система передачи данных и энергоснабжения для скважинных применений

Формула изобретения

1. Система передачи данных для использования в применениях, в которых электроэнергия подается в электродвигательную сборку по проводам электропитания, которые переносят сигнал электропитания АС, и которые присоединены к электродвигательной сборке с помощью схемы индуктора, электродвигательная сборка имеет нейтральную незаземленную узловую точку, система передачи данных содержит: подсистему передачи данных, упомянутая подсистема передачи данных формирует модулированный сигнал АС восходящей линии связи; и схему сопряжения, при работе присоединенную между подсистемой передачи данных и узловой точкой, которая обеспечивает фильтрацию высоких частот, которая пропускает модулированный сигнал АС восходящей линии связи, сформированный подсистемой передачи данных, в узловую точку для передачи данных по проводам электропитания в поверхностный узел, расположенный в удаленном местоположении, при этом указанный поверхностный удаленный узел включает:

i) первую, вторую и третью подсистемы приемника данных, для приема указанного модулированного сигнала АС восходящей линии связи, переданного посредством указанной подсистемы передачи данных и имеющих связь через провода электропитания;

ii) первую, вторую и третью удаленные схемы сопряжения, каждая при работе присоединена между одним из проводов электропитания и одной из упомянутых подсистем приемника данных, для обеспечения фильтрации верхних частот, и которая пропускает упомянутый модулированный сигнал АС восходящей линии связи, передаваемый упомянутой подсистемой передачи данных;

iii) генератор сигнала источника электропитания, который формирует сигнал вторичного электропитания АС;

iv) первую, вторую и третью схемы возбуждения, каждая при работе присоединена к удаленной схеме сопряжения, для выдачи упомянутого сигнала вторичного электропитания АС для передачи по проводам электропитания.

2. Система передачи данных по п.1, в которой упомянутая фильтрация верхних частот, обеспечиваемая упомянутой схемой сопряжения, обеспечивает фильтрацию нежелательных низкочастотных сигналов, которые включают в себя компоненты упомянутого сигнала электропитания АС.

3. Система передачи данных по п.2, в которой упомянутый модулированный сигнал АС восходящей линии связи представляет поток цифровых данных.

4. Система передачи данных по п.3, в которой упомянутый поток цифровых данных переносит телеметрические данные, воспринятые по меньшей мере одним измерительным устройством.

5. Система передачи данных по п.3, в которой упомянутый модулированный сигнал АС восходящей линии связи содержит модулированный токовый сигнал АС.

6. Система передачи данных по п.5, в которой упомянутая подсистема передачи данных содержит транзистор, который подвергается модуляции между его проводящим состоянием и непроводящим состоянием в соответствии с упомянутым потоком цифровых данных, для изменения количества тока, отбираемого из узловой точки, чтобы, тем самым, предоставить упомянутый модулированный токовый сигнал АС.

7. Система передачи данных по п.1, в которой упомянутая фильтрация верхних частот, обеспечиваемая упомянутой схемой сопряжения, пропускает сигнал вторичного электропитания АС, который существует в узловой точке.

8. Система передачи данных по п.7, в которой упомянутый сигнал вторичного электропитания АС имеет первую характеристическую частоту, а упомянутая подсистема передачи данных приспособлена для формирования упомянутого модулированного сигнала АС восходящей линии связи на второй характеристической частоте относительно упомянутой первой характеристической частоты.

9. Система передачи данных по п.8, в которой упомянутая вторая характеристическая частота равна упомянутой первой характеристической частоте.

10. Система передачи данных по п.9, в которой упомянутая подсистема передачи данных дополнительно содержит схему детектирования перехода через нуль, с возможностью работы присоединенную к узловой точке упомянутой схемой сопряжения, которая обнаруживает переход через нуль в сигнале вторичного электропитания АС, и упомянутая подсистема передачи данных приспособлена для передачи упомянутого модулированного сигнала АС восходящей линии связи синхронно с упомянутыми переходами через нуль, обнаруженными упомянутой схемой детектирования перехода через нуль.

11. Система передачи данных по п.7, дополнительно содержащая схему преобразования электропитания, с возможностью работы присоединенную к узловой точке упомянутой схемой сопряжения, которая преобразует упомянутый сигнал вторичного электропитания AC, подаваемый в нее, в по меньшей мере один сигнал электропитания DC.

12. Система передачи данных по п.11, в которой упомянутый по меньшей мере один сигнал электропитания DC, сформированный упомянутой схемой преобразования электропитания, подается на компоненты упомянутой подсистемы передачи данных.

13. Система передачи данных по п.1, в которой упомянутые первая, вторая и третья удаленные схемы сопряжения обеспечивают фильтрацию нежелательных низкочастотных сигналов, которые включают в себя компоненты упомянутого сигнала электропитания АС.

14. Система передачи данных по п.1, дополнительно содержащая схему преобразования электропитания, которая преобразует упомянутый сигнал вторичного электропитания АС, подаваемый в нее, в по меньшей мере один сигнал электропитания DC.

15. Система передачи данных по п.14, в которой упомянутый по меньшей мере один сигнал электропитания DC, сформированный упомянутой схемой преобразования электропитания, подается на компоненты упомянутой подсистемы передачи данных и по меньшей мере одно измерительное устройство.

16. Система передачи данных по п.1, в которой упомянутый генератор сигнала источника электропитания изменяет частоту упомянутого сигнала вторичного электропитания АС, а упомянутая подсистема передачи данных приспособлена для формирования упомянутого модулированного сигнала АС восходящей линии связи на частоте, отличной от таковой у упомянутого сигнала вторичного электропитания АС.

17. Система передачи данных по п.16, в которой частота упомянутого сигнала вторичного электропитания АС динамически изменяется, для минимизирования помехи для передачи в удаленную сборку.

18. Система передачи данных по п.16, в которой частоты упомянутого сигнала вторичного электропитания АС назначены разным измерительным устройствам, и частота упомянутого сигнала вторичного электропитания АС изменяется динамически, для обеспечения восходящей передачи телеметрических данных для разных измерительных устройств.

19. Система передачи данных по п.16, в которой частота упомянутого сигнала вторичного электропитания АС изменяется динамически, для обеспечения нисходящей передачи командных данных по проводам электропитания для удаленного управления одним или более измерительными устройствами.

20. Система передачи данных по п.19, дополнительно содержащая четвертую подсистему приемника данных, с возможностью работы присоединенную к узловой точке, которая принимает упомянутый сигнал вторичного электропитания АС, передаваемый по проводам электропитания, преобразует изменения частоты в нем, чтобы восстановить поток цифровых данных, представленный упомянутыми изменениями частоты, и декодирует восстановленный поток цифровых данных, для идентифицирования командных данных, содержащихся в нем.

21. Система передачи данных по п.20, дополнительно содержащая средство управления, с возможностью работы присоединенное к упомянутой четвертой подсистеме приемника данных, для управления по меньшей мере одним измерительным устройством в соответствии с упомянутыми командными данными, идентифицированными упомянутой четвертой подсистемой приемника данных.

22. Система передачи данных для использования в скважинных применениях, в которой низкочастотный сигнал источника электропитания подается из поверхностного местоположения на скважинную электродвигательную сборку по кабелю, содержащему многочисленные провода, скважинная электродвигательная сборка содержит схему индуктора, которая присоединена к многочисленным проводам кабеля и которая имеет нейтральную незаземленную узловую точку, система передачи данных содержит: скважинную подсистему связи, при работе присоединенную к, по меньшей мере одному, скважинному измерительному устройству, упомянутая скважинная подсистема связи является присоединенной по АС к нейтральной незаземленной узловой точке скважинной электродвигательной сборки; поверхностную систему связи, которая присоединена по АС к многочисленным проводам кабеля; при этом упомянутая поверхностная подсистема связи содержит:

i) первую, вторую и третью подсистемы приемника данных, для приема указанного модулированного сигнала АС восходящей линии связи, и имеющих связь через провода электропитания;

ii) первую, вторую и третью удаленные схемы сопряжения, каждая при работе присоединена между одним из проводов электропитания и одной из упомянутых подсистем приемника данных, для обеспечения фильтрации верхних частот, и которая пропускает упомянутый модулированный сигнал АС восходящей линии связи;

iii) генератор сигнала источника электропитания, который формирует сигнал вторичного электропитания АС;

iv) первую, вторую и третью схемы возбуждения, каждая при работе присоединена к удаленной схеме сопряжения, для выдачи упомянутого сигнала вторичного электропитания АС для передачи по проводам электропитания, при этом упомянутая скважинная подсистема связи и указанная поверхностная подсистема связи поддерживают схему связи по АС для восходящей передачи телеметрических данных, извлеченных из выходного сигнала по меньшей мере одного скважинного измерительного устройства.

23. Система передачи данных по п.22, в которой упомянутая схема связи по АС для восходящей связи применяет токовую модуляцию высокочастотного сигнала несущей источника электропитания.

24. Система передачи данных по п.23, дополнительно содержащая скважинную схему преобразования электропитания, которая преобразует упомянутый высокочастотный сигнал несущей источника электропитания в по меньшей мере один сигнал электропитания DC для электропитания компонентов упомянутой скважинной подсистемы связи и/или упомянутого по меньшей мере одного скважинного измерительного устройства.

25. Система передачи данных по п.22, в которой: упомянутая скважинная подсистема связи и упомянутая поверхностная подсистема связи поддерживают схему связи по АС для нисходящей передачи телеметрических данных для дистанционного управления по меньшей мере одним скважинным измерительным устройством.

26. Система передачи данных по п.25, в которой упомянутая схема связи по АС для нисходящей связи применяет частотную модуляцию высокочастотного сигнала несущей источника электропитания.

27. Система передачи данных по п.26, дополнительно содержащая скважинную схему преобразования электропитания, которая преобразует упомянутый высокочастотный сигнал несущей источника электропитания в по меньшей мере один сигнал электропитания DC для электропитания компонентов упомянутой скважинной подсистемы связи и/или упомянутого по меньшей мере одного скважинного измерительного устройства.

28. Система передачи данных по п.22, в которой упомянутая поверхностная подсистема связи содержит многочисленные каналы обработки сигналов, соответствующие многочисленным проводам кабеля, для обеспечения непрерывной связи при наличии короткого замыкания на землю по многочисленным проводам.

Описание изобретения к патенту

Уровень техники изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Это изобретение в общем относится к системам передачи данных для скважинных устройств. Более точно, это изобретение относится к системам передачи данных по кабелю электропитания к электрическому погружному насосу (ESP).

Описание предшествующего уровня техники

Различные системы связи для телеметрических сигналов, которые представляют физические параметры, измеренные датчиками в буровой скважине, были предложены и/или использовались. Некоторые такие системы используют трехфазный кабель электропитания (который передает электропитание на ESP) для передачи таких телеметрических сигналов.

Пример такой системы показан в патенте 5515038 США. В этой системе смещения постоянного тока (DC) на фоне сигнала электропитания переменного тока (AC), переносимого по кабелю, используются для переноса телеметрических данных. Неблагоприятно, что такие системы связи не могут выдерживать короткое замыкание на землю, например, в тех случаях, когда один провод кабеля электропитания замыкается накоротко на землю. Более того, такие системы типично применяют большие развязывающие индуктивные элементы в поверхностном и скважинном оборудовании, которые ограничивают скорости передачи данных системы и, к тому же, не имеют успеха в работе в помехонасыщенных средах.

В еще одной системе, показанной в патенте 6587037 США, междуфазная сигнализация используется для переноса телеметрических данных по проводам кабеля электропитания. Неблагоприятно, что связь требует доступа ко всем трем проводникам в скважинном оборудовании, что является сложным и дорогостоящим для реализации и поддержания.

Таким образом, в данной области техники есть потребность предоставить систему связи для скважинных устройств, которая терпима к коротким замыканиям на землю и, к тому же, эффективна по стоимости. Более того, система связи преимущественно должна избегать использования больших развязывающих индуктивных элементов, обеспечивать относительно высокие скорости передачи данных, предусматривать двустороннюю связь и, к тому же, эффективно работать в помехонасыщенных средах.

Краткая сущность изобретения

Поэтому к одному аспекту изобретения относится система связи для скважинных устройств, которая терпима к коротким замыканиям на землю и, к тому же, эффективна по стоимости.

К другому аспекту изобретения относится система связи для скважинных устройств, которая избегает использования больших развязывающих индуктивных элементов.

К дополнительному аспекту изобретения относится система связи для скважинных устройств, которая обеспечивает относительно высокие скорости передачи данных.

К аспекту изобретения также относится система связи для скважинных устройств, которые способны к эффективной работе в помехонасыщенных средах.

В соответствии с указанными аспектами, которые будут подробно обсуждены ниже, предоставлена усовершенствованная система связи для использования в скважинных применениях, в которой электроэнергия подается по многопроводному кабелю электропитания к электродвигательной сборке ESP. Скважинный узел присоединен по AC к многопроводному кабелю электропитания через точку соединения звездой сборки электродвигателя ESP. Поверхностный узел присоединен по AC к многопроводному кабелю электропитания. Восходящая передача телеметрических данных происходит через схему связи по AC, поддерживаемую скважинным узлом и поверхностным узлом. Нисходящая передача командной информации (для целей дистанционного управления) происходит через другую схему связи по AC, поддерживаемую поверхностным узлом и скважинным узлом. Эти схемы связи AC предусматривают независимую подачу электропитания к скважинному узлу.

Будет принято во внимание, что вся связь между поверхностью и забоем скважины выполняется через кабель электропитания, без использования дополнительных линий связи, и связь поддерживается в исправности в случае короткого замыкания на землю в кабеле электропитания.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, схема связи по AC, поддерживающая восходящую связь, применяет токовую модуляцию сигнала несущей источника электропитания не зависимого от источника электропитания ESP.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, схема связи AC, поддерживающая нисходящую связь, применяет частотную модуляцию сигнала несущей источника электропитания не зависимого от источника электропитания ESP.

Дополнительные цели и преимущества изобретения станут очевидными специалистам в данной области техники после ссылки на подробное описание, взятое в соединении с предоставленными чертежами.

Краткое описание чертежей

Фиг.1А и 1В - функциональная блок-схема системы связи для использования в применениях подземной буровой скважины.

Фиг.2A(i)-(iii) иллюстрируют сигналы, используемые для восходящей связи из скважинного узла на поверхностный узел по фиг.1, в которых частота несущей источника вторичного электропитания меньше, чем показанная на фиг.2B(i)-(iii); Фиг.2A(i) - изображение формы кривой напряжения сигнала источника вторичного электропитания, сформированного в поверхностном узле по фиг.1A; Фиг.2A(ii) - изображение формы кривой тока сигнала источника вторичного электропитания, сформированного в поверхностном узле по фиг.1A в дополнение к токовым модуляциям, наложенным на эту форму кривой скважинным узлом по фиг.1А и 1В; и фиг.2A(iii) изображает последовательный цифровой поток данных, который представлен токовыми модуляциями, показанными на фиг.2A(ii).

Фиг.2В(i)-(iii) иллюстрируют сигналы, используемые для восходящей связи из скважинного узла на поверхностный узел по фиг.1А и 1В, в которых частота несущей источника вторичного электропитания больше, чем показанная на фиг.2А(i)-(iii); фиг.2B(i) - изображение формы кривой напряжения сигнала источника вторичного электропитания, сформированного в поверхностном узле по фиг.1A; фиг.2B(ii) - изображение формы кривой тока сигнала источника вторичного электропитания, сформированного в поверхностном узле по фиг.1A в дополнение к токовым модуляциям, наложенным на эту форму кривой тока скважинным узлом по фиг.1А и 1В; и фиг.2B(iii) изображает последовательный цифровой поток данных, который представлен токовыми модуляциями, показанными на фиг.2B(ii).

Фиг.3 - представление формы кривой напряжения сигнала источника электропитания ESP, сформированного поверхностно расположенным источником питания ESP по фиг.1А, которое иллюстрирует высокочастотный сигнал источника вторичного электропитания, наложенный на сигнал источника электропитания ESP.

Фиг.4 - принципиальная схема, иллюстрирующая электродвигатель ESP и его точку соединения звездой, а также примерные варианты осуществления компонентов скважинного узла по фиг.1А и 1В.

Подробное описание изобретения

Обращаясь далее к фиг.1А и 1В, показана функциональная блок-схема предпочтительного варианта осуществления системы связи для использования в применениях подземной буровой скважины (указываемых ссылкой как «скважинные» применения). Такие применения включают в себя систему электрической погружной насосной системы, которая включает в себя погружную сборку 10 электродвигателя и насоса, которая расположена в забое скважины и используется для прокачки флюидов и/или газов из буровой скважины. Как показано, поверхностно расположенный трехфазный источник 12 питания подает трехфазный сигнал электропитания AC (состоящий из сигнала электропитания AC фазы 1, сигнала электропитания AC фазы 2 и сигнала электропитания AC фазы 3) на погружную сборку 10 электродвигателя и насоса по трехпроводному кабелю 14 электропитания. Трехфазный сигнал электропитания присоединен к электродвигателю ESP посредством симметричной схемы индуктора, имеющей нейтральную незаземленную узловую точку, которая общеизвестна. Эта узловая точка типично указывается ссылкой как «узловая точка соединения звездой» электродвигателя ESP. Уровни напряжения и тока трехфазного сигнала электропитания AC, выдаваемые источником 12 электропитания ESP (и переносимые по кабелю 14 электропитания), типично являются очень большими (например, порядка 2000 вольт и 25 ампер) и колеблются с низкой частотой, такой как 60 Гц.

Такие скважинные применения также включают в себя узел 16 управления и контроля, который расположен в поверхностном местоположении, в дополнение к одному или более измерительным устройствам 20, которые расположены в скважинном местоположении. Узел 16 управления и контроля включает в себя микропроцессор 18, который взаимодействует с панелью 19 управления для обеспечения пользовательского ввода и вывода. Скважинное измерительное устройство(а) 20 типично контролирует определенные физические параметры (такие как температура и давление), присутствующие в скважинном оборудовании. В таких установках существует потребность передавать телеметрические данные, которые представляют физические параметры, измеренные скважинным измерительным устройством(ами) 20, в поверхностно расположенный узел 16 управления и контроля и, возможно, дистанционно управлять определенными рабочими функциями такого измерительного устройств(а) 20 посредством узла 16 управления и контроля.

В соответствии с настоящим изобретением, связь между скважинным измерительным устройством(ами) 20 и поверхностно расположенным узлом 16 управления и контроля обеспечивается поверхностным узлом 100 и скважинным узлом 200. Как показано, поверхностный узел 100 включает в себя три схемы 102A, 102B, 102C сопряжения, каждая из которых электрически присоединена к разному одному из трех проводов трехфазного кабеля 14 электропитания. Каждая из схем 102A, 102B, 102C сопряжения обеспечивает связь по AC из условия, чтобы отклонения сигнала DC, который существует в соответственном проводе, присоединенном к нему, блокировались и изолировались от прохождения через нее. Более того, каждая из схем 102A, 102B, 102C сопряжения обеспечивает фильтрацию верхних частот, которая отфильтровывает нежелательные низкочастотные компоненты сигнала (в том числе, низкочастотный трехфазный сигнал электропитания ESP), который существует в соответствующем проводе кабеля 14 электропитания. Таким образом, схемы 102A, 102B, 102C сопряжения защищают компоненты поверхностного узла 100 от уровней напряжения и уровней тока источника электропитания ESP, подводимых по трем проводам кабеля 14 электропитания. Такие уровни могут быть значительными по амплитуде.

Поверхностный узел 100 также включает в себя схему 103 источника вторичного электропитания, которая формирует сигнал источника вторичного электропитания AC, и схемы возбуждения (например, усилители) 104A, 104B, 104C, которые передают сигнал источника вторичного электропитания по трем проводам кабеля 14 электропитания. Уровни напряжения и тока этого сигнала вторичного электропитания AC являются значительно меньшими, чем таковые у сигнала источника электропитания ESP. Функциональная возможность фильтрации верхних частот, предусмотренная схемами 102A, 102B, 102C сопряжения, пропускает сигнал источника вторичного электропитания AC (который подается на них сигнальными и возбуждающими схемами 104A, 104B, 104C) в соответственные провода кабеля 14 электропитания. Вплоть до трех проводов кабеля 14 электропитания переносят этот сигнал источника вторичного электропитания AC в точку соединения звездой электродвигателя ESP.

На размещенной в скважине стороне скважинный узел 200 включает в себя схему 202 сопряжения, которая электрически присоединена к точке соединения звездой электродвигателя ESP. Схема 202 сопряжения обеспечивает связь по AC из условия, чтобы отклонения сигнала DC, которые возникают в точке соединения звездой, блокировались и изолировались от прохождения через нее. Более того, схема 202 сопряжения обеспечивает фильтрацию верхних частот, которая отфильтровывает нежелательные низкочастотные компоненты сигнала (в том числе те низкочастотные компоненты сигнала, которые извлекаются из трехфазного сигнала электропитания ESP), которые существуют в точке соединения звездой. Таким образом, схема 202 сопряжения защищает компоненты скважинного узла от уровней напряжения и уровней тока источника электропитания ESP, которые могут быть значительными по амплитуде. Более того, функциональная возможность фильтрации верхних частот, предусмотренная схемой 202 сопряжения, пропускает сигнал источника вторичного электропитания AC, сформированный схемой 103 источника вторичного электропитания поверхностного узла 100 и передаваемый в нее по трем проводам кабеля 14 электропитания.

Скважинный узел 200 также включает в себя схему 204 преобразования электропитания DC, которая электрически присоединена к точке соединения звездой электродвигателя ESP посредством схемы 202 сопряжения. Схема 204 преобразования электропитания DC преобразует сигнал вторичного электропитания AC, который существует в точке соединения звездой и пропускается схемой 202 сопряжения, в один или более сигналов электропитания DC, пригодных для электропитания других компонентов скважинного узла 200 (например, схем 204, 206, 208, 212, 214, описанных ниже) и, возможно, скважинного измерительного устройств(а) 20. Так как схема 103 источника вторичного электропитания поверхностного узла 100 работает независимо от источника 12 электропитания ESP, электропитание может подаваться на скважинный узел 200 и скважинное измерительное устройство(а) 20, когда источник 12 электропитания включен или выключен.

Скважинный узел 200 также включает в себя схему 206 модулятора, которая взаимодействует с микропроцессором 208, для формирования модулированного сигнала AC, который представляет последовательный цифровой поток данных. Последовательный цифровой поток данных переносит телеметрические данные, которые представляют физические параметры, измеренные скважинным измерительным устройством(ами) 20. Микропроцессор 208 сохраняет такие телеметрические данные (в цифровой форме) и кодирует их в виде части последовательного цифрового потока данных. Предпочтительно, последовательный цифровой поток данных пакетируется, причем каждый пакет содержит контрольную сумму обнаружения ошибок, содержащуюся в нем. Контрольная сумма дает целостности пакета возможность проверяться по приему в поверхностном узле 16 управления. Микропроцессор 208 управляет схемой 206 модулятора для модулирования тока поверхностного источника AC для представления последовательного цифрового потока данных. Функциональная возможность фильтра верхних частот схемы 202 сопряжения пропускает модулированный сигнал AC в точку соединения звездой электродвигателя для передачи по проводам кабеля 14 электропитания. Таким образом, модулированный сигнал AC, подаваемый в точку соединения звездой, предусматривает восходящую связь по проводам кабеля 14 электропитания.

В показанном иллюстративном варианте осуществления схема 206 модулятора выполнена с возможностью изменения величины тока, отбираемого из точки соединения звездой электродвигателя ESP, при формировании модулированного сигнала AC, который передается по проводам кабеля 14 электропитания. Предпочтительно, такие колебания тока производятся на частоте относительно частоты сигнала источника вторичного электропитания. Например, частота колебаний тока может быть равной частоте сигнала источника вторичного электропитания. В этой конфигурации колебания тока могут происходить в моменты времени, которые синхронны с переходом нуля в уровне напряжения сигнала источника вторичного электропитания, сформированного схемой 103 источника вторичного электропитания, как показано на фиг.2А и 2В. Такие действия преимущественно уменьшают пусковые токи, тем самым снижая ударную нагрузку на компоненты скважинного узла 200. Следует отметить, что отношение частоты сигнала вторичного электропитания к частоте модулированного сигнала AC восходящей линии связи не имеет необходимости быть уравновешенным (например, 1:1), а может быть любым произвольным отношением. Однако синхронизация частоты сигнала вторичного электропитания относительно частоты модулированного сигнала AC восходящей линии связи значительно улучшает действующее отношение сигнал/шум, наблюдаемое в поверхностном приемнике.

Обнаружение (и синхронизация относительно) частоты сигнала источника вторичного электропитания обеспечивается в скважине посредством схемы 212 детектирования и синхронизации частоты, которая электрически присоединена к точке соединения звездой электродвигателя ESP посредством схемы 202 сопряжения. Переход через нуль вторичного сигнала обнаруживается в скважине детектором 214 перехода через нуль, который электрически присоединен к точке соединения звездой электродвигателя ESP посредством схемы 202 сопряжения. Детектор 214 перехода через нуль формирует сигналы синхронизации, которые синхронны таким переходам через нуль, и подает эти сигналы синхронизации на микропроцессор 208. Микропроцессор 208 взаимодействует со схемой 212 детектирования и синхронизации частоты и детектором 214 перехода через нуль для управления схемой модулятора 206 из условия, чтобы модуляции тока, вырабатываемые из него, происходили на такой же частоте, как сигнал источника вторичного электропитания, и происходили синхронно с сигналами синхронизации перехода через нуль, как показано на фиг.2А и 2В. В дополнение, частота модулированного сигнала AC восходящей линии связи может быть либо удвоенной частотой сигнала вторичного электропитания, либо с 1 по N раз кратной частотой сигнала вторичного электропитания. Посредством использования N циклов сигнала вторичного электропитания для представления бита восходящей линии связи повышается действующее отношение сигнал/шум.

На поверхности схем 102A, 102B, 102C сопряжения пропускают модулированный сигнал AC (сформированный схемой 206 модулятора), проходящий по проводам кабеля 14 электропитания, в соответственные схемы 106A, 106B, 106C демодулятора, которые электрически присоединены к нему. Схемы 106A, 106B, 106C демодулятора восстанавливают поток цифровых данных из модулированного сигнала AC, подаваемого в него схемами 102A, 102B, 102C сопряжения, и подают восстановленный поток(и) цифровых данных на микропроцессор 18 узла 16 управления и контроля. Микропроцессор 18 декодирует телеметрические данные из восстановленных цифровых потоков данных. Предпочтительно, такие операции декодирования проверяют контрольные суммы обнаружения ошибок пакетов, которые составляют восстановленный цифровой поток данных. Если операция проверки контрольной суммы терпит неудачу, телеметрические данные, ассоциативно связанные с ней, игнорируются. Телеметрические данные, успешно декодированные из восстановленных потоков цифровых данных, сохраняются в постоянном блоке памяти и/или выводятся (например, отображаются) пользователю через панель 19 управления.

Для иллюстративного варианта осуществления, описанного выше, где схема 206 модулятора формирует модулированный сигнал AC посредством изменения величины тока, протекающего из точки соединения звездой электродвигателя ESP, схемы 106A, 106B, 106C демодулятора восстанавливают поток цифровых данных посредством обнаружения изменений в токовом сигнале, полученном из соответственного провода кабеля 14 электропитания и пропущенном соответственной схемой сопряжения, и разложения таких изменений тока обратно в поток цифровых данных. Для конфигураций, где модуляции тока, создаваемые скважинной схемой 206 модулятора, синхронны с переходами через нуль в уровне напряжения сигнала источника вторичного электропитания, сформированного схемой 103 источника вторичного электропитания, такие переходы через нуль детектируются на поверхности детектором 110 переходов через нуль, который электрически присоединен к выходу схемы 103 источника вторичного электропитания. Детектор 110 формирует сигналы синхронизации, которые синхронны таким переходам через нуль, и подает эти сигналы синхронизации на микропроцессор 18. Микропроцессор 18 использует эти сигналы синхронизации для взаимодействия со схемами 106A, 106B, 106C демодулятора при восстановлении телеметрических данных, закодированных в пределах цифрового потока данных, представленного модуляциями тока, вырабатываемыми скважинной схемой 206 модулятора. Таким образом, скважинный процессор автоматически синхронизируется по сигналу вторичного электропитания, сформированного на поверхности. Этот способ используется для улучшения отношения сигнал/шум посредством перемещения сигнала восходящей линии связи на менее помехонасыщенную частоту.

В иллюстративном варианте осуществления изобретения, описанном выше, частота сигнала источника вторичного электропитания, сформированного схемой 103 источника вторичного электропитания и схемами 104A, 1046, 104C возбуждения, может изменяться в соответствии с управляющим сигналом, подаваемым на них микропроцессором 18. На размещенной в скважине стороне схема 212 детектирования и синхронизации частоты детектирует и синхронизируется относительно частоты сигнала источника вторичного электропитания (который существует в точке соединения звездой и пропускается схемой 202 сопряжения) и подает сигнал синхронизации, который представляет детектированную частоту, на микропроцессор 208. Динамический характер частоты сигнала источника вторичного электропитания может использоваться тремя способами.

Во-первых, динамическая природа частоты сигнала источника вторичного электропитания может использоваться, чтобы адаптировать частоту несущей восходящей линии связи для улучшения эксплуатационных характеристик посредством перемещения с помехонасыщенных диапазонов частот и повышения отношения сигнал/шум. Такая динамическая регулировка частоты может выполняться без канала нисходящей линии связи. Например, рассмотрим сценарий, где всплеск напряжения более высокой частоты происходит в выходном сигнале трехфазного источника 12 электропитания ESP (возможно, вызванного гармониками), и такая более высокочастотная помеха сосуществует на выбранной частоте связи для сигнала источника вторичного электропитания. В этом случае микропроцессор 18 может быть выполнен с возможностью автоматического выбора другой частоты связи и изменения частоты несущей сигнала источника вторичного электропитания в соответствии с управляющими сигналами, подаваемыми в схему 103 источника вторичного электропитания. На размещаемой в скважине стороне схема 212 детектирования и синхронизации частоты (и, возможно, детектор 214 перехода через нуль) синхронизируются по этой адаптированной частоте несущей и взаимодействуют с микропроцессором 208 для обеспечения восходящей связи на частоте относительно сигнала источника вторичного электропитания.

Во-вторых, динамическая природа частоты сигнала источника вторичного электропитания может использоваться для адресации разных измерительных устройств (или многочисленных наборов измерительных устройств). Более точно, частотный диапазон сигнала источника вторичного электропитания разделен на дискретные поддиапазоны, которые назначены разным скважинным измерительным устройствам (или наборам скважинных измерительных устройств). В этой конфигурации схема 212 детектирования и синхронизации частоты обнаруживает и синхронизирует относительно частоты сигнала источника вторичного электропитания. На основании этих операций микропроцессор 208 осуществляет доступ к телеметрическим данным скважинного измерительного устройства (или набора скважинных измерительных устройств), соответствующего обнаруженной частоте, и создает поток цифровых данных с использованием таких телеметрических данных. Таким образом, модулированный сигнал AC, сформированный скважинной схемой 206 модулятора, передает телеметрические данные для скважинного измерительного устройства (или набора скважинных измерительных устройств) в соединении с сигналом источника вторичного электропитания, чья частота соответствует скважинному измерительному устройству (или набору скважинных измерительных устройств). Например, фиг.2А иллюстрирует восходящую связь в соединении с сигналом источника вторичного электропитания, чья частота f ₁ соответствует первому измерительному устройству (например, инструменту № 1), в то время как фиг.2В иллюстрирует восходящую связь в соединении с сигналом источника вторичного электропитания, чья частота f₂ соответствует второму измерительному устройству (например, инструменту № 2). Как очевидно, частота f₂, соответствующая второму измерительному устройству, выше частоты f₁, соответствующей первому измерительному устройству. Однако оба инструмента могли бы оставаться запитанными сигналом источника вторичного электропитания.

В-третьих, динамическая природа частоты сигнала источника вторичного электропитания может использоваться для поддержки нисходящей связи из поверхностно размещенного узла 16 управления и контроля на размещенное в скважине измерительное устройство(а) 20. В этой конфигурации микропроцессор 18 будет измерять частоту сигнала источника вторичного электропитания, сформированного схемой 103 источника вторичного электропитания с использованием общеизвестных технологий частотной манипуляции. Например, одна частота может представлять «0», тогда как другая частота может представлять «1». Таким образом, изменения частоты сигнала источника вторичного электропитания представляют последовательный поток цифровых данных, созданный микропроцессором 18. Предпочтительно, этот последовательный поток цифровых данных пакетируется, причем каждый пакет содержит контрольную сумму обнаружения ошибок, содержащуюся в нем. Эта контрольная сумма дает целостности пакета возможность проверяться по приему в скважинном узле 200. Для нисходящей связи последовательный поток цифровых данных представляет командные данные, которые приводят в действие дистанционное управление скважинным измерительным устройством(ами) 20. Как показано на фиг.3, сигнал источника вторичного электропитания (и изменения его частоты) накладывается на форму кривой низкочастотного сигнала источника электропитания ESP, которая переносится по проводам кабеля 14 электропитания. На размещаемой в скважине стороне схема 212 детектирования и синхронизации частоты и микропроцессор 208 взаимодействуют для восстанавливания последовательного потока цифровых данных, представленного изменениями частоты в сигнале источника вторичного электропитания. Микропроцессор 208 декодирует командные данные из восстановленного потока цифровых данных. Предпочтительно, такие операции декодирования проверяют контрольные суммы обнаружения ошибок пакетов, которые составляют восстановленный поток цифровых данных. Если операция проверки контрольной суммы терпит неудачу, командные данные, ассоциативно связанные с ней, игнорируются. Микропроцессор 208 использует командные данные, успешно декодированные из восстановленного потока цифровых данных, для управления соответствующими скважинными устройствами в соответствии с такой командной информацией.

Как показано на фиг.4, схема 202 сопряжения скважинного узла 200 может быть реализована связывающим по AC конденсатором С, который предусматривает развязку сигналов DC между точкой соединения звездой электродвигателя ESP и компонентами скважинного узла 200, как показано. В дополнение, конденсатор С взаимодействует с сигнальным трактом, который проходит через индуктор L до потенциала земли, для обеспечения требуемой функциональной возможности фильтра верхних частот, описанной выше. Схема 102A, 102B, 102C сопряжения поверхностного узла 100 может быть реализована подобными схемными элементами. Однако другие способы связи по AC, такие как индуктивная связь, также могут быть использованы.

Фиг.4 также показывает реализацию скважинной схемы 206 модулятора. В этом примерном варианте осуществления транзистор Т, который может быть биполярным транзистором или полевым транзистором, подвергается модуляции между проводящим «включенным» состоянием и непроводящим «выключенным» состоянием для изменения тока, отбираемого из точки соединения звездой электродвигателя ESP через схему 202 сопряжения. Такая модуляция тока обеспечивает восходящую передачу телеметрических данных в узел 16 управления и контроля, как описано выше. Конечно, другие технологии также могут быть использованы для токовой модуляции сигнала AC, сформированного поверхностным оборудованием.

Следует отметить, что поверхностный узел 100 включает в себя три раздельных канала обработки сигнала (один на каждый провод кабеля 14 электроснабжения) для передачи данных между поверхностным узлом 100 и скважинным узлом 200. Такая функциональная возможность является избыточной во время нормальной работы; однако, преимущественно обеспечивает системе некоторую защиту от короткого замыкания на землю. Более точно, для кабеля 14 электропитания ESP является обычным развивать отказ, который предусматривает путь утечки тока на землю по одному из проводов электропитания. Если происходит такой отказ, любой ток, переносимый неисправным проводом (в том числе, ток, который является частью сигнала первичного электропитания AC ESP, сигнала источника вторичного электропитания AC и изменений тока, которые наложены на сигнал источника вторичного электропитания AC), будет уходить в землю через короткое замыкание на землю. Избыточная 3-канальная архитектура поверхностного узла 100 предоставляет связи возможность продолжаться при наличии такого короткого замыкания на землю, так как необходимые сигналы (в том числе, сигнал источника вторичного электропитания AC и изменения тока, которые наложены на сигнал источника вторичного электропитания AC) передаются между поверхностным узлом 100 и скважинным узлом 200 по другим «хорошим» проводам кабеля 14 электропитания. Отметим, что некоторый ток, переносимый по «хорошим» проводам кабеля 14 электропитания, будет тратиться впустую на короткое замыкание на землю (при протекании через обмотки электродвигателя и в неисправный провод). Однако, так как сопротивление обмоток электродвигателя является ненулевым (типично, сотни Ом или более), ток, который протекает через обмотки электродвигателя, будет ограничен, и некоторые из необходимых сигналов будут пересылаться между поверхностным узлом 100 и скважинным узлом 200. Таким образом, система передачи данных согласно настоящему изобретению сохраняет в исправности связь в случае короткого замыкания на землю в кабеле электропитания. Многие системы, известные из уровня техники, оказываются неработоспособными при таких условиях.

Более того, система передачи данных согласно настоящему изобретению эффективна по стоимости, так как размещаемое в скважине сопряжение с проводами кабеля электропитания проходит через точку соединения звездой электродвигателя ESP; таким образом, устранена значительная модификация кабеля электроснабжения или электрического погружного насоса.

В дополнение, система передачи данных по настоящему изобретению использует кабель электропитания ESP для переноса сигналов передачи данных, а также сигналов источника вторичного электропитания (которые осуществляют электропитание узла связи и, возможно, измерительных устройств). Этот признак предоставляет скважинному узлу связи и скважинным измерительным устройствам возможность работать при включенном и выключенном электропитании ESP.

Система передачи данных согласно настоящему изобретению также избегает использования больших развязывающих индуктивных элементов и, таким образом, предусматривает существенное увеличение в скорости передачи данных, а соответственно, количество данных, передаваемых между поверхностным и скважинным оборудованием.

В заключение, система передачи данных согласно настоящему изобретению может использовать технологии основанного на частоте переключения каналов и/или цифрового обнаружения ошибок для дополнительного улучшения надежности связи в помехонасыщенной среде.

Система передачи данных и соответствующий способ функционирования были описаны касательно использования в скважинных применениях. Вся связь между поверхностным и скважинным оборудованием выполняется по кабелю электропитания, который подводит электропитание AC к скважинному оборудованию, без использования дополнительных линий связи. Будет легко оценено, что принципы настоящего изобретения пригодны для других применений, в которых питаемое AC устройство расположено на расстоянии, и в которых желательно подавать электропитание в удаленное место, отслеживать определенные параметры в удаленном месте и, возможно, управлять рабочими функциями в удаленном месте.

В материалах настоящей заявки были описаны и проиллюстрированы некоторые варианты осуществления системы передачи данных для скважинных применений. Несмотря на то, что были описаны конкретные варианты осуществления изобретения, не подразумевается, что изобретение будет ограничиваться ими, так как подразумевается, что изобретение будет обширным по объему на столько, на сколько будет позволять данная область техники, и что описание изобретения будет толковаться подобным образом. Таким образом, несмотря на то, что конкретные схемы модуляции были раскрыты для обеих, восходящей связи и нисходящей связи, будет принято во внимание, что другие схемы модуляции также могут использоваться. Кроме того, несмотря на то, что в поверхностном узле применена трехканальная архитектура сигнальной обработки, будет понятно, что другие архитектуры могут быть использованы подобным образом. Более того, несмотря на то, что конкретные конфигурации сопряжений были раскрыты в соединении с проводами электроснабжения ESP, будет принято во внимание, что другие конфигурации также могли бы использоваться. Поэтому специалистами в данной области техники будет приниматься во внимание, что, помимо этого, другие модификации по отношению к предоставленному изобретению могли бы делаться так, как объем изобретения заявлен формулой изобретения.