NL1016341C2

NL1016341C2 - Werkwijze en apparaat voor communicatie met een instrument onder in een boorgat.

Info

Publication number: NL1016341C2
Application number: NL1016341A
Authority: NL
Inventors: Cengiz Esmersoy; Brian Clark; Jean-Michel Hache; William B Underhill
Original assignee: Schlumberger Holdings
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 2000-10-05
Publication date: 2002-08-27
Also published as: NO20005409D0; NO333492B1; CA2320576A1; ID27930A; GC0000143A; AU748573B2; GB2355739B; CA2320576C; EG22537A; GB2355739A; NO20005409L; AU6134300A; NL1016341A1; GB0021360D0

Description

Korte aanduiding: Werkwijze en apparaat voor communicatie met een instrument onder in een boorgat.

De uitvinding heeft betrekking op een apparaat voor 5 communicatie met een instrument onder in een boorgat.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor communicatie met een instrument onder in een boorgat.

Bij de exploratie en productie van olie en gas spelen communicatietechnieken tussen een apparaat bovenaan het boorgat en een 10 instrument onder in het boorgat een rol. Optekenen-tijdens-het-boren (1ogging-whi1e-dri11ing, LWD) of meting-tijdens-het-boren (measurement-while-drill ing, MWD) brengt met zich de transmissie naar het aardoppervlak van metingen onder in het boorgat gemaakt tijdens het boren. De metingen worden in het algemeen gedaan door instrumenten 15 gemonteerd binnen een boorkraag boven de boorkop teneinde informatie te verkrijgen zoals de positie van de kop, olie/gas samenstel-1ing/kwaliteit, druk, temperatuur en andere geofysische en geologische condities. Indicaties van de metingen moeten dan door het boorgat naar boven naar het aardoppervlak worden verzonden. Het is reeds lang een 20 doel geweest om datatransmissiesystemen te ontwikkelen die niet het gebruik van elektrische geleiders vereisen. Het gebruik van elektrische geleiders heeft verschillende serieuze nadelen welke omvatten: (1) omdat de meeste putboringen gebieden omvatten die blootgesteld zijn aan corrosieve vloeistoffen en hoge temperaturen kan 25 een lange levensduur niet worden verwacht van een datatransmissie- systeem dat elektrische geleiders gebruikt; (2) daar de meeste putboringen zich over aanzienlijke afstanden uitstrekken worden datatransmissiesystemen die elektrische geleiders gebruiken in het algemeen niet als kosteneffectief beschouwd, in het bijzonder als derge-30 lijke systemen slechts onregelmatig of op een beperkte wijze worden gebruikt; (3) daar alle putboringen tijdens bedrijf vrije ruimtes definiëren die behoorlijk nauw zijn kan het gebruik van een draad-leidingsgeleider om data te verzenden de vrije ruimte tijdens bedrijf waardoorheen andere putboringbewerkingen worden uitgevoerd verkleinen 35 of verminderen; en (4) daar putboringen typisch een aantal draad- gesneden buisvormige delen gebruiken om buisvormige rijen te vormen 1016341* 2 maakt het gebruik van een elektrische geleider om data binnen de putboring te verzenden het vormen en afbreken van de buisvormige rij tijdens conventionele operaties gecompliceerd.

Dienovereenkomstig is de olie- en gasindustrie afgestapt 5 van het gebruik van datatransmissiesystemen met elektrische geleiders (vaak genoemd "harde bedrading" ("hardwire") of "draadleiding" ("wire-line") systemen) en in de richting van het gebruik van draadloze systemen om data binnen de putboring te verzenden. De meest gebruikelijke opzet voor het verzenden van meetinformatie maakt gebruik van de 10 boorvloeistof binnen het boorgat als een transmissiemedium voor akoestische golven, welke zijn gemoduleerd teneinde de meetinformatie te representeren. Typisch wordt boorvloeistof of "mud" naar beneden gecirculeerd door de boorkolom en de boorkop en naar boven door de ringvormige opening gedefinieerd door het deel van het boorgat dat de 15 boorkolom omgeeft. De boorvloeistof verwijdert niet alleen geboord materiaal en handhaaft niet alleen de gewenste hydrostatische druk in het boorgat maar koelt ook de boorkop. In een species van de boven aangehaalde techniek onderbreekt een akoestische zender onder in het boorgat, bekend als een roterende klep of "mud sirene" herhaaldelijk 20 de stroming van de boorvloeistof en dit veroorzaakt dat een variërende drukgolf wordt opgewekt in de boorvloeistof op een frequentie die evenredig is met het onderbrekingstempo. Optekendata wordt verzonden door de akoestische draaggolf te moduleren als functie van onder in het boorgat gemeten data.

25 Een type MWD techniek genaamd "Vertical Seismic Profiling (VSP)" brengt met zich het gebruik van een seismische bron en sensoren, samen met een geheugen en rekeninrichting voor het opslaan en bewerken van de ontvangen seismische signalen. Amerikaans octrooi nr. 5.585.555 beschrijft een werkwijze en apparaat voor het uitvoeren 30 van VSP-metingen waar de seismische bron geplaatst is op of in de nabijheid van het oppervlak van de aarde (of water). Signalen opgewekt door de bron worden gedetecteerd door hydrofonen of geofonen geplaatst in de nabijheid van de bron aan het oppervlak en in de boorkolom. De geofonen of de hydrofonen in de boorkolom verzenden de gedetecteerde 35 signalen naar een geheugen- en rekeneenheid in de boorkolom die de signalen geheel of gedeeltelijk bewerkt en verzendt naar de centrale , , η 1 3 gegevensbewerkingseenheid op de installatie. De hydrofonen of geofonen aan het oppervlak verzenden tegelijkertijd de gedetecteerde signalen naar de centrale gegevensbewerkingseenheid aan het oppervlak terwijl chronometers identieke tijden tonen verbonden aan de bron en aan de 5 geheugen- en rekeneenheid in de boorkolom maken een precieze be rekening van de reistijd van de seismische signalen tussen de bron en de geofonen of hydrofonen in de boorkolom mogelijk.

Volgens de voorkeursuitvoeringsvorm van het Amerikaanse 5.585.556 octrooi wordt circulatie van de boorvloeistof onderbroken 10 als de sensoren in de boorkolom geactiveerd zijn voor de registratie van geluidssignalen afgegeven door de seismische bron. In de volgende 60-120 seconden zal de geheugen- en rekeneenheid alle signalen verwerven van de sensoren in de boorkolom. De signalen bevatten zowel de uitgezonden als de gereflecteerde golfvormen. De bronnen moeten binnen 15 een vast tijdsinterval van hun informatie worden ontladen. Na dit tijdsinterval wordt de inhoud van de geheugeneenheid gekopieerd naar de rekeneenheid en wordt bewerkt om het aantal schoten te bepalen, de gemiddelde aankomsttijd en de gemiddelde amplitude van de eerste aangekomen signalen. Deze informatie kan worden teruggestuurd naar het 20 oppervlak onder gebruikmaking van MWD telemetrie terwijl de boorvloeistof weer in circulatie wordt gebracht. Alternatief kan de informatie worden opgeslagen in een geheugen en worden opgehaald als het instrument uitgeschakeld en uit het boorgat gehaald wordt.

Een nadeel van de werkwijze beschreven door het Amerikaanse 25 octrooi 5.585.556 is dat er geen werkwijze is beschreven voor het communiceren met het instrument onder in het boorgat om aan het instrument onder in het boorgat mee te delen dat VSP schoten gaan beginnen. Daar de verkrijging van data onder uit het boorgat niet- discriminatoir is als de circulatie gestopt is, d.i. het merendeel van 30 de opgeslagen data omvat geen bruikbare signaal informatie; het instrument onder in het boorgat ontvangt continu akoestische golfvormen en slaat continu akoestische golfvormen op zonder enig onderscheid aan te brengen. Omdat MWD telemetrie een zeer smalle band breedte heeft, d.i. één bit per seconde, kan de verzending van 35 onbruikbare informatie de verzending van waardevolle data van andere LWD instrumenten vertragen. Tenslotte wordt tijd verspild, en omdat de J01ö3'> u .....fin 4 kosten van boorkraantijd, in het bijzonder offshore boorkraantijd, extreem hoog zijn is tijd van essentieel belang bij het verkrijgen van meetinformatie onder uit het boorgat. Bovendien zal het, hoewel het mogelijk is om alle verkregen data op te slaan in een geheugen onder 5 in het boorgat, het merendeel van het geheugen verspild zijn en het instrument zal vaker dan gewenst buiten bedrijf moeten worden gesteld.

Amerikaans octrooi nr. 5.579.283 beschrijft een werkwijze en apparaat voor het communiceren met gecodeerde boodschappen bij een putboring. De werkwijze gebruikt zend- en ontvangapparatuur die in 10 contact staat met de vloeistof in de putboring om gecodeerde druk-pulsen te versturen naar instrumenten onder in het boorgat. Een nadeel van de werkwijze beschreven in Amerikaans octrooi 5.579.283 is dat de communicatietechniek de bedrijfstoestand van het instrument onder in het boorgat verandert.

15 Derhalve blijft er een noodzaak voor een techniek om te communiceren met een instrument onder in het boorgat op een efficiënte wijze die onderscheid maakt tussen signaaldata, representatief voor een echt signaal afkomstig van een geselecteerde signaalbron en niet bruikbare data.

20 Doel van de uitvinding is het verschaffen van werkwijzen en apparatuur voor verbeterde communicatie met een instrument onder in het boorgat vanaf een signaalbron geplaatst bovenaan het boorgat of op een verwijderde locatie.

Doel van de uitvinding is eveneens om werkwijzen en 25 apparatuur te verschaffen voor het verkrijgen van signaaldata bij een instrument onder in het boorgat die onderscheiden tussen data representatief van een werkelijk bronsignaal en niet bruikbare data.

Eveneens is het doel van de uitvinding om werkwijzen te verschaffen om VSP metingen te maken die beter zijn en de tijd meer 30 efficiënt gebruiken dan de werkwijzen volgens de stand der techniek.

Het is ook een doel van de uitvinding om werkwijzen te verschaffen voor het instrueren van een instrument onder in het boorgat om een specifieke actie of werkwijze uit te voeren door middel van effectieve communicatie.

- n 1 o 'j r ’ .

5

Overeenkomstig deze doelstellingen, die hieronder in detail zullen worden beschreven, omvat het apparaat volgens de onderhavige uitvinding uitrusting bovenaan en onder in het boorgat.

Een apparaat volgens de uitvinding is daartoe gekenmerkt 5 door een signaal bron bovenaan het boorgat, een programmeerbaar triggersysteem gekoppeld aan de signaalbron bovenaan het boorgat, een klok bovenaan het boorgat gekoppeld aan het programmeerbare triggersysteem, een ontvanger onder in het boorgat binnen het instrument onder in het boorgat, signaalbewerkingsmiddelen onder in het boorgat 10 gekoppeld aan de ontvanger onder in het boorgat voor het bewerken van signaaldata ontvangen door de ontvanger, geheugen onder in het boorgat gekoppeld aan de signaalbewerkingsmiddelen en een klok onder in het boorgat gekoppeld aan de signaalbewerkingsmiddelen, welke signaalbewerkingsmiddelen middelen omvatten voor het optekenen van signaal-15 data ontvangen door de ontvanger in het geheugen en vergelijkings- middelen om te bepalen of opgeslagen signaaldata een signaal afkomstig van een werkelijke bron representeren.

Een werkwijze volgens de uitvinding wordt daartoe gekenmerkt door het volgens een schema afvuren van een signaalbron 20 bovenaan het boorgat, door het ontvangen van signaaldata bij het instrument onder in het boorgat volgens het schema, het vergelijken van genoemde signaaldata met elkaar om te bepalen of de signaaldata een signaal van een werkelijke bron representeren en het bewerken van de signaaldata waarvan bepaald is dat ze signalen van een werkelijke 25 bron representeren.

De uitrusting bovenaan het boorgat omvat een signaalbron, zoals een seismische bron, (of matrix) gekoppeld aan een programmeerbaar trigger- of vuursysteem en een klok. Optioneel kan de uitrusting bovenaan het boorgat ontvangers omvatten (zoals akoestische ont-30 vangers) voor het opvangen van referentiesignalen nabij de bron en kan telemetrie-uitrusting omvatten voor het ontvangen van MWD signalen van de uitrusting onder in het boorgat. De uitrusting onder in het boorgat omvat één of meer ontvangers, bij voorkeur akoestische ontvangers, signaalbewerkingsuitrusting, geheugen en een klok. Optioneel kan de 35 uitrusting onder in het boorgat ook andere sensoren omvatten zoals

101 634'KS

6 stromingssensoren en bewegingssensoren evenals MWD telemetrie-uit-rusting voor het verzenden van data naar het oppervlak.

De communicatiemethoden van de onderhavige uitvinding omvatten het aanzetten van een signaal bovenaan het boorgat dat zal 5 worden herkend door het instrument onder in het boorgat. Als het signaal eenmaal is herkend voert het instrument onder in het boorgat een specifieke actie of bewerking uit in respons daarop. De uitvinding omvat, maar is niet beperkt tot, het nauw synchroniseren van de optekening van signalen gedetecteerd onder in het boorgat met het 10 afvuren van de signaalbron (aan het oppervlak of op een verwijderde locatie) en het bewerken van de opgetekende signaaldata om niet-bruikbare informatie te elimineren. Het optekenen onder in het boorgat van signaaldata kan continu gebeuren of individuele optekeningen als functie van de tijd kunnen worden vastgelegd volgens een schema dat 15 verbonden is met het schema van de mogelijke activering van de bron.

Er wordt aangenomen dat geen signaaldatametingen zullen worden gemaakt tijdens het boren, terwijl de boorpijp beweegt of terwijl er "mud" circuleert. Volgens dit aspect stellen stromingssensoren en bewegingssensoren onder in het boorgat de signaal-20 bewerkingsuitrusting in staat om te bepalen wanneer signaaldata representatief van werkelijke signalen afkomstig van de bron moeten worden opgetekend. Als de stromingssensoren en bewegingssensoren onder in het boorgat aangeven dat het boren is gestopt en de circulatie van de "mud" onderbroken is zal de signaalbewerkingsuitrusting beginnen om 25 signaaldata, ontvangen van de ontvangers, op te nemen. Daar echter niet kan worden aangenomen dat signaalmetingen zullen worden uitgevoerd telkens wanneer het boren is gestopt en de "mud" circulatie is onderbroken verschaft de uitvinding additionele middelen om aan het instrument onder in het boorgat mee te delen dat het de bedoeling is 30 dat signaalmetingen gaan worden gemaakt.

De werkwijzen volgens de uitvinding verschaffen verschillende algoritmen voor de herkenning van een signaal van een werkelijke bron, waardoor feitelijke signaaldata-informatie onttrokken wordt aan de optekeningen van de ontvangers zodat de uiteindelijk 35 opgeslagen data compact zijn en voor vrijwel 100% bruikbaar. Deze eliminatie van niet bruikbare data bespaart waardevolle telemetrietijd Ί 7 en/of stelt het apparaat in staat langer te werken voordat het buiten bedrijf moet worden gesteld om opgeslagen data op te halen.

Volgens de werkwijzen volgens de uitvinding worden na elkaar opgenomen signaaldata van de ontvangers met elkaar vergeleken 5 om te bepalen of zij "op elkaar lijken". Na elkaar opgetekende signaaldata kunnen worden afgeleid door optekenmonsters te halen uit een bewegend tijdvenster over een continue optekening of door individuele tijdoptekeningen op te nemen overeenkomstig een schema dat gesynchroniseerd is met een schema van mogelijke activering van de 10 bron. Het is niet nodig om een catalogus van "bruikbare" of "niet- bruikbare" signaaldata te hebben onder in het boorgat omdat opeenvolgend opgetekende signaaldata opzettelijk gelijkend kunnen worden gemaakt met herhaalde activering van de bron aan het oppervlak volgens een vooraf bepaald schema dat bekend is aan het instrument onder in 15 het boorgat.

Volgens een ander aspect van de uitvinding worden gelijkenismetingen verder bewerkt om waarden te geven tussen 0 en 1 (een eerste waarschijnlijkheid) en wordt een waarschijnlijkheidsanalyse gebruikt om te bepalen of een optekening een signaal van een werke- 20 lijke bron representeert.

Volgens nog een ander aspect van de uitvinding wordt de selectie van optekeningen verbeterd door elke optekening in meerdere tijdvensters op te delen. Elke optekening wordt bij voorkeur in twee tijdvenster opgedeeld, waarvan één ruis bevat en de ander het signaal 25 van een werkelijke bron kan bevatten. Dit wordt geïmplementeerd door de klokken onder in het boorgat en aan het oppervlak te synchroniseren voor een nauwkeurige partitionering van de optekeningen onder in het boorgat. De "energie" bevat in elk venster wordt berekend en de energie worden gecombineerd op een zodanige wijze dat een tweede 30 signaalwaarschijnlijkheid wordt verkregen. De eerste waarschijnlijk heid en de tweede waarschijnlijkheid worden vermenigvuldigd om een derde waarschijnlijkheid te verkrijgen die wordt gebruikt om de aanwezigheid of afwezigheid van een werkelijk signaal te bepalen.

Additionele doelen en voordelen van de uitvinding zullen 35 duidelijk worden aan de vakman onder verwijzing naar de gedetailleerde beschrijving in samenhang met de bijgevoegde tekeningen, waarin: 101 634 j-a 8

Figuur 1 een schematisch weergave is van een als voorbeeld dienende offshore installatie welke de uitvinding omvat.

Figuur 2 is een vereenvoudigd blokdiagram van de uitrusting aan het oppervlak van het apparaat volgens de uitvinding.

5 Figuur 3 is een vereenvoudigd blokdiagram van de uitrusting onder in het boorgat van het apparaat volgens de uitvinding.

Figuur 4 is een voorbeeld van geselecteerde signaaldata gedurende een typische booroperatie welke sporen vertoond met signaal en ruis volgens de uitvinding.

10 Figuur 5 is een schematisch diagram van de signaaldata- correlatietechniek overeenkomstig de uitvinding.

Figuur 6 is een voorbeeld van gecorreleerde signaaldata overeenkomstig de uitvinding.

Figuur 7 is een voorbeeld van het uitgangssignaal van een 15 coherentieberekening volgens de uitvinding.

Figuur 8 is een voorbeeld van signaal en ruisschattingen overeenkomstig de uitvinding.

Figuur 9 is een stroomdiagram van een werkwijze volgens de uitvinding.

20 Figuur 10 is een grafiek van de waarschijnlijkheids berekeningen van de sporen van figuur 4 overeenkomstig de uitvinding.

Verwijzend naar figuren 1 tot 3 omvat een apparaat volgens de uitvinding uitrusting 10 bovenaan het boorgat en uitrusting 12 onder in het boorgat. De uitrusting bovenaan het boorgat omvat een 25 signaalbron (of matrix) 14 gekoppeld met een afvuursysteem 16, een programmeerbare processor 18 en een klok 20 gekoppeld aan de processor. Één uitvoeringsvorm van de uitvinding omvat een seismische signaalbron 14. In de weergave van figuur 1 zijn het afvuursysteem, de processor en de klok geplaatst op een offshore boorinstallatie 22 en 30 is de seismische matrix 14 ingezet nabij de installatie dicht aan het oppervlak van het water. Bij voorkeur omvat de uitrusting 10 bovenaan het boorgat akoestische ontvangers 24 en een recorder 26 voor het opvangen van referentiesignalen nabij de bron. De uitrusting 10 bovenaan het boorgat omvat verder bij voorkeur telemetrie-uitrusting 35 28 voor het ontvangen van MWD signalen vanaf de uitrusting onder in het boorgat. De telemetrie-uitrusting 28 en de recorder 26 zijn bij 9 voorkeur gekoppeld aan de processor 18 zodat optekeningen kunnen worden gesynchroniseerd onder gebruikmaking van de klok 20.

De uitrusting 12 onder in het boorgat omvat één of meer ontvangers 30, signaalbewerkingsuitrusting 32, geheugen 34 en een klok 5 36. Één uitvoeringsvorm van de uitvinding omvat akoestische ontvangers 30. De ontvangers 30, klok 36 en geheugen 34 zijn gekoppeld aan een signaalprocessor 32 doordat optekeningen kunnen worden gemaakt van signalen gedetecteerd door de ontvangers synchroon met het afvuren van de signaal bron 14. Bij voorkeur omvat de uitrusting 12 onder in het 10 boorgat ook een bewegingssensor 31, een "mud" stromingssensor 33 en MWD telemetrie-uitrusting 38 voor het verzenden van data naar de uitrusting 10 bovenaan het boorgat. Zoals weergegeven in figuur 1 is de uitrusting 12 onder in het boorgat gehuisvest in een instrument 40 onder in het boorgat die deel uitmaakt van een boorkolom welke getoond 15 is terwijl hij een boorgat beneden de oceaanbodem doorsnijdt. De klokken 20 en 36 zijn bij voorkeur nauwkeurig genoeg zodat ze binnen een paar milliseconden van elkaar blijven zolang het apparaat in werking is.

De communicatietechnieken volgens de uitvinding omvatten 20 het identificeren van de signaaldata (zoals akoestische golfvormen) die onder in het boorgat worden gedetecteerd met het afvuren van de signaal bron 14 en het bewerken van de golfvormen om niet bruikbare informatie te elimineren. Dit wordt bereikt door de gedetecteerde signaaldata te segmenteren in tijdvensters of sporen van eindige duur 25 en de data te vergelijken. Met andere woorden de gedetecteerde signaaldata worden gepartitioneerd of opgedeeld in specifieke gebeurtenissen gedefinieerd door een specifieke tijdsperiode. Alhoewel de lengte van de periode kan worden gevarieerd wordt elk spoor bij voorkeur gedefinieerd door eenzelfde tijdperiode geassocieerd met het 30 afvuurschema van de signaal bron 14.

De processor 18 is geprogrammeerd om ervoor te zorgen dat het afvuursysteem 16 de signaalbron 14 activeert volgens een schema dat bekend is aan de uitrusting 12 onder in het boorgat. Bijvoorbeeld zal, zoals hieronder beschreven onder verwijzing naar figuur 4, het 35 afvuursysteem 16 opeenvolgend de signaalbron 14 zestien maal activeren met een vijftien seconden pauze tussen elk afvuring en dan niet weer 10 totdat het systeem onder in het boorgat verschoven is naar een andere diepte. Het systeem onder in het boorgat verzamelt periodiek data met optekeningen van drie seconden die volgens schema vijftien seconden uit elkaar liggen. Elk zodanig verzamelen vindt daarom op een vooraf 5 bepaalde tijd plaats als er een mogelijkheid is dat activering van bron 14 kan plaatsvinden.

De werkwijze volgens de uitvinding omvat verschillende algoritmen voor signaalherkenning waarbij werkelijke signaal informatie onttrokken wordt aan de optekeningen van de ontvangers 30 zodat de 10 uiteindelijke opgeslagen data compact is en praktisch voor 100% bruikbaar. Deze eliminering van niet bruikbare data houdt waardevolle telemetrietijd in stand en/of maakt het mogelijk dat het apparaat langer werkzaam is voordat het moet worden uitgeschakeld om opgeslagen data eruit te halen door het geheugen efficiënt te gebruiken. Zoals 15 hierboven genoemd en afhankelijk van de nauwkeurigheid van het signaalherkenningsalgoritme kan het de voorkeur verdienen om signaalbewerking uit te voeren slechts dan wanneer de bewegings- en stromingssensoren aangeven dat het boren gestopt is en dat de "mud" stroming onderbroken is.

20 Figuur 5 toont een signaalherkenningstechniek voor echte signalen volgens de uitvinding. Een correlatie-algoritme wordt gebruikt om na elkaar opgetekende signaaldata van de ontvangers 30 te vergelijken. Elk opgetekend spoor (1, 2, 3, 4...) is een tijds interval, bijvoorbeeld drie seconden, dat gesynchroniseerd is met het 25 schema van het afvuursysteem 15 bovenaan het boorgat zodat, als een signaal wordt opgewekt, het wordt opgevangen in een optekening. Nauwkeurige synchronisatie is slechts noodzakelijk als absolute tijdinformatie nodig is. Anders kan basiscommunicatie worden verkregen door het eenvoudig segmenteren van een continue optekening in opeen-30 volgende tijdvensters met een duur gelijk aan de periode van de activering van bron 14. Bij voorkeur dient het eerste monster van een gesegmenteerd spoor onmiddellijk te volgen op het laatste monster van het voorgaande spoor. Correlatieconcepten zijn verder beschreven in A. V. 0ΡΡΕΝΗΕΙΜ EN R. W. SCHAFER, DIGITAL SIGNAL PROCESSING 556 35 Prentice-Hall 1975.

11

De basiscorrelatietechniek behelst het correleren van signaaldata van na elkaar opgetekende sporen, bijvoorbeeld sporen ("X") en ("ƒ"). Het eerste spoor x kan een optel of een gemiddelde zijn van geaccumuleerde signaaldata golfvormen waarvan bepaald is dat 5 ze een werkelijk signaal hebben (door de iteratieve technieken van de hieronder beschreven uitvinding) voorafgaand aan de accumulatie van spoor y. Voor het geval er slechts twee sporen x en y zijn accepteert de werkwijze X als een enkel opgetekend spoor en keert ook weer terug naar dit geval nadat een spoor is opgetekend dat geen werkelijk 10 signaal als inhoud heeft. Bovendien worden de sporen x, y genomen als ingangssignalen voor coherentie en signaal-ruisdecompositiewerkwijzen. In het volgende worden de sporen x, y geschreven als x; en y,, waar 1 een tijdindex is.

Voor N monsters van sporen x, y wordt de correlatie 15 berekend zoals getoond in vergelijking (1) hieronder.

Cxy(m)= (!) /7=0

Het toepassen van deze vergelijking op een set optekeningen verkregen 20 van de ontvangers 30 onder in het boorgat levert de golfvorm van het type getoond in figuur 6. De correlatiegolfvorm getoond in figuur 6 toont een gedeelte met een werkelijk signaal in het tijdvenster Ts en een ruisgedeelte in het tijdvenster Tn. De waarschijnlijkheid dat een bronsignaal werkelijk aanwezig is in het tijdvenster Ts wordt gemeten 25 door de verhouding te berekenen van de kwadratisch gemiddelde (RMS) amplitude binnen de twee vensters zoals getoond in vergelijking (2) hieronder en dat uitdrukkend als een waarschijnlijkheid P.

30 P — ‘ i 'vr' (2) t„ L· '>' 7;

De waarschijnlijkheid P wordt vergeleken met een vooraf bepaalde drempel om te bepalen of activering van bron 14 heeft plaats gevonden. 35 Als de waarschijnlijkheid de drempelwaarde overschrijdt kan de \ Π ···. 5 1 12 processor 32 onder in het boorgat passende actie ondernemen en is basiscommunicatie bereikt.

Volgens een ander aspect van de uitvinding worden de sporen x, y van de opeenvolgende opgetekende signaaldata geanalyseerd op 5 "coherentie", een bekende maat voor gelijkenis. Coherentie-analyse wordt verder beschreven in S.L. MARPLE JR., DIGITAL SPECTRAL ANALYSIS WITH APPLICATIONS 390 Prentice-Hall 1987. De coherentiefunctie wordt hieronder getoond als vergelijking (3) waarin Pxy de spectrale ver-mogensdichtheid is (zoals bekend aan de vakman) en ƒ de frequentie. De 10 coherentiefunctie wordt berekend voor elke frequentie en levert een waarde tussen 0 en 1 welke aangeeft hoe goed bij welke frequentie het ingangssignaal X overeenkomt met het ingangssignaal y.

Co 1 pM

15 XyU) PM)Pyyif) (3)

Figuur 7 illustreert een typische coherentiefunctie. Als de functie varieert tussen 0 en 1 kan hij worden gebruikt om de waarschijnlijkheid te bepalen dat in een optekening een werkelijk signaal 20 aanwezig is. De waarschijnlijkheid dat opeenvolgende optekeningen eerder een werkelijk signaal bevatten dan ruis wordt berekend volgens vergelijking (4) hieronder, welke een gemiddelde is van de coherentiefunctie binnen een frequentieband Δ/.

25 P = ~k Σ, COrAf) (4) l\{

De frequentieband Δ/ wordt gekozen volgens bekende karakteristieken van het specifieke signaal dat wordt opgewekt door de signaalbron 14, d.i. seismische signaalkarakteristieken. Zoals in de correlatie-30 techniek volgens de uitvinding wordt de waarschijnlijkheid P ver geleken met een vooraf bepaalde drempel om te bepalen of activering van bron 14 heeft plaats gevonden. Als de waarschijnl i jkheid P de drempelwaarde overschrijdt kan de processor 32 onder in het boorgat geschikte actie ondernemen en is basiscommunicatie bereikt.

35 Nog een ander aspect van de uitvinding is gebaseerd op decompositie van signaal en ruis. Er wordt aangenomen dat elke i v 13 optekening een component van een werkelijk signaal bevat en een ruiscomponent. Volgens deze techniek wordt het signaal geschat door de som van de x en y sporen te nemen en wordt de ruis geschat door het verschil tussen de x en y sporen te nemen. Figuur 8 illustreert de 5 resultaten van deze som- en verschil berekeningen. Het bovenste signaal s is de som van de x en y sporen en het onderste signaal n is het verschil tussen de x en y sporen.

De signaal en ruis decompositietechniek wordt verfijnd door een tijdvenster te kiezen {Ts in figuur 8) waarbinnen een werkelijk 10 signaal wordt verwacht (het is bekend dat het een of andere vroege deel van de signaaldatagolfvorm op geen enkele wijze een signaalinhoud kan hebben vanwege de nauwe synchronisatie van de systemen bovenaan het oppervlak en onder in het boorgat) door de signaal energie te berekenen onder gebruikmaking van vergelijking (5) hieronder, 15 s = iXs2 (5) ·/; door een eerste ruisenergie te berekenen onder gebruikmaking van vergelijking (6) hieronder, 20 lr , Λ'~ίΓ?” (6) en door een eerste waarschijnlijkheid voor het hebben van een inhoud van een werkelijk signaal te vinden onder gebruikmaking van verge-25 lijking (7) hieronder die de verhouding is van werkelijk signaal tot werkelijk signaal plus ruis (7) 30

De signaal en ruis decompositietechniek zowel als elk van de andere bovenbeschreven technieken wordt verder verbeterd door de signaalenergie te berekenen in het verwachte ruisvenster Tn zoals getoond in vergelijking (8) hieronder.

35 14 ν,=±Σ*3 (8) Ιη Τ„

Met de vergelijkingen (5) en (8) wordt een tweede waarschijnlijkheid dat werkelijk signaal aanwezig is berekend onder gebruikmaking van 5 vergelijking (9) hieronder.

S

(9) s + a2

De vakman zal onderkennen dat de totale waarschijnlijkheid dat een 10 werkelijk signaal aanwezig is in de optekeningen wordt gevonden door het product te nemen van P, en P2. De aldus beschreven werkwijze kan worden gebruikt om twee signaaldatagolfvormen tegelijkertijd te vergelijken. Zoals in meer detail hieronder zal worden beschreven maakt de uitvinding het mogelijk om meer golfvormen tegelijkertijd te 15 vergelijken.

Zoals getoond in figuur 9 begint de communicatiemethode volgens de uitvinding met het accumuleren van optekeningen van signaaldata op 110. Signaaldata kunnen onmiddellijk terzijde worden geschoven indien de sensoren op 112 stroming van "mud" of op 114 20 beweging aangeven. Figuur 4 toont een selectie van signaaldatagolf- vormen opgetekend overeenkomstig de uitvinding. In het bijzonder toont figuur 4 optekeningen genummerd 260 tot 300 waarbij elk een 3 seconden optekening is. De vakman zal beseffen dat optekeningen 260 tot 272 en optekeningen 289 tot 300 geen enkel werkelijk signaal bevatten en 25 slechts ruis zijn. Optekeningen 273 tot 288 tonen duidelijk aan dat zij signalen van een werkelijk bron bevatten. Vanwege de nauwe synchronisatie van de bron en de recorders (bovenbeschreven) is het in dit voorbeeld bekend dat een werkelijk signaal niet dient te worden gedetecteerd binnen één seconde van het opnemen. Evenzo dient de 30 eerste ene seconde van elke optekening ruis te bevatten. Nadat alle optekeningen zijn geaccumuleerd (of nadat een voldoende aantal optekeningen is geaccumuleerd) wordt elke optekening verdeeld in twee tijdvensters Tn (de eerste ene seconde) en Ts (de rest van de optekening) zoals getoond in stap 116 in figuur 9. De volgende stappen 35 worden uitgevoerd voor ieder glijdende groep van M optekeningen zoals aangeduid met 118 in figuur 9.

') 0 'ï h £ ^ : 15

Zoals getoond bij 120 in figuur 9 wordt een berekening van de gelijkenis (P2) slechts uitgevoerd in de Ts vensters met een glijdende groep van een aantal M sporen overeenkomstig vergelijking (10). Verdere beschrijving van gelijkenisberekeningen kan worden 5 gevonden in N.S. Neidal! en M.T. Taner, Semblance and Other Coherency Measures for Multichannel Data, 34 GEOPHYSIC 1971, 482-97.

ς(ς,)2 ^-Sr- (ίο) ίο ΜΣΣχ· , =i r,

De volgende stap bij 122 is het berekenen van de ruisenergie /V* in de ruisvensters Tn overeenkomstig vergelijking (11) en bij 124 om de signaal energie S* in het werkelijke signaal venster Ts te 15 berekenen overeenkomstig vergelijking (12) zoals hieronder getoond.

1 ( Λ/ V

ου Λ, r„ ν /=1 its

1 ( Μ V

ί·-7ΣΣ«. uzi 7 * η V <=ι / 25

De volgende stap bij 126 is om de verhouding te berekenen van de energie aan werkelijk signaal en de energie aan werkelijk signaal met ruis om een tweede waarschijnlijkheid te verkrijgen zoals getoond in vergelijking (13) en dan bij 128 het product van P} en P2 te berekenen.

30 s- S +N (13)

Figuur 10 toont het product van P2 en P2 over het bereik van optekeningen getoond in figuur 4 waar berekeningen werden gemaakt 35 onder gebruikmaking van M=3 (d.i. berekeningen werden gemaakt onder gebruikmaking van de glijdende groep van drie optekeningen tegelijker- 16 tijd). De getallen op de X-as in figuur 10 komen overeen met de getallen op de Y-as van figuur 4, vermindert met 259, d.i. spoor 260 in figuur 4 komt overeen met spoor nummer 1 in figuur 10. Overeenkomstig de uitvinding wordt een vooraf bepaalde drempelwaarde P 5 (bijvoorbeeld 0,7) gebruikt om te beslissen op grond van de resultaten weergegeven in figuur 10 welke van de optekeningen signalen van een werkelijke bron bevatten. Zoals getoond bij 130 in figuur 9 wordt elk verkregen product vergeleken met de drempel. Als het de drempel overschrijdt wordt de optekening opgeslagen bij 132. Als het de 10 drempel niet overschrijdt wordt de optekening bij 134 verworpen.

Als eenmaal is bepaald welke signaaldata-optekeningen signalen van een werkelijke bron voorstellen kunnen dan specifieke bewerkingen worden uitgevoerd op de representaties van de data (d.i. de golfvormen) om een antwoord voor te bereiden om te worden verzonden 15 naar het oppervlak met behulp van MWD telemetrie of door andere in het vakgebied bekende modi. Daarom brengt het activeren van de bron 14 volgens een vooraf bepaald schema basiscommunicatie tot stand die aan het instrument 40 onder in het boorgat aangeeft dat het een specifieke actie of bewerking dient uit te voeren. Zoals getoond in figuur 9 20 werkt het algoritme in een lus die wordt herhaald als nieuwe signaal-data wordt opgenomen.

Het zal worden beseft door de vakman die het voordeel heeft van deze beschrijving dat de communicatietechnieken volgens de uitvinding niet beperkt zijn tot een specifiek type signaaltransmissie 25 tussen uitrusting bovenaan en uitrusting onder in het boorgat. Een systeem overeenkomstig de uitvinding kan worden geïmplementeerd onder gebruikmaking van verschillende signaalopwekking/-transmissiemiddelen, inclusief seismische, EM telemetrie of drukvariaties in de boorpijp.

Voor het doel van deze beschrijving zal duidelijk worden 30 begrepen dat het woord "omvattend" betekent "omvattend maar niet beperkt tot" en dat het woord "omvat" een overeenkomstige betekenis heeft.

Hierin zijn verschillende uitvoeringsvormen van werkwijzen en apparaten beschreven en getoond voor efficiënte communicatie met 35 een instrument onder in het boorgat. Alhoewel specifieke uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn beschreven is het niet de bedoeling dat 101 Be-,.

17 de uitvinding daartoe is beperkt en het is de bedoeling dat de uitvinding zo breed zij in omvang als toelaatbaar is volgens de stand der techniek en dat de beschrijving op dezelfde wijze wordt gelezen. Daarom zal worden beseft door de vakman dat nog andere modificaties 5 zouden kunnen worden gemaakt aan de verschafte uitvinding zonder af te wijken van de aldus geclaimde omvang.

Claims

1. Apparaat voor communicatie met een instrument onder in een boorgat gekenmerkt door een signaal bron bovenaan het boorgat, een 5 programmeerbaar triggersysteem gekoppeld aan de signaalbron bovenaan het boorgat, een klok bovenaan het boorgat gekoppeld aan het programmeerbare triggersysteem voor het volgens een schema activeren van het systeem, een ontvanger onder in het boorgat binnen het instrument onder in het boorgat, signaalbewerkingsmiddelen onder in het boorgat gekoppeld aan de 10 ontvanger onder in het boorgat voor het bewerken van signaal data ontvangen door de ontvanger, geheugen onder in het boorgat gekoppeld aan de signaalbewerkingsmiddelen en een klok onder in het boorgat gekoppeld aan de signaalbewerkingsmiddelen waarin de signaalbewerkingsmiddelen middelen omvatten voor het optekenen van signaal data ontvangen door de 15 ontvanger in het geheugen volgens het schema en vergelijkingsmiddelen voor het bepalen of opgetekende signaal data een signaal van een werkelijke bron representeren.

1 8

2. Apparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de signaalbron een seismische bron is en de ontvanger een akoestische 20 ontvanger is.

3. Apparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vergelijkingsmiddelen middelen omvatten voor het vergelijken van opeenvolgend opgetekende signaaldata op gelijkenis.

4. Apparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de 25 vergelijkingsmiddelen segmenten'ngsmiddelen omvatten voor het segmenteren van de opgetekende signaaldata in meerdere tijdvensters.

5. Apparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vergelijkingsmiddelen correlatiemiddelen omvatten voor het uitvoeren van het correlatie-algoritme op de opgetekende signaaldata.

6. Apparaat vol gens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vergelijkingsmiddelen coherent!emiddelen omvatten voor het opwekken van 1 9 een coherent!efunctie voor de opgetekende signaal data.

7. Werkwijze voor communicatie met een instrument onder in een boorgat, gekenmerkt door a) het a fvuren van een signaal bron bovenaan het boorgat 5 volgens een schema, b) het ontvangen van signaal data bij het instrument onder in het boorgat volgens het schema en het vaststellen van een aankomsttijdsignaal bij het instrument onder in het boorgat, c) het vergelijken van de signaal data met elkaar om te bepalen 10 of de signaal data een signaal van een werkelijke bron representeren en d) het bewerken van de signaal data waarvan is bepaald dat zij signalen van een werkelijke bron representeren.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de stap van het vergelijken omvat het vergelijken van opeenvolgende signaal data 15 met betrekking tot gelijkenis.

9. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de stap van het vergelijken omvat het segmenteren van de signaal data in een aantal tijdvensters.

10. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de stap 20 van het vergelijken omvat het uitvoeren van een correlatie-algoritme op opeenvolgende signaal data om een gecorreleerde golfvorm te produceren.

11. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de stap van het vergelijken omvat het opwekken van een coherentiefunctie voor opeenvolgende signaaldata.

12. Werkwijze voor het communiceren met een instrument onder in een boorgat, gekenmerkt door a) het afvuren van een signaal bron op een verwijderde locatie, b) het ontvangen van signaaldata geassocieerd met het signaal bij het instrument onder in het boorgat, 30 c) het vaststellen van een aankomstti jdsignaal bij het instrument onder in het boorgat, d) het segmenteren van de signaal data in gebeurtenissen gedefinieerd door een tijdsperiode, e) het vergelijken van de gesegmenteerde signaal data om te bepalen of die signaaldata een signaal van een werkelijke bron 5 representeren en f) het bewerken van de signaaldata waarvan bepaald is dat zij een signaal van een werkelijke bron representeren.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de stap van het segmenteren omvat het segmenteren van de signaaldata in 10 gebeurtenissen gedefinieerd door een gelijke tijdsperiode geassocieerd met het afvuren van de signaal bron.

14. Werkwijze volgens conclusie 12, gekenmerkt door het verder omvatten van het instrueren van het instrument om een bewerking uit te voeren gebaseerd op de bewerkte signaaldata.

15. Werkwijze volgens conclusie 12, gekenmerkt door het verder omvatten van het zenden van enkele of alle van de bewerkte signaaldata naar een locatie aan het oppervlak.