MXPA04012905A - Sistema de telemetria electromagnetica de baja frecuencia que emplea manipulacion por desviacion de fase de alta cardinalidad. - Google Patents

Abstract

Se divulga un sistema de telemetria electromagnetica abajo del pozo con una tasa de datos incrementada.En una modalidad, se usa un sistema de transmision de datos PSK para transmitir datos en un sistema de telemetria electromagnetica abajo del pozo para aplicaciones para Medir Mientras se Perfora (MWD). Las aplicaciones MWD adolecen de tasas de datos que no son adecuadas para las cantidades de datos que aumentan cada vez mas que necesitan ser transmitidas. Un metodo para incrementar la tasa de datos incluye incrementar la frecuencia de transmision, pero esto puede causar una atenuacion o distorsion indeseables de la senal. Por el contrario, reducir la frecuencia de transmision provee la recompensa de una senal mas fuerte con el riesgo de escalonamiento, especialmente con senales con un ancho de banda amplio. Se divulga una derivacion que predice que la frecuencia puede en realidad reducirse mientras que se incrementa el numero de estados de fase para alcanzar una tasa de datos mas alta, sin afectar el ancho de banda. El sistema y el metodo aqui divulgados pueden ventajosamente proveer un sistema de telemetria electromagnetica de baja potencia y robusto con una tasa de datos mayor.

Description

SISTEMA DE TELEMETRIA ELECTROMAGNETICA DE BAJA FRECUENCIA QUE EMPLEA MANIPULACIÓN POR DESVIACIÓN DE FASE DE ALTA CARDINALIDAD ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Campo de la invención La presente invención se refiere a técnicas de registro de datos de formaciones. Particularmente más, la presente invención se refiere a un sistema de telemetría para transmitir datos desde un ensamblaje de perforación abajo del pozo hasta la superficie de un pozo.

Descripción del arte relacionado Las operaciones de perforación y producción petroleras modernas demandan una gran cantidad de información relacionada con los parámetros y las condiciones abajo del pozo. Dicha información típicamente incluye las características de las formaciones terrestres atravesadas por la perforación de pozo junto con datos que se relacionan con el tamaño y la configuración del orificio de perforación mismo. La recolección de información relacionada con las condiciones abajo del pozo, a la que comúnmente se hace referencia como "registro de datos", se puede llevar a cabo mediante diversos métodos.

Cuando se registran datos de un cable de acero convencional de un pozo petrolero, se hace descender dentro del orificio de perforación un detector o "sonda" que envuelve sensores de formación tras haber perforado parte de o todo el pozo, y se usa para determinar las características de las formaciones atravesadas por el oficio de perforación. El extremo superior de la sonda fija a un cable de acero conductivo que suspende la sonda en el orificio de perforación. Se transmite energía eléctrica hacia los sensores y la instrumentación de la sonda a través del cable de acero conductivo. De manera similar, la instrumentación comunica la información a la superficie mediante señales eléctricas transmitidas a través del cable de acero. El problema con la obtención de mediciones abajo del pozo vía el cable de acero es que el ensamblaje de perforación debe retirarse o "desconectarse" del orifico de perforación taladrado antes de que se pueda obtener la información deseada del orifico de perforación. Esto puede ser extremadamente costoso y tardado, especialmente en situaciones en las que se ha perforado ya una parte considerable del pozo. En una situación así, puede ser necesario retirar y apilar miles de metros de tubería en la plataforma (si se está en alta mar) . Típicamente, los aparejos de perforación se rentan por día a un costo considerable, consecuentemente, el costo de perforar un pozo es directamente proporcional al tiempo requerido para completar el proceso de perforación. Retirar miles de metros de tubería para insértar"una herramienta de registro de datos en un cable de acero puede ser una alternativa costosa. Como resultado, ha habido un énfasis creciente en la recolección de datos durante el proceso de perforación. La recolección y procesamiento de datos durante el proceso de perforación elimina la necesidad de retirar o desconectar el ensamblaje de perforación para insertar una herramienta de registro de datos en un cable de acero. Ello consecuentemente permite al perforador hacer modificaciones o correcciones precisas, según sea necesario, para optimizar el desempeño a la vez que se minimiza el tiempo empleado abajo. Los diseños para medir las condiciones abajo del pozo, incluyendo el movimiento y la ubicación del . ensamblaje de perforación contemporáneamente con la perforación del pozo, se han llegado a conocer como técnicas de "medición mientras se perfora", o "MWD" (Measurement-While-Drilling, por sus siglas en inglés) . Se hace referencia a técnicas similares que se concentran más en la medición de los parámetros de la formación como técnicas de "registro de datos mientras se perfora" o "LWD" (Logging-While-Drilling, por sus siglas en inglés) . A pesar de que pueden existir diferencias entre la MWD y la LWD, los términos MWD -y LWD a menudo se usan indistintamente. Para los propósitos de esta divulgación, el término MWD se va a usar con el entendimiento de que este término abarca tanto la recolección de parámetros de la formación como la recolección de información relacionada con el movimiento y la posición del ensamblaje de perforación. Cuando se están perforando pozos petroleros u otros orificios de perforación frecuentemente es necesario o deseable determinar la dirección y la inclinación de la broca de perforación y el-motor abajo del pozo, de tal forma que el ensamblaje pueda guiarse en la dirección correcta. Adicionalmente, puede requerirse información concerniente a la naturaleza del estrato que se está perforando, como la resistividad de la formación, la porosidad, la densidad y su medición de radiación gamma. También es frecuentemente deseable saber otros parámetros abajo del pozo, tales como la temperatura y la presión en la base del orificio de -perf-oración,. por e-jemplo. Una -vez. que .se han reunido esos datos en el fondo del orificio de perforación, es necesario comunicarlos a la superficie para su uso y análisis por parte de quien perfora. Los sensores o transductore.s típicamente se ubican en el extremo inferior de la cuerda de perforación en los sistemas MWD. Típicamente, los sensores abajo del pozo empleados en aplicaciones MWD se posicionan en un collar cilindrico que se posiciona cerca de la broca de perforación. Mientras está en progreso la perforación esos sensores continuamente o intermitentemente monitorean los parámetros de perforación predeterminados y los datos de la formación y transmiten la información hacia un detector en la superficie mediante alguna forma de telemetría. Hay un número de sistemas de telemetría en el arte previo los cuales buscan transmitir información con relación a los parámetros abajo del pozo hasta la superficie sin requerir el uso de .una herramienta de cable en el acero, ün sistema de telemetría ampliamente usado que se utiliza en aplicaciones MWD es el sistema de pulsos a través del lodo. El sistema de telemetría de pulsos a través del lodo crea señales de presión "acústica" en el fluido de perforación, algunas veces llamado "lodo", que circula bajo presión a través de la columna de perforación durante las operaciones de perforación. La información que se adquiere mediante los sensores abajo del pozo se transmite a través -del - adecuado, cronometraje de los pulsos de presión de la formación en la corriente de lodo.- La información se recibe y se decodifica mediante un transductor de presión y una computadora en la superficie. En un sistema de pulsión de la presión de lodo la presión del lodo de perforación en la columna de perforación se modula por medio de una válvula y un mecanismo de control, generalmente llamado generador de pulsos o generador de pulsos del lodo. El generador de pulsos está usualmente montado en un cuello de perforación especialmente adaptado, que se coloca encima de la broca de perforación. El pulso de presión generado viaja hacia arriba por la columna de lodo dentro de la columna de perforación a la velocidad del sonido en el lodo. Dependiendo del tipo de fluido de perforación usado, la velocidad puede variar aproximadamente entre 914.4 m. y 1524m. (300 a 5000 pies) por segundo. Sin embargo, la tasa de transferencia de datos es relativamente lenta debido a la dispersión de pulso, la distorsión, la atenuación, las limitaciones de la tasa de modulación y otras fuerzas disruptivas, tales como el ruido ambiental en la columna de perforación, üna tasa de pulsos típica está en el orden de un pulso por segundo (1Hz) . Con los recientes desarrollos en las tecnologías sensoriales y de guía disponibles para las compañías perforadoras, la cantidad de datos que se pueden transferir a la superficie de una -manera oportuna a 1 bit por segundo es penosamente inadecuada. Como un método para incrementar la tasa de transferencia de datos, se ha propuesto transmitir los datos usando vibraciones en la pared de la tubería de la columna de perforación más que depender de los pulsos de presión en el fluido de perforación. Sin embargo, los primeros sistemas han probado ser poco confiables en tasas de datos mayores a alrededor de los 3 bits/seg, debido a los reflejos acústicos en las uniones de la herramienta y las variaciones en la geometría de la tubería y el orificio de perforación. Adicionalmente, la telemetría de pulsos del lodo requiere un fluido de perforación medianamente denso, mostrando su inutilidad en aplicaciones como la Perforación Sin Balance (UBD, por sus siglas en inglés) en la cual son deseados o necesarios fluidos de baja densidad aireados. Como consecuencia, se revela en -la presente un sistema de telemetría electromagnética para abajo del pozo confiable, el cual supera las desventajas de los métodos de telemetría previos. En una modalidad preferida, se usa un sistema electromagnético de transmisión de datos de manipulación por desviación de fase para transmitir datos para aplicaciones MWD. De acuerdo con la modalidad preferida, una antena se configura para transmitir señales electromagnéticas de baja frecuencia mientras.. _.un transmisor de manipulación por desviación de fase (PSK, por sus siglas en inglés) se configura para recibir señales digitales indicativas de datos de telemetría y convertir las señales digitales en una señal de transmisión PSK. El transmisor PSK provee la señal de transmisión a la antena y la señal de transmisión de PSK tiene una frecuencia de transmisión de no más de alrededor a 1Hz, y una constelación de señal con más de 4 estados de fase. La señal de transferencia PSK puede también incluir una señal de transferencia con un periodo de símbolo de dos o más ciclos de transmisión. En otra modalidad de la presente invención, se revela un método de registro de datos mientras se perfora en donde se perfora un orificio a través de una formación con una broca de perforación fija a una cuerda de perforación que incluye un paquete de sensor. Las señales que indican las propiedades de la formación se detectan entonces . Esas señales se suministran luego al transmisor PSK, en donde se codifican para obtener una señal de transmisión digital que se modula por pase hacia una señal de transmisión de baja frecuencia para obtener una señal PSK con una frecuencia de no más de alrededor a 1Hz y con no más de cuatro estados de fase. La señal PSK de baja frecuencia se transmite entonces hacia la superficie. El sistema y el método revelado puede ventajosamente proveer un sistema de telemetría electromagnético de baja potencia con una tasa de datos incrementada en relación con los sistemas de telemetría de pulsos a través del lodo y otros sistemas de telemetría convencionales. Por lo tanto, a pesar de las reticencias para dejar caer la frecuencia de transmisión debido a que se tienen preocupaciones por tasas de datos reducidas, se cree que cualquier reducción de datos causada por la caída en la frecuencia puede superarse mediante el incremento del número de estados de fase sin incrementar el ancho de banda. De acuerdo con las modalidades, cuando se deja caer la frecuencia de transmisión, el sistema de telemetría electromagnética puede afinarse mediante el uso de múltiples transportadores y la modulación de la amplitud.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Se puede obtener una mejor comprensión de la presente invención cuando . se__c_ansidexe la descripción detallada de la modalidad preferida junto con los siguientes dibujos en los cuales: La Figura 1 es una vista esquemática de un pozo petrolero en el cual se puede emplear un sistema de telemetría electromagnético. La Figura 2 es una vista de una herramienta abajo del pozo usada en la telemetría electromagnética. _ La Figura 3 es un diagrama en bloque funcional de un sistema de telemetría electromagnético que emplea manipulación por desviación de fase . La Figura es un diagrama en bloque funcional de un transmisor de manipulación por desviación de fase. La Figura 5 es un diagrama en bloque funcional de . un receptor de manipulación por desviación de fase. La Figura 6A es un ejemplo de transmisión PSK. La Figura 6B muestra los componentes en fase y de cuadratura de la Figura 6A.

La Figura 7 muestra una tarea de secuencia de mensaje de cuatro fases. La Figura 8 muestra una regla de decodificación para el decodi icador de la Figura 5. La Figura 9 muestra los efectos de la frecuencia y la resistividad de' la formación en atenuación de señal; y La Figura 10 muestra una fase ejemplar y la señal de -amplitud modulada. .... . A pesar de que la invención es susceptible de varias modificaciones y formas alternativas, las modalidades especificas de la misma se muestran a manera de ejemplo en los dibujos y se describirán con detalle en la presente. Sin embargo, debe entenderse que los dibujos y la descripción detallada aquí presentados no pretenden limitar la invención a la forma particular revelada, sino todo lo contrario, la intención, es cubrir todas las modificacionjes, equivalencias y alternativas que caigan dentro del espíritu y el alcance de la presente invención, según lo definen las reivindicaciones anexas .

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Las aplicaciones MWD tienen el inconveniente de carecer de tasas de datos adecuadas para cantidades de datos que van en aumento y que necesitan ser transmitidas. Un método para incrementar las tasas de datos incluye incrementar la frecuencia de transmisión, pero esto puede causar una indeseable atenuación o distorsión de la señal. Por otro lado, reducir la frecuencia de transmisión provee la recompensa de una señal más fuerte con el" riesgo de escalonamiento, especialmente en señales con un ancho de banda amplio. En la presente se divulga una derivación la cual predice que . la frecuencia puede realmente reducirse mientras que_ se incrementa el número de estados de fase para alcanzar una tasa de datos general más elevada, sin afectar el ancho de banda o causar un escalonamiento de la señal. De vuelta ahora a las figuras, la Figura 1 muestra un pozo durante las operaciones de perforación. Una plataforma (2) de perforación está equipada con una torre (4) de perforación que soporta un elevador. La perforación de pozos petroleros y de gas se lleva a cabo mediante una cuerda o tubos de perforación conectados entre ellos mediante conexiones (7) de la "herramienta" de tal manera que forman una cuerda (8) de perforación. El elevador (6) suspende un vástago (10) cuadrado de transmisión que se usa para hacer descender la cuerda (8) de perforación a través de un plato (12) rotatorio. Conectada al extremo inferior de la cuerda (8) de perforación está una broca (14) de perforación. La broca (14) se hace girar y la perforación se logra mediante la rotación de la cuerda (8) de perforación, por medio del uso de un motor abajo del pozo cercano a la broca de perforación, o mediante ambos métodos. Se bombea fluido de perforación, el llamado lodo, a través del equipo (16) de recirculación de lodo a través de una tubería (18) de suministro, gue pasa por el vástago (10) cuadrado de transmisión, y hacia abajo a través de la sarta (8) de tubería, a altas presiones y volúmenes, para emerger a través de toberas o chorros a presión ' en la broca (14) de perforación. El lodo viaja entonces de vuelta hacia la perforación vía el anillo formado entre el exterior de la columna (8) de perforación y la pared (20) del orificio de perforación, a través del cierre de emergencia (no se muestra específicamente) , y hacia dentro del foso (24) del lodo en la superficie. En la superficie, el lodo de perforación se limpia y luego se vuelve a hacer circular mediante el equipo (16) de recirculación. El lodo de perforación se usa para enfriar la broca (14) . de perforación, para transportar las virutas desde la base de la perforación hacia la superficie, y para balancear la presión hidrostática en las formaciones de roca. Sin embargo, el sistema de la Figura 1 no se restringe al uso de lodo como fluido de perforación. Por ejemplo, en el caso de perforación fuera de balance (UBD) pueden preferirse otros medios como los fluidos aireados o mezclas aire/vaporización. En una modalidad preferida, se usa un sistema de telemetría en una herramienta (28) abajo del pozo para que se logre la MWD mediante la transmisión de datos desde la herramienta (82) abajo del pozo electromagnéticamente. Debe notarse que mientras la herramienta (28') abajo del pozo se muestra en cercana proximidad con la broca (14) de perforación, debe colocarse en cualquier punto a lo largo de la columna de perforación según se desee. Con referencia ahora a la Figura 2, se muestra la -herramienta (28) abajo del pozo con más detalle. Como se mostró, la herramienta (28) abajo del pozo incluye un aislante (200), una antena (201), un puerto (202) anular, un puerto (204) interno, el módulo (206) de componentes electrónicos, la batería (208) del módulo, un sensor (210) gamma y un sensor (214) direccional, todos ellos envueltos en un cuello (212) de perforación. Sin embargo, debe notarse que los contenidos de la herramienta (28) abajo del pozo, como se muestran, no son una lista exhaustiva de sus contenidos, como puede ser evidente para alguien con habilidad ordinaria en el arte. El aislante (200) separa las porciones superior e inferior de la antena (201) y los datos se transmiten hacia la superficie al inducir una diferencia de voltaje alterno a través del aislante (200) , generando de ese modo la señal electromagnética. En la superficie, la señal electromagnética se recibe preferentemente como un potencial de voltaje entre la columna de perforación conductiva o un electrodo a tierra (no se muestra) . Se pueden proveer uno o más módulos (32) repetidores a lo largo de la columna de perforación para recibir las señales de telemetría electromagnética desde la herramienta (28) abajo del pozo y retransmitirlas a la superficie. Los módulos (32) repetidores preferentemente incluyen ambos un receptor de telemetría electromagnética y un transmisor de telemetría electromagnética. El puerto (202) anular ayuda a medir la presión anular, mientras que el puerto (204) interno ayuda a medir la presión interna. El sensor (210) gamma mide la radiación y el sensor (214) direccional mide la orientación de la columna de perforación. Se provee energía eléctrica a los diversos sensores y componentes electrónicos en la herramienta (28) abajo del pozo mediante el módulo (208) de batería. Las diversas mediciones de los sensores se reportan a los componentes electrónicos en el módulo (206) en donde se procesan. El procesamiento de las señales puede incluir: digitalizar las mediciones análogas del sensor en datos binarios, almacenar la información en la memoria local, comprimir los datos para una transmisión eficiente, así como cualquier otras tareas evidentes para alguien con habilidad ordinaria en el arte. Además, el módulo (206) de componentes electrónicos incluye un transmisor para transmitir los datos usando técnicas de señalización electromagnética, en las cuales el transmisor es preferentemente un transmisor de manipulación por desviación de fase (PSK) . Al igual que contiene un transmisor PSK, el módulo (206) de componentes electrónicos puede contener un receptor PSK que además permita las comunicaciones hacia arriba y hacia abajo del pozo. Como se mostró en la Figura 3, el sistema de telemetría electromagnética PSK puede modelarse usando tres bloques funcionales: un canal (304), un transmisor (302) PSK, y un receptor (306) PSK. Como se mencionó antes, para producir la señal electromagnética se genera una diferencia de voltaje a través del aislante (200) . La señal electromagnética viaja luego hacia la superficie a través de la formación que se está perforando mientras que se le guia a lo largo de la columna de perforación eléctricamente conductiva. En la superficie, la onda electromagnética - se recibe como un potencial de voltaje entre_JLa~ torre (4) de perforación y un electrodo de tierra colocado cerca de la torre de perforación. De ese modo, el canal (304) mediante el cual se comunican el transmisor (302) PSK y el receptor (306) PSK incluye una antena de transmisión, la formación que se está perforando, la columna de perforación actuando para guiar la onda electromagnética y el electrodo receptor. Con referencia ahora a la Figura 4, se muestra un diagrama en bloque que ilustra un posible transmisor (302) PSK. Una corriente de datos binarios, la cual preferentemente se ha procesado y preparado para sú transmisión, se pasa a través del bloque (400) , el cual almacena la corriente de datos en secuencias de bits o grupos de bits. En el bloque (402), a cada secuencia de bits se le traza un mapa para una fase, en donde cada fase corresponde a una sola secuencia de bits, üna de las rutas que viene del bloque (402) contiene el seño de cada pase - que se mezcla con el seno de una señal portadora usando un mezclador . (408) . Otra ruta que viene del bloque (402) contiene el coseno de cada fase que se mezcla con el coseno de una señal portadora usando un mezclador (404) . La salida de los bloques (404) y (408) mezcladores es alimentada hacia un bloque (406) de adición/sustracción, y la señal de salida comprende combinaciones de funciones de seno y coseno las cuales representan la señal que se va a transmitir por el canal (304) . - - La Figura 7 muestra una tarea de secuencias PSK de cuatro fases y se explicará con respecto al transmisor de la Figura 4. En el PSK de cuatro fases, la corriente de datos binarios se parte en grupos de dos bits binarios en donde cada grupo de bits está representado por una fase diferente transmitida. Dado que el número de bits "i" transmitido durante cada intervalo de símbolo equivale a 2, entonces esto hace un total de 2X grupos posibles de bits binarios, o 4. Por lo tanto, debe haber cuarto fases diferentes transmitidas o una de cada grupo de bits. Si por otro lado, hubiera 3 bits binarios por símbolo, esto daría por resultado 23 u 8 grupos posibles de bits, lo cual requeriría cuatro estados de fase diferentes transmitidos. Típicamente, los estados de fase están espaciados de manera equitativa de tal modo que las fases transmitidas para el PSK de cuatro fases estarían separadas 360 °/4 o 90°, de ese modo, un posible arreglo como el que se ve en la Figura 7 es {±45°, ±135°}. La señal transmitida fuera del bloque (406) s(t) es s(t) = Ac eos [6)ct+e ] , (1) i= 1,2,3,4, en donde las fases de los grupos de bits binarios se designan de acuerdo con la Figura 7. La señal transmitida de la Ecuación (1) se puede rescribir usando una identidad trigonométrica de esta forma s(t) = Ac cos9iCOScoct- Acsen6iSenQct . (2) De esta manera, los componentes de cuadratura en fase se-ven fácilmente en la Ecuación (2), y la Figura 7 contiene la señal transmitida durante el intervalo de símbolo. Haciendo referencia ahora a la Figura 5, se muestra un diagrama de bloques que ilustra un posible receptor (306) PSK. La señal de entrada pasa a través de un multiplicador (500) y (502) . El multiplicador mezcla la señal de entrada con la frecuencia del transmisor que contiene una fase diferencial de 90° para producir el componente de cuadratura fq . El multiplicador (502) entretanto mezcla la señal con la frecuencia de transmisión para producir el componente en fase f. Ambos componentes de cuadratura y en fase se pasan a través de los filtros (506) y (508) de paso bajos, respectivamente. En este punto, los componentes de cuadratura y en fase se pueden amplificar, si es necesario, antes de que lleguen al decodificador (510) . La Figura 8 contiene una tarea de regla de decodificación ejemplar para el receptor de acuerdo con la Figura 5 y que usa la tarea de fase de ejemplo de la Figura 7. Debiera mencionarse que el transmisor de la Figura 4 y el receptor de la Figura 5, asi como el ejemplo de PSK de cuatro fases contenidos en la presente pueden no ser óptimos y están pensados con propósitos de discusión solamente. Las actuales aplicaciones MWD tienen un número cada vez mayor de sensores que generan una cantidad cada vez mayor de datos, y esto a menudo crea un cuello de botella de datos debido a que las tasas de datos alcanzables no pueden mantener el ritmo con la creciente salida de datos. Por lo tanto, es deseable mejorar las tasas de datos en la mayoría de los sistemas de telemetría. Con referencia ahora a la Figura 6A, se muestra una transmisión PSK. La transmisión PSK es una transmisión PSK de dos fases con Señal A y Señal B que tienen la misma frecuencias pero están fuera de fase por 180°. Con referencia brevemente a la Figura 6B, se muestra un diagrama en constelación que ilustra los componentes (I) y (Q) en fase y de cuadratura para el sistema de dos fases de la Figura 6A con ? correspondiendo a la Señal A y f2 correspondiendo a la señal B. Como se ha visto- en la - -Figura-_6A/_la Señal A. y la Señal B se transmiten durante el intervalo de símbolo ? y 2 respectivamente, y cada intervalo de símbolo contiene 3 ciclos. Además, cuando se transmite la Señal A representa el bit binario 0 mientras que la Señal B representa el bit binario 1. A la Luz de la Figura 6A, hay varias maneras de mejorar el número de bits transmitidos por unidad de tiempo (es decir, la tasa de datos) . Un método para incrementar la tasa de datos es incrementar la frecuencia de transmisión de modo tal que el tiempo total del intervalo de símbolo se reduzca. Sin embargo, la atenuación y la distorsión de la señal se incrementan significativamente conforme se incrementa la frecuencia de transmisión, determinando límites fundamentales a las mejoras en tasas de datos que se pueden alcanzar mediante el incremento de la frecuencia de transmisión. Por el contrario, la disminución de la frecuencia de transmisión provee la recompensa de una señal electromagnética más fuerte con el riesgo añadido del escalonamiento con los componentes de frecuencia negativa, y esto puede , ser especialmente problemático cuando se trabaja con señales con un ancho de banda elevado. Otro método para incrementar la tasa de datos es mediante el incremento del número estados de fase asignándole asi más bits a cada -intervalo de símbolo. Por ejemplo, si el número- -de - estados -de -fase en la transmisión PSK de la Figura 6A se incrementaron a cuatro, entonces cada intervalo de símbolo contendría dos bits de datos como se explicó previamente con respecto a la Figura 7. Un análisis de las propiedades de la potencia espectral de las señales de fase modulada se presenta ahora con la mirada puesta en el incremento de la tasa de datos . Los siguientes supuestos aplican: • La frecuencia de transmisión para la señal es coc en radianes . • El periodo de un ciclo de transmisión es T. • La fase cambia cada una vez cada N ciclos (N es un número entero positivo) . Hay M estados de fase posibles en donde M es un número entero >1. Para un M dado, las fases permisibles se toman a partir del conjunto • Los datos se codifican en la señal de tal manera que no hay correlación entre los estados de fase. Dados estos supuestos, la densidad de la potencia espectral para una señal se representa en la Ecuación (3) .

Esta expresión es precisa para M > 2. Nótese que debido a la suposición de que no hay correlación entre los estados de fase el caso en el que hay dos estados de fase (ya sea que se correlacionen o no) , se desvia del resultado derivado de la Ecuación (3) . Asumir la Ecuación (3) es preciso, se puede ver que el espectro de potencia de la señal portadora es independiente del número de estados de fase M, y como tal sólo depende el número de ciclos N antes de los cambios de fase y el periodo de un ciclo T. De ese modo, el ancho de banda de la señal no se ve afectado por el incremento del número de estados de fase M. Como se mencionó con anterioridad, la cantidad de ruido se reduce conforme la frecuencia reduce, a pesar de que esto puede dar por resultado en una sobre modulación de la señal, especialmente con señales que tienen un ancho de banda amplio- Sin embargo, a la luz de la derivación de la Ecuación (3), otra metodología para mejorar la tasa - de datos es reducir la frecuencia transmisora CDc mientras que se incrementa el número de estados de fase M. Efectivamente esto da por resultado una mejora de la tasa de datos neta sin el riesgo de incrementar el ancho de banda que pueda provocar escalonamiento . . En la modalidad preferida, la frecuencia de transmisión se deja caer por debajo de las frecuencias típicas de la telemetría electromagnética a fin de minimizar la amplitud de señal recibida. También es deseable elegir la frecuencia de transmisión de modo tal que la señal sufra la menor cantidad de atenuación mientras que se propaga a través de la formación que se está perforando. Por ejemplo, en un pozo de 5Km con una conductividad de lohm/metro, una frecuencia de alrededor de 0.5Hz sería - alrededor de 44dB más fuerte que una señal de 5Hz . Así, las frecuencias de transmisión menores a 1Hz son las deseables en la modalidad preferida. Con el uso del sistema de telemetría PSK revelado, que emplea un número mayor de estados de fase, se puede alcanzar un incremento significativo en la tasa de datos. La Ecuación (5) detalla el efecto del número de estados de fase y frecuencia en la señal para la relación de ruido al ir de una señal en fase con un portador de f0 a una señal con 2N fases que tiene un portador de f±, (en donde fo y f± se expresan en Hz y N es el número de bits transmitidos por ciclo) .

De ese modo, a fin de incrementar el número de bits, se paga un precio en la señal con relación de ruido, pero éste se puede contrarrestar dejando caer la frecuencia, debido a que la señal^ para la relación de ruido se reduce conforme se disminuye la frecuencia. Por ejemplo, si la frecuencia de transmisión se deja caer desde 5Hz a 1Hz y el número de bits por ciclo se cambian de 1 a 10, se espera que haya una pérdida de 43dB en la relación de ruido en la señal a partir de la Ecuación (4). Asi, a fin de hacer realidad los beneficios a un 100% en el incremento de la tasa de datos a pesar de la caída en la SNR (relación señal-ruido, or sus siglas en inglés), el incremento en la fuerza de la señal que proviene de la reducción de la frecuencia a 1Hz debería ser de al menos 43dB. Con referencia ahora a la Figura 9, se muestran los efectos de la frecuencia y la resistividad en la atenuación de una señal de portador que se reduce de 5Hz a 1Hz, como una función de la profundidad y la resistividad . de la formación, y asumiendo una resistividad de formación de lohm por metro y una profundidad de pozo de 5km, se espera que haya un incremento de alrededor a lOOdB. De ese modo, el sistema de telemetría PSK revelado ofrece tasas de datos más elevadas a la vez que supera las desventajas típicamente asociadas con la disminución de la frecuencia de transmisión. El espectro que resulta de la señal PSK es claramente compacta alrededor de la frecuencia de transmisión, lo cual permite que se usen otras frecuencias concurrentemente. Mediante el uso de múltiples frecuencias, se puede transmitir más información hacia la superficie y, por lo tanto, las tasas de datos se pueden incrementar siempre y cuando se alcance una mínima interferencia entre símbolos . Existen muchas relaciones de frecuencias de transmisión ejecutables entre frecuencias múltiples, aunque se cree que una relación de alrededor a 0.5Hz*38/15 o de alrededor a 1.267Hz se pueden usar concurrentemente. Sin embargo, el sistema no se limita de esa manera y puede utilizar muchas frecuencias. Por ejemplo, si la frecuencia de transmisión más baja es de 0.1Hz, entonces una secuencia preferida podría ser de múltiplos de 38/15 veces la frecuencia de transmisión más baja (0.1Hz, 0.2533Hz, 0.64177Hz, 1.6258Hz), y el canal de comunicación principal es preferentemente de 1Hz. Aparte de las técnicas de transmisión de señal PSK, se pueden usar también las técnicas de modulación de amplitud (AM) , en donde la frecuencia de transmisión se ha dejado caer dentro de un régimen en donde las pérdidas de señal debido a la disipación son menores. La modulación de amplitud del portador da por resultado la generación de bandas laterales que incrementan el ancho de banda. Sin embargo, se puede obtener un ancho de banda menor al transmitir una sola banda lateral debido a que contiene la información tal como está contenida en el mensaje original. Los métodos para transmitir modulación de amplitud de banda lateral única son claros para alguien con habilidad ordinaria en el arte, y por lo tanto, no se discuten aqui. En aún otra modalidad, la señal (es) portadora (s) pueden modularse tanto en fase como en amplitud. L modulación puede tomar la forma de Modulación de la Amplitud de Cuadratura (QAM, por sus siglas en inglés) , o la modulación de fase se puede hacer independientemente de la modulación de amplitud. Como ejemplo de este último caso, una de las frecuencias de transmisión (por ejemplo, 0.5Hz) puede modularse en fase con una constelación PSK 32 a 0.25 símbolos por segundo, y modulación de amplitud a cuatro niveles de potencia en 0.125 símbolos por segundo, para un total de tasa de bits de 1.5 bits/seg en un portador. Un ejemplo de una señal así modulada se muestra en la Figura 10. De nuevo, se pueden usar concurrentemente múltiples frecuencias de transmisión. Debe mencionarse que cualquier número de estados de fase mayor a dos puede usarse ventajosamente en el sistema de telemetría electromagnética antes divulgado, y que este número no necésariamente se limita a una potencia de dos. Se pueden usar otras configuraciones de antena, aunque se sigan empleando las técnicas de transmisión aqui divulgadas . Los datos de telemetría se pueden también codificar con un código de corrección de error o se pueden comprimir. Numerosas variaciones y modificaciones serán claras para aquellas personas hábiles en el arte una vez que sea apreciada en su totalidad la anterior divulgación. Se pretende que las siguientes reivindicaciones sean interpretadas para abarcar esas variaciones y modificaciones.

Claims (37)

1. CAPITULO REIVINDICACTORIO
2. Habiendo descrito la -invención, se considera como una novedad, y por lo tanto, se reclama lo contenido en las siguientes : REIVINDICACIONES 1. ün sistema de telemetría abajo del pozo que comprende : Una antena configurada para transmitir señales electromagnéticas de baja frecuencia; y un transmisor PS de manipulación por desviación de fase configurado para recibir señales digitales indicativas de datos de telemetría y configurado para convertir las señales digitales en una señal de transmisión de PSK. Caracterizado porgue el transmisor provee la señal de transmisión a la antena; caracterizado porque la señal de transmisión PSK tiene una frecuencia de transmisión de no más de alrededor a lHzr y caracterizado porque la señal de transmisión PSK tiene una constelación de señal con más" de 4 estados de fase. · 2. El sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque la constelación de señal consiste en 8 estados de fase.
3. 3. El sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque la constelación de señal consiste en 16 estados de fase.
4. 4. El sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque la constelación de señal consiste en 32 o más estados de fase.
5. 5. El sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque la constelación de señal consiste en 256 estados de fase.
6. 6. El sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque la constelación de señal incluye 1024 estados de fase.
7. 7. El sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque la señal de transmisión PSK tiene un periodo de símbolos de al menos alrededor a cuatro ciclos de transmisión.
8. 8. El sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque la señal de transmisión PSK tiene un periodo de símbolos de al menos alrededor a tres ciclos de transmisión.
9. 9. El sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque la señal de transmisión PSK tiene un periodo de símbolos de al menos alrededor a dos ciclos de transmisión.
10. 10. El sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque la frecuencia de transmisión es de alrededor a 0.5Hz.
11. 11. El sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque la .señal de transmisión PSK también se modula en amplitud. 12. On método para registrar datos mientras se perfora, caracterizado porque el método comprende:
12. Perforar un orificio a través de una formación con una broca de perforación- fija a una columna de perforación que incluye un paquete de sensores; detectar señales indicativas de las propiedades de la formación, determinar la información de telemetría a partir de las señales detectadas; proveer la información de · telemetría a un transmisor de PSK; codificar la información de telemetría para obtener una señal de transmisión digital; modular la fase de la señal de transmisión digital' en una señal portadora de baja frecuencia para obtener una señal PSK; y transmitir la señal PSK a la superficie hacia un receptor. Caracterizado porque la señal portadora de baja frecuencia tiene una frecuencia no mayor a 1Hz, y caracterizado porque la señal PSK tiene una constelación de señal con más de cuatro estados de fase.
13. 13. El método de la reivindicación 12, caracterizado porque la constelación de señal incluye 32 estados de fase o más .
14. 14. El método de la reivindicación 12, caracterizado porque la constelación de señal incluye 256 estados de fase.
15. 15. El método de la reivindicación 12, caracterizado porque la constelación de señal incluye 1024 estados de fase.
16. 16. El método de la reivindicación 12, caracterizado porque la frecuencia de transmisión es de alrededor a 0.5HZ .
17. 17. El método de la reivindicación 12, que además comprende :
18. Recibir la señal PSK en la superficie; determinar la • información de telemetría a partir de la señal de PSK recibida; y asociar la información de telemetría con una posición en el paquete de sensores. 18. El método de la reivindicación 12, caracterizado porque la señal de transmisión PSK también se modula en amplitud.
19. 19. Un sistema de telemetría abajo del pozo que comprende : Una antena configurada para transmitir señales electromagnéticas de baja frecuencia; y un transmisor de manipulación por desviación de fase (PSK) configurado para recibir señales digitales indicativas de datos de telemetría y configurado para convertir las señales digitales en una señal de transmisión de PSK. Caracterizado porque la señal de transmisión de PSK provee la señal de transmisión a la antena. Caracterizado porque la señal de transmisión de PSK contiene múltiples frecuencias de transmisión; y caracterizado porque la señal de transmisión de PSK tiene una constelación de señal de más de 4 estados de fase.
20. 20. ^El sistema de la reivindicación 19, caracterizado porque la constelación de señal consiste en 8 estados de fase.
21. 21- El sistema de la reivindicación 19, caracterizado porque la constelación de señal consiste en 16 estados de fase.
22. 22. El sistema de la reivindicación 19, caracterizado porque la constelación de señal consiste en 32 estados de fase o más.
23. 23. El sistema de la reivindicación 19, caracterizado porque la constelación de señal consiste en 256 estados de fase.
24. 24. El sistema de la reivindicación 19, caracterizado porque la constelación de señal consiste en 1024 estados de fase .
25. 25. El sistema de la reivindicación 19, caracterizado porque la señal de transmisión de PS tiene un periodo de símbolos de por lo menos alrededor a cuatro ciclos de transmisión.
26. 26. . El sistema de la reivindicación 19, caracterizado porque la señal de transmisión de PSK tiene un periodo de símbolos de alrededor a tres ciclos de transmisión.
27. 27. El sistema de la reivindicación 19, caracterizado porque la señal de transmisión de PSK tiene un periodo de símbolos de alrededor a dos ciclos de transmisión.
28. 28. El sistema de la reivindicación 19, caracterizado porque la las frecuencias de transmisión se separan por una relación de alrededor a 38/15.
29. 29. El sistema de la reivindicación 19, caracterizado porque la señal de transmisión de PSK también se modula en amplitud.
30. 30. ün método para registrar datos mientras se perfora, caracterizado porque el método comprende: Perforar un orificio a través de una formación con una broca de perforación fija a una columna de perforación que incluye un paquete de sensores; detectar señales indicativas de las propiedades de la formación; determinar la información de telemetría a partir de las señales detectadas; proveer la información de telemetría hacia un transmisor de transmisión; codificar la información de telemetría para obtener una señal de transmisión digital; modular la fase de la señal de transmisión digital en múltiples señales portadoras de baja frecuencia para obtener una señal de transmisión; y transmitir la señal de transmisión a un receptor de superficie .
31. 31. El método de la reivindicación 30, caracterizado porque la señal de transmisión tiene una constelación con más de 4 estados de fase.
32. 32. El método de la reivindicación 31, caracterizado porque las señales portadoras de baja frecuencia múltiples se separan por una relación de alrededor a 38/15.
33. 33. El método de la reivindicación 32, caracterizado porque la constelación de señal incluye 32 estados de fase o más .
34. 34. El método de ' la reivindicación 32, caracterizado porque la constelación de señal incluye 256 estados de fase.
35. 35. El método de la reivindicación 32, caracter z do porque la constelación de señal incluye 1024 estados de fase.
36. 36. El método de la reivindicación 32, que además comprende : Recibir la señal de transmisión en la. superficie; determinar la información de telemetría a partix de la señal de transmisión recibida; y asociar la información de telemetría con una posición del paquete de sensores.
37. 37. El método de la reivindicación 30, caracterizado porque la señal de transmisión también se modula en amplitud.