BR112013011709B1 - REMOTE SENSOR SYSTEM AND METHOD - Google Patents
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Abstract
sistema e método para sensor remoto. um sistema, método e dispositivo podem ser utilizados para monitorar condições em um furo de sondagem. a tubagem de poço e tubo de revestimento atuam como um par condutivo para suprir energia a um ou mais sensores ativos de fundo de poco, na superfície, energia e sinal são isolados de modo que o mesmo par condutivo possa atuar para transmitir os sinais do sensor para a superfície. em uma forma de realização, os sinais do sensor são sinais rf, e os eletrônicos de superfície demodulam os sinais rf da energia do sensor.system and method for remote sensor. a system, method and device can be used to monitor conditions in a borehole. the well tubing and casing tube act as a conductive pair to supply energy to one or more active well bottom sensors, on the surface, energy and signal are isolated so that the same conductive pair can act to transmit the sensor signals to the surface. in one embodiment, the sensor signals are RF signals, and the surface electronics demodulate the RF signals from the sensor energy.
Description
[0001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido de Patente Provisório 61/413.179, depositado em 12 de Novembro de 2010, que é incorporado aqui por referência em sua totalidade.[0001] This application claims the benefit of Provisional Patent Application 61 / 413,179, filed on November 12, 2010, which is incorporated herein by reference in its entirety.
[0002] A presente invenção se refere genericamente à leitura remota e, mais particularmente, à leitura de pressões e temperaturas em um ambiente de fundo de poço.[0002] The present invention relates generally to remote reading and, more particularly, to the reading of pressures and temperatures in a downhole environment.
[0003] Em recuperação de recurso, pode ser útil monitorar várias condições em locais distantes de um observador. Em particular, pode ser útil prover temperaturas e pressões de monitoramento em profundidade em um furo de sondagem que foi perfurado para fins exploratórios ou de produção. Em razão de tais furos de sondagem poderem se estender por várias milhas, nem sempre é prático substituir fornecimentos de energia para sensores localizados no furo de sondagem.[0003] In resource recovery, it can be useful to monitor various conditions in locations away from an observer. In particular, it may be useful to provide in-depth monitoring temperatures and pressures in a borehole that has been drilled for exploratory or production purposes. Because such boreholes can extend for several miles, it is not always practical to replace power supplies for sensors located in the borehole.
[0004] Um aspecto de uma forma de realização da presente invenção inclui um aparelho para monitorar condições em um furo de sondagem. A tubulação e o tubo de revestimento de poço atuam como um par condutivo para suprir energia a um ou mais sensores ativos no fundo de poço. Na superfície, energia e sinal são isolados de modo que o mesmo par condutivo possa atuar para transmitir os sinais de sensor para a superfície.[0004] One aspect of an embodiment of the present invention includes an apparatus for monitoring conditions in a borehole. The well lining pipe and tube act as a conductive pair to supply energy to one or more active sensors at the bottom of the well. On the surface, energy and signal are isolated so that the same conductive pair can act to transmit the sensor signals to the surface.
[0005] Um aspecto de uma forma de realização da presente invenção inclui um sistema para medir uma condição em um ambiente de fundo de poço de um furo de sondagem sob uma superfície, incluindo uma fonte, configurada e disposta para transmitir um sinal de energia, via uma coluna de perfuração, para dentro do furo de sondagem de um módulo sensor em comunicação elétrica com a fonte, via a coluna de perfuração, o módulo sensor compreendendo um oscilador, tendo uma frequência ressonante que varia com mudanças na condição do ambiente de fundo de poço, o módulo sensor sendo configurado e disposto para receber energia da fonte e para produzir um sinal de sensor em resposta à condição do ambiente de fundo de poço, e para transmitir o sinal, via a coluna de perfuração, para a superfície, e um detector em comunicação elétrica com o módulo sensor, via a coluna de perfuração, e configurado e disposto para receber o sinal de sensor.[0005] One aspect of an embodiment of the present invention includes a system for measuring a condition in a downhole environment of a borehole under a surface, including a source, configured and arranged to transmit an energy signal, via a drilling column, into the borehole of a sensor module in electrical communication with the source, via the drilling column, the sensor module comprising an oscillator, having a resonant frequency that varies with changes in the background environment condition well, the sensor module being configured and arranged to receive energy from the source and to produce a sensor signal in response to the condition of the well bottom environment, and to transmit the signal, via the drill string, to the surface, and a detector in electrical communication with the sensor module, via the drilling column, and configured and arranged to receive the sensor signal.
[0006] Um aspecto de uma forma de realização da presente invenção inclui um sistema para monitorar condições em um furo de sondagem. A tubulação e tubo de revestimento de poço atuam como um par condutivo para suprir energia a um ou mais sensores ativos de fundo de poço. Em cada um de superfície e sensor, sinais de energia e de sensor são isolados de modo que o mesmo par condutivo possa atuar para transmitir os sinais de sensor à superfície.[0006] One aspect of an embodiment of the present invention includes a system for monitoring conditions in a borehole. The well casing pipe and tube act as a conductive pair to supply energy to one or more active downhole sensors. On each surface and sensor, energy and sensor signals are isolated so that the same conductive pair can act to transmit the sensor signals to the surface.
[0007] Outro aspecto de uma forma de realização da presente invenção inclui um método de monitorar condições em um furo de sondagem. Um sinal de energia é transmitido, via a coluna de perfuração, a um ou mais sensores ativos de fundo de poço. O sinal de sensor é transmitido, via a coluna de perfuração, para a superfície. Em cada um de superfície e sensor, sinais de energia e de sensor são isolados.[0007] Another aspect of an embodiment of the present invention includes a method of monitoring conditions in a borehole. An energy signal is transmitted, via the drill string, to one or more active downhole sensors. The sensor signal is transmitted, via the drill string, to the surface. On each surface and sensor, energy and sensor signals are isolated.
[0008] Os aspectos das formas de realização da presente invenção incluem meios legíveis por computador tangíveis codificados com instruções executáveis de computador para realizar qualquer um dos métodos anteriores e/ou para controlar qualquer um dos aparelhos ou sistemas anteriores.[0008] Aspects of embodiments of the present invention include tangible computer-readable means encoded with executable computer instructions for carrying out any of the foregoing methods and / or for controlling any of the foregoing devices or systems.
[0009] Outros aspectos descritos aqui serão mais prontamente evidentes àqueles hábeis na arte quando lendo a seguinte descrição detalhada em combinação com os desenhos anexos, em que:[0009] Other aspects described here will be more readily evident to those skilled in the art when reading the following detailed description in combination with the accompanying drawings, in which:
[0010] A Figura 1 é uma ilustração esquemática de um sistema para apuração de um ambiente de fundo de poço em um furo de sondagem sob uma superfície, de acordo com uma forma de realização da presente invenção;[0010] Figure 1 is a schematic illustration of a system for determining a downhole environment in a borehole under a surface, according to an embodiment of the present invention;
[0011] A Figura 2 é um diagrama esquemático elétrico ilustrando um circuito configurado para prover energia DC a um sensor em um local de fundo de poço, e para admitir a entrada do sensor para transmissão para a superfície;[0011] Figure 2 is an electrical schematic diagram illustrating a circuit configured to supply DC power to a sensor at a downhole location, and to admit the sensor input for transmission to the surface;
[0012] A Figura 3 é um diagrama esquemático ilustrando uma forma de realização de corrente alternada de um sistema de transmissão de energia e sinal para um sensor remoto;[0012] Figure 3 is a schematic diagram illustrating an alternating current embodiment of a power and signal transmission system for a remote sensor;
[0013] A Figura 4 é um diagrama esquemático ilustrando uma forma de realização de corrente direta de um sistema de transmissão de energia e sinal para um sensor remoto;[0013] Figure 4 is a schematic diagram illustrating an embodiment of direct current from a power and signal transmission system to a remote sensor;
[0014] A Figura 5 é um diagrama em blocos de um sistema de acoplamento de transformador, de acordo com uma forma de realização da presente invenção;[0014] Figure 5 is a block diagram of a transformer coupling system, according to an embodiment of the present invention;
[0015] A Figura 6 é um diagrama em blocos de uma unidade de módulo sensor, de acordo com uma forma de realização da presente invenção;[0015] Figure 6 is a block diagram of a sensor module unit, according to an embodiment of the present invention;
[0016] A Figura 7 é um diagrama em blocos de uma interface de módulo sensor, de acordo com uma forma de realização da presente invenção; e[0016] Figure 7 is a block diagram of a sensor module interface, according to an embodiment of the present invention; and
[0017] A Figura 8 é um diagrama em blocos de um sistema isolado, de acordo com uma forma de realização da presente invenção.[0017] Figure 8 is a block diagram of an isolated system, according to an embodiment of the present invention.
[0018] A Figura 1 ilustra um exemplo de um aparelho 100, para monitorar uma condição em um furo de sondagem de subsuperfície. 0 aparelho 100 inclui um meio eletromagneticamente transmissivo, tal como uma linha condutiva 102, para conduzir energia eletromagnética através do furo de sondagem. Será observado, por aqueles tendo habilidade comum na arte, que a linha condutiva 102 pode ter diferentes formas ou formas de realização, dependendo do estado do furo de sondagem. Assim, por exemplo, a linha condutiva 102 pode compreender uma coluna de tubulação de produção em um furo de sondagem finalizado, ou uma coluna de perfuração em um furo de sondagem sob uma construção. Próximo ao topo da linha condutiva 102, um transformador 104 é provido para acoplar o tubo condutivo a uma fonte de energia eletromagnética. Podem ser empregados métodos de acoplamento alternativos para o transformador 104. Por exemplo, a linha de transmissão pode acoplar diretamente em um cabo coaxial ou qualquer outro cabo adequado.[0018] Figure 1 illustrates an example of an
[0019] Na forma de realização exemplar, como mostrado, o transformador 104 inclui uma pilha de aneis de ferrita 106 e um fio 108 enrolado em torno dos aneis. O fio 108 inclui condutores 110 que podem ser acoplados a um gerador de sinal 112, que pode ser configurado para produzir um sinal de onda pulsado ou contínuo, quando necessário ou desejável. O fio 108 pode ainda ser acoplado a um receptor 114. O receptor 114 pode ser incorporado como um computador, que inclui um barramento para receber sinais do aparelho 100 para armazenagem, processamento e/ou exibição. A este respeito, o computador 114 pode ser provido com um monitor 118, que pode incluir, por exemplo, uma interface de usuário gráfica.[0019] In the exemplary embodiment, as shown,
[0020] O computador 114 pode ser programado para processar os sinais do sensor recebidos para prover uma medição da característica medida. O computador 114 pode realizar qualquer processamento desejado do sinal detectado, incluindo mas não limitado a uma análise estatística (por exemplo, Fourier) do sinal, uma desconvolução do sinal, uma correlação com outro sinal, ou similares. Produtos comerciais estão prontamente disponíveis e conhecidos àqueles hábeis na arte, que podem ser usados para realizar qualquer detecção de frequência adequada. Alternativamente, o computador pode ser provido com uma tabela de consulta na memória ou em armazenagem acessível que correlacione sinais modulados recebidos com condições medidas no furo de sondagem.[0020]
[0021] Em uma aplicação de perfuração típica, o furo de sondagem será revestido com um tubo de revestimento de furo de sondagem 120, que é usado para prover suporte estrutural ao furo de sondagem. Este tubo de revestimento 120 é frequentemente feito de um material condutivo, tal como aço, em cujo caso ele cooperará com a linha 102, a fim de formar uma linha de transmissão coaxial, e não é necessário prover qualquer meio condutivo adicional. Onde o tubo de revestimento não for condutivo, uma luva condutiva (não mostrada) pode ser provida dentro do tubo de revestimento, a fim de formar a estrutura coaxial. A fim de manter um afastamento entre a linha 102 e o tubo de revestimento 102, o aparelho 100 pode incluir aneis dielétricos 122 dispostos periodicamente ao longo da linha condutiva 102.[0021] In a typical drilling application, the borehole will be lined with a
[0022] Os espaçadores podem, por exemplo, ser configurados como centralizadores isolados, que podem ser discos formados de qualquer material adequado, incluindo mas não limitado a náilon ou politetrafluoroetileno (PTFE). Embora a forma de realização ilustrada faça uso de uma linha de transmissão coaxial, considera-se que formas de realização alternativas de uma linha de transmissão possam ser empregadas, tais como uma linha condutiva única, linhas condutivas dispostas em pares, ou um guia de onda. Por exemplo, o tubo de revestimento sozinho pode atuar como um guia de onda para certas frequências de ondas eletromagnéticas. Além disso, comprimentos de cabo coaxial podem ser usados em toda ou parte da linha. Tal cabo coaxial pode ser particularmente útil quando fluido dielétrico não pode ser usado dentro do tubo de revestimento 120 (por exemplo, quando água salgada ou outro fluido condutivo estiver presente no tubo de revestimento 120).[0022] Spacers can, for example, be configured as isolated centralizers, which can be discs formed from any suitable material, including but not limited to nylon or polytetrafluoroethylene (PTFE). Although the illustrated embodiment makes use of a coaxial transmission line, it is considered that alternative embodiments of a transmission line can be employed, such as a single conductive line, conductive lines arranged in pairs, or a waveguide . For example, the sheath tube alone can act as a waveguide for certain frequencies of electromagnetic waves. In addition, coaxial cable lengths can be used for all or part of the line. Such a coaxial cable can be particularly useful when dielectric fluid cannot be used inside sheath tube 120 (for example, when salt water or other conductive fluid is present in sheath tube 120).
[0023] Uma parte da sonda 124 é localizada próxima à extremidade distal do aparelho 100. Em princípio, parte da sonda pode estar localizada em qualquer ponto ao longo do comprimento da linha de transmissão. Na verdade, tais múltiplas partes de sonda podem ser colocadas em intervalos ao longo do comprimento. Em princípio, a multiplexação de comprimento de onda na linha coaxial poderia ser usada para permitir múltiplas sondas usarem uma única linha de comunicação sem interferência entre si.[0023] A part of the
[0024] A parte de sonda pode incluir uma abertura 126, que é configurada para transmitir pressões e/ou temperaturas ambientes do fluido, presente no furo de sondagem, para dentro da sonda, onde podem ser medidas pelo sensor (não mostrado na Figura 1). Abaixo da sonda é ilustrado um obturador 128 e dentes de obturador 130.[0024] The probe part may include an
[0025] A Figura 2 é uma esquemática elétrica ilustrando uma parte do fundo de poço de uma forma de realização do sistema de acordo com a invenção. Um terminador RC 200 é destinado a reduzir ou eliminar reflexões no terminal de linha. Do terminal de linha, o trajeto do sinal de energia depende em se ele é um sinal DC ou AC. O DC aplicado adotará o trajeto superior 202, através do indutor de elevada indutância 204 (que pode ser, por exemplo, cerca de 1mH), e passará através do diodo 206, chegando à saída de energia DC 208 à direita da Figura. Por outro lado, o AC aplicado passará através do indutor de indutância relativamente inferior 212 (que pode ser, por exemplo, cerca de 17 pH). A energia AC passa através de um transformador de energia 214 e de um retificador de ponte 216, para produzir energia DC da mesma parte de saída de energia DC do circuito 208. Os sensores produzem um sinal (geralmente um sinal RF), que é aceito na parte de entrada do sensor RF do circuito 218 e acoplado novamente ao par condutivo para transmissão para a superfície.[0025] Figure 2 is an electrical schematic illustrating a bottom part of an embodiment of the system according to the invention. An RC 200 terminator is designed to reduce or eliminate reflections on the line terminal. From the line terminal, the path of the power signal depends on whether it is a DC or AC signal. The applied DC will adopt the
[0026] Os inventores determinaram que uma tubagem de poço eletricamente isolada possibilitaria melhor emparelhamento da impedância da tubagem de poço com respeito a um sinal RF sendo propagado. Adicional e concorrentemente, um tal isolador possibilitaria a transmissão de energia AC e DC ao longo da tubulação para funções de energia mais profundas no poço. Um método e aparelho de comutação de energia passiva permite a aplicação seletiva de energia aos circuitos e cargas de fundo de poço.[0026] The inventors determined that an electrically insulated well tubing would make it possible to better match the impedance of the well tubing with respect to an RF signal being propagated. Additionally and concurrently, such an insulator would allow the transmission of AC and DC energy along the pipeline for deeper energy functions in the well. A passive energy switching method and apparatus allows the selective application of energy to the downhole circuits and loads.
[0027] A implementação física de um isolador de tubagem de poço (DC) geralmente requer componentes mecânicos robustos, que, quando combinados dentro da unidade, podem confiavelmente suportar até 90,72 Kg de tubos de tubagem de poço, suportar fortes torques de acoplamento, e suportar abuso químico e ambiental.[0027] The physical implementation of a well pipe insulator (DC) generally requires robust mechanical components, which, when combined within the unit, can reliably support up to 90.72 kg of well pipe tubes, withstand strong coupling torques , and withstand chemical and environmental abuse.
[0028] E m teoria, um isolador pode ser nada mais do que um interruptor dielétrico em uma parte da tubulação do outro lado sólida. Na prática real, um tal isolador precisa encaixar dentro dos tubos de revestimento de poço com suficiente folga, exibir baixa capacitância de extremidade-com-extrem idade, ser capaz de manter separadas muitas centenas de volts de potencial aplicado e, talvez, mais importante, ser recebido pelos administradores do local do poço com a confiança de que não falhará. Aspectos de projeto integrado à prova de falhas podem também ser úteis ou requeridos para aceitação por usuários.[0028] In theory, an insulator can be nothing more than a dielectric switch in a solid part of the pipe on the other side. In actual practice, such an insulator needs to fit into well casing tubes with sufficient clearance, exhibit low end-to-end capacitance, be able to keep many hundreds of volts of applied potential separate, and perhaps most importantly, be received by the administrators of the well site with the confidence that it will not fail. Aspects of integrated fail-safe design may also be useful or required for acceptance by users.
[0029] De acordo com uma forma de realização da invenção, uma técnica para isolamento DC inclui uma cerâmica ou outro isolador não-condutivo inserido em série com a tubagem de poço. Este pode ser, por exemplo, integrado a uma seção de 121,92 cm de tubos, comumente referida como uma “sub”.[0029] According to an embodiment of the invention, a technique for DC insulation includes a ceramic or other non-conductive insulator inserted in series with the well tubing. This can, for example, be integrated into a 121.92 cm section of tubes, commonly referred to as a “sub”.
[0030] As partes de cerâmica e tubagem podem ser presas entre si e devem ser conectadas sem eletricamente curto-circuitar as partes da tubulação entre si. Um revestimento isolante pode ser aplicado às superfícies interna e externa da unidade como proteção da parada elétrica através do vão.[0030] The ceramic and tubing parts can be attached to each other and must be connected without electrically shorting the parts of the tubing together. An insulating coating can be applied to the internal and external surfaces of the unit to protect the electrical stop through the span.
[0031] Em uma forma de realização, o RF (sinal de sensor) e a conexão DC (energia) são produzidos para a tubagem através de uma conexão comum, com separação do sinal manipulada eletronicamente de fora do poço.[0031] In one embodiment, the RF (sensor signal) and the DC (energy) connection are produced for the pipeline through a common connection, with the signal separation handled electronically from outside the well.
[0032] Múltiplas topologias mecânicas foram traçadas e construídas. Muitas exibiram valores de resistência elétrica muito baixos para uso prático. Na prática, valores de isolamento de 2.000 ohms ou maiores com provaram-se úteis.[0032] Multiple mechanical topologies have been traced and built. Many exhibited very low electrical resistance values for practical use. In practice, insulation values of 2,000 ohms or greater have proven useful.
[0033] Um exemplo de uma instalação, de acordo com uma forma de realização da invenção, é esquematicamente ilustrado na Figura 3. No exemplo da Figura 3, o sinal de energia gerado na superfície é um sinal AC suprido à entrada 300. O sinal AC é acoplado em um par condutor, via núcleos de energia 302, que pode ser do tipo transformador de ferrita descrito acima em relação à Figura 1. A Figura 4 ilustra uma abordagem alternativa em que o sinal de energia é um sinal DC.[0033] An example of an installation, according to an embodiment of the invention, is schematically illustrated in Figure 3. In the example of Figure 3, the energy signal generated on the surface is an AC signal supplied to input 300. The signal AC is coupled to a conductive pair, via
[0034] Como pode ser visto pelas Figuras 3 e 4, uma diferença primordial é o uso de um transformador, que pode ser, por exemplo, um transformador toroidal produzido com núcleos enrolados em fita nos tubos da tubagem de poço apenas abaixo da cabeça de poço e acima de um conjunto de núcleos de ferrita RF 304. Nesta abordagem, um pequeno número de voltas compõe o enrolamento primário do transformador, com a tubagem de poço compondo o enrolamento secundário do transformador. Em um exemplo, ele pode ser um enrolamento secundário de única volta. O módulo sensor 310 e o centralizador de mola em arco 312, usados no acesso do isolador DC, permanecem inalterados em uma tal aplicação AC.[0034] As can be seen by Figures 3 and 4, a primary difference is the use of a transformer, which can be, for example, a toroidal transformer produced with cores wrapped in tape in the well tubing tubes just below the head of well and above a set of
[0035] Desta maneira, os sinais de energia gerados pelo suprimento de força 318 são providos ao módulo sensor 310 do transformador inferior 304. Na direção contrária, o módulo sensor 310 gera sinais de comunicação que são transmitidos ao transformador inferior 304. Os sinais de comunicação são conduzidos até a coluna de tubagem do transformador superior 302 e então transmitidos ao receptor 320 do sistema de superfície 500 (como ilustrado na Figura 5). O trajeto elétrico é completado aterrando-se a coluna de tubagem nos lados não usados dos transformadores superior e inferior, e aterrando-se o sistema de superfície e módulo sensor 310. Na prática, o tubo de revestimento é geralmente aterrado. Assim, a coluna de tubagem, acima do transformador superior, pode ser aterrada acoplando- se a coluna de tubagem ao tubo de revestimento através da cabeça de poço. A coluna de tubagem, abaixo do transformador inferior 304, pode ser aterrada conectando-se a coluna de tubagem ao tubo de revestimento, via o centralizador de mola em arco 312, por exemplo.[0035] In this way, the energy signals generated by the power supply 318 are supplied to the
[0036] Em uma forma de realização, os transformadores são formados empregando-se a coluna de tubagem como um dos enrolamentos de cada transformador. Por exemplo, no transformador superior, o sinal de energia do sistema de superfície é transmitido para o enrolamento primário de um transformador toroidal posicionado em torno da coluna de tubagem. A própria coluna de tubagem é o enrolamento secundário de única volta do transformador para o circuito de energia. Similarmente, o transformador inferior é outro transformador toroidal circundando a coluna de tubagem e inclui, para o circuito de energia, um enrolamento primário, que é a própria coluna de tubagem, e um enrolamento secundário, que é conectado ao módulo sensor 310. No circuito de comunicação, sinais são transmitidos usando-se os mesmos transformadores, embora (quando comparados ao circuito de energia) os rolos dos enrolamentos primário e secundário em cada transformador sejam invertidos.[0036] In one embodiment, transformers are formed using the pipe column as one of the windings of each transformer. For example, in the upper transformer, the energy signal from the surface system is transmitted to the primary winding of a toroidal transformer positioned around the pipe column. The piping column itself is the secondary single-turn winding from the transformer to the power circuit. Similarly, the bottom transformer is another toroidal transformer surrounding the pipe column and includes, for the energy circuit, a primary winding, which is the pipe column itself, and a secondary winding, which is connected to the
[0037] Em uma forma de realização, a técnica para isolamento AC inclui um isolante integrado em uma seção em curto-circuito da tubulação de aço, incorporando AC e RF magnéticos. A separação de conexões elétricas AC e RF (300, 314, respectivamente) pode ser feita através de um suporte de cabeça de poço 316. Uma impedância adequada para o sinal RF pode ser estabelecida por seleção do material magnético RF. Uma impedância adequada para a fonte AC pode ser estabelecida por seleção das características do transformador AC.[0037] In one embodiment, the AC insulation technique includes an insulator integrated into a short-circuited section of the steel pipe, incorporating magnetic AC and RF. The separation of AC and RF electrical connections (300, 314, respectively) can be done through a
[0038] Nesta abordagem, a impedância RF, estabelecida pelos magnéticos RF, é também afetada pela presença dos magnéticos AC, que representam uma impedância muito elevada para RF. Como tal, pode ser necessário prover um trajeto elétrico em tomo dos magnéticos AC para a cabeça de poço das correntes RF percorrendo acima da tubagem de poço do pacote sensor 310. Nesse caso, duas diferentes conexões elétricas para a cabeça de poço seriam requeridas.[0038] In this approach, the RF impedance, established by the RF magnets, is also affected by the presence of the AC magnets, which represent a very high impedance for RF. As such, it may be necessary to provide an electrical path around the magnetic AC for the wellhead of the RF currents running above the well tubing of the 310 sensor package. In this case, two different electrical connections for the wellhead would be required.
[0039] Na prática, as frequências de energia podem ser entre 5kHz e 200kHz, por exemplo. Por outro lado, as frequências RF dos dados podem ser entre 3MHz e 8MHz. Em uma forma de realização, a energia é suprida em uma faixa entre 1 e 10kHz e os dados são transmitidos empregando-se um esquema de modulação por manipulação de desvio de frequência em frequências na faixa entre 15 e 30kHz. As frequências de energia acima da faixa RF são, em teoria, utilizáveis. As frequências de dados de sensor podem também ser selecionadas de fora das faixas anteriores. Em razão das frequências de transmissão dos sinais de energia e sensor serem diferentes, é possível separá-las usando-se filtragem do sistema de superfície 500 e/ou do módulo sensor 310.[0039] In practice, energy frequencies can be between 5kHz and 200kHz, for example. On the other hand, the RF frequencies of the data can be between 3MHz and 8MHz. In one embodiment, the energy is supplied in a range between 1 and 10kHz and the data is transmitted using a modulation scheme by manipulating frequency deviation in frequencies in the range between 15 and 30kHz. Energy frequencies above the RF range are, in theory, usable. The sensor data frequencies can also be selected from outside the previous ranges. Because the transmission frequencies of the energy and sensor signals are different, it is possible to separate them using filtering from the
[0040] Como resultado da energia baseada em transformador e transmissão de comunicação, via a coluna de perfuração, pode não haver necessidade para limitar corrente ou direcionar dispositivos (isto é, dispositivos para garantir fluxos de corrente acima e abaixo da tubulação). Em razão de não haver necessidade de direcionar energia e transmissão de dados ao longo da coluna de tubulação, ela tende a ser menos susceptível à atenuação do que seria se dispositivos de direcionamento de corrente fossem requeridos. Isto, por sua vez, permite o uso de sensores de baixa-energia (por exemplo, de menos do que <10V) no módulo sensor. Estes sensores de baixa energia possibilitam ao sistema como um todo tolerar significativa atenuação entre a fonte de energia e os sensores de fundo de poço.[0040] As a result of transformer-based energy and communication transmission, via the drill string, there may be no need to limit current or direct devices (that is, devices to ensure current flows above and below the pipeline). Because there is no need to direct energy and data transmission along the pipe column, it tends to be less susceptible to attenuation than it would be if current directing devices were required. This, in turn, allows the use of low-energy sensors (for example, less than <10V) in the sensor module. These low-energy sensors allow the system as a whole to tolerate significant attenuation between the power source and the downhole sensors.
[0041] A Figura 6 é um diagrama em blocos de uma unidade de módulo sensor 600 de acordo com uma forma de realização da presente invenção. Como será observado, o módulo sensor 600 é similar ao arranjo ilustrado na Figura 2 e representa uma abordagem alternativa para ilustrar conceitos similares.[0041] Figure 6 is a block diagram of a sensor module unit 600 according to an embodiment of the present invention. As will be noted, the sensor module 600 is similar to the arrangement illustrated in Figure 2 and represents an alternative approach to illustrate similar concepts.
[0042] O módulo sensor 600 se conecta ao transformador inferior por meio de um barramento 602, que transporta tanto o sinal de energia como o sinal de dados do sensor. Um filtro de baixa passagem 604 passa o sinal de energia de baixa frequência para os circuitos de energia do módulo sensor, que é composto de um transformador 606, um retificador 608, e um regulador de voltagem 610. A energia é suprida para um microprocessador 612 e para um ou mais medidores digitais 614, cada um deles pode ser, por exemplo, um medidor Quartzdyne®, disponível pela Quartzdyne, Inc. da Salt Lake City, UT. Tais medidores constituem urn ressonador de quartzo e são frequentemente acondicionados juntamente com um circuito oscilatório acompanhante e processador (por exemplo, mostrador de frequência), e podem incluir cristais de referência e temperatura juntamente com seus respectivos circuitos oscilatórios.[0042] The sensor module 600 connects to the lower transformer through a 602 bus, which carries both the energy signal and the data signal from the sensor. A low-
[0043] A saída dos medidores 614 é provida ao processador 612, que processa os dados e emite um sinal de comunicação através de um modulador de frequência 616. O sinal de comunicação é passado de volta para a coluna de tubagem por meio do barramento 602 e do transformador inferior. Um filtro de baixa passagem 618 (que pode ser um capacitor), em combinação com o filtro de baixa passagem 604, isola o sinal de comunicação do trajeto de energia.[0043] The 614 meter output is provided to the 612 processor, which processes the data and outputs a communication signal through a 616 frequency modulator. The communication signal is passed back to the pipe column via the 602 bus and the lower transformer. A low-pass filter 618 (which can be a capacitor), in combination with the low-
[0044] Uma parte do sistema de superfície 500, que atua como um módulo de interface de medidor, é mostrada na forma de um diagrama em blocos em maiores detalhes na Figura 7. Um barramento 702 comunica-se com o transformador superior 302. Uma entrada em série 704 obtém energia de um suprimento de força, não mostrado. Uma MPU 706 controla a energia de entrada e emite a energia por meio de um filtro de baixa passagem 708, atenuador digital 710, e amplificador de força 712. Um monitor de energia 714 mede a energia emitida e retorna dados da energia medida para a MPU. Um segundo filtro de baixa passagem 716, que na forma de realização ilustrada é um indutor, passa o sinal de energia para o barramento 702 e exclui os sinais dos dados de mais elevada frequência que estão sendo retornados do módulo sensor. Os sinais dos dados, ao contrário, passam através de um filtro de baixa passagem 718 para um desmodulador 720 e de lá para a MPU 706. A saída da MPU pode ser passada via uma conexão Ethernet 722, ou outro tipo de conexão.[0044] A part of the
[0045] A Figura 8 é um diagrama em blocos ilustrando um arranjo similar àquele ilustrado na Figura 4 e representa uma abordagem alternativa para ilustrar conceitos similares. Como descrito acima, esta abordagem faz uso de subs de tubulação isolada de cerâmica, a fim de isolar uma parte da tubagem. Um sub de isolamento forma o isolante superior 319, enquanto outro forma o isolante inferior 321. Uma parte da tubulação intermediária 802 se torna a linha de transmissão para sinais e energia no sistema. Similarmente à forma de realização do transformador, a coluna de tubagem conduz sinais de energia de um ponto de conexão localizado logo abaixo do sub de tubulação isolada de cerâmica superior (isolante superior 319) para um ponto de conexão localizado logo acima do sub de tubulação isolada de cerâmica inferior (isolante inferior 321). Os sinais de energia são providos a uma unidade de módulo sensor/medidor 310 do ponto de conexão localizado logo acima do isolante inferior 321. Na direção contrária, o módulo sensor 310 gera sinais de comunicação que são transmitidos ao ponto de conexão localizado logo acima do isolante inferior 321. Os sinais de comunicação são conduzidos acima da coluna de tubagem para o ponto de conexão localizado logo abaixo do isolante superior 319, e em seguida transmitidos para o sistema de superfície 500. O trajeto elétrico é completado aterrando-se a coluna de tubagem acima da sub de tubulação isolada de cerâmica superior e abaixo da sub de tubulação isolada de cerâmica inferior e aterrando-se o sistema de superfície e módulo sensor. Na prática, o tubo de revestimento é geralmente aterrado. Assim, a coluna de tubagem acima da sub de tubulação isolada de cerâmica inferior pode ser aterrada acoplando-se a coluna de tubagem ao tubo de revestimento através da cabeça de poço. A coluna de tubagem, abaixo da sub de tubulação isolada de cerâmica inferior, pode ser aterrada conectando-se a coluna de tubagem ao tubo de revestimento, via um centralizador de curto-circuito de mola em arco, por exemplo.[0045] Figure 8 is a block diagram illustrating an arrangement similar to that illustrated in Figure 4 and represents an alternative approach to illustrate similar concepts. As described above, this approach makes use of insulated ceramic tubing subs in order to insulate a portion of the tubing. One insulation sub forms the
[0046] Em um teste experimental, os inventores dispuseram até 5181,6 m de cabo coaxial que combinavam as perdas de um teste de campo (isto é, simulavam a profundidade de um poço profundo típico). Um retificador/filtro de energia AC de onda-completa remoto foi provido na extremidade do cabo para prover energia DC para amplificar o sinal de sensor.[0046] In an experimental test, the inventors had up to 5181.6 m of coaxial cable that combined the losses of a field test (that is, they simulated the depth of a typical deep well). A remote full-wave AC power rectifier / filter was provided at the end of the cable to provide DC power to amplify the sensor signal.
[0047] Uma voltagem AC de 60 hertz de baixa frequência foi transmitida embaixo do cabo. Ela proveu cerca de 10 volts DC (fora do retificador/filtro) no término do cabo. Um sinal de sensor amplificado (pico de frequência) foi recebido na superfície empregando-se um detector de rádio HF. Esta organização permitiu recebimento de acima de 120 leituras por segundo na superfície.[0047] A low frequency 60 hertz AC voltage was transmitted under the cable. It provided about 10 volts DC (outside the rectifier / filter) at the end of the cable. An amplified sensor signal (peak frequency) was received at the surface using an HF radio detector. This organization allowed receiving more than 120 readings per second on the surface.
[0048] Em uma forma de realização, parâmetros, tais como pressão ou temperatura, são medidos (singular ou simultaneamente) em grande profundidade empregando-se o hardware de tubagem de poço tanto como o trajeto para energização dos sensores (e outros dispositivos associados), como para transportar sinais de dados dos sensores. Como tal, esta técnica usa o mesmo sistema de condução tanto para energia elétrica como para o trajeto de sinal dos dados de parâmetro. A energia aplicada pode ser energia DC e/ou AC em várias frequências, para acomodar uma multidão de usos de funções remotas energizadas inferiores ou energizadas superiores, incluindo sistemas de elevação artificiais (bombas).[0048] In one embodiment, parameters, such as pressure or temperature, are measured (singularly or simultaneously) in great depth using the well piping hardware as well as the path for energizing the sensors (and other associated devices) , as well as to carry data signals from the sensors. As such, this technique uses the same conduction system for both electrical energy and the signal path of the parameter data. The applied energy can be DC and / or AC energy at various frequencies, to accommodate a multitude of uses of lower energized or upper energized remote functions, including artificial lifting systems (pumps).
[0049] Esta técnica usa a tubagem de poço e tubo de revestimento como um par condutivo (CP), para transportar a energia para baixo dos dispositivos do grupo sensor energizado ou associado, remotos. Isto é realizado com um acoplador AC de núcleo magnético (semelhante a transformador) ou um membro de tubulação isolado 319, logo abaixo do suporte da coluna de tubagem (na superfície), e um membro de tubulação isolado similar 321, próximo à extremidade terminal da coluna de tubagem de uma aplicação DC. A tubulação é mantida no centro do tubo de revestimento- poço com espaçadores isolantes anulares (“centralizadores”), de modo que o par condutivo (tubagem e tubo de revestimento) não fique eletricamente em curto- circuito entre si. Da extremidade da coluna de tubagem, abaixo do membro de tubagem isolado inferior, deve haver um “obturador” condutivo ou centralizador de mola em arco 312, ou outro mecanismo para fazer contato com o tubo de revestimento para completar o circuito.[0049] This technique uses the well tubing and casing tube as a conductive pair (CP), to transport the energy below the devices of the energized or associated remote sensing group. This is done with a magnetic core AC coupler (similar to a transformer) or an
[0050] Como será observado, por separação/isolamento eletrônico de topo de poço de energia e sinal, este mesmo par condutor pode realizar tal trajeto para a cabeça de poço para processamento dos dados do conjunto sensor. Aqueles familiares com a arte compreenderão os métodos de filtragem de frequência seletivos empregados aqui para separar energia de sinal, e função de função. Este processo usa sensores que trasladam o parâmetro de interesse para um transmissor de Rádio Frequência (RF) de baixa energia. O portador de cada transmissor é modulado para prover os dados embutidos para instrumentação de nível de superfície. O portador RF é então demodulado nos eletrônicos de superfície para uso.[0050] As will be noted, by electronic separation / isolation of the top of the energy well and signal, this same conductor pair can make such a path to the wellhead for processing the data of the sensor set. Those familiar with the art will understand the selective frequency filtering methods employed here to separate signal energy, and function from function. This process uses sensors that transfer the parameter of interest to a low energy Radio Frequency (RF) transmitter. The carrier of each transmitter is modulated to provide the embedded data for surface level instrumentation. The RF carrier is then demodulated into the surface electronics for use.
[0051] Um segundo uso do arranjo CP do hardware de poço descrito aqui é para energizar um sistema de bomba submersível elétrico (ESP) para elevação artificial de fluidos nas zonas de produção. A energia elétrica enviada ao ESP, via a coluna de tubagem, pode ser empregada para energizar sistemas de sensor fixados com os sinais destes sensores usando o mesmo CP como o trajeto RF de volta para instrumentos de superfície.[0051] A second use of the CP arrangement of the well hardware described here is to energize an electric submersible pump (ESP) system for artificially elevating fluids in the production zones. The electrical energy sent to the ESP, via the pipe column, can be used to energize sensor systems fixed with the signals from these sensors using the same CP as the RF path back to surface instruments.
[0052] Em uma forma de realização, os métodos para comandar várias funções de fundo de poço poderiam ser realizados selecionando-se uma frequência de força específica que realizaria várias operações remotas separadas (isto é, controle de válvula de múltiplas zonas, etc.) usando-se redes seletivas de frequência ressonante no local da válvula remota.[0052] In one embodiment, the methods for controlling various downhole functions could be performed by selecting a specific force frequency that would perform several separate remote operations (i.e., multi-zone valve control, etc.) using resonant frequency selective networks at the remote valve location.
[0053] Aqueles hábeis na arte observarão que as formas de realização descritas aqui são somente por meio de exemplo, e que numerosas variações existirão. A invenção é limitada somente pelas reivindicações, que abrangem as formas de realização descritas aqui bem como variantes evidentes àqueles hábeis na arte. Além disso, deve-se observar que aspectos estruturais ou etapas do método, mostrados ou descritos em qualquer uma das formas de realização aqui, podem ser usados em outras formas de realização também.[0053] Those skilled in the art will note that the embodiments described here are by way of example only, and that numerous variations will exist. The invention is limited only by the claims, which encompass the embodiments described here as well as variants evident to those skilled in the art. In addition, it should be noted that structural aspects or steps of the method, shown or described in any of the embodiments here, can be used in other embodiments as well.
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