KR102302562B1 - 다운홀 음향 원격 측정 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
중계기 없이 고속 전송을 가능하게 하는 개선된 음향 신호 송수신 방법 및 장치가 제시된다. 송신기에서, 압전 변환기는 드릴 스트링 조립 벽을 통해 음파를 생성하는데 사용된다. 전송은 2 이상의 통과 대역에서 발생하며 각 반송파 주파수는 채널이 허용하는 한 다른 변조 및 채널 코딩 방식을 거친다. 기지의 거리에 복수의 가속도계를 갖는 수신기에서, 음향 신호는 여러 신호 다이버시티 기술을 사용하여 처리되어 신호 대 잡음비를 증가시킨다. 그 다음, 로크-인 증폭기가 감쇠된 신호를 추출하고 센서 융합 추정 알고리즘이 수행되어 잡음의 영향이 감소된다. 또한, 다중 가속도계 구성에서 결정된 파동 속도는 반향 및 반사 제거에 사용된다. 본 발명은 다운홀 통신에서 추가 중계기를 사용하지 않고 강력한 원격 측정을 제공한다.
Description
본 명세서에 개시된 실시예들은 일반적으로 중계기 없이 기계적 음향 전송을 통해 잡음 있는 다운홀로부터 감쇠된 신호를 전송, 수신 및 처리하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
전통적으로 천연 자원을 위한 시추는 레저부아(reservoir)를 향해 곧게 내려감으로써 달성되었다. 다운홀 상태를 측정하기 위해, 먼저 웰보어(wellbore)로부터 드릴링 어셈블리가 제거되었다. 그 다음, 전기 케이블에 부착된 센서 및 기기가 유선 트럭에 의해 하강된다. 측정이 수행되고 전선을 통해 표면으로 전송된다. 그러나, 이러한 작업은 웰보어를 시추하는 동안에는 실행될 수 없다. 그 결과, 시추 중 측정(MWD: measurement-while-drilling)을 가능하게 하기 위한 머드-펄스 원격 측정법이 개발되었다. 머드-펄스 원격 측정법은 드릴 스트링 어셈블리의 내부 통로를 통해, 드릴 비트를 통해, 그리고 드릴 스트링 벽과 웰보어 사이의 환형 통로 밖으로 펌핑되는 시추 유체 또는 진흙을 사용한다. 압력은 진흙을 방출하거나 흐름을 중지시키는 밸브에 의해 제어되는데, 이러한 흐름은 표면의 압력 변환기에 의해 감지된다. 머드-펄스 원격 측정법은 약 3-6bps의 속도로만 전송할 수 있을 뿐이었음에도 시추 작업에서 상업적 성공을 거두었다. 약간 더 높은 전송률(~ 6bps)을 가질 수 있는 널리 사용되는 원격 측정 방법은 전자기파가 다운홀 센서로부터 표면으로 전달되는 전자기 원격 측정법이다. 그러나, 이러한 파는 웰보어 주변의 포메이션 특성에 의해 심하게 감쇠될 수 있으며, 해양에서 사용될 수 없다. 이것은 전자기 전파가 크게 방해받지 않는 한정된 위치에서만 효과적으로 수행될 수 있다.
다운홀 데이터를 표면으로 전송하기 위해, 음파를 생성하는 전자 기계 변환기로 구성된 음향 원격 측정 도구가 연구되었다. 이것은 약 20-30 bps의 전송율로 상업적으로 적용되었다. 음파는 드릴 스트링 어셈블리의 벽을 통해 진행하며, 반사 및 왜곡을 일으키는 어셈블리 구성요소의 상이한 임피던스 및 경계 조건의 영향을 받는다. 이와 더불어, 표면 및 드릴링 잡음은 진행하는 음향 신호를 더욱 손상시킨다. 이러한 영향을 방지하기 위해 다양한 신호 처리 및 잡음 제거 기술이 사용된다.
일반적으로 통신 시스템은 송신기 및 수신기를 필요로 한다. 송신기는 전기 신호를 전송 채널에 적합한 형태로 변환한다. 모바일 및 Wi-Fi에 사용되는 무선 송신기의 경우, 송신기는 전기 신호를 전자기파로 변환한다. 음향 원격 측정에서, 전기 신호는 전자기, 자기변형 또는 압전 액추에이터와 같은 전기 기계 변환기를 사용하여 물리적 음파로 변환되어야 한다.
US005703836에는, 전기 기계 변환기가 압전 세라믹 스택인 음향 송신기가 설명되어 있다. 이 스택은 절반씩 제조되고 억지 끼워맞춤(interference fit)되어 메인 맨드릴에 장착된다. US006147932A에서, 압전 세라믹 스택은 다른 억지 끼워맞춤을 위해 맨드릴 숄더와 앤빌 사이에 끼워 넣어지고, 압전 스택은 절반씩 제조될 필요가 없다. 그러나, 이러한 음향 원격 측정 시스템은 다음과 같은 큰 단점을 갖는다. 더 깊게 전송하기 위해서는, 신호의 무결성을 보장하기 위해 중계기가 사용되어야 한다. 또한, 중계기를 통해 신호를 수신하고 신호를 전송하는 동안 시추 작업이 중지될 필요가 있다. 이러한 중계기는 구현 비용이 많이 들고 잠재적인 어댑터에게 매력적이지 않다. 중계기는 전체 음향 원격 측정 도구의 작은 버전이다. 그들은 하부 다운홀 위치에서 음향 신호를 감지하고 음향 신호를 재전송한다. 경우에 따라, 그들은 로컬 조건을 측정하고 나가는 음향 신호에 데이터를 추가하는데 사용될 수도 있다. 그러나, 중계기 중 하나의 오작동만으로도 MWD 전송을 손상시키는데 충분하다. 부하로 가는 전력을 최적화하여 압전 변환기를 효율적으로 사용하려는 노력이 있었지만 장거리 전송은 여전히 제한된 성능을 갖는다.
다운홀 매체를 통해 신호를 전송하기 위한 음향 송신기, XACT 다운홀 텔레메트리 인코퍼레이티드, US 2015/0377017 A1
다운홀 매체를 통해 신호를 전송하는 장치가 소개되어 있다. 이 송신기는 전압원, 부하, 부하에 양 극성 전압 및 음 극성 전압을 인가하기 위한 스위칭 회로, 및 구동 전압을 제어하는 충전 컨트롤러를 포함한다. 이 송신기는 통과 대역 신호에 복잡한 엔벨로프를 적용할 수 있다. DC-DC 전압 변환기는 배터리 소스로부터의 전압을 높이는데 사용되며, H-브리지는 커패시터로 모델링된 압전 부하를 구동하는데 사용된다.
다운홀 음향 송신기의 압전 스택에 인가되는 전압을 제어하는 방법 및 시스템, XACT 다운홀 텔레메트리 인코퍼레이티드, US 2019/0017371 A1
이 발명은 압전 변환기 부하에 전압을 인가하는 방법 및 시스템을 개시한다. 구동 신호의 크기를 음 극성 한계 미만으로 유지하기 위해 온도 또는 압축 변형(strain)이 모니터링된다. 전체 압전 변환기에 걸쳐 균등하게 구동 전압을 제공하기 위해, 교대의 양 전극 및 음 전극들이 스택 요소 사이에 삽입된다.
다운홀 음향 신호 수신 장치, XACT 다운홀 텔레메트리 인코퍼레이티드, US 006956791 B2
이 특허는 다운홀 음향 신호를 수신하는 장치를 개시한다. 음향 신호는 처리된 후 모니터링 스테이션으로 원격으로 전송된다. 이 장치는 표면으로부터 접근할 수 있는 드릴 스트링 구성요소를 감싼다. 하우징이 고정되어 있으므로, 사람을 다치게 하거나 장비를 손상시킬 수 있는, 시추 작업으로 인한 그것의 낙하가 방지된다.
시추 소음 상쇄 기능을 갖춘 음향 원격 측정 시스템, 할리버튼 에너지 서비시즈 인코퍼레이티드, CA 2 374 733
이 특허는 수신기가 두 개의 센서를 사용하여 시추 소음으로 인한 손상을 줄이는 음향 원격 측정 시스템을 개시한다. 주 전파 모드는 축 방향이고 제 2 전파 모드는 비틀림이며 손상이 감소된 제 3 신호를 생성하는데 사용된다. 이 시스템은 또한 채널 왜곡으로 인한 신호에 대한 영향을 더욱 제거하는 일반 필터를 사용한다.
통과 대역 이퀄라이제이션을 사용하는 음향 원격 측정 시스템, 할리버튼 에너지 서비시즈 인코퍼레이티드, US8634273B2
이 특허는 하나 이상의 통과 대역에서의 다중-주파수 다운홀 음향 전송 및 각 전송 주파수에서의 각각의 변조 기술들을 설명한다. 또한, 음향 채널의 채널 속성은 스위프 주파수 신호를 사용하여 결정된다. 반송파 주파수는 감지된 통과 대역을 사용하여 결정된다.
다운홀 센서의 발전으로, 다운홀 MWD 또는 시추 중 로깅(LWD: Logging-while Drilling) 도구로부터의 높은 전송률은 드릴 비트의 정확한 조향 및 다운홀 환경의 평가를 위해 매우 중요하다. 본 발명은 첫째로 고급 신호 처리 기술을 통해 중계기에 대한 필요성을 제거하고, 둘째로 음향 변환기 도구의 전자기기 및 더 비싼 구성요소들을 인라인화하거나 또는 회수 가능하게 하고 그리고 다른 유형의 MWD 또는 LWD 도구를 통해 증대(augment)될 수 있게 함으로써, MWD 오퍼레이션에 대한 실행 가능한 솔루션을 제공한다. 음향 변환기 장치는 MWD 센서 및 기기에 연결하기 위해 그리고 스위칭 회로에 구동 신호를 제공하기 위해, 압전 세라믹 스택, 압전 부하를 구동하기 위한 스위칭 회로, 전원 공급 장치 및 대응하는 승압(step-up) 컨버터, 및 마이크로컨트롤러로 구성된다.
압전 세라믹 스택은 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 표면상의 가속도계에 의해 감지될 수 있는 드릴 스트링의 벽을 따른 음파를 생성하는 티탄산 지르콘산 연(PZT)으로 만들어진다. 바람직한 실시예에서, 압전 스택은 전처리된 전기 신호를 더 높은 전압으로 부팅(boot)하는 DC-DC 컨버터에 연결된 H-브리지 스위칭 회로에 의해 구동된다. 마이크로컨트롤러의 디지털 신호 처리(DSP) 구성요소는 그 모듈에 연결된 센서 및 기기에 의해 기록된 이진 데이터에 대해 채널 코딩, 변조, 펄스-성형 및 업-컨버전을 수행한다. 또한, 전원 공급 장치는 변환기 전자기기를 수용하는 인라인 압력 배럴 상에 놓인다. 선택된 전기적 결합에 따라, 일 실시예는 또한 맨드릴 상에 환형으로 놓인 전원 공급 장치를 가질 수도 있다. 다른 실시예에서, 유도 타입의 결합이 변압기의 1 차 코일과 2 차 코일 사이에 생성되어 하드 와이어 전기 연결을 필요로 하지 않는 압전 스택을 구동할 수 있다.
송신기에서, 드릴 스트링 채널 속성에 기초하여 다중 주파수가 사용된다. 먼저, 사인 스위프(sine sweep), 처프(chirp) 또는 임펄스(impulse) 신호와 같은 테스트 신호가 전송된다. 그 다음, 수신기는 수신기에서 드릴 스트링 채널의 주파수 응답 함수(FRF)를 분석한다. 대안으로서, 드릴 스트링의 경계 조건, 길이 및 재료 특성을 고려하여 유한 요소(FE) 모델링이 수행될 수 있다. 그 다음, 결과적인 FRF에 기초하여, 수신기는 전체 다이내믹스의 고유 주파수 또는 그 근처에서 선택된 전송 주파수를 포함하는 신호를 송신기로 다시 전송한다. 이러한 주파수 각각에서, 페이딩 특성 및 잡음에 대한 민감도에 따라, 다양한 인코딩 및 변조 기술이 적용될 수 있다. 이것은 웰보어가 연장됨에 따라 변화하는 드릴 스트링 채널에 적응할 수 있는 유연성을 시스템에 제공한다. 이 시스템은 또한 동일한 메시지 데이터를 동시에 다중 주파수로 전송함으로써 리던던시를 제공하는데 활용될 수 있다. 일반적으로, 각각의 인코딩된 기저 대역 신호 패킷은 각각의 반송파 주파수에 할당되고, 중첩되어 다중-주파수 시간 신호를 생성한다. 예를 들어, 이진 위상 시프트 키잉(BPSK: binary phase shift keying) 기반 변조 방식이 교란(disturbance)이 높은 주파수 채널에 사용될 수 있으나, 더 큰 신호 대 잡음비를 갖는 주파수 채널에 대해서는 직교 위상 시프트 키잉(QPSK: quadrature phase shift keying) 또는 직교 진폭 변조(QAM: quadrature amplitude modulation)와 같은 더 복잡한 방식이 사용된다.
시스템의 수신기는 음향 신호의 안테나로서 역할을 하는 복수의 가속도계로 구성된다. 가속도계들은 드릴 스트링의 회전축에 평행한 축을 따라 배열되어 종방향으로 전파하는 음파를 측정할 수 있다. 이 가속도계들은 호모다인(homodyne) 검출기로서 역할을 하는 높은 동적 예비 로크-인 증폭기(LIA: lock-in amplifier)에 각각 연결된다. 복조된 가속도계 신호는 최대율 결합(MRC: maximal ratio combining), 동등 이득 결합(EGC: equal gain combining) 또는 선택 결합(SC: selection combining)을 사용하여 융합되어 신호 대 잡음비(SNR)를 개선하고 정확도를 향상시킨다. 마지막으로, 에러 보정을 위해 신호를 디코딩하여 오리지널 메시지 데이터를 복구한다
음향 변환기 도구의 본체는 중심축을 중심으로 방사상으로 대칭인 속이 빈 강철 맨드릴이다. 마찬가지로, 맨드릴을 관통하는 내부 통로는 동일한 축을 중심으로 대칭이다. 외측면은 압전 세라믹 스택 및 열 보상기가 적절하게 수용되도록 제작된다. 음향 변환기 하우징과 접촉하는 나사산을 갖는 제 2의 속이 빈 강철 구성요소는 압전 스택에 의해 요구되는 예압(preload)을 제공한다. 이 스택은 음향 원격 측정 도구의 전자기기들을 수용하는 맨드릴 내부에 집중된 압력 배럴에 전기적으로 연결된다. 낮은 강성 및 (파동 에너지를 흡수하는) 고 댐핑을 가진 고무 절연체가 그것을 통한 음파의 전송을 최소화하기 위해 사용된다. 다른 실시예에서, 메인 맨드릴은 2 개의 구성요소로 더 분리된다. 이 맨드릴은 바닥 서브에 삽입된다. 그것이 고정된 후, 압전 스택이 미끄러져 통과한 후 앤빌이 뒤따른다. 앤빌은 스택에 토크가 가해지는 것을 방지하는 비틀림 방지 슬롯을 갖는다. O-링은 진흙이 내부 통로에서 흘러나오는 것을 방지한다. 마지막으로, 상단 서브는 원하는 예압을 가하기 위해 일치하는 테이퍼형 나사산을 통해 하단 서브에 장착된다.
도 1은 음향 원격 측정 시스템이 사용되는 일반적인 방향성 시추 설정의 다이어그램이다.
도 2는 세로 양방향으로 음파를 생성하는 음향 송신기 도구의 다이어그램이다.
도 3은 전송을 위한 최선의 반송파 주파수를 결정하기 위해 드릴 스트링 어셈블리의 스위프를 수행하기 위한 동작의 다이어그램이다.
도 4는 전송을 위한 최선의 반송파 주파수를 결정하기 위해 드릴 스트링 채널을 시뮬레이션하기 위한 오퍼레이션의 다이어그램이다.
도 5는 송신기가 겪게 되는 MWD 데이터를 수신하는 단계부터 압전 스택에 전압을 인가하는 단계까지의 프로세스를 도시한다.
도 6은 전송된 데이터를 복구하기 위한 수신기에서의 프로세스를 도시한다.
도 7은 음향 원격 측정 시스템에 의해 수행되는 디지털 신호 처리 단계의 기능 블록 다이어그램을 보여준다.
도 8은 드릴 스트링을 통해 2-주파수 전송을 중첩하는 방법을 도시한다.
도 9는 드릴 스트링의 통과 대역 및 그것의 고속 푸리에 변환(FFT) 플롯과 일치하는 2 개의 주파수를 포함하는 샘플 파형을 보여준다.
도 10은 음향 변환기의 주요 구성요소를 단면도와 함께 보여준다.
도 11은 환형 압전 변환기에 연결된 압력 배럴을 보여주는 음향 변환기의 단면도이다.
도 12는 맨드릴에 대한 압력 배럴의 연결에 대한 등각 단면도이다.
도 13은 맨드릴이 2개의 구성요소로 더 분리된 음향 도구의 일 실시예이다. 이 실시예는 비틀림 력이 압전 스택에 가해지는 것을 방지한다.
도 14는 음향 도구의 비틀림 방지 실시예의 등각 투상도를 도시한다.
도 15는 바틈 홀 어셈블리(BHA)로부터의 신호가 음향 도구를 간섭하는 것을 방지하기 위해 아이솔레이터에 연결된 음향 변환기 도구의 다른 실시예이다.
도 16은 간단한 컨벌루션 인코더의 종래 기술을 도시한다.
도 17은 실험실 규모 설정의 다이어그램이다. 시뮬레이션된 드릴 스트링은 2개의 강철 부분과 감쇠 중간 부분으로 구성된다.
도 18은 로드 셀 및 시뮬레이션된 드릴 스트링에 연결된 압전 액추에이터의 예압 케이스를 보여준다.
도 19는 시뮬레이션된 드릴 스트링의 측정된 주파수 응답 함수(FRF)를 나타낸다. a) 선형 플롯; b) dB 단위의 크기 플롯 및 위상 래핑을 사용한 위상 플롯.
도 20은 드릴 파이프를 통한 가속도계 신호의 감쇠를 보여준다. 2387Hz 및 3742Hz의 감쇠 값이 강조되어 있다.
도 21은 드릴 스트링 다이내믹스 시뮬레이션에 사용되는 측정 및 추정 주파수 응답 함수를 보여준다.
도 22는 실제 및 가상 주파수 응답 함수(FRF)로부터의 모달 파라미터의 추출을 보여준다.
도 23은 실험적 통과 대역 파형을 보여준다. a) 전송된 구동 신호; 및 b) 수신된 가속도계 신호.
도 24는 기저 대역 파형에서의 로크-인 증폭기(LIA) 복조를 도시한다. a) 전송된 기저 대역 파형; 및 b) 수신된 기저 대역 파형. 제 2 파형에서 위상 회전을 겪는다.
도 25는 기저 대역 파형의 크기를 비교한다. a) 전송된 크기; 및 b) 수신된 크기.
도 26은 음향 원격 측정 시스템에 의해 수행된 위상 시프트 검출의 샘플을 보여준다. a) 로크-인 증폭기(LIA) 출력으로부터의 위상 시프트; 및 b) 감지된 비트.
도 27은 다양한 감쇠비에 대한 시뮬레이션된 채널의 크기 응답을 보여준다. b) 제 1 모드(2387Hz)에 대한 감쇠비 및 전송율과 함께 플로팅된 BER; 및 c) 제 2 모드(3742Hz)에 대한 감쇠비 및 전송율과 함께 플로팅된 BER.
도 28은 로크-인 증폭기(LIA) 복조를 사용한 경우 및 사용하지 않은 경우의 성능을 보여준다.
도 29는 컨벌루션 코딩 및 신호 융합으로부터의 실험적 성능을 보여준다.
도 30은 입력 전압 측면에서 시스템의 성능을 비교한다. a) 각 모드와 결합된 전송(코딩되지 않음)의 비교; b) 제 1 모드의 코딩된 성능 대 코딩되지 않은 성능; c) 제 2 모드의 코딩된 성능 대 코딩되지 않은 성능; 및 d) MRC 결합 신호의 코딩된 성능 대 코딩되지 않은 성능.
도 2는 세로 양방향으로 음파를 생성하는 음향 송신기 도구의 다이어그램이다.
도 3은 전송을 위한 최선의 반송파 주파수를 결정하기 위해 드릴 스트링 어셈블리의 스위프를 수행하기 위한 동작의 다이어그램이다.
도 4는 전송을 위한 최선의 반송파 주파수를 결정하기 위해 드릴 스트링 채널을 시뮬레이션하기 위한 오퍼레이션의 다이어그램이다.
도 5는 송신기가 겪게 되는 MWD 데이터를 수신하는 단계부터 압전 스택에 전압을 인가하는 단계까지의 프로세스를 도시한다.
도 6은 전송된 데이터를 복구하기 위한 수신기에서의 프로세스를 도시한다.
도 7은 음향 원격 측정 시스템에 의해 수행되는 디지털 신호 처리 단계의 기능 블록 다이어그램을 보여준다.
도 8은 드릴 스트링을 통해 2-주파수 전송을 중첩하는 방법을 도시한다.
도 9는 드릴 스트링의 통과 대역 및 그것의 고속 푸리에 변환(FFT) 플롯과 일치하는 2 개의 주파수를 포함하는 샘플 파형을 보여준다.
도 10은 음향 변환기의 주요 구성요소를 단면도와 함께 보여준다.
도 11은 환형 압전 변환기에 연결된 압력 배럴을 보여주는 음향 변환기의 단면도이다.
도 12는 맨드릴에 대한 압력 배럴의 연결에 대한 등각 단면도이다.
도 13은 맨드릴이 2개의 구성요소로 더 분리된 음향 도구의 일 실시예이다. 이 실시예는 비틀림 력이 압전 스택에 가해지는 것을 방지한다.
도 14는 음향 도구의 비틀림 방지 실시예의 등각 투상도를 도시한다.
도 15는 바틈 홀 어셈블리(BHA)로부터의 신호가 음향 도구를 간섭하는 것을 방지하기 위해 아이솔레이터에 연결된 음향 변환기 도구의 다른 실시예이다.
도 16은 간단한 컨벌루션 인코더의 종래 기술을 도시한다.
도 17은 실험실 규모 설정의 다이어그램이다. 시뮬레이션된 드릴 스트링은 2개의 강철 부분과 감쇠 중간 부분으로 구성된다.
도 18은 로드 셀 및 시뮬레이션된 드릴 스트링에 연결된 압전 액추에이터의 예압 케이스를 보여준다.
도 19는 시뮬레이션된 드릴 스트링의 측정된 주파수 응답 함수(FRF)를 나타낸다. a) 선형 플롯; b) dB 단위의 크기 플롯 및 위상 래핑을 사용한 위상 플롯.
도 20은 드릴 파이프를 통한 가속도계 신호의 감쇠를 보여준다. 2387Hz 및 3742Hz의 감쇠 값이 강조되어 있다.
도 21은 드릴 스트링 다이내믹스 시뮬레이션에 사용되는 측정 및 추정 주파수 응답 함수를 보여준다.
도 22는 실제 및 가상 주파수 응답 함수(FRF)로부터의 모달 파라미터의 추출을 보여준다.
도 23은 실험적 통과 대역 파형을 보여준다. a) 전송된 구동 신호; 및 b) 수신된 가속도계 신호.
도 24는 기저 대역 파형에서의 로크-인 증폭기(LIA) 복조를 도시한다. a) 전송된 기저 대역 파형; 및 b) 수신된 기저 대역 파형. 제 2 파형에서 위상 회전을 겪는다.
도 25는 기저 대역 파형의 크기를 비교한다. a) 전송된 크기; 및 b) 수신된 크기.
도 26은 음향 원격 측정 시스템에 의해 수행된 위상 시프트 검출의 샘플을 보여준다. a) 로크-인 증폭기(LIA) 출력으로부터의 위상 시프트; 및 b) 감지된 비트.
도 27은 다양한 감쇠비에 대한 시뮬레이션된 채널의 크기 응답을 보여준다. b) 제 1 모드(2387Hz)에 대한 감쇠비 및 전송율과 함께 플로팅된 BER; 및 c) 제 2 모드(3742Hz)에 대한 감쇠비 및 전송율과 함께 플로팅된 BER.
도 28은 로크-인 증폭기(LIA) 복조를 사용한 경우 및 사용하지 않은 경우의 성능을 보여준다.
도 29는 컨벌루션 코딩 및 신호 융합으로부터의 실험적 성능을 보여준다.
도 30은 입력 전압 측면에서 시스템의 성능을 비교한다. a) 각 모드와 결합된 전송(코딩되지 않음)의 비교; b) 제 1 모드의 코딩된 성능 대 코딩되지 않은 성능; c) 제 2 모드의 코딩된 성능 대 코딩되지 않은 성능; 및 d) MRC 결합 신호의 코딩된 성능 대 코딩되지 않은 성능.
본 명세서에 기재된 아래의 설명 및 실시예들은 본 발명의 다양한 양태의 원리의 예 또는 예시들, 특정 실시예의 설명으로서 제공된다. 이들 실시예는 다양한 양태의 본 발명의 원리를 설명하기 위해 제공된 것일 뿐, 제한하려는 것이 아니다. 이 설명에서, 유사한 부분은 명세서 및 도면 전체에 걸쳐 동일한 개별 부재번호로서 표시된다.
도 1을 참조하면, 일반적인 MWD 시추 오퍼레이션은 BHA, 드릴 스트링 어셈블리 및 전체 어셈블리를 지지하는 데릭(derrick)으로 구성된다. BHA는 드릴 비트 구성요소, 기기 및 센서, 및 본 발명의 MWD 송신기를 포함한다. 센서 및 기기는 드릴 비트의 위치와 방향뿐만 아니라 다른 선택된 포메이션 속성을 측정하고, 데이터를 MWD 송신기로 전송한다. 그 다음, MWD 송신기는 데이터를 처리하고 전송 매체에 적합한 형식으로 변환한다.
본 발명에서는 음향 송신기 도구로서 다운홀 MWD 음향 송신기를 지칭할 것이다. 음향 송신기 도구의 목적은 센서 및 기기 데이터를 도 2에 도시된 바와 같이 도구의 맨드릴에 환형상으로 장착된 압전 변환기의 구동 신호로 변환하는 것이다. 변환기는 드릴 스트링 축의 세로 양방향을 따라 전파되는 음파를 생성한다. 복수의 가속도계 또는 음향 방출 센서로 구성된 수신기 시스템은 음파를 측정하고 데이터를 신호 처리를 위해 컴퓨터로 전송한다. 수신기는 반송파 주파수 정보를 음향 송신기로 보내는 다른 다운링크 원격 측정 시스템(즉, 머드 펄스(MP) 또는 전자기(EM) 원격 측정 방법)에 연결된다.
바람직한 실시예에서 인라인 압력 배럴은 배터리, 전압 컨버터/증폭기, 구동 회로, 마이크로컨트롤러 유닛 및 LWD 모듈로부터 기기 및 센서 데이터를 수신하기위한 포트로 구성된다. 배터리는 음향 송신기 도구의 모든 구성요소에 전원을 공급하는 역할을 한다. 바람직한 실시예에 대한 배터리의 전압은 일반적으로 28-32V 범위 이내이다. DC-DC 컨버터 또는 바이폴라 증폭기는 압전 변환기를 작동시키기 위해 H-브리지 회로와 같은 구동 회로에 전력을 공급하는데 사용된다. 다른 구성요소에 전원을 공급하기 위해, 별도의 배터리 팩이 사용될 수도 있고, 또는 강압(step-down) 컨버터가 사용될 수도 있다. 구동 회로는 메시지 데이터를 전기 구동 파형으로 변환하는 프로세스가 수행되는 마이크로컨트롤러 장치(MCU)에 의해 제어된다. 인라인 압력 배럴은 맨드릴의 채널을 통해 환형으로 장착된 압전 변환기에 연결된다. 이 연결은 다운홀 환경을 견딜 수 있는 특수 볼트를 사용하여 안전하게 유지된다.
A. 동작
원격 측정 작업에서는 드릴 스트링을 통한 최상의 전송 주파수를 결정하는 것이 중요하다. 이것은 관심 있는 모든 주파수를 포함하는 처프, 사인 스위프 또는 임펄스 신호를 보냄으로써 수행될 수 있다. 전송 주파수를 결정하는 방법은 도 3에 도시되어 있다. 먼저, 송신기는 표면으로부터 앞서 언급한 넓은 주파수 신호를 전송하도록 프롬프팅된다. 제어 신호를 송신기로 보내는 것은 시추 작업에 사용할 수 있는 임의의 수단을 사용하여 달성될 수 있다. 몇 가지 예는 음향 표면 송수신기, 머드-펄스 송신기 또는 전자기 송신기를 사용하여 제어 신호를 보내는 것이다. 그 다음, 송신기로부터의 광대역 신호는 수신기에 의해 수신되고, 주파수 성분은 고속 푸리에 변환(FFT)을 사용하여 결정된다. FFT 플롯으로부터, 응답이 필요한 대역폭에 걸쳐 비교적 평탄한 주파수 범위가 조사된다. 그 다음, 적절한 주파수 범위의 중심이 전송 주파수로 선택된다. 대안으로서, 드릴 스트링 어셈블리의 주파수 응답은 어셈블리의 경계 조건, 길이, 기하학적 형상 및 재료 속성을 기초로 하여 드릴 스트링 채널의 표현을 생성하는 FE 방법을 사용하여 시뮬레이션될 수 있다. 이 시뮬레이션은 실시간으로 수행될 수도 있고, 또는 송신기 상에 사전 프로그래밍될 수도 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 반송파 주파수 정보는 음향 송신기 도구로 전송되고 음향 전송이 계속된다. 시뮬레이션 결과가 송신기 상에 사전 프로그래밍되어 있는 경우, 반송파 주파수 데이터를 전송할 필요는 없다. 또한, 시추 작업 중, 웰보어가 더 깊어지면 추가적인 드릴 파이프가 추가된다. 드릴 스트링이 길어짐에 따라 채널 속성 또한 변경될 것으로 예상된다. 이 경우, 다수의 새로운 드릴 파이프가 추가된 후, 시스템은 처프 신호를 보내도록 다시 한번 프롬프팅되고 새로운 반송파 주파수가 선택된다. 이 시뮬레이션은 또한 가장 적합한 전송 주파수를 결정하기 위해 다시 한번 수행될 수 있다.
도 5의 흐름도를 참조하면, 음향 송신기의 실시예는 전압원의 극성을 변경할 수 있는 H-브리지 스위칭 회로(21)에 의해 구동된다. 전자 설계의 기초는 맥로리의 U.S. 특허 번호 제2019/0017371호, "다운홀 음향 송신기의 압전 스택에 걸쳐 인가되는 전압을 제어하는 방법 및 시스템"에 상세하게 기재되어 있다. 마이크로컨트롤러(16)는 MWD 센서 및 기기(12)로부터의 데이터를 처리하고 음향 도구가 전송해야 하는지 여부를 판정한다. 마이크로컨트롤러는 표준 통신 프로토콜(예컨대, CANBUS)을 사용하여 MWD를 폴링하고 데이터를 메모리(15)에 기록한다. 또한, 마이크로컨트롤러는 BHA의 흐름 스위치로부터의 데이터를 동시에 기록한다. 그 후, 마이크로컨트롤러는 흐름 스위치가 켜져 있는지 확인하고 데이터를 음향 신호로 인코딩한다. 이 데이터는 채널 코딩 방식(28)에 의해 에러로부터 보호된다. 대안으로서, 흐름 스위치는 전송을 시작하도록 음향 도구를 프롬프팅하는데 사용될 수 있는 (이전 반송파 주파수 선택 방법으로부터의) 사용 가능한 표면 송신기로 대체될 수 있다.
전송이 수행되면, 가속도계 또는 음향 방출 센서가 종방향의 음파를 감지할 수 있는 방식으로 표면 드릴 스트링 어셈블리 상에 구성된다. 감지된 파동은 전기 신호로 변환되고 처리된다. 음파가 복수의 주파수를 포함하기 때문에, 주파수 신호 다이버시티 결합 방법이 구현될 수 있다. 신호가 전송되는 각 주파수에서, LIA는 복조를 수행한다. 먼저 SNR이 각 주파수로부터 측정되고, 가속도계 신호의 결합을 위해 임계값이 설정된다. 각 주파수로부터의 신호가 비교되고 최고 품질의 신호가 수신기에 대한 기본 신호로 선택된다. 주파수 다이버시티와 더불어, 표면상의 기지의 거리에 복수의 가속도계가 있으면 공간적 다이버시티도 생성된다. 신호 다이버시티를 통해, 조인트 및 포메이션으로부터의 반사가 장착된 모든 가속도계를 파괴적으로 간섭할 가능성은 거의 없어진다. 따라서, 복조 후 가장 높은 SNR을 갖는 가속도계가 또한 감지를 위한 기본 신호로서 사용될 것이다. 부가적으로, 각 분기(branch)에 대한 SNR을 알고 있는 경우, 가속도계들은 MRC에 따라 결합될 수도 있다.
드릴 스트링을 통한 음파의 감쇠는 전송 주파수에 의존한다. 이로 인해, 상이한 주파수 채널에서 성능 차이가 존재할 것이다. 음향 원격 측정 시스템의 효율을 극대화하기 위해, 상이한 채널들은 상이한 인코딩 및 변조 기술을 활용하도록 구성된다. 일례로서, 높은 감쇠를 갖는 반송파 주파수는 잡음의 영향을 받기 쉽기 때문에 BPSK와 같은 더 간단한 변조 방식이 사용될 수 있고, 더 높은 성능의 채널 코딩 방식이 구현될 수 있다. 반면, 반송파 주파수가 잡음에 대해 비교적 우수한 저항성을 갖는 경우에는, QPSK 또는 QAM과 같은 고차 변조 방식이 사용될 수 있고, 더 단순한 에러 보정 방법이 채택될 수 있다.
기지의 거리에 복수의 가속도계를 사용하는 다른 이점은 음향 신호의 파동 속도를 감지할 수 있다는 것이다. 드릴 스트링 채널의 임피던스 변화 및 상이한 형상으로 인해, 반사 또는 반향이 불가피하다. 그 다음, 가속도계에 의해 감지된 음향 신호에 심볼 간 간섭(ISI)이 도입된다. 파동 속도를 활용함으로써, 반향 및 반사로 인해 손상된 신호를 잡음 상쇄에 의해 개선될 수 있다. 이것은 파동 속도의 도움으로 결정될 수 있는 그 자체에 대해 오리지널 신호의 시간 시프트된 더 약한 버전을 차감함으로써 수행될 수 있다.
도 6은 수신기가 신호 결합 전에 단일 가속도계로부터의 오리지널 데이터를 복구하기 위해 수행하는 프로세스를 도시한다. 가속도계 신호는 분석을 위해 조정되고 증폭되며 디지털 LIA로 직접 전송된다. 그 다음, 결과 신호는 분할되고 이중 위상 감지를 위해 국부 발진기 및 위상 시프트 버전과 혼합된다. 이 프로세스는 기준 신호를 기준으로 한 신호 엔벨로프의 크기 및 위상을 감지한다. 그 후, 복조된 신호의 고주파 성분을 제거하기 위해 두 출력에 저역 통과 필터가 적용된다. 그 다음, 송신기로부터의 프로세스는 상승 코사인 수신 필터(26), 복조기(27) 및 채널 디코더(28)를 사용하여 반전된다. 그 다음, 수신기는 보정 가능한 에러를 확인하고 데이터를 사용자에게 표시한다. 에러가 보정 불가능한 경우 데이터는 손상된 것으로 판단되고 재전송이 요청된다.
또한, 평가 절차는 송신기 및 수신기 모두에서 알고 있는 메시지 시퀀스를 사용하여 수행된다. 송신기는 앞서 언급한 임의의 방법을 사용하여 프롬프트되고 수신기는 수신된 비트를 평가하고 기준 메시지와 비교한다. 비트 에러율이 추출되고 사용자에게 표시된다. 또한, 적절한 비트 에러율(BER)을 갖는 최대 전송율을 판정하기 위해 동일한 기준 메시지 시퀀스의 다양한 전송율이 사용될 수 있다.
B. 신호 처리
수신된 데이터가 전송된 데이터의 가장 정확한 추정치임을 보장하기 위해 송신기와 수신기 모두에서 신호 처리가 수행되어야 한다. 또한, 드릴 스트링이 통과 대역 채널의 특성을 나타내기 때문에, 최소량의 감쇠를 달성하기 위해 통과 대역 내의 주파수로 데이터를 업컨버팅해야 하는데, 이는 무선 주파수(RF) 통신의 주파수 선택적 페이딩 채널과 유사하다. 따라서, 무선 통신에 사용되는 몇 가지 기술이 음향 신호의 전송에 적용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예의 기능 블록도가 도 7에 도시되어 있다. 통신 시스템의 세 가지 주요 구성요소는 송신기, 채널 및 수신기이다. 목표는 신호가 분산, 잡음, 반사, 반향 및 기타 장애 중 하나로 인해 채널에 의해 왜곡된 후 수신기에서 전송된 데이터를 가능한 한 정확하게 복구하는 것이다.
송신기
도 7을 다시 보면, 송신기에서의 신호 처리 방법은 채널 코딩, 변조, 펄스 성형 및 업-컨버전을 포함한다. 이러한 메커니즘은 신호가 최소한의 손실로 가능한 한 효율적으로 채널을 통해 전송됨을 보장한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 메시지 데이터는 컨볼루셔널 인코딩이라 불리는 순방향 에러 보정 방식(FEC: forward error correction)을 사용하여 인코딩된다. 이 FEC 방식은 블록 코딩과 달리 패리티 비트만 포함하는 일련의 비트를 생성한다. 이 코딩 방식의 구현예는 현재 시퀀스의 모듈로 2 합(XOR 논리 게이트)을 계산하는 메모리 레지스터를 사용한다. 메모리 레지스터가 현재 시퀀스를 레지스터링하는 슬라이딩 창 역할을 하는 일례가 도 16에 도시되어 있다. 슬라이딩 창의 출력은 이진 데이터의 시퀀스에 관한 정보를 포함하는 패리티 비트이다. 채널 및 전자 잡음이 데이터를 왜곡하고 분산시키는 것이 불가피하기 때문에 인코딩이 필요하다. 이러한 교란은 비트를 플립(flip)되게 할 수 있다. 즉, 수신기에서 에러를 일으킬 수 있다. 다른 바람직한 실시예는 터보 코드라 불리는 개선된 코딩 방식을 사용한다. 터보 코드는 버스트 에러로부터 보호하기 위해 하나의 입력이 인터리브(interleave)되는 2개의 컨벌루션 인코더를 사용한다. 터보 코드의 출력은 2개의 컨벌루션 인코더의 출력 및 메시지 데이터 자체로 구성된다. 음향 원격 측정 시스템의 채널 코딩 방식은 다양한 주파수 채널에서 다양한 순방향 에러 보정 코드가 사용될 수 있기 때문에 컨벌루션 인코더로 제한되지 않음에 유의해야 한다.
물리 채널을 통해 이진 데이터를 무선으로 전송하는 복수의 방법이 존재한다. 무선 통신이 다양한 매체에서 전송되는 정현파들을 사용하기 때문에, 일반적으로 사용되는 한 방법은 이러한 파의 파라미터를 조작하는 것이다. 정현파 함수는 아래와 같은 형태로 작성될 수 있다.
여기서 t는 시간, A는 진폭, fc는 주파수, θ는 위상이다. 이 함수의 정현파 구성요소는 통과 대역 변조에서 반송파 주파수라고도 불린다. 진동에서, 식(1)은 기계 시스템의 응답을 결정하는 강제 함수로서 사용된다. 신호를 채널의 통과 대역 주파수에 맞추려면 사인파 반송파 주파수에 대한 변조가 필요하다. 일례로서, 이진 위상 시프트 키잉(BPSK: binary phase shift keying)은 위상 θ를 사용하여 반송파 상의 디지털 정보를 전달한다. 본 발명은 또한 직교 위상 시프트 키잉(QPSK: quadrature phase shift keying) 또는 직교 진폭 변조(QAM: quadrature amplitude modulation)와 같은 더 높은 속도의 변조 방식을 허용한다. 이것은 설정에 대한 향후 개선을 간단하게 만든다. 0°와 180° 위상 시프트 사이를 교대하는 BPSK 전송의 파형은 다음과 같이 설명될 수 있다.
및
여기서, s1(t) 및 s2(t)는 각각 비트 "1" 또는 비트 "0"을 나타낸다. 위상 시프트는 180°(π) 위상 시프트 또는 음의 진폭으로서 표현될 수 있음을 유의해야 한다.
실제 물리적 시스템의 경우, 임의의 입력으로 인해 시간이 지남에 따라 감소하는 과도 응답(transient response)을 야기한다. 무선 물리 채널을 통한 데이터 전송은 복수의 순차적 입력과 유사하다. 과도 응답이 다음 입력과 중첩되면, 심볼 간 간섭(ISI)이 발생할 것이다. 이를 최소화하기 위해, 다음과 같이 설명될 수 있는 ISI [11, 12]에 대한 나이퀴스트 기준을 충족하는 상승-코사인 필터가 적용된다.
또는
여기서, Ts는 심볼 기간이고 α는 롤오프 계수이다. 롤오프 계수는 아래 식을 통해 필터의 대역폭을 결정한다.
ISI를 최소화하는 것과 더불어, 이 필터는 또한 BPSK 신호를 선택한 대역폭에 맞게 성형하여, 채널을 통한 보다 효과적인 전송을 가능하게 한다. 롤오프 계수에 대한 선택은 초과 대역폭과 타이밍 복구 구현의 용이성 간의 최적화 문제이다. 필터 스팬에 따라, 필터는 수신기에서 보상될 수 있는 기지의 지연을 시간 도메인에 도입한다. 필터링 후 결과적인 파형은 아직 반송파와 혼합되지 않았기 때문에 일반적으로 기저 대역 BPSK 신호라 불린다.
코히어런트 감지가 불가능한 경우, 차동 위상 시프트 키잉(DPSK: differential phase-shift keying)이라 불리는 다른 변조 방식이 구현될 수 있다. DPSK는 수신기가 신호의 반송파 주파수를 완벽하게 추적할 필요가 없도록 실제 위상이 아닌 위상 시프트 자체에 대한 데이터를 인코딩한다. 이것은 코딩된 메시지를 감지하기 위해 위상 시프트가 발생하는 시기를 감지하면 된다. 데이터 비트는 먼저 현재 심볼에서 이전 심볼을 빼는 식으로 차등적으로 인코딩된다. 차등 인코딩이 없으면, 패킷 중간에 있는 에러가 후속 비트를 손상시킬 수 있다. 논-코히어런트 복조가 필요한 예는 주파수 오프셋으로 인한 위상 회전이 전통적인 BPSK 복조를 배제시키는 경우이다.
드럼헬러(Drumheller), 드릴 스트링의 음향 특성(1989)은 드릴 스트링의 음향 특성을 조사하였고 그것의 주파수 응답이 구별되는 통과 대역들을 포함한다고 결론지었다. 통과 대역은 반향 및 반사를 유발하는 도구 조인트에서의 임피던스 불일치로 인해 발생되는 것으로 생각된다. 이들 내에서, 통과 대역은 또한 어셈블리 내의 드릴 파이프 수와 관련된 콤 필터(comb filter)와 유사한 구조이다. RF 통신에서는, 이러한 통과 대역을 활용하기 위해 기저 대역 신호는 업컨버팅되어야 한다. 업-컨버전은 기저 대역 신호를 반송파 주파수에 "혼합"하거나 곱하여 수행된다. 기저 대역 신호는 반송파 주파수의 엔벨로프로서 역할한다. 또한, 드릴 스트링은 음파에 대한 반송파 주파수를 선택할 수 있는 복수의 통과 대역을 가질 것이다. 이러한 통과 대역으로부터의 복수의 주파수를 동시에 전송함으로써, 전송율이 증가될 수 있고, 또는 에러 및 잡음으로 인한 불확실성을 줄이기 위해 리던던트 데이터가 사용될 수 있다. 도 8은 2개의 반송파 주파수가 데이터 스트림, x1(t) 및 x2(t)를 포함하는 경우 다중-주파수 전송이 어떻게 달성되는지 보여준다. 이 결과적인 통과 대역 신호는 중첩되어 전송된다. 이것은 도 9에서 볼 수 있는 드릴 스트링 채널의 피크에 해당하는 2개의 주요 주파수 성분을 갖는 신호를 야기한다. 도 9a를 자세히 살펴보면 시간 도메인 파형이 반송파에 해당하는 2개의 상이한 진동을 포함한다는 것을 알 수 있다. 이것은 도 9b에서 더 명확하게 볼 수 있으며, 여기서 신호의 주파수 성분은 FFT를 적용하여 결정된다. 이 도구는 2개의 주파수로 제한되지 않고 드릴 스트링 채널이 허용하는 한 복수의 주파수로 데이터를 전송할 수 있음에 유의해야 한다. 그 다음, 결과적인 전기 신호는 압전 변환기를 구동하여 드릴 스트링을 통해 음파를 생성하는데 사용된다.
수신기
드릴 스트링을 통해 진행한 후, 음파는 채널 자체로부터 또는 전자기기로부터 발생하는 잡음 및 교란의 영향을 받는다. 여기서, 복수의 가속도계 또는 음향 방출 센서가 종방향의 음파를 감지할 수 있는 구성으로 장착된다. 강제 진동에서, 출력 변위는 입력된 힘과 동일한 주파수를 가져야 한다. 그러나, 변환기 및 드릴 스트링의 다이내믹스에 의한 손상 때문에, 수신기에서 측정된 음파의 수신된 파형은 전송된 파형과 상당히 상이할 것이다. 또한, 음파가 드릴 스트링을 통해 이동할 때 음향 에너지의 소실은 감쇠로 이어진다. 상용 가속도계는 매우 작은 신호를 측정할 수 있으므로 감쇠 자체는 큰 문제가 아니다[6]. 그러나, 잡음이 추가되면 감쇠는 전송된 데이터가 손상될 가능성을 증가시킨다. 이를 처리하기 위해, 두 반송파 주파수 모두에 대해 수신기에서 로크-인 증폭기(LIA)가 구현된다. 로크-인 증폭기는 원자간력 현미경(AFM) 측정과 같이 원하는 신호가 잡음에 완전히 묻혀 있는 민감한 실험에 사용된다. 원하는 신호의 주파수로 튜닝된 기준 발진기는 진폭 및 위상을 추적하는데 사용된다. LIA는 기준 발진기의 주파수와 동일하지 않은 모든 다른 주파수를 거부한다.
이상적으로 LIA는 수신된 신호의 주파수에 정확히 튜닝할 수 있다. 즉, LIA의 기준 발진기는 수신된 신호와 정확히 동일하다. 이 경우, 수신된 음향 신호에 대해 이상적인 작업이 수행될 수 있다. LIA의 기준 신호는 다음과 같이 표현될 수 있다.
및
여기서, fr은 기준 신호의 주파수이다. 단일 주파수를 고려하면, 식(1)으로부터의 BPSK 신호를 두 LIA 기준과 혼합한 결과는 다음과 같다.
이것은 삼각법 식별(trigonometric identities)로부터 도출된다. fc 및 fr이 동일하면, 다음과 같이 정리된다.
및
그 다음, 두 파형은 저역 통과 필터를 통과하여 이중 주파수 성분이 제거되어 신호의 위상 종속 성분만 남게 된다. 이들을 LIA의 X(동 위상) 및 Y(직교) 출력이라고 한다. BPSK의 경우, 위상 θ(t)은 0 °와 180 ° 사이에서 교대로 나타난다. 이것은 X 출력만이 양의 전압과 음의 전압 사이에서 교대로 나타나고 Y 출력은 0으로 유지된다는 것을 암시한다. 이 예에서는, 식을 단순화하기 위해 대역폭이 무제한이고 상승 코사인 필터링이 수행되지 않는다고 가정한다.
실제 실험에서, 전송된 신호의 주파수는 기준 신호와 정확히 일치하지 않았으며, 이는 채널 손상 및 물리적 변환기로 인한 것이다. 식(8)과 (9)의 차이 항에서 볼 수 있듯이, 두 주파수 사이에 차이가 존재하면, 위상은 시간에 따라 선형 증가한다. 송신기와 수신기의 주파수가 유사할 때, BPSK 신호는 동 위상(X) 성분만 극성 전환된다. 그러나, 주파수 차이가 존재하는 경우 수신된 BPSK 파형은 계속 회전한다. 위상의 지속적인 증가는 "위상 회전"이라 불리며, BPSK 복조를 더 어렵게 만든다.
신호 감지는 다양한 방법으로 수행될 수 있다. LIA의 발진기를 제어하기 위해 위상 고정 루프(PLL)가 사용될 수 있다. PLL은 먼저 프리앰블을 추적하는데 사용될 수 있다. PLL이 프리앰블을 추적한 후, 발진기는 패킷의 나머지를 추적하기 위해 고정된다. 그러나, BPSK 전송에서, 이 방식에 내재된 위상 시프트는 PLL의 추적 능력을 방해할 수 있다. 이것은 코히어런트 감지를 유지하면서도 시스템에 의해 두 가지 방법으로 해결될 수 있다. 첫 번째 방법은 주파수 상의 변조된 심볼을 무시하고 단지 반송파 자체를 추적하는 코스타스(Costas) 루프를 사용하는 것이다. 출력은 전송된 비트를 감지하는데 사용할 수 있는 신호를 생성할 것이다. 다른 방법은 가속도계 신호를 제곱하여 위상 전이를 제거하는 것이다. 신호를 제곱하면 PLL이 엔벨로프를 추적하는데 사용할 수 있는 반송파 주파수의 두 배로 주파수 성분이 생성된다.
코스타스 루프의 수정된 구현예는 존슨 씨. 알. 등의 "소프트웨어 수신기 설계"에 설명되어 있는데, 여기서 프리 러닝(free-running) 발진기가 전압 제어 발진기 대신 사용되었다. 프리 러닝 발진기는 수신기에 있는 로크-인 증폭기로 대체될 수 있다. 이 접근법은 코스타스 루프로 하여금 로크-인 증폭기의 X 및 Y 출력만 사용하여 기저 대역 신호의 위상 회전을 수정할 수 있게 해준다. DBPSK 전송의 경우, 이러한 변형된 코스타스 루프는 추정된 위상 오프셋을 사용하여 X와 Y에 회전 행렬을 곱한다. 결과적인 신호는 출력 Y를 최소화하여 출력 X로부터의 오리지널 기저 대역 신호를 복구한다. 그러나, 이 루프는 0도 및 180도 위상 모두에 고정될 수 있다는 사실로부터 발생하는 위상 모호성을 겪는다. DBPSK의 차등 인코딩은 데이터가 절대 위상이 아닌 위상 시프트 자체 상에서 변조되기 때문에 이것을 방지할 수 있다.
코히어런트 감지를 달성할 수 없는 경우, DBPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)와 같은 논-코히어런트 방법이 적용될 수 있다. DBPSK는 이진 데이터가 송신기에서 차등적으로 인코딩된 후 수신기에서 디코딩되어야 한다는 사실만 BPSK와 다르다. 실제 상태 또는 위상 대신, 데이터는 신호의 위상 시프트 상에서 인코딩된다. 주파수 오프셋으로 인한 위상 회전이 있더라도, 이러한 위상 시프트는 위상 비교기를 사용하여 쉽게 감지될 수 있다.
이 신호가 기저 대역 파형으로 복조된 후, 타이밍 동기화기가 사용될 수 있다. 수신기의 타이밍 클럭을 송신기의 타이밍 클럭과 정확히 일치시키는 것은 비실용적이므로, 동기화가 필요하다. 샘플링 시간 동기화기의 일 실시예는 또한 존슨 씨. 알. 등의 "소프트웨어 수신기 설계"에 설명되어 있다. 동기화기는 클러스터 분산이 에러 신호로서 사용되는 결정 지향적 접근법을 사용한다. 그 다음, 보간법을 사용하여 샘플링 시간이 수정된다. 다른 실시예는 샘플링 순간에 조기 및 지연된 샘플 δ를 생성하는 조기-후기 게이트 동기화기를 사용하는 것이다. 타이밍 오프셋이 존재하는 경우, 조기 및 후기 샘플의 진폭이 상이하다. 이 차이는 전압 제어 클록을 제어하는 에러 신호로서 사용된다. 이러한 동기화 단계는 디지털 데이터를 포함하는 펄스의 추정된 진폭을 생성한다.
복수의 신호들을 결합하기 위해, 각 주파수에 대해 계산된 위상에 MRC 방식이 구현되었다. MRC는 AWGN(Additive White Gaussian Channel)에 대한 최적의 팩터인, 각 다이버시티 분기에 대한 가중치 팩터로서 SNR 값을 사용한다. 일례로서, 이 설정의 두 주파수 다이버시티 분기에 대한 결합된 수신 신호는 다음과 같이 계산될 수 있다.
여기서, r1(t) 및 r2(t)는 제 1 및 제 2 모드에 대한 수신된 신호 값이다. SNR1 및 SNR2는 각각 제 1 및 제 2 모드에 대해 계산된 SNR 값이다. 가중치는 신호를 SNR 값의 합으로 나누어 정규화된다.
복조 후, 샘플링 및 동기화를 통해 또는 매칭된 상승 코사인 수신 필터를 통해 기저 대역 신호로부터 비트들이 감지될 수 있다. 그 다음, 추정된 수신 데이터를 복원하기 위해 채널 디코딩이 수행된다. 비터비(Viterbi) 알고리즘은 컨벌루션 인코딩 방식의 슬라이딩 창이 겪을 수 있는 모든 가능한 시퀀스에 대한 최소 해밍 거리를 계산하는 시불변 격자 기반(trellis-based) 디코더이다. 발생할 수 있는 임의의 에러는 해밍 거리를 증가시킬 것이고, 그러므로 추정된 메시지 비트로서 선택될 가능성이 적다. 메시지 비트의 복구 후, 데이터는 선택된 포맷으로 사용자에게 표시된다.
C. 기계적 설계
다시 한번, 도 1은 전형적인 방향성 시추 설정을 보여준다. 드릴 스트링 어셈블리는 데릭에 의해 지지되고 탑-드라이브 모터에 의해 회전된다. 드릴 스트링 자체는 특수 나사산을 갖는 도구 조인트에 연결된 드릴 파이프와 칼라의 조합이다. 드릴 스트링 어셈블리의 끝에는 기기, 센서, 트랜스미터, 모터 및 드릴 비트가 배치된 BHA가 있다. 드릴 비트가 지하 더 깊숙이 구멍을 내면, 드릴 스트링 어셈블리에 드릴 파이프가 추가되어 드릴 스트링 채널이 길어진다. 바람직한 실시예는 표면에 가장 가까운 BHA 위치에 음향 원격 측정 도구를 가지며, 이것은 BHA 구성요소를 통과하지 않고 드릴 스트링 벽을 통해 음향 신호를 전송할 수 있다. BHA 어셈블리에 더 가까운 끝에 음향 간섭을 방지하기 위해 음향 아이솔레이터가 삽입된다.
도 10은 음향 원격 측정 도구(1)를 보여준다. 송신기 도구의 주요 지지 구조는 음향 변환기(2)가 장착된 맨드릴(4)이다. 음향 변환기는 전기 신호를 기계적 음파로 변환한 다음 드릴 스트링 어셈블리를 통해 표면으로 전파하는 압전 또는 자기 변형 요소일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 음향 변환기는 스택의 각 요소 사이에 인가되는 전압에 따라 팽창 또는 수축하는 PZT 세라믹 스택이다. 또한, 스택(2)은 작동 중 열팽창을 보상하기 위해 2개의 황동 실린더 사이에 미리 로드된다. 조립 동안, 맨드릴이 스트레칭되고 변환기 어셈블리(2)가 억지 끼워맞춤을 통해 장착된다. 앤빌(3)을 사용하면, 스택이 미리 로드되고 구속된다. 이 구성요소 및 조립 절차는 드럼헬러의 드럼헬러 미국 특허 번호 제 6,147,392 호 "음향 변환기" 및 드럼헬러 미국 특허 번호 제 No. 5,703,836호 "음향 변환기"에 설명되어 있다. 음향 도구는 박스 단부(5)와 핀 단부(4)에서 특수 나사 연결을 사용하여 드릴 스트링 어셈블리에 연결된다. 작동 중, 도구는 흡입구(6)를 통해 시추 유체를 통과시킬 수 있다.
드럼헬러의 미국 특허 제6,147,392호 및 드럼헬러의 미국 특허 번호 제5,703,836호에서 언급된 음향 변환 도구는 음향 변환기로서 환형으로 장착된 전자기기를 구비한다. 그러나, 드릴링 작업이 실패한 경우, 드릴 스트링 벽에 직접 장착된 값 비싼 부품을 회수하기 어렵다. 본 발명의 경우, 전자기기는 도 11에서 압력 배럴 하우징(7)으로 알려진 것 내부에 수용된다. 바람직한 실시예에서, 압력 배럴은 일반적으로 수 킬로미터 지하의 고온 및 고압 환경을 견딜 수 있는 베릴륨 구리로 만들어진다. 압력 배럴은 음향 도구의 벽에 기계적으로 그리고 전기적으로 연결된 전자기기를 수용한다. 통로(9)는 음향 변환기의 구동 회로를 압력 배럴 내부의 전자기기에 연결한다. 또한, 시추 유체가 주입구를 통과할 수 있어야 하므로 압력 배럴은 센트럴라이저(centralizer)(10)에 의해 지지되어야 한다. 전자 커플링은 볼트(8)에 의해 맨드릴에 장착된다. 또한, 일반적으로 지하 포메이션을 평가하기 위한 센서 및 기기가 내부에 그리고 모듈식으로 장착되어 음향 원격 측정 시스템의 압력 배럴에 직접 연결될 수 있다. 압력 배럴(7)의 단부에, 모듈형 커넥터가 사용되어 센서로부터 송신기로 정보를 전달한다. 도 12는 구성요소를 더 명확하게 볼 수 있는 음향 원격 측정 도구의 일 실시예의 등각 단면도를 보여준다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 메인 맨드릴은 도 13에 도시된 바와 같이 두 부분으로 더 분리된다. 맨드릴(13)은 하부 서브(11)를 통해 삽입된다. O-링은 구성요소를 서로 고정하고 진흙이나 유체가 내부 통로를 빠져나가는 것을 방지한다. 고정된 후, 압전 스택(2)이 삽입되어 하단 서브(11)의 숄더에 장착된다. 그 다음, 앤빌(15)은 압전 스택의 다른 단부에 대해 미끄러진다. 비틀림 힘이 스택의 깨지기 쉬운 PZT 층에 가해지지 않도록 하기 위해, 비틀림 방지 정렬 블록(14)이 앤빌(15)의 내부 표면 상의 홈과 정렬된다. 이 실시예에서, 정렬 블록은 맨드릴 상에 나사 결합된다. 그러나, 블록은 임의의 방법을 사용하여 부착될 수 있다. 상단 서브(12)는 하부 서브를 위한 것 및 앤빌을 위한 것, 총 2 개의 나사산 테이퍼형 표면을 갖는다. 기지의 토크를 사용하여, 압전 스택에 예압이 가해질 수 있다. 스택의 PZT 세라믹은 인장력 및 비틀림 력에 약하다.
BHA 잡음 및 송신기 반사 모두로 인한 간섭의 제한을 보장하는 다른 방법은 드럼헬러의 미국 특허 번호 제8,270,251호 "음향 아이솔레이터" 및 캠웰(Camwell) 등의 미국 특허 번호 제8,437,220호 "병렬-경로 음향 원격 측정 격리 시스템 및 방법"에 상세히 설명된 음향 아이솔레이터를 사용하는 것이다. 도 11을 참조하면, 음향 아이솔레이터는 도구 자체와 BHA의 나머지 부분 사이에 연결된다. 이 실시예에서, 압전 송신기는 음향 신호가 오직 한 방향으로만 전파될 것이므로 최대 전송 효율을 달성할 수 있다. 게다가, BHA 작동에서 발생하는 잡음은 송신기로부터 멀어지도록 반사되어 음향 원격 측정 도구의 성능을 더욱 향상시킬 것이다. 대안으로서, 도 15에 도시된 바와 같이 음향 도구의 도구 조인트와 BHA 드릴 스트링 어셈블리 사이에 고강도, 고 댐핑 재료(즉, 고무)가 도입되어 양방향으로 통과하는 음파를 감쇠시킬 수 있다. 이것은 다른 BHA 구성요소로 내려오는 음파가 민감한 장비를 손상시킬 수 있고 드릴 비트에서 나오는 진동이 음향 신호를 더욱 손상시킬 수 있기 때문이다. 감쇠 재료는 이러한 상호 작용을 줄이고 음향 원격 측정 시스템의 성능을 더욱 향상시킨다.
D. 실험실 규모 실험
임의의 성공적인 연구를 위해 적절한 실험 설정을 개발하고 설계하는 것이 필요하다. 드릴 칼라 및 BHA를 갖는 드릴 스트링 어셈블리는 종종 수 킬로미터 길이이다. 실험실 셋팅에서는 이러한 길이를 구현하기가 어렵다. 그 대신, 드릴 파이프 및 도구 조인트가 더 관리하기 쉬운 크기로 축소되었다. 나사산을 갖는 강철 파이프들이 드릴 스트링 어셈블리를 시뮬레이션하기 위해 커플링 너트에 의해 연결되었다. 드릴 스트링의 다양한 속성(즉, 길이)을 고려하기 위해, 이 설정은 중간 부분을 다른 재료로 교체하는 것을 허용한다. 예를 들어, 두 강철 파이프 사이에 플라스틱 또는 고무 파이프와 같은 고 댐핑 재료를 삽입하여 감쇠가 달성될 수 있다. 시뮬레이션된 드릴 스트링 자체는 프리-프리 경계 조건(free-free boundary condition)과 유사한 탄성 코드에 매달려진다. 이러한 실험실 실험은 본 발명의 축소된 프로토타입을 제공한다.
i. 전반적인 디자인
음향 원격 측정에서, BHA 상에 있는 센서 및 기기로부터의 데이터는 전기 신호로 변환된다. 그 다음, 전기 신호를 종방향의 음파로 변환하기 위해 고주파 전기 기계 변환기가 사용될 수 있다. 일반적으로 사용되는 변환기는 압전 또는 자기 변형 재료이다. 실험 설정에서, PZT로부터 만들어진 압전 액추에이터가 사용된다. PZT 요소에 걸쳐 인가되는 전압 차이에 따라 PZT 요소가 확장된다. 실험실 설정의 다이어그램은 도 17에서 볼 수 있다. 드릴 스트링의 총 길이는 약 152.4cm이다.
작동 전에 PZT 액추에이터에 예압이 적용되어야 한다. 액추에이터 용으로 설계된 예압 케이스가 도 18에 도시되어 있다. 약 15MPa의 동적 애플리케이션을 위한 최대 허용 가능한 예압은 예압 볼트를 사용하여 적용된다. 에폭시를 사용하여 2개의 로드 플레이트가 액추에이터의 양 단부에 부착되었다. 일면에 예압을 적용하기 위해 평평한 면을 갖는 볼트가 사용되고, 타면은 로드 셀 쪽으로 프레싱된다. 그 다음, 이 셀을 사용하여 적용된 예압을 측정하였다. 로드 셀의 타측은 시뮬레이션된 드릴 스트링의 시작 부분과 연결된다. 전압 차(구동 신호)는 예압 케이스에서 나오는 2개의 리드선을 사용하여 압전 액추에이터에 적용될 수 있다.
대부분의 디지털 신호 처리는 컴퓨터에서 수행된다. 디지털 신호를 아날로그로 또는 그 반대로 변환하기 위해 데이터 수집(DAQ) 디바이스가 사용되어야 한다. 입력/출력(I/O) DAQ는 컴퓨터에 연결되어 컴퓨터가 신호를 송수신할 수 있게 해준다. 송신기의 경우, DAQ의 출력은 압전 액추에이터를 구동하는 바이폴라 증폭기에 연결된다. 압전 액추에이터가 0 내지 1000V 범위에서 한 방향으로만 확장할 수 있으므로 구동 신호에 DC 오프셋이 제공된다. 수신기에서, 2개의 가속도계가 음향 신호를 측정한다. 가속도계는 전력 및 신호 증폭을 위해 신호 조정기에 공급된다. 그 후, LIA는 가속 신호를 추출 및 복조하고, 그 출력은 다시 입력/출력(I/O) DAQ 시스템에 연결된다. 도 17은 설정의 구성요소 간의 연결을 설명한다. 제공된 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스 및 드라이버를 사용하여 I/O DAQ에 연결하도록 프로그램이 개발되었다. 이중 대칭 전원 공급 장치가 바이폴라 증폭기에 필요한 전력을 제공하는데 사용되었다. 실험실 설정에서 시뮬레이션된 드릴 스트링에 사용된 재료는 표 1에 표로서 작성되어 있다.
ii. FRF 분석
시뮬레이션된 드릴 스트링은 나사산을 가진 세 개의 파이프로 구성된다. 한 파이프는 압전 액추에이터에 연결되고 다른 파이프는 가속도계에 연결된다. 이 설정에서, 중간 파이프는 네오프렌 고무 튜브로 만들어지도록 선택되었다. 채널의 속성을 결정하기 위해, LIA를 사용하여 주파수 스위프가 수행되었다. 이것은 주파수 범위를 통한 시스템의 응답을 보여주는 FRF 플롯을 제공한다. 100Hz 내지 10kHz 범위의 스위핑 신호가 선택되었다. LIA는 위상에 민감하고 위상 응답을 추출할 수도 있다. 변위 응답을 측정하기 위해, 시뮬레이션된 드릴 스트링의 단부에 가속도계가 배치되었다. 로드 셀은 압전 액추에이터와 파이프 사이에 배치되었고 적용된 힘을 측정했다. 획득된 FRF이 도 19에 도시되어 있다.
가속도계 신호의 감쇠는 드릴 파이프의 시작과 끝에 2개의 가속도계를 배치하여 계산되었다. 가속도계는 음파의 소스에 가장 가까운 예압 케이스 외부의 압전 액추에이터 근처에 배치되었다. 다른 가속도계는 시뮬레이션된 드릴 스트링의 끝에 유지되었다. 원하는 주파수 범위에 걸친 감쇠를 구하기 위해 출력의 주파수 응답은 입력의 주파수 응답으로 나누어졌다. 측정치 및 감쇠 플롯이 도 20에 도시되어 있다.
도 20에서, 제 1 및 제 2 통과 대역에 대한 감쇠는 각각 -41dB 및 -26dB인 것으로 확인되었다. 네프(Neff) 밑 캠웰(Camwell)의 "음향 원격 측정 MWD 시스템의 필드 테스트 결과" 및 드럼헬러의 "음향 원격 측정"에서는, 일반적인 드릴 스트링 어셈블리를 통한 감쇠가 약 21dB/km인 것으로 보고되었다. 이를 사용하여, 시뮬레이션된 드릴 스트링의 추정된 등가 길이는 최대 40V 입력과 함께, 제 1 주파수에 대하여 약 1.95km이고 제 2 주파수에 대하여 1.24km이다.
시뮬레이션을 위한 채널의 모델을 얻기 위해, FRF 플롯 상에 시스템 식별 애플리케이션이 수행되었다. 이 애플리케이션은 채널의 속성을 모방하는 이산 전달 함수에 대한 계수 세트를 생성한다. 도 21은 LIA의 주파수 스위프를 사용하여 추정된 채널을 측정된 실제 채널과 비교한다. 이 시스템 식별 애플리케이션은 먼저 연속 전달 함수를 결정한 다음 그것을 아래와 같은 형태의 이산 전달 함수로 변환함으로써 작동한다.
여기서, bn 및 an(n = 0,1,2,… N)은 전달 함수의 계수이다. 분자의 차수는 분모의 차수보다 작거나 같아야 한다. 이 애플리케이션에 의해 구해진 계수는 표 2에 나열되어 있다. 이러한 계수들은 드릴 스트링 채널을 모델링하고 시뮬레이션을 통해 다양한 인코딩 및 변조 기술의 영향을 조사할 수 있게 해준다.
추정된 플롯을 사용하여, 시뮬레이션된 드릴 스트링의 모달 파라미터가 추출될 수 있다. 이것은 채널의 다양한 파라미터가 음파의 전송에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 조사하는데 유용하다. 도 21의 크기 및 위상 플롯은 실제 및 가상 주파수 응답 함수로 변환되고 도 22에 도시되어 있다. 음향 신호의 전송에는 처음 두 모드만 고려되었다.
시스템의 감쇠비는 모드들이 멀리 떨어져 있다고 가정하고 아래 식을 사용하여 추출될 수 있다.
여기서 ωn은 고유 주파수(radian/s)이다. 국소 최소값과 최대값은 ωm1 및 ωm2로 표현되며, m = 1, 2는 각각 제 1 모드와 제 2 모드에 해당한다. 그 다음, 아래 식을 사용하여 강성이 구해질 수 있다.
여기서, Rimag는 주파수 응답의 허수 성분 크기이다. 추출된 모달 파라미터는 표 3에 표로서 제공되어 있다.
높은 강성 값은 기계 시스템이 경험하는 감쇠에 해당한다. 다음 섹션에서, 위의 정보를 사용하여 음향 채널의 기계적 특성을 시뮬레이션하고 그것이 전송 성능에 미치는 영향을 조사한다.
iii. 성능 결과
샘플 실험 전송은 단일 주파수에 대한 음향 원격 측정 설정을 사용하여 수행되었으며 도 23에 도시되어 있다. 압전 액추에이터를 구동하는 최대 허용 전압은 작동 중 열 문제를 방지하기 위해 40V 피크-대-피크로 설정되었다. 로크-인 증폭기 복조를 위한 송수신 파형이 도 24에 도시되어 있다. 도 24(a)에서 반송파 주파수로 업-컨버전하기 전에, Y 성분은 0이다. 그러나, 도 24(b)에서 수신기에서의 LIA 출력은 주파수 오프셋으로 인해 X 및 Y 성분을 모두 명확하게 나타낸다. 그러나, 도 25에서의 크기를 비교하면 전송된 신호와 수신된 신호의 파형이 유사함을 알 수 있다. 이것이 예상되는 이유는 신호의 위상이 전체 크기에 영향을 주지 않기 때문이다.
LIA의 아키텍처는 BPSK 복조를 위한 코스타스 루프의 구현을 허용하지 않았다. 그 결과, 논-코히어런트 DBPSK 변조 방식이 수행되었다. 이 방식의 경우, BPSK 전이로 인한 위상 시프트가 대신 감지된다. 주파수 오프셋에 의해 발생되는 위상 회전이 존재하더라도, 시프트가 발생할 때마다 상당한 위상차가 발생할 것이며, 이것은 위상 비교기에 의해 감지될 수 있다. 일례가 도 26에 도시되어 있는데, 여기서 위상 전이는 수직 점선으로 표시되어 있다. 전이가 발생하는 위치가 기록되고 전송된 비트를 정확하게 하기 위해 사용된다. 위상 시프트가 LIA 출력으로부터 직접적으로 더 쉽게 감지될 수 있기 때문에, 상승 코사인 수신 필터가 필요하지 않다. 마지막으로, 오리지널 메시지 데이터를 추출하기 위해, 이전 비트에서 현재 비트를 감산하거나 XOR 논리 연산을 사용함으로써 차등 인코딩이 제거된다.
음향 원격 측정의 성능에 대한 드릴 스트링 특성의 영향을 조사하기 위해, 표 3의 모달 파라미터를 사용하여 2387Hz 및 3742Hz의 고유 주파수를 갖는 시뮬레이션된 드릴 스트링 채널이 구성되었다. 감쇠비는 시뮬레이션된 채널의 대역폭을 증가시키거나 감소시키도록 수정되었으며, 전송율은 전송된 신호의 대역폭을 증가시켰다. 강성 값은 두 모드 모두에 대해 변경되지 않았다. 감쇠비 및 전송율의 영향만 관찰됨을 보장하기 위해 잡음은 추가되지 않았다. BER은 감쇠비와 전송율의 다양한 조합에 대해 계산되었으며, 그 시뮬레이션 결과가 도 27에 제공되어 있다.
도 27에서, 감쇠비를 낮추고 전송율을 높이면 BER이 증가한다. 이것은 감쇠 및 잡음의 영향이 없더라도 시스템에 여전히 에러가 발생함을 의미한다. 이것은 AWGN 채널의 최대 채널 용량이 다음과 같다고 설명하는 섀년-하틀리(Shannon-Hartley) 정리와 일치한다.
여기서, W는 채널 대역폭이다. 채널의 대역폭은 데이터가 통과해야 하는 터널로 상상될 수 있다. 더 높은 전송율 갖는 데이터는 더 높은 주파수 성분을 포함하므로 더 큰 대역폭을 갖는다. 전송된 데이터의 대역폭이 채널에서 허용하는 대역폭보다 크면, 앞서 설명한 것처럼 신호가 왜곡되고 수신기에서의 에러없는 복구가 불가능해진다. 그 다음, 제 2 모드는 제 1 모드에 비해 대역폭이 더 크기 때문에 더 나은 성능을 보여주었다. 이러한 이유로, 나머지 실험에서는 초당 64 비트의 전송율이 선택되었으며, 이는 66Hz의 채널 대역폭에 해당한다.
드럼헬러의 실험[6, 23]에서, 제 3 통과 대역은 음향 처프 신호의 전송에 사용되었다. 통과 대역의 폭은 약 130Hz였고, 이는 실험 설정으로부터의 통과 대역보다 거의 2 배 더 크고 가능한 전송율의 두 배이다. 그러나, 시추는 채널의 경계 조건을 변경시킬 것이다. 시추공이 더 깊어짐에 따라 웰(well)과 드릴 스트링의 접촉점은 경계 조건을 변경시킬 것이고, 이것은 주파수 응답을 변경할 수 있다. 채널의 대역폭은 더 넓어지거나 좁아질 수 있으며 현장에서 추가 조사가 필요할 것이다.
음향 원격 측정 시스템의 성능은 수신기에서의 SNR 대 BER을 비교하여 평가되었다. SNR은 신호의 RMS(Root Mean Squared) 전력을 가속도계 잡음의 RMS 전력으로 나누어 계산되었다. 신호의 RMS는 음파를 포함하는 가속도계 신호로부터 잡음의 RMS 전력을 감산함으로써 측정되었다. 압전 액추에이터에 인가되는 전압을 낮춤으로써, 음향 전송을 위한 SNR이 제어될 수 있다. BER은 수신기에서의 에러 수를 카운팅한 후 총 전송된 비트로 나누어 계산되었다. 이 시스템은 BER 성능 추정치가 달성될 때까지 수천 비트를 실행하고 전송하였다.
로크-인 증폭기
LIA 복조와 LIA 없는 복조 간의 비교가 도 28에 도시되어 있다. LIA는 가속도계 신호로부터의 X 및 Y 성분의 높은 충실도의 복조를 가능하게 한다. 이것이 없으면, 에러로 인한 잡음이 신호를 크게 손상시켜 수신기에서 더 많은 에러를 일으킨다. 이 플롯에서, 제 1 모드는 제 2 모드보다 성능이 나쁘다. 이것은 펄스 성형 전송 필터 및 롤오프 계수로 인한 대역폭 증가에 기인한 것일 수 있다. LIA를 사용하지 않는 경우는 각 심볼에 대한 최적의 샘플링 인스턴스를 결정하는 매칭된 수신 필터를 사용하여 복조되었다. LIA는 DBPSK 변조 신호를 복조할 때 더 우수한 성능을 보여준다.
채널 코딩 및 퓨전
실험에서, 다양한 주파수들이 시뮬레이션된 드릴 스트링의 다양한 통과 대역을 통해 진행한다. 이는 2387Hz 및 3742Hz에서의 파형이 도 20에 도시된 바와 같이 상이한 감쇠 및 잡음을 경험할 것임을 의미한다. 컨벌루션 코딩을 사용하여, 드릴 스트링 다이내믹스 및 교란에 의해 발생되는 에러를 더 줄일 수 있다. 채널 인코딩 및 융합을 사용하는 경우의 LIA 복조 신호에 대한 성능 향상의 비교가 도 29에 도시되어 있다. 식(12)에 요약된 바와 같이, MRC는 SNR을 높이기 위해 두 주파수 모두를 융합하는데 사용되었고, 그러므로 감지에 사용할 수 있는 정보를 증가시키고 잡음의 영향을 줄였다. 대응하는 피크 대 피크 입력 전압에 대해 계산된 SNR이 표 4에 표로서 제공되어 있다. MRC에서, 결합된 SNR은 이 표에 표시된 바와 같이 개별 SNR의 합이다. 동일한 신호를 다양한 반송파 주파수를 통해 전송한 다음 복조된 신호의 위상을 결합함으로써, 상당한 성능 향상이 달성되었다.
세 가지 경우(제 1 모드, 제 2 모드 및 결합된 경우) 모두, 에러-보정은 상당한 개선을 보였지만 대역폭 비용이 들거나 전송율이 낮아졌다. 에러-보정 코드가 한번에 수 개의 에러만 보정할 수 있을 뿐이므로, 도 29에서 더 높은 SNR에서 성능이 더 우수함을 볼 수 있다. 또한, 각 주파수로부터의 신호들을 결합하면 시스템 성능이 더욱 향상됨이 명백하다. 신호 융합으로 인해, 위상 시프트가 더 뚜렷해져, 감지가 더 쉬워지고 잡음에 대한 저항력이 증가한다. 전송에 필요한 낮은 SNR은 BHA의 공간이 제한되어 있기 때문에 MWD 원격 측정 시스템에 유용하다. 다른 유용한 센서를 위한 공간을 확보하기 위해, 더 작은 배터리 팩이 필요할 수 있다. 채널 코딩 및 다이버시티 결합에 의한 개선은 도 30에서 피크 대 피크 입력 전압에 따라 BER을 플로팅함으로써 더 알 수 있다. 개별적으로, 채널 코딩은 코딩없는 전송보다 더 나은 성능을 나타냈다.
로크-인 증폭기는 기지의 반송파 주파수를 사용하여 신호를 복조하는데 널리 사용된다. 본 발명에서는, BHA로부터 표면으로 센서 정보를 전달하는 음파를 감지하고 복조하기 위해 로크-인 증폭기를 활용한다. 또한, 다중 주파수 전송은 음향 원격 측정 시스템의 BER 성능을 더욱 향상시키는 신호 다이버시티 결합 기술을 가능하게 했다. 이것은 컨벌루션과 결합되어 에러에 대한 시스템의 견고성을 증가시킨다. 제시된 실험 결과는 본 발명의 신규성으로부터 발생하는 이점을 보여준다. 또한, 다중 주파수 전송은 음향 원격 측정 시스템의 BER 성능을 더욱 향상시키는 신호 다이버시티 결합 기술을 가능하게 했다. 이것은 컨벌루션과 결합되어 에러에 대한 시스템의 견고성을 증가시킨다. 제시된 실험 결과는 본 발명의 신규성으로부터 발생하는 이점을 보여준다.
개시된 실시예의 앞선 설명은 당업자가 본 발명을 제조하거나 사용할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예에 대한 다양한 수정은 당업자에게 명백할 것이며, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리는 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 제공된 실시예로 제한되는 것이 아니라 청구 범위와 일치하는 전체 범위에 따른다. 여기서 "하나" 또는 "한"의 사용과 같이 단수의 요소에 대한 언급은 구체적으로 언급되지 않는 한 "하나만"을 의미하는 것이 아니라 "하나 이상"을 의미하는 것으로 의도된다. 본 개시 내용 전체에 걸쳐 설명된 다양한 실시예의 요소에 대한 모든 구조적 및 기능적 등가물은 당업자에게 공지되거나 이후에 공지될 청구 범위의 요소에 포함되도록 의도된다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 어떤 것도 그러한 공개가 청구 범위에 명시적으로 언급되는지 여부에 관계없이 대중에게 전용되도록 의도되지 않는다. "~하는 수단" 또는 "~하는 단계"라는 문구를 사용하여 명시적으로 언급되지 않는 한, 청구 요소는 35 USC 112, 여섯 번째 문단의 조항에 따라 해석되어서는 안 된다.
Claims (37)
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- 드릴 스트링 어셈블리를 사용한 시추 작업에 대한 MWD 데이터의 음향 전송 및 다운홀 원격 측정 방법으로서,
(a) 압전 송신기를 갖는 음향 원격 측정 도구를 제공하고 상기 음향 원격 측정 도구를 웰보어(wellbore) 아래에 위치시키는 단계;
(b) 표면 수신기를 제공하는 단계;
(c) 시추 작업을 시작하기 전에, 반송파 주파수로서 상기 압전 송신기에 적용될 음향 전송 주파수를 결정하는 단계;
(d) 음향 전송 주파수를 결정한 후, 상기 결정된 음향 전송 주파수를 사용하여 음향 전송을 수행하는 동안 시추 작업을 시작하는 단계;
(e) 상기 드릴 스트링이 시추 작업 동안 연장된 때, 후속 음향 전송 주파수를 결정하기 위해 상기 음향 전송 주파수를 결정하는 단계를 반복하는 단계;
(f) 상기 후속 음향 전송 주파수를 사용하여 시추 작업 및 음향 전송을 계속하는 단계; 및
(g) 시추 작업이 완료될 때까지 필요에 따라 (e) 및 (f) 단계를 반복하는 단계;를 포함하되,
상기 (c) 단계는:
상기 음향 원격 측정 도구가 관심있는 모든 주파수에 걸쳐 광대역 음향 신호를 전송하도록 프롬프트하는 단계;
상기 표면 수신기로 상기 광대역 신호를 수신하는 단계; 및
상기 광대역 신호를 전기 신호로 변환하고 그 전기 신호를 처리하여 상기 음향 전송 주파수를 결정하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 드릴 스트링 어셈블리를 사용한 시추 작업에 대한 MWD 데이터의 음향 전송 및 다운홀 원격 측정 방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 표면 수신기를 제공하는 단계는 상기 음향 원격 측정 도구로부터 전송된 음향 신호를 수신하고 검출하도록 상기 드릴 스트링 어셈블리 상에 음향 방출 센서를 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드릴 스트링 어셈블리를 사용한 시추 작업에 대한 MWD 데이터의 음향 전송 및 다운홀 원격 측정 방법.
- 제 12 항에 있어서, 상기 음향 방출 센서를 구성하는 단계는 기지의 거리에 상기 드릴 스트링 어셈블리를 따라 세로 방향으로 적어도 2 개의 가속도계를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드릴 스트링 어셈블리를 사용한 시추 작업에 대한 MWD 데이터의 음향 전송 및 다운홀 원격 측정 방법.
- 삭제
- 제 11 항에 있어서, 상기 표면 수신기에서 수신된 MWD 데이터의 정확도를 증가시키기 위해 상기 표면 수신기 및 상기 압전 송신기 모두에서 전기 신호를 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드릴 스트링 어셈블리를 사용한 시추 작업에 대한 MWD 데이터의 음향 전송 및 다운홀 원격 측정 방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 송신기에서 전기 신호를 처리하는 단계는 채널 코딩, 변조, 펄스-형성 및 업-컨버전을 포함하여, MWD 이진 데이터를 상기 송신기에 대한 변조된 구동 신호로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드릴 스트링 어셈블리를 사용한 시추 작업에 대한 MWD 데이터의 음향 전송 및 다운홀 원격 측정 방법.
- 제 16 항에 있어서, 상기 변조는 컨벌루션 인코딩을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드릴 스트링 어셈블리를 사용한 시추 작업에 대한 MWD 데이터의 음향 전송 및 다운홀 원격 측정 방법.
- 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면 수신기에서 전기 신호를 처리하는 단계는 상기 표면 수신기에서 수신된 상기 음향 신호를 복조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드릴 스트링 어셈블리를 사용한 시추 작업에 대한 MWD 데이터의 음향 전송 및 다운홀 원격 측정 방법.
- 제 18 항에 있어서, 상기 음향 신호를 복조하는 단계는 주파수 다이버시티; 선택 다이버시티; 및 시간 다이버시티를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 드릴 스트링 어셈블리를 사용한 시추 작업에 대한 MWD 데이터의 음향 전송 및 다운홀 원격 측정 방법.
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