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Schlussbericht für das Projekt: SPWD-BUSData: Seismic prediction while drilling - bring up seismic data

Teilprojekt 3: Entwicklung, Bau und Tests des Kommunikationssystems, Kanalmessungen. Laufzeit: 01.10.2010 - 30.09.2012, verlängert bis 31.12.2012
 
: Jungnickel, V.; Guttierrez, M.; Krüger, K.; Krüger, U.; Manolakis, K.

:
Fulltext (PDF; )

Berlin: Fraunhofer HHI, 2013, 41 pp.
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit BMU
0325246C.; SPWD-BUSData
German
Report, Electronic Publication
Fraunhofer HHI ()

Abstract
Der untertägige Einsatz hochauflösender seismischer Methoden zur zielgenauen Steuerung der Bohrrichtung erfordert erhöhte Datenübertragungsraten nach übertage. Da mit der verbreiteten Mud-Pulse-Technik jedoch nur wenige Bits pro Sekunde übertragen werden können, soll ein neuer Ansatz weitaus höhere Datenraten ermöglichen. Akustische Wellen werden mit einem magnetostriktiven Aktuator auf dem Bohrstrang erzeugt und am anderen Ende mit Piezosensoren empfangen. Der Frequenzgang des Übertragungskanals weist viele Durchlass- und Sperrbereiche auf. Daher wird adaptive OFDM (Orthogonal Frequency- Division Multiplexing) Übertragungstechnik eingesetzt, ähnlich wie im neuen Mobilfunkstandard LTE (Long Term Evolution). Insofern lag nahe, dass der etablierte LTE Standard für die Bohranwendung modifiziert wurde. Durch eine 1000-fach geringere Taktrate, Verschieben des Trägers zu 0 Hz und eine Spiegelfunktion wird ein reell-wertiges OFDM-Signal mit einer Bandbreite von 10kHz erzeugt. Der Empfänger vermisst den Frequenzgang des Kanals und informiert den Sender darüber. Die Daten werden dann immer nur auf den Durchlassbereichen gesendet. Dadurch wird die jeweils maximal mögliche Datenrate weitgehend fehlerfrei realisiert. In ersten Experimenten über ein 4,5 m langes Bohrgestänge wurden Datenraten von mehr als 4,5 kbit/s (aktuell bis 30 kbit/s) erzielt. In einem weiteren Versuchsaufbau über ein 55 m (9 mal 6,1 m) langes, horizontal aufliegend gelagertes Bohrgestänge konnten 3,1 kbit/s (aktuell bis 12,5 kbit/s) übertragen werden. Die Bitfehlerrate war dabei jeweils kleiner als 1%. Bei einem abschließenden Feldtest wurden Kanaldaten von Bohrsträngen bis circa 2000 m gewonnen und das Kommunikationssystem damit getestet. Es zeigte sich für den Kanal, dass die Laufzeitstreuung zu groß und die Filterwirkung zu scharf zum erzielen vernünftiger Datenraten waren. Dies konnte aber durch das Integrieren einer Komponente aus dem neueren LTE-advance Standard (carrier aggregation) behoben werden. So konnte mit den gemessenen Kanaldaten für einen 1040 m langen Bohrstrang und dem verbesserten Kommunikationssystem, eine Datenrate von 724 bit/s erreicht werden.

 

To reduce costs for geothermal energy, search for water-bearing fault zones in the rocks hundreds of meters below the ground will be assisted by seismic prediction while drilling (SPWD) enabling control of the drilling direction. The SPWD tool needs higher data rates to the ground In contrast to common mud-pulse telemetry offering few bit/s, our approach is based on acoustic wave propagation along the steel wall of the drill string. Based on waveguide theory, we develop a tractable channel model for drill-string communication predicting the pass- and stopbands created by regular screwjomts between the pipes For data transmission, we use closed-loop adaptive orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) following the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Long Term Evolution (LTE). Starting with the terrestrial LTE system with 20 MHz bandwidth, we reduced the sample rate by 1,000, shifted the DC carrier to 0 Hz and applied a so-called mirror function x(-f) = conjugate{x(f)) to create a real-valued baseband signal with 10 kHz bandwidth. The LTE frame structure is maintained, but is 1,000 times slower than the original and an acoustic radio frame lasts 10 s Fortunately, all other nice features of LTE, like synchronization, channel estimation, detection and channel coding, are still present. To approach maximum data rate, channel estimation was exploited to enable adapted modulation. In a first experiment over a 4 5 m drill pipe data rates of more than 4 5 kbps were achieved (currently up to 30 kbps) and a second experiment over 55 m (9 drill pipes) allows 3 1 kbps (currently 12 5 kbps). In both cases the bit error rate was below 1%. In a final field trial channel data of drill strings up to 2000 m were measured allowing for simulations with our communication system. These reveal too great pulse delays and too small passbands for our system. Both drawbacks can be remedied by the integration of one component of the new LTE-advance standard (carrier aggregation) With the improved communication system a simulation with the measured channel data for 1040 m shows a data rate of 724 kbps.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-298673.html