NO305327B1 - FremgangsmÕte for optimalisering av signaloverf°ringshastighet for flerfunksjons br°nnkabler - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å optimalisere overføringshastigheten for informasjon som passerer gjennom en flerfunksjonskabel så som for eksempel de som forbinder et brønnverktøy med en overflate-installasjon.

Når det skal utføres målinger og/eller intervensjoner i brønner, blir det vanligvis brukt verktøy som blir ført ned ved enden av en flerfunksjonskabel så som en kabel kjent som loggekabel, som kan motstå strekkspenninger og som består av adskillige ledninger som tillater overføring av elektrisk energi mot bunnhull-verktøyene såvel som styre- og måle-signalutvekslinger mellom kabelen og en overflateinstallasjon.

Brønnhull-verktøyene består for eksempel av en eller flere sonder som kan være fastlåst i brønnen ved åpning av festearmer ved hjelp av hydrauliske jekker. Den hydrauliske energien besørges av en hydraulisk generator anordnet i brønnhullet og som forsynes med elektrisk effekt fra en overflatekilde gjennom forsyningsledninger som er inkludert i kabelen. Effektkilden på overflaten er også ved hjelp av disse ledningene tilkoplet elektriske motorer eller elektro-magnetiske innretninger som er anordnet i verktøyene. Andre ledninger i kabelen blir brukt til overføring av verktøystyre-signaler og til overføring av målesignaler til en registre-ringsanordning på overflaten.

Forskjellige brønnsonder er beskrevet i US patentene

4428 422, 4 616 703, 4 862 425 og 4 901 289.

Det forekommer tallrike anvendelser hvor antallet måle-sensorer som inngår i et brønnutstyr, er av viktighet. Dette gjelder spesielt i tilfellet på området seismisk prospektering av brønner hvor en rekke sensorer, så som geofoner, blir brukt og kan være fordelt i en hovedsonde og også mulig i en eller flere satellitt-sonder ved forskjellige dybdenivåer. De oppfangede signalene må overføres til et registreringsapparat på overflaten. Antallet sensorer og frekvensen til signalene som mottas rettferdiggjør overføringen av disse på digitali-sert og kodet form med en høy overføringshastighet.

Passbåndet for overføringsledningene som er innbefattet i kabelen, er generelt relativt smalt. Når mengden data som skal overføres blir stor nok, vil den begrensede ytelsen til ledningene virke som en brems, hvilket medfører at de elektroniske systemene til verktøyene må utstyres med kraftige bufferlagere.

Flerfunksjonskablene som er mest vanlig i bruk for petroleum-applikasjon består av for eksempel en sentral ledning, og en flerhet av ledninger anordnet i ringer, og en ytre metallisk mantel eller armering.

En fremgangsmåte for å forbedre overføringshastigheten for data som sendes gjennom en slik kabel er vel kjent fra fransk patent nr. 2 613 159, og denne fremgangsmåten består i hovedsak av overføring mellom den sentrale ledningen og den ytre mantelen av de kodede data i samsvar en bipolar kode så som kode HDB3, som er velkjent for spesialister på området. Med en slik utforming kan hastigheter som er høyere enn 100 kilobit/sekund, eller til og med høyere enn 2 00 kilobit/sekund oppnås på enkel måte over distanser på flere kilometer ved å optimalisere transmisjonsfaktorene.

Dagens utvikling av brønnmåleutstyr gjør det mer og mer nødvendig fremdeles å øke overføringshastigheten for å kunne møte økningen i datastrømmen som skal overføres mot overflate-installasjonene.

En konvensjonell løsning som blir brukt i telekommunika-sjonsfeltet, ville bestå i å anvende kabler med større bånd-bredde. Dette er ikke mulig ved overføringer i brønner hvor det må anvendes en standard loggekabel som vanligvis er tilgjengelig på brønnstedene.

Fra europeisk patentsøknad EP 3 98 581 er kjent et system for overføring på loggekabel, som anvender flernivåkoding for å øke overføringshastigheten.

Dette systemet omfatter en korrigeringsenhet for ledningen, som gjør det mulig å gjenopprette for kodede signaler, i enden av ledningen og før dekoding og demodula-sjon, korrekte amplitudenivåer som har kunnet bli forandret på grunn av svakheter ved ledningen, ved å adskille de forskjellige kanaler som benytter samme ledning. Den aktuelle enheten omfatter spesielt et filter for å velge blant de mottatte signaler et bestemt frekvensbånd med bredde valgt for at data på analog form skal være i det tillatte passbånd for ledningen og ikke interferere med sideliggende signaler som overføres på samme ledning ved forskjellige frekvenser.

Fra europeisk patentsøknad EP 25 895 er det videre kjent en elektronisk anordning med symmetrisk oppbygning, som tillater generering av pulser med forhøyet bithastighet.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen gjør det mulig å frigjøre seg fra de begrensningene som ligger i de eksiste-rende flerfunksjonskabler (loggekabler), og å optimalisere overføringshastighetene for signaler på overføringsledninger innbefattet i flerfunksjonskabler av den type som anvendes for eksempel for å forbinde brønnverktøy med overflateinstallasjoner, uten å modifisere den tillatelige overføringsfeil-hyppighet, omfattende koding av digitaliserte signaler ved hjelp av elektriske spenninger valgt fra et sett av kodespenninger med minst to spesifikt definerte spenningsnivåer og ved anvendelse av filteranordninger. Fremgangsmåten kjenne-tegnes ved at passbåndet for hver overføringsledning utvides mot høye frekvenser, i kombinasjon med anvendelse av korrigeringskretser som er valgt slik at den korrigerte ledningen har en overføringsfunksjon ekvivalent med et Bessel-filter i det minste innen et bestemt frekvensområde (k2fc, k-^c) rundt tre desibel-knekkfrekvensen for Bessel-filteret som er ekvivalent med den korrigerte ledningen, idet kxog k2er multiplikatorkoeffisienter hvor koeffisienten kxvelges større enn eller lik 2, og knekkfrekvensen fc for den korrigerte ledningen velges som en funksjon av antallet kodenivåer i settet av kodespenninger og av den tillatelige feilhyppigheten.

Man velger f.eks. korrigeringskretsene slik at over-føringsfunksjonen for hver korrigert ledning i hovedsak tilsvarer funksjonen for et Bessel-filter, i det minste i et frekvensintervall (k2fc og k^c) , hvor fc er nevnte knekkfrekvens fc, k1er en multiplikatorfaktor som i det minste er lik 2,5 og k2er en multiplikatorfaktor i størrelsesorden 0,2.

I samsvar med en utførelse er overføringskretsene valgt slik at de er tilpasset for å påføre signalene i nevnte frekvensintervall en forsterking som høyest er lik en begrensningsverdi som minsker i samsvar med en økning i det valgte antallet av kodespenninger, for en innstilt feilrate som er avhengig av støynivået som er gjeninnsatt ved nevnte korrigeringskretser tilordnet hver overføringsledning, og nevnte knekkfrekvens (fc), som den maksimale overføringsfrekvensen avhenger av, er valgt slik at den stigende amplituden som skal påtrykkes signalene som overføres for hver overføringsledning er i det meste lik nevnte grenseverdi (G).

I henhold til et foretrukket utførelseseksempel blir overføringshastigheten økt ved å kode signalene som skal overføres ved hjelp av et sett av kodespenninger omfattende i det minste åtte kodespenninger.

Overføringshastigheten kan økes ytterligere ved på fordelaktig måte å velge et sett av kodespenninger som omfatter seksten kodespenninger.

Denne multiple spenningskodingen, tilføringen av spesielle filtreringskretser og denne styrte utvidelse av

gjennomgangsbåndet medfører at den mulige overføringshastighe-ten til de fleste vanlige flerfunksjonskabler, kan multiplise-res med tre eller fire, og dette uten at overføringsfeilraten økes.

En anordning for utførelse av fremgangsmåten kan for eksempel bestå av en kodeinnretning som er tilpasset for å kode digitaliserte signaler som skal overføres med et utvalgt antall kodespenninger og å påtrykke dem på en overførings-ledning, og filterkretser tilpasset på en slik måte at ledningen kombinert med nevnte filterkretser har en over-føringsfunksjon som tilsvarer overføringsfunksjonen til et Bessel-filter med en knekkfrekvens fc valgt som en funksjon av antallet kodespenninger som ble brukt, av overføringsfunksjo-nen til overføringsledningen alene og av støyegenskapene til nevnte filterkretser, i et frekvensintervall som strekker seg på begge sider av nevnte knekkfrekvens fc.

Andre egenskaper og fordeler med fremgangsmåten og anordningen i henhold til oppfinnelsen vil bli tydeliggjort ved lesing av den etterfølgende beskrivelse av utførelser som er gitt som ikke begrensende eksempler, med henvisning til de medfølgende tegninger i hvilke: Fig. 1 viser en sonde som blir ført ned i en brønn idet den henger i en elektrisk bærekabel av for eksempel loggekabeltypen; Fig. 2 viser skjematisk et tverrsnitt av ordningen av lederne som løper langs en elektrisk bærekabel av en standard type; Fig. 3-6 viser skjematisk forskjellige modi av kombinasjon av lederne til en kabel for å danne en eller flere overføringsledninger; Fig. 7 viser variasjonen, som en funksjon av frekvensen, til overføringsfunksjonen til en overføringsledning innbefattet i en flerfunksjonskabel så som en standard loggekabel med en lengde på flere kilometer . Fig. 8 og 9 viser to relative utforminger av overførings-funksjonen til en overføringsledning sammenlignet med utformingen til Bessel-filterekvivalenten til den samme korrigerte ledningen, i tilfellet med en tospenning eller bipolar koding og i tilfellet med en 8-spenningskoding, og de relative utforminger er i begge tilfeller valgt for å kunne oppnå en maksimumshastighet uten å øke overføringsfeilraten; Fig. 10 viser et eksempel på en responskurve til en korrigeringskrets tilordnet en overføringsledning i flerfunksjonskabelen, hvor forsterkingen er under-streket og støybåndet er sentrert på den maksimale forsterking og har en bredde på omtrent 200 kHz; Fig. 11 viser et sett av kodespenninger med to symmetriske

kodespenninger;

Fig. 12 viser et sett av kodespenninger med åtte positive

eller negative spenninger; og

Fig. 13 viser skjematisk et eksempel på et overføringssystem for påtrykning av signaler som er kodet med en flernivåkode mellom to ledere til en elektrisk bærekabel.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen gjør det mulig å overføre signaler som utveksles mellom et styre og registreringssystem CE og en signalmottaksmontasje som er inneholdt i i det minste en sonde 1 (figur 1) som er for eksempel av typen beskrevet i US patentene som er angitt ovenfor. Denne sonden er opphengt i en elektrisk bærekabel 2 på en opplagringsstruktur 3 anordnet på overflaten og som er viklet rundt 1agertrommelen 4 til en registreringslastebil 5. Den anvendte kabel 2 er av en type som er i vanlig bruk for å føre sonder ned i en brønn. Den består av for eksempel (figur 2) syv ledere C. til C„. De seks lederne C. til C, er

17 16

anordnet regelmessig i kabelseksjonen i den samme avstand fra senteret som en sentral leder passerer gjennom. På omkretsen har kabelen en metallisk mantel eller armering T som vanligvis består av omspunnede armeringstråder. De syv lederne til C 7 til kabelen 1 som er viklet rundt en lagertrommel 4 (figur 1) er tilkoplet ved hjelp av en overføringskabel 6 til styre- og registreringssystemet CE som er anordnet i registreringslastebilen 5.

Dataene som skal overføres blir påtrykt en overførings-ledning L som er frembrakt ved å kombinere lederne til kabelen. I henhold til kombinasjonsmodusen på figur 3 er denne ledningen frembrakt ved sammenkopling av C2og C5på den ene siden og C3og Cg på den andre siden. Signalet kan også påtrykkes den sentrale lederen C 7 og armeringen T (fig. 4) eller mellom to ledere så som for eksempel C^ og C4(figur 6).

Ledningen kan også består av (figur 5) trekant-sammenkoplinger av ledere, C.^C3og C5på den ene siden, og C2, C4 og C6på den andre siden.

En slik sonde, som muligens kan være komplettert med en satellitt-sonde eller en streng av flere satellitt-sonder, blir ført ned i brønner, ofte i dybder på flere kilometer (mellom 3 og 7 km), og enda dypere.

Overføringsfunksjonen som er vist som et eksempel på figur 7 er for en standard loggekabel på flere kilometer. Den har en dempning som ligger nær 3 0 dB rundt 100 kHz, og høyere enn 50 dB rundt 200 kHz. Resultatet er at overføringshastig-heten over en avstand på flere kilometer ikke kan overskride flere hundre kilobit pr. sekund (generelt 100 til 200 kB/s) når det anvendes en bipolar kodemodus så som kode HDB3, som er velkjent for spesialister. I samsvar med denne kodemodus blir to symmetriske amplitudespenninger brukt, den ene positiv på +V volt og den andre negativ på -V volt (figur 11).

Optimaliseringen som er gjort mulig med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen består først i å adoptere en flernivå kodemodus. Et sett på 2, 4, 8, 16 eller 32 kodespenninger som er symmetriske to for to blir valgt på begge sider av 0 volt spenningen. 2-nivå kodemodusen er en bipolar modus så som kode HDB3 som er nevnt ovenfor. For 8-nivåkoding blir hver av de symmetriske spenningene +V og -V som er tilgjengelige i kodeapparatet delt i fire. Amplitudene til kodespenningen er derfor henholdsvis VI = +V, V2 = 0,75 V, V3 = + 0,5 V, V4 + +0,25 V, V5 = -0,25 V, V6 = -0,5 V, V7 = -0,75 V og V8 = -V. Med dette 8-nivå kodesettet (figur 11) er det velkjent å overføre opptil 3 bit samtidig og derfor å øke den mulige overføringshastigheten uten å øke gjennomgangsbåndet eller båndbredden til kabelen.

Støyspenninger vb som kommer fra korrigeringskretsene (figurene 11 og 12), som alle er forhøyet siden gjennomgangsbåndet til kretsene er bredere og følgelig blir forsterkingen av disse høyere, blir overlagret på disse kodespenningene. maskeringseffekten til disse forstyrrelsene er mer merkbar på de lavere kodespenningene, d.v.s. V4 og V5 (figur 12) og således vil med den samme tillatelige feilraten endringen fra en bipolar koding (figur 6) til en 8-spenningskoding (figur 7) medføre minsking av knekkfrekvensen til det korrigerte systemet.

Dersom al = S/B er signal-til-støy forholdet i den bipolare koden, er det nødvendig for en 4-spennings koding å faststille et høyere tillatelig forhold a2 = al + c, hvor c er et avvik innstilt på 6 dB dersom den samme separeringseffekt skal holdes mellom nivåene. For en 8-spennings og en 16- spennings koding er en verdi, henholdsvis a3 = al + 2c og en verdi a4 = al + 3c, fast innstilt.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen består i at til hver overføringsledning tilføyes et spesielt korrigeringsnettverk som utvider gjennomgangsbåndet eller båndbredden til hver ledning samtidig som det unngås risiko for over-oscillasjoner i signalene hvilket vanligvis genererer feil ved dekoding.

Det er funnet at korrigeringsnettverket som gjør det mulig å optimalisere ledningene, bør velges slik at den korrigerte ledningen fortrinnsvis har en overføringsfunksjon som er ekvivalent til overføringsfunksjonen til et Bessel-filter, i det minste i et gitt frekvensintervall (k2fc, k^fc) rundt 3-dB knekkfrekvensen fc til Bessel-filterekvivalenten til den korrigerte ledningen, idet k^og k2er multiplikatorkoeffisienter. Koeffisienten k2er for eksempel i området 0,2. Koeffisienten k1er valgt slik at den i det minste er lik 2 og fortrinnsvis i det minste lik 2,5.

Fremgangsmåten omfatter videre å velge denne knekkfrekvensen fc som en funksjon av overføringsparametrene. Støy-amplituden bs som kan tillates på utgangen fra korrigeringsnettverket er innstilt i samsvar med det valgte antall kodespenninger, og støyamplituden som opprettes på inngangen av det samme nettverket vil gjøre det mulig å bestemme den maksimale forsterking som må påtrykkes signalene som overføres i frekvensbåndet (k2fc, k-^fc) og således den maksimale knekkfrekvensen fc som kan oppnås med de brukte overførings-ledninger.

Støyspenningen som innstilles på inngangen til et korrigeringsnettverk uttrykkes vanligvis som nV /bf, hvor BF er bredden til frekvensbåndet som skal forsterkes. Når det maksimale frekvensbåndet BF er bestemt, kan den totale støyen som skal opprettes avledes fra dette. Den maksimale forsterkingen G som kan gis til korrigeringsnettverket frembringes så av bs/be-forholdet.

Ved innført forsterking G kan knekkfrekvensen fc til det ekvivalente Bessel-filteret så velges slik at uten hensyn til frekvensen som er inneholdt i intervallet (k2fc, k^fc) kan være, er stigeamplituden som skal påtrykkes signalene i det neste lik G (figurene 8 og 9). Den maksimalt mulige overføringsfrekvensen Fm er proporsjonal med den frembrakte frekvensen fc: Fm = k.fc, med en koeffisient k for eksempel av størrelsesorden 2,2. Hastigheten Dm kan avledes fra forholdet Dm = Fm log2n, hvor n er antallet kodenivåer.

Den etterfølgende beskrivelse av et spesielt utførelses-eksempel vil gjøre det mulig å frembringe resultatene som ble oppnådd i praksis med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. En overføringskabel hvor ledningene har en overførings-funksjon FTC, slik som den som er vist på figur 7, er brukt. Signal-til-støy forholdet S/bs er for eksempel innstilt på 40 dB for en tospennings bipolar kode, på 52dB, 58 dB og 64 dB for henholdsvis en 8, 16 og 32 spennings koding, og støyen som skal opprettes på inngangen til ledningens korrigeringskretser som ble brukt er for eksempel 5 (nV) a/bf (Hz) , idet frekvensbåndet som skal forsterkes er i området 250 kHz, og amplituden til signalet S er innstilt på for eksempel 1 volt.

Med de foran nevnte numeriske verdier er amplituden beregnet til 2,5 mikrovolt, de maksimale amplitudene bs er beregnet med hensyn på verdiene til de innførte forhold S/bs og det kan avledes at forsterkningene G som må påtrykkes er 72 dB (figur 8), 60 dB, 54 dB (figur 9) og 48 dB i de respektive tilfeller med bipolar koding og en 8, 16 og 32 spenningskoding. Avvikene G mellom overføringsfunksjonen for over-føringsledningen alene, FTL, og overføringsfunksjonen for det ekvivalente Bessel-filteret, FTB, blir bestemt, og omformet i relasjon til den andre inntil avviket G mellom dem oppnås å være ved frekvensen f2 = 2,5 fc. Denne tilstand medfører den søkte knekkfrekvens fc. For bipolar koding blir fc funnet å være hovedsakelig lik 200 kHz (figur 8). Med en 8-spenningskoding er fc i hovedsak lik 160 kHz (figur 9). Det kan også fastslås at fc er i området 150 kHz og 120 kHz for henholdsvis en 16 og en 32 spennings koding.

Når det tas hensyn til antallet bit som kan overføres samtidig i samsvar med antallet kodespenninger som blir brukt, kan det fastslås at hastigheten Dm til en slik ledning kan nå optimale verdier i størrelsesorden 1,3 til 1,5 Mbit/s for en 16 eller 32 spenningskoding, og dette skjer uten noen over-oscillasjoner som sannsynligvis kunne medføre dekodingsfeil. En kan merke seg at under hensyntagen til formen på overførings-kurven til de brukte ledninger vil den optimale hastigheten være høyest for 16 eller 32 nivåkodinger, og en tilleggsøkning i antallet kodespenninger medfører ingen tilhørende økning i den mulige hastigheten.

Anordningen for å utføre fremgangsmåten (figur 13) er tilpasset for å overføre digitaliserte data som leveres av et søkesystem 7 som generelt omfatter en inngangsmultiplekser 8 som sekvensielt tilkoples en variabel forsterknings- og filtreringskjede 9 av typen som beskrevet i US patentene 4 779 055 eller 4 774 474, og en analog til digital omformer 10.

De digitaliserte signalene som kommer fra søkesystemet blir påtrykt et spesialisert kodesett 11 av velkjent type som er tilpasset overføringskoden og antallet kodespenninger, før de blir påtrykt et sendesett 12 som er tilkoplet en ledning i kabelen 2 som er frembrakt ved en av kombinasjonene som er fremstilt skjematisk på figurene 3 til 6.

Sendesettet 12 består av for eksempel en spenningstransformator 13 med en primærvikling hvis to ender er tilkoplet kodesettet 11.

Sekundærviklingen til spenningstransformatoren 11 er for eksempel tilkoplet mellom den sentrale ledningen C7og omkretsarmeringen T. På den andre enden av kabelen 2 gjør en annen spenningstransformator 14 det mulig å ta ut signalet som blir overført mellom ledningen C7og armeringen T. Signalet på den sekundære viklingen til transformatoren 14 blir påtrykt et korrigeringssett 15 som er tilpasset på en slik måte at overføringsledningen blir korrigert ved virkningene av dette settet slik at den har en respons som i hovedsak er identisk med responsen til et Bessel-filter, i det minste i det definerte intervallet (k2fc, k1fc). Signalene som kommer fra filtreringssettet 15 blir påtrykt et mottakssett 16 av velkjent type og som er tilpasset for å slippe ut de digitali serte signalene som deretter føres til en tilpasset dekoder 17 som gjenetablerer det overførte, digitaliserte signalet.

Kodesettet 11 er tilpasset for å overføre det digitaliserte signalene med en hastighet som er mest lik den maksimale hastigheten D som er kompatibel med parametrene til kabelen og til de elektroniske kretsene i filtreringssettet 15, slik det fremgår av beskrivelsen.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for å optimalisere overføringshastighetene for signaler på overføringsledninger innbefattet i flerfunksjonskabler (2) av den type som anvendes for eksempel for å forbinde brønnverktøy med overflateinstallasjoner, uten å modifisere den tillatelige overføringsfeilhyppighet, omfattende koding av digitaliserte signaler ved hjelp av elektriske spenninger valgt fra et sett av kodespenninger med minst to spesifikt definerte spenningsnivåer og ved anvendelse av f ilteranordninger, karakterisert vedat passbåndet for hver overføringsledning utvides mot høye frekvenser, i kombinasjon med anvendelse av korrigeringskretser (15) som er valgt slik at den korrigerte ledningen har en overføringsfunksjon ekvivalent med et Bessel-filter i det minste innen et bestemt frekvensområde (k2fc, kxfc) rundt tre desibel-knekkfrekvensen for Bessel-filteret som er ekvivalent med den korrigerte ledningen, idet k-L og k2er multiplikatorkoeffisienter hvor koeffisienten kxvelges større enn eller lik 2, og knekkfrekvensen fc for den korrigerte ledningen velges som en funksjon av antallet kodenivåer i settet av kodespenninger og av den tillatelige feilhyppigheten.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat k: er en multiplika-torf aktor som er lik minst 2,5, og k2er en multiplikatorfaktor av størrelsesorden 0,2.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat det velges korrigeringskretser som gjør det mulig å påføre signalene innen det nevnte frekvensområdet en forsterkning som maksimalt er lik en terskelverdi (G) som avtar i samsvar med en økning i det valgte antall kodespenninger for en fast overføringsfeil-hyppighet, og i avhengighet av støynivået (be) som forekommer på korrigeringskretsene forbundet med hver overføringsledning, og at knekkfrekvensen (fc) som den maksimale overførings-frekvensen avhenger av, velges slik at økningen i amplitude som påføres signalene som sendes på hver overføringsledning, maksimalt er lik terskelverdien (G).

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat overføringshastigheten økes ved å kode signalene som skal overføres, ved hjelp av et sett kodespenninger med minst åtte spenningsnivåer.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat overføringshastigheten økes ved å kode signalene som skal overføres, ved å velge et sett kodespenninger med seksten kodespenninger.