NO343462B1

NO343462B1 - Nedihulls telemetri koblingssystem for kablede rørseksjoner

Info

Publication number: NO343462B1
Application number: NO20171045A
Authority: NO
Inventors: Wallace Reid Gardner; Vimal Vinod Shah
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2019-03-18
Also published as: CN101015147A; GB2447808B; NO20171045A1; CA2563428A1; WO2006011927A3; NO20070545L; GB2447808A; WO2006011927A2; BRPI0512729A; AU2009248421B2; CN101015147B; GB0701673D0; US20070075874A1; CA2563428C; BRPI0512729B1; AU2005267551B2; GB2433527A; NO341344B1; US20050285753A1; AU2009248421A1

Abstract

Et kommunikasjonssystem benytter diskrete multitone (DMT) modulerte signaler i en kommunikasjonskanal tilformet av induktivt koblede rør. En utførelsesform innbefatter en streng av kablede rørseksjoner som inkluderer en flerhet av signalforsterkere i nedihulls kommunikasjonssystemet. Hver av de flerhet av signalforsterkere lytter etter et triggersignal, og hver av de flerhet av signalforsterkere inngår en forovermodus dersom triggersignalet identifiserer en forbindelse assosiert med signalforsterkeren.Hver av de flerhet av signalforsterkere aktiverer den første signalforsterkeren hvis det første triggersignalet identifiserer forbindelsen assosiert med den første signalforsterkeren. Hver av de flerhet av signalforsterkere videresender et etterfølgende triggersignal til en etterfølgende signalforsterker, og oppretter sekvensielt DMT-signalforbindelser langs strengen. En transmitter er koblet til en ende av strengen for å generere et DMT-modulert signal og en mottager er koblet til en motsatt ende av strengen for mottak av og demodulering av et DMT-modulert signal.

Description

Moderne petroleumboring- og –produksjonsoperasjoner krever en stor mengde informasjon vedrørende parametere og forhold nede i hullet. Slik informasjon innbefatter typisk jordformasjonskarakteristika så vel som informasjon vedrørende selve borehullet. Fremgangsmåtene som kan benyttes for innsamling av informasjon nede i hullet innbefatter: kabellogging, logging under drilling (LWD) og seismisk imaging (avbildning). Etter at en brønn er kompletert kan nedihulls datainnsamling skje ved hjelp av permanent plasserte sensorer, ved hjelp av kabellogging og ved hjelp av seismikkovervåking.

Ved vanlig kabellogging blir en sonde som inneholder formasjonssensorer senket ned i borehullet etter at brønnen er helt eller delvis boret. Sondens øvre ende er forbundet med en ledende kabel som bærer sonden i borehullet. Den ledende kabelen transporterer energi fra overflaten og til sondens instrumentasjon, og transporterer informasjon fra sondens instrumentasjon og til overflaten. Kabellogging krever vanligvis at borestrengen eller produksjonsrøret fjernes fra borehullet før loggingen kan begynne. Som følge herav kan kabellogging ikke gjennomføres under boring eller produksjon.

Ved LWD kan, som betegnelsen antyder, data samles inn under boringen. En innsamling og prosessering av data under boringen eliminerer behovet for å ta ut boreutstyret for å føre inn et kabelloggingsverktøy. LWD gir således boreoperatøren bedre kontroll, muliggjør en ytelsesoptimering og en minimiering av stopptider eller dødtid. Metoder for måling av forholdene nede i hullet som relaterer seg til boreutstyrets bevegelse og lokalisering, er kjent som ”måling under boring”-metoder eller MWD. LWD konsentrerer seg generelt mer om måling av formasjonsparametere, men uttrykkene MWD og LWD benyttes ofte om hverandre. Her skal uttrykket LWD benyttes med den forutsetning at dette uttrykket innbefatter både en innsamling av formasjonsparametere og en innsamling av informasjon som relaterer seg til boreutstyrets bevegelse og posisjon.

Ved LWD er loggeinstrumenteringen typisk plassert ved den nedre enden av borestrengen. Instrumenteringen kan virke, kontinuerlig eller intermitterende, for overvåking av på forhånd bestemte boreparametere og formasjonsdata. En eller annen form for telemetri benyttes for overføring av informasjonen til en overflate-mottager. Det foreligger ulike telemetrisystemer, herunder slampulssystemer og systemer som transmitterer akustiske signaler gjennom borestrengen.

Ved seismisk imaging transmiteres seismiske bølger gjennom jordformasjoner og reflekteres fra ulike grensesjikt og diskontinuiteter. Seismisk imaging innbefatter plassering av hundrevis av lytteinnretninger på overflaten eller i en brønnboring nær et sted hvor man ønsker informasjon vedrørende underjordiske formasjoner. Så snart lytteinnretningen er plassert, tilveiebringes det en forstyrrelse for derved å generere seismiske bølger. Når disse bølgene går gjennom formasjonene og møter laggrenser, vil noe bølgeenergi reflekteres tilbake til overflaten. Ved hjelp av egnet prosessering av de mottatte signaler kan det bygges opp et tredimensjonalt bilde av de underjordiske formasjoner.

De forannevnte datainnsamlingsmetoder benyttes primært for lokalisering og tapping av hydrokarbonforekomster. Så snart et reservoar er tappet, vil målet være å kunne ta ut så meget som mulig av hydrokarboner fra reservoaret. Sensorer kan plasseres i brønnboringen for å overvåke trykk, temperatur, fluidsammensetning og innstrømmende volum. Kabelverktøy kan benyttes for undersøkelse av tidligere ikke utnyttede muligheter. Langtids seismisk overvåking kan benyttes for identifisering av fluidmigreringsmønsteret i og rundt reservoaret.

Informasjon er nøkkelen til en profitabel olje- og gassindustri. Jo mer informasjon man har vedrørende lokaliseringen og migreringsmønsterne til hydrokarbonene i et hydrokarbonreservoar, desto mer sannsynlig er det at man kan tappe reservoaret optimalt og fullt ut trekke nytte av potensialet. For oppnåelse av dette blir det rutinemessig tilveiebragt og plassert nye og mer sofistikerte sensorarrangementer nede i hullet, slik at derved eksisterende telemetrimetoder blir inadekvate. Det er derfor ønskelig å kunne ha en kommunikasjonsmetode som kan muliggjøre høyhastighetkommunikasjon mellom nedihulls sensorer og en overflateinstallasjon.

I samsvar hermed beskrives det her et kommunikasjonssystem hvor det benyttes diskrete multitone modulerte signaler (DMT) i en kommunikasjonskanal som dannes av et induktivt koblet rør. I en utførelsesform innbefatter kommunikasjonssystemet en streng av kablede rørseksjoner som kobler en transmitter (giver) til en mottager. Hver rørseksjon i strengen har gjengede ender utformet for mekanisk forbindelse med andre rørseksjoner, en elektrisk eller induktiv kobling ved hver gjengede ende, og en isolert leder som forbinder koblingene elektrisk. Transmittere og mottageren kommuniserer via DMT-modulerte signaler som transporteres gjennom den kablede rørstrengen. Systemet kan videre innbefatte multiple slaver i strengen. Hver slave kan være utformet for mottak av et DMT-modulert signal, utvinne informasjon fra det DMT-modulerte signalet, og retransmitere denne informasjonen i form av et DMT-modulert signal.

En mer detaljert beskrivelse av ulike inventive utførelsesformer vil nå bli gitt, under henvisning til tegningen hvor

Fig. 1 viser et eksempel på et boremiljø,

Fig. 2 viser et snitt gjennom en borerørkonnektor,

Fig. 3 viser et snitt gjennom en forbindelse mellom borerør,

Fig. 4 viser en første borerør-kabling,

Fig. 5 en andre borerør-kabling,

Fig. 6 viser et første slaveutforming,

Fig. 7 viser en andre slaveutforming,

Fig. 8 viser mottagersignal-spektra,

Fig. 9A og 9B viser grafer av signalstyrke versus posisjon,

Fig. 10 viser en tredje slaveutforming,

Fig. 11 viser et mottakersignal-spekter for slaven i fig.10,

Fig. 12 viser et blokkskjema for en diskret multitone (DMT) transceiver (sender/mottager),

Fig. 13 viser et eksempel på en fremgangsmåte som kan benyttes for etablering av en multi-link kommunikasjonsstrekning, og

Fig. 14 viser et eksempel på en fremgangsmåte som kan benyttes for etablering av individuelle kommunikasjonslinker (forbindelser).

Oppfinnelsen innbefatter ulike modifikasjoner og alternativ, men bare spesifikke utførelser er vist på tegningene og beskrevet her. Det skal imidlertid være underforstått at tegningen og den detaljerte beskrivelsen ikke er ment å begrense oppfinnelsen på noen måte. Hensikten er derimot å dekke alle modifikasjoner, ekvivalenter og alternativer som ligger innenfor den inventive ramme som defineres av patentkravene.

I beskrivelsen og i kravene benyttes det visse ord og uttrykk for betegnelse av systemkomponenter. En fagperson vil vite at selskaper kan ha ulike navn for en og samme komponent. Foreliggende dokument tar ikke sikte på å skille mellom komponenter som har ulike navn, men samme funksjon. I den etterfølgende diskusjon og i kravene benyttes uttrykkene ”innbefattende” og lignende på en åpen og fri måte og uttrykket skal derfor tolkes til å bety ”innbefattende, men ikke begrenset til….”.

Uttrykket ”koble” eller ”kobling” er ment å innbefatte så vel en indirekte som en direkte elektrisk forbindelse. Dersom således en første innretning er koblet til en andre innretning, så kan forbindelsen være i form av en direkte elektrisk forbindelse, eller i form av en indirekte elektrisk forbindelse via andre innretninger og forbindelser.

Uttrykkene oppstrøms og nedstrøms refererer seg her generelt til transmisjonen av informasjon fra det underjordiske utstyr til overflateutstyret henholdsvis fra overflateutstyret og til det underjordiske utstyret. I tillegg skal det bemerkes at uttrykkene overflate og underjordisk er relative uttrykk. Det faktum at en bestemt innretning er beskrevet som værende på overflaten skal ikke nødvendigvis bety at den fysisk sett må befinne seg over jordoverflaten. Det man søker å få frem er bare den relative lokaliseringen av utstyr på overflaten henholdsvis under jorden.

Fig. 1 viser en brønn under boring. En boreplattform 2 er forsynt med et tårn 4 med en heis 6. Boring etter olje og gass skjer typisk ved hjelp av borerør som er satt sammen av seksjoner 7 for dannelse av en borestreng 8. Heisen 6 bærer et drivrør 10 som benyttes for senking av borestrengen 8 gjennom rotasjonsbordet 12. En borkrone 4 er forbundet med borestrengens 8 nedre ende. Borkronen 14 roteres ved at borestrengen 8 roterer eller ved hjelp av en nedihulls motor nær borkronen. Rotasjonen av borkronen 14 graver ut borehullet.

Borefluid pumpes ved hjelp av resirkulasjonsutstyr 16 gjennom et tilførselsrør 18, gjennom drivrøret 10 og ned gjennom borestrengen 8 under et høyt trykk og med stort volum. Borefluidet går ut gjennom dyser eller åpninger i borkronen 14. Borefluidet går så tilbake opp i hullet via ringrommet mellom borestrengen 8 og borehullveggen 20, videre gjennom utblåsningssikringen (ikke spesifikt vist) og inn i en slamkasse 24 på overflaten. På overflaten blir borefluidet renset og resirkulert ved hjelp av resirkuleringsutstyret 16. Borefluidet kjøler borkronen 14, tar med seg borkaks til overflaten og balanserer det hydrostatiske trykket i bergformasjonene.

Nedihull-instrumentrørdelen 26 kan være koblet til en telemetritransmitter 28 som kommuniserer med overflaten for tilveiebringelse av telemetrisignaler og mottak av ordresignaler. En overflate-transceiver 30 kan være koblet til drivrøret 10 for mottak av transmitterte telemetrisignaler og for transmittering av ordresignaler ned i hullet.

Alternativt kan overflate-transceiveren være koblet til en annen del av tilriggingen eller til borestrengen 8. Én eller flere slavemoduler 32 kan være anordnet langs borestrengen for mottak og retransmittering av telemetri- og ordresignaler. Overflate-transceiveren 30 er koblet til en loggingsinnretning (ikke vist) som kan samle inn, lagre, prosessere og analysere telemetriinformasjonen.

Telemetri- og ordresignalene kan sendes gjennom elektriske ledere som er lagt inn i borerørene. Koblinger i rørskjøtene kobler de elektriske lederne i et borerør til de elektriske lederne i det neste borerøret. Ulike typer koblingsmetoder er foreslått og beskrevet hos Michael J. Jellison, et al., ”Telemetry Drill Pipe: Enabling Technology for the Downhole Internet,” (SPE 79885) IADC/SPE Drilling Conference, Amsterdam, februar 2003. De foreslåtte koblingsmetoder innbefatter bruk av direkte elektriske forbindelser og induktive koblinger. I foreliggende oppfinnelse er særlig induktive koblinger av interesse.

Fig. 2 viser et utsnitt av en borerør-konnektor (en ”tappende”) 202. Borerørkonnektoren 202 har en sentral boring 204 omgitt av en avsmalnende og gjenget overflate 206. På konnektorens 202 endeflate er det en induktiv kobling 208 som omgir den sentrale boringen 204. Den induktive koblingen 208 er elektrisk forbundet med en induktiv kobling ved den motsatte enden av borrøret ved hjelp av elektriske ledere 210.

Fig. 3 viser et snitt gjennom en rørskjøt som innbefatter en tappendekonnektor 202 og en tilsvarende ”muffeende”-konnektor 302. Den induktive koblingen 208 ligger an mot en tilpasset induktiv kobling 308 i muffe-konnektoren 302. På samme måte som den induktive kobling 208 er den induktive koblingen 308 elektrisk forbundet med en induktiv kobling ved den motsatte enden ved hjelp av elektriske ledere 310. De induktive koblingene 208,308 kan være uavhengige av asimutale orienteringskrav.

Fig. 4 viser en første kabelutforming som kan benyttes sammen med de induktive koblingene. Kablingen for de to borerørene 402, 404 og konnektorene er vist. Borerøret 402 har induktive koblinger 408, henholdsvis 410 ved endene. Koblingen 408 samvirker med koblingen 406 i en hosliggende konnektor. Borerøret 404 har induktive koblinger 412 henholdsvis 414 ved endene. Den induktive koblingen 412 samvirker med den induktive koblingen 402 mens koblingen 414 samvirker med koblingen 416 på en hosliggende konnektor. Kabelutformingens symmetriske natur muliggjør en toveiskommunikasjon.

For å forstå hvordan utførelsen i fig.4 virker, antas at en vekselstrøm ”I” går gjennom den induktive kobling 406. Den induktive koblingen 406 er en vikling som tilveiebringer et magnetfelt som svar på strømgjennomgangen. Den induktive koblingen 408 er en vikling som ligger i dette magnetfeltet. Magnetfeltet induserer en strøm i den induktive koblingen 408, og denne strømmen går fra koblingen 408, og denne strømmen går fra koblingen 408 til den induktive kobling 410, hvor prosessene gjentar seg. I en utførelsesform vil signaltapet ved hver rørskjøt være en liten brøkdel av en desibel, slik at derved et signal kan kommuniseres gjennom mange borerør før det er nødvendig med en forsterkning eller en aktiv påvirkning.

Fig. 5 viser en annen kabelutforming som kan benyttes med induktive koblinger.

Figuren viser kablingen for to borerør 502,504 og hosliggende konnektorer. Borerøret 502 har induktive koblinger 508 og 510 ved de to endene. Koblingen 508 samvirker med en kobling 506 i en tilstøtende konnektor. Borerøret 504 har induktive koblinger 512 og 514 ved de to endene. Den induktive koblingen 512 samvirker med koblingen 510 mens koblingen 514 samvirker med koblingen 516 i en hosliggende konnektor. Også her muliggjør kablingens symmetriske natur en kommunikasjon i begge retninger.

For forklaring av hvordan utførelsen i fig.5 virker, antas at en vekselstrøm ”I” går gjennom den induktive koblingen 506. Den induktive koblingen 506 er en toroid som induserer et elektrisk felt (eller, dersom den er omgitt av et ledende materiale, en strømtetthetfordeling) som svar på strømgjennomgangen. Den induktive koblingen 508 er en toroid som ligger i dette elektriske feltet (eller i strømtetthetfordelingen). Det elektriske feltet (eller strømtetthetfordelingen) induserer en strøm i den induktive koblingen 508, og strømmen går fra koblingen 508 til koblingen 510, hvor prosessen gjentas. En illustrativ implementering finnes i US-patent 4605268 (”Transformer Cable Connector”).

Et signal som forplanter seg gjennom den induktivt koblede kabling i en borestreng vil påvirkes som følge av svekking, impedans-feiltilpasning ved konnektorene, og dårlig kobling ved konnektorene. Selv om disse tapene kan være små for de enkelte konnektorer og borerør, kan de kumulative tap være betydelige og store nok til å kreve bruk av en eller flere slaver, dvs. innretninger som mottar og retransmiterer informasjonen, for på den måten å overvinne signaltapene.

Fig. 6 viser en mulig slaveutforming som kan benyttes for induktiv koblet borerørtelemetri. Et borerør 602 innbefatter en slavemodul 605 som er koblet til en eller begge de elektriske ledere ved hjelp av en transformator 604. Slavemodulen 605 innbefatter en hybrid 606 og en ekko-fjerner 608. Hybriden 606 er et grensesnitt mellom en toveis kanal (de elektriske lederne i borerøret 602) og to ensrettede kanaler. Hybriden 606 mottar et transmitert signal fra ekko-fjerneren 608 og kobler det transmiterte signalet til transformatoren 604. Hybriden 606 detekterer et mottakssignal fra transformatoren 604, og sender det detekterte mottatte signal til ekko-fjerneren 608. Ekko-fjerneren 608 innbefatter et filter 610 som genererer et estimat av interferensen som skyldes det transmiterte signal, og en summerer 612 subtraherer den estimerte interferensen fra det mottatte signalet. Filteret 610 kan implementeres som et adaptivt filter i samsvar med velkjente metoder, så som beskrevet i Haykin’s Adaptive Filter Theory-bok.

Utførelsen i fig.6 benytter transformatorkobling mellom slavemodulen 605 og de elektriske lederne. Fig.7 viser en alternativ slaveutforming hvor slavemodulen 605 er elektrisk forbundet mellom de elektriske lederne i et borerør 702. I begge tilfeller er de elektriske lederne ikke avsluttet ved slavemodulen 605. Det muliggjør at signaler kan forplante seg i borestrengen og forbi slaven. Slik forplantning kan muliggjøre kontinuerlig kommunikasjon (om enn med redusert hastighet) selv når slaven svikter.

Slavemodulen 605 kan innbefatte en transmitter og mottaker utformet for henholdsvis sending og mottak av diskrete multitone (DMT) modulerte signaler. (Virkemåten til en transmitter/mottaker (transceiver) beskrives nærmere nedenfor i forbindelse med fig. 12.) fig.8 viser mottakssignalsspektra for en kanal som er delt i tre frekvensbånd.

Kanalens båndbredde er delt i et stort antall ”frekvensblokker”. Fig.8 viser fireogseksti frekvensblokker (nummerert fra 0-63) men en typisk utførelse kan ha minst 256 eller 512 blokker). Blokken eller blokkene 801 med den laveste frekvensen kan være ubenyttet for å unngå interferens fra energi- og andre lavfrekvente elektroniske signaler. Resten av blokkene kan deles i tre (eller flere) bånd 802, 804 og 806. Mellom båndene kan en eller flere blokker 803 og 805 være reservert som sikringsbånd for å forenkle signalsepareringen.

Fig. 8 viser et mottakssignalspekter i hvert av tre bånd 802,804,806. Som følge av øket kanalsvekking som en funksjon av frekvensen, vil de høyfrekvente blokker ikke kunne støtte en så høy bitrate som de nedre blokker. I samsvar med dette kan de mer høyfrekvente bånd være tildelt et større antall blokker enn de mer lavfrekvente båndene.

Fig. 9A viser en logaritmisk graf med signalenergi som en funksjon av posisjonen langs borestrengen. Det er angitt syv posisjoner langs borestrengen: en overflate-transceiver, en nedihulls transceiver og fem mellomordnede slaver. To energinivåer er angitt: et transmitteringsenerginivå og et minste mottaksenerginivå. Overflatetransceiveren transmitterer et signal 902 som svekkes under forplantningen. Den første slaven (RPTR1) mottar signalet 902 fra overflatetransmitteren, og signalet 906 fra den andre slaven (RPTR2). For å unngå interferens kommuniserer den første slaven med overflatetransmitteren i et frekvensbånd, og kommuniserer med den andre slaven i et andre frekvensbånd. Informasjon som mottas fra overflatetransmitteren i et frekvensbånd blir retransmittert i det andre frekvensbåndet, og informasjon mottatt i det andre frekvensbåndet blir retransmittert i det første frekvensbåndet.

Den første slaven transmitterer signalet 904 som svekkes under forplantningen i begge retninger. Den andre slaven mottar signalet 904 fra den første slaven, og mottar signalet 908 fra den tredje slaven (RPTR3). For å unngå interferens med signalet 902 ved den første slaven, sender den tredje slaven ingen informasjon i det første frekvensbåndet. Kommunikasjonen mellom den første og den andre slaven skjer i det andre frekvensbåndet mens kommunikasjonen mellom den andre og tredje slaven skjer i et tredje frekvensbånd. Informasjon som mottas i det andre frekvensbåndet (fra den første slaven) blir retransmitert i det tredje frekvensbåndet mens informasjon mottatt i det tredje frekvensbåndet (fra den tredje slaven) blir retransmittert i det andre

frekvensbåndet.

På tilsvarende måte mottar den tredje slaven signalene 906 og 910, idet den har forbindelse med den andre slaven i det tredje frekvensbåndet og kommuniserer med den fjerde slaven (RPTR4) i det første frekvensbåndet. Den fjerde slaven mottar signalene 908 og 912 og har forbindelse med den tredje slaven i det første frekvensbåndet og har forbindelse med den femte slaven (RPTR5) i det andre frekvensbåndet. Den femte slaven mottar signalene 910 og 914, og har forbindelse med den fjerde slaven i det andre frekvensbåndet samt forbindelse med nedihulls-transceiveren i det tredje frekvensbåndet. Nedihulls-transceiveren mottar signalet signalet 912, og har forbindelse med den femte slaven i det tredje frekvensbåndet.

Systemet kan utformes slik at slavene kan detektere signaler fra ikke-hosliggende slaver eller transceivere. Eksempelvis kan den tredje slaven kunne detektere signaler ikke bare fra den andre og den fjerde slaven, men også fra den første og femte slaven. Signalene fra mer fjerntliggende kilder kan typisk overskygges av transmisjoner fra nærliggende kilder, men en slik utforming kan muliggjøre kommunikasjon selv når en slave skulle svikte.

Fig. 9B viser eksempelvis en graf med logaritmisk signalenergi som en funksjon av posisjonen når den andre slaven har sviktet. For at kommunikasjonen skal kunne være suksessfull må systemet nå unngå interferens mellom signalene 904,910 og 912. I en utførelse passifiserer systemet den fjerde slaven, og benytter tre frekvensbånd for kommunikasjon, som tidligere. (Dvs. et første frekvensbånd for kommunikasjon mellom overflate-transceiveren og den første slaven, et andre frekvensbånd for kommunikasjon mellom den første og tredje slaven, et tredje frekvensbånd for kommunikasjon mellom den tredje og femte slaven, og det første frekvensbåndet for kommunikasjon mellom den femte slaven og nedihulls-transceiveren).

I en annen utførelse reallokerer systemet kanal-båndbredden for derved å unngå interferens og for å maksimere dataraten forbi den mottager som har sviktet. Den sviktede mottager danner en ”flaskehals” i systemet. Kommunikasjonen mellom den første og tredje slaven begrenses som følge av kanalsvekkingen, slik at det ikke oppnås noe ved å ha store datarater mellom de andre slavene og transceiverne. Derfor må det for kommunikasjoner forbi den sviktede slaven allokeres en noe større båndbredde, og disse kommunikasjonene kan skje i det frekvensbånd som har den minste svekking (typisk det laveste frekvensbåndet). Heretter skal denne båndbredden og frekvensallokeringen betegnes som ”kanal 1”. Tre andre kanaler (kanalene 2,3 og 4) er også allokert for kommunikasjoner mellom andre slaver og transceivere. Sammenlignet med de tre frekvensbånd som benyttes for systemet i fig.9A, er det å forvente at kanal 1 vil ha en signifikant større båndbredde, og at kanalene 2 til 4 vil ha signifikant smalere båndbredder.

Fordi kanal 1 er allokert for kommunikasjon mellom den første og den tredje slaven, vil dette være utgangspunktet for kanaltilordningen. Kanal 4 kan benyttes for kommunikasjon mellom overflate-transceiveren og den første slaven. Kanal 2 kan benyttes for kommunikasjon mellom den tredje og fjerde slaven, kanal 3 kan benyttes for kommunikasjon mellom den fjerde og femte slaven, og kanal 4 kan benyttes for kommunikasjon mellom den femte slaven og nedihulls-transceiveren.

De slave- utførelser som er vist i fig.6 og 7, gir en robusthet til systemet, dvs. at systemet vil kunne fortsette å virke selv om en slave skulle svikte. Ulempen er behovet for tidsdivisjon-multipleksing, frekvensdivisjon-multipleksing, eller kodedivisjonmultipleksing for å unngå interferens mellom de transmiterte signalene fra ulike slaver. Fig. 10 viser en utforming som isolerer signalene fra ulike slaver, slik at hele kanalbåndbredden kan benyttes i hvert trinn i rørledningen.

Fig. 10 viser et borerør 1002 med en slavemodul 1005 forbundet med koblinger ved motsatte ender av borerøret. Hver kobling er forbundet med en respektiv hybrid 606, som i sin tur er koblet til en korresponderende ekkofjerner 608 og en korresponderende transceiver 1004,1006. En kontroller 108 har et grensesnitt mot den enkelte transceiver 1004,1006, og styrer informasjonsstrømmen i begge retninger. Kontrolleren 1008 kan i tillegg være koblet til ulike sensorer (ikke vist) for detektering av borefluid- og brønnboretilstander rundt slaven. Kontrolleren 1008 kan legge målinger fra slike sensorer inn i informasjonsstrømmen til overflaten. Kontrolleren 1008 kan videre detektere ordrer i informasjonsstrømmen som går ned i hullet og kan tilpasse sin virksomhet i avhengighet av slike ordrer.

Hver av transceiverne 1004,1006 kan være utformet for transmittering og mottak av DMT-modulerte signaler. Fig.11 viser et mottakerspekter som kan støttes av den i fig.

10 viste slaveutforming. Kanal-båndbredden er delt i flere frekvensblokker i like avstander, og den eller de laveste frekvensblokkene kan forbli ubenyttet for derved å unngå interferens fra nærliggende energisignaler. Resten av blokkene er gruppert i et enkelt kanalbånd som kan benyttes for toveiskommunikasjon.

Som nevnt foran transporterer det viste telemetrisystemet informasjon ved hjelp av diskret multitone (DMT) modulering. DMT-modulering er vanlig anvendt i ADSL-systemer (Asymmetrical Digital Subscriber Line-systemer) slik at et stort omfang av detaljer vedrørende DMT-implementeringen er tilgjengelig i ADSL-litteraturen. DMT-modulering deler frekvensspekteret i flere hosliggende frekvensblokker (se eksempelvis fig. 8 og 11). I idealtilfellet vil en frekvensblokk ha samme dataoverføringshastighet som alle de andre frekvensblokkene. Imidlertid vil dataraten eller datahastigheten for den enkelte blokk være avhengig av ulike faktorer. Eksempelvis vil interferens med en særlig frekvens kunne påvirke blokker som er sentrert nær støykilde-frekvensen. De påvirkede blokkene vil ha et lavere signal/støy-forhold og deres databærende kapasitet vil derfor være lavere enn for de andre blokkene. En annen faktor som kan påvirke datahastighetene kan være den frekvensavhengige svekkingen i de elektriske lederne, hvor det som følge av de kapasitive virkninger vanligvis vil forekomme en jevnt økende svekking ved høyere frekvenser. Andre systemkomponenter, så som transformatorer eller dårlig impedanstilpassede konnektorer, kan videre øke svekkingen ved bestemte frekvenser. ADSL-systemer vil generelt innbefatte mekanismer for innstilling av datatransmisjonshastigheten for hver blokk for derved å optimere den pålitelige datatransmisjonshastighet.

I et induktivt koblet rør vil de i jevne avstander plasserte koblinger tilveiebringe refleksjoner og stående bølger som følge av impedans-feiltilpassing. Disse refleksjoner påvirker transmisjonsspekteret til kanalen og tilveiebringer mange smale passbånd og stoppbånd. DMT-moduleringsteknikken egner seg særlig for utnyttelse av hele kanalkapasiteten. DMT-moduleringen muliggjør en allokering av data til spesifikke frekvensbånd (eksempelvis mer data til bånd med lav svekking, og lite eller ingen data til bånd med høy svekking). Generelt vil bredden til DMT-frekvensbåndene være omvendt proporsjonal med DMT-symbollengden, slik at det ved hjelp av lengre DMT-signaler kan oppnås finere kontroll av frekvensbruken.

Lengden til kanal-impulsresponsen kan benyttes som en praktisk verdi for bestemmelse av en ønsket DMT-symbollengde. Det er ønskelig å gjøre DMT-symbolet i hovedsaken lengre enn lengden til impulsresponsen (eller i det minste lengden til den ikkeneglisjerbare delen av impulsresponsen). Det vil kunne være ønskelig å benytte DMT-symboler med lengder på 1024 eller 2048 sampler (ikke inkludert den sykliske prefiks).

Slike symbollengder vil gi en i hovedsaken redusert inter-symbolinterferens (ISI) relativt signaler med høy båndbredde QAM.

Allokeringen av data til frekvensbåndene vil også være meget fleksibel, hvilket gjør at DMT-modulering egner seg særlig for endring av kanalbetingelser. Når rørstrengen underkastes kompresjons- og torsjonskrefter vil koblingene kunne utsettes for koblingsog/eller impedansendringer. DMT-transceiverne kan raskt endre dataallokeringene for derved å opprettholde dataratene ved slike kanalendringer. Fleksibiliteten til DMT-transceiverne strekker seg også til de totale datarater, som vil kunne innstilles når det skjer endringer i kanalen. Dersom én eller flere slaver svikter, kan resten av slavene og transceiverne forsøke å gå forbi den eller de sviktede slavene, uten vesentlig endring av kommunikasjonsalgoritmen. En slik fleksibilitet vil i stor grad øke kommunikasjonssystemets pålitelighet.

Fig. 12 viser en transceiver 1006, med en transmitterkjede og en mottagerkjede.

Transmitterkjeden innbefatter en datarammedanner 1202, en feilkorreksjon – koder 1204, en tone-mappedanner 1206, en omvendt IDFT-blokk (invers Discrete Fourier Transform) 1208, en syklisk prefiks-generator 1210 og et linjegrensesnitt 1212.

Mottagerkjeden innbefatter et linje-grensesnitt 1214, en syklisk prefiks-stripper 1216, en DFT-blokk (Discrete Fourier Transform) 1218, en frekvensdomene- utligner 1220, en demodulering- og blokkekstraksjonsdel 1222, en feilkorreksjons-dekoder 1224 og en CRC/avrammingsblokk 1226.

I transmitterkjeden vil datarammedanneren 1202 gruppere bites av uplink-data sammen for dannelse av datarammer. Datarammene blir så gruppert sammen med en synkroniseringsramme og en syklisk redundans-kode (CRC) som beregnes utfra innholdet i datarammene. CRC utgjør et middel for detektering av feil i data som mottas ved mottaksenden. En feilkorreksjon-koder 1204 prosesserer datarammene for å tilføre redundans til datastrømmen. Redundansen kan benyttes for detektering og korrigering av feil som skyldes kanal interferens. En RS-kode (Reed-Solomon) egner seg, men andre feilkorreksjon-koder kan også benyttes.

Tone-mappedanneren 1206 tar bits fra datastrømmen og tildeler den til frekvensblokkene. For hver frekvensblokk benyttes bitsene for å bestemme en DFT-koeffisient som spesifiserer en frekvensamplitude. Antall bits som tilordnes den enkelte frekvensblokk vil variere (dvs. at antallet kan være forskjellig fra blokk til blokk) og vil være dynamisk (dvs. at antallet kan endre seg over tid), og antallet vil være avhengig av den estimerte feilraten for hver frekvens. Mikrokontrollere eller programvare (ikke vist) i hver ende samvirker for å bestemme den feilraten som detekteres av mottakeren i hvert frekvensbånd, og for tilsvarende innstilling av tone-mappedanneren.

De koeffisienter som tilveiebringes med tone-mappedanneren 1206 blir prosessert i IDFT-blokken 1208 for generering av et tidsdomene-signal som bærer med seg den ønskede informasjon ved hver frekvens. Den sykliske prefiks-blokk 712 duplikerer endedelen av tidsdomenesignalet og tilbereder det til begynnelsen av tidsdomenesignalet. Som omtalt nærmere nedenfor muliggjør dette en frekvensdomeneutligning av signalet ved mottakerenden. Signal-med-prefiks blir så konvertert til en analog form, filtret og forsterket for transmisjon i kommunikasjonskanalen via linjegrensesnittet 1212.

I mottakerkjeden vil linjegrensesnittet 1214 filtrere det mottatte signalet, konvertere det til digital form, og gjennomføre enhver ønsket tidsdomene-utligning. Tidsdomeneutligningen vil i det minste delvis kompensere for distorsjon eller forvrengning introdusert av kanalen, men sannsynligvis vil i det minste noe intersymbol-interferens bli igjen. Stripperblokken 1216 fjerner de sykliske prefikser som ble tilført i kildens prefiksblokk (motparten til blokken 1210), men etterslepende intersymbol-interferens fra den sykliske prefiks vil forbli i signalet. DFT-blokken 1218 gjennomfører en DFT på signalet for oppnåelse av frekvenskoeffisientene. Om så ønskes kan frekvensdomene- utligningen gjennomføres i blokken 1220 for å kompensere for resterende intersymbol-interferens. Det skal nevnes at frekvensdomene-utligningen av DFT-koeffisientene er en syklisk konvoleringsoperasjon som vil føre til uriktige utligningsresultater dersom den sykliske prefiks ikke ble transmittert over kanalen.

Blokk 1222 ekstraherer databits fra frekvenskoeffisientene ved hjelp av en invers mappedannelse i kildens tone-mappedanner (motparten til mappedanneren 1206).

Dekoderen 1224 dekoder datastrømmen ved korreksjon av slike feil som ligger innenfor dens korrigeringsevne. De-mappedanneren 1226 identifiserer og fjerner synkroniseringsinformasjon, og bestemmer hvorvidt CRC indikerer tilstedeværelsen av feil. Dersom feil ikke foreligger, sendes dataene til utgangen. Hvis ikke gis kontrolleren beskjed om feil i dataene.

Fig. 13 viser en fremgangsmåte som kan implementeres av overflate-transceiveres kontroller for å initialisere de ulike transceiverne (heretter skal uttrykket ”transceiver” innbefatte enhver slave) og etablere en fullstendig kommunikasjonsstrekning mellom overflaten og nedihulls-transceiverne. Hvert ledd mellom transceiverne tilordnes en egen indeks og et korresponderende unikt triggersignal. Triggersignalet kan være en tone eller en kombinasjon av toner som benyttes for å be de tilordnede transceivere om å etablere kontakt via forbindelsen. I en implementering er indeksen et binært ord med en bit for hver transceiver. Forbindelsen identifiseres da ved å sette to av bitverdiene til ”1”, nemlig de to bitverdiene som assosieres med transceiverne ved endene av forbindelsen eller linken. Triggersignalet kan da være et par av toner, idet hver tone indikerer en av transceiverne.

I blokken 1302 gir kontrolleren linkindeksen en viss utgangsverdi. Deretter, når linkindeksen inkrementeres i blokken 1304, vil linkindeksen sykle gjennom forbindelsene mellom transceiverne fra overflaten og til nedihull-utstyret. I blokken 1306 sender overflate-transceiveren det korresponderende triggersignal. Etter sendingen av triggersignalet vil kontrolleren enten motta en rapport om suksessfull sending, eller vil ta en time-out etter en på forhånd bestemt tid. I blokken 1308 vil kontrolleren teste for å fastslå hvorvidt en suksessfull rapport er mottatt. Er det tilfellet, så vil kontrolleren i blokken 1310 teste for å bestemme om flere forbindelser må etableres. Dersom det er et behov for etablering av flere forbindelser eller linker, så går kontrolleren tilbake til blokken 1304. Hvis ikke vil kontrolleren transmittere en startordre i blokken 1312, for fullstendiggjøring av kommunikasjonsstrekningen.

Dersom kontrolleren i blokken 1308 bestemmer at det ikke er mottatt noen skikkelig rapport, så vil kontrolleren forsøke å etablere en forbiløpsforbindelse utfra blokken 1314. I blokken 1314 stiller kontrolleren forbiløpsindeksen på en viss utgangsverdi. Når deretter forbiløpsindeksen inkrementeres i blokken 1316, vil forbiløpsindeksen sykle gjennom forbiløpsforbindelsene fra den siste suksessfulle forbindelsen og til nedihullsutstyret. På samme måte som ved forbindelsesindeksen vil forbiløpsindeksen kunne implementeres som et binært ord med en bit for hver transceiver. Forbiløpsforbindelsen identifiseres ved at to ikke-hosliggende bitverdier settes til ”1”, nemlig de to bitverdier som assosieres med transceiverne ved endene av forbiløpsforbindelsen. Triggersignalet for forbiløpsforbindelsene kan implementeres på samme måte som tidligere.

I blokken 1318 transmitterer kontrolleren et triggersignal for forbiløpsforbindelsen. Etter sendingen av triggersignalet vil kontrolleren enten motta en rapport som angir suksessfull sending, eller det tas en time-out etter en på forhånd bestemt tid. I blokken 1320 vil kontrolleren teste for å bestemme hvorvidt en suksessfull rapport er mottatt. Er det tilfelle, så går kontrolleren tilbake til blokken 1310. Hvis ikke vil kontrolleren i blokken 1322 teste for å bestemme hvorvidt flere forbiløpsforbindelser bør etableres. Er det tilfelle, så går kontrolleren tilbake til blokken 1316. Hvis ikke, vil kontrolleren rapportere feilen vedrørende etableringen av en fullstendig kommunikasjonsstrekning i blokken 1324.

Fig. 14 viser en fremgangsmåte som kan implementeres av kontrollerne for hver av transceiverne (inklusiv overflate-transceiveren). I blokken 1402 avventer kontrolleren et triggersignal. I blokken 1404 bestemmer kontrolleren hvorvidt triggersignalet identifiserer en av forbindelsene eller forbiløpsforbindelsene som er assosiert med transceiveren. Dersom transceiveren ikke er assosiert med den identifiserte forbindelsen, går kontrolleren tilbake til blokken 1402. Ellers vil kontrollen starte en aktiveringsfase i blokken 1406.

Antatt at begge transceiverne som er assosiert med en forbindelse har mottatt triggersignalet, vil begge transceiverne være i aktiveringsfasen. I aktiveringsfasen vil hver av de to transceiverne transmittere enkle toner for etablering av kontakt og for bestemmelse av hvilken som skal styre timingen av forbindelsen. I blokken 1408 vil transceiverne hver for seg bestemme hvorvidt den andre transceiveren er suksessfullt kontaktert. Hvis ikke vil transceiverne gå til lyttemodus i blokken 1402.

Er kontakt etablert, så vil transceiverne utveksle bredbåndsignaler i blokken 1410. Bredbåndsignalene muliggjør at hver enhet kan beregne den mottatte energispektertetthet, for innstilling av automatisk styrkekontroll, og for gjennomføring av en begynnende retting av utlignerne i hver mottager. Det kan også tilveiebringes en rolig periode slik at den enkelte transmitter kan kunne bestemme linjestøy eller rette inn ekkofjerner-utlignerne. I blokken 1412 bestemmer transceiverne hvorvidt eller sendingen er gjennomført på en suksessfull måte. Hvis ikke går de tilbake til lyttertilstanden i blokken 1402.

Dersom sendingen er suksessfull, vil transceiverne forsyne hverandre med basisinformasjon i blokken 1414. Basisinformasjonen innbefatter kapabilitetene til den enkelte mottager og foreslåtte datarater. Ekstra sendingssignaler sendes for å muliggjøre ytterligere utligning. I blokken 1416 kan transceiverne utveksle informasjon med hensyn til kanalmål, ønskede datarater, og andre utførelsesparametere som skal benyttes i den etterfølgende kommunikasjon.

Så snart kommunikasjonsparameterne er utvekslet vil transceiverne i blokken 1418 transmittere et signal som indikerer at kommunikasjonen er etablert. Transceiverne går så inn i en forovermodus i blokken 1420. I forovermodusen lytter hver transceiver etter triggersignaler og suksessrapporter. Ved mottak av disse vil en transceiver i forovermodus retransmittere triggersignalet eller rapporten. For å unngå uønsket gjentagelse av triggersignaler eller suksessrapporter, vil den enkelte transceiver ignorere triggersignaler eller suksessrapporter som motta innenfor et på forhånd bestemt intervall etter en retransmittering av et slikt signal.

Hver transceiver som går inn i forovermodus vil gå ut fra denne når noe av det følgende skjer: den forutbestemte forsinkelse utløper, en startordre mottas, eller det mottas et triggersignal som identifiserer en forbindelse assosiert med vedkommende transceiver.

I blokken 1422 vil transmitteren bestemme hvorvidt den forhåndsbestemte tiden er utløpt. Er det tilfelle, så vil transceiveren gå tilbake til lyttetilstanden i blokken 1402. Hvis ikke vil transceiveren i blokken 1424 bestemme hvorvidt en startordre er mottatt. Er det tilfellet, så går transceiveren til en kommunikasjonsmodus i blokken 1426. Hvis ikke vil transceiveren, i blokken 1425, bestemme hvorvidt et assosiert triggersignal er mottatt. Er det tilfellet, så vil transceiveren gå til blokken 1406. Hvis ikke, vil transceiveren gå tilbake til forovermodusen 1420.

I blokken 1426 vil transceiverne begynne å kommunisere via forbindelsene, med sending av meldinger mellom frekvensbåndene og retransmitering som beskrevet foran i forbindelse med fig.9A-9B. Når de mister energi eller mottar et triggersignal, vil transceiverne gå ut fra kommunikasjonsmodus. I blokken 1428 vil transceiveren bestemme hvorvidt et triggersignal er mottatt. Er så tilfelle, vil den gå til lyttetilstanden i blokken 1402.

De her beskrevne systemer og fremgangsmåter forventes å muliggjøre en pålitelig kommunikasjon med høy datahastighet mellom nedihull-sensorer. Slik kommunikasjon forventes i sterk grad å bidra til å bedre den totale sikkerheten, idet boreoperatøren raskt vil få beskjed om nedihull-tilstander, herunder plutselige fluidinnbrudd og kritiske poretrykk. Begge de sistnevnte informasjoner er viktige i forbindelse med utblåsningshindring. Slik informasjon kan muliggjøre en sikker, nær-balansert boring, med mulighet for gjennomføring av mer økonomiske boreoperasjoner.

Claims

Patentkrav

1. Kommunikasjonsfremgangsmåte for bruk i et nedihulls-kommunikasjonssystem som innbefatter signalforsterker (6051005), k a r a k t e r i s e r t v e d at fremgangsmåten innbefatter;

lytte etter et triggersignal (902) ved en første signalforsterker i nedihullskommunikasjonssystemet;

bestemme om det første triggersignalet identifiserer en forbindelse som er assosiert med den første signalforsterkeren;

aktivere den første signalforsterkeren dersom det første triggersignalet identifiserer forbindelsen assosiert med den første signalforsterkeren;

videresende et andre triggersignal (904) til en andre signalforsterker ved hjelp av den første signalforsterkeren;

etablere DMT-signalforbindelser mellom den første signalforsterkeren og den andre signalforsterkeren; og

sende en startordre fra en transmitter på overflaten og derved å påbegynne kommunikasjoner i en kommunikasjonsstrekning som innbefatter DMT-signalforbindelsene.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t

v e d at etableringen av DMT-signalforbindelsene innbefatter:

dersom triggersignalet ikke identifiserer forbindelsen assosiert med den første signalforsterkeren,

forsøk på å etablere en DMT-signalforbindelse med en etterfølgende signalforsterker, idet den nevnte neste signalforsterker forbigås.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t

v e d en allokering av ikke-overlappende frekvensbånd til hosliggende signalforsterkere.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, k a r a k t e r i s e r t

v e d en fortrinnsvis allokering av det frekvensbånd som har den minste svekking til enhver DMT-signalforbindelse som går forbi en signalforsterker.

5. Nedihulls- kommunikasjonssystem innbefattende en streng (8) av kablede rørseksjoner (402, 404) som inkluderer en flerhet av signalforsterkere (605, 1005) i nedihulls- kommunikasjonssystemet;

k a r a k t e r i s e r t v e d at hver av de flerhet av signalforsterkere (605, 1005) lytter etter et triggersignal, og hver av de flerhet av signalforsterkere inngår en forovermodus dersom triggersignalet identifiserer en forbindelse assosiert med signalforsterkeren;

hver av de flerhet av signalforsterkere (605, 1005) aktivere den første signalforsterkeren hvis det første triggersignalet identifiserer forbindelsen assosiert med den første signalforsterkeren;

hver av de flerhet av signalforsterkere (605, 1005) videresender et etterfølgende triggersignal til en etterfølgende signalforsterker, og opprette sekvensielt DMT-signalforbindelser langs strengen;

en transmitter koblet til en ende av strengen for å generere et DMT-modulert signal; og en mottager koblet til en motsatt ende av strengen for mottak av og demodulering av et DMT-modulert signal.

6. System ifølge krav 5, k a r a k t e r i s e r t v e d at etableringen av DMT-signalforbindelsene innbefatter:

dersom triggersignalet ikke identifiserer forbindelsen assosiert med hver av de flerhet av signalforsterkere (605, 1005), forsøk på å etablere en DMT-signalforbindelse med en etterfølgende signalforsterker, idet den nevnte neste signalforsterker forbigås.

7. System ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d som en del av opprettingen av DMT-signaler langs strengen, allokere signalforsterkere ikkeoverlappende frekvensbånd til hosliggende signalforsterkere.

8. System ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d som en del av allokering av frekvensbånd, mottagere fortrinnsvis allokerer frekvensbånd som har den minste svekking til enhver DMT-signalforbindelse som går forbi en

signalforsterker.