JPH0757179A

JPH0757179A - ドリル中に測定可能なテレメータシステム

Info

Publication number: JPH0757179A
Application number: JP6080876A
Authority: JP
Inventors: Wallace R Gardner; ウォーレス・アール・ガードナー; Gregory N Gilbert; グレゴリー・エヌ・ギルバート
Original assignee: Halliburton Co
Current assignee: Halliburton Co
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1994-03-28
Publication date: 1995-03-03
Anticipated expiration: 2012-08-06
Also published as: DE69425008D1; EP0617196A2; EP0617196B1; NO941112L; CA2119986C; EP0617196A3; JP2637044B2; CA2119986A1; DE69425008T2; NO941112D0

Abstract

(57)【要約】【目的】井戸坑のドリル中の測定について、情報を
含む信号を発生しかつ伝達するため、音響的なテレメー
タ信号により通信を行うための音響波通信技術を改良す
る。【構成】近代的なデジタル通信技術を利用し、マッ
ドパルスバルブの動作を線形とする。アップリンク送信
器は、少なくとも部分的にフィードバック信号により制
御される、連続的な値を有し、かつ概ね線形な音響パル
ス送信器を有し、ダウンリンク送信器も、同様な送信器
を有する。アップリンク及びダウンリンク信号は、周波
数マルチプレクスされ、同時に同一の媒体内を逆方向に
伝達される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、情報を含む信号を発生
しかつ伝達するための技術に関し、特に、音響的なテレ
メータ信号により通信を行い、ドリル中の測定（ＭＷ
Ｄ：ｍｅａｓｕｒｉｎｇｄｕｒｉｎｇｄｒｉｌｌｉ
ｎｇ）に於いて特に有用なシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】油井やガス井等の井戸坑をドリルする際
に、ドリルストリングを井戸から抜き出すことなく、様
々なダウンホール測定を行うことにより時間及びコスト
をかなり削減することが出来る。通常、ドリルビットの
直上に設けられるサブアセンブリが測定器を備えてい
る。例えば、地表に於いてドリルストリングにドリルパ
イプセグメントを追加しようとする際など、ドリル作業
を中断する際に、測定を行い、得られた生データ信号
を、作動アセンブリに於いて予備的に処理している。例
えば、ドリルストリングを井戸から抜き出す時など、サ
ブアセンブリに記憶されたデータを取り出すことが出来
る。このような事後的なデータの収集はコストが低いと
いう利点がある。しかしながら、井戸をドリルする間
に、データを処理しかつ利用するために、地表に伝達す
るために用いることのできるテレメータの手法が幾つか
知られている。

【０００３】或るＭＷＤテレメータ技術によれば、ドリ
ルストリングの内部を循環するドリルマッド（泥水）を
介して伝達される音響信号を利用している。このような
マッドは、地表からドリルストリング内に導入され、ド
リルストリングの内部を下向きに流れ、ドリルビットに
設けられた１個または複数の開口から排出される。マッ
ドはさらに、ドリルストリングの外周とドリルされる井
戸壁面との間の環状領域を介して再び地表に循環する。
このように、ドリルマッドが、井戸の底から地表に切削
物を運び、ドリルビットを潤滑しかつ冷却する。更に、
このようにして井戸内に形成されるドリルマッドのコラ
ムは、地下の地層から排出され、井戸内に進入する高い
流体圧力に対抗する動的なプラグとしての機能も果た
す。地表に於いては、循環したドリルマッドが、切削物
を除去するように処理され、例えばガス抜きをされた後
にマッドはドリルストリングの内部を再び下向きに送り
込まれる。このとき、ポンプによりマッドをドリルスト
リング内に押し込むようにしている。

【０００４】ダウンホールＭＷＤサブアセンブリは、ド
リルストリング内のマッドのコラムに沿って表面と通信
するために、バルブアセンブリを含む適当な送信器を備
えたものであって良い。バルブは、ドリルストリング内
のマッドに、２つのレベルを有するバイナリ圧力波を発
生するように適宜開閉され、この圧力波が表面に伝搬さ
れ、圧力トランスデューサにより検出される。圧力パル
スは正または負のものであってよく、ＭＷＤシステム内
に含まれる様々なダウンホール測定器及び検出器から得
られたデータ信号に対応するデータを伝達するように形
成される。ダウンホールセンサからのデータは、バイナ
リ信号にコード化され、この信号が、何時バルブが開閉
されるかを制御するために用いられる。データの伝達速
度は、部分的に、マッドバルブの開閉速度により制御さ
れる。一般にバルブは、バルブを開閉するために一般的
に用いられるソレノイドのパワーが、大きなマッド圧力
に対抗するのに不十分であることから、２つの信号レベ
ルに対応する開閉位置の間の変化に対して比較的応答性
が劣る。地表に於いては、圧力トランスデューサは、ド
リルストリングの上端から流れ込むドリルマッドの流れ
と通信することにより、マッドのパルス信号を検出す
る。マッドのパルスに応答して地表のトランスデューサ
により得られるデジタルバイナリ電気信号は、適当に処
理され、ダウンホールに於いて得られた測定値に対応す
るデータを提供する。

【０００５】もう１つの公知のマッド圧力波送信器とし
ては、ロータリバルブにより発生するサイン波を連続的
に位相変調するマッドサイレンと呼ばれるものがある。
位相変調は、バルブを回転させるモータの速度を変化さ
せることにより達成される。同じくドリルマッドの圧力
に対して作用するモータの動的応答性が限定されること
から、マッドサイレンにより達成されるデータの転送速
度にも制限がある。

【０００６】ＭＷＤに於いて用いられる様々なマッド圧
力波テレメータ技術は、データの転送速度や、得られる
信号の強度について限定されたものとなっている。井戸
の深さが増大したり、マッドの粘性が高まるに従い、マ
ッドのパルス信号の減衰率が増大することから、マッド
パルステレメータのデータ転送速度は、井戸の深さ及び
マッドの粘性に対して反比例的な関係を有する。しか
も、様々な騒音源からマッドのコラムに伝達される騒音
は、ＳＮ比を損なうことから、ノイズを、データを伝達
する信号から濾過して除去しなければならない。このよ
うな騒音の源としては、マッドをドリルストリングの上
部に向けて循環させるために用いられるマッドポンプ
や、作動中のドリルビットや、ドリルビットが井戸の側
壁に衝突することが原因となっている。公知のシステム
に於いては、情報を含む信号を、実際にドリルが行われ
ている間にリンクの上方に向けて必ずしも伝達すること
ができない。

【０００７】また、例えば測定器等の作動を制御するた
めに、制御信号をリンクの下方に向けて送り込まれなけ
ればならない。このように信号の伝達は通常ドリルマッ
ドの重量、ドリルの圧力、ドリルストリングの回転速度
などのドリルパラメータを変更することにより行われて
いた。このようなパラメータの変化は、必要なコマンド
を伝達するために、所定の手順により行われる。しかし
ながら、一般に、ドリル作業が可及的に高速で行われて
いる場合には、ドリルパラメータを変化させることは一
般にドリル作業の遅延させる。

【０００８】ＭＷＤは、センサの位置或いは姿勢、γ及
び抵抗率測定値等の地層を評価するデータなどを含むド
リルデータを得るために用いられている。またＭＷＤを
用いて、ドリルビットに加えられる重量、トルク、井戸
の内部に於ける差圧及び温度、中性子体積率（ｎｅｕｔ
ｒｏｎｐｏｒｏｓｉｔｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ｓ）、γ密度及び音響伝搬速度などの、より詳しい地層
に関する評価データなど、ドリル作業の効率に関する測
定値を得るためにも用いられている。しかしながら、測
定されるべきデータ量が増大するに伴い、テレメータに
より伝達されるデータの転送速度が犠牲となる。バイナ
リパルス信号や位相変調されたマッドサイレン信号を用
いる、現在知られているＭＷＤテレメータ技術は、バン
ド幅についての効率が比較的悪く、毎秒１ビット乃至数
ビット程度の比較的低いデータ転送速度を可能にするの
みである。ＭＷＤシステムに新たな測定能力を加えよう
とする場合には、地表に於けるデータの受信や処理を含
むＭＷＤシステムの効率的な作動を確保するために、毎
秒１０〜２０ビット程度のデータ転送速度が必要とな
る。従って、バンド幅に対する効率がより高い通信信号
を用いることを含む改良されたテレメータ技術を用いな
ければならない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このよう
に、井戸坑のドリル中の測定について、情報を含む信号
を発生しかつ伝達するため、音響的なテレメータ信号に
より通信を行うための音響波通信技術を改良することに
向けられたものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は近代的なデジタ
ル通信技術を用いた音響テレメータシステムを提供する
ものである。テレメータシステムは、作動中に連続的な
値を有し、かつリニヤな多レベルパルス振幅変調及び送
信器を用いる。このテレメータシステムは音響信号を伝
搬可能な同一の媒体に沿って両方向に信号を伝搬するた
めの送信器及び受信器を備え、同時に同一の媒体内を移
動する信号は、周波数マルチプレクスされる。システム
は、３レベル二重バイナリ信号（ｔｈｒｅｅ−ｌｅｖｅ
ｌｄｕｏｂｉｎａｒｙｓｉｇｎａｌｓ）や、直角振
幅変調された３レベル二重バイナリ信号等の様々な多レ
ベルモードに於いて作動するものであって良い。この信
号は、３レベル二重バイナリ信号を用いてベースバンド
内で作動し、或いは直角振幅変調された３レベル二重バ
イナリ信号を用いたパスバンドに於いて作動するもので
あって良い。

【００１１】本発明に基づくテレメータシステムは、特
にＭＷＤシステムに於いて井戸内のマッドのチャンネル
に沿って信号を伝達するために用いることができる。地
下に設けられた送信器は、多レベルエンコーダを用い、
マッドバルブを含む連続的な値を有するマッドパルス送
信器を備えている。地表の受信器は、対応する多レベル
デコーダを有する。マッドバルブは、流体圧により作動
し或いは駆動され、ポペットバルブやスリーブバルブな
ど様々な形式のものであって良い。バルブの作動を線形
に或いは概ね線形に維持するために、バルブのコントロ
ーラに対してフィードバック信号が供給される。フィー
ドバック信号は、バルブ要素の両側の圧力の差や、この
値の変化などを含む。

【００１２】地下の送信器は、ＭＷＤシステムの一部と
しての１個または複数のセンサから信号を得て、センサ
信号マルチプレクサ或いはフィルタを用いて変換するこ
とにより、マッドパルス信号を形成する。地下の送信器
は、更にスクランブラ及び前方エラー修正エンコーダ
（ｆｏｒｗａｒｄｅｒｒｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ
ｅｎｃｏｄｅｒ）を含むものであって良い。

【００１３】地表の受信器は、マッドパルス圧力トラン
スデューサ、フィルタ、自動ゲインコントローラ、ＡＤ
コンバータ、ノイズキャンセラ、クロック回復回路及び
スライサなどを含むものであって良い。地表の受信器
は、更にデシジョンフィードバックイコライザ（ｄｅｃ
ｉｓｉｏｎｆｅｅｄｂａｃｋｅｑｕａｌｉｚｅ
ｒ）、デスクランブラ、前方エラー修正デコーダなどを
含むものであって良い。

【００１４】本発明に基づくテレメータシステムは、井
戸の中のＭＷＤ装置に伝達されるべき制御信号を発生す
るための地表に設けられた連続的な値を有するマッドパ
ルス送信器を含むダウンリンクテレメータシステムを含
むものであって良い。ダウンリンク信号は、オンオフト
ーン変調フォーマットに基づくものであって良い。アッ
プリンク及びダウンリンク信号は、同一ののマッドのチ
ャネルに沿って同時に伝達されるようにマルチプレクス
されたものであって良い。

【００１５】本発明に基づく方法に於いて、地表の送信
器は、線形な作動を行うマッドパルス送信器を用いるこ
とにより、連続的な値を有する信号を発生する。マッド
パルス送信器は、少なくとも部分的に、送信器のバルブ
のバルブ要素の両側に加わる圧力の差及びバルブの形状
により定められるフィードバック信号に基づき制御され
る。マッドバルブは、流体圧により作動するものであっ
て良い。本発明に基づく方法の一部として得られるダウ
ンリンク信号は、同一のマッドチャンネルに沿って同時
に通信されるように、アップリンク信号に対してマルチ
プレクスされる。ダウンリンク信号は、オンオフトーン
フォーマットとして形成されるものであって良い。アッ
プリンク信号は、少なくとも１つの３レベルエンコーダ
を用いることにより形成される。アップリンク信号は、
３レベル二重バイナリ信号及び直角振幅変調された３レ
ベル二重バイナリ信号を含む様々な多レベルコードとし
て形成されることが出来る。一般に、本発明は、畳込み
積分（ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）コード化送信器及びＶ
ｉｔｅｒｂｉ受信器を用いることを含む、テレメータ信
号を発生するための任意の形式の多レベルパルス振幅変
調を用いるものであって良い。

【００１６】

【作用】本発明は、ＭＷＤシステムに於いて用いられる
マッドパルステレメータシステム及び方法を提供し、１
秒当たり１０ビット以上のデータ転送速度をもって信号
を伝達する能力を提供する。このように、本発明は、現
在のＭＷＤ能力を拡張するような機構を提供するもので
ある。

【００１７】

【実施例】本発明に基づくＭＷＤテレメータシステム
が、図１に於いて符号１０により単純化して示されてお
り、このシステムは、地下テレメータユニット１２と、
地表テレメータユニット１４とを有する。地下ユニット
１２は、例えばドリルストリングの底部の近傍に設けら
れるサブアセンブリの一部として構成され、地表ユニッ
ト１４は、通常ドリルリグに配置される。地下及び地表
テレメータユニット１２、１４はそれぞれ、以下に詳し
く説明するように、地下ユニット１２の上方に位置する
ドリルストリング内のマッドのコラム及び地表に於ける
ドリルストリングの上部から延出するあらゆるパイプ或
いはフレキシブル管路内のマッドを含むマッドチャンネ
ル１６を介して通信を行う。特に地下アセンブリ１２
は、地表に向けてマッドチャンネル１６内を伝搬される
音響パルスを発生するアップリンク送信器１８を有し、
アップリンク送信器１８は、地表に於いては、圧力トラ
ンスデューサ２０が音響パルスを検出し、地表テレメー
タユニット１４の一部をなすアップリンク受信器２２に
向けて対応する入力信号を提供する。同様に、地表テレ
メータユニット１４は、地下圧力トランスデューサ２６
に向けて井戸の内部のマッドチャンネル１６内を伝搬さ
れるべき音響パルスを発生するダウンリンク送信器２４
を有し、地下圧力トランスデューサ２６はこのパルスを
検出し、地下テレメータユニット１２の一部をなすダウ
ンリンク受信器２８に向けて対応する入力信号を提供す
る。

【００１８】サブアセンブリは、図１に符号３０で示さ
れるような１つまたは複数の検出器或いはセンサを有す
るものであって良い。一般にセンサ３０は、サブアセン
ブリ近傍に於ける様々な量またはパラメータを検出し或
いは測定し、ドリルビット等のドリルストリングの部品
に直接関係する様々なパラメータを検出し或いは測定す
ることができる。このような地下に於ける測定を行い、
検出または測定された量またはパラメータを表す電気的
な出力記号を発生するための様々なセンサが知られてお
り、センサ制御回路３２が、例えば地表からの命令に基
づき、センサ３０の作動を制御するために、或いはセン
サ出力信号を受けるためにサブアセンブリ内に設けられ
ている。地下プロセッサ３４は、センサ信号の初期信号
処理を行い、センサ３０の作動のための制御信号を管理
する。センサ３０からの初期的な処理を受けたデータ信
号は、地下プロセッサ３４からアップリンク送信器１８
に伝達され、マッドチャンネル１６を経て地表に伝達さ
れるべき音響信号を発生するために用いられている。

【００１９】地表テレメータユニット１４も、地下テレ
メータユニット１２からマッドチャンネル１６を経て上
向きに伝達された音響信号に対応するアップリンク受信
器２２からの出力データ信号を処理するための地表プロ
セッサ３６を備えている。地表プロセッサ３６からの出
力は、表示ユニット３８により表示され或いは記録ユニ
ット４０により記録されるのに適する形式のデータ信号
からなっている。

【００２０】地下送信器の詳しい構造が図２に示されて
おり、この場合アップリンク送信器１８が、線形マッド
パルサを形成するために用いられる部品を備えるものと
して示されている。線形マッドパルサの部品としては、
適応的なサーボコントローラ４６により制御される流体
アクチュエータ４４により作動する、連続的な値を有す
る信号に基づくマッドバルブ４２を備えている。位置ト
ランスデューサ４７は、バルブ４２のバルブ要素の位置
或いは制御オリフィスを通過する流路のサイズを検出
し、このような情報のフィードバック信号を適応的サー
ボコントローラ４６に提供する。差圧トランスデューサ
４８は、マッドによりバルブ４２の両側に加わる差圧を
検出し、このような情報のフィードバック信号を、ロー
パスフィルタ４９を介して適応的サーボコントローラ４
６に提供する。適応的サーボコントローラ４６は、マッ
ドチャンネル１６に於けるバルブにより発生する音響的
マッドパルスが、適応的サーボコントローラでの変調電
気信号入力を最も忠実にエミュレートするようにバルブ
４２を制御するにあたって、流体圧アクチュエータ４４
の作動を調節するために、このフィードバック情報を利
用する。

【００２１】アプリンク送信器１８は、プロセッサ３４
からのデータ信号出力を受け、後記するように地表アッ
プリンク受信器に於けるクロック回復回路の作動を容易
にするために、これらの信号をランダム化するためのア
ップリンクデータスクランブラ５０を有するものであっ
て良い。スクランブルされたデータ信号は、アップリン
クデータエンコーダ／モデュレータ５２によりコード化
される。近代的なデジタル通信技術を利用するために、
エンコーダ／モデュレータ５２は、変調されたアップリ
ンクデータ出力信号を発生するべく、３レベルエンコー
ダからなるものであってよく、この信号はアップインク
マッドパルサの適応的サーボコントローラ４６に伝達さ
れる。

【００２２】図３は、アップリンク受信器２２を含む地
表トランシーバの詳細を示している。マッドチャンネル
１６に於けるアップリンク圧力波信号は、圧力トランス
デューサ２０により検出され、符号５８により示される
部分によりフィルタされる出力信号を提供する。フィル
タ５８からの出力信号は、自動ゲインコントローラ（Ａ
ＧＣ）６０を経てアップリンクデータ回復回路６２に転
送される。アップリンク信号は更に、後記するデータ回
復回路６２により処理され、データ回復回路６２からの
出力データは地表プロセッサ３６に転送される。

【００２３】地表テレメータユニット１４の一部として
のダウンリンク送信器２４は、適応的サーボコントロー
ラ６８により制御される流体圧アクチュエータ６６によ
り作動する連続的な値を有するマッドバルブ６４を含む
線形マッドパルサを備えている。サーボコントローラ６
８は、上記したアップリンク線形マッドパルサの場合と
同様に、部分的に、バルブ６４の状態についての情報を
伝達するフィードバック信号に応答して、流体圧アクチ
ュエータ６６を作動させる。位置トランスデューサ６９
は、バルブ要素の位置、或いはバルブ制御オリフィスを
通過する流路のサイズなどについての信号に基づくフィ
ードバック信号を提供し、差圧トランスデューサ７０
は、バルブ制御オリフィスの両側に発生した圧力の差に
ついての情報に基づくフィードバック信号を提供する。
差圧信号はバンドパスフィルタ７１によりフィルタされ
る。適応的サーボコントローラ６８はフィードバック情
報を用いて、適応サーボコントローラへの変調された電
気信号入力を最も忠実にエミュレートするバルブ６４に
よるマッドパルス信号を発生するために、流体圧アクチ
ュエータ６６に対して作用を及ぼす。

【００２４】地表プロセッサ３６からのダウンリンク制
御信号はダウンリンクデータエンコーダ／モデュレータ
７２に転送される。容易に理解されるように、本発明に
基づくテレメータシステムに於いては、一般にダウンリ
ンク制御信号は、アップリンクデータ信号ほど詳細なも
のである必要がない。従って、エンコーダ／モデュレー
タ７２は、ダウンリンク制御信号を、オンオフトーン変
調された制御信号としてダウンリンクマッドパルサの適
応的サーボコントローラ６８に出力することができる。
アップリンクデータ信号及びダウンリンク制御信号は、
異なる周波数範囲に於いて形成され、従って、周波数マ
ルチプレクスされ、マッドチャンネル１６内を同時に逆
方向に伝達されることができる。

【００２５】地下テレメータユニット１２に内蔵された
地下トランシーバは、図２に示されるように、ダウンリ
ンク受信器２８内に、マッドのコラム１６に沿って伝達
されるダウンリンク音響信号に応じて圧力トランスデュ
ーサ２６により形成される電気制御信号を受けるバンド
パスフィルタ８０を備えている。バンドパスフィルタ８
０からのフィルタされた信号は、自動ゲイン制御回路
（ＡＧＣ）８２を経て、ダウンリンクデータ回復回路８
４に送られる。データ回復回路８４により処理されたダ
ウンリンク制御信号はセンサ８０を制御するために地下
プロセッサ３４に転送される。

【００２６】アップリンクテレメータ信号が形成される
周波数範囲の選択は、部分的に、システムに於けるノイ
ズのパワースペクトル密度に依存する。本発明に基づく
テレメータシステムは、実際にドリル作業が行われてい
る間に作動することができる。従って、ドリル作業を行
っている間に、アップリンク信号及びダウンリンク信号
の両者を伝達することができる。従って、本発明に基づ
くテレメータシステムが遭遇するべきノイズの源は、マ
ッドをドリルストリングにより地下に向けて圧送するた
めに用いられるマッドポンプばかりでなく、井戸の底部
に対してドリル加工を行うドリルビット、井戸の側壁に
衝突するドリルパイプなどがある。従って、一般に高周
波領域よりも低周波領域に於けるノイズレベルが高い。
しかしながら、マッドチャンネルに於ける信号の減衰
は、チャンネルの長さに比例し、マッドチャンネルの直
径に反比例し、周波数に応じて増大する。一般に、マッ
ドチャンネルに於ける信号の減衰は、マッドが音波を伝
達する物理的な能力に依存する。マッドチャンネルに沿
って伝達されるノイズは周波数の上昇に応じて減少し、
また信号のゲインも周波数の上昇に応じて減少する。従
って、テレメータシステムが作動する周波数は、ＳＮ比
を考慮して選択されなければならない。アップリンクテ
レメータ信号システムを作動させるために、ベースバン
ド或いは高周波パスバンドが選択される。ダウンリンク
テレメータシステムを作動させるためには、比較的狭い
パスバンドが選択される。

【００２７】３レベル二重バイナリ信号によりベースバ
ンド内で通信を行う送信器及びアップリンク受信器が図
４及び図５にそれぞれ示されている。図４に於いて符号
８６により示されるベースバンドアップリンク送信器
は、センサ３０及び連続的な値を有する線形マッドパル
サ８８を有する。データマルチプレクサ９０は、センサ
３０からのデータをＡＤコンバータ９２に向けて単一の
データストリームへと時間マルチプレクスし、ＡＤコン
バータ９２はアナログセンサ信号をデジタルバイナリ信
号に変換する。データスクランブラ５０はバイナリデー
タ信号をランダム化する。前方エラー修正（ＦＥＣ）コ
ーダ９４は、Ｒｅｅｄ−Ｓｏｌｏｍｏｎ型エンコーダか
らなるものであって良く、データスクランブラ５０の後
段に設けられ、それ自身の後段に３レベル二重バイナリ
（３ＤＢ）エンコーダ９６が設けられる。ＦＥＣコーダ
９４は、地表に於けるデータ流の検出に際して発生し得
るエラーを発見するために、アップリンク受信器に於け
る検出を行うためにデジタルデータ流れに対してコード
を付加する。ＦＥＣコーダ９４により付加されたコード
は、このようなエラーの修正を容易にする。３ＤＢエン
コーダ９６はバイナリ信号をディスクリートな３レベル
信号に変換する。送信器ローパスフィルタ９８は、エン
コードされた信号がマッドパルサ８８に加えられる前
に、３ＤＢエンコーダ９６からの出力信号のエッジに丸
みを与える。マッドパルサ８８への信号は、従って平滑
な３レベルアナログ信号からなる。マッドパルサ８８
は、ローパスフィルタ９８からの信号を可及的に忠実に
エミュレートするマッド圧力信号をマッドチャンネル１
６に於いて提供するべく作動する。

【００２８】ベースバンドアップリンク受信器が、図５
に於いて符号１００により示されており、同図に於いて
は、図３に示されたアップリンクデータ回復回路６２内
に備えられているものであって良いような受信器の特徴
が示されている。受信器１００に於いて、アップリンク
圧力トランスデューサ２０と自動ゲンイコントローラ６
０との間のフィルタがローパスフィルタ１０１からな
る。受信器１００は、自動ゲンイコントローラ６０から
の信号出力を受けるマッドポンプノイズキャンセラ（Ｍ
ＰＮＣ）１０２を備えている。ＭＰＮＣ１０２は、例え
ばマッドポンプにより発生するノイズを効果的に除去し
得るもので有れば任意の形式のものであって良い。ＭＰ
ＮＣ１０２からの出力信号は、ＡＤコンバータ１０４に
よりデジタル化され、得られた信号はデシジョンフィー
ドバックイコライザ（ＤＦＥ）１０６により処理され
る。ＤＦＥ１０６は、マッドチャンネルについての周波
数応答曲線の傾斜に起因する信号の歪みを是正し、また
ＭＰＮＣにより除去されなかったノイズを補償する。３
レベル信号スライサ１０８は、ＤＦＥ１０６からの出力
を受け、ＤＦＥと互いに共働する。３つのレベルにスラ
イスされた信号に残されたエラーは、ＤＦＥ１０６にフ
ィードバックされ、ＤＦＥの係数を最適化する。スライ
スされた信号は３レベル二重バイナリ（３ＤＢ）デコー
ダ１１０に供給され、３レベル二重バイナリ信号をバイ
ナリ信号にデコードする。バイナリ信号はデスクランブ
ラ１１２によりデスクランブされ、その出力は、例えば
Ｒｅｅｄ−Ｓｏｌｏｍｏｎ型の前方エラー修正（ＦＥ
Ｃ）デコーダ１１４により処理される。ＦＥＣデコーダ
９４によりアップリンク送信器８６に於ける信号に付加
されたコードを利用し、バイナリ信号中のエラーを、可
能な限りに於いて修正を行う。ＦＥＣデコーダ１１４か
らの出力は、図３に示されるように地表プロセッサ３６
により処理し得るようなバイナリデータ信号をなす。

【００２９】クロック回復回路１１６はまた、マッドポ
ンプノイズキャンセラ１０２からの信号を受け、ＡＤコ
ンバータ１０４、ＤＦＥ１０６及び地表プロセッサ３６
（図３）に出力クロックパルスを提供する。送信器８６
に於けるデータ信号の３レベルアナログ信号への変換及
びこれらの信号をマッドチャンネルに沿って伝達するこ
とにより、本来クロック同期信号を提供するべき、受信
器に対する入力信号に於けるシャープな輪郭を劣化させ
ることから、このようなクロック回復回路が必要とな
る。クロック回復回路１１６の詳細が図６に示されてい
る。回路１１６は、スペクトルラインを提供するため
に、マッドポンプノイズキャンセラ（図５）からの出力
信号を方形波に整形するための整形回路１１８を備えて
いる。スペクトルラインを有する信号は、バンドパスフ
ィルタ１２０により、それに含まる非スペクトルライン
エネルギを除去される。スペクトルライン周波数は、フ
ェーズロックドループ回路１２２によりフェーズロック
される。その後に、タイミング回路を従来技術に基づく
方法により処理することができる。

【００３０】本発明に基づく３レベル二重バイナリ構造
については図７を参照することにより理解されよう。図
７（ａ）は、図４の３ＤＢエンコーダ９６が、符号１２
４により示されるプリコーダ及びそれに続く符号１２２
が付されたコーダを備えるものであって良いことを示し
ている。プリコーダ１２４は、遅延回路を経てバイナリ
出力信号Ａにモジュロ２（ｍｏｄｕｌｏ２）、即ちエク
スクルシブＯＲ加算器に至るリターンループを備えてい
る。コーダ１２６は、図示されるように、プリコーダ１
２４からのエンコーダされた信号を、遅延回路により遅
延された同一の信号に算術的に加算し、３ＤＢ出力信号
Ｃを発生する。回路１２４、１２６の場合、時間遅れ
は、データストリームに於ける１つのシンボルが時間幅
を表す。エンコーダ９６に対する様々な段階Ａ、Ｂ及び
Ｃに於ける信号のフォーマット及び波形は図７（ｂ）に
示されている。Ｃに於いて信号に対して−１を加えるよ
うな直流分の調整は、Ｃに於いて、波形のエンベロープ
の中心を０とする。

【００３１】図５の３ＤＢデコーダ１１０は、図７の部
分（ａ）及び（ｂ）に示されたコード動作を反転させ、
３レベル二重バイナリ信号を受け、図７（ｃ）に示され
るようなバイナリ出力信号を提供する。

【００３２】図４及び５に示されるように、５Ｈｚに至
るようなベースバンド上で作動する３ＤＢベースバンド
テレメータシステムは、毎秒１０ビットの範囲でマッド
チャンネル内をアップリンク方向に通信することがで
き、これは通常のバイナリテレメータシステムの２倍の
バンド幅効率を有する。図８（ａ）は、例えば５Ｈｚま
での周波数で作動する図４及び５に示されるようなベー
スバンドテレメータシステムのための周波数応答曲線を
示す。３レベル二重バイナリテレメータシステムは、そ
れよりも高いパスバンドに於いても利用することができ
る。５Ｈｚ以上の広いバンド幅は、より大量のデータ転
送速度を可能にする。また、図４及び５に示された３Ｄ
Ｂシステムよりも、より複雑な多レベル二重バイナリテ
レメータシステムは、更に高いデータ転送速度を実現す
ることができる。

【００３３】図９は、符号１２８により示されるパスバ
ンド直角振幅変調された３レベル二重バイナリ（ＱＡＭ
３ＤＢ）送信器をなす更に複雑な多レベルテレメータシ
ステムのための送信器を示す。送信器１２８は、センサ
３０と共に、センサから得られたデータ記号をマルチプ
レクスするためのマルチプレクサ９０と、ＡＤコンバー
タ９２と、データスクランブラ５０と、その後段に設け
られ、図４に示された３ＤＢ送信器８６と同様に、Ｒｅ
ｅｄ−Ｓｏｌｏｍｏｎ型エンコーダ型からなるものであ
って良いＦＥＣコーダ９４の後段とを備えている。同様
に、送信器１２８は、リニアマッドパルサ８８を含むも
のとして図示されている。しかしながら、符号１３０に
より示されるコード及び変調システムは、９個の直角部
分応答信号（９ＱＰＲＳ）エンコーダ１３２と、それに
続くローパスフィルタ１３４とを備えており、ローパス
フィルタ１３４の出力は直角振幅モジュレータ１３６に
より変調され、その出力はリニアマッドパルサ８８を駆
動する。

【００３４】送信器の直角変調システム１３０が図１０
に示されており、９ＱＰＲＳ１３２からのインフェイズ
及び直角出力信号が、ローパスフィルタ１３４ａ及び１
３４ｂを分離するために提供される。更に、９ＱＰＲＳ
エンコーダ１３２の作動は、図１１を参照することによ
り、よりよく理解されよう。図１１（ａ）に於いては、
エンコーダ１３２の一部分の詳細が示されている。ベー
スハンドバイナリ信号はＡからエンコーダ１３２の１−
２デマルチプレクサ１３２ａに供給される。デマルチプ
レクスされた信号は、デマルチプレクサ１３２ａからＢ
及びＣに於いて出力され、３ＤＢエンコーダ１３２ｂ及
び１３２ｃを分離し、これらエンコーダはエンコードさ
れたインフェーズ及び直角信号Ｄ及びＥを発生する。図
１１（ａ）に示されたエンコーダ１３２の点Ａ〜Ｅに於
ける信号のフォーマット及び波形が図１１（ｂ）に示さ
れている。点Ａに於ける信号はバイナリ信号からなる。
点Ｂ及びＣに於ける信号は依然としてバイナリである
が、点Ａに於ける入力信号は図示されるように２つの信
号に分割されている。３ＤＢエンコーダ１３２ｂ及び１
３２ｃは、それに加えられたバイナリ信号入力を、それ
ぞれ点Ｄ及びＥに於ける３レベル二重バイナリベース信
号に変換する。図１０に示されるように、直角振幅モジ
ュレータ１３６は、フィルタ１３４ａからのインフェー
ズ信号にｃｏｓω_cｔを乗算し、フィルタ１３４ｂから
の直角信号にｓｉｎω_cｔを乗算し、これら２つの積を
加算し、ω_c／２πにより与えられるキャリア周波数を
中心とするバンドパスに於いて、図９に於けるマッドパ
ルサ８８に対する直角振幅変調された３レベル二重バイ
ナリ出力（ＱＡＭ３ＤＢ）信号を発生する。マッドチャ
ンネル１６を上方に向けて伝達されるべき音響マッドパ
ルスに変換されるべき図９に示されたマッドパルサ８８
への信号は、連続的な値を有する直角３レベル二重バイ
ナリ信号からなる。

【００３５】多レベルバンドパス送信器１２８について
用いられるアップリンク受信器が、図１２に於いて符号
１３８により示されている。図５に示されたアップリン
ク受信器１００の場合と同様に、アップリンク受信器１
３８は、マッドコラム１６に於ける音響信号を受けるア
ップリンク圧力トランスデューサ２０を備えたものとし
て示されているが、この場合バンドパスフィルタ１４０
は、トランスデューサ２０からの出力に対して作用を及
ぼし、それを自動ゲインコントローラ６０に転送する。
次にＭＰＮＣ１０２は、この信号に対して作用を及ぼ
し、それをＡＤコンバータ１０４に転送する。クロック
回復回路１１６は、受信器１３８に於ける様々な部品に
対して出力クロックパルスを提供する。受信器回路の最
終段は、データベースクランブラ１１２及びそれに続
く、Ｒｅｅｄ−Ｓｏｌｏｍｏｎデコーダ型のものあって
よいＦＥＣデコーダ１１４を備えている。ＦＥＣデコー
ダ１１４からの出力は更に別の回路（図１２に於いては
図示省略）により処理される。

【００３６】図１２に於ける受信器１３８は、図１３に
詳しく示された直角変調システム部分１４２を備えてい
る。直角変調システム部分１４２は、入力デジタル信号
から２つの出力信号を提供するフェーズスプリッタ１４
４を備えており、その出力信号は、一方の出力信号に対
してｓｉｎω_cｔを乗算し、他方の出力信号に対してｃ
ｏｓω_cｔを乗算する直角振幅変調された３レベル二重
（ＱＡＭ３ＤＢ）デモジュレータ１４６による操作を受
ける。このようにしてデモジュレータ１４６により提供
された２つの出力信号は、９つの直角部分応答信号スラ
イサ１５０からのフィードバックを利用する信号に対し
て作用を及ぼす直角ＤＦＥ１４８に転送される。図１３
に示されるように、スライサ１５０は、１対の３レベル
スライサ１５０ａ及び１５０ｂを有する。スライサ１５
０ａは、直角ＤＦＥ１４８からのインフェーズ信号に応
答し、直角ＤＦＥ１４８に差信号フィードバックを提供
し、インフェーズ信号に於けるエラーを除去する。スラ
イサ１５０ｂは、直角信号に於けるエラーを除去するた
めに直角ＤＦＥ１４８に送られる差フィードバック信号
をもって直角信号に対して同様な作用を及ぼす。このよ
うにして処理されたインフェーズ及び直角信号はデコー
ダ１５２に転送され、２つの入力信号と組み合わされる
ことによりスクランブルされたバイナリ信号を提供し、
図１２に示されるように、このバイナリ信号に対して、
このデスクランブラ１１２による処理が行われる。クロ
ック回復回路１１６は、図１２に示されるように、フェ
ーズスプリッタ１４４、直角振幅デモジュレータ１４６
及びＤＦＥ１４８に対してクロックパルスを提供する。

【００３７】図８（ｂ）は、１０Ｈｚのキャリア周波数
を中心とし、７．５Ｈｚから１２．５Ｈｚに至る５Ｈｚ
のバンド幅を有するパスバンドに於けるテレメータ信号
についての周波数応答曲線を示す。図４及び５のテレメ
ータシステムに利用されるような、例えば毎秒１０ビッ
ト程度のデータ転送速度を有する直角３レベル二重バイ
ナリテレメータ信号は、このようなパスバンドに適合す
ることができる。例えば図９及び１２に示されるような
テレメータシステムに用いられる、より拡張された複雑
な直角振幅変調された３レベル二重バイナリ信号は、図
８（ｂ）に示されるような、１０Ｈｚを中心とし、５Ｈ
ｚから１５Ｈｚに亘るより広いバンド幅のパスバンドに
於いて用いることができる。このような、５Ｈｚから１
５Ｈｚに至るパスバンドについて周波数応答が示されて
いる、より複雑な多レベル信号は、例えば毎秒２０ビッ
ト程度のデータ転送速度をもって作動することが期待さ
れる。

【００３８】図４、５、９及び１２に示されるような２
つのテレメータシステムの詳細を説明する上記記載から
も理解されるように、ここで述べた同様に近代的なデジ
タル信号技術を用いることにより、例えばＭＷＤシステ
ムに於けるマッドチャンネルに沿ってより複雑な多レベ
ル連続値テレメータ信号を伝送することができる。

【００３９】本明細書に記載された形式のアップリンク
テレメータシステムの何れについても、上記したよう
に、マッドチャンネル内を信号が両方向に同時に送られ
るようにダウンリンクテレメータシステムと共に用いる
ことができる。一般にダウンリンク信号はサブアセンブ
リ含まれる様々な要素に対して作用を行うための制御信
号からなり、特に検出器及び測定器を制御することとな
る。ダウンリンク制御信号は比較的間欠的に送られるも
ので、アップリンクデータ信号に比較すると比較的少量
の情報を伝達する。従って、図３及び２にそれぞれ示さ
れたダウンリンク送信器２３及びダウンリンク受信器２
８は、比較的単純な信号のためのデモジュレータ回路を
含むものであって良い。例えば、図３に示されたダウン
リンクデータエンコーダ／モジュレータ７２は図１４に
示されるようなバンドパスフィルタを含むオンオフ／ト
ーンモジュレータからなるものであって良い。例えば、
図１４のバイナリフォーマットに於いては、波形を重合
させた形で、２０ビットのダウンリンクコマンドワード
が示されている。

【００４０】図８（ａ）に示されるように、例えば図４
及び５に示されるベースバンド３ＤＢ信号テレメータシ
ステムと共に用いるために、１０Ｈｚのキャリア周波数
を中心とする１Ｈｚのバンド幅をダウンリンクシステム
に於いて用いることができる。同じ２０ビットダウンリ
ンクコマンドワードのためにエンコーダ／モジュレータ
７２により提供されるオンオフトーン信号が図１４に示
されており、この場合トーン即ち非０エンベロープ内の
振動周波数は１０Ｈｚとなる。フィルタを行った後の同
一のオンオフトーンダウンリンク信号も図１４に示され
ている。図８（ａ）に示されるような比較的狭いバンド
幅の周波数応答については、ダウンリンク信号のデータ
転送速度が毎秒３分の１ビット即ち１ビット当たり３０
サイクルとなることから、２０ビットコマンドワードを
転送するためには６０秒が必要となる。図２に示された
ダウンリンク受信器２８に於いては、データ回復回路８
４は、オンオフトーン信号を受けるためのオンオフトー
ンデモジュレータを備え、対応するバイナリ信号を地下
プロセッサ３４に向けて出力することとなる。

【００４１】図８（ｂ）は、図９及び１２に示されたＱ
ＡＭ３ＤＢ信号テレメータバンドパスシステムについて
用いられる、例えば２．５Ｈｚを中心とするオンオフト
ーン信号１Ｈｚパスバンドの位置を示す。

【００４２】図１５は本発明に基づくテレメータシステ
ムを用いたＭＷＤシステムを含む、全体が符号１６０に
より示された装置を用いて掘られた井戸を示している。
ドリル装置１６０は、掘られるべき井戸１６４の上方に
配置された地表ドリルデリック１６２を有する。ドリル
ストリング１６６は井戸坑１６４の内部に突入し、ドリ
ルストリングの外周面と井戸の壁面との間に環状領域１
６８を画定し、この領域は、ドリルストリングの内部に
画定される中心通路１７０に対して隔離されている。サ
ブアセンブリ１７２が、ドリルビット１７４の直上のド
リルストリング１６６内に配置される。サブアセンブリ
１７２は、本発明に基づく地下トランシーバ及び対応す
るテレメータシステム回路に加えて、センサ及び測定器
を含んでいる。特に、サブアセンブリ１７２は、上記し
たアップリンク通信マッドパルス信号を発生するための
地下送信器の一部として連続値マッドパルスバルブ１７
６を備えている。

【００４３】ドリルストリング１６６はデリック１６２
からつり下げられたエレベータアセンブリ１７８から、
ドリルビット１７４を作動させるようにドリルストリン
グを回転させるロータリ装置１８０内を通過する。タン
ク１８２は、地表に於いてドリルマッドを貯蔵する。マ
ッドは、マッドポンプ１８４に接続されたパイプ１８３
を介してタンク１８２から引き出される。マッドポンプ
１８４の出口は、スタンドパイプ１８８に至る管路１８
６に接続され、スタンドパイプ１８８は、フレキシブル
管路１９０を介してエレベータアセンブリ１７８に接続
されている。マッドポンプ１８４の作動により、ドリル
マッドがソースタンク１８２から排出され、通路１８
６、１８８、１９０を経てドリルストリング１６６の上
部に向けて送り込まれる。マッドは、この部分からドリ
ルストリング１６６の内部通路１７０を経てサブアセン
ブリ１７２に向けて循環される。サブアセンブリ１７２
を通過したマッドは、ドリルビット１７４に設けられた
１個または複数の開口から排出され、環状領域１６８を
経て地表に戻され、このドリルマッドは、更にソースタ
ンク１８２に至るパイプ１９２により井戸から排出され
る。このようにしてドリルマッドを循環させることによ
り、ドリルビット１７４を冷却及び潤滑し、井戸に於け
る掘削物を地表に送り出す。図示されない適当な装置に
より、地表に於いてドリルマッドを処理し、掘削物その
他の異物を除去すると共に、例えばマッドのガス抜きを
行う。

【００４４】地表プロセスユニット１９４は、サブアセ
ンブリ１７０内の地下テレメータユニットからの音響デ
ータ信号を検出するために、管路１８６に沿って配置さ
れたものとして図示されている地表トランスデューサ２
０に接続されている。地表トラシーバの要素は、地表プ
ロセスユニット１９４に内蔵されているものであって良
い。図示されないセンサをマッドポンプ１８４内に配置
し、プロセスユニット１９４に於けるトランシーバ内に
含まれるマッドポンプノイズキャンセラー回路にノイズ
信号を提供することができる。デサージャ１９８を、例
えば管路１８６内に配置し、マッドポンプ１８４の作動
によるマッドチャンネル内に於けるサージ効果を極小化
することができる。

【００４５】地表マッドバルブ２００が、デサージャ１
９８とアップリンク地表トランスデューサ１２０との間
の管路１８６に接続されたものとして図示されている。
マッドバルブ２００は、地下マッドバルブ１７６と同一
の形式のものでも、或いは異なる構造を有するものであ
っても良い。しかしながら、これら両バルブ１７６、２
００は本発明に基づきそれぞれアップリンク及びダウン
リンクテレメータ信号を発生するように連続的な値を有
し、かつ概ね線形なバルブからなるものであって良い。

【００４６】本発明に基づくテレメータシステムによっ
てて比較的複雑な音響波形を発生し得るようにするため
には、連続値を有する概ね線形なマッドバルブ送信器を
用いるのが望ましい。更に、マッドバルブ送信器は、正
確な音響波形を発生し得るものであるのが好ましい。従
って本発明に基づくテレメータシステムに用いられるマ
ッドパルス送信器のマッドバルブは、開閉２つの位置よ
りも多い位置を取り得るようにしてマッドパルスを発生
し得るものであるのが望ましい。しかも、ドリルマッド
チャンネルに於いて正確な多レベルマッドパルスを発生
するために必要となるような正確なバルブ要素の制御を
可能にするためには、マッドバルブが、例えば電気式の
ものであるよりも流体圧式に操作されるものであるのが
好ましい。図２に示されたアップリンク送信器には、例
えば送信器のマッドバルブが線形な作動を行い得るよう
に適応的サーボコントローラ４６が備えられている。流
体圧アクチュエータ４４がマッドバルブを駆動する。

【００４７】マッドバルブを、電気的ではなく流体圧に
より制御することの利点は、流体圧制御が、電気的制御
よりも大きな力を発生し得ることから、マッド圧力波を
制御するバルブ回路についてより動的に正確な制御を維
持し得ることにある。バルブ回路を正確に制御する能力
を有することにより、上記したような、より複雑なマッ
ドモジュレーション方式を実現し、より高い送信器バン
ド幅効率を実現し、より高いデータ転送速度を可能にす
ることができる。本発明に基づくマッドパルス送信器に
備えられた適応的サーボコントローラは、クローズドル
ープ制御を用い、変化する条件に応答するようにコント
ローラを適応させることによりマッド圧力波形の制御を
最適化することができる。変化する条件としては、マッ
ドの密度、井戸坑の内部に於ける温度、マッドバルブの
摩耗の度合いなどがある。適応的サーボコントローラ
は、マッドバルブの動的応答を最適化し、マッドチャン
ネルを上向きに伝達されるマッド波の圧力を、マッドパ
ルス送信器の入力と可及的にマッチングするようにさせ
ることができる。

【００４８】本発明に基づくテレメータシステムに用い
られる流体圧式のマッドバルブ送信器が図１６に於いて
符号２１０により示されている。送信器２１０に備えら
れたマッドバルブは、圧力バランス式のピストン型のバ
ルブからなり、例えば金属間の衝撃を回避し得るものか
らなる。図１６及び１７に示されるように、ドリルスト
リングを延在するマッドチャンネル通路１７０は、サブ
アセンブリ１７２に至り、ここでバイパス２１２と、マ
ッドバルブ２１６に至る入力流路２１４とに分割され
る。出力流路２１８は、バルブ２１６からのマッドの流
れを戻し、それを流路１７０に於けるバイパス２１２に
沿って流れる流れと合流させ、最終的に図示されない地
下のドリルビットに送り込む。マッドバルブ２１６は、
ボア或いはスリーブ２２２内を軸線方向に動き得るバル
ブステム（ピストン）２２０を有するピストン型または
スリーブ型のバルブからなるものであって良い。ボア
（スリーブ）２２２は、入力通路２１４及び出力通路２
１８と交差する２つの位置の間に制御オリフィス２２４
を有している。バルブステム２２０は、バルブステムの
軸線方向運動に応じて制御オリフィス２２４から出入り
するテーパ部分２２６を有する。バルブステム２２０の
テーパ部分２２６の、制御オリフィス２２４に対する軸
線方向位置が、ドリルマッドが、ボア２２２内に於いて
入力通路２１４と出力通路２１８との間で移動する際に
有効な流路の断面積を決定する。同一の直径を有する２
つのＯリング２２８、２３０が、ボア２２２に対する流
路２１４、２１８の交差部の互いに対向する位置を占め
るようにバルブステム２２０に設けられた適当な溝内に
配置され、ドリルマッドがボア内に閉じこめられるよう
に、バルブステムとボアの内面との間の摺動シール係合
を提供する。

【００４９】バルブステム２２０は、図１６について見
て、ボア２２２に対して下向きに変位することができ、
その度合いは、バルブボア２２２に沿うドリルマッドの
ための流路を完全に閉じるように、テーパを有するバル
ブステム部分２２６と制御オリフィス２２４との間のシ
ール係合を行うのに充分なように定められている。図１
６について見たボア２２２に対するバルブステム２２０
の上向きの運動は、テーパを有するバルブステム部分２
２６の、制御オリフィス２２４から離反する向きの運動
を引き起こす。このようにボア２２２に対するバルブス
テム２２０の軸線方向運動は、入力通路２１４と出力通
路２１８との間のドリルマッドの流れのための、制御オ
リフィス２２４を通過する流路の有効な断面積を変化さ
せる。このように、バルブ２１６を通過するマッドの流
れのための流路の断面積は、ボア２２２に対するバルブ
ステム２２０の軸線方向位置の関数となる。

【００５０】バルブステム２２０は、チャンバ２３４を
形成するボア２２２の拡大部分に於いてピストン２３２
を有し、チャンバ２３４に対しては、ピストン２３２
が、その外周に設けられた適当な溝内に配置されたＯリ
ング２３６によりシール可能に摺動係合する。バルブス
テム２２０の、ピストン２３２よりも前方の部分には、
適当な溝に配置されたＯリング２３８を有しており、Ｏ
リング２２８、２３８とは相反するチャンバ２３４の側
に於けるボアの内部に於けるシール可能な摺動係合を提
供する。これら３つのＯリング２２８、２３０及び２３
８は同一の直径を有するのに対し、ピストン２３２に設
けられたＯリング２３６はこれよりもかなり大きな直径
を有する。

【００５１】Ｏリングシール２２８、２３６の組合せ
は、Ｏリングシール２３６、２３８の組合せにより画定
される可変容積領域からもう１つの可変容積領域を区分
する。ボア２２２に沿うバルブステム２２０の運動は、
チャンバ２３４に対するピストンの運動を伴い、ピスト
ンのＯリング２３６の両側に画定された２つの領域の容
積を変化させる。高圧流体圧ライン２４０が、Ｏリング
シール２３６、２３８間のチャンバ２３４内の領域に連
通し、別の高圧流体圧ライン２４２が、Ｏリングシール
２２８、２３６間のチャンバ２３４の部分に連通する。
流体圧ライン２４０、２４２によりチャンバ２３４に伝
達される適当な流体圧により、チャンバ２３４内に於け
るピストン２３２の両端に流体圧の差圧を加えることに
より、ピストンに対して正味の軸線方向力を加え、ボア
内に於いて軸線方向に沿ってピストン２３２を何れかの
方向に変位させることができる。従って、バルブステム
２２０の位置及び、制御オリフィスに対するテーパを有
するバルブステム部分２２６の位置により定められるよ
うな制御オリフィス２２４を通過する流体の流れのため
の有効な断面積を、流体圧ライン２４０、２４２により
ピストン２３２の両端に加えられる圧力差により制御す
ることができる。

【００５２】制御流体圧力が両側から加えられるＯリン
グシール２３６の直径が、残りのＯリングシール２２
８、２３０及び２３８の直径に比較してかなり大きいこ
とから、またＯリングシール２２８及び２３８が同一の
直径を有することから、流体圧ライン２４０及び２４２
により、バルブステム２２０の運動に抗するような或い
はバルブステムの好ましくない運動を引き起こすような
ドリルマッドライン２１４及び２１８に於ける圧力或い
は流体の流れの作用を克服することができる。更に、バ
ルブステム２２０の両端２４４及び２４６がサブアセン
ブリ１７２の外側の井戸１６８の環状領域内のドリル流
体圧力に曝されるが、これは、サブアセンブリ１７２の
内部に於いて、ボア２２２及びその中に位置するバルブ
ステム２２０の配置を示す図１７からも理解されよう。
このようにバルブステム２２０は、バルブステムの両端
２４４及び２４６に於けるドリル流体圧力に曝露される
ことにより圧力バランスが取られる。バルブステム２２
０に加わる圧力がバランスすることにより、ピストン２
３２に対して比較的小さな力を加えることによってバル
ブステムの正確かつ制御された運動を実現することがで
きる。リニア変位トランスデューサ２４８はチャンバ２
３４に対するピストン２３２の位置を検出することによ
り、ボア２２２内に於けるバルブステム２２０の正確な
位置をモニタすることができる。電子制御回路２５０
は、トランスデューサ２４８からの出力信号を受ける。

【００５３】流体圧ポンプ２５２が、バルブ２１６を操
作するべき流体圧力を提供するために流体溜め２５４に
付随して設けられている。ポンプ２５２は、例えばモー
タにより或いはＭＷＤタービンにより直接駆動されるも
のであって良い。スプールバルブ２５６をなす４方向３
位置ソレノイド操作型の切り替え流体圧制御バルブが、
制御バルブ２５６のバルブ要素の互いに相反する端部に
図示されているソレノイド２５８及び２６０を介して、
制御回路２５０により操作される。流体圧ポンプ２５２
から、逆止弁２６４を介して高圧流体圧ライン２６２
が、制御バルブ２５６の一方の側のポートに至ってい
る。制御バルブ２５６の、高圧入口ポートと同じ側の他
方のポート２６６は大気に開放されている。流体溜め２
５４は、サブアセンブリ１７２の外側に位置する井戸１
６８の環状領域内のドリル流体の流体溜め内の流体との
間のバリヤとして機能する補償ピストン２６８の作用に
よる補償作用を受け、圧力補償される。圧縮ばね２７２
に抗して作動するもう１つのピストン２７０が、部分的
に、流体溜め２５４内に第２のチャンバをアキュムレー
タ２７４として画定する。アキュムレータ２７４は高圧
流体ライン２６２と連通している。

【００５４】制御バルブ２５６が非作動状態の時、即ち
図示されているように中心位置を占める場合、ポンプ２
５２からの高圧流体は、流体溜め２５４に至るフィード
バックラインに設けられたシステムレリーフバルブ２７
６により定められる最大システム圧に至るまで高圧アキ
ュムレータ２７４をチャージする。このようにして、制
御バルブ２５６の作動のための許容される範囲内に、圧
力を、レリーフバルブ２７６の圧力設定により少なくと
も部分的に定められる範囲に保持することができる。逆
止弁２７８及び２８０が、高圧流体ポート２４０及び２
４２に於ける別の逆止弁２８２及び２８４に付随して設
けられており、レリーフバルブ２８６が、高圧流体ライ
ン２６２に於ける逆止弁２６４の制御バルブ側に設けら
れていることにより、サブアセンブリ１７２が井戸のボ
アを上昇または下降する間に通常分離される流体圧シス
テム部分に対する圧力補償を提供する。レリーフバルブ
２８２、２８４及び２８６の圧力設定は、システムレリ
ーフバルブ２７６の圧力設定よりもかなり高い。

【００５５】容易に理解されるように、制御バルブ２５
６は、バルブステム２２０を軸線方向に沿ってボア２２
０以内に於いて駆動するようにチャンバ２３４内のピス
トン２３２の一方の面或いは他方の面に対して流体圧を
加えるように右側及び左側の位置を占めることができ
る。従って、制御バルブ２５６に至る入口流体圧力ライ
ン２６２内に充分な流体圧が提供されていれば、チャン
バ２３４に於けるピストン２３２の両端に対して流体圧
の差圧を選択的に加えるように、ソレノイド２５８及び
２６０に対して電流を供給する制御回路２５０を作動さ
せることにより、バルブ要素２２０の位置、従ってバル
ブステム２２０のテーパ面２２６の位置に応じて、制御
オリフィス２２４を通過する流体通路の開度を決定する
ことができる。

【００５６】差圧トランスデューサ２８８が、バルブボ
ア２２２に至る入口２１４に於けるドリルマッドの圧力
及びバルブボアからの出口２１８於けるドリルマッドの
流体圧に曝露される。トランスデューサ２８８により提
供される、制御オリフィス２２４の両端に加わる圧力差
に基づく出力信号は、マッドパルスバルブ要素２２０の
位置を定めるために制御バルブ２５６に対して送られる
コマンドを決定するために利用されるべく、制御回路２
５０に転送される。制御オリフィス２２４を通過する流
路の大きさを選択するべく行われるバルブ要素２２０の
作動により、マッドパルス送信器２１０の上側の通路１
７０に於けるマッドチャンネルの背圧を変化させる。こ
のように、バルブステム２２０の運動は、マッドチャン
ネル内に変化する背圧パルスを発生し、これが、音響パ
ルスとして、マッドチャンネルに沿って地表に向けて伝
達される。

【００５７】電子回路２５０は、図１に示された適応的
サーボコントローラ４６を備えており、例えば、それぞ
れ、図１６に示された圧力差トランスデューサ２８８及
びリニア変位トランスデューサ２４８を介して、図１に
示されるように圧力差トランスデューサ４８から送られ
る圧力差フィードバック及び位置トランスデューサ４７
からのバルブ状態設定フィードバックを受ける。同様
に、マッドバルブ送信器２１０は、ダウンリンク送信器
２４として利用することができ、回路２５０に含まれる
ものであって良い適応サーボコントローラ６８に対して
トランスデューサ６９及び７０からのフィードバックが
送られる。

【００５８】図１６及び１７のスリーブバルブ送信器２
１０は、本発明に於いて用い得る連続的な値を有する概
ねリニアな音響マッドパルス送信器の単なる一例であ
る。図１８に於いて、ポペット型の音響マッドバルブ送
信器が符号３００により示されている。マッドパルス送
信器３００は、サブアセンブリ１７２または図１５に於
ける地表管路１８６を介してマッドチャンネル通路１７
０の延長部に設けられた制御オリフィス３１２に対して
軸線方向に変位し得るように配置されたポペットバルブ
要素３１０を備えている。これにより、マッドチャンネ
ル１６に沿って伝達されるべき背圧音響パルスが発生す
る。流体コントローラ３１４が、適応サーボコントロー
ラ３１６の制御下に於いて、バルブ要素３１０の軸線方
向位置を制御する様子が示されている。バルブ要素位置
センサ３１８は、バルブ要素３１０の軸線方向位置を判
定し、従って、マッドの流れのためにオリフィス３１２
を通過する流路の断面積を判定し、適応サーボコントロ
ーラ３１６への電子検出信号を伝達する。差圧トランス
デューサ３２０は、マッドチャンネル１７０に於いて、
それぞれ制御オリフィス３１２の上流側及び下流側に対
して開かれた流体圧チャンネル３２２及び３２４に曝露
されている。差圧トランスデューサ３２０からの出力信
号は、適応サーボコントローラ３１６に転送される。

【００５９】２つの連続的な値を有する概ねリニアな音
響波送信器２１０及び３００は幾つも利点を有し、その
何れも、本発明の一部として高いデータ速度を有する音
響テレメータ信号を発生し伝達するために利用すること
ができる。ポペットバルブ３００が、例えばバルブ要素
或いは制御開口などに於いて、スリーブ型バルブ２１０
よりも磨耗しにくいことから、マッドの流れのラインの
環境に於いて用いるのに、より好適であるように見え
る。

【００６０】本発明に用いるべくここに開示されたマッ
ドパルス送信器は、ドリルパイプの内側のマッドコラム
内に於いて圧力波を伝達し、この圧力波は、地表に伝達
されるりべき井戸内センサからの情報を含んでいる。井
戸内センサからの情報は、デジタル化され、マルチプレ
クスされ、コード化され、モジュレートされることによ
り、伝達されるべきマッド圧力波の所望の形状を表す信
号を得ることができる。マッドパルス送信器に含まれる
適応サーボコントローラは、所望のマッド圧力波の形状
に可及的にマッチするようなマッド圧力波を、流体圧作
動式マッドバルブにより発生させるために利用すること
ができる。所望のマッド圧力波の形状は、用いられるコ
ード化及び変調技術に依存する。適応サーボコントロー
ラは、実際に伝達されたマッド圧力波を表すような所望
のマッド圧力波信号を、データモジュレータ、マッドバ
ルブに於ける制御オリフィスに対するマッドバルブステ
ムの検出された位置及び実際に伝達されたマッド圧力波
を表す制御オリフィスの両端に加わる圧力差から得る。
適応サーボコントローラの出力は、例えば、図１６に於
いて符号２５６により示される切り替え制御バルブ要
素、或いは制御オリフィスに対するマッドバルブ要素の
位置を定めるようにマッドバルブ要素に至る流体の流れ
を制御する図１８に示される流体コントローラ３１４に
於いて用いられる同等の制御要素を制御する信号からな
る。

【００６１】本明細書に開示された２つのマッドパルス
バルブは、それぞれの対応する制御オリフィスにより制
限される範囲内に於いてバルブを通過するマッドの流れ
に対する断面積を任意に実現するようにその構造或いは
形状を定めることができる。流路断面積は、マッドバル
ブ要素の変位の連続的な関数であり、マッドバルブによ
りマッドコラムに発生する背圧は面積の連続的関数であ
る。このように、マッドバルブは、アナログ波に類似す
る多レベル圧力波を発生するように作動することができ
る。

【００６２】マッドコラムに於ける圧力波の形状を、モ
ジュレータからのマッドパルサへの電圧波入力の形状に
最も近似するようにさせるためには、マッドパルサ波は
電圧波の線形関数でなければならない。一般に、マッド
コラムに於ける背圧即ちマッドバルブ制御開口の両端に
於ける圧力差は、マッドバルブ要素の位置の線形関数で
あるとは限らない。しかしながら、サーボコントローラ
に対して差圧フィードバック信号を用いることにより、
マッドパルサが、その電圧データ信号入力の線形関数と
してマッドパルス波を発生するように作動されるものと
することができる。フィードバック信号は、サーボコン
トローラにより定められるバルブ要素の位置ではなく、
マッドバルブからの波形出力の実際の形状を表してい
る。この情報がサーボコントローラに入力されれば、バ
ルブ要素の位置を定める制御信号を、出力マッド波形が
電圧データ信号波形の正確な線形複製物を構成するよう
に、前記した回路が制御信号を調節することができる。

【００６３】上記したように、本発明は例えばＭＷＤシ
ステムに関連してマッドチャンネルに沿って高い転送速
度の音響パルスを発生しかつ伝達するための音響テレメ
ータシステムを提供する。本発明は、近代的なデジタル
通信技術を利用し、マッドパルスバルブを含む、連続的
な値を有し、概ね線形な音響パルス送信器を利用する。

【００６４】以上の本発明についての説明は単なる例示
であって、本発明の概念から逸脱することなく、添付の
請求の範囲に基づき図示された装置の詳細或いは方法の
各過程を様々に変更することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく、地表及び地下テレメータユニ
ットを示すＭＷＤテレメータシステムのブロック図であ
る。

【図２】図１のテレメータシステムの一部として用いら
れる地表トランシーバのブロック図である。

【図３】図１のテレメータシステムの一部として用いら
れる地下トランシーバのブロック図である。

【図４】図２の地下トランシーバのベースバンド式のア
ップリンク送信器の詳細ブロック図である。

【図５】図３の地表トランシーバのベースバンド式のア
ップリンク受信器の詳細ブロック図である。

【図６】図５のベースバンド式のアップリンク受信器の
クロック回復回路のブロック図である。

【図７】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）からなり、それぞ
れ、３レベル二重バイナリ（３ＤＢ）エンコーダのブロ
ック図、データの流れ、エンコーダの各点に於ける波形
及び３ＤＢエンコーダに対する３ＤＢ信号値入力と３Ｄ
Ｂエンコーダからのバイナリ信号値出力との比較を示
す。

【図８】（ａ）及び（ｂ）からなり、それぞれ、ベース
バンド及びパスバンドの信号スペクトルを示す。

【図９】図２の地下トランシーバのバンドパス式のアッ
プリンク送信器の詳細ブロック図である。

【図１０】図９のバンドパス式のアップリンク送信器の
送信器直角変調部分の詳細ブロック図である。

【図１１】（ａ）及び（ｂ）からなり、それぞれ、直角
振幅変調された３レベル二重バイナリ（ＱＡＭ３ＤＢ）
エンコーダのブロック図、データの流れ及びエンコーダ
の各点に於ける波形を示す。

【図１２】図３の地表トランシーバのバンドパス式のア
ップリンク受信器の詳細ブロック図である。

【図１３】図１２のバンドパス式のアップリンク受信器
の受信器直角変調部分の詳細ブロック図である。

【図１４】図３の地表トランシーバのダウンリンク送信
器によるダウンリンク制御データの流れ及び対応する波
形を示す。

【図１５】本発明に基づくＭＷＤテレメータシステムが
適用された掘削される井戸坑の単純化された側面図であ
る。

【図１６】本発明に基づく、連続的な値を有し、概ね線
形なマッドパルス送信器の一実施例を示すダイヤグラム
図である。

【図１７】図１６のマッドパルスバルブの配置を示すサ
ブアセンブリの縦断面図である。

【図１８】本発明に基づく、連続的な値を有し、概ね線
形なマッドパルス送信器の別の実施例を示すダイヤグラ
ム図である。

【符号の説明】

１０ＭＷＤテレメータシステム１２地下テレメータユニット１４地表テレメータユニット１６マッドチャンネル１８アップリンク送信器２０圧力トランスデューサ２２アップリンク受信器２４ダウンリンク送信器２６地下圧力トランスデューサ２８ダウンリンク受信器３０センサ３２センサ制御回路３４地下プロセッサ３６地表プロセッサ３８表示ユニット４０記録ユニット４２マッドバルブ４４流体圧アクチュエータ４６適応的サーボコントローラ４７位置トランスデューサ４８差圧トランスデューサ４９ローパスフィルタ５０アップリンクデータスクランブラ５８フィルタ６０自動ゲインコントローラ６２アップリンクデータ回復回路６４マッドバルブ６６流体圧アクチュエータ６８適応的サーボコントローラ６９位置トランスデューサ７０差圧トランスデューサ７１バンドパスフィルタ７２ダウンリンクデータエンコーダ／モデュレータ８０バンドパスフィルタ８２自動ゲイン制御回路８４ダウンリンクデータ回復回路８６ベースバンドアップリンク送信器８８線形マッドパルサ９０データマルチプレクサ９２ＡＤコンバータ９４前方エラー修正（ＦＥＣ）コーダ９６３レベル二重バイナリ（３ＤＢ）エンコーダ９８送信器ローパスフィルタ１００ベースバンドアップリンク受信器１０１ローパスフィルタ１０１１０２マッドポンプノイズキャンセラ（ＭＰＮＣ）１０４ＡＤコンバータ１０６デシジョンフィードバックイコライザ（ＤＦ
Ｅ）１０８３レベル信号スライサ１１０３レベル二重バイナリ（３ＤＢ）デコーダ１１２デスクランブラ１１４前方エラー修正（ＦＥＣ）デコーダ１１６クロック回復回路１１８波形整形回路１２０バンドパスフィルタ１２２フェーズロックドループ回路１２４プリコーダ１２６コーダ１２８３レベル二重バイナリ（ＱＡＭ３ＤＢ）送信器１３０コード１３２直角部分応答信号（９ＱＰＲＳ）エンコーダ１３４ローパスフィルタ１３６直角振幅モジュレータ１３８アップリンク受信器１４０バンドパスフィルタ１４２直角変調システム部分１４４フェーズスプリッタ１４６３レベル二重（ＱＡＭ３ＤＢ）デモジュレータ１４８直角ＤＦＥ１５０スライサ１５２デコーダ１６０ドリル装置１６２地表ドリルデリック１６４井戸坑１６６ドリルストリング１６８環状領域１６８１７０中心通路１７２サブアセンブリ１７４ドリルビット１７６連続値マッドパルスバルブ１７８エレベータアセンブリ１７８１８０ロータリ装置１８２タンク１８４マッドポンプ１８６管路１８８スタンドパイプ１９０フレキシブル管路１９２パイプ１９４地表プロセスユニット１９８デサージャ２００地表マッドバルブ２１０流体圧式のマッドバルブ送信器２１２バイパス２１４入力流路２１６バルブ２１８出力流路２２０バルブステム（ピストン）２２２ボア或いはスリーブ２２４制御オリフィス２２６テーパ部分２２８、２３０Ｏリング２３２ピストン２３４チャンバ２２３６、２３８Ｏリング２４０、２４２高圧流体圧ライン２４４、２４６端部２４８リニア変位トランスデューサ２５０電子制御回路２５２流体圧ポンプ２５２２５４流体溜め２５６スプールバルブ２５８、２６０ソレノイド２６２高圧流体圧ライン２６４逆止弁２６６ポート２６８補償ピストン２７０ピストン２７２圧縮ばね２７４アキュムレータ２７６システムレリーフバルブ２７８、２８０、２８２、２８４逆止弁２８６レリーフバルブ２８８差圧トランスデューサ３００ポペット型音響マッドバルブ送信器３１０ポペットバルブ要素３１２制御オリフィス３１４流体コントローラ３１６適応サーボコントローラ３１８バルブ要素位置センサ３２０差圧トランスデューサ３２２、３２４流体圧チャンネル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】デジタルマッドパルステレメータシス
テムであって、多レベルエンコーダ及び連続的な値を有するマッドパル
ス送信器を含む送信器と、多レベルデコーダを含む受信
器とを備えていることを特徴とするシステム。
【請求項２】井戸坑のドリル中に測定可能な（ＭＷ
Ｄ）システムの一部をなすことを特徴とする請求項１に
記載のテレメータシステム。
【請求項３】送信器及び受信器を備えるダウンリン
クシステム及び又はダウンリンクシステムを含むことを
特徴とする請求項２に記載テレメータシステム。
【請求項４】前記ダウンリンクシステム及びダウン
リンクシステムの両者を備え、前記アップリンクシステ
ムに於いて伝達される信号が、前記ダウンリンクシステ
ムに於いて伝達される信号について周波数マルチプレク
スされることを特徴とする請求項３に記載のテレメータ
システム。
【請求項５】前記ダウンリンクシステムがオンオフ
トーンシステムからなり、かつ該オンオフトーンシステ
ムが、オンオフトーンモジュレータ、バンドパスフィル
タ及び連続的な値を有するマッドパルス送信器を含む送
信器と、入力バンドパスフィルタ、自動ゲインコントロ
ーラ及びオンオフトーンデモジュレータを含む受信器と
を有することを特徴とする請求項３に記載のテレメータ
システム。
【請求項６】前記送信器が３レベル二重バイナリ信
号を転送することを特徴とする請求項１に記載のテレメ
ータシステム。
【請求項７】前記送信器が直角振幅変調された３レ
ベル二重バイナリ信号を転送することを特徴とする請求
項１に記載のテレメータシステム。
【請求項８】少なくとも１つの井戸内センサと、前
記送信器の一部をなすマルチプレクサと、前記送信器の
一部をなすＡＤコンバータと、前記送信器の一部をなす
少なくとも１つのフィルタとを更に有することを特徴と
する請求項１に記載のテレメータシステム。
【請求項９】前記送信器が更に、直角振幅変調され
た３レベル二重バイナリエンコーダと、前記エンコーダ
の出力のためのフィルタと、前記フィルタの出力を受け
るための直角振幅モジュレータとを有することを特徴と
する請求項８に記載のテレメータシテスム。