NO321293B1 - Signalbehandlingssystem og fremgangsmate for a skille refleksjonsstoy fra datasignaler ved akustisk bronntelemetri - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt systemer for måling-under-boring. Mer spesielt angår foreliggende oppfinnelse nedhulls dataoverføring i et system for måling-under-boring (MWD-system). Nærmere bestemt vedrører foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte og et apparat for å behandle støy og re-fleksjoner fra en bølgeform mottatt på overflaten for å gi et mer nøyaktig bilde av et signal som er sendt nede fra hullet.

Tidligere kjent teknikk

Moderne petroleumsborings- og produksjonsoperasjoner krever store mengder informasjon vedrørende parametere og tilstander nede i borehullet. Slike informasjoner innbefatter vanligvis karakteristikker ved de grunnformasjoner som gjennomtrenges av borehullet, i tillegg til data vedrørende selve borehullets dim-ensjon og utforming. Innsamlingen av informasjon vedrørende tilstander nede i borehullet, blir vanligvis kalt "logging". Logging har vært kjent på området i mange år som en teknikk for å tilveiebringe informasjon vedrørende den spesielle grunn-formasjon som gjennombores, og kan utføres på mange måter. Ved konvensjonell kabellogging av oljebrønner blir en probe eller "sonde" senket ned i borehullet etter at en del av eller hele brønnen er blitt boret, og blir brukt til å bestemme visse karakteristikker ved de formasjoner som gjennomskjæres av borehullet. En kabel-sonde kan innbefatte en kildeanordning for å sende energi inn i formasjonen, og én eller flere mottakere for å detektere den energi som reflekteres fra formasjonen. Forskjellige sensorer er blitt brukt til å bestemme spesielle karakteristikker ved formasjonen, innbefattende nukleære sensorer, akustiske sensorer og elek-triske sensorer. Sonden er vanligvis konstruert som en hermetisk tett stålsylinder som kan romme sensorene, og som henger i enden av en lang kabel. Kabelen gir mekanisk understøttelse for sonden og tilveiebringer også en elektrisk forbindelse mellom sensorene og tilhørende instrumentering i sonden, og elektrisk utstyr som er anbrakt på overflaten. Vanligvis leverer kabelen driftskraft til sonden og blir brukt som en elektrisk leder til å sende informasjonssignaler fra sonden til overflaten og for styresignaler fra overflaten til sonden. I samsvar med konvensjonelle teknikker blir forskjellige parametere ved grunnformasjonene målt og korrelert med sondens posisjon i borehullet, etterhvert som sonden blir trukket oppover.

Selv om kabellogging er nyttig ved innsamling av informasjon vedrørende formasjoner nede i et borehull, har den likevel visse ulemper. Før kabelloggings-verktøyet kan kjøres i borehullet, må f.eks. først borestrengen og bunnhullsanordningen fjernes, eller trippes, fra borehullet, noe som resulterer i betydelige kostna-der og tap av boretid for boreoperatøren (som vanligvis betaler daglige avgifter for leie av boreutstyr). Fordi kabelsonder i tillegg er ute av stand til å innsamle data under den virkelige boreoperasjon, må boreoperatører eventuelt ta beslutninger (slik som retningen det skal bores i, osv) uten tilstrekkelig informasjon, eller også påta seg kostnaden ved å fjerne borestrengen for å kjøre en loggesonde for innsamling av mer informasjon vedrørende tilstander nede i borehullet. Fordi kabellogging skjer en forholdsvis lang tid etter at borehullet er boret, kan i tillegg nøy-aktigheten av kabelmålingen være tvilsom. Som fagfolk på området vil forstå, har borehullstilstander en tendens til å bli forringet etter hvert som borefluider innvade-rer formasjonen i nærheten av borehullet. I tillegg kan borehullsformen forringes, noe som reduserer nøyaktigheten av målingene.

På grunn av disse begrensninger i forbindelse med kabellogging, er det i den senere tid lagt økende vekt på innsamlingen av data under selve boreprosessen. Ved å samle inn og behandle data under boreprosessen uten at det er nød-vendig å trekke opp boreanordningen for å sette inn et kabelloggingsverktøy, kan boreoperatøren foreta nøyaktige modifikasjoner eller korreksjoner i sanntid, etter behov, for å optimalisere boreytelsen. For eksempel kan boreren endre vekten på borkronen for å få bunnhullsanordningen til å bore i en spesiell retning. Måling av formasjonsparametere under boring og forhåpentlig før invasjon av formasjonen øker dessuten nytten av de målte data. Tilveiebringelse av formasjons- og bore-hullsmålinger under boring kan videre spare den ytterligere riggtid som ellers ville være nødvendig for å benytte et kabelloggingsverktøy.

Teknikker for måling av tilstander nede i et borehull og bevegelsen og posisjonen av boreanordningen samtidig med boringen av brønnen har blitt kjent som "måling-under-boring"-teknikker eller "MWD" (measurement-while-drilling). Lig-nende teknikker som er mer konsentrert om måling av formasjonsparametere av den type som foretas i forbindelse med kabelverktøy, er vanligvis blitt kalt "logging-under-boring"-teknikker eller "LWD" (logging-while-drilling). Selv om det kan være forskjeller mellom MWD og LWD, blir uttrykkene MWD og LWD ofte brukt om hverandre. I forbindelse med denne beskrivelsen vil uttrykket LWD blir brukt i den betydning at uttrykket omfatter både innsamling av formasjonsparametere og innsamling av informasjon vedrørende posisjonen til boreanordningen mens bunnhullsanordningen er i brønnen. Målingen av formasjonsegenskaper under boring av brønnen ved hjelp av LWD-systemer forbedrer tidsriktigheten av måledataene og øker følgelig effektiviteten av boreoperasjonene. Vanligvis blir LWD-måltnger brukt til å fremskaffe informasjon vedrørende den spesielle informasjon som borehullet gjennomskjærer.

Det vises til fig. 1 hvor det er vist et LWD-system. En brønn eller et borehull 100 inneholder en borestreng eller et borerør 110 som innbefatter et hult midtom-råde 111 og definerer et ringrom 130 (området mellom utsiden av borestrengen og omkretsen av borehullet). Det er også vist et stigerør 115 som over jordoverflaten {eller riggens dørk) 117 er forbundet med et trykkutjevningskammer 160, en trykktransduser 150, en signalprosessor 155 gjennom en overføringslinje 158 og transduseren 150, en slampumpe 120 og borestrengen 110. Trykkutjevningsanordningen 160 inneholder et høytrykksområde 162 og en gummiskillevegg 164. Borkronen 125 er festet til borestrengen 110 ved den nedre ende av borestrengen. Senderen 140, en del av bunnhullsanordningen (ikke vist i sin helhet), er anbrakt nær bunnen 111 av borestrengen i nærheten av borkronen 125.

En grop på jordoverflaten (ikke vist) inneholder vanligvis borefluid eller slam 122. Slampumpen 120 tvinger borefluidet 122 inn i området 111 i borestrengen

hvor det flyter i en nedadgående retning som antydet med pilen 124. Til slutt kommer det ut gjennom borestrengen via åpninger i borkronen 125 og sirkuleres oppover via ringrommet 130, som antydet ved strømningspilene 126. Borefluidet smø-rer derved borkronen og bærer med seg formasjonskutt til jordoverflaten. Borefluidet blir tilbakeført til gropen for resirkulasjon.

Den akustiske senderen 140 genererer et informasjonssignal 170 som er representativt for målte parametere nede i borehullet, informasjonssignalet 170 er vanligvis et akustisk pulssignal som forplanter seg i retning oppover 175 langs slamsøylen (inne i området 111) med lydhastigheten. En egnet type akustisk sender anvender en anordning kjent som en "slamsirene" som innbefatter en slisset stator og en slisset rotor som roterer og gjentatt avbryter strømningen av borefluid for å etablere et ønsket akustisk bølgesignal i borefluidet. En slik slamsirene ar-beider konvensjonelt ved bærefrekvenser i området fra 12 Hz til 24 Hz, med data-overføringshastigheter i området fra 3 biter pr. sekund (bps) til 6 bps. Andre akustiske sendere er også kjent. Disse alternative senderne har lavere dataoverfør-ingshastigheter omkring 1 bps og et frekvensspektrum i området til slampumpe-støyen, slik at signaler er vanskeligere å gjenvinne ved transduseren 150. Driv-elektronikk (ikke vist) i bunnhullsanordningen innbefatter en egnet modulator slik som en faseskiftnøklet (PSK) modulator, en frekvensskiftnøklet modulator (FSK), eller en amplitudemodulator (AM), som hver på konvensjonell måte frembringer drivsignaler for tilførsel til senderen 140. Trykktransduseren 150 mottar den akustiske slambølge 170 ved et sted på overflaten, slik som på jordoverflaten. Trykktransduseren 150 som f.eks. er en piezoelektrisk transduser, omformer de mottatte akustiske signaler til elektroniske signaler. Transduseren 150 mater ut den mottatte bølgeform til signalprosessoren 155 via overføringslinjen 158. Signalprosessoren 155 virker til å behandle og demodulere de mottatte signaler.

Falske signaler og støy langs slamsøylen kompliserer tolkningen i signalprosessoren 155 av et akustisk signal 170 mottatt ved trykktransduseren 150. For eksempel gjør den støy som genereres av boreanordningen, strømningen av slam gjennom borestrengen, oppmalingen av borekomponenter og annen mekanisk og omgivelsesmessig støy det vanskelig for trykktransduseren 150 å motta den utsendte akustiske bølge 170 og isolere de data som inneholdes i den akustiske bølgeform fra uvedkommende støy. Spesielt genererer driften av slampumpen 120, og spesielt virkningen av dens stempler (ikke vist), betydelig akustisk støy.

I tillegg til støy er refleksjon av akustiske signaler et betydelig problem. Ved generering av et akustisk signal 170 i senderen 140, forplanter det akustiske signal seg oppover 175 mot og forbi trykktransduseren 150. Det akustiske signal kan så reflekteres fra slampumpen 120, trykkutjevningsanordningen 160, eller begge. De reflekterte signaler kastes tilbake og forplanter seg i motsatt retning, nemlig nedover 124 tilbake mot den akustiske sender 140. Derfor er det spesielt vanskelig for trykktransduseren 150 å skjelne om en mottatt bølgeform er en oppadkommende bølgeform, en nedadgående bølgeform eller en kombinert bølgeform. Hvis trykktransduseren 150 er anordnet ved en node hvor de oppadkommende og nedadgående signaler kanselleres, vil trykktransduseren 150 i virkeligheten feilaktig indikere at intet signal er blitt sendt av senderen 140 nede i borehullet. Selv om trykktransduseren 150 ikke er anbrakt ved en slik node, kompliserer forekomsten av de reflekterte, nedadgående akustiske signaler fra slampumpen og trykkutjevningsanordningen analysen av den mottatte bølgeform. Disse effektene er i tillegg til den støy som skapes av slampumpens stempler.

Slampumpen 120 virker som en faststoffreflektor for det akustiske signal 170. Ved ankomst ved slampumpen 120 blir derfor signaler fra senderen 140 reflektert tilbake i motsatt retning. Disse reflekterte signalene opprettholder tilnær-met den samme amplitude og frekvens som de opprinnelige signaler 170, men har vanligvis forskjellige faser. Selv om det ikke er noen merkbar forskjell i området for de tilgjengelige overføringshastigheter, dempes disse signalene, ved lave frekvenser, langsommere, og dermed blir refleksjonsfenomenet fra slampumpen mer betydelig. Foreliggende overføringsfrekvenser er som sådanne alle "lave" nok til at dette blir et betydelig problem. Den nøyaktige beskaffenheten av det signal som reflekteres fra en slampumpe, er vanskelig å forutsi av en lang rekke grunner. For eksempel er det en mengde forskjellige leverandører av slampumper, og slampumpepakninger kan være i forskjellige slitasjetilstander fra pumpe til pumpe.

Trykkutjevningsanordningen 160 innbefatter et høytrykksområde 162 og en gummiskillevegg 164. Gummiskilleveggen 164 og høytrykksområdet 162 absorbe-rer i kombinasjon energi fra systemet og demper derved mange av de transienter som er tilstede i boresystemet. Slik absorpsjon av energi bidrar til å sikre at systemet blir og forblir stabilt. Stabilitet i systemet minimaliserer muligheten for at energi fra slampumpestemplene sprenger eller på annen måte skader rørledningen i borestrengen 110. Dette fordelaktige trekket ved trykkutjevningsanordningen 160 blir imidlertid dempet av trykkavlastningens tilbøyelighet til å reflektere og for-vrenge akustiske bølger. Akustiske signaler, og spesielt akustiske signaler ved lavere frekvenser, reflekteres eller kastes tilbake fra trykkavlastningsanordningen 160. Refleksjonsfenomenet fra trykkavlastningsanordningen betyr mer jo lavere frekvensene er. Beskaffenheten av de signaler 190 som reflekteres fra trykkavlastningsanordningen 160, er vanligvis mer komplekse enn beskaffenheten av slampumpesignal-refleksjonen 180. Et signal 190 reflektert fra trykkutjevningsanordningen 160 har ikke bare en endret fase sammenlignet med det utsendte signal 170, men kan også ha en betydelig forskjellig amplitude og frekvensfordelin-ger. Igjen er den nøyaktige beskaffenhet av den reflekterte bølgeform 190 vanskelig å forutsi.

Pumpestøy og reflekterte signaler ødelegger derfor ofte signal 170 som mottas av transduseren 150. Ødeleggelsen av signalet forringer signal/støy-forholdet til bølgeformen som mottas av transduseren 150. Som kjent minsker et lavere signal/støy-forhold påliteligheten til den mottatte bølgeform og begrenser dermed dataoverføringshastigheten. Omvendt øker et høyere signal/støy-forhold påliteligheten til den mottatte bølgeform og muliggjør en øket dataoverførings-hastighet.

Foreliggende oppfinnelse er derfor nødvendig for å eliminere meget av støyen og de reflekterte signaler fra slamstrømmen slik at transduseren 150 bedre kan motta det datakodede signal 170 fra slamstrømmen. Ideelt vil en slik oppfinnelse ikke være avhengig av kjennskap til den bølgeform som svarer til støyen og de reflekterte signaler. En slik oppfinnelse kan fortrinnsvis installeres på overflaten, hvor de akustiske signaler vanligvis mottas, for ikke å komplisere anordning-ene nede i borehullet. En slik løsning kan i tillegg fortrinnsvis integreres i et kjent MWD-system for å minimalisere omkostningene.

Oppsummering

Foreliggende oppfinnelse angår et signalbehandlingssystem for å skille et overføringsmediums oppadgående og nedadgående signaler ved akustisk brønn-telemetri. Innbefattet i signalbehandlingssystemet er også en borestreng for an-bringelse i et borehull, en sender nede i borehullet som er i stand til å generere et datasignal, og et antall signalmottakere, fortrinnsvis atskilt fra hverandre som antydet ovenfor. Overføringsmediet som overfører datasignalet kan f.eks. være søylen med borefluid i borestrengen eller rørledningen til borestrengen og stigerøret. Signalmottakerne kan være transdusere. Basert på målinger tatt av signalmottakerne gjenvinner signalprosessoren det oppadkommende datasignal som genereres av senderen og forkaster støy og reflekterte signaler som forplanter seg i retning ned gjennom borehullet. For å minimalisere antallet uttak i borestrengen (stigerøret) kan transduserne være anbrakt i en forbikoplingssløyfe eller en ikke avviklet spole.

Alternativt kan foreliggende oppfinnelse betraktes som en fremgangsmåte som innbefatter å tilveiebringe både en sender og en signalkilde, hvor senderen

genererer et kodet oppadgående signal og den nedadgående signalkilde genererer f.eks. nedadgående støy eller signalrefleksjoner. En overføringsbane er tilveiebrakt mellom senderen og signalkilden med flere signalmottakere selektivt anordnet langs overføringsbanen. Målinger tatt av signalmottakerne blir brukt til å filtrere ut det kodede, oppadgående signal fra de nedadgående signaler. Fortrinnsvis be-høver bølgeformen fra signalkilden ikke å være kjent, og signalmottakerne kan være montert på overflaten.

Foreliggende oppfinnelse vedrører således en kombinasjon av trekk og for-deler som gjør det mulig å overvinne forskjellige problemer ved tidligere kjente an-ordninger. De forskjellige karakteristikker som er beskrevet ovenfor, så vel som andre egenskaper, vil være lett synlige for fagfolk på området ved gjennomgåelse av den følgende detaljerte beskrivelse av de foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen, og under henvisning til de vedføyde tegninger.

Kort beskrivelse av tegningene

For å få en mer detaljert beskrivelse av de foretrukne utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse, vil det nå bli vist til de vedføyde tegninger, hvor: fig. 1 er en illustrasjon av et LWD-boresystem;

fig. 2 er en skisse av en kjent bølgeform;

fig. 3 er et diagram som viser en kurve med tre avmerkede punkter;

fig. 4 viser en første utførelsesform av foreliggende oppfinnelse;

fig. 5 viser en annen utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; og fig. 6 viser en tredje utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelsesformer

I den følgende beskrivelse blir uttrykkene "overliggende" og "underligg-ende" brukt til å betegne den relative posisjon av visse komponenter i forhold til boreslammets strømningsretning. Når et uttrykk blir beskrevet som overliggende i forhold til et annet, er det ment å bety at boreslammet først strømmer gjennom den første komponent før det strømmer gjennom den annen komponent. Disse og andre uttrykk blir derfor brukt til å identifisere den relative posisjon av komponenter i LWD-systemet, målt langs borehullet og stigerørbanen.

Det vises nå til fig. 6 hvor et system for måling-under-boring som er bygd i samsvar med foreliggende oppfinnelse, er vist, med elementer merket på tilsvar-ende måte som på fig. 1. Foreliggende oppfinnelse krever minst to transdusere. En gruppe transdusere 650, 651, 652, 653, 654 er vist, og disse detekterer et kodet akustisk signal 170 sendt fra borehullet som forplanter seg oppover fra venstre til høyre. Riktig avstand mellom disse transduserne kombinert med målingen av data ved valgte tider, gjør det mulig å forbedre gjenvinningen av dataene i det akustiske signal 170. Foreliggende oppfinnelse filtrerer reflekterte signaler 180, 190 fra det utsendte signal 170, og filtrerer ut støy skapt av slampumpestemplene. Foreliggende oppfinnelse er spesielt robust fordi ingen informasjon om pumpe-støykarakteristikkene, refleksjonskarakteristikkene til slampumpen eller de reflek-sjonsforvrengende karakteristikkene til trykkutjevningsanordningen er nødvendig. Selv om mottakerne 650-654 er vist på fig. 6 som anordnet på linje med trykkutjevningsanordningen 160, er dette ikke nødvendig; mottakerne kan være installert i forskjellige asimutale posisjoner omkring røret. Foruten flere mottakere og målinger er i virkeligheten bare lydhastigheten gjennom slammet nødvendig.

Passende avstandsanbringelse av transdusere og tidsstyring av målinger kan bestemmes på følgende måte. Grense- og det innledende verdi-problem som styrer bølgeforplantningen i et endimensjonalt system er:

hvor subindekser betegner partielle differensialkvotienter, t er tid, x er avstand, p(x,t) er det rom/tidsavhengige akustiske trykk, og c er lydhastigheten i slam.

Generelt kan det akustiske trykk i et borerør, p(x,t), uttrykkes som summen av en oppadgående bølge, g, og en nedadgående bølge, f, dvs.

I henhold til denne nomenklaturen og anbringelsen av de akustiske signalmottakere 650-654 over senderen 140, inneholdes den informasjon fra hullet som utsendes av en sender 140 i den oppadgående bølge, g(x-ct). Reflekterte signaler og stempelstøy inneholdes i den nedadgående bølge, f(x+ct). Det er derfor ønskelig å isolere g(x-ct) fra det kombinerte felt p(x,t). Ved å ta de rom- og tidsderiverte av ligning (1) og benytte kjederegelen, får man:

hvor g' er den deriverte av g(x-ct), og f er den deriverte av f(x+ct).

Løsning av ligningene (2) og (3) for g', gir:

Ligning (4) gir den relasjon som er nødvendig for å manipulere trykkavles-ninger tatt fra forskjellige transdusere til forskjellige tider, og har til virkning å inn-fange bare den oppadgående bølge og forkaste slampumpestøy og de nedadgående reflekterte bølger. Legg merke til at det ikke er nødvendig å integrere g' for å finne g(x-ct) fordi den deriverte g' inneholder den samme fase-, amplitude- og frekvens-informasjon.

I det tilfelle at den nedadgående bølgeform er ønsket, er likeledes

Ligning (5) kan brukes hvis flere mottakere er anbrakt under senderen 140 og gjenvinningen av den nedadgående bølgeform (som inneholder kodede data) er ønskelig. I slike tilfeller vil den oppadgående bølge inneholde støy fra borkronen og akustiske bølger reflektert fra bunnen av borestrengen. Uansett kan g<*> og f tilveiebringes hvis px og pt kan finnes, samt c, lydhastigheten i slam.

Som kjent for matematikere gir den deriverte av en linjefunksjon ved et spesielt punkt linjens helning ved vedkommende punkt. Derfor svarer px og pt til helningen av en linje. Det vises nå til fig. 2 hvor det finnes en kontinuerlig bølge med frekvens f, bølgelengde X og amplitude A (f og X er relatert ved et inverst forhold slik at X = c/f). Hvis helningen ved et spesielt punkt på denne bølgen er ønskelig, er fagfolk på området oppmerksomme på en rekke forskjellige fremgangsmåter for å tilnærme helningen av en linje ved et spesielt punkt. F.eks., og under henvisning til den kurve som er vist på fig. 3, er det vist en linje 300, et første punkt xm, et annet punkt Xj og et tredje punkt xm vist. Hvert av disse punktene svarer til et par posisjoner på aksene, merket vm, yj, Vm, i-1, i, og i+1. Det er også vist laterale avstander Ax 310 og Ax 320. Selv om Ax 310 og Ax 320 er vist som om de er like, vil andre helningstilnærmeringer som er kjent for fagfolk på området, tillate at disse avstandene 310, 320 er forskjellige. Helningen ved punktet Xj kan uttrykkes som

Ligning (8) er nøyaktig i annen orden, mens ligningene (6) og (7) er første ordens nøyaktige. Ytterligere punkter kan brukes til å oppnå høyere ordens nøyak-tighet, som velkjent for matematikere med vanlige kunnskaper.

I en virkelig anvendelse kan i-1, i og i+1 tolkes som et krav om tre separate trykktransdusere montert i stigerøret (eller hvor som helst ellers langs borestrengen over senderen 140), hvor hver trykktransduser er atskilt med en transduserav-stand Ax og en rekke tidsmålinger hvor hver måling er atskilt med en tidsforsink-else på At. Ytterligere trykktransdusere kan være tilføyet for bruk av høyere ordens nøyaktighet. Forbedrede tidsderiverte blir likeledes tilveiebrakt ved hjelp av flere frekvensmålinger. Dette medfører mer tidsnivålagring og dermed mer datalag-ringskapasitet og behandlingskapasitet. Det er ikke nødvendig å ha den samme grad av nøyaktighet for både rom- og tidsderiverte tilnærmelser.

Effektiviteten av foreliggende oppfinnelse degenereres når trykktransduserne blir anbrakt for nær hverandre eller for langt fra hverandre. Likeledes bør tidsstyringen av målinger ikke være for hyppig eller for sjelden. Innledningsvis bør transduserne ikke være anbrakt for nær hverandre fordi en viss avstand mellom transduserne bidrar til å skjelne hver transduseravlesning. Samtidig bør imidlertid Ax og At være små sammenlignet med henholdsvis typiske bølgelengder og bøl-geperioder. Dette kravet kommer fra beskaffenheten av helningstilnærmelsen som gir px og pt. Det vises igjen til fig. 2 hvor man kan se at helningen langs bølgen kan endre seg betydelig fra en kvart bølgelengde til en annen kvart bølgelengde. Den totale lengde som opptas av alle trykktransduserne som er mer enn tjuefem prosent av en bølgelengde, hindrer dermed den nøyaktige tilnærmelse av linjehelnin-gen. Likeledes bør det totale tidsspenn for enhver beregning av tiden pt være mindre enn tjuefem prosent av en bølgeperiode. Avstanden og tidsmålingene bør fortrinnsvis være mindre enn tjue prosent av en bølgelengde og en bølgeperiode. Enda mer foretrukket er det at Ax bør være fem til femten prosent av en bølge-lengde og At børe være 5-15% av en bølgeperiode.

Det vises nå til fig. 1 hvor det må sørges for at transduserne 650-654 ikke anbringes for nær krumningsområdet 112. Selv om krumningsområdet 112 ikke teoretisk påvirker overføringen av akustiske signaler over lengre avstander, skaper likevel krumningen 112 lokalisert turbulens i slamstrømmen. Denne turbulensen kan forstyrre den nøyaktige gjenvinning av det akustiske signal 170 fra slammet.

En måte til å finne c, lydhastigheten i slam, er å også nødvendig. Lydhastigheten i slam kan tilnærmes med formler, eller kan estimeres, og er omkring 4000 fot/sekund. Den nøyaktige verdi av c varierer imidlertid avhengig av sammenset-ningen og viskositeten til borefluidet. For eksempel kan tilsetninger tilføres slammet for å endre dets viskositet og dermed c. For nøyaktig å gjenvinne datasignalet 170 blir det derfor foretrukket å bestemme verdien av c på borestedet. Én måte å finne c på, er å generere et akustisk signal nede i hullet ved senderen 140 under en forholdsvis rolig periode når ingen boring finner sted (og når støyen dermed er minimal). En viss tid senere blir dette signalet mottatt ved transduserne 650-654. Hvis avstanden mellom senderen 140 og transduserne 650-654 er kjent, og tiden mellom genereringen og mottakelsen av det akustiske signal også er kjent, kan lydhastigheten i slam finnes fra følgende ligning:

hvor c er lydhastigheten i slam.

En annen måte å finne c på, er å generere et akustisk signal oppe i hullet, slik som ved hjelp av slampumpen 120. Dette signalet vil forplante seg ned i hullet og bli reflektert fra enden av borestrengen og forårsake et ekko. Ved deteksjon av dette ekkoet ved transduseren 150, kan den totale forplantningstiden T til den akustiske bølge fastslås. Hvis lengden L av borestrengen også er kjent, kan c lett bestemmes fra c = 2L/T.

Som fastslått ovenfor er det nødvendig med minst to signalmottakere; imidlertid blir anvendelse av et større antall foretrukket. Bruken av mer enn to transdusere skaper ikke bare en redundans som er nyttig for feilkorreksjon, men mulig-gjør også bruk av et antall akustiske overføringsfrekvenser. Dette er nyttig fordi forskjellige akustiske frekvenser kan være å foretrekke under forskjellige forhold. Når f.eks. borestrengen er lang (f.eks. lenger enn ca. 1600 m), blir lavfrekvente akustiske signaler foretrukket fordi høyfrekvente signaler dempes og dør ut over lengre avstander. En kortere borestreng medfører mindre amplitudedempning; dermed er det mulig med en hurtigere dataoverføringshastighet ved bruk av høy-ere frekvenser. Følgelig bør en prosessor også kunne velge forskjellige målinger ved forskjellige transdusere avhengig av frekvensen av det akustiske signal.

Et MWD-system konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse kan ha fem transdusere 650-654, hvor hver av disse transduserne har en avstand fra hverandre på 3% av en lavfrekvent bærebølge. Ved høyere frekvenser kan hver transduser være atskilt fra sin nabo med 10% av en bølgelengde. Ved det lavfrekvente signal kan dermed en prosessor være programmert til å velge målingene fra transduserne 650, 652 og 654, idet disse transduserne hver er atskilt fra hverandre med seks prosent av en bølgelengde. Selvsagt kan transduserne 651 og 653 også brukes for feilkontroll og redundansformål. I alle fall kan transduserne 650 og 651 når det skiftes til et mer høyfrekvenssignal, som er atskilt fra hverandre med 10% av en bølgelengde, være et ideelt sett med transdusere. Igjen kan andre transdusere 652-654 brukes til feilkontroll og redundansformål. Som man kan se tilveiebringer dette arrangementet fleksibilitet for å endre den akustiske overfør-ingshastighet nede i borehullet mens fordelene ved filtrering av støy og reflekterte signaler i henhold til oppfinnelsen opprettholdes.

Én ulempe ved arrangementet som er vist på fig. 6, er boringen av mange uttak i stigerøret eller borestrengen. En rekke med mange uttak i stigerøret er for tiden uønsket fordi hvert uttak svekker stigerøret og kan føre til sprekker og skader. En fremgangsmåte for å redusere antallet uttak blir derfor foretrukket.

Det vises til fig. 4 hvor det opphengt mellom uttakene 420,422 er en parallell-ledning eller hydraulisk slange som fylles med slam ved pumpingen av slam inn i stamrøret. Slammet i denne hydrauliske slangen overfører derfor også akustiske signaler ettersom hvert akustisk signal avgrenes mellom stamrøret og den hydrauliske slangen. Anbrakt inne i denne slangen er flere trykktransdusere

450,451,452, 453 og 454. Hver av disse trykktransduserne 450-454 er forbundet med en signalprosessor 455. En slik utforming gjør det mulig å bore bare to uttak i stigerøret 415, og gir likevel det ønskede antall og den ønskede avstand mellom trykktransduserne 450-454. En parallellsløyfe er generelt beskrevet i US-patent nr. 5,515,336 utstedt til Wilson Chin mfl., og denne publikasjonen inntas herved som referanse.

En alternativ utførelsesform for å romme flere stigerørtransdusere er vist på fig. 5. Fig. 5 viser et stigerør 115, en slampumpe 120, en trykkutjevningsanordning 160, en signalprosessor 155, et MWD-signal 170 og en spoleanordning 500 montert i stigerøret 115. Ved spoleanordningen 115 er det montert flere transdusere 550, 551, 552, 553, 554. Spoleanordningen åpner seg ved pumping av slam og innretter seg med (fra høyre til venstre) strømmen av borefluid. En enkelt flertråds kabel 510 løper fra spoleanordningen til uttaket i stigerøret. Flerlederkabelen løper så fra uttaket i stigerøret til en signalprosessor 155 på overflaten, som mater inn signalene fra rekken med transdusere 550, 554 som er montert langs den avvik-lede spoleanordningen og bestemmer de optimale transdusere og måletidspunkt-ene som skal brukes for en spesiell frekvens og en spesiell jobb i felten. Som man kan se krever den utforming som er vist på fig. 5, bare et enkelt hull eller uttak boret i stigerøret.

Selv om foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen er blitt vist og beskrevet, kan modifikasjoner gjøres av en fagkyndig på området uten å avvike fra oppfinnelsens ramme. De oppfinnelser som er beskrevet her, er bare eksempler og ikke begrensende. Mange varianter og modifikasjoner av systemet og apparatet er mulig og ligger innenfor oppfinnelsens ramme. Istedenfor å bruke slammet som et akustisk bølgeoverføringsmedium, kan f.eks. metallrøret i borestrengen brukes. I tillegg krever ingen ting i ligningene at denne løsningen brukes utelukkende i forbindelse med LWD-systemer. Andre anvendelser som benytter et modulert signal, flere mottakere og flere målinger er også mulig. Beskyttelsesomfanget er følgelig ikke begrenset til de utførelsesformer som er beskrevet her, men bare begrenset av de etterfølgende patentkrav som også er ment å innbefatte alle ekvivalenter.

Claims (17)

1. Signalbehandlingssystem for å skille et overføringsmediums oppadgående og nedadgående signaler ved akustisk brønntelemetri som omfatter: en borestreng anbrakt i borehullet der borestrengen innbefatter en omkrets-kappe og et hult midtrom innrettet for føring av fluid; en sender tilknyttet borestrengen, idet senderen er i stand til å generere et datasignal ved en første frekvens; et overføringsmedium for overføring av datasignalet, idet senderen er i kon-takt med overføringsmediet; et antall signalmottakere tilknyttet overføringsmediet, idet antallet signalmottakere er innrettet for å motta datasignalet og at minst to av antallet med signalmottakere er atskilt fra hverandre med en avstand som er mindre enn en kvart bølgelengde av den første frekvens; og en signalprosessor tilkoplet antallet med signalmottakere, idet signalprosessoren mottar minst to målinger tatt ved nevnte antall signalmottakere, hvor det finnes en tidsperiode mellom de minst to målinger, hvor tidsperioden mellom de minst to målingene er mindre enn en kvart bølgeperiode ved den første frekvens, karakterisert ved at signalprosessoren gjenvinner det oppadgående signal fra overføringsmediet og filtrerer ut det nedadgående signal i henhold til følgende relasjon: hvor g er det akustiske trykk av nevnte oppadgående signal, g' er den deriverte av g(x-ct), p det akustiske trykket i borestrengen, c er lydhastigheten i overførings-mediet, x er avstand, t er tid, og indekser angir partielle deriverte.

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at avstanden er fra fem til femten prosent av bølge-lengden ved den første frekvens.

3. System ifølge krav 2, karakterisert ved at tidsperioden er fra fem til femten prosent av bøl-geperioden ved den første frekvens.

4. System ifølge krav 3, karakterisert ved at antallet signalmottakere er minst tre signalmottakere.

5. System ifølge krav 1, karakterisert ved at tidsperioden er fra fem til femten prosent av bøl-geperioden ved den første frekvens.

6. System ifølge krav 1, karakterisert ved at overføringsmediet er boreslam og at datasignalet er akustisk.

7. System ifølge krav 1, karakterisert ved at overføringsmediet er borestrengens omgivende kappe.

8. System ifølge krav 1, karakterisert ved at signalmottakerne er transdusere.

9. System ifølge krav 1, karakterisert ved at signalprosessoren er programmert for å gjenvinne det nedadgående signal.

10. System ifølge krav 1, karakterisert ved at datasignalet er et modulert signal.

11. System ifølge krav 1, karakterisert ved at antallet signalmottakere er anordnet i en parallell-ledning festet til borestrengen.

12. System ifølge krav 1, karakterisert ved et stigerør festet til borestrengen, idet antallet signalmottakere er anordnet langs en spoleanordning inne i stigerøret.

13. Fremgangsmåte for å skille et overføringsmediums oppadgående og nedadgående signaler ved akustisk brønntelemetri ved (a) å tilveiebringe en sender; (b) å tilveiebringe en signalkilde; (c) å tilveiebringe en overføringsbane mellom senderen og signalkilden, idet overføringsbanen har en fremadgående retning og en bakovergående retning; (d) å generere et fremadgående kodet signal ved senderen ved en valgt frekvens; (e) å generere et bakovergående signal ved signalkilden; (f) selektivt å anordne flere signalmottakere langs overføringsbanen, hvor hver av de flere signalmottakere er innrettet for å motta de fremadgående og bakovergående signaler, idet minst to av de flere signalmottakere er atskilt fra hverandre med en valgt avstand mindre enn en kvart bølgelengde ved den valgte frekvens; (g) å ta flere målinger fra de minst to av de flere signalmottakere, hvor de flere målinger er atskilt fra hverandre med mindre enn en kvart bølgeperiode; karakterisert ved at den fremadgående bølge filtreres fra den bakovergående bølge basert på de flere målinger, hvor filtreringen utføres i henhold til følgende relasjon: hvor g er det akustiske trykk av nevnte oppadgående signal, g' er den deriverte av g(x-ct), p det akustiske trykket i borestrengen, c er lydhastigheten i overføringsme-diet, x er avstand, t er tid, og indekser angir partielle deriverte.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved at hver av signalmottakerne er atskilt fra en nabo-mottaker med det valgte mellomrom mindre enn en kvart bølgelengde ved den valgte frekvens.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved at senderen er en akustisk sender og signalmottakerne er transdusere.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at signalkilden er en reflektor for det fremadgående kodede signal.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at signalkilden genererer støy.