NO342178B1

NO342178B1 - Fremgangsmåte for å øke eller redusere datahastighet ved nedlinksignalering til en ned-i-hulls enhet

Info

Publication number: NO342178B1
Application number: NO20140459A
Authority: NO
Inventors: Michael Dewayne Finke; Ii Doyle Raymond Warren; Cili Sun; Bipin Kumar Pillai
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2014-04-08
Publication date: 2018-04-09
Also published as: US20030016164A1; NO20033595L; CA2802235A1; NO20033595D0; BRPI0207191B1; GB0514589D0; GB2390864B; CA2438139A1; GB0321201D0; GB2413138B; NO20140459L; GB2413578B; CA2691720C; GB0514590D0; GB2413138A; CA2691720A1; BR0207191A; NO335269B1; GB2413578A8; WO2002065158A1

Abstract

Et nedlink-telemetrisystem som tilveiebringer en forbedret anordning og fremgangsmåte for å kommunisere instruksjoner via trykkpulser fra overflateutstyr til en ned-i-hulls enhet. Anordningen omfatter en overflatesender (6) for å generere trykkpulser, et kontrollsystem og en ned-i-hulls mottaker for å motta og dekode pulser. I operasjon blir en omledningsventil (10) åpnet og lukket for å generere en serie av trykkpulser som blir mottatt og dekodet av en ned-i-hulls mottaker. Fremgangsmåten reduserer betydelig den tiden som er nødvendig for nedlink-kommunikasjon uten å avbryte boring og uten å forstyrre opplink-kommunikasjon, slik at samtidig toveis kommunikasjon kan oppnås dersom opplink- og nedlink-signaler blir sendt med forskjellige frekvenser. Telemetriskjemaet og algoritmen tilveiebringer en oppfunnet fremgangsmåte for å filtrere og dekode nedlink-signalene. Algoritmen bestemmer tidsintervallene mellom pulstopper og dekoder intervallene til en instruksjon. Algoritmen omfatter også feilsjekking for å verifisere at instruksjonen ble korrekt mottatt nedihulls.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt kommunikasjon mellom kontrollutstyr på jordens overflate og en undergrunns boreenhet for å kommandere ned-i-hulls instrumenteringsfunksjoner. Spesielt vedrører foreliggende oppfinnelse apparater og fremgangsmåter for å kommunisere instruksjoner til boreenheten via trykkpulssignaler sendt fra en sender ved overflaten uten å avbryte boringen, mer spesielt apparater og fremgangsmåter for å detektere trykkpulser ved en ned-i-hulls mottaker og anvende en algoritme for å dekode trykkpulsene til instruksjoner for ned-i-hulls enheten og enda mer spesielt apparater og fremgangsmåter for å oppnå toveis kommunikasjon mellom overflateutstyret og ned-i-hulls enheten med en relativt høy kommunikasjonshastighet.

En boreoperasjon etter hydrokarbon anvender kontroll- og datainnsamlingsutstyr på jordens overflate samt ned-i-hulls utstyr så som en boreenhet som omfatter boreapparater og formasjonsevalueringsverktøy som måler egenskaper ved brønnen som bores. Det har lenge vært forstått innenfor olje- og gassindustrien at det å kommunisere mellom overflateutstyr og ned-i-hulls boreenheter er både ønskelig og nødvendig.

Nedlink-signalering, eller kommunikasjon fra overflateutstyr til boreenheten, blir typisk utført for å sende instruksjoner i form av kommandoer til boreenheten. For eksempel kan, under retningsboring, nedlink-signaler instruere boreapparatet om å endre retningen til borkronen med en gitt vinkel eller å endre retningen til verktøyflaten. Opplink-signalering, eller kommunikasjon mellom boreenheten og overflateutstyret, blir typisk utført for å verifisere nedlink-instruksjonene og for å kommunisere data målt ned-i-hulls under boring for å tilveiebringe verdifull informasjon til boreoperatøren.

En vanlig metode for nedlink-signalering er gjennom slampulstelemetri. Ved boring av en brønn, blir fluid pumpet ned-i-hulls slik at en ned-i-hulls mottaker inne i boreenheten kan måle trykket i og/eller strømningsmengden av dette fluidet. Slampulstelemetri er en metode for å sende signaler ved å generere en serie av forbigående trykkendringer, eller pulser, i borefluidet som kan detekteres av en mottaker. For nedlink-signalering blir mønsteret av trykkpulser, omfattende pulsens varighet og amplitude samt tiden mellom pulser, detektert av ned-i-hulls mottakeren og deretter interpretert som en spesifikk instruksjon til ned-i-hulls enheten.

Konseptet med å sende signaler fra jordens overflate til ned-i-hulls utstyr via slampulstelemetri er kjent og har vært praktisert i den senere tid. Den vanligste fremgangsmåten for å generere trykkpulser er å avbryte boringen og syklisk aktivere borepumpen på og av med en gitt frekvens for å generere trykkpulser som forplantes ned-i-hulls gjennom borestrengen for å instruere ned-i-hulls enheten.

En annen fremgangsmåte kombinerer syklisk aktivering av pumpen med rotasjon av borestrengen. Boringen avbrytes, boreverktøyet løftes fra bunnen og pumpene aktiveres syklisk på og av for å informere ned-i-hulls enheten om at en instruksjon vil bli sendt fra overflaten. Deretter blir borestrengen rotert med en gitt hastighet over en gitt periode, og ned-i-hulls enheten omfatter en omdreiningsteller for å telle rotasjonene. På denne måten blir instruksjoner kommunisert til nedi-hulls enheten.

Disse transmisjonsteknikkene har flere ulemper. Den mest betydelige ulempen er at boringen midlertidig må avbrytes hver gang et signal blir sendt nedi-hulls. Signaler blir derfor kun sendt ned-i-hulls periodisk heller enn kontinuerlig, slik at progresjonen i boreoperasjonen kan opprettholdes. Under retningsboring kan dette være spesielt ugunstig ettersom boreverktøyet bare kan justeres periodisk, hvilket resulterer i at det blir boret et uønsket slange-lignende eller buktende borehull. Videre er disse fremgangsmåtene langsomme fordi det tar tid å starte og stoppe boreoperasjonen, og selv om målet er å instruere ned-i-hulls enheten ved å sende ett sett av signaler, må ofte signalene gjentas siden ned-i-hulls mottakeren ikke alltid mottar instruksjonen korrekt den første gangen. Endelig forårsaker denne fremgangsmåten også unødvendig slitasje på pumpen og tilhørende utstyr.

Forbedrede apparater har blitt utviklet for å sende kommandosignaler fra jordoverflaten til utstyr ned-i-hulls uten å starte og stoppe pumpene i boresystemet. For eksempel beskriver U.S.-patentet 5,113,379 (" '379-patentet") til Scherbatskoy, som med dette inntas her ved referanse for alle formål, det å generere negative trykkpulser ved sekvensiell operasjon av en ventil for å omlede en mengde av borefluidet fra det fluidet som blir pumpet ned-i-hulls. Det omledede fluidet blir returnert til slamtanken, og et bølgefrontvern blir anvendt for å hindre mottrykk i slamreturkanalen i å begrense strømningen av fluid gjennom ventilen. Dette systemet har den ulempen at det ikke tilveiebringer en mekanisme for å regulere strømningsmengden gjennom omledningskanalen. En slik regulering av strømningsmengden er ønskelig for å generere pulser med en gitt amplitude og for å sikre at den omledede strømningsmengden ikke reduserer strømningsmengden av borefluid i en slik grad at boreoperasjonen blir forstyrret.

'379-patentet beskriver en annen fremgangsmåte for å generere trykkpulser ved å åpne og lukke en ventil som står i kommunikasjon med et reservoar som er under et annet fluidtrykk enn boresystemets pumpetrykk. Heller ikke dette pulseringssystemet tilveiebringer noen anordning for å regulere strømningsmengden gjennom pulseringssystemet, og det krever mer komplisert utstyr.

Nok en annen fremgangsmåte beskrevet i '379-patentet krever at en motordrevet pumpe blir koplet til boresystemet for å introdusere positive trykkpulser i fluidsøylen. Selv om dette pulseringssystemet muliggjør endringer av strømningshastigheten basert på motorhastigheten, er det nødvendige utstyret mer komplisert, mer kostbart og krever mer vedlikehold. Det er således ønskelig å tilveiebringe et sendersystem for å sende puls-signaler ned-i-hulls som omfatter enkelt, billig og lett vedlikeholdt utstyr og som tilveiebringer en måte for å regulere strømningsmengden av fluid i omledningskanalen.

Den europeiske patentsøknaden EP 0744527 A1 (" '527-søknaden ") innlevert av Baker Hughes Incorporated, innholdet i hvilken med dette inntas ved referanse her for alle formål, beskriver et enkelt omledningssystem for å generere negative trykkpulser som omfatter en trykkluftdrevet ventil og en struping. Strupingen begrenser strømningsmengden gjennom omledningskanalen, og strømningsmengden kan bli regulert ytterligere ved å begrense strømningen gjennom ventilen selv. Videre er hastigheten til ventilaktiveringen justerbar for å endre frekvensen til signalpulsen.

US 6105690 beskriver en fremgangsmåte og apparat for å kommunisere med en anordning i borehullet i en brønn, slik som en bunnhullsoppstilling i en borestreng. Trykkpulser genereres med et stempel som påtrykker pulsene i et boreslam, og et et piezoceramisk element er en del av en sensor som kan detektere trykkpulsene. Det piezoceramiske element avgir et varierende spenningssignal som respons på de detekterte trykkpulsene. Sensoren har også elektroniske komponenter som gjør det mulig å analysere en egenskap til trykkpulsene, som for eksempel frekvensen. Basert på analysen av trykkpulsene kan sensoren dechifere en kommando fra overflaten, som for eksempel styrer styringen av en styrbar borestreng, eller som kan avgjøre om slampumper er i drift.

EP 0617196 A2 beskriver er slampuls telemetrisystem for anvendelse i et måle-under-boresystem. Telemetrisystemet anvender flernivå koding. Systemet omfatter en oppadrettet salmpulssender og en nedadrettet slampulssender. Oppadrettede og nedadrettede signaler blir frekvensmultiplekset for samtidig overføring. Selv om omledningssystemet beskrevet i '527-søknaden tilveiebringer en struping for å regulere den omledede strømningsmengden, kan ikke strupingen endres for å regulere strømningsbegrensningen som nødvendig. Det vil si, etter hvert som en brønn bores dypere, er en høyere borestrømningsmengde nødvendig for å hindre at boreverktøyet låser seg. En endring av strømningsmotstanden gjennom borestrengen kan også forårsakes av, for eksempel, endringer i munnstykkedysen, økt borestrenglengde og endringer i bunnhullsenheten. Slike endringer av strømningsmotstanden gjennom borestrengen krever en endring av strømningsmotstanden gjennom omledningskanalen for å opprettholde den ønskede omledede strømningsmengden. Det er derfor ønskelig å tilveiebringe en anordning for å anpasse den omledede strømningsmengden i felten. Det å begrense strømningen gjennom ventilen for å anpasse den omledede strømningsmengden er ikke foretrukket fordi de interne komponentene i ventilen vil bli erodert, og ventiler er dyre å skifte ut. Det er således ønskelig å inkludere en lavkost, ofrbar strømningsbegrenser for omledningskanalen som er enkel å erstatte i felten for å regulere den omledede strømningsmengden.

Videre tilveiebringer ikke oppfinnelsen beskrevet i '527-søknaden noen komponent oppstrøms omløpsventilen for å reflektere de positive pulsene som blir dannet hver gang ventilen lukker. Dette arrangementet ville forårsake problemer dersom samtidig toveis kommunikasjon (nedlink og opplink) er ønsket fordi de positive pulsene ved ventilen vil forplante seg oppstrøms og inn i hovedrøret og vil kunne forstyrre eller kansellere ut opplink-pulser. Det er således ønskelig å tilveiebringe pulsutsendingsutstyr som er innrettet på en slik måte at det er mulig å oppnå samtidig toveis kommunikasjon.

Når trykkpulsene som representerer en gitt instruksjon blir generert ved overflaten og sendt ned-i-hulls, må en mottaker innrettet i ned-i-hulls enheten dekode disse signalene for å distribuere instruksjonen til det destinerte ned-i-hulls verktøyet. Mottakeren vil detektere støy assosiert med pumpen og boreoperasjonene i tillegg til nedlink-signalet. Dekodingen av nedlink-signalet i ned-i-hulls mottakeren omfatter derfor typisk digital filtrering for å fjerne støyen samt anvendelse av en deteksjonsalgoritme for å overensstemme trykkpuls-sekvensen med en gitt forhåndsprogrammert instruksjon i kontrolleren for ned-i-hulls enheten.

'379-patentet beskriver i detalj en fremgangsmåte for å analysere opplinkpulser. Dataene blir først filtrert og krysskorrelert for å fjerne pumpetrykk, pumpestøy og tilfeldig støy. Deretter blir formen eller varigheten til hver puls analysert for å bestemme dataverdien assosiert med den pulsen. Når det gjelder nedlinksignaler, er kommandosignalene begrenset til et smalt frekvensbånd over et gitt tidsintervall. Den relevante kvantiteten for mottakersystemet er derfor frekvensbåndet og mottakstiden for det mottatte signalet. Signalet sendes gjennom et synkroniseringsforsterkerfilter for å separere smalbånd-frekvenssignalet fra forstyrrende støy. Deretter sendes signalet til en forsterker og til en pulsgenerator, som forsyner spolen av en trinnbryter, fortrinnsvis elektronisk, for å aktivere bryteren for forskjellige instrumentfunksjoner.

Disse opplink- og nedlink-telemetrisystemene anvender filtre og algoritmer for å analysere signalene, men opplink-systemet er betydelig mer sofistikert. Opplink-transmisjon er hevdet å omfatte store mengder data som må analyseres hurtig, mens nedlink-transmisjon er hevdet å omfatte små mengder data som kan analyseres over et lengre tidsrom. For eksempel er den påståtte datahastigheten for opplink-signaler ca.120 bit pr. minutt, mens den angitte datahastigheten for nedlink-signaler er opptil 1 bit pr. minutt, og krever således mindre energi for transmisjon. Videre hevdes støyen ned-i-hulls å være lavere enn støyen nær overflaten, slik at filtreringsmekanismene ikke er like kompliserte ned-i-hulls.

Gitt den kompliserte funksjonaliteten til moderne boreenheter, og spesielt i applikasjoner for retningsboring, er det imidlertid ønskelig å ha faste datahastigheter for både opplink- og nedlink-kommunikasjon. Videre er det ønskelig å tilveiebringe en avansert nedlink-algoritme som tilveiebringer hurtig og nøyaktig signal-dekoding, omfattende intern feilsjekking. Det er ønskelig å oppnå samtidig toveis kommunikasjon (opplink og nedlink) for å sende en nedlink-instruksjon som blir dekodet raskt, bekreftet via opplinken og utført i hurtig progresjon, slik at mens én nedlink-instruksjon blir utført, et annet nedlink-signal kan bli sendt – enten til samme verktøy eller til et annet verktøy. I anvendelser med retningsboring er fordelen med en rask toveis telemetrihastighet at det kan opnås et meget nøyaktig lokalisert borehull som kan optimaliseres for minimal bevegelsesmotstand siden borkronevinkelen og verktøyflaten kan korrigeres hurtig dersom de kommer ut av kurs. Nedlink-telemetrisystemet ifølge foreliggende oppfinnelse overkommer ufullkommenhetene ved tidligere teknikk.

Nedlink-telemetrisystemet tilveiebringer en forbedret anordning og fremgangsmåte for kommunikasjon av instruksjoner via trykkpulser fra kontrollutstyr ved jordoverflaten til en ned-i-hulls enhet.

Anordningen omfatter en sender ved overflaten for å generere trykkpulser, et kontrollsystem for å betjene senderen og en ned-i-hulls mottaker for å motta og dekode nedlink-signalene til instruksjoner til ned-i-hulls verktøyet.

Overflatesenderen omfatter en strømningsbegrenser for å styre strømningsmengden gjennom omledningskanalen, en strømningsavleder, en strømstyringsanordning, så som en trykkluftaktivert ventil, som blir åpnet og lukket for å generere trykkpulser, samt en mottrykksanordning for å tilveiebringe mottrykk til ventilen. Strømningsmengden gjennom omledningskanalen kan reguleres i felten ved å bytte ut strømningsbegrenseren heller enn å begrense strømningen gjennom strømstyringsanordningen. Strømningsbegrenseren er fortrinnsvis en oppstrøms struping som tilveiebringer en overflate for å reflektere positive pulser som blir generert når ventilen lukkes. Denne reflekterende overflaten hindrer at de positive pulsene forstyrrer passerende opplink-pulser, slik at samtidig toveis kommunikasjon kan oppnås. I en alternativ utførelsesform kan overflatesenderen omfatte doble omledningskanaler.

Kontrollsystemet for å betjene senderenheten omfatter en datamaskin, en nedlink-kontroller og solenoiddrevne luftventiler som forsyner luft til trykkluftaktuatoren for strømstyringsanordningen.

Ned-i-hulls mottakeren omfatter enten en strømningsmåler eller en trykkføler, samt en mikroprosessor som er programmert med et telemetriskjema og en algoritme for å filtrere og dekode trykkpulsene som mottas ned-i-hulls.

I operasjon sender brukeren inn en kommando til datamaskinen ved overflaten, som sender kommandoen til nedlink-kontrolleren. Nedlink-kontrolleren sender et signal til de solenoiddrevne luftventilene som forsyner luft til et "åpnekammer" eller et "lukkekammer" i trykkluftaktuatoren for strømstyringsanordningen, eller strupeventilen. Strupeventilen blir åpnet og lukket for å generere en serie av negative trykkpulser som forplantes ned borestrengen for mottak og dekoding av ned-i-hulls mottakeren.

Telemetriskjemaet og algoritmen ifølge det foreliggende nedlink-systemet muliggjør samtidig toveis kommunikasjon av opplink- og nedlink-signaler sendt over forskjellige frekvensbånd. Råsignalet som mottas av ned-i-hulls mottakeren omfatter nedlink-signalet, opplink-signalet, det stasjonære trykket samt støyen fra pumping og boring. Råsignalet blir sendt gjennom et første filter, fortrinnsvis et medianfilter, for å fjerne opplink-signalet. Dette median-filtrerte signalet blir sendt gjennom et båndpassfilter, fortrinnsvis et FIR-filter, for å fjerne støyen og det stasjonære trykket. Det FIR-filtrerte signalet blir krysskorrelert med en mal-bølge (template wave), fortrinnsvis en firkantbølge, for å bestemme tidsposisjonen for hver negative trykkpuls. Algoritmen bestemmer deretter tidsintervallene mellom de resulterende krysskorrelasjonstoppene og dekoder intervallene til en instruksjon, som har en kommandokomponent og en datakomponent. Kommandokomponenten vedrører hvilket verktøy som blir instruert og hva dette verktøyet blir instruert til å gjøre. Datakomponenten tilveiebringer endringen assosiert med en kommando. Algoritmen omfatter også en feilsjekkingsmekanisme for å verifisere instruksjonen før den eksekverer den. Dersom ned-i-hulls mottakeren detekterer at et nedlink-signal ble mottatt ukorrekt, vil et opplink-signal bli sendt for å angi en feil, og nedlink-signalet vil bli sendt på nytt.

Nedlink-telemetrisystemet er nyttig for en rekke anvendelser, så som å instruere et hvilket som helst verktøy i ned-i-hulls enheten, inklusive ned-i-hulls mottakeren selv. Slike instruksjoner til ned-i-hulls mottakeren kan anvendes for å omprogrammere eller endre dens virkemåte, og med det fundamentalt endre måten ned-i-hulls enheten responderer til et gitt instruksjonssett.

Nedlink-telemetrisystemet har den fordelen at det betydelig reduserer den tiden som er nødvendig for nedlink-kommunikasjon uten å avbryte boringen og uten å forstyrre opplink-kommunikasjoner, slik at samtidig toveis kommunikasjon kan oppnås. Videre omfatter algoritmen en feilsjekkingsmekanisme som sikrer nøyaktigheten ved nedlink-kommunikasjon.

Foreliggende oppfinnelse omfatter således en kombinasjon av trekk og fordeler som gjør at den kan overkomme forskjellige problemer ved tidligere teknikks nedlink-telemetrisystemer. De forskjellige særtrekkene beskrevet ovenfor, så vel som andre trekk, vil være åpenbare for fagmannen ved lesing av den følgende detaljerte beskrivelsen av de foretrukne utførelsesformene av foreliggende oppfinnelse, med henvisning til de vedlagte figurene.

Foreliggende oppfinnesle er særlig egnet til å tilveiebringe en fremgangsmåte for å øke eller redusere datahastighet ved nedlink-signalering for å kommunisere en instruksjon til en ned-i-hulls enhet ved å anvende flere forhåndsprogrammerte oppslagstabeller plassert i en master-kontroller i ned-ihulls enheten, hvor de flere forhåndsprogrammerte oppslagstabellene omfatter parameterverdier relatert til respektive overføringshastigheter.

Foreliggende oppfinnelse er videre egnet til å tilveiebringe en fremgangsmåte for å oppnå en effektivt høy datahastighet ved nedlink-signalering for å kommunisere en instruksjon til en ned-i-hulls enhet omfattende: å anvende flere forhåndsprogrammerte oppslagstabeller plassert i en masterkontroller i ned-i-hulls enheten, hvor de flere forhåndsprogrammerte oppslagstabellene omfatter parameterverdier relatert til respektive

overføringshastigheter.

For en mer detaljert beskrivelse av den foretrukne utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse vil det nå bli henvist til de vedlagte figurene, der:

Figur 1 er et skjematisk snitt som viser en typisk boreoperasjon som kan anvende nedlink-telemetrisystemet ifølge foreliggende oppfinnelse;

Figur 2A er et skjematisk snitt som viser en alternativ senderenhet som anvender et omledningssystem med to kanaler;

Figur 2B omfatter en øvre kurve og en nedre kurve, der kurvene henholdsvis viser en langsom-hurtig-langsom puls-signatur når den andre kanalen i omledningssystemet i figur 2A ikke blir anvendt og når den blir anvendt;

Figur 3 er et detaljert skjematisk snitt av et kontrollsystem for å betjene en senderenhet;

Figur 4 er et detaljert skjematisk snitt av et pneumatisk kontrollsystem for å betjene en trykkluftaktuator for en strupeventil;

Figur 5 er et skjematisk snitt som viser elektrisk kode soner og posisjonene til nedlink-telemetrisystemets komponenter innenfor disse sonene;

Figurene 6A og 6B viser grafer av den energien som blir tilført henholdsvis for å åpne og lukke solenoidventiler, som funksjon av tiden;

Figurene 6C og 6D viser grafer av posisjonen som funksjon av tiden henholdsvis for åpne og lukkede solenoidventiler;

Figur 6E viser en graf av posisjonen til en strupeventil som funksjon av tiden;

Figur 6F viser en graf av ned-i-hulls rørtrykk som funksjon av tiden;

Figur 7 viser et flytdiagram av ned-i-hulls filtrerings- og algoritmeskjemaet, idet figurene 7A-7D viser diagrammer av inn- og utsignalene til hvert trinn i flytdiagrammet;

Figur 8 viser et flytdiagram av algoritmen for å bestemme tidsposisjonen til en prosessert signalpulstopp.

Boring, for det formål å ekstrahere hydrokarboner fra undergrunnen, krever en ned-i-hulls boreenhet, som for eksempel kan omfatte verktøy for retningsboring og formasjonsevaluering. For å betjene disse boreverktøyene er det nødvendig med en kommunikasjonsforbindelse mellom kontroll- og datainnsamlings utstyr ved overflaten og ned-i-hulls enheten mens de borer en brønn under jordoverflaten.

En vanlig måte å oppnå denne kommunikasjonsforbindelsen på er gjennom en metode kalt slampulstelemetri. Slampulstelemetri blir anvendt for å sende signaler fra overflaten til ned-i-hulls verktøyet (nedlink) eller for å sende signaler fra ned-i-hulls enheten til overflaten (opplink). Generelt sender nedlink-kommunikasjon instruksjoner i form av kommandoer til ned-i-hulls verktøyene, og opplinkkommunikasjon bekrefter instruksjonene mottatt av ned-i-hulls enheten og/eller tilveiebringer data til overflaten.

Figur 1 viser en typisk boreoperasjon der slampulstelemetri kan bli anvendt. En brønnboring 20, som kan være åpen eller være kledd med foringsrør, er tilveiebragt under en borerigg 17. En borestreng 19 med en boreenhet 35 koplet i bunnen befinner seg inne i brønnen 20, og danner et ringformet strømningsområde 18 mellom borestrengen 19 og brønnen 20. På overflaten suger en slampumpe 2 borefluid fra fluidreservoaret 1 og pumper fluidet inn i pumpeutløpskanalen 37, langs banen 3, 4. Sirkulasjonsfluidet strømmer, som angitt av pilene, inn i boreriggens slamrør 16, gjennom borestrengen 19 og returnerer til overflaten gjennom ringrommet 18. Etter at det har nådd overflaten, blir sirkulasjonsfluidet returnert til fluidreservoaret 1 via pumpereturkanalen 22.

Generelt, for å generere enten opplink- eller nedlink-signaler ved slampulstelemetri, blir en serie av trykkendringer, kalt pulser, sendt i et gitt mønster til enten en opplink-mottaker 39 ved overflaten eller en nedlink-mottaker 21 i ned-ihulls enheten 35. Amplituden og frekvensen til trykkendringene blir analysert av mottakerne 39, 21 for å dekode informasjonen eller kommandoene som sendes. For å illustrere, kan ett opplink-signal bli sendt ved for et øyeblikk å begrense fluid ned-i-hulls, for eksempel ved en ventil 41, mens fluidet blir pumpet ned borestrengen 19. Den midlertidige begrensningen forårsaker en trykkøkning, eller en positiv puls, når fluidet påvirkes ved begrensningspunktet. Den positive pulsen forplantes tilbake opp fluidet i borestrengen 19, og en opplink-mottaker 39 ved overflaten, typisk en trykkomsetter, registrerer trykkøkningen. Et opplink-signal kan også bli sendt som en negativ puls ved å åpne en ventil 43 mellom borestrengen 19 og ringrommet 18 for å tillate fluid å unnslippe, og med det skape en negativ trykkbølge som forplantes til overflatemottakeren 39. Ved anvendelse av denne metoden kommuniserer ned-i-hulls enheten 35 med overflatemottakeren 39 ved anvendelse av enten en positiv pulsgenerator 41 eller en negativ pulsgenerator 43 som genererer en serie av trykkpulser som forplantes til overflatemottakeren 39.

Den tradisjonelle fremgangsmåten for nedlink-kommunikasjon krever at operatøren avbryter boringen og aktiverer borepumpen 2 på og av for å generere trykkpulser som forplantes gjennom borestrengen 19 til ned-i-hulls mottakeren 21. Foreliggende oppfinnelse omfatter et apparat og en fremgangsmåte for nedlink-kommunikasjon uten å avbryte boringen. Teorien bak virkemåten er å generere trykkpulser for nedlink-kommuniksjon ved for et øyeblikk å omlede en liten prosentdel av den totale strømningsmengden i stedet for å pumpe hele ned-ihulls. Under denne midlertidige omledningsperioden blir trykk og volumetrisk strømningsmengde redusert i strømningen som føres ned-i-hulls for å danne en negativ puls som forplantes ned borestrengen 19. Denne negative pulsen blir detektert ned-i-hulls av ned-i-hulls mottakeren 21 som en midlertidig endring av fluidtrykket og/eller en endring av fluidhastigheten.

Anordningen omfatter en overflate-senderenhet 6, et overflatesender-kontrollsystem 90 og en ned-i-hulls mottaker 21. Kontrollsystemet 90 omfatter en datamaskin 26 og en nedlink-kontroller/sperreboks 24 som huser styringsutstyr som er forbundet med et trykkluftssystem 59. Et annet særtrekk ved foreliggende oppfinnelse er et telemetriskjema og en deteksjonsalgoritme som er innlemmet i ned-i-hulls mottakeren 21 og beskrevet mer detaljert i forbindelse med figur 7 og figur 8.

Overflate-senderenhet

Fortsatt med henvisning til figur 1, kan overflate-senderenheten 6, som er vist i den stiplede boksen, være konstruert for operasjon i et hvilket som helst trykkområde avhengig av anvendelsen, så som for eksempel et driftstrykk på omtrent 700 kg/cm<2>(10000 psi) med et maksimumtrykk på 1050 kg/cm<2>. Senderenheten 6 kan være tilveiebragt nær pumpen 2 med omledningskanalen 7 forbundet med strømreturkanalen 22 som vist i figur 1, eller alternativt kan den være tilveiebragt ved boreriggens slamrør 16 med omledningskanalen 7 forbundet med ringrommet 18.

Overflate-senderenheten 6 omfatter en strømningsbegrenser 8, en strømningsavleder 9, en strømstyringsanordning så som en strupeventil 10 med en aktuator 13, og en nedstrøms struping 11. Aktuatoren 13 kan være av en hvilken som helst type, så som pneumatisk, hydraulisk eller elektrisk. For å sende et signal eller en trykkpuls ned-i-hulls, blir en andel av den totale strømningen 3 som forlater pumpen 2 omledet gjennom omledningskanalen 7, hvilket reduserer trykket i og strømningsmengden av fluidet 4 som strømmer ned-i-hulls og genererer en negativ puls. En negativ puls blir dannet ved å aktivere aktuatoren 13 til å åpne strupeventilen 10, hvilket åpner omledningskanalen 7 for å omlede gjennom senderenheten 6 en andel fluid fra den totale strømningen 3 som forlater pumpen 2.

Mengden av fluid som omledes gjennom omledningskanalen 7 blir regulert enten ved å begrense strømningen gjennom strupeventilen 10 eller ved å åpne strupeventilen 10 helt og begrense strømningen gjennom omledningskanalen 7 på annen måte. Fortrinnsvis tjener en oppstrøms struping 8 som strømningsbegrenser for å regulere strømningsmengden gjennom omledningskanalen 7, slik at strupeventilen 10 kan forbli helt åpen. Ved at strupeventilen 10 blir aktivert til den helt åpne stillingen minimeres erosjonen av strupeventilen 10 sine innvendige komponenter, og den relativt billige oppstrøms strupingen 8 blir den ofrbare slitasjekomponenten.

I den foretrukne utførelsesformen er oppstrømsstrupingen 8 en munnstykkedyse(bit jet)-strømningsbegrenser. For å dimensjonere strømningsbegrenseren 8 blir overflatesenderen 6 bragt on-site og tilveiebragt med en nominell-størrelse begrenser 8 i omledningskanalen. Deretter blir strupeventilen 10 åpnet og trykket registrert ved slamrøret 16 for å bestemme hvor mye fluid som blir omledet. For å endre den omledede mengden blir det installert en mindre eller større munnstykkedyse 8. Munnstykkedysen 8 er huset i en manifoldenhet 27 og kan raskt byttes ut via en aksessplugg 5. Munnstykkedysen 8 er fortrinnsvis en wolfram-karbid dyse med en åpning gjennom midten, og den befinner seg fortrinnsvis på oppstrømssiden av strupeventilen 10. Ved at munnstykkedysen 8 anordnes oppstrøms strupeventilen 10, tilveiebringer munnstykkedysen 8 en refleksjonsflate for de momentane positive pulsene, eller trykkøkningene, som dannes når strupeventilen 10 blir lukket raskt. Disse positive pulsene ville ha forstyrret opplink-pulsene dersom munnstykkedysen 8 ikke var tilveiebragt oppstrøms strupeventilen 10.

Strømningsavlederen 9, som befinner seg nedstrøms munnstykkedysen 8, er fortrinnsvis prosjektilformet eller på annen måte formet for å strømlinje strømningen idet den beveger seg forbi strømningsavlederen 9. Strømningsavlederen 9 omfatter fortrinnsvis et belegg som er bestandig mot slitasje, så som wolframkarbid, keramikk eller diamantkompositt. Strømningsavlederen 9 kan alternativt være laget av et materiale som er bestandig mot slitasje, så som fastformig wolfram-karbid, fastformig keramikk eller fastformig stellitt. Strømningsavlederen 9 tvinger den turbulente høyhastighetsstrømningen som forlater munnstykkedysen 8 til et normalt strømningsregime før den kommer inn i strupeventilen 10. Uten avlederen 9 ville borefluidet erodere de interne komponentene i strupeventilen 10 som følge av den høye hastigheten det har når det forlater munnstykkedysen 8.

Nedstrøms strupeventilen 10 er det tilveiebragt en mye større og permanent struping 11, fortrinnsvis en annen munnstykkedyse, som er dimensjonert i overensstemmelse med styrefaktoren til strupeventilen 10 for å tilveiebringe tilstrekkelig mottrykk til å hindre kavitasjon i strupeventilen 10 når borefluidet strømmer derigjennom.

Figur 2A viser en alternativ utførelsesform av overflate-senderenheten 6 som anvender et dobbelt omledningssystem heller enn et enkelt omledningssystem. Den doble omledersenderen omfatter to parallelle omledningskanaler 7, 81. Samme munnstykkedyse-begrenser 8 er tilveiebragt i den første omledningskanalen 7, og en annen munnstykkedyse-begrenser 33 er tilveiebragt i den andre kanalen 81. En ventil 32, som kan være en kuleventil, er også tilveiebragt i den andre kanalen 81 for å kontrollere hvorvidt det strømmer gjennom kanalen 81 når strupeventilen 10 er åpnet. Ventilen 32 kan være manuelt betjent, men anvender fortrinnsvis et aktiverings- og kontrollsystem, så som trykkluftaktuatoren 13 som aktiveres av overflate-kontrollsystemet 90 (ytterligere beskrevet nedenfor) som blir anvendt for å aktivere strupeventilen 10. Denne kuleventilen 32 tjener som en av/på "bryter" med hensyn det å aktivere den andre kanalen 81 av omledningssystemet. Det doble systemet fungerer således som en variabel eller 2-trinns strømningsbegrenser. En "høymotstand"-strømningsbegrensning tilveiebringes ved å lukke kuleventilen 32 for å stenge av den andre kanalen 81 i omledningssystemet, mens en "lavmotstand"-strømningsbegrensning tilveiebringes ved å holde den andre kanalen 81 åpen for å muliggjøre omledning av mer fluid. Dette systemet kan også utvides, om ønsket, til å omfatte ytterligere omledningskanaler.

Fordelen med dette doble omledningssystemet er at operatøren kan generere høyfrekvente og lavfrekvente pulser med samme amplitude, uten å omlede for mye fluid i noen av tilfellene. Ved å skifte mellom "høymotstand" og "lavmotstand" strømningsbegrensning, kan det genereres lange og korte pulser med samme amplitude. Når en lavfrekvent puls er ønsket, forblir kuleventilen 32 lukket, og strømningen passerer bare gjennom den første omledningskanalen 7 mens strupeventilen 10 blir åpnet og lukket. Når en høyfrekvent puls er ønsket, åpnes kuleventilen 32 før strupeventilen 10 blir åpnet, og det tilveiebringes omløpsveier gjennom begge kanalene 7, 81 mens strupeventilen 10 blir aktivert mellom åpen og lukket posisjon.

Nå med henvisning til de to kurvene vist i figur 2B, illustrerer den øvre kurven hvordan en langsom-hurtig-langsom puls-signatur vil fremstå for ned-i-hulls mottakeren 21 når den andre omledningskanalen 81 ikke er i bruk. De lavfrekvente og de høyfrekvente signalene har veldig forskjellig amplitude. Den nederste kurven i figur 2B viser samme langsom-hurtig-langsom puls-signatur når den andre omledningskanalen 81 er i bruk. Her har de lavfrekvente og de høyfrekvente signalene forskjellig pulsbredde, men har samme amplitude. Det å ha langsomme og hurtige pulser med samme amplitude muliggjør en enklere deteksjonsalgoritme samtidig som det øker sannsynligheten for at disse pulsene vil bli detektert ned-i-hulls.

Kontrollsystem for overflatesenderen

Nå med henvisning til figurene 1 og 3, blir overflate-senderenheten 6 betjent av et kontrollsystem 90 for overflatesenderen som omfatter en datamaskin 26, en nedlink-kontroller/sperreboks 24 og en egensikker trykkluftaktivert styreboks 14 som huser to egensikre solenoidventiler 29, 45. Solenoidventilene 29, 45 er fortrinnsvis ASCO modellnummer WPIS8316354 ventiler med 1,5875 cm (3/8") NPT koplinger og 10,5 kg/cm<2>maksimalt differensialtrykk.

Datamaskinen 26 styrer den faktiske tidtakningen for å generere pulsseriene ved åpning og lukking av strupeventilen 10. Operatøren sender inn en instruksjon til datamaskinen 26 via et grafisk brukergrensesnitt. Datamaskinen 26 innkoder nedlink-instruksjonen i tidssekvensen som anvendes for å styre strupeventilen 10. Denne innkodede instruksjonen blir overført til nedlink-kontrolleren/sperreboksen 24 via en RS232 kabel 25. Nedlink-kontrolleren/sperreboksen 24 huser en nedlink-kontroller 83, fortrinnsvis et mikrokontrollerkort, sammen med en strømtilførsel 47 og to egensikre solenoiddrivere 28, 49. Strømtilførselen 47 er fortrinnsvis en SOLA modellnumner SCP30D524-DN 5V, 24V O/P. Nedlinkmikrokontrollerkortet 83 konverterer datamaskin-kommandosignalene til null til fem volts logiske signaler for å styre de egensikre solenoiddriverne 28, 49 som fortrinnsvis er Pepperl & Fuchs modellnummer KFD2-SL-Ex1.48.90A med en maksimal strømkapasitet på 45 mA ved 30 volts likestrøm. Solenoiddriverne 28, 49 sender egensikre 24 volts likestrømssignaler til trykkluft-styreboksen 14 via den skipsklassifiserte kabelen 23. Inne i trykkluft-styreboksen 14 aktiverer de 24 volts likestrømsignalene to egensikre solenoidventiler 29, 45 som styrer den lufttilførselen 15 som aktiverer trykkluftsaktuatoren 13 til å åpne og lukke strupeventilen 10.

De to solenoidventilene 29, 45 er uavhengige av hverandre og er forbundet via hurtigkoplinger 63, 65 til kanalene 55, 57 som forsyner luft til trykkluftaktuatoren 13. De to solenoidventilene 29, 45 blir kontinuerlig tilført lufttrykk via riggens lufttilførsel 15, men de avventer signaler fra nedlink-kontrolleren 83 før de aktiverer. Trykkluftaktuatoren 13 omfatter to luftkamre: "åpnekammeret" 51 og "lukkekammeret" 53. Hvert kammer 51, 53 er forbundet med motsatte sider av aktiveringsstempelet 85 som aktiverer strupeventilen 10, slik at, når en solenoidventil 29, 45 åpner, luft strømmer gjennom én av høytrykkskanalene 55, 57 inn i enten åpnekammeret 51 for å åpne strupeventilen 10 eller inn i lukkekammeret 53 for å lukke strupeventilen 10. På denne måten blir strupeventilen 10 enten helt åpnet eller helt lukket for å slippe inn en omløpsstrømning i omledningskanalen 7.

Figur 4 viser et mer detaljert diagram av trykkluftsystemet 59 som blir anvendt for å åpne og lukke strupeventilen 10. Trykkluftsystemet 59 omfatter trykkluft-styreboksen 14 som inneholder åpne- og lukke-solenoidventilene 29, 45, som er koplet til riggens høytrykkluftkanal 15. Trykkluftsystemet 59 omfatter også et luftsystem 61 for manuell overstyring, som fortrinnsvis er en manifold 30 tilveiebragt med tre hurtigkoplinger 31, 63, 65. Dette systemet gjør at strupeventilen 10 kan betjenes manuelt dersom kontrollsystemet svikter.

Under normale driftsforhold blir tilførselen av luft fra riggen 15 filtrert av filteret 67 og regulert av regulatoren 69, slik at trykket kontrolleres og luften holdes tørr. Den regulerte og tørkede luften strømmer fra riggens tilførselsledning 15 gjennom overstyringsmanifolden 30 ved hurtigkoplingen 31 og inn i høytrykkssiden 71 av trykkluftsystemet 59 til "åpne"- og "lukke"-solenoidventilene 29, 45 tilveiebragt inne i styreboksen 14. Dersom "åpne"-solenoidventilen 29 blir aktivert, strømmer luften gjennom kanalen 71, kommer inn i solenoidventilen 29 gjennom kanalen 75, strømmer inn i overstyringsmanifolden 30 gjennom hurtigkoplingen 63 og inn i kanalen 55 til aktuatoren 13. Tilsvarende, dersom "lukke"-solenoidventilen 45 blir aktivert, strømmer luften gjennom kanalen 71, kommer inn i solenoidventilen 45 gjennom kanalen 73, strømmer inn i overstyringsmanifolden 30 gjennom hurtigkoplingen 65 og inn i kanalen 57 til aktuatoren 13.

Ved svikt i kontrollsystemet kan trykkluftaktuatoren 13 bli aktivert manuelt ved å kople den regulerte lufttilførselskanalen 15 til åpne- eller lukke-hurtigkoplingen 63, 65 på overstyringsmanifolden 30. Manifolden 30 og hurtigkoplingene 31, 63, 65 tillater således at høytrykksledningen 15, tilkoplet ved 31, kan koples fra manifolden 30 og koples til enten åpne-koplingen 63 eller lukke-koplingen 65 for å betjene aktuatoren 13 manuelt. Dette gjør at strupeventilen 10 kan åpnes eller lukkes selv om kontrollsystemet svikter.

Diagrammet i figur 5 viser de relative posisjonene til overflate-senderenheten 6 og overflatesender-kontrollsystemet 90 i forhold til boreriggen 17. Sonene merket 100, 200 og 300 svarer hver til egensikkerhetssoner som følger:

100 = Klasse I, Inndeling I, risikosone (Sone 1)

200 = Klasse I, Inndeling II (Sone 2), og

300 = Klasse I, Inndeling III, ikke-risikosone (Sone 3).

Boreriggen 17 befinner seg i risikosonen 100, svarende til Klasse 1, Inndeling I. Når strupeventilen 10 blir aktivert av en pneumatisk eller hydraulisk aktuator 13, kan overflate-senderenheten 6 også befinne seg i risikosonen 100. Når strupeventilen 10 omfatter en elektrisk aktuator 13, kan imidlertid senderenheten 6 måtte plasseres i ikke-risikosonen 300. Den foretrukne utførelsesformen anvender en trykkluftaktivert strupeventil 10 som er koplet via høytrykksledninger 55, 57 til de egensikre solenoidventilene 29, 45 som er huset inne i den værbestandige trykkluft-styreboksen 14 som er en del av kontrollsystemet 90. I den foretrukne utførelsesformen, som vist i figur 5, befinner både senderenheten 6 og styreboksen 14 seg i risikosonen 100. Datamaskinen 26 og nedlink-kontrolleren/sperreboksen 24 befinner seg i ikke-risikosonen 300 av riggområdet. Nedlink-kontrolleren/sperreboksen 24 som huser nedlink-kontrolleren 83 er koplet til overflate-senderenheten 6 via den skipsklassifiserte kabelen 23 som forløper gjennom alle tre sonene 100, 200, 300. Nedlink-kontrolleren/sperreboksen 24 og datamaskinen 26 befinner seg i et beskyttelsesrom eller en ramme og er forbundet via en RS232 kabel 25.

Ned-i-hulls mottaker

Igjen med henvisning til figur 1 er en annen komponent av nedlink-telemetrisystemet ned-i-hulls mottakeren 21 som er tilveiebragt inne i ned-i-hulls enheten 35. Ned-i-hulls mottakeren 21 omfatter en mikroprosessor og en strømningsmåler, så som et venturimeter eller en turbinstrømningsmåler, eller en trykkføler, så som en trykkomsetter. Den foretrukne konstruksjonen anvender et standard trykk-under-boring verktøy, så som Sperry Sun sitt PWD® verktøy, med modifisert programvare. Ned-i-hulls mottakeren 21 jobber sammen med en master-kontroller 34 tilveiebragt i ned-i-hulls enheten 35. Telemetriskjemaet og algoritmen for å dekode nedlink-signalene er primært programmert inn i ned-i-hulls mottakeren 21. Master-kontrolleren 34 gjennomfører signaldekodingen og distribuerer nedlink-instruksjonene til det korrekte verktøyet i ned-i-hulls enheten 35.

Oversikt over virkemåten

Fortsatt med henvisning til figur 1 blir, i drift, trykkpulser sendt fra overflaten av senderenheten 6 ned borestrengen 19 for mottak ved ned-i-hulls mottakeren 21. Anta at pumpen 2 bringer borefluid ut av fluidreservoaret 1 og inn i pumpeutløpsledningen 37 langs banen 3 i en mengde på 1520 liter (400 gallon) pr. minutt (LPM). Anta videre at strupeventilen 10 blir åpnet for et øyeblikk og tillater 190 LPM å strømme gjennom omledningskanalen 7, inn i pumpereturkanalen 22 og tilbake til fluidreservoaret 1. Samtidig strømmer borefluid ved 1330 LPM langs banen 4 i retningen til strømningspilene gjennom slamrøret 16, ned borestrengen 19, inn i ringrommet 18 og tilbake til fluidreservoaret 1 gjennom pumpereturkanalen 22. Totalt, etter at det er tatt hensyn til tidsforsinkelsen assosiert med fluidet som strømmer gjennom systemet, forlater 1520 LPM pumpen 2 langs banen 3, og 1520 LPM returnerer til fluidreservoaret 1, hvorav 190 LPM går gjennom omledningskanalen 7 og 1330 LPM går ned-i-hulls. Ned-i-hulls mottakeren 21 vil detektere et fall i fluidtrykket og/eller strømningsmengden under den perioden som strupeventilen 10 er åpen. Fallet i hydraulikktrykket over en strømningsbegrenser er relatert til strømningsmengden ved følgende likning:

�P = Q<2>x R,

der P er trykk, Q er strømningsmengde og R er strømningsmotstand.

Størrelsen på fallet i trykket, ved ned-i-hulls mottakeren 21, er relatert til endringen av strømningen gjennom borestrengen 19 ved følgende likning:

│ΔPPULS│ = (QC<2>- QO<2>) x R,

der QC er strømningsmengden gjennom borestrengen 19 når strupeventilen 10 er lukket; QO er strømningsmengden gjennom borestrengen 19 når strupeventilen 10 er åpen; og R er strømningsmotstanden nedstrøms ned-i-hulls mottakeren 21.

Selv en liten endring av strømningsmengden vil forårsake en målbar endring av ned-i-hulls trykket ved ned-i-hulls mottakeren 21. Hver gang strupeventilen 10 blir åpnet og deretter lukket blir en negativ puls, eller reduksjon av ned-ihulls trykket, detektert av ned-i-hulls mottakeren 21.

Figurene 6A-6F viser grafisk aktiveringen av og tidsstyringen for strupeventilen 10 og de styrende solenoidventilene 29, 45. Figur 6A viser kraften som forsynes via "åpne"-solenoiddriveren 28 til "åpne"-solenoidventilen 29, og figur 6B viser kraften som forsynes via "lukke"-solenoiddriveren 49 til "lukke"-solenoidventilen 45. Figur 6C viser posisjonen til "åpne"-solenoidventilen 29 og figur 6D viser posisjonen til "lukke"-solenoidventilen 45 som funksjon av tiden. Figur 6E viser posisjonen til strupeventilen 10 som funksjon av tiden, og figur 6F viser det resulterende rørtrykket som målt ved ned-i-hulls mottakeren 21 som funksjon av tiden.

Nå med henvisning til figur 6A, etter hvert som kraft blir tilført for å lade spolen i "åpne"-solenoidventilen 29, er det en omtrent 0,5 sekunder lang forsinkelse før solenoidventilen 29 blir aktivert. Ved tiden t = 0 mottas et null til fem volts logisk signal fra nedlink-kontrolleren 83, og "åpne"-solenoiddriveren 28 forsyner 24 volts likestrøm for å aktivere solenoidventilen 29. Kraften blir anvendt for å lade solenoidventilen 29 i 1,5 sekund, omfattende en omtrent 0,5 sekunder lang forsinkelse og ca.1 sekund energiforsyningstid for å aktivere "åpne"-solenoidventilen 29. Solenoidventilen 29 åpnes i det vesentlige momentant som vist i figur 6C, og forblir åpen i 1 sekund mens luft blir forsynt til "åpne"-siden av strupeventilens aktuator 13 ved kammeret 51. Som vist i figur 6E, under denne 1 sekunds tidsrammen, åpnes strupeventilen 10 gradvis i 0,8 sekunder og luft blir tilført kammeret 51 i de gjenværende 0,2 sekundene for å sikre at strupeventilen 10 er helt åpen. Som vist i figur 6C, når den 1,5 sekunder lange ladetiden har forløpt, lukkes "åpne"-solenoidventilen 29 brått.

Med henvisning til kurven i figur 6B, omtrent 0,5 sekunder senere, eller ved tiden t = 2 sekunder, blir en 24 volts likestrømsforsyning levert av "lukke"-solenoiddriveren 49 for å aktivere "lukke"-solenoidventilen 45. Igjen er det en omtrent 0,5 sekunder lang forsinkelsestid før "lukke"-solenoidventilen 45 blir åpnet. Nevnte "lukke"-solenoidventil 45 åpnes momentant som vist i figur 6D, og forblir i den åpne stillingen i 1 sekund for å forsyne luft til "lukke"-kammeret 53 i strupeventilaktuatoren 13. Som vist i figur 6E, under denne 1 sekund lange perioden, lukkes strupeventilen 10 i omtrent 0,8 sekunder, og luft blir anvendt i kammeret 53 under de gjenværende 0,2 sekundene for å sikre at strupeventilen 10 er helt lukket. Deretter lukkes "lukke"-solenoidventilen 45 som vist i figur 6D.

Med henvisning til kurven i figur 6F, forårsaker denne åpningen og lukkingen av strupeventilen 10 et fall i rørtrykket, eller en negativ puls, som har en pulsbredde på 2 sekunder mellom tiden t = 0,5 og t = 2,5. Den karakteristiske responstiden til solenoidene 29, 45 og strupeventilen 10 ble bestemt eksperimentelt under testing gitt de fysiske begrensningene til komponentene.

For å sende en hel instruksjon, blir strupeventilen 10 åpnet og lukket i et forbestemt mønster for å skape midlertidige endringer i trykket ned-i-hulls som ned-i-hulls mottakeren 21 gjenkjenner som en serie av negative pulser. Én fordel med foreliggende oppfinnelse er at boringen ikke må avbrytes hver gang en instruksjon blir sendt ned-i-hulls. Det 190 LPM store fallet i strømningsmengden av borefluid som følge av at fluid blir omledet gjennom omledningskanalen 7 påvirker ikke boreoperasjonen i vesentlig grad. Selv om nedlink-telemetrisystemet har den fordelen at det ikke avbryter boreoperasjoner mens det sender signaler, påvirkes boreoperasjonen når fluid blir omledet for å sende signaler ned-i-hulls. Når boreverktøyet befinner seg dypt inne i formasjonen, er pulser med større amplitude nødvendig for å sende signalene ned-i-hulls, hvilket krever at det omledes en større mengde fluid. Under slike omstendigheter kan imidlertid ned-i-hulls boreoperasjon bli midlertidig forstyrret. Det er derfor fordelaktig å sende og motta signalene så raskt som mulig.

Når ned-i-hulls mottakeren 21 registrerer en serie av pulser, gjenkjenner en algoritme ifølge oppfinnelsen som styrer ned-i-hulls mottakeren 21, beskrevet mer detaljert nedenfor, puls-signaturene og bestemmer tidsforløpet mellom de negative pulsene skapt av endringer i ned-i-hulls trykket. Deretter konverterer alogritmen tidsforløpene, eller intervallene, mellom de negative pulsene tilbake til instruksjonen som sendes ned-i-hulls. På denne måten interpreterer ned-i-hulls mottakeren 21 signalet for å bestemme hvilken instruksjon som ble sendt ned-ihulls. Som en oppsummering gjenkjenner således ned-i-hulls mottakeren 21 de negative pulsene forårsaket av forbigående endringer i ned-i-hulls trykket, og deretter bestemmer algoritmen tidsforløpet, eller intervallet, mellom disse trykkendringene og interpreterer, fra disse intervallene, instruksjonen som er sendt.

Når algoritmen har dekodet instruksjonen, avgjør master-kontrolleren 34 tilveiebragt i ned-i-hulls enheten 35 hvilket spesifikt verktøy instruksjonen er destinert til ved anvendelse av en oppslagstabell. Master-kontrolleren 34 distribuerer deretter instruksjonen til dette verktøyet, og det aktuelle ned-i-hulls verktøyet blir dermed styrt og endret i henhold til signalene som ble sendt. For eksempel kan typisk ned-i-hulls enheten omfatte et 3-D roterende styrbart boreverktøy og et sett av formasjonsevalueringsverktøy, for eksempel innrettet for å måle formasjonens resistivitet, formasjonens porøsitet eller detektere gammastråling. Master-kontrolleren 34 kan for eksempel sende instruksjoner til 3-D boreverktøyet som forteller borkronen hvor mye den skal bøye av og i hvilken retning å peke verktøyflaten. Alternativt, dersom for eksempel instruksjonen blir sendt til et formasjonsevalueringsverktøy, vil kommanden kunne instruere verktøyet til å endre målemodus eller å skru seg på eller av avhengig av formasjonen som bores.

På grunn av den forholdsvis høye hastigheten for nedlink-signaleringen og dataprosesseringen som kan oppnås, kan sanntids-instruksjoner bli sendt og selektivt verifisert via opplink-signaler for å muliggjøre hurtige justeringer av ned-ihulls verktøyet. Virkelige store fordeler kan oppnås ved å kombinere 3-D roterende styrbare boreverktøy med høyhastighets nedlink-telemetrisystemet ifølge foreliggende oppfinnelse. Et 3-D styrbart verktøy er i stand til å foreta inkrementelle endringer av retningen i respons til nedlink-instruksjoner, mens de fleste tidligere ned-i-hulls boreverktøy bare foretok makroendringer fordi de kun omfattet på- eller av-modus og en vinkling som var enten full eller ingen. Videre krever tradisjonell nedlink-signalering midlertidig opphør av boringen for å aktivere pumpene på/av for å sende instruksjoner til boreverktøyet. Derfor kunne slike instruksjoner bare bli sendt av og til dersom en skulle oppnå progresjon i boringen. Resultatet av å anvende slike tidligere teknikks boreverktøy i kombinasjon med langsom nedlink-signalering var horisontale borehull med slangeliknende profiler heller enn nøyaktig forløpende sådanne idet operatørene forsøkte å justere boreverktøyet ved forskjellige punkter langs dets bane for å kompensere for at verktøyet var ute av kurs. Resultatet var et borehull som forløp korrekt med hensyn til start- og sluttpunktene, men langs en slangeliknende eller buktende bane mellom disse. Når det er boret et buktende borehull, tenderer røret som blir dyttet eller trukket inn i hullet til å sette seg fast siden det krever betydelig mer kraft å sleide en lang rørdel langs et buktende hull enn langs et rett forløpende borehull som er optimalisert for minimal rotasjonsmotstand.

I motsetning, ved anvendelse av et 3-D styrbart boreverktøy i kombinasjon med foreliggende nedlink-telemetrisystem, kan boreverktøyet kontinuerlig foreta inkrementelle endringer av avbøyningsvinkelen og av verktøyflaten i respons til de hurtig nedlinkede signalene som blir overført mens boringen pågår. Derfor, mens 3-D verktøyet borer borehullet, blir verktøyet kontinuerlig tilsendt signaler og justerer retningen som nødvendig for å holde rett kurs. Teoretisk sett kan det da oppnås et nøyaktig forløpende borehull, eller ett som er betydelig mer nøyaktig forløpende og optimalisert for minimal bevegelsesmotstand enn borehullene som er boret med et på/av verktøy i kombinasjon med en langsom nedlink-kommandostruktur, eller boret med inkrementelt justerbare verktøy begrenset av en langsom nedlink-kommandostruktur.

Et annet trekk ved nedlink-telemetrisystemet er anvendelse av toveis kommunikasjon. Toveis kommunikasjon tillater at nedlink- og opplink-signaler kan bli sendt samtidig uten det oppstår interferens mellom de to signalene. Slik interferens unngås ved å sende nedlink- og opplink-pulser over forskjellige frekvensbånd. For eksempel kan opplink-pulsene ha høy frekvens mens nedlink-pulsene kan ha lav frekvens. Gode deteksjonsresultater har blitt oppnådd når opplinkpulsfrekvensen er i området fem til ti ganger høyere enn nedlink-pulssfrekvensen, og jo større frekvensforskjellen er, desto mindre er sannsynligheten for interferens. For å generere nedlink-signalene er det tilveiebragt en munnstykkedyse 8 av en viss størrelse for å generere den ønskede nedlink-signalamplituden, og strupeventilen 10 blir åpnet og lukket med en hastighet som er slik at den ønskede frekvensen av trykkpulser blir generert. Nedlink-pulsfrekvensen er således regulerbar, og blir satt avhengig av boreforholdene og frekvensen til opplink-signalet. Ned-i-hulls mottakeren 21 gjenkjenner pulsene som et nedlink-signal basert på signalets frekvens.

Selv om toveis kommunikasjon kan oppnås ved anvendelse av slampulstelemetri for både opplink- og nedlink-signalering, kan andre typer telemetriskjemaer anvendes, eller det kan anvendes en kombinasjon av telemetriskjemaer. For eksempel, antatt at nedlink-signaler blir generert ved anvendelse av slampulstelemetri, kan opplink-signaler bli generert ved anvendelse av en annen type telemetri, for eksempel elektromagnetisk telemetri, eller omvendt. Dersom telemetrimediet er det samme for opplink- og nedlink-signalering, må da frekvensbåndene til opplink- og nedlink-signalene være tilstrekkelig forskjellige til å tillate toveis kommunikasjon.

Deteksjonsalgoritmen ifølge foreliggende oppfinnelse som befinner seg ned-i-hulls er i stand til å prosessere mer høyfrekvente nedlink-signaler sammenliknet med de ifølge tidligere teknikk. Typiske algoritmer ifølge tidligere teknikk krever meget lange, lavfrekvente nedlink-pulser for å prosessere en nedlink-instruksjon. Algoritmen ifølge foreliggende oppfinnelse er i stand til å interpretere 1 bit av informasjon omtrent hvert 2-7 sekund. Denne hastigheten for nedlink-signalering er betydelig høyere enn for kjente systemer ifølge tidligere teknikk, og gjør det mulig å sende 4 instruksjoner ned-i-hulls i løpet av samme tidsperiode som det tar systemer ifølge tidligere teknikk å sende 1 instruksjon. Deteksjonsalgoritmen ifølge foreliggende system muliggjør således nedlink-signalering med høyere frekvens.

Nedlink-telemetrisystemet kan justeres slik at nedlink-signalet kan bli sendt med en hvilken som helst frekvens i forhold til opplink-signalet. Teoretisk kan nedlink-telemetrisystemet ifølge foreliggende oppfinnelse bli anvendt sammen med et hvilket som helst opplink-system for å oppnå toveis kommunikasjon. Dersom telemetrimediet er det samme for opplink- og nedlink-signalering, må da frekvensbåndet for opplink- og nedlink-signalene være tilstrekkelig forskjellige for å oppnå toveis kommunikasjon. Forskjellen i frekvensbåndet mellom opplink- og nedlink-signalene gjør det mulig for opplink-mottakeren 39 å filtrere bort nedlinksignalet og gjør det mulig for nedlink-mottakeren 21 å filtrere bort opplink-signalet. Toveis kommunikasjon tilveiebringer fordelen med kontinuerlig kommunikasjon mellom overflaten og ned-i-hulls verktøyene, slik at justeringer kan gjøres raskt mens boringen fortsetter.

Telemetriskjema og algoritme

Telemetriskjemaet og algoritmen blir anvendt av ned-i-hulls mottakeren 21 og master-kontrolleren 34 for å dekode nedlink-signalene til instruksjoner som skal fordeles til komponenter i ned-i-hulls enheten 35. Algoritmen er et dataprogram, og kan være programmert ved anvendelse av et hvilket som helst velkjent programmeringsspråk, så som for eksempel programmeringsspråket C. Algoritmen blir lastet inn i en mikroprosessor inne i ned-i-hulls enheten 35.

Pulsposisjonsmodulering (PPM)-formatet, som er en publisert, standard kommunikasjonsprotokoll som er kjent for fagmannen, blir anvendt for innkoding av nedlink-signalene. Selv om et hvilket som helst datakodingsformat eller moduleringsskjema kan anvendes, er PPM foretrukket fordi det ikke krever kontinuerlig pulsgenerering, i motsetning til andre telemetriskjemaer som sender signaler kontinuerlig. Når kontinuerlig pulsgenerering er nødvendig, må strupeventilen 10 bli aktivert kontinuerlig, hvilket således forårsaker mer slitasje på overflatesenderen. PPM er derfor gunstig på grunn av mindre slitasje på utstyret.

Figur 7 viser, i grafisk format, fremgangsmåten som følges av ned-i-hulls mottakeren 21 for å identifisere instruksjonene som blir sendt. Et enkelt flytdiagram er vist på venstre side i figur 7 for å vise hvordan ned-i-hulls mottakeren 21 filtrerer signalet i hvert trinn før algoritmen dekoder signalet til en instruksjon som skal distribueres til det destinerte ned-i-hulls verktøyet. Kurvene vist i figurene 7A-7D er inngangs- og utgangssignaler fra hvert av filtrerings- og algoritmetrinnene i flytdiagrammet.

Figur 7A viser råsignalet som først mottas ned-i-hulls av mottakeren 21. Høyamplitude, mer lavfrekvente nedlink-pulser er vist sammen med lavamplitude, mer høyfrekvente opplink-pulser overlagret på nedlink-signalets bølgeform. Også omfattet i disse signalene er det stasjonære trykket og støy fra pumping og boreoperasjonen.

Et tall som representerer tiden (t) er plottet langs horisontal- eller X-aksen. Signalamplituden svarende til trykket er vist på vertikal- eller Y-aksen. Tiden svarende til hvert samplingspunkt er basert på samplingsfrekvensen, som kan variere avhengig av pulsebredden og frekvensen til nedlink-signalet. I dette eksempelet svarer hvert samplingspunkt langs horisontalaksen til 0,2 sekunder fordi det digitale signalet blir samplet ved 5 Hertz (Hz). Ved omtrent X = 200, der t = 40 sekunder, er det således vist en trykkreduksjon eller negativ nedlink-puls som er generert ved åpning og deretter hurtig lukking av strupeventilen 10 ved overflaten som tidligere beskrevet. Når strupeventilen 10 blir lukket, vil trykket gradvis returnere til det stasjonære trykket. Ved omtrent X = 300, der t = 60 sekunder, blir strupeventilen 10 igjen åpnet og lukket for å generere en ny nedlink-puls. Mellom X = 500, der t = 100 sekunder, og X = 750, der t = 150 sekunder, er tiden mellom nedlink-pulser kort, slik at trykket ikke fullstendig gjenopprettes til den stasjonære tilstanden. Filtreringstrinnene 110, 120, 130 og algoritmen 140 gjenkjenner imidlertid formen til disse pulsene som nedlink-signaler uavhengig av hvorvidt trykket returnerer til den stasjonære tilstanden. Figur 7A viser således grafisk råsignalet ved ned-i-hulls mottakeren 21, og dette digitaliserte signalet blir samplet og deretter sendt gjennom et medianfilter i trinn 110 for å fjerne opplink-pulsene. I figur 7A er de høyfrekvente signalene vist superponert på nedlink-pulsene opplink-pulser, og ikke støy assosiert med boring og pumping.

Figur 7B viser det filtrerte utsignalet fra medianfilteret etter at alle opplinkpulsene er filtrert bort. Det median-filtrerte signalet blir sendt inn i et båndpassfilter, fortrinnsvis et endelig impulsrespons(FIR, finite-impulse-response)-filter i trinn 120, som forårsaker en lineær faserespons. FIR-filteret fjerner enhver høyfrekvent støy skapt av boreoperasjonen og pumpen 2. FIR-filteret fjerner også DC-komponenten av signalet som svarer til grunntrykket eller det stasjonære trykket som vist i figur 7C. Det å fjerne DC-signalet er viktig for neste filtreringsfase, krysskorrelasjon, fordi det signalet som er av interesse ikke har en DC-komponent.

Figur 7C viser det filtrerte utsignalet fra FIR-filteret, som er det nedlink-signalet som svarer til trykkendringen assosiert med åpningen og lukkingen av strupeventilen 10. Når nedlink-pulsene er filtrert for å produsere signalet vist i figur 7C, blir et kjent mal-signal anvendt på det FIR-filtrerte signalet i krysskorrelasjonstrinnet 130. Mal-signalet er valgt slik at bølgeformen til mal-signalet overensstemmer nokså godt med bølgeformen til det signalet som skal detekteres. Den foretrukne utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse anvender en topolet firkantbølge-mal der halvparten av firkantbølgepunktene har en 1 verdi på Y-aksen og halvparten av firkantbølgepunktene har en -1 verdi på Y-aksen. Det totale antallet malsignal-punkter avhenger av pulsbredden, og for en 2 sekunders pulsebredde omfatter den topolede firkantbølge-malen fortrinnsvis totalt

30 punkter.

Ved en kjent matematisk metode betegnet krysskorrelering blir det FIR-filtrerte signalet vist i figur 7C korrelert med mal-signalet for å bestemme den nøyaktige tiden da hver trykkpuls opptrådte langs X-aksen. En firkantbølge er valgt som en tilnærming til pulsens signatur for å lette beregningen, ettersom ned-ihulls enheten 35 kan anvende en enkel prosessor, så som en 8-bits master-kontroller 34. Firkantbølgen kan også enkelt konverteres til et fiksert-punkt format. Det er derfor antatt at en puls vil være omtrentlig formet som en firkantbølge for formålet med krysskorreleringen i trinn 130.

Ved krysskorrelering blir således signalet sammenliknet med malen for å skape signalprofilet vist i figur 7D. Krysskorreleringstrinnet 130 fjerner også den hvite støyen som vil kunne være assosiert med det FIR-filtrerte signalet vist i figur 7C. Utsignalet fra krysskorreleringstrinnet 130 er det prosesserte signalet vist i figur 7D.

Det prosesserte signalet i figur 7D blir sendt gjennom en algoritme 140 som identifiserer når et samplingspunkt overstiger en satt terskelamplitude eller Y-akseverdi. Når et samplingspunkt overstiger terskelamplituden, detekterer algoritmen 140 at en nedlink-puls har forekommet og finner tidspunktet for krysskorreleringstoppen langs X-aksen. Feltingeniøren setter terskelamplituden basert på erfaring, og denne kan for eksempel bli satt til omtrent 1,000 i tilfellet med det prosesserte signalet i figur 7D. For å bestemme en passende terskelamplitude blir algoritmen 140 først gitt en standardterskel, vanligvis satt ved en lav amplitude før operatøren finner den mest hensiktsmessige terskelamplituden. Enheten 35 kommuniserer med overflatemottakeren 39 via opplink-signalet for å verifisere terskelamplituden og for å verifisere den maksimale krysskorrelasjonspuls-amplituden. Disse opplink-signalene tilveiebringer operatøren med informasjon for å bestemme hvorvidt terskelamplituden bør velges på nytt. Operatøren må kompromittere mellom en terskel som er satt for lavt, slik at det blir detektert støy som kan bli forvekslet med en nedlink-puls, og en terskel som er satt for høyt, slik at ned-i-hulls mottakeren 21 kan gå glipp av en instruksjon. For å endre terskelen kan en nedlink-pulssekvens som representerer en instruksjon om å modifisere terskelverdien bli sendt ned-i-hulls akkurat som en hvilken som helst annen in struksjon, eller, når boreenheten 35 blir hentet tilbake til overflaten, terskelen kan bli endret før neste borkjøring.

Ved anvendelse av det prosesserte signalet i figur 7D, bestemmer algoritmen 140 tidsforløpet mellom to krysskorrelasjonspulser ved å lokalisere toppen eller makspunktet til hver krysskorrelasjonspuls langs tids- eller X-aksen. Tiden mellom to krysskorrelasjonspuls-topper blir betegnet et intervall, og nedlink-instruksjonene blir sendt i et intervallformat. Figur 8 viser et flytdiagram av trinnene i algoritmen 140 for å lokalisere krysskorrelasjonpuls-toppene. Algoritmen 140 omfatter to deteksjonstilstander: SKANNE-tilstanden 150 og SJEKK-tilstanden 160. Generelt, i SKANNE-tilstanden 150, sammenlikner algoritmen 140 hvert samplingspunkt av det prosesserte signalet i figur 7D med terskelverdien. Når algoritmen 140 finner et samplingspunkt som har samme verdi som eller overstiger terskelverdien, skifter algoritmen 140 til SJEKK-tilstanden 160. Deretter bestemmer algoritmen den høyeste samplede Y-verdien, som er krysskorrelasjonspuls-toppen, og dette samplingspunktets X-verdi, som er tiden assosiert med denne krysskorrelasjonspuls-toppen, fra hvilken intervallet mellom to krysskorrelasjonstopper kan beregnes.

Mer spesifikt, for å lokalisere en krysskorrelasjon-pulstopp, blir en standard terskel Y-verdi matet inn ved 144. I SKANNE-tilstanden 150, oppnår algoritmen 140 Y-verdien og X-verdien til det første samplingspunktet av det prosesserte signalet ved 152. Ved 154 blir det foretatt en sammenlikning for å fastslå hvorvidt samplingspunktets Y-verdi er lik eller overstiger terskelverdien. Hvis ikke returnerer algoritmen 140 til 152 og oppnår neste samplingspunkt, og sammenlikner igjen samplingspunktets Y-verdi med terskelverdien ved 154. Denne iterative prosessen fortsetter inntil sammenlikningen ved 154 gir en samplet Y-verdi som er lik eller overstiger terskelen. Når dette inntreffer, setter algoritmen 140 en parameter MaksVerdi lik samplingspunktets Y-verdi og setter en parameter MaksTid lik samplingspunktets X-verdi ved 158.

Algoritmen 140 skifter deretter til SJEKK-tilstanden 160 og oppnås ved 162 neste samplingspunkt. Ved 164 utføres en sammenlikning for å fastslå hvorvidt samplingspunktets Y-verdi overstiger MaksVerdi satt ved 158. I så fall settes MaksVerdi lik samplingspunktets Y-verdi og MaksTid blir satt lik samplingspunktets X-verdi ved 166. Deretter returnerer algoritmen 140 ved 161 til begynnelsen av SJEKK-tilstandsprosessen for å oppnå et annet samplingspunkt ved 162, og sammenlikner igjen ved 164 samplingspunktets Y-verdi med MaksVerdi satt ved 166. Når et samplingspunkt sin Y-verdi ikke overstiger MaksVerdi ved 164, detekterer algoritmen 140 at MaksVerdi satt ved 166 er den høyeste Y-verdien, som er toppen til den første krysskorrelasjonspulsen. MaksVerdi og MaksTid fra 166 blir lagret ved 167 for anvendelse til å beregne intervallet mellom krysskorrelasjonspuls-toppene. Samplingspunktets Y-verdi (som ikke oversteg MaksVerdi) blir sammenliknet med terskelverdien ved 168. Dersom samplingspunktets Y-verdi er lik eller overstiger terskelverdien, returnerer algoritmen ved 161 til begynnelsen av SJEKK-tilstandsprosessen for å oppnå et annet samplingspunkt ved 162. Dersom samplingspunktets Y-verdi ikke er lik eller overstiger terskelverdien, skifter algoritmen 140 deretter tilbake til SKANNE-tilstanden ved 151 og begynner den iterative prosessen på nytt for å bestemme MaksTid langs X-aksen for den neste krysskorrelasjonspulsen.

Ved anvendelse som et eksempel av de første to krysskorrelasjonspulsene vist i figur 7D, er den maksimale amplituden, eller MaksPuls, for begge krysskorrelasjonspulsene på Y-aksen omtrent 1500, idet første PulsTid inntreffer ved omtrent X = 210, der t = 42 sekunder, og andre PulsTid inntreffer ved omtrent X = 350, der t = 70 sekunder. Terskelverdien bestemmer hvor algoritmen 140 begynner å se etter MaksPuls i SJEKK-tilstanden 160. Antatt at en terskelverdi = 1000 er matet inn ved 144, begynner algoritmen 140 å oppnå hvert samplingspunkt etter tur ved 152 og sammenlikner ved 154 samplingspunktets Y-verdi med terskelverddien = 1000 inntil en av de samplede Y-verdiene er lik eller overstiger terskelen ved 154. Når dette inntreffer, så som for samplingspunktet ved omtrent X = 200, der t = 40 sekunder, setter algoritmen ved 158 MaksVerdi lik samplingspunktets Y-verdi, og setter MaksTid lik samplingspunktets X-verdi som er X = 200, der t = 40 sekunder.

Nå i SJEKK-tilstanden 160, blir ved 162 neste samplingsverdi oppnådd og sammenliknet ved 164 med den MaksVerdi som ble satt ved 158. Dersom neste samplingspunkt sin Y-verdi overstiger MaksVerdi, blir da MaksVerdi satt lik samplingspunktets Y-verdi, og MaksTid blir satt til samplingspunktets X-verdi. Fortsatt i SJEKK-tilstanden 160, blir hver samplingsverdi sammenliknet med MaksVerdi i trinn 164 for å bestemme når samplingsverdiene begynner å avta. Når et samplingspunkt sin Y-verdi ikke overstiger MaksVerdi ved 164, detekterer algoritmen 140 at krysskorrelasjon-pulstoppen er lokalisert ved 166, og lagrer MaksVerdi og MaksTid ved 167 som den første krysskorrelasjonspuls-toppen for senere anvendelse for å beregne intervallet. Ved 168 bestemmer algoritmen 140 hvorvidt den samplede Y-verdien er lik eller overstiger terskelverdien på 1000. Når en samplet Y-verdi ligger under terskelverdien på 1000 ved 168, så som ved X = 220, der t = 44 sekunder, vil algoritmen 140 skifte tilbake til SKANNE-tilstanden i trinn 151. Algoritmen 140 vil således ha lokalisert den første krysskorrelasjonspulsens MaksTid ved 166, som er ved X = 210, der t = 42 sekunder. Denne MaksTid-verdien blir lagret ved 167 mens algoritmen 140 lokaliserer neste krysskorrelasjonspuls-topp.

Igjen i SKANNE-tilstanden 150 vil algoritmen 140 sammenlikne hver samplede Y-verdi med terskelen ved 154 inntil terskelen blir nådd eller oversteget for den andre krysskorrelasjonspulsen ved X = 340, der t = 68 sekunder. Igjen går algoritmen 140 til SJEKK-tilstanden 160 inntil den i trinn 166 identifiserer MaksTid-verdien for den andre krysskorrelasjonspulsen ved X= 350, der t = 70 sekunder. Deretter kan intervallet bestemmes ved å subtrahere den første krysskorrelasjonspulsens MaksTid fra den andre krysskorrelasjonspulsens MaksTid, som gir 70 sekunder - 42 sekunder = 28 sekunder. Varigheten til det første intervallet er således 28 sekunder.

Hvert intervall kommuniserer en viss mengde informasjon, som for det formål å beskrive vil bli betegnet dets VERDI. VERDI for et intervall er gitt ved følgende formel:

VERDI' = [Intervall – MPT (Minimum-Pulse-Time)]/ BW (Bit-Width), VERDI = VERDI' avrundet til nærmeste heltall.

der MPT er minimumstiden mellom pulser og BW er oppløsningen, som er den tiden som er nødvendig for å inkrementere eller dekrementere VERDI med 1.

Hvert intervall omfatter således en gitt VERDI som avhenger av det observerte intervallet og også av MPT og BW. I dette eksemplet var verdiene som ble valgt for MPT og BW henholdsvis 8 sekunder og 2 sekunder. Ved anvendelse av det observerte intervallet beregnet ovenfor er således VERDI = (28-8)/2, eller VERDI = 10. MPT og BW gjør det mulig å sende signaler ned-i-hulls med høy telemetrihastighet uten å forstyrre opplink-signalene for å muliggjøre toveis kommunikasjon. De gir også den beste ytelsen gitt den optimale aktiveringshastigheten for strupeventilen 10 som beskrevet i forbindelse med figurene 6A-6F. Ved eksperimentering med disse verdiene for MPT og BW har det blitt funnet at innkoding av tre bits verdier gir optimal ytelse med hensyn til det å sende signaler ned-i-hulls raskt mens det fortsatt oppnås god deteksjon.

For å sende en instruksjon ned-i-hulls, er et minimum på 3 intervaller foretrukket, hvorav det første intervallet er "kommando"-intervallet, som forteller nedi-hulls mottakeren 21 hvilket verktøy den skal instruere og hvilken type endring verktøyet vil gjøre; det andre intervallet er "data"-intervallet, som tilveiebringer størrelsen på endringen verktøyet vil gjøre, og det tredje intervallet er "paritet"-intervallet, som er den delen av instruksjonen som blir anvendt for feilsjekking. For eksempel, antatt at hvert intervall kommuniserer 3 bit med data, kan hvert intervall variere i binærverdi fra 000 til 111, hvilket gir 8 muligheter for VERDI fra og med 0 til og med 7. Selv om det ikke er nødvendig at VERDI er begrenset til rekkevidden for et tre bit binærtall, er det fordelaktig å begrense VERDI til et binærtall siden datamaskinene ned-i-hulls og ved overflaten internt representerer tall i binært format. Ved å begrense VERDI til et binærtall, kan "kommando"- og "data"-informasjon kombineres i ett interval, eller ett interval kan utgjøre bare en del av et datasett.

Avhengig av kommando-valgmulighetene som er tilgjengelige for en gitt instruksjon, kan "kommando"-feltet kreve mer eller mindre enn ett helt intervall. Videre, avhengig av de data-valgmulighetene som er tilgjengelige for en gitt kommando, kan “data"-feltet kreve mer eller mindre enn ett helt intervall. Fortrinnsvis omfatter pariteten nøyaktig ett helt interval for hver instruksjon. Den totale instruksjonen omfattende kommando data paritet kan således være større enn eller lik 3 intervaller. For eksempel omfatter det prosesserte signalet i figur 7D 6 intervaller. Siden "paritet"-feltet krever 1 intervall, dersom "kommando"-feltet er nøyaktig 2 intervaller, er da “data"-feltet nøyaktig 3 intervaller, eller 9 bit med innformasjon, hvilket gir mulige dataverdier i området fra 0 til 2<9>(512). Som et ytterligere eksempel ved anvendelse av de 6 intervallene i det i figur 7D prosesserte signalet, dersom "kommando"-feltet krever 2 bit (i et 3 bits intervallformat), ville da det første intervallet omfatte 2 bit med "kommando"-informasjon og 1 bit med "data"-informasjon. "Data"-feltet ville også strekke seg over ytterligere 4 intervaller. "Kommando”- og "data"-feltene kan således hvert omfatte mindre enn ett intervall eller mer enn ett intervall avhengig av den spesifikke instruksjonen som blir sendt ned-i-hulls, mens pariteten omfatter ett helt interval uansett hvilken instruksjon.

Master-kontrolleren 34 vet hvor mange bit som er assosiert med "kommando"-feltet og hvor mange bit som er assosiert med "data"-feltet basert på en oppslagstabell som er lastet inn i master-kontrolleren 34 før enheten 35 blir sendt ned-i-hulls. For å konstruere oppslagstabellen bestemmer operatøren hvilke nedi-hulls verktøy som vil motta instruksjoner under en gitt kjøring og hvilke typer instruksjoner som vil bli sendt til hvert verktøy. Oppslagstabellen er formattert slik at den inneholder en liste av "kommando"-verdier for hver mulige instruksjon og en liste av "data"-verdier assosiert med hver kommando. Når en instruksjon blir sendt til ned-i-hulls enheten 35, bestemmer således algoritmen 140 intervallene, og beregner deretter en VERDI for hvert interval for å bestemme instruksjonens "kommando"- og "data"-felter. "Kommando"-verdien anvendes av master-kontrolleren 34 i en oppslagstabell for å dekode hvilket verktøy som blir instruert og hva dette verktøyet blir kommandert til å gjøre. Deretter anvender master-kontrolleren 34 "data"-verdien i oppslagstabellen for å bestemme størrelsen på den endringen verktøyet er instruert til å gjøre for den gitte kommandoen. Master-kontrolleren 34 distribuerer deretter den dekodede instruksjonen til det destinerte verktøyet for å korrigere dette.

Eksempel på nedlink-algoritme

Det følgende er et eksempel på en hel sekvens for en instruksjon. Det er antatt at operatøren ønsker å korrigere verktøyflate-avbøyningsvinkelen for ned-ihulls boreenheten 35 med 5 grader og at "kommando"-, "data"-, og "paritet"-feltet for denne instruksjonen hvert omfatter nøyaktig ett intervall. Operatøren anvender en skjermenhet for datamaskinen 26, som tilveiebringer et grafisk brukergrensesnitt, og velger "korreksjon av verktøyflate" på skjermen. Operatøren mater deretter inn den ønskede vinkelen, som er 5 grader. Datamaskinen 26 interpreterer denne instruksjonen og oversetter den til 3 intervaller slik at den korrekte puls-sekvensen blir sendt ned-i-hulls. I dette tilfellet er det første intervallet, eller “kommando”-intervallet ", korreksjon av verktøyflate", som har VERDI = 1 i oppslagstabellen, og det andre intervallet, eller “data”-intervallet, er "+5 grader", som har VERDI = 0 i oppslagstabellen. Det tredje intervallet, eller “paritet”-intervallet, blir sendt for å verifisere at ned-i-hulls mottakeren 21 interpreterte “kommando”- og “data”-feltene korrekt. For faktisk å dekode en instruksjon ned-i-hulls, blir signalet filtrert og krysskorrelert som beskrevet ovenfor i forbindelse med figurene 7A-7D. Deretter blir det prosesserte signalet i figur 7D matet inn i algoritmen 140 i figur 8 for å bestemme varigheten til hvert intervall.

Ned-i-hulls mottakeren 21 detekterer således pulsene og dekoder dem til intervaller. Ved anvendelse av algoritmen 140, detekterer mottakeren 21 hvor maksimumsverdien til hver krysskorrelasjonspuls befinner seg på tidsaksen og subtraherer for å bestemme intervallets varighet. Anta for eksempel en 4 pulser lang sekvens for å produsere de 3 intervallene for dette eksempelet, der toppen til hver krysskorrelasjonspuls ligger på tidsaksen som følger:

Puls 1 Topp Puls 2 Topp Puls 3 Topp Puls 4 Topp 2 sekunder 12 sekunder 20 sekunder 30 sekunder Disse svarer til intervaller på 10 sekunder, 8 sekunder og 10 sekunder, og mottakeren 21 beregner disse tidsintervallene basert på algoritmen 140 beskrevet ovenfor.

Deretter konverterer master-kontrolleren 34 hvert intervall til en VERDI som blir anvendt i en oppslagstabell. Siden VERDI = [intervall - MPT]/BW avrundet til nærmeste heltall, og siden i dette eksemplet BW = 2 sekunder og MPT = 8 sekunder, kan VERDI for hvert intervall i dette eksempelet beregnes av kontrolleren 34 tilveiebragt i ned-i-hulls enheten 35. I dette eksemplet er VERDI for hvert intervall henholdsvis 1, 0, 1. Master-kontrolleren 34 anvender oppslagstabellen i sitt program for å overensstemme en instruksjon med disse verdiene. I dette tilfellet har “kommando”-intervallet VERDI = 1, som svarer til verktøyflatekorreksjon, og “data”-intervallet VERDI = 0, som svarer til 5 grader. Master-kontrolleren 34 vil derfor dekode denne informasjonen til en intern kommando til det 3-D roterende styrbare boreverktøyet for å korrigere verktøyflaten 5 grader.

Det siste intervallet av en hvilken som helst instruksjonssekvens er paritetskoden. Paritetskoden er et tall oppnådd fra en matematisk beregning for å sjekke gyldigheten til de kommando- og dataverdiene som ned-i-hulls enheten 35 har mottatt. Paritetsintervallet blir således anvendt for feilsjekking. En hvilken som helst av de standard feilsjekkingsmetodene som er kjent for fagmannen kan anvendes for å utføre en paritetsberegning, så som for eksempel CRC (Cyclic-Redundancy-Coding).

For ytterligere å beskrive paritet er det nyttig å definere overflateparitet og ned-i-hulls paritet. Dersom en kjenner verdiene assosiert med kommando- og dataintervallene, kan disse anvendes for å beregne overflatepariteten, som kalles dette fordi den blir bestemt ved overflaten før instruksjonen blir sendt ned-i-hulls. Overflatepariteten blir kommunisert ned-i-hulls via pulser akkurat som kommando- og datafeltene. Ved ned-i-hulls mottakeren 21 blir det utført en tilsvarende paritetsberegning ved anvendelse av de faktisk mottatte pulsene for kommando- og datafeltene. Dette er ned-i-hulls pariteten. Overflatepariteten og ned-ihulls pariteten blir deretter sammenliknet. Dersom de overensstemmer, har ned-ihulls mottakeren 21 korrekt interpretert puls-sekvensen for kommando- og datafeltene. Hvis ikke vil ned-i-hulls enheten 35 sende et opplink-signal for å angi en feil, og instruksjonssekvensen kan gjentas.

Som et eksempel, anta verdiene:

Kommando (intervall 1) Data (intervall 2) Overflateparitet (intervall 3) VERDI = 1 VERDI = 0 VERDI = 1.

Anta også at ned-i-hulls mottakeren 21 interpreterer tidsperiodene for hvert interval på en slik måte at verdiene beregnet av kontrolleren 34 er:

Kommando (intervall 1) Data (intervall 2) Overflateparitet (intervall 3) VERDI = 0 VERDI = 0 VERDI = 1.

Ned-i-hulls pariteten vil bli beregnet med 0 som kommandofeltets VERDI og 0 som datafeltets VERDI, slik at ned-i-hulls pariteten ikke vil overensstemme med overflatepariteten. I respons vil ned-i-hulls enheten 35 sende et opplink-signal som angir en feil, og puls-sekvensen vil bli generert om igjen inntil det er korrekt mottatt av ned-i-hulls mottakeren 21.

For å oppsummere, for en 3 intervaller lang instruksjon, representerer det første intervallet kommandoen som identifiserer hvilken komponent i ned-i-hulls enheten 35 som instrueres og hvilken handling som skal utføres. Det andre intervallet representerer dataene, som forteller den responderende komponenten størrelsen på endringen som skal gjøres, og det tredje intervallet representerer overflatepariteten, som tilveiebringer en sjekk for å verifisere instruksjonen som ble kommunisert ned-i-hulls.

Potensielle anvendelser

Når signalene er interpretert, sammenlikner master-kontrolleren 34 tilveiebragt i ned-i-hulls enheten 35 verdiene avledet fra signalene med en instruksjon i en oppslagstabell, og distribuerer deretter instruksjonen til det destinerte verktøyet for å utføre funksjonen. Oppslagstabellen kan inneholde, men er ikke begrenset til, data som kan modifiseres for å gjøre endringer av programvare-konfigurasjoner, følerparametere, datalagring og transmisjon. Én fordel ved å anvende nedlink-telemetrisystemet i kombinasjon med en master-kontroller 34 er at operatøren kan kontrollere flere forskjellige verktøy samtidig. For eksempel kan boreverktøyet og formasjonsevalueringsverktøy være forbundet i én ned-i-hulls enhet 35, og master-kontrolleren 34 kan sende instruksjoner til hvert av disse verktøyene avhengig av nedlink-signalene den mottar.

Nedlink-telemetrisystemet er derfor et universalsystem som er i stand til å kommunisere med en hvilken som helst type ned-i-hulls verktøy og som er i stand til å sende signaler til hvert av ned-i-hulls verktøyene. Videre, fordi foreliggende oppfinnelse kan oppnå hurtig nedlink-signalering og deteksjon, kan kommunikasjonen være kontinuerlig, slik at et signal kan bli sendt til ett verktøy etterfulgt av et signal til det neste verktøyet.

Foreliggende nedlink-telemetrisystem kan kontrollere 2D og 3D styrbare roterende verktøy, fjernstyrte justerbare stabilisatorer, fjernstyrte ned-i-hulls justerbare avbøyningsmotorer samt formasjonsevalueringsfølere som måler egenskaper ved formasjonen, så som porøsitet, resistivitet, gammastråling, densitet, akustiske målinger og magnetisk resonansavbildning. Én fordel ved dette systemet er at det også kan bli sendt kommandoer for å skru av et gitt verktøy for en periode og deretter skru dette verktøyet på igjen som nødvendig.

Ned-i-hulls enheten 35 kan konfigureres for hver kjøring, slik at oppslagstabellen i master-kontrolleren 34 kan modifiseres avhengig av typen instruksjoner som vil bli sendt ned-i-hulls under en gitt boreoperasjon. Straks enheten 35 er operativ ned-i-hulls, er det mulig å sende ned instruksjoner for å modifisere parametrene i en gitt oppslagstabell. En annen mulighet er å laste inn mange sett av forhåndsprogrammerte oppslagstabeller i master-kontrolleren 34, og skifte mellom tabeller som nødvendig gjennom nedlink-signalering.

Muligheten til å modifisere parametere eller skifte mellom forskjellige oppslagstabeller gjør at master-kontrolleren 34 kan støtte endringer av nedlink-datahastigheten. Selv om hastigheten til nedlink-signaleringen blir kontrollert ved overflaten, må parametere i ned-i-hulls oppslagstabeller synkroniseres med parametrene i oppslagstabellene i kontrollsystemet på overflaten. En økning eller reduksjon av datahastigheten for nedlink-signalering kan således oppnås ved å: 1) modifisere de parametrene i oppslagstabellen som vedrører dataoverføringshastigheten, eller 2) skifte mellom oppslagstabeller som inneholder forskjellige parametere for dataoverføringshastigheten.

Det å skifte mellom oppslagstabeller gir også en effektivt sett høy datahastighet for nedlink-signalering. I stedet for å sende ned-i-hulls en serie av instruksjoner for å endre mange parametere i en oppslagstabell, kan flere endringer av virkemåten oppnås med én enkelt nedlink-instruksjon om å skifte til en annen oppslagstabell.

En annen fordel med nedlink-telemetrisystemet er muligheten for å styre boringen fra et fjernlokalisert kommandosenter. I stedet for å ha en person ansvarlig for retningsboringen og en person ansvarlig for formasjonstestingen ved hver rigg, kan disse operatørene befinne seg ved et fjernlokalisert kommandosenter, der hver person kontrollerer flere brønner samtidig. Disse operatørene kan da intervenere for å korrigere, for eksempel, en borkrone som er ute av kurs når operatøren mottar opplink-data som bekrefter borkronens orientering. Et nedlink-signal kan da bli fjernoverført for å korrigere denne borkroneorienteringen hvis nødvendig. Videre er enkelte boreverktøy nå utstyrt med autopilotsystemer som gjør det mulig å programmere en boreplan eller et borekart for det ideelle borehullet inn i boreenheten 35 eller et automatisert kontrollsystem ved overflaten. Ved anvendelse av et autopilotsystem kan et signal bli sendt av operatøren eller det automatiserte overflate-kontrollsystemet ved overflate-datamaskinen 26 eller fjernoverført fra et kontrollsenter for å sende ned-i-hulls instruksjoner for å korrigere avvik fra planen. En annen mulighet er å forhåndsprogrammere mange driftsmodi inn i kontrolleren 34, slik at det kan bli sendt signaler ned-i-hulls for å instruere kontrolleren 34 om hvilket dataprogram den skal anvende. Nok en annen mulighet er å sende signaler som direkte programmerer kontrolleren 34 nedi-hulls.

Derfor, sett i et bredt perspektiv, kan nedlink-telemetrisystemet beskrevet her anvendes for å styre mange typer ned-i-hulls verktøy, så som boreverktøy, formasjonsevalueringsverktøy og andre ned-i-hulls verktøy. Dette kommunikasjonssystemet kan sende instruksjoner, aktivere utstyr på og av som nødvendig og endre de forhåndsprogrammerte virkemåtene til forskjellige verktøy.

Selv om foretrukne utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse har blitt vist og beskrevet, kan fagmannen foreta modifikasjoner av disse uten å fjerne seg fra oppfinnelsens tanke eller idé. Utførelsesformene beskrevet her er kun eksempler og er ikke begrensende. Mange variasjoner og modifikasjoner av nedlink-telemetrisystemets apparater og fremgangsmåter er mulige og ligger innenfor oppfinnelsens ramme. Følgelig er ikke beskyttelsens omfang begrenset til utførelsesformene beskrevet her, men er kun begrenset av de følgende kravene, rammen til hvilke skal omfatte alle ekvivalenter til kravenes tema.