(57)【要約】  バーストＱＡＭアップリンク信号を井戸の地表へ伝送するダウンホール遠隔測定システムが開示されている。好ましい実施形態においては、ワイヤライン又は複合チュービングストリングの一対の導体へ連結されるダウンホール計器が、バーストＱＡＭアップリンク信号を地表システムへ伝送する。バーストＱＡＭ信号は、好ましくは、遠隔測定データを保持する一連のデータフレームを有する。それぞれのデータフレームの前には、好ましくは、休止期間（信号が存在しないとき）、タイミング同期シーケンス及びトレーニングシーケンスが置かれる。タイミング同期シーケンスは地表におけるタイミングリカバリーを容易にするように設計されており、また、トレーニングシーケンスは等化器の適応を助けるように設計されている。データフレーム自体は、好ましくは、データに加えて、同期領域、データカウント及びチェックサムを含む。好ましくは、直接デジタル合成がアップリンク信号を変調するために使用される。
2005512217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠隔測定データ情報を通信する方法であって、
データワードをグループ化してデータフレームを形成する段階と、
それぞれのデータフレームの前にプレアンブルを伝送する段階と、
それぞれのプレアンブルの直後にデータフレームを伝送する段階と、
を有する方法。
【請求項２】
プレアンブルは休止期間を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
プレアンブルはタイミング同期シーケンスを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
プレアンブルはトレーニングシーケンスを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
データフレームを伝送する動作は、データを搬送信号に加えるために、横軸振幅変調を使用する段階を含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
同期ワード及びデータワードのカウントをデータワードのそれぞれのグループの先頭に付加する段階と、
チェックサムをデータワードのそれぞれのグループに付加する段階と、
をさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項７】
データワードのグループをマスクと組合せることによって、データワードのそれぞれのグループをスクランブリングする段階をさらに有する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
プレアンブルを受信する段階と、
プレアンブルにおいて、タイミング同期シーケンスと同期化されるローカルクロック信号を発生する段階と、
プレアンブルにおいて、トレーニングシーケンスを使用して適応フィルタの係数を更新する段階と、
をさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項９】
遠隔測定データ伝送装置であって、
データフレームとマスクとの排他的論理和をとるように構成されたスクラブラーと、
それぞれのデータフレームの前にプレアンブルを設けるように構成されたプレアンブル発生器と、
プレアンブルを受信するためにプレアンブル発生器へ連結されるとともにスクランブリングされたデータフレームを受信するためにスクランブラーへ連結された変調器と、
を有し、変調器は、プレアンブルとスクランブリングされたデータフレームを変調して、横軸振幅変調（ＱＡＭ）信号を形成するように構成されており、プレアンブルはフレームからフレームへ同一である遠隔測定データ伝送装置。
【請求項１０】
プレアンブルは、
休止期間と、
タイミング同期シーケンスと、
トレーニングシーケンスと、
を含んでいる請求項９に記載の遠隔測定データ伝送装置。
【請求項１１】
ＧＡＭ信号の低周波数成分を阻止するように構成された高域フィルタと、
濾波されたＱＡＭ信号を複合チュービングに含まれる遠隔測定用導体へ連結するように構成された絶縁変圧器と、
をさらに有する請求項９に記載の遠隔測定データ伝送装置。
【請求項１２】
遠隔測定用導管を有するワイヤラインケーブルチュービングと、
遠隔測定用導管へ連結された地表システムと、
遠隔測定用導管を経て地表システムへ連結されるダウンホール計器と、
を有し、ダウンホール計器は、バースト横軸振幅変調（バーストＱＡＭ）を使用して、遠隔測定データ情報を地表システムへ伝送するように構成されている井戸。
【請求項１３】
バーストＱＡＭは１６ポイントの信号群を使用している請求項１２に記載の井戸。
【請求項１４】
ワイヤラインケーブルは複数の電気導体を含み、その一つ又は複数が遠隔測定用導管として機能する請求項１２に記載の井戸。
【請求項１５】
ダウンホール計器はデータフレーム内の遠隔測定データ情報を伝送するように構成され、また、データフレームには休止期間が散在されている請求項１２に記載の井戸。
【請求項１６】
ダウンホール計器はデータフレーム内の遠隔測定データ情報を伝送するように構成され、また、それぞれのデータフレームの前にはそれぞれのタイミング同期シーケンスが置かれている請求項１２に記載の井戸。
【請求項１７】
ダウンホール計器はデータフレーム内の遠隔測定データ情報を伝送するように構成され、また、それぞれのデータフレームの前には、それぞれのトレーニングシーケンスが置かれている請求項１２に記載の井戸。
【請求項１８】
それぞれのデータフレームは、複数の同期ワード、データカウント領域、複数のデータワード及びチェックワードから構成されている請求項１５に記載の井戸。
【請求項１９】
ダウンホール計器は伝送路を有し、伝送路は、それぞれのデータフレームの前に、プレアンブルを伝送するように構成されたプレアンブル発生器を有している請求項１２に記載の井戸。
【請求項２０】
伝送路はデータスクランブラーを含み、そのデータスクランブラーは、データフレームデータワードをマスクと組合せて、データワードを無作為化するように構成されている請求項１９に記載の井戸。
【請求項２１】
伝送路は直接デジタル合成変調器を含み、その直接デジタル合成変調器は、横軸振幅変調を使用してスクランブリングされたデータワードを変調するように構成されている請求項２０に記載の井戸。
【請求項２２】
伝送路は直接デジタル合成変調器と絶縁変圧器との間に連結された高域フィルタを備えている請求項２１に記載の井戸。
【請求項２３】
地表システムはアップリンク受信路を含み、そのアップリンク受信路は、
タイミングリカバリーモジュールと、
適応等化器と、
フレーム化モジュールと、
スクランブリング解除モジュールと、
を有し、タイミングリカバリーモジュールは、遠隔測定データ信号内のそれぞれのデータフレームに先行するタイミング同期シーケンスへロックされるクロック信号を発生するように構成され、
適応等化器は、遠隔測定データ信号内のそれぞれのデータフレームに先行するトレーニングシーケンスに応答してフィルタ係数を更新するように構成され、
フレーム化モジュールは、遠隔測定データ信号からタイミング同期シーケンス及びトレーニングシーケンスを取除くように構成され、さらに、
スクランブリング解除モジュールは、データフレームをマスクと組合せて、ダウンホールのスクランブリング動作を逆転するように構成されている請求項２０に記載の井戸。
【請求項２４】
タイミング同期シーケンス及びトレーニングシーケンスは、毎秒少なくとも１０回繰返される請求項２３に記載の井戸。
【請求項２５】
井戸孔内へ延びるチュービングストリングと、
チュービングストリングの下端部に取付けられるダウンホール計器と、
内部空間を通してチュービングストリングに沿って延びるワイヤラインケーブルと、
を有し、ダウンホール計器は、バースト横軸振幅変調（バーストＱＡＭ）を使用して、ワイヤライン内の遠隔測定用導管を経て、遠隔測定データ情報をチュービングストリングの上端部へ伝送するように構成されている井戸。
【請求項２６】
ワイヤラインケーブルは複数の電気導体を含み、その一つ又は複数が遠隔測定用導管として機能する請求項２５に記載の井戸。
【請求項２７】
ダウンホール計器はデータフレーム内の遠隔測定データ情報を伝送するように構成され、また、データフレームには休止期間が散在されている請求項２５に記載の井戸。
【請求項２８】
ダウンホール計器はデータフレーム内の遠隔測定データ情報を伝送するように構成され、また、それぞれのデータフレームの前にはそれぞれのタイミング同期シーケンスが置かれている請求項２５に記載の井戸。
【請求項２９】
ダウンホール計器はデータフレーム内の遠隔測定データ情報を伝送するように構成され、また、それぞれのデータフレームの前にはそれぞれのトレーニングシーケンスが置かれている請求項２５に記載の井戸。
【請求項３０】
それぞれのデータフレームは、複数の同期ワード、データカウント領域、複数のデータワード及びチェックワードから構成されている請求項２７に記載の井戸。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、発明者マイケル・ウェイ(Michael Wei)及びウィリアム・トレイノア(William Trainor)によって２０００年６月２２日に出願された「バーストＱＡＭダウンホール遠隔測定システム」という名称の米国特許出願番号０９／５９９，３４３の一部継続出願である。
【０００２】
発明の背景
発明の分野
本発明は、ダウンホール掘削アセンブリから井戸の地表までデータを伝送する遠隔測定システムに関する。特に本発明は、ダウンホール伝送装置とアップホール受信装置との間に連結される情報導管を通して信号を送るシステムと方法に関する。
【０００３】
関連技術の説明
現代の石油掘削及び産出の作業は、ダウンホールのパラメータ及び状態に関する多量の情報を必要とする。典型的には、そのような情報は、孔自体のサイズ及び形状に関するデータと共に、井戸孔によって横断された地層の特性を含む。ダウンホールの状態に関する情報収集は、一般に、「検層(logging)」と呼ばれ、いくつかの方法によって実施できる。
【０００４】
従来のワイヤライン油井検層において、情報センサを収納する探測器すなわち「ゾンデ(sonde)」が、井戸の一部又は全部が掘削された後に、孔内に下げられ、孔によって横断された地層の一定の特性を求めるのに使用される。ゾンデの上端部は、ゾンデを孔内に懸垂する導電性ワイヤラインへ取り付けられる。電力は、導電性ワイヤラインを通してゾンデ内のセンサ及び計器へ伝送される。同様に、ゾンデ内の計器は、ワイヤラインを通して伝送される電気信号によって地表へ情報を通信する。
【０００５】
ワイヤラインを経てダウンホール測定値を得る際の問題は、所要の井戸孔情報が得られる前に、掘削アセンブリが、掘削された井戸孔から取出されなくてはならないこと、すなわち、「取り外され(tripped)」なくてはならないことである。これは、特に、井戸のかなりの部分が掘削された状態においては、時間がかかるとともに非常にコストがかることがある。この状態においては、数千フィートのチュービングが、掘削作業台（海洋の場合）上で取出されるとともに積重ねられる必要がある。典型的には、掘削リグは、かなりのコストで、日割りで賃貸される。その結果、井戸掘削のコストは、掘削プロセスを完了するのに必要な時間に正比例する。ワイヤライン検層ツールを挿入する数千フィートのチュービングの取出しは、費用のかかる仕事になることがある。
【０００６】
その結果、掘削プロセス中のデータ収集が益々重要視されてきている。掘削プロセス中のデータの収集及び処理は、ワイヤライン検層ツールを挿入する掘削アセンブリの取出し、すなわち、取り外しの必要性が無くする。したがって、それは、掘削業者が、休止時間を最小にしながら、性能を最適化するために、必要に応じて、正確な修正又は是正をすることができるようにしている。井戸の掘削と同時に、掘削アセンブリの移動及び位置を含むダウンホール状態を測定する構想は、「掘削しながらの測定(measurement-while-drilling)」技術、すなわち、「ＭＷＤ」と呼ばれるようになってきている。地層パラメータの測定に一層重点を置いた同様な技法は、「掘削しながらの検層(logging while drilling」技術、すなわち、「ＬＷＤ」と通常呼ばれている。ＭＷＤとＬＷＤとの間には相違が存在するが、用語ＭＷＤ及びＬＷＤは相互に置換できるように使用されることが多い。本開示の目的のために、用語ＭＷＤは、この用語が地層パラメータの収集、及び掘削アセンブリの移動及び位置に関する情報の収集の両方を包含するという理解で使用される。
【０００７】
油井又は他の井戸孔が掘削されているとき、ドリルビット及びダウンホールモータの方向及び傾斜を求め、それらのアセンブリが正確な方向に舵取りされるようにされることが必要又は望ましい場合が多い。加えて、地層の抵抗率、多孔度、密度及びガンマ放射線の測定値のような、掘削されている地層の特性に関する情報が必要になることがある。また、たとえば、孔の底部における温度及び圧力のような他のダウンホールパラメータを知るのが望ましいことも多い。孔の底部におけるこのデータが一旦収集されると、典型的には、そのデータは地表へ伝送されて、掘削業者によって使用及び分析される。
【０００８】
典型的には、センサ又は変換器は、ＬＷＤシステムにおけるドリルストリングの下端部に位置決めされる。掘削の進行中には、これらのセンサは、予め設定された掘削パラメータ及び地層データを連続的又は間歇的に監視して、その情報を、なんらかの形態の遠隔測定によって地表検出器へ伝送する。典型的には、ＭＷＤ用途に使用されるダウンホールセンサは、ドリルビット近くに位置決めされている円筒形ドリルカラー内に位置決めされる。ついで、ＭＷＤシステムは、遠隔測定システムを使用し、センサによって取得されたデータが、地表に位置決めされる受信装置へ伝送される。従来技術の幾つかの遠隔測定システムがあり、それらのシステムは、ワイヤラインケーブルの使用を必要とすることなく、ダウンホールパラメータに関する情報を地表へ伝送しようとするものである。勿論、泥水パルスシステムは、ＭＷＤ用途に最も広く使用される遠隔測定システムの一つである。
【０００９】
泥水パルス遠隔測定システムは、掘削作業中に加圧下でドリルストリング内を循環する掘削流体内に、「音響」圧力信号を形成する。ダウンホールセンサによって取得された情報は、泥水流内の圧力パルス形成と適切にタイミング合せすることによって伝送される。その情報は、地表における圧力変換器及びコンピュータによって受信され、復号化される。
【００１０】
泥水圧力パルスシステムにおいては、ドリルストリング内の掘削泥水圧力は、一般に、パルス発生器又は泥水パルス発生器と呼ばれているバルブ及び制御機構によって変調される。そのパルス発生器は、通常、ドリルビットの上方に位置決めされた特別に適合されたドリルカラー内に取付けられる。発生された圧力パルスは、泥水内を音速で、ドリルストリング内の泥水カラムを上方へ移動する。使用される掘削流体の種類に応じて、その速度は、毎秒約３０００フィート(915m)から５０００(1525m)フィートの間で変わる。しかしながらデータの伝送速度は、パルスの拡散、歪み、減衰、変調速度限界、及びドリルストリング内の周囲ノイズなどの他の阻害力によって、比較的低い。典型的なパルス速度は、毎秒１パルス（１Ｈｚ）のオーダーである。
【００１１】
掘削業者が利用できる検知及び舵取り技術の最近の発展を考えると、毎秒１ビットで適時に地表へ移送できるデータの量は、非常に不十分である。データの伝送速度を増加する一方法として、掘削流体内の圧力パルスに依存するのではなく、ドリルストリングのチュービング壁における振動を使用してデータを伝送することが提案されている。しかしながら、掘削プロセスによるドリルストリング内の既存振動の存在は、このようにして伝送される信号の出を非常に妨げる。
【特許文献１】米国特許第６，２８９，２３８号明細書
【特許文献２】米国特許第６，０４６，６７４号明細書
【特許文献３】米国特許第５，３４２，４０８号明細書
【特許文献４】米国特許第６，３４７，０９６号明細書
【特許文献５】米国特許第５，３２１，８１９号明細書
【特許文献６】米国特許第６，１７５，５９９号明細書
【特許文献７】米国特許第４，５３４，０４０号明細書
【特許文献８】米国特許第４，４６４，７６７号明細書
【特許文献９】米国特許第５，４９０，１２１号明細書
【特許文献１０】米国特許第５，５０４，４７９号明細書
【特許文献１１】米国特許第６，１９２，９８０号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，５５４，８０４号明細書
【特許文献１３】米国特許第５，３８７，９０７号明細書
【発明の開示】
【００１２】
したがって、ここに開示されているものは、バーストＱＡＭアップリンク信号を井戸の地表へ伝送するダウンホール遠隔測定システムである。好ましい実施形態においては、一対の導体へ連結されたダウンホール計器が、バーストＱＡＭアップリンク信号を一対の導体へ同様に連結された地表システムへ伝送する。バーストＱＡＭ信号は、好ましくは、遠隔測定データを保持する一連のデータフレームを有する。それぞれのデータフレームの前には、好ましくは、休止期間（信号が存在しないとき）、タイミング同期シーケンス、及びトレーニングシーケンスが置かれている。タイミング同期シーケンスは、地表におけるタイミングリカバリーを容易にするように設計されており、また、トレーニングシーケンスは、等化器の適応を援助するように設計されている。データフレーム自体は、好ましくは、データに加えて、同期領域、データカウント、及びチェックサムを含む。好ましくは、直接デジタル合成がアップリンク信号を変調するために使用される。
【００１３】
好ましい実施形態に関する下記の詳細な説明が下記の図面と組み合せて考慮されるときに、本発明のよりよい理解が得られるであろう。
【００１４】
本発明は種々の変形及び別の形態が可能でるけれども、本発明の特定の実施形態が一例として図面に示されるとともに、ここで詳細に説明されている。しかしながら、図面及びその詳細な説明は、本発明を開示される特定の形態に限定しようとするものではなく、反対に、添付の特許請求の範囲によって明示される本発明の精神及び範囲内に入る全ての変更、等価物及び変形を包含することが意図されている。
【好ましい実施形態の詳細な説明】
【００１５】
ここで、図面を参照すると、図９は、ワイヤライン検層作業中の井戸を示す。掘削作業台９０２には、ホイスト９０６を支持するデリック９０４が取り付けられている。油井又はガス井の掘削は、「工具」ジョイントによっていっしょに接続されるドリルパイプのストリングによって実施され、井戸孔９１４中に回転テーブル９１２を通して下げられるドリルストリングを形成する。図９において、ドリルストリングは、ワイヤライン９０８によって、ゾンデ９１６が井戸孔９１４中に下げることができるように、井戸孔９１４から一時的に取出されている。典型的には、ゾンデ９１６は、対象領域の底部まで下げられ、その後、一定の速度で引き上げられる。上方への移行中に、ゾンデ９１６は、それが通過する井戸孔に隣接する地層９１９についての測定を実施する。測定データは、保存、処理及び分析のために検層設備９２０へ通信される。別の状態（たとえば、非常に偏向された井戸又は水平井戸）においては、井戸孔を通してゾンデを移送するために、ネジ接続されるか又は連続したチュービングストリングを使用できる。この状況では、ワイヤラインは、チュービングストリングの内部を通して設けられるか、又はチュービングストリングの外部へ取り付けられる。
【００１６】
図１０は、複数の導体１００２を有する代表的なワイヤラインケーブルの断面を示す。それぞれの導体は、絶縁ジャケット１００４によって囲まれている。絶縁された導体は、絶縁性が低い外被１００５内にいっしょに束ねられており、２層の逆巻された金属外装ワイヤ１００６によって囲まれている。その外装ワイヤは、金属から形成されており、導電性であり、８番目の導体として使用できる。ケーシングされるとともにセメントで固められた井戸のワイヤライン検層においては、図１１に示されるもののように、単心検層ケーブルが好ましい。単心ケーブルは、典型的には、絶縁材１１０４内にケーシングされるとともに、繊維ライナ１１０６内に巻かれた単一の多素線導体１１０２を有し、そして、その繊維ライナは、２層の逆巻された金属外装ワイヤ１１０８内に巻かれる。電力及び遠隔測定データは共に、典型的には、単一のケーブルで伝送される。単心ケーブルにおいては、電力は、一般に、低周波数信号として伝送されるが、遠隔測定データ信号は、高周波数帯域で伝送される。多心ケーブルにおいては、信号絶縁は直交伝送モードを使用することによってさらに改善される。直交モード及びその回路は、代わりに、発明者ジー・ベアド(G.Baird)、シー・ダッジ(C.Dodge)、ティー・ヘンダーソン(T.Henderson)及びエフ・ベラスケス(F.Velasquez)による「高電力井戸検層の方法及び装置」という名称の同時係属出願第０９／４３７．５９４号において、さらに詳細に検討されている。この出願は、ここにおいて、文献援用される。
【００１７】
したがって、ダウンホール通信のための通信チャネルを生成するためには、少なくとも二つの方法がある。幾つかの直交伝送モードの一つは、遠隔測定データ信号を多心ケーブル上で搬送するのに使用できるし、又は単心ケーブルは、遠隔測定データ信号を通常の態様で搬送するのに使用できる。図１は、複合チュービングの壁に埋込まれる導体を使用する第３の方法を示している。
【００１８】
図１は、注入装置１０６によって井戸孔内に注入される複合又は鋼製のチュービング１０４のスプール１０２を有する井戸を示す。チュービング１０４は、パッカ１０８及び噴出防止装置１１０を通して注入されて、ケーシング１１２を通過して井戸孔内に送られる。井戸において、ダウンホール計器１１４は、複合チュービング１０４へ連結されており、複合チュービング１０４に埋込まれている情報導管を経て、地表コンピュータシステム１１６へ通信するように構成されている。また、鋼製チュービング１０４については、ダウンホール計器は、チュービング１０４の内部に埋込まれているワイヤラインケーブルを経て、地表コンピュータシステム１１６へ通信するように構成することができる。電源１１８は、複合チュービング１０４内の電力導管又はワイヤラインケーブルを経てダウンホール計器１１４へ電力を供給するために設けられる。
【００１９】
地表コンピュータシステム１１６は、ダウンホール計器１１４と通信するように構成される。ダウンホール計器１１４は、たとえば、ボトムホール掘削アセンブリのための監視補助装置である。その補助装置は、ダウンホールパラメータをそれぞれ測定及び設定するように構成することのできるダウンホールセンサ及び／又は制御装置へ連結可能である。センサの例として、温度センサ、圧力センサ、密度センサ及び流量センサがある。制御装置の例として、バルブ、可変開口ポート、ヒータ及び人工リフト装置がある。
【００２０】
地表コンピュータシステム１１６は、好ましくは、ダウンホール計器１１４を監視及び制御するために、ソフトウエア１２０によって構成される。システム１１６は表示装置１２２及びユーザ入力装置１２４を有し、人間オペレータがシステム制御ソフトウエア１２０と対話できるようになっている。
【００２１】
複合チュービング１０４の等角図が、図２Ａに示される。名前から示唆されるように、複合チュービング１０４は、他の適切な材料が知られるとともに考えられるけれども、たとえば、主として、ガラス繊維又は炭素繊維のような複合材料から形成された壁２０２を有するチューブである。導管２０４は、複合チュービングの壁に埋込むことができる。導管破損の可能性を減少するために、導管は、好ましくは、複合チュービングの壁内において、チュービング孔の周りに螺旋形に巻かれる。巻き角度は、好ましくは、導管材料と複合材料との間の応力係数差の関数である。
【００２２】
好ましい実施形態においては、複合チュービングに含まれる導管２０４は、電気的な導体であるが、一つ又は複数の導管を、交互に、光ファイバ又は油圧導管にすることもできる。好ましくは、周方向に離間する六つの導体が設けられ、二つの隣接する導体が遠隔測定データ信号の搬送専用とされる。ワイヤラインケーブルにおいては、遠隔測定データを搬送する電気導体は、同様に、別の形態の遠隔測定用導管、たとえば、光ファイバ又は油圧導管に置換できる。
【００２３】
鋼製チュービング１０４の等角図が図２Ｂに示されている。この例において、チュービングの内部を通して延びるワイヤラインケーブルが示される。これにより、井戸孔内のケーブルの摩耗又は「締付け(pinching)」からの導管破損の可能性が減少する。情報導管は電気導体又は光学式導体であり得る。
【００２４】
図３は、一つの回路構成を示している。これは、アップリンク遠隔測定データ信号に、電気導体をダウンリンク遠隔測定データ信号と共用させる。この連結回路のダウンホール部分において、絶縁変圧器３０２が、好ましくは、ワイヤライン又はチュービングの遠隔測定データ信号導体をダウンホール計器へ連結する。中央取出し二次巻線は、伝送抵抗ＲＴを経て高域フィルタ（ＨＰＦ）３０４へ連結される一つの端子端部を有するとともに、分路抵抗ＲＲが接地された状態で低域フィルタ（ＬＰＦ）３０６へ連結される他の端子端部を有する。中央タップは、インピーダンス適合目的のために、インピーダンスブロック３０８を経て接地される。
【００２５】
ＨＰＦ３０４は、アップリンク信号遮断周波数未満の信号を阻止し、それによって、アップリンク信号エネルギーがダウンリンク信号と干渉するのを防止する。アップリンク信号エネルギーは、ＬＰＦ３０６によってダウンリンク信号から遮断され、それによって、ダウンリンク信号の遮断周波数を超えるアップリンク信号エネルギーを阻止する。
留意される点は、アップリンク及びダウンリンク信号のエネルギーが、ダウンホールでは同等であると予想されることである。これは地表では当てはまらない。そこでは、ダウンリンク信号エネルギーは、アップリンク信号エネルギーよりもかなり大きいことが予想される。ダウンリンク信号がアップリンク信号検出器を圧倒する(overwhelming)のを防止するために、ブリッジ手段が連結回路構成のアップホール部分に使用される。
【００２６】
連結回路構成の地表部分は、好ましくは、絶縁変圧器３１０を使用して、ワイヤライン又はチュービングの遠隔測定データ信号導体へ連結している。二次巻線の一つの端子は接地され、一方、他の端子は抵抗Ｒを経て伝送信号ノード３１２へ連結される。整合インピーダンス(matching impedance)３１４も接地された一つの端子、及び第２の同一の抵抗Ｒを経てノード３１２へ連結された他の端子を有する。ダウンリンク信号は、低域フィルタ３１６及び電力増幅器３１８を経てノード３１２へ送られる。ノード３１２上のダウンリンク信号電圧は、アップリンク信号による小さい相違で、同様な電流を二つの分岐部に流入させる。このアップリンク信号差を、分岐部の中間ノード間における電圧差の形態で検出される。差動増幅器３２０が、この信号差を増幅し、それを濾波のために高域フィルタ３２２へ送る。ダウンリンク信号を濾波する際の高域フィルタ３２２の弁別は、差動増幅器の通常モード阻止によって補助される。
【００２７】
特定の連結回路構成が説明されてきたが、他の連結手法を使用できることが認められる。他の適切な「４ワイヤから２ワイヤ」の連結形態が従来知られており、使用できる。また、アップリンク及びダウンリンク信号は別個のセットの導体上で搬送できるし、又は他の種類の導管の場合には、光信号又は圧力信号に変換できる。
【００２８】
図４は、地表コンピュータシステム１１６（これは、地表設備９２０に含まれる）の一つの実施形態を示す。システム１１６は、ブリッジ４０６を経てシステムメモリ４０４へ連結される中央処理装置４０２を備える。システムメモリ４０４は、プロセッサ４０２による実行のために、ソフトウエア４０８を収容している。ブリッジ４０６は、また、プロセッサ４０２を周辺バス４１０へ連結する。周辺バス４１０は、プロセッサ４０２との間のデータの転送をサポートする。それにより、周辺バス４１０へ接続される周辺装置は、プロセッサ４０２が外部(outside world)へアクセスできるようにしている。示される実施形態においては、信号調整基板４１２及びデジタル復号器基板４１４が、周辺バス４１０へ連結される。
【００２９】
信号調整基板４１２も遠隔測定用導管へ連結される。プロセッサ４０２がダウンホール計器１１４へ送信しようとするダウンリンクデータは、信号調整基板４１２のバスインターフェース論理回路４２２へ送信される。インターフェース論理回路４２２は、バスプロトコルに追従し、周波数シフトキー（ＦＳＫ）変調器４２４へ送られるバス信号からダウンリンクデータを抽出する。ＦＳＫ変調器４２４は、データをアナログダウンリンク信号に変換し、その信号が、次いで、ＬＰＦ３１６へ送られ、高周波数成分が排除される。絶縁変圧器３１０は、ダウンリンク信号を遠隔測定用導管に送り、アップリンク信号を抽出し、その信号をＨＰＦ３２２へ渡し、そこで、低周波数成分を排除する。アップリンク信号は、増幅器４３２によって増幅され、デジタル復号器カード４１４上のアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）４４２へ送られる。
【００３０】
ＡＤＣ４４２は、好ましくは、デジタル化された信号を、濾波及び復号化のために、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）４４４へ送る。ＤＳＰ４４４はソフトウエアによって構成されており、アップリンクデータ記号を抽出するために、帯域通過又は整合された濾波４４６及び等化及びタイミングリカバリー４４８を実施する。データ記号は復号化４５０され、復号化されたアップリンクデータは、分析のために、プロセッサ４０２へ送られる。アップリンク遠隔測定データ信号のフォーマット及び復号化の詳細は、以下でさらに検討される。
【００３１】
図５は、ダウンホール計器遠隔測定モジュールの一つの実施形態を示す。ＤＳＰ５０２はソフトウエアによって構成されており、地表へ伝送するために、アップリンクデータを初期化及び符号化５０４する。符号化されたデジタルデータは、好ましくは、横軸振幅変調(quadrature amplitude modulation)（ＱＡＭ）形態において、直接デジタル合成（ＤＤＳ）チップ５０６によって変調され、アナログアップリンク信号を生成する。アナログアップリンク信号は、高域濾波３０４され、絶縁変圧器３０２へ送られる。絶縁変圧器は、アップリンク信号を遠隔測定用導管へ連結し、ダウンリンク信号を遠隔測定用導管から低域フィルタ３０６へ連結する。ＬＰＦ３０６は、遮断周波数を超える信号エネルギーを排除し、また、変調器５０８は、ＤＳＰ５０２による復号化のために、ダウンリンク信号をデジタルベースバンド形態に変換する。
【００３２】
好ましい実施形態においては、ダウンリンク信号は、２．４から９．６ｋＨｚ周波数帯域を使用するＦＳＫ変調信号である。この信号は、好ましくは、命令及び構成パラメータをダウンホール計器へ伝送するのに使用される。アップリンク信号は、好ましくは、１６から４８ｋＨｚ周波数帯域を使用するバーストＱＡＭ変調信号である。この信号は、好ましくは、測定データを地表へ伝送するのに使用される。
【００３３】
ＤＳＰは、選択的に、ＤＳＰマイクロコンピュータのＡＤＳＰ−２１００ファミリーからのチップである。これは、マサチューセッツ州ノーウッド(Norwood, Massachusetts)で事業を行う会社、アナログ・デバイス(Analog Devices)によって製造販売されているものである。このＤＤＳチップは、選択的に、同社によって製造販売されるＡＤ７００８ ＣＭＯＳ ＤＤＳ変調器でもよい。
【００３４】
留意される点は、アップリンクが、好ましくは、受信装置の複雑性の対応増加なしにチャネル容量を増加するために、バーストＱＡＭを採用していることである。一つの実施形態においては、バーストＱＡＭ通信がアップリンクデータフレーム６０２の形態で実施され、それぞれのフレームの前には、図６に示されるように、休止期間６０４及びタイミング同期シーケンス６０６が置かれている。等化トレーニングシーケンス６０８もデータフレーム６０２の直前に設けられている。アップリンク通信は１６ビットワードに基づいて実施され、そのワードそれぞれが４ビット（１６−ＱＡＭ）記号として伝送されるように意図されている。休止期間６０４は３０ワード（１２０記号期間）であるように意図され、タイミングシーケンス６０６は２０ワード（８０記号）であるように意図され、トレーニングシーケンス６０８は１２６ワード（５０４記号）であるように意図され、さらに、フレーム６０２は最大１０２４ワード（４０９６記号）であるように意図されている。しかしながら、他の構成も適切であることが認められる。たとえば、他のワード長さを使用できるし、また、ＱＡＭ群は大きく（たとえば、３２、６４、１２８、２５６、５１２、１０２４又はそれ以上の群のポイント）することができるし、小さく（すなわち、２、４又は８の群のポイント）することもできる。
【００３５】
データフレーム６０２は、好ましくは、二つの同期ワードで始まり、データカウントワード、最高１０２０ワードのデータが続いて、チェックサムワードで終わる。データカウントワードは、好ましくは、データワード数を示す。フレーム毎のデータワード数は、システムの要求に従って調節されるともに、再同期及び再トレーニングシーケンスの所望の再発率に従って調節される。たとえば、フレーム毎のデータワード数が、上述の実施形態において、１０２０であるならば、タイミング再同期及び再トレーニングは、毎秒１０回を超えて生じる。しかしながら、場合によっては、再同期回数を毎秒２０回を超えるまで増加させるのが望ましい。これは、フレーム毎のデータワード数を約５１２まで減少させることによって達成される。また、フレーム毎の記号数を減少させるためには、ＱＡＭ記号毎のビット数は増加される。
【００３６】
図７は、機能ブロック形態におけるアップリンク信号伝送路７００を示す。ブロック７０２においては、データフレーム６０２は、それと擬似乱数列との排他的論理和をビット毎にとること(bit-by-bit XOR-ing)によって、「スクランブリング(scrambled)」される。擬似乱数列は、容易に再生成されるマスクであり、データフレームを「ランダム化(randomizes)」し、測定データにしばしば生じる予想可能な周期的パターンを除去する。そのようなパターンは、除去されないならば、受信装置において適応等化(adaptive equalization)と干渉する好ましくないスペクトルラインを生じることがある。
【００３７】
スクランブリングされたデータは、その後、ブロック７０４において、ＱＡＭ群における信号ポイントへマッピングされる記号に分割される。ブロック７０６において、記号は搬送周波数上へ変調され、ブロック７１０において、濾波及び増幅され、遠隔測定用導管へ連結される。データ路に平行なプレアンブル発生器ブロック(preamble generator block)７０８が示されている。プレアンブル発生器７０８は、休止期間６０４、タイミング同期シーケンス６０６及びトレーニングシーケンス６０８を発生し、それらを、それぞれのデータフレームの前方にある伝送信号中に挿入する。ここで、図５を一時的に参照すると、ブロック７０２及び７０４は符号化器ソフトウエア５０４の一部であり、ブロック７０６及び７０８はＤＤＳチップ５０６によって実現でき、また、ブロック７１０はＨＰＦ３０４によって実現できる。
【００３８】
図８は、機能ブロック形態におけるアップリンク信号受信路８００を示す。ブロック８０２において、遠隔測定用導管から受信された信号は濾波され、アップリンク信号遮断周波数未満の信号エネルギーが排除される。ついで、アップリンク信号はブロック８０４においてデジタル化され、さらに、ブロック８０６において整合濾波され(match-filtered)、ＳＮ比(signal-to-noise ratio)が最大にされる。ブロック８０８において、タイミングリカバリーアルゴリズムが作用し、受信装置タイミングをタイミング同期シーケンスへロックする。ブロック８１０において、アップリ信号は等化され、チャネル効果を是正する。トレーニングシーケンスの等化中においては、トレーニングシーケンスの知識が、等化器を遠隔測定用チャネルへ適応させるのに使用される。その結果、等化器はデータフレーム上で改良された等化性能を示す。等化器出力は、ＱＡＭ記号のシーケンスである。ブロック８１２において、記号シーケンスは、トレーニングシーケンスの知識から得られた適正な整合で、１６ビットワードシーケンスへ変換される。ブロック８１４は、休止期間、タイミングシーケンス及びトレーニングシーケンスから外来ワード(extraneous words)を阻止し、データフレームにだけ渡す。ブロック８１６において、スクランブリング動作が逆転され、チェックサムが確認され、データカウントがデータワードと共に出力として送られる。ここで、図４を一時的に参照すると、ブロック８０２はブロック３２２に対応し、ブロック８０４はブロック４４２に対応し、ブロック８０６はブロック４４６に対応し、ブロック８０８及び８１０はブロック４４８に対応し、さらに、ブロック８１２から８１６はブロック４５０に対応する。
【００３９】
上述の代表的な実施形態は、ワイヤライン及び複合チュービングにおける導管を通しての遠隔測定を実現する。複合チュービングにおける電気導体の場合、遠隔測定用チャネルは、検討中の周波数範囲において、４０から４５ｄＢの減衰で５０，０００フィートまでの範囲を有することが予想される。バーストＱＡＭ信号送信に採用されるフレーム化構造は、タイミング再同期及び等化器再トレーニングについての定期的な再発の機会を提供することが予想される。これにより、アップリンクチャネルの信頼性を大幅に改良することが予想される。
【００４０】
留意される点は、ここに開示される遠隔測定システムは、たとえば、高性能井戸(smart well)を含む複数の用途を有することである。高性能井戸は、ダウンホールにセンサ及び制御自在な機構を有する生産井戸である。それらのセンサは，たとえば、密度及び流量を検出するのに使用される。アップホールシステムは、この情報を使用して、井戸の生産を最適化するために、制御可能な機構（たとえば、可変開口ポート及びヒータ又は他の人工リフト機構）を作動させる。
【００４１】
上記の開示が一旦十分に理解されれば、多くの変形態様及び変更態様は当業者とって明らかになるであろう。添付の特許請求の範囲は全てのそのような変形及び変更を包含するように解釈されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】遠隔測定システムが使用されている油井の略図である。
【図２Ａ】螺旋状に巻かれた情報導管を有する複合チュービングセクションの略等角図である。
【図２Ｂ】ワイヤラインケーブルを有するチュービングセクションの等角図である。
【図３】遠隔測定データ信号をチュービングへ連結する回路の略図である。
【図４】地表コンピュータシステムの機能ブロック図である。
【図５】監視補助装置におけるダウンホール通信モジュールの機能ブロック図である。
【図６】アップリンクデータフレームの実施形態を示す図である。
【図７】アップリンク遠隔測定伝送装置の機能ブロック図である。
【図８】アップリンク遠隔測定受信装置の機能ブロック図である。
【図９】遠隔測定システムが使用されているワイヤラインシステムの略図である。
【図１０】７心ワイヤラインケーブルの断面図である。
【図１１】単心ワイヤラインケーブルの断面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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