Устройство, система и способ калибровки скважинного генератора тактовых импульсов

Изобретение относится к средствам калибровки скважинного инструмента и может быть использовано для калибровки генератора тактовых импульсов. Техническим результатом является расширение арсенала технических средств для калибровки скважинных инструментов на месте проведения работ. В частности, предложено устройство для калибровки скважинного генератора тактовых импульсов, содержащее: скважинный генератор тактовых импульсов; приемный элемент для приема производного тактового сигнала в случае, когда скважинный генератор тактовых импульсов расположен в скважине; и измерительную схему для измерения частоты производного тактового сигнала в единицах нескорректированной скважинной тактовой частоты, связанной со скважинным генератором тактовых импульсов, для обеспечения эквивалента измеренной частоты. Причем производный тактовый сигнал получают из поверхностного тактового сигнала, связанного с поверхностным генератором тактовых импульсов, при этом частота производного тактового сигнала составляет менее одной пятой частоты поверхностного тактового сигнала. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Понимание структуры и свойств геологических пластов позволяет снизить затраты при бурении скважин при нефтегазопоисковой разведке. Обычно для этого выполняют измерения в стволе скважины (т. е. скважинные измерения), а также определяют состав и распределение веществ, окружающих измерительный прибор, находящийся в скважине. Для выполнения таких измерений используют различные датчики и монтажные конфигурации.

[0002] Например, в качестве монтажной площадки для скважинных датчиков могут использоваться электромагнитные (ЭМ) каротажные приборы для каротажа во время бурения/измерения во время бурения (КВБ/ИВБ). В некоторых проектах используют сигналы синхронизации, подаваемые посредством расположенных в скважине генераторов тактовых импульсов, которые имеют точность около одной миллиардной (1 к 10⁹). Однако при использовании общепринятых методов сложно достичь требуемой точности, а в некоторых случаях невозможно.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0003] На Фиг. 1 проиллюстрирована функциональная схема устройства и систем в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0004] На Фиг. 2 проиллюстрирована функциональная схема устройства и систем в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0005] На Фиг. 3 проиллюстрирован график спектра амплитуд теллурических токов в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0006] На Фиг. 4 проиллюстрирован график взаимодействия магнитного поля с Землей в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0007] На Фиг. 5 проиллюстрирована функциональная схема устройства и системы в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0008] На Фиг. 6 проиллюстрирована функциональная схема устройства и системы в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0009] На Фиг. 7 проиллюстрирована функциональная схема устройства повторителя в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0010] На Фиг. 8 проиллюстрирована блок-схема, поясняющая несколько способов в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

[0011] На Фиг. 9 проиллюстрирован вариант реализации кабельной системы по данному изобретению.

[0012] На Фиг. 10 проиллюстрирован вариант реализации буровой установки по данному изобретению.

[0013] На Фиг. 11 проиллюстрирована функциональная схема изделия в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0014] Для решения некоторых из описанных выше задач, а также других, в данной заявке описаны устройство, системы и способы, посредством которых может быть увеличена точность функционирующих в скважине тактовых генераторов. В некоторых вариантах реализации изобретения предложено решение, посредством которого становится возможной калибровка частоты скважинного задающего генератора тактовых импульсов на месте проведения работ.

[0015] Например, данный результат может быть достигнут путем предоставления генератора тактовых импульсов на поверхности Земли, который в значительной степени является более стабильным, по сравнению с расположенным в скважине генератором тактовых импульсов, и получения низкочастотного сигнала от задающего генератора поверхностного генератора тактовых импульсов (например, порядка 1 Гц). Затем сигнал передают посредством скважинной электромагнитной нисходящей низкочастотной линии связи, принятой в скважине, причем частота нисходящего сигнала измеряется в единицах времени скважинного генератора тактовых импульсов. На данном этапе рассчитывают фактическую частоту скважинного генератора тактовых импульсов во время приема нисходящего сигнала и используют ее для коррекции временных интервалов, полученных от скважинного генератора тактовых импульсов, с учетом измеренного сдвига частоты.

[0016] В следующих абзацах будут описаны по меньшей мере два механизма для измерения частоты нисходящего сигнала и по меньшей мере один способ коррекции временных интервалов, полученных от скважинного генератора тактовых импульсов.

[0017] Для начала обратимся к Фиг. 1 и 2, на которых проиллюстрировано несколько вариантов реализации устройства и систем. Существует несколько общих признаков, проиллюстрированных на чертежах.

[0018] Поверхностные системы 120 аналогичны, а в некоторых вариантах реализации изобретения, идентичны, при этом они содержат поверхностный генератор 121 тактовых импульсов, возможно, управляемый посредством задающего генератора 122. Скважинный генератор 124 тактовых импульсов (возможно, управляемый посредством задающего генератора 126), процессор 128, и приемный элемент 136 (например, изолированный зазор 132 или катушка 140) расположены в скважине. Скважинное устройство 148 может входить в состав инструмента 156 для сейсмических измерений во время бурения (или какого-нибудь другого инструмента в бурильной колонне или зонда на кабеле). Приемник 144 может быть соединен с приемным элементом 136, таким как изолированный зазор 132. В зависимости от варианта применения и продолжительности срока службы стабильность генераторов 121, 124 тактовых импульсов может быть различной, но во многих вариантах реализации поверхностный генератор 121 тактовых импульсов должен иметь стабильность по меньшей мере на порядок выше, чем у скважинного генератора 124 тактовых импульсов.

[0019] В случае, когда скважинный генератор 124 тактовых импульсов не может быть периодически повторно синхронизирован относительно поверхностного генератора 121 тактовых импульсов, то скважинный генератор 124 тактовых импульсов должен, по меньшей мере, соответствовать характеристике для системы в целом, причем характеристика поверхностной системы 120 должна превышать характеристику для системы в целом, во избежание совместного дрейфа частоты двух генераторов тактовых импульсов 121, 124, превышающего требуемую характеристику для обеспечения требуемой стабильности.

[0020] Например, для дрейфа не более 1 мс при продолжительности срока службы 200 часов, скважинный генератор 124 тактовых импульсов должен иметь дрейф не более чем один к 10⁹, при этом скорость дрейфа поверхностного генератора 121 тактовых импульсов должна быть примерно на порядок меньше. С другой стороны, в случае, когда в течение срока службы между генераторами тактовых импульсов 121, 124 может быть достигнута повторная синхронизация в дискретных временных интервалах, требование стабильности может быть снижено, в зависимости от числа циклов повторной синхронизации.

[0021] Как проиллюстрировано на фигурах, поверхностная система 120 содержит поверхностный генератор 121 тактовых импульсов, входящий в состав системы для сейсмических измерений во время бурения 160. Генератор 121 тактовых импульсов проиллюстрирован отдельно для того, чтобы подчеркнуть его происхождение от стабильного задающего генератора 122. Как известно специалистам в данной области техники, данные генераторы рассматриваются в книге «New Advances in Ultra-Stable Microwave Oscillators», V. Giordano, P.Y. Borgeouis, Y. Gruson, N. Boubekour, R. Boudot, E. Rubiola, N. Bazin, and Y. Kersalé, Eur. Phys. J. Appl. Phys., 32, 133-141 (2005), а также в других источниках.

[0022] С целью облегчения понимания поверхностный задающий генератор 122 тактовых импульсов проиллюстрирован в виде кварцевого генератора, но как обсуждалось в Giordano et al, может быть использовано множество других колебательных систем. Для получения стабильного низкочастотного сигнала от задающего генератора 122 используется отдельная дифференцирующая схема 152. Таким образом, в случае, когда задающий генератор 122 работает на частоте f₀, то продифференцированный сигнал f_D может быть сформирован на частоте (M/N)* f₀, где M и N являются целыми числами.

[0023] Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения продифференцированный сигнал f_D может быть получен путем деления частоты f₀ задающего генератора 122 на большое целое число N и, возможно, также путем его умножения на некоторое целое число М так, чтобы получить сигнал с такой же стабильностью, как у задающего генератора, но на гораздо более низкой частоте (например, в диапазоне от 0,1 Гц до 100 Гц). Схемы такого рода хорошо известны специалистам в данной области техники (например, деление может выполняться путем использования системы счетчиков, а умножение может быть выполнено путем выбора гармоник сигнала прямоугольной формы или с помощью логических схем и элементов задержки).

[0024] Выходной сигнал дифференцирующей схемы 152 может иметь практически синусоидальную форму, при этом допускается некоторая величина гармонических искажений. Выходной сигнал данной схемы 152 передается в усилитель 164 мощности с дифференциальным выходом.

[0025] Одно ответвление выходного сигнала от усилителя 164 мощности подается на проводник, соединенный с обсадной колонной скважины, содержащей инструмент 156 для сейсмических измерений во время бурения. Другое ответвление соединено со штырем заземления в месте, удаленном от обсадной колонны, соединенной с первым ответвлением (например, это может быть обсадная колонна другой скважины). Таким образом, сигнал подается на обсадную колонну и оттуда на компоновку низа бурильной колонны (КНБК). Данный сигнал имеет такую же стабильность, что и задающий генератор 122 в поверхностной системе 120, и будет называться опорным сигналом 168.

[0026] На скважинный генератор 124 тактовых импульсов, проиллюстрированный на Фиг. 1 и 2, подают сигнал от скважинного задающего генератора 126, который снова для простоты проиллюстрирован на каждом чертеже в виде кварцевого генератора. Устройство 148, проиллюстрированное на Фиг. 1 и 2 также содержит изолированный зазор 132, который является частью бурильной колонны и, в частности, частью КНБК в системе для сейсмических измерений во время бурения.

[0027] Изолированный зазор 132 используется в качестве приемного элемента для опорного сигнала 168, и проиллюстрирован на фигуре как подключенный к усилителю в качестве приемника 144. В качестве варианта, катушка 140, возможно, выполненная в виде тороида, может быть смонтирована вокруг утяжеленной бурильной трубы и использована для приема нисходящего опорного сигнала 168.

[0028] Устройство, проиллюстрированное на Фиг. 1 и 2, также содержит процессоры 128, 228 (например, процессоры цифровой обработки сигнала или скважинные блоки обработки данных). На приведенных фигурах данные процессоры 128, 228 выполняют функции, которые частично отличаются.

[0029] Ссылаясь на Фиг. 1, можно увидеть, что опорный сигнал 168, возможно, искаженный шумами, принимают в виде разности потенциалов, наведенной на концах изолированного зазора 132, или в виде напряжения, наведенного в вышеупомянутой катушке 140. Данный сигнал 168 усиливают и, возможно, отфильтровывают. В приемнике 144 проиллюстрирован простой резистивно-емкостной (RC) фильтр, хотя для подавления шумов могут использоваться более сложные (например, узкополосные) фильтры.

[0030] Выход данного фильтра соединен с триггером Шмитта 172. Триггер Шмитта 172 формирует положительный импульс в каждом случае, когда полярность напряжения отфильтрованного сигнала меняется с отрицательной на положительную. Это приводит к формированию последовательности импульсов 179, причем все импульсы условно отделены периодом следования опорных импульсов. Скважинный генератор 124 тактовых импульсов (или скважинный задающий генератор 126) используют для управления триггерной схемой 174, которая используется для активации инкремента счетчика 176 с частотой, связанной с частотой задающего генератора (например, эта частота фактически может быть такой же, как частота задающего генератора). После получения сигнала 168 может быть измерена его частота, как описано в следующих абзацах.

[0031] Счетчик 178 выполнен с возможностью подсчета числа срабатываний триггера Шмитта. Данный счетчик 178 выполнен с возможностью сброса в исходное состояние, причем на его выходе появляется импульс одновременно с первым импульсом, поступившим на вход счетчика 178 после его сброса в исходное состояние. Кроме того, счетчик 178 выполнен с возможностью осуществления «замораживания» импульса одновременно с достижением полного числа импульсов, указанного с помощью скважинного процессора.

[0032] Цикл измерения начинается с того, что посредством скважинного процессора 128 устанавливают максимальное значение счета в счетчике 178, связанном с триггером Шмитта 172. Данное значение используется для установки количества циклов опорного сигнала 168, которые используются при измерении частоты задающего генератора 126.

[0033] После того, как было установлено максимальное значение счета, скважинный процессор 128 сбрасывает в исходное состояние счетчик 178, связанный с триггером Шмитта 172, и счетчик 176, связанный со скважинным задающим генератором 126.

[0034] После приема следующего импульса от триггера Шмитта 172 счетчик 178, связанный с триггером Шмитта 172, формирует импульс, инициирующий выполнение счета в счетчике 176, связанном с задающим генератором 126.

[0035] Задающий генератор 126 продолжает генерировать одиночные импульсы в счетчике 176 до тех пор, пока не будет достигнуто полное число отсчетов (то есть максимальное значение, установленное процессором 128) в счетчике 178, связанном с триггером Шмитта 172, причем в данный момент триггер Шмитта 172 посылает сигнал, который замораживает одиночный импульс в счетчике 176, связанном с задающим генератором 126. Тот же сигнал также подается в скважинный процессор 128 для передачи процессору 128 информации о завершении цикла измерения.

[0036] После этого процессор 128 считывает одиночный импульс в счетчике 176, связанном с задающим генератором 126. Как будет описано ниже, данный одиночный импульс будет преобразован в кажущуюся частоту опорного сигнала 168. На основе кажущейся частоты опорного сигнала 168 можно определить фактическую частоту скважинного задающего генератора 126.

[0037] Как будет описано ниже, после определения фактической частоты скважинного задающего генератора 126 может быть выполнена коррекция (или последовательность коррекций) в соответствии с величинами синхронизации, полученными от скважинного задающего генератора 126, которые используются для измерения моментов наступления событий в скважине.

[0038] Как правило, точность измерения кажущейся частоты опорного сигнала 168 будет возрастать по мере увеличения числа одиночных импульсов в триггере Шмитта. Это связано с тем, что неопределенность хронирования пересечений нулей является практически постоянной в течение периода измерения и поэтому неопределенность синхронизации не накапливается при переходе от нулевого значения до нулевого значения, а используется только в начале и в конце последовательности переходов через нулевое значение, используемой в цикле измерения.

[0039] Ссылаясь на Фиг. 2, проиллюстрирован вариант устройства, проиллюстрированного на Фиг. 1, которое также может быть использовано для определения частоты скважинного задающего генератора 126 и для коррекции скважинного генератора 124 тактовых импульсов.

[0040] В данном случае опорный сигнал 168 принимают, усиливают и отфильтровывают, как проиллюстрировано на Фиг. 1. Однако в данном случае с помощью аналого-цифрового преобразователя 270 осуществляют дискретизацию отфильтрованного сигнала. Частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя 270 может быть связана с частотой скважинного задающего генератора 126, а в представленном варианте реализации изобретения является той же частотой, что и частота колебаний f₀ скважинного задающего генератора 126. Значения, дискретизированные посредством аналого-цифрового преобразователя, считывают с помощью скважинного процессора 228 и сохраняют в памяти выборок. После того, как было сохранено заранее заданное число выборок, скважинный процессор 228 анализирует данные в памяти и осуществляет оценку частоты опорного сигнала 168. Поскольку частота опорного сигнала 168 известна, измеренная частота опорного сигнала 168 теперь может быть использована для коррекции частоты скважинного задающего генератора 126.

[0041] Следует отметить, что скважинный процессор 228 может быть запрограммирован для продолжения получения данных от аналого-цифрового преобразователя 270 во время обработки данных, уже находящихся в памяти выборки. Это позволяет не только измерять частоту скважинного задающего генератора 126, но и обеспечить непрерывный анализ вариации этой частоты во времени и неопределенности измерения. В некоторых вариантах реализации изобретения это может быть выполнено посредством анализа дисперсии Аллана. Полученная информация может быть полезна для диагностики и оценки тенденции изменения частоты скважинного задающего генератора 126.

[0042] В то время как дрейф частоты генератора 122 поверхностной системы 120 будет рассмотрен ниже, для ясности в последующих нескольких абзацах им можно будет пренебречь, так чтобы принципы, связанные с измерением периода опорного сигнала 168 в скважине, были более понятны. В рамках данного более основательного обсуждения будет введено несколько терминов для описания коррекции синхронизации в скважине после измерения частоты скважинного задающего генератора. Следовательно, последующее обсуждение начнется с анализа, с помощью которого корректируют результаты измерения времени в скважине, предполагая, что уже были осуществлены корректировки частоты скважинного задающего генератора.

[0043] Для ясности предполагают, что версия опорного сигнала 168, содержащая помехи, оцифровывается (например, как проиллюстрировано на Фиг. 2) и используется алгоритм аппроксимации для оценки положения пересечений нулевого уровня сигнала 168, а, в более широком смысле, для определения периода опорного сигнала 168 в соответствии с единицами времени скважинного генератора тактовых импульсов 124. Результат будет использоваться для оценки частоты скважинного генератора 124 тактовых импульсов для корректировки результатов измерения времени в скважине.

[0044] Допустим, что символ t обозначает время в поверхностной системе 120, которое определяется поверхностным генератором 121 тактовых импульсов. Моменты этого времени будут обозначаться как t_i. Без потери общности предполагают, что один «такт» поверхностного генератора 121 тактовых импульсов происходит с периодом, равным одному периоду поверхностного задающего генератора 122 тактовых импульсов. Также предположим, что частоты задающего генератора 122 тактовых импульсов и скважинного генератора 126 тактовых импульсов являются близкими. То есть они работают на частоте приблизительно f₀. Хотя это не является обязательным, в некоторых вариантах реализации изобретения это упрощает выполнение анализа.

[0045] Допустим, что символ «u» обозначает время в скважинных единицах, определенных скважинным генератором 124 тактовых импульсов. Моменты данного времени будут обозначаться как u_i. Без потери общности предполагают, что один «такт» скважинного генератора 124 тактовых импульсов происходит с периодом, равным одному периоду скважинного задающего генератора 126 тактовых импульсов.

[0046] Далее предполагают (данное предположение не является жестким требованием, но оно упрощает анализ), что t₀= u₀=0.То есть, поверхностный и скважинный генераторы тактовых импульсов 121, 124 синхронизированы в некоторый момент времени, который принят равным 0.

[0047] Предполагают, что поверхностный генератор тактовых импульсов 121 имеет частоту f₀[t], которая сама может быть функцией времени, но при этом она медленно изменяется как функция времени, по сравнению с требованием для стабильности синхронизации системы в целом. В идеальном варианте вариация является некоторой постоянной величиной.

[0048] Также предполагают, что скважинный генератор 124 тактовых импульсов имеет частоту f[u] или g[t]. То есть, частота скважинного генератора 124 тактовых импульсов является функцией «тактов» скважинного генератора тактовых импульсов, но также может быть представлена в виде функции «тактов» поверхностного генератора тактовых импульсов.

[0049] Предположим, что нисходящий опорный сигнал 168 имеет частоту f₂[t]=a*f₀[t], где a=M/N для двух целых чисел M и N, причем M/N <<1. В некоторых вариантах реализации отношение «a» не является отношением целых чисел.

[0050] Следует отметить, что t является функцией абсолютного времени и u является функцией абсолютного времени. Поскольку поверхностный генератор 121 тактовых импульсов считается достаточно качественным, что его дрейфом можно пренебречь, это позволяет избежать ненужного усложнения анализа, исключив из анализа вариацию поверхностного генератора тактовых импульсов (хотя следует отметить, что некоторые варианты реализации изобретения выполнены с возможностью учета нестабильности поверхностного генератора 121 тактовых импульсов, как будет описано ниже).

[0051] Для поддержания синхронизации частоты скважинного задающего генератора с частотой поверхностного задающего генератора 122 может быть полезным знать частоту поверхностного задающего генератора 122 в виде функции времени, которая может быть названа «абсолютным временем» (то есть временем, полученным от надежного, стабильного эталона). Следовательно, поверхностную тактовую частоту просто обозначают как f₀.

[0052] Длительность «такта» поверхностного генератора 121 тактовых импульсов составляет Dt=1/f₀. При этом время после прохождения i тактов составляет t_i=i*Dt. Из этих условий следует, что f₀ можно принять за константу. Подобным образом скважинный генератор 124 тактовых импульсов формирует одиночный импульс для каждого «такта» его задающего генератора и представляет время после j тактов как u_j=j*Dt.

[0053] Чтобы понять, как время в скважине связано со временем в поверхностном генераторе 121 тактовых импульсов, скважинную тактовую частоту можно охарактеризовать либо как функцию ее собственного истекшего времени после того, как произошла последняя синхронизация двух генераторов тактовых импульсов, либо как функцию истекшего времени на поверхности после того, как произошла последняя синхронизация двух генераторов тактовых импульсов. Следовательно, предполагается, что t и u связаны как f[u]=g[t].Это поднимает вопрос об отображении значений t в соответствующие значения u.

[0054] Так как в некоторых вариантах реализации изобретения период задающего генератора составляет порядка 100 нс, тогда как требуемая точность синхронизации составляет порядка 1 мсек, проблемой детализации можно будет пренебречь, и будет предположено, что появления импульсов скважинного генератора 124 тактовых импульсов, выполняющего такт J, могут быть сопоставлены с появлениями импульсов задающего тактового генератора, выполняющего такт I. Этим будет определяться отображающая функция между множеством значений {j} и множеством значений {i}.

[0055] Время поверхностного генератора 121 тактовых импульсов, соответствующее такту I, составляет t_I=I*Dt. Время скважинного генератора 124 тактовых импульсов, соответствующее такту J, составляет u_J=J*Dt. Таким образом, время в такте J скважинного генератора 124 тактовых импульсов (измеренное поверхностным генератором 121 тактовых импульсов) имеет вид . Также в случае, когда u_J'=t_I и, следовательно, . Чтобы узнать точное время в скважине, достаточно получить точную оценку ряда {f[u₀], f[u₁], f[u₂],... f[u_J]}. Таким образом, теперь будет обсуждаться определение частоты скважинного генератора 124 тактовых импульсов из скважинных измерений опорного сигнала 168.

[0056] Опорный сигнал 168 передают по нисходящей линии связи с частотой , при этом он может использоваться для создания оценок f₂ как функции j (или u_j). Без потери общности, сигнал, генерируемый поверхностным генератором 121 тактовых импульсов в точке передачи, имеет вид .

[0057] После передачи опорного сигнала 168 к скважинному приемнику 144 он все еще имеет следующий вид, в единицах времени поверхностного генератора 121 тактовых импульсов:, где B является функцией глубины и линейной функцией от A, и где является фазовым сдвигом опорного сигнала из-за передачи во время выборки i в единицах времени поверхностной системы.

[0058] Учитывая предыдущие предположения, B должна быть медленно изменяющейся функцией глубины и не будет рассматриваться как функция времени, так как ее изменение очень незначительно связано с преобразованием между t и u посредством оценки параметров преобразования. Оценки B в процессе будут часто обновляться.

[0059] e_i является выборкой шумового процесса. В случае моделирования процесса, для общности, значение e_i может быть получено как сумма нескольких шумовых процессов, возможно, как сумма процессов, пропорциональных:1/частота², 1/частота, независимо от частоты, и частоты. Используемая модель шума может зависеть от того, как фильтруется принятый опорный сигнал 168.

[0060] Теперь допустим, что Qj выборки принимаемого синхронизирующего сигнала принимаются аналого-цифровым преобразователем 270. Предположим, что шумом от преобразователя 270 можно пренебречь, так как без труда могут быть разработаны схемы с достаточным разрешением для подтверждения данного предположения. Следует отметить, что Qj может варьироваться в зависимости от отношения сигнал/шум. Для простоты данное отношение будет считаться константой, но для оптимизации используемого в анализе значения Qj может быть разработан адаптивный алгоритм, основанный на отношении сигнал/шум. В некоторых вариантах реализации Qj должно быть достаточно большим, чтобы гарантировать, что принят по меньшей мере один полный цикл нисходящего сигнала. Подстрочная форма Qj используется вместо простого Q, чтобы подчеркнуть, что частота будет измеряться повторно в течение нескольких временных интервалов.

[0061] Становится возможным установить математическое соответствие уравнения и ряда {P_i} и, следовательно, определить эффективную частоту опорного сигнала 168 с точки зрения скважинной системы. Например, соответствие следующего вида может быть получено с использованием нелинейного метода наименьших квадратов:. Общее предположение, сделанное при составлении данного выражения, заключается в том, что скважинная тактовая частота достаточно стабильна в течение периода выборки, чтобы ее можно было считать постоянной. является оценкой B, является оценкой опорной частоты в единицах времени «u», является фазовым слагаемым, а является шумовым слагаемым.

[0062] Если соответствие является идеальным, то время u', которое требуется для наблюдения одного цикла опорного сигнала скважинного генератора тактовых импульсов, имеет вид . Таким образом, в случае, когда ω3 > ω2, то истекает меньшее число тактов скважинного генератора 124 тактовых импульсов, чем можно было бы ожидать в случае их синхронизации с поверхностным генератором 121 тактовых импульсов. Это означает, что скважинный генератор 124 тактовых импульсов является медленным по сравнению с поверхностным генератором 121 тактовых импульсов. Отсюда следует, что . Это связано с тем, что и известны из регрессии. Из-за кумулятивного дрейфа тактовой частоты и эффектов распространения, нельзя считать равным 0. может незначительно меняться в течение периода сбора данных. Однако для данного обсуждения будем считать постоянным.

[0063] В действительности, справедливо следующее соотношение:

[0064] для некоторого целого числа N. Опорная частота намного меньше тактовой частоты. Предполагается, что скважинный генератор тактовых импульсов является достаточно стабильным так, чтобы в любой интересующий временной интервал для системы, N=1. Это возможно исправить путем отслеживания , но это необходимо только в том случае, когда используют недостаточно стабильный скважинный генератор тактовых импульсов.

[0065] Постепенно применяя метод регрессии к скважинным выборкам опорного сигнала, становится возможным построение ряда тактовых частот, представляющего тактовую частоту в центрах временных интервалов, в которых они были измерены. Это может соответствовать тригонометрическому ряду, полиному низкого порядка или другим методам, которые более полно будут рассмотрены ниже. С помощью некоторых из этих методов дрейф тактовой частоты, а также оценка ошибки при дрейфе могут быть рассчитаны как функция времени в скважине. Следовательно, могут быть скорректированы отсчеты тактовой частоты.

[0066] Оценки выборок будут обозначаться как :

[0067]

[0068] То есть,

[0069]

[0070] Данная форма выражения дает понять, что частота ω измеряется относительно частоты поверхностного генератора тактовых импульсов.

[0071] Хотя наиболее общий способ определения параметров B, ω и θ заключается в использовании нелинейного метода наименьших квадратов, такого как метод, доступный в Matlab, такие решения полезны, в основном, для анализа конкретных случаев и при анализе типа Монте-Карло, но в остальном не настолько полезны для получения такого представления, как линейное решение. Предполагая, что частоты двух тактовых генераторов не являются принципиально разными, становится возможной линеаризация данного уравнения.

[0072] Для этого рассмотрим J, заданный формулой

, при этом предполагают следующие условия:

,

,

,

,

, и

.

Также предполагают, что шум не коррелирует с сигналом, и поэтому слагаемые с будут исключены из сумм. Это приближение улучшается по мере увеличения числа слагаемых.

[0073] Далее предполагают, что и . Используя алгебраические преобразования, становится возможным записать

где

,

,

,

*B,

*B,

*B,

и

Ui≡1/2*i2*Δt2*Sin[i*Δt*ω2],

Vi≡1/2*i2*Δt2*Cos[i*Δt*ω2],

Wi≡i*Δt*Sin[i*Δt*ω2],

Xi≡i*Δt*Cos[i*Δt*ω2],

Yi≡Cos[i*Δt*ω2], и

Zi≡Sin[i*Δt*ω2].

[0074] Квадратичные члены в δω, которые были сохранены в D и E, при желании, можно отбросить, но они служат дополнительной мерой изменения частоты.

[0075] По определению B является положительной величиной и может быть определено из . Алгебраический знак B может быть задан произвольно, так как его можно взять в слагаемом θ, которое можно определить по четырехквадрантной арктангенсной функции, используя B и C. Необходимо использовать данную функцию с осторожностью, поскольку данная функция может по-разному определяться в различных математических пакетах.

[0076] Существует несколько способов определения значения δω, включая следующие:

,

, или

.

[0077] Так как θ может быть определено до определения δω, алгебраический знак δω можно определить с помощью A и F. Для правильного решения знаки, полученные с использованием A и F, должны быть согласованы друг с другом.

[0078] Следует отметить, что данные можно исследовать, поскольку они оцифрованы, а точки шума могут быть устранены. Таким образом, в соответствии не нужно использовать каждую выборку. Также может использоваться специализированный ряд Фурье с ограниченным числом включенных частотных слагаемых, возможно, только тех, которые находятся на выбранном удалении от поверхностной тактовой частоты. Это действие может включать регулярное распределение выборок и выбор частоты дискретизации из дискретного набора.

Последствия предположения, что является константой

[0079] Как будет описано ниже, в анализ может быть включен ряд потенциальных источников шума. Ранее предполагалось, что является константой во временном интервале, в течение которого измеряется частота. Однако, в случае продолжения операций бурения это может быть не так, как отображено в последующем анализе. Это подразумевает, что в некоторых вариантах применения полезно, чтобы бурильная колонна во время измерений оставалась неподвижной.

[0080] Скорость распространения незатухающей волны в электропроводящей среде отличается от скорости распространения импульса или скачка ступенчатой функции в поле. Было показано, что в практически однородной среде более поздняя скорость распространения определяется скоростью волны в данной среде, или , где ∈ является диэлектрической проницаемостью среды, а μ является магнитной проницаемостью. Таким образом, скорость волны не зависит от удельной электрической проводимости среды.

[0081] Для незатухающей волны и низких частот (например, частот, при которых диэлектрические потери малы по сравнению с потерями за счет проводимости) скорость распространения в электропроводящей среде определяется выражением

где ω является угловой частотой, а σ является удельной электрической проводимостью среды. Распространение плоской волны, которая практически приближается к распространению сигнала электромагнитной телеметрии (а следовательно, и нисходящего опорного сигнала) вблизи бурильной трубы, имеет вид , где k_r и k_i являются действительной и мнимой составляющими волнового числа. Для проводящих сред на низких частотах они равны и определяются величиной, обратной глубине скин-слоя:.

[0082] После прохождения расстояния z фаза волны изменяется на kr*z. Это позволяет вычислить фазовый сдвиг для принятого опорного сигнала, предполагая, что свойства однородной среды является функцией частоты, механической скорости проходки и удельной электрической проводимости.

Следовательно, допустим, что механическая скорость проходки (МСП) в метрах/секунду обозначается R. Допустим, что время сбора данных обозначено T (в более ранней терминологии, Q*Δt=T). Тогда фазовый сдвиг при получении опорного сигнала определяется выражением

[0083] Погрешность частоты (в виде дроби) будет равна отношению суммарной прошедшей фазы сигнала к фазовому сдвигу, так что погрешность дробной частоты определяется как , при этом она не зависит от T. При небольшой МСП 6 метров/час, удельной электрической проводимости 0,1 мо/метр (0,1 сименс/метр) и частоте 1 Гц, погрешность частоты составляет 5,27*10^-7, что на два порядка выше требуемой.

[0084] Из данного анализа можно сделать вывод, что когда требуется стабильность синхронизации системного генератора тактовых импульсов порядка 10^-9, обычно не следует измерять частоту генератора тактовых импульсов при активном бурении. Существуют два фактора, которыми мотивирован данный вывод:

1. Когда является функцией времени, ее результат становится неотъемлемым от дрейфа частоты.

2. При линейном изменении МСП со временем относительная погрешность не зависит от времени.

Следовательно, увеличение времени сбора данных не уменьшит погрешность, обусловленную МСП. Если датчик МСП встроен в скважинный инструмент, МСП можно включить в поправку к измеренной частоте как . Следует отметить, что положительная МСП снижает кажущуюся частоту опорного сигнала.

[0085] Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения по мере роста МСП точность измерения снижается. Однако, когда к таким вариантам реализации изобретения добавляется определенный параметр, влияние МСП может быть уменьшено или устранено.

[0086] Например, рассмотрим вариант реализации изобретения, в котором для передачи опорного сигнала в скважине используют электромагнитную телеметрию. В данном случае возможно выполнение непрерывных измерений электрического удельного сопротивления пласта во время бурения. Таким образом, удельная электрическая проводимость может быть известна как функция времени генератора тактовых импульсов. Влияние тонкослоистых пластов незначительно на частотах, подходящих для использования в данной системе, а скорость изменения измеренной глубины может быть оценена по времени между временными перерывами в бурении (для добавления бурильной трубы), причем секцию трубы добавляют при каждом временном перерыве в бурении. Данный промежуток времени приблизительно постоянен и может быть введен в скважинную систему до спуска в скважину или может быть передан в скважинную систему посредством телеметрической нисходящей линии связи. В качестве альтернативы, в случае, когда два датчика поверхностного считывания с одинаковыми или идентичными откликами, расположены в КНБК, то МСП может быть очень быстро определена путем корреляции выходных сигналов этих двух датчиков, причем данный способ хорошо известен специалистам в данной области техники.

[0087] Используя пик корреляции выходных сигналов двух датчиков как функцию времени, можно определить, сколько времени потребовалось для прохождения бурильной колонны из места, в котором (например) была видима граница пласта в нижнем датчике бурильной колонны, до места, где она стала видимой в верхнем датчике бурильной колонны. Поскольку расстояние между двумя датчиками известно, может быть рассчитана механическая скорость проходки. Как только это становится известным, может быть вычислена и использована в качестве поправки погрешность измеренной частоты опорного сигнала относительно частоты в точке ее генерации.

Интерполирование между измерениями

[0088] В тех случаях, когда возможность непрерывного измерения частоты опорного сигнала отсутствует, по-прежнему может быть полезным непрерывное внесение поправок времени скважинного генератора тактовых импульсов. В данном случае поправка известна только в дискретном числе моментов времени (точнее, поправка известна только через дискретное число временных интервалов, в течение которых была определена частота скважинного генератора тактовых импульсов). Тем не менее, должна существовать возможность определения тактовой частоты каждый раз, когда происходит временный перерыв в бурении, и каждый раз, когда выполняются сейсмические измерения во время бурения (поскольку во время таких измерений долото остается неподвижным).

[0089] Значение показателя МСП варьируется в широких пределах, но обычный диапазон находится в пределах от 20 до 200 футов (от 6,09 до 60,96 метров) в час. При временном перерыве в бурении, который происходит каждые 30 метров, для добавления колонны бурильных труб, это соответствует интервалу времени от 4,5 часов до 27 минут. Также в течение максимальной продолжительности срока службы 200 часов будет выполнено неизвестное количество сейсмических измерений во время бурения. В этом случае, помимо измерений, сделанных во время сейсмических измерений во время бурения, в течение продолжительности срока службы будет выполнено от 44 до 444 измерений частоты генератора тактовых импульсов. Эти измерения могут быть приведены в соответствие с временными рядами, такими как тригонометрические ряды или локальные аппроксимации дрейфа частоты, которые могут быть выполнены с использованием многочленов в течение скользящего временного окна. Кроме того, интерполяция между измерениями может быть выполнена с использованием таких методов, как кубические сплайны. Однако, часто бывает полезным использовать методы регрессии, поскольку для этих методов доступны критерии согласия, а также оценки статистической значимости коэффициентов (которые могут быть использованы для моделирования значимости каждого из коэффициентов, используемых в регрессии, а следовательно, для оптимизации конечной модели, выбранной для регрессии), и оценки погрешности в самой модели (которая может быть использована для предоставления некоторой информации, которая в противном случае доступна с помощью анализа дисперсии Аллана).

Учет дрейфа частоты поверхностного задающего генератора

[0090] В предшествующем анализе предполагалось, что дрейф частоты поверхностного задающего генератора настолько мал, что в течение продолжительности срока службы им можно пренебречь. Это предположение не является определяющим, хотя возможно достижение максимальной полезности в случае, когда обеспечивают условия предотвращения дрейфа поверхностного генератора со скоростью, сравнимой со скоростью скважинного генератора колебаний.

[0091] При использовании описанных в данной заявке способов временной коррекции предполагают, что частота поверхностного генератора известна. В случае, когда частота поверхностного задающего генератора дрейфует, но измеряется другим устройством, то данные временные интервалы могут быть скорректированы с использованием регистрации фактической частоты поверхностного задающего генератора как функции времени (поскольку результаты измерения времени в скважине корректировались с учетом предположения того, что частота поверхностного задающего генератора остается фиксированной).

[0092] Кроме того, в случае, когда будет полезно использовать данную коррекцию в реальном масштабе времени в скважине, частота поверхностного генератора может быть передана в скважинную систему по телеметрической нисходящей линии связи (например, электромагнитной или гидроимпульсной телеметрии). Хотя скорости передачи данных являются относительно небольшими, данный способ должен быть достаточным для любой применимой скорости дрейфа, связанной с поверхностным генератором тактовых импульсов.

Источники шума

[0093] Результат скважинного измерения опорного сигнала может быть искажен шумом. Наибольшее влияние источника может зависеть от того, выполняются ли измерения во время бурения или в неподвижном состоянии.

[0094] В неподвижном состоянии или во время бурения в амплитудах может присутствовать электронный шум и магнитотеллурический шум, который искажает измеренный опорный сигнал. Электронный шум следует контролировать на этапе конструирования.

[0095] Магнитотеллурический шум изменяется по мере изменения широты, в определенной степени долготы и локальной удельной электрической проводимости Земли. На Фиг. 3 проиллюстрирован график 300 шума магнитотеллурического электрического поля в зависимости от частоты, взятый из публикации «Magnetotelluric Exploration for Hydrocarbons», Arnold S. Orange, Proceedings of the IEEE, Vol.77, No.2, February 1989, P.287., et. seq. В некоторых вариантах реализации изобретения антенный зазор, используемый для связи между земной поверхностью и скважинным устройством с помощью низкочастотной электромагнитной линии связи, имеет длину не более 2 дюймов (5,08 см). Таким образом, даже при выполнении измерений в полосе шириной 1 Гц, величина ожидаемых шумов при наблюдении опорного сигнала 1 Гц составляет порядка 1,6 нановольт. Кроме того, как электромагнитный сигнал, он должен затухать по такому же закону, что и нисходящий сигнал. Например, когда нисходящий сигнал ослаблен на 60 дБ, магнитотеллурический шум также будет ослаблен на 60 дБ, что составляет порядка пиковольт. Таким образом, магнитотеллурический шум оказывается незначительным при выполнении измерений с использованием изолированного зазора в качестве скважинной антенны.

[0096] В случае, когда измерение выполняют с помощью тороида, то в дополнение к магнитотеллурическим шумам, наведенным вдоль бурильной колонны с помощью ее электрического поля, будет также компонент, наведенный с помощью магнитной индукции непосредственно в тороиде. В качестве примера, на Фиг. 4 проиллюстрирован график 400 шума магнитотеллурического магнитного поля. Данный чертеж взят из книги «Practical Magnetotellurics», Fiona Simpson and Karsten Bahr, The University Press, Cambridge, 2005. На графике видно, что при наблюдении опорного сигнала частотой 1 Гц ожидаемый уровень шума составляет порядка 10^-6 нТл²/Гц. Даже при полосе пропускания 1 Гц он составляет порядка 1 пТл, что не наблюдается в большинстве существующих скважинных приборов. Как и в предыдущем случае, очевидно, что данным источником шума можно пренебречь.

[0097] Существует много других источников шума, которые становятся заметными во время бурения при реализации способов из различных вариантов реализации. Например, вклад МСП, о котором упоминалось выше. Кроме того, вращение бурильной колонны, изменение скорости вращения, боковое перемещение инструмента и подскакивание долота на забое могут наводить токи в бурильной колонне. В ходе экспериментов было обнаружено, что при отсутствии изолированного зазора шум от этих источников может достигать 120 нТл в полосе шириной 1 Гц. В отличие от уровней магнитотеллурического шума, в зависимости от того, используется ли в качестве антенны изолированный зазор или тороид, влияние данных источников не может быть незначительным.

[0098] На данный момент было рассмотрено несколько механизмов для измерения частоты распространяемого синхронизирующего сигнала с использованием скважинного задающего генератора. Один из них включает использование триггера Шмитта (или аналогичной схемы) для записи числа тактовых циклов между пересечениями нуля принимаемого сигнала. Этот подсчет используется для оценки периода и, следовательно, частоты принимаемого сигнала в единицах времени в скважине. Также обсуждаются механизмы для улучшения расчетных временных интервалов и для обработки их статистики.

[0099] Другой подход включает преобразование принятого низкочастотного сигнала в цифровую форму с частотой дискретизации, которая определяется используемым скважинным задающим генератором. Регрессии к синусоидальному сигналу с амплитудой и фазой производятся по выбранным временным окнам оцифрованного потока данных. Частоты, восстановленные с использованием методов регрессии, являются частотами наблюдаемых низкочастотных сигналов в единицах времени в скважине.

Подход, в котором используют неточный скважинный генератор тактовых импульсов

[00100] Существует еще один подход, и он будет пояснен ниже. Данный подход включает формирование скважинного тактового сигнала непосредственно из низкочастотного опорного сигнала.

[00101] Деление исходной тактовой частоты на целое число N и умножение на целое число M может быть упрощено до деления на целое число N, возможно, ограничивая диапазон частот, которые могут использоваться. В данном случае скважинный тактовый сигнал может быть сформирован из точного опорного сигнала с помощью аналоговой электроники. Здесь коэффициент «M» может быть выбран таким образом, чтобы подавлять прием гармоник основной частоты. При осуществлении умножения частоты для формирования сигнала, который имеет частоту в N раз больше опорной частоты, может использоваться петля фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Аналогично, ФАПЧ может применяться к новому сигналу для формирования другого сигнала, имеющего частоту в N/M раз больше опорной частоты, то есть частоты генератора на поверхности Земли. Данный подход может быть достаточным для некоторых вариантов применения, поскольку сигнал, создаваемый ФАПЧ, который кратен опорной частоте, имеет такую же стабильность, что и опорный сигнал. Данный подход с использованием ФАПЧ может быть полезен при использовании опорного сигнала стабильного в течение длительного времени.

[00102] Для уменьшения кратковременных потерь при приеме опорного сигнала и обеспечения лучшей непрерывности, в случае потери опорного сигнала может быть зафиксировано напряжение на генераторе, управляемом напряжением. Это позволит системе продолжать работу через короткие промежутки времени. В качестве варианта, для кратковременных отключений ФАПЧ может использоваться резервный генератор известной частоты, возможно, измеренной с использованием ФАПЧ во время ее работы.

Варианты применения на шельфе

[00103] В некоторых вариантах реализации изобретения для передачи сигнала к скважинному инструменту используют низкочастотное электромагнитное излучение, например, используемое в коммерческой системе электромагнитной телеметрии. Из-за высокой степени затухания электромагнитных сигналов в морской воде данные системы могут оказаться непригодными при глубоководном применении на шельфе с использованием передатчика на поверхности моря, то есть на «уровне моря». Это связано с тем, что морская вода имеет удельную электрическую проводимость около 4 мо/метр (4 сименс/метр), так что сигнал с частотой 1 Гц в системе электромагнитной телеметрии будет ослабляться на коэффициент около 54 дБ при прохождении 1 км морской воды. Однако, некоторые варианты применения на шельфе работают на глубине порядка 2 км.

[00104] Таким образом, при глубине более нескольких сотен метров, электромагнитный сигнал может быть подан с морского дна. В случае, когда сигнал подают с морского дна, потери из-за распространения в море являются несущественными, при этом море действует как заземление системы. Одним из способов подачи сигнала с морского дна является размещение генератора электромагнитных сигналов в модуле или контейнере, который лежит на морском дне и обеспечивает электропитание системы, используя гибкий подводный кабель электропитания, опущенный на морское дно с поверхности Земли. Специалистам в данной области техники известны механизмы, с помощью которых подают электропитание с поверхности Земли на морское дно. Используя аналогичные принципы, можно подавать электропитание с буровой платформы к скважинной электрогенераторной установке через гибкий подводный кабель, как проиллюстрировано на Фиг. 5. Также по гибкому подводному кабелю могут предаваться другие электрические сигналы.

[00105] В варианте реализации изобретения на морском дне может оказаться полезным разместить задающий генератор на морской платформе, поскольку затем его могут использовать в качестве опорного для поверхностной электроники. В данном случае сигнал передают от задающего генератора к передающему устройству на морском дне посредством гибкого подводного кабеля. В качестве варианта, задающий генератор могут располагать на морском дне, а дублирующий задающий генератор могут располагать на буровой платформе. Это может быть более полезно в случае, когда задающий генератор и его дубликат сконструированы как стабильные устройства (например, в некоторых вариантах реализации, имеющие относительную скорость дрейфа менее чем 1 к 10⁹ в течение 200 часов).

[00106] В системе 500, проиллюстрированной на Фиг. 5, сигнал, полученный от задающего генератора поверхностной системы 120, передают на дно моря через гибкий подводный кабель, посредством которого также подают электропитание. Сигнал может быть передан по отдельному проводу или может быть передан вместе с электропитанием с помощью механизмов, хорошо известных специалистам в данной области техники, таких как передача модулированных сигналов по линии электропитания и выделение сигналов из электропитания в скважине. После обеспечения определенных условий электропитание и сигнал используются передатчиком 510, таким как передатчик электромагнитных импульсов, который может входить в состав скважинного устройства 148 (как проиллюстрировано на Фиг. 1 и 2), и который выполнен с возможностью подачи сигнала между головкой обсадной колонны и удаленной точкой заземления. Для предотвращения электрического контакта с морской водой кабели, используемые для передачи сигнала к головке обсадной колонны и удаленной точке заземления, должны быть изолированы надлежащим образом.

В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 6, система 600 содержит задающий генератор в поверхностной системе 120 и задающий генератор в блоке 610 на морском дне (который может содержать передатчик 510 и один или более компонентов скважинного устройства 148, проиллюстрированных на Фиг. 1 и 2). Во многих вариантах применения эти два блока должны иметь относительный дрейф по отношению друг к другу менее чем 1 к 10⁹. На больших глубинах температура окружающей среды должна быть относительно стабильной, и генератор, расположенный на морском дне, может быть стабилизирован с использованием механизмов, хорошо известных специалистам в данной области техники.

Альтернативные источники сигнала

[00107] В некоторых вариантах реализации сигнал от источника передается посредством акустической телеметрии. Таким образом, акустическая несущая волна такой системы может использоваться непосредственно для передачи опорного сигнала. В вертикальной скважине глубиной более 1000 метров или горизонтальной скважине длиной более 1000 метров могут осуществлять повторение несущей волны. Следовательно, в некоторых вариантах реализации изобретения может быть добавлен повторитель со стабильной задержкой. Это может быть достигнуто путем использования одной или более петель ФАПЧ, при этом может быть затруднено достижение требуемой стабильности.

[00108] Другой подход состоит в повторении сигнала после его приема в узкой полосе пропускания. Это возможно, поскольку частота сигнала точно известна. Для более достоверного воспроизведения сигнала без внесения шума данные повторители могут быть расположены более близко друг к другу (например, в пределах порога обнаружения). По мере добавления в систему бурильных труб положения полос пропускания телеметрии могут изменяться. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения частота опорного сигнала может изменяться в соответствии с информацией, передаваемой к скважинной системе.

[00109] Другой подход состоит в модулировании несущей частоты акустической телеметрии низкочастотным опорным сигналом (здесь термин «опорный сигнал» используется для обозначения сигнала с точной частотой, генерируемой поверхностным блоком). В данном случае нестабильность несущей частоты является меньшей проблемой.

[00110] На Фиг. 7 проиллюстрирован вариант реализации повторителя 190. Опорный сигнал может быть регенерирован при наличии несущей, с использованием данного типа устройства. Сначала для приема акустического сигнала используют преобразователь 710. Сигнал демодулируют с использованием известных методов для получения копии опорного сигнала 720. С помощью узкополосного фильтра 730 из опорного сигнала удаляют шум. Отдельный сигнал 740 несущей генерируется на частоте, лежащей в полосе пропускания акустической системы телеметрии, но вне полосы принимаемой частоты. Эта несущая 740 модулируется регенерированным опорным сигналом и используется для возбуждения акустического сигнала 750 в бурильной колонне с помощью усилителя 760 мощности.

[00111] В некоторых вариантах реализации изобретения сигнал от источника передается посредством сейсмической сигнализации. В данном случае может быть полезна пневматическая пушка, особенно при использовании в качестве шельфовых сейсмических источников. Они формируют импульсы акустического излучения с характерным сигналом, который возникает из собственных колебаний пузырьков, создаваемых данными источниками. С помощью данных пушек можно подавать сигналы в очень точные моменты времени и, следовательно, с точными интервалами времени. Однако для целей, описанных в данной заявке, данный тип пушки должен подавать сигналы с постоянной скоростью в течение больших интервалов времени. Подобным образом могут использоваться сейсмические источники на основе плазменного разряда.

[00112] Сейсмические источники незатухающей волны могут формироваться с помощью сейсмических вибраторов для распространения сигналов энергии в окружающую среду в течение продолжительного периода времени, в отличие от почти мгновенной энергии, создаваемой импульсными источниками. Сигнал источника, использующего данный способ, может генерироваться с помощью сервоуправляемого гидравлического вибратора или вибрационной установки, установленной на подвижном основании; также были разработаны электромеханические варианты. Данный источник также может функционировать и в наземных вариантах применения. Шельфовые варианты применения должны быть выполнены с возможностью управления данным типом устройства на морском дне с помощью гибкого подводного кабеля, проиллюстрированного на Фиг. 5. Поскольку данные устройства являются электромеханическими, возможна точная синхронизация, поэтому они могут управляться как высокоэнергетические сейсмические источники с относительно высокой стабильностью частоты.

[00113] Тактовая синхронизация сейсмического вибратора аналогична тактовой синхронизации электромагнитного сигнала. Вместо того чтобы использовать скважинную ЭМ-антенну, используют геофон, гидрофон или акселерометр. Следует отметить, что скорости сейсмических волн соизмеримы со скоростями электромагнитных волн в умеренно проводящей среде. Следовательно, предыдущий анализ показывает, что более полезным может быть проведение измерений синхронизации с любым типом сейсмической системы во время остановки операции бурения.

[00114] Другим механизмом, который может использоваться для передачи опорного сигнала к скважинной системе, является гидроимпульсная телеметрия. Таким образом, некоторые варианты реализации изобретения могут содержать поверхностный передатчик для генерирования импульсов давления, систему управления и скважинный приемник для приема и декодирования импульсов. Работой данной системы можно управлять с высокой степенью точности. Управление работой нисходящей линии связи осуществляют посредством открытия и закрытия дросселя, управляемого с помощью компьютера. Вместо использования данной системы в качестве телеметрической нисходящей линии связи ее можно циклически использовать на постоянной частоте и, таким образом, использовать для передачи сигнала на частоте опорного сигнала в скважине - посредством модуляции давления в потоке бурового раствора.

[00115] В системе гидроимпульсной телеметрии скважинный приемник электромагнитных импульсов может быть заменен преобразователем давления в пробуренной скважине скважинной системы. Частоту сигнала следует выбирать так, чтобы она находилась за пределами полосы частот нисходящей и восходящей линии связи телеметрии, а также диапазона частот, обычно генерируемых насосами, используемыми для циркуляции бурового раствора. Следовательно, может быть выбрана опорная частота, которая значительно ниже 1 Гц. Как и в случае с сейсмическими источниками, измерения синхронизации с использованием гидроимпульсной телеметрии могут быть более эффективными во время прекращения операций бурения.

[00116] Таким образом, ссылаясь на Фиг. 1-7, можно увидеть, что может быть реализовано множество вариантов реализации изобретения, содержащих устройство 148, которое содержит скважинный генератор 124 тактовых импульсов, приемную схему (возможно, комбинацию приемника 144 и приемного элемента 136), измерительную схему 180, 280 и процессор 128, 228.

[00117] Например, в некоторых вариантах реализации изобретения устройство 148 может содержать скважинный генератор 124 тактовых импульсов и приемный элемент 136, выполненный с возможностью приема производного тактового сигнала в случае, когда скважинный генератор 124 тактовых импульсов расположен в скважине. При этом производный тактовый сигнал получен из поверхностного тактового сигнала, связанного с поверхностным генератором 121 тактовых импульсов, причем частота производного тактового сигнала составляет менее одной пятой частоты поверхностного тактового сигнала. Устройство 148 может дополнительно содержать измерительную схему 180, выполненную с возможностью измерения частоты производного тактового сигнала в единицах нескорректированной скважинной тактовой частоты, связанной со скважинным генератором 121 тактовых импульсов для обеспечения измеренной частоты, а также процессор 128, 228, выполненный с возможностью определения фактической частоты скважинного генератора 124 тактовых импульсов, основываясь на измеренной частоте.

[00118] Для ограждения и защиты скважинного генератора 124 тактовых импульсов и процессора 128, 228 может быть использован корпус. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения устройство 148 может содержать корпус (например, в составе инструмента 156 для сейсмических измерений во время бурения) для размещения скважинного генератора 124 тактовых импульсов и процессора 128, 228. Как будет более подробно рассмотрено ниже, корпус может включать любое количество корпусов приборов, включая переводник бурильной колонны или зонд на кабеле (см., например, элемент 970 на Фиг. 9, и элемент 1024 на Фиг. 10).

[00119] Приемный элемент 136 может быть выполнен в виде изолированного зазора, катушки (например, тороидальной катушки индуктивности) или других компонентов. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения приемный элемент 136 содержит один или более изолированных зазоров 132 и/или одну или более катушек 140.

[00120] Также устройство может содержать механизм передачи, выполненный с возможностью передачи в скважине производного тактового сигнала. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения устройство 148 содержит передатчик (например, усилитель мощности 164 и/или повторитель 190) для передачи производного тактового сигнала к приемному элементу 136.

[00121] Для передачи производного тактового сигнала в скважине могут использоваться различные механизмы. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения передатчик 510 содержит один или более источников телеметрических сигналов, один или более источников сейсмических сигналов и/или один или более источников волн давления. В некоторых вариантах реализации изобретения источник телеметрических сигналов включает источник акустических телеметрических сигналов. В некоторых вариантах реализации изобретения источник телеметрических сигналов включает источник электромагнитных телеметрических сигналов.

[00122] Передатчик 510 может быть расположен, среди прочих мест, на поверхности Земли, выше или ниже береговой линии. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения передатчик располагают на морском дне, как проиллюстрировано на Фиг. 5 и 6.

[00123] Поверхностный генератор 121 тактовых импульсов может быть расположен, среди прочих мест, на поверхности Земли (выше или ниже береговой линии) или на буровой установке. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения поверхностный генератор 121 тактовых импульсов располагают на морском дне, на буровой установке или на суше выше береговой линии, как проиллюстрировано на Фиг. 5 и 6.

[00124] Для распространения производного тактового сигнала может быть использован повторитель для коррекции несущей, выполненный с возможностью улучшения качества передаваемого сигнала путем смещения несущей частоты за пределы ожидаемого диапазона интерферирующих помех. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения устройство 148 может содержать один или более повторителей 190 для приема производного тактового сигнала в сочетании с первой несущей частотой, и повторной передачи производного тактового сигнала в сочетании со второй несущей частотой, отличной от первой несущей частоты. Некоторые варианты реализации изобретения включают ряд способов.

[00125] Например, на Фиг. 8 проиллюстрирована блок-схема, поясняющая несколько способов 811 в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Один способ 811 может включать прием в скважине сигнала, производного из поверхностного тактового сигнала на этапе 825, измерение частоты производного тактового сигнала с использованием скважинного тактового сигнала на этапе 829 и определение фактической скважинной тактовой частоты, основываясь на измерении, на этапе 837. Возможен ряд дополнительных вариантов реализации изобретения.

[00126] Например, производный сигнал может быть принят с помощью ряда элементов, включая изолированный зазор или катушку. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения способ 811 включает передачу в скважине производного тактового сигнала на этапе 821, возможно, к изолированному зазору или катушке.

[00127] Производный тактовый сигнал может быть передан в обсадную колонну скважины для распространения переданного сигнала от поверхности до местоположения скважинного генератора тактовых импульсов. Таким образом, действие в блоке 821 может содержать передачу производного тактового сигнала в обсадную колонну скважины.

[00128] Производный тактовый сигнал может формироваться на поверхности Земли или буровой платформы. Поверхность Земли может включать сушу или подводную поверхность Земли, такую как риф или дно океана. Таким образом, действие на этапе 821 может включать передачу производного тактового сигнала с поверхности Земли или буровой платформы.

[00129] В некоторых вариантах реализации изобретения способ 811 включает прием производного тактового сигнала в скважине на этапе 825, причем производный тактовый сигнал получают из поверхностного тактового сигнала, связанного с поверхностным тактовым генератором. В некоторых вариантах реализации изобретения частота производного тактового сигнала составляет менее одной пятой частоты поверхностного тактового сигнала.

[00130] В случае, когда не выполнялась компенсация механической скорости проходки или в случае, когда условия бурения являются слишком шумными, может оказаться полезным приостановить операции бурения и выполнить при этом калибровочные измерения скважинного тактового сигнала. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения действие на этапе 825 может включать прием производного тактового сигнала в изолированном зазоре бурильной колонны во время паузы в бурильной операции, когда буровое долото, связанное с бурильной колонной, находится в неподвижном состоянии.

[00131] В некоторых вариантах реализации изобретения способ 811 на этапе 829 включает измерение частоты производного тактового сигнала в единицах нескорректированной скважинной тактовой частоты, связанной со скважинным генератором тактовых импульсов для обеспечения эквивалента измеренной частоты. Например, эквивалент измеренной частоты производного тактового сигнала может являться его фактической частотой или эквивалентом фактической частоты, таким как его период.

[00132] Поэтому в некоторых вариантах реализации изобретения частота производного тактового сигнала может быть определена посредством использования скважинного тактового сигнала для измерения длины отдельных производных тактовых циклов. Таким образом, действие на этапе 829 может включать подсчет количества тактов скважинного генератора тактовых импульсов, определяемых предварительно выбранным числом циклов, связанных с производным тактовым сигналом, причем период каждого из тактов скважинного генератора тактовых импульсов определяется с помощью нескорректированной скважинной тактовой частоты.

[00133] В некоторых вариантах реализации изобретения для определения частоты производного тактового сигнала может быть использовано обнаружение событий пересечения нуля, связанных с производным тактовым сигналом. Таким образом, действие на этапе 829 может включать дискретизацию аналоговой формы сигнала производного тактового сигнала с интервалами, определенными с помощью нескорректированной скважинной тактовой частоты.

[00134] В некоторых вариантах реализации изобретения может оказаться полезным преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал и оценка частоты цифрового сигнала. Таким образом, действие на этапе 829 может включать преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал и оценку частоты цифрового сигнала в соответствии с интервалами, определенными по нескорректированной скважинной тактовой частоте.

[00135] Механическая скорость проходки, которая наблюдается во время операций бурения, может оказывать влияние на фазу производного тактового сигнала. Некоторые варианты реализации изобретения выполнены с возможностью оценки или измерения механической скорости проходки в реальном масштабе времени, так чтобы могли быть выполнены соответствующие корректировки для производных тактовых сигналов. Таким образом, способ 811 может продолжаться на этапе 833, и включает корректировку эквивалента измеренной частоты в соответствии с измеренной или предполагаемой механической скоростью проходки, связанной со скважинной операцией бурения.

[00136] Способ 811 может продолжаться на этапе 837, который включает определение фактической частоты скважинного генератора тактовых импульсов, основываясь на эквиваленте измеренной частоты. Для определения фактической скважинной тактовой частоты может быть реализовано отображение между тактами поверхностного генератора тактовых импульсов и тактами скважинного генератора тактовых импульсов. Таким образом, действие на этапе 837 может включать определение отображения между тактами поверхностного генератора тактовых импульсов и тактами скважинного генератора тактовых импульсов.

[00137] В некоторых вариантах реализации изобретения после определения фактической скважинной тактовой частоты может быть осуществлена корректировка результатов измерений, выполненных скважинным генератором тактовых импульсов. Таким образом, способ 811 может перейти к этапу 845, который включает корректировку результатов измерения времени, выполненную с использованием скважинного генератора тактовых импульсов, основываясь на фактической частоте скважинного генератора тактовых импульсов. В некоторых вариантах реализации изобретения способ 811 включает повторение одного или более действий на этапах 821, 825, 829, 833, 837 и 845.

[00138] Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения частота принятого опорного сигнала не измеряется непосредственно, но вместо этого корректируют дискретизированные временные интервалы путем их умножения на отношение ожидаемого числа выборок за цикл к числу выборок, принятых за цикл. Это может указывать, например, на то, что, если имеется слишком много выборок, временные интервалы в скважине короче, чем на поверхности, и наоборот. В данном методе, основанном на времени, фактические измерения времени могут затем корректироваться таким же образом, как и при описанном ранее методе с производной частотой.

[00139] Такое же приемное устройство может использоваться для указания начала цикла опорного сигнала или для оцифровки опорного сигнала. Также будет полезным такой же тип регрессий. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения действие на этапе 845 может включать корректировку результатов измерения времени, выполненную с использованием скважинного генератора тактовых импульсов, основываясь на эквиваленте измеренной частоты производного тактового сигнала (например, фактической частоте производного тактового сигнала или эквиваленте, таком как период производного тактового сигнала) или на фактической частоте скважинного генератора тактовых импульсов.

[00140] Стабильность поверхностного генератора тактовых импульсов должна быть выше стабильности скважинного генератора тактовых импульсов. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения стабильность частоты поверхностного тактового сигнала может быть по меньшей мере в десять раз выше стабильности нескорректированной скважинной тактовой частоты.

[00141] Частота производного тактового сигнала в большинстве вариантов реализации изобретения будет относительно низкой по сравнению с поверхностной или скважинной тактовыми частотами. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения частота производного тактового сигнала составляет от около 0,1 до около 100 циклов в секунду. В некоторых вариантах реализации изобретения частота поверхностного тактового сигнала приблизительно такая же, как нескорректированная скважинная тактовая частота.

[00142] Частота производного тактового сигнала может быть определена путем умножения и деления или деления и умножения частоты поверхностного тактового сигнала, возможно, на целые величины. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения частота производного тактового сигнала связана с частотой поверхностного тактового сигнала с помощью коэффициента M/N, где M и N являются целыми числами.

[00143] Следует отметить, что описанные в данной заявке способы не должны выполняться в описанном порядке или в каком-либо определенном порядке. Кроме того, различные действия, описанные в отношении способов, указанных в данной заявке, могут выполняться итерационно, последовательно или параллельно. Различные элементы каждого способа (например, действия и способы, проиллюстрированные на Фиг. 8) могут быть заменены один на другой в пределах и между различными частями действий и способов. Информация, включая параметры, команды, операнды и другие данные, может быть передана и принята в виде одной или более несущих волн.

[00144] На Фиг. 9 проиллюстрирован вариант реализации кабельной системы 964 по данному изобретению, а на Фиг. 10 проиллюстрирован вариант реализации буровой установки 1064 по данному изобретению. Таким образом, системы 964, 1064 могут содержать элементы корпуса 970 кабельного каротажного прибора во время операции кабельного каротажа или скважинного инструмента 1024 во время операции бурения с забойным двигателем.

[00145] Ссылаясь на Фиг. 9, можно увидеть скважину во время выполнения операций кабельного каротажа. В этом случае буровая платформа 986 оборудована буровой вышкой 988, которая выполнена с возможностью удержания талевого блока 990.

[00146] Бурение нефтяных и газовых скважин обычно осуществляется с использованием колонны бурильных труб, соединенных между собой, для образования бурильной колонны, которая опускается через роторный стол 910 в ствол скважины или скважину 912. Здесь предполагается, что бурильная колонна была временно извлечена из скважины 912, чтобы обеспечить возможность спуска корпуса 970 кабельного каротажного прибора, такого как прибор для скважинных исследований или зонд, спускаемый с помощью талевого каната или каротажного кабеля 974 в скважину 912. Как правило, корпус 970 кабельного каротажного прибора опускают на дно исследуемой области и затем тянут вверх, в основном, с постоянной скоростью.

[00147] Во время подъема на ряде глубин различные инструменты (например, элементы устройства 148 и/или система 120, проиллюстрированные на Фиг. 1 и 2), расположенные в корпусе 970 прибора, могут быть использованы для выполнения измерений в подземных геологических пластах 914 рядом со скважиной 912 (и корпусом 970 прибора). Данные измерений могут быть переданы к каротажному оборудованию 992, расположенному на поверхности, для обработки, анализа и/или хранения. Каротажное оборудование 992 может содержать электронное оборудование для обработки сигналов различных типов, которое может быть реализовано с помощью любого одного или нескольких компонентов системы 120 (как проиллюстрировано на Фиг. 1 и 2). Аналогичные данные оценки параметров продуктивного пласта могут быть собраны и проанализированы в ходе буровых работ (например, во время операций каротажа или измерений во время бурения (КВБ/ИВБ) и, следовательно, отбора проб во время бурения).

[00148] В некоторых вариантах реализации изобретения корпус 970 прибора подвешивают в буровой скважине с помощью каротажного кабеля 974, который соединяет прибор с поверхностным блоком управления (например, содержащим рабочую станцию 954). Прибор может быть размещен в стволе скважины 912 на колонне гибких насосно-компрессорных труб, на сочлененной буровой трубе, на жестко смонтированной буровой трубе или на любых других подходящих технических средствах для размещения оборудования.

[00149] Обратившись к Фиг. 10, можно увидеть, что система 1064 также может входить в состав буровой установки 1002, размещенной на поверхности земли 1004, с которой пробурена скважина 1006. Буровая вышка 1002 выполнена с возможностью обеспечения опоры для бурильной колонны 1008. Бурильная колонна 1008 может проходить через роторный стол 910 для бурения ствола скважины 912 через подземные геологические пласты 914. Бурильная колонна 1008 может содержать ведущую трубу 1016, бурильную трубу 1018 и компоновку низа бурильной колонны 1020, возможно, расположенную в нижней части бурильной трубы 1018. Как проиллюстрировано на фигуре, система 1064 может содержать одно или более устройств 148 и/или систему 120, проиллюстрированные на Фиг. 1 и 2, включая элементы их компонентов (например, повторитель (повторители) 190).

[00150] Компоновка низа бурильной колонны 1020 может содержать утяжеленные бурильные трубы 1022, скважинный прибор 1024, а также буровое долото 1026. Буровое долото 1026 выполнено с возможностью создания буровой скважины 912 путем прохождения через поверхность земли 1004 и подземные геологические пласты 914. Скважинный прибор 1024 может содержать любое количество приборов различных типов, включая приборы ИВБ, приборы КВБ и другие.

[00151] Во время операций бурения бурильная колонна 1008 (возможно, содержащая ведущую трубу 1016, бурильную трубу 1018, а также компоновку низа бурильной колонны 1020) может вращаться с помощью роторного стола 410. Несмотря на то, что не проиллюстрировано на фигуре, в дополнение или в качестве альтернативы, компоновка низа бурильной колонны 1020 также может приводиться во вращение с помощью двигателя (например, забойного двигателя), расположенного в забое скважины. Утяжеленные бурильные трубы 1022 могут использоваться для увеличения веса бурового долота 1026. Утяжеленные бурильные трубы 1022 также могут повышать жесткость компоновки низа бурильной колонны 1020, позволяя компоновке низа бурильной колонны 1020 передавать дополнительный вес на буровое долото 1026 и, в свою очередь, содействовать проникновению бурового долота 1026 через поверхность 1004 и подземные пласты 414.

[00152] Во время буровых работ буровой насос 1032 может закачивать флюид (иногда известный специалистам в данной области техники как «буровой раствор») из бака для бурового раствора 1034 через шланг 1036 в бурильную трубу 1018 и вниз к буровому долоту 1026. Флюид может вытекать из бурового долота 1026 и возвращаться на поверхность 1004 через кольцевое пространство 1040 между бурильной трубой 1018 и боковыми стенками ствола скважины 912. После этого флюид может быть возвращен в бак для бурового раствора 1034, в котором данный флюид фильтруют. В некоторых вариантах реализации изобретения флюид может использоваться для охлаждения бурового долота 1026, а также для обеспечения смазки бурового долота 1026 во время операций бурения. Кроме того, флюид может использоваться для удаления осколков подземной породы, образованных во время работы бурового долота 1026.

[00153] Таким образом, ссылаясь на Фиг. 1-7 и 9-10, можно увидеть, что в некоторых вариантах реализации изобретения системы 964, 1064 могут содержать утяжеленную бурильную трубу 1022, скважинный инструмент 1024 и/или корпус 970 кабельного каротажного прибора для размещения одного или более устройств 148, аналогичных или идентичных устройству 148, описанному выше и проиллюстрированному на Фиг. 1 и 2. Компоненты системы 120 (как проиллюстрировано на Фиг. 1 и 2) также могут быть размещены в корпусе 970 прибора или на инструменте 1024.

[00154] Таким образом, в контексте данного документа термин «корпус» может включать любую одну или более утяжеленных бурильных труб 1022, скважинный инструмент 1024 или корпус 970 кабельного каротажного прибора (все они содержат внешнюю поверхность для размещения или закрепления магнитометров, акустических преобразователей, устройств для отбора проб жидкости, устройств измерения давления, устройств измерения температуры, устройств измерения времени, передатчиков, приемников, повторителей, логических схем сбора и обработки данных, а также систем сбора данных). Инструмент 1024 может содержать скважинный инструмент, такой как инструмент КВБ или инструмент ИВБ. Корпус 970 кабельного каротажного прибора может содержать кабельный каротажный прибор, включая прибор для скважинных исследований или зонд, например, соединенный с каротажным кабелем 974. Таким образом, могут быть реализованы многие варианты реализации изобретения.

[00155] Например, в некоторых вариантах реализации изобретения система 964, 1064 может содержать дисплей 996, выполненный с возможностью предоставления информации измерений синхронизации, как измеренной так и обработанной/скорректированной, так и информации базы данных, возможно, в графическом виде. Система 964, 1064 может также содержать вычислительную логику, возможно, в составе каротажного оборудования 992, расположенного на поверхности, или компьютерную рабочую станцию 1054 для передачи сигналов к передатчикам и для приема сигналов от приемников, а также других приборов для определения свойств пласта 914, основываясь на принимаемых сигналах, или их откалиброванных версиях.

[00156] Таким образом, система 964, 1064 может содержать корпус, такой как корпус 970 кабельного каротажного прибора, или скважинный инструмент 1024 (например, корпус инструмента КВБ или ИВБ) и элементы одного или более устройств 148 и/или системы 120, прикрепленные к корпусу прибора, причем устройство 148 и/или система 120 должны быть сконструированы и эксплуатироваться, как описано выше.

[00157] Все компоненты устройства 148 и систем 120, 964, 1064 могут быть охарактеризованы как «модули». Такие модули могут включать схемы аппаратных средств и/или схемы процессора и/или памяти, модули программ, реализованных программно, и объекты и/или программно-аппаратные средства и их комбинации, в зависимости от архитектуры устройства 148 и систем 120, 964, 1064 и в зависимости от конкретных реализаций различных вариантов реализации изобретения. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения такие модули могут быть включены в пакет моделирования работы устройства и/или системы, такой как программный пакет моделирования электрического сигнала, пакет моделирования потребления энергии и ее распределения, пакет моделирования рассеяния мощности/тепла и/или в комбинацию программного обеспечения и аппаратных средств, используемых для имитации работы различных возможных вариантов реализации изобретения.

[00158] Следует также понимать, что устройства и системы различных вариантов реализации изобретения могут использоваться в вариантах применения, отличных от операций бурения, и, следовательно, различные варианты реализации изобретения не должны быть настолько ограниченными. Примеры устройства 148 и системы 120, 964, 1064 предназначены для обеспечения общего понимания структуры различных вариантов реализации изобретения, и не предназначены для того, чтобы служить полным описанием всех элементов и признаков устройств и систем, которые могут привести к использованию структур, описанных в данной заявке.

[00159] Варианты применения, которые могут включать новое устройство и системы различных вариантов реализации изобретения, включают электронные схемы, используемые в высокоскоростных компьютерах, схемы связи и обработки сигналов, модемы, процессорные модули, встроенные процессоры, коммутаторы данных и специализированные модули. Такие устройства и системы могут также быть включены, среди прочего, в качестве субкомпонентов в различные электронные системы, такие как телевизоры, сотовые телефоны, персональные компьютеры, рабочие станции, радиоприемники, видеопроигрыватели, транспортные средства, средства обработки сигналов для геотермических инструментов и узлы сопряжения интеллектуальных датчиков систем телеметрии.

[00160] После прочтения и понимания содержания данного описания специалистам в данной области техники будет понятно, каким образом можно запустить программу с машиночитаемого носителя в компьютерной системе для выполнения функций, определенных в программном обеспечении. Специалистам в данной области техники также будут понятны различные языки программирования, которые могут быть использованы для создания одной или более программ, выполненных с возможностью реализации и выполнения описанных в данной заявке способов. Например, программы могут быть структурированы в объектно-ориентированном формате с использованием объектно-ориентированного языка, такого как Java или C#. В другом примере программы могут быть структурированы в процедурно-ориентированном формате с использованием процедурного языка, такого как язык ассемблера или C. Программные компоненты могут взаимодействовать с использованием любого из нескольких механизмов, хорошо известных специалистам в данной области техники, таких как интерфейсы прикладных программ или методы межпроцессного взаимодействия, включая удаленный вызов процедур. Идеи различных вариантов реализации изобретения не ограничены каким-либо конкретным языком или средой программирования. Таким образом, могут быть реализованы другие варианты реализации изобретения.

[00161] Например, на Фиг. 11 проиллюстрирована блок-схема изделия 1100, в соответствии с различными вариантами реализации изобретения, такого как компьютер, система памяти, магнитный или оптический диск или какое-либо другое запоминающее устройство. Изделие 1100 может содержать один или более процессоров 1116, связанных с машинно-доступным носителем, таким как запоминающее устройство 1136 (например, съемный носитель данных, а также любое материальное, энергонезависимое запоминающее устройство, содержащее электрический, оптический или электромагнитный проводник), содержащее сопутствующую информацию 1138 (например, команды компьютерной программы и/или данные), которые при выполнении одним или более процессорами 1116 приводят к выполнению в составе конкретной машины (например, изделия 1100) любых действий, описанных в отношении способов на Фиг. 8, устройства на Фиг. 1 и 2, и систем на Фиг. 1, 2, 9 и 10. Процессоры 1116 могут включать один или более процессоров, предлагаемых корпорацией Intel (например, семейства процессоров Intel® Core ™), Advanced Micro Devices (например, процессоры AMD Athlon ™) и других производителей полупроводниковых устройств.

[00162] В некоторых вариантах реализации изобретения изделие 1100 может содержать один или более процессоров 1116, соединенных с дисплеем 1118 для отображения данных, обработанных процессором 1116 и/или беспроводным приемопередатчиком 1120 (например, приемопередатчиком для скважинной телеметрии) для приема и передачи данных, обрабатываемых посредством процессора.

[00163] Система (системы) памяти, входящие в состав изделия 1100, могут включать память 1136, содержащую энергозависимую память (например, динамическое ОЗУ) и/или энергонезависимую память. Память 1136 может использоваться для хранения данных 1140, обрабатываемых процессором 1116.

[00164] В различных вариантах реализации изобретения изделие 1100 может содержать устройство 1122 связи, которое в свою очередь может содержать усилители 1126 (например, предусилители или усилители мощности) и одну или более антенн 1124 (например, передающие антенны и/или приемные антенны). Сигналы 1142, принятые или переданные устройством 1122 связи, могут обрабатываться в соответствии с описанными в данной заявке способами.

[00165] Возможны многие варианты реализации изделия 1100. Например, в различных вариантах реализации изобретения изделие 1100 может содержать скважинный инструмент, содержащий устройство 148, проиллюстрированное на Фиг. 1 и 2. В некоторых вариантах реализации изобретения изделие 1100 подобно или идентично устройству 148 или системам 120, проиллюстрированным на Фиг. 1 и 2.

[00166] Таким образом, устройство, системы и способы, описанные в данной заявке, позволяют корректировать дрейф скважинного генератора тактовых импульсов, используя синхронизацию от поверхностного генератора тактовых импульсов. В некоторых вариантах реализации изобретения это может быть реализовано посредством синхронизации скважинного генератора тактовых импульсов, используя синхронизацию задающего генератора данного генератора тактовых импульсов с задающим генератором на поверхности Земли. В большинстве вариантов реализации изобретения никакие определенные временные величины не коррелируются или не обновляются. Такая синхронизация может быть достигнута с помощью кабельных и других механизмов.

[00167] Во многих вариантах реализации изобретения синхронизация может быть достигнута посредством формирования стабильного низкочастотного сигнала от стабильного высокочастотного генератора на поверхности Земли. Данный сигнал может распространяться с помощью различных механизмов (например, электромагнитных волн, акустических, сейсмических или волн давления) к скважинным датчикам, которые преобразуют данный сигнал в электрический сигнал. Для производного тактового сигнала используется низкая частота, поскольку в противном случае потери распространения могут быть неприемлемыми.

[00168] Используя описанные в данной заявке устройство, системы и способы, можно измерить кажущуюся частоту принятого сигнала в единицах частоты скважинного задающего генератора. Так как частота принятого сигнала точно известна, это позволяет корректировать частоту скважинного задающего генератора. Сохраняя отметку времени фактической частоты скважинного задающего генератора (в единицах времени, измеренных от скважинного задающего генератора), можно сопоставить единицы времени в скважине с единицами времени, полученными от задающего генератора на поверхности Земли.

[00169] В силу описанных причин может быть значительно увеличена точность хронометрирования в скважине. Таким образом, может быть значительно повышен экономический эффект от услуг, предоставляемых компанией по эксплуатации/разведке нефтегазовых месторождений.

[00170] Сопроводительные фигуры, являющиеся частью данного документа, отображают в виде иллюстраций, но без ввода ограничений, конкретные варианты реализации изобретения, в которых предмет изобретения может быть осуществлен на практике. Проиллюстрированные варианты реализации изобретения описаны с детализацией, достаточной для предоставления специалистам в данной области техники возможности практической реализации изложенных в данной заявке идей. Возможно использование других вариантов реализации изобретения и производных от них - таких, что возможны структурные и логические подстановки и изменения без отступления от объема данного изобретения. Поэтому данному подробному описанию не следует придавать ограничительный смысл, и объем различных вариантов реализации определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения, а также полным диапазоном действия эквивалентов, которые законно приданы данной формуле.

[00171] Такие варианты реализации предмета изобретения могут быть указаны в данном документе, индивидуально или в совокупности, под названием «изобретение» исключительно для удобства и без намерения умышленно ограничить объем данной заявки каким-либо одним изобретением или идеей изобретения, если количество их раскрытий по существу превышает единицу. Таким образом, несмотря на то, что в данной заявке были проиллюстрированы и описаны конкретные варианты реализации изобретения, следует понимать, что любая конструкция, рассчитанная на достижение такой же цели, может быть подставлена вместо представленных конкретных вариантов реализации изобретения. Данное описание изобретения призвано охватить любые и все адаптации и вариации различных вариантов реализации изобретения. Комбинации описанных выше вариантов реализации изобретения и других вариантов реализации, конкретно не описанных в данной заявке, будут очевидны для специалистов в данной области техники после изучения приведенного выше описания.

[00172] Реферат изобретения представлен в соответствии с параграфом 1.72(b) раздела 37 Свода федеральных правил (37 C.F.R. 1.72(b)), который требует быстрого понимания характера технической стороны изобретения читателем. Он введен с пониманием того, что не будет применен для интерпретации или ограничения объема и смысла формулы изобретения. Кроме того, в приведенном выше подробном описании сущности изобретения различные характерные элементы сгруппированы вместе в одном варианте реализации изобретения с целью оптимизации описания. Такой способ описания не подразумевает, что указанные в формуле изобретения варианты реализации требуют большее количество характерных элементов, чем явным образом указано в каждом пункте формулы изобретения. Напротив, как указано в представленной ниже формуле изобретения, предмет изобретения характеризуется меньшим числом признаков, чем содержится в отдельном описанном варианте реализации изобретения. Таким образом, приложенная формула изобретения включена в настоящее подробное описание сущности изобретения, причем каждый пункт формулы изобретения является независимым и представляет отдельный вариант реализации изобретения.

1. Устройство для калибровки скважинного генератора тактовых импульсов, содержащее: скважинный генератор тактовых импульсов;

приемный элемент для приема производного тактового сигнала в случае, когда скважинный генератор тактовых импульсов расположен в скважине, причем производный тактовый сигнал получают из поверхностного тактового сигнала, связанного с поверхностным генератором тактовых импульсов, при этом частота производного тактового сигнала составляет менее одной пятой частоты поверхностного тактового сигнала; и

измерительную схему для измерения частоты производного тактового сигнала в единицах нескорректированной скважинной тактовой частоты, связанной со скважинным генератором тактовых импульсов, для обеспечения эквивалента измеренной частоты.

2. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее:

корпус для размещения скважинного генератора тактовых импульсов и измерительной схемы, причем корпус содержит одно из: переводник бурильной колонны или зонд на кабеле.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что приемный элемент содержит по меньшей мере одно из: изолированный зазор или катушку.

4. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее:

передатчик для передачи производного тактового сигнала к приемному элементу.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что передатчик содержит по меньшей мере одно из: источник телеметрических сигналов, источник сейсмических сигналов или источник волн давления.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что передатчик расположен на морском дне.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поверхностный генератор тактовых импульсов расположен на морском дне, на буровой установке или на суше выше береговой линии.

8. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее:

по меньшей мере один повторитель для приема производного тактового сигнала в сочетании с первой несущей частотой, и повторной передачи производного тактового сигнала, в сочетании со второй несущей частотой, отличной от первой несущей частоты.

9. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее:

процессор для коррекции результатов измерения времени, выполненных с использованием скважинного генератора тактовых импульсов, основываясь на эквиваленте измеренной частоты производного тактового сигнала или основываясь на фактической частоте скважинного генератора тактовых импульсов, определенной в соответствии с эквивалентом измеренной частоты.

10. Способ калибровки скважинного генератора тактовых импульсов, включающий:

прием производного тактового сигнала в скважине, причем производный тактовый сигнал получают из поверхностного тактового сигнала, связанного с поверхностным генератором тактовых импульсов, при этом частота производного тактового сигнала составляет менее одной пятой частоты поверхностного тактового сигнала; и

измерение частоты производного тактового сигнала в единицах нескорректированной скважинной тактовой частоты, связанной со скважинным генератором тактовых импульсов для обеспечения эквивалента измеренной частоты.

11. Способ по п. 10, дополнительно включающий:

определение фактической частоты скважинного генератора тактовых импульсов, основываясь на эквиваленте измеренной частоты.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что определение фактической частоты скважинного генератора тактовых импульсов включает:

определение отображения между тактами поверхностного генератора тактовых импульсов и тактами скважинного генератора тактовых импульсов.

13. Способ по п. 10, дополнительно включающий:

коррекцию результатов измерения времени, выполненную с использованием скважинного генератора тактовых импульсов, основываясь на эквиваленте измеренной частоты или на фактической частоте скважинного генератора тактовых импульсов.

14. Способ по п. 10, отличающийся тем, что стабильность частоты поверхностного тактового сигнала, по меньшей мере, в десять раз превышает стабильность нескорректированной скважинной тактовой частоты.

15. Способ по п. 10, отличающийся тем, что частота производного тактового сигнала составляет от около 0,1 до около 100 циклов в секунду.

16. Способ по п. 10, отличающийся тем, что измерение включает подсчет числа тактов скважинного генератора тактовых импульсов, определяемых заранее выбранным числом циклов, связанных с производным тактовым сигналом, причем период каждого из тактов скважинного генератора тактовых импульсов определяется с помощью нескорректированной скважинной тактовой частоты.

17. Способ по п. 10, отличающийся тем, что измерение включает дискретизацию аналоговой формы сигнала производного тактового сигнала в интервалах, определенных с помощью нескорректированной скважинной тактовой частоты.

18. Способ по п. 10, отличающийся тем, что измерение дополнительно включает:

преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал; и

оценку частоты цифрового сигнала в соответствии с интервалами, определенными с помощью нескорректированной скважинной тактовой частоты.

19. Способ по п. 10, отличающийся тем, что частота поверхностного тактового сигнала приблизительно такая же, как нескорректированная скважинная тактовая частота.

20. Способ по п. 10, отличающийся тем, что прием включает:

прием производного тактового сигнала в изолированном зазоре бурильной колонны во время остановки операции бурения, когда буровое долото, связанное с бурильной колонной, находится в неподвижном состоянии.

21. Способ по п. 10, дополнительно включающий:

передачу производного тактового сигнала к изолированному зазору или катушке в скважине.

22. Способ по п. 10, дополнительно включающий:

передачу производного тактового сигнала с поверхности Земли или буровой платформы.

23. Изделие, относящееся к машинно-доступным носителям, содержащим хранящиеся на нем команды, причем в случае, когда выполняют обращение к командам, осуществляется преобразование машины в специализированную машину, которая выполняет:

прием производного тактового сигнала в скважине, причем производный тактовый сигнал получают из поверхностного тактового сигнала, связанного с поверхностным генератором тактовых импульсов, при этом частота производного тактового сигнала составляет менее одной пятой частоты поверхностного тактового сигнала; и

измерение частоты производного тактового сигнала в единицах нескорректированной скважинной тактовой частоты, связанной со скважинным генератором тактовых импульсов для обеспечения эквивалента измеренной частоты.

24. Изделие по п. 23, отличающееся тем, что при обращении к командам машиной выполняется:

передача производного тактового сигнала в обсадную колонну скважины.

25. Изделие по п. 23, отличающееся тем, что при обращении к командам машиной выполняется:

корректировка эквивалента измеренной частоты в соответствии с измеренной или предполагаемой механической скоростью проходки, связанной со скважинной операцией бурения.

26. Изделие по п. 23, отличающееся тем, что частота производного тактового сигнала связана с частотой поверхностного тактового сигнала с помощью коэффициента M/N, где M и N являются целыми числами.