NO150059B - Fremgangsmaate og apparat for overfoering av et modulert akustisk signal - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører generelt måling av forholdene i et borehull under boring, og mer spesielt en fremgangsmåte og et apparat for fjernoverføring av måledata ved slike operasjoner under bruk av et akustisk signal som blir overført gjennom borevæsken under boring.

Forskjellige fremgangsmåter er foreslått for å over-føre data som representerer tilstander i et borehull under boring. Et slikt forslag bruker en teknikk der et akustisk signal som er modulert i samsvar med de avfølte tilstander, tilføres borefluidumet, for eksempel boreslam, for overføing til borehullets munning hvor det blir mottatt og dekodet i elektroniske overflate-kretser. Denne grunnleggende teknikken er beskrevet i detalj i US-patent nr. 3 309 656. I dette systemet blir det modulerte signalet tilført borefluidumet ved hjelp av en akustisk signalgenerator som omfatter et bevegelig organ for selektivt å avbryte strømmen av borefluidum. I det minste en del av strømmen av borefluidum går gjennom den akustiske generatoren, og det bevegelige organet hindrer selektivt denne strømmen og overfører en kontinuerlig akustisk bølge opp gjennom borehullet i borefluidumet.

Det akustiske signalet er fortrinnsvis fasemodulert som beskrevet i US-patent 3 789 355. Ved fasemodulasjon (PSK) blir de data som utledes som respons på de avfølte tilstander i hullet, først kodet i binærformat, og den akustiske signalgene-ratoren blir drevet med slike hastigheter at fasen til en bære-bølge med konstant frekvens som frembringes i borefluidumet, indikerer dataene. Særlig blir det anvendt en fasenøklingsmodula-sjon som er slik at fasen til bæresignalet blir endret bare ved hver mottakelse av data som har en på forhånd bestemt verdi. For binærkodede data kan for eksempel fasen til bærebølgen forandres for hver opptreden av en databit som er logisk 1.

Ideelt skjer faseforandringen av bæresignalet momentant ved opptreden av data av den spesielle verdi. Dette er fordi fjernoverføringsenheten«nede i hullet kontinuerlig overfører data til mottagerkretsene på overflaten hvor dataene så blir dekodet kontinuerlig. Alle forsinkelser ved utførelse av faseforandringen og ved tilbakeføring av det akustiske signalet til bærefrekvensen, innfører feil og/eller ineffektiviteter i systemet.

I praksis kan derimot fasen til det akustiske signalet ikke forandres momentant som respons på data av den forutbestemte verdi. Systemets fysiske konstruksjon innfører iboende forsinkelser. Motorreguleringskretsene som driver den motordrevne akustiske generatoren blir følgelig regulert for å bevirke optimal respons av generatoren. Tidligere forslag som de ovennevnte US-patenter og US-patent nr. 3 820 063, har frembrakt mange kretser for utførelse av motorreguleringskretsene. I US-patentene 3 789 355 og 3 820 063 blir motorhastigheten midlertidig variert slik at når motoren bringes tilbake til den hastighet som frembringer bærefrekvensen, vil den ønskede grad av faseforanding være akkumulert.

I US-patent nr. 3 820 063 blir dette utført ved å variere motorhastigheten i en første retning inntil en forutbestemt grad av fasedreining er blitt akkumulert. Motorhastigheten blir så til-bakeført i den andre retningen til den hastighet som frembringer bærefrekvensen, i en forutbestemt tid, for derved å forsøke å akkumulere resten av den ønskede grad av faseforandring.

De ovennevnte forslag har ikke kunnet overvinne problemene i forbindelse med forandringer i omgivelsene til systemet for måling under boring. Disse variable forholdene kan ha en ødeleggende virkning på den nøyaktighet med hvilken hastigheten til drivmotoren for den akustiske generatoren tilbakeføres til den konstante hastighet som frembringer bærefrekvensen (bærehastigheten) under faseforandringen (under modulasjon). Forslagene synes å antyde avstemming av de respektive systemer slik at tilbakeføringen er tilnærmet lik akkumuleringen av den ønskede forandrings størrelse og avslutning av tilbakeføringen tilnærmet når hastigheten til motoren når bærehastigheten. Med forslagene har det imidlertid ikke lykkes å detektere den aktuelle hastigheten til motoren som ville tillate avslutning av hastighetsforandringen nøyaktig når den når bærehastigheten. Når det ikke lykkes å detektere den aktuelle motorhastighet, lykkes det heller ikke med disse forslagene å frembringe et system som tillater at tilbakeføringen skjer på kortest mulig tid, det vil si at det ikke har lykkes å frembringe et system som tillater drift av motoren med maksimal eksitasjon slik at man samtidig unngår å overskride eller under-skride bærehastigheten. Forslagene baserer seg på en separat fase- og frekvensreguleringskrets for å regulere fasen og frekvensen til de rette verdier etter tilnærmet tilbakeføring til bærehastigheten for å kompensere for underskridelse og overskridelse. En slik reguleringskrets krever imidlertid en forholdsvis lang

tid til å regulere motorhastigheten, og svikter dermed når det gjelder å minimalisere tilbakeføringsperioden. Siden tilbakefør-ingsperioden ikke kan minimaliseres, tillater forslagene enten unøyaktigheter i systemet eller frembringer et unødig langsomt kodings/data-overføringssystem.

I tillegg til det ovennevnte problem med motorhastigheten, går det også ut over kvaliteten på modulasjonen. Forandringer i belastningen på drivmotoren som driver den akustiske generatoren, på grunn av forandringer i trykket eller strømnings-hastigheten eller viskositeten eller tettheten til borefluidumet, varierer for eksempel lengden av den tiden som trengs for å til-bakeføre motorhastigheten til den bærefrekvensfrembringende hastighet. Denne tidsvariasjonen varierer graden av faseforandring som akkumuleres under tilbakeføringen til bærehastigheten, og medfører at det behøves en lengre tidsperiode til å frembringe den riktige grad av faseforandring ved bærefrekvensen. Denne lengre tidsperioden tillater innføring av unøyaktigheter i systemet og/eller minskning av den dataoverføringshastighet som ellers ville kunne oppnås.

De fremgangsmåter som er foreslått i de ovennevnte patenter, medfører en analog utførelse av motorreguleringskretsene. Fordi motorreguleringskretsene arbeider ved en relativt lav frekvens, har den analoge fremgangsmåten resultert i et system som kan arbeide med en datakodings/dekodingshastighet som er lavere enn den optimale. Slike analoge kretser lider dessuten av den iboende ulempe at de er ustabile over store temperaturområder,

noe som resulterer i et system som er mindre pålitelig. I et borehull under boring varierer temperaturen normalt fra 25°C til 175°C, og dette forårsaker forandringer i karakteristikkene til de analoge kretser. Den analoge fremgangsmåten lider også under de barske omgivelser man kan møte under boring. De ekstreme

vibrasjoner og sjokk som de analoge kretsene mottar, reduserer ikke bare deres levetid, men har også en tendens til å bringe kretsene ut av justering. Analoge kretser er videre også forholdsvis kostbare å fremstille og utprøve.

Det kan mer spesielt bemerkes at US-patent nr.

3 820 063 beskriver en analog krets for styring av en modulator i et system for måling under boring. Det er klart at den puls-generator, den digitale divisjonskrets og den flip-flop-krets som er vist på Fig. 2 i US-patentet, ikke frembringer digitale signaler. Denne del av kretsen svarer til en velkjent fasedetektorkrets som er vanlig brukt i analoge kretser. En analyse av detal-jene ved resten av kretsen viser at den har en fundamental analog utførelse. I denne analoge utførelse blir et signal som angir den momentane hastighet av motoren, sammenlignet med et signal som representerer den konstante frekvens, og differansen mellom disse signaler blir integrert. I forbindelse med foreliggende oppfinnelse er det under utvikling av den digitale utførel-se av en styrekrets for motoren, funnet at integrering av det momentane motorhastighetssignal og det signal som representerer den konstante frekvens, etterfulgt av en bestemmelse av når differansen mellom disse integrerte signaler oppnår en forutbestemt verdi, er en mer effektiv teknikk for "digitale" kretser.

Oppfinnelsen tar sikte på å overvinne de ovennevnte og andre ulemper. Dette blir oppnådd ved hjelp av en fremgangsmåte og et apparat som nærmere angitt i patentkravene.

Forskjelige særegne trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå tydeligere av den følgende beskrivelse av en foretrukket utførelsesform i forbindelse med tegningene, der: Figur 1 er; en skjematisk tegning som viser et system for måling i et borehull under boring; Figur 2 er et blokkskjema over overførings-apparatet nede i hullet som anvendes i systemet på figur 1; Figur 3 er et kretsskjema som viser logiske kretser som brukes i overføringsapparatet på figur 2, og Figur 4 er et sett med eksempler på følgeformer som illustrerer virkemåten til overføringsapparatet nede i hullet. Figur 1 på tegningene viser et boresystem 10 i forbindelse med et system 12 for måling under boring i henhold til oppfinnelsen. For enkelthets skyld viser figur 1 et system for boring på land, men oppfinnelsen omfatter også boresystemer for boring til sjøs.

Etter hvert som boresystemet 10 borer et borehull

14 som utgjør en brønn, avføler målesystemet 12 tilstander nede i hullet og frembringer et akustisk signal som blir modulert i samsvar med frembrakte data som representerer tilstandene nede i borehullet. Det akustiske signalet blir påført borefluidumet, vanligvis kalt boreslam, og signalet blir gjennom slammet overført til overflaten av borehullet 14. Ved eller nær overflaten av borehullet 14 blir det akustiske signalet detektert og behandlet for å frembringe registrerbare data som er representative for tilstandene nede i borehullet. Dette systemet er nå velkjent og er beskrevet i det ovennevnte US-patent 3 309 656.

Boresystemet 10 er konvensjonelt og omfatter en borestreng 20 og et boretårn (ikke vist) som representeres av en krok 22 som bærer borestrengen 20 i borehullet 14.

Borestrengen 20 omfatter en borkrone 24, ett eller flere vektrør 26 og en lengde med borerør 28 som strekker seg ned i hullet. Røret 28 er koplet til en medbringer 30 som strekker seg gjennom en roterende drivmekanisme 32. Igangsetting av den roterende drivmekanismen 32 (ved hjelp av utstyr som ikke er vist) dreier medbringeren 30 som igjen dreier borerøret 28 og kronen 24. Medbringeren 30 er opplagret i kroken via en svivel 34.

I nærheten av inngangen til borehullet 14 er anordnet et konvensjonelt sirkulasjonssystem 40 for boreslam som sirkulerer slam ned i borehullet 14. Slammet blir sirkulert ned-over gjennom borerøret 28 under boring, kommer ut gjennom åpninger i kronen 14 inn i det ringformede rommet og strømmer tilbake opp gjennom hullet hvor det mottas av systemet 40. Sirkuleringssystem-et 40 omfatter en slampumpe 42 koplet for å motta slammet fra en slambeholder 44 via en rørlengde 46.En trykkutjevningsanordning 48 er koplet til pumpens 42 utgangsende for å fjerne eventuelle plutselige trykkpulser i slamstrømmen fra pumpen 42, for dermed å avgi en kontinuerlig strøm av slam ved sin utgangssåpning 50. En slamledning 52 kopler utgangsåpningen 50 på trykkutjevneren til medbringeren 30 via en svanehals 54 som er koplet til svivelen 34.

Slam som kommer opp fra borehullet, strømmer ut i nærheten av borehullets 14 munning fra en åpning i foringen 56 som utgjør en strømningskanal 58 mellom veggene i borehullet 14 og borerøret 28. En slamledning 60 fører det tilbakevendende slammet fra åpningen i foringen 56 til slamgropen 44 for resirkulasjon.

Målesystemet 12 for måling under boring omfatter en akustisk signalgenererende enhet 68 nede i hullet og et datamot-taker- og dekodingssystem 70 ved overflaten. Den akustiske signalgenererende enheten 68 avføler tilstandene nede i borehullet og frembringer kodede akustiske signaler i boreslammet. Det akustiske signalet blir overført gjennom borefluidumet til mottaker- og dekodingssystemet 70 på overflaten for behandling og fremvisning.

Til dette formål omfatter mottaker- og dekodingssystemet 70 en signalprosessor 72 og en registrerings- og frem-visningsenhet 74. Prosessoren 72 er koplet til slamledningene 52 ved hjelp av en ledning 76 og en trykktransduser 78. Det kodede akustiske signalet som overføres opp gjennom hullet gjennom borefluidumet, blir overvåket av transduseren 78, som igjen frembringer elektriske signaler til prosessoren 72. Disse elektriske signalene blir dekodet til meningsfylt informasjon som er representativ for tilstandene nede i borehullet, og den dekodede informasjon blir-registrert og fremvist ved hjelp av enheten 74.

Et slikt datamottakings- og registreringssystem 70 er beskrevet i US-patent nr. 3 886 495, som det henvises til her for nærmere detaljer.

Den akustiske signalgenererende enheten 69 nede i

hullet er understøttet i et av vektrørene 26 ved hjelp av en opp-hengningsmekanisme 79 og omfatter generelt en modulator 80 gjennom hvilken i det minste en del av slamstrømmen .passerer. Modulatoren 80 blir drevet regulerbart for selektivt å forstyrre strømmen av borefluidum for derved å frembringe det akustiske signalet i slammet. Det er tilveiebrakt en hylse 82 for avføling av de for-

skjellige tilstander nede i hullet og for å drive modulatoren 80 tilsvarende. Den genererende enheten 68 omfatter også en kraft-forsyning 84 for energisering av hylsen 82. En rekke sentrerings-anordninger 85 er anordnet for å holde modulatoren 80, hylsen 82 og kraftforsyningen sentralt i kraven 26.

Kraftforsyningen 84 er nå velkjent på dette området og omfatter en turbin 86 anordnet i slamstrømmen for å drive rotoren i en vekselstrømsgenerator 88. En spenningsregulator 90 regulerer utgangsspenningen fra generatoren 88 til en hensiktsmessig verdi for anvendelse i hylsen 82.

Modulatoren 80 er også velkjent på dette fagområdet. Den omfatter et bevegelig organ i form av en rotor 92 som er drei-bart montert på en stator 94. I det minste en del av slamstrømmen passerer gjennom åpninger i rotoren 92 og i statoren 94, og rota-sjonen av rotoren avbryter selektivt strømmen av borefluidum når åpningene ikke er på linje, og derved frembringes det akustiske signalet i borefluidumet. Rotoren 92 er koplet til en tannhjuls-drevkopling 96 som driver rotoren. Hylsen 82 er operativt forbundet med koplingen 96 for dreining av rotoren 92 med hastigheter som frembringer et akustisk signal i borefluidumet som har (1) en hovedsakelig konstant bærefrekvens som definerer en referansefaseverdi, og (2) en selektivt frembrakt fasedreining i forhold til referansefaseverdien ved bærefrekvensen. Fasedrei-ningen indikerer kodede dataverdier som representerer de målte tilstander nede i hullet.

I den foretrukne utførelsesform er drivkoplingen 96 og konstruksjonen av rotoren 92 og statoren 94 valgt for å frembringe 1/5 av en bæreperiode i det akustiske signalet for hver omdreining av motoren 102.

En passende modulator 80 er vist og beskrevet i detalj i US-patent 3 7 64 970 som tilhører søkeren. Andre passende modulatorer 80 er beskrevet i enkelte av de ovennevnte US-patenter og i US-patentene 3 792 429 og 3 770 006.

Hylsen 82 omfatter en eller flere følere 100 og tilhørende datakodende kretser 101 for måling av tilstander nede i hullet og frembringelse av kodede datasignaler som er representative for disse. Følerne 100 kan for eksempel være tilveiebrakt for å overvåke boreparametre slik som retningen av hullet (asimut av hullavviket), vekten på kronen, torsjon, etc. Følerne 100 kan være anordnet for å overvåke sikkerhetsmessige parametre, som for eksempel å detektere over trykksoner (motstandsmålinger) og fluiduminnstrømningskarakteristikker ved å måle temperaturen på boreslammet i den ringformede kanalen 58. I tillegg kan det være anordnet strålingsfølere som for eksempel gammfetrålingsfølsomme følere for å skjelne mellom skifre og sand og for dybdekorrela-s jon.

Datakodingskretsene 101 er konvensjonelle og omfatter en multipleksanordning for koding av signalene fra følerne binært og så overføre dem i serie over en dataledning. En passende multipleks kodingsanordning er beskrevet i detalj i det ovennevnte US-patent nr. 3 820 063. Hylsen 82 omfatter også en motor 102 forbundet med koplingen 96, og motorreguleringskretser 104 for regulering av motorens 102 hastighet for å dreie rotoren 92 i modulatoren 80 ved de riktige hastigheter for å bevirke den ønskede akustiske signalmodulasjon. Motoren 102 er en konvensjonell tofase induksjonsmotor som i henhold til den foretrukne utførelsesform, blir drevet ved 60 Hz av motorreguleringskretsene 102. Det er ikke viktig at motoren 102 er en induksjonsmotor, andre typer motorer som for eksempel likestrøms servomotorer, kan også brukes.

Motorreguleringskretsene 104 er vist i forhold til motoren 102, til følerne 100 og kodekretsene 101 og til modulatoren 80 på figur 2. Motorreguleringskretsene 104 omfatter kretser (1) for opprettholdelse av den hovedsakelig konstante bærefrekvensen til det akustiske signalet som overføres i boreslammet ved den rette fase og (2) for å forandre frekvensen til det akustiske signalet og tilbakeføre det til bærefrekvensen for dermed å forandre dets fase med en forutbestemt verdi så hurtig som mulig som respons på de kodede data. I den foretrukne utførelsesform hvor data fra følerne 100 blir binært kodet, er faseforandringen på 180° •

Motorreguleringskretsene 104 omfatter en motor-koplingskrets 110, slik som en konvensjonell dc/ac-inverter, for frembringelse av tofasespenning til tofasemotoren 102.

En fasesignalgenerator 112 og en spenningsstyrt oscillator-(VCO)-krets 114 er tilveiebrakt for å frembringe et par fasesignaler <j>A, tyB og deres komplementer $ A, cj>B til motorkoplingskretsen 110. Fasesignalene er 90° ute av fase med hver-andre. Den spenningsstyrte oscillatorkretsen 114 er konvensjonell, og fasesignalgeneratoreh 112 omfatter konvensjonelle kretser for frembringelse av bølgeformer med tilnærmet 50 % nyttefaktor og deres komplementer. I den foretrukne utførelsesform arbeider oscillatorkretsen 114 på litt høyere frekvens enn 240 Hz under bærefrekvensoperasjon. Denne frekvensen tar hensyn til iboende sakking av induksjonsmotoren 102 og frembringer en frekvensmulti-plikas jonsf aktor på fire som er nødvendig for at fasesignal-generatoren 112 skal kunne frembringe fasesignalene <j>A, cf>B ved den ønskede frekvens på 60 Hz. For å forenkle Beskrivelsen vil motorsakkingen bli antatt å være neglisjerbar.

I den foretrukne utførelsesform av kretsen som opprettholder bærefrekvensen og fasen til det akustiske signalet ved fravær av valgte datasignaler, inneholder denne i kombinasjon med motorkoplingskretsen 110, fasesignalgenerator 112 og den spenningsstyrte oscillatorkretsen 114, fortrinnsvis en faselåse-sløyfe.

Kretsene for opprettholdelse av fase'og frekvens

innbefatter et tachometer 120 koplet til motoren 102 for å frembringe pulsserier hvis repetisjonsfrekvens indikerer den frekvens med hvilken motoren 102 drives. I den foretrukne utførelsesform er tachometeret 120 valgt til å frembringe seks perioder per omdreining av motoren. Dette forholdet i kombinasjon med konstruksjonen av modulatoren 80, konstruksjonen av drivkoplingen 96 og motorens 102 hastighet på 60 Hz, resulterer i frembringelse av et akustisk signal i boreslammet med en bærefrekvens på 12 Hz og i frembringelse av et tachometerutgangssignal wT med en frekvens på 360 Hz.

En behandlingskrets 122 for tachometersignalene er koplet til utgangen av tachometeret 120 for frembringelse av et forholdsvis lavfrekvent sløyfefrekvenssignal w_ Li og et forholdvis høyfrekvent motorf rekvenssignal cjm- Sløyf ef rekvenssignalet u)^ blir for eksempel frembrakt med en frekvens på 24 Hz og motorfrekvenssignalet u blir frembrakt med en frekvens på 720 Hz når motoren arbeider ved 60 Hz. Behandlingskretsen 122 er konvensjonell og omfatter nullgjennomgangskretser og frekvensmulti-pliserende/dividerende kretser.

Faselåsesløyfen avsluttes av en fasedetektorkrets 124. Fasedetektorkretsen 124 reagerer på sløyfefrekvenssignalet coT Li og på et sløyfereferansesignal cj Lr på 24 Hz for selektivt å frembringe et oscillatorstyresignal på en ledning 126 som er operativt koplet til oscillatorkretsen 114 via en sløyfebryter 128. Fasedetektoren 124 er konvensjonell og kan omfatte en flip-flop med to innganger (ikke vist) som reagerer på signalene '"'j, og et lavpassfilter (ikke vist) koplet til utgangen av flip-flopen. Utgangen fra detektor 124 frembringer oscillatorstyre-signalet som en funksjon av differansen per sløyfeperiode mellom signalene og cu^ som skal indikere motorens 102 avvik fra bærefrekvensen, eller fasen. Som respons på styresignalet på ledning 126 forandrer oscillatorkretsen 114 eksitasjonsfrekvensen som til-føres motoren 102 via inverter 110 for å tilbakeføre motoren til og holde den i fase- og frekvens-låsing.

Det ovennevnte US-patent nr. 3 870 063 viser og beskriver en annen faselåsekrets som arbeider etter liknende prinsipper.

Kretsene for forandring av hastigheten til motor

102 for dermed å forandre fasen til det akustiske signalet som respons på data fra følerne 100, er utført digitalt i den illustrerte og foretrukne utførelsesform. Den digitale utførelse med-fører en frekvens- og faseforandring i det akustiske signalet på en hurtig men likevel uhyre nøyaktig måte. Dimensjonen på motor-styrekretsene har blitt redusert i forhold til tidligere foreslåtte analoge systemer på grunn av den digitale utførelse, og pålitelig-heten er stor over variasjonsområder i omgivelsene. Om ønsket kan imidlertid også oppfinnelsen realiseres med analoge systemer.

Som beskrevet senere virker kretsene for forandring av motorhastigheten først til å sakke hastigheten til motoren 102 og så for å øke den for å akkumulere den totale fasedreining på 180°. Selv om en øke/sakke-sekvens også kan brukes, resulterer sakke/øke-sekvensen i at motoren 102 arbeider i et område med høyere torsjon og således modulerer det akustiske signalet mer nøyaktig og på kortere tid.

Hastighetsforandringskretsen påvirker bryter 128 og et sett økings- og sakkings-brytere 130, 132 som henholdsvis styrer spenningsinngangen til oscillatorkretsen 114. I den illustrerte utførelsesform har økingsbryteren 130 en terminal samtidig forbundet med inngangen til oscillatorkretsen 114 og til en terminal på sløyfebryteren 128. Den har sin andre terminal forbundet med både en rampespenningsfrembringende krets og til sakkingsbryteren 132 via en motstand Ri. Rampespenningen trenger ikke være begrenset til en spenning som forandrer seg lineært. Den kan for eksempel forandre seg hovedsakelig eksponensielt med tiden. Som vist omfatter en RC-tidskrets seriekoplingen av en motstand R2 og en kondensator C mellom en spenning V, og jordpotensial, og det frembringes dermed en eksponensielt økende spenning. Når sløyfebryteren 128 er åpen, økingsbryteren 130 er i den lukkede stilling og sakkingsbryteren er åpnet, er følgelig inngangen til oscillatorkretsen 114 en rampespenning, noe som bevirker en utgang fra oscillatorkretsen 114 som øker med tiden og således med-fører økning av motorhastigheten som en økende funksjon av tiden. Dette sikrer at faseforandringen i det akustiske signalet blir ut-ført så raskt som mulig.

Sakkingsbryteren 132 har en terminal koplet til mot-standen Ri og således til bryteren 130. Den har sin andre terminal koplet til jord. Når økingsbryteren 130 er lukket og sakkingsbryteren 132 er i lukket stilling, forblir kondensatoren C som er blitt utladet gjennom motstand Ri til jord ved lukning av bryteren 132, utladet. I den foretrukne utførelsesform frembringer den utladede kondensatoren C ved lukking av bryteren 130 et spenningsnivå ved inngangen til oscillatorkretsen 114 som får utgangen fra oscillatorkretsen til å minske til omkring 180 Hz fra den ellers konstante bærefrekvensfrembringende utgang på omkring 240 Hz.

Hastighetsforandringskretsen omfatter en målsøkende faseakkumulator 140, en motorfrekvensdetektor 142 og en logisk styrekrets 144. Som respons på inngangssignaler fra målfase-akkumulatoren 140 og fra motorfrekvensdetektoren 142, frembringer den logiske styrekretsen 144 et sett styresignaler X, X og Z på et sett ledninger 145, 146, 147 til bryterne 128, 130, 132. Disse signalene blir frembrakt i en sekvens, hensiktsmessig innledet av data fra følerne 100, som: (1) først åpner sløyfebryteren 128 for å ta vekk styringen fra faselåsesløyfen, (2) lukker økningsbryteren 130 (sakkingsbryteren 132 er allerede blitt lukket) for å bevirke at et lavt spenningsnivå tilføres oscillatorkretsen 114 for dermed å bevirke hurtig sakking av motoren 102 og således forandre frekvensen til det akustiske signalet til omkring 180 Hz, (3) åpner sakkingsbryteren 132 mens økingsbryteren 130 fortsatt holdes lukket for å begynne økning av motorhastigheten tilbake til den bærefrekvensfrembringende hastighet, og (4) deretter åpner økingsbryteren 130 og lukker sløyfebryteren 128 for å til-bakeføre styringen av motoren 102 til faselåsesløyfen når motoren 102 har nådd den bærefrekvensfrembringende hastigheten.

Det vises nå mer detaljert til de bølgeformer som

er vist på figur 4, der fase-akkumulatoren 140 frembringer et TPA-styresignal på lederen 148 en tid, kalt integrasjonsperioden IP, som svarer til akkumulasjonen av en forutbestemt grad av fasedreining, etter at et overgangsstarttidssignal (heretter kalt TS) er blitt frembrakt på en ledning 149. Ved begynnelsen av en integrasjonsperiode IP blir den logiske styrekretsen 144 aktivert til å frembringe styresignalene X, X og Z for å åpne sløyfebryter-en 128 og lukke økingsbryteren 130 og holde lukket sakkingsbryteren 132, for derved å oppnå sakking av motoren 102.

Fase-akkumulatoren 140 er i virkeligheten en differensiell integrasjonskrets. Det vil si at under integrasjonsperioden integrerer fase-akkumulatoren 140 differansen mellom et 720 Hz motorref eransef rekvenssignal, '- Oy^- på en ledning 150 og motorfrekvenssignalet, (CJM, på ledning 152. I den illustrerte ut-førelse blir signalene u!^ og tiiR integrert. Differansen mellom disse signalene frembringer en indikasjon på den fasestørrelsen som blir akkumulert på grunn av hastighetsforandringene til motor 102. Når differansen mellom de integrerte verdiene av signalene på ledningene 150, 152 når en forutbestemt verdi på grunn av sakkingen av motorhastigheten, frembringer fase-akkumulatoren 140 TPA-signalet på ledning 146, noe som får den logiske styrekretsen 144 til å åpne bryteren 132. Dette tillater påbegynnelsen av den hurtige økningen av motorhastigheten tilbake mot den bærefrekvensfrembringende hastigheten.

Som antydet ovenfor er motorreferansefrekvenssignal-et på ledning 150 i den illustrerte utførelsesform et signal på 720 Hz. Dette resulterer i at seksti perioder av motorrefe-ransefrekvenssignalet blir frembrakt for hver periode av bærefrekvensen på 12 Hz. Følgelig tilsvarer tretti perioder avtt/MR-signalet til 180° fase i bæresignalet på 12 Hz.

Siden det kreves en endelig tid til å tilbakeføre motorhastigheten til 60 Hz, som er den bærefrekvensfrembringende hastigheten, blir det under tilbakeføringen akkumulert fasedreining i tillegg til den som er bevirket ved sakkingen. Ved en typisk belastning på motoren har man funnet at omkring 65° forandring av bæresignalets fase oppnås under prosessen med å tilbakeføre motorens hastighet fra frekvensen på 45 Hz til den bærefrekvensfrembringende hastigheten på 60 Hz. Det er følgelig nødvendig å akkumulere en fasedreining på 115° i fase-akkumulatoren 140 før frembringelsen av TPA-signalet og således før begynnelsen av motorens hastighetsøkning tilbake mot 60 Hz. Siden 30 perioder av ^MR~ signalet svarer til 180° fasedreining av bæresignalet, trenger faseakkumulatoren 140 å akkumulere.

115/180 x 30 = 19 perioder eller tellinger (Likn. 1) som differansen mellom det integrerte <^M- °g det integrerte ^j^-signalet. Beregningen i likn. 1 er betinget av det karakteristiske lineære forholdet mellom fasetap og fasevinning i det akustiske signalet som en funksjon av forandringen av motorfrekvenssignalet

Mengden av ytterligere akkumulert fasedreining på grunn av tilbakeføring av motorhastigheten, varierer med motor-belastningen. Fordi den fase- og frekvens-holdende kretsen imidlertid opererer med innganger som er to ganger bærefrekvensen på 12 Hz, virker den til å trekke motorhastigheten til låsing ved en fasedreining på 180° selv når fasedreiningskretsen resulterer i en fasedreining i området 91-269°. Som beskrevet senere kan og-så den målrettede verdien 115° fasedreining oppdateres og modifi-seres i henhold til belastningsforholdene på motoren 102. Denne oppdateringen tillater frekvensforandringskretsen å bevirke nesten den nøyaktige grad av fasedreining som er ønsket når den tilbake-fører motorhastigheten til hovedsakelig den bærefrekvensfrembringende hastigheten, ved hvilket tidspunkt den gir styringen tilbake til kretsen som opprettholder fasen og frekvensen. Dette minimaliserer den tid som kreves for faselåsesløyfen til nøyaktig å etablere den forutbestemte grad av fasedreining i det akustiske signalet ved bærefrekvensen.

I den viste utførelse for å frembringe differensiell integrasjon, omfatter fase-akkumulatoren 140 et par digitale akkumulatorkretser i form av en motorfrekvensteller 154 og en tachometerreferansefrekvensteller 156. Motorfrekvenstelleren 154 kan på forhånd innstilles til en verdi som indikerer en ønsket grad av fasetap (d.v.s. målverdien på 115°) på grunn av sakkingen av motoren i løpet av integrasjonsperioden. I den foretrukne ut-førelsesform blir telleren 154 innstilt eller oppdatert etter hver koding ved hjelp av en målkompensasjonskrets 15_7 for å justere målverdien i samsvar med motorens 102 belastningsforhold. For å forenkle beskrivelsen av målfaseakkumulatoren vil det bli antatt at den målkompenserende kretsen 157 opprettholder målverdien på 115°, d.v.s. at det ikke inntreffer noen belastningsvariasjoner på motoren 102.

Målfase-akkumulatoren 140 omfatter også en digital komparator 158. Den digitale komparatoren 158 er koplet til utgangene fra tellerne 154, 156 og bestemmer når tachometerreferanse-frekvenstelleren 156 er blitt øket med en verdi på 19 mer enn motorfrekvenstelleren 154. Når dette inntreffer frembringer komparatoren 158 TPA-signalet til den logiske motorstyrekretsen 144, idet den indikerer at målverdien på 115° fasedreining er blitt akkumulert.

Motorfrekvensdetektoren 142 og den logiske styrekretsen 144 bevirker, som vist i detalj på figur 3, økning av motorhastigheten tilbake til den bærefrekvensfrembringende hastigheten på 60 Hz. Detektoren 142 omfatter en digital integrator som innbefatter et par innstillbare tellere 160, 162 som er koplet til utgangen på en R/S-flip-flop 164. Flip-flopen 164 har sin klokke-inngang koplet til ledning 152 for å motta motorfrekvenssignalet og frembringe et åpningssignal gjennom et par porter 166, 168 til tellerne 160, 162 via en ledning 170. Åpningssignalet på ledning 170 blir frembrakt ved fravær av Z-styresignalet på ledning 147 til tilbakestillingsterminalen på flip-flopen 164. Z-styresignalet på ledning 147 blir fjernet av den logiske styrekretsen 144 ved frembringelse av TPA-signalet (ved slutten av integrasjonsperioden IP) på ledning 148 fra målfase-akkumulatoren 140.

Fordi motoren 102 har blitt sakket til en hastighet mindre enn 60 Hz ved tidspunktet for opptreden av TPA-signalet, er perioden til motorf rekvenssignalet u/'M lenger enn normalt. For-målet med de innstillbare tellerne 160, 162 er å bestemme når perioden til motorfrekvenssignalet 6>M indikerer at motorhastigheten er blitt øket til^bake til 60 Hz etter frembringelse av TPA-signalet. For dette formål har tellerne 160, 162 innstill-ingsledninger (ikke vist) som bestemmer det antall tellinger tellerne 160, 162 vil oppnå når perioden av tt/^-signalet er riktig for drift ved 60 Hz. Tellerne 160, 162 reagerer også på et 24

KHz høyfrekvensreferansesignal på en ledning 17 2 som frembringer et høyfrekvent klokkesignal til tellerne for å telle dem frem. Tellerne 160, 162 er på forhånd innstilt på den verdi som får et MFD-signal til å bli frembrakt på en ledning 174 hver gang 24 KHz-signalet på ledning 172 forårsaker at antall tellinger akkumulert av tellerne 160, 162 overstiger den på forhånd inn-stilte verdi. Perioden til åpningssignalet på ledning 170 avtar med tiden på grunnav økningen av motorhastigheten. Til slutt blir ikke MFD-signalet på ledning 174 frembrakt for en gitt periode av åpningssignalet. Når dette inntreffer, drives motoren 102 igjen med den bærefrekvensfrembringende hastigheten.

Virkemåten til motorfrekvensdetektoren 142 vil bli bedre forstått når man betrakter den logiske styrekretsen 144 som er vist på figur 4. Den logiske styrekretsen 144 omfatter tre R/S-flip-floper (flip-floper med en inngang sett og en resett)

180, 182, 184 og en Nandport 186. Flip-flopene 180, 184 frembringer respektivt et Y-signal på en ledning 187 og X- og X-signalene på ledningene 146, 145. Porten 186 er koplet til ledningene 146, 187 for frembringelse av Z-signalet på ledning 147 som en funksjon av X- og Y-signalene.

Flip-flopene 180, 184 reagerer på tidssignalet TS på ledning 149 og blir satt når det inntreffer data med en forutbestemt logisk tilstand som avføles av følerne 100. Setting av flip-flopen 184 medfører at det frembringes en logisk 1 og en logisk 0 som signalene X og X, og dermed lukkes og åpnes henholdsvis økingsbryteren 130 og sløyfebryteren 128. Flip-flopen 180 frembringer en logisk 0 som signalet Y på ledning 187 når den settes av TS-signalet. Y-signalet blir så koplet til porten 186 for frembringelse av en logisk nulltilstand av signalet Z. Når TPA-signalet opptrer ved slutten av integrasjonsperioden IP, vil TPA-signalet på ledning 148 kople om flip-flop 180 og forandre signalet Y til en logisk en. I løpet av dette intervallet har signalet Z holdt sakkingsbryteren 132 lukket og har forhindret operasjoner av flip-flopen 182 ved hjelp av resettingsinngangen.

Det skal gjentas at ved frembringelse av TS-tidssignalet og således ved begynnelsen av integrasjonsperioden IP, har signalene X, X og Z henholdsvis lukket bryter 130, åpnet bryter 128 og holdt bryter 132 lukket, noe som medfører sakking av motoren 102.

Ved slutten av integrasjonsperioden, når målfase-akkumulatoren 140 har indikert at den ønskede fasedreining på 115° er blitt akkumulert, som indikert av TPA-signalet på ledning 148, forandrer flip-flop 180 tilstand. Dette er resultatet av at en logisk 0 tilføres dens datainngang og TPA-signalet tilføres dens klokke-inngang. Denne tilstandsforandringen frembringer en logisk 1 som Y-signal på ledning 187 og medfører at det frembringes en logisk 0 på ledning 147 som Z-signalet. Dette åpner sakkingsbryteren 132, avslutter sakkingsfasen til motorhastighetsfor-andringen og påbegynner hastighetsøkningen.

Det vises nå i tillegg til motorfrekvensdetektoren 142 som også er vist i detalj på figur 3, idet flip-flopene 164 og 182 blir frigjort når Z-signalet på ledning 147 forandres til en logisk O. En logisk 1 som tilføres data-inngangen på flip-flop 164 blir så klokket inn i denne av motorfrekvenssignalet uJM< noe som frembringer en logisk null ved en inngang på porten 166. En annen inngang på porten 166 mottar signalet uJM på ledning 152. Portene 166, 168 frembringer derved åpningssignalet på ledning 170 til tellerne 160, 162 for å innstille dem ved begy nelsen av hver periode av^M~signalet. Tellerne begynner så å telle med en hastighet på 24 KHz, bestemt av 24 KHz-signalet på en ledning 172.

Ved slutten av åpningssignalet, d.v.s. ved slutten av en periode av motorfrekvenssignalet a'M< forblir flip-flop 182

i resettingstilstanden (idet den er blitt koplet til resettingstilstanden av Z-signalet på ledningen 147 ved at X-signalet gikk til den logiske nulltilstand, noe som indikerer slutten av modulasjonen), hvis telleren 162 har avgitt et signal, d.v.s. hvis en logisk 0 er blitt frembrakt på ledning 174 som MFD-signalet. Bare under forutsetning av at en logisk 1 er frembrakt på ledningen 174 til flip-flopen 182 når et logisk 1 åpningssignal inntreffer,

vil et klokkesignal bli tilveiebrakt via en ledning 188 til flip-flopen 184. Medmindre klokkesignalet blir frembrakt via ledningen 188, holder flip-flopen 184 X- og X-signalene i tilstandene logisk 1, logisk 0 som henholdsvis er satt av TS-tidssignalene.

Når tellerne 160, 162 indikerer at perioden av åpningssignalet, d.v.s. lengden av en periode av motorfrekvens-siq= naletO/' M har blitt redusert til en verdi som svarer til en motorfrekvens på 60 Hz, vil det ikke opptre noe utgangssignal fra telleren 162. Den logiske 1 som er nødvendig for å forandre tilstanden til flip-flop 182, blir derved frembrakt. Dette frembringer et klokkesignal til og forandrer tilstanden til flip-flop 184 som i sin tur forandrer tilstandene til X- og X-signalene, og dermed lukkes sløyfebryter 128 og åpnes økningsbryteren 130.

For å forenkle beskrivelsen av kretsen som opprettholder frekvensen og fasen og av kretsen som opprettholder bærefrekvensen, er det hittil antatt at målkompenseringskretsen 157 har holdt målverdien til målfaseakkumulatoren på en konstant fase på 115°. Dette svarer til -at det ikke finnes belastningsfor-andringer på motoren 102. Under virkelige bore-operasjoner er det imidlertid forandringer i motorens belastning. Disse belast-ningsf orandringene er kvasi-statiske idet de vanligvis forandrer seg meget langsomt med tiden. Målkompenseringskretsen 157 detek-terer disse forandringene i belastningen på motoren 102 og justerer innstillingen til målfase-akkumulatoren 140, d.v.s. den målverdien som hittil er identifisert som 115°, for å bringe den totale fasedreining som frembringes først av sakkingen og så av hastig-hetsøkningen av motoren under kodingen til den totale ønskede verdi. Fordi kompensasjonskretsen arbeider kontinuerlig, er det ikke nødvendig med noen forhåndskjennskap til belastningstilstand-ene til motoren 102.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for overføring av et modulert akustisk signal til overflaten gjennom fluidum i et borehull, hvilket akustisk signal er representativt for tilstander målt i borehullet, omfattende: a) operasjon av en motordrevet akustisk signalgenerator med en konstant hastighet for å generere et akustisk signal i borehullfluidet, b) måling av i det minste én borehullparameter som er representativ for den nevnte tilstand, c) modulering av det akustiske signal slik at det representerer den nevnte målte parameter, ved momentan endring av generatorens hastighet for å frembringe en faseendring i det akustiske signal, karakterisert ved: d) generering av et første digitalt signal som står i relasjon til generatorhastigheten, under påvirkning av den nevnte hastighetsendring, e) generering av et annet digitalt signal under påvirkning av hastighetsendringen, avhengig av generatorens momentane hastighet, f) sammenligning av det første og det annet digitale signal for å oppnå differansen mellom disse, g) generering av et styresignal når den nevnte differanse er lik en forut valgt verdi som angir en forut valgt faseendring, og h) stans av hastighetsendringen i generatoren under påvirkning av det nevnte styresignal.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at forandringen av generatorens hastighet først omfatter en sakking av motorhastigheten til en første relativt lav verdi, og ved at motorhastigheten så økes tilbake til den normale konstante verdi.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at et signal som representerer den målte borehullparameter, blir omformet til et binært signal med et bestemt format, og at hastighetsendringen av generatoren blir foretatt bare for data med en spesiell logisk tilstand.

4. Fremgangsmåte i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at det første digitale signal er representativt for den normale konstante genera-torhastighet og at det foretas en digital integrasjon av det første digitale signal og det annet digitale signal over en tidsperiode som hovedsakelig begynner med forekomsten av en av-følt tilstands- eller parameterverdi i borehullet.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 4, karakterisert ved at den digitale integrasjon omfatter forhåndsinnstilling av en programmerbar teller til en forutbestemt verdi, idet telleren reagerer på enten det første eller det andre signalet.

6. Fremgangsmåte i henhold til et av de foregående krav, der hastighetsforandringen av generatoren omfatter en reduk-sjon av motorhastigheten, karakterisert ved at etter at reduksjonen av motorhastigheten er stanset, økes motorhastigheten mot den normale konstante verdi med en foranderlig akselera-s jonsverdi.

7. Apparat for overføring av et modulert akustisk signal til overflaten gjennom fluidum i et borehull, hvilket akustisk signal er representativt for en tilstand målt i borehullet, omfattende en motordrevet akustisk signalgenerator (80 ) som arbeider ved en normalt konstant hastighet for å generere et akustisk signal i borehullfluidet, en anordning(100) for måling av i det minste én parameter som er representativ for den nevnte tilstand, en hastighetsstyreanordniny(114, 128, 130, 132,140,

142, 23 0)koblet mellom måleanordningen og generatoren for å modulere det akustiske signal slik at det representerer den nevnte målte parameter ved momentant å endre generatorens hastighet slik at det frembringes en faseendring i det akustiske signal, karakterisert ved en momentan gene-ratorhastighets-signalkilde(120,122) forbundet med generatoren, en referansef rekvenskilde (150),, en digital akkumulator (14 0 ) som omfatter en første teller (154) koblet til generatorhastighets-signalkilden 0.20, 122)og en annen teller(156) forbundet med referansef rekvenskilden (150), en komparator (158) koblet til utgangene av de nevnte tellere for å frembringe et styresignal når differansen mellom tellingene på de nevnte utganger oppnår en forutbestemt terskelverdi, og en styreinnretning (14 4) koblet til komparatoren for å motta!det nevnte.styresignal og forbundet med hastighets-styreanordningen(114, 128, 130, 132, 140, 142, 230) for å stoppe den nevnte hastighetsendring under påvirkning av styresignalet.

8. Apparat i henhold til krav 7, karakterisert ved at det omfatter en digital akkumulator som ved sin utgang frembringer ett av de nevnte digitale signaler som har en verdi som indikerer øyeblikkshastigheten til generatoren integrert over en tidsperiode som hovedsakelig begynner ved innled-ningen av hastighetsforandringen fra dens normale nivå, og ved at anordningen for frembringelse av det digitale signal omfatter en annen digital akkumulator som frembringer det andre av de digitale signalene ved sin1utgang, idet dette har en verdi som indikerer den normalt konstante akustiske signalfrekvens integrert over den nevnte tidsperiode.

9. Apparat i henhold til krav 8, karakterisert ved at de digitale akkumulatorer omfatter digitale tellere. (154, 156).

10. Apparat i henhold til krav 9, der den nevnte forutbestemte fasedreining er mindre enn den hele fasedreining som frembringes for å avspeile de målte tilstander nede i borehullet, idet resten av den totale fasedreining inntreffer når motoren tilbake-føres til det normale hastighetsnivå, karakterisert ved at i det minste en av tellerne er en programmerbar teller innstilt til en telletilstand som svarer til den nevnte forutbestemte fasedreining.

11. Apparat i henhold til et av kravene 7 til 10, karakterisert ved at stoppeanordningen omfatter en digital komparator som reagerer på det første og det andre digitale signal.

12. Apparat i henhold til et av kravene 7 til 11, hvor forandringen av hastigheten vekk fra det normale nivå er en sakking av motoren, karakterisert ved en anordning til å frembringe et rampesignal som respons på at den valgte verdi av differansen mellom de digitale signaler nås for å bevirke økning av motorhastigheten som en økende funksjon av tiden.

13. Apparat i henhold til et av kravene 7 til 12, omfattende en akustisk: signalgenerator med en roterende ventilsender som har en rotor anordnet for selektivt å avbryte den nedadrettede strømmen av borevæske, idet systemet videre omfatter en motor for dreining av rotoren, en eller flere følere for avføling av tilstander nede i borehullet og for frembringelse av kodede følersignaler representative for disse tilstandene, og en styrekrets koplet til føleren og til motoren for å styre driften av motoren som respons på følersignalene, karakterisert ved et tachometer koplet til motoren for å frembringe den øyeblikkelige motorhastighet til den digitale signalfrembringende anordningen, idet den digitale signalfrembringende anordningen og anordningen for å stoppe motorens hastighetsforandring er en del av styrekretsen som videre omfatter en krets for å opprettholde fase og frekvens, hvilken krets virker til å holde motorhastigheten på det normalt konstante nivå i samsvar med et referansesignal, og anordningen for å forandre motorhastigheten vekk fra dens normale hastighet omfatter en anordning for å kople kretsen som opprettholder fasen og frekvensen, vekk fra motoren.