Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2023, № 12 · RADIO ELECTRONICS RELATED PROBLEMS

Transceiver for investigation of the downhole-wellhead communication channel

O.V. Stukach1,2, I.A. Ershov2, S.V. Bykov2

1 National Research University Higher School of Economics, Moscow, Russia
2 Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2023.12.11 UDC 534.213.4:517.518.82 EDN JSPWVQ

Abstract

An ultrasonic receiving and transmitting communication system for the borehole bottom-wellhead channel inside the casing pipe based on PIC18F2455 has been designed. Combined receivers-transmitters TR60-10H0Z-01 were used as piezoelectric elements. The signal frequency was 60 kHz, the encoding was “Manchester-II”. The negative impact of interference is reduced at ultrasonic frequencies, and due to the heterogeneity of the medium, it is assumed to decrease the level of signal attenuation. The selected piezoelectric elements allow to increase the amplitude of the signal up to 140 V. The paper presents and describes in detail the basic electrical circuits of the transmitter and receiver. Developed devices operate from 12 V batteries without primary power supply. The signal to the piezoelectric emitter comes from a transformer. Two keyed-mode transistors opening one by one are connected with the transformer. Buffer amplifiers are used to open the keyed transistors. The developed system was tested on a tested, which is a pipe filled with water. As a result of the experiments, no significant attenuation of the signal was observed.

  • measurement while drilling
  • ultrasound channel
  • well telemetry
  • signal coding
Аннотация (на русском)

Приёмо-передающее устройство для исследования канала связи забой-устье

Разработан ультразвуковой приёмопередатчик на базе PIC18F2455 для радиофизических исследований внутритрубного пространства скважины как акустического канала обмена телеметрической информацией. Излучателями и приёмниками являются комбинированные пьезоэлементы TR60-10H0Z-01. Рабочая частота - 60 кГц, кодирование сигнала проводится по протоколу «Манчестер-II». Выбранные пьезоэлементы позволяют повысить размах сигнала от пика до пика до 140 В. Представлены и подробно описаны принципиальные электрические схемы передатчика и приёмника. Поскольку первичные источники питания отсутствуют, предусмотрена работа от аккумуляторов с напряжением 12 В. Сигнал на пьезоизлучатель поступает с трансформатора, к которому подключены два ключевых транзистора, открываемых по очереди. Разработанная система была протестирована на испытательном стенде, представляющем собой трубу, наполненную водой. Показано, что использование внутритрубного пространства, заполненного песчано-глинистой смесью с большим содержанием воды, позволяет снизить затухание акустического сигнала и уменьшить влияние неоднородности среды.

For citation

Stukach O.V., Ershov I.A., Bykov S.V. Transceiver for investigation of the downhole-wellhead communication channel // Journal of Radio Electronics. – 2023. – No. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.12.11

References

  1. Pagtalunan J. et al. Experimental study on repeater-free acoustic telemetry for downhole operations //Journal of Petroleum Science and Engineering. - 2021. - Т. 202. - С. 108551.
  2. Ayat M. et al. Design of multiple modulated frequency lock-in amplifier for tapping-mode atomic force microscopy systems //IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 2016. - Т. 65. - №. 10. - С. 2284-2292.
  3. Schlecker B. et al. An analog high-speed single-cycle lock-in amplifier for next generation AFM experiments //2018 Ieee Sensors. - IEEE, 2018. - С. 1-4.
  4. Zhao A. S. et al. Response analyses on the drill-string channel for logging while drilling telemetry //Petroleum Science. - 2023.
  5. Gutierrez-Estevez M. A. et al. Acoustic channel model for adaptive downhole communication over deep drill strings //2013 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing. - IEEE, 2013. - С. 4883-4887.
  6. Sinanovic S., Johnson D. H., Gardner W. R. Directional propagation cancellation for acoustic communication along the drill string //2006 IEEE International Conference on Acoustics Speech and Signal Processing Proceedings. - IEEE, 2006. - Т. 4. - С. IV-IV.
  7. Стукач О.В. и др. Разработка ультразвукового приемопередатчика для скважинной телеметрии //Журнал радиоэлектроники. - 2022. - №. 11.
  8. Стукач О.В. и др. Регрессионная модель затухания ультразвукового сигнала в скважине //Журнал радиоэлектроники. - 2023. - №. 3.