AT524521A1

AT524521A1 - Verfahren und Vorrichtung zur elektrischen Leistungsversorgung von zwei oder mehr technischen Einrichtungen

Info

Publication number: AT524521A1
Application number: ATA51064/2020A
Authority: AT
Inventors: VOGEL Astrid; Lindner Werner; Lamik-Thonhauser Bouchra
Original assignee: Think And Vision Gmbh
Priority date: 2020-12-07
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2022-06-15
Also published as: US20230421202A1; EP4256712A1; CA3200470A1; AU2021398363A1; WO2022122542A1

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur elektrischen Leistungsversorgung von zwei oder mehr technischen Einrichtungen (9), die an eine in einem Gestänge angeordnete, elektrische Versorgungsleitung (7a) mit einer Einspeisestelle (13) angeschlossen sind, und zur Datenübertragung zwischen der Einspeisestelle (13) und den technischen Einrichtungen (9), erfolgt die Leistungsversorgung der technischen Einrichtungen (9) mit im Wesentlichen konstanter Stromstärke (I). Die Datenübertragung von der Einspeisestelle (13) zu den technischen Einrichtungen (9) erfolgt über eine Modulation der Stromstärke (I) und die Datenübertragung von den technischen Einrichtungen (9) zur Einspeisestelle (13) erfolgt über eine Modulation der Spannung.

Description

Einspeisestelle und den technischen Einrichtungen.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zur elektrischen Leistungsversorgung von zwei oder mehr technischen Einrichtungen, die an eine in einem Gestänge angeordnete, elektrische Versorgungsleitung mit einer Einspeisestelle angeschlossen sind, und zur Datenübertragung zwischen der

Einspeisestelle und den technischen Einrichtungen.

Die Bohrindustrie benötigt ein System, das eine elektrische Energieübertragung und Datenübertragung während des

Bohrprozesses ermöglicht.

Ein wesentliches Element bei modernen Bohrprozessen, insbesondere bei Erdöl-, Erdgas- und Geothermiebohrungen, ist die Datenerfassung und die Steuerung der diversen Module des Bohrstranges während des Bohrvorganges. Das Gleiche gilt aber auch für die anschließende Erdöl-, Gas- bzw. Warmwasserproduktion, auf die sich die Erfindung ebenfalls bezieht. Ein Problem besteht allerdings bei der Echtzeitdatenübertragung von Messdaten zwischen den technischen Einrichtungen des Bohrstranges und der Oberfläche bzw. der dort angeordneten Einspeisestelle der Bohranlage. Die Daten sollen mit einer hohen Datenrate über mehrere Kilometer übertragen

werden.

Im Folgenden werden unter anderem - also lediglich beispielhaft und nicht ausschließlich - sowohl Einrichtungen und Module, z.B. sogenannte „Downhole Tools“, die elektrisch angetrieben werden, als auch Messeinrichtungen, Sensoren und dergleichen, die eine elektrische Stromversorgung benötigen und/oder Messdaten zur Steuerung des Bohrprozesses und/oder der Erdöl-, Gas- bzw.

Warmwasserproduktion liefern, als technische Einrichtungen im

Sinne der Erfindung bezeichnet. Die technischen Einrichtungen werden in der Folge auch als Knoten bezeichnet, die an eine elektrische Leitung am Gestänge der Bohr- oder Produktionsanlage

angeschlossen sind.

Um den konstruktiven Aufbau zu vereinfachen, erfolgt die Stromversorgung und Datenübertragung über eine gemeinsame elektrische Versorgungsleitung am Gestänge der Bohr- oder Produktionsanlage, wobei die Daten auf die Spannung in der Versorgungsleitung moduliert werden („Powerline Communication“ bzw. „PLC“). Gängige Verfahren verwenden zum Beispiel ein hochfrequentes Trägersignal, das moduliert und der Speisespannung überlagert wird. Durch die Kombination von Datenübertragung und Stromversorgung können teure Batterien in den technischen Einrichtungen am Gestänge weggelassen werden und

es erschließen sich neue Möglichkeiten der Sensorik im Bohrloch.

Im Gestänge wird eine breitbandige Datenverbindung benötigt, um z.B. die Daten von mehreren Messstellen, insbesondere nahe am Bohrkopf, möglichst schnell an die Oberfläche senden und so die Daten für die Planung eines optimalen Bohrfortschritts erhalten zu können. Die Bandbreite über ein langes Gestänge bzw. eine lange Versorgungsleitung ist allerdings begrenzt. Eine Anforderung besteht daher insbesondere in der Kommunikation mit mehreren Sende- bzw. Empfangsknoten entlang der Versorgungsleitung im Gestänge, wobei diese Kommunikation

gleichzeitig oder sequenziell erfolgen kann.

Aus der an der Versorgungsleitung bereitgestellten Energie erfolgt die Versorgung der einzelnen technischen Einrichtungen entlang des Gestänges über deren lokale Spannung. Entscheidend ist, dass sich die Funktionen der Spannungsversorgung und der Datenübertragung nicht gegenseitig negativ beeinflussen. Ein Konflikt besteht unter anderem darin, dass für die Spannungsversorgung eine niederohmige Leitung ideal ist, wogegen für die Datenübertragung eine Leitung mit einem definierten

Leitungswiderstand erwünscht ist.

Üblicherweise werden zur Stromversorgung technischer Einrichtungen, wie Module bzw. Messeinrichtungen, DC/DC Converter eingesetzt, um die Versorgungsspannung an der Leitung (üblicherweise 400V) auf Kleinspannung (üblicherweise 5V bis 24V) herunterzusetzen. Der Spannungsabfall entlang der Leitung ist aufgrund der Länge und des begrenzten Querschnittes Jedoch nicht zu vernachlässigen. An sehr weit entfernten Knoten kann dadurch zu wenig Speiseleistung vorhanden sein. Weiters ist der Platzbedarf galvanisch isolierter DC/DC Converter bei dem zur

Verfügung stehenden Bauraum ein Problem.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu

schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des

Anspruches 10.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt die Datenübertragung sowohl über die Stromdomäne als auch über die Spannungsdomäne, wobei dies in einer für die Energieversorgung der technischen Einrichtungen optimalen Weise kombiniert wird, indem die Datenübertragung im Bohrstrang in eine Richtung durch Modulation des Stromes und in die andere Richtung durch Modulation der Spannung erfolgt. Erfindungsgemäß ist eine gleichzeitige Datenübertragung in beiden Richtungen möglich, wodurch sowohl eine Übertragung von Daten von den technischen Einrichtungen zur Oberfläche bzw. zu der dort angeordneten Einspeisestelle als auch das Senden von beispielsweise Steuerbefehlen von der Oberfläche an unterschiedlichste technische Einrichtungen möglich ist, um z.B. einen gewünschten „Bohrpfad“ definieren

bzw. herstellen zu können. Im Gegensatz zur üblichen Methode der Spannungsversorgung der

Verbraucher wird erfindungsgemäß ein im Wesentlichen konstanter

aber einstellbarer, d.h. modulierbarer, Gleichstrom eingespeist.

technischen Einrichtungen fließt.

Die Kommunikation von einer technischen Einrichtung zur Oberfläche erfolgt durch die Modulation der Spannung am jeweiligen Knoten bzw. der dort angeschlossenen technischen

Einrichtung.

Damit ist eine Änderung der Leistungsaufnahme der technischen Einrichtung verbunden. Der Leistungsbedarf der technischen Einrichtung ist so abzustimmen, dass er stets kleiner ist, als die minimal zur Verfügung stehende Leistung. Überflüssige

Leistung wird thermisch umgesetzt und als Abwärme abgegeben.

Der gesamte Leistungsverbrauch ergibt sich aus dem Produkt des Stromes und der Summe der Spannungsabfälle entlang der Leitung

und der Knoten.

Im erfindungsgemäßen System wird dabei nicht zwischen Knoten für Kommunikation, Knoten für Energieversorgung und einer

Kombination dieser unterschieden.

Die im Stand der Technik übliche parallele Spannungsversorgung von Knoten bedeutet in der Praxis, dass die Versorgungsspannung eines Knotens wegen der Spannungsabfälle an der Leitung und der Stromaufnahme allenfalls vorgelagerter Knoten mit steigender Leitungslänge sinkt.

Ein ganz wesentlicher Nachteil dieses üblichen Verfahrens ist, dass der Leitungswiderstand in Verbindung mit dem negativen Eingangswiderstand eines Schaltreglers zu einem instabilen Betriebszustandes führen kann und somit die Leistungsversorgung am Knoten zusammenbricht. Ein Schaltnetzteil nimmt bei konstanter Last eine konstante Leistung in Form von Strom und Spannung am Eingang auf. Durch den aufgenommenen Strom ergibt sich ein Spannungsabfall an der Leitung und damit eine

reduzierte Eingangsspannung am Schaltnetzteil. Steigt der

Leistungsbedarf des Schaltnetzteils, so steigt sein Eingangsstrom, es steigt aber auch der Spannungsabfall entlang der Leitung und die Eingangsspannung am Schaltnetzteil sinkt ab. Das wiederum hat zur Folge, dass der Strom noch weiter steigt und das daraus resultierende weitere Absinken der Eingangsspannung schließlich zu einem Kippeffekt führt. Genauer betrachtet entsteht dieser, wenn der Leitungswiderstand größer ist als der Betrag des negativen differentiellen

Eingangswiderstandes des Netzteiles.

Dieser Kippeffekt kann durch die erfindungsgemäße Konstantstromversorgung der technischen Einrichtungen vermieden werden. Durch die Konstantstromversorgung ergibt sich ein konstanter Spannungsabfall an der Leitung und den technischen Einrichtungen. Die Knoten, d.h. die angeschlossenen technischen Einrichtungen, selbst arbeiten als Konstantspannungszweipole. Dadurch wird eine Spannungsänderung an einem beliebigen Punkt entlang der Stromschleife unverfälscht zur Oberfläche

übertragen.

Bei der Erfindung werden die Datenübertragung und die Energieversorgung in idealer Weise kombiniert. Der Nachteil, dass dadurch je nach Betriebszustand der Wirkungsgrad schlechter sein kann, spielt keine Rolle, weil an der Oberfläche genug Energie vorhanden ist und die Abführung der Abwärme problemlos möglich ist und beispielsweise durch Fluidströmung durch das Gestänge, insbesondere die Bohrspülung durch das Bohrgestänge,

erfolgen kann.

Erfindungsgemäß ist eine gleichzeitige Signal- bzw. Datenübertragung von zwei oder mehreren Knoten möglich, wenn diese mit unterschiedlicher Spannungsmodulation arbeiten und man damit das sich ergebende, mehrwertige Spannungssignal,

vorzugsweise direkt, dekodieren kann. Die Stromversorgung der Knoten ist erfindungsgemäß wesentlich

vereinfacht. Im Minimalfall reicht der Einbau eines

Konstantspannungszweipoles (z.B. Zenerdiode oder Z-Diode),

angeschlossenen Baugruppe ist.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist durch einen von der Versorgungsseite elektronisch begrenzbaren Strom auch ein eventueller Kurzschlussstrom auf diesen Wert begrenzt, was eine wesentliche Sicherheitskomponente darstellt, weil ein Kurzschluss mit Funkenbildung verbunden sein kann, was insbesondere bei Öl- und Gasbohrungen dramatische Folgen haben kann. Ein Kurzschlussfall ist somit unter Kontrolle, egal an welchem Punkt des Gestänges bzw. der Versorgungsleitung der

Kurzschluss auftritt.

Knoten fallen bei Verwendung von Halbleitern bei einem Defekt aufgrund der bekannten Ausfallsmechanismen von Halbleitern in den allermeisten Fällen als Kurzschluss aus. Beim erfindungsgemäßen System bleibt in so einem Fall die Energieversorgung und Datenübertragung im restlichen System

uneingeschränkt erhalten.

Eine Unterbrechung der von der Versorgungsleitung gebildeten Leiterschleife wird bereits beim Zusammenbau des Gestänges augenblicklich erkannt. Dafür ist keine Datenkommunikation nötig. Die Erkennung eines fehlerhaften Modules kann über eine AI- Messung (Stromänderung) und eine Auswertung von AU

(Spannungsänderung) erfolgen.

Die gesamte elektronische Instrumentierung im Gestänge benötigt keine Hochspannungsbauteile, weil an den Eingängen eines Knotens nur dessen Eingangsspannung von typisch 10V bis 20V (kann auch mehr oder weniger sein) anliegt, und nicht die Spannung zwischen Hin- und Rückleiter, wie es bei einer Konstantspannungsspeisung

(= Parallelschaltung aller Knoten) der Fall wäre.

Wenngleich die nachfolgend beschriebene Kombination erfindungsgemäß nicht zwingend ist, ist bei der Erfindung daher eine Kombination der Verwendung einer Konstantstromquelle auf

der Einspeiseseite, der Einsatz von Konstantspannungsdioden

Modulen ganz wesentlich.

Bei dieser besonders bevorzugten Kombination verursacht der Jeweils nicht für die Versorgung benötigte Strom als Produkt mit der Spannung der Konstantspannungsdiode eine Verlustleistung, die an die Umgebung abgeführt wird. Durch die bei Gestängen in Bohrungen sehr gute thermische Ankopplung an die Umgebung ist das einfach möglich. Die Datenübertragung von der Oberseite, d.h. der Einspeisestelle, zu den Modulen entlang der Versorgungsleitung erfolgt durch Modulation des Speisestroms. Damit werden die Daten zeitgleich an alle Module entlang der Leitung übertragen, weil diese für die Stromversorgung in Serie und im Sinne der Datenübertragung in gewisser Weise parallel

geschaltet sind.

Bei dieser besonders bevorzugten Kombination besitzt die steuerbare Stromquelle weiters einspeiseseitig einen hohen Ausgangswiderstand, sodass die Terminierung der Leitung in einfacher Form mit einem RC-Netzwerk möglich ist. Entlang des Gestänges bzw. der Versorgungsleitung werden die Impedanzverhältnisse der Leitung durch die Serienschaltung von Konstantspannungszweipolen nur unwesentlich beeinflusst. Hier kommt es auf deren Impedanz zwischen den Leitern beziehungsweise dem Gehäuse an, was sich konstruktiv in Grenzen halten lässt. Über den fließenden Schleifenstrom ist eine einfache Kontrolle möglich, ob alle Module in der Schleife versorgt werden. Bei

einer Erhöhung des Schleifenstromes lässt sich über das Maß der

Modulen und dem Anteil der Leitung zuzuordnen ist.

Wie erwähnt erfolgt für die Übertragung von der Oberfläche zu den Modulen eine Modulation des Speisestroms. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werten die Module diese Stromänderung über einen in Serie mit der Stromschleife

geschalteten Widerstand aus.

Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung kann eine zweiwertige Kodierung in Form von zwei unterschiedlichen Stromstärken oder eine mehrwertige Kodierung verwendet werden. Erfindungsgemäß können auch beliebige komplexere Formen einer Kodierung verwendet werden. Die Wahl der Kodierung und Datenrate

hängt vornehmlich von den Dämpfungseigenschaften der Leitung ab.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird für die Modulation der Spannung zur Kodierung und Übertragung der Daten von einem Modul zur Oberfläche bzw. Einspeisestelle zum für die Spannungsversorgung verwendeten Konstantspannungszweipol (z.B. Zenerdiode oder Z-Diode) ein weiterer, steuerbarer Zweipol in Serie geschaltet. Dessen Spannungsabfall liegt typisch im Bereich von 0,1V bis 10V, kann aber auch oberhalb oder unterhalb dieser Grenzen liegen. Durch die Anordnung dieser steuerbaren Konstantspannungszweipole innerhalb der Stromschleife tritt die Spannungsänderung auch an den Ausgängen der Konstantstromquelle an der Einspeisestelle auf. Die Konstantstromquelle bzw. die Steuerung kann die Spannungsänderungen auswerten, dekodieren und

den Datenstrom ausgeben.

Informationstechnisch können die Module bei der Datenübertragung gleichberechtigt sein. Über einen Auswahlprozess kann festgelegt

werden, welches Modul sendet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind alle

technischen Einrichtungen gleichwertige Empfänger für das

modulierte Signal. Dementsprechend erfolgt die Art der

Kommunikation grundsätzlich von der Oberfläche nach unten zu allen technischen Einrichtungen und jeweils von einer technischen Einrichtung von unten nach oben zur Oberfläche. Eine Datenübertragung zwischen technischen Einrichtungen ist im

Rahmen der Erfindung nicht ausgeschlossen.

Erfindungsgemäß sendet vorzugsweise nur ein Modul, wobei bei entsprechender Kodierung der Daten ein gleichzeitiges Senden mehrerer Module auch möglich ist. Die Sendedaten treten dann als Summe der ausgegebenen Spannungen an der speiseseitigen Stromquelle (Konstantstromquelle an der Einspeisestelle) auf. Auch hier ist die einfache Einkopplung der Sendedaten in die

Versorgungsleitung von großem Vorteil.

Die Module benötigen weder auf der Empfangs- noch auf der Sendeseite magnetische Übertrager und es besteht keine Einschränkung bezüglich der untersten Datenrate. Die Übertragung ist daher in beide Richtungen auch für eine Non-Return-to-Zero

Kodierung geeignet.

Eine automatische Bestimmung der verfügbaren Datenrate kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung so ablaufen, dass von der Oberseite bzw. Einspeisestelle rechteckförmige Stromänderungen ausgesendet werden, die Signalform downhole bewertet wird und daraus auf die Dämpfung der Leitung rückgeschlossen werden kann. Damit passt sich das System automatisch an die maximal verfügbare Datenrate abhängig von der

Leitungslänge an.

Die beständige Bereitstellung von elektrischer Energie erfolgt prinzipiell gleich für jedes Modul, allerdings ist eine höhere Energieentnahme mit einem höheren Spannungsabfall an der Konstantspannungsdiode verbunden. Dementsprechend ist gegebenenfalls ein DC/DC Converter erforderlich, um höhere

Ströme am Ausgang der Module bereitzustellen.

Durch die Regelung der primärseitigen Spannung der DC/DC

Converter können im einfachsten Fall ungeregelte Übertrager

verwendet werden. Die Ausgangsspannung ergibt sich daher näherungsweise als Funktion der Eingangsspannung mit dem Windungsverhältnis. Damit erübrigt sich die Notwendigkeit einer Spannungsregelung an der Sekundärseite oder einer Rückführung der Ausgangsspannung an die Primärseite zum Zweck einer Spannungsregelung. Das ist insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen von Vorteil, weil für komplexe Spannungsversorgungen im Hochtemperaturbereich keine oder nur

wenige geeignete Bauteile zur Verfügung stehen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, den Schutzbereich nicht beschränkender, Ausführungsbeispiele der Erfindung unter

Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Bohranlage,

Fig. 2 schematisch die Versorgungsleitung eines Gestänges der Bohranlage,

Fig. 3 eine Schaltung zum Auswerten des modulierten Stromes,

Fig. 4 eine Schaltung zum Modulieren der Spannung,

Fig. 5 eine Schaltung zur Terminierung der Versorgungsleitung,

Fig. 6 eine Schaltung zur Modulation des Stromes und Begrenzung des Kurzschlussstromes,

Fig. 7 eine erste Möglichkeit zur Modulation der Stromstärke,

Fig. 8 eine weitere Möglichkeit zur Modulation der Stromstärke,

Fig. 9 ein Diagramm betreffend die Bestimmung der verfügbaren Datenrate,

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer seriellen Datenübertragung, und

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer parallelen

Datenübertragung.

In den Zeichnungen sind Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, die aber nur beispielhaft sind, und, abgesehen von den erfindungsgemäßen Merkmalen, wie sie in den Ansprüchen definiert sind, im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezüglich

vieler Komponenten auch anders ausgeführt und/oder kombiniert

sein können, ohne dass dies im Folgenden einer besonderen

Erwähnung bedarf.

In Fig. 1 ist schematisch eine Bohranlage 1 mit einem Bohrturm 2 dargestellt, mit der über einen Antrieb 3, einen sogenannten „Top Drive“, zu einem Bohrstrang verbundene Gestängerohre 4 drehend angetrieben werden, um eine Bohrung 5 herzustellen. Es versteht sich, dass der Aufbau der Bohranlage 1 lediglich beispielhaft ist und auch auf verschiedene andere, aus dem Stand

der Technik bekannte Arten ausgeführt sein kann.

Die Gestängerohre 4 sind über Kupplungen 6 zu einem Gestänge verbunden, wobei in den Gestängerohren 4 elektrische Leiter 7 angeordnet sind, die beispielsweise wie in der WO 2013/126936 A dargestellt und beschrieben innerhalb der Gestängerohre 4 verlaufen können. Die Kupplungen 6 ermöglichen grundsätzlich eine galvanische Verbindung der in den einzelnen Gestängerohren 4 verlaufenden elektrischen Leiter 7 und können beispielsweise wie in der WO 2010/141969 A dargestellt und beschrieben aufgebaut sein. Ein anderer Verlauf der elektrischen Leiter 7 innerhalb der Gestängerohre und ein anderer Aufbau der Kupplungen 6 sind selbst verständlich ebenso möglich, solange eine galvanische Verbindung der elektrischen Leiter 7 im Bereich

der Kupplungen 6 hergestellt wird.

Am Ende des untersten Gestängerohres 4 des Gestänges befindet sich ein Bohrkopf 8. Im Bohrkopf 8 und im Übrigen auch an bzw. in einigen, gegebenenfalls auch allen, Gestängerohren 4 befinden sich elektrische Verbraucher, Sensoren, Module oder dergleichen, die als technische Einrichtungen 9 bezeichnet werden und an die elektrischen Leitern 7 angeschlossen sind, die im miteinander

verbundenen Zustand eine Versorgungsleitung 7a bilden.

An der Oberfläche, d.h. über dem Boden 11 oder beispielsweise einer Plattform einer Anlage im Meer, auf der die Bohranlage 1 angeordnet ist, befindet sich in einem geschützten Bereich, beispielsweise einem Gebäude 12, einem Container oder

dergleichen, eine Einspeisestelle 13 für elektrische Energie,

die über eine Verbindungsleitung 14 in den elektrischen Leiter 7 des obersten Gestängerohres 4 und somit in die

Versorgungsleitung 7a eingespeist werden kann.

Die Verbindung der Verbindungsleitung 14 mit dem Leiter 7 des obersten Gestängerohres 4 kann beispielsweise im „Top Drive“ 3 mittels einer Vorrichtung, wie sie in der Österreichischen

Patentanmeldung Nr. A 100/2020 beschrieben ist, erfolgen.

Die Einspeisestelle 13 ist in einer Steuereinheit 15 angeordnet, in der sich eine spannungsgesteuerte Konstantstromquelle 16 und eine elektronische Steuer- und Auswerteeinheit 17 befinden. Es versteht sich, dass sich die Konstantstromquelle 16 und die Steuer- und Auswerteeinheit 17 nicht wie dargestellt in räumlicher Nähe bzw. in einer einzigen Steuereinheit 15 befinden

müssen.

In Fig. 2 ist ein einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer durch die elektrischen Leiter 7 gebildeten Versorgungsleitung 7a, die mit der Verbindungsleitung 14 eine geschlossene Leiterschleife bildet, dargestellt. Eine Gleichspannungsquelle 18 erzeugt eine Gleichspannung U und die Konstantstromquelle 16 einen konstanten Strom I. Die Widerstände 19 repräsentieren die Widerstände der Verbindungsleitung 14 und der elektrischen Leiter 7 in den einzelnen Gestängerohren 4, An die Versorgungsleitung 7a ist eine beliebige Anzahl von technischen Einrichtungen 9; bis 9, angeschlossen, und zwar parallel zu Dioden 211 bis 21.2», die Jeweils einen Spannungsabfall AU; bis AU, erzeugen, der jeweils die Versorgungsspannung der technischen Einrichtungen 9 definiert. Aufgrund der Stromversorgung über eine Konstantstromquelle 16 und des definierten Spannungsabfalles über die Dioden 21 ist eine konstante und stabile Leistungsversorgung der technischen

Einrichtungen 9 gewährleistet. In Fig. 3 ist eine Schaltung zum Auswerten des modulierten

Stromes zur Datenübertagung von der Einspeisestelle 13 zu einer

technischen Einrichtung 9, bis 9, dargestellt, bei der die

technischen Einrichtungen 9; bis 92 diese Stromänderung über Jeweils einen in Serie geschalteten Widerstand 22 auswerten, an dem die Stromänderungen als den Spannungsabfall U am Widerstand überlagernde Spannungsänderung AU: messbar sind. Die Modulation des Stromes kann beispielsweise durch die Konstantstromquelle 16 erfolgen und wird von allen technischen Einrichtungen 91,1 bis 94, die mit einer derartigen oder auch einer anderen geeigneten Schaltung ausgestattet sind, erfasst, ausgewertet und, sofern eine Einrichtungen 9; bis 91, erkennt, dass sie adressiert ist,

verarbeitet.

Fig. 4 zeigt eine Schaltung zum Modulieren der Spannung zur Datenübertragung von einer technischen Einrichtung 9 zur Einspeisestelle 13. Die technische Einrichtung weist in dieser Ausführungsform der Erfindung einen DC/DC Converter 23 auf, um die Versorgungsspannung an der Leitung 7a auf eine niedrigere Spannung zur Versorgung eines Modules, Sensors oder dergleichen herunterzusetzen. Weiters weist die technische Einrichtung in dieser Ausführungsform der Erfindung die bereits mit Bezug auf Fig. 3 beschriebene Schaltung zum Auswerten des modulierten Stromes zur Datenübertagung von der Einspeisestelle 13 zur technischen Einrichtung 9 auf. Zusätzlich weist die Schaltung eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle 24 auf, mit der die Spannung in der Versorgungsleitung 7a zur Datenübertragung modulierbar ist, die an der Einspeisestelle 13 als modulierte

Empfangsspannung U: messbar und auswertbar ist.

In Fig. 5 ist ein Beispiel für die Terminierung der Leitung 7a mit einem RC-Netzwerk dargestellt, das aus einem Widerstand 25 und einem in Serie dazugeschalteten Kondensator 26 besteht. Der Widerstand 27 stellt den Widerstand bzw. die Impedanz der Leitung 7a dar. Auf der linken Seite des Schaltbildes von Fig. 5 ist das einspeiseseitige Ende der an die Versorgungsleitung 7a angeschlossenen Verbindungsleitung 14 mit der

Konstantstromquelle 16 dargestellt.

In Fig. 6 ist die Schaltung zur Modulation des Stromes und der

Begrenzung des Kurzschlussstromes detaillierter dargestellt. Die

Gleichspannungsquelle 18 stellt eine einstellbare bzw. modulierbare Gleichspannung Ve zur Verfügung, die über eine Zenerdiode 28 auf eine maximale Spannung Ve max begrenzt wird. Über die Spannung Ve, die an einem Eingang 30 eines Operationsverstärkers 29 anliegt, wird der einstellbare bzw. modulierbare Gleichstrom I am Ausgang 31 des Operationsverstärkers 29 gesteuert, wobei der Strom I=Va/R und im Falle eines Kurzschlusses - der maximale Strom Imax=”Ve max/R ist. Ein FET 34 bildet in Verbindung mit seinem Widerstand 35 einen spannungsgesteuerten Stromzweipol als Stromgegenkopplung. Der FET hat per se bereits einen hohen differentiellen Ausganswiderstand. Die Präzision wird durch die genauere Einstellung der Gatespannung am Operationsverstärker 29

gesteuert.

In Fig. 7 ist eine erste Möglichkeit zur Modulation der Stromstärke dargestellt, bei der mit unterschiedlich stark modulierten Stromstärken unterschiedliche technische Einrichtungen 9 angesprochen bzw. angesteuert werden können. Es kann beispielsweise eine erste technische Einrichtungen 9; mit einer kleineren modulierten Stromstärke AI:, eine zweite technische Einrichtungen 9, einer mittleren modulierten Stromstärke AI; und eine dritte technische Einrichtungen 93 mit

einer größeren modulierten Stromstärke AIz angesteuert werden.

Fig. 8 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Modulation der Stromstärke, bei der in der im Diagramm links dargestellten Variante wie in Fig. 7 eine sogenannte „Non-Return-to-Zero“ (NRZ) Modulation und in der im Diagramm rechts dargestellten Variante eine sogenannte „Return-to-Zero“ (RZ) Modulation angewendet wird, um unterschiedliche technische Einrichtungen 9

anzusteuern. Die beiden Möglichkeiten von Fig. 7 und 8 können natürlich

miteinander kombiniert und gegebenenfalls mit weiteren

Modulationsarten kombiniert werden.

Fig. 9 zeigt in Form eines Diagrammes, wie die Bestimmung der verfügbaren Datenrate erfolgen kann. Es kann beispielsweise eine Stromänderung in Form rechteckförmiger Signale 32 in die Leitung 7a eingespeist werden. Aufgrund der Dämpfung der Leitung 7a werden die Rechtecksignale verzerrt und kommen am unteren Ende der Leitung 7a am Bohrkopf 8 in der mit 33 gekennzeichneten Form an. Wenn die Signale logisch 0 und logisch 1 gerade noch klar unterschieden werden können, ist die maximale Datenrate

erreicht.

In Fig. 10 ist schematisch eine serielle Datenübertragung von der untersten technischen Einrichtung 9„, z.B. im Bohrkopf 8, über die technischen Einrichtungen 93, 9; und 9; bis zur Steuereinheit 15 dargestellt. Die einzelnen Signale Sp, Ss und S,; werden seriell bzw. zeitlich nacheinander zur Steuereinheit 15

gesendet.

Fig. 11 zeigt schematisch eine parallele Datenübertragung von der untersten technischen Einrichtung 9, über die technischen Einrichtungen 93, 9, und 9, bis zur Steuereinheit 15. Die einzelnen Signale Sa, S3 und Sz werden parallel bzw. gleichzeitig zur Steuereinheit 15 gesendet. Die Daten bzw. Signale müssen in diesem Fall in der Spannungsdomäne unterschiedlich moduliert sein, damit sie von der Steuereinheit korrekt den einzelnen technischen Einrichtungen 91 bis 9,” zugeordnet und ausgewertet

werden können.

Die in Verbindung mit den Fig. 2 bis 11 dargestellten Schaltungen und deren einzelne Komponenten sind sowohl hinsichtlich ihrer Anzahl als auch ihres Aufbaus in Abhängigkeit von den Anforderungen, die sich durch die technischen Einrichtungen ergeben, beliebig miteinander kombinierbar und auch durch weitere schaltungstechnische Komponenten ersetzbar oder ergänzbar. Das Gleiche gilt auch für die beschriebenen Modulationsverfahren, die sowohl untereinander als auch mit den beschriebenen Schaltungen und deren einzelne Komponenten

beliebig kombiniert werden können.

Claims

Patentansprüche:

Verfahren zur elektrischen Leistungsversorgung von zwei oder mehr technischen Einrichtungen (9), die an eine in einem Gestänge angeordnete, elektrische Versorgungsleitung (7a) mit einer Einspeisestelle (13) angeschlossen sind, und zur Datenübertragung zwischen der Einspeisestelle (13) und den technischen Einrichtungen (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsversorgung der technischen Einrichtungen (9) mit im Wesentlichen konstanter Stromstärke (I) erfolgt, dass die Datenübertragung von der Einspeisestelle (13) zu den technischen Einrichtungen (9) über eine Modulation der Stromstärke (I) erfolgt, und dass eine Datenübertragung von den technischen Einrichtungen (9) zur Einspeisestelle (13)

über eine Modulation der Spannung erfolgt.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenübertragung von zwei oder mehr technischen Einrichtungen

(9) zur Einspeisestelle (13) seriell erfolgt.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine gleichzeitige Datenübertragung von zwei oder mehr technischen Einrichtungen (9) zur Einspeisestelle (13) durch

unterschiedliche Modulation der Spannung erfolgt.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die an wenigstens einer technischen Einrichtung (9) anliegende Spannung mittels eines Konstantspannungszweipoles, vorzugsweise einer Konstantspannungsdiode oder Z-Diode (21), an die

Versorgungsleitung definiert wird.

Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Spannung mittels eines steuerbaren Konstantspannungszweipoles (24) erfolgt, der zum für die Spannungsversorgung verwendeten Konstantspannungszweipol (21)

in Serie geschaltet ist.

17

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine gleichzeitige Datenübertragung von der Einspeisestelle (13) zu zwei oder mehr technischen Einrichtungen (9) durch unterschiedliche Modulation der

Stromstärke (I) erfolgt.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle technischen Einrichtungen (9)

gleichwertige Empfänger für die modulierten Daten sind.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine, vorzugsweise alle, technischen Einrichtungen (9) einen in Serie mit der Konstantspannungsdiode (21) geschalteten Widertand (22) aufweisen, über den die Modulation der Stromstärke (I)

ausgewertet wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die eingespeiste Stromstärke (I), vorzugsweise elektronisch, auf einen maximal zulässigen

Kurzschlussstrom begrenzt wird.

Vorrichtung zur elektrischen Leistungsversorgung von zwei oder mehr technischen Einrichtungen (9), die an eine in einem Gestänge angeordnete, elektrische Versorgungsleitung (7a) mit einer Einspeisestelle (13) angeschlossen sind, und zur Datenübertragung zwischen der Einspeisestelle (13) und den technischen Einrichtungen (9), gekennzeichnet durch eine Konstantstromquelle (16) zur Leistungsversorgung der technischen Einrichtungen (9), eine Einrichtung zur Modulation der Stromstärke (I) um Daten von der Einspeisestelle (13) zu den technischen Einrichtung (9) zu übertragen, und eine Einrichtung zur Modulation der Spannung (U) in technischen Einrichtungen (9), um Daten von den technischen Einrichtungen (9) zur Einspeisestelle (13) zu

übertragen.

12.

13.

14.

15.

16.

18

Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass

wenigstens eine technische Einrichtung (9) einen

Konstantspannungszweipol, vorzugsweise eine

Konstantspannungsdiode oder Z-Diode (21), aufweist, um die an

der technischen Einrichtung (9) anliegende Spannung zu

definieren.

Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass

wenigstens eine technische Einrichtung (9) einen steuerbaren

Konstantspannungszweipol (24) aufweist, der zum für die Spannungsversorgung verwendeten Konstantspannungszweipol

in Serie geschaltet ist, um die Spannung zu modulieren.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine, vorzugsweise alle, technischen Einrichtungen (9) einen in Serie mit der Konstantspannungsdiode (21) geschalteten Widerstand (22) aufweisen, über den die Modulation der Stromstärke (I)

ausgewertet wird.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise elektronische Einrichtung (16, 18), um die eingespeiste Stromstärke (TI)

einen maximal zulässigen Kurzschlussstrom zu begrenzen.

Bohranlage, insbesondere Erdöl-, Erdgas- bzw.

(21)

auf

Geothermiebohranlage, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14 aufweist.

Anlage zum Fördern von gasförmigen oder flüssigen

Bodenschätzen, insbesondere Anlage zur Erdöl-, Gas- bzw.

Warmwasserproduktion, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14 aufweist.