DE69021126T2 - Telemetrie für Bohrlochuntersuchungen. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung befaßt sich mit Bohrlochmeßtelemetrie, insbesondere mit einem System zur Verwendung mit einem oder mehreren Bohrlochmeßgeräten, die auf einem Bohrlochmeßkabel geführt und in eine Meßsonde integriert sind.
• Bei erstem Gebrauch führten Bohrlochmeßgeräte Messungen durch, wobei Signale als Analogsignale an die Oberfläche übertragen wurden. Im Laufe der Zeit wurden weiterentwickelte Systeme angeboten, darunter AM, FM, PCM usw. Analoge Leistungsfähigkeit erreichte bei Verwendung eines PCM-Systems das Äquivalent von ca. 4 000 Bit/s. Seit dem Erscheinen von Digitalrechnern zur Durchführung der Oberflächendatenverarbeitung ist die Analogübertragung überholt. Die heutigen fortschrittlichen Bohrlochmeßsysteme verwenden QPSK oder doppelbinäre 3-Pegel- Codierung. Das führte zu einer gewissen Bandbreitenreduktion, die bis einen zweifachen Faktor ausmacht. Kabelparameter müssen sorgfältig bestimmt und überwacht werden, weil normalerweise analoge Entzerrer zum Beseitigen von Kabelverzerrung verwendet werden. Offensichtlich ist nicht jedes Kabel mit gleicher Qualität gefertig und Kabel können in ihrer Leitfunktion variieren, so daß Kabel nicht in jedem Fall an das jeweilige Telemetriesystem angepaßt werden können. Diese Erfindung ist als Telemetriesystem vorgesehen, dessen Funktion nicht auf außerordentlicher Kabelqualität beruht und ungeachtet der Variationen in den Kabelübertragungsmerkmalen funktionstüchtig ist.
• Allgemein ist im Telemetriesystem ein Bohrlochsender an einen Oberflächenempfänger angeschlossen. Natürlich besteht weiterhin die Kabelübertragungsfunktion, die das über die Kabellänge übertragene Signal zwangsläufig verzerrt und dämpft. Das empfangene Signal muß verarbeitet werden, so daß die interessanten Daten fehlerfrei geborgen werden können. Dieses Problem verschärft sich, weil häufig das Monokabel auch für anderen Datenverkehr benutzt wird. Daten von der Oberfläche können über das gleiche Monokabel abwärts gesendet werden, die so bewältigt werden müssen, daß Anweisungen zum Betätigen eines Bohrlochmeßgeräts bezogen werden können. Weiterhin wird häufig eine Gleichstromspannung über das Kabel geführt, so daß Strom zum Aktivieren verschiedener elektrischer Komponenten in der Meßsonde an das betroffene Werkzeug geleitet werden kann. Gegen diesen Hintergrund müssen die aufwärts übertragenen Daten, unter Berücksichtigung variabler Verzerrungen, über das Monokabel laufen, wobei die Übertragung bei Anwesenheit anderen Signale ablaufen muß, die auf die gleiche Ader angesetzt werden.
• Die oben erwähnte Problematik wurde in US-A-3991611 zu gewissen Ausmaß angesprochen, worin sich ein System zeigt, das zur Datenübertragung von einer Meßsonde in einem Bohrloch an Geräte an der Bohrlochoberfläche geeignet ist. Daten aus Werkzeugen, die sich auf Meßsondenebene befinden, werden codiert und zur Übertragung über Monokabel auf ein Trägersignal moduliert, das dann an der Oberfläche demoduliert und decodiert wird. Diese Erfindung befaßt sich grundsätzlich mit Verbesserungen der Codierung und Decodierung der Daten, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt werden.
• Das Monokabel besteht typischerweise aus einer einzelnen Ader, wobei die Abschirmung oder eine zweite Ader der Erdung dient. Daten werden im Aufzeichungswerkzeug erzeugt und nehmen die Form einer Reihe von binärischen Symbolen. Die Bohrlochmeßgerät-Telemetrie wird als die Daten aus dem Bohrlochmeßwerkzeug in ein ausgewähltes Format umsetzend beschrieben, wie z.B. NRZ-Daten, einer gemischten Folge von binären Nullen oder binären Einsern. Die Daten werden vorzugsweise in speziellem Takt gesendet. Das Bohrlochsystem umfaßt vorzugsweise einen Verwürfler, der mit dem NRZ-Datenstrom versorgt wird, der die Einser und Nullen in pseudowahlloser Reihenfolge verteilt und gleichzeitig die Pegelübergänge sicherstellt, während der Bildung eines langen, fixierten Wertes vorgebeugt wird. Dadurch vereinfacht sich der Betrieb des AGC-(automatische Verstärkungssteuerung)Verstärkers und des Taktregenerierungsschaltkreises an der Oberfläche, wie im Folgenden näher erörtert wird. Das z.Zt. bevorzugte Gerät verwandelt zunächst einen Strom von NRZ-Datenbits in 4-Pegel-Daten, indem alle aufeinanderfolgenden zwei Bits von NRZ-Daten in ein 4-Pegel Datensymbol umgesetzt werden. Das 4-Pegel-Signal wird dann in ein doppelbinärcodiertes 7-Pegel-Signal umsetzt, das die halbe Bandbreite eines 4-Pegel-Signals erfordert sowie ein Viertel der Bandbreite des ursprünglichen NRZ-Signals. Je nach Typ und Durchmesser des Kabels erhöht sich somit die Bandbreite für die Datenübertragung über das Monokabel. Dennoch ist die maximale Datenrate beschränkt, die sich auf einem speziellen Monokabel bei gewissen Rauschumgebungen übertragen läßt. Die hier beschriebene Modulierungsweise ermöglicht ein vollständigeres Annähern an diese maximale Datenrate, als es bei bisherigen Modulierungsmethoden der Fall war. Diese Art von Datencodierung, bei der die erforderliche Signalbandbreite komprimiert wird, läßt eine höhere Rate von Datenübertragung zu, als irgendein bisheriges System bei gleichem Monokabel.
• Das Bohrlochmeßkabel (als Paar ausgeführt), das von der Oberfläche ausgeht, nimmt die Form einer Übertragungsleitung und hat hat gewisse Übertragungsmerkmale. Tatsächlich stellt das Monokabel eine Übertragungsleitung mit begrenzter Bandbreite dar. Wenn sich die Datenübertragungsrate erhöht, führen Kabelbegrenzungen zu schwerwiegender Datenminderung. Eine Folge begrenzter Bandbreite ist der Umstand, daß der Signalausgang einen reduzierten Oberwellengehalt aufweist, so daß der Ausgang stark verzerrt wird und grundsätzlich ein analoges Signal darstellt. Danebenliegende Digitalsymbole tragen während der Übertragung über das gleiche Kabel zur Zwischensymbolstörung bei. Bei sich steigernder Verzerrung und Störung und reduzierender Signalamplitude, kommt es zu Begrenzungen der Datenübertragungsleistung. Beim derzeit bevorzugten Gerät werden sieben Pulspegel verwendet, so daß jeder der sieben Pegel zwei Datenbits darstellt. Durch Verwendung von 7 Pegeln erhöht sich die Bandbreiteneffizienz und die Datenübertragungsrate wird verbessert. Die theoretische Bitrate bei diesem Ansatz wird teilweise durch den zulässigen Rauschabstand für qualitativ hohe Signalübertragung beschränkt. Aus diesem Grund verwendet dieses System sieben Pegel von Digitaldaten, wobei die Pegel bei Null zentriert sind und jeweils drei symmetrische Pegel über und unter Null umfassen. Daten werden auf spezielle Weise codiert (korrelative Mehrpegelcodierung genannt), um die sieben Pegel zu erzielen, während die Übertragungsbandbreite des Signals eingeschränkt wird. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Bandbreiteneffizienz viermal so hoch ist, wie die von NRZ- Systemen mit Amplitudenmodulierung. Die Verwendung von 7-Pegel-Codierung ermöglicht die Korrelation zwischen benachbarten Datenbits. Anzunehmen ist, daß die vier Statussymbole auf die sieben Pegel codiert werden können, wobei drei der Zustände unbenutzt bleiben. Die "überflüssigen" Zustände werden zum Codieren der vier Statussymbole ausgewählt sowie einige der benachbarten Symbole, woraus verbesserte Datenregenerierung durch benachbarte Symbolkorrelation resultiert.
• Angemessene Kopplungsschaltungen führen zur Trennung des stromaufwärts liegenden Telemetriesystems, des stromabwärts liegenden Telemetriesystems sowie der DC Stromversorgungsanschlüsse für den Betrieb auf dem Monokabel. Somit bezieht sich diese Eröffnung auf ein Datencodiersystem für Bohrlochmeßsonden. Die Patentschrift eröffnet weiter ein Datenempfangssystem, das an der Oberfläche installiert ist. Die Einrichtung an der Oberfläche muß Verzerrungen rückgängig machen, denen das übertragene Signal vom Kabel her ausgesetzt wird. Wenn das Kabel fest installiert wäre und unverändert bleiben würde, könnte die Art der Verzerrung permanent bekannt sein; dieser Betrieb verläuft jedoch nicht ganz so glücklich. Anstelle dessen ergibt sich eine variable Verzerrung. Diese Verzerrung wird auf eine Art und Weise behoben, wie sie im Folgenden beschrieben wird, indem ein anpassungsfähiger Transversalfilter-Entzerrer verwendet wird. Der anpassungsfähige Transversalfilter-Entzerrer stellt seine Übertragungsfunktion automatisch zum Korrigieren eines variablen Ausmaßes von Kabelverzerrung ein, die als dynamisch variierend angesehen werden muß.
• Vorgestellt wird ein 7-Pegel Codierungssystem, das die Möglichkeit eröffnet, zwei decodierte Symbole aus binärem NRZ als ein 7-Pegel-Symbol darzustellen. Die 7- Pegel erschweren das Decodieren, ermöglichen dagegen die Übertragung von weitaus mehr Daten, ohne die erforderliche Bandbreite im Monokabel vergrößern zu müssen. Datenregenerierung wird durch den Rauschabstand begrenzt. Dementsprechend setzt die Bohrlochtelemetrieeinrichtung die Daten aus typischen binären NRZ-Daten in amplitudenmodulierte (AM), doppelbinäre 7-Pegel-Symbolsätze um, die dann zum Beschränken der Bandbreite auf das übertragene, Signal, das so in ein Analogsignal umsetzt wird, gefiltert werden. Dieses Signal wird dann durch einen Leistungsverstärker zur Übertragung über das Monokabel verstärkt. Angemessene Kopplungsschaltungen trennen Aufwärtssenderdaten, Abwärtsempfängerdaten und Strom zum Aktivieren des Bohrlochmeßwerkzeugs. Das übertragene Analogsignal wird über das Bohrlochmeßkabel an den Empfänger weitergeleitet. Dort trennt ein Aufwärtsempfänger mit Filter das Signal von den stromabwärts laufenden Daten und setzt die Empfangs- oder Aufwärtsdaten in ein geeignetes Signal zum Regenerieren der ursprünglichen Daten um. Das Empfangsgerät an der Oberfläche umfaßt u.a. einen Verstärker mit automatischer Verstärkungssteuerung (AGC), eine zugehörige Taktregenerierungsschaltung zum Regenerieren des Taktsignals im empfangenen Aufwärtssignal, einen Analog-Digital-Umsetzer und eine Entzerrer- und Slicer- Schaltung. Die Entzerrerschaltung, zusammen mit der Slicer-Schaltung, setzt die Digitalsignale in die Codierungspegel um, die ursprünglich bestanden (7 Pegel im bevorzugten System). An der Oberfläche ist gleichfalls eine Entwürflerschaltung vorgesehen, mit der die Auswirkung des Entwürflers im Bohrloch rückgängig gemacht wird. Die meisten Meßsonden unterstützen mindestens zwei verschiedene Bohrlochmeßgeräte, die zwei verschiedene Datenströme bilden. Angenommen, in der Meßsonde wird zur Übertragung aus zwei oder mehr Werkzeugen ein Multiplexer verwendet, dann werden die Daten in speziellen Datenrahmen übertragen. Hierbei handelt es sich um eine zeitmultiplexierte Reihenfolge, die vom Oberflächenrechner sortiert wird, d.h. durch Sortieren der Zeitrahmen ist an der Oberfläche ein Demultiplexieren mit inbegriffen. Mehrere Ausgangsdaten werden dann zur Datenverarbeitung und/oder Sicherung an typische Aufzeichnungsgeräte ausgegeben, in denen die Daten als Funktion der Tiefe im Bohrloch aufgezeichnet werden. In bevorzugter Ausführungsweise geben die zwei oder mehrere Werkzeuge in der Meßsonde als Auntwort auf oberflächenausgelöste Signale Daten zur Übertragung aus; in dieser Anordnung werden Datenrahmen miteinander verstrickt, wodurch sich die Übertragung von zwei oder mehrere Datenströmen ermöglicht. An der Oberfläche müssen diese zwei oder mehrere Datenströme dann in dieser Hinsicht sortiert werden; zum Trennen mehrerer Übertragungssignale wird u.U. eine Multiplexerauflösung erforderlich.
• Betont werden sollten der Entzerrer und Slicer. Dem Entzerrer werden Digitalwerte zugeführt, die idealerweise die Pegel des codierten Eingangs oder, in bevorzugter Ausführungsweise, 7 Pegel darstellen. Wegen den unbekannten und variablen Verzerrungen, die aus den Variationen in Kabeltemperatur und -länge resultieren, liegt der Eingang zum Entzerrer nicht genau auf den selben 7 Pegeln, die ursprünglich übertragen wurden. Das Empfangssignal ist natürlich infolge von Rauschen, Phasenwanderung, Temperaturveränderung usw. Fehlern ausgesetzt. Gehen wir z.B. von einem 7-Pegel Ausgangssystem aus, wobei einer der Digitalpegel 2,0 Einheiten Amplitude ist. Wenn die Leistung des Entzerrers bei 2,18 liegt, muß Slicing zum Reduzieren dieses Wertes auf 2,00 angewendet werden. Das bedeutet, Slicing reproduziert Pegel, die den übertragenen Pegeln entsprechen. Selbst dort, wo bei der Kabelübertragung Fehler aus der Signalverzerrung entstehen, werden solche durch dieses Gerät entfernt, ungeachtet der genauen Übertragungsmerkmale des Kabels.
• Unter Rücksichtnahme auf das o.g. läßt sich dieses Gerät als ein Bohrlochmeß- Telemetriesystem bezeichnen, das ein Signal auf mehreren Pegeln überträgt, wobei nach Übertragung ein Analogsignal über ein Monokabel im Bohrlochmeßkabel an ein stromaufwärts liegendes Empfangsgerät an der Oberfläche ausgegeben wird. Das Signal wird von einem AGC-Verstärker verarbeitet, durch ein ADC digitiert, während die Taktsynchronisierung im Signal regeneriert wird und der Ausgang dann durch einen Entzerrer und Slicer geleitet wird. Der Ausgang geht dann nach Datenverarbeitung zur Bohrlochmessung an ein oder mehrere Aufzeichnungsgeräte; solche Daten werden als Funktion der Tiefe im Bohrloch aufgezeichnet. Das System arbeitet größtenteils ohne die verschiedenartigen oder variablen Übertragungsmerkmale des Monokabels.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Um die Art und Weise, in der die oben aufgeführten Merkmale, die Vorteile und Zielsetzung dieser Erfindung realisiert werden, besser zu veranschaulichen, kann für eine nähere Beschreibung der Erfindung, die oben kurz zusammengefaßt ist, auf deren Ausführungen Bezug genommen werden, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind.
• Zu beachten ist jedoch, daß die beiliegenden Zeichnungen nur typische Ausführungen dieser Erfindung darstellen und deshalb in keiner Weise Is den Umfang und die Wirkungsweise beschränkend zu verstehen sind, da die Erfindung gleichfalls in ähnlich wirkenden Formen zulässig ist.
• Es zeigen:
• Fig. 1 eine Systemansicht einer von einem Bohrlochmeßkabel suspendierten Meßsonde, incl. eines Telemetriesystems, das über das Bohrlochmeßkabel mit der Oberfläche verkehrt, wobei das Telemetriesystem diese Erfindung beinhaltet;
• Fig. 2 ein Teilschema, in dem Einzelheiten der Verkopplungsschaltungen dargestellt sind, die das Kabel sowohl mit der Sonde wie mit der an der Oberfläche befindlichen Ausrüstung verbinden;
• Fig 3 eine Tabelle, in der zugehöriger Pegel und Wellenformen zur Datencodierung aufgeführt sind, die ein amplitudenmoduliertes 7-Pegel-Signal für Telemetrieübertragungen vermitteln;
• Fig. 4 eine Tabelle von Werten, die nach der Telemetrie empfangen werden, incl. Spalten für die normalisierten Datenwerte, die daraus entfernten inkrementalen oder Slicing-Werte, den Ausgang nach Slicing und den decodierten Ausgang;
• Fig. 5 eine Darstellung von Signalpegel ./. Frequenz, aus der die Verbesserungen der Bandbreiteneffizienz hervorgehen;
• Fig. 6 die in der Meßsonde ausgeführten Verwürfler und Codierer;
• Fig. 7 das an der Oberfläche vorgesehene Telemetrieemfängersystem;
• Fig. 8 die an der Oberfläche vorgesehenen AGC-Verstärker- und Taktregenerierungsschaltungen;
• Fig. 9 der an der Oberfläche vorgesehene Digitalsignalprozessor und die Register für die Filterfunktion und
• Fig. 10 die an der Oberfläche vorgesehenen Entzerrer, Slicer und Datendecodierer.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSWELSE
• Zur Beschreibung eines Bohrlochmeßsystems mit besonderer Betonung des im Bohrlochmeßsystem enthaltenden Telemetriegeräts wird die Aufmerksamkeit zunächst auf Fig. 1 der Zeichnungen gelenkt. Fig. 1 der Zeichnungen zeigt eine in einem Bohrloch 11 abgestützte Meßsonde 10, die von einem gepanzerten Bohrlochmeßkabel 12 hängt. Diese Meßsonde kann in offenen oder verrohrten Bohrlöchern verwendet werden. Für verrohrte Bohrlöcher ist ein Verrohrungskranzlokalisierer an der Meßsonde vorgesehen, der noch im Folgenden ausführlich beschrieben wird. Das Telemetriegerät dieser Eröffnung funktioniert jedoch mit einer Bohrlochmeßsonde, die in Bohrlöchern beider Arten geeignet ist. Das Bohrlochmeßgerät 10 ist in einem bekannten, hermetisch versiegelten, flüssigkeitsdichten und druckwiderstandsfähigen Gehäuse ausgeführt, das von einem Bohrlochmeßkabel 12 hängt. Das Bohrlochmeßkabel hat einen nennenswerte Länge, die u.U. länger als 7620 m oder sogar 9140 m ist. Das Kabel muß lang genug sein, um die Meßsonde bis zur tiefsten Stelle des Bohrlochs abzulassen. Das Bohrlochmeßkabel 12 kann u.U. ein ganz einfaches Kabel mit einer Ader sein. Industrienormen entsprechend kann das Kabel auch bis zu sieben Adern haben. Diese Erfindung konzentriert sich dagegen auf einen einzelnen Leiterweg mit zutreffender Erdung durch das Kabel, so daß sich diese Eröffnung mit einem Adernpaar befaßt. Bei der Erdung kann es sich sowohl um eine Ader wie um die Kabelabschirmung handeln. Das Kabel umfaßt weiterhin ein gewebtes Drahtseil oder gleichwertiges, um dem Kabel Stärke zu verleihen. Typischerweise umfaßt das Kabel ebenfalls einen Mantel oder eine Wicklung, durch denldie die Stromadern im Inneren geschützt werden, d.h. es resultiert ein Kabel ausreichender Stärke, um Meßsonde 10 sowie das Gewicht des Kabels selbst zu tragen. Die Meßsonde 10 wird bis zum Boden des Bohrlochs abgelassen und am Kabel 12 geborgen. Während der Bergung werden Daten durch die an der Oberfläche befindlichen Ausrüstungen eingesammelt. Daten laufen über eine Telemetrieverbindung über Kabel 12. Die Meßsonde beinhaltet zutreffende Bohrlochmeßgeräte angemessener Art. Die genaue Art der Bohrlochmeßgeräte variiert, umfaßt jedoch solche, die für den Einsatz in Bohrlöchern geeignet sind. Kabel 12 läuft über eine Laufrolle 13 und wird auf eine Haspel 14 geleitet, auf der es aufgespult und gelagert wird. Das gesamte Kabel wird auf die Haspel aufgespult, die normalerweise per LKW an das Bohrloch befördert wird. Das Kabel enthält eine oder mehrere Ader(n), die das Monokabel darstellen, ein Begriff, der im Folgenden, ungeachtet der Anwesenheit weiterer Adern, zur Beschreibung des Adernpaars benutzt wird. Das Monokabel 15 liefert einen Ausgang an drei verschiedene Schaltungen, vgl. Fig. 1. Das Monokabel 15 liefert u.a. Strom für den Betrieb und ist aus diesem Grund mit einer DC Stromversorgung 16 verbunden. Diese liefert DC Strom zum Betrieb der in der Meßsonde befindlichen Geräte. Die Spannung liegt bei wenigen Hundert Volt bei u.U. nennenswertem Strompegel. Weiterhin ist ein Abwärtssender 17 vorgesehen, der modulierte Signale über das Monokabel 15 führt, um Anweisungen zur Steuerung und Funktion der Meßsonde 10 zu vermitteln. Zusätzlich ist ein Aufwärtsempfänger 18 vorgesehen, der gleichfalls mit dem Monokabel verbunden ist. Telemetriedaten aus der Meßsonde werden an den Aufwärtsempfänger übertragen. Zusammenfassend muß das Monokabel 15 einen Stromweg für DC Strom vermitteln, der für den Betrieb der Geräte ausreicht, sowie verschiedene Frequenzsignale für stromaufwärts- und stromabwärtslaufende Kommunikation vermitteln. Diese Eröffnung konzentriert sich insbesondere auf die stromaufwärtslaufende Telemetrieübertragung über das Monokabel.
• Im Einsatz werden Daten während der Bergung der Meßsonde 10 von der tiefsten Bohrlochstelle aufgenommen und Messungen durchgeführt, während die Sonde im Bohrloch aufwärts läuft. Insbesondere die wertvollen Daten müssen als Funktion der Meßsondenposition im Bohrloch vermittelt werden. Zu diesem Zweck ist ein Tiefenmeßgerät 20 mit einer Einrichtung 19 an der Laufrolle vorgesehen, um Angaben während der Kabelbergung zu beziehen. So resultiert eine Tiefenanzeige, so daß sich die Werkzeugdaten als Funktion der Tiefe beschreiben lassen. Die Tiefenmeßschaltung vermittelt einen Ausgang an das erste Bohrlochmeßgerät 21 sowie ein zweites Bohrlochmeßgerät 22; beide Bohrlochmeßgeräte vermitteln Streifentabellen bedeutender Daten über das Bohrloch als Funktion der Tiefe. Das an der Oberfläche vorgesehene Bohrlochmeßsystem wird unten näher beschrieben.
• In der Meßsonde befindet sich ein erstes Meßgerät, wobei es sich um einen Verrohrungskranzlokalisierer 23 handelt. Zusätzlich sind weitere Formationsmeßgeräte 24 und 25 vorgesehen. Die Meßgeräte 24 und 25 befinden sich in der Meßsonde. Hierbei kann es sich um beliebige Werkzeuge zum Bohrlochvermessen handeln. So können Werkzeuge 24 und 25 beispielsweise Geräte umfassen, die Fachkundigen bekannt sind und mit denen sich der Widerstand der Formation messen läßt, Werkzeuge zum Messen der Durchlässigkeit, Werkzeuge zum Messen spezifischer Konzentrationen von Potassium, Thorium und Uran, etc. Diese Werkzeuge können eine beliebige Ansprechweise verwenden, darunter Irradiation umliegender Formationen mit Hochfrequenzstrahlung oder Neutronbeschuß. Ungeachtet der umfangreichen Vielzahl möglicher Werkzeuge reicht es für diese Eröffnung anzumerken, daß beide Werkzeuge 24 und 25 Ausgangsdaten in den Datenstrom einführen. Beim Datenstrom kann es sich um serielle oder parallele Wörter handeln; auch die Codierung kann unterschiedliche Formen annehmen. Der Datenstrom wird an verschiedenen Stellen in das NRZ-Format oder keine Rückkehr nach Null umgesetzt. Das NRZ wird an nachfolgenden Stellen des Systems umgesetzt und wird deshalb an dieser Stelle erörtert. Ein weiteres Format, das sich zur Übertragung von einzelnen Werkzeugen an eine Bussteuerungseinheit eignet, ist das 1553 Format. Die Daten aus Werkzeugen 24 und 25 können das 1553 Format annehmen und jederzeit aus diesem oder anderen Formaten umsetzt werden. Die Datenströme aus Werkzeugen 24 und 25 werden, zusammen mit Daten aus dem Verrohrungskranzlokalisierer, an eine Bussteuerungseinheit (BCU) 26 geleitet. Die BCU wird mit stromabwärts laufenden Anweisungen von der Oberfläche aus gesteuert, womit gleichfalls verschiedene Werkzeuge zum Senden verschiedener stromaufwärts laufender Daten in gemischten Taktstößen angeleitet werden. Dieser Datenstrom fließt permanent, nimmt jedoch die Form von Stößen oder Rahmen spezifischer Länge und Anordnung an. Der Ausgang aus der BCU 26 ist vorzugsweise eine NRZ-Datenreihe, die in zutreffenden Datenblöcken oder Rahmen organisiert ist, die auf der Funktionsweise der BCU 26 beruhen. Die gesamte Datenorganisation wird durch Befehle von der der Oberfläche gesteuert. So wird sichergestellt, daß die über das Monokabel 15 laufenden Daten so organisiert sind, daß die Bedeutung der Daten nachträglich festgestellt werden kann. Jedes der Werkzeuge 23, 24 und 25 erzeugt Daten, die über zutreffende Schnittstellen an eine Unterstation (RTU) 27 gehen. Die Werkzeugdaten werden auf Befehl auf einen Bus zur BCU 26 gestellt. Ein akzeptables Datenformat erlaubt jedem Werkzeug, individuelle Datenblöcke mit geeigneter Kennung und angemessenen Werten zu bilden. Der Kranzlokalisierer 23 vermittelt bedeutsame Daten, indem Lokalisierungskränze alle 9,1 m (oder, wenn länger Kränze benutzt werden, alle 12,2 m) positioniert werden.
DATENUMSETZUNG AN DER OBERFLÄCHE
• Der Ausgang der BCU 26 ist ein Datenstrom im NRZ-Format. Er geht an einen Verwürfler, vgl. Fig. 2, der noch näher erläutert wird. Dieser Verwürfler beugt gegen eine zu hohe Anzahl von Nullen oder Einsern in der Datenkette vor. Der Verwürfler setzt die Datenkette so um, daß sich eine pseudowahllose Mischung aus Nullen und Einsern ergibt. Diese Daten gehen dann an einen Codierer, wo sie auf sieben Ausgangspegel umgesetzt werden. Die sieben Pegel sind 3, 2, 1, 0, -1, -2 und -3. Fig. 3, 4 und 5 der Zeichnungen veranschaulichen, wie die sieben logischen Pegel durch Umsetzen auf spezifische Spannungspegel und Regenerierung nach Übertragung implementiert werden. Die sieben logischen Pegel werden während der Übertragung so verzerrt, daß eine gewisse Regenerierung stattfinden muß, um der yerzerrung Rechnung zu tragen und Werte auf die spezifischen Ausgangspegel zurückzubringen. Hier ist es wichtig festzuhalten, daß die 7-Pegel-Darstellung die auf der Zeichnung gezeigte Form nimmt. Da der Eingang im NRZ-Format erscheint, gehen zum Bilden von 4-Pegel-Codierung zwei aufeinanderfolgende NRZ-Bits in das System ein. Der Codierer nimmt also zwei nebeneinanderliegende NRZ-Datenbits und setzt die zwei Datenbits in ein 4-Pegel-Symbol um, das vom Codierer in einen der sieben Pegelausgänge umgesetzt wird. Die Bedeutung der 7-Pegel-Codierung wird nachfolgend näher erläutert.
• Der Codierer gibt eine Reihe von Zeichen aus. Der codierte 7-Pegel-Datenstrom wird zuerst moduliert und dann an den Digital-Analog-Umsetzer ausgegeben. Dort werden die Digitalformen auf ein Analogsignal umgesetzt. Das Analogsignal wird anschließend an einen Filter geführt. Der Filter entfernt einen nennenswerten Teil der Oberwellen, um sicherzustellen, daß die Daten in eine festgelegte Bandbreite passen und zu keiner Störung benachbarter Signale führen, wobei die Breite dieses Durchlaßbandes mit Bezug auf Fig. 3, 4 und 5 erwogen wird. Die Bandbreite wird so ausgewählt, daß die Daten in analoger Form in das für Monokabel 15 zulässige Durchlaßband passen und zu keiner Störung benachbarter Signale führen. Dieses Signal wird an einen Leistungsverstärker ausgegeben, der einen ausreichenden Treibereingang zur Übertragung auf Kabel 15 vermittelt. Das verstärkte Signal wird an einen Aufwärtssender 33 (Fig. 1) geliefert, der einen Ausgang bildet, der auf Monokabel 15 angesetzt wird. Hierbei handelt es sich um ein Bestandteil der Telemetrie-Zwischenverbindung, über die mehrere Signale auf das Monokabel geführt werden. Der Sender 33 sendet die Daten über Monokabel 15 nach oben.
• Die Meßsonde beinhaltet gleichfalls einen Abwärtsempfänger 34. Dieser bildet aus den von der Oberfläche empfangenen Anweisungen ein Ausgangssteuersignal und liefert die zutreffenden Steuersignale an die BCU 26, die wiederum die Funktion der verschiedenen Bohrlochmeßgeräte in Meßsonde 10 steuert. Die Meßsonde beinhaltet gleichfalls eine DC-DC-Stromversorgung 35. Die Stromversorgung 35 empfängt Strom von der DC Stromquelle 16 an der Oberfläche und setzt diesen Strom zur Funktion der Geräte im Inneren der Meßsonde um auf einen oder mehrere zutreffende DC- Strompegel. Das Monokabel 15 ist mit drei verschiedenen Einheiten verbunden, die über das Monokabel wirken.
• Wie schon erwähnt, vermittelt das Monokabel einen Leitweg für DC-Strom zum Betrieb der Stromversorgung 35 der Meßsonde; weiterhin findet zwischen den Aufwärtssendern und -empfängern eine 2-Weg-Kommunikation über das Monokabel statt. Diese funktioniert mit unterschiedlichen Frequenzen, so daß sich eine leichte Trennmöglichkeit ergibt.
OBERFLÄCHENAUSRÜSTUNG
• An der Oberfläche befindet sich ein Steuergenerator 36. Über diesen werden Anweisungen an die Meßsonde geleitet, mit der die BCU 26 betrieben wird und die wiederum die Funktion der Meßgeräte in der Meßsonde steuert. So läßt sich die Einrichtung so von der Oberfläche bedienen, daß sie auf beabsichtigte Art und Weise funktioniert.
• Das Monokabel 15 ist mit dem Aufwärtsempfänger 18 verbunden. Das von der Meßsonde 10 übertragene Signal und insbesondere das multiplexierte, verwürfelte, codierte, modulierte und in eine analoge Form umgesetzte, filtrierte und anschließend verstärkte Signal wird nach Dämpfung durch Monokabel 15 ausgegeben. Art und Ausmaß der Dämpfung variieren. Die Signalverzerrung hängt teilweise davon ab, ob das Kabel auf- oder abgespult ist. Zeitweise hängt sie von den physikalischen Abmessungen des Kabels und speziell der Kabellänge ab. Teilweise hängt sie von der Temperatur des Kabels ab, zuerst an der Oberfläche und dann im Bohrloch. Teilweise hängt sie von der Kabelspannung ab; teilweise von den verteilten Schaltungsventilen im Kabel, die sich wie eine lange Übertragungsleitung auswirken. Diese Signalverzerrung läßt sich im Labor analysieren, was jedoch durch die dynamische Verwendung des Kabels durch Auf- und Abspulen erschwert wird. Auf jeden Fall hat das Kabel jedoch eine Übertragungsfunktion, die nicht zu jedem Zeitpunkt bekannt sein kann und die sich zwischen dem Aufwärtssender 33 und dem Aufwärtsempfänger 18 an der Oberfläche auswirkt. Wäre die Verzerrung ein bekannter Wert, könnte Schwierigkeiten vorgebeugt werden. Da sie jedoch nicht fix sondern variabel ist, ist eine an der Oberfläche befindliche Einrichtung vorzusehen, die einen brauchbaren Ausgang aus den Bohrlochmeßgeräten und der Meßsonde 10 vermittelt.
MONOKABELANSCHLÜSSE
• Fig. 2 der Zeichnungen zeigt einige der Bauteile in näherem Detail. Insbesondere Fig. 2 umfaßt den Steuersignalgenerator 36. Dieser erzeugt Anweisungen für den Abwärtssender 17. Diese Einrichtung umfaßt vorzugsweise einen Pulscodierer 37, der mit einem Tongenerator 38 verbunden ist. Der Ton wird von einem Leitungstreiberverstärker 39 verstärkt und das Signal wird über einen Bandfilter 40 ausgegeben, der Monokabel 15 treibt. Der Codierer erzeugt vorzugsweise Daten in dem zur Verwendung ausgewählten Datenprotokoll, wobei das bevorzugte das Manchester 1553-Format ist.
• Die an das Monokabel angeschlossenen Geräte umfassen gleichfalls einen Aufwärtsempfänger 18. Dieser hat einen Bandfilter 41, der mit dem AGC-Verstärker verbunden ist, der später erläutert wird. Die Oberflächeneinrichtung umfaßt zusätzlich eine DC-Stromversorgung 16. Aufwärtsempfänger 18 und Abwärtssender 17 werden durch einen Blockierkondensator 43 isoliert. Die Stromversorgung wird über eine Reihe von Induktoren und einen geerdeten Kondensator in einem Niederdurchlaßfilter 44 mit dem Monokabel 15 verbunden.
• Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die zwei Telemetriesysteme, eins für den stromaufwärtigen und das andere für den stromabwärtigen Verkehr, auf unterschiedlichen Frequenzen wirken, die gegeneinander durch zutreffende Filterschaltungen abgetrennt werden. So verhindern die verschiedenen Band- und Niederdurchlaßfilter das Eindringen von Daten von anderen an der Oberfläche angeschlossenen Geräten. Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die drei an der Oberfläche angeschlossenen Gerätesätze auf Fig. 2 eine elektrische Trennung infolge der Auswahl angemessener Betriebsfrequenzen aufweisen.
• Die Meßsonde auf Fig. 2 nimmt die folgenden Geräte auf: Zunächst ist das Monokabel 15 mit der Meßsonde verbunden und DC-Strom wird für die DC-Stromversorgung 35 bezogen. Hierbei handelt es sich um eine DC-DC-Stromversorgung. Jeder AC-Strom auf dem Monokabel 15 wird blockiert, weil der DC-Strom durch einen Niederdurchlaßfilter 45 eingeht. DC auf dem Monokabel wird gegenüber der Telemetriegeräte durch den Blockierkondensator 46 blockiert. Das stromaufwärtige System umfaßt einen Datenverwürfler, der seriell mit dem NRZ-Datenstromausgang versorgt wird. Der verwürfelte NRZ-Datenstrom wird von einem Codierer codiert; Verwürfler und Codierer werden später näher erläutert. Der codierte 7-Pegel- Datenstrom wird von einem Modulator 47 moduliert und dann von einer ADC 48, die mit einem LPF 49 verbunden ist, auf Analog umgesetzt und dann von einem Verstärker 50 verstärkt. Der Verstärker 50 ist mit einer LC Tankschaltung 51 zum Treiben des Monokabels 15 verbunden. Diese liefert das stromaufwärts gehende hochleistungsfähige Übertragungssignal. Zusätzlich nimmt die Meßsonde 10 den Abwärtsempfänger 34 auf. Das Empfängersignal geht erst in einen Verstärker 53, anschließend in Niederdurchlaßfilter 54 und 55, danach in einen Bitvollgruppendetektor 56, einen binären Pegelslicer 57 und einen Decodierer im 1553 Format 58. Dieser erzeugt die NRZ-Daten, die an die BCU 26 gehen. Diese vermittelt die an die Oberfläche gerichteten Betriebssignale für die Meßsonde 10.
• Zusammenfassend läßt sich hinsichtlich Fig. 2 feststellen, daß Monokabel 15 zur Übertragung von AC-Daten auf unterschiedlichen Frequenzen in festgelegten Durchlaßbändern in entgegengesetzte Richtungen dient. Zusätzlich vermittelt Monokabel 15 einen Stromweg zur Übertragung von DC-Strom, so daß ein ausreichender Betriebsstrom vermittelt werden kann. Die BCU 26 empfängt Signale in zwei Formen, davon eins im 1553 Format. Der Verrohrungskranzlokalisierer 23 erkennt die Nähe eines Kranzes und erzeugt ein analoges Ausgangssignal. Fig. 2 zeigt, wie dieses Signal (und andere Analogsignale) in Verstärker 28, anschließend in einen Filter 29 und letztlich einen Multiplexer 30 eingehen, vorausgesetzt es gibt zwei oder mehr Eingänge. Die multiplexierten Daten werden durch eine ADC 31 auf digitale (NRZ) Form umgesetzt.
BESCHREIBUNG DER SIGNALWELLENFORM
• Bezugnehmend auf Fig. 3 der Zeichnungen wird eine Ansicht in unterschiedliche Teile aufgegliedert, die sich vertikal aufeinander beziehen. Dadurch läßt sich ableiten, wie Daten umgesetzt werden, wobei in der Erläuterung von Fig. 4 auf die Reaktion von Kabel 12 und gleichzeitig auf die Funktion des Entzerrers und des Slicers, incl. das Filtersystem, Bezug genommen wird. Fig. 3A zeigt einen Taktpuls. Fig. 3B zeigt einen Datenstrom, bestehend aus einer wahllosen Reihenfolge von Nullen und Einsern. Diese aus Nullen und Einsern bestehenden Daten haben die auf Fig. 3C dargestellte Wellenform, wobei es sich um eine typische Form handelt. Die Daten auf Fig. 38 werden in jeweils zwei Datenbits gruppiert, wobei erkannt wird, daß zwei Datenbits vier separate Zustände bilden. Für die Daten auf Fig. 3D wird eine 4- Pegel-Übersetzung gezeigt. Diese wird wiederum auf Fig. 3E in 7-Pegel übersetzt. Somit ergibt sich eine Korrespondenz, wo die Werte von null, eins, zwei und drei aus Fig. 3D auf sieben Pegel umgesetzt werden. Nachdem die sieben Pegel definiert wurden, erfolgt ein Versatz durch Abzug von drei aus jedem Wert. Wie Fig. 3E zeigt, sind alle Werte Pluswerte; wenn von jeder Eingabe drei abgezogen wird, erfolgt ein Versatz zum Vermitteln eines Datenstroms, der um Null zentriert ist, d.h. die Verteilung der Eingaben vermittelt ungefähr ein Halb unter und ein Halb über Null. Zu erkennen ist, daß es in den sieben Pegeln drei redundante Pegel gibt; die drei redundanten Pegel werden, hauptsächlich zum Reduzieren der Bandbreite, mit den anderen Pegeln korreliert. Mit diesen drei redundanten Pegeln werden gleichfalls Fehler im Empfänger erkannt. Fig. 3F zeigt die versetzten sieben Pegel; Fig. 3G dient nur der Darstellung der gleichen Daten in graphischer Form. Gleichfalls stellt sie das Moduliersignal dar, mit dem ein Trägersignal, das auf Fig. 3H vermittelt wird, amplitudenmoduliert wird (AM). Der Träger in diesem Veranschaulichungsbeispiel steht zweimal so hoch wie die NRZ-Taktfrequenz oder vermittelt zwei Zyklen für jeden auf Fig. 3A gezeigten Ablauf. Anders gesehen gleicht der Zeitraum, der für einen Zyklus des auf Fig. 3H dargestellten Trägers oder Moduliersignals dem Zeitraum, der für jedes Datensymbol erforderlich ist, das auf Fig. 3G gezeigt wird. Das Da das Moduliersignal eine digitale Form annimmt, wirkt es sich durch Umsetzen jedes Ablaufs auf Fig. 3G in gleiche und gegenüberstehende Plus- und Minusspitzen aus, wie sie auf Fig. 3I erscheinen. Vielleicht verdeutlicht ein Beispiel diesen Grundsatz und unterstützt weiter die Erläuterung des Telemetriesystems dieser Eröffnung.
• Diese Erläuterung wird nützlich sein, wenn man zunächst betrachtet, was passiert, wenn die auf Fig. 3G dargestellte Wellenform regelmäßig abgetastet wird. Die Zahl 60 zeigt eine Stelle, die genau halbwegs im Zyklus auftritt, der auf Fig. 3G gezeigt wird. Wenn es sich dabei um den Abtastpunkt handeln würde. an dem Zeitmessungen des Pulses vorgenommen werden, würden höchstgenaue Daten resultieren, weil der Punkt fern von Übergängen liegt, die am Anfang und Ende jeder Zykluszeit auftreten. Wenn das auf Fig. 3H dargestellte Trägersignal dagegen die zweifache Frequenz des auf Fig. 3G dargestellten Signals aufweist, würde sich Punkt 60 ungefähr am Übergangspunkt befinden und folglich zur Messung äußerst ungeeignet sein. Da die Frequenz auf Fig. 3H genau zweimal so hoch ist, ist ein Abtasten bei Punkt 60 wegen fehlender Sicherheit äußerst unerwünscht. Anstelle Punkt 60 zu verwenden, werden Punkte 61 und 62 bevorzugt. Punkte 61 und 62 kommen an den 90º und 270º Punkten im Zyklus des Moduliersignals vor, das auf Fig. 3H dargestellt wird, d.h. hierbei handelt es sich um die beständigsten Zeiten, so daß Abtasten der Signalwellenform bei maximaler Signalbeständigkeit erfolgen kann. Diese Abtastzeiten treten gleichfalls bei besserem Rauschabstand auf. Punkte 61 und 62 befinden sich an den weitesten Extremitäten relativ zur Zustandsveränderung im Moduliersignal auf Fig. 3H Modulieren der Wellenform auf Fig. 3H mit der Wellenform auf Fig. 3G resultiert in den modulierten Spitzen, die auf Fig. 3I gezeigt werden. Hier stehen die Abtastpunkte 61 und 62 dann auf gegenüberliegender Polarität. Dieses Gerät bevorzugt ein Moduliersignal im Zusammenhang mit den zu übertragenden Daten. Wenn Abtastwerte entsprechend den auf Fig. 3I dargestellten Abtastzeiten bei 61 und 62 ausgewählt werden und wenn die Abtastwerte tatsächlich gemessen werden, müssen die Digitalwerte für die Datenpunkte bei 61 und 62 gleich sein und dürfen sich nur durch ihr Vorzeichen unterscheiden, d.h. die Amplituden von Punkten 61 und 62 müssen gleich sein und dürfen sich nur im Vorzeichen unterscheiden. Das trifft auf jedes 4-Pegel- Symbol auf Fig. 3D zu. Zusammenfassend wird jedes aufeinanderfolgende Symbol auf sieben Pegel umgesetzt und dann, wie auf Fig. 3F dargestellt, versetzt; nach Modulieren mit dem auf Fig. 3H dargestellten Signal resultiert das auf Fig. 3I dargestellte Trägersignal. Dieses hat ein wertvolles Attribut, das im Folgenden näher erörtert wird.
• Angenommen, daß die modulierte Welle aus Fig. 31 wird über Monokabel 15 übertragen wird. Weiter angenommen, daß die Datenpunkte 61 und 62 3,0 Einheiten darstellen, die sich beim Dekodieren in das angegebene 4-Pegel-Symbol und dann die NRZ-Symbole auf Fig. 3 umsetzen. Anzunehmen ist, daß der AGC-Verstärker bei Empfang die verzerrten Signale ausgibt. Wenden wir uns jetzt Fig. 4 der Zeichnungen zu, ist davon auszugehen, daß sich der Datenpunkt 61 im Bereich -2,5 bis ca. -3,5 befindet, vgl. linke Spalte. Dagegen ist Datenpunkt 62 im Bereich von ca. 2,5 bis ca. 3,5, vgl. linke Spalte. Um die über die Seite von Fig. 4 laufenden Spalten zu beschreiben, wurde der Entzerrer ausgelassen.
• Die nächste Spalte zeigt die Bereiche, in denen Slicing stattfinden muß. Nehmen wir uns zunächst die obersten Eintragungen vor, d.h. die Bereiche von 2,5 bis 3,5 Einheiten, handelt es sich dabei um einen Bereich von 1,0, wo Slicing vorkommen muß. Nehmen wir weiter an, daß ein Signalpegel von 3,0 übertragen wurde, das Empfangssignal jedoch einen beliebigen Wert zwischen 2,5 und 3,5 hat. Slicing umfaßt Einstellungen des Signalausgangs auf 3,00. Das erscheint in Spalte drei auf Fig. 4, dessen Datenzeichen letztlich auf den 4-Pegel-Ausgang dekodiert wird, der in der rechten Spalte erscheint. Nehmen wir z.B. an, daß der AGC-Ausgangswert bei 3,18 liegt. Dieser Wert erfordert ein Slicing oder Subtrahieren von 0,18 Einheiten, um den Slicerausgang von 3,00 Einheiten zu realisieren. Ein ähnliches Slicing ist erforderlich wenn der AGC-Ausgang bei 2,92 liegt; dann involviert Slicing das Addieren von 0,08 Einheiten, um den Ausgang von 3,00 zu erzielen. Diese Funktion läßt sich für alle unterschiedlichen Slicingbereiche auf Fig. 4 wiederholen. Festzustellen ist, daß alle Bereiche gleiche Breiten aufweisen, d.h. in diesem Meßsystem 1,00 Einheiten. So werden die sieben Slicerausgangspegel dargestellt. Ein Merkmal der tabellenförmigen Eingaben auf Fig. 4 ist die Redundanz, die aus der Umsetzung von sieben Pegeln am Slicerausgang auf den decodierten Ausgang von vier Pegeln resultiert. Interessanterweise haben drei der vier Pegel mehrdeutige oder zwei verschiedene korrespondierende Slicerausgangspegel. So wird z.B. in einem 4-Pegel-System Null durch Slicerausgangssignale von +1 und -3 dargestellt. Zusammenfassend zeigt Fig. 4, wie das Filtersystem die Umsetzung vornimmt, wie Slicing implementiert wird und wie regenerierte Pegel für das 7-Pegel Codiersystem bezogen werden, die nachträglich auf vier Pegel decodiert und die dann für die Datenumsetzung benutzt werden.
• Fig. 5 zeigt ein Plot von Signalpegel in dB ./. Frequenz. Insbesondere bezieht sich dieses Plot auf den Signalverlust während der Übertragung des Telemetriesignals über Monokabel 15. Linie 64 identifiziert den mit typischen Bohrlochmeßkabeln verbundenen Verlust. Ein Beispiel ist ein Bohrlochmeßkabel von 9140 m Länge, bestehend aus einer Ader mit 5,56 mm Durchmesser. Nicht ungewöhnlich sind Verluste von 70 dB bei einer Frequenz von 40 kHz. Bei Verwendung des 7-Pegel-Amplitudenmoduliersystems, wie es in dieser Schrift eröffnet wird, läßt die Verwendung solcher Bohrlochmeßkabel die Vermittlung einer Übertragungsrate von 54,4 KBPS zu Das wäre andernfalls nicht bei Bandbreiten unter 40 kHz möglich. Durch Auswahl einer Trägerfrequenz von 27,2 kHz und effizienter Verwendung einer Bandbreite von 27,2 kHz, lassen sich 54,4 KBPS Datenraten aufrechterhalten. Dies würde dann eine maximale Frequenzübertragung von 40,8 kHz auf dem Kabel erfordern. Insbesondere auf Fig. 5 würde dies zu einer maximalen Frequenz von 40,8 kHz, einer zentralen Frequenz von 27,2 kHz und einer Minimumfrequenz von 13,6 kHz führen. Die Signalpegelantwort als Frequenzfunktion wird beispielhaft in Wellenform 65 gezeigt.
• Die Wellenform 65 sollte Wellenform 66 gegenübergestellt werden. Hierbei handelt es sich um das Frequenzspektrum, das zur Übertragung mit gleicher Rate von AM- und NRZ-Daten auf dem Kabel erforderlich ist. Durch Übertragung der 7-Pegel- Umsetzung in einem AM-Modus mit einem Träger, wie es in dieser Eröffnung beschrieben wird, resultiert eine nennenswert verbesserte Bandbreiteneffizienz. Ein weiterer wertvoller Vorteil dieser Übertragungsart liegt darin, daß für die stromabwärts laufenden Daten eine Frequenztrennung möglich ist. Zu bedenken ist, daß die Wellenform 65 die stromaufwärts laufende Datenbandbreite darstellt. Die stromabwärts laufende Datenbandbreite 67 kann in frequentiellem Abstand von Bandbreite 65 so angeordnet sein, daß es zwischen beiden zu keiner Störung kommt. Letztlich gibt es eine DC-Strombandbreite 68, die zu Veranschaulichung übertrieben wurde. Die drei dargestellten Bandbreiten in Fig. 5 definieren die Frequenzpunkte 67 und 70 auf der Abszisse, wobei es sich um die Filtergrenzfrequenzen handelt. Betrachten wir zunächst einmal die Frequenz bei 69. Diese spezifische Frequenz wird in den Filtern 44 und 45 implementiert, um sicherzustellen, daß der für den Betrieb der Stromversorgung erforderliche Gleichstrom von der stromabwärts laufenden Bandbreite frequenzgetrennt verläuft. Die stromabwärts laufende Bandbreite fällt zwischen die Frequenzpunkte 60 und 70. Diese zwei Frequenzpunkte werden im Bandfilter 40 in der Oberflächenausrüstung für den stromabwärts laufenden Sender 17 implementiert. Der Frequenzpunkt 70 ist ebenfalls in den auf Fig. 2 dargestellten stromaufwärts laufenden Filtern involviert, d.h. der Aufwärtssender 33 umfaßt einen Bandfilter 52, der eine niedrigere Frequenzgrenze als zu Frequenzpunkt 70 hat. Ähnlich wird die untere Frequenz des Bandfilters 41 an der Oberfläche auf diesen Pegel gesetzt. So wird sichergestellt, daß die drei über das Monokabel übertragenen Signale an der Oberfläche frequenzgetrennt sind.
DATENCODLERSCHALTUNGEN
• Bezugnehmend auf Fig. 6 wird dort der Verwürfler dargestellt. Diese vereinfachte Verwürfler 72 empfängt einen Eingang im NRZ-Format, der an ein ausschließliches ODER-Gate geht. Dieses Gate ist mit einer Verzögerungsleitung verbunden, die fünf inkrementalen Verzögerungen in Form von fünf identischen Verzögerungsleitungsstufen bildet. Die Verzögerungsleitung gibt Ihren Ausgang über Stufe drei, während fünf mit dem Eingang des ODER-Gates verbindet. Der Ausgang ist somit ein pseudowahllos verwürfelter NRZ. Verwürflerstillstand wird durch ein Eingangzählwerk verhindert, der gegen eine lange Kette von Nullen oder Einsern vorbeugt, wenn die aufeinanderfolgenden Eingaben eine ausgewählte Anzahl überschreiten. Dem Verwürfler 72 steht ein angemessener Entwürfler an der Oberfläche gegenüber, der wiederum aus fünf gleichen Verzögerungsleitungsstufen besteht, die die Ausgänge aus dem verwürfelten NRZ-Eingang bilden. Diese sind mit einem ähnlichen ausschließlichen ODER-Gate verbunden, so daß sich im Entwürfler ein Umkehren des Ablaufs realisieren läßt, der in Verwürfler 72 erfolgte. Der Codierer 73 bewältigt das Umsetzen von 2 Bits NRZ-Daten in ein 4-Pegel-Symbol und dann in ein 7-Pegel-Symbol. Dieser Schritt wird unten näher veranschaulicht, wobei At, Bt und Ct die folgende Form nehmen:
• At = Bt ΔBtMODULO4
• Ct = Bt+ABALGEBRAISCH
• Fig. 3C, 3D und 3E zeigen graphische Darstellungen der Datenumsetzung.
• Jetzt wird zur detaillierter Beschreibung des in der Oberflächenausrüstung befindlichen Bohrlochmeßsystems, das mit dem Aufwärtsempfänger in Fig. 1 verbunden ist, auf Fig. 7 der Zeichnungen Bezug genommen. Bild 2 zeigt einen Eingangsbandfilter 41, der dem AGC-Verstärker 42, die beide auf Fig. 7 erscheinen, das Analogsignal zuführt. Der Ausgang wird zu einstellbarem Ausmaß verstärkt. Das verstärkte Ausgangssignal wird einer Taktregenerierungsschaltung 74 sowie einem Analog-Digital-Umsetzer, dem ADC 75 zugeführt. Obwohl das Signal als Mehrpegeldigitalsignal erzeugt wurde, wird es, abhängig von der Verzerrung bei der Übertragung über das Monokabel, so in ein Analogsignal umgesetzt, daß diese Umsetzung auf Analogwerte und nachträgliche Kabelübertragung alle scharfe Abweisungen verschleiert, die sonst ein Taktsynchronisierungssignal vermitteln könnten. Synchronisierungssignale sind Bestandteil des empfangenen Analogsignals, müssen jedoch von der Taktregenerierungsschaltung 74 ausgesondert werden. Diese Schaltung vermittelt einen Ausgangstaktpuls, der der ADC 75 zum Auslösen und Synchronisieren seiner Funktion zugeführt wird.
• Die ADC 75 digitiert die Eingangssignale. Beispielsweise angenommen, daß das auf Fig. 31 dargestellte Signal auf das Kabel übertragen wird und angenommen, daß das Signal einen nennenswerten Bestandteil seiner Hochfrequenzkomponenten verliert. In solchen Fällen wird das Analogsignal an der Oberfläche empfangen und digitiert. Das Taktsignal wird, wie schon erläutert, regeneriert, wobei Digitieren vorzugsweise bei den in Fig. 3 angegebenen Zeiten 61 und 62 stattfindet. So bilden sich zwei aufeinanderfolgende Digitalwörter, die jeweils ein Vorzeichen haben. Das Vorzeichen gibt die gegenüberliegende Polarität der zwei benachbarten Digitalwörter an, wodurch die Werte durch Punkte 61 und 62 dargestellt werden. Diese Wörter werden nach Demodulieren (oder Umkehrung des Vorzeichens auf einem oder beiden Wörtern) in den bruchteilig im Abstand befindlichen Transversalfilter-Entzerrer 76 eingegeben. Diese Schaltung wird im Folgenden noch näher erörtert. An dieser Stelle soll nur hervorgehoben werden, daß sie einen Ausgang erzeugt, der die sieben Datenpegel darstellt, die über das Monokabel 15 aufwärts übertragen wurden und daß diese Pegel mittels der Slicingroutine (die im Folgenden beschrieben wird), eingestellt wurden, wodurch das Stellen der Pegel auf die genauen oder geslicten Werte unterstützt wird, die aus Fig. 4 der Zeichnungen hervorgehen, d.h. Slicing wird durchgeführt, so daß die sieben Pegel vermittelt werden können. Dieser Ausgang geht an die Datenregenerierungsschaltung 77. Das Signal wird gleichzeitig an die Fehlererkennungsschaltung 78 geliefert. Der Ausgang der Datenregenerierungsschaltung (die später näher erörtert wird) nimmt die Form von NRZ-Daten. NRZ-Daten werden wieder von einem Codierer 79 codiert und dieser Datenstrom geht dann an die Fehlererkennungsschaltung 78. Zur Fehlererkennung werden die zwei Datenströme miteinander verglichen. Die Fehler gehen an eine Schalttafel-Schnittstellenschaltung 80. Idealerweise wird Fehlern durch kontinuierliches Nachstellen der Funktion der Entzerrerschaltung 76 vorgebeugt, die gleichfalls unten näher erörtert wird.
• Eine Anzeigenschaltung 81 wird mit dem Datenstromausgang aus der Datenregenerierungsschaltung 77 verbunden. Zusätzlich erhält der Ausgang den Takt aus der Taktregenerierungsschaltung 74. Diese Signale vermitteln angemessene lmpulse und unterstützen die Darstellung der Daten, sollte das von Interesse sein.
• Der Datenstrom, der in Schaltung 77 regeneriert wurde, geht in NRZ-Form an eine Rahmensynchronisierungsschaltung 82. Diese Schaltung erhält die Daten und organisiert sie in Rahmen oder Stößen. Zu bedenken ist, daß die Bohrlochausrüstung u.U. Signale aus zwei oder mehreren Bohrlochmeßgeräten überträgt. Zur Übertragung aufwärts über das Monokabel werden Daten in Rahmen organisiert. In dieser Hinsicht stellt die zeitbezogene Organisierung eine Art von Multiplexen dar. Das Rahmensynchronisierungsgerät 82 wirkt zusammen mit einem Rahmengenerator 83, um Daten in die gleichen Rahmenorganisierungsanordnungen zu gruppieren, d.h. Daten werden so gruppiert, daß die Rahmen an der Oberfläche mit den Rahmen übertragener Daten aus der Meßsonde übereinstimmen. Das Rahmensynchronisierungsgerät gibt einen Zeitpuls an die Schalttafel-Schnittstellenschaltung 80 aus, die wiederum die Ausgangsdaten im gerahmten Format an die verschiedenen Aufzeichnungsgeräte liefert, die auf Fig. 1 erscheinen. Das System umfaßt weiterhin eine Mikroprozessorsteuerung 84, mit der die zeitliche Abstimmung der Funktion verschiedener Bauteile als Antwort auf die durch Schaltung 74 abgeleiteten regenerierten Taktpulse realisiert wird.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 8 der Zeichnung, erfolgt jetzt eine ausführliche Beschreibung gewisser Bestandteile des AGC-Verstärkers. Das Eingangssignal wird an einen Instrumentationsverstärker 85 geleitet, dessen Verstärkung von einem Widerstand geregelt wird. Der Widerstand ist jedoch ein lichtempfindliches Gerät, das eine Implementation eines Rückmelde-Steuersignals zuläßt. Der Ausgang des AGC- Verstärkers 85 wird einer Spitzendetektorschaltung 84 zugeführt. So werden Spitzen erkannt; von einem Differentialverstärker 86 wird eine Ausgangssignalangabe davon mit einer Bezugsspannung verglichen. Der Verstärker 86 hat gleichfalls einen Rückmeldekondensator, weshalb er als integrierter Schaltkreis funktioniert, in dem der Unterschied zwischen dem Ausgang des Spitzendetektors und der Steuerbezugsspannung integriert wird. Dieser Ausgang wird an einen Transistor 87 geleitet, der als Emitterfolgerschaltung angeschlossen ist. Er vermittelt ein Ausgangssignal an eine LED 88, die Licht ausgibt, das von dem lichtempfindlichen Widerstand erkannt wird. Die Rückmeldeschlaufe wird also so gesteuert, daß die Verstärkung des AGC- Verstärkers über ungefähr das 1 000-fache variiert wird, um eine Spitzenspannung aus dem AGC-Verstärker 85 zu erzeugen, die dem Schalt- oder Bezugsspannungseingang an Verstärker 86 gleicht. So geht der Ausgang des AGC-Verstärkers 42 durch einen Pufferverstärker 860 und wird anschließend an eine Anzeige 87 geleitet. Der Ausgang geht ebenfalls an die ADC 75. Fig. 8 zeigt gleichfalls die Taktregenerierungsschaltung 41. Das verstärkte Analogsignal geht an einen Bandfilter 88. Der Bandfilter vermittelt einen Ausgang an den AGC-Verstärker 89 und dann an eine Multiplikatorschaltung 90. Er geht gleichfalls an einen Phasenverschieber 91, wonach dieses Signal an den Multiplikator 90 geht. Die zwei Signale werden miteinander multipliziert, woraus ein Signal resultiert, das eine spektrale "Linie" mit Trägerfrequenz enthält.
• Die Art von Modulierung ist eine Form von unterdrücktem Träger im Telemetriesystem und führt zur relativ guten Unterdrückung des Trägers, der andernfalls in das Taktsignal mit aufgenommen würde. Diese Art von unterdrückter Trägermodulierung entfernt den Träger, so daß die empfangenen Daten keine besonders hellen Spektrallinien aufweisen. Anstelle dessen wird die Senderenergie auf das modulierende Signal konzentriert, so daß die Energie nicht mit Trägerübertragung verschwendet wird. Dementsprechend läßt sich die Taktfrequenz am besten durch Verzerren des Signal ausfindig machen, wodurch eine reiche Mischung von Trägeroberwellen entsteht, obwohl der Träger an dieser Stelle nicht ohne weiteres sichtbar ist. Somit wird die vorher erwähnte Oberwellenerzeugung, Phasenversetzung und Multiplikation genutzt, um ein Signal mit mehr Oberwellen und insbesondere auf das Taktsignal bezogene Oberwellen zu erzeugen. Auf die Phasensperrschlaufenschaltung 92 wird eine Phaseneinstellschaltung ausgegeben. Diese bedient sich eines Phasenkomparatorausgangs auf einen Spannungskontrolloszillator und - teiler, so daß das Taktsignal regeneriert und von Schaltung 74 ausgegeben wird. Da der NRZ-Takt zweimal so groß ist wie die Pulsrate der Daten, ermöglicht die Verwendung des Takts mit dieser Rate ein problemloses Demodulieren. Der Datenstrom wird einfach für einen halben Zyklus invertiert. Auf Fig. I bringt die Umkehrung die Datenpunkte 61 und 62 auf gemeinsame Polarität zurück oder erzeugt wieder die Wellenform aus Fig. 3G. Die Demodulierung kommt nach der ADC zustande und kehrt einfach das Zeichen jedes zweiten Digitalwortes um. Dieser Ansatz ist der bevorzugte Demoduliermodus und ist aus den im Folgenden angegeben Gründen wertvoll.
BESCHRELBUNG VON ENTZERRER UND SLICER
• Dieses System verwendet einen Entzerrer und einen Slicer zum Einstellen der regenerierten Pulse, so daß die richtige Pulshöhe realisiert werden kann. Zu bedenken ist hier, daß das übertragene NRZ-Signal in Form von 7-Pulspegeln codiert wird, die als 3, 2, 1, 0, -1, -2 und -3 Einheiten Amplitude dargestellt werden. Bei Nutzung typischer Spannungspegel, die mit IC-Schaltungen verbunden sind, können die erwähnten sieben Signalpegel gleichfalls Spannungswerte sein. In jedem Fall sind die an die ADC geleiteten Daten analoger Form. Zu bedenken ist, daß die Taktrate für die ADC von Schaltung 74 regeneriert wird. Die regenerierte Taktrate wird vorzugsweise verdoppelt, so daß sich die ADC-Abtastrate verdoppelt. Idealerweise werden für jedes Datensymbol, das an das Monokabel 15 eingegeben wird, zwei Abtastungen vorgenommen. Die zwei Abtastungen finden statt, wonach abwechselnde Abtastungen mit umgekehrten Vorzeichen vermittelt werden, so daß ein einzelner Symboleingang an das Monokabel 15 in eine Wellenform umgesetzt wird (vgl. Fig. 31), die die korrekte Amplitude aufweist, aber dennoch sowohl einen positiven wie einen negativen Gangzyklus hat. Dieser Doppelabtastansatz führt zu nennenswerter Verbesserung der Entzerrerfunktion, wodurch dieser weitaus weniger anfällig auf Taktfehler ist und unterstützt beim Vorbeugen gegen Probleme, die sich als Ergebnis der Digitierung am Pulsrand ergeben können, wo ein Nulldurchgang u.U. zulässig sein kann. Dieser Doppelabtastansatz ist ein "bruchteilig im Abstand befindliches" Entzerrersystem mit Transversalfilter. Andere Abtastraten können verwendet werden, um ein anderes, bruchteilig im Abstand befindliches Entzerrersystem zu vermitteln. Die Doppelrate ist die für das Demodulierfeature wünschenswerteste, das durch Abtastvorzeichenumkehrung abwechselnder Digitalwerte implementiert wird.
• In jedem Fall liefert die ADC Digitalwörter in serieller Folge, wobei ein zutreffendes Digitalwort die Amplitude des analogen Signaleingangs darstellt. Der digitale Worteingang wird durch Symbol Y(T) dargestellt, was ein spezielles Digitalwort bedeutet, das zu spezifischem Zeitpunkt auftritt und das mit einem festgelegten Datenpuls synchronisiert wird, der in polybinärer Form von Meßsonde 10 übertragen wird. Der Wert Y(T) wird für jeden der zwei Digitalwerte 61 und 62 gemessen und die Demodulierung durch Vorzeichenumkehrung jedes zweiten Wortes erzielt. Zu beachten ist, daß die Digitierung am Ende des Ablaufs (oder Nulldurchgang) u.U. schwere Fehler erzeugen kann; Y(T) ist nach Durchschnittsermittlung weitaus zuverlässiger. Der Entzerrer ist ein bruchteilig im Abstand befindlicher Transversalfilter, der Verzerrungen im Signal infolge des Bohrlochmeßkabels ausgleicht. Der bevorzugte Filter ist ein anpassungsfähiger FIR-Filter. Bruchteilig im Abstand befindlich bezieht sich auf die Tatsache, daß das Eingangssignal häufiger als eine Abtastung pro Datenzeichen abgetastet wird. In diesem Beispiel wird zweimal pro Zyklus abgetastet, so daß zwei Abtastungen ein Symbol darstellen oder einen polybinären Pegel. So wird eine Empfindlichkeit auf Abtastphase vermieden und die akkurate Taktregenerierung des übertragenen Taktsignals weniger kritisch gemacht. So verbessert sich die zeitliche Abstimmung der Daten, weil die zwei Abtastungen ein Quantifizieren der Mitte beider Datensymbole ermöglichen.
• Betrachten wir einmal die Funktion des Entzerrers aus theoretischer Sicht, wonach diese Zeichnung näher erläutert und auf den Betrieb bezogen wird. Die Folge der digitalen Wörter Y(T), Y(T+1), etc. wird in den temporären Speicher eingegeben. Das Filterkonzept bedient sich einer einstellbaren oder auswählbaren Anzahl von Abzweigungen; beim ausgewählten Ansatz sind zweiunddreißig Abzweigungen vorgesehen. Dementsprechend werden jeweils zweiunddreißig Datenwörter auf einmal im Speicher gehalten, zu welchem Zeitpunkt die Regenerierung des übertragenen Signals eintritt. Beispielsweise ermöglicht dieses Filtersystem dem Telemetriesystem zu reagieren, wenn das Kabel in einem äußerst heißen Bohrloch verwendet wird. In diesem Beispiel gehen wir einmal von einer Wintermessung aus, wobei das Kabel an der Oberfläche aufgespult ist, während eine Umgebungstemperatur von -17º C herrscht. Das Kabel wird dann schnell in ein tiefes Bohrloch abgelassen, wobei die unteren Kabelabschnitte Temperaturen von vielleicht 200ºC ausgesetzt sind. Das Ablassen, Abrollen und die Temperaturveränderung wirken sich alle auf die Impedanzmerkmale des Kabels aus, die sich nicht vorausberechnen lassen und die zwischen dem Aufwärtssender und -empfänger auftreten, wodurch das empfangene Signal Verzerrungen ausgesetzt ist. In solchen Fällen kann dieses Gerät die Veränderungen ausgleichen, selbst wenn diese Veränderungen die Form des empfangenden polybinären Signals verändert. Der Filter benutzt die Zeitverzögerung während der Verarbeitung von n aufeinanderfolgenden Wörtern in Zusammenhang mit den n Koeffizienten beim Betrieb der Filter. Der Ausgangswert ist die Summe aus 32 (n=32 in einer spezifischen Form) Wörtern, multipliziert mit den jeweiligen n Koeffizienten.
• Allgemein wird im unten aufgezeichneten Verhältnis ein niedrigstmittlerer Rechteckzufallsgradientalgorithmus implementiert, um neue Koeffizienten festzustellen, so daß der Slicingfehler konstant reduziert wird. So wird das System bei der Bewältigung von Veränderungen unterstützt, so wie bei den o.g., wobei das Bohrlochmeßkabel bei kalter Temperatur an der Oberfläche aufgewickelt ist und dann in aufgerollter Form in ein heißes Bohrloch eingeführt wird, wodurch sich die Übertragungsmerkmale verändern. Das Verhältnis zum Aktualisieren aller n Koeffizienten im Filter läßt sich wie folgt ausdrücken:
• Cj(T+1) = Cj(T) + βec (T) y (T-j+1)
• In der o.g. Gleichung ist Cj (T) der Koeffizient für die j-te Filterabzweigung von Zeit T, β ist die Filteranpaßkonstante (eine Zahl zwischen 0 und 1,00); ec (T) der Slicingfehler bei Zeit T und y(t-j+1) der Ausgang der j-ten Stufe des Transversalfilterversetzungsregisters, d.h. Filtereingang y(T), verzögert um Zeit, während Eingang Y(T) durch die Stufen der j-ten Stufe geht.
• Aus dem o.g. ist festzustellen, daß, wenn β auf Null reduziert wird, weder eine Rückmeldung noch irgendeine Einstellung erfolgt. Andererseits erzeugt der Fehler bei 1.000 übermäßiges Jittern in nachfolgenden Funktionen. Dementsprechend ist ein kleines Ausmaß von Rückmeldung nützlich, d.h. ein Wert etwas unter 0,1, wobei der ideale Wert bei ca. 0,06 liegt. Dieser Wert läßt sich zum Verändern der Antwort einstellen, in der Koeffizienten verändert werden. Zusätzlich ist das Eingangsdatenwort Y(T-j+1) der gefilterte Eingang in die j-te Stufe, wobei j die spezifische Stufe der n Stufe Speicherleitung darstellt.
• Auf Fig. 10 der Zeichnungen kennzeichnet Zahl 93 die Speicherplätze für die folgerichtig digitierten Wörter. Jeder Speicherplatz 93 ist seriell mit ähnlichen Speicherplätzen verbundenen. So wird der Filtereingang durch Zeichen Y(T) gegeben, wobei es sich um das digitierte Wort handelt, das das verzerrte, stromaufwärts laufende Signal aus dem Kabel darstellt. Jede Stufe hält die seriell angeordneten Wörter für eine Verzögerungseinheit. Die digitierten Wörter Y(T) werden von einer Stufe zur nächsten vorgetaktet. So ist die letzte Eintragung Y(T) und die vorletzte Y(T-1). Der summierte Ausgang, durch den eine spezifische Pulsamplitude dargestellt wird, wird durch das Zeichen d(t) dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine Summierung zugewiesener Koeffizienten C&sub1; ....Cn, multipliziert mit den n Digitalwörtern in der Verzögerungslinie aus Fig. 10. So ist d(T) gleich [C&sub1;*Y(T-1)]+[C&sub2;*Y(T-1)]+....Cn *-Y(T-m+1). Diese Summierung aus Schaltung 94 vermittelt den Wert der Pulsamplitude. Dementsprechend zeigt das auf Fig. 10 dargestellte Filtersystem den Ausgang d(T), der für nachfolgende Verarbeitung ausgegeben wird.
• Fig. 10 umfaßt weiterhin eine Einrichtung zur Aktualisierung jedes Koeffizienten. Zu bedenken ist, daß das System mit n Mehrfachstufen und n Mehrfachkoeffizienten implementiert ist, wobei eine praktische Anzahl zweiunddreißig Koeffizienten für zweiunddreißig Stufen ist. Koeffizienten können in allen n Stufen eingestellt werden. Alle n Stufen erhalten eine Einstellung der Koeffizienten, die auf diese Weise erfolgt. Unter idealen Bedingungen besteht die Möglichkeit, alle zweiunddreißig Werte der Koeffizienten nach jeder Addition einzustellen. Diese Maßnahme wird mit der Akkumulator- und Addierschaltung auf Fig. 8 getroffen, deren Ausgang in den Koeffizientenakkumulator 96 eingegeben wird.
• Betrachten wir einmal einen Betriebsablauf, wobei der Filter auf Fig. 10 verwendet wird, der Entzerrung und Slicing vornimmt. Beruhend auf einem Verständnis der hier gegebenen Beschreibung und insbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 10, werden die Entzerrungs- und Slicingschritte mit Hilfe des anpassungsfähigen Transversalfilter-Entzerrers dieser Eröffnung durchgeführt.
• Gehen wir davon aus, daß der Filter zweiunddreißig Abzweigungen hat. Um diese zu beziehen, werden Daten durch zweiunddreißig Speicherplätze in einen Ring eingegeben und verarbeitet. Wenn also das dreiunddreißigste Wort eingegeben wird wird die erste Worteingabe im Speicherring verworfen. Gleichweise werden zweiunddreißig Koeffizienten in die zweiunddreißig Koeffizientenakkumulatoren 95 eingegeben, die mit der Summierungsschaltung 94 verbunden sind. Die Summierungsschaltung 94 bildet die Summe der Datenwörter Y(T), die in die zweiunddreißig Speicherzellen eingegeben werden. Da die Stufen seriell verbunden sind, wirken die Stufen 93 wie eine 32-Stufen Verzögerungslinie. Die aktuelle Eingabe ist wiederum Y(T), während die vorige Eingabe Y(T-1) war. Der erste Koeffizient bei Zeit T-1 wird in Akkumulator 95 gespeichert. Die Summierungsschaltung 94 bildet nach der Summierung eine Darstellung. Diese Summe stellt den Filterausgang des entzerrten, stromaufwärts laufenden Signals dar. Dieser Wert trägt zum Erzeugen eines Fehlers et bei oder der Unterschied zwischen den erwarteten und den summierten Daten wird zum Slicingfehler. Bedenken wir uns der vorher angegebenen Gleichung; dabei wurde der Slicingfehler mit dem Anpaßkoeffizient oder β im letzten Term dieser Gleichung multipliziert. Aus Fig. 10 geht hervor, daß β ein Ausgang an den Rückmeldeweg des Akkumulators 95 ist, so daß der Akkumulator für den Koeffizient auf einen neuen Wert inkrementiert. Der neue Koeffizientwert wird als Einstellung des alten Wertes berechnet, wonach er für die nächste Berechnung unter Verwendung des Koeffizienten in Akkumulator 95 verfügbar ist. Zu verstehen ist, daß bei regelmäßigen und sich wiederholenden Funktionen ein neues Digitalwort für jede der Stufen 93, aus denen sich die Ringspeicherschaltung mit zweiunddreißig Abzweigungen zusammensetzt, eingegeben wird und daß jeder Koeffizient auf gleiche Weise, wie oben beschrieben, neu berechnet wird, nämlich durch Multiplikation des anpassungsfähigen Koeffizienten oder β. In diesem Sinne werden alle Akkumulatoren 95 für die n Koeffizienten bei jeder Funktion eingestellt. Optimal werden alle n Koeffizienten einmal pro Zyklus aktualisiert, wodurch der Summierungseingang zur Summierungsschaltung 94 geregelt wird, die so funktioniert, daß sich der Fehler reduziert. Anders ausgedrückt wird der Slicingfehler bei jedem Iteration kleiner wird. Aus praktischer Sicht können einige ausgewählte Koeffizientensätze pro Funktionsablauf aktualisiert werden, wie z.B. ein halber oder ein viertel Zyklus. Da β so klein ist, ist auch die Inkrementalveränderung klein und der Koeffizient kann regelmäßig geändert werden, vielleicht jeden vierten Zyklus.
• Das Endresultat ist, daß jedes 7-Pegel-Symbol entzerrt und dann von Slicer 96 geslict wird. Symbole werden der Reihenfolge nach verarbeitet, weshalb sich Übertragungsfehler in einem übertragenen Symbol auf Daten bis zu zweiunddreißig Symbole vorher oder nachher auswirken können. Durch die Gewichtung der verschiedenen Koeffizienten reduziert sich die Auswirkung von Fehlern. Dadurch wird insbesondere das Eliminieren von Läuten und ähnlichem gefördert. Außerdem wird langfristigem Abwandern vorgebeugt. Vorzugsweise bleibt das Term β in der o.g. Gleichung relativ klein, so daß Änderungen in den Koeffizienten nur langsam implementiert werden. Obwohl solche Änderungen wichtig sind, führt Übersteuern durch zu groß werden lassen von β zu geringer Stabilität.
• So vermittelt der Slicer auf Fig. 10 der Zeichnungen den Ausgang, der auf einen der Slicepegel gebracht wird, die auf Fig. 4 als angemessen angegeben sind. Wieder ist davon auszugehen, daß der Nenndatenwert bei 3,00 Einheiten liegt. Weiter ist davon auszugehen, daß die Verzerrung während der Übertragung einen Wert von 3,12 Einheiten liefert. Der Slicer 96 zieht die 0,12 Einheit ab und vermittelt einen Ausgang mit einer Höhe von 3,00 Einheiten. Dieser entspricht einem Slicerausgang von 3,00, der nachträgliches Decodieren ermöglicht, vgl. Fig. 4. Ähnlicherweise kann dieser Slicingablauf erforderlich sein, um zum Wert hinzuzufügen. Angenommen der normalisierte AGC-Datenausgang liegt bei 2,92 Einheiten. In diesem Fall muß der Slicer 0,08 Einheiten hinzufügen, um auf 3,00 Einheiten zu kommen. Der Slicer regeneriert die Daten auf solche Weise und vermittelt Umsetzungen aus Werten, die zwischen Pegel fallen, um solche Werte auf die sieben Pegel umzusetzen, vgl. Fig. 4. Die sieben Pegel werden dann auf die vier Pegel umgesetzt. Diese Maßnahme wird vom Datendecodierer 97 getroffen, der auf Fig. 10 der Zeichnungen erscheint und der mit einem Parallel-Seriell-Umsetzer 98 verbunden ist. Dieser vermittelt einen Ausgang von verwürfeltem NRZ, wobei ein Entwürfler 99 diese Daten in übertragene NRZ zurückversetzt.
• Fig. 9 der Zeichnungen zeigt ein Blockschaltbild des digitalen Signalprozessors, der solche Umsetzungen im Entzerrungsfilter durchführt. Kurz handelt es sich dabei um ein System, das zutreffende Busse und Register enthält, die zur Funktion nach zutreffenden Anweisungen auf vorher erwähnte Weise dienen. Weiterhin ist eine Ausführung dieses Geräts als ADSP-2100 bekannt. Hierbei handelt es sich nicht um den Mikroprozessor 84, der die Funktion des Aufwärtsempfängers steuert, sondern Fig. 9 zeigt den Filterprozeß.

Claims (10)

1. Ein Telemetriesystem zur Verwendung bei der Übertragung eines Datenstroms aus einer Meßsonde (10) in einem Bohrloch (11) an die Oberfläche über ein Monokabel mit festgelegter Bandbreite, die teilweise durch die Merkmale des verwendeten Monokabels bestimmt wird, wobei das System einen Aufwärtssender in der Meßsonde (33) beinhaltet, bestehend aus:

einer Bussteuerungseinheit (26) mit einem Eingangsdatenbus zum Datenempfang von mindestens einem Werkzeug, das in der Meßsonde mitgeführt wird, wobei die Werkzeugdaten an der Oberfläche erforderlich sind;

einer Einrichtung, die mit besagter Bussteuerungseinheit (26) zum Empfang eines Datenstroms davon und Codieren der Daten verbunden ist; und

einer Modulatoreinrichtung (47) zum Empfang codierter Daten zum Bilden eines auf einem Trägersignal modulierten Ausgangsdatenstroms, wobei das Trägersignal eine spezifische Trägerfrequenz hat und für nachträgliche Übertragung auf einer festgelegten Bandbreite zentriert ist;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Einrichtung, die mit der Bussteuerungseinheit (26) verbunden ist, zum Codieren von Daten angepaßt ist, die einen doppelbinären, codierten Strom von Datensymbol en bilden, wobei jedes Datensymbol einen Eingangsdatenzustand darstellt und sich auf einen anderen Datenzustand bezieht;

sich das System weiter zusammensetzt aus einer Ausgangstreibereinrichtung (50,51), der das modulierte Trägersignal zugeführt wird und im Einsatz einen Ausgang in Verbindung mit dem Monokabel hat;

wobei die Trägerfrequenz in einer durch die Merkmale des Monokabels, das durch die Ausgangstreibereinrichtung getrieben wird, festgelegten Bandbreite zentriert ist, während das auf das Kabel angesetzte, doppelbinäre Signal so frequenzbegrenzt ist, daß es in die Bandbreite paßt.

2. Ein System nach Anspruch 1, incl. einer Einrichtung (30) zum zeitlichen Abstimmen der Funktion besagter Bussteuerungseinheit, um getrennte Datenströme abwechselnd aus erstem und zweitem Werkzeug in der Sonde auszugeben.

3. Ein System nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, incl. einer Einrichtung zum Verwürfeln des Dateneingangs an besagte Codiereinrichtung.

4. Ein System nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, incl. einem Digital-Analog-Umsetzer (48), der mit besagter Modulatoreinrichtung verbunden ist, wobei der Ausgang besagten Umsetzers dann mit Filtereinrichtung (49) verbunden wird, um den Oberwellengehalt des Ausgangs einzuschränken, wonach besagte Filtereinrichtung (49) an besagte Treibereinrichtung ausgegeben wird.

5. Ein System nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, wobei besagte Ausgangseinrichtung sich aus einem Leitungstreiberverstärker (50) zusammensetzt, der mit einer LC Tankschaltung (51) verbunden ist, die besagten Verstärker auflädt.

6. Ein System nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, incl. einer Eingangsschaltung für besagte Bussteuerungseinheit, wobei besagte Eingangsschaltung mehrere analoge Eingänge hat, die mit einer Einrichtung (30) zum Multiplexen der analogen Eingänge davon verbunden ist und wobei besagter Multiplexer mit einem Analog-Digital-Umsetzer (31) verbunden ist, der einen Ausgang an besagte Bussteuerungseinheit liefert.

7. Ein System nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei besagtes Monokabel (12) mit besagtem Aufwärtssender (33) bei besagter Ausgangseinrichtung und zusätzlich mit einem Aufwärtsempfänger in besagter Meßsonde verbunden ist, wobei besagte Aufwärtssender und Abwärtsempfänger auf gegenseitig exklusiven aber nebeneinander liegenden Frequenzen arbeiten.

8. Ein System nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jedes Datensymbol einen Eingangsdatenzustand darstellt und einen von sieben Pegeln hat.

9. Eine Methode zum Codieren von Daten zur Übertragung über ein Bohrlochmeßkabel, das eine Meßsonde (10) in einem Bohrloch (11) trägt wobei die Daten von einem Werkzeug ausgestrahlt werden, das Daten mittels eines Senders (33) in der Meßsonde bildet und der Sender die Telemetrieeinrichtung beinhaltet und das Bohrlochmeßkabel bis zur Oberfläche verläuft, wo es mit einem Empfänger (18) verbunden ist, der eine kooperative und reaktive Telemetrieeinrichtung umfaßt, wobei die Datenübertragung über das Monokabel zwischen Meßsonde und der an der Oberfläche vorgesehenen Ausrüstung die Daten verzerrt. Die Methode setzt sich zusammen aus:

dem Bilden eines Datenstroms, der aus dem Durchführen von Bohrlochmeßarbeiten mit im Bohrloch suspendierter Meßsonde resultiert, wobei der Datenstrom codiert und nachträglich auf einen Träger mit einer Frequenz, die für das Monokabel auf einer ausgewählten Bandbreite zentriert wird, moduliert wird;

Senden des modulierten, codierten Datenstroms über das Monokabel an die Oberfläche; und

Verstärken des empfangenen Datenstroms an der Oberfläche auf einen festgelegten Pegel;

dadurch gekennzeichnet, daß besagter Codierungsschritt sich zusammensetzt aus dem Bilden des Datenstroms in aufeinanderfolgende, doppelbinäre Datensymbole und die Methode weiterhin aus

folgerichtigem Abtasten aufeinanderfolgender Datensymbole zum Beziehen an der Oberfläche von mindestens zwei Abtastungen pro Datensymbol;

aus einer Reihe von folgerichtigen Abtastungen zum Bilden einer Summierung zur Darstellung eines übertragenen Datensymbols und nachträglichem Bilden eines nächsten übertragenen Datensymbols besteht;

wobei die der Reihenfolge nach angeordneten Datensymbole die Bohrlochmeßfunktionen im Bohrloch darstellen.

10. Ein Telemetriesystem zur Verwendung bei der Übertragung eines Datenstroms von mindestens einem Werkzeug, daß in einer Meßsonde mitgeführt wird, wobei die Meßsonde weiterhin einen Aufwärtssender für das Telemetriesystem enthält und das Telemetriesystem mit dem Ende des Monokabel s in einem Bohrlochmeßkabel verbunden ist, das die Meßsonde in ein Bohrloch einführt und wobei das Telemetriesystem weiter einen an der Bohrlochkammer befindlichen Aufwärtsempfänger beinhaltet, wobei sich der Empfänger wie folgt zusammensetzt:

eine Verstärkereinrichtung (42), die mit dem Monokabel im Bohrlochmeßkabel verbunden ist und dem Empfang eines Telemetriesignals von einer Meßsonde dient, die vom Bohrlochmeßkabel getragen wird;

dadurch gekennzeichnet, daß:

der Aufwärtssender zur Übertragung des als aufeinanderfolgende, doppelbinäre Datensymbole codierten Datenstroms ausgeführt ist;

besagte Verstärkereinrichtung einen verstärkten Trägersignalausgang liefert, der mit folgerichtigen Datensymbolen moduliert ist;

wobei sich das System weiter zusammensetzt aus einer Demodulatoreinrichtung, mit der das Trägersignal entfernt wird und die einen Ausgang aufeinanderfolgender Datensymbole in Form einer Reihe digitaler Abtastungen ausgibt;

einer anpassungsfähigen, bruchteilig im Abstand befindlichen Transversalfiltereinrichtung (76), die über einen Zeitraum mit dem demodulierten Signal beschickt wird, wobei Datensymbole seriell in besagter Filtereinrichtung durch Summieren einer Reihe von gewichteten Datenabtastungen gebildet werden; und

einer Einrichtung (77) zum Decodieren codierter Datenausgänge von besagter Filtereinrichtung.