JPH03501408A - ドリルストリングを通しての音響データ伝送 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ドリルストリン　を゛しての　−一一゛合衆国政府は、エネルギー省とＡＴ＆Ｔ 　ＴｅＣｈｎＯＩＯＱｉｅＳ、ＩｎＣ，との間の契約第ＤＥ−ＡＣ０４−７６Ｄ ＰＯＯ７８９号に従って、本発明に関し所有権本発明は、一般的にドリルストリ ングに沿ってデータを伝送するためのシステムに係わり、更に特には、中間周波 数音響搬送波の変調によってドリルストリングを通してデータを伝送するための システムに係わる。

石油・又は地熱探査のために通常使用されるタイプの深井戸は典型的には直径３ ０ｃＩＡ（１２インチ）未満であり、長さ約２　ｂ　（１，５マイル）である。

これらの井戸は、ツールジヨイントで末端と末端とを接続された比較的短い長さ のドリルバイブのセクション（長さ３０又は４５フイート）から組み立てられた ドリルストリングを用いて掘削され、穴が深くなるにつれて追加のセクションが 穴の上側の端部に付は加えられる。ドリルストリングの穴の下側の端部は典型的 にはドリルカラー、即ち、約３００メートル（１０００フイート）台の全長を有 する、比較的長い、均一の直径のカラーバイブのセクションから組み立てられた 静荷重を含む。ビットがドリルカラーの穴の下側の端部に取り付けられ、ドリル ストリングが地表から回転させられるにつれて、カラーの重量がビットを土に食 い込ませる。時には、穴の下側の泥水モータ又は泥水タービンがビットを回転さ せるために使用されることもある。掘削泥水又は空気がドリルストリング内の軸 穴を通して地表からビットに注入される。この流体は穴から掘りくずを取り除き 、地層ガスを制御する水圧ヘッドを与え、及び、時にはビットのだめの冷却を与 えることもある。

圧力又は温度のようなパラメータに関する、穴の下側のセンサと地表との間の通 信が長い間望まれてきた。この通信ために試みられてきた様々な方法は、地層を 通しての電磁気放射、絶縁導体を通しての電気的伝送、掘削泥水を通しての圧力 パルス伝搬、及び金属ドリルストリングを通しての音響波伝播を含む。

これらの方法の各々は、信号減衰、周囲雑音、高温度、及び標準的な掘削手続き との適合性に関連して欠点を有する。

これらの方法の中で最も商業的に成功している方法は、掘削泥水中の圧力パルス による情報伝送である。しかし、泥水内の減衰作用は伝送速度を毎秒２〜４ビツ トに制限する。

本発明は金属ドリルストリングを通してのデータ音響伝送に向けられる。そうし た努力の歴史は、ＣＯＸ及びＣｈａｎｅｙの、１９８１年１０月６日に与えられ た、米国特許第４，２９３，９３６号の段２〜４に記録されている。そこで報告 されているように、最初の努力はＳｕｎ　ｏｔ＋　Ｃｏｍｐａｎｙによって１９ ４０年代末期に行われ、この組織は、その当時の技術ではドリルストリング内で 生じる減衰があまりにも大きいと結論した。この時期の間に、別の企業も同一の 結論に達した。

Ｅ、Ｈｉｘｏｎの、１９６６年５月２４日に与えられた、米国特許第３．２５２ ，２２５号は、ドリルバイブ及びジヨイントの長さがドリルストリングを上昇す るエネルギー伝送に影響を及ぼすと結論した。Ｈｉｘｏｎは伝送データの波長が バイブの１つのセクションの長さの少なくとも２倍であるべきであると定めた。

１９６８年にＳｕｎ　Ｏｉｌは、ドリルストリングに沿って一定の間隔で置かれ た信号中継器を使用し及び最適の周波数レンジで伝送することによって、減衰量 が１０００フイート当たり１０ｄＢにすぎないデータ音響伝送を再度試みた。

Ｔｈｏｍａｓ　Ｂａｒｎｃｓ他による論文、“Ｐａ５ｓｂａｎｄｓ　ｆｏｒ　Ａ ｃｏｕｓｔｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｎ　ａｎ　Ｉｄｅａｌｉｚｅｄ　 Ｄｒｉｌｌ　Ｓｔｒｉｎｇ”、Ｊｃｕｒｎａｌ　ｏｆ＾ｃｏｕｓｔｉｃａｌ　５ ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ、Ｖｏｌ、５１．Ｎｏ、５．１９７２．ｐ ａｇｅｓ１６０６〜１６０８は、その実地試験結果の解釈に関して見解をめられ ているが、その試験結果は理論と完全には一致しないものであった。最終的には 、Ｓｕｎは伝送用の最良の周波数を無作為にめることに戻り、その結果は不成功 であった。

前述のＣＯＸ及びｃｈａｎｅｙの特許は、石油弁における実地試験から得られた 測定データの彼らの解釈がら、Ｃｏｘ及びＣｈａｎｅｙによって測定された通過 帯域の中心がＢａｒｎｅｓ他の推定通過帯域と一致しないが故に、Ｂａｒｎｅｓ モデルが誤りに違いないと結論した。

地表へ至る特定の長さのドリルパイプに対して特定の周波数の伝送を確保するた めに、この特許ではドリルストリングに沿って音響信号中継器が使用される。

ｃ、　Ｐｅ１ｅｒＳｅｎ他の、１９８２年２月２日に与えられた米国特許第４、 ３１４．３６５号は、ドリルストリングを下降する２９０Ｈｚ　〜４００Ｈｚの 間の音響周波数を伝送するため、旧ｘｏｎと同様のシステムを開示する。

Ｅ、　Ｓｈａｗｈａｎの、１９８３年６月２８日に与えられた米国特許第４．３ ９０．９７５＠は、ドリルストリング内のリンギングが２進値「０」が「１」と 間違えれる原因となり得ることを特に言及した。後続のデータを伝送する前に過 渡信号を減衰させるために、この特許ではデータ信号を伝送し及びその後に遅延 信号を伝送する。

Ｈ，Ｅ、５ｈａｒｐ他の、１９８５年１２月３１日に与えられた米国特許第４． ５６２，５５９号は、通過帯域内の「微細構造」の存在を明らかにし、例えば「 そうした微細構造は、通過帯域全体内に共に存在する伝送帯域を表ｉｌｌ歯と歯 の間に生じる伝送の空隙又は間隙を有する櫛の性質を有する」と述べている。５ ｈａｒｐは［パイプ長さ、ツールジヨイントの条件及びそれに類するものにおけ る相違」がこの構造の原因であるとした。この特許は、これらの間隙を架橋する するために、より広い周波数スペクトルを有する複雑な移相波を提案する。

本発明はドリルストリングを通しての音響伝送の基本理論のより綿密な考察に基 づいている。最初は、Ｂａｒｎｅ等の研究は、Ｌ、Ｂｒ１ｌｌｏｕｉｎ　ニよッ テ、“Ｗａｖｅ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｐｅｒｉｏｄｉｃｓｔｒｕｃ ｔｕｒｅｓ″ＨｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ　Ｂｏｏｋ　Ｃｏ、Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ、１ ９４６で論じられたタイプのしま状［として分析されてきた。論理上の成果もド リルストリングの縮小モデル上の大規模な実験室実験と相互に関連付けられてき たのであり、Ｃｏｘ及びｃｈａｎｅｙの実地試験がら得られた原データテープが 再分析されてきた。この分析は、Ｃｏｘ及びｃｈａｎｅｙの測定が論理上の推定 と優れた一致を示すデータを含むということ、即ち、微細ＩＩ造の原因を５ｈａ ｒｐが誤解したということ、並びにＳｈａｗｈａｎ及び旧ｘｏｎによって言及さ れたリングキング及び周波数制限が信号処理によって容易に克服されるというこ とを明らかにしている。

第１図はＣｏｘ及びＣｈａｎｅｙによって記録されたデータの新たな分析結果の 幾つかを示す。この図はパワー振幅対伝送信号周波数のプロット図である。通過 帯域と阻止帯域との間の理論的境界は垂直の破線で示される。この図がＣＯＸ及 びｃｈａｎｅｙの特許の第１図と比較されるならば、顕著な相違が認められるこ とが可能であるる。

更に、この第１図は５ｈａｒｐ他の「微細構造」をも示す。現在では、前記の新 たな分析から、この微細構造がドリルストリングの対向する端部の間を跳ね返る エコーによって引き起こされるということ、及びピーク数がドリルパイプのセク ション数と相互関連するということが判明している。この実地試験の論理計算が 第２図を作成するために作用された。ドリルストリング内のデータ伝送に重要な 現象のすべては、この計算に現れる。

これらの論理上の結果は通過帯域の位置及びエコー現象によって作り出された微 細構造を正確に予測する。

発明の要約 ドリルストリングの通過帯域の１つ（幾つか）の中に集中された１つ以上の変調 された連続的な音響搬送波を使用することによって、ドリルストリングに沿った データ伝送のための装置及び方法を提供することが、本発明の目的である。

更に、掘削プロセスによって発生される雑音による干渉を最少化するために、数 百Ｈ２から数千Ｈｚ台の搬送周波数における伝送のための方法を提供することが 、本発明の目的である。

これに加えて、１つ以上の伝送帯域内の雑音を抑制するためのシステムを提供す ることが本発明の目的である。

ドリルストリングの端部からのエコーを抑制するためのシステムを提供すること が本発明の別の目的である。

ドリルストリングのパラメータによって決定された特性を有する通過帯域を通す 伝送のために、音響データを予備調整するためのシステムを提供することが、本 発明の更に別の目的である。

本発明の更に別の目的、利点及び新たな特徴は、以下の説明の考察によって当業 者に明らかになるであろうし、又は本発明の実施によって理解されることになろ う。本発明の目的及び利点は、添付の特許請求の中で特に指摘された手段及び組 み合わせによって実現され達成されることが可能である。

前述の及び他の目的を達成するために、本発明の目的に基づいて、本文書にその 実施例が示され及び概括的に説明されるように、本発明は、ドリルストリングの 第２の端部へ音響伝送するために、前記ドリルストリングの第１の端部の付近の 前記ドリルストリングにデータを結合するための伝送手段と、前記ドリルストリ ング第１端部からの音Ｗ雑音が前記ドリルストリングを通して前記第２端部へと 伝送されることを防止するための、前記第１端部付近の雑音消去手段と、及びｔ ７Ｗ的に伝送されたデータを受け取るための、第２端部付近の受信手段とから成 ってよい。

これに加えて、本発明は更に、ドリルストリングの特性に従属した特徴を有する 複数の通過帯域及び阻止帯域の作用に関連する、ドリルストリングに起因する歪 みを打ち消すために、データを予備調整する段階と、この予備調整されたデータ をドリルストリング第１端部に用いる段階と、並びにドリルストリング第２端部 においてデータを検出する段階とから成ってよしｘｏ−だ５Ｂ 明ＩＢ書に織り込まれ及びその一部を成す添付図面は、本発明の実施例を図解し 、並びにその説明と共に本発明の詳細な説明するのに役立つ。

第１図はＣＯＸ及びｃｈａｎｅｙのドリルストリングの２つの通過帯域内の測定 された周波数応答を示すグラフ、第２図はＣｏｘ及びｃｈａｎｅｙのドリルスト リングの２つの通過帯域内の計算された周波数応答を示すグラフ、第３図はドリ ルストリングを示す図、 第４図は均一・のストリング（破線）及び典型的なドリルストリング（実線）に 関するばらつき曲縁を示すグラフ、及び、 第５図はドリルストリングの第１端部における伝送装置を示す図である。

発明の詳細な説明 第３図に示されるように本発明は、当業では公知の通りのねじ山によって、より 太い直径のジヨイント部分１８で末端と末端を固着された複数の一定直径長さの ドリルバイブ１５から成るドリルストリング１０に沿った音響データ伝送体を含 む。ドリルストリング１０のＦ側末端１２は、ビット２２に下向きの力を与える １つの定直径ドリルカラーを含んでもよい。当業では公知のように、ビット２２ 内の穴を通して上側末端１４において地表から吸い上げられなければならない掘 削泥水に経路を与えるために、定直径の泥水流路２４がドリルストリング１０の 各区画を通って軸方向に延びる。追加のドリルバイブがそのドリルスリトングに 付加されることを可能とするために及びそのストリングが掘削のために回転させ られることを可能とするために、ドリルストリング１０の、Ｌ側末端１４は、箱 ２５で表される、デリック、回転ビニオン及びケリーのような従来的な構造の中 に終端する。この従来的なストリング構造の詳細はＥ、ＨｉＸＯｎの前・述の特 許の中に見出すことが可能である。

本開示内容は下側末端から上側末端へのデータ伝送に向けられたものであるが、 本発明の説明は両方向の伝送に適用されることが理解されるはずである。

本発明を基礎付ける理論は次の方程式１かうその誘導と共に始まり、この方程式 は古典的な波動方程式の形である。

上記式中でインピーダンスｚ＝ｐａｃ、軸力合計面積であり、Ｃは細長い柔軟性 の棒の横断面に亘っての音速であり、Ｕは変位であり、Ｘは位置であり、ｍはラ グランシュ貿量座標であり、及びｔは時間である。

音響エネルギーの伝播を妨げる周波数帯域の存在は、各ドリルバイブ区間が、長 さｄ　１質量密度ρ　、横断面面＠ａ１、音速Ｃ、及び質量ｒ　の１つの管と、 並びに、長さｄ　、質量密度ρ　、横断面面積ａ　、音速Ｃ１及び質量ｒ２の１ つのツールジヨイントから成る理想化ドリルストリングについて説明される。Ｂ ｒ１１１ｏｕｉｎの１８０ページで説明された手続きが、次の固有値問題を生じ させるために、ｒｌｏｑｕｅｔ定理と共に使用された。

コ Ｉ　ＮＩＩ　ＩＩ　１１ 〜−　〇　５　ｕ　ｕ　ｕ Ｎ　Ｎ　Ｉ　Ｎｅ５（Ｑ ここで、ｋは波数、１＝ｆ−＝］−１ｒ　＝ｒ　１＋　ｒ　２、ｄ−ｄ　＋ｄ２ 、ω＝＝２πｆＳｋζ＝ω／ｚζ及びｆは伝送される周波数である。この方程式 は、本試験がＢａｒｎｅｓのｒＷＪがｋｄであることを示すことを除いて、Ｂａ ｒｎｅＳ他の方程式１８と同じである。

Ｂｒ１ｌｌｏｕｉｎは、ｋに対し実数の解を与える周波数は、ｋに対して複素数 の解を与える周波数帯域によって帯域としくＳＳめられ及び区分されるというこ とを明らかにしている。彼はこれら２つのタイプの区域を通過帯域及び阻止帯域 と呼ぶ。阻止帯域内での減衰は一般的に非常に大きい。通過帯域の各々の中では 位相速度ω／にの値はωの値に従属する。音響櫛形フィルタとしてのドリルスト リングの作用及び通過帯域内を伝播する周波数にはばらつきがある。従って、幅 広い周波数スペクトルを有する信号はドリルストリングを通過することによって 著しい歪みをあたえられる。しかし、信号処理技術がこの歪みを除去するために 使用可能である。

上記で言及された術語「櫛形フィルタ」は、阻止帯域及び通過帯域によって生じ させられた周波数スペクトルの総体的構造を指し、この構造では櫛の各々の歯が 個々の通過帯域である。

これとは対照的に、５ｎａｒｐの術語「櫛」は各々の通過帯域内に存在する微細 偽造に当てはまる。

第４図は、実際のドリルパイプのパラメータを表すρζ、ａζ、Ｃζ及びｄζに 関する値を使用した、方程式２の特性確定数のプロットを示す。直線状の破線は 、例えばジヨイント直径がパイプ直径に等しいような均一なドリルストリングに 関する解を表す。所与の周波数に関する伝播速度は位相速度で表される。均一・ なドリルストリングに関しては、この比率は一定であり、及び鋼の棒速度に等し い。複数の周波数成分を含む波が均一のドリルストリング（又はドリルカラー２ ０）を通って進む時は、すべての周波数成分が同一の相対的位置のままであるが 故に、これらの波は歪まない。

第４図のプロットが湾曲している時には、その時には各周波数が異なった速度が 進むが故に、異なった結果が生じる。第４図の実線は、ドリルパイプの面積が２ ，４５０ｍｍ　２（４ｉｎ　２）であり及びツールジヨイントの面積が１２，９ ００ｍｍ　（２０ｉｎ２）である実際のドリルストリングに関する方程式２の解 を表す。この条件では、各通過帯域内の位相速度は曲線状であり、これは歪みの 存在を意味する。

更に、その間隙は阻止帯域を表す。この分析により、阻止帯域と通過帯域との間 の境界に関する値がＢａｒｎｅｓ他の当該の値と同一であると推定される。しか し、この分析は又、各通電帯域内の波伝播の特性を明らかにする。Ｂａｒｎｅｓ 他は通過帯域の作用から結果として生じる歪みを予測しなかった。

摩滅から生じる直径減少に相当する、より小さな直径のツールジヨイントを使用 する予測は、阻止帯域がより狭まくすることを示す。摩滅したジヨイントが第４ 図の直線状の破線を生じさせた均一・な形状により−・層近いストリング形状を もたらすが故に、この変化は当然のことである。

更に予測は、ランダムな長さのパイプから成るドリルストリングは著しく狭い通 過帯域を有するであろうことを示す。この結果は他の者によって行われた観察結 果と一致し、及び初めてこの観察結果を説明する。

ドリルストリングを通しての音響データ伝送が、有限な長さのストリングを通し て複雑な過渡形状を持つ波を送ることを含むが故に、過渡被分析がドリルストリ ングの性能を予測するために使用されてきた。第２図は、Ｃｏｘ及びｃｈａｎｅ ｙの実地試験で使用されたハンマー打撃を概して近似的に表す信号から結果とし て得られる波形の高速フーリエ変換の第３及び第４の通過帯域を示す。この信号 は、ドリルストリングの第３の及び第４の通過帯域を刺激するにすぎない比較的 狭い周波数内容を有する。

１０個のセクションから成るドリルパイプが当実地試験に使用され、そのドリル ストリングの両端部はハンマー打撃から結果として生じた音響波のほぼ完全な反 射を引き起こした。

この図は、５ｈａｒｐ他のｒｍｔａＩＡ造」がドリルストリング内の定常波共鳴 によって引き起こされることを示している。各通過帯域内のスパイク数は、本文 書付録でより詳細に説明されるように、ドリルストリングのパイプセクション数 と相互関連する。

分析結果は、データ信号の処理並びに阻止帯域及びばらつきの影響の補償のため の次のような技術を示唆する。第１に、（広帯域パルスモードとは逆に）情報を 連続的に、通過帯域内でのみ、且つ阻止帯域の境界から離して伝送する。第２に 、各周波数成分をｅｘｐ（−ｉｋＬ）倍してばらつきを補償する！。尚、前記式 中でしはドリルストリングのドリルパイプセクション１８内における伝送長さで ある。ビットまたは掘削泥水によって生じるような多量の音響音が存在する場合 には、受信器位置において、ばらつきの無い信号が結果として得られるように、 伝送の前にデータ信号を変換することが好ましい。

前述の分析は、エコーがドリルストリングの末端の各々で抑制されるという仮定 に基づいている。これは、通過帯域の各々の内でスパイク又は微細構造を排除す るために必要である。信号処理はエコーの強さが信号レベルより２０ｄＢ低い時 に有効であることが公知である。音響波がドリルパイプ及びドリルカラー８０の 交点と相互作用する毎に、その信号は５ｄＢづつ弱まる。又、Ｃｏｘ及びＣｈａ ｎｅｙの実地試験の分析結果からは、信号は１０００フイート毎に約２ｄＢ減衰 する。従って、ドリルストリング１４頂部におけるデータ信号の反射によって発 生されるエコーは、それがドリルストリングを下りて８０に戻り及びその後で受 信器に帰る時に５＋４１ｄＢを失うだろう。従って、ドリルパイプセクションが ３５００フィート以上の長さを持てば、そのストリングの受信端部からのエコー は当然のことながら許容可能なレベルにまで減衰されることになろう。

より短いドリルストリングについては、追加のエコー抑制が必要とされるだろう 。これは終端変換器と呼ばれる装置を用いて達成されることが可能である。この 装置は、ドリルストリングの音響インピーダンスに一致する音響インピーダンス 及び必要とされる２０ｄＢのエコー抑制に近づくのに十分な音響損失率を有する 。

ドリルストリング内の減衰が低いが故に、エネルギー速度及び群速度はほぼ等し い。従って、ドリルストリングの特性インピーダンスは力Ｆを速度ａｕ／ａｔで 割ったものである。この値は方程式２の固有値部であり、即ち、粘性成分と呼ば れる実部及び弾性成分と呼ばれる虚部を有する複素数である。理想的には、終端 変換器は前記弾性成分と等しいスチフネス及び粘性成分に等しい減衰定数を持た なければならない。実際には、レスポンスは２０ｄＢとドリルストリングの自然 減衰との間の相違に近づくことだけを特徴とする 特性インピーダンスは周波数及び位置の関数であり、その位置従属関係はドリル ストリングの周期に従って周期的である。

計算は、インピーダンスが鋭敏な位置関数であるが故に、終端のためにはツール シミインドが有利な位置ではないことを示す。

第４の通過帯域に関しては、パイプに沿って１／３又は２／３の位置がより有利 である。

方程式２からのインピーダンスデータが与えられた後は、終端変換器の設計は当 業者にとっては従来的な問題である。この装置は、例えば、極性Ｐ７Ｔセラミッ ク要素のリング、並びにその反応性構成要素及び抵抗性構成要素がドリルストリ ングの特性インピーダンスに変換器を合わせるために調整され並びに必要な音響 損失率を与える電子回路から成る。

エコーがドリルカラーセクションを上下に自由に伝わり及びデータ伝送を混乱さ せる、穴の下側のドリルストリング末端では、エコー抑制はより重大な問題であ る。この位置では、エコーを抑制するために及び望ましいデータ信号が上方に伝 わるのをヒツト又は掘削泥水の雑音が妨害することを防ぐために、雑音消去技術 を使用することが有効である。本発明と共に使用するための雑音消去技術は以下 で開示される。

第５図は、穴の下側のドリルストリング１０末端の比較的近くに置かれ、及びド リルストリングを上方に伝わる音響雑音伝送を抑制しながら、ドリルストリング の他方の末端に向けてデータ信号を伝送するための装置を含むドリルカラー２０ の１つのセクション３０を示す。特に、此の装置は、データを穴の上側に伝送す るが穴のＦ側には伝送しないための伝送器４０、穴の下側からの音響雑音を検出 し及び穴の上側への雑音伝送を打ち消すための伝送器４０に音￥１雑音を用いる ためのセンサ５０、並びに雑音の、ｌ：側への伝送を最少化するために伝送器４ ０及びセンサ５０に遍切な制御を与えるためのセンサ６０を含む。

伝送器４０は、電気入力信号をドリルカラー３０内の音響エネルギーに転換する ための、間隔の開いた一対の変換器４２．４４を含む。各変換器は絶縁伝導ワイ ヤの巻き線を伴う磁気ひずみリング要素であってもよい。これらの変換器は、伝 送用に選択された通過帯域の中心周波数の１７４波長に等しい距離すだけ間隔を 開けられる。信号源２８からのデータ信号は、好ましくは合計回路４６を通して 、穴の上側の変換器４４に直接与えられる。データ信号は又、遅延回路４７及び 反転回路４８を通して変換器４２にも与えられる。遅延回路４１は伝送器４０に おけるドリルカラー３０内の音速で距１ｂを割った値に等しい遅延値を有する。

この伝送器の働きは次の説明から理解されるだろう。変換器４２．４４の各々は 、穴の上側及び下側の両方に伝わる音響信号ＦＦを与える。従って、両方の変換 器から結果として生じる上方向の及び下方向の波は、 φ　（ｔ、ｘ）＝Ｆ２（ｔ−ｘ／ｃ）＋Ｆ４（ｔ−（ｘ−ｂ）／ｃ））前式中で ｘ＞ｂφ　（ｔ、ｘ）＝Ｆ２　（ｔ＋ｘ／ｃ）＋Ｆ４（ｔ＋（ｘ−ｂ）／ｃ）） 前式中でｘ＜Ｏ上記式中でＸは変換器４２からの穴の上側の距離であり、Ｃ１ま 音速である。どんな下方向の波についていも、φｄ　（ｔ、ｘ）−〇であり得す 、又は、 φ、　（ｔ、ｘ）＝−Ｆ２（ｔ−（ｘ＋ｂ）／ｃ）＋　Ｆ２　（ｔ−（ｘ−ｂ） ／ｃ　）　（８）である。

音響信号Ｆ２がＡＣＯ３＜ωｔ）の形を有するならば、方程式８の解はその時に は次のものである。尚、下記式中ではτ＝　（ｔ−Ｘ／Ｃ）である。

φ　（τ）＝−２Ａｓｉｎ　（ωｂ／ｃ）ｓｉｎ（ωτ）（９）従って、伝送通 過帯域の中心周波数の１／４波長に等しい距離の約２＠の振幅を持つ穴の上側の 信号を伝送器４０が伝送するが、穴のＦ側への信号は全く伝送しない。

雑音センサ５０は、穴の上側に進む音響エネルギーの表示を与えるが、しかし穴 のＦ側に進む音響エネルギーの表示を与えないように、同一・の仕方で働く、間 隔が置かれた一対のセンサ５２゜５４を含む。センサ５２は加速度計又はひずみ ゲージであってよく、このセンサ５２の出力は、同様のセンサ５４の出力と合計 回路５６内で合計される電気信号であり、この出力は遅延回路５７内で遅延され 、及び反転回路５８内で反転される。回路５７の遅延が間隔すを音速Ｃで割られ た値に等しいならば、下向きに進むエネルギーは最初にセンサ５４によって検出 され及び遅延され、更にその後で穴の下側のセンサ５２によって検出される。５ ４からの反転された電気信号はセンサ５２の出力と同時に合計回路５６に到着し 、下向きに進む雑音に対しゼロのネット出力を与える。

Ａｓ１ｎω（ｔ−ｘ／ｃ）の形の上向きに進む雑音は、合計回路５６から次の出 力を生じる。

φ（ｔ）＝２Ａｓｉｎ（πｆ／２ｆ　）ｃｏｓω（ｔ−ｂ／ｃ）　（１０）上記 式中でｆ　は通過帯域の中心周波数である。

以下の説明では、その周波数内容が通過帯域又はデータ伝送に使用される帯域に 限定されるように、すべての電気信号が濾波されるとうことが理解されなければ ならない。センサ５０は伝送器４０から距＠ａだけ間隔を開けられる。従って、 センサ５０で感知される雑音は時局ａ／Ｃだけ遅く伝送器４０に到着する。セン サ５０の出力が遅延回路５９によってａ／Ｃの間隔で遅延され、及び合計回路４ ６を通して伝送器４０に伝えられるならば、伝送器４０の出力は、誤差ε＝　− （ｓｉｎ　（ωｂ／ｃ）＞　２＋　１の範囲内で、上向きに進む雑音を消去する ことが可能なことが示される。１５０Ｈｚ　／６５０Ｈｚの帯域幅対中心周波数 比率については、伝送帯域の中心では誤差がゼロであり、及び帯域端では０．０ ３にすぎず、その結果として３０ｄＢの雑音消去が示される。

上向きに進む雑音の更なる制御は、第２の一対のセンサ６２゜６４からの入力を 有する従来的な制御回路である適応制御装置７０によって与えられる。センサ５ ２，５４と同一・のこれらのセンサも、上向きに進む波の出力表示を与えるが、 しかし下向きに進む波に反応して出力を与えないように、同一の遅延回路６７及 びインバータ６８を有する。コントロールセンサ６０における上向きに進む波は 、伝送器４０を通過したデータと雑音の混合である。従って、遅延回路７２内で データ信号を遅延させ及び合計回路７４を用いてその結果をセンサ６０の出力に 加えることによって、雑音消去の有効性を表す誤信号が作り出される。この信号 は地表に向かって上向きに伝送される雑音の量は最少化するために、センサ５２ 及び６２のいずれか、もしくは伝送器４２．４４に与えられる信号の電圧振幅又 は位相を調整するための従来的な電気回路７５を制御する適応制御回路７０の中 に送り込まれる。

従来の鋼ドリルカラーに関しては、第３の通過帯域内のセンサ又は伝送器の間の 間隔すは、約３０ｃｍ（７８インチ）であろうし、又、第４の通過帯域内では約 ２１ｃｍ（５３インチ）であろう。

本発明の働きは次の通りである。第５図の電気回路がドリルカラー上に取り付け られ、この回路は穴の下側のパラメタを表すデータを発生させるために適した電 気回路２８を含む。バッテリー又は泥水駆動発電機のような電源及び当業者には 公知の他の補助回路もドリルカラー３０内に組み込まれるだろう。ドリルビット 及び泥水はドリルストリング１０を通って両方向に進む雑音を作り出す。下向き の雑音はセンサによって感知されないが、しかし、ドリルカラーの底からのエコ ーを含む上向きの雑音はセンサ回路５０によって感知され、伝送器回路４ｏに送 り込まれ、著しく減少された上向き雑音成分をもたらす。初めに、データはドリ ルカラー３０と最下部のドリルジヨイント１８との間の接続部８０（第３図）に 進み、そこでは、これらの要素間の音響インピータンスの不整合のためにデータ の移しい反射が生じる。更に、ドリルパイプ１５の各セクションの間のツールジ ヨイント１８においてエコーが生じる。これらのエコーはドリルカラー３０を通 って下向きに進み、ドリルカラー３０ではこのエラーは検出されることなく第５ 図の電気回路を通過し、ドリルカラーの底部・　から反響して離れる時に消去さ れる雑音となる。最上部に達する信号は加速度計のような受信器によって検出さ れる。必要ならば、ドリルストリング内の弱い減衰の故に、音響インピーダンス が整合された変換器８０が、信号を終端させるために及び下部から伝送されたデ ータを正確に表すために使用されてもよい。

上記のように、回路２８からのデータは、ドリルストリングの通過帯域によって 引き起こされる歪みに適応するように、信号の各周波数成分にｅＸｌ）（−ｉｋ Ｌ＞を乗じることによって予め補償さ・　れてもよい。そうした補償は、ＡＤ変 換信号処理回路のような装置を用いて、当業者に公知のどのような方法でも行わ れることも可能である。

本発明はドリルストリングに沿ったデータ伝送の分野において多くの研究者たち によって指摘された問題を認知し及び解決する。その結果として、穴の下側の大 規模な電気回路なしに、並びにドリルストリングに沿った非実際的な信号中継器 回路及び変換器なしに、連続的な音響搬送波による高品質なデータ伝送が数百〜 数千８Ｚ台の周波数において可能である。これらの周波数は周囲の掘削雑音（約 １〜１０Ｈｚ）に比べて高く、この雑音から相対的に自由な伝送を可能にする。

又、通過帯域の帯域幅は現在の泥水パルスシステムをはかるに上回るデータ速度 を可能とする。又、この方法は泥水の代わりに空気が使用される掘削状況におい ても有効である理解される。

上記で説明された特定の大きさ及び器材は、単に本発明の特定の実施例を説明す るためにだけ使用される。当然のことながら、本発明の使用は、特許請求に示さ れる原理が守られる限り、異なった大きざ及び形状を有する禍成要素を含んでも よい。本発明の範囲が本文書に添付された特許請求によって規定されることが意 図される。本発明を支える計算のより詳細な説明、並びに縮小試験の結果及び実 地データの評価は、この開示内容に添付された付録の中で提供される。

国際捌審軸牛 −ｄ　吃バ　タシ　１【　学区　７テ

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. （１）ドリルストリングを通してデータを伝送するための方法であって、 前記ドリルストリングの特性に従属する特徴を有する櫛形フイルターの作用に相 当する、前記ドリルストリングによって引き起こされる歪みを打ち消すために、 前記データを予備調整する段階と、 前記予備調整されたデータを前記ドリルストリングの第１の端部に対して用いる 段階と、 前記ドリルストリングの第２の端部において前記データを検出する段階とから成 る方法。
2. （２）前記予備調整されたデータが第１の電気信号であり、方法が更に、 前記ドリルストリングの前記第１端部に対して用いるために、前記第１電気信号 を第１の音響信号に変換することと、及び、前記ドリルストリングの前記第２端 部において、検出された前記音響信号を検出された電気信号に変換することとか ら成る請求項１に記載の方法。
3. （３）前記ドリルストリングが音響信号の低減衰性通過帯域及び高減衰性阻止帯 域を有し、並びに前記第１音響信号の周波数が前記ドリルストリングの通過帯域 内にある請求項２に記載の方法。
4. （４）前記予備調整が前記第１電気信号の各周波数成分をｅｘｐ（−ｉｋＬ）倍 することから成り、前式中でＬが前記ドリルストリングの伝送長さであり、ｋが 各成分の周波数における前記ドリルストリング内の波数である請求項３に記載の 方法。
5. （５）更に、前記ドリルストリングの各端部からの音響エコーを抑制する段階か ら成る請求項１に記載の方法。
6. （６）受信器における前記音響エコー抑制段階が、前記ドリルストリングの音響 インピーダンスに前記変換器の音響インピーダンスを整合させること及び信号を 終端させるために十分な損失率を与えることから成る請求項５に記載の方法。
7. （７）伝送器において音響エコーを抑制する前記段階が、前記変換器に隣接した 位置における前記ドリルストリングに対しエコー消去エネルギーを用いることか ら成る請求項５に記載の方法。
8. （８）前記エネルギーを用いる前記段階が、前記第１端部から前記データが用い られる前記ドリルストリング上の位置に向かって進む音響雑音の出力表示を与え ることと、及び前記位置から前記第１端部に向かって進む音響雑音の表示を与え ないことと、 前記位置から前記第２端部に向かって進む雑音を消去するために、前記ドリルス トリングに対して遅延された出力を用いることから成る 請求項５に記載の方法。
9. （９）ツールジヨイントで端部と端部とを接続された複数のドリルパイプセクシ ヨンから成るドリルストリングを通して連続的な搬送波によってデータを伝送す るための装置であって、前記バイブセクシヨンの長さ及び横断面面積が前記ツー ルジヨイントの長さ及び横断面面積と異なり、装置が、前記ドリルストリングの 前記第２端部への音響伝送のために、前記ドリルストリングの前記第一端部付近 の前記ドリルストリングにデータを結合するための伝送手段と、前記第１端部か らの音響雑音が前記ドリルストリングを通して前記第２端部に伝送されることを 防止するための、前記ドリルストリングの前記第１端部付近の雑音消去手段と、 前記音響伝送データを受け取るための前記第２端部付近の受信手段とから成る装 置。
10. （１０）前記雑音消去手段が、 前記第１端部から前記伝送器手段に向かって進む音響雑音を表す第１の出力を与 えるための、及び前記伝送手段から前記第１端部に向かって進む音響雑音の表示 を与えないための第１雑音受信手段と、 前記伝送手段から前記ドリルストリングの前記第２端部に向かって進む雑音を消 去する為に、前記雑音受信手段からの遅延出力を前記伝送手段に用いるための雑 音消去手段とから成る請求項９に記載の装置。
11. （１１）前記雑音消去手段が更に、 音響雑音を表す第２の出力及び前記伝送手段から前記第２端部に向かって進むデ ータを与えるための、並びに前記第２端部から前記伝送器手段に向かつて進む音 響雑音の表示を与えないための第２の雑音受信手段と、 前記第２出力と前記データとを比較し、並びに前記第２端部に向かう雑音伝送を 最少化するために、前記第１及び第２出力又は前記伝送データの少なくとも１つ を調整するための適応制御手段とから成る 請求項１０に記載の装置。
12. （１２）前記伝送手段が、 前記ドリルストリングに沿つて、前記搬送波の１／４波長の奇数倍に等しい距離 の間隔で置かれ、及び第１伝送器が第２伝送器よりも前記第１端部に近い第１及 び第２の音響伝送手段と、前記データ信号を前記第２伝送器に用いるための第２ 信号適用手段と、 遅延され且つ反転されたデータ信号を前記第１伝送器に用いるための第１信号適 用手段であって、その遅延が前記第１伝送器から前記第２伝送器に伝送される信 号の伝送時間に等しく、それによって前記データ信号が前記第２端部に向かって だけ伝送される手段から成る 請求項９に記載の装置。
13. （１３）前記第１雑音受信手段が、 前記ドリルストリングに沿って前記搬送波の１／４波長の奇数倍に等しい距離の 間隔で置かれ、前記第１受信器が前記第１端部と前記第２受信器との間にあり、 及び前記第２受信器が前記第１受信器と前記伝送手段との間にある第１並びに第 ２音響受信器と、 雑音消去信号を作り出すために、前記第１受信器からの雑音信号と前記第２受信 器からの遅延され且つ反転された雑音信号とを合計するための手段であって、そ の遅延が前記第１受信器から前記第２受信器に受信される雑音信号の伝送時間に 等しい手段と、 前記第２受信器から前記伝送手段への前記雑音の伝送時間に等しい前記雑音消去 手段の遅延から成る請求項９に記載の装置。
14. （１４）前記第２雑音受信手段が、 前記ドリルストリングに沿って前記搬送波の１／４波長の奇数倍に等しい距離の 間隔で置かれ、前記伝送手段と前記第２端部との間にあり、及び第３受信器が第 ４受信器と前記伝送手段との間にある第３並びに第４音響受信器と、雑音消去信 号を作り出すために、前記第１受信器からの信号と前記第２受信器からの遅延さ れ且つ反転された雑音信号とを合計するための手段であって、その遅延が前記第 １受信器から前記第２受信器に受信される雑音信号の伝送時間に等しい手段とか ら成る 請求項１１に記載の装置。
15. （１５）前記音響伝送器が、 前記ドリルストリングに適用するための音響信号に電気信号を変換するための変 換器と、 前記ドリルストリングの前記第２端部において前記受信音響データを検出電気信 弓に変換するための出力変換器手段から成る前記受信手段とから成る 請求項１２に記載の装置。
16. （１６）更に前記ドリルストリングが前記ドリルストリングの前記第１端部にお いてドリルカラーから成り、前記伝送手段及び雑音消去手段が前記ドリルカラー に取り付けられる請求項９に記載の装置。
17. （１７）前記ドリルストリングによって引き起こされる歪みを打ち消すために前 記チータを予備調整するための手段を更に含み、前記歪みが前記ドリルストリン グの特性に従属する特徴を有する櫛形フィルターの作用に一致する請求項９に記 載の装置。
18. （１８）前記受信手段の音響インピーダンスが前記第２端部における前記ドリル ストリングの音響インピーダンスに整合され、それによって前記ドリルストリン グの前記第２端部から前記第１端部に向かってのエコーの発生を防止する請求項 ９に記載の装置。