EP0194792B1

Apparatus and method to communicate bidirectional information in a borehole.

Abstract

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EP0194792B1, drawing sheet 1
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Expired 3 March 2006, 20.6 years ago.

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11 claims: 11 independent, 0 dependent

  1. 1
    Apparatus for use in borehole mapping or surveying and including instrumentation (16 to 19) for the determination of borehole azimuth and/or tilt, the apparatus comprising first means (12) for suspending said instrumentation in the borehole, and said instrumentation operating to generate analog signals in the borehole, second means (103) responsive to reception of said signals for multiplexing said signals and converting same to digital signals, in the borehole, third means (102) responsive to reception of said digital signals for converting said digital signals to digital signal words, fourth means (100) in the borehole connected to receive said signal words and produce signal versions thereof for transmission to the surface, a first transmission path (141) operative connected with said fourth means, for transmitting said signal versions upwardly in the borehole, and fifth means (150) for stripping said signal versions off the transmission path at an upper elevation and processing said signal versions to a form usable in determination of borehole azimuth and/or tilt at the level of said instrument-ation in the borehole, characterised by sixth means (155) to generate digital command words at said upper level to change the signal paths between elements of said instrumentation in the borehole and to change the message content of data to be transmitted from said instrumentation to said upper level, seventh means (150) at an upper location connected to receive said digital command words and produce signal versions thereof for transmission downwardly in the borehole, to said instrumentation, a second transmission path (141) for transmitting said command signals to the survey tool, means (102) for stripping said command signal versions off the second transmission path and processing said signal versions to form usable command words for use by said instrumentation in the borehole to change the signal paths between elements at said instrumentation and to change the message content of data to be transmitted from said instrumentation to said upper level, the control processing of the borehole instrumentation being carried out at said upper level. Appareil destiné à être utilisé pour cartographier ou diagraphier un trou de forage et comprenant des instruments (16 à 19) pour déterminer l'azimuthe et/ou l'inclinaison du trou de forage, l'appareil comprenant un premier moyen (12) pour suspendre lesdits instruments dans le trou de forage, et lesdits instruments fonctionnant pour générer des signaux analogues dans le trou de forage, un second moyen (103) sensible à la réception desdits signaux pour les multiplexer et les convertir en signaux numériques, dans le trou de forage, un troisième moyen (102) sensible à la réception desdits signaux numériques pour les convertir en mots de signaux numériques, un quatrième moyen (100) dans le trou de forage connecté pour recevoir lesdits mots de signaux et en créer des versions de signaux pour transmission vers le jour, un premier chemin de transmission (141) connecte de façon opérationnelle audit quatrième moyen pour transmettre lesdites versions de signaux vers le haut dans le trou de forage, et un cinquième moyen (150) pour extraire lesdites versions de signaux du chemin de transmission à un niveau plus élevé et traiter lesdites versions de signaux pour leur donner une forme utilisable pour déterminer l'azimuthe et/ou l'inclinaison du trou de forage au niveau desdits instruments dans le trou de forage, caractérisé par un sixième moyen (155) pour créer des mots de commande numériques audit niveau plus élevée pour changer les chemins des signaux entre des éléments desdits instruments dans le trou de forage et pour changer le contenu de message des données à être transmises à partir desdits instruments vers ledit niveau plus élevé, un septième moyen (150) en un endroit plus élevé connecté pour recevoir lesdits mots de commande numériques et créer des versions de signaux de ceux-ci pour être transmis vers le bas dans le trou de forage vers lesdits instruments, un second chemin de transmission (141) pour transmettre lesdits signaux de commande vers l'outil de diagraphie, un moyen (102) pour extraire les versions de signaux de commande du second chemin de transmission et les traiter pour an former des mots de commande utilisables destinés à être utilisés par lesdits instruments dans le trou de forage pour changer les chemins de signaux entre les éléments à l'endroit desdits instruments et pour changer le contenu de message des données à être transmis desdits instruments vers ledit niveau plus élevé, le traitement de la commande desdits instruments du trou de forage étant mis en oeuvre à l'endroit dudit niveau plus élevée. Vorrichtung zur Bohrloch-Kartierung oder -Vermessung mit Meßgeräten (16 bis 19) zur Bestimmung des Bohrloch-Azimuts und/oder -Neigung, wobei die Vorrichtung ein erstes Mittel (12) zur Aufhängung der Meßgeräte in dem Bohrloch umfaßt und wobei die Meßgeräte Analogsignale im Bohrloch erzeugen, ein zweites Mittel (103) im Bohrloch, das in Reaktion auf den Empfang der Signale diese multiplext und in Digitalsignale umwandelt, ein drittes Mittel (102), das in Reaktion auf den Empfang der digitalen Signale diese in digitale Signalworte umwandelt, ein viertes Mittel (100) im Bohrloch geschaltet zur Aufnahme dieser Signalworte und Produzierung von Signalversionen davon zur Übertragung an die Oberfläche, einem ersten Übertragungsweg (141), operativ verbunden mit em vierten Mittel zur Übertragung der Signalversionen im Bohrloch nach oben, und ein fünftes Mittel (150) zum Abziehen der Signalversionen vom Übertragungsweg an einer oberen Elevation und Bearbeitung der Signalversionen zur Bildung einer Form, welche zur Bestimmung des Bohrloch-Azimuts und/oder der -Neigung auf dem Niveau der Meßgeräte im Bohrloch geeignet ist, gekennzeichnet durch ein sechstes Mittel (155) zur Erzeugung digitaler Befehlswörter am oberen Niveau zur Änderung der Signalwege zwischen den Elementen der Meßgeräte im Bohrloch und zur Änderung des Nachrichteninhalts der Daten, welche von den Meßgeräten zum oberen Niveau zu übertragen sind, ein siebtes Mittel (150) an einer oberen Stelle, geschaltet zum Empfang der digitalen Befehlswörter und zur Produktion von Signalversionen davon zur Übertragung nach unten in das Bohrloch zu den Meßgeräten hin, ein zweiter Übertragungsweg (141) zur Übertragung der Befehlssignale auf das Vermessungsgerät, ein Mittel (102) zum Abziehen der Befehlssignalversionen vom zweiten Übertragungsweg und Bearbeitung der Signalversionen zur Bildung von geeigneten Befehlswörtern für die Meßgeräte im Bohrloch, um die Signalwege zwischen den Elementen der Meßgeräte zu ändern und den Nachrichteninhalt der Daten zu ändern, welche von den Meßgeräten zum oberen Niveau übertragen werden, wobei die Steuerung der Bohrloch-Meßgeräte auf dem oberen Niveau durchgeführt wird.
  2. 2
    Apparatus as claimed in claim 1, characterised in that said first and second transmission paths comprise a two conductor wireline (141) in the borehole connected to transmit DC voltage downwardly and electrical frequency shift keyed (FSK) signals both upwardly and downwardly in the borehole. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second chemins de transmission sont deux conducteurs électriques (141) dans le trou de forage connectés pour transmettre une tension continue vers le bas et des signaux électriques modulés par déplacement de fréquence aussi bien vers le haut que vers le bas dans le trou de forage. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Übertragungswege einen Zweiader-Leiter (141) im Bohrloch umfassen, um in leitender Verbindung Gleichstromspannung nach unten und elektrische Frequenzumtastungs (FSK)-Signale sowohl nach oben als auch nach unten im Bohrloch zu übertragen.
  3. 3
    Apparatus as claimed in claim 2, characterised in that the fourth and seventh means (100,150) comprise FSK means to produce said signal versions as FSK signal versions, and including mixer stages conneced to superimpose said FSK signal versions onto the DC wireline voltage for said transmissions upwardly and downwardly in the borehole, power supply means (114) supplying DC power on said wireline downwardly in the borehole to said instrumentation via a sub-surface power supply regulator, and said mixer stages and said first and second transmission paths including inductors operating to pass said DC power, but blocking said FSK signal versions from passing into said power supply means and into said sub-surface power supply regulator. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les quatrième et septième moyens (100,150) comprennent des moyens de modulation par déplacement de fréquence pour créer lesdites versions de signaux comme versions de signaux modulées par déplacement de fréquence, et comprenant des étages mélangeurs connectées pour superposer lesdites versions de signaux modulées par déplacement de fréquence sur la tension continue des conducteurs électriques pour lesdites transmissions vers le haut et vers le bas dans le trou de forage, un moyen d'alimentation de puissance (114) fournissant une puissance courant continu sur ledit conducteur électrique vers le bas dans le trou de forage vers lesdits instruments via un régulateur d'alimentation de puissance souterrain, et lesdits étages mélangeurs et lesdits premier et second chemins de transmission comprenant des inducteurs fonctionnant pour faire passer ladite puissance courant continu, mais pour bloquer le passage desdites versions de signaux modulés par déplacement de fréquence dans ledit moyen d'alimentation de puissance et dans ledit régulateur d'alimentation de puissance souterrain. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vierten und siebten Mittel (100, 150) FSK-Mittel umfassen zur Herstellung der Signalversionen als FSK-Signalversionen und Mischstufen einschließen, welche leitend verbunden sind, um die FSK-Signalversionen auf die Gleichstromleiterspannung zu überlagern für die Übertragungen nach oben und unten im Bohrloch, Stromversorgungsmittel (114), welche die Leitung nach unten im Bohrloch zu den Meßgeräten mit Gleichstrom über einen Unterflur-Stromversorgungsregler versorgen, und wobei die Mischerstufen und die ersten und zweiten Übertragungswege Induktoren einschließen, welche den Gleichstrom durchlassen, jedoch die FSK-Signalversionen daran hindern, in die Stromversorgungsmittel zu fließen und in den Unterflur-Stromversorgungsregler zu gelangen.
  4. 4
    Apparatus as claimed in claim 1, characterised in that said transmission paths are provided by means to propagate acoustic pressure modulations through the drilling fluids in the borehole, both upwardly and downwardly. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits chemins de transmission sont réalisés par des moyens pour propager des modulations de pression acoustique à travers les fluides de forage dans le trou de forage, aussi bien vers le haut que vers le bas. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungswege zur Ausbreitung akustischer Druckmodulationen durch die Bohrflüssigkeiten im Bohrloch ausgestattet sind, sowohl aufwärts als auch abwärts.
  5. 5
    Apparatus as claimed in claim 1, characterised in that said transmission paths are provided by means to propagate electromagnetic wave modulations through the earth between the surface and the instrumentation in the borehole. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits chemins de transmission sont fournis par des moyens destinés à propager des modulations d'ondes électromagnétiques à travers la terre entre le jour et les instruments dans le trou de forage. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungswege zur Ausbreitung elektromagnetischer Wellenmodulationen durch die Erde zwischen der Oberfläche und den Meßgeräten im Bohrloch ausgestattet sind.
  6. 6
    Apparatus as claimed in claim 1, characterised in that said transmission paths are provided by means to propagate light wave modulations along a fibre optic path in the borehole between the surface and the instrumentation in the borehole. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits chemins de transmission sont réalisés par des moyens pour propager des modulations d'ondes optiques le long d'un chemin de fibres optiques dans le trou de forage entre le jour et les instruments dans le trou de forage. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungswege zur Ausbreitung von Lichtwellenmodulationen entlang einem optischen Faserleiter im Bohrloch zwischen der Oberfläche und den Meßgeräten im Bohrloch ausgestattet sind.
  7. 7
    Apparatus as claimed in claim 1, characterised in that said instrumentation includes angular rate sensor means (16) and acceleration sensor means (17) which are operated to generate said analog signals. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits instruments comprennent un moyen détecteur (16) de la vitesse angulaire et un moyen détecteur (17) de l'accélération qui fonctionnent pour créer lesdits signaux analogues. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgeräte Sensormittel (16) zur Messung der Winkelgeschwindigkeit und Sensormittel (17) zur Messung der Beschleunigung enthalten, welche zur Erzeugung der Analogsignale betrieben werden.
  8. 8
    Apparatus as claimed in claim 7, characterised in that said instrumentation includes temperature sensor means operated to generate said analog signals. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un moyen détecteur de la température qui fonctionne pour créer lesdits signaux analogues. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgeräte Sensormittel zur Temperaturmessung enthalten, welche zur Erzeugung der Analogsignale betrieben werden.
  9. 9
    Apparatus as claimed in claim 1, characterised in that said instrumentation includes pipe or tubing collar locater means operated to generate said analog signals and indicative of the presence or absence of such a collar at the instrumentation level in the borehole. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits instruments comprennent des moyens de localisation du collier du tube ou tuyau actionnés pour créer les deux signaux analogues et indiquer la présence ou l'absence d'un tel collier au niveau desdits instruments dans ledit trou de forage. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgeräte Rohr- oder Schlauchmanschettenfeststellermittel enthalten, welche zur Erzeugung der Analogsignale und als Indikatoren für die Anwesenheit oder Abwesenheit einer solchen Manschette auf dem Niveau der Meßgeräte im Bohrloch eingesetzt werden.
  10. 10
    Apparatus as claimed in claim 1, characterised by first sensor means (16) for measuring angular rate about one or more axes, second sensor means (17) for sensing tilt or acceleration along one or more axes, rotary drive means for rotating and controlling said first and second means in the borehole, and circuit means operatively connected between said second means and rotary drive means for allowing the drive to rotate the first and second means at a first location in the borehole to determine the azimuthal direction of tilt of the borehole at said location, and causing the drive to maintain an axis defined by said second means at a predetermined orientation relative to horizontal during travelling of the apparatus in the borehole, whereby at least one of the first and second means may be operated during such travelling to determine changes in borehole alignment along the borehole length. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par un premier moyen détecteur (16) pour mesurer la vitesse angulaire autour d'un ou plusieurs axes, un second moyen détecteur (17) pour mesurer l'inclinaison ou l'accélération le long d'un ou plusieurs axes, un moyen d'entraînement rotatif pour tourner et contrôler lesdits premier et second moyens dans le trou de forage, un moyen de circuit connecté de façon opérationnelle entre ledit second moyen et ledit moyen d'entraînement rotatif pour permettre au moyen d'entraînement de tourner les premier et second moyens en un premier endroit du trou de forage pour déterminer la direction azimuthale de l'inclinaison du trou de forage audit endroit, et faire que le moyen d'entraînement maintient un axe défini par ledit second moyen dans une orientation prédéterminée par rapport à l'horizontale pendant le passage de l'appareil dans le trou de forage, de sorte qu'au moins un des premier et second moyens peut être actionnée pendant ledit passage pour déterminer des changements de l'alignement du trou de forage le long de la longueur du trou de forage. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch erste Sensormittel (16) zur Messung der Winkelgeschwindigkeit um eine oder zwei Achsen, zweite Sensormittel (17) zur Messung der Neigung oder Beschleunigung entlang einer oder mehrerer Achsen, Drehantriebsmittel zur Drehung und Steuerung der ersten und zweiten Mittel im Bohrloch, und Stromkreismittel operativ geschaltet zwischen den zweiten Mitteln und dem Drehantrieb, um dem Antrieb die Drehung der ersten und zweiten Mittel an einer ersten Stelle im Bohrloch zu ermöglichen zur Bestimmung der Azimutalrichtung der Neigung des Bohrloches an dieser Stelle, und den Antrieb zu veranlassen, eine Achse beizubehalten, welche durch die zweiten Mittel definiert ist, bei einer vorherbestimmten Orientation relativ bezogen zur Horizontalen während der Bewegung der Vorrichtung im Bohrloch, wobei mindestens eines der ersten und zweiten Mittel während der Bewegung im Betrieb sein kann zur Bestimmung von Veränderungen in der Bohrlochausrichtung entlang der Bohrlochlänge.
  11. 11
    A well survey method employing apparatus as claimed in claim 1 and including first means for measuring angular rate, and second means for sensing tilt, and a rotary drive for the first and second means, the method comprising the steps of operating the drive and the first and second means at a first location in the borehole to determine the azimuthal direction of tilt of the borehole at such location, then travelling the first and second means and the drive lengthwise of the borehole away from that location, and operating the drive and at least one of the first and second means during such travelling to determine changes in borehole alignment during travelling, said operating and travelling steps being carried out while the signal versions are passed upwardly and downwardly in the borehole, characterised by changing the signal paths between elements of said instrumentation to change the message content of data to be transmitted from said instrumentation to said upper level, receiving at an upper location said digital command words and producing signal versions thereof for transmission downwardly in the borehole to said instrumentation, transmitting said command signals to the survey tools on a second transmission path (141), stripping said command signal versions off the second transmission path (141) and processing said signal versions to form useable command words for use by said instrumentation in the borehole to change the signal paths between elements at said instrumentation to said upper level, the control processing of the borehole instrumentation being carried out at said upper level. Ein Bohrloch-Untersuchungsverfahren unter Einsatz einer Vorrichtung nach Anspruch 1 mit ersten Mitteln zur Messung der Winkelgeschwindigkeit und zweiten Mitteln zur Feststellung der Neigung, und einem Drehantrieb für die ersten und zweiten Mittel, wobei das Verfahren die Verfahrensschritte des Betreibens des Antriebes und der ersten und zweiten Mittel an einer ersten Stelle im Bohrloch zur Bestimmung der Azimutalrichtung der Neigung des Bohrloches an dieser Stelle, sodann Fortbewegung der ersten und zweiten Mittel und des Antriebs der Länge des Bohrloches nach weg von der Stelle und Betreiben des Antriebs und mindestens eines der ersten und zweiten Mittel während der Fortbewegung zur Bestimmung von Veränderungen in der Bohrlochausrichtung während der Bewegung, wobei die Schritte von Betreiben und Fortbewegung durchgeführt werden, während die Signalversionen aufwärts und abwärts im Bohrloch geführt werden, gekennzeichnet durch Ändern der Signalwege zwischen Elementen der Meßgeräte zur Änderung des Nachrichteninhalts der Daten, welche von den Meßgeräten zum oberen Niveau zu übertragen sind, Empfangen der Digitalbefehlsworte an einer oberen Stelle und Produzieren von Signalversionen daraus zur Übertragung nach unten im Bohrloch zu den Meßgeräten, Übertragen der Kommandosignale zu den Meßgeräten auf einem zweiten Übertragungsweg (141), Abziehen der Befehlssignalversionen vom zweiten Übertragungsweg (141) und Bearbeitung der Signalversionen zur Bildung von geeigneten Befehlswörtern zur Anwendung durch die Meßgeräte im Bohrloch, um die Signalwege zwischen Elementen der Meßgeräte zum oberen Niveau zu ändern, wobei die Steuerung der Bohrloch-Meßgeräte auf dem oberen Niveau durchgeführt wird. Méthode pour diagraphier un puits utilisant un appareil tel que revendiqué dans la revendication 1 et comprenant un premier moyen pour mesurer la vitesse angulaire et un deuxième moyen pour détecter l'inclinaison, et un moyen d'entraînement rotatif pour lesdits premier et second moyens, la méthode comprenant les étapes d'actionner le moyen d'entraînement et lesdits premier et second moyens en un premier endroit dans le trou de forage pour déterminer la direction azimuthale de l'inclinaison du trou de forage à cet endroit, puis déplacer les premier et second moyens et le moyen d'entraînement en direction de la longueur du trou de forage pour l'éloigner de cet endroit, et actionner ledit moyen d'entraînement et au moins un des premier et second moyens pendant ledit déplacement pour déterminer des variations dans l'alignement du trou de forage pendant ce déplacement, lesdites étapes d'actionnement et de déplacement étant réalisées pendant que les versions de signaux sont passées vers le haut et vers le bas dans le trou de forage, caractérisée par changer lesdits chemins de signaux entre des éléments desdits instruments pour changer le contenu de message des données à être transmises par lesdits instruments vers ledit niveau plus élevé, recevoir lesdits mots de commande numériques en un endroit plus élevé et en créer des versions de signaux pour la transmission vers le bas dans le trou de forage vers lesdits instruments, transmettre des signaux de commande vers les outils de diapgrahie sur un second chemin de transmission (141), extraire lesdites versions de signaux de commande du second chemin de transmission (141) et traiter lesdites versions de signaux pour former des mots de commande utiles pour être utilisés par lesdits instruments dans le trou de forage pour changer les chemins de signaux entre des éléments desdits instruments vers ledit niveau plus élevé, le traitement de la commande des instruments dans le trou de forage étant exécuté audit niveau plus élevé.