NO322110B1 - Anordning og fremgangsmate for akustisk dataoverforing langs en rorstreng fra en nedhulls boreenhet til bronnoverflaten - Google Patents

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Teknisk område

Foreliggende oppfinnelse vedrører et telemetrisystem for overføring av data fra en nedhulls boreenhet til overflaten av en brønn. Mer spesielt vedrører foreliggende oppfinnelse et system og en fremgangsmåte for forbedret akustisk signalering gjennom en borestreng.

Beskrivelse av beslektet teknikk

Moderne petroleumsborings- og produksjonsoperasjoner krever en stor in-formasjonsmengde vedrørende parametere og tilstander nede i brønnen. Slik informasjon innbefatter vanligvis egenskaper ved de grunnformasjoner som gjen-nomtrenges av borehullet, sammen med data vedrørende selve borehullets størr-else og form. Innsamlingen av informasjon vedrørende tilstandene nede i hullet, som vanligvis kalles "logging", kan utføres ved hjelp av flere forskjellige fremgangsmåter.

Ved konvensjonell kabellogging av oljebrønner blir en probe eller "sonde" som rommer formasjonssensorer, senket ned i borehullet etter at en del av eller hele brønnen er blitt boret, og blir brukt til å bestemme visse kjennetegn ved de formasjoner som gjennomskjæres av borehullet. Den øvre ende av sonden er fes-tet til en ledende kabel, og i denne kabelen er sonden opphengt i borehullet. Kraft blir sendt til sensorene og instrumenteringen i sonden gjennom den ledende kabel, instrumenteringen i sonden kommuniserer likeledes informasjon til overflaten ved hjelp av elektriske signaler som overføres gjennom kabelen.

Problemet med å fremskaffe nedhullsmålinger via kabel er at boreenheten må fjernes eller "trippes" fra det borede borehull før den ønskede borehullsinfor-masjon kan fremskaffes. Dette kan være både tidkrevende og uhyre kostbart, spesielt i situasjoner hvor en betydelig del av brønnen er blitt .boret. I dette tilfelle kan tusenvis med fot av rørledning måtte fjernes og stables på plattformen (hvis dette skjer til sjøs). Vanligvis blir borerigger leid pr. dag til en betydelig pris. Prisen med å bore en brønn er følgelig direkte proporsjonal med den tid som er nødvendig for å fullføre boreprosessen. Fjerning av tusener av fot med rørledning for å innføre en kabelloggesonde, kan være et kostbart forslag.

Følgelig har det blitt lagt økt vekt på innsamlingen av data under boreprosessen. Innsamling og behandling av data under boreprosessen, eliminerer nød-vendigheten av å fjerne eller trippe boreenheten for å sette inn en kabelloggesonde. Det gjør det følgelig mulig for boreoperatøren å foreta nøyaktige modifikasjoner eller korreksjoner etter behov, for å optimalisere ytelsen samtidig som død-tiden minimaliseres. Konstruksjoner for måling av tilstander nede i borehull, innbefattende bevegelsen og posisjonen til boreenheten samtidig med boringen av brønnen, er blitt kjent som teknikker for "måling-under-boring", eller "MWD (measurement-while-drilling). Lignende teknikker som er mer konsentrert om måling av formasjonsparametere, har vanligvis blitt kalt teknikker for "logging-under-boring", eller "LWD (logging-while-drilling). Selv om det kan finnes forskjeller mellom MWD og LWD, blir uttrykkene MWD og LWD ofte brukt om hverandre. I forbindelse med foreliggende beskrivelse vil uttrykket MWD bli brukt med den forståelse at dette uttrykket omfatter både innsamling av formasjonsparametere og innsamling av informasjon vedrørende bevegelsen og posisjonen til boreenheten.

Når oljebrønner eller andre borehull blir boret, er det ofte nødvendig eller

ønskelig å bestemme retningen og helningen av borkronen og motoren nede i hullet slik at enheten kan styres i den riktige retning. I tillegg kan det være nødvendig med informasjon vedrørende beskaffenheten av de geologiske lag som det bores i, slik som formasjonsresistivitet, porøsitet, densitet og en måling av dens gamma-stråling. Ofte er det også ønskelig å kjenne andre nedhullsparametere, slik som temperaturen og trykket ved bunnen av borehullet, f.eks. Når disse data er innsamlet ved bunnen av borehullet, er det nødvendig å kommunisere dem til overflaten for bruk og analyse av boreren.

Sensorer eller transdusere er vanligvis anordnet ved den nedre ende av borestrengen i LWD-systemer. Selv om boringen er i gang, overvåker disse sensorene kontinuerlig eller intermittent forutbestemte boreparametere og forma-sjonsdata og sender informasjonen til en overflatedetektor ved en form for telemetri. Sensorene nede i borehullet som vanligvis anvendes ved MWD-anvendelser, er anordnet i et sylindrisk vektrør som er posisjonert nær borkronen. MWD-systemet benytter så et telemetrisystem der de data som er innsamlet av sensorene, blir overført til en mottaker anordnet på overflaten. Det finnes et antall telemetrisystemer som er tidligere kjent, som forsøker å overføre informasjon ved-rørende nedhullsparametere opp til overflaten uten at det er nødvendig å bruke en kabelsonde. Av disse er slampulssystemet ett av de mest brukte telemetrisystemer i MWD-anvendelser.

Slampulssystemet for telemetri frembringer "akustiske" trykksignaler i borefluidet som sirkuleres under trykk gjennom borestrengen under boreoperasjoner. Den informasjon som innsamles ved hjelp av sensorene nede i borehullet, blir overført ved hjelp av passende tidsstyring ved dannelse av trykkpulser i slam-strømmen. Informasjonen blir mottatt og dekodet ved hjelp av en trykktransduser og datamaskin på overflaten.

I et slamtrykk-pulssystem blir boreslamtrykket i borestrengen modulert ved hjelp av en ventil og styremekanisme, vanligvis kalt en pulsgiver eller slampulsgi-ver. Pulsgiveren er vanligvis montert i et spesielt innrettet vektrør posisjonert over borkronen. Den genererte trykkpuls forplanter seg opp gjennom slamsøylen inne i borestrengen med lydhastigheten i slammet. Avhengig av den type boreslam som benyttes, kan hastigheten variere mellom omkring 3000 og 5000 fot pr. sekund. Overføringshastigheten av data er imidlertid forholdsvis lav på grunn av pulsspred-ning, forvrengning, dempning, begrensninger med hensyn til modulasjonshastig-het og andre ødeleggende krefter, slik som omgivelsesstøy i borestrengen. En typisk pulshastighet er i størrelsesorden av én puls pr. sekund (1 Hz).

Med de siste utviklinger av avfølings- og styringsteknologier som er tilgjen-gelige for boreren, er den mengde data som kan transporteres til overflaten med en tidshastighet på 1 bit pr. sekund, svært utilstrekkelig. Som én fremgangsmåte til å øke overføringshastigheten av data, er det blitt foreslått å overføre dataene ved å benytte vibrasjoner i røiiedningsveggen istedenfor trykkpulser i borefluidet. Tidligere kjente systemer har imidlertid vist seg å være upålitelige ved datahastigheter større enn omkring 3 bit/sekund på grunn av akustiske refleksjoner ved verk-tøyskjøter og variasjoner i rørledningens og borehullets geometri.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Følgelig er det her beskrevet et pålitelig, nedhulls, akustisk telemetrisystem med høy datahastighet. I en utførelsesform innbefatter det akustiske telemetrisystem en rørstreng med en akustisk sender og en akustisk mottaker montert på strengen. Den akustiske sender ut telemetriinformasjon ved å modulere den akustiske bærebølgefrekvens som forplanter seg langs veggene tit rørstrengen. Senderen er fortrinnsvis montert ved en valgt posisjon i forhold til enden av rørstrengen. Den valgte posisjon er fortrinnsvis mindre enn X/4 fra enden eller tilnærmet r\ X/ 2 fra enden, hvor X er bølgelengden for bærefrekvensen i rørstrengen, og n er et positivt heltall. I en mer foretrukket utførelsesform kan n være mindre enn 4 ganger antallet perioder i moduleringstoneskuren og 40. Mottakeren er fortrinnsvis montert ved omkring {2n-1)AV4 i forhold til enden av rørstrengen, hvor n er et positivt heltall. En slik posisjonering hindrer refleksjoner av det akustiske signal fra i særlig grad å degradere det mottatte signal. Den akustiske signalering benytter fortrinnsvis pulsforming for ytterligere å forbedre systemytelsen.

For å forbedre dataoverføringshastighetene innbefatter den akustiske mottaker med fordel en utjevner som kompenserer for signalspredning og intersymbol-interferens, mens den samtidig minimaliserer andre former for signal-forringelse, slik som additiv støy og kanal-ulineariteter. Utjevneren er fortrinnsvis en adaptiv, ikke-lineær utjevner som også kan være anordnet ved en brøkavstand. Slike utjevnere eliminerer eventuelle behov for skilleintetvaller som tillater signalrefleksjoner å død ut. Det resulterende system gir høyere datahastigheter. Når feilkorreksjonskoder blir anvendt, inntreffer ingen tap av pålitelighet.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

En bedre forståelse av foreliggende oppfinnelse kan fås av den følgende detaljerte beskrivelse av den foretrukne utførelsesform, betraktet i forbindelse med de følgende vedlagte tegninger, hvor: fig. 1 er en skjematisk skisse av en oljebrønn hvor et akustisk telemetrisystem kan anvendes;

fig. 2 er en skisse av en akustisk sender og en akustisk mottaker;

fig. 3 er et diagram av et eksempel på et kommunikasjonskanal-spektrum frembrakt ved akustisk overføring gjennom en borestreng;

fig. 4 er et diagram over et eksempel på kanalresponser på en tonedataskur som demonstrerer viktigheten av senderposisjonen;

fig. 5 er et diagram over eksempler på kanalresponser på en tonedataskur som demonstrerer viktigheten av mottakerposisjonen;

fig. 6 er et diagram over eksempler på kanalresponser på forskjellige formede inngangspulser;

fig. 7 er et diagram av inngangsresponsene som benyttes til å generere kanalresponsene på fig. 6;

fig. 8 er en kurve over eksempler på kanalresponser på tonedataskurer av varierende lengde;

fig. 9 er et funksjonsblokkskjema av en første del av et akustisk telemetrisystem;

fig. 10 er et funksjonsblokkskjema over en annen del av et akustisk telemetrisystem;

fig. 11 er et funksjonsblokkskjema over en taktgjenvinningsmodul; og fig. 12 er et funksjonsblokkskjema over en utjevnermodul.

Selv om oppfinnelsen kan underkastes forskjellige modifikasjoner og alter-native utførelsesformer, er spesielle utførelsesformer av denne vist som eksempel på tegningene, og vil her bli beskrevet i detalj. Det skal imidlertid forstås at tegningene og den detaljerte beskrivelse av disse ikke er ment å begrense oppfinnelsen til den spesielt beskrevne form, men at oppfinnelsen tvert i mot er ment å dekke alle modifikasjoner, ekvivalenter og alternativer som faller innenfor foreliggende oppfinnelses ramme slik den er definert i de vedføyde patentkrav.

DETALJERT BESKRIVELSE AV DEN FORETRUKNE UTFØRELSESFORM

Det vises nå til figurene, hvor fig. 1 viser en brønn under boringsoperasjo-ner. En boreplattform 2 er utstyrt med et boretårn 4 som understøtter en heisean-ordning 6. Boring av olje- og gassbrønner blir utført ved hjelp av en streng med borerør som er forbundet med hverandre ved hjelp av "verktøyskjøter" 7 for å danne en borestreng 8.1 heiseanordningen 6 er det understøttet en kelly 10 som blir brukt til å senke borestrengen 8 gjennom rotasjonsboret 12. Forbundet med den nedre ende av borestrengen 8, er en borkrone 14. Borkronen 14 blir rotert og boringen blir utført ved å rotere borestrengen 8, ved bruk av en motor nede i hullet nær borkronen, eller ved hjelp av begge fremgangsmåter. Borefluidet, kalt boreslammet, blir pumpet av slamresirkuleringsutstyr 16 gjennom en forsyningsledning 18, gjennom borekellyen 10 og ned gjennom borestrengen 8 ved høye trykk og volumer (slik som 3000 psi med strømningshastigheter opp til 1400 gallon pr. min-utt) for å komme ut gjennom åpninger eller dyser i borkronen 14. Slammet beve-ger seg så tilbake opp gjennom borehullet via det ringrom som er dannet mellom utsiden av borestrengen 8 og borehullsveggen 20, gjennom sikkerhetsventilen 22 og inn i en slamgrop 24 på overflaten. På overflaten blir boreslammet renset og så resirkulert ved hjelp av resirkuleringsutstyret 16. Boreslammet blir brukt til å av-kjøle borkronen 14, til å føre borkaks fra bunnen av hullet til overflaten, og til å bal-ansere det hydrostatiske trykk i bergformasjonene.

I en foretrukket utførelsesform er sensorene 26 nede i borehullet koplet til en akustisk telemetrisender 28 som sender telemetrisignaler i form av akustiske vibrasjoner i rørledningsveggen til borestrengen 8. En akustisk telemetrimottaker 30 er koplet til kellyen 10 for å motta overførte telemetrisignaler. Én eller flere for-sterkermoduler eller relémoduler 32 kan være anordnet langs borestrengen for å motta og gjenutsende telemetrisignalene. Relémodulene 32 innbefatter både en akustisk telemetrimottaker og en akustisk telemetrisender utformet på samme måte som mottakeren 30 og senderen 28.

Som en illustrasjon viser fig. 2 en relémodul 32 som innbefatter en akustisk sender 104 og en akustisk mottaker 112 montert på et rørledningsstykke 102. En fagkyndig på området vil forstå at den akustiske sensor 112 er utformet for å motta signaler fra en fjerntliggende akustisk sender, og at den akustiske sender 104 er utformet for å sende til en fjerntliggende akustisk sensor. Selv om senderen

104 og sensoren 112 er vist nær hverandre, vil de følgelig bare være så nær hverandre i en relémodul 32 eller i et toveis kommunikasjonssystem. Senderen 28 kan således f.eks. innbefatte bare senderen 104, mens mottakeren 30 bare kan innbefatte sensoren 112, om ønsket.

Den følgende diskusjon er sentrert om akustisk signalering fra en sender 28 nær borkronen 14 til en sensor anordnet i en viss avstand langs borestrengen. Forskjellige akustiske sendere er kjent på området, som beskrevet i US-patentene med nr. 2.810.546, 3.588.804, 3.790.930, 3.813.656, 4.282.588, 4.283.779, 4.302.826 og 4.314.365, som herved inntas som referanse. Senderen 104 som er vist på fig. 2, har en stabel med piezoelektriske skiver 106 som er lagt sammen mellom to metallflenser 108,110. Når stabelen med piezoelektriske skiver 106 blir drevet elektrisk, utvides og sammentrekkes stabelen 106 for å frembringe aksiale kompresjonsbølger i rørledningen 102, som forplanter seg aksialt langs borestrengen. Andre senderutforminger kan benyttes til å generere torsjonsbølger, radiale kompresjonsbølger eller endog transversale bølger som forplanter seg langs borestrengen.

Forskjellige akustiske sensorer er kjent på området, innbefattende trykk-, hastighets- og akselerasjonssensorer. Sensoren 112 omfatter fortrinnsvis et toakse-akselerometer som avføier akselerasjoner langs aksial- og omkrets-retningene. En fagkyndig på området vil lett forstå at andre sensorutførelsesfor-mer også er mulige. Sensoren 112 kan f.eks. omfatte et 3-akse-akselerometer som også detekterer akselerasjon i radial retn i ngen. En annen sensor 114 kan være anordnet 90 eller 180 grader bort fra den første sensor 112. Denne annen sensor 114 omfatter fortrinnsvis også et 2- eller 3-akse-akselerometer. Ytterligere sensorer kan også anvendes etter behov.

En grunn til anvendelse av flere sensorer stammer fra en forbedret evne til å isolere og detektere en enkel akustisk bølgeforplantningsmodus under utelukk-else av andre forplantningsmodi. En flersensorkonfigurasjon kan således f.eks. oppvise forbedret deteksjon av aksiale kompresjonsbølger på bekostning av tor-sjonsbølger, og kan omvendt oppvise forbedret deteksjon av torsjonsbølger på bekostning av aksiale kompresjonsbølger. En samtidig inngitt søknad som i USA har nummer 09/332,641, inngitt 14. juni 1999 og met tittel "Acoustic Telemetry System With Drilling Noise Cancellation", av oppfinnerne W.R. Gardner,

V.V. Shah, og J.W. Minear beskriver en ønskelig sensorkonfigurasjon, og dette inntas herved som referanse.

Oppfinnerne har funnet at utformingen av sender- og mottakerdelene av et akustisk telemetrisystem med høy hastighet tjener på at forskjellige faktorer blir tatt i betraktning. Flere av disse faktorene blir diskutert under henvisning til fig. 3-8. Borestrengen 8 har et karakteristisk frekvensspektrum for akustisk signalering som ligner det spektrum som er vist på fig. 3. Frekvensen f til et akustisk signal er relatert til dets bølgelengde X ved ligningen c = fX hvor c er lydhastigheten i borestrengen (omtrent 5100 m/s). Lave frekvenser (lange bølgelengder) er vist på venstre side av fig. 3, mens høye frekvenser (korte bølgelengder) er vist på den høyre siden. De frekvenser som har bølgelengder omkring 2L/n, hvor L er lengden av et enkelt borerør og n er et heltall større enn null, blir blokkert av borestrengen, mens de frekvenser som har bølgelengder nær 4L/(2n-1) blir sluppet gjennom av borestrengen, likevel med større dempning ved høyere frekvenser. For en streng med borerør på 12 meter, vil således frekvenser omkring 100 Hz

{ X = 48m), 300 Hz ( X = 16m), 500 Hz ( X = 9,6 m), 700 Hz ( X - 6,9m) ..., være gode bærefrekvenser for akustiske signaler.

Hvis senderen 28 sender en kort (30ms) sinusformet puls, er det signal som mottas av mottakeren 30 avhengig av posisjonen til senderen 28. Det akustiske signalet fra senderen reflekteres sterkt fra akustiske reflektorer, slik som ved enden av rørledningen, og produserer derved et "spøkelsessignal" som kan inter-ferere med det opprinnelig utsendte signal. For posisjoner mindre enn XIA bort fra enden av rørledningen, bidrar refleksjonen gunstig til signalenergien, og ved posisjoner i avstand nX/2 fra enden av rørledningen, interfererer refleksjonen konstruk-tivt med det opprinnelige signal. Ved posisjoner (2n-1 ) XJ4 fra enden av rørlednin-gen, interfererer imidlertid refleksjonen destruktivt med det opprinnelige signal. Ved posisjoner større enn omkring 125 meter borte, oppviser likevel refleksjonen en tidsforsinkelse som er stor nok til å være forskjellig fra den opprinnelige signalpuls for korte signalpulser, og for posisjoner større enn omkring 250 meter borte, blir refleksjonen dempet til mindre enn halvparten av den opprinnelige signalampli-tude. Disse to sistnevnte betingelsene kan kompenseres for i mottakeren, slik at for tilstrekkelig store verdier av n, er den nøyaktig posisjon i forhold tii enden av rørledningen ikke viktig.

Fig. 4 viser det mottatte signal for forskjellige senderposisjoner i forhold til borekronen (som er modellert som en fri ende av rørledningen). Senderposisjone-ne fra topp til bunn på fig. 4, er 19X, 15X., 10X, 5X og X. I de to første kurvene blir refleksjonen kombinert med det opprinnelige signal, og på de gjenværende kurver opptrer refleksjonen som en i økende grad forsinket, distinkt signalpuls.

Den foretrukne senderplassering er følgelig enten mindre enn XIA fra enden av rørledningen, større enn 125 meter fra den nærmeste sterke reflektor (slik som den nedre ende av borestrengen), eller omkring x\ XI2 fra eventuelle sterke reflektorer innenfor 125 meter. Her er uttrykket "tilnærmet" eller "omtrent" definert til å være innenfor X/ 8 av den spesifiserte posisjon. Alternativt kan det tenkes at en senderposisjon ved eller forbi den minste av to nX og 20X, hvor n er antallet perioder i den modulerende toneskur, eller ved omkring X, kan foretrekkes. Denne alt-ernative preferansen kan spesifiseres når det er ønskelig å minimalisere utjevn-ingsanstrengelser.

Som vist på fig. 5 er det mottatte signal likeledes avhengig av posisjonen til mottakeren 30 i forhold til eventuelle nærliggende reflektorer (slik som den øvre ende av borestrengen). Den øvre ende av borestrengen er imidlertid mer nøyaktig modellert som en fast ende istedenfor en fri ende, på grunn av massen til de talje-blokker som strengen er opphengt i (hvis slippene ikke er tilstede). Når den øvre ende av rørledningen er opphengt fra rotasjonsboret ved hjelp av slippene, virker slippene som en "fast" ende for rørledningen. Den øvre kurve på fig. 5 viser det mottatte signal når mottakeren 30 er anordnet nær enden av borestrengen. Den annen kurve viser det mottatte signal når mottakeren 30 er anbrakt i en avstand på X/ 4 fra enden av borestrengen, den tredje kurve viser det mottatte signal når mottakeren er plassert X/ 2 borte, og den nedre kurve viser det mottatte signal når mottakeren 30 er anordnet 3 X/ 2 fra enden av borestrengen. Den tredje kurve viser virkningene av destruktiv interferens på det mottatte signal. Den foretrukne mottakerposisjon er følgelig nær enden av borestrengen, eller ved omkring (2n-1 ) XI4 under enden av rørledningen for å minimalisere destruktiv interferens på grunn av signalrefleksjonene. Det skal bemerkes at denne posisjonering gjelder i forhold til den "effektive" ende av rørledningen og ikke den virkelige enden av rør-ledningen. Når borestrengen er opphengt i slippene, virker slippene som den effektive ende av rørledningen.

Fig. 6 viser hvordan det mottatte signal varierer når den utsendte puls har de tilsvarende former som er vist på fig. 7. De utsendte pulsformer er fra topp til

bunn: rektangulære, i utgangspunktet lineære, hevet cosinus og eksponensiell be-gynnelse og dempning. De utsendte pulser er null utenfor det intervall som er vist på fig. 7. Den plutselige overgang fra null til en sinusbølge med full amplitude (eller omvendt) i rektangulære og lineære bølgeformer, innfører visse høye frekvens-responser som opptrer som støylignende "spisser" i de to øvre kurver på fig. 6. Av de to gjenværende gir den hevede kosinuspuls (som har en amplitude

[1-cos(27tft/n)]/2) det glatteste signal som oppfører seg best ved mottakerne. Dette er fordi pulsenergten er konsentrert i et smalere frekvensbånd, som resulterer i mindre spredning av signalenergien ved mottakeren.

I ligningen for den hevede kosinuspuls er n antallet perioder i den overførte puls. Som vist på fig. 8 vil en økning av antallet perioder i den utsendte puls, øke lengden av det mottatte signal, men av større betydning er økningen av amplituden til det mottatte signal. Et rimelig kompromiss blir oppnådd med omtrent 8-10 perioder.

Fig. 9 viser et funksjonsblokkskjema over en sender 202 og kommunika-sjonskanalen 204. Senderen 202 mottar en binær datastrøm som fortrinnsvis har feilkorreksjonskode-beskyttelse (ECC-beskyttelse). Den binære datastrøm er fortrinnsvis et analogt signal eller en oversamplet digital sekvens som, når den føres gjennom et pulsformingsfilter 206, gir en hevet kosinuspuls-sekvens der de hevede kosinuspulser representerer enere, og fraværet av slike pulser representerer nuller. Modulatoren 208 multipliserer de hevede cosinuspulser med et bærefrek-venssignat for å frembringe et modulert signal.

En piezoelektrisk drivkrets 210, en piezoelektrisk stabel 212 forbundet med rørstrengen 214, og en akustisk sensor 216 virker sammen til å danne kommuni-kasjonskanalen 204. Den piezoelektriske drivkrets 210 driver den piezoelektriske stabel 212 for å generere det modulerte signal i form av akustiske bølger. De akustiske bølger forplanter seg langs den sammensatte rørstrengen 214 og blir mottatt av den akustiske sensor 216. Den akustiske sensor 216 omformer de akustiske bølger til et mottatt signal.

En foretrukket utførelsesform av en mottaker er vist på fig. 10. Den foretrukne utførelsesform innbefatter et båndpassfilter 218, en omhyllingsdetektor 220, et lavpassfilter 224, en taktgjenvinningsmodul 226 og en digital modul 228. Båndpassfilteret 218 filtrerer det mottatte signal for å blokkere energi utenfor frek-vensbåndet til det utsendte signal. Omhyllingsdetektoren 220 demodulerer det filtrerte signal for å bestemme et omhyllingssignal. Omhyllingssignalet er en indi-kator på amplituden til det filtrerte signal. Denne omhyllingsdetektoren består fortrinnsvis av en toveis likeretter, selv om en faselåst sløyfedemodulator også kan brukes. Lavpassfilteret 224 blokkerer høyfrekvente komponenter i omhyllingssignalet for å tilveiebringe et "glattet" omhyllingssignal. Taktgjenvinningsmodulen 226 behandler det glattede omhyllingssignal for å bestemme et taktsignal som indikerer optimale samplingstider. Den digitale modul 228 samler det glattede omhyllingssignal ved samplingstider som er antydet av taktsignalet, og opererer på det samplede signal for å bestemme de brukerdata som det representerer.

Den digitale modul 228 innbefatter en analog/digital-omformer (ADC) 230, en utjevner 232 og en dekoder 234. ADC 230 sampler omhyllingssignalet, utjevneren 232 "utjevner" det samplede signal for å kompensere for kanalimpulsres-ponsen, for derved å oppnå en binær datastrøm som indikere de kodede brukerdata. Den binære datastrøm blir dekodet ved hjelp av dekoderen 234 til å korri-gere feil og fremskaffe en mottatt datastrøm som forhåpentlig er lik de utsendte brukerdata. Et eksempel på en egnet dekoder er en Reed-Solomon-dekoder.

Fig. 11 viser en foretrukket utførelsesform av taktgjenvinningsmodulen 226 som innbefatter: en tidlig samplingsblokk 304, en sen samplingsblokk 306, en adderer 308, et sløyfefilter 310, en spenningsstyrt oscillator (VCO) 312 og en even-tuell frekvensdelerblokk 314. Den tidlige samplingsblokken 304 og den sene

samplingsblokken 306 sampler begge det glattede omhyllingssignal som reaksjon på et taktsignal. Den tidlige samplingsblokken 304 sampler et fast tidsintervall før den sene samplingsblokken 306. Differansen mellom de samplede verdier blir be-stemt ved addereren 308 og blir filtrert ved hjelp av sløyfefilteret 310. Den filtrerte differanse blir levert til VCO 312 som genererer et taktsignal med en frekvens som er proporsjonal med inngangsspenningen. Taktsignalet kan, etter valg, deles ned i frekvens ved hjelp av en frekvensdelerblokk 314 som genererer en taktsignalover-gang for hver N innmatede signalovergang. Frekvensdelerblokken blir brukt når

det er ønskelig å få den digitale modulen til å oversample det glattede omhyllingssignal. For tydelighets skyld er to frekvensdelerblokker vist på figuren, men formå-let med disse kan oppnås med en enkelt frekvensdelerblokk.

Taktgjenvinningsblokken virker til å minimalisere differansen mellom tidlige og sent samplede verdier. For symmetriske signalpulser skjer dette når den optimale samplingstidstoppen er sentrert mellom de tidlige og sene samplingstider. ADC 230 er således, ved å forsinke taktsignalet med halvparten av tidsintervallet mellom de tidlige og sene samplingstider, i stand til å sample ved de ideelle samplingstider. Andre taktgjenvinningsmoduler er også kjent og kan benyttes. En alter-nativ taktgjenvinningsmodul lokaliserer nullgjennomganger for et glattet, derivert omhyllingssignal.

Mange egnede utjevnere 232 er kjent og kan benyttes, slik som en lineær utjevner, en fraksjonsatskilt utjevner, en beslutningsutjevner med tilbakekopling, en estimater for maksimal sannsynlighetssekvens, og en ikke-lineær utjevner. Sistnevnte er beskrevet under henvisning til fig. 12. De andre er beskrevet i detalj i kapitel 6 (sidene 519-692) i John G. Proakis, Second Edition Digital Communica-tions. McGraw-Hill Book Company, New York, (c)1989, som herved inntas som referanse. Hver av utjevnerne kan realiseres i adaptiv form for å forbedre deres ytelse over et område med variable kanalforhold. Filtertilpasning er velkjent, og er beskrevet i forskjellige standardtekster, slik som Simon Haykin, Ada<p>tive Filter Theorv. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, (c)1986.

De ovennevnte utjevnere virker til å reversere eller styre forvrengninger som påføres det utsendte signal når det passerer gjennom kommunikasjonskana-len. Spesielt forårsaker fasespredningen av det utsendte signal intersymbolinter-ferens som utjevnerne fjerner. Andre utjevnere som bare virker til å minimalisere støy, slik som en "integrer og dump"-detektor, er kjent og kan benyttes istedenfor utjevneren 232. Disse kan være å foretrekke når digital filtrering blir antatt å være utilgjengelig eller uønsket.

Fig. 12 viser en utførelsesform av en ikke-lineær utjevner 232. Utførelses-formen som er vist, har tre ikke-lineære elementer 402,404,406. Operasjonene til de ikke-lineære elementer er typisk potenser. For eksempel kan element 402 velges tii å implementere en kvadreringsoperasjon på inngangssignalet, mens element 404 kan velges til å implementere en kubikkoperasjon på inngangssignalet. Inventering, brøkpotenser, logaritmer og eksponensialfunksjoner kan også benyttes. En tenkt operasjon for element 406 er subtraksjonen av en konstant. Et sett med lineære utjevnere 408, 410, 412,414, filtrerer henholdsvis inngangssignalet og utgangene fra de ikke-lineære elementer 402,404,406. De filtrerte signaler blir summert ved en adderer 416 for å danne et utjevnet signal. Et beslutningselement eller en "glatter" 418 omformer det utjevnede signal til digitale symboler (f. eks. biter) for dekoderen 234.1 en adaptiv utførelsesform bestemmer en adderer 420 differansen mellom det utjevnede signal og utgangen fra beslutningselementet 418. Denne differansen blir brukt som et feilsignal for tilpasning av de lineære utjevnere. Den ikke-lineære utjevner blir foretrukket når kanalen eller demodule-ringsprosessen innfører ikke-lineariteter i det mottatte signal.

Det innledende transversalfilter i en beslutningsutjevner med tilbakekopling kan implementeres i en fraksjonsinndelt, ikke-lineær form, for å lage en ikke-lineær, fraksjonalt atskilt beslutningsutjevner med tilbakekopling (NL-FS-DFE). Dette er en foretrukket utjevner for den beskrevne akustiske mottaker. Den er tenkt å implementere tilbakekoplingsfilteret i beslutningsutjevneren med tilbakekopling som et ikke-lineært og/eller fraksjonalt atskilt filter, men dette antas for tiden å være unødvendig for å oppnå tilstrekkelig ytelse.

Det skal bemerkes at det beskrevne system gir pålitelige dataoverførings-hastigheter én eller to størrelsesordninger høyere enn eksisterende akustiske telemetrisystemer. Dette blir oppnådd ved pulsforming, omhyggelig plassering av sender og mottaker, og avansert mottakerkonstruksjon. I tillegg kan flere bærebølger brukes til å frekvensmultiplekse telemetrisignalene.

Det skal videre bemerkes at den akustiske signalering kan utføres i begge retninger, opp gjennom hullet og ned gjennom hullet. Relémoduler eller forsterk-ningsmoduler kan også være innbefattet langs borestrengen for å utvide signale-ringsavstanden. I den foretrukne utførelsesform vil ikke mer enn én akustisk sender operere på noe gitt tidspunkt. Den beskrevne støykanselleringsstrategi er ventet å være mest fordelaktig for akustiske mottakere som befinner seg nær borkronen, så vel som for akustiske mottakere som "lytter" til en sender som befinner seg nær borkronen. Forbedret systemytelse blir imidlertid ventet fra bruken av støykansellering ved alle mottakerne i systemet. Det skal videre bemerkes at det beskrevne akustiske telemetrisystem kan operere gjennom kontinuerlig (oppkvei-let) rørledning så vel som gjenget rørledning, og kan anvendes for MWD/LWD-systemer, brønntesting, brønnavslutninger og anvendelser for isolasjon av soner.

Mange variasjoner og modifikasjoner vil kunne finnes av fagkyndige på området på bakgrunn av den ovenfor gitte beskrivelse. Det er ment at de følgende krav skal tolkes slik at de omfatter alle slike variasjoner og modifikasjoner.

Claims (16)

1. Apparat for akustisk overføring av data langs en rørstreng, egnet for kommunikasjon mellom en nedihull-sammenstilling (14,26,28) og en brønnoverflate, karakterisert ved at apparatet omfatter: en rørstreng som har en første ende og en annen, fast ende, motsatt den første ende; en akustisk sender (104) montert på rørstrengen ved en valgt posisjon i forhold til den første ende, hvor den akustiske sender er utformet for å generere et amplitudemodulert akustisk signal med en bærefrekvens som forplanter seg langs rørstrengen, hvor den valgte posisjon er valgt fra et sett som innbefatter posisjoner mindre enn XIA fra den første ende og posisjoner omkring uXI2 fra den første ende, hvor X er en bølgelengde tilknyttet bærefrekvensen og n er et positivt heltall; og en akustisk mottaker (112) montert på rørstrengen ved en annen valgt posisjon i forhold til den annen ende, hvor den annen valgte posisjon er valgt fra et annet sett som innbefatter posisjoner omkring (2k-1)X/4 fra den annen ende, hvor k er et positivt heltall, idet den akustiske mottaker innbefatter: en akustisk sensor (216) innrettet for å omforme akustiske signaler i rørstrengen til et mottatt signal; et båndpassfilter (218) koplet til den akustiske sensor for å motta det mottatte signal og innrettet til å omforme det mottatte signal til et båndpassignal ved å blokkere energi utenfor et ønsket frek-vensområde; en demodulator (220) koplet til båndpassfilteret for å motta bånd passignalet og innrettet til å omforme båndpassignalet til et basisbåndsignal; en deteksjonsmodul (228) koplet til demodulatoren for å motta basis båndsignalet, og innrettet for å omforme basisbåndsignalet til en detektert symbolsekvens.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at det amplitudemodulerte, akustiske signal representerer binære 1'ere ved hjelp av formede pulser, og representerer binære 0'er ved et fravær av pulsene.

3. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved at pulsene har en form uttrykt ved [1-cos(2nft/m)]/2, 0<t<x, når den er normalisert, hvor f er bærefrekvensen, x er pulsbredden og m er et antall bærefrekvensperioder i hver puls.

4. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved atm er et heltall i et område fra og med 4 til og med 14.

5. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at demodulatoren (220) innbefatter: en likeretter som omformer båndpassignalet til et likerettet signal; og et lavpassfilter (224) som omformer det likerettede signalet til et basisbåndsignal.

6. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at den akustiske mottaker (112) videre innbefatter en taktgjenvinningsmodul (226) innrettet for å motta basisbåndsignalet og innrettet for å generere et taktsignal som indikerer optimale samplingstider av basisbåndsignalet.

7. Apparat ifølge krav 6, karakterisert ved at taktmodulen (226) innbefatter: en tidlig samplingskrets (304) utformet for å sample basisbåndsignalet; en sen samplingskrets (306) utformet for å sample basisbåndsignalet et fast tidsrom etter den tidlige samplingsomkrets; et differanseelement (308) utformet for å bestemme en differanse mellom basisbåndsignal-verdiene som er samplet ved hjelp av de tidlige og sene samp-lingskretser; et filter (310) utformet for å omforme differansen til et spenningssignal som minimaliserer en middelkvadratverdi av differansen; og en spenningsstyrt oscillator (312) innrettet til å omforme spenningssignalet til taktsignalet.

8. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at deteksjonsmodulen (228) omfatter en utjevner (232) utformet for å omforme basisbåndsignalet til en detektert symbolsekvens, hvor utjevneren er én i et sett som innbefatter en lineær utjevner, en beslutningsutjevner med tilbakekopling, og en estimator med maksimal sannsynlighetssekvens.

9. Apparat ifølge krav 8, karakterisert ved at utjevneren (232) er adaptiv og anbrakt fraksjonalt.

10. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at n har en verdi mindre enn 2 eller større enn det minste av 4 ganger et antall perioder i en modulasjonsskur og 40.

11. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at deteksjonsmodulen (228) innbefatter en adaptiv, ikke-lineær utjevner (232) som opererer på basisbåndsignalet for å minimalisere signalforvrengning og for å ta beslutninger som indikerer en sannsynlig symbolsekvens.

12. Fremgangsmåte for å akustisk overføring av data langs en rørstreng egnet for kommunikasjon mellom en nedihull-sammenstilling (14,26,28) og en brønn-overflate, karakterisert ved: å kode brukerdata for å frembringe en binær strøm av kodede data; å generere et basisbåndsignal av formede pulser som representerer den binære strøm av kodede data; å multiplisere basisbåndsignalet med et bærefrekvenssignal for å frembringe et modulert signal, hvor bærefrekvenssignalet har en tilordnet bølge-lengde X; å sende det modulerte signal som et akustisk signal fra en posisjon omtrent r\ X/ 2 fra en første ende av en rørstreng, hvor det akustiske signal forplanter seg langs rørstrengen fra vedkommende posisjon, der n er et ikke-negativt heltall; å motta det akustiske signal ved en annen posisjon omtrent (2k-1)X./4 fra en annen ende av rørstrengen, hvor k er et positivt heltall; å konvertere det akustiske signal til et mottatt signal; å konvertere det mottatte signal til et basisbåndsignal; å filtrere basisbåndsignalet for å minimalisere signalforvrengning, for derved å frembringe et utjevnet signal; å omforme det utjevnede signal til en binær strøm av mottatte data; og å dekode den binære strøm av mottatte data for å bestemme bruker-dataene.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at de formede pulser har en form uttrykt ved [1-cos(27ift/m)]/2, 0< t<t, når de er normalisert, hvor f er bærebølgefrekvensen, x er en pulsbredde, og m er et antall bærefrekvensperioder i hver puls.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved atm er et heltall i området fra og med 4 til og med 14.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at omformingen av det mottatte signal til et basisbåndsignal, innbefatter: å føre det mottatte signal gjennom et båndpassfilter (218) for å blokkere energi utenfor båndet; å likerette det mottatte signal for å frembringe et likerettet signal; og å føre det likerettede signal gjennom et lavpassfilter (224) for å frembringe basisbåndsignalet.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at filtreringen av basisbåndsignalet innbefatter: å føre basisbåndsignalet gjennom et transversalfilter med adaptive koeffi-sienter; og å justere koeffisientene basert på en differanse mellom det utjevnede signal og den binære strøm av mottatte data, hvor justeringen er utformet for å minimalisere en middelkvadratverdi av differansen.