NO173707B - System og fremgangsmaate for kommunisering av signaler i et foret borehull med produksjonsroer i - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår kommunikasjon i et borehull, og spesielt et trådløst telemetrisystem og fremgangsmåte for kommunisering i et foret borehull med produksjonsrør. Oppfinnelsen angår videre kommunikasjon og informasjon i et slikt system, i nær sann tid, under perforering, testing, stimulering (for eksempel frakturering) og produksjon.

Under perforering, testing, stimulering, behandling, og/eller produksjon i en brønn, ville det være meget fordelaktig å ha nøyaktige opplysninger angående tilstandene nede i borehullet; spesielt slike tilstander som trykk, temperatur, strømningshastighet, vekt på en pakning, o.s.v. Teknikker for å benytte informasjon angående disse tilstandene har gått fremover i de senere år. Følgelig, hvis egnet informasjon angående forholdene nede i borehullet er tilgjengelig, kan tolkingen som resulterer fra disse blir brukt til å ta avgjørelser som kan ha stor virkning på den endelige produksjon- og kostnadseffektivitet av brønnen. Et eksempel er den såkalte Nolte-Smith teknikk for tolking av fraktureringstrykk (se "Interpretation of Fracturing Pressures", Nolte og andre, SPE, 1981), som er meget brukt i industrien, og som har intensifisert ønsket om kontinuerlige trykkdata fra bunnen av hullet. Det er av stor viktighet å oppnå slike data mens de oppstår (i nær sann tid), for eksempel for å styre en fraktureringsoperasjon se for eksempel "The Real Time Calculation Of Accurate Bottomhole Fracturing Pressure From Surface Measurements", R.R. Hannah og andre,

SPE, 1983; "Predictions Of Formation Response From Fracture Pressure Behavior", M.W. Conway og andre, SPE, 1985;

11 Computer i z ed Field System For Real Time Monitoring And

Analaysis Of Hydraulic Fracturing Operations", M.P. Cleary og andre, SPE, 198 6). Imidlertid finnes så vidt vites ingen eksisterende teknikk for å oppnå målinger av tilstandene nede i hullet, som ikke har betydelige ulemper.

Blant de eksisterende teknikker for å oppnå data om tilstandene nede i borehullet med produksjonsrør på plass, er de følgende:

1. Data kan tas med et måleinstrument nede i borehullet, og hentes opp etter avslutning av jobben. Dette har den åpenbare ulempe at dataene ikke er tilgjengelige under jobben, samt begrensninger av krafttilførsel og datasamlings-evne nede i borehullet. 2. I en situasjon med pakningsløs komplettering, kan trykket i bunnen av borehullet bli anslått ved overflaten via måling av ringrommets statiske væskekolonne. Dette gir bare en lavfrekvens filtrert trykkmåling. Dessuten er foringsrøret utsatt for behandlingstrykk. 3. Tilstandene i bunnen av borehullet kan bli tilnærmet fra tilstander som måles ved overflaten, f.eks. trykk, fluid-egenskaper o.s.v. Imidlertid er nøyaktigheten av disse indirekte målingene i alminnelighet meget dårlig. En av grunnene til dette er nærheten av pumpestøy på overflaten. 4. Sensoranordninger kan plasseres nede i borehullet med en elektrisk kabel festet på utsiden av produksjonsrøret eller inne i produksjonsrøret, eller kan senkes siden for å forbindes nede i borehullet eller til å avsøke en anordning nede i borehullet. Disse teknikkene har åpenbare fordeler i at de frembringer et godt kommunikasjonssamband. I tillegg til kostnaden av kablene, er det imidlertid muligheter for at kabelen floker seg og påvirker den mekaniske konstruksjon og/eller fluidstrøm, at den brekker eller ikke gir god kontakt nede i borehullet. Dette gjør denne teknikken mindre ideell i mange anvendelser.

Tidligere kjent teknikk beskriver et antall trådløse kommunikasjonssystemer for måling under boring. Noen av disse er måling-under-boring-systemer som benytter borerøret og formasjonenen (og/eller metallforing når en slik er til stede) til å sende elektroamgnetiske signaler over en transmisjonslinje som omfatter borestrengen som en senterleder og formasjonenen (og/eller eventuelt foringsrør) som de ytre ledere.

I US patent nr. 4,057,781 er det gjort kjent et måle- og kommunikasjonssystem for måling under boring, som benytter en kabel for kommunikasjon mellom sensoranordninger nær bore-hodet, og et mellomliggende kommunikasjonssystem som først monteres på toppen av borestrengen under et rundtripp-skifte av borekronen. Mens boringen fortsetter blir borerør som er påmalt et isolerende belegg, koblet til strengen, slik at det mellomliggende kommunikasjonssystem etterhvert vil bli noen hundre fot under jordens overflate. Vektrør-beskyttere av gummi er anordnet for å hindre borerøret fra å subbe mot foringsrøret. Kommunikasjon mellom det mellomliggende kommunikasjonssystem og et kommunikasjonssystem på overflaten, er trådløst. En toroide-antenne ved det mellomliggende kommunikasjonssystem sender et signal som blir mottatt av en toroide-antenne på overflaten. Toroide-antennen ligger rundt en leder som er forbundet mellom en struktur koblet til borestrengen og foringsrøret av metall. (Patentet bemerker, at alternativt kan potensialet mellom borestrengen og forings-røret blir benyttet.) Det trådløse samband kan bli benyttet for toveis kommunikasjon, og kan også bli brukt til å sende kraftforsyning ned i borehullet for å operere uten batteri eller for ladning av batteri. Patentet nevner at et viktig trekk ved oppfinnelsen er å holde det mellomliggende kommunikasjonssystem vekk fra borekronens miljø, og nevner også at kommunikasjon mellom det mellomliggende kommunikasjonssystem og overflaten er praktisk bare over forholdsvis korte avstander, for eksempel 300 meter. Blant de praktiske begrensninger av apparatet som er beskrevet i dette patent, er behovet for en kabel mellom de mellomliggende kommunikasjoner og systemet nær bunnen av hullet, behovet for å frembringe et isolerende belegg på den øvre del av borestrengen, og den begrensende lengde av trådløs kommunikasjon.

Andre anordninger for måling under boring, kommunikasjonssystemer og kontrollsystemer er beskrevet i de følgende US patentnummere: 2,225,668 2,354,887 2,400,170 2,414,719 2,492,794, 2,653,220 2,940,039 2,989,621 2,992,325 3,090,031 3,315,224 3,408,561 3,495,209 3,732,728 3,737,845 3,793,632 3,831,138 3,967,201 4,001,773 4,087,781 4,160,970 4,215,425 4,215,426 4,215,427 4,226,578 4,302,757 4,348,672 4,387,372 4,496,174 4,525,715 4,534,424 og 4,578,675.

Fra publikasjonene US 2,411,696, GB 2,083,321 og US 3,408,561 (den sistnevnte også nevnt ovenfor) er kjent kommunikasjonssystemer for bruk under brønnboring. Disse systemene er basert på elektromagnetisk energi som sendes ut fra en spole som ligger rundt borerøret, og en mottaker er anordnet lenger oppe på røret for mottak av de utsendte signalene. Imidlertid dreier det seg ikke i noe tilfelle om benyttelse av en kombinasjon av ledende foringsrør og ledende produksjonsrør, slik at noen overføring av elektromagnetisk energi via en TEM-modus, forekommer ikke. Den koding som benyttes, er også svært forutsigbar, idet det benyttes oscil-latorer som driver modulatorer ved bruk av ikke-tilfeldige vekselstrømmer eller variable likestrømmer. Det er således behov for en mer effektiv koding og en mer effektiv kommunikasjonsform.

Mens det har vært foreslått mange forskjellige kommunikasjonssystemer for måling under boring, har det vært en mangel på gjennomførbare forslag for trådløs kommunikasjon i et foret borehull med produksjonsrør på plass, og i hvilket perforering, testing, stimulering og/eller produksjon skal gjennomføres. Muligheten for trådløs kommunikasjon i et slikt system, som kan brukes til å kommunisere informasjon i nesten sann tid og over forholdsvis lange tidsperioder, synes å være et vanskelig mål. Dette er spesielt sant hvis man ønsker å ha systemet operativt for å kommunisere med rimelig presisjon og datatakt under operasjoner som forverrer de allerede vanskelige tilstandene nede i borehullet, for eksempel testing, stimulering o.s.v. Disse operasjonene kan involvere sterke trykk, temperaturer og mekaniske vibrasjoner nede i borehullet, og ukontrollerte bevegelser av produksjonsrøret.

Oppfinnelsen defineres nøyaktig i de vedføyde patent-kravene.

Ett av formålene ved den foreliggende oppfinnelsen er å frembringe et trådløst kommunikasjonssystem og fremgangsmåte for bruk i et foret borehull som er utstyrt med produksjons-rør. Et annet formål med oppfinnelsen er å frembringe et slikt kommunikasjonssystem som kan virke under vanskelige tilstander, omfattende tilstander som virker forstyrrende på transmisjonsveien for kommunikasjon; som kan frembringe toveis trådløs forbindelse mellom jordens overflate og ett eller flere steder i borrehullet; som er i stand til å kommunisere strømforsyning til et sted nede i borehullet, hvor strøm-forsyningen blir omformet for bruk i å operere systemet nede i borehullet eller for å lagres for senere bruk for dette formål; og som benytter et kodingssystem som tillater nøyaktig transmisjon av data, og som kan bli innrettet for endringer i transmisjonsbanens karakteristika under spesielle tilstander.

Systemet og fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse har spesiell anvendelse for bruk i et borehull i jorden, som er foret med et elektrisk ledende foringsrør og med gjennomgående elektrisk ledende produksjonsrør. I henhold til systemet ifølge oppfinnelsen er det anordnet et kommunikasjonssystem for kommunikasjon mellom et sted nede i borehullet og jordens overflate. Et kommunikasjons-subsystem er montert i produksjonsrøret nede i borehullet, Subsystemet nede i borehullet omfatter en antenneanordning for å koble elektro-magnetisk energi i TEM-modus til og/eller fra ringrommet mellom foringsrøret og produksjonsrøret. Subsystemet nede i borehullet omfatter videre en sender/mottager koblet til antenneanordningen nede i borehullet, for å koble signaler til og/eller fra antenneanordningen. Et annet kommunikasjons-subsystem er plassert ved jordens overflate, og omfatter en antenneanordning for å koble elektromagnetisk energi i TEM-modus til og/eller fra ringrommet og en mottager/sender koblet til overflate-antenneanordningen for å koble signalene til og/eller fra antenneanordningen på overflaten. I henhold til et trekk ved oppfinnelsen inneholder ringrommet et i hovedsak ikke-ledende fluidum (så som diesel, råolje eller luft), i det minste i området omkring og ovenfor antenneanordningen nede i borehullet. En pakning er montert på produksjonsrøret nedenfor kommunikasjons-subsystemet i borehullet, og virker bl.a. til å hindre inntrenging av fluidum inn i ringrommet ovenfor pakningen.

En fordel med kommunikasjonssambandet som brukes i den foreliggende oppfinnelse, er at transmisjonstapene kan bli holdt forholdsvis lave (siden ringrommet mellom produksjons-røret og foringsrøret er fylt med et ikke-ledende fluidum), slik at mindre effekt er nødvendig for sending av informasjon. Dette har en tendens til å redusere kraftbehovet nede i borehullet, og tillater drift med mindre batterieffekt når et batteri blir brukt nede i borehullet. Siden kraftbehovet for datatransmisjon ikke er særlig høyt, kan dessuten datahastigheten være høyere enn den kunne om strømbesparelse var en kritisk faktor. Den forholdsvis høye effektivitet av transmisjonssambandet muliggjør også batteriløs drift eller drift med et oppladbart batteri. Dette kan oppnås ved å sende kraften ned i hullet og å bruke den mottatte kraft nede i hullet som en kilde for den kraftforsyning som energiserer utstyret og/eller lader et oppladbart batteri i borehullet. Ytterligere fordeler ved lavt kraftforbruk omfatter utvidet temperaturområde (hvor redusert batterieffekt normalt ville forventes å være en begrensende faktor), og reduserte mekaniske kostnader og verktøystørrelse, siden eliminasjon av behovet for å skifte batterier, samt mindre batteristørrelser, begge fører til fordeler ved fremstillingen. Oppfinnelsen har dessuten fordeler for bruk ved reservoar-overvåking under produksjonsfasen i en brønn.

Transmisjonssambandet i den foreliggende oppfinnelse drar også nytte av andre trekk ved oppfinnelsen, som beskrevet i detalj nedenfor. Kort sagt, det benyttes et kodingssystem med utvidet spektrum, noe som er funnet spesielt effektivt i nøyaktig overføring av informasjon over transmisjonssambandet, selv under tilstander som forårsaker betydelige tilfeldige forstyrrelser. I en utførelse av oppfinnelsen er kodings-systemet innrettet til å ta i betraktning endrede forhold i transmisjonsbanen. I en videre utførelse blir det benyttet en demoduleringsteknikk ved mottageren som forbedrer virknings-graden av kommunikasjonssystemet under tider da periodisk bevegelse av produksjonsrøret kunne forekomme.

Ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelser vil være åpenbare fra den følgende detaljerte beskrivelse, gitt under

henvisning til tegningene, hvor:

Fig. 1 er et forenklet skjematisk diagram, delvis i blokkform, av et system i henhold til en utførelse av oppfinnelsen, og som kan brukes til å praktisere fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser et blokkdiagram, delvis i skjematisk form, av måle- og kommunikasjons-subsystemet nede i borehullet. Fig. 3 illustrerer en konfigurasjon av en utførelse av

verktøyet nede i borehullet.

Fig. 4 viser et diagram, delvis i blokkform, av en utførelse av kommunikasjons-subsystemet ved overflaten. Fig. 5 illustrerer en del av en utførelse av subsystemet nede i borehullet, og omfatter en kraftforsyningskrets drevet av strøm sendt fra overflaten. Fig. 6 viser et diagram av en del av en utførelse av subsystemet nede i borehullet, som benytter to toroide-antenner. Fig. 7 illustrerer en del av en sekvens av en kode av den typen som brukes i en utførelse av oppfinnelsen. Fig. 8 viser et eksempel på bølgeformer i en mottatt melding bestående av femten biter av informasjon. Fig. 9 illustrer de tilpassede/filtrerte resultater som oppnås ved autokorrelasjon av bølgeformene på figur 8. Fig. 10 er et flytdiagram av en rutine for programmering av

prosessoren nede i borehullet.

Fig. 11 viser en annen rutine for programmering av prosessoren nede i borehullet for en testsekvens med adapt ivt kodevalg. Fig. 12 viser et flytdiagram av en rutine for programmering av prosessoren på overflaten for dekoding av informasjon kodet med spredt spektrum, sendt fra borehullet. Fig. 13 viser et flytdiagram av en annen rutine for prosessoren på overflaten, angående adaptiv kode-

modifikasjon.

Fig. 14 er et skjema av en konsentrert differensial-krets,

som setter frem modellkomponenter for systemet.

Fig. 15 er et skjema av en transmisjonslinje-modell.

Fig. 16 er et skjema av en annen transmisjonslinje-modell

med en kortsluttet seksjon.

Fig. 17 er et skjematisk diagram for parameterisering av et

koaksialt rørsystem, sett fra en ende.

Fig. 18 viser virkningene av et kortsluttet punkt på for skjellige steder langs en transmisjonslinje. Fig. 19 viser virkningene av kortslutninger av forskjellige

lengder.

Fig. 2 0 viser et flytdiagram av en rutine for demodulering

ifølge et trekk ved oppfinnelsen.

Fig. 21 - 24 illustrerer en sekvens av koder som blir sendt og mottatt under en tilstand av kortslutning, og viser effektene av å bruke en demodulasjonsteknikk ved mottakeren.

Det henvises først til figur 1 som viser et forenklet skjematisk diagram av et system i henhold til oppfinnelsen, og som kan brukes til å praktisere fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Jordformasjonene 111 er gjennomskåret av et borehull som er foret med et stålrør 115. I denne illustrasjonen er borehullet utstyrt med et stål produksjonsrør 130 som kan være konvensjonelt brukt under eller for perforering, stimulering, testing, behandling og/eller produksjon. Som brukt her er uttrykket "produksjonsrør" tenkt å generelt omfatte en langstrakt elektrisk ledende metallstruktur med en innvendig passasje som kan lede fluida gjennom hele eller det meste av dens lengde, og som har en periferi som over det meste av lengden er mindre enn radien av det forede borehull den ligger inne i.

Apparatet 14 0 nede i borehullet er montert, på figur 1, på en av de nedre seksjoner av produksjonsrøret og ovenfor en pakning 135. Apparatet 140 nede i borehullet er vist inne-sluttet i en verktøy-kapsel 141, og omfatter et sensor- og kommunikasjons-subsystem 145 og minst en antenneanordning, som i den illustrerte utførelse er en toroide-antenne 149. Beskyttelseskraver eller tyngderør som vist ved 102, er av et isolerende materiale, og hindrer kontakt mellom produksjons-røret og foringsrøret. Disse kravene er plassert med mindre avstand mellom hverandre ved større dybder for å hindre buling under de større krefter man møter. Et apparat 160 ved overflaten omfatter en overflate-antenneanordning 161 som i den foreliggende utførelse omfatter en transformator med en av viklingene koblet over foringsrøret 115 og produksjonsrøret 130 og den andre viklingen koblet til et styrings- og kommunikasjons-subsystem 165.

I den foreliggende oppfinnelse blir elektromagnetisk energi i en transversal elektromagnetisk modus (TEM) sendt inn i ringrommet definert ved region 20 inne i foringsrøret og utenfor produksjonsrøret. Et i hovedsak ikke-ledende fluidum, for eksempel diesel eller råolje eller luft, blir ført inn i ringrommet og tjener som det ikke-ledende dielektrikum i transmisjonslinje-modellen. Uten et slikt fluidum på plass, ville transmisjon over forholdsvis lange avstander (mer enn noen hundre fot) vanligvis undergå høy dempning, og være av begrenset nytte. Pakningen 135 tjener blant annet til å hindre inntrenging av ledende fluidum fra nedenfor pakningen og inn i ringrommet i transmisjonslinjen.

Antenneanordningen på overflaten kan alternativt være en toroide-antenne rundt produksjonsrøret 130, eller enhver annen passende eksitasjons- og/eller sensor-anordning som eksiterer og/eller føler elektromagnetisk energi i en TEM-modus som forplanter seg i ringrommet mellom produksjonsrøret og foringsrøret. Antenneanordningen 149 nede i borehullet kan også være enhver passende eksitasjons- og/eller sensor-anordning. I den foreliggende utførelse, hvor pakningen 135 antas å være elektrisk ledende, er det en effektiv kortslutning ved den nedre ende av den koaksielle transmisjonslinje, og toroide-antennen er en effektiv eksitasjons-og/eller sensoranordning. Om nødvendig eller ønskelig, kan en ledende pinne bli benyttet til å sikre en kortslutning mellom produksjonsrøret og foringsrøret nedenfor kommunikasjons-subsystemet nede i borehullet. (Hvis det ikke er noen slik kortslutning nær antennen nede i borehullet (for eksempel en isolerende pakning eller ingen pakning), eller antennen nede i borehullet er plassert i betydelig avstand (sammenlignet med en kvart bølgelengde) ovenfor en slik kortslutning, kan et påtrykt signal mellom produksjonsrøret og foringsrøret eller et brudd enten i produksjonsrøret eller foringsrøret være ønskelig.) Ved jordens overflate virker åpningen mellom foringsrøret og produksjonsrøret (ved en isolerende flens 131) som en åpen krets på toppen av transmisjonslinjen, slik at signaler effektivt kan føles over åpningen, for eksempel ved høyimpedans spenningsmåling eller lavimpedans strømmåling (som ville lukke den åpne kretsen).

Fra et strøm-synspunkt kan strømbanen på figur 1 tenkes som følger: ned fra den nedre overflate av en isolert brønnhode-flens 131, gjennom foringsrøret 115 til pakningen 135, over pakningen 135 til produksjonsrøret 130, opp gjennom kommunikasjonssystemet 141 nede i borehullet og produksjons-røret 13 0 til overflaten, over stoppkilen 189 (se figur 4), og ned igjen til den øvre overflate av den isolerte flens. For å hindre forstyrrelser kan man anvende en riggisolator (så som en isolerende hylse - ikke vist) og behandlingsjernisolator (så som en isolert seksjon av behandlingsjern - ikke vist).

Det henvises nå til figur 2, som viser et blokkdiagram av en utførelse av måle- og kommunikasjons-systemet 141 nede i borehullet. I illustrasjonen på figur 2 kan de følgende tilstander bli målt nede i borehullet: trykk, temperatur, dreiemoment, vekt på pakningen og fluidstrøm. Disse målingene blir tatt med sensorenhetene 210, individuelt betegnet som en trykkmåler 211, temperaturmåler 212, strekkmålere 213 og 214, og strømningsmåler 215. De elektriske utgangene av disse måleanordningene er koblet, via en analog multiplekserkrets 221, til analog/digital-omformerkretsen 226, hvis utgangssignal blir koblet til en prosessor 250. Prosessoren 250 kan være enhver passende prosessor, for eksempel en Intel 8088 mikroprosessor med tilhørende minne, inngang/utgangs-porter o.s.v. (ikke vist). Prosessoren 250 har en tilhørende presisjonsklokke 255. En trykkaktivert vekke-teller (ikke vist) kan om ønsket bli brukt til å bevirke aktivering fra en laveffekts modus, for eksempel etter start av pumping. Prosessoren 250 styrer operasjonen av de øvrige kretser nede i borehullet.

Prosessoren 250 genererer informasjonssignaler, som skal beskrives nedenfor, som blir koblet via digital/analog-omformeren 251 til en transformator-drivkrets 256. Utgangen av transformator-drivkretsen blir koblet til toroide-antennen 149, som i denne utførelsen er en toroidespole viklet på en sylindrisk kjerne 149 A. Antennen 149 er konsentrisk med produksjonsrøret 130, og genererer den elektromagnetiske energi i en TEM-modus som forplanter seg i ringrommet mellom produksjonsrøret og foringsrøret. En annen måte å se genereringen av sendt energi på, er at toroiden omfatter en vikling av en transformator i hvilken sløyfen som dannes av produksjonsrøret, pakningen, foringsrøret o.s.v. er den andre viklingen.

Figur 3 viser en utførelse av en verktøykonfigurasjon nede i borehullet. I denne illustrasjonen er subsystemet 140 nede i borehullet utformet på og konsentrisk med en seksjon av produksjonsrøret (som om ønsket eller nødvendig kan ha en noe redusert indre diameter), og omfatter spolen 149, batteriet 260, ett eller flere kretskort 205 på hvilke kan monteres kretsene på figur 2, og et egnet hus for sensorene 210. Et ytre beskyttelsesdekk 142 av metall, med åpne ender for å tillate passering av sendt og mottatt energi, er isolert fra produksjonsrøret ved en tønne-isolator 143. Man kan forstå at forskjellige alternative utforminger og anordninger av komponentene i subsystemet kan benyttes.

Det henvises nå til figur 4 som viser et diagram, delvis i blokkform, av en utførelse av overflate-kommunikasjons-subsystemet som benyttet i systemet på figur 1. Som først vist på figur 1, er en vikling av transformatoren 161 koblet mellom produksjonsrøret og foringsrøret ved flensen 131. Som vist videre på figur 4, kan denne koblingen være over en flens som er montert på foringsrøret, hvor den øvre overflate av flensen 131 er isolert fra den nedre overflate ved en isolerende pakning 137. Den andre transformatorviklingen er koblet i en balansert konfigurasjon til en forforsterker 410, og deretter til et lavpassfilter 415. Utgangen av filteret 415 er koblet til en analog/digital-omformer 420, hvis utgangssignal er koblet til prosessoren 450. Prosessoren kan for eksempel omfatte enhver passende datamaskin eller mikroprosessor med tilhørende minne, inngang/utgang-porter o.s.v.

(ikke vist). En Motorola 68000 prosessor kan for eksempel benyttes. Overflate-klokken 425 er benyttet i samband med prosessoren 450. Som beskrevet videre nedenfor, kan denne klokken være synkronisert med klokken nede i borehullet. Det er også anordnet en terminal 490 og en skriver 495.

Beskrivelsene av figurene 2 og 4 har hittil vært mest opptatt med transmisjon av signaler fra nede i borehullet til overflaten. Transmisjonssambandet ifølge den foreliggende oppfinnelse virker imidlertid i begge retninger, og kretser kan anordnes i subsystemene både på overflaten og nede i hullet til å implementere transmisjon fra overflaten til nede i hullet for styringsinformasjon og/eller kraftforsyning. På figur 4 blir informasjon fra prosessoren 450 koblet til digital/analog-omformeren 471, og deretter til transformator-drivkretsen 472 for å drive transformatoren 161 når subsystemet på overflaten opererer i transmisjons-modus. På figur 2 er toroidespolen 149 koblet til forsterkeren 271, filterkretsen 272, analog/digital-omformeren 273 og så til prosessoren 250, når systemet nede i hullet opererer i mottager-modus. Egnede svitsje- og isolasjonskretser (ikke vist) kan anordnes om nødvendig. I diagrammet på figur 2 er en ytterligere utgang av prosessoren 250 illustrert som koblet, via digital/analog-omfomeren 291 og driveren 292, til en aktivatoranordning 295 nede i borehullet. Disse anord-ningene kan i et typisk tilfelle omfatte ventiler og andre egnede typer av anordninger for aktivering fra overflaten, og/eller i henhold til en programmert borehullrutine.

Utførelsen på figur 2 viser batteriet 2 60 som strømforsyning for kretsene nede i borehullet. Transmisjonssambandet ifølge den foreliggende oppfinnelse kan også bli brukt til å sende kraft fra overflaten ned i borehullet, og kraften kan bli brukt til å drive kretsene nede i borehullet og/eller til å lade et oppladbart batteri. Som vist på figur 5 er det for eksempel en kraftforsyningskrets 520 som omfatter egnede likeretter- og filterkretser, representert ved elementene Dl, Cl og LI, koblet til antennen nede i borehullet 149 via en halvleder-svitsj 510 (styrt av prosessoren 250) og et båndpassfilter 515. I subsystemet på overflaten er en vekselstrømkilde 491 koblet til transformatoren 161 via svitsjen 492, styrt av prosessoren 450. Det er et antall muligheter med hensyn til transmisjon av kraften og dens mottagelse nede i hullet. Hvis ønsket kan kraftsignalet bli sendt under stille perioder i informasjonssignal-sendingen (enten i signalretningen ned i borehullet eller til overflaten), eller kraftsignalet kan bli sendt samtidig med transmisjonssignaler som sendes ned i borehullet over lageret på kraftsignalet. Når det gjelder mottagelse av kraftsignalet nede i borehullet, kan dette bli utført ved å bruke den samme mottagerantenne som blir brukt for informasjonssignalet, som illustrert ovenfor. På figur 6 er det illustrert en separat mottagerantenne 249 for å motta kraftsignalet. Et annet alternativ er å anordne separate antenner for sending og mottaging, på overflaten og/eller nede i borehullet.

Ifølge et trekk ved oppfinnelsen er ringrommet mellom produksjonsrøret og foringsrøret fylt (i det minste i transmisjons-sambandsområdet) med et i hovedsak ikke-ledende fluidum, for eksempel diesel, råolje eller luft. I alminnelighet, som brukt her, betyr et i hovedsak ikke-ledende fluidum et fluidum med en konduktivitet på mindre enn omkring 0,1 Siemens/meter, og man foretrekker at konduktiviteten er mindre enn omkring IO"<3> Siemens/meter. Det ønskede ikke-ledende fluidum kan bringes på plass på flere forskjellige måter. I konvensjonell kompletteringspraksis er det for eksempel anordnet en fasilitet for å sirkulere fluidum fra/til ringrommet til/fra produksjonsrøret; for eksempel en strøm-kontrollventil 105 i produksjonsrøret umiddelbart ovenfor pakningen 135 (se figur 1). Ventilen 105 kan for eksempel styres ved å rotere produksjonsrøret. Alternativt kunne denne ventilen bli forbundet med pakningen 135. Før behandling kan det eksisterende fluidum bli sirkulert ut og erstattet, om ønsket, med det ikke-ledende fluidum. Etter behandling (eller på annet ønsket tidspunkt) kan det isolerende fluidum bli sirkulert ut med konvensjonelt fluidum.

I systemet og fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse har man funnet det fordelaktig å benytte en såkalt "spredt spektrum"-teknikk for å kode informasjon for transmisjon over telemetrisambandet. For bakgrunn om spredt-spektrum teknikk, se for eksempel: "Spread Spectrum Techniques", R.C. Dixon, IEEE Press 1976; "Spread Spectrum Systems". R.C. Dixon, John Wiley & Sons 1984; "Spread Spectrum RF Schemes Keep Military Signals Safe", R. Allan, Electronic Design, april 3, 1986. Det er kjent at et smalt spektrum er analogt med en bred eller spredt usikker tidsrespons, mens derimot et bredt eller spredt spektrum er analogt med en smal og veldefinert tidsrespons. (Se for eksempel "The Fourier Integral And Its Applications", A. Papoulis, McGraw-Hill, 1962). I den kodingen som brukes her blir en kontinuerlig, monokromatisk bærebølge konseptuelt oppdelt i en sammenhengende sekvens av en-periodes småbølger eller "chips". En sekvens av fast lengde og med psevdotilfeldig fortegn (pluss-og minus) blir så tildelt et sammenhengende sett av småbølger, og utgjør således en "på"-bit av binær informasjon. Ved å reversere fortegnet (pluss eller minus) av hele den psevdo-tilf eldige sekvens, skaper man en "av"-bit av binær informasjon.

I et eksempel på dette omfatter hver melding som sendes over telemetri-systemet 15 sammenhengende biter, der hver bit er representert ved 63 psevdokodede småbølger. Som nevnt overnfor er den koden som representerer de to mulige tilstander av en bit i revers av hverandre for hver bølge. Hvis for eksempel den psevdotilfeldige kode for en "på"-bit er "1101000 —", er koden for en "av"-bit "0010111...". Figur 7 illustrerer de syv småbølger eller "chips" ved begynnelsen av denne sekvensen, hvor den øvre bølgeform viser begynnelsen av sekvensen (for denne spesielle psevdotilfeldige kode) for en "på"-bit og den nederste bølgeform viser reversmønsteret, som er begynnelsen av sekvensen for en "av,,-bit. Man kan se, at i den konvensjonen som blir brukt i denne illustrasjonen er en bølge som har en del med positiv polaritet fulgt av en del med negativ polaritet designert som en "l"-bølge, mens en bølge som har en del med negativ polaritet fulgt av en del med positiv polaritet er designert som en "0"-bølge. Hvis en "digital verdi" av informasjon (trykk, temperatur o.s.v.) oppnås ved å binde sammen femten tilstøtende biter av informasjon, vil det for en 63-bølgers kode og en bærebølge-frekvens på 500 Hz, være 15 binære bitverdier i en signalpakke av varighet 15 x 63 x (1/500) = 1,89 sekunder. Med en bærefrekvens på 1000 Hz, vil varigheten bli 0,85 sekunder o.s.v. Det velkjente Nyquist-samplingsteorem krever en samplingstakt på to ganger den høyeste frekvens som forventes i det innkommende analoge signal. Dette sikrer at den digitale signalbehandlingsteknikk vil funksjonere korrekt, og at det kontinuerlige analoge signal kan tas ut ved ethvert behandlingstrinn om ønsket. Hvis grunnsystemets bærefrekvens er 500 Hz, har det ubetydelig energi over 1000 Hz, og kan således bli tilstrekkelig samplet ved 2 000 Hz.

En bølge av signaler bærer meget lite energi, og der er mange bølgelignende kilder av støy fra hvilke signaler må trekkes ut. Det spredte spektrum binder sammen en tilstøtende sekvens av småbølger med påtrykt psevdotilfeldig kode, og skaper således et mer energiholdig, unikt signalelement. Man har vist at den alternative sammenbinding av ukodede bølger, som øker signalets totale energi og kjennbarhet, resulterer i en uønsket sammenpressing av bølgens spektrum, og er en mindreverdig fremgangsmåte for den foreliggende anvendelse. Generering av den psevdotilfeldige kode er et grundig studert emne. Optimale koder kan bli generert ved "makismalt tappede" skiftregister-konfigurasjoner med tilbakekobling. Se for eksempel "Analysis And Design Of Digital Systems" , Uzunoglu og andre, Gorden & Breach Publishers, 1984, eller Dixon 1984

(se ovenfor).

Det fundamentale signalforløp som vist på figur 7, er ikke vel plassert i tid. Dets brede, spredte spektrum sikrer imidlertid at signalforløpet ved korrekt fasefiltrering kan bli betydelig sammenpresset i tid. Det "optimale" filter som normalt blir valgt for å bevirke tids-sammenpressing er det "tilpassede" filter (se for eksempel "Signal Processing", av M. Schwartz, McGraw Hill 1975). Ved sin konstruksjon optimaliserer det tilpassede filter signaluttrekningen ved et enkelt tidspunkt i nærvær av gaussisk støy.

Det tilpassede filter m(t) er ganske enkelt det tids-reverserte av det signalforløp det blir anvendt på, og erstatter således hvert signalforløp med sin null-fase autokorrelasjons-funksjon. Derfor, m(t) = s(-t), hvor s(t) er et kodet signalforløp lik det som er vist på figur 7. Operasjonen med tilpasset filtrering f(t) blir:

f(t) = m(t) * s(t) = s(-t) * s(t) = s(t) Ox s(t),

hvor " Ox " betyr kryss-korrelasjon.

Figur 8 viser et eksempel på bølgeformene for en mottatt melding bestående av femten biter av informasjon ved 500 Hz. Figur 9 illustrerer tilpasset filter-resultater oppnådd ved autokorrelasjon. De femten bitene og deres polariteter viser seg å være "100001111101010".

En tilleggsteknikk som kan bli brukt med fordel i den foreliggende oppfinnelse er å ha er repertoar av psevdokoder for mulig bruk, og adaptivt å velge den koden som skal brukes ved et spesielt tidspunkt i henhold til overføringsfunksjonene i forbindelse med transmisjonssambandet, som målt like før det angjeldende tidpunkt eller under lignende forhold (for eksempel testing, stimulering o.s.v.) Dette kan for eksempel gjøres indirekte, ved å sende repertoaret av mulige koder fra nede i borehullet i en forut bestemt sekvens, og å utføre autokorrelasjon på overflaten ved bruk av den samme kode-sekvens. Den koden som frembringer det reneste autokorrelerte signal kan så bli brukt for å sende senere data. Valg-prosessen kan gjentas etter en spesiell tidsperiode eller etter en endring i forholdene. (I denne sammenheng, se flytdiagrammene på figurene 11 og 13). Alternativt kan en spesiell testkode-sekvens bli sendt, og overf©ringsfunksjonen for transmisjonslinjen kan bli beregnet fra det mottatte signal. Den beregnede overføringsfunksjon kan så ved overflaten bli kjørt sammen med hver kode i repertoaret, og det beste resultatet kan velges. Deretter kan et styringssignal bli sendt ned i borehullet for å velge den spesielle kode som skal brukes for senere datasendinger.

Det henvises nå til figur 10, som viser et flytdiagram av rutinen for prosessoren nede i borehullet. Man vil forstå at teknikken for oppsamling og sending av data er kjent, og de delene som ikke i seg selv angår oppfinnelsen, vil bli beskrevet i sin alminnelighet, eller antatt å være i henhold til kjente prinsipper.

Blokken 1011 representerer styring av multiplekserkretsen 221 (figur 2) for å sample utgangen av sensorene 210 i henhold til enten en forut bestemt rutine eller kommando fra overflaten. Blokken 1012 representerer lagring av data nede i borehullet, og sløyfen 1020, inkludert avbruddskontroll og blokken 1015 representerer den kontinuerlige overvåkning av sensor-data. Deling av prosessorens oppmerksomhet kan være i henhold til en forut bestemt prioritet, som er kjent i teknikken.

I den neste del av rutinen på figur 10, representerer blokk 1031 aksessering av minnet for å oppnå den rette lagrede informasjon som skal sendes til overflaten. Igjen kan valget av data som skal sendes være i henhold til en forut bestemt rutine, eller kan styres fra overflaten. De vil også bli forstått, at i visse operasjonsmodis, kan data fra en spesiell sensor eller sensorer bli sendt samtidig som de samles og lagres, skjønt i det typiske tilfelle vil datatakten i forbindelse med lagring nede i borehullet bli høyere enn transmisjonstakten, og lagring fra flere kilder kan bli gjennomført uten å skade den hurtigst mulige transmisjon til overflaten. Lagring av kritiske data nede i borehullet kan også gi en oppbakking, for senere uthenting, i tilfelle av feil på transmisjonssambandet eller systemet. Informasjon som hentes fra lager er samlet i en melding, i henhold til et spesielt format som blir brukt (blokk 1032). Den første databit i meldingen som sendes blir vurdert (blokk 1033), og spredt spektrum-koden for biten (d.v.s. 63 -bølgers koden for en "1" eller den komplementære 63-bølgers kode for en "0", som beskrevet ovenfor) blir hentet fra minnet og sendt, som representert ved blokkene 1034 og 1035. Kodene som skal brukes kan lagres, for eksempel i et direktelager eller i et programmerbart leselager i forbindelse med prosessoren 250. I ruten 103 6 gjøres oppslag om hvorvidt siste bit av meldingen er sendt. Hvis ikke, blir den siste bit vurdert (blokk 1037) og sløyfen 1039 fortsetter til hele meldingen er sendt.

Som tidligere beskrevet kan spredt spektrum-koden som brukes bli modifisert, under styring fra overflaten etter en testsekvens under hvilken repertoaret fra de tilgjengelige spredt spektrum-kodene blir sendt til overflaten. Etter valg ved overflaten av den spesielle spredt spektrum-koden som utviser den beste støyimmunitet, blir et styringssignal sendt fra overflaten for å designere den koden som skal brukes til neste testsekvens. Rutinen er illustrert på figur 11, hvor blokken 1141 representerer iverksetting av kodevalg-testrutinen ved mottagelse av kommando fra overflaten. Man går så til blokk 1142, som representerer valg av den første kode i listen for sending. Blokk 1143 representerer uthenting av den gjeldende kode og blokk 144 representerer sending av et forut bestemt antall gjentagelser av koden. Det gjøres så oppslag (ruten 1145) om hvorvidt den siste kode i listen er sendt. Hvis ikke, blir kodeindeksen inkrementert (blokk 1146) blokken 1143 blir entret igjen, og sløyfen 1150 blir fortsatt til alle kodene er sendt. Kommandoen som designerer den beste kode blir så avventet (blokk 1160), og når den er mottatt, blir en ny kode spesifisert (blokk 1170). Til en ny kode er spesifisert, vil kommunikasjon mellom overflaten og nede i borehullet, i begge retninger, bruke den gjeldende spesifi-serte kode. (Rutinen for dekoding av meldinger fra overflaten nede i borehullet kan være den samme som den som brukes på overflaten, og som er beskrevet nedenfor i forbindelse med

rutinen ifølge figur 12.)

Det vil bli forstått at prosessoren nede i borehullet er videre programmert for å oppnå ytterligere rutinefunksjoner, så som sending av synkroniseringssignaler for å synkronisere klokken ved overflaten, sending av signaler som indikerer tilstanden av kretsene nede i borehullet, strømforsyning o.s.v.

Det henvises nå til figur 12, som viser et flytdiagram av rutinen for programmering av prosessoren 450 i subsystemet på overflaten (figur 4) for dekoding av spredt spektrum-kodet informasjon sendt fra borehullet. Korrelasjons-prosessen kan bli utført ved bruk av enten analog eller digital teknikk, og man kan benytte de ovennevnte puublikasjoner som referanse for detaljer av korrelasjons-prosessen. I den foreliggende digitalbehandling blir det neste samplede nivå mottatt og lagret i et register (for eksempel RAM) ved den neste adresse, som representert ved blokkene 1206 og 1207. Korrelasjons-vinduet, som er en overlagring på spredt spektrum-koden, blir så flyttet til neste posisjon (blokk 1211), verdien ved hver bølge-posisjon blir multiplisert, og resultatene over vinduet blir addert for å oppnå en korrelasjonsverdi for den spesielle vindusposisjon. Disse funksjonene er representert ved blokk 1215. Etter lagring av den beregnede verdi, blir det gjort undersøkelse (rute 1220) om hvorvidt et forut bestemt antall av korrelasjonsverdier er lagret. Hvis ikke blir blokk 1206 entret igjen, ytterligere sampelverdier blir hentet, og ytterligere korrelasjonsverdier beregnet og lagret (sløyfen 1225). Man søker så etter toppmønsteret, som representert ved blokk 1241. Numerisk ville dette tilsvare toppene med positive og negative verdier som er større enn en forut bestemt mengde. Bitverdien ("1" eller "0"), avhengig av toppenes polaritet, blir så lest ut (blokk 1242), og rutinene blir gjentatt (sløyfen 1250) under søking etter neste bit.

Figur 13 illustererer rutinen for prosessoren på overflaten for testing av repertoaret eller listen av mulige koder som kan brukes, og valg av en av de spesielle koder for bruk under den følgede tidsperiode eller under en spesiell tilstand. Blokken 1371 representerer sending av kommandoen for å iverksette testen. En indeks som indikerer det første testkodemønster som skal mottas blir iverksatt, som representert ved blokken 1372. Korrelasjon blir så utført over et forut bestemt antall sykler (blokk 1374), d.v.s. det forut bestemte antall sykler i testmønsteret som blir sendt nede fra borehullet. Et kvalitetstall oppnådd for korrelasjonen (for eksempel ved å bestemme styrken av korrelasjonstoppene, sammen med fravær av tapt signal) blir lagret (blokk 1375) og det blir gjort undersøkelse (rute 1380) om hvorvidt den siste kode i listen er mottatt. Hvis ikke blir testkodemønsterets indeks inkrementert (blokk 1381), og sløyfen 1385 blir fortsatt til et kvalitetstall blir oppnådd for hver kode i listen. Den kode som virker best blir så valgt (blokk 1391) og en kommando blir sendt ned i borehullet for å bruke den utvalgte kode for senere transmisjon, som representert ved blokk 1392.

Under slike operasjoner som stimulering og testing, blir produksjonsrøret utsatt for mekaniske krefter som kan resultere i kontakt mellom produksjonsrøret og foringsrøret, noe som kan sees som kortslutninger i transmisjonslinjen. I den foreliggende oppfinnelse blir det brukt påklemte produksjonsrør-isolatorer for å beskytte mot slike kortslutninger. Vektrør-beskyttere av gummi kunne brukes til dette formål, men beskyttere av plast ville ha fordelen av lavere kostnader. De påkjenninger som produksjonsrøret er utsatt for har vært studert tidligere (se for eksempel "Basic Fluid And Pressure Forces On Oilwell Tubulars", D.J. Hammerlindl, JPT, 1980; og "Helical Bucking Of Tubing Sealed In Packers", A. Lubinski, Petroleum Transactions, 1961). Kompresjonspåkjenninger som kan forårsake bulking av produksjonsrøret er høyest ved bunnen av brønnen. Følgelig bør beskytterne fortrinnsvis bli plassert nærmere hverandre når man nærmer seg bunnen av brønnen.

Uansett bruken av i hovedsak ikke-ledende fluidum og isolerende produksjonsrør-beskyttere, under visse omstendigheter kan kortslutninger forekomme, og dette er

vurdert i den følgende analyse.

Egenskapene til den koaksiale transmisjonslinjen ansees for jevnt fordelt langs linjen. Den teoretiske utvikling av elektromagnetisk bølgeutbredelse langs transmisjonslinjen kan bli tilnærmet ved en konsentrert differensial-behandling, hvor de elektromagnetiske egenskaper for et lengdedifferensial dz blir "konsentrert" eller antatt å eksistere som punktelementer forbundet med perfekt ledende segmenter. Figur 14 viser et skjema av den differensial-konsentrerte krets, og fremsetter modellkomponenter for systemet, som følger: serieresistansen pr. lengdeenhet av kombinerte indre og ytre ledere R; serie-selvinduktans pr. lengdeenhet av lederne L; parallell konduk-tans pr lengdeenhet gitt av ringrom-fluidet G; og parallell kapasitans pr. lengdeenhet mellom lederne C. Differensial-ligningene og deres løsning er vel kjent, se for eksempel "Electromagnetic Concepts And Applications", Skitek og andre, Prentice Hall, 1982) og kan bli representert som karakteristisk impedans Z0, utbredelsesindeks "y og belastnings-impedans ZL. De karakteristiske størrelsene Z0 og 7 for en transmisjonslinje, er definert som følger: og

hvor

Z = serieimpedans/lengdeenhet

R+jtoL,

og Y = parallelladmittans/lengdeenhet

= G+jioC.

a) er vinkelfrekvensen i radianer pr. sekund, og er lik 2nf, hvor f er frekvensen i Hz. (Siden Z0 og *y er funksjoner av co, vil de følgende ligninger også være det, skjønt spesiell be-merkning om dette funksjonsforhold bare vil bli gjort leilig-hetsvis,) Figur 15 viser skjematisk spenning og strøm i transmisjonslinjen, og introduserer inngangsimpedansen ZIN, og kildemotstanden Rs. Inngangsimpedansen forholder seg til linjeparametrene og belastningen som følger: hvor L er lengden av transmisjonslinjen. De respektive spenning- og strømforhold mellom belastning og kilde for figur 15 er: og Figur 16 viser skjematisk innsetting av en kortsluttet seksjon i transmisjonslinjen, som man kan forvente hvor enten en seksjon av produksjonsrøret berører foringsrøret, eller hvor en seksjon av ringrom-fluidet er sterkt ledende, hvor sistnevnte for eksempel kan forekomme hvis sjøvann har trengt inn i systemet. Forholdene (4) ovenfor beregnes for hver seksjon og kaskade-kombineres for de endelige forhold. På figur 16 vil spenningsforholdene VL/VS(<1>), <V>s(<1>)/<V>s(<2>) og Vs(<2>)/V0 tilfredsstille lignende forhold som (4), hvor Rs = 0 for de første to forholdene, ZL = Zjj^<1>) for det andre forholdet, og ZL = ZIN(<2>> for det tredje forholdet. For den kortsluttede seksjon, d.v.s. Vs<<2>>/<V>s(<1>), må Z0(<S>) erstatte Z0, og "Y må erstatte "Y. De korrekte lengder (L1,LS og L2) må settes inn for L. Lignende argumenter gjelder de elektriske strømforhold. VL/VS kan uttrykkes som: og lignende for IL/I0. Ligningene (4) og (6) gir de nødvendige forbindelser til å beregne spenningsimpuls-responsen for systemet. Da V0 (to) = 1 for alle to for en inngangsimpuls, er VL/V0 = VL, idet selve forholdet representerer spenningspuls-responsen ved belastningen. Effektrespons som følge av en inngangsspennings-puls kan finnes fra skalarproduktet av spenning og strøm ved belastningen, dvs. VL . IL. Med henvisning til figurene 15 og 16,

Ved bruk av dette resultatet og spenning- og strømforholdene som kan utledes fra ligningene (4) og (6), blir effektimpuls-responsen:

Vedkommende transmisjonslinje kan analyseres for å finne uttrykk for R, L, G og C som nødvendig i henhold til ligning (4) for karakteristisk impedans Z0 og utbredelseskonstant "Y . Under henvisning til figur 17 har man i det følgende antatt at fluidet inne i det indre rør og de ytre omgivelser, typisk bestående av et tynt indre, koaksialt sementlag og et ytre lag av horisontalt stratifisert jord, kan bli neglisjert (d.v.s. behandlet som tomt rom). Det magnetiske felt eksisterer primært mellom de to lederne, og på grunn av skinneffekten, vil strømtettheten falle logaritmisk fra den ytre kant av den indre leder og den indre kant av den ytre leder.

De totalavveide strømtettheter i den indre og den ytre leder, kan for det formål å spesifisere serieresistansen R, effektivt bli erstattet av en enhets-avveiet strømtetthet med tykkelse S = ( nfiip/ Pp)<-1/2>, hvor 6, mp, og pp er henholdsvis skinndybde, permeabilitet, og resistivitet i røret (foringsrør eller produksjonsrør). Om man antar at S er meget mindre enn tykkelsen av røret, blir den kombinerte motstand/lengdeenhet for den indre og den ytre leder (henholdsvis produksjonsrør og foringsrør): innsetting og algebraisk behandling fører til:

På lignende måte er parallell konduktans/lengdeenhet mellom indre og ytre rør på grunn av ringrom-fluidet gitt ved:

Av de fire viktigste egenskaper ved koaksial-transmisjonssystemet er dette den eneste som ikke er frekvensavhengig.

De øvrige to egenskaper kan lett bli utledet fra geometriske vurderinger (for eksempel Skitek og andre og Marshall). Disse er:

og hvor /xf og Ef er henholdsvis permeabilitet og permittivitet av fluidet. I S.I. (Systeme International) enheter, har de variable størrelser i de foregående fire ligninger de følgende dimensjoner: R(ohm/m), G(mho/m), L(henry/m), C(farad/m), p(ohm-m) , u(tesla-m/amp) , r(m) , og (coulomb2/newton-m2) . For tabellens skyld er det beleilig å definere den dimensjonsløse relative permeabilitet ^ slik at

hvor

IJLQ = permeabiliteten av åpent rom,

= 47T x 10~<7> (T.m/A) ,

og den dimensjonsløse dielektriske konstant K slik at

E = KE0,

hvor

E0 = permittiviteten av åpent rom,

= 8,85 x IO"<12> (C2/N.m2).

Siden ringroms-fluidet er ikke-magnetisk er det tillatt å anta at /if <=> Mo-

Tabell 1 viser en typisk tabell over spenning- og effekt-forhold, oppnådd ved bruk av de ovenstående ligninger, for et koaksialt system i en testbrønn, med 1500 meter dybde og dieselolje i ringrommet. Som man kan se er det liten signalspenning-dempning i koaksialsystemet. Ved 500 Hz er signalspenningen dempet med bare 0,5 dB, som øker til 1,3 dB ved 1900 Hz. Tabell 2 viser en lignende tabell for et kort 80 meters koaksialsystem med sjøvann (pf = 1 ohm-m) i ringrommet. Dempningen ved 500 Hz i dette tilfellet er 165,7 dB, slik at kommunikasjon er mulig bare over forholdsvis korte avstander.

Tabell-dataene indikerer den relative virkning av en elektrisk kortslutning på forskjellige steder langs transmisjonslinjen, og med forskjellige lengder av produksjonsrør og forings-rør som berører hverandre for å skape kortslutningen. Figur 18 viser virkningen av en punkt-kortslutning på 1 mohm ved forskjellige steder langs en tusen meter lang transmisjonslinje ved 500 Hz. Figuren viser at en kortslutning nær senderen, d.v.s. nær bunnen av brønnen, har meget mindre alvorlig dempningseffekt på signalspenningen. På grunn av fordelingen av påkjenning langs produksjonsrøret i normal drift, er det mest sannsynlig at kortslutninger forekommer nær bunnen. Figur 19 viser effekten av den samme kortslutning på 1 mohm når den fordeles over forskjellige lengder av koaksialsystemet. Denne figuren viser at en "punkt"-kortslutning er minst katastrofisk, mens tapet av signalspenning øker dramatisk når den kortsluttede lengde av produksjonsrør til foringsrør øker, skjønt den totale kortslutningsverdi er holdt konstant på 1 mohm i dette eksempelet. Følgelig kan man se at en kortslutning av begrenset utstrekning, spesielt nær bunnen, neppe vil hindre kommunikasjon over transmisjonssambandet.

Ifølge et videre trekk ved oppfinnelsen er det benyttet en teknikk for å forbedre mottagelsen av kommuniserte signaler i nærvær av en periodisk kortslutning i transmisjonslinjen, som man kunne forvente ville bli skapt ved harmonisk bevegelse av produksjonsrøret under høyvolum-pumping av fluid gjennom produksjonsrøret. Hvis bevegelsen er alvorlig nok til å forårsake at produksjonsrøret kommer i kontakt med foringsrøret (d.v.s. om man antar at beskyttelseskravene ikke er plassert tilstrekkelig nær hverandre, eller at de slår feil), kan signalet som sendes under slik kontakt, bli sterkt dempet. En demodulasjonsteknikk kan med fordel benyttes ved de mottagende subsystem (i borehullet eller på overflaten, avhengig av hvilket subsystem som mottar) for å hente ut den kodede informasjon ved mottager-subsystemet. (Angående demodulasjon i kommunikasjons-systemet i sin alminnelighet, se "Signals, Systems And Communications", B. Lathi, John Wiley og sønn, 1965). I den foreliggende utførelse brukes en teknikk med en helbølge likeretter. De mottatte signaler blir behandlet for å få frem deres absolutte verdi, og så lavpass-filtrert med en høy grensefrekvens ved eller nedenfor bærefrekvensen. Denne lavpass-filtrering blir utført her ved å ta et løpende gjennomsnitt. Disse operasjonene frembringer selve modulasjonsfunksjonen. Demodulasjon blir da oppnådd ved å dividere det innkommende signal med den utledede modulasjonsfunksjon. Resultatet ligner på å utsette signalet for en automatisk forsterkningskontroll som forsterker signalet under perioder med dempning.

Flytdiagrammet på figur 20 illustrerer rutinen for prosessoren i mottager-subsystemet. Blokk 2021 representerer lagring av de mottatte signaler, og blokk 2022 representerer uthenting og lagring av absolutte-verdien av de mottatte signaler. Et løpende gjennomsnitt blir så beregnet (blokk 2023), og utgjør modulasjonsfunksjonen. Det mottatte signal (tidligere lagret) blir så dividert med modulasjonsfunksjonen, som representert ved blokk 2024. Dekodingsrutinen kan da bli utført, som tidligere beskrevet.

Figurene 21 til 24 illustrerer et eksempel av den typen forbedring som kan bli oppnådd ved å bruke demodulasjons-teknikken. Figur 21 illustrerer et eksempel på et ellers rent mottatt signal som er modellert ved en elektrisk kortslutning mellom produksjonsrøret og foringsrøret, forårsaket ved at produksjonsrøret oscillerer mens det pumpes ti fat i minuttet (beskyttende kraver eller tyngderør rundt produksjonsrøret ble med hensikt utelatt under testen). Den i alminnelighet periodiske drastiske signaldempning kan sees meget tydelig, og har en frekvens i området omkring 6 til 20 Hz. Figur 22 viser resultatet av å dekode de mottatte data på figur 21, og man kan se, at mens korrelasjonsprosessen fremdeles viser bitene, er noen av dem vanskelige se. Figur 23 illustrerer de mottatte data etter den beskrevne type av demodulasjonsbehandling, og figur 24 viser resultatet av dekoding etter demodulasjons-behandlingen. Signal/støy-forholdet for 15 dekodede biter var vesentlig forbedret.

Det må forstås at henvisninger til jordoverflaten kan omfatte havflaten, for eksempel når systemet blir brukt til havs. I slike tilfeller kan kommunikasjon med et subsystem på sjøbunnen være gunstig, for eksempel for kommunikasjon til og fra ventiler, for eksempel en BOP-mekanisme.

Oppfinnelsen er beskrevet med henvisning til spesielle foretrukne utførelser, men fagfolk på området vil kunne tenke seg variasjoner innenfor oppfinnelsens ånd og omfang. For eksempel må man forstå at ytterligere kommunikasjons-subsystemer kan benyttes ved forskjellige posisjoner på produksjonsrøret, slik at det er tre eller flere kommunikasjons-subsystemer. Videre er oppfinnelsen også anvendelig i en situasjon hvor flere foringsrør blir brukt. Endelig må man forstå at under visse omstendigheter, for eksempel når et høyt isolerende fluidum blir brukt i ringrommet, og hvor andre tilstander er gunstig, kan sende-frekvensen (og følgelig datahastigheten) bli øket, opptil omkring 1 MHz.

Claims (19)

1. Kommunikasjonssystem for kommunikasjon mellom jordens overflate og et borehull i jorden (111), hvilket borehull er foret med et elektrisk ledende foringsrør (115) og som har et gjennomgående elektrisk ledende produksjonsrør (130) , karakterisert ved at det omfatter: et kommunikasjons-subsystem (140) montert på det nevnte produksjonsrør (130) nede i borehullet, hvilket subsystem (140) omfatter: en antenneanordning (149) i borehullet for å koble elektromagnetisk energi i TEM-modus til og/eller fra ringrommet (2 0) mellom det nevnte foringsrør (115) og produksjonsrør (130), og en sender/mottager (145) koblet til antenneanordningen (149) nede i borehullet for å koble signaler til og/eller fra antenneanordningen (149); et kommunikasjons-subsystem (160) ved jordens overflate, omfattende: en overflate-antenneanordning (161) for å koble elektro-magnetisk energi i TEM-modus til og/eller fra det nevnte ringrom (20), og en overflate-mottager/sender (165) koblet til den nevnte overflate-antenneanordning (161) for å koble de nevnte signaler til og/eller fra overflate-antenneanordningen (161); et i det vesentlige ikke-ledende fluidum i det nevnte ringrom (20), i det minste i området ved den nevnte antenneanordning (149) nede i borehullet og ovenfor; og en ledende anordning (135) nedenfor det nevnte kommunikasjons-subsystem (140) i borehullet for elektrisk kobling av produksjonsrøret (130) og foringsrøret (115) .

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at det videre omfatter en pakning (135) montert på det nevnte produksjonsrør (130) nedenfor kommunikasjons-subsystemet (140) i borehullet, hvor pakningen (135) virker for å hindre inntrenging av et ledende fluidum inn i ringrommet (20).

3. System ifølge krav 2, karakterisert ved at antenneanordningen nede i borehullet omfatter en toroide-antenne (149), konsentrisk med produksjonsrøret (130).

4. System ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at overflateantenne-anordningen omfatter en transformator (161) med en vikling koblet mellom foringsrøret (115) og produksjonsrøret (130).

5. System ifølge krav 1 eller krav 4, karakterisert ved at det videre omfatter flere adskilte beskyttelseskrager eller tyngderør (102) på det nevnte produksjonsrøret (13 0), hvor de nevnte krager (102) er utformet av et isolerende materiale.

6. System ifølge krav 5, karakterisert ved at kragene (102) er anbrakt nærmere hverandre nær kommunikasjons-subsystemet (140) nede i borehullet.

7. System ifølge krav 2, karakterisert ved at subsystemet (14 0) nede i borehullet videre omfatter en anordning (210) for å føle i det minste en tilstand nede i borehullet og hvor signalene koblet til antenneanordningen (149) i borehullet inneholder informasjon som representerer den følte tilstand i borehullet.

8. System ifølge krav 7, karakterisert ved at det videre omfatter en anordning (250) i systemet nede i borehullet for å kode den nevnte informasjon i en pseudotilfeldig kode, og en anordning (450) i overflate-subsystemet for å dekode den nevnte pseudotilfeldige kode.

9. System ifølge krav 8, karakterisert ved at koden er en pseudo tilfeldig fortegns-reverserende kode.

10. System ifølge krav 8 eller krav 9, karakterisert ved at subsystemet (140) nede i borehullet omfatter en anordning for å lagre en liste av aktuelle koder; en anordning i det nevnte overflate-subsystem (160) for å bestemme en egenskap ved transmisjons-banen mellom subsystemene i borehullet og på overflaten; og en anordning i det nevnte overflate-subsystem (160) for å velge en spesiell aktuell kode innrettet for den nevnte transmisjonsbane, og for å kommunisere en kommando til subsystemet (14 0) nede i borehullet for senere bruk av den spesielle aktuelle kode for senere kommunikasjoner.

11. System ifølge krav 10, karakterisert ved at en stikkprøve av hver av kodene blir sendt til overflaten, og hvor den nevnte anordning i overflate-subsystemet (160) for å velge en spesiell aktuell kode omfatter en anordning for å dekode hver av de nevnte koder og bestemme kvaliteten av det dekodede resultat.

12. System ifølge krav 7, karakterisert ved at det nevnte overflate-subsystem (160) videre omfatter en anordning for å generere styresignaler for å styre subsystemet (140) nede i borehullet, og hvor de nevnte styringssignaler blir koblet til den nevnte overflate-antenneanordning (161).

13. System ifølge krav 2 eller krav 7, karakterisert ved at det videre omfatter aktiveringsanordninger (295) nede i borehullet, og hvor subsystemet (140) nede i borehullet videre omfatter en anordning for å generere styringssignaler for å styre de nevnte aktiveringsanordninger (295), og hvor det nevnte overflate-subsystem (160) omfatter en anordning for å koble signaler til overflate-antenneanordningen (161) for å kjøre borehulls-styringssignalene.

14. System ifølge krav 12 eller 13, karakterisert ved at det videre omfatter en anordning i overflate-systemet (160) for å kode signaler i en pseudotilfeldig kode, og en anordning i subsystemet (140) nede i borehullet for å dekode den nevnte pseudotilfeldige kode.

15. System ifølge krav 14, karakterisert ved at koden er en pseudo-tilf eldig fortegns-reverserende kode.

16. System ifølge krav 2 eller krav 3, karakterisert ved at overflate-subsystemet (160) omfatter en anordning (491, 492) for å generere et vekselstrøm kraftforsyningssignal og å tilføre dette til den nevnte overflate-antenne (161), og hvor det nevnte subsystem (140) nede i borehullet omfatter en anordning (510, 515) for å motta det nevnte vekselstrøm-kraftforsyningssignal og for å omforme det nevnte signal til en strømforsyning (520) nede i borehullet.

17. System ifølge krav 2 eller krav 16, karakterisert ved at antenneanordningen (149) nede i borehullet omfatter to adskilte antenner for å sende og/eller motta forskjellige signaler.

18. Fremgangsmåte for å kommunisere fra et sted nede i et borehull til overflaten, hvilket borehull er foret med et elektrisk ledende foringsrør (115) og har et gjennomgående elektrisk ledende produksjonsrør (13 0), karakterisert ved at den omfatter disse trinn: informasjon kodes nede i borehullet til et pseudo-tilf eldig fortegn-reverserende kodesignal; det nevnte kodesignal sendes fra nede i borehullet til overflaten i form av elektromagnetisk energi i TEM-modus; det sendte kodesignal mottas ved overflaten, og det kodede signal dekodes ved korrelasjon med mønsteret for det nevnte kodesignal.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 18, karakterisert ved at den videre omfatter de trinn at et antall forskjellige kodesignaler sendes til overflaten, de nevnte kodesignaler mottas på overflaten, en karakteristikk for transmisjonsbanen fra de mottatte kodesignaler bestemmes, og et kommandosignal sendes ned i borehullet for å velge det beste tilgjengelige kodesignal for transmisj onsbanen.