaires et en particulier des informations qui peuvent être caractérisées comme étant des informations "près du trépan". Ceci est particulièrement vrai pour les configurations de forage qui utilisent des sous-assemblages de guidage tels que le sous- assemblage de guidage 621, qui permet le forage de puits directionnels. L'utilisation d'équipement de guidage assure que l'équipement de collecte de données de mesure en cours de forage et de transmission est situé 9,15 à 18,30 m (30 à pieds) du trépan 613. Les virages directionnels du trépan 613 ne peuvent pas être contrôlés précisément et commandés à l'aide de l'utilisation de l'équipement de détection et de transmission des données du système de mesure en cours de forage 617. Les informations proches du trépan sont nécessaires de façon à obtenir un degré élevé de commande.
Quelques exemples de données proches du trépan désirables comprennent: l'inclinaison de la partie la plus basse du sous-assemblage de forage, l'azimut de la partie la plus basse du sous-assemblage de forage, la température du trépan, la vitesse de rotation du moteur ou de la turbine de boue, les lectures de rayonnement gamma naturel pour les formations récemment forées à proximité du trépan, les lectures de résistivité pour les formations récemment forées a proximité du trépan, le poids sur le trépan et le couple sur le trépan.
Dans la présente invention, le sous-assemblage de mesure 619 est situé de façon adjacente au trépan 613 et comprend une pluralité d'instruments conventionnels destinés a mesurer les données proches du trépan, telles que l'inclinaison, l'azimut, la température du trépan, la vitesse de la turbine, l'activité du rayonnement gamma, la résistivité de la formation, le poids sur le trépan, et le couple sur le trépan, etc. Ces informations peuvent être numérisées et multiplexées de façon conventionnelle puis dirigées vers un transducteur acoustique 623 qui est situé dans un sousassemblage adjacent en vue de la transmission vers un récepteur 625 qui est situé au-dessus dans la rame et qui est adjacent au sous-assemblage de mesure en cours de forage 617. Dans cette configuration, les données proches du trépan peuvent être transmises sur une courte distance (typiquement 9,15 à 27,45 m; 30 à 90 pieds) entre le transmetteur 623 et le récepteur 625 utilisant le transducteur de la présente invention ainsi que le système de communication de la présente invention.
Le système de communication de la présente invention contrôle de façon continue le fluide dans l'annulaire 615 à l'aide d'un signal de caractérisation en vue d'identifier les fréquences optimum pour la communication, comme ceci était mentionné ci-dessus. Les données peuvent être dirigées depuis le récepteur 625 vers le système de mesure en cours de forage 617 pour la mémorisation, le traitement et la retransmission vers la surface 603, en utilisant les technologies de transmission de données de mesure en cours de forage conventionnelles. Ceci procure un système de communication de données économique et robuste destiné à un environnement dynamique et bruyant à proximité de la section du collier de forage 611, ce qui permet une communication des données proches du trépan pour une intégration dans un courant de données conventionnel à partir un système de communication de données de mesure en cours de forage.
Alternativement ou additionnellement, le transducteur 627 peut être prévu à la surface 603 en vue de réceptionner les signaux de données acoustiques provenant soit du transducteur 623 soit du transducteur 625 ou bien des deux. Ou bien, alternativement, et plus vraisemblablement, le transducteur 625 peut être utilisé pour transmettre à un transducteur intermédiaire situé dans la section du conduit de forage 609 de la rame de forage 611 qui est capable de transmettre à plus grande distance que les transducteurs situés dans la section de collier de forage 611. De cette façon, les transducteurs et le système de communication de la présente invention peuvent être utilisés en tant que système de transmission de données qui est parallèle à un système de transmission de données de mesure en cours de forage conventionnel. Ceci est particulièrement utile, puisque les systèmes de mesure en cours de forage conventionnels nécessitent un écoulement continu du fluide vers le bas à travers la rame de forage 607. Durant les périodes de non circulation ou lorsque la circulation est perdue, les systèmes de mesure en cours de forage conventionnels ne peuvent pas communiquer les données depuis le puits 601 à la surface 603, aucun fluide ne s'écoulant. Le transducteur et le système de communication de la présente invention procurent un système redondant pouvant être utilisé pour transmettre les données à la surface 603 durant des périodes de repos lorsqu'aucun fluide ne circule dans le puits. Cela donne de considérables avantages puisqu'il y a des périodes notables durant lesquelles la communication de données n'est pas possible durant les opérations de forage en utilisant des technologies de mesure en cours de forage conventionnelles.
Dans des réalisations alternatives, le transducteur et le système de communication de la présente invention peuvent être utilisés pour remplacer complètement un système de transmission de données de mesure en cours de forage conventionnel et procurer un mécanisme unique pour la communication des données et des systèmes de commande dans le puits durant les opérations de forage.
En ce qui concerne l'application de détection d'arrivée de gaz, le transducteur et le système de communication de la présente invention peuvent également être utilisés durant les opérations de forage pour la détection d'une arrivée indésirable de gaz à haute pression dans l'annulaire d'un trou de sonde. Comme cela est connu des personnes versées dans l'art, l'introduction de gaz à haute pression dans la colonne de fluide d'un trou de sonde durant les opérations de forage peut résulter en une perte de commande du puits ou même une "éruption" dans les situations les plus extrêmes. Un effort considérable a été entrepris pour fournir un équipement de sécurité à la tête de puits pouvant être utilisé pour empêcher la perte totale de commande d'un puits. Une fois qu'un opérateur de forage a déterminé qu'une arrivée de gaz s'était certainement produite, des actions palliatives peuvent être prises pour diminuer l'impact de l'arrivée de gaz. De telles actions palliatives comprennent l'accroissement ou la diminution de la circulation dans le puits, ou l'accroissement de la viscosité et de la densité du fluide de forage dans le puits.
Finalement, l'équipement de sécurité peut être utilisé pour empêcher la perte totale de commande dans un trou de sonde en raison d'une arrivée notable de gaz. La technologie de l'art antérieur est entièrement inappropriée pour fournir les données suffisantes à l'opérateur durant les opérations de forage qui permettraient à l'opérateur d'éviter de nombreux problèmes associés à l'arrivée de gaz. Heureusement, le transducteur et le système de communication de la présente invention peuvent être utilisés dans les opérations de forage pour fournir à l'opérateur les données notables se rapportant (1) au fait de savoir si une arrivée de gaz indésirable est survenue ou non, et (2) à la position de la "bulle" de gaz une fois qu'elle est entrée dans la colonne de fluide de forage. Il est important de noter qu'une arrivée intervient usuellement lors d'une introduction d'un bouchon de fluide, qui est du gaz sous forme liquéfiée en raison de la haute pression exercée par la colonne de fluide. Puisque le gaz généralement possède une densité inférieure, il s'élève dans la colonne de fluide; en s'élevant, il s'extrait de la solution et prend la forme d'une "bulle" de gaz.
Conformément à la présente invention, une arrivée de gaz peut être détectée dans une colonne de fluide dans un trou de sonde qui définit un canal de communication, en effectuant les étapes suivantes: (1) au moins un actionneur est prévu en communication avec le trou de sonde pour la conversion d'au moins un (a) signal électrique codé prévu en un signal acoustique codé généré correspondant durant un mode de transmission de message de fonctionnement et (b) un signal acoustique codé prévu en un signal électrique codé généré correspondant durant un mode de réception de message de fonctionnement; préférablement seul un actionneur/transducteur est prévu et celui-ci est situé à la surface du trou de sonde à la tête de puits et se trouve en communication de fluide avec la colonne de fluide dans l'annulaire du trou de sonde, bien que dans les réalisations alternatives, un ou plusieurs transducteurs soient prévus dans le trou de fond dans la rame de forage; (2) le transducteur est utilisé pour générer un signal interrogatif en un emplacement sélectionné dans le trou de sonde; le signal caractérisant peut être une "impulsion modulée en fréquence" qui inclut une pluralité de composantes de signal, chacune ayant une fréquence différente et couvrant une gamme présélectionnée de fréquences, ou il peut être un signal acoustique qui comprend une seule composante de fréquence unique; (3) le transducteur est utilisé pour appliquer le signal interrogatif au canal de communication qui est défini, préférablement, dans la colonne de fluide dans l'annulaire du trou de sonde; (4) le signal interrogatif est transmis a travers le canal de communication et est reçu par l'un ou l'autre transducteurs différents ou est ramené par écho vers le haut à travers le canal de communication et est reçu par le transducteur de transmission; (5) puis, le signal interrogatif est analysé pour identifier au moins un des éléments suivants: (a) les parties d'une gamme présélectionnée de fréquences qui sont appropriées pour communiquer les données dans le trou de sonde; ces parties peuvent être identifiées soit par la fréquence soit la bande passante ou bien les deux, ou par les caractéristiques de signal- bruit telles que le rapport signal-bruit ou l'amplitude du signal; (b) les attributs du canal de communication, tels que la longueur du canal de communication ou l'impédance du canal de communication; (c) les attributs du signal, tels que l'amplitude du signal, la phase du signal et l'apparition de la perte du signal; (6) finalement les étapes consistant à utiliser, appliquer, recevoir et à analyser sont répétées périodiquement pour identifier les modifications dans au moins une des: (a) parties de la gamme présélectionnée de fréquences qui sont appropriées pour communiquer les données dans le trou de sonde, y compris les modifications de fréquence, les modifications de bande passante, les modifications de caractéristique signal-bruit, les modifications d'amplitude de signal des signaux transmis dans la partie, et les retards de signal pour les signaux transmis dans la partie, (b) les attributs de canal de communication, comprenant les modifications de longueur de canal de communication ou l'impédance de canal de communication, ou (c) les modifications des attributs de signal (soit les signaux interrogatifs, soit les signaux postérieurs) comprenant les modifications d'amplitude de signal, les modifications de phase de signal, la perte de signal ou le retard de signal.
Lorsqu'un transducteur unique est utilisé, dans la réalisation préférée de la présente invention, un tel transducteur doit être situé à la surface et doit être utilisé pour transmettre un signal vers le bas dans le canal de communication (de l'annulaire). Typiquement, le signal acoustique est réfléchi par la partie à collier de forage de la rame de forage et ainsi se déplace en retour vers le haut à travers le canal de communication o il est reçu par le transducteur qui a généré le signal. En fait, tout signal transmis par le transducteur de surface se déplace d'un nombre multiple de fois vers le bas puis vers le haut dans le canal de communication alors que le signal se réfléchit de façon répétée sur la partie à collier de forage de la rame de forage. Dans une réalisation de la présente invention, un ou plusieurs marqueurs acoustiques peuvent être placés dans la rame de forage en des emplacements sélectionnés. Chaque élément est généralement d'un plus grand diamètre que la rame de forage jointe et fournit une surface de réflexion sur une ou plusieurs distances connues. La réflexion des signaux acoustiques sur ces marqueurs est contrôlée pour les modifications qui indiquent la présence de gaz.
La figure 25 illustre graphiquement un test de laboratoire du transducteur de la présente invention dans un trou de sonde de 152,4 m (500 pieds) de profondeur. Sur cette figure, l'axe X est représentatif de la trajectoire de déplacement acoustique par unité de temps, qui a été normalisée en unité de longueur et l'axe Y est représentatif de l'intensité du signal du signal reçu par le transducteur qui est disposé à la surface. La pointe 701 est représentative d'un signal qui est généré par l'émetteurrécepteur acoustique de surface. A la fin de l'intervalle de temps 701, le premier écho 705 est détecté par l'émetteur- recepteur acoustique desurface. Durant cet intervalle de temps, le signal acoustique s'est déplacé vers le bas à travers l'annulaire, réfléchi sur le collier de forage et s'est déplacé vers le haut en retour sur l'émetteur-récepteur acoustique de surface pour la réception. A la fin de l'intervalle de temps 707, le second signal acoustique 709 est reçu par l'émetteur-récepteur acoustique de surface. A la fin de l'intervalle de temps 711, le troisième écho acoustique 713 est reçu par l'émetteur-récepteur acoustique de surface. A la fin de l'intervalle de temps 715, le quatrième écho acoustique 717 est reçu par l'émetteur- récepteur acoustique de surface. A la fin de l'intervalle de temps 717, le cinquième écho 719 est reçu par l'émetteur- récepteur acoustique de surface. A la fin de l'intervalle de temps 721, le sixième écho 723 est détecté par l'émetteur- récepteur acoustique de surface. A la fin de l'intervalle de temps 725, le septième écho 727 est détecté par l'émetteur- récepteur acoustique de surface.
De cette façon, il est visible que si l'annulaire n'est pas obstrué, une configuration régulière d'échos peut être anticipée pour des signaux acoustiques émis par l'émetteur-récepteur acoustique de surface. Chaque écho intervient à un instant prédéterminé sur une ligne temporelle, qui correspond à la distance entre l'émetteur- récepteur acoustique de surface et la partie à collier de forage de la rame de forage. Puisque la longueur de la rame de forage est connue et que la fréquence de transmission du signal acoustique est également connue, les échos interviennent comme anticipés, à moins qu'une obstruction existe dans l'annulaire du trou de sonde.
Une arrivée de gaz dans l'annulaire peut servir d'obstruction qui cause l'apparition d'échos décalés dans le temps. Ceci intervient, puisque le "bouchon" ou "bulle" de gaz a des propriétés de transmission acoustique différentes de la boue de forage et fournit une limite à partir de laquelle la réflexion est anticipée. De cette façon, la génération d'un signal acoustique par l'émetteur-récepteur acoustique de surface et le contrôle qui suit quant aux échos de retour, peuvent être utilisés pour détecter (1) la présence d'arrivée de gaz et (2) l'emplacement d'une arrivée de gaz. On suppose par exemple qu'une bulle de gaz est entrée dans l'annulaire durant les opérations de forage et est située en un emplacement à mi-parcours entre l'émetteur- récepteur acoustique de surface et le collier de forage. Le résultat anticipé est une configuration d'échos qui indique une trajectoire de déplacement d'environ 1/2 de celle qui était précédemment rencontrée durant le contrôle. L'opérateur à la surface peut analyser la configuration d'échos et ainsi déterminer la présence et la position de la bulle de gaz.
En sus du contrôle de la longueur du canal de communication, le transducteur et le système de communication de la présente invention peuvent être utilisés pour détecter l'arrivée de gaz en contrôlant l'ampleur de l'atténuation de l'amplitude de signaux d'écho comparée à l'atténuation d'amplitude durant les périodes de fonctionnement durant lesquelles aucune arrivée de gaz n'est présente dans le canal de communication; ledit contrôle n'est préférablement pas une mesure calibrée mais à la place une comparaison relative de l'atténuation et la description qui suit utilise le terme "d'amplitude d'atténuation" dans ce sens. En ce référant à nouveau à la figure 25, la présence de bulles de gaz indésirables dans la colonne de fluide qui comprend un canal de communication résulte en une modification de l'impédance acoustique de la colonne de fluide et résulte en des pertes de réflexion supplémentaires. Cette modification de l'impédance acoustique de la colonne de fluide se traduit par une modification de l'atténuation d'amplitude du signal lorsque celui-ci fait écho dans le trou de sonde en se déplaçant vers le bas et vers le haut. Par exemple, lorsqu'une grande quantité de gaz est présente dans le canal de communication, un degré plus ou moins élevé d'atténuation d'amplitude peut être observé par rapport à celle normalement rencontrée durant les périodes de fonctionnement durant lesquelles aucun gaz n'est présent dans le canal de communication. Par conséquent, en contrôlant et en comparant les valeurs d'atténuation de façon continue, le transducteur de la présente invention peut être utilisé pour détecter les modifications de l'impédance acoustique entraînées par l'arrivée de gaz dans le canal de communication. Toute modification détectée de longueur ou d'impédance de canal de communication peut être considérée comme étant la détection de modifications des "attributs de canal de communication".
Les signaux qui sont transmis depuis le transducteur peuvent être contrôlés dans leurs modifications ou en amplitude ou en retards notables, les deux pouvant indiquer la présence d'une arrivée de gaz indésirable. De plus, les signaux qui ont été transmis par le transducteur peuvent être contrôlés pour un déphasage de phase de signal, qui dans un environnement de transmission acoustique correspond à des retards de transmission notables (qui sont bien supérieurs à une longueur d'onde).
Le transducteur et le système de communication de la présente invention peuvent également être utilisés durant un mode de détection d'arrivée de gaz de fonctionnement, dans lequel le processus de sélection de l'une ou de plusieurs parties de la bande passante disponible pour la communication des données sont utilisées pour détecter les modifications du canal de communication qui indiquent qu'une arrivée de gaz est intervenue. Comme montré sur la figure 26, l'émetteur- récepteur acoustique de surface 743 peut être couplé en un emplacement à la surface pour communiquer avec le fluide de l'espace annulaire 741 dans le trou de sonde 735. Le puits de forage 731 est prévu pour faire tourner la rame de forage 733. Comme cela est habituel, la rame de forage 733 comprend une section supérieure de conduit de forage 737 et une section inférieure de collier de forage 739. Le trépan 738 désintègre les formations géologiques lorsque la rame de forage 733 est mise en rotation par rapport au trou de puits 735.
Durant des parties sélectionnées des opérations de forage, l'émetteurrécepteur acoustique de surface 743 (et du contrôle d'ordinateur personnel associé 745) est utilisé pour transmettre les signaux interrogatifs vers le bas dans le puits 735 à travers le fluide annulaire 741 qui est le canal de communication. Un ou plusieurs marqueurs de réflexion peuvent être prévus et couplés en position dans la partie à conduit de forage 737 de la rame de forage 733.
Alternativement, la limite réfléchissante fournie par le collier de forage 739 peut être utilisée comme surface de réflexion. L'émetteur acoustique de surface 743 transmet soit (a) un signal qui comprend un certain nombre de composantes du signal, chacune ayant une fréquence différente, couvrant une gamme de fréquences présélectionnée, soit (b) transmet un signal ayant une fréquence fixée. Le signal se propage vers le bas à travers le fluide annulaire 741 et se réfléchit sur le collier de forage 739 puis retourne vers la surface pour la réception par l'émetteur-récepteur acoustique de surface 743.
Lorsqu'un signal est transmis qui comprend un certain nombre de composantes de fréquence différentes, l'émetteur-récepteur acoustique de surface peut analyser les attributs de signal-bruit de diverses parties de fréquence sur la gamme de fréquences présélectionnée afin d'identifier une ou plusieurs bandes optimales dans la gamme de fréquences, chacune typiquement ayant une largeur approximativement de dix (10) Hz qui sont optimales au moment de la communication des données dans le puits 735. Les bandes particulières optimales peuvent être identifiées par des fréquences supérieure et inférieure, ou une fréquence centrale et une largeur de bande. Dans une caractérisation ou une autre, une partie spécifique de la gamme de fréquences est identifiée comme étant préférable à d'autres parties de la gamme de fréquences pour une transmission efficace des données.
L'introduction d'une arrivée de gaz indésirable dans le fluide annulaire 741 dans le puits 735 modifie l'impédance acoustique du fluide annulaire 741 et modifie ainsi la partie de fréquence optimale pour la transmission des données. Les données peuvent être obtenues en caractérisant continûment le canal de communication du fluide annulaire 741 durant les périodes pendant lesquelles aucune arrivée de gaz n'est présente dans le fluide annulaire 741.
Les caractérisations suivantes du fluide annulaire 741 peuvent être comparées aux données historiques afin d'identifier les changements des parties de bande passante optimales de la gamme de fréquences présélectionnée en vue d'identifier l'apparition d'une arrivée de gaz.
Sur la figure 26, un trépan 738 est illustré en traversant une zone de gaz à haute pression 747. Ceci provoque une arrivée de gaz 749 dans le fluide annulaire 741.
Typiquement, l'arrivée de gaz 749 entre dans le fluide annulaire 741 en tant que "bouchon" de fluide. Comme celui-ci s'élève, il sort de la solution et devient une "bulle" de gaz. La présence de soit le bouchon de fluide, soit de la bulle de gaz devrait provoquer une modification notable des fréquences de fonctionnement optimales destinées au canal de communication du fluide annulaire 741. Ces modifications soudaines des fréquences de transmission de données optimales devraient fournir une indication à l'opérateur de surface qu'une arrivée de gaz indésirable est intervenue.
Dans des réalisations alternatives, un ou plusieurs transducteurs peuvent être situés dans la rame de forage 733 en vue de la transmission et/ou la réception de signaux acoustiques. Par exemple, l'émetteur-récepteur acoustique de fond de trou 740 peut être prévu en un emplacement adjacent au collier de forage 739 en vue de la réception ou la transmission de signaux acoustiques. Dans cette configuration, l'émetteur-récepteur acoustique de fond de trou 740 peut être utilisé, comme cela a été décrit ci- dessus en connexion avec la description du système de communication de données, afin de générer un signal de caractérisation qui est détecté par l'émetteur-récepteur acoustique de surface 741 puis est traité par le contrôleur PC 745, comme cela a été également décrit ci-dessus.
L'émetteur-récepteur acoustique de surface 743 et l'émetteur- récepteur acoustique de fond de trou 740 peuvent être utilisés pour transmettre les signaux dans un sens et dans un autre a travers le canal de communication du fluide annulaire 741. Les modifications du canal de communication, les modifications des signaux transmis entre l'émetteur-récepteur acoustique 741 et l'émetteur- récepteur acoustique de fond de trou 740 ainsi que les modifications des fréquences de communication optimales peuvent être utilisées pour détecter l'entrée d'une arrivée de gaz indésirable 749. Les échos qui sont générés dans le canal de communication du fluide annulaire 741 et provenant soit de l'émetteur-récepteur acoustique de surface 741 soit de l'émetteur-récepteur acoustique de fond de puis 740 peuvent être utilisés pour indiquer exactement la position et la taille d'une bulle de gaz lorsque celle-ci se déplace vers le haut dans l'annulaire du puits.
La présente invention peut être utilisée pour contrôler l'arrivée de gaz dans un puits durant le forage et détecter l'événement avant que la bulle d'arrivée atteigne la surface. Ceci améliorera notablement la sécurité, en empêchant une éruption du puits ou une autre perte sérieuse de situations de commande. Le système peut être utilisé pour détecter la position de la partie supérieure de la bulle.
* Puisque le transducteur et le système de communication de la présente invention ne nécessitent pas qu'une circulation soit présente dans le puits, la présente invention peut être utilisée pour détecter l'arrivée de gaz durant les périodes de repos durant lesquelles aucun fluide ne circule dans le puits, durant les opérations de déconnexions ou de tubage, par exemple. La présente invention permet également la détection de petites bulles de gaz, de façon plus rapide qu'avec des techniques conventionnelles. La présente invention permet également à des modifications notables d'intervenir dans le puits durant les opérations de forage, des modifications telles que la densité de la boue et la soustraction ou l'addition de parties de rame de forage, le système permettant le contrôle continu du canal de communication pour déterminer les fréquences de fonctionnement optimum. Cette caractéristique autorise l'ajustement automatique et continu des performances de "ligne de base" durant des reconfigurations importantes du trou de sonde, sans nécessiter une connaissance importante de l'opérateur à propos des systèmes acoustiques. Brièvement, des trajectoires acoustiques modifiées, des retours acoustiques interrompus, des canaux de fréquence interrompus et des modifications de la durée de déplacement ainsi que des modifications d'amplitudes par rapport à des amplitudes précédentes peuvent être utilisées séparément ou ensemble afin d'identifier l'apparition d'une arrivée de gaz indésirable et, une fois que l'arrivée a été détectée, peuvent être utilisées pour localiser exactement la position et peut-être la taille de l'arrivée de gaz.
En ce qui concerne le système de communication de données alternatif, en tant qu'alternative à une identification de partie spécifique et étroite d'une bande de fréquences fournissant la transmission de données optimale, le système de communication de la présente invention peut utiliser une approche opposée utilisant une bande très large dans son intégralité afin de transmettre un caractère binaire correspondant, un binaire un, par exemple, et utilisant une autre bande large pour identifier un caractère binaire correspondant, un binaire zéro, par exemple. Il a été montré par Drumheller dans un article intitulé "Acoustical Properties of Drillstrings", Sandia National Laboratories, Paper n SAND88-0502" publié en août 1988, que les signaux acoustiques de fréquences spécifiques se déplacent depuis le fond d'une rame de forage à la surface avec une faible atténuation uniquement. Ces fréquences sont contenues dans des bandes de fréquences. Au sein de ces bandes de fréquences, il peut y avoir une grande variation de l'atténuation de l'une quelconque des fréquences particulières, mais certaines ou la plupart des fréquences de la bande passent à travers la rame de forage sans subir de modifications sensibles dans l'environnement du puits. De cette façon, la sélection d'une bande de fréquences particulière en tant que fréquences de modulation pour un système de transmission de données assure qu'il y a une petite probabilité seulement que toutes les fréquences de la bande soient atténuées et perdues.
Conformément à la présente invention, le canal de communication se trouve dans le puits, soit une colonne de fluide, soit un élément tubulaire, est analysé pour déterminer une bande de fréquences optimale pouvant être utilisée pour désigner une valeur binaire particulière, un binaire "un" par exemple, tandis qu'une autre bande de fréquences séparée est identifiée pour représenter le caractère binaire opposé, un binaire "zéro", par exemple. Par exemple, le canal de communication est examiné afin d'identifier une bande de fréquences large telle que comprise entre 590 Hz et 690 Hz qui correspond à un binaire "un", tandis qu'elle est également examinée pour une bande de fréquences séparée, telle que comprise entre huit cent vingt (820) Hz et neuf cent vingt (920) Hz qui correspond à un binaire "zéro".
Les transducteurs de la présente invention sont utilisés pour générer un signal acoustique qui comprend une pluralité de parties de signal, chaque partie représentant une fréquence différente de la bande, les parties couvrant ensemble l'entière largeur de la bande de fréquences sélectionnée. Par exemple, pour le binaire un, le transducteur acoustique produit un signal qui comprend une pluralité de composantes de signal étendues sur la bande passante allant de cinq cent quatre vingt dix (590) à six cent quatre vingt dix (690) Hz. De la même façon, pour le binaire "zéro" le transducteur génère un signal acoustique qui comprend une pluralité de composantes de signal qui couvrent la gamme des fréquences comprise entre huit cent vingt et neuf cent vingt (820-920) Hz.
Durant un mode de réception de fonctionnement, le transducteur et l'ordinateur à microprocesseur associé, sont utilisés pour analyser les niveaux d'énergie des signaux acoustiques détectés dans les gammes de bande de fréquences séparées. Préférablement, l'énergie de la bande zéro est comparée au niveau de bruit de la ligne de base qui a été précédemment obtenu pour la gamme de fréquences. De la même façon, le niveau d'énergie de la gamme de fréquences représentative du binaire "zéro" est comparé au niveau d'énergie de la ligne de base précédemment acquis pour la même gamme de fréquences.
Ces concepts sont illustrés sous la forme de bloc diagramme des figures 27 et 28, la figure 27 illustrant la logique associée à l'émetteur et la figure 8 illustrant la logique associée au récepteur.
En se référant d'abord à la figure 27, les données du capteur sont fournies par les capteurs 801 au microprocesseur 805 et à la mémoire de stockage numérique 803. Lorsque la transmission des données est désirée, le microprocesseur 805 actionne le convertisseur numérique analogique 807 qui génère un signal d'actionnement pour les binaires "uns", et un signal d'actionnement pour les binaires "zéros". L'organe de puissance 809 génère un signal de puissance unique associé à chaque binaire "zéro" et un signal de puissance unique associé à chaque binaire "un" comme illustré sur le graphique 811, une première gamme présélectionnée de fréquences représentant un binaire "un" et une seconde gamme présélectionnée de fréquences représentant un binaire "zéro". Dans l'exemple de la figure 27, les fréquences de la gamme des cinq cent quatre vingt dix à six cent quatre vingt dix (590-690) Hz sont représentatives du binaire "un", tandis que les fréquences de la gamme des huit cent vingt à neuf cent vingt (820-920) Hz sont représentatives du binaire "zéro". Le signal d'attaque est transmis au transducteur 813 qui est couplé acoustiquement au canal de communication, qui est préférablement, mais non nécessairement, une colonne de fluide dans le puits.
Le signal acoustique est acheminé vers un émetteur-récepteur situé de façon éloignée, tel le transducteur 815 de la figure 28. Les signaux acoustiques reçus sont amplifiés sur l'amplificateur 817 et transmis simultanément au filtre passe-bande 819 et au filtre passe- bande 829. Dans les exemples des figures 27 et 28, le filtre passe-bande 819 est un filtre passe-bande qui autorise le passage de fréquences dans la gamme des cinq cent quatre vingt dix à six cent quatre vingt dix (590- 690) Hz, tandis que le filtre passe-bande 829 autorise le passage des fréquences dans la gamme des huit cent vingt à neuf cent vingt (820-920) Hz. Les sorties des filtres passe-bande 819, 829, sont transmises aux blocs de traitement de signaux ultérieurs.
Plus spécifiquement, la sortie du filtre passe- bande 819 est transmise à l'intégrateur 821 qui fournit en tant que sortie une indication du contenu en énergie des signaux de la gamme des fréquences correspondant au binaire "un". De la même façon la sortie du filtre passe-bande 829 est transmise à l'intégrateur 831 qui fournit en tant que sortie une indication de l'énergie contenue dans les signaux dans la gamme des fréquences correspondant au binaire "zéro".
L'intégrateur de bande de base 823 est utilisé pour fournir une indication du niveau d'énergie contenue dans la gamme des fréquences correspondant au binaire "un" durant des périodes pendant lesquelles aucun signal n'est présent. De la même façon, l'intégrateur de bande de base 833 est utilisé pour fournir en tant que sortie une indication de l'énergie contenue dans la bande de fréquences correspondant au binaire "zéro" durant des périodes d'inactivité.
Comme cela est montré sur la figure 28, la sortie de l'integrateur 821 et de l'integrateur de bande de base 823 est transmise à l'amplificateur de sommation 825. De la même façon la sortie de l'intégrateur 831 et de l'intégrateur de bande de base 833 est transmise à l'amplificateur de sommation 835.
Les sorties des amplificateurs de sommation 825, 835, sont transmises à un comparateur. Lorsque la sortie de l'amplificateur de sommation 825 dépasse la sortie de l'amplificateur de sommation 835, alors, la sortie du comparateur 827 est un binaire "un" ; cependant, lorsque la sortie de l'amplificateur de sommation 835 est supérieure à la sortie de l'amplificateur de sommation 825, alors la sortie du comparateur 827 est un binaire "zéro". De cette façon, les données binaires fournies en tant que sortie provenant d'un microprocesseur 805 (de la figure 27) peuvent être reconstituées à la sortie du comparateur 827 dans un émetteur-récepteur situé de façon éloignée.
Naturellement, dans la présente invention, le transducteur qui est décrit dans ce texte peut être utilisé en tant que générateur de signaux acoustiques. En outre, le système de communication de données décrit ici peut être utilisé pour sélectionner la meilleure gamme de fréquences destinée à représenter le binaire "un" et le binaire "zéro".
Claims (35)
1. Procédé de transmission des données dans un trou de sonde entre un premier émetteur-récepteur en un premier noeud de communication et un second émetteur- récepteur en un second noeud de communication à travers un canal de communication défini dans un élément de trou de sonde, caractérisé en ce qu'il comprend: la génération d'un signal de caractérisation en un desdits premier et second noeuds de communication; ledit signal de caractérisation comprenant une pluralité d'éléments de signal, chacun ayant une fréquence sélectionnée, ladite pluralité d'éléments de signal couvrant une gamme de fréquences présélectionnée; l'application dudit signal de caractérisation audit canal de communication; la réception dudit signal de caractérisation à l'aide d'un desdits premier et second émetteur-récepteur sélectionné ; l'analyse dudit signal de caractérisation en vue d'identifier des parties de ladite gamme de fréquences sélectionnée qui sont appropriées pour la communication des données entre lesdits premier et second noeud de communication à un instant particulier; et la communication des données dans ledit canal de communication dans au moins une partie sélectionnée de ladite gamme de fréquences présélectionnée.
2. Procédé de transmission des données selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de trou de sonde qui définit ledit canal de communication comprend une colonne de fluide.
3. Procédé de transmission des données selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de trou de sonde qui définit ledit canal de communication comprend une rame tubulaire de trou de sonde.
4. Procédé de transmission des données selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: de façon continue, la génération, l'application, la réception et l'analyse dudit signal de caractérisation en vue d'identifier des parties de ladite gamme de fréquences présélectionnée qui sont appropriées pour la communication des données entre lesdits premier et second noeuds de communication à des instants successifs; et la communication des données dans ledit canal de communication dans au moins une partie sélectionnée de ladite gamme de fréquences présélectionnée.
5. Procédé de transmission des données selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: durant ladite étape de communication des données, de façon automatique et périodique, la génération, l'application, la réception et l'analyse dudit signal de caractérisation en vue d'identifier des parties de ladite gamme de fréquences présélectionnée qui sont appropriées pour la communication des données entre lesdits premier et second noeuds de communication; et la commutation entre les parties sélectionnées de ladite gamme de fréquences présélectionnée en vue d'optimiser la communication des données entre lesdits premier et second noeuds de communication.
6. Procédé de transmission des données selon la revendication 1, caractérisé en ce que, durant ladite étape de génération, ledit signal de caractérisation est généré en utilisant un desdits premier et second émetteurs-récepteurs sélectionné.
7. Procédé de transmission des données selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une pluralité de signaux de caractérisation sont générés en un desdits premier et second noeuds sélectionné, chacun étant analysé en vue d'identifier des parties de ladite gamme de fréquences présélectionnée qui sont appropriées pour la communication des données dans une direction particulière entre lesdits premier et second noeuds de communication.
8. Procédé de transmission des données selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape d'analyse comprend l'identification d'au moins une partie de ladite gamme de fréquences présélectionnée qui possède une bande passante appropriée en vue de la communication des données.
9. Procédé de transmission des données selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape d'analyse comprend l'identification d'au moins une partie de ladite gamme de fréquences présélectionnée qui possède une caractéristique signal-bruit appropriée en vue de la communication des données.
10. Procédé de transmission des données selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape d'analyse comprend la mise en oeuvre d'une analyse du domaine de fréquence du signal de caractérisation reçu.
11. Procédé de transmission des données selon la revendication 1, caractérisé en ce ladite étape d'analyse comprend la création d'un histogramme en utilisant les binaires de fréquences présélectionnées.
12. Procédé de transmission des données selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape d'analyse comprend la comparaison des totaux d'exécution cohérents avec les totaux d'exécution incohérents.
13. Procédé de transmission des données selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: la synchronisation du fonctionnement desdits premier et second émetteurs-récepteurs.
14. Procédé de transmission des données selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: à la suite de ladite étape d'analyse, la transmission des données entre lesdits premier et second émetteurs-récepteurs qui identifient au moins une fréquence centrale pour au moins une partie sélectionnée de ladite gamme de fréquences présélectionnée.
15. Procédé de transmission des données selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit canal de communication comprend une colonne de fluide dynamique dans ledit trou de sonde; et caractérisé en ce que lesdites étapes du procédé de la revendication 1 sont exécutées de façon continue en vue d'optimiser la communication des données dans ladite colonne de fluide dynamique.
16. Procédé de transmission des données selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit canal de communication comprend une colonne de fluide dynamique dans ledit trou de sonde; caractérisé en ce que des modifications mécaniques affectent les propriétés de transmission acoustique dudit canal de communication; et caractérisé en ce lesdites étapes de la revendication 1 sont exécutées en vue d'optimiser automatiquement la communication des données dans ladite colonne de fluide dynamique, en dépit des modifications mécaniques.
17. Appareil de communication acoustique destiné à être utilisé dans un trou de sonde (1104), une colonne de fluide sélectionné y étant sélectionnée en tant que canal de communication (1206) destiné à la communication acoustique entre un premier noeud de communication et un second noeud de communication, caractérisé en ce qu'il comporte: un premier élément actionneur (1200) destiné à la conversion d'au moins (a) un signal électrique codé transmis en un signal acoustique codé généré correspondant durant un mode de fonctionnement en transmission de message et (b) un signal acoustique codé transmis en un signal électrique codé généré correspondant durant un mode de fonctionnement en réception de message; un second élément actionneur (1204) destiné à la conversion d'au moins (a) un signal électrique codé transmis en un signal acoustique codé généré correspondant durant un mode de fonctionnement en transmission de message et (b) un signal acoustique codé transmis en un signal électrique codé généré correspondant durant un mode de fonctionnement en réception de message; des boîtiers destinés à fixer lesdits premier et second éléments actionneurs en des emplacements sélectionnés dans ledit trou de sonde; et ledit appareil de communication acoustique pouvant fonctionner dans une pluralité de modes de fonctionnement, comprenant au moins: (a) un mode de fonctionnement de caractérisation de canal de communication dans lequel un signal de caractérisation est transmis dans ledit canal de communication puis est analysé en vue d'identifier au moins une fréquence de communication pour une communication optimale; et (b) un mode de fonctionnement de communication de données, dans lequel les données sont transmises entre lesdits premier et second noeuds de communication par l'intermédiaire du fonctionnement desdits premier et second éléments actionneurs à au moins ladite fréquence de communication.
18. Appareil de communication acoustique destiné à être utilisé dans un trou de sonde (1104), un élément de trou de sonde sélectionné y étant sélectionné en tant que canal de communication (1206) pour une communication acoustique entre un premier noeud de communication et un second noeud de communication, caractérisé en ce qu'il comporte: un premier élément actionneur (1202) destiné à la conversion d'au moins (a) un signal électrique codé transmis en un signal acoustique codé généré correspondant durant un mode de fonctionnement en transmission de message et (b) un signal acoustique codé transmis en un signal électrique codé généré correspondant durant un mode de fonctionnement en réception de message; un second élément actionneur (1204) destiné à la conversion d'au moins (a) un signal électrique codé transmis en un signal acoustique codé généré correspondant durant un mode de fonctionnement en transmission de message et (b) un signal acoustique codé transmis en un signal électrique codé généré correspondant durant un mode de fonctionnement en réception de message; des boîtiers destinés à fixer lesdits premier et second éléments actionneurs en des emplacements sélectionnés dans ledit trou de sonde; et durant un mode de fonctionnement en communication de données: (a) un binaire "un" étant transmis à travers ledit canal de communication en utilisant un desdits premier et second éléments actionneurs sélectionné en vue de générer un signal acoustique avec une pluralité de composantes de signal, lesdites composantes de signal couvrant une première gamme de fréquences présélectionnée; et (b) un binaire "zéro" étant transmis à travers ledit canal de communication en utilisant un desdits premier et second éléments actionneurs sélectionné en vue de générer un signal acoustique avec une pluralité de composantes de signal, lesdites composantes de signal couvrant une seconde gamme de fréquences présélectionnée, différente de la gamme de fréquences destinée audit binaire "un".
19. Appareil de communication acoustique selon la revendication 18, caractérisé en ce que, durant ledit mode de fonctionnement en communication de données: (a) ledit binaire "un" est détecté par un desdits premier et second éléments actionneurs sélectionné en examinant les niveaux d'énergie dans ladite première gamme de fréquences présélectionnée; et (b) ledit binaire "zéro" est détecté par un desdits premier et second éléments actionneurs sélectionnés en examinant les niveaux d'énergie dans ladite seconde gamme de fréquences présélectionnée.
20. Appareil de communication acoustique selon la revendication 19, caractérisé en ce que lesdits niveaux d'énergie de ladite première gamme de fréquences présélectionnée sont comparés à un niveau d'énergie de ligne de base destiné à ladite première gamme de fréquences présélectionnée; et caractérisé en ce que lesdits niveaux d'énergie de ladite seconde gamme de fréquences présélectionnée sont comparés à un niveau d'énergie de la ligne de base pour ladite seconde gamme de fréquences présélectionnée.
21. Procédé de communication par trou de sonde des données entre deux emplacements par l'utilisation d'un déplacement d'ondes acoustiques dans un liquide de trou de sonde, sans modifier ou nécessiter un écoulement du liquide, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : (a) caractériser un canal acoustique créé par ledit liquide dans ledit trou de sonde en: (1) générant un signal de caractérisation en l'un desdits emplacements; (2) transmettant ledit signal de caractérisation via ledit liquide de trou de sonde à l'autre desdits emplacements; et (3) analysant ledit signal de caractérisation après qu'il a été reçu en ledit second emplacement en vue de sélectionner une bande de fréquences ayant une capacité de canaux appropriée pour la communication désirée; (b) générer un signal acoustique ayant une fréquence dans ladite bande de fréquences, lequel signal définit lesdites données; (c) coupler ledit signal acoustique à un liquide de trou de sonde dans une première partie de ce trou de sonde positionnée en un premier desdits emplacements; (d) recevoir ledit signal acoustique provenant d'une seconde partie dudit liquide de trou de sonde en le second desdits emplacements; et ensuite (e) récupérer lesdites données provenant dudit signal acoustique.
22. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes consistant à : (f) générer un second signal acoustique ayant une fréquence dans ladite bande de fréquences, lequel second signal définit les données; (g) coupler ledit second signal acoustique audit liquide de trou de sonde dans ladite seconde partie du trou de sonde positionnée en un second desdits emplacements; (h) recevoir ledit second signal acoustique provenant de ladite seconde partie dudit liquide de trou de sonde en un premier desdits emplacements; et ensuite (i) récupérer lesdites données provenant dudit second signal acoustique.
23. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que ladite étape d'analyse comprend la prise de la transformée de FOURIER rapide dudit signal de caractérisation.
24. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que ladite étape d'analyse comprend: la détermination d'un rapport signal-bruit dudit signal de caractérisation dans une dite gamme de fréquences spécifiée; la détermination d'une bande passante à rapport signal-bruit constant dans ladite bande de fréquences spécifiée; et la sélection d'une fréquence dans ladite bande de fréquences spécifiée ayant le meilleur rapport signal-bruit et une bande passante acceptable située de part et d'autre, en tant que meilleure fréquence de transmission.
25. Procédé de communication des données par trou de sonde entre deux emplacements, caractérisé en ce qu'il utilise le déplacement d'ondes acoustiques dans un milieu de transmission s'étendant dans ledit trou de sonde, sans que le milieu de transmission lui-même ait à se déplacer entre de tels emplacements pour une telle communication, et comprend l'étape consistant à caractériser périodiquement un canal acoustique dynamique dans ledit milieu de transmission afin de déterminer la meilleure fréquence de transmission pour la communication desdites données.
26. Procédé de détection d'arrivée de gaz dans une colonne de fluide située dans un trou de sonde, qui définit un canal de communication, caractérisé en ce qu'il comporte: la mise en oeuvre d'au moins un actionneur destiné à la conversion d'au moins (a) un signal électrique codé transmis en un signal acoustique codé généré correspondant durant un mode de fonctionnement en transmission de message et (b) un signal acoustique codé transmis en un signal électrique codé généré correspondant durant un mode de fonctionnement en réception de message; l'utilisation dudit actionneur en vue de générer un signal interrogatif en un emplacement sélectionné dans ledit trou de sonde; l'application dudit signal interrogatif audit canal de communication; la réception dudit signal interrogatif par ledit actionneur; l'analyse dudit signal interrogatif en vue d'identifier au moins: (a) une desdites parties de la gamme de fréquences présélectionnées qui sont appropriées pour la communication des données dans ledit trou de sonde à cet instant particulier; (b) un des attributs de canal de communication; et (c) un des attributs du signal; la répétition desdites étapes d'utilisation, d'application, de réception et d'analyse afin d'identifier les modifications d'au moins: (a) une desdites parties de ladite gamme de fréquences présélectionnée qui sont appropriées pour la communication des données dans ledit trou de sonde; (b) un des attributs de canal de communication; et (c) un des attributs de signal; qui correspondent à une arrivée probable de gaz dans ladite colonne de fluide dans ledit trou de sonde.
27. Appareil de communication acoustique destiné à être utilisé dans un trou de sonde ayant une pluralité de rames tubulaires concentriquement emboîtées dans le trou de sonde, ayant au moins une colonne de fluide définit dans ce trou de sonde et sélectionnée en tant que canal de communication, caractérisé en ce qu'il comporte: un transducteur en communication de transfert de forces avec ledit canal de communication; un boîtier destiné à fixer ledit transducteur dans un emplacement sélectionné à l'intérieur dudit trou de sonde, ledit boîtier affectant l'admittance acoustique dudit canal de communication; et au moins un élément d'adaptation d'impédance, dimensionné en (1) aire transversale et (2) longueur par rapport au moins (1) audit canal de communication (2) audit boîtier et (3) à une fréquence de communication acoustique probable afin de minimiser la réflexion de l'énergie acoustique sur ledit boîtier.
28. Appareil de communication acoustique selon la revendication 27, caractérisé en ce qu'au moins un élément d'adaptation d'impédance est situé de façon intermédiaire entre ledit boîtier et un noeud de communication situé de façon éloignée.
29. Appareil de communication acoustique selon la revendication 27: caractérisé en ce que ledit canal de communication comprend une région annulaire définit par les rames tubulaires concentriquement emboîtées; caractérisé en ce que ledit boîtier s'étend dans, et partiellement obstrue, ladite région annulaire, affectant ainsi l'admittance acoustique dudit canal de communication; et 3)5 caractérisé en ce qu'au moins ledit élément d'adaptation d'impédance est dimensionné pour également obstruer partiellement ladite région annulaire, mais dans une moindre mesure que ledit boîtier.
30. Appareil de communication acoustique destiné à être utilisé dans un puits ayant une pluralité de rames tubulaires concentriquement emboîtées disposées à l'intérieur du puits, avec au moins une colonne de fluide définie dans le puits et sélectionnée en tant que canal de communication qui s'étend entre un premier noeud de communication et un second noeud de communication, caractérisé en ce qu'il comporte: un transducteur, situé en ledit premier noeud de communication, en communication de transfert de forces avec ledit canal de communication; un boîtier destiné à fixer ledit transducteur en une desdites rames tubulaires concentriquement emboîtées sélectionnée, avec ledit boîtier s'étendant dedans, et partiellement obstruant, ladite région annulaire; un élément de réflexion positionné par rapport audit boîtier de façon à ce que ledit transducteur soit en position intermédiaire entre (a) ledit canal de communication et (b) ledit élément de réflexion; et ledit élément de réflexion étant dimensionné en (1) aire de section et (2) longueur par rapport à au moins un (1) dudit canal de communication, (2) dudit boîtier et (3) par rapport à une fréquence de communication acoustique probable afin de réfléchir l'énergie acoustique dans ledit canal de communication entre lesdits premier et second noeuds de communication.
31. Appareil de communication acoustique selon la revendication 30: caractérisé en ce que ledit élément de réflexion obstrue partiellement ladite région annulaire afin de réaliser une région annulaire périphérique dont l'aire de section est approximativement égale à l'aire de section dudit canal de communication.
32. Appareil de communication acoustique selon la revendication 30: caractérisé en ce que ledit élément de réflexion est écarté dudit boîtier d'une distance approximativement égale à un quart de longueur d'onde de ladite fréquence de communication acoustique probable; et caractérisé en ce que ledit élément de réflexion possède une longueur approximativement égale à un quart de longueur d'onde de ladite fréquence de communication acoustique probable.
33. Appareil de communication acoustique selon la revendication 30, caractérisé en ce que ledit élément de réflexion définit: (a) un nombre multiple d'accroissements en gradins des aires en coupe transversale, espacé dudit transducteur généralement d'un nombre impair de quarts de longueur d'onde par rapport à ladite fréquence de communication acoustique probable, lesdits accroissements en gradins étant disposés longitudinalement dans ledit trou de sonde, dans une direction à partir dudit transducteur, opposée à celle de la communication désirée; (b) un nombre multiple d'accroissements en gradins des aires en coupe transversale dans ledit trou de sonde, intercalé avec lesdits accroissements en gradins et espacé dudit transducteur généralement d'un nombre pair de quarts de longueur d'onde de ladite fréquence de communication acoustique probable.
34. Appareil de communication acoustique destiné à être utilisé dans un trou de sonde ayant une pluralité de rames tubulaires concentriquement emboîtées disposées dans le trou de sonde, avec au moins une colonne de fluide définie dans le trou de sonde et sélectionnée en tant que canal de communication, caractérisé en ce qu'il comporte: un transducteur en communication de transfert de forces avec ledit canal de communication; un boîtier destiné à fixer ledit transducteur en un emplacement sélectionné dans ledit trou de sonde; et une masse de fluide située dans ledit boîtier et fonctionnant en tant que charge de retour élastique destinée audit transducteur.
35. Appareil de communication acoustique selon la revendication 34, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une sortie sur ledit boîtier qui permet la communication de l'énergie acoustique entre ladite masse de fluide et ledit canal de communication; et ladite sortie étant écartée dudit transducteur d'une distance approximativement égale à un nombre impair de quarts de longueur d'onde d'une fréquence de communication acoustique probable.
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| NO20030612L (no) | 1995-02-20 |
| CA2130282C (fr) | 2003-05-13 |
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