NO342472B1 - Elektromagnetisk telemetrianordning og fremgangsmåte for å minimalisere syklisk eller synkron støy - Google Patents

Abstract

Et elektromagnetisk borehull telemetrisystem for transmittering av informasjon mellom en nedihulls transceiver, anbrakt fortrinnsvis i en borehullsammensstilling i et borehull, og en overflatetransceiver posisjonert ved eller nær overflaten av jorden. En trigger og et samvirkende strobe brukes for å definere strobe-inkrementene. Synkron telemetrimålinger laget under strobe-inkrementene oppsummeres algebraisk for å identifisere en synkron syklisk støykomponent i et kompositt elektromagnetisk telemetrisignal. Hvilke som helst slags ikke-sykliske støykomponenter som oppstår under strobe-inkrementene kanselleres algebraisk i den algebraiske oppsummeringsoperasjonen. Den sykliske støykomponenten fjemes så fra komposittsignalet for derved å øke signal-til-støy-forholdet av telemetrisystemet. Systemet er spesielt effektivt når det gjelder å minimalisere den elektromagnetiske støyen generert ved rotasjonen av et rotasjonselement slik som rotasjonsbordet eller det toppdrevne rotasjonssystemet til en borerigg.

Description

ELEKTROMAGNETISK TELEMETRIANORDNING OG FREMGANGSMÅTE FOR Å MINIMALI-SERE SYKLISK ELLER SYNKRON STØY

Denne oppfinnelsen er rettet mot et elektromagnetisk borehull telemetrisystem for transmittering av informasjon mellom en nedihulls transceiver og en transceiver fortrinnsvis ved overflaten av jorden. Nærmere bestemt er oppfinnelsen rettet mot et elektromagnetisk telemetrisystem som anvender synkron tidsmidling for å minimalisere syklisk eller synkron støy.

Livet til en typisk hydrokarbonproduserende brønn kan i stor grad klassifiseres i tre trinn. Det første trinnet innbefatter boring av borehullet der det er ønskelig å måle egenskaper av jordformasjoner som penetreres av borehullet og å styre retningen av borehullet mens det bores. Det andre trinnet innbefatter testing av formasjoner penetrert av borehullet for å bestemme hydrokarboninnholdet og produserbarhet. Det tredje trinnet innbefatter overvåking og kontroll av produksjon typisk over hele levetiden til brønnen. Alle trinnene anvender typisk nedihulls sammenstilling som inneholder én eller flere sensorer som er responsive for trinn vedrørende boring, formasjon eller produksjonsparametere av interesse. Responsdata fra én eller flere sensorer telemetreres, via en første eller “borehulls-” transceiver, til overflaten av jorda. Responsdata må tas av en andre eller “overflate-” transceiver for prosessering og tolkning. Motsatt er det ønskelig å transmittere data via overflatetransceiveren til nedihullstransceiveren for å kontrollere trinn vedrørende boring, testing eller produksjonsoperasjoner.

I trinnene diskutert ovenfor er det ofte ikke operasjonsmessig gjennomførbart å anvende en “hard wire” kommunikasjonsforbindelse, slik som én eller flere elektriske eller optiske fiberledere, mellom nedihullstransceiveren og overflatetransceiveren. Dette er særlig tilfelle i borehullboringstrinnet der målingen av parametere i formasjonen penetrert av borehullet er av interesse. Når hard kabel kommunikasjonsforbindelser ikke er gjennomførbare, gir elektromagnetisk (EM) telemetrisystemer et middel for kommunikasjon mellom nedihullstransceivere og overflatetransceivere.

Systemer for måling av geofysiske eller andre parametere i nærheten av et borehull faller typisk innenfor to kategorier. Den første kategorien innbefatter systemer som måler parametere etter at borehullet har blitt boret. Disse systemene innbefatter kabellogging; “tubing conveyed” logging, “slick line” logging, produksjonslogging, permanente nedihullsføleinnretninger og andre teknikker kjent på området. Minnetype eller hard kabel kommunikasjonsforbindelser anvendes typisk i disse systemene. Den andre kategorien innbefatter systemer som måler formasjons- og borehullparametere mens borehullet blir boret. Disse systemene innbefatter målinger av boring og borehullsspesifikke parametere vanligvis kjent som “måling-mens-boring” “measurement-while-drilling” (MWD), målinger av parametere for jordformasjonspenetrering av borehullet vanligvis kjent som “logging-mens-boring” (LWD) “logging-while-drilling” (LWD), og målinger av seismisk relaterte egenskaper kjent som “seismikk-mens-boring”, “seismic-while-drilling” (SWD). For enkelthets skyld vil systemet som måler parametere av interesse mens borehullet blir boret bli henvist til samlet i denne beskrivelsen som “MWD”-systemer. Innenfor omfanget av denne beskrivelsen skal det forstås at MWD-systemer også innbefatter logging-mens-boring-systemer og seismikk-mens-boringsystemer.

Et MWD-system omfatter typisk en borehullsammenstilling som er driftsmessig knyttet til en nedihullsende av en borestreng. Borehullsammenstillingen innbefatter typisk minst én sensor for måling av minst én parameter av interesse, et elektronisk element for å kontrollere og gi energi til sensoren, og en nedihullstransceiver for transmittering av sensorrespons til jordoverflaten for prosessering og analyser. Borehullsammenstillingen avsluttes ved den nedre enden med en borekrone. En roterende borerigg er operasjonsmessig festet til den øvre enden av borestrengen. Boreriggen bevirker å rotere borestrengen og borehullsammenstillingen for derved å fremføre borehullet gjennom virkningen av den roterende borekronen. En overflatetransceiver er posisjonert fjernt fra borehullsammenstillingen og typisk i umiddelbar nærhet av boreriggen. Overflatetransceiveren mottar telemetrerte data fra nedihullstransceiveren. De mottatte data prosesseres typisk ved anvendelse av overflateutstyr, og én eller flere parametere av interesse registreres som en funksjon av dybde inne i borehullet for derved å tilveiebringe en “logg” av én eller flere parametere. Hard kabel kommunikasjonsforbindelser mellom nedihullstransceivere og overflatetransceivere er operasjonsmessig vanskelig siden borehullsammenstillingen inneholdende en nedihullstransceiver roteres av borestrengen i forhold til overflatetransceiveren.

Under fravær av hard kabelforbindelse kan flere teknikker brukes som kommunikasjonsforbindelse for telemetrisystemet. Disse systemene innbefatter borefluid-trykkmodulasjon eller “boreslam/mud puls”-systemer, akustiske systemer, og elektromagnetiske systemer.

Ved anvendelse av et boreslam-pulssystem induserer en nedihullstransmitter trykkpulser eller andre trykkmodulasjoner i borefluidet som brukes ved boring av borehullet. Modulasjonene er indikative for én eller flere parametere av interesse slik som respons av en sensor i en borehullsammenstilling. Disse modulasjonene måles deretter typisk ved jordoverflaten ved anvendelse av en receiverinnretning, og én eller flere parametere av interesse trekkes ut fra modulasjonsmålingene.

En nedihullstransmitter av en akustisk telemetri induserer amplitude- og frekvensmodulerte akustiske signaler i borestrengen. Signalene er indikative for en eller flere parametere av interesse. Disse modulerte signalene måles typisk ved jordoverflaten av en akustisk receiverinnretning, og én eller flere parametere av interesse trekkes ut fra målingene.

Elektromagnetiske telemetrisystemer kan anvende en lang rekke forskjellige teknikker. Ved anvendelse av en teknikk moduleres elektromagnetiske signaler i samsvar med sensorrespons for å presentere én eller flere parametere av interesse. I én utførelsesform transmitteres disse signalene fra en nedihulls EM-transceiver, gjennom den mellomliggende jordformasjonen og påvises som en spenning eller en strøm ved anvendelse av en overflatetransceiver som typisk er lokalisert ved eller nær jordoverflaten. Den ene eller de mange parameterne av interesse trekkes ut fra det påviste signalet. Ved anvendelse av andre elektromagnetiske teknikker kan nedihullstransceiveren skape en strøm i borestrengen og strømmen går langs borestrengen. Strømmen er typisk skapt ved å påtrykke en spenning over en ikke-ledende del i nedihullssammenstillingen. Strømmen moduleres i samsvar med sensorresponsen til å representere én eller flere parametere av interesse. En spenning mellom boreriggen og en fjern jord genereres av strømmen og måles av en overflatetransceiver, som er på jordoverflaten. Spenningen er vanligvis mellom en ledning festet til boreriggen eller casingen ved overflaten og en ledning som fører til en jordet forbindelse fjernt fra riggen. Igjen kan én eller flere parametere av interesse trekkes ut fra den målte spenningen. Alternativt kan én eller flere parametere av interesse trekkes ut fra en målt strøm.

Rotasjonen av borestrengen produserer elektromagnetisk interferens eller elektromagnetisk “støy” i de tidligere diskuterte EM-telemetrisystemer. Støyen kan i stor grad skade eller svekke signalet i et elektromagnetisk telemetrisystem. Støyen er typisk syklisk eller “synkron” for derved å etterlikne den repetitive/gjentagende virkningen av den roterende borestrengen. Elektromagnetisk støy kan også produseres ved virkningen av boreriggens slampumpe. Denne støyen er også typisk syklisk mimikerende den repetitive virkningen av boreslampumpen. Det kan være andre kilder til typisk syklisk elektromagnetisk støy indusert i et elektromagnetisk telemetrisystem. Disse kildene innbefatter elektriske motorer i nærheten av boreriggen, ledninger i luften som transmitterer vekselstrøm, og hvilke som helst slags antall eller typer elektromagnetiske anordninger som finnes på et borested.

For å oppsummere forringer støy fra hvilken som helst slags kilde i stor grad signalet fra hvilken som helst slags type elektromagnetisk telemetrisystem. Det gjelder spesielt i “første trinn” diskutert ovenfor, som innbefatter boring av borehullet ved anvendelse av MWD-systemer som bruker elektromagnetiske telemetrisystemer. Det “andre trinnet” diskutert ovenfor innbefatter testing av formasjoner som penetreres av borehullet for å bestemme hydrokarboninnhold og -produserbarhet. Hvis et elektromagnetisk telemetrisystem fremfor hard kabel telemetrisystem anvendes, kan igjen støyforringelsen utgjøre et betydelig problem. Til slutt, det “tredje trinnet” diskutert ovenfor innbefatter overvåkning og kontroll av produksjon typisk over hele levetiden til brønnen. Disse overvåkings- og kontrollsystemene kan anvende elektromagnetisk fremfor hard kabel telemetrisystemer. Igjen kan støyforringelse i elektromagnetiske telemetrisystemer være betydelige. Støy som man støter på i alle tre trinn er ofte syklisk eller synkron, og kan resultere fra borestrengrotasjon, virkningen av pumper, drift av elektriske motorer, elektromagnetisk stråling fra kraftledninger i nærheten, sykliske radiosendersignal og lignende.

Patentpublikasjon US 4642800 A beskriver et støysubtraksjonsfilter for å filtrere ut støy fra sykliske signaler som har en datakomponent og en støykomponent hvor det er tatt et gjennomsnitt av et forhåndsbestemt antall av de sykliske signalene for å produsere et gjennomsnittlig signatursignal.

Patentpublikasjon WO 2006/001704 A1 beskriver en fremgangsmåte for å filtrere ut trykkstøy generert av én eller flere stempelpumper.

Den foreliggende oppfinnelsen er rettet mot et elektromagnetisk (EM) borehullstelemetrisystem for transmittering av informasjon mellom en “nedihulls” EM transceiver, anbrakt fortrinnsvis i en borehullsammenstilling i borehullet, og en “overflate” EM transceiver posisjonert ved eller nær havoverflaten. Systemet omfatter anordning og fremgangsmåter for fjerning av syklisk eller synkron støy for derved å fremme telemetrisignal til støyforholdet.

Synkron tidsmidling “synchronous time averaging” (STA) brukes til å identifisere syklisk støy i et elektromagnetisk telemetrisignal. Dette signalet som omfatter en komponent som representerer en sensorrespons og en støykomponent, vil heretter henvises til som “kompositt”-signalet. Støykomponenten kan omfatte både syklisk og ikke-sykliske støykomponenter. En strobe trigges av en samvirkende trigger som responderer på en stimulus, for å registrere, i løpet av en forutbestemt “strobeøkning”, et flertall av “inkrement kompositt støysignaler”. Stimulusen kan være en bryter, reflektor, magnet, fremspring, inntrykk, tidssignal eller et hvilket som helst slags annet middel/innretning for å drive triggeren og den samvirkende stroben. Disse inkrement kompositt støysignalene oppsummeres algebraisk. Hvilke som helst slags ikke-sykliske komponenter som oppstår under strobeinkrementet vil algebraiske kanselleres i oppsummeringsoperasjonen. En hvilken som helst slags syklisk støy som skjer under strobeinkrementet og i synkronisering med strobeinkrementet vil understrekes av den algebraiske oppsummeringen. Trigger-strobe-oppsummeringsmetodologien produserer en signatur eller “bilde” av en hvilken som helst slags syklisk støykomponent som skjer synkront med strobeinkrementet. Denne støykomponenten kombineres så med det målte komposittsignalet for å fjerne, eller i det minste minimalisere, syklisk støy for derved å øke signal-til-støy-forholdet av det elektromagnetiske telemetrisystemet.

Strengt tatt er teknikken ikke begrenset til tidsmidling. Strobeinkrementet kan defineres i gradeenheter av en bue så vel som et inkrement av tid. I det første tilfellet vil prosessen omfatte en “bue”-midling fremfor en “tids”-sluttmidling. For diskusjonsformål vil midlingsprosessen generelt henvises til som STA.

STA støyreduksjonssystemet har utbredt anvendelse. Systemet er spesielt effektivt når det gjelder minimalisering av elektromagnetisk støy generert av rotasjon av et rotasjonsbord eller top drive i en borerigg. Et rotasjonsbord vil brukes for illustrasjons- og diskusjonsformål. I denne oppgaven er stroben og den samvirkende triggeren kontrollert ved rotasjonen av rotasjonsbordet. Nærmere bestemt initieres strobeinkrementet og termineres ved rotasjonspassasje av stimuli omfattende forutbestemt asimutpunkter på rotasjonsbordet. I denne utførelsesformen er strobeinkrementet i grader og kan omfatte en delvis bue av rotasjonsbordet eller til og med flere rotasjoner av rotasjonsbordet. Som et eksempel kan strobeinkrementet være en enkel rotasjon av rotasjonsbordet. Matematisk initieres strobeinkrementet av en trigger med en asimut θ1og termineres ved en asimut θ2der θ1- θ2= 360 grader.

STA støyreduksjonssystemet kan brukes til å redusere skadelige virkninger av annen syklisk støy. Som et annet eksempel kan støy fra riggens boreslampumper reduseres ved å trigge stroben ved driftsfrekvensen, eller ved flere driftsfrekvenser av boreslampumpen. I denne utførelsesformen samvirker triggeren typisk med en klokke som er synkronisert med perioden av pumpen. Det vil si at triggerresponsen er et stimulussignal generert av klokken. Strobeinkrementet er derfor i tidsenheter fremfor gradenheter slik som i det tidligere rotasjonsbordeksemplet.

For å oppsummere kan STA metodologien brukes for å redusere så å si enhver slags type syklisk støy i et elektromagnetisk telemetrisystem. Triggeren og den samvirkende stroben velges for å synkronisere med støysyklusen. Strobeinkrementer kan være i enheter av grader eller i tidsenheter, avhengig av kilden til den sykliske støyen.

De ovenfor siterte trekkene, fordelene og formålene med den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringes og kan forstås mer detaljert, ved en nærmere detaljert beskrivelse av oppfinnelsen, som kort er oppsummert ovenfor, ved å se på utførelsesformene som er vist i de medfølgende tegningene.

Fig.1 er en konseptuell illustrasjon av hovedelementene av oppfinnelsen vist som et MWD-system;

Fig.2a viser et strobeinkrement på 360 grader;

Fig.2b viser et strobeinkrement på 90 grader;

Fig.2c viser et strobeinkrement på 720 grader;

Fig.3 er et konseptuelt flytskjema i én utførelsesform av STA-systemet for minimalisering av syklisk støy i et EM telemetrisystem;

Fig.4 viser responsen til et elektromagnetisk MDW telemetrisystem uten datatransmisjon og uten borestrengrotasjon, med datatransmisjon og uten borestrengrotasjon, og med både datatransmisjon og borestrengrotasjon;

Fig.5 er syklisk støysignatur for et strobeinkrement på 720 grader;

Fig.6 er en hurtig fouriertransformasjon (fast Fourier transform) av algebraisk summasjon av inkrementkomposittstøysignaler for støysignaturen vist i fig.5;

Fig.7 er en hurtig fouriertransformasjon av komposittsignalet R målt ved overflatetranceiveren; og

Fig.8 er en hurtig fouriertransformasjon av den hurtige fouriertransformasjons sykliske støy “signatur” komponent vist i fig.6 subtrahert fra den hurtige fouriertransformasjons komposittsignal R vist i fig.7.

Den foreliggende oppfinnelsen er innrettet mot anordninger og fremgangsmåter som for å minimalisere syklisk støy i et elektromagnetisk (EM) borehull telemetrisystem. Som diskutert tidligere har metodologien ifølge oppfinnelsen utstrakte anvendelser. For diskusjonsformål vil oppfinnelsen bli diskutert som et system for fjerning av syklisk støy fra et MWD-system omfattende et elektromagnetisk telemetrisystem. Nærmere bestemt vil anordninger og fremgangsmåter for fjerning av syklisk støy resulterende fra rotasjon av rotasjonsbordet eller toppdriveren til en borerigg bli presentert i detalj.

Fig.1 er en konseptuell illustrasjon av oppfinnelsen i en utførelsesform som et MWD-loggingssystem omfattende en borehullsammenstilling 10 som drives i et borehull 28 som penetrerer jordformasjon 31. Borehullsammenstillingen 10 er operasjonsmessig festet til en borestreng 22 ved hjelp av en kobling 20. Den øvre enden av borestrengen 22 avsluttes ved en rotasjonsborerigg 24 som er godt kjent på området og som er illustrert konseptuelt ved 24 for enkelhets skyld.

Den henvises fortsatt til fig.1 der borehullsammenstillingen 10 omfatter en sensorpakke 14 omfattende én eller flere sensorer. Den ene eller de flere sensorene er fortrinnsvis responsive til formasjons- og borehullmiljøer. Sensoranordningen 14 er fortrinnsvis kontrollert og får energi fra en elektronisk anordning 16. Den elektroniske anordning 16 samvirker med sensoranordningen for å tilveiebringe et signal til en nedihullstransceiver 18. Signalet er indikativt til responsen av én eller flere sensorer omfattende sensoranordningen 14. Nedihullstransceiveren 18 kommuniserer elektromagnetisk med en overflatetransceiver 32 anbrakt fortrinnsvis ved eller nær overflaten 26 av jorden. Kommunikasjonen kan være toveis.

Nedihullstransceiveren 18 og overflatetransceiveren 32 vist i fig.1 er elementer av MWD elektromagnetisk telemetrisystemet. Elektromagnetiske signaler moduleres i samsvar med responsen til sensoranordningen 14 til å representere én eller flere parametere av interesse. Forskjellige utførelsesformer kan brukes for å telemetere signaler mellom nedihullstransmitteren 18 og overflatetransmitteren 32. I en utførelsesform transmitteres signaler fra nedihullstransceiveren 18 gjennom den mellomliggende jordformasjonen 32 og påvises som en spenning eller en strøm med overflatetranceiveren 32. Eksempler av denne typen telemetrisystem er beskrevet i US patent nr.4,684,946 og nr.6,628,206 og det henvises hermed til disse. I en annen utførelsesform skaper nedihullstransceiveren 18 en strøm i borestrengen 22 og strømmen går til overflaten langs borestrengen. Denne strømmen skapes typisk ved å påtrykke en spenning over en ikke-ledende del/seksjon (ikke vist) i borehullsammenstillingen 10. Igjen, elektromagnetiske signaler moduleres i samsvar med responsen til sensoranordningen 14 til å representere én eller flere parametere av interesse. En spenning mellom boreriggen 24 og en fjern jord (ikke vist) genereres av strømmen og måles av overflatetransceiveren. Én eller flere parametere av interesse trekkes ut fra den målte spenningen. Alternativt kan én eller flere parametere av interesse trekkes ut fra en måling av strøm. Et eksempel på denne typen telemetrisystem er beskrevet i US patent nr.4,001,774 og det henvises hermed til denne.

Igjen med henvisning til fig.1, kommunikasjon mellom nedihullstransceiveren 18 og overflatetransceiveren 32 er vist konseptuelt med stiplet linje 30. Denne stiplede linjen understreker at anordningen og fremgangsmåten ved den foreliggende oppfinnelse ikke er avhengig av en spesifikk type elektromagnetisk telemetrisystem.

Synkron tidsmidling (STA) brukes for å identifisere syklisk støy i en elektromagnetisk telemetrirespons. Denne responsen innbefatter typisk støy omfattende sykliske og ikke-sykliske støykomponenter. Den sykliske og ikke-sykliske støy vil heretter henvises til som “kompositt” støysignalet. En strobe trigges ved en samvirkende trigger til å føle, i løpet av et “strobeinkrement”, et flertall inkrement kompositt støysignaler. Disse inkrement kompositt støysignalene oppsummeres algebraisk. Enhver ikke-syklisk støy som oppstår i inkrement kompositt støysignalene, målt i løpet av strobeinkrementet, kanselleres algebraisk i den algebraiske oppsummeringsoperasjonen. Motsatt, enhver syklisk støy som skjer under strobeinkrementet og i synkronisering med strobeinkrementet vil bli algebraisk oppsummert. Resultatet av denne trigger-strobe-oppsummeringsmetodologien er en “signatur” eller “bilde” av en hvilken som helst slags syklisk støykomponent som skjer synkront med det forutbestemte strobeinkrementet. Denne støykomponenten kombineres så med den målte kompositt telemetrisystemresponsen til å fjerne, eller i det minste å minimalisere, den sykliske støyen. Dette maksimaliserer igjen signal-til-støy-forholdet til det elektromagnetiske telemetrisystemet.

Fig.1 viser en trigger 34 og en strobe 38 som samvirker med boreriggen 24, og nærmere bestemt med et element slik som rotasjonsbordet eller det toppdrevede rotasjonssystemet/toppdriveren (ingen er vist) i boreriggen. Et rotasjonsbord vil brukes for illustrasjons- og diskusjonsformål. Et “strobeinkrement” initieres eller “trigges” og påfølgende termineres ved rotasjonspassasjen av stimuli omfattende forutbestemte asimutpunkter på rotasjonsbordet. Stimulusen kan omfatte en bryter, en reflektor, en magnet eller et hvilket som helst slags egnet middel eller innretning til å drive triggeren og den samvirkende stroben. Stimuli konfigurert som asimutpunkter vil bli illustrert i detalj i fig.2a-2c og den tilhørende diskusjonen. Alternativt kan disse asimutpunktene defineres på borestrengen 22 som strekker seg over overflaten 26 av jorden. I den videre utførelsesformen er strobeinkrementet i grader. En telemetrisystemrespons mottas av overflatetranceiveren 32. Denne responsen omfatter en “signal”-komponent som er representativ for responsen til sensoranordningen 14 og en kompositt støykomponent. Telemetrisystemresponsen mottatt på overflaten vil heretter bli henvist til som “kompositt” signalet. Komposittsignalet måles fortrinnsvis under flertallets strobeinkrementer og lagres i en prosessor 40. Inkrement kompositt støysignalene diskutert ovenfor oppsummeres algebraisk i prosessoren 40. Som diskutert ovenfor kan en hvilken som helst slags syklisk støy (eller signal) som skjer under eller synkront med strobeinkrementet algebraisk kanselleres i den algebraiske oppsummeringsoperasjonen. En hvilken som helst slags syklisk støy som oppstår under det forutbestemte strobeinkrementet, og i synkronisering med strobeinkrementet, vil fremmes/forsterkes ved algebraen. Dette gir, i prosessoren 40, en signatur eller bilde av en hvilken som helst slags syklisk støykomponent som skjer synkront med det forutbestemte strobeinkrementet. Komposittsignalet fra overflatetranceiveren 32 innsendes samtidig direkte inn i prosessoren 40 som vist konseptuelt i fig.1. Støysyklisk støysignatur kombineres så med det målte komposittsignalet, i prosessoren 40, for å fjerne syklisk støy fra komposittresponsen til telemetrisystemet. Dette gir igjen maksimalisering av signal til støyforholdet av det elektromagnetiske telemetrisystemet. Resultatet av denne kombinasjonen er et signal som er representativt for responsen til sensoranordningen 14 med et maksimalisert signal til støyforhold. Signalet konverteres så fortrinnsvis i prosessoren 40 til én eller flere parametere av interesse. Disse resultatene er typiske output til en registreringsinnretning 42 som en funksjon av dybde i borehullet 22 for derved å danne en registrering av én eller flere parametere i et skjema kjent som en “logg”.

Man må huske at stroben 38 kan trigges ved andre stimuli enn de forutbestemte asimutpunktene på et rotasjonselement i boreriggen innbefattende et rotasjonsbord, et toppdrevet rotasjonssystem eller fremstukne borestrengseksjoner. Som et eksempel kan en klokke brukes for å generere stimulussignaler som definerer strobeinkrementer til å måle støy som resulterer fra pumper, motorer, kraftlinjer i luften og lignende. Denne evnen er konseptuelt vist i fig.1 som en “hjelpe-” input 36 som samvirker med triggeren 34.

Dataprosessering

Synkron tidsmidlingsteknikk kan implementeres ved anvendelse av en lang rekke matematisk formalisme med hovedsakelig samme sluttresultat for syklisk støyfjerning fra et elektromagnetisk komposittsignal. Den følgende formalismen er derfor brukt for å illustrere hovedkonseptene, men andre formalismer i rammeverket til hovedkonseptene kan være like effektive.

Som diskutert tidligere omfatter det telemetrerte elektromagnetiske komposittsignalet “R” representert konseptuelt ved den stiplede linjen 30 i fig.1, en signalkomponent “S” som representerer responsen til sensoranordningen 14 og en kompositt støykomponent “N”. Matematisk blir det slik,

(1) R = S N

Stroben trigges av samvirkende trigger til å registrere, under et strobeinkrement, et flertall “j” av inkrement kompositt støysignaler “ei”. Disse kompositt støysignalene oppsummeres algebraisk initielt som

(2) N =�iei. (i = j, ... , k)

Hvis k-j er tilstrekkelig stor kan en hvilken som helst slags ikke-syklisk støykomponent som oppstår under strobeinkrementene algebraisk kanselleres i den algebraiske oppsummeringen av N. En hvilken som helst slags syklisk støykomponent som oppstår under strobeinkrementene, og i synkronisering med strobeinkrementene, fremmes ved den algebraiske oppsummeringen av N. Ligning (2) gir derfor en signatur eller et bilde av en hvilken som helst slags syklisk støykomponent av N som oppstår synkront med det forutbestemte strobeinkrementet. Denne sykliske støykomponenten kombineres så med komposittsignalet R, målt fortrinnsvis i samsvar med inkrement kompositt støysignalene ei(og således N) for å bestemme kvantiteten av interesse (S). Parameteren S er det telemetrerte signalet der den sykliske støyen er fjernet, og indikativ for responsen til sensoranordningen 14. En lang rekke forskjellige fremgangsmåter kan brukes for å kombinere komposittsignalet R og målingen av N innbefattende “semblance” og “least squares” tilpasningsteknikker. For illustrasjonsformål brukes en enkel subtraksjon

(3) S = R – N

for å illustrere bestemmelsen av S, signalkomponentene av interesse. Denne prosessen fjerner, eller i det minste minimaliserer, den sykliske støykomponenten for derved å øke signal til støyforholdet til det elektromagnetiske telemetrisystemet.

Figurene 2a, 2b og 2c viser konseptuelt tre strobeinkrementer girelatert til å bestemme den sykliske støyen generert av et roterende element av en borerigg slik som et rotasjonsbord. I dette tilfellet måles inkrement kompositt signaler eiunder strobeinkrementet gidefinert i enheter av rotasjonsgrader. Rotasjonsbordet (eller det toppdrevne rotasjonssystemet) er representert konseptuelt ved sylinderen 50 i fig.2a-2c. Det skal forstås at sylinderen 50 også kan representere så å si et hvilket som helst slags annet roterende element i en boreriggsammenstilling. I fig.2a er kun et enkelt forutbestemt asimutpunkt vist i 52. Resulterende strobeinkrementet gi= 360 grader er illustrert konseptuelt ved pilen 54. I fig.2b er to av fire forutbestemte asimutpunkter vist ved 56 og 58 resulterende i strobeinkrementer gi= 90 grader, som delvis vist med pilene 62, 64 og 66. Fig.2c er igjen kun et enkelt forutbestemt asimutpunkt vist ved 60, men strobeinkrementet gier 720 grader som angitt med pilen 68. Strobeinkrementer trenger ikke nødvendigvis å være lik eller trenger ikke å være nærliggende. Ved anvendelse av den matematiske formalismen diskutert ovenfor kan valget av strobeinkrement nødvendiggjøre normaliseringen av støykomponenten N uttrykt matematisk i ligning (2). Det vil si

(4) N’ = KN

N’ er en normalisert støykomponent og K er en multiplikativ normaliseringsfaktor. For strobeinkrementet vist i fig.2a, K = 1. For strobeinkrementene vist i fig.2b, K = 4. Til slutt for strobeinkrementet vist i fig.2c, K = 0,50. De tilsvarende forhold for signalkomponenten er så

(5) S = R – N’

Fig.3 er et forenklet flytskjema som viser hvordan konseptet med synkron tidsmidling brukes i et telemetrisystem for å minimalisere den sykliske støyen og for å generere “logger” av parametere av interesse som en funksjon av borehulldybde. Vekselvis, fremvist som et telemetrisystem for brønnovervåkningsanordninger, presenteres logger av parametere av interesse vanligvis som en funksjon av tid. Inkrement kompositt støysignaler eimåles ved 70. Fortrinnsvis er komposittsignalet R samtidig målt ved 80. Støykomponenten N beregnes ved 72 i samsvar med ligningen (2). En normalisert støykomponent N’ beregnes ved 74 i samsvar med ligning (4). Komponentene R og N’ kombineres ved 76 for å bestemme signalkomponenten S i samsvar med ligning (5). Signalkomponenten S brukes så for å beregne minst én parameter av interesse ved 78 ved anvendelse av et forutbestemt forhold, der det forutbestemte forholdet fortrinnsvis er i prosessoren 40. Prosedyren inkrementeres i dyp ved 82 hvis systemet er et MWD-loggingsystem, og de tidligere beskrevne trinn gjentas ved nye dyp. Hvis systemet er et brønnovervåkingssystem, så inkrementeres prosedyren ved 82 i tid og de tidligere beskrevne trinn gjentas på samme måte.

Resultater

Fig.4 viser den målte responsen av et MWD elektromagnetisk telemetrisystem for en overflatetranceiver 32 (se fig.1). Illustrasjonen er et plott av den mottatte informasjonen (i volt) som en funksjon av tid (i sekunder). Det skal forstås at responsen er oscillatorisk. Kun “envelope” 90 av responsen definert ved en øvre begrensningskurve 92, og en nedre begrensningskurve 94 er vist for klarhet av illustrasjon. Den oscillatoriske naturen av den målte informasjonen vil bli vist i en påfølgende illustrasjon.

Det refereres igjen til fig.4 der delen av “envelopen” 90 identifisert ved 92 viser telemetrisystemresponsen uten noen datatransmisjon og ingen rotasjon av borestrengen. Ved et tidspunkt identifisert ved 102, initieres signaltransmisjon fra borehullsammenstillingen, noe som resulterer i en økning av størrelsen av responsen målt ved overflatetransceiveren 32. Ved et tidspunkt identifisert ved 104, initieres rotasjonen av borestrengen ved virkning av rotasjonsbordet. Størrelsen av responsen målt ved overflatetransceiveren 32 øker ytterligere ved typisk syklisk elektromagnetisk støy produsert ved rotasjon av rotasjonsbordet eller andre roterende elementer i boreriggen. Fig.4 er derfor presentert for å illustrere den sykliske støyen produsert av en roterende borerigg, og betydningen av denne støyen ved å redusere signal til støyforholdet målt ved overflatetranceiveren 32 i det elektromagnetiske telemetrisystemet.

Fig.5 viser et enkelt inkrement kompositt støysignal eimålt over et strobeinkrement omfattende en bue på gi= 720 grader (se fig.2c). Dette strobeinkrementet utgjør selvfølgelig to omdreininger av rotasjonsbordet som vist konseptuelt med den stiplede linjen 112 ved 360 grader. Denne responsen kan inneholde både sykliske og ikke-sykliske støykomponenter. Oscillasjonsnaturen til outpu ten av overflatetransceiveren 32 er vist i kurve 110, som er et plott av et inkrement kompositt støysignal eii volt (ordinat) som en funksjon av antallet grader av rotasjonsbordrotasjon (abscisse).

Resultatene fra den sykliske støyreduksjonen er best vist ved anvendelse av hurtig fouriertransformasjon (fast Fourier transform, FFT) av de forskjellige STA trinnene beskrevet ovenfor.

Fig.6 viser en kurve 114 som representerer en hurtig fouriertransformasjon (FFT) av en oppsummering av inkrement kompositt støysignalene til formen vist i fig.5. Sagt på en annen måte representerer fig.6 de tidligere diskuterte “bilde” eller ”signatur” til de sykliske støykomponentene i frekvensområdet. Oppsummeringen uttrykkes matematisk ved ligning (2). Ordinaten er den relative effekten (power) og abscissen er frekvens i Hertz. Det er tydelig at flere sykliske støyfrekvenser er til stede, som vist ved strukturen med mange effekttopper.

Fig.7 viser en kurve 117 som representerer en FFT til komposittsignalet R output fra overflatetranceiveren 32. Komposittsignal R omfatter både en signalkomponent S og en støykomponent N som uttrykkes matematisk i ligning (1). Igjen angir den multiple power peak strukturen flere sykliske støyfrekvenser så vel som en signalfrekvens noe som man vil se i den følgende illustrasjonen.

Fig.8 er en FFT til den sykliske støy “signatur” komponenten vist i fig.7 subtrahert fra FFT til komposittsignalet R vist i fig.7. Dette trinnet uttrykkes matematisk i ligningene (3) eller (5), avhengig av den påkrevde normaliseringen. Signalet representerer responsen til sensoranordningen 14 vist i fig. 1 representert ved toppen/peaken 120 ved en frekvens identifisert ved 118. Toppene 116 til de lavere effekter representerer ikke-syklisk støy eller støy som ikke er synkron med de forutbestemte stråleinkrementene.

Ved sammenlikning av fig.8 med fig.7 er det tydelig at syklisk støy har blitt betydelig redusert for derved å fremme signal til støyforholdet til det elektromagnetiske telemetrisystemet, og igjen, forbedre nøyaktigheten og presisjonen av en hvilken som helst parameter av interesse avledet fra signalet.

Mens den foregående beskrivelsen er rettet mot de foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen, er omfanget av oppfinnelsen definert ved kravene som følger.

Claims (12)

Patentkrav

1. Elektromagnetisk telemetrisystem, k a r a k t e r i s e r t v e d at det omfatter

(a) en overflatetransceiver for måling av et elektromagnetisk komposittsignal;

(b) en trigger følsom for en stimulus og samvirkende med en strobe for å definere en flerhet av strobeinkrementer, hvor nevnte stimulus omfatter et forhåndsbestemt asimutpunkt på et rotasjonselement; og

(c) en prosessor samvirkende med nevnte overflatetransceiver

(i) for algebraisk oppsummering av elektromagnetiske inkrement kompositt støysignaler målt under nevnte flertall av strobeinkrementer for å definere en syklisk elektromagnetisk støykomponent, og

(ii) å kombinere nevnte sykliske elektromagnetiske støykomponent med nevnte elektromagnetiske komposittsignal for å tilveiebringe en elektromagnetisk signalkomponent.

2. Systemet ifølge krav 1 , hvor systemet videre omfatter:

(d) en nedihulls elektromagnetisk transceiver for transmittering av en elektromagnetisk signalkomponent fra en nedihulls sensor;

hvor den elektromagnetiske tranceiveren måler det elektromagnetiske komposittsignalet omfattende nevnte elektromagnetiske signalkomponent; og

hvor prosessoren samvirker med nevnte overflatetransceiver

(i) for algebraisk oppsummering av de elektromagnetiske inkrement kompositt støysignalene målt under nevnte flertall av strobeinkrementer for å definere den sykliske elektromagnetiske støykomponenten, og

(ii) å kombinere nevnte sykliske elektromagnetiske støykomponent med nevnte elektromagnetiske komposittsignal for å tilveiebringe nevnte elektromagnetiske signalkomponent.

3. Systemet ifølge krav 1 eller 2, hvor nevnte sykliske elektromagnetiske støykomponent er normalisert som en funksjon av nevnte definisjon av nevnte flertall av nevnte strobeinkrementer.

4. Systemet ifølge krav 1 , 2 eller 3, hvor det ytterligere omfatter et forutbestemt forhold for konvertering av nevnte elektromagnetiske signalkomponent til en parameter av interesse.

5. Systemet ifølge krav 4, hvor det ytterligere omfatter en registreringsanordning som samvirker med nevnte prosessor for å generere en logg av nevnte parameter av interesse.

6. Fremgangsmåte for bestemmelse av en elektromagnetisk signalkomponent inneholdt i et elektromagnetisk komposittsignal k a r a k t e r i s e r t v e d at fremgangsmåten omfatter trinnene:

(a) å måle nevnte elektromagnetiske komposittsignal;

(b) å definere en stimulus som et forutbestemt asimutpunkt på et rotasjonselement og å definere et flertall av strobeinkrementer med en trigger følsom for stimulusen og samvirkende med en strobe;

(c) å måle, under nevnte flertall av strobeinkrementer, elektromagnetiske inkrement kompositt støysignaler;

(d) å oppsummere algebraisk nevnte elektromagnetiske inkrement kompositt støysignaler for å definere en syklisk elektromagnetisk støykomponent; og

(e) å kombinere nevnte sykliske støykomponent med nevnte elektromagnetiske komposittsignal for å tilveiebringe nevnte elektromagnetiske signalkomponent.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6 hvor måling av nevnte kompositt elektromagnetiske signaler omfatter, under boring av et borehull,

(a1) å transmittere, med en nedihulls elektromagnetisk transceiver, en elektromagnetisk signalkomponent fra en nedihulls sensor; og

(a2) å motta med en elektromagnetisk overflatetranceiver nevnte elektromagnetiske komposittsignal omfattende nevnte elektromagnetiske signalkomponent.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, som videre omfatter trinnet:

(f) å konvertere nevnte elektromagnetiske signalkomponent til en parameter av interesse ved anvendelse av et forutbestemt forhold.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, hvor den ytterligere omfatter trinnet med å generere en logg av nevnte parameter av interesse.

10. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 6 til 9, hvor den omfatter tilleggstrinnet med å normalisere nevnte sykliske elektromagnetiske støykomponent med en funksjon av nevnte definisjon av nevnte flertall av nevnte strobeinkrementer.

11. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 6 til 10, hvor nevnte strobeinkrementer omfatter like buer av nevnte roterende element.

12. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 6 til 11, hvor nevnte strobeinkrementer er nærliggende hverandre.