NO333404B1

NO333404B1 - Fremgangsmate for overforing av akustiske datasignaler og et akustisk dataoverforingssystem

Info

Publication number: NO333404B1
Application number: NO19995104A
Authority: NO
Inventors: James Robert Birchak; Clarence Gerald Gardner; Kwang Yoo
Original assignee: Halliburton Energy Serv Inc
Priority date: 1997-04-21
Filing date: 1999-10-20
Publication date: 2013-05-27
Also published as: EP0975851A1; EP0975851A4; AR011220A1; US5924499A; NO995104D0; NO995104L; WO1998048140A1

Abstract

Det er beskrevet et system for å sende og motta akustiske datasignaler i en brønn som inneholder en borestreng. Systemet omfatter innretninger for å sende akustiske signaler gjennom borestrengen, boreslammet og formasjonen, og innbefatter videre fremgangsmåter for å sende og tolke det akustiske signal for å maksimalisere nøyaktigheten av overføringen. Fremgangsmåtene ifølge foreliggende oppfinnelse innbefatter å korrelere signaler som er sendt langs forskjellige baner eller baner med forskjellige lengder, ved å bruke frekvensskiftnøklet overføring, å bruke skjærbølger til å sende signaler gjennom nedhullsutstyr og bruke kompresjons- bølger til å sende signaler gjennom slammet. Signalene gir videre informasjon om frekvensavhengigheten av formasjonens lydhastighet og formasjonens akustiske dempning. Fremgangsmåten gir også informasjon for å avbilde posisjonene til reflekterende grenser i det materialet som omgir borehullet. Systemet gir boreoperatøren fordelen med å motta hovedsakelig sanntidsinformasjon om egenskaper ved den formasjon som omgir borekronen.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt et nedhulls telemetrisystem for å lette måling av formasjons-, borehull- og bore-data, lagre dataene i et lager og sende dataene til overflaten for undersøkelse og analyse. Mer spesielt vedrører oppfinnelsen et system for måling under boring (MUB-system, også kjent som MWD-system) som avføler og sender datamålinger fra bunnen av en nedhullsanordning en kort distanse omkring komponenter i borestrengen. Enda mer spesielt angår foreliggende oppfinnelse et MWD-system som er i stand til å måle omgivelsestilstander og driftsparametere vedrørende borekronen og/eller motoren og detektere formasjonslag-grenser og sende datamålingene i sann tid rundt motoren nede i hullet.

Fordelene ved å fremskaffe nedhulls datamålinger fra motoren og borekronen under boreoperasjoner, er lett å få øye på for en fagkyndig på området. Evnen til å fremskaffe datamålinger under boring, spesielt de som vedrører operasjonen av borekronen og motoren og omgivelsestilstandene i området ved borekronen, muliggjør mer økonomisk og mer effektiv boring. Noen av hovedfordelene er at bruken av sanntidsoverføring av borkrone-temperaturer tillater justeringer i sann tid av boreparameteret for å optimalisere borkrone-ytelsen, samt å maksimalisere borekronens levetid. Lignende målinger av borestøt og vibrasjon gjør det mulig å justere eller «avstemme» parametere for å bore langs den mest ønskelige bane, eller ved «ønskestedet» (på engelsk «sweet spot») for dermed å optimalisere og forlenge levetiden til borekomponentene. Måling av helningsvinkelen i nærheten av borekronen forbedrer styring av boringen ved retningsboring. Måling av de akustiske egenskapene til formasjonen og lokalisering av laggrenser nær kronen, gjør det mulig for operatøren å styre borekronen til den ønskede posisjon i formasjonen.

I henhold til vanlig praksis er MWD-sonden vanligvis anbrakt i borestrengen over slammotoren. Dette gjør det mulig å adskille de elektriske komponentene i MWD-sonden fra de høye vibrasjons- og sentrifugalkreftene som virker på borekronen. Det har hittil vært vanskelig å sende detaljerte MWD-data rundt slammotoren. Med MWD-sonden anbrakt over kronen, blir det imidlertid innført en betydelig tidsforsinkelse mellom borekronens passasje gjennom en spesiell formasjon og overføring av data vedrørende formasjonen til overflaten.

En fordel med å anbringe sensorer nærmere borekronen, fremgår av det følgende eksempel som er vist på figur 1. Figur 1 skisserer en formasjon nede i et borehull med en oljeproduserende sone som har en dybde på omkring 25 fot. En konvensjonell styrbar boreanordning er vist på figur 1, som omfatter en borekrone, en motor og en sensoranordning anbrakt mellom 25 og 50 fot over borekronen. Som vist på figur 1 har borekronen og motoren passert gjennom den oljeproduserende sone før sensorene er nær nok til å detektere sonen. Følgelig er tid for omposisjonering og omdirigering av anordningen nede i borehullet bortkastet tid. Dette er spesielt kostbart i situasjoner hvor den tilsiktede brønnplan er å bruke det styrbare system på figur 1 til å bore horisontalt inn i sonen.

Hvis sensorene befinner seg i eller nærmere kronen, kan sensorene detektere sonen tidligere, og retningen av boreanordningen på figur 1 kan endres tidligere for å bore i en mer horisontal retning og forbli i den oljeproduserende sone. Dette er selvsagt bare et eksempel på fordelene ved å anbringe sensorene i eller meget nær kronen. Andre fordeler ved å innhente data vedrørende og motoren vil være opplagte for fagfolk på området.

Det finnes et antall tidligere kjente systemer som forsøker å overføre informasjon vedrørende brønnparametere opp til overflaten. Før innføring av søkerens elektromagnetiske korthopp-system avfølte og overførte ingen av disse tidligere kjente telemetrisystemer data vedrørende drifts-, miljø- og retnings-parametere fra undersiden av en motor til en posisjon over motoren. Disse tidligere kjente systemene kan beskrivende karakteriseres som: (1) Slamtrykk-pulser; (2), ledningsforbindelser; (3) elektromagnetiske bølger; og (4) akustiske bølger. Et korthopp-system for overføring av et signal via elektromagnetiske bølger er beskrevet i US-patent 5 160 925 ('925-patentet) som tilhører foreliggende søker og herved inntas som referanse i sin helhet. '925-patentet beskriver en elektromagnetisk korthopp-innretning som benytter transformator-kopling til å sende og motta et signal over eller forbi en nedhulls motor. Foreliggende oppfinnelse er rettet mot forbedringer i forbindelse med akustiske overføringer.

Overføring av akustiske eller seismiske signaler gjennom et borerør eller undergrunnen (i motsetning til gjennom boreslammet) gir en annen kommuni-kasjons-mulighet. I et slikt system blir en akustisk eller seismisk generator anbrakt nede i brønnen nær eller i vektrøret. En stor energimengde er imidlertid nødvendig for å generere et signal med tilstrekkelig intensitet til å bli detektert ved overflaten. Den eneste måte å tilveiebringe tilstrekkelig energi nede i brønnen på

(bortsett fra å føre en ledningsforbindelse ned i hullet) er å tilveiebringe en stor kraftforsyning i brønnen.

Rommet under motoren er uhyre begrenset, slik at det vanligvis ikke er tilstrekkelig plass for en kraftkilde til å generere signaler med den nødvendige intensitet til å nå overflaten. Dette er spesielt tilfelle i et styrbart system i et bøyehus, som vist på figur 2B. Hvis lengden av anordningen under bøyemotor-huset blir for lang, blir sidekreftene på borekronen for store for momentarmen mellom bøyehuset og borekronen. Når videre motoren er i drift og borestrengen roterer, d.v.s. systemet borer rett frem, blir lengden mellom borekronen og bøyehuset kritisk. Jo større den lengden er, jo større blir diameteren til hullet som bores.

Selv om det derfor ville være fordelaktig å tilveiebringe informasjon vedrørende driftsparameterne og omgivelsesbetingelsene for borekronen og motoren, har til dato ingen utviklet et vellykket akustisk system som er i stand til å fremskaffe disse data nær borekronen og overføre dem nøyaktig tilbake til overflaten.

Flere patenter beskriver forskjellige fremgangsmåter for bruk av akustiske signaler til å overføre informasjon gjennom borestrengen. US-patent 5 373 481 til Orban m.fl., beskriver drift av den akustiske sender ved resonansfrekvensen til de keramiske krystaller i senderen, som er i området fra 20-40 kHz, og mer spesielt omkring 25 kHz. Orban beskriver videre utsendelse av pulsede signaler ved en av to hastigheter, enten 6,25 ms mellom skurer som representerer en logisk «1»-bit, eller 12,5 ms mellom skurer som representerer en logisk «0»-bit. Ifølge Orban ser skiftregisteret etter et mønster i 12,5 ms vinduet og foretar en undersøkelse ved 0, 5,25, 6,25 og 11,5 ms. Dette resulterer i signalet 1010 som omsettes til logisk 1 og 1000 som omsettes til logisk 0. I henhold til Orban blir videre alle andre mønstre, for eksempel 1111, 1011 og 1101 ansett som generert av støy og blir derfor oversett. Når intet gjenkjennbart mønster (d.v.s. verken 1010 eller 1000) blir mottatt, forblir den logiske verdi uendret inntil et gyldig mønster er gjenkjent. Denne løsningen har en stor sannsynlighet for å miste data ettersom ugjenkjennbare signaler blir ignorert.

US-patent 4 390 975 til Shawhan beskriver en rekke forsterkere som sender signaler gjennom en borestreng ved flere forskjellige frekvenser. Borestrengen i henhold til Shawhan innbefatter ikke en slammotor, og Shawhan benytter overføring av et sterkt signal langs borestreng-banen. Ifølge Shawhan blir et signal som består av en sekvens av likestrømspulser inndelt i et antall tidsrammer. Hver tidsramme representerer en bit digital informasjon. En «1» består av en del av en tidsramme i hvilken en DC-puls blir generert, fulgt av en annen del i hvilken et «0»signal blir generert. En «0» er representert av en tidsramme i hvilken der er fravær av et signal. Shawhan beskriver ikke noen foretrukket frekvens eller tidsramme-lengde.

Britisk patent 2 247 477A til Comeau beskriver en fremgangsmåte for overføring av informasjon fra en posisjon nær borekronen til en mottaker over slammotoren, ved hjelp av et akustisk signal med en frekvens i området fra 500 til 2000 Hz (0,5 til 2,0 kHz). Det har vist seg at signaler ved denne frekvensen ikke er lette å sende gjennom omgivelsene nede i borehullet fordi støyfrekvensene som genereres av utstyret nede i brønnen, er innenfor omtrent det samme området. US-patent 5 124 953 til Grosso beskriver bruk av en frekvenssveipeanordning for å bestemme en optimal overføringsfrekvens fra en sender anbrakt nede i hullet til en mottaker på overflaten. Grosso beskriver bruk av frekvenser i området fra 0,1 til 10 kHz. US-patent 5 128 901 til Drumheller beskriver en fremgangsmåte for overføring av et akustisk signal til overflaten ved å bruke frekvenser under 1,5 kHz.

US 4027282 A beskriver en anordning festet til en rørstreng som strekker seg fra jordoverflaten til lokaliteter under overflaten, primært for jordborings-aktiviteter for å overføre informasjon fra lokaliteten under overflaten til jordoverflaten. US 5306980 A beskriver en transducer og en fremgangsmåte for å meddele vibrasjonssignaler til en struktur.

Ingen av de foran nevnte referanser nevner de problemer som oppstår ved bruk av akustiske signaler nede i et borehull. Spesielt beskriver ingen av referansene en fremgangsmåte for å overføre et akustisk signal gjennom det akustisk støyfylte området i nærheten av borekronen. Skjærevirkningen til selve borekronen, strømningen av boreslam gjennom borekronen og ringrommet, og drift av slammotoren bidrar alt med betydelig akustisk støy. I tillegg til akustisk støy tar ikke referansene i betraktning endringer i fase og amplitude som skyldes overføring av det akustiske signal gjennom det komplekse miljø nede i borehullet. Det er derfor ønskelig å tilveiebringe en innretning som på pålitelig måte kan overføre et akustisk signal fra en sender anbrakt på eller nær borekronen til en mottaker anbrakt flere fot fra borekronen og fortrinnsvis over slammotoren.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for overføring av akustiske datasignaler over en kort avstand i en brønn som inneholder en akustisk støygenerator, kjennetegnet ved: (a) å sende frekvensskiftnøklede skjærbølger gjennom den akustiske støygenerator; (b) å sende frekvensskiftnøklede kompresjonsbølger gjennom slammet i brønnringrommet; (c) å motta og behandle skjærbølgene for å generere et første mottatt signal; (d) å motta og behandle kompresjonsbølger for å generere et annet mottatt signal; (e) å korrelere de første og andre mottatte signaler og generere en mottatt datastrøm.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører også en fremgangsmåte for overføring av data ved å benytte det akustiske dataoverføringssystemet ifølge oppfinnelsen, kjennetegnet ved: (a) å sende data med en bærefrekvens og en modulasjonsfrekvens fra et første punkt på borestrengen; (b) å motta dataene ved et andre punkt på borestrengen; (c) å korrelere de mottatte data med første og andre referansesignaler som har forskjellige frekvenser, for å generere et modulert mottatt signal, hvor ett av referansesignalene har en frekvens som svarer til bærefrekvensen; (d) å korrelere det modulerte mottatte signal med et tredje referansesignal for å generere et antall informasjonsbiter.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører også en fremgangsmåte for å bestemme akustisk formasjonsdempning ved å benytte det akustiske dataoverføringssystemet ifølge oppfinnelsen, kjennetegnet ved: (a) å sende et signal A1 med en første bærefrekvens fi; (b) å sende et signal A2 med en annen bærefrekvens fa (c) å motta signalene A1 og A2 ved det første og andre akustiske apparat; (d) å beregne formasjonsdempningen fra signalsvekningen pr avstandsenhet for forplantning mellom mottakerne; (e) å korrelere de mottatte signaler A1 og A2 med første og andre referansesignaler B1 og B2 som har frekvenser svarende til de første og andre frekvenser, henholdsvis fi og h, for å generere første og andre sett med korrelerte data di og d?, (f) å finne forholdet R1 mellom di og 62, (g) å sammenligne R1 med terskelnivåer for å bestemme hvilken frekvens som mottas eller om støy forhindret frekvensbestemmelse; (h) å bruke informasjonen fra trinnene (d) og (g) til å bestemme frekvensavhengigheten av formasjonsdempningen hvis en frekvens blir mottatt, eller å spørre senderen om å gjenta overføringer hvis bare støy er detektert.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører også en fremgangsmåte for å oppnå informasjon om en formasjon ved å benytte det akustiske dataoverføringssystemet ifølge oppfinnelsen, kjennetegnet ved: (a) å sende et signal A1 med en første bærefrekvens fi; (b) å sende et signal A2 med en annen bærefrekvens fa (c) å motta signalene A1 og A2 ved første og andre adskilte mottakere; (d) å beregne lydhastigheten i formasjonen fra ankomsttidene for signalene ved den første og annen mottaker; (e) å korrelere de mottatte signaler A1 og A2 med første og andre referansesignaler B1 og B2 som har frekvenser svarende til de første og andre frekvenser, henholdsvis fi og fa for å generere første og andre sett med korrelerte data di og 62, (f) å finne forholdet R1 mellom di og 62, (g) å sammenligne R1 med terskelnivåer for å bestemme hvilken frekvens som mottas eller om støy hindret frekvensdeteksjon; og (h)å bruke informasjonen fra trinnene (d) og (g) til å bestemme frekvensavhengigheten til lydhastigheten i formasjonen hvis en frekvens blir mottatt, eller å spørre senderen om å gjenta overføringer hvis bare støy er detektert.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører også en fremgangsmåte for å oppnå informasjon fra tidsvindu-data ved å benytte det akustiske dataoverførings-systemet ifølge oppfinnelsen, kjennetegnet ved: (a) å sende et signal A1 med en første bærefrekvens f^ (b) å sende et signal A2 med en annen bærefrekvens fa (c) å motta signalene A1 og A2; (d) å korrelere de mottatte signaler A1 og A2 med første og andre referansesignaler B1 og B2 som har frekvenser svarende til de første og andre frekvenser, henholdsvis U og f2> for å generere første og andre sett med korrelerte data di og 62, (f) å finne forholdet R1 mellom di og 62, (g) å sammenligne R1 med terskelnivåer for å bestemme hvilken frekvens som mottas eller om støy hindret frekvensdeteksjon; (h) å bruke informasjonen fra trinnene (d) og (g) til å bestemme frekvensavhengigheten for en målt egenskap hvis en frekvens blir mottatt, eller å spørre senderen om å gjenta overføringer hvis bare støy er detektert.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører også en fremgangsmåte for å oppnå informasjon om sement bak et foringsrør ved å benytte det akustiske dataover-føringssystemet ifølge oppfinnelsen, kjennetegnet ved: (a) å sende en akustisk puls fra en transduser, hvor pulsen har tilstrekkelig båndbredde til å innbefatte tykkelsesresonans-frekvensene for alle anvendbare foringsvegg-tykkelser; (b) å motta ekko fra foringsrøret med en mottakertransduser; (c) å behandle de mottatte signaler ved korrelasjon med valgte smalbåndede referansefrekvenser for å bestemme foringsvegg-tykkelse i tidsvinduet umiddelbart etter den første refleksjon fra den indre foringsrørvegg; og (e) å behandle senere tidsvinduer ved veggtykkelses-resonansfrekvensen for å detektere signaler fra reflekterende grenseflater bak foringsrøret.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører også et akustisk dataoverførings-system for å overføre målte drifts-, miljø- og retningsparametere i en brønn fra et første punkt på en borestreng på et annet punkt på borestrengen, hvor en del av borestrengen mellom det første punkt og det annet punkt innbefatter akustisk støy generert av bore prosessen, kjennetegnet ved: et første akustisk apparat for å sende og motta et akustisk signal langs en bane gjennom borestrengen; og et annet akustisk apparat for å sende og motta et akustisk signal langs en bane gjennom slam i brønnens ringrom.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører også en fremgangsmåte for overføring av signaler i en brønn ved å benytte det akustiske dataoverførings-systemet ifølge oppfinnelsen, kjennetegnet ved: (a) å sende separate akustiske signaler gjennom borestrengen og slammet i ringrommet; (b) å motta nevnte separate akustiske signaler fra borestrengen og slammet i ringrommet; (c) å korrelere nevnte mottatte separate akustiske signaler ifølge tiden det tar for hvert signal å fullføre sin overføringsbane, og (d) å tolke nevnte korrelerte signaler.

Ytterligere utførelsesformer av fremgangsmåtene og det akustiske dataoverføringssystemet i henhold til oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige patentkrav.

Det beskrives et datainnsamlingssystem for overføring av målte drifts-, miljø- og retnings-parametere en kort avstand rundt en motor. Sensorer er anbrakt i en sensormodul mellom motoren og borekronen for å overvåke miljøtilstander i nærheten av borekronen. Sensorene kan måle nærhet og retning av laggrenser i nærheten av borekronen. Det kan også være anordnet sensorer i boret for å overvåke driften og retningen av motoren og borekronen, og som er elektrisk tilkoplet kretsene i sensormodulen. Sensormodulen innbefatter transdusere for overføring av akustiske signaler som indikerer de målte data innhentet fra de forskjellige sensorer. Sensormodulen kan også innbefatte en prosessor for reparering av dataene og for å lagre dataverdiene i et lager for etterfølgende gjenvinning. I tillegg innbefatter sensormodulen mottakere for å motta akustiske signaler fra en opphulls styremodul. Styremodulen er anbrakt i forholdsvis kort avstand til en styresender/mottaker-modul, enten over eller under slampuls-mansjetten. Styremodulen innbefatter sendere og mottakere for å sende kommandosignaler og for å motta signaler som indikerer avfølte parametere til og fra sensormodulen. Styremottakerne mottar de akustiske signaler fra sensorens sendere og videresender datasignalene til behandlingskretser i styremodulen, som formaterer og/eller lagrer dataene. Styremodulen sender elektriske signaler til en vertsmodul som forbinder alle «måling under boring»-komponentene nede i brønnen for å styre driften av alle sensorene nede i brønnen.

Vertsmodulen innbefatter et batteri for å energisere alle sensor-mikroprosessorene og beslektede kretser. Dermed energiserer vertsmodulen også styremodul-kretsene. Vertsmodulen er tilkoplet en slampulser som igjen sender ut slampulser som avspeiler noen av eller alle de avfølte data, til en mottaker på overflaten.

Både sensormodulen og styremodulen innbefatter transduser-arrangementer gjennom hvilke de akustiske signaler blir sendt og mottatt. Transduserne omfatter flere stabler med piesoelektriske krystaller eller andre magnetostriktive eller elektrostriktive innretninger. Sensoren eller brønntrans-duserne er strategisk montert på utsiden av en modul eller en forlenget drivaksel, og styretransdusere eller opphulls transdusere er montert på utsiden av styremodulen.

Foreliggende oppfinnelse kan brukes i forbindelse med en lang rekke motorer, innbefattende slammotorer, med eller uten et bøyehus, slamturbiner og andre nedhulls innretninger som har bevegelse ved en ende i forhold til den annen. Foreliggende oppfinnelse kan også brukes i tilfeller hvor det ikke benyttes noen motor, til å transportere data fra borekronen over en kort avstand i en nedhullsanordning, slik som for eksempel rundt en slampulser. Systemet kan også bruke andre telemetrisystemer enn en slampulser til å overføre målte data til overflaten. Fordi det akustiske signal bare må tilbakelegge en forholdsvis kort avstand i henhold til foreliggende oppfinnelse, kan det benyttes en forholdsvis liten kraftkilde, slik som et batteri. Batteriet som er anbrakt nede i hullet nær sensormodulen, gir kraft til transduserne, sensorene og prosessoren. I likhet med sensormodulen kan batteriet være anbrakt enten i drivakselen til motoren eller i en separat, fjernbar modul (som beskrevet i den foretrukne utførelsesform).

Fordi de akustiske egenskapene til omgivelsene nede i borehullet kan variere sterkt, er foreliggende oppfinnelse i stand til å operere over et bredt frekvensområde. Systemet opererer ved å bestemme den frekvens som funksjonerer best for en gitt formasjon, og overfører på denne frekvensen for å maksimalisere signal/støy-forholdet. Signalet kan sendes gjennom flere akustiske baner, innbefattet borestrengen, slammet, formasjonen og kombinasjoner av disse, og kan overføres også når en slammotor er til stede i strengen. Det beskrives en anordning for optimal sending av et signal over en eller flere av disse banene.

Det beskrives også teknikker for å eliminere støy fra et mottatt signal, noe som er spesielt nyttig når signalet er blitt kjent fra en side av en slammotor til den annen. En teknikk for å redusere støy er å korrelere det mottatte signal med ett eller flere genererte referansesignaler og søke et maksimumsprodukt av de to signaler.

Disse og forskjellige andre kjennetegn og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå for fagfolk på området ut fra den følgende detaljerte beskrivelse.

For en detaljert beskrivelse av den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen skal det vises til de vedføyde tegninger, hvor: Fig. 1 er en perspektivskisse av en tidligere kjent retningsboreanordning som borer gjennom en grunnformasjon; Fig. 2A er en perspektivskisse av et tidligere kjent rotasjonsboresystem; Fig. 2B er et delvis snitt gjennom et tidligere kjent styrbart boresystem; Fig. 3 er et skjematisk diagram av den foretrukne utførelsesform av korthopp-datatelemetrisystemet som benytter en forlengelsesmodul mellom motoren og borekronen; Fig. 4 er en skjematisk illustrasjon av sensormodul-kretsene; Fig. 5 er en delvis skjematisk delvis isometrisk fragmentær skisse av korthopp-systemet som er vist på figur 3; Fig. 6 er et skjematisk riss av transduserringen; Fig. 7 er en skjematisk illustrasjon av styremodul-kretsene; Fig. 8 er et blokkskjema som skisserer de elektroniske komponenter og

telemetrikomponentene i korthopp-datatelemetrisystemet;

Fig. 9A-F viser forskjellige sendte, mottatte og behandlede signaler; og

Fig. 10 er et skjematisk diagram av signalbehandlingskretsene på figur 8.

I den følgende beskrivelse er uttrykkene «opphulls», «øvre», «over» og lignende brukt synonymt for å angi en posisjon i en brønnbane hvor brønnoverflaten er det øvre punkt eller toppunktet. Likeledes refererer uttrykkene «nedhulls», «nedre», «under» og lignende til en posisjon i en brønnbane hvor bunnen av brønnen er det fjernest borede punkt langs brønnbanen fra overflaten. Som en fagkyndig på området vil forstå, kan en brønn variere betydelig fra vertikalretningen, og kan mange ganger være horisontal. De foregående uttrykk skal derfor ikke anses å referere til dybde eller vertikalretning, men skal isteden anses som relatert til posisjonen i brønnbanen mellom overflaten og bunnen av brønnen.

I. NEDHULLS BORES YSTE M

To tidligere kjente boresystemer er vist på figurene 2A og 2B. Figur 2A illustrerer et tidligere kjent boresystem som bare opererer i rotasjonsmodus, mens figur 2B skisserer et tidligere kjent styrbart system som muliggjør både rett boring og retningsboring. Rotasjonsboresystemet som er vist på figur 2A omfatter en borekrone med et pulsgenerator-vektor for overføring av data til overflaten via slampulser. Over pulsgenerator-vektrøret er en sensormodul som innbefatter en rekke sensorer for måling av parameteret i nærheten av borekronen, slik som resistivitet, gammastråling, vekt på borekronen og torsjon på borekronen. Sensorene overfører data til pulsgeneratoren som igjen sender en slamtrykkpuls sil overflaten. Som eksempel på et slampuls-telemetrisystem kan det vises til US-patent nr 4 401 134 og 4 515 225 som herved i sin helhet inntas som referanse. Et ikke-magnetisk vektrør er vanligvis anbrakt over sensormodulene. Vanligvis innbefatter vektrøret en retningssensor-sonde. Vektrøret er forbundet med borestrengen som strekker seg til overflaten. Boring skjer i rotasjonsmodus ved å rotere borestrengen på overflaten, noe som får borekronen til å rotere nede i borehullet. Boreslam blir presset gjennom det indre av borestrengen for å smøre borekronen og fjerne kutt ved bunnen av brønnen. Boreslammet sirkulerer så tilbake til overflaten ved å strømme på utsiden av borestrengen. Slampulsgene-ratoren mottar data som indikerer tilstander nær, men ikke på, bunnen av brønnen, og modulerer trykket til boreslammet enten inne i eller utenfor borestrengen. Svingningene i slamtrykket blir detektert på overflaten ved hjelp av en mottaker.

Det tidligere kjente system som er vist på figur 2 B har den ytterligere evne til å bore enten rett frem eller i en retningsmodus. Det vises til US-patent nr 4 667 751 som herved i sin helhet inntas som referanse. Det styrbare systemet omfatter en motor som virker til å drive borekronen. I en tidligere kjent motor, slik som den som er beskrevet i US-patent nr 4 667 751, omfatter motoren et motorhus, et bøyehus og et lagerhus. Motorhuset innbefatter fortrinnsvis en stator konstruert av en elastomer forbundet med den indre overflate av huset og en rotor som passer sammen med statoren. Statoren har et antall spiralformede åpninger, n, som definerer et antall spiralriller gjennom lengden av motorhuset. Rotoren har en spiralformet konstruksjon med n -1 spiraler helisk viklet omkring dens akse. Se US-patent nr 1 892 217, 3 982 858 og 4 051 910.

Under boreoperasjoner blir borefluid tvunget gjennom motorhuset inn i statoren. Når fluidet passerer gjennom statoren, blir rotoren tvunget til å rotere og til å bevege seg fra side til side inne i statoren for derved å frembringe en eksentrisk rotasjon ved den nedre ende av rotoren.

Bøyehuset inkluderer en utgangsaksel eller forbindende stang, som forbinder rotoren med et universalledd eller gaffelledd. I henhold til konvensjonelle teknikker letter bøyehuset retningsbestemt boring. Se amerikansk patent nr. 4,299,296 og 4,667,751. For å fungere i en retningsbestemt modus plasseres boret til å peke i en spesifikk retning ved å orientere bøyen i bøyehuset i en spesifikk retning. Motoren aktiveres da ved å presse boreslam derigjennom som forårsaker operasjon av borekronen. Så lenge borestrengen forblir stasjonær (den roterer ikke) vil borekronen bore i den ønskede retningen ifølge buen på krumningen etablert av graden av bøy i bøyehuset, orienteringen av bøyen og andre faktorer slik som vekt-på-bor. I noen tilfeller kan graden av bøy i motorhuset være justerbar for å tillate varierende grader av krumning. Se amerikansk patent nr. 4,067,404 og 4,077,657. Typisk er en konsentrisk stabilisator også tilveiebrakt for å hjelpe til ved styringen av boret. Se amerikansk patent nr. 4,667,751.

For å operere i en rett modus, roteres borestrengen på samme tid som motoren aktiveres, for derved å forårsake boringen av en brønnboring med forstørret diameter. Se amerikansk patent nr. 4,667,751. Diameteren til brønnboringen er direkte avhengig av graden av bøy i bøyehuset og lokaliseringen av bøyen. Jo mindre bøyningsgrad og nærmere plasseringen av bøyen er til boret, jo mindre vil diameteren være til den borede brønnboringen.

Lagerhuset inneholder drivakselen som er forbundet med utgangsakselen ved hjelp av et annet universalledd. Den eksentriske rotasjon av rotoren blir overført til drivakselen ved hjelp av universalleddene og utgangsakselen, noe som får drivakselen til å rotere. På grunn av de meget store krefter som påføres motoren nede i brønnen, er det i lagerhuset anordnet radiallageret og aksiallageret. En av funksjonene til lagrene er å holde drivakselen konsentrisk inne i lagerhuset. Representative eksempler på radiallageret og aksiallageret kan finnes i US-patent nr 3 982 797, 4 029 368, 4 029 368, 4 098 561, 4 198 104, 4 199 201, 4 220 380, 4 240 683, 4 260 202, 4 329 127, 4 511 193 og 4 560 014. Nødvendigheten av å ha lageret i drivakselhuset bidrar sterkt til vanskelighetene ved å utvikle et signalsystem som overfører data gjennom eller rundt en motor.

II KORTHOPP-DATAINNSAMLINGSSYSTEM

Det vises nå til figur 3 hvor korthopp-datainnsamlingssystemet som er utformet i samsvar med den foretrukne utførelsesform, omfatter en borekrone 50, en motor 100 med en forlengelsesmodul 200 tilkoplet borekronen 50, en sensortransduser-anordning 25 anbrakt på utsiden av modulen 200, en sensormodul 125 anbrakt inne i forlengelsesmodulen 200, et pulsgenerator-rør 35 anbrakt opphulls fra motoren 100, en styremodul 40 anbrakt i en styreanordning 45 nær pulsgene-ratorrøret 35, en vertsmodul 10, en styretransduser-anordning 27 montert på utsiden av styreanordningen 45 og en beskyttelsesanordning 70. Et vektrør (ikke vist) og en borestreng (ikke vist) forbinder nedhullsanordningen med boreringen (ikke vist), i henhold til konvensjonelle teknikker. Andre anordninger 15 og/eller sensormoduler 80 kan være innbefattet etter behov i nedhullssystemet. Likeledes er alternative utførelsesformer av systemet vist på figurene 4 og 5 i '952-patentet (inntatt ovenfor) og diskutert i de tilsvarende deler av '952-patentet.

A. Motor og forlengelsesmodul

Det vises igjen til figur 3 hvor motoren 100 fortrinnsvis omfatter en Dyna-Drill positiv forskyvningsmotor med et bøyehus levert av Smith International, Inc., som beskrevet nedenfor i avsnitt I, nedhulls boresystem, og som vist i US-patent nr 4 667 751. Andre motorer, innbefattet slamturbiner, slammotorer, Moineau-motorer, krype-belteanordninger og andre innretninger som genererer innretninger som genererer bevegelse ved en ende i forhold til den annen kan brukes uten å avvike fra foreliggende oppfinnelsens prinsipper.

I samsvar med den foretrukne utførelsesform er motoren forbundet med forlengelsesmodulen 200 som rommer sensormodulen 125 og dens tilhørende transduseranordning 25. En spesiell fordel ved denne utførelsesform er at forlengelsesmodulen 200 kan fjernes og brukes vekselvis i en rekke nedhulls anordninger. Utsiden av forlengelsesmodulen 200 omfatter fortrinnsvis en hovedsakelig sylindrisk konfigurasjon og bærer en sensortransduser-sammenstilling 25 som beskrevet detaljert nedenfor.

Inne i modulen 200 er en batteripakke (ikke vist) for å levere kraft til sensorkretsene. Batteripakken omfatter fortrinnsvis en «stabel» med to «dobbel D» (DD) litiumbatteri-celler, anbrakt inne i et fiberglassrør 131 med epoksyfylling, som har kraft- og kraftretur-ledninger tilsluttet en enkelt kontakt på den nedre eller nedhulls ende av batteripakken. I den foretrukne utførelsesform omfatter kontakten en MDM-kontakt. Batteripakken innbefatter fortrinnsvis konvensjonell innebygd kortslutningsbeskyttelse (ikke vist) samt en enkelt innebygget seriediode (ikke vist) for beskyttelse mot utilsiktet ladning, og shuntdioder over hver celle (ikke vist) for beskyttelse mot reversert ladning, noe som er velkjent på området. Den øvre ende av sensormodulen 125 er fortrinnsvis utformet slik at batteripakken kan tilkoples og frakoples, både mekanisk og elektrisk, på et feltsted med det hovedformål å slå batteristrømmen på og av og erstatte utbrukte batteripakker.

Sensorene og forskjellige elektriske understøttelseskomponenter inne i sensormodulen 125 innbefatter fortrinnsvis akselerasjonssensorer, et inklinometer og en temperatursensor. Akselerasjonssensorene måler i henhold til teknikker som er velkjente på området, fortrinnsvis sjokk- og vibrasjonsnivåer i tverretning, aksialretning og rotasjonsretning. Inklinometeret som også er velkjent på området, omfatter fortrinnsvis et treakse-system med servo-akselerometeret av treghetstypen, som måler inklinasjonsvinkelen til modulaksen, under motoren 100 og meget nær bunnen av brønnen. Akselerometerene er montert stivt og ortogonalt slik at den ene akse (z) er innrettet parallelt med modulaksen, og de andre to (x og y) er orientert radialt i forhold til modulen. Inklinometeret har fortrinnsvis evne til å måle inklinasjonsvinkler mellom 0 og 180 grader.

B. Kontaktanordning

Den elektriske forbindelse mellom borekronen 50 og den akustiske sensormodulen 125 er fortrinnsvis fremstilt som beskrevet i US-patent 5 160 925. Kontaktanordningen er fortrinnsvis konstruert for å muliggjøre tilkopling eller fråkopling av borkrone-sensorer i feltomgivelser, når det er nødvendig for å skifte borekroner, akustiske sensormoduler og/eller batteripakker. Kontaktanordningen blir fortrinnsvis holdt i et tørt miljø beskyttet fra driftsmiljø-trykk. I tillegg er kontaktanordningen elektrisk forbundet med den akustiske sensormodul 125 og er fortrinnsvis fjærbelastet for å bevare koplingens integritet med borekronen. Kontaktanordningens lednings- og leder-utforminger muliggjør tilpasning og fråkopling av kontaktanordningen mens modulen er energisert, uten å forårsake skade på den akustiske modul 125.

C. MWD- vertsmodul ( BUT- vertsmodul)

Det vises kort til figur 8 hvor MWD vertsmodulen 10 fortrinnsvis omfatter en mikroprosessorbasert styreenhet for overvåkning og styring av alle MWD-komponentene nede i brønnen. Som vist i den foretrukne utførelsesform på figur 8, mottar vertsmodulen datasignaler fra den akustiske styremodul, en gamma-sensor, en resistivitetssensor, en borkronevekt/borkronetorsjon-sensor (WOB/TOB-sensor) og andre MWD-sensorer som brukes nede i brønnen og som hver omfatter sin egen mikroprosessor. En databuss (ikke vist) er fortrinnsvis anordnet for å forbinde MWD-vertsmodulen med den akustiske styremodul og de andre MWD-sensorene. I tillegg omfatter vertsmodulen fortrinnsvis et batteri for å energisere vertsmodulen og MWD-sensorene gjennom bussen.

Vertsmodulen sender fortrinnsvis kommandosignaler til sensorene, slik som den akustiske styremodul, for å instruere sensorene for å fremskaffe og/eller sende datasignaler. Vertsmodulen mottar datasignalene og tilveiebringer eventuell ytterligere formatering og koding av datasignalene som kan være nødvendig. I den foretrukne utførelsesform omfatter vertsmodulen fortrinnsvis i tillegg et lager for lagring av datasignalene for senere opphenting. Vertsmodulen er fortrinnsvis tilkoplet en slampuls-generator og sender kodede datasignaler til slampuls-generatoren, som blir videresendt via slampuls-generatoren til overflaten.

D. Sensorkretser

Det vises igjen til figur 4 hvor de akustiske sensormodul-kretser 300 fortrinnsvis omfatter en mikroprosessor 250, en tilpasser/digitaliserer 251, en sender 205 og en mottaker 230 som begge er elektrisk forbundet med sensortransduser-sammenstillingen 25, signaltilpasningskretsene 220, en regulert kraftforsyning tilkoplet batteripakken 55 og forskjellige sensorer for måling av akselerasjon, inklinasjon og temperatur.

De akustiske sensormodul-kretsene 300 innbefatter fortrinnsvis følgende sensorer i den akustiske sensormodul 125 (figur 3): (1) tre inklinometer-sensorer vist som X, Y, Z på figur 4; (2) tre akselerasjons-sensorer, vist som Ax, Ay, Aa og (3) en temperatursensor 235. I tillegg kan sensorkretsene 300 motta opptil seks inngangssignaler fra sensorer anbrakt i borekronen. I den foretrukne utførelsesform måler borekronesensorene temperatur og slitasje på borekronen.

Det vises fremdeles til figur 4 hvor utgangssignalene fra inklinometer-sensorene og akselerasjonssensorene blir matet til konvensjonelle signaltilpasningskretser 220 for å forsterke signalene og redusere støy. Signalene sammen med utgangssignalet fra temperatursensoren 235, blir matet til en multiplekser 255. I den foretrukne utførelsesform omfatter multiplekseren 255 en 8:1-multiplekser. Likeledes blir utgangssignalene fra borekrone-sensorene levert som inngangssignaler til signaltilpasningskretsene 220, og så videresendt til en multiplekser 260.

Signalene fra de akustiske modulsensorer og borekrone-sensorene blir digitalisert i tilpasseren/digitalisereren 251 og behandlet av mikroprosessoren 250, og de behandlede signaler blir så lagret i lageret inntil det er behov for dem. Behandlingen innbefatter fortrinnsvis formatering og koding av signalene for å minimalisere signalets bitstørrelse. Ytterligere lagerplass kan være innbefattet i sensorkretsene 300 for å lagre alle de avfølte signaler for fremhenting når sensormodulen 125 blir hentet opp fra borehullet.

Kraft for de akustiske sensorkretser 300 blir fremskaffet fra en regulert kraftforsyning 225. Kraftforsyningen 225 er tilkoplet batteripakken og mottar kraft fra denne. Kraftforsyningen 225 omformer batterispenningen til et akseptabelt nivå for bruk i de digitale kretsene. I den foretrukne utførelsesform leverer batteripakken kraft ved 6,8 volt likespenning.

Straks det blir bestemt at de behandlede sensorsignaler skal sendes opp gjennom brønnen, noe som fortrinnsvis skjer ved kommando fra styremodulen 40, henter mikroprosessorer 250 noen eller alle de behandlede signaler, utfører eventuell ytterligere formatering eller koding som kan være nødvendig, og mater ut det ønskede signal til senderen 205. Senderen 205 er elektrisk forbundet med transdusersammenstillingen 25 og leverer et signal til transdusersammenstillingen 25 ved en frekvens som bestemmes av den akustiske sensor-mikroprosessor, som igjen sørger for utsendelsen av et akustisk signal som blir mottatt ved styretransduser-sammenstillingen 27 (figur 3).

E. Akustisk bane

Det vises nå til figur 5 hvor det har vist seg at det akustiske signal effektivt kan sendes fra en sensors sender/mottaker-sammenstilling til styresender/mottaker-sammenstillingen, eller omvendt, gjennom en eller flere baner som innbefatter en bane 51 gjennom borestrengen (d.v.s. gjennom bunnhull-anordningen), en bane 53 gjennom slammet i ringrommet, en bane 57 gjennom formasjonen og/eller kombinasjoner av disse. Et nøkkelaspekt ved foreliggende oppfinnelse ligger i å tilveiebringe anordninger for å optimalisere overføringen langs en eller flere av disse banene.

1. Borestreng-bane

For eksempel blir overføring av det akustiske signalet gjennom bunnhull-anordningen fortrinnsvis utført ved å bruke skjær- eller bøynings-bølger istedenfor kompresjonsbølger. Bruk av skjær eller bøynings-bølger hvor vibrasjonen er perpendikulær på bølgenes forplantningsretning, gjør det mulig for et signal å forplante seg aksialt gjennom slammotoren, slik at bølgene passerer aksialt gjennom motoren selv om dennes utforming effektivt demper alle kompre-sjonsbølger som passerer aksialt.

Det vises igjen til figur 5 hvor transdusersammenstillingene 25, 27 som hver fortrinnsvis innbefatter minst en transduserring, henholdsvis 37, 41, som er montert slik at mesteparten om ikke all dens vibrasjonsenergi blir sendt til bunnhull-anordningen når det er ønskelig å sende et akustisk signal gjennom bunnhull-anordningen ved å bruke skjær- eller bøynings-bølger. For dette formål er fortrinnsvis transduserringene 37, 41 i god kontakt med bunnhull-anordningen, mens de er isolert fra det omgivende slam i størst mulig grad. Hver transduserring omfatter et antall piesoelektriske krystaller montert omkretsmessig rundt modulen eller borerøret, som vist på figur 6. Ifølge en foretrukket utførelsesform er det 3 til 30 krystaller i hver ring. Disse krystallene blir pulset for å oppnå valgte orienteringer av vibrasjonsbevegelsen.

Hvis antallet krystaller kan deles med fire, som vist på figur 6, kan hver krystallring 37 inndeles i kvadranter 37a, 37b, 37c og 37d. Krystallene i et motstående kvadrantpar 37a, 37c kan aktiveres i en enkelt retning, noe som resulterer i en kraft representert ved en vektor Vi påtrykket borerøret. Dette blir en halvperiode senere fulgt av aktivering av de samme krystaller for å oppnå en kraft i motsatt retning. En lignende påvirkning blir påført det andre motstående kvadrantpar 37b, 37d, også i en enkelt asimut, noe som resulterer i en kraft representert ved vektor V2 påført røret. De resulterende ortogonale krefter som er illustrert ved vektorene V2 som virker på røret, skaper to uavhengige skjærbølger med en forplantningsretning som forløper aksialt oppover (og nedover) langs røret. Analogt kan en trio av krystallelementer brukes til å skape skjærbølger som ikke er ortogonale, men som kan skjelnes fra hverandre.

For å motta de signaler som er innbakt i disse skjærbølgene, omfatter transdusersammenstillingene 25, 28 hver en mottakerring, henholdsvis 39, 43, som virker motsatt av virkemåten til transduserringene 37, 41. Det vil si at mottakerringene 39, 43 omformer laterale krefter som virker på dem fra røret, til endringer i et utgangsspenningssignal. Dette gjør det mulig å motta skjærbølgene såvel som informasjon om deres asimutorientering.

Videre er det mulig samtidig å sende mer enn to signaler gjennom bunnhull-anordningen ved å benytte flere bøyningsbølger som har forskjellige asimutorienteringer. Hvis en annen transduserring av krystaller er tilveiebrakt, kan den inndeles i kvadranter som aktiveres på en slik måte at det frembringes lignende skjærbølger med asimutale orienteringer som er forskjellige fra de for den første transduserring. Fordi ringer av transdusere/mottaker kan innstilles i henhold til disse prinsipper for fortrinnsvis å motta skjærbølger som har en spesiell asimutorientering, kan flere signaler som omfatter samtidig utsendte skjærbølger med forskjellige orienteringer, mottas og omformes så lenge det er tilveiebrakt tilstrekkelige mottakerkrystaller til å tolke de forskjellige orienteringer.

2. Slambane

Det vises igjen til figur 5 hvor transdusersammenstillingene 25, 27, når det er ønskelig å sende et akustisk signal langs baner 53 gjennom slammet i ringrommet istedenfor gjennom bunnhull-anordningen, hver videre innbefatter minst en isolert transduser, henholdsvis 42, 44, som er akustisk isolert fra sitt hus og montert slik at dens vibrasjonsenergi blir overført til slammet. Transduserne 42, 44 er fortrinnsvis montert ved å feste det ikke-vibrerende nøytrale punkt til verktøyet. Dette nøytrale punkt er på planet gjennom sentrum av transduserens masse. Konstruksjonen kan innbefatte en piesoelektrisk sylinder anbrakt på et impedans-tilpasset dempningsmateriale, slik som Wolfram gummi. Det blir foretrukket å bruke kompresjonsbølger til overføring gjennom slam, ettersom skjærbølger ikke blir effektivt overført gjennom væsker. Det har vist seg at overføringen av kompresjonsbølger gjennom slammet blir forbedret av ringrom-mets ledereffekt, som har en tendens til å inneholde kompresjonsbølgene og gjør det mulig for dem å forplante seg lenger med mindre spredning av strålings-mønsteret.

Som vist på figur 5 blir det videre foretrukket å tilveiebringe et antall isolerte mottakere, slik som 46a, 46b og 46c, for å motta signalet fra transduseren 42, slik at det blir mulig å gjenkjenne det overførte signaler mer nøyaktig. Mottakerne 46a, 46b og 46c er aksialt adskilt fra hverandre, som vist, og er i likhet med senderne

42, 44 akustisk isolert fra borestrengen og følsomme for vibrasjoner i slammet. Fordi banen 53a fra senderen 42 til mottakeren 46a er kortere enn banen 53c fra senderen 42 til mottakeren 46c, vil et signal nede fra hullet ankomme mottakeren 46c senere enn det ankommer ved mottakeren 46a. Siden lydhastigheten i slammet kan bestemmes uavhengig ved hjelpa v konvensjonelle metoder, og fordi den aksiale avstand mellom mottakerne i en modul er kjent, kan det forventede tidsmellomrom mellom ankomster beregnes. Ved å bruke denne informasjonen kan signaler mottatt ved forskjellige mottakeravstander korreleres for å forsterke gjenkjennelsen av et overført signal. Bruk av korrelasjonsteknikker på denne måten gjør det mulig for systemet å forkaste både bølger som beveger seg i feil retning og de som beveger seg ved feil hastighet.

Det kan nevnes at et antall sendere og mottakere på sensormodulen (ikke vist) kan være utformet på samme måte som vist for styremodulen, med de samme tilhørende fordeler. Likeledes kan disse korrelasjonsteknikkene brukes til å forbedre gjenkjennelsen av signaler overført langs forskjellige andre baner.

3. Formasjonsbane

Kompresjons- og bøynings-bølger kan også brukes til å sende et signal gjennom formasjonen, men denne banen er den minst foretrukne, ettersom den innebærer størst dempning og spredning av signalet og resulterer i at et mer komplekst signal blir mottatt ved mottakeren. Hvis det er ønskelig å bruke formasjonsbanen, blir det brukt sendere og mottakere som er isolert fra borestrengen, slik som de som er beskrevet ovenfor i forbindelse med slambanen. Denne banen har den fordel at bølgene forplanter seg hurtigere enn i slammet og derfor unngår interferenser fra slammodiene. For en sterkt dempende slammotor kan denne veien være å foretrekke. Den har den ytterligere fordel at den tilveiebringer lydhastigheten i formasjonen ved borekronen.

F. Stvreanordning

Det vises kort til figur 3 hvor den akustiske styreanordning 45 som er konstruert i samsvar med den foretrukne utførelsesform, omfatter en styretransduser-sammenstilling 27 montert på denne, og en akustisk styremodul 40 inne i anordningen. Styremodulen 40 er fortrinnsvis tilkoplet vertsmodulen ved hjelp av en enkeltleder-kabel. Det vises nå til figur 7 hvor styremodulen omfatter signaltilpasningskretser for å tilpasse de akustiske datasignaler som er mottatt fra sensormodulen via transdusersammenstilling 27. De tilpassede signalene blir matet til en signalprosessor som dekoder de kodede signaler fra sensormodulen. De dekodede signaler blir så sendt til den generelle systemprosessor, som videresender datasignalene til vertsmodulen. Energi for styremodulkretsene blir levert av et batterimodul og en regulert kraftforsyning.

Som vist på figur 8 innbefatter den akustiske styremodulen 40 fortrinnsvis en fysisk ledningsforbindelse til fellesbussen til MWD-vertsmodulen, som også er koplet til alle andre MWD-sensorene som er over borekrone-telemetriforbindelsen. Elektrisk kraft for den akustiske styremodulen blir levert av bussen.

Under drift sender styremodulen 40 kommandosignaler via den akustiske telemetriforbindelse, til sensormodulen 125 for å instruere sensormodulen 125 om å samle inn data fra noen eller alle sensorene som befinner seg i sensormodulen 125 eller borekronen 200, og sende tilbake (via den samme akustiske forbindelse) disse data. Disse dataene blir fortrinnsvis midlet, lagret og/eller formatert for presentasjon til styremodulen 40, som igjen reformaterer dataene for innføring i et slampuls-overføringsformat og en slampuls-datastrøm. Data ved høyere frekvens som må lagres i styremodulen nede i hullet, kan kopieres og/eller spilles tilbake på overflaten etter at modulen er trukket opp av brønnen.

Kommunikasjon blir opprettet med den akustiske sensormodul over en eller flere av de akustiske baner som er beskrevet ovenfor, i avsnitt E.

G. Signaltolkning

Uansett hvilken akustisk bane eller hvilke akustiske baner som er valgt for en gitt overføring, vil det signal som mottas ved den annen ende av banen skille seg sterkt fra det som opprinnelig ble sendt ut. For det første vil det mottatte signal være forsinket i sann tid med en størrelse som er lik baneavstanden mellom transduserne dividert med lydhastigheten langs banen. For det annet vil fasen og amplituden til det mottatte signal være endret ettersom deler av signalet forplanter seg langs forskjellige baner og interfererer med hverandre ved mottakeren. For det tredje vil varigheten av en del av signalet være større enn varigheten av den del som opprinnelig ble sendt, ettersom variasjonen i banelengder og banehastig-heter vil resultere i signaler som mottas over et område med tider. Endelig kan etterklang i selve verktøyet øke varigheten av det mottatte signal.

Foreliggende oppfinnelse utnytter en rekke teknikker til å gjøre det mulig for mottakerne å trekke ut et lesbart signal fra mottakerinngangen. Først blir det foretrukket at sensor- og styre-modulene benytter synkroniserte klokker. Klokkene blir synkronisert før montering i bønnen og resynkronisert nede i brønnen. Ved å bruke synkroniserte klokker kan taktstyringen av den sanntids overførings-modulasjon beregnes ved mottakeren, og mer nøyaktig innsamling av signaldata er mulig ved å generere et referanse-korrelasjonssignal ved mottakeren. Hvis signaler blir utsendt langs flere baner uavhengig av hverandre, kan den kjente eller kalibrerte differanse i forsinkelse i de flere medier, brukes til å bekrefte ankomsten av den første banemodus. For det andre kan grupper med mottaker-transdusere benyttes i forbindelse med signalkorrelasjonsteknikker som er beskrevet ovenfor, til å trekke ut et signal ved en kjent frekvens fra en inngang som inneholder betydelig støy, slike grupper kan brukes ved både sensor- og styre-modulene.

Det vises nå til figurene 9A og 9B, hvor det kan sees at passering gjennom brønnmiljøet påvirker både amplituden og fasen til et utsendt signal. På figur 9A

blir spesielt en enkelt signalpuls ved frekvens fi sendt i en tid tp, hvoretter det ikke er noe utsendt signal. På figur 9B begynner mottakelse av den samme signalpuls ved en mottaker i en viss avstand ved tiden tb, og kan detekteres inntil en sluttid tc. Den innledende overføringsforsinkelse tb avhenger av banelengde og vil bli overskjøtt i den følgende diskusjon. Som vist på figuren er varigheten av den mottatte puls, definert av intervallet mellom td og tc, større enn den opprinnelige varighet av pulsen tp.

Ved 8 kHz i et brønnmiljø kan forskjellen i lengde mellom den mottatte puls og den utsendte puls være så lang som 36 ms (300 perioder). Dette intervallet blir heretter kalt ringetiden (ring-down time), Q. Ved kalibrering nede i hullet kan Q bestemmes på grunnlag av kvantitative målinger for brønnen, eller kan bestemmes på grunnlag av tidligere innsamlede forsøksdata.

I forbindelse med den foreliggende oppfinnelse kan det utsendte signal

være modulert i fase, amplitude eller frekvens ved en hastighet som gjør det mulig for alle transienter å dø hen før neste modulasjonsperiode. Modulasjonsperioden blir valgt for å overskride den maksimalt forutsatte eller målte ringetid Q for en gitt brønn. Det vil si at sender- og mottaker-innretningene blir programmert til å sende informasjon ved en bit pr modulasjonsperiode Ts. Etter hendøing av modulasjonstransienter vil bæresignalet for en spesiell bane hovedsakelig bestå av en enkel frekvens med konstant amplitude og fase. Den ukjente amplitude og fase til det mottatte signal avhenger av overlagringen av bæresignal-ankomstene fra alle baner, som antas å ha konstante relative bærefaser under en modulasjonsperiode. På denne måten blir det sikret at all restsignal-etterklang fra en gitt modulasjonsperiode vil være fullstendig forsvunnet før påbegynnelse av den følgende modulasjonsperiode. Denne fremgangsmåten til overføring av informasjonen resulterer i en betydelig langsommere overføringshastighet. Når den totale dataoverføringshastigheten til systemet fremdeles er begrenset av den 1-10

baudhastigheten for den typiske slampuls-innretning, kan likevel en reduksjon i baudhastigheten til det akustiske telemetrisystem være av liten betydning.

En annen teknikk for å sikre nøyaktig signaltolkning medfører bruk av frekvensskiftnøkling. Denne teknikken er illustrert på figurene 9C-F, og signal-prosessoren på figur 7 er skjematisk representert på figur 10. Figur 9C viser et signal modulert mellom fi på intervaller lik Ts. Figur 9D viser det samme signal slik det er mottatt etter å ha passert langs en eller flere av de forskjellige signalbaner. Som beskrevet ovenfor stemmer ikke det mottatte signal lenger med det utsendte signal verken med hensyn til fase eller amplitude. Som vist på figur 10 innbefatter signaltilpasningskretsene et båndpassfilter 134 som innbefatter U og f2 i pass-båndet, men forkaster høyere og lavere frekvenser. Passbåndsignalet mater så to ytterligere smale bånnpassfiltere 136, 137, som hver gjenkjenner bare signaler med et forutbestemt frekvensområde. Alternativt kan et høypassfilter og et lavpassfilter benyttes, som fagfolk på området vil forstå. Mottakerfilter blir avspurt etter at alle modulasjonstransienter er dødd hen. Som reaksjon på det mottatte inngangssignal, vil filtrene 135, 136 (figur 10) avgi signaler som svarer til de samplingsperioder som er vist på figur 9E og 9F. Utgangen fra hvert filter 135, 136 blir ført gjennom en komperator 137,138. Komparatorene 137, 138 bidrar til å eliminere støy ved å dektetere bare de inngangssignaler som har i det minste en forutbestemt minste amplytydeverdi Vref. Utgangene fra komparatorene 137, 138 ble matet til en mikroprosessor 139, som gir et digitalisert signal svarende til den opprinnelige sendte frekvensinformasjon. I mikroprosessoren blir det foretatt en sammenligning av filterutgangene, og hvis utgangen for frekvens fi er sterkere en for frekvens f2, blir det registrert en binær «1», ellers blir en binær «0» registrert. Den utsendte bærefrekvens omkobles for å vise det ønskede binærsignal. Ved å bruke binærfrekvensskiftnøkling på denne måten er både «enere» og «nuller» tildelt distinkte frekvenser og bare mottak av et positiv signal ved en av de to frekvenser blir behandlet som data, i motsetning til amplytudeskiftnøkling som benytter en enkelt frekvens og tolker fravær av et signal som en «0». Bruken av frekvensskiftnøkling øker støyforkastelsen i overføringen sterkt ved nærvær av bredbåndets støy. Bredbåndet pulsstøy frembringer vanligvis like responser i tilstøtende smalbåndsfiltere. Ved å forkaste like amplitudesignaler ved fi og f2 kan feiloverføringer identifiseres og korrigeres. Hvis for eksempel det under overføring passerer et tidsintervall hvor begge frekvenser har like styrker, kan mottaker-modulen være programmert for å avspørre senderenheten om den manglende bit etter fullføring av overføringen.

Denne utførelsesformen krever synkronisering av sendermodulasjonen og mottaker-avspørringstiden. Samplingsdetektoren er synkronisert koherent med sendermodulasjonstakten ved å bruke krystallstyrte klokker. Denne metoden sikrer avspørring under samplingsperioden i tidsintervallet mellom Q og Ts, når bare en bærefrekvens finnes. Den eksisterende frekvens vil bli dektetert av et av de to båndpassfiltrene. Denne prosedyren representerer synkronisering ved modulasjonsfrekvensen, ikke ved bærefrekvensen.

En annen teknikk som blir brukt i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse, medfører bruk av forskjellige asimutale vibrasjonsplanen for å frembringe binær informasjon. Mer spesielt vil en enkelt transduser som er liten av størrelse sammenlignet med bølgelengden til det utsendte signal, frembringe skjær-, bøyning- og kompresjon-moder. Kompresjonsmodusen blir hovedsakelig en uniform front etter at den har forplantet seg aksialt over en avstand lik omkring 7 til 10 ganger sylinderens diameter. Som en uniform front taper den informasjonen om transduserens asimut posisjon. Skjær- og bøynings-modiene er derimot polarisert langs en asimut. Hovedsakelig ingen bøyningsenergi forplanter seg med ortogonal polarisering. Skjær- og bøynings-modiene inneholder derfor informasjonen om transduserens asimut selv når de har forplantet seg over en betydelig aksial avstand.

Anvendelse av en annen forholdsvis liten transduser anbrakt noen, fortrinnsvis 90, grader fra den første transduser i asimutplanet og drift av denne ved en annen frekvens enn den første transduser, gir to uavhengige skjær polariseringer eller bøyningspolariseringer i tillegg til kompresjonsmodusen. Kompresjonsmodusen som er mottatt i en viss aksial avstand fra transduserne, omfatter overlagringen av de individuelle kompresjonssignaler og har amplitude-svevning ved differansefrekvensen uansett asimutposisjonen til transduserne. De resulterende skjær- og bøynings-signaler er derimot polarisert og polariseringens asimutplan roterer omkring en langsgående akse ved differansefrekvensen.

Selv om rotasjon av modulen nær borekronen forårsaker rotasjon av transduserne nær borekronen, som blir overlagret på den tilsynelatende rotasjonen av skjær- og bøyningsbølgene, er denne mekaniske rotasjonen forholdsvis langsom og kan forkastes fra det behandlede signal ved å bruke elektronisk filtrering. Spesielt vil rotasjon av modulen nær borekronen få det mottatte signalet til å synes umodulert når senderne er innrettet med mottagerne og summen av de mottatte signaler til å synes umodulert når senderne har rotert 45 grader fra mottagerne. Det mottatte signal er imidlertid modulert når senderne har rotert 45 grader fra mottagerne, og summen av de mottatte signaler er modulert når senderne er innrettet med mottagerne. Ved å overvåke både de mottatte signaler og summen av de mottatte signaler er det således mulig alltid å detektere et modulert signal. De relative styrkene og fasene til de to overvåkede kanaler kan brukes til å bestemme den vinkelmessige orientering av den roterende borekrone i forhold til den statiske borestrengen. Siden rotasjonen av planet til skjær- eller bøynings- modusen er hurtig sammenlignet med rotasjonshastigheten til borekronen, vil borekrone-orienteringen være forholdsvis konstant under noen få svingeperioder av den demodulerte differansefrekvens som det tar å identifisere de relative amplituder og faser for den demodulerte differansefrekvens for hvert mottagersignal og summen av mottagersignalene.

På denne måten kan det binærsignal som er beskrevet ovenfor, oppnås ved å observere rotasjonen av polariseringssektoren ved den midlere bærefrekvens. Hvis bærevektorens positive topp går fra VRi til (VRi + VR2) til VR2 til VRi - VR2) til VRi, kan rotasjonen betegnes som en binær «1», mens den omvendte rotasjonen fra VRi til (VRi - VR2) til VR2 til (VRi + VR2) til VR^ kan betegnes som en binær «0».

Hvis bærefrekvensens polariseringsrotasjon er vanskelig å detektere på grunn av en stor støyfaktor, så kan alternativt de demodulerte signaler selv tildeles «1» og «0» - karakteristikker. For eksempel kan en sender være på en fast frekvens og den annen sender tildeles to frekvenser. Denne løsningen gir to forskjellige rotasjonsfrekvenser, av hvilke en blir tildelt en «1» og den annen bir tildelt en «0». Denne løsningen muliggjør fasefølsom deteksjon av de demodulerte frekvenser i forhold til synkroniserte klokker ved modulene ved borekronen og oppe i hullet.

I det foregående blir de synkroniserte klokker brukt til å tolke de demodulerte signaler. I tillegg til det foregående omfatter foreliggende oppfinnelse en teknikk for å trekke ut nytteinformasjon ved spesialbehandling for å trekke ut bæresignalene fra en ellers støyfylt overføring. Spesielt medfører foreliggende teknikk frembringelse av et vindusstyrt sinusformet referansesignal ved bærefrekvensen og korrelering av det mottatte signal med dette. Den modulerte omhyllingskurven som frembringes av bærebølgekorrelasjonen, blir så korrelert med et annet vindusstyrt sinusformet referansesignal med frekvens lik modulasjonsfrekvensen. På denne måten, for w bærefrekvenser og y modulasjonsfrekvenser, kan et ord med lengde w x y biter sendes og mottas i hvert gyldig tidsvindu etter ringetiden. Bruken av to bærefrekvenser og to demodulasjons-frekvenser muliggjør således overføring av fire informasjonsbiter pr. gyldig tidsvindu.

Ifølge den foretrukne teknikk blir det overførte signal samplet ved en samplingsperiode At som fortrinnsvis er mindre enn en fjerdedel av bærebølge-perioden, og mer foretrukket lik en tidel av bærebølgeperioden. Dette genererer en strøm av samplingspunkter A, antas det at

m = antall modulasjonsperioder i det gyldige tidsvindu,

n = antall bærebølgeperioder pr modulasjonsperiode, og p = antall samplingspunkter pr bærebølgeperiode, så

q = (m)(n)(p) = antall samplingspunkter pr gyldig tidsvindu.

Samplingspunktene A på bærebølgen blir korrelert med et bærebølge-referansesignal B som har den samme frekvens som den utsendte akustiske bærebølgeform. Fortrinnsvis har vinduet for signal B et heltallig antall perioder og et like antall samplingspunkter for å minimalisere problemer med DC-forskyvninger. Bærebølge-korrelasjonen blir utført over et lite antall s med bærebølgeperioder.

Antas det at:

s = antall bærebølgeperioder i referansesignal-vinduet, og

v = (P)(s) = antall samplingspunkter pr bærebølgeperiode,

når behandlingen starter, blir punktene for A korrelert med V for A korrelert med B for å danne et sett med punkter D som danner en omhyllingskurve for bære-bølgen. For å oppnå en omhyllingskurve for bærebølgen blir et ortogonalt sett med referansefunksjoner benyttet, maken til de i diskrete Fourier-transforma-sjoner. For sinusformede referanser er de ortogonale funksjoner for frekvens fi sin(27cfjti) og cos(2jcfjti).

Datapunktet Dv/2 blir oppnådd ved å korrelere samplingspunkter fra Ai til Av og er tilknyttet samplingstiden tv/2. Dq.v/2 blir tilknyttet tiden tq.v/2. Settet med mulige

D-er har v færre innføringer enn settet med Aer. Hvis Du er en av disse q-v datapunktene, blir den beskrevet av ligningen:

Vanligvis behøver bare en liten brøkdel av de mulige D-er å bli beregnet. Hvis fz er modulasjonsfrekvensen med periode tz, må Duene beregnes for tidsintervaller ikke mer enn tz/4, og fortrinnsvis ikke mer enn tz/10. Hvis omhyllingskurven har støytopper, kan alle Duer beregnes og glattes ved midling og desimalisering for å oppnå de ønskede tz/10 sampler pr modulasjonsperiode.

Den beregningsrekken som er beskrevet ovenfor, kan utføres for forskjellige bærefrekvenser ved å beregne et sett med D-er for hver frekvens. For et datasystem som har to bærefrekvenser, fc1 og fc2 er forholdet

stort når fci blir mottatt, og lite når fc2 blir mottatt. Støy vil sannsynligvis gi Rc=1. For dataoverføringsformål blir det valgt en terskel RcT for å identifisere gyldige data. Rt > Rct blir behandlet som en «1» og Rt < 1/Rct blir behandlet som en «0». Rc mellom 1/Rct og Rct blir behandlet som støy. Rct blir bestemt under kalibrering og justert for å optimalisere datahastigheten for de støytilstander som finnes i brønnen.

I tillegg til informasjonskoding for å endre bærefrekvensene, kan en gitt bærefrekvens moduleres ved forskjellige modulasjonsfrekvenser. Hvis bære-bølgen blir modulert, vil dataene Du ha amplitudemodulasjoner ved modulasjons-frekvensene. Antas det at antall datapunkter på omhyllingskurven i det gyldige tidsvindu er lik r, kan omhyllingskurve-dataene beskrives som do' til Dr'. Et annet referansesignal E blir frembrakt med den samme periode, samplingshastighet og gjentatte bølgeform som modulasjonen. Krysskorrelasjon kan så beregnes for hvert samplingspunkt i det gyldige tidsintervall for sinusformet modulasjonsfrekvens fz, blir D-ene korrelert for å danne et sett med punkter D som identifiserer modulasjonsfrekvensen i henhold til følgende ligning (ligning 3): Denne Gk svarer til samplingstiden tk. Forholdet

blir behandlet som en «1» for Rm > RmT og som en «0» for Rm < 1/RmT- Rm mellom 1/RmT og RmT blir behandlet som støy. Rm er en terskel valgt for å optimalisere datahastigheten.

Det fire bits ordet for bærebølgen består av «1» eller «0» fra bærebølgen og «1» eller «0» for modulasjonen. Denne teknikken eliminerer effektivt betydelige mengder støy og muliggjør mottakelse av lesbare signaler selv i det støyfylte miljø som er i forbindelse med motoren nede i brønnen. Det kan nevnes at databehandlingsteknikken som er beskrevet ovenfor, kan benyttes i forbindelse med flere referansesignal-modulasjoner, eller «ord» som hvert kan gjenkjennes uavhengig for derved å muliggjøre sterk økning av mengden med overførte data.

H. Systemoperasion

Kommunikasjon mellom sensormodulen 125 og styremodulen 40 blir bevirket ved akustisk forplantning langs flere akustiske baner. Hver modul

inneholder både sender- og mottakerkretser som muliggjør toveis kommunikasjon. Under drift blir den ønskede transduser aktivert for å generere et modulert akustisk signal, fortrinnsvis i frekvensområdet fra 5 kHz til 40 kHz, og helst ved omkring 8 til 20 kHz. Som beskrevet ovenfor frembringes dette signalet ved å påtrykke hurtige pulser ved en passende spenning over ett eller flere piezoelektriske krystaller for å få dem til å vibrere ved en frekvens som svarer til frekvensen for det ønskede akustiske signal. Vurderingen i den følgende diskusjonen vil omfatte teknikker for

å optimalisere vellykket overføring av et ønsket signal mellom et enkelt sender/mottaker-par anbrakt i borestrengen. Man vil forstå at mange av de samme prinsipper gjelder og kan brukes samtidig til å overføre signaler mellom et sender/mottakerpar i det samme hull. For eksempel kan signaler sendes samtidig via slambanen ved å bruke kompresjonsbølger, og via borestreng-banen ved å bruke skjærbølger.

De akustiske bølger som eksiteres av transduseren, forplanter seg gjennom borestrengen og den omgivende grunnformasjon. Når de akustiske bølgene forplanter seg, blir de dempet av spredning, friksjonstap og oppløsning i henhold til vanlig forståtte prinsipper. Fordi oppløsning øker når frekvensen øker, vil den ønskede overføringsavstand effektivt bli fastsatt ved en maksimal arbeidsfrekvens.

Det har vist seg at de metallkomponenter som utgjør den nedre ende av en borestreng, innbefattet borekronen, vektrørene, forskjellige moduler og slammotoren, har en resonansfrekvens ved omkring 8 kHz. I henhold til foreliggende oppfinnelse blir det foretrukket å operere ved denne resonansfrekvensen ettersom det muliggjør en maksimal signalamplitude for en gitt energiinnmating og derfor gjør det mulig for det utsendte signal å forplante seg lenger gjennom brønnmiljøet. Frekvensen på 8 kHz er godt over frekvensen for typisk nedhulls akustisk støy, som vanligvis er i området fra 0 til 2 kHz. Ved 8 kHz kan et signal sendes akustisk gjennom borestrengen over en avstand på omkring 50 til 200 fot. Dette området svarer til avstanden fra borekronen til en mottaker anbrakt like over slammotoren.

Ifølge en foretrukket utførelsesform er modulasjonstiden minst 12 ms, og helst fra 20 til 100 ms. Den foretrukne bærepuls har en varighet på omkring 10 til 300 perioder, hvoretter pulsen blir avsluttet og det mottatte signal består av akustisk reststøy. Det har vist seg at ringeperioden kan være så lang som flere hundre perioder.

Siden søknadsgjenstanden er ment å arbeide med akustiske egenskaper som strekker seg over flere størrelsesordener, som kan inntreffe i en enkelt brønn, er det klart fordelaktig og muligens nødvendig å sørge for drift over et bredt område med frekvenser. Systemet er fortrinnsvis også selvadaptivt når det gjelder å velge den riktige driftsfrekvens fra tid til tid ettersom formasjonen endres.

Den akustiske sensor er blitt utformet for å minimalisere strømforbruk i sensorens batteripakke. Selv om apparatet blir kjørt til bunnen, så er den akustiske sensormodul i en lavenergi «hvile»-modus. Med noen få minutters mellomrom slår en indre klokke i sensor-mikroprosessoren 250 på prosessoren 250 og dens tilhørende kretser i noen få sekunder, lenge nok til å detektere et forutbestemt lydsignal fra styremodulen. Hvis intet slikt signal blir detektert av de akustiske sensorkretser, går mikroprosessoren og de tilhørende kretser tilbake til «hvile»-modus inntil neste energiseringsperiode.

Når styremodulen ønsker å kommunisere, basert på en tilstand slik som et forut bestemt trykk nede i hullet, slamhastighet, rotasjon, o.s.v., vil kommando-modulen innlede periodisk overføring av lydsignaler for å kommandere en respons fra sensormodulen. I den foretrukne utførelsesform består disse signalene av utsendte pulser med et par sekunders varighet, vekslende med mottaksintervaller av tilsvarende varighet for å lytte etter en reaksjon fra sensormodulen.

Hver sender/mottaks-syklus for styremodulen skjer innenfor den tidsperiode som den akustiske sensormodul tar imot, for dermed å garantere styreoverføring under sensormottaking.

Modulen nær borekronen er programmert for å ta kontakt med styreanordningen ved valgte hviletider når strømning og rotasjon er stanset. Slike perioder inntreffer når for eksempel rør blir tilføyet borestrengen. En enkelt-periodisk lavfrekvent puls (tilnærmet en tidel av bærefrekvensen) blir utsendt fra styremodulen ved forut bestemte aktiveringsintervaller. Mottakerprosessoren i nærheten av borekronen bruker ligning (1) med en referanseperiode ved lavfrekvensen, f|0W- Samplingsintervallet er en tidel av lavfrekvens-perioden. Tidspunktet hvor det detekterte signal først når en terskel, blir brukt til å opprette et behandlingstidsvindu for å beregne et meget nøyaktig estimat av den første ankomst for enkeltperioden. Dette estimatet blir brukt til å synkronisere klokker og beregne ankomsttider for bærebølgesignalet for å bestemme lydhastighet.

Behandlingen korrelerer først datapunkter i tidsvinduet med sin(27tfiowt). Den maksimale korrelasjon inntreffer en halvperiode etter den første ankomst. Bunnpunkter for antikorrelasjon inntreffer en halvperiode før og etter toppen. Støy hindrer nøyaktig måling av disse toppunkt-tidene. For å øke nøyaktigheten blir amplitudene til data mellom bunnpunktene behandlet med arccosinus for å gi vinkler som stiger progressivt fra 0 ved det første bunnpunkt til 2% ved det annet bunnpunkt. I hver kvartperiode blir forholdet mellom hvert datapunkt og den tilsvarende topp eller det tilsvarende bunnpunkt brukt som argument for arccosinus. Datapunkter som har feil polaritet, blir forkastet. Anvendelse av lineær regresjon for arccosinus-verdiene som funksjon av tid frembringer en rett linje som skjærer tidsaksen ved den første ankomsttid. Denne synkronisering av brønnklokkene er nødvendig for å opprette tidsvinduet for behandling av data med hensyn til enten telemetri eller måling av frekvensegenskaper. Ellers kan drift av de to klokkene kreve kontinuerlig behandling. Klokkene er tilstrekkelig stabile til å opprettholde nøyaktige samplingsfrekvenser og velge tidsvinduer under den tid som er nødvendig for å bore en rørlengde. Stabiliteten av aktiveringstids-intervallene muliggjør også stakking av hundrevis av bølgeformer for vinduer i suksessive avfyringer. Denne stakkingen (midlingen) reduserer tilfeldig støy fra boreoperasjonen.

Ved å sammenligne de stakklagrede, korrelerte data for to mottakere, kan bæresignalet behandles med arccosinus-prosedyren som benyttes for de lavfrekvente signaler, en sammenligning av ankomsttid-differansen mellom de to mottakere, gir forplantningstiden mellom mottakerne, og dermed lydhastigheten.

Ved deteksjon av et lydsignal reagerer sensormodulen med lavfrekvensen. Styremodulen utsender så en rekke pulser ved forut bestemte mulige bærefrekvenser. Modulen nær borekronen bestemmer hvilke av disse mulige bærekfrekvensene som har det beste signal/støy-forholdet, og reagerer ved å sende et signal til styremodulen ved vedkommende frekvens. Denne overføringen fortsetter over en varighet på minst en hel periode av utsendelsen fra styremodulen, for å garantere at et signal blir sendt fra sensormodulen mens styremodulen lytter. Straks toveis kommunikasjon er opprettet, blir etterfølgende utsendelse fullstendig styrt ved de mest fordelaktige frekvenser. Hvis forbindelsen tapes, eller hvis tilstandene endres nede i borehullet, vender begge modulene tilbake til lydavgivende modus.

Sensormodulen 125 overvåker fortrinnsvis alle seks termistorene i borekronen og alle sensorer som er anbrakt i sensormodulen 200, og sender avlesninger vedrørende hver sensor til styremodulen, som fortrinnsvis videresender noen eller alle disse signalene til overflaten via vertsmodulen og slampuls-generatoren ved en maksimal hastighet på en gang for hvert femte minutt. Hvis det blir behov for at data skal tas med betydelig høyere hastighet enn hva som kan overføres ved hjelp av slampulser, kan dataene lagres i et lager nede i brønnen, eller dataene kan sorteres nede i borehullet og/eller overføres til overflaten ved en hastighet som er forenlig med slampuls-egenskapene, eller egenskapene til et hvilket som helst telemetrisystem som benyttes. Hvis sensorene blir slått av og på

(for å spare på batteriene), og hvis en «påslått» transientdempende periode er nødvendig, blir det tilveiebrakt tilstrekkelig tid til at det ikke er noen betydelig forspenning av samplingsgjennomsnittene på grunn av disse transientene.

I. Andre anvendelser.

De fordeler som frembringes av foreliggende oppfinnelse innbefatter evnen til å overføre informasjon fra en modul nær borekronen til oversiden av slammotoren. For eksempel kan informasjon vedrørende laggrenser, både foran borekronen og omkring borekronen og omkring borehullet, nå tilveiebringes fra en modul nær borekronen og sendes opp gjennom hullet, for derved i sterkt grad å redusere forsinkelsestiden for informasjon og styring. Høyfrekvente, samlede stråler kan sendes ved vinkler inn i formasjonen. Laggrenser blir lokalisert ved å bruke disse signalene med en kaste/fange-transduser-konfigurasjon. For laggrenser ved siden av borekronen og hovedsakelig parallelt med dennes akse, blir transdusere nær borekronen fortrinnsvis innstilt til resonans ved omkring 60 kHz. Med en frekvens på omkring 50 kHz eller mer, er bølgelengden kort nok til å tillate transduser-størrelser som har strålingsmønstre samlet i asimutretningen.

Hvis pulsekko-transdusere med frekvenser i området fra 200 kHz til 600 kHz blir benyttet, kan systemet undersøke kvaliteten av sementen bak et foringsrør når bunnhull-anordningen blir innsatt og trukket ut av brønnen. Ved å bruke ligning 1 med flere B-referansefrekvenser, vil pulsekko-signalet bli korrelert med flere smalbåndsfrekvenser i transduserens passbånd. Ekkoer som forblir innfanget i borehullsfluidet, vil ha spektralresponsen til transduseren, mens ekkoer som passerer gjennom foringsrøret vil ha smalbåndskarakteristikkene til foringsvegg-tykkelsesmodusen. Ligning 2 kan brukes til å velge bidraget i hvert tidsvindu fra signaler bak foringsrøret. Fordi det benyttes en forholdsmetode kan mesteparten av virkningene av forholdene nede i brønnen på transduser-responsen kanselleres. Ved hjelp av denne prosedyren unngås derfor de kalibreringsvanskeligheter som oppstår ved konvensjonell foringsrør-inspeksjon ved hjelp av pulsekko.

Fordi fluidsignalene forplanter seg langsommere enn andre signaler som utsendes gjennom borestrengen, kan likeledes den forsinkede retur av en kompresjonsbølge brukes til ås kaffe informasjon om formasjonen foran borekronen. Den samtidig inngitt amerikanske patentsøknad med serienummer 08/544 723, inngitt 18. Oktober 1995, med tittel «Acustic Logging While Drilling Tool to Determine Bed Boundaries», gir en mer detaljert beskrivelse av en teknikk for innsamling av data vedrørende laggrenser, og denne inntas herved i sin helhet som referanse.

Informasjon om formasjonsgrensene foran borekronen vil møte redusert interferens fra apparatmodi som forplanter seg gjennom bunnhull-anordningen. Spesielt demper eller utsletter slammotoren effektivt det signal som ellers ville bli sendt gjennom borestrengen. Kompresjonsbølgen gjennom formasjonen som fortsetter forbi borekronen og reflekteres fra eventuelle laggrenser som er innenfor dennes rekkevidde, kan således skjelnes fra apparatmodus-støy. Disse reflekterte bølgene returnerer til de samme mottakere, og ankommer først ved den mottaker som er nærmest borekronen. Dette mottatte signal kan korreleres med det opprinnelige signal som først ankom ved den mottaker som er lengst fra borekronen. Ved å skjelne mellom oppadgående og nedadgående ankomster og korrelere bølgeformene til de opprinnelige og reflekterte bølger, blir det oppnådd en forbedret evne til signaldeteksjon.

Informasjon om lydhastigheten i formasjonen kan oppnås fra ankomsttidene til det opprinnelige signal ved de første og andre mottakere, og ut fra kjennskap til avstanden mellom mottakerne. Ved å bruke ligningene (2) og (3) kan lydhastighetens frekvensavhengighet bestemmes. Denne spredningen av lydhastigheten angår formasjonsegenskaper slik som porøsitet og permeabilitet.

Informasjon om den akustiske demping i formasjonen kan oppnås ved å sammenligne signalstyrkene ved de to mottakere. Signalsvekningen mellom de to mottakere gir dempningen pr forplantningsavstand-enhet. Ved å bruke ligningene (2) og (3) til å bestemme dempningen som en funksjon av frekvens, fås informasjon om de fysiske tilstander som forårsaker dempning. Lydhastighet-spredning er en årsak til akustisk demping i formasjoner. For eksempel kan spredning fra sprekker og porøsitet gi forskjellige frekvensavhengigheter for formasjonens akustiske dempning.

Claims

1. Fremgangsmåte for overføring av akustiske datasignaler over en kort avstand i en brønn som inneholder en akustisk støygenerator, karakterisert ved: (a) å sende frekvensskiftnøklede skjærbølger gjennom den akustiske støygenerator; (b) å sende frekvensskiftnøklede kompresjonsbølger gjennom slammet i brønnringrommet; (c) å motta og behandle skjærbølgene for å generere et første mottatt signal; (d) å motta og behandle kompresjonsbølger for å generere et annet mottatt signal; (e) å korrelere de første og andre mottatte signaler og generere en mottatt datastrøm.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at minst en av skjærbølgene og kompresjonsbølgene blir sendt forbi den akustiske støygenerator.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved: (f) å sende akustiske signaler inn i formasjonen; (g) å motta reflekterte og avbøyde akustiske signaler; (h) å generere et elektrisk signal som er representativt for de mottatte signaler; (i) å korrelere de mottatte reflekterte og avbøyde akustiske signaler med et referansesignal; G) å bestemme tidsforsinkelsen for de mottatte akustiske signaler; k) å identifisere formasjonsuregelmessigheter basert på bestemmelsen av tidsforsinkelsene.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at de akustiske signaler blir sendt ut foran bunnhulls-anordningen.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at korreleringstrinnet (i) innbefatter å redusere støy fra de mottatte signaler, ved å utføre de følgende trinn:

(11) å sample det mottatte signal ved en gitt samplingsfrekvens for å gi et antall samplingspunkter, idet det mottatte signal har en bærefrekvens slik at et første antall samplingspunkter svarer til en bærebølgeperiode;

(12) å generere et referansesignal med minst så mange referansepunkter som antallet punkter pr bærebølgeperiode; og

(13) for hvert sett med suksessive punkter i det mottatte signal som er lik antall referansesignal-punkter, (i3i) å multiplisere hvert samplingspunkt med et tilsvarende referansepunkt og summere produktene som er frembrakt på denne måten; (i3ii) å tildele summen av produktene en tilhørende tidsverdi som er lik tidspunktet for midtpunktet av settet med suksessive punkter; (i3iii) å fremskynde verdiene av de mottatte signalpunkter med et tidsinkrement; og (i3iv) å gjenta trinnene (i3i) til (i3iii) inntil hvert samplingspunkt har frembrakt en sum av produkter og en tilhørende tid; og (14) å behandle settet med produktsummer og tilhørende tider for å frembringe en omhyllingskurve for bæresignalamplituden for de komponenter som er korrelert med referansesignalet.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved å korrelere verdiene av bærebølge-omhyllingskurven i et tidsvindu med et annet referansesignal tilknyttet modulasjonsfrekvensen for bærebølge-omhyllingskurven for å gi en distinkt informasjonsbit.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved: (f) å sende akustiske signaler inn i formasjonen; (g) å motta reflekterte og avbøyde akustiske signaler; (h) å generere et elektrisk signal som er representativt for de mottatte signaler; (i) å korrelere de mottatte akustiske signaler med et referansesignal; (j) å bestemme tidsforsinkelsen for de mottatte akustiske signaler; (k) å identifisere en beregnet formasjonshastighet for lyd basert på tidsforsinkelses-bestemmelsen.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at korrelasjonstrinnet (i) omfatter å redusere støy fra de mottatte signaler ved å utføre følgende trinn:

(11) å synkronisere klokkene i to moduler ved å bruke en frekvens som er lavere enn bærefrekvensen for å opprette tidsvinduer for innsamling av stakkede digitaliserte bølgeformer;

(12) å sample det mottatte signal i tidsvinduer ved en gitt samplingsfrekvens for å gi et antall samplingspunkter, idet det mottatte signal har en bærefrekvens slik at et første antall samplingspunkter tilsvarer en bærefrekvens-periode;

(13) å generere et referansesignal som har minst så mange referansepunkter som antall punkter pr bærebølge-periode; og

(14) for hvert sett med suksessive punkter i det mottatte signal som er lik antallet referansesignal-punkter, (i4i) å multiplisere hvert samplingspunkt med et tilsvarende referansepunkt og summere produktene som er frembrakt på denne måten; (i4ii) å tildele summen av produktene en tilordnet tidsverdi som er lik tidspunktet for midtpunktet av settet med suksessive punkter; (i4iii) å fremskynde verdiene av de mottatte signalpunkter med et tidsinkrement; og (i4iv) å gjenta trinnene (i4i) og (i4iii) inntil hvert samplingspunkt har frembrakt en sum av produkter og en tilhørende tid;

(15) å behandle summene for å finne en terskel ved hvilken et omhyllingskurve-punkt overskrider den løpende middelverdi av et vindu for tidligere omhyllingskurve-punkter med en forut bestemt størrelse, og bruke tidspunktet for dette punkt til å velge et tidsvindu for nøyaktig å måle akustisk ankomsttid; og (i6) nøyaktig å måle ankomsttid ved å utføre en minstekvadrat-tilpasning av vinklene som er oppnådd ved trigonometrisk omforming fra datapunkt-amplituder til økende fasevinkel og velge skjæringen med tidsaksen som ankomsttid.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved å korrelere verdiene for to mottakere som er adskilt med en kjent avstand, for å bestemme forplantningstiden og dermed lydhastigheten til den korrelerte akustiske bølgens forplantningsmodus.

10. Fremgangsmåte for overføring av data ved å benytte det akustiske dataoverføringssystemet ifølge krav 16, karakterisert ved: (a) å sende data med en bærefrekvens og en modulasjonsfrekvens fra et første punkt på borestrengen; (b) å motta dataene ved et andre punkt på borestrengen; (c) å korrelere de mottatte data med første og andre referansesignaler som har forskjellige frekvenser, for å generere et modulert mottatt signal, hvor ett av referansesignalene har en frekvens som svarer til bærefrekvensen; (d) å korrelere det modulerte mottatte signal med et tredje referansesignal for å generere et antall informasjonsbiter.

11. Fremgangsmåte for å bestemme akustisk formasjonsdempning ved å benytte det akustiske dataoverføringssystemet ifølge krav 16, karakterisert ved: (a) å sende et signal A1 med en første bærefrekvens fi; (b) å sende et signal A2 med en annen bærefrekvens f2; (c) å motta signalene A1 og A2 ved det første og andre akustiske apparat; (d) å beregne formasjonsdempningen fra signalsvekningen pr avstandsenhet for forplantning mellom mottakerne; (e) å korrelere de mottatte signaler A1 og A2 med første og andre referansesignaler B1 og B2 som har frekvenser svarende til de første og andre frekvenser, henholdsvis U og f2, for å generere første og andre sett med korrelerte data di og d2; (f) å finne forholdet R1 mellom di og d2; (g) å sammenligne R1 med terskelnivåer for å bestemme hvilken frekvens som mottas eller om støy forhindret frekvensbestemmelse; (h) å bruke informasjonen fra trinnene (d) og (g) til å bestemme frekvensavhengigheten av formasjonsdempningen hvis en frekvens blir mottatt, eller å spørre senderen om å gjenta overføringer hvis bare støy er detektert.

12. Fremgangsmåte for å oppnå informasjon om en formasjon ved å benytte det akustiske dataoverføringssystemet ifølge krav 16, karakterisert ved: (a) å sende et signal A1 med en første bærefrekvens fi; (b) å sende et signal A2 med en annen bærefrekvens f2; (c) å motta signalene A1 og A2 ved første og andre adskilte mottakere; (d) å beregne lydhastigheten i formasjonen fra ankomsttidene for signalene ved den første og annen mottaker; (e) å korrelere de mottatte signaler A1 og A2 med første og andre referansesignaler B1 og B2 som har frekvenser svarende til de første og andre frekvenser, henholdsvis fi og f2, for å generere første og andre sett med korrelerte data di og d2; (f) å finne forholdet R1 mellom di og d2; (g) å sammenligne R1 med terskelnivåer for å bestemme hvilken frekvens som mottas eller om støy hindret frekvensdeteksjon; og (h) å bruke informasjonen fra trinnene (d) og (g) til å bestemme frekvensavhengigheten til lydhastigheten i formasjonen hvis en frekvens blir mottatt, eller å spørre senderen om å gjenta overføringer hvis bare støy er detektert.

13. Fremgangsmåte for å oppnå informasjon fra tidsvindu-data ved å benytte det akustiske dataoverføringssystemet ifølge krav 16, karakterisert ved: (a) å sende et signal A1 med en første bærefrekvens fi; (b) å sende et signal A2 med en annen bærefrekvens f2; (c) å motta signalene A1 og A2; (d) å korrelere de mottatte signaler A1 og A2 med første og andre referansesignaler B1 og B2 som har frekvenser svarende til de første og andre frekvenser, henholdsvis fi og f2, for å generere første og andre sett med korrelerte data di og d2; (f) å finne forholdet R1 mellom di og d2; (g) å sammenligne R1 med terskelnivåer for å bestemme hvilken frekvens som mottas eller om støy hindret frekvensdeteksjon; (h) å bruke informasjonen fra trinnene (d) og (g) til å bestemme frekvensavhengigheten for en målt egenskap hvis en frekvens blir mottatt, eller å spørre senderen om å gjenta overføringer hvis bare støy er detektert.

14. Fremgangsmåte for å oppnå informasjon om sement bak et foringsrør ved å benytte det akustiske dataoverføringssystemet ifølge krav 16, karakterisert ved: (a) å sende en akustisk puls fra en transduser, hvor pulsen har tilstrekkelig båndbredde til å innbefatte tykkelsesresonans-frekvensene for alle anvendbare foringsvegg-tykkelser; (b) å motta ekko fra foringsrøret med en mottakertransduser; (c) å behandle de mottatte signaler ved korrelasjon med valgte smalbåndede referansefrekvenser for å bestemme foringsvegg-tykkelse i tidsvinduet umiddelbart etter den første refleksjon fra den indre foringsrørvegg; og (e) å behandle senere tidsvinduer ved veggtykkelses-resonansfrekvensen for å detektere signaler fra reflekterende grenseflater bak foringsrøret.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at sendertransduseren også er mottaker-transduser.

16. Akustisk dataoverføringssystem for å overføre målte drifts-, miljø- og retningsparametere i en brønn fra et første punkt på en borestreng på et annet punkt på borestrengen, hvor en del av borestrengen mellom det første punkt og det annet punkt innbefatter akustisk støy generert av boreprosessen, karakterisert ved: et første akustisk apparat for å sende og motta et akustisk signal langs en bane gjennom borestrengen; og et annet akustisk apparat for å sende og motta et akustisk signal langs en bane gjennom slam i brønnens ringrom.

17. System ifølge krav 16, karakterisert ved at det første akustisk apparat innbefatter en første sender og en første mottaker aksialt adskilt fra senderen, hvor den første sender og den første mottaker er akustisk isolert fra boreslammet.

18. System ifølge krav 17, karakterisert ved at det første akustiske apparat sender og mottar skjærbølger.

19. System ifølge krav 18, karakterisert ved at den første sender og mottaker hver omfatter en ring med transdusere i et plan perpendikulært til borestrengens akse.

20. System ifølge krav 19, karakterisert ved at transduserringene er inndelt i bueformede partier, og at partiene av senderringen energiseres vekselvis for å sende en skjærbølge gjennom borestrengen.

21. System ifølge krav 20, karakterisert ved at det første akustiske apparat videre omfatter en ytterligere sendertransduser-ring og en ytterligere mottakertransduser-ring, hvor de ytterligere ringer er innrettet for å tilføre borestrengen en skjærbølge med en annen asimutorientering i forhold til den som tilføres av den første sender og mottaker.

22. System ifølge krav 17, karakterisert ved at det første akustiske apparat benytter to eller flere distinkte frekvenser til å overføre binær informasjon.

23. System ifølge krav 16, karakterisert ved at det annet apparat omfatter en annen sender og en annen mottaker som er aksialt adskilt fra senderen, hvor den annen sender og den annen mottaker er akustisk isolert fra borestrengen.

24. System ifølge krav 23, karakterisert ved at den annen mottaker omfatter en gruppe mottakerinnretninger som strekker seg aksialt.

25. System ifølge krav 24, karakterisert ved at hver av mottakerinnretningene er montert på borestrengen i et signaldempende hus.

26. System ifølge krav 23, karakterisert ved at det annet akustiske apparat sender og mottar kompresjonsbølger.

27. System ifølge krav 26, karakterisert ved at det annet akustiske apparat benytter to eller flere distinkte frekvenser til å overføre binær informasjon.

28. System ifølge krav 16, karakterisert ved et tredje akustisk apparat for å sende og motta et akustisk signal langs en bane gjennom formasjonen.

29. System ifølge krav 28, karakterisert ved at det tredje akustiske apparat omfatter en tredje sender og en tredje mottaker, hvor den tredje sender og den tredje mottaker er akustisk isolert fra borestrengen.

30. Fremgangsmåte for overføring av signaler i en brønn ved å benytte det akustiske dataoverføringssystemet ifølge krav 16, karakterisert ved : (a) å sende separate akustiske signaler gjennom borestrengen og slammet i ringrommet; (b) å motta nevnte separate akustiske signaler fra borestrengen og slammet i ringrommet; (c) å korrelere nevnte mottatte separate akustiske signaler ifølge tiden det tar for hvert signal å fullføre sin overføringsbane, og (d) å tolke nevnte korrelerte signaler.

31. Fremgangsmåte ifølge krav 30, karakterisert ved at overføringstrinnet omfatter å sende ut en puls ved en første frekvens for å indikere en digital "1" og å sende ut en puls ved andre frekvens for å indikere digital "0".

32. Fremgangsmåte ifølge krav 31,karakterisert ved at det videre inkluderer trinnet å bestemme en ringetid for borestrengen og omgivelsene og modulering av nevnte frekvenser på et intervall større enn nevnte ringetid.

33. Fremgangsmåte ifølge krav 32, karakterisert ved at nevnte tolkingstrinn omfatter filtrering av nevnte korrelerte signaler for å identifisere signaler ved nevnte første og andre frekvenser.

34. Fremgangsmåte ifølge krav 33, karakterisert ved at det videre inkluderer trinnet å spørre senderanordningen når intet gjenkjennbart signal har blitt mottatt.

35. Fremgangsmåte ifølge krav 34, karakterisert ved at borestrengen omfatter en slammotor, og at signalene blir overført forbi motoren.