NO159615B

NO159615B - TELEMETRY TRANSITION FOR A DRILL STRING.

Info

Publication number: NO159615B
Application number: NO811446A
Authority: NO
Inventors: Anthony William Russell; Michael King Russell
Original assignee: Sperry Sun Inc
Priority date: 1980-05-21
Filing date: 1981-04-28
Publication date: 1988-10-10
Also published as: FR2483006A1; NO159615C; CA1205376A; NO811446L; FR2483006B1; GB2076039B; GB2076039A; NL8102401A

Description

Oppfinnelsen angår en telemetriovergang for en borestreng, omfattende en signalsendende og/eller signalmottagende anordning for benyttelse ved elektromagnetisk over-føring av signaler langs borestrengen mellom overgangen og en signalmottagende og/eller signalsendende stasjon på et fjerntliggende sted langs borestrengen, idet en returbane for signalene er tilveiebrakt via de jordformasjoner gjennom hvilke borehullet bores, idet overgangen omfatter første og andre deler som er elektrisk isolert fra hverandre, og en transformator som har sin ene vikling elektrisk innkoplet mellom de første og andre deler og den signalsendende og/eller mottagende anordning elektrisk tilkoplet til transformatorens andre vikling, idet den første del tilveiebringer en strømbane for signaler som vandrer mellom transformatoren og den signalmottagende og/eller sendende stasjon når overgangen er anbrakt i borestrengen, og returbanen under pågående boring er tilveiebrakt mellom transformatoren og den signalmottagende og/eller sendende stasjon via den andre del og jordformasjonene. The invention relates to a telemetry transition for a drill string, comprising a signal transmitting and/or signal receiving device for use in electromagnetic transmission of signals along the drill string between the transition and a signal receiving and/or signal transmitting station at a remote location along the drill string, a return path for the signals being provided via the soil formations through which the borehole is drilled, the transition comprising first and second parts which are electrically isolated from each other, and a transformer which has its one winding electrically connected between the first and second parts and the signal transmitting and/or receiving device electrically connected to the transformer's second winding, the first part providing a current path for signals traveling between the transformer and the signal receiving and/or transmitting station when the transition is placed in the drill string, and the return path during ongoing drilling is provided between the transformer and the signal receiving nde and/or transmitting station via the other part and the earth formations.

Forskjellige systemer for måling under boring, såkalte MWD-systemer (measurements-while-drilling), er blitt foreslått for utførelse av målinger i et borehull mens boring pågår og for overføring av måledataene til overflaten. Da tid ikke går tapt i forbindelse med stans av boret og innføring av en måleprobe i borehullet i sådanne systemer, Various systems for measurement during drilling, so-called MWD systems (measurements-while-drilling), have been proposed for carrying out measurements in a borehole while drilling is in progress and for transferring the measurement data to the surface. Since time is not lost in connection with stopping the drill and introducing a measuring probe into the borehole in such systems,

har MWD-systemer ført til en vesentlig besparelse i boretid og dermed en betydelig reduksjon av de totale omkostninger ved boreoperasjonen. De systemer som hittil er blitt foreslått, omfatter fire grunnleggende typer, nemlig slamtrykk-pulssystemer, elektromagnetiske systemer, fastlednings-systemer (hard-wire systems) og akustiske systemer. Det er blitt foreslått mange forskjellige elektromagnetiske systemer (EM-systemer) av hvilke alle er basert på overføring av elektromagnetiske datasignaler gjennom jorden og/eller borstrengen. Imidlertid har ingen av de hittil foreslåtte EM-systemer vist seg å gi et akseptabelt signal/støy-forhold for de signaler som detékteres ved overflaten, og følgelig er dataoverføringshastigheten sterkt begrenset. MWD systems have led to a significant saving in drilling time and thus a significant reduction in the total costs of the drilling operation. The systems that have been proposed so far comprise four basic types, namely mud pressure pulse systems, electromagnetic systems, hard-wire systems and acoustic systems. Many different electromagnetic systems (EM systems) have been proposed, all of which are based on the transmission of electromagnetic data signals through the earth and/or the drill string. However, none of the EM systems proposed so far have been shown to provide an acceptable signal-to-noise ratio for the signals detected at the surface, and consequently the data transfer rate is severely limited.

I US-patentskrift nr. 2 354 887 (D. Silverman et al) In US Patent No. 2,354,887 (D. Silverman et al)

er det foreslått et EM-system i hvilket måledatasignalene tilføres i form av pulser til en toroidespole som omgir borestrengen i nærheten av borkr<p>nen. Et varierende magnet-felt er knyttet til den pulserende strøm i spolen, og dette felt induserer signaler i form av pulserende strømmer i borestrengen. Returkretsene for de strømmer som flyter i borestrengen som et resultat av denne virkning, går gjennom selve jorden. De overførte signaler detekteres ved overflaten ved hjelp av en mottagende stasjon som er innkoplet mellom borestrengen og en jordet elektrode på en avstand fra borestrengen. Som følge av dempning av signalene i jorden og kjernetapene i spolen er imidlertid signal/støy-forholdet for de detekterte signaler dårlig, og systemet er derfor utilfredsstillende i praksis. an EM system has been proposed in which the measurement data signals are supplied in the form of pulses to a toroidal coil which surrounds the drill string in the vicinity of the drill bit. A varying magnetic field is linked to the pulsating current in the coil, and this field induces signals in the form of pulsating currents in the drill string. The return circuits for the currents flowing in the drill string as a result of this effect go through the earth itself. The transmitted signals are detected at the surface by means of a receiving station which is connected between the drill string and an earthed electrode at a distance from the drill string. However, due to attenuation of the signals in the earth and the core losses in the coil, the signal/noise ratio for the detected signals is poor, and the system is therefore unsatisfactory in practice.

I US-patentskrift nr. 2 364 957 (Douglas) er det foreslått et annet EM-system i hvilket to oscillatorer er anordnet i nærheten av borkronen og er tilkoplet til borestrengen og til en elektrode som er isolert fra resten av borestrengen. Oscillatorene er variable i frekvens som en reaksjon på endringer i geologiske egenskaper i nærheten av elektroden, og sådan variasjon kan avføles ved overflaten ved deteksjon av de resulterende strømmer i borestrengen og ved en jordet elektrode på avstand fra borestrengen. Imidlertid vil også et slikt system lide av et dårlig signal/ støy-forhold. In US Patent No. 2,364,957 (Douglas) another EM system is proposed in which two oscillators are arranged near the drill bit and are connected to the drill string and to an electrode that is isolated from the rest of the drill string. The oscillators are variable in frequency in response to changes in geological properties near the electrode, and such variation can be sensed at the surface by detection of the resulting currents in the drill string and by a grounded electrode remote from the drill string. However, such a system will also suffer from a poor signal/noise ratio.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en telemetriovergang (telemetry sub) som gjør bruk av et EM-system med et godt signal/støy-f orhold, slik at data kan overføres med en hastighet som gjør systemet særlig effektivt samtidig som de signaler som mottas ved overflaten, settes i stand til å dekodes lettvint for å gjenfinne de overførte data. Et sådant system må ha et lavt effektforbruk nede i borehullet og må være billig å produsere. It is an aim of the invention to provide a telemetry transition (telemetry sub) that makes use of an EM system with a good signal/noise ratio, so that data can be transmitted at a speed that makes the system particularly efficient at the same time that the signals that received at the surface, is enabled to be easily decoded to recover the transmitted data. Such a system must have a low power consumption down the borehole and must be cheap to produce.

Ovennevnte formål oppnås ved en telemetriovergang av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at transformatoren er en toroidtransformator. The above-mentioned purpose is achieved by a telemetry transition of the type indicated at the outset which, according to the invention, is characterized by the transformer being a toroidal transformer.

Med dette system kan størrelsen av transformatoren og antall vindinger i transformatorens primær- og sekundærviklinger velges slik at kjernetap reduseres. Transformatoren kan dessuten gjøres meget liten slik at den er billig å fremstille og kan opptas i et lite rom i borestrengens vegg. Da kjernetapet er lite, er effektbehovet for den signalsendende og/eller mottakende anordning lite, f.eks. av størrelsesorden 1 W, og kan tilveiebringes ved hjelp av et batteri. With this system, the size of the transformer and the number of turns in the transformer's primary and secondary windings can be selected so that core losses are reduced. The transformer can also be made very small so that it is cheap to manufacture and can be accommodated in a small space in the wall of the drill string. As the core loss is small, the power requirement for the signal sending and/or receiving device is small, e.g. of the order of 1 W, and can be provided using a battery.

Telemetriovergangen kan hensiktsmessig være en sende-overgang (transmit-only sub) for sending av måledata som tilføres til denne av et måleinstrument. The telemetry transition can suitably be a send transition (transmit-only sub) for sending measurement data supplied to it by a measuring instrument.

Da graden av dempning a<y> de overførte signaler Then the degree of attenuation a<y> the transmitted signals

er avhengig av den avstand over hvilken signalene overføres og den elektriske ledningsevne av de jordformasjoner gjennom hvilke borehullet bores, kan det være fordelaktig å anordne en eller flere forsterkeroverganger (repeater subs) mellom den overgang som inneholder måleinstrumentet, og overflaten. Hver forsterkerovergang kan inneholde identiske signaloverførende, signalmottagende og forsterkende anord-ninger, idet den signalsendende anordning er den samme som den som er inneholdt i overgangen som inneholder måleinstrumentet. Da overgangene er forholdsvis billige å fremstille, kan et stort antall forsterkeroverganger være anordnet etter behov langs borestrengen. depends on the distance over which the signals are transmitted and the electrical conductivity of the soil formations through which the borehole is drilled, it may be advantageous to arrange one or more amplifier transitions (repeater subs) between the transition containing the measuring instrument and the surface. Each amplifier transition can contain identical signal-transmitting, signal-receiving and amplifying devices, the signal-transmitting device being the same as that contained in the transition containing the measuring instrument. As the transitions are relatively cheap to manufacture, a large number of amplifier transitions can be arranged as needed along the drill string.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det føl-gende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningen, der fig. 1 viser et riss av en del av en borestreng som inneholder en telemetriovergang ifølge oppfinnelsen, og fig. 2 viser et lengdesnitt gjennom en telemetriovergang ifølge oppfinnelsen. The invention will be described in more detail in the following in connection with an embodiment with reference to the drawing, where fig. 1 shows a view of part of a drill string containing a telemetry transition according to the invention, and fig. 2 shows a longitudinal section through a telemetry transition according to the invention.

Idet det henvises til fig. 1, som er ment bare Referring to fig. 1, which is intended only

å illustrere prinsippet for oppfinnelsen og ikke å vise den detaljerte konstruksjon av telemetriovergangen, er telemetriovergangen 1 vist anbrakt mellom to borestrengseksjoner 2 og 3 i et borehull 10. Overgangen 1 er koplet til seksjonen 2 ved hjelp av en yttergjengekopling 4 på to illustrate the principle of the invention and not to show the detailed construction of the telemetry transition, the telemetry transition 1 is shown placed between two drill string sections 2 and 3 in a borehole 10. The transition 1 is connected to the section 2 by means of an external thread connection 4 on

overgangen 1, og til seksjonen 3 ved hjelp av en innergjenge-kopling 5 på overgangen 1. Seksjonen 2 er koplet til et dreiebord (ikke vist) ved overflaten via andre seksjoner, transition 1, and to section 3 by means of a female thread connection 5 on transition 1. Section 2 is connected to a turntable (not shown) at the surface via other sections,

og seksjonen 3 er koplet til en borkrone (ikke vist) valg-fritt via andre seksjoner. and section 3 is connected to a drill bit (not shown) optionally via other sections.

Overgangen 1 omfatter en øvre del 6 som er elektrisk koplet til seksjonen 2, og en nedre del 7 som er elektrisk koplet til seksjonen 3. De øvre og nedre deler 6 og 7 er elektrisk isolert fra hverandre ved hjelp av en isolator 8. I overgangens sidevegg er anordnet et rom 9 The transition 1 comprises an upper part 6 which is electrically connected to section 2, and a lower part 7 which is electrically connected to section 3. The upper and lower parts 6 and 7 are electrically isolated from each other by means of an insulator 8. In the transition side wall is arranged a room 9

som inneholder en elektronisk krets 11 og en toroidformet utgangstransformator 12 som har sin sekundærvikling innkoplet mellom den øvre del 6 og den nedre del 7. Under drift tilføres et måledatasignal i form av pulser til transformatorens 12 primærvikling ved hjelp av den elektroniske krets 11, idet måledataene er f. eks. de data som utmates av et instrument for måling av orienteringen av et borehull, såsom det som er beskrevet i UK-patentskrift nr. 1 509 293. Et pulserende strømsignal induseres dermed i transformatorens 12 sekundærvikling, og dette signal over-føres til overflaten via seksjonen 2 og de ytterligere borestrengseksjoner mellom seksjonen 2 og overflaten. En returbane for signalet er tilveiebrakt gjennom de jordformasjoner gjennom hvilke borehullet 10 bores. which contains an electronic circuit 11 and a toroidal output transformer 12 which has its secondary winding connected between the upper part 6 and the lower part 7. During operation, a measurement data signal in the form of pulses is supplied to the primary winding of the transformer 12 by means of the electronic circuit 11, as the measurement data is e.g. the data output by an instrument for measuring the orientation of a borehole, such as that described in UK Patent No. 1 509 293. A pulsating current signal is thus induced in the secondary winding of the transformer 12, and this signal is transmitted to the surface via the section 2 and the further drill string sections between section 2 and the surface. A return path for the signal is provided through the soil formations through which the borehole 10 is drilled.

Den på fig. 1 viste telemetriovergang kan være enten en sende-overgang for overføring av måledata som til-føres til denne av et tilstøtende måleinstrument, eller en forsterkerovergang som mottar et signal som tilføres til denne langs borestrengen, behandler dette signal og sender det behandlede signal. I det førstnevnte tilfelle vil den elektroniske krets 11 omfatte et batteri og en signalbehandlingskrets for modulasjon av den fra batteriet tilførte strøm i overensstemmelse med måledataene. The one in fig. The telemetry transition shown in 1 can be either a sending transition for the transmission of measurement data that is fed to it by an adjacent measuring instrument, or an amplifier transition that receives a signal that is fed to it along the drill string, processes this signal and sends the processed signal. In the first-mentioned case, the electronic circuit 11 will comprise a battery and a signal processing circuit for modulating the current supplied from the battery in accordance with the measurement data.

En forsterkerovergang er vist i lengdesnitt på fig. 2. Like deler er betegnet med samme henvisningstall på fig. 1 og 2. Det vil innses at den ringformede isolator 8 strekker seg mellom rommet eller kammeret 9 og overgangens innervegg i nærheten av rommet 9, og at isolatoren er i hovedsaken S-formet i snitt for å forsterke forbindelsen mellom de øvre og nedre deler eller partier 6 og 7. Rommet 9 er avstengt fra utsiden ved hjelp av et deksel 13 som . ved sine kanter er forseglet ved hjelp av en tetning 14, An amplifier transition is shown in longitudinal section in fig. 2. Identical parts are denoted by the same reference number in fig. 1 and 2. It will be appreciated that the annular insulator 8 extends between the space or chamber 9 and the inner wall of the transition in the vicinity of the space 9, and that the insulator is essentially S-shaped in section to reinforce the connection between the upper and lower parts or parts 6 and 7. The room 9 is closed off from the outside by means of a cover 13 which . at its edges is sealed by means of a seal 14,

og som er elektrisk isolert på en slik måte at det ikke tilveiebringer en strømbane mellom de øvre og nedre deler 6 og 7. I tillegg til utgangstransformatoren 12 inneholder rommet en inngangstransformator 15, en inngangsforsterker 16, en signalbehandlingskrets 18 og en utgangsforsterker 17. Inngangs- og utgangstransformatorene 15 og 12 kunne være erstattet av en eneste transformator hvis funksjon er både å motta og sende signaler. and which is electrically isolated in such a way that it does not provide a current path between the upper and lower parts 6 and 7. In addition to the output transformer 12, the compartment contains an input transformer 15, an input amplifier 16, a signal processing circuit 18 and an output amplifier 17. and the output transformers 15 and 12 could be replaced by a single transformer whose function is both to receive and transmit signals.

Forsterkerovergangen er innrettet til å motta The amplifier transition is arranged to receive

og sende signaler på multipleks-måte. I en første periode<5 >på f. eks. ett sekund blir således et inngangssignal som sendes av en sende-overgang eller av en annen forsterkerovergang lenger nede langs borestrengen, detektert av inn-gangstransformatoren 15 hvis primærvikling er innkoplet mellom borestrengens. nedre seksjoner og jordreturen, og signalet forsterkes av inngangsforsterkeren 16. I en andre periode på f. eks. 100 ms blir signalet behandlet digitalt av kretsen 18 for å fjerne feil, og i en tredje periode på f.eks. ett sekund blir det behandlede signal forsterket av utgangsforsterkeren 17 og overført av utgangstransformatoren 12, enten til en forsterkerovergang ved overflaten eller til en annen forsterkerovergang lenger opp langs borestrengen. and send signals in multiplex fashion. In a first period<5 >of e.g. one second, an input signal sent by a transmit transition or by another amplifier transition further down the drill string is thus detected by the input transformer 15 whose primary winding is connected between that of the drill string. lower sections and the ground return, and the signal is amplified by the input amplifier 16. In a second period of e.g. 100 ms, the signal is processed digitally by the circuit 18 to remove errors, and in a third period of e.g. one second, the processed signal is amplified by the output amplifier 17 and transferred by the output transformer 12, either to an amplifier junction at the surface or to another amplifier junction further up the drill string.

Da telemetriovergangene er forholdsvis billige As the telemetry transitions are relatively cheap

å fremstille, og båndbredden - og dermed dataoverførings-hastighetsevnen - til et signal faller som en funksjon av den avstand over hvilken signalet sendes, kan forsterkeroverganger om nødvendig være anordnet med en innbyrdes avstand langs borestrengen som er så lav som ca. 300 m. Dette muliggjør da at signaler kan overføres med en.datahastighet på ca. 100 biter pr. sekund med en effekttilførsel ;på ca. to produce, and the bandwidth - and thus the data transfer rate capability - of a signal falls as a function of the distance over which the signal is transmitted, amplifier transitions can, if necessary, be arranged with a distance along the drill string as low as approx. 300 m. This then enables signals to be transmitted with a data rate of approx. 100 pieces per second with a power input of approx.

1 W pr. overgang og en båndbredde på ca. 100 Hz. 1 W per transition and a bandwidth of approx. 100 Hz.

Dersom borestrengen og den ledende retur gjennom jorden i det system som er beskrevet i det forannevnte If the drill string and the leading return through the earth in the system described in the above

US-patentskrift nr. 2 354 887, betraktes, som en sekundærvikling US Patent No. 2,354,887, is considered a secondary winding

med en eneste vinding i en toroidformet transformator hvis primærvikling utgjøres av toroidspolen som omgir borestrengen, kan kjernetapene i det system som er vist i patentskriftet, with a single turn in a toroidal transformer whose primary winding is made up of the toroidal coil surrounding the drill string, the core losses in the system shown in the patent,

og det system som er vist på tegningen, sammenliknes. and the system shown in the drawing are compared.

Dersom toroidkjernens tverrsnittsareal er If the cross-sectional area of the toroid core is

Ac og den maksimale metningsfluktstetthet for kjernematerialet er BSATf er åpenbart Ac and the maximum saturation flux density of the core material is BSATf is obvious

Dersom sekundærviklingens impedans er Zg, kan den effekt som injiseres i sekundærviklingen skrives som Maksimumsverdien av den elektromotoriske kraft (emk) som induseres i sekundærviklingen kan skrives som If the impedance of the secondary winding is Zg, the power injected into the secondary winding can be written as The maximum value of the electromotive force (emf) induced in the secondary winding can be written as

hvor N o er antall vindinger i sekundærviklingen, where N o is the number of turns in the secondary winding,

^max er maksimumsverdien av den magnetiske fluks gjennom toroidkjernens tverrsnitt, og ^max is the maximum value of the magnetic flux through the cross section of the toroid core, and

to = 211 f, hvor f er frekvensen for primærviklingens driv-anordning. to = 211 f, where f is the frequency of the primary winding's drive device.

Ut fra likningene (i), (ii) og (iii) følger at Based on the equations (i), (ii) and (iii) it follows that

Typiske verdier for en toroidtransformator med kjernemateriale av silisiumjern kan settes lik: Bmax" 2'2 Tesla Typical values for a toroidal transformer with silicon iron core material can be set equal to: Bmax" 2'2 Tesla

Kjernetap ved 200 Hz =5,5 watt-kg Core loss at 200 Hz =5.5 watt-kg

-3 -3

Kjernetetthet = 7 g • cm Core density = 7 g • cm

Ut fra de foregående beregninger ved 200 Hz kan impedansen Zg for borestrengen og jorden settes lik 0,17 ohm. Based on the preceding calculations at 200 Hz, the impedance Zg for the drill string and the earth can be set equal to 0.17 ohms.

For en toroidtransformator med en midlere diameter på 14 cm som omgir borestrengen.-.i og har en sekundærvikling med en eneste vinding, indikerer således disse typiske verdier en minimumsverdi for kjernens tverrsnittsareal på 3,9 cm 2 og et resulterende minimums-kjernevolum på 156 cm^, og den minimale masse av kjernen beregnes til Thus, for a 14 cm mean diameter toroidal transformer surrounding the drill string and having a single turn secondary winding, these typical values indicate a minimum core cross-sectional area of 3.9 cm 2 and a resulting minimum core volume of 156 cm^, and the minimal mass of the nucleus is calculated to

1,1 kg når tilfellet for Pg = 1 watt betraktes. For å 1.1 kg when the case of Pg = 1 watt is considered. In order to

avgi én watt til sekundærkretsen ved 200 Hz, er således det resulterende kjernetap ca. 6 watt. En sådan kjerne vil dessuten være kostbar å fremstille. output one watt to the secondary circuit at 200 Hz, the resulting core loss is thus approx. 6 watts. Such a core would also be expensive to produce.

Dersom til sammenlikning toroidtransformatoren If for comparison the toroidal transformer

i det system som er vist på tegningen, har 100 vindinger i sin sekundærvikling, er derimot minimumsverdien for kjernens tverrsnittsareal ca. 4 mm 2, og kjernen kan derfor være meget liten slik at kjernetapot er neglisjerbart. in the system shown in the drawing, has 100 turns in its secondary winding, on the other hand, the minimum value for the core's cross-sectional area is approx. 4 mm 2, and the core can therefore be very small so that core loss is negligible.

Claims

1. Telemetry transition for a drill string, comprising a signal transmitting and/or signal receiving device for use in electromagnetic transmission of signals along the drill string between the transition and a signal receiving and/or signal transmitting station at a remote location along the drill string, a return path for the signals being provided via the soil formations through which the borehole is drilled, the transition comprising first and second parts (6, 7) which are electrically isolated from each other, and a transformer (12) which has its one winding electrically connected between the first and second parts (6, 7) and the signal transmitting and/or receiving device (11; 15-18) electrically connected to the second winding of the transformer (12), the first part (6) providing a current path for signals traveling between the transformer (12) and the signal receiving and/or transmitting station when the transition (1) is placed in the drill string, and the return line during ongoing drilling is provided between transformer rmator (12) and the signal receiving and/or transmitting station via the second part (7) and the earth formations, CHARACTERIZED IN THAT the transformer (12) is a toroidal transformer.

2. Telemetry transition according to claim 1, CHARACTERIZED BY the fact that it is a transmit-only sub for sending measurement data supplied to it by a measuring instrument.

3. Telemetry transition according to claim 1, CHARACTERIZED IN THAT it is an amplifier transition for receiving a signal which is supplied to it along the drill string, processing the signal and sending the processed signal.

4. Telemetry transition according to one of the preceding claims, CHARACTERIZED BY the fact that the transformer (12) and the transmitting and/or receiving device (11; 15-18) are placed in a room (9) in the transition (1) wall.

5. Telemetry transition according to claim 4, CHARACTERIZED IN THAT the chamber (9) is closed off from the outside by means of a cover (13).

6. Telemetry transition according to one of the preceding claims, CHARACTERIZED IN THAT the first and second parts (6, 7) are isolated from each other by means of an annular insulator (8) which is essentially S-shaped in radial section.

7. Telemetry transition according to one of the preceding claims, CHARACTERIZED IN THAT the signal sending and/or receiving device (11; 15-18) is arranged to be fed by a battery.