KR20040094701A - 정공 형성용 음향 위치 측정 시스템 - Google Patents

정공 형성용 음향 위치 측정 시스템 Download PDF

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KR20040094701A
KR20040094701A KR10-2004-7012838A KR20047012838A KR20040094701A KR 20040094701 A KR20040094701 A KR 20040094701A KR 20047012838 A KR20047012838 A KR 20047012838A KR 20040094701 A KR20040094701 A KR 20040094701A
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KR10-2004-7012838A
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조셉 에이. 주파니크
몬티 에이치. 리알
로버트 미첼 에스알. 로커드
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씨디엑스 가스, 엘.엘.씨.
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Abstract

음향 위치 측정 시스템(23) 및 방법은 음파를 목표 암층(26) 안의 지하 정공(18)으로 전달하기 위해 작동가능한 음향 송신기를 포함한다. 음파는 목표 층에 근접한 경계 층(28, 29)으로부터 반사되도록 형성된다. 상기 시스템은 반사된 음파를 수신하도록 작동가능한 음향 수신기를 포함한다. 상기 반사된 음파는 경계 층으로부터 음파의 반사를 포함한다. 상기 시스템은 또한 상기 음향 수신기에 전자적으로 결합된 전자 장비를 포함한다. 상기 전자 장비는 반사된 음파를 처리하고 반사된 음파의 특성에 기초하여 목표 층에서 상기 음향 위치 측정 시스템의 위치를 지시하는 데이터 출력을 산출한다.

Description

정공 형성용 음향 위치 측정 시스템 {ACOUSTIC POSITION MEASUREMENT SYSTEM FOR WELL BORE FORMATION}
발명의 기술 분야
본 발명은 일반적으로 정공(井空) 형성 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정공 형성에 사용되는 음향 위치 측정 시스템에 관한 것이다.
발명의 배경 기술
지하에 정공(well bore)을 형성하는 것은 여러 다양한 종류의 미네랄 자원을 채취하거나 또는 지하 구조물을 형성하기 위한 채굴, 액체 및 가스 탄화수소 추출, 물의 추출 및 조사와 같은 다양한 산업에 필요하다.
정공을 시추함에 있어서, 목표 방위는 수직, 수평이거나 또는 입사 용도에 따라 필요한 구멍의 위치를 형성하기 위한 또 다른 방위일 수 있다. 추가적으로, 입사 용도에 따라 정공은 지층, 박층, 또는 다른 비제한적인 지하 구조와 같은 특정한 "목표" 지질 층의 하나 또는 그 이상의 경계와 정렬되거나 및/또는 그 안에 유지되도록 하는 것이 필요할 수 있다. 이와 같은 경우에, 목표 층 안에서 정공을 유지하면서 구멍 형성 과정을 안내하도록 목표 층과 근접한 층들 사이의 경계까지의 거리를 탐지하고 측정할 필요가 있다.
정공은 전형적으로 드릴 스트링(drill string)을 회전하여 상기 드릴 스트링의 먼 일단에 위치한 드릴 비트(drill bit)를 회전하는; 또는 천공 방향을 변형시킴으로써만 드릴 스트링을 회전하는 천공 장치에 의해 형성되고, 이와 같은 경우 드릴 비트는, 예를 들어, 드릴 스트링의 일단 또는 그 근처에 위치한 유압 또는 전기 동력 전달 모터로부터 동력이 전달된다. 드릴 스트링은 또한 드릴 비트의 조타 및/또는 다른 회전을 용이하게 하기 위한 굽힘부를 포함할 수 있다.
발명의 요약
본 발명은 종래에 정공 형성용 위치 측정 시스템에서 사용된 시스템과 관련된 불편 및 문제점들을 적어도 다소 본질적으로 제거하거나 또는 감소시킬 수 있는 정공 형성에 사용되는 음향 위치 측정 시스템을 제공한다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 음향 위치 측정 시스템은 목표 층 안의 지하 정공안으로 음파를 전달하도록 작동가능한 음향 송신기를 포함한다. 음파는 경계 층으로부터 근접한 목표 층으로 얼마간 반사되도록 형성된다. 반사된 음파는 경계 층으로부터 온 음파의 반사파로 이루어진다. 상기 시스템은 반사된 음파를 수신하도록 작동하는 음향 수신기를 포함한다. 상기 시스템은 또한 상기 음향 수신기에 전기적으로 결합된 전자 장비를 포함한다. 상기 전자 장비는, 반사된 음파를 처리하고, 반사된 음파의 하나 또는 그 이상의 특성에 기초하여, 목표 층의 경계와 상대적인 음향 위치 측정 시스템의 위치를 지시하는 데이터 출력을 산출하도록 작동 가능하다.
또 다른 실시예에 있어서, 음향 위치 측정 시스템을 사용하는 천공 부재의 목표 위치를 결정하기 위한 방법은 음향 송신기를 사용하여 지하 정공을 통해 목표 층으로 음파를 전송하는 것을 포함한다. 상기 음파는 목표 층에 근접한 경계 층으로부터 반사된다. 상기 방법은 음향 수신기를 사용하여 상기 정공 안으로부터 반사된 음파를 수신하는 것을 포함한다. 상기 반사된 음파는 상기 경계 층으로부터 온 음파의 반사파로 이루어진다. 상기 방법은 또한 상기 음향 수신기에 결합된 전자 장비를 사용하여 반사된 음파를 처리하고, 상기 전자 장비를 사용하여 반사된 음파의 특성에 기초한 데이터 출력을 산출한다. 상기 데이터 출력은 목표 층 안의 음향 위치 측정 시스템의 위치를 지시한다.
본 발명의 특정 실시예의 기술적인 이점은 정공의 형성동안 목표 층 안에 드릴 비트의 위치를 결정하기 위하여 음파를 송신하고 수신하는 음향 기술을 사용하는 정공 형성용 음향 위치 측정 시스템을 포함한다. 결과적으로, 수평의 또는 다른 연장된 구멍이 목표 층 안에서 유지될 수 있으며, 이웃한 층으로 뚫고 들어가는 것이 피해질 수 있다. 따라서, 정공을 형성하는 것과 관련된 시간 및 비용이 감소된다. 이에 추가하여, 원하는 소재를 필요한 만큼 추출 생산하기 위한 정공의 능력도 목표 층의 바람직한 부분에 그것을 이동가능하게 위치시킴으로써 실질적으로 향상될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예의 또 다른 기술적인 이점은 목표 층 안의 시스템의 위치를 결정하기 위해 지하에서 수신된 음파를 처리할 수 있는 정공 형성용 음향 위치 측정 시스템을 포함한다는 것이다. 이러한 실시예에서, 위치 측정 시스템은 표면에 대한 천공 시스템의 상대적인 위치를 결정하고 전송할 수 있거나 또는 만일 상기 시스템의 위치와 경계면 사이의 거리가 특정 거리보다 작다면, 경고를 발생할 수 있다. 따라서, 수신된 음파를 처리하기 위한 추가 요소 및 자원이 표면에서 필요하지 않으며, 저 대역 링크들이 표면으로 전송하기 위해 사용될 수 있다.
다른 기술적인 이점들이 하기 도면, 상세한 설명 및 청구항으로부터 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 용이하게 이해될 수 있다. 게다가, 상기에서 특정 이점들이 이미 열거되었으나, 다양한 실시예들은 모든, 다소의 이점들을 구비하거나 또는 아무런 이점들을 구비하지 않을 수도 있다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 특정 실시예 및 이점들을 완전히 이해할 수 있도록 하기 위해, 하기의 설명과 관련한 도면이 참조로서 사용되고, 이 때:
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 석탄 광층 또는 다른 목표 층의 시추를 안내하기 위한 시스템을 도시하고;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 음향 송신기 및 수신기를 구비한 음향 위치 측정 시스템을 도시하고;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 음향 위치 측정 시스템의 전자 패키지(electronics package)를 도시하고;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 음향 위치 측정 시스템의 극 거리 지도(polar distance map)를 도시하고;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 음향 위치 측정 시스템을 사용하는 천공 부재의 목표 위치를 결정하기 위한 예시적인 방법을 도시한 것이다.
본 발명의 상세한 설명
도 1은 본 발명의 특정 실시예에 따라 경계가 정해진 지질 층 및 다른 적합한 층에서의 천공을 안내하기 위한 시스템(10)을 도시한다. 이러한 실시예에서, 상기 층은 10 피트 보다 작은 두께를 갖는 석탄 광층이다. 본 발명은 다른 적합한 층, 다른 적합한 경사 및/또는 다른 적합한 두께를 갖는 층을 천공하기 위해서도 사용될 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
시스템(10)은 표면에서 회전하는 또는 다른 적합한 드릴링 리그(drilling rig)와 상기 드릴링 리그로부터 연장한 드릴 스트링(12)을 포함한다. 상기 드릴링 리그는 회전하거나, 그렇지 않다면 정공(18)을 형성하기 위해 드릴 스트링(12)을 제어한다. 일 실시예에서, 드릴 스트링(12)은 회전하는 원추형 드릴 비트(20)를 포함하고, 상기 원추형 드릴 비트는 드릴 스트링(12)이 회전할 때, 정공(18)을 형성하기 위해 지하 석탄 광층(26)을 뚫고 지나간다. 정공의 바람직한 방향은 뚫리는 일반적으로 층의 경계부와 평행하다. 드릴 스트링(12)은 굽은 서브/모터 영역(14)을 포함하고, 이는 천공 유체(drilling fluid)가 순환될 때, 드릴 비트(20)를 회전시킨다. 천공 유체는 드릴 스트링(12)의 아래로 펌핑되고 드릴 비트(20) 안에서 노즐 밖으로 배출된다. 천공 유체는 모터에 동력을 공급하고, 드릴 비트(20)를 윤활하며, 층 잘림부를 제거하고, 정공(18) 안에 유체 압력 수두를 제공한다.
드릴 스트링(12)은 또한 센서 장치(22) 및 송신기 장치(15)를 포함하고, 이는 천공에 조력할 수 있는 다양한 전자 장치를 포함한다. 특정 실시예에서, 상기 센서 장치는 천공 동안 측정(MWD) 장치, 하나 또는 그 이상의 로깅 도구(logging tools) 및 음향 위치 측정 시스템(23)을 포함한다. 센서 장치(22) 및 송신기 장치(15)는 하나 또는 그 이상의 로컬 배터리 전지 또는 생성된 전력에 의해 또는 표면으로부터 온 전선에 의해 전력이 공급될 수 있다. 센서 장치(22) 및 송신기 장치(15) 그리고 그 요소들은 예를 들어, 머드 펄스(mud pulse) 또는 라디오 주파수와 같은 적합한 전선 및/또는 전선없는 링크를 통해 표면으로의 전송이 가능하다. 송신기 장치(15)는 센서 장치(22)에 의해 컴파일되고, 산출되고, 또는 처리되는 정보를 표면으로 전송할 수 있다. 특별한 실시예에서, 센서 장치(22)는 그러한 정보를 표면으로 전송하도록 작동할 수 있다.
도시된 실시예에서, 정공(18)은 석탄 광층(26) 안으로 천공된다. 석탄 광층(26)은 상부 경계 층(28) 및 하부 경계 층(29)에 의해 경계가 정해진다. 상부 및 하부 경계 층(28, 29)은 사암, 셰일, 석회암, 또는 다른 적합한 암석 및/또는 광물 지층일 수 있다.
도 2는 본 발명의 특정 실시예에 따른 센서 장치(22)의 음향 위치 측정 시스템(23)의 상세도이다. 하기에서 더욱 상세하게 서술하는 바와 같이, 음향 위치 측정 시스템(23)은 위치 피드백을 제공하여, 작동기 또는 자동 드릴 안내 시스템이 석탄 광층(26) 안의 바람직한 위치에서 드릴 스트링(12)을 유지하고 및/또는 드릴 스트링(12)을 석탄 광층(26)으로부터 보호할 수 있도록 한다.
도 2를 참조하면, 음향 위치 측정 시스템(23)은 음향 송신기(34), 음향 변환기 수신기(32) 및 전자 패키지(36)를 포함한다. 음향 송신기(34)는 다양한 방법으로 센서 장치(22) 위에 설치되고 및/또는 위치할 수 있다. 예를 들어, 특별한 실시예에서, 음향 송신기(34)는 센서 장치(22) 위에 서로 접하도록 설치될 수 있다. 음향 송신기(34)는 또한, 도시된 바와 같이, 센서 장치(22) 위에 일렬로 배열될 수있거나, 또는 센서 장치(22)의 주위에 흩어져 배열되거나 한 줄로 위치할 수 있다. 음향 송신기(34)는 센서 장치(22) 주위를 둘러싼 정공의 벽 안으로 음파를 전송하도록 작동가능하다. 음향 송신기(34)는 상기 음파를 매초, 매 수초 또는 초당 여러번 전송할 수 있다. 만일 드릴 스트링(12)이 음파를 연속적으로 송신하는 사이에 회전된다면, 상기 음파는 궁극적으로 센서 장치(22) 주위의 모든 방향으로(음향 위치 측정 시스템(23) 주위 360°로) 전달될 것이다. 상기 음파가 전달되는 간격은 드릴 스트링(12)의 회전 속도에 따른다. 음향 송신기(34)에 의해 전송되는 음파의 주파수는 음속 정 로깅(sonic well logging)에 사용되는 주파수와 유사할 수 있다. 일 예로서, 1.0 헤르쯔와 2.0 메가헤르쯔 사이의 범위의 주파수를 갖는 음파가 사용될 수 있다. 음파는 천공 환경에서 식별가능해야 하고, 층에서 잘 전송되어야 하며, 경계 층에서 최대 또는 적합한 크기의 반사 신호를 제공하여야 한다. 고 분해능이 중요한 경우에 있어서는, 더 높은 주파수가 사용될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 상기 송신기는 기계적인 수단을 사용하여 음파를 전달할 수 있다. 여기에서 사용되는 것과 같이, "음파"라는 용어는 하나 또는 다수개의 음파 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
음향 위치 측정 시스템(23)의 수신기(32)는 도시된 실시예에서 센서 장치(30)의 상부에 접하도록 설치되나, 또 다른 실시예에서는 다른 방법으로 센서 장치(30) 위에 설치되고 및/또는 위치될 수 있다. 수신기(32)는 드릴 스트링(12)의 회전동안 음향 위치 측정 시스템(23) 주위의 모든 방향으로부터 반사된 음파를 수신하도록, 음향 송신기(34)에 대하여 먼저 언급한 것과 같이 일렬로 배열될 수 있다.특정 실시예에서, 각각의 수신기(32) 사이의 공간은 음향 송신기(34)에 의해 생성된 음파의 파장의 다소의 파편 또는 다중 파장(예를 들어, 그러한 파장의 반)일 수 있다. 음향 위치 측정 시스템(23)의 수신기(32)는 압전기 또는 다른 적합한 기술을 사용하여, 다소의 실시예에서, 음향 송신기(34)와 결합하여 일반적으로 사용될 수 있다. 음향 송신기(34)에 의해서 전송된 음파는 석탄 광층 또는 다른 목표 층의 경계 (예를 들어, 도 1의 석탄 광층(26)의 상부 및 하부 경계 층(28, 29)으로부터 반사되고, 정공(18) 안으로부터 반사된 음파를 수신한다.
각각의 수신기(32) 및 음향 송신기(34)는 전기적으로 전자 패키지(36)에 결합된다. 여기에서 사용되는 바와 같이, "각각"은 최소한 아이템 중 하위 세트의 어느 하나를 의미한다. 전자 패키지(36)는 정공(18) 안으로 음향 신호를 전송하도록 음향 송신기(34)를 제어하고, 정공 안 시스템의 위치 정보를 제공하도록 반사된 또는 복귀 신호를 처리한다. 일 실시예에서, 위치 정보는 하기에서 더욱 상세하게 설명하는 바와 같이 음향 위치 측정 시스템(23)과 도 1의 상부 경계(28) 또는 하부 경계(29)와 같은 경계 사이의 거리일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 위치 정보는 시스템이 일(1) 또는 이(2) 피트와 같은, 경계의 특정 범위 안에 있는지에 대한 것일 수 있다.
전자 패키지(36)는 아날로그 신호 증폭 및 필터링, 및 디지털 신호 처리(DSP) 또는 그러한 결정을 형성하기 위한 다른 기술들을 조합하여 사용할 수 있다. 따라서, 전자 패키지(36)는 프로그래밍된 지시를 수행하기 위해 프로그램과 같은, 매체 안에 엔코딩된 논리 회로를 포함할 수 있다. 상기 매체는 저장 매체, 일반목적 프로세서, 디지털 신호 프로세서, ASIC, FPGA 등일 수 있다. 전자 패키지(36)는 또한 다른 데이터를 계산하거나 처리할 수 있는데, 이는 특정 거리까지의 음향 위치 측정 시스템(23)의 거리를 결정하는데 도움을 줄 수 있다. 전자 패키지(36)는 또한 처리를 위해 표면으로 기본 데이터를 전송할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 특정 실시예와 관련하여 반사된 음파를 처리하기 위한 전자 패키지(36)를 도시한다. 전자 패키지(36)는 증폭기(54), 위상 전위기(56), 콤바이너(combiner)(58), 증폭기(60), 대역 통과 필터(62), 방향 센서(38), 타이머(40), 프로세서(64) 및 통신 포트(66)를 포함한다.
수신기(32)는 정공(18) 안에 존재하는 다른 음향 노이즈와 함께 반사된 음파를 수신한다. 조합된 반사된 음파 및 어떤 수신된 음향 노이즈는 증폭기(54)에 의해 증폭되고, 위상 변위기(56)를 통과한다. 위상 변위기(56)는 수신기(32)에 의해 수신된 음파를 특정한 정도만큼 위상 변위 시킨다. 이 과정을 통해 원하는 신호를 수신하는 것을 최대화시키는 것을 도울 수 있고, 수신기(32)에 의해 수신되는 바람직하지 않은 노이즈가 수신되는 것을 줄일 수 있다.
예로서, 도 1의 석탄 암층(26)의 경계(28 또는 29)로부터 반사된 음파는 수신된 음파의 주요 사인 요소(primary sinusoidal component)의 서로 다른 위상 각에서 각각의 수신기(32)에 도달할 수 있다. 반사된 음파가 수신기(32a)에 도착할 때, 상기 음파의 주요 사인 요소는 그것이 수신기(32b)에 ( 및 이와 마찬가지로 수신기(32c)에) 도착했을 때와는 서로 다른 위상에 있을 수 있다. 결과적으로, 위상 변위기(56)는 모든 반사된 음파가 동일한 위상각을 갖도록 하기 위하여 각각의 수신기에 의해 수신되는 음파의 주요 사인 요소가 특정한 만큼 위상 변위되도록 할 수 있다.
위상 변위기(56a)는 수신기(32a)에 의해 수신되는 원하는 음파의 주요 사인 요소를 특정한 양만큼 위상 변위시킬 수 있고, 반면에 위상 변위기(56b)는 수신기(32a, 32b)에 의해 수신되는 음파가 동일한 위상을 갖도록 수신기(32b)에 의해 수신되는 음파의 주요 사인 요소가 서로 다른 양만큼 위상 변위되도록 할 수 있다. 따라서, 위상 변위기(56c)는 음파의 주요 사인 요소가 위상 변위기(56a, 56b)에 의해 변위된 음파의 주요 사인 요소의 위상을 갖도록 수신기(32c)에 의해 수신된 음파의 주요 사인 요소가 서로 다른 양만큼 위상 변위되도록 할 수 있다. 위상 변위기(56)에 의해 야기된 위상 변위량에 있어서의 차이는 음향 위치 측정 시스템(23)의 그들 각각의 수신기(32) 사이 거리에 대하여 상대적일 수 있다. 위상 변위 야기는 각각의 수신기에 의해서 받아들여진 음파가 또 다른 수신기에 의해 받아들여진 음파와 동일한 위상을 갖기 때문에, 반사된 음파의 주요 사인 요소의 수신을 증가시킬 수 있고, 그 결과, 반사된 음파의 주요 사인 요소의 총합의 증폭을 증가시킨다. 수신된 음파의 각각의 주요 사인 요소가 동일한 위상을 갖도록 하기 위해 그들의 각각의 수신기(32)에 의해 수신된 반사된 음파가 위상 변위하도록 하는 것은 하나 또는 그 이상의 위상 변위기(56)를 필요로 하지 않는다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
콤바이너(58)는 음파와 노이즈가 증폭기(54) 및 위상 변위기(56)를 통과한 후 각각의 수신기에 의해 수신된 음파와 노이즈를 하나의 신호로 조합한다. 조합된 신호는 이때 증폭기(60)에 의해 증폭된다. 대역 통과 필터(BPF)(62)는 수신기(32)에 의해 골라진 바람직하지 않은 주파수 및/또는 노이즈를 필터링한다. 그러한 바람직하지 않은 주파수는 전형적으로 음향 송신기(34)에 의해 전송된 음파의 주요 사인 요소의 주파수와는 다른 모든 주파수를 갖는다. BPF(62)는 그것이 단지 바람직한 특정 주파수만을 통과시키고, 가능한 한 최대로 다른 모든 주파수는 약화시킬 수 있도록 설정될 수 있다.
또 다른 기술 또는 장치가 수신기(32)에 의해 수신되는 바람직하지 않은 노이즈를 줄이거나 걸러내기 위해 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, BPF의 기능은, 대신에, 아날로그-대-디지털 변환기에서 신호를 디지털화하고, 그 후 디지털 신호 프로세서에서 잘 알려진 수단에 의해 결과 데이터를 디지털적으로 필터링함으로써 실행될 수 있다. 또다른 실시예에서, 드릴 스트링의 회전은 측정 시스템이 정공 안에서의 바람직하지 않은 노이즈를 줄이기 위해 작동하는 동안 감소되거나 멈출 수 있다. 드릴 비트는 또한 천공된 표면으로부터 되돌아올 수 있다. 추가적으로, 천공 유체의 순환은 바람직하지 않은 음향 노이즈를 줄이기 위해 줄어들거나 멈출 수 있다.
신호가 BPF(62)를 통과한 후, 전자 패키지의 프로세서(64)는 수신기(32)에 의해 수신된 반사된 음파의 수신과 음파의 전달 사이에 걸리는 시간에 기초하여 음향 위치 측정 시스템(23)으로부터 목표 층(예를 들어, 도 1의 석탄 광층(26)의 경계(28))의 경계까지의 거리를 계산한다. 그러한 거리는 전송되거나 반사된 음파가 이동한 지하 물질의 평균 음향 투과 속도이고, 그렇게 걸린 시간의 반에 해당한다.
수신기(32)에 의해 수신된 반사된 음파의 증폭은, 부분적으로, 음파가 통과하여 지나가는, 그리고 음파가 그로부터 반사되는 경계 층의 음향 감쇄 특성을 갖는다. 추가적으로, 층 경계에서 반사된 전송 에너지의 일부는 목표 층 및 경계 층을 형성하는 인접한 층 사이의 밀도에 있어서의 차이를 직접 나타낸다. 예를 들어, 석탄 광층(즉, 세일, 사암, 석회암 등)의 경계를 형성하는 즉각적인 재료의 밀도는 거의 물의 밀도의 2.6 내지 2.8배일 수 있고, 반면에 석탄 광층 안의 밀도는 물의 밀도의 거의 1.4 배일 수 있다. 이는 두 영역사이의 거의 2:1의 밀도비를 나타낸다.
음향 주파수가 변하는 이러한 재료의 어떠한 음향 특성들은 또한 음향 위치 측정 시스템의 전송에 의해서 전송되는 음파의 주파수를 선택하는데 도움을 줄 수 있다. 그러한 주파수의 선택은, 예를 들어, 음향 송신기(34)에 의해 송신되는 음파의 주요 사인 요소의 음향 감쇄를 최소화하는데 기초를 둘 수 있다.
방향 센서(38)는 음향 위치 측정 시스템(23)을 위한 방향 참조 위치를 결정한다. 이러한 결정은, 예를 들어, 특정 시간에 음향 위치 측정 시스템(23) 또는 수신기(32)의 (국부적인 중력의 수직하게 측정된 정도에 대한) 회전 위치일 수 있다. 방향 센서(38)는 또한 또 다른 실시예에서 음향 위치 측정 시스템(23)의 경사도와 같은, 또 다른 방향 위치를 결정할 수 있다. 전자 패키지(36)에 의해 결정된 거리 정보와 결합된 이러한 정보는 표면에 있는 작동자에게 전송될 수 있다. 그러한 전송은 전선, 머드 펄스, 전자기적 펄스 또는 당업자에게 알려진 다른 기술을 사용하여 이루어질 수 있다. 그러한 전송은 또한 도 1에 도시된 바와 같이, 별개의 송신기 장치(15)에 의해 이루어질 수 있다. 다소의 실시예에서, 방향 센서(38)는 센서 장치(22)으로부터 분리된 드릴 스트링(12)의 영역 내에 포함될 수 있다.
타이머(40)는 음향 노이즈 또는 펄스 신호를 수신하는 것을 최소화하고, 및/또는 음향 송신기(34), 증폭기(54) 및 전자 장비(36)의 다른 요소들에게 가능한 전기적 포화 상태 또는 단선을 피하기 위해, 특정한 시간에 음향 송신기(34) 및 증폭기(54)를 활성화하거나 비활성화시킨다. 예를 들어, 타이머(40)는 음파가 전송되는 시간 창 동안 또는 조금 후에 증폭기(54)를 비활성화시킨다. 결과적으로, 증폭기(54)는 도 1의 석탄 광층(26)의 경계(28 또는 29)로부터 반사된 후에 수신될 것으로 기대되는 음파의 창 동안 활성화될 수 있다. 이러한 과정은 다른 주위의 지층으로부터 온 음파의 반사를 증폭하고 진행할 가능성을 줄일 수 있고, 또한 정공 안으로부터 온 바람직하지 않은 음파 또는 노이즈를 처리하고 증폭하는 것에 따른 증폭기 및 전자 장비의 다른 요소들의 전기적 포화상태 및/또는 단손의 가능성을 줄일 수 있다.
프로세서(64)에 의해 생성된 거리 정보는 프로세서(64)에 의해 방향 센서(38)에 의해 생성된 거리 정보와 결합한다. 그러한 정보는 통신 포트(66)를 통하여 작업자에게 또는 자동화된 드릴 안내 시스템으로 전송될 수 있다. 상기 정보는 작업자 또는 자동화된 드릴 안내 시스템이 목표 층 안의 바람직한 상대 위치에서 드릴 스트링을 유지하도록 한다. 예를 들어, 만일 작업자 또는 자동화된 드릴 안내 시스템이 드릴 스트링이 목표 층의 경계와 바람직한 거리보다 더 가깝다고 지시하는 방향 정보 및 거리를 받아들인다면, 작업자 또는 자동화된 드릴 안내 시스템은 목표 층 안에서 그 중심을 유지하도록 또 다른 방향으로 드릴 스트링을 안내할 수 있다.
거리 및 방향 정보는 여러가지 방법 중 어떠한 것으로도 표면에서 작업자에게 표시될 수 있다. 그러한 표시 중 하나의 예는 두개의 숫자를 보여주는 아날로그 표시인데, 하나의 숫자는 음향 위치 측정 시스템(23)의 수신기(32)의 회전 위치를 나타내고, 다른 숫자는 목표 층 경계로 그러한 회전 위치에서 수신기(32)로부터의 거리를 나타낸다. 작업자는 이러한 정보를 석탄 광층 안에서 중심이 맞추어진 위치를 유지할 수 있도록 천공 부재를 조향하기 위해 사용할 수 있다. 음향 위치 측정 시스템의 이러한 방위 정보(즉, 회전 및 경사 위치)는 석탄 광층의 특정 경계로부터 드릴 비트가 얼마나 먼지를 결정하기 위해 음향 위치 측정 시스템과 드릴 비트 사이의 거리와 거리 정보와 결합될 수 있다. 전자 패키지(36)는 또한 음향 위치 측정 시스템이 석탕 광층의 경계의 특정 범위 안에 있는 때 표면으로 신호를 보낼 수 있다. 전자 패키지(36)는 또한 음향 위치 측정 시스템이 접근되는 경계 층을 결정하고 지시할 수 있다.
방향 및 거리 정보는 또한 주위 지층의 극 거리 지도를 도표화하는데 사용될 수 있다. 도 4는 본 발명의 특정 실시예와 관련된 극 거리 지도(70)를 도시한다. 전자 패키지(36) 또는 다른 장치는 방향 센서(38)에 의해 제공된 방향 정보와 전자 패키지(36)에 의해 제공된 거리 정보에 기초하여 그러한 지도로 도표화한다. 극 거리 지도는 연속해서 실시간으로 업데이트될 수 있고, 표면 아래에서 차트화될 수 있다. 이는 컴퓨터 화면과 같은, 표면에서 시각적인 화면으로 표시될 수 있다.
도 4를 참고하면, 극 거리 지도(70)는 드릴 스트링의 음향 위치 측정 시스템으로부터 일방향으로 목표 층 경계의 가장 가까운 접근 지점(PCA)(72)까지의 그리고 반대 방향으로 목표 층 경계의 PCA(74)까지의 거리를 보여준다. 만일 극 거리 지도(70)가 기초하고 있는 거리에 비하여 목표 층 안에 중심을 둔 위치를 유지하는 것이 바람직하다면, 작업자 또는 자동화된 드릴 안내 시스템은 극 거리 지도(70)가 도시된 바와 같이, (예를 들어, PCA(72)로부터 PCA(74)까지 거리와 거의 동일한 거리) 대칭으로 보이는 것을 원할 것이다. 만일 극 거리 지도가 하나의 PCA까지의 거리가 다른 PCA 까지의 거리보다 적다고 나타낸다면, 작업자 또는 자동화된 드릴 안내 시스템은 석탄 광층 안에 있는 드릴 스트링을 중심에 위치시키기 위해 드릴 스트링에 근접한 PCA에 의해 대표되는 방향으로부터 드릴 스트링이 멀어지도록 조향할 수 있다.
5는 본 발명에 따른 실시예와 관련하여, 음향 위치 측정 시스템을 사용하는 천공 부재에 대한 바람직한 위치를 결정하기 위한 예시적인 방법을 도시하고 있다. 상기 방법은 음향 송신기를 사용하여, 석탄 광층과 같은, 목표 층 안에서 음파가 전달되는 단계(100)에서 시작한다. 음파는 도 1의 경계 층(28 및 29)과 같은, 목표 층에 근접한 경계 층으로부터 반사된다. 특정 실시예들이 다수의 음향 송신기를 사용하여 다수의 음파를 전달하는 것을 포함할 수 있다. 단계(102)는 음향 수신기를 사용하여 반사된 음파를 수신하는 것을 포함한다. 반사된 음파는 경계 층으로부터 단계(100)에서 전달된 음파의 반사를 포함할 수 있다. 특정 실시예들은 다수의 음향 수신기를 사용하여 다수의 반사된 음파를 수신하는 것을 포함할 수 있다.
단계(104)는 음향 수신기에 결합된 전자 장비를 사용하여 반사된 음파를 처리하는 것을 포함한다. 그러한 처리는 음향 수신기와 결합된 증폭기를 사용하여 반사된 음파를 증폭하는 것을 포함할 수 있다. 증폭기의 기능은 특정 시간에, 그리고 전달된 파형과 "근처 필드" 복귀에 의한 증폭 포화 상태를 방지하고, 만약 그렇지 않으면, 증폭기로의 음향 노이즈 에너지 입력을 줄이기 위해 음파의 전달 후 특정 지속동안 변형될 수 있다. 다수의 음향 수신기를 사용하여 다수의 반사된 음파가 수신되는 특정 실시예에서, 상기 방법은 다른 반사된 음파의 주요 사인 요소에 대한 정렬로 각각의 반사된 음파의 주요 사인요소를 야기하기 위해 전자 장비를 사용하여 반사된 음파의 하나 이상의 주요 사인 요소의 상을 변위하는 것을 포함한다. 그러한 상 변위는 전자 장비의 하나 또는 그 이상의 상 변위를 사용하여 수행될 수 있다. 어떠한 실시예에서, 반사된 음파는 신호를 생성하기 위해 조합될 수 있다. 상기 신호는 또한 대역-통과 필터, 디지털 신호 처리 및/또는 대역-밖 음향 노이즈 에너지의 수신을 최소화하기 위한 다른 방법을 사용하여 증폭 전 및/또는 후에 필터링될 수 있다.
단계(106)는 반사된 음파에 기초한 데이터 출력을 산출하는 것을 포함한다. 상기 데이터 출력은 음향 위치 측정 시스템으로부터 경계 층으로의 거리와 같은, 목표 층에서의 음향 위치 측정 시스템의 위치를 지시할 수 있다. 그러한 경우에, 데이터 출력은 상기 시스템으로부터 경계 층으로의 거리와 방향 위치를 포함한다. 단계(108)는 상기 데이터 출력을 표면 장치와 연계하는 것을 포함한다. 그러한 연계는 천공 유체 압력 펄스 또는 전자기적 전송과 같은 적합한 전선 및/또는 전선이 없는 링크를 통하여 이루어질 수 있다.
비록 본 발명은 상세하게 설명되었으나, 다양한 변형 및 수정이 당업자에게 제안될 수 있다. 본 발명은 첨부된 청구항의 범위 안에서 그러한 변형 및 수정을 포함하는 것으로 간주된다.

Claims (22)

  1. 목표 층 안의 지하 정공 안으로, 상기 목표 층에 근접한 경계 층으로부터 반사되도록 형성되는 음파를 전달하도록 작동가능한 음향 송신기와;
    상기 경계 층으로부터 온 음파의 반사파로 이루어진 반사된 음파를 수신하도록 작동가능한 음향 수신기와;
    상기 음향 수신기에 전기적으로 결합된 전자 장비를 포함하고, 상기 전자 장비는,
    상기 반사된 음파를 처리하고; 그리고
    상기 반사된 음파의 특성에 기초하여, 상기 목표 층 안의 상기 음향 위치 측정 시스템의 위치를 지시하는 데이터 출력을 산출하도록 작동하는, 음향 위치 측정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 데이터 출력은 상기 음향 위치 측정 시스템으로부터 상기 경계 층까지의 거리를 포함하는, 음향 위치 측정 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전자 장비는 상기 데이터 출력을 표면 장치로 전송하도록 작동가능한 송신기를 더 포함하는, 음향 위치 측정 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 전자 장비는 증폭기를 포함하고, 상기 반사된 음파를처리하는 것은 상기 반사된 음파를 증폭하는 것을 포함하는, 음향 위치 측정 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 다수개의 반사된 음파를 수신하도록 작동가능한 다수개의 음향 수신기를 더 포함하고, 상기 다수개의 음향 수신기는 상기 전자 장비에 결합되고, 상기 전자 장비는 추가적으로:
    상기 각각의 반사된 음파의 주요 사인 요소가 다른 반사된 음파의 주요 사인 요소에 대하여 정렬되도록 하나 이상의 상기 반사된 음파의 주요 사인 요소의 위상을 변위하고, 그리고
    상기 반사된 음파에 기초하여 상기 데이터 출력을 산출하도록 작동하는, 음향 위치 측정 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 반사된 음파를 조합하여 신호를 생성하도록 작동가능한 컴바이너를 더 포함하고, 상기 데이터 출력은 상기 신호에 기초하는, 음향 위치 측정 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 대역 통과 필더를 더 포함하고, 상기 대역 통과 필터는 대역-밖 음파를 차단하기 위해 상기 신호를 필터링하도록 작동가능한, 음향 위치 측정 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 음향 위치 측정 장치의 방향 위치를 감지하도록 작동가능한 방향 센서를 더 포함하고, 상기 데이터 출력은 방향 위치, 상기 음향 위치 측정 시스템으로부터 상기 경계 층까지의 거리, 그리고 만일 상기 시스템이 상기 경계 층의 특정 범위 안에 위치한 경우의 표시를 포함하는, 음향 위치 측정 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 전자 장비는 상기 시스템이 상기 특정 범위 안에 있는 경우 표면 장치로의 경고를 생성하고 전송하도록 추가 작동가능한, 음향 위치 측정 시스템.
  10. 제 4항에 있어서, 상기 음파의 전달 후 특정 시간에 그리고 특정 지속시간 동안 상기 수신기를 위해 상기 증폭기를 활성화하도록 작동가능한 타이머를 더 포함하는, 음향 위치 측정 시스템.
  11. 음향 위치 측정 시스템을 사용하여 천공 부재의 목표 위치를 결정하기 위한 방법에 있어서:
    음향 수신기를 사용하여 목표 층 안의 지하 정공 안으로 음파를 전달하고, 상기 음파는 상기 목표 층에 근접한 경계 층으로부터 반사하고;
    상기 음향 수신기를 사용하여 상기 정공 안으로부터 반사된 음파를 수신하고, 상기 반사된 음파는 상기 경계 층으로부터 온 상기 음파의 반사파로 이루어지며;
    상기 음향 수신기에 결합된 전자 장비를 사용하여 상기 반사된 음파를 처리하고; 그리고
    상기 전자 장비를 사용하여 상기 반사된 음파의 특성에 기초한 데이터 출력을 산출하고, 상기 데이터 출력은 상기 목표 층 안에서 상기 음향 위치 측정 시스템의 위치를 지시하는,
    음향 위치 측정 시스템을 사용하여 천공 부재의 목표 위치를 결정하기 위한 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 데이터 출력은 상기 음향 위치 측정 시스템으로부터 상기 경계 층까지의 거리를 포함하는, 음향 위치 측정 시스템을 사용하여 천공 부재의 목표 위치를 결정하기 위한 방법.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 데이터 출력을 송신기를 사용하여 표면 장치로 전송하는 것을 더 포함하는, 음향 위치 측정 시스템을 사용하여 천공 부재의 목표 위치를 결정하기 위한 방법.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 반사된 음파를 처리하는 것은 상기 음향 송신기에 결합된 증폭기를 사용하여 상기 반사된 음파를 증폭하는 것을 포함하는, 음향 위치 측정 시스템을 사용하여 천공 부재의 목표 위치를 결정하기 위한 방법.
  15. 제 11항에 있어서, 다수개의 음향 수신기를 사용하여 다수개의 반사된 음파를 수신하고;
    상기 전자 장비를 사용하여 각각의 반사된 음파의 주요 사인 요소를 다른 반사된 음파의 주요 사인 요소에 대하여 정렬되도록 하나 이상의 상기 반사된 음파의 주요 사인 요소의 위상을 변위하고; 그리고
    상기 전자 장비를 사용하여 상기 반사된 음파에 기초한 데이터 출력을 산출하는 것을 더 포함하는, 음향 위치 측정 시스템을 사용하여 천공 부재의 목표 위치를 결정하기 위한 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 반사된 음파를 조합하여 신호를 생성하는 것을 더 포함하고, 상기 데이터 출력은 상기 신호에 기초하는, 음향 위치 측정 시스템을 사용하여 천공 부재의 목표 위치를 결정하기 위한 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 신호를 필터링하기 위해 대역 통과 필터를 사용하여 대역-밖 음파를 차단하는 것을 더 포함하는, 음향 위치 측정 시스템을 사용하여 천공 부재의 목표 위치를 결정하기 위한 방법.
  18. 제 11항에 있어서, 방향 센서를 사용하여 상기 음향 위치 측정 시스템의 방향 위치를 검출하는 것을 더 포함하고, 상기 데이터 출력은 상기 음향 위치 측정시스템으로부터 상기 경계 층까지의 거리 및 방향 위치 그리고 상기 시스템이 상기 경계 층의 특정 범위 안에 있는지 여부를 지시하는 것을 포함하는, 음향 위치 측정 시스템을 사용하여 천공 부재의 목표 위치를 결정하기 위한 방법.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 시스템이 특정 범위 안에 있는 경우 표면 장치로 경고를 발생하여 전송하는 것을 더 포함하는, 음향 위치 측정 시스템을 사용하여 천공 부재의 목표 위치를 결정하기 위한 방법.
  20. 제 14항에 있어서, 타이머를 사용하여 상기 음파의 전달 후 특정 지속시간 동안 그리고 특정 시간에 상기 증폭기를 활성화하는 것을 더 포함하는, 음향 위치 측정 시스템을 사용하여 천공 부재의 목표 위치를 결정하기 위한 방법.
  21. 음향 송신기를 사용하여 목표 층 안의 지하 정공 안으로 음파를 전달하고, 상기 음파는 상기 목표 층에 근접한 경계 층으로부터 반사하고;
    음파 수신기를 사용하여 정공 안으로부터 반사된 음파를 수신하고, 상기 반사된 음파는 상기 경계 층으로부터 온 상기 음파의 반사파로 이루어지고; 그리고
    상기 반사된 음파는 상기 목표 층 안에서 음향 위치 측정 시스템의 위치를 지시하는, 음향 위치 측정 시스템을 사용하여 천공 부재의 목표 위치를 결정하기 위한 방법.
  22. 음향 위치 측정 시스템으로서:
    목표 층 안의 지하 정공 안으로, 상기 목표 층에 근접한 경계 층으로부타 반사하도록 형성되는 음파를 전송하도록 각각 작동가능한 다수개의 음향 송신기와;
    상기 경계 층으로부터 온 상기 음파의 반사파로 이루어진 반사된 음파를 수신하도록 각각 작동가능한 다수개의 음향 수신기와 ;
    상기 각각의 음향 수신기에 전기적으로 결합된 전자 장비를 포함하고, 상기 전자 장비는:
    상기 각각의 반사된 음파를 증폭하고;
    상기 각각의 반사된 음파의 주요 사인 요소가 다른 반사된 음파의 주요 사인 요소에 대해 정렬되도록 하나 이상의 상기 반사된 음파의 주요 사인 요소의 위상을 변위하고;
    상기 반사된 음파를 조합하여 신호를 생성하고 ;
    상기 신호를 필터링하여 바람직하지 않은 주파수를 갖는 음파를 차단하고;
    상기 음향 위치 측정 시스템의 방향 위치를 검출하고;
    상기 신호에 기초하여 데이터 출력을 산출하고, 상기 데이터 출력은 상기 목표 층 안에서 상기 음향 위치 측정 시스템의 위치를 지시하며; 그리고
    상기 데이터 출력을 표면 장치로 전송하는, 음향 위치 측정 시스템.
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