BR102020026546A2

BR102020026546A2 - Método, e, aparelho

Info

Publication number: BR102020026546A2
Application number: BR102020026546-6A
Authority: BR
Inventors: Nagaraja K. Pai; Ana Beatriz Martins Aguiar; Camila Elias Almeida; Boguslaw Wiecek; Diego Pereira Dias
Original assignee: Halliburton Energy Services, Inc.
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2022-07-05
Also published as: US11680447B2; WO2022140719A1; US20220195806A1

Abstract

MÉTODO, E, APARELHO. Um sistema de condicionamento de energia é divulgado para condicionar energia para carregamento de pelo menos um elemento capacitivo de um eletrodo de energia de pulso, onde a energia elétrica é recebida de pelo menos um de um alternador ou gerador de fundo de poço. A energia elétrica recebida é retificada e controlada para amplitude de ambas voltagem e corrente. A energia elétrica é, então, dividida em dois sinais de onda quadrada paralelos. A energia elétrica é, então, transformada, usando transformadores de alta frequência alta voltagem em um sinal de alta voltagem. Os sinais de alta voltagem são reunidos e retificados para produzir um sinal CC de alta voltagem. O sinal CC é suavizado em um indutor de alta capacidade e enviado via um elemento de comutação para pelo menos um elemento capacitivo dos eletrodos de energia de pulso.

Description

MÉTODO, E, APARELHO

CAMPO TÉCNICO

[001] A divulgação geralmente se refere à perfuração de terra ou mineração e à perfuração de terra, por exemplo, perfuração profunda, obtenção de petróleo, gás, água, materiais solúveis ou fundíveis ou uma pasta de minerais de poços.

FUNDAMENTOS

[002] Energia pulsada ou perfuração de eletroesmagamento ocorre quando porções das camadas de formação na vizinhança de um ou mais eletrodos são pulverizadas pela emissão de estouros de alta voltagem de eletricidade. Esses impulsos elétricos podem causar formação de plasma, vaporização de fluido dentro dos estratos de formação, falha física e destruição sônica da formação no(s) eletrodo(s) do conjunto de perfuração de energia pulsada, o que por sua vez pode avançar um poço para e/ou através de camadas de material de fundação. Energia elétrica pode ser gerada pelo conjunto de perfuração de energia pulsada para descarga no(s) eletrodo(s), a fim de avançar um poço para a formação.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[003] Aspectos da divulgação podem ser mais bem compreendidos por referência aos desenhos em anexo.

[004] FIG. 1 ilustra um sistema de perfuração de energia pulsada incluindo um conjunto de perfuração de energia pulsada de acordo com várias modalidades.

[005] FIG. 2 ilustra um sistema de condicionamento de energia para uso durante perfuração de energia pulsada de acordo com várias modalidades.

[006] FIG. 3 representa um diagrama de circuito para o sistema de condicionamento de energia de acordo com várias modalidades.

[007] FIGS. 4A, 4B, 4C e 4D representam gráficos de saída de alternador, que é a entrada de corrente e voltagem de conversor front-end ativo (AFEC) de acordo com várias modalidades.

[008] FIGS. 5A e 5B representam gráficos de saída de corrente e voltagem AFEC, de acordo com várias modalidades

[009] FIGS. 6A, 6B, 6C e 6D representam gráficos de entrada e saída corrente de corrente e voltagem de ligação de corrente contínua (DC) de acordo com várias modalidades.

[0010] FIGS. 7A e 7B representam gráficos de corrente e voltagem de saída de saída de ponte ativa única (SAB) de acordo com várias modalidades.

[0011] FIGS. 8A, 8B, 8C e 8D representam gráficos de correntes e voltagens de saída de transformador reforçador de acordo com várias modalidades.

[0012] FIGS. 9A e 9B representam gráficos de voltagens de transformador reforçador em uma escala de tempo na ordem da frequência de comutação.

[0013] FIGS. 10A, 10B, 10C e 10D representam gráficos de corrente de entrada de indutor de saída, corrente e voltagem de saída e potência de saída de acordo com várias modalidades.

[0014] FIGS. 11A e 11B representam modalidades do indutor de saída.

[0015] FIG. 12 é um fluxograma de um método incluindo operações para condicionar energia elétrica para uso em operações de perfuração de energia de pulso usando um sistema de condicionamento de energia de acordo com várias modalidades.

[0016] FIG. 13 representa um sistema de computador para um sistema de condicionamento de energia de acordo com várias modalidades.

Descrição

[0017] A descrição que se segue inclui exemplos de sistemas, métodos, técnicas e fluxos de programa que incorporam aspectos da divulgação. No entanto, entende-se que esta divulgação pode ser praticada sem esses detalhes específicos. Por exemplo, esta divulgação se refere a alternadores e geradores alimentados por fluido de perfuração em exemplos ilustrativos. Aspectos desta divulgação também podem ser aplicados a outras fontes de energia alternativas. Em outros casos, exemplos de instrução, protocolos, estruturas e técnicas bem conhecidos não foram mostrados em detalhes a fim de não ofuscar a descrição.

Visão Geral

[0018] A transmissão elétrica da superfície para os capacitores de uma broca de perfuração de energia de pulso pode ser ineficiente. Perfuração de energia de pulso requer altos níveis de voltagem e quantidades significativas de corrente elétrica distribuídas para um ou mais eletrodos posicionados na ou perto da superfície inferior de um poço, a fim de avançar com eficiência o poço para ou através do material de formação. A geração da energia elétrica necessária em uma localização fora do poço, seguida pela transmissão da energia elétrica para o conjunto de perfuração de energia pulsada posicionado dentro do poço pode ser ineficiente (devido a perdas de transmissão, efeitos de aterramento, etc.) e menos segura em comparação com geração de energia elétrica furo abaixo. A geração da energia elétrica dentro do poço em estreita proximidade com um conjunto de perfuração de energia de pulso reduz perdas de transmissão e melhora eficiência elétrica. Em algumas modalidades, um conjunto de perfuração de energia pulsada inclui uma combinação de turbina e alternador que, quando posicionada no fundo de poço e fornecida com um fluxo de fluido de perfuração, é configurada para gerar energia elétrica de turbinas elétricas giradas por um fluxo de lama de perfuração.

[0019] Modalidades de conjuntos de perfuração de energia pulsada configurados para gerar energia elétrica furo abaixo podem incluir uma combinação de turbina e alternador. Em várias modalidades, a energia elétrica gerada pela combinação de turbina e alternador requer condicionamento de energia elétrica antes que a energia elétrica seja encaminhada para outros subconjuntos do conjunto de perfuração de energia pulsada, incluindo os um ou mais eletrodos do conjunto. Em algumas modalidades, a turbina e o alternador combinados produzem uma saída compreendendo uma ou mais formas de onda de saída de corrente alternada (CA). Essa(s) formas de onda de saída podem ser retificadas, reforçadas ou transformadas em uma voltagem diferente - tal como um nível de voltagem mais alto - e ter várias operações de filtragem realizadas na(s) forma(s) de onda antes que a energia elétrica condicionada seja passada para a saída de energia e eletrodo(s) incluído(s) no conjunto.

[0020] Em várias modalidades, um sistema de condicionamento de energia (PCS) pode ser fornecido como parte do conjunto. Em várias modalidades, o PCS é eletricamente acoplado à saída da combinação de turbina e alternador e é configurado para condicionar a energia elétrica fornecida como uma saída da combinação de turbina e alternador antes de fornecer a energia elétrica condicionada como uma saída para os subconjuntos adicionais do conjunto, incluindo o(s) eletrodo(s) do conjunto. Em algumas modalidades, o sistema de condicionamento de energia inclui alguns dispositivos de combinação que podem incluir um, alguns ou todos os seguintes: um conversor CA para CC, um ou mais elementos de indução para balanceamento de carga de energia, um ou mais circuitos de proteção de voltagem, um transformador de estado sólido (conversor CC para CA, transformador de alta voltagem alta frequência (HVHF) e um conversor CA para CC) e um ou mais comutadores ou bancos de comutadores.

[0021] Modalidades do PCS são configuradas para executar a função de condicionamento de energia, embora sendo fisicamente localizadas dentro do corpo de ferramenta do conjunto e para operar dentro da faixa de temperaturas e com pressões presentes dentro do corpo de ferramenta do conjunto enquanto o conjunto está operando no fundo de poço. Modalidades do PCS são configuradas para operar com segurança dentro das faixas de voltagem e para transportar com segurança os níveis de corrente elétrica necessários para fornecer a energia elétrica condicionada necessária para operar as operações de perfuração de energia de pulso. Uma ou mais porções do PCS podem ser projetadas como subconjuntos separáveis próprios, que podem ser acoplados a outros subconjuntos do conjunto de perfuração de energia de pulso, por exemplo, usando juntas, a fim de formar o conjunto de perfuração de energia de pulso montado. Por exemplo, várias porções do PCS podem ser fabricadas por diferentes fornecedores ou fabricadas em diferentes localizações de fabricação e, portanto, ser configuradas para acoplar a outra(s) porção(ões) do PCS mediante montagem final do PCS.

Ilustrações de Exemplo

[0022] FIG. 1 ilustra um sistema de perfuração de energia de pulso (“sistema”) 100 incluindo um conjunto de perfuração de energia de pulso (“conjunto”) 101 de acordo com várias modalidades. Conforme ilustrado na FIG. 1, o conjunto 101 é posicionado dentro de um poço 102 se estendendo para a formação 109 e fixado a um comprimento de uma ou mais seções do tubo de perfuração 107 acopladas a uma plataforma de perfuração 103 e uma torre 104. Em várias modalidades, uma ou mais ferramentas de perfilagem 127 podem ser incluídas como parte das seções do tubo de perfuração 107. O conjunto 101 é configurado para promover o avanço do poço 102 usando energia elétrica pulsada gerada pelo conjunto 101 e controlavelmente emitida do(s) eletrodo(s) 120 a fim de romper o material de formação 108 perto do fundo do poço 102.

[0023] Uma fonte de fluido de perfuração 106, que pode ser um “depósito de lama” localizado na superfície 105 e na vizinhança do poço 102, é acoplada a vários condutos de fluido configurados para fornecer um fluxo de fluido de perfuração, indicado por uma seta 106A, que é fornecido através de condutos de fluido de perfuração para o(s) tubo(s) de perfuração 107 suportando o conjunto 101 dentro do poço 102. O fluxo de fluido de perfuração 106A é ainda acoplado para fornecer um fluxo de fluido de perfuração através de uma turbina 110 posicionada na porção superior do conjunto 101. O fluxo de fluido de perfuração através da turbina 110 produz rotação mecânica da turbina que, por sua vez, é mecanicamente acoplada a um alternador 111 do conjunto. A rotação mecânica da turbina 110 e do alternador 111 fornece a entrada de energia usada pelo conjunto 101 para gerar energia elétrica, em que a energia elétrica gerada é, então, processada adicionalmente e fornecida de forma controlada aos eletrodos 120, a fim de realizar operações de perfuração de energia de pulso, incluindo o avanço do poço 102.

[0024] Além de fornecer a energia para girar mecanicamente a turbina 110 e o alternador 111, em várias modalidades o fluxo de fluido de perfuração passando através da turbina 110 e do alternador 111 continua a fluir através de uma ou mais seções de um tubo de fluxo central 125, que desse modo fornece um caminho de fluxo para o fluido de perfuração através de um ou mais subconjuntos do conjunto 101 posicionado entre a turbina 110 e os eletrodos 120. Este fluxo de fluido de perfuração é indicado na FIG. 1 pela seta 106B apontando para baixo através da cavidade das seções do tubo de fluxo central 125. Depois de chegar aos eletrodos 120, o fluxo de fluido de perfuração pode ser expelido para fora do conjunto 101 de um ou mais orifícios ou bocais localizados nos ou nas proximidades dos eletrodos 120. Depois de ser expelido do conjunto 101, o fluido de perfuração flui de volta para cima em direção à superfície 105 através do anular criado entre um corpo de ferramenta 126 do conjunto 101 e as paredes formando os lados do poço 102, conforme representado ilustrativamente pelas setas 106C. Este fluxo de fluido de perfuração de volta para a superfície pode auxiliar na remoção dos detritos gerados pelo rompimento do material de formação nos e próximos aos eletrodos 120. Além disso, o fluxo de fluido de perfuração representado pela seta 106B passando através do tubo de fluxo central 125 ou de outra forma fluindo através de passagens em um ou mais dos subconjuntos incluídos dentro do conjunto 101 pode fornecer resfriamento a um ou mais dispositivos e/ou um ou mais porções do conjunto 101.

[0025] Em várias modalidades do conjunto 101, o tubo de fluxo central 125 pode estar localizado ao longo de um eixo longitudinal central do conjunto e pode ter um diâmetro externo geral ou uma superfície moldada externa que é menor em seção transversal do que a superfície interna do corpo de ferramenta 126 em seção transversal. Como tal, um ou mais espaços são criados entre o tubo de fluxo central 125 e a parede interna do corpo de ferramenta 126. Estes um ou mais espaços podem ser usados para alojar vários componentes, tal como um controlador retificador 121, um controlador de reforço de voltagem 122 e quaisquer outros componentes, incluindo componentes elétricos incluídos nos subconjuntos do conjunto. Estes um ou mais espaços também podem ser usados para acomodar condutores elétricos, tal como fios e cabos elétricos, que são usados para transmitir energia elétrica e/ou sinais de controle entre vários subconjuntos de conjunto 101. O tubo de fluxo central 125 é configurado para vedar o fluxo de fluido de perfuração dentro das passagens ocas incluídas dentro do tubo de fluxo central e em cada junta (indicada pelas juntas 124A-H, 123B-C), seções de acoplamento do tubo de fluxo central 125 juntas, a fim de evitar que o fluido de perfuração vaze ou de outra forma ganhe acesso a esses espaços entre o tubo de fluxo central 125 e a parede interna do corpo de ferramenta 126. Vazamento do fluido de perfuração fora do tubo de fluxo central 125 e dentro do conjunto 101 pode danificar os componentes elétricos e/ou outros dispositivos localizados nesses espaços e/ou pode contaminar fluidos, tal como óleos de lubrificação, contidos dentro desses espaços, que podem prejudicar ou impedir completamente a operação do conjunto 101 com respeito às operações de perfuração.

[0026] Conforme ilustrado na FIG. 1, o conjunto 101 inclui múltiplos subconjuntos, incluindo em algumas modalidades uma turbina 110 e um alternador 111 posicionado no topo do conjunto, conforme descrito acima. A combinação turbina/alternador é configurada para ser acoplada a múltiplos subconjuntos adicionais. Esses subconjuntos adicionais podem incluir várias combinações que podem incluir um retificador 112, um link CC 113, um reforçador de voltagem 114, um controlador de energia de pulso 115, comutadores ou bancos de comutação (comutadores) 116, capacitores primários 117, um transformador 118, capacitores secundários 119 e um ou mais eletrodos 120. Esses exemplos não limitativos de tipos de subconjuntos podem não ser especificamente marcados na FIG. 1, mas são indicados como uma pilha de blocos incluídos no conjunto 101 e se estendendo entre a turbina/alternador (110/111) e o(s) eletrodo(s) 120 na figura.

[0027] Em várias modalidades do conjunto 101, o retificador 112, o link CC 113 e o reforçador de voltagem 114 podem ser referidos como um “sistema de condicionamento de energia” ou PCS. Esses subconjuntos adicionais do PCS podem ser eletricamente acoplados para receber a saída de energia elétrica gerada pela operação do alternador 111 e para fornecer processamento adicional da energia elétrica recebida, a fim de fornecer uma saída de energia elétrica condicionada compreendendo energia elétrica condicionada. Este processamento adicional da saída de energia elétrica recebida no PCS pode incluir retificação, reforço de voltagem e frequência e/ou suavização ou regulação de forma de onda da energia elétrica recebida. Funções adicionais que modalidades do PCS podem ser configuradas para executar podem incluir frenagem dinâmica e filtragem de saída indutiva. A saída de energia elétrica condicionada fornecida pelo PCS pode ser acoplada, por exemplo, através da junta de campo 123B, a subconjuntos adicionais do conjunto 101, que podem ainda processar a energia elétrica condicionada e fornecer de forma controlável a energia elétrica processada posteriormente para o(s) eletrodo(s) 120 a fim de realizar várias operações de perfuração de energia de pulso. Em várias modalidades, o conjunto 101 inclui um controlador de retificador 121 configurado para controlar as funções de retificação sendo realizadas pelo PCS. Em várias modalidades, o conjunto 101 inclui um controlador de reforço de voltagem 122 configurado para controlar as funções de reforço de voltagem sendo realizadas pelo PCS.

[0028] Em várias modalidades, o conjunto 101 inclui alguma combinação de subconjuntos adicionais que podem incluir comutadores 116, capacitores primários 117, transformador 118 e capacitores secundários 119. A combinação desses subconjuntos em várias modalidades pode ser referida como “subconjunto de energia de pulso” ou “unidade de energia de pulso”. O subconjunto de energia de pulso pode ser configurado para receber a saída de energia elétrica condicionada do PCS. Os capacitores primários 117 do subconjunto de energia pulsada podem ser configurados para armazenar essa energia elétrica recebida e em que comutadores 116 podem ser configurados para controlar o carregamento e/ou descarregamento dos capacitores primários. Os comutadores 116 também podem ser configurados para acoplar de forma controlada energia elétrica armazenada nos capacitores primários 117 ao(s) enrolamento(s) primário(s) do transformador 118, em que o transformador 118 é configurado para fornecer uma saída de voltagem reforçada no(s) enrolamento(s) secundário(s) do transformador. A energia elétrica reforçada pode ser armazenada de forma controlada (em várias modalidades pela operação dos comutadores 116), carregando capacitores secundários 119. A energia elétrica armazenada em capacitores secundários 119 pode ser aplicada de forma controlada ao(s) eletrodo(s) 120, por exemplo, sob o controle do controlador de energia de pulso 115 e usando comutadores 116, a fim de realizar várias operações de perfuração de energia de pulso.

[0029] Como mostrado na FIG. 1, os subconjuntos individuais do conjunto 101 podem ser acoplados juntos usando um conjunto de juntas (123B-C, 124A-H), em que cada uma das juntas é configurada para acoplar juntos um ou mais subconjuntos adjacentes em um arranjo desejado para formar pelo menos uma seção do conjunto 101. Uma junta adicional 123A é usada para acoplar o conjunto 101 às seções do tubo de perfuração 107. A junta 123A, que pode ser referida como uma “junta de campo”, pode ser usada para permitir posicionamento do conjunto 101 dentro do poço 102 e para facilitar o acoplamento do fluxo de fluido de perfuração 106A fornecido através das seções do tubo de perfuração 107 para os subconjuntos do conjunto 101, incluindo a turbina 110. Modalidades do conjunto 101 podem incluir uma ou mais juntas de campo adicionais (por exemplo, juntas 123B, 123C), acoplando vários subconjuntos do conjunto 101 juntos. As juntas de campo podem ser utilizadas em locais onde o conjunto 101 poderia ou precisa ser montado junto ou desmontado no campo, por exemplo, na locação de perfuração. Além disso, o conjunto 101 pode utilizar uma ou mais juntas, referidas como “juntas de oficina”, por exemplo, cada uma das juntas 124A-H na FIG. 1 Essas juntas de oficina podem ser configuradas para permitir que vários subconjuntos do conjunto 101 sejam acoplados, mas, por exemplo, em uma planta de montagem ou em uma fábrica, ao invés de serem montados/desmontados no campo. A necessidade dessas juntas de oficina pode ser o resultado de ter vários subconjuntos do conjunto 101 sendo fornecidos por diferentes fabricantes, ou montados em diferentes locais de montagem que, então, requerem montagem antes de serem enviados para o campo ou a locação de perfuração.

[0030] Independentemente de se uma junta no conjunto 101 é referida como uma junta de campo ou junta de oficina, um mecanismo é fornecido na junta para acoplar o tubo de fluxo central 125 se estendendo através de qualquer dos subconjuntos que incluem o tubo de fluxo central 125 e/ou requerem passagens para permitir o fluxo de fluido de perfuração através do subconjunto. Isso pode incluir formar uma junta entre seções separadas do tubo de fluxo central125. Isso também pode incluir usar uma vedação hidráulica capaz de vedar o fluxo do fluido de perfuração dentro do tubo de fluxo central 125 sem permitir vazamentos nas juntas 123B-C e 124A-H. Além de fornecer um acoplamento de fluido de perfuração entre subconjuntos, uma ou mais das juntas, conforme descrito acima, podem ser configuradas para fornecer um mecanismo para acoplar energia elétrica e/ou sinal de controle elétrico através da junta e entre subconjuntos adjacentes do conjunto 101.

[0031] Em várias modalidades, o posicionamento do conjunto 101 dentro do poço, por exemplo, o posicionamento longitudinal do conjunto dentro do poço, pode ser controlado pela torre 104 e controlando o número e o posicionamento das seções de tubo de perfuração 107. Em várias modalidades, não é necessário que o conjunto 101 seja girado como parte do processo de perfuração de energia de pulso, mas algum grau de rotação e/ou oscilações do conjunto 101 pode ser fornecido em várias modalidades de processos de perfuração utilizando o conjunto 101.

[0032] FIG. 2 ilustra um sistema de condicionamento de energia (“PCS”) 200 para uso durante perfuração de energia de pulso de acordo com várias modalidades. Modalidades do sistema 200 são configuradas para serem fisicamente parte de um conjunto de perfuração de energia pulsada, o conjunto incluindo PCS 200 configurado para ser posicionado furo abaixo dentro de um poço a fim de realizar operações de perfuração de energia de pulso. Modalidades do sistema 200 são configuradas para receber energia elétrica gerada por uma combinação de turbina e alternador do conjunto de perfuração de energia de pulso (tal como combinação de turbina e alternador 107 e 108, conforme ilustrado e descrito acima em relação à FIG. 1), para condicionar eletricamente a energia elétrica recebida e para fornecer uma saída elétrica condicionada para módulos adicionais do conjunto de perfuração de energia pulsada que incluem um ou mais eletrodos. O condicionamento da energia elétrica que pode ser realizado pelo PCS 200 pode incluir alterar ou controlar um ou mais parâmetros elétricos associados com a energia elétrica recebida, tal como alterar ou fornecer controle sobre, mas não limitado a, voltagem, corrente, fase, modulação/filtragem de frequência e condicionamento de forma de onda associado com a energia elétrica recebida antes da distribuição da energia elétrica condicionada para um ou mais módulos adicionais incluídos no conjunto de energia de pulso.

[0033] Modalidades de PCS 200 podem conter uma pluralidade de módulos. Conforme ilustrado na FIG. 2, PCS 200 compreende uma combinação de módulos que inclui um conversor front-end (AFEC) 202, um link de corrente contínua (CC) 204, um freio dinâmico 206, um conversor reforçador 208 e um indutor de saída e comutador 210. Conforme ilustrado na FIG. 2, AFEC 202 compreende componentes posicionados entre linhas tracejadas 250 e 251, link de CC 204 compreende componentes posicionados entre linhas tracejadas 251 e 252, freio dinâmico 206 compreende componentes posicionados entre linhas tracejadas 252 e 253, conversor reforçador 208 compreende componentes posicionados entre linhas tracejadas 253 e 254 e o indutor de saída e o comutador 210 compreendem componentes posicionados entre a linha tracejada 254 e 255. O PCS 200 conforme ilustrado na FIG. 2 é dividido nesses componentes por linhas tracejadas 250–255 como módulos separados. No entanto, alguns componentes de um ou mais desses módulos podem compartilhar espaço e/ou componentes de um ou mais módulos podem se sobrepor. Em uma ou mais modalidades, o PCS 200 é parte do gerador, onde o gerador também pode incluir o alternador. Alternativamente, em várias modalidades, o PCS 200 é um componente separado do conjunto de perfuração de energia de pulso e é fornecido como um módulo separado que pode ser conectado fisicamente e eletricamente ao alternador em uma primeira extremidade e aos módulos adicionais da unidade de energia de pulso em uma segunda extremidade pelas respectivas juntas de campo ou oficina. Em alguns casos, o PCS 200 pode ser parte da unidade de energia de pulso.

[0034] Conforme ilustrado na FIG. 2, os módulos que compreendem o PCS 200 são dispostos ao longo de um tubo de fluxo central 262 que se estende ao longo e em várias modalidades é centralizado em torno de um eixo longitudinal do conjunto. O tubo de fluxo central 262 pode compreender uma passagem oca se estendendo através do PCS 200, em que o tubo de fluxo central pode ser configurado para permitir que um fluxo de fluido de perfuração seja recebido e passe através do PSC 200, embora mantendo os componentes de PCS 200 fisicamente separados e isolados do fluxo de fluido de perfuração. Em várias modalidades, o fluxo de fluido de perfuração através do tubo de fluxo central 262 é da esquerda para a direita na FIG. 2 e indicado pela direção da seta 240. Em várias modalidades, os componentes incluídos nos módulos formando PCS 200 e quaisquer condutores e/ou conexões elétricas configuradas para fornecer conexões físicas e/ou elétricas entre os módulos individuais podem ser fisicamente posicionados no espaço circundando o tubo de fluxo central 262, o espaço se estendendo radialmente de uma superfície externa do tubo de fluxo central para uma superfície interna do corpo de ferramenta (não mostrado na FIG. 2) e ao longo do eixo longitudinal se estendendo da linha tracejada 250 até a linha tracejada 255. Além de permitir o fluxo de fluido de perfuração através de PCS 200, o fluxo de fluido de perfuração através do tubo de fluxo central 262 pode fornecer resfriamento térmico aos componentes para PCS 200 através de transferência de calor dos componentes para o fluxo de fluido de perfuração através do tubo de fluxo central 262.

[0035] Os componentes do PCS 200 podem ainda ser imersos ou circundados por um fluido, tal como um óleo dielétrico. Uma pele externa 260 ou superfície do PCS é representada por uma linha tracejada, onde a pele externa define o corpo externo da ferramenta contendo o PCS 200. Em várias modalidades, a área entre o tubo de fluxo central 262 e a pele externa 260 pode ser preenchida (parcialmente ou completamente) com um fluido, tal como um fluido isolante ou fluido dielétrico, a fim de fornecer isolamento do corpo de ferramenta, da formação e entre componentes, e para proteger componentes do PCS de choques físicos, térmicos e elétricos. O fluido pode facilitar dissipação térmica. Em várias modalidades, a área entre o tubo de fluxo central 262 e a pele externa 260 pode ser isolada ou preenchida com um ou mais sólidos, incluindo fita isolante, lã isolante, isolamento de fibra de vidro, etc.

[0036] Conforme ilustrado na FIG. 2, os módulos de PCS 200 são dispostos em ordem da esquerda para a direita da seguinte forma: AFEC 202, link CC 204, freio dinâmico 206, conversor de reforçador 208 e indutor de saída e comutador 210. Esta ordem de módulos pode ser referida como a ordem “a jusante” correspondente à direção “para baixo” do fluxo de fluido de perfuração através do tubo de fluxo central 262 saindo do PCS 200 e continuando “para baixo” através do conjunto de perfuração de energia pulsada incluindo PCS 200 em direção aos eletrodos do conjunto. No entanto, modalidades do PCS 200 não estão limitadas a ter os módulos dispostos na ordem conforme ilustrada na FIG. 2, e a modalidade alternativa do PCS 200 pode ter um ou mais módulos do PCS dispostos em uma ordem diferente. Detalhes adicionais sobre os módulos individuais que podem ser incluídos no PCS 200 são descritos adicionalmente abaixo.

[0037] Em várias modalidades, AFEC 202 do PCS 200 é configurado para receber a energia elétrica bruta sendo produzida de um alternador de operação do conjunto de perfuração de energia pulsada onde o PCS 200 está localizado e para fornecer uma saída elétrica retificada que é acoplada ao link CC 204. Em várias modalidades, o AFEC 202 contém múltiplos transistores de efeito de campo (FET) 222. Em várias modalidades, os FETs 222 podem compreender um FET de carbeto de silício (SiC). FETs de SiC podem ser selecionados, pois eles podem ter um bom desempenho para aplicações de alta temperatura (tal como no fundo de poço em poços) e para aplicações de alta frequência de comutação. FETs de SiC também têm um desempenho melhor que FETs de Si tradicionais em aplicações de alta densidade de energia (tal como condicionamento de energai). Os múltiplos FETs 222 podem ser configurados para comutar corrente alternada (CA) trifásica ou outra para uma corrente ou correntes elétricas retificadas. Em várias modalidades, o AFEC 202 inclui FETs adicionais e um ou mais processadores ou controladores e memória para armazenar código de programa que controla as funções de retificação do AFEC 202. Em várias modalidades, o(s) controlador(es) ou processador(es) são acoplados a sensores configurados para medir voltagem de entrada e corrente fornecida ao AFEC 202 a partir do alternador acoplado ao PCS 200 e para controlar os FETs 222 a fim de regular a(s) corrente(s) e voltagem(s) de saída fornecida(s) como uma saída do AFEC 202 para o link CC 204.

[0038] Em várias modalidades, o AFEC 202 é configurado para limitar a amplitude de corrente que flui a jusante para o resto do PCS 200 e protege os circuitos de picos de corrente ou sobrevoltagem que podem resultar da operação do alternador e da turbina. O AFEC 202 é configurado para receber energia elétrica do alternador e iniciar o processo de transformar a energia elétrica na corrente e voltagem aceitas pela unidade de energia de pulso ou outros módulos posicionados a jusante do PCS 200. Em várias modalidades, o AFEC 202 é configurado para limitar a voltagem estabelecida ou sustentada através do link CC 204 dentro de uma faixa permissível, de modo que o link CC 204 possa processar ainda mais a energia elétrica retificada fornecida pelo AFEC 202. Em várias modalidades, o AFEC 202 e o link CC 204 são configurados para trabalhar em conjunto para evitar que frequências em corrente ou voltagem (tal como aquelas introduzidas pelo conversor reforçador 208) sejam retroalimentadas do PCS 200 para o alternador ou a turbina acoplada ao PCS 200, que são, portanto, protegidos e isolados de choques de carga de alta frequência causados pelo ciclo de descarga da unidade de energia de pulso.

[0039] Em várias modalidades, o link CC 204 é configurado para receber a saída elétrica retificada do AFEC 202 e para fornecer uma saída elétrica filtrada. A saída elétrica filtrada em várias modalidades é acoplada ao freio dinâmico 206. Em várias modalidades, o link CC 204 compreende múltiplos capacitores 224 e um indutor. O link CC 204 é mostrado na FIG. 2 como um módulo discreto, mas em algumas modalidades pode, alternativamente, ser uma parte do AFEC 202 e/ou pode compartilhar espaço com o AFEC 202.

[0040] Em várias modalidades, o link CC 204 é configurado para armazenar energia elétrica nos múltiplos capacitores 224 a fim de compensar diferenças instantâneas no equilíbrio de energia através do PCS 200. Em operação, a saída elétrica fornecida pelo PCS 200 para a unidade de energia de pulso a jusante do PCS 200 flui para uma carga pulsada, onde os eletrodos de energia de pulso são descarregados na formação (em uma frequência tal como 50 Hz). Em várias modalidades, a saída do AFEC 202 pode compreender uma primeira frequência, tal como 40 quilohertz (kHz), enquanto o conversor reforçador 208 opera em uma frequência diferente, por exemplo, 80 kHz. O alternador, que é alimentado pela turbina e pelo fluxo do fluido de perfuração, pode sofrer danos mecânicos ou elétricos se a carga de energia elétrica sofrer grandes mudanças de impulso. O alternador, em particular, e a turbina e partes do gerador são protegidos da carga pulsada pelo link CC 204 por razões de carregamento mecânico, onde o link CC 204 pode absorver ou armazenar energia em excesso nos capacitores múltiplos 224 e no indutor. Em várias modalidades, o link CC 204 é configurado para suavizar oscilações de energia e, por meio de capacitores paralelos, funciona como um filtro passa-banda para remover componentes elétricos de alta frequência.

[0041] Em várias modalidades, o projeto do link CC 204 pode ser afetado pelo fator de forma de fundo de poço. Um fator de forma é uma limitação de tamanho físico, em várias modalidades imposta aos componentes mecânicos e elétricos do PCS 200, onde o fator de forma é responsável por limitações de tamanho físico do ambiente de fundo de poço. O fator de forma do PCS inclui as limitações de tamanho impostas pelo poço e pela pele externa 260 do corpo de ferramenta e pelo tubo de fluxo central 262. Em várias modalidades, o arranjo físico dos componentes incluídos no PCS 200 é limitado a um espaço tendo um diâmetro externo determinado pelo tamanho do corpo de ferramenta do conjunto, que pode corresponder a um diâmetro de poço mínimo. O diâmetro externo do corpo de ferramenta também pode corresponder ao tamanho do(s) eletrodo(s) de energia de pulso incluídos como parte do conjunto de energia de pulso, o que determina o diâmetro do poço, menos um fator de forma permitindo o fluxo de lama de perfuração através do anular. O PCS 200 é protegido do fluido de perfuração pela superfície externa ou pele 260. O PCS 200 também inclui um tubo de fluxo central 262 através do qual lama de perfuração flui do tubo de perfuração para uma ou mais saídas nos eletrodos de energia de pulso. A pele externa 260 e a superfície do tubo de fluxo central 262 definem um anular, anular cilíndrico ou toroide quadrado no qual os componentes do PCS 200 se encontram. Em uma ou mais modalidades, as superfícies do PCS 200 são de metal. Em algumas modalidades, as superfícies onde o PCS 200 contata a lama de perfuração são metálicas, mas não magnéticas. Em outras modalidades, os efeitos de pele e de correntes de fuga induzidas nas superfícies podem causar perdas de energia parasitas. A lama de perfuração adequada para uso com perfuração de energia de pulso também pode ser condutiva e experimentar correntes de fuga parasitas devido a campos elétricos e magnéticos dentro e fora do PCS 200. O link CC 204 ocupa uma porção significativa (isto é, maior que 10%) do PCS 200 por causa dos requisitos de fator de forma nos capacitores, que ocupam o espaço anular entre pele externa 260 e o tubo de fluxo central 262 e também experimentam alta temperatura, alta pressão, alta voltagem e alta corrente. Esses capacitores podem ser relativamente grandes (como mostrado na FIG. 2, cada um dos quatro capacitores 224 ocupa a área entre o tubo de fluxo central 262 e a pele externa 260). A natureza grande e tubular do link CC 204 dá origem à impedância parasita. A fim de manter um valor de impedância que não depende da taxa de fluxo ou da composição da lama de perfuração, um indutor de impedância conhecida é incluído no link CC 204. A impedância é conhecida, substancialmente constante e pode ser projetada para desacoplar as frequências de alternador e as frequências do eletrodo de energia de pulso, desse modo protegendo o alternador.

[0042] Em várias modalidades do PCS 200, o freio dinâmico 206 é configurado para proteger o AFEC 202, os capacitores do link CC 204 e o conversor reforçador 208 de sobrevoltagens danosas ao descarregar controladamente o excesso de energia sobre um ou mais resistores. Em várias modalidades, o freio dinâmico 206 compreende um ou mais FETs 226 e um ou mais resistores. Em várias modalidades, o freio dinâmico 206 é parte do link CC 204 e/ou compartilha espaço com o link CC 204. Em modalidades alternativas, o freio dinâmico 206 é funcionalmente distinto, mas pode ser disposto para compartilhar espaço físico, espaço de processador ou espaço de controlador com o conversor reforçador 208 e/ou comutadores reforçadores 208. Em várias modalidades, o freio dinâmico 206 é configurado para detectar alta voltagem na saída elétrica filtrada fornecida do link CC 204. Uma alta voltagem pode ser uma voltagem, tal como nível de voltagem pico a pico, que ultrapassa um limiar de voltagem máxima pré-definido. Quando uma condição de alta voltagem é detectada, o freio dinâmico 206 pode ser configurado para comutar um fluxo de corrente para um resistor ou outro dispositivo de carga a fim de dissipar a alta voltagem como calor térmico sobre o resistor ou dispositivo de carga. Em várias modalidades, o freio dinâmico 206 é configurado para ligar quando o equilíbrio de energia entre as entradas e saídas do freio dinâmico ultrapassarem a capacidade do link CC 204 para armazenar energia. Em várias modalidades, o freio dinâmico 206 está localizado perto dos capacitores 224 do link CC 206 a fim de reduzir indutância parasita ao longo dos fios longos ou espiralados, onde perto pode incluir casos em que o freio dinâmico 206 é incorporado em uma placa de circuito ou controlador do link CC 206. Os um ou mais FETs 226 do link CC 206 em várias modalidades podem compreender FETs de SiC. FETs de SiC podem ser selecionados para uso como componentes do freio dinâmico 206 porque esses dispositivos funcionam bem sob temperaturas de operação mais altas e experimentam perdas de junção menores que FETs de silício (Si), o que é vantajoso para uso de alta energia.

[0043] Em várias modalidades do PCS 200, o conversor reforçador 208 está configurado para receber energia elétrica do freio dinâmico 206, para reforçar o nível de voltagem da energia elétrica recebida e para fornecer uma saída elétrica reforçada para o indutor de saída e comutador 210. Em várias modalidades, o conversor reforçador 208 compreende um ou mais FETs 228, dois ou mais transformadores de estado sólido paralelos 230 e um ou mais diodos 232. Em várias modalidades, o conversor reforçador 208 compreende uma única ponte ativa (SAB), transformadores de estado sólido CC para CC paralelos e uma ponte de diodos. Esses componentes podem, alternativamente, ser considerados como módulos separados do PCS 200. Em várias modalidades, o SAB é configurado para comutar uma corrente CC de entrada para gerar dois sinais de onda quadrada de alta frequência paralelos. Como os transformadores não podem aumentar voltagem em um sinal CC, mas em vez disso transformar voltagem CA ou aproximadamente CA, o SAB gera duas saídas elétricas paralelas de onda quadrada usando múltiplos FETs. A criação de dois sinais de onda quadrada paralelos em vez de um único sinal de onda quadrada de alta frequência reduz ondulação de corrente na saída de cada um dos transformadores paralelos. A geração de sinais paralelos também reduz o nível de energia elétrica transportado por cada sinal individual, o que reduz o tamanho e o volume global necessário para cada um dos transformadores de estado sólido DC para DC, desse modo permitindo que esses transformadores menores caibam dentro do espaço disponível e/ou alocado para o conversor reforçador 208.

[0044] Em várias modalidades, o tubo de fluxo central 262 do PCS 200 tem um diâmetro de seção transversal reduzido para a porção do tubo de fluxo central se estendendo através do conversor reforçador 208. Alternativamente, o tubo de fluxo central 262 pode ter um diâmetro em seção transversal reduzido ao passar apenas por dois ou mais transformadores de estado sólido 230. Um diâmetro em seção transversal menor para esta porção do tubo de fluxo central 262 permite que transformadores de estado sólido maiores 230 sejam utilizados a fim de atender às restrições elétricas e mecânicas mínimas para esses componentes.

[0045] Em várias modalidades do PCS 200, o indutor de saída e o comutador 210 são configurados para receber a saída de voltagem reforçada do conversor reforçador 208 e para fornecer uma saída de energia elétrica final do PCS 200 que pode ser acoplada a um ou mais módulos adicionais do conjunto de perfuração de energia de pulso que inclui um ou mais eletrodos. Em várias modalidades, o indutor de saída e o comutador 210 incluem pelo menos um indutor de saída 242 e pelo menos um comutador 244. Em várias modalidades, o indutor de saída e o comutador 210 são configurados para suavizar e controlar a distribuição de corrente e voltagem para os um ou mais módulos adicionais do conjunto de perfuração de energia pulsada. O indutor de saída 242 pode ser configurado para suavizar o sinal de alta voltagem das porções a montante do PCS 200 e, assim, proteger os um ou mais módulos adicionais do conjunto de perfuração de energia de pulso que recebem energia elétrica do PCS 200. Em várias modalidades, o indutor de saída 242 pode filtrar frequência do sinal de alta voltagem. Em várias modalidades, o pelo menos um comutador 244 é configurado para acoplar e desacoplar a saída elétrica de PCS 200 a e de, respectivamente, os um ou mais módulos adicionais do conjunto de perfuração de energia pulsada. Em operação, quando a saída elétrica fornecida pelo PCS 200 está carregando os eletrodos de energia de pulso ou um ou mais capacitores da unidade de energia de pulso do conjunto de perfuração de energia pulsada, o pelo menos um comutador 244 é fechado ou de outra forma configurado para permitir passagem elétrica através do(s) comutador(es) 244. Uma vez que a unidade de energia de pulso é carregada, o pelo menos um comutador 244 é configurado para abrir ou de outra forma desconectar a saída elétrica final do PCS 200 da unidade de energia de pulso. Em várias modalidades, a função de desconexão fornecida pelo(s) comutador(es) 224 opera para proteger o PCS 200, e o alternador e a turbina que estão conectados ao PCS 200, de choque de carga e evitar que os capacitores da unidade de energia de pulso descarreguem para o PCS 200.

[0046] Para facilidade de transporte, o comprimento entre juntas de campo do PCS 200 é inferior a 45’. Em uma ou mais modalidades, o PCS 200 para um protótipo ou aparelho de perfuração de energia de pulso implantado em campo processa aproximadamente 300 quilowatts (kW) e é de aproximadamente 45’ de comprimento. Em uma ou mais modalidades, o PCS 200 para um aparelho de perfuração de energia de pulso exploratório ou de descoberta processa aproximadamente 100 kW e tem significativamente menos que 45’ de comprimento. O PCS 200 é compatível com um ou mais tipos de alternadores e turbinas. O PCS 200 tem pelo menos um controlador ou processador e, em algumas modalidades, o PCS 200 contém tanto um controlador AFEC 202 quanto um controlador PCS 200, que podem estar em comunicação. O controlador AFEC 202 mede a amplitude, frequência e fase da corrente entrante do alternador e pode ajustar o comportamento do AFEC 202 para levar em conta diferenças no comportamento do alternador.

[0047] FIG. 3 representa um diagrama de circuito 300 para um sistema de condicionamento de energia de acordo com várias modalidades. Operações e componentes ilustrados na FIG. 3 são descritos com referência à(s) modalidade(s) do sistema de condicionamento de energia 200 da FIG. 2 Na FIG. 3, modalidades de componentes elétricos e circuitos são mostradas como divididas por linhas tracejadas 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314 e 316. Em várias modalidades, os circuitos ilustrados na FIG. 3 incluídos entre as linhas tracejadas 302 e 304 representam uma modalidade do AFEC 202 da FIG. 2 Em várias modalidades, os circuitos da FIG. 3 incluídos entre a linha tracejada 304 e 306 representam uma modalidade do link CC 204 da FIG. 2. Em várias modalidades, os circuitos ilustrados na FIG. 3 incluídos entre as linhas tracejadas 306 e 308 representam uma modalidade do freio dinâmico 206 da FIG. 2. Em várias modalidades, o circuito da FIG. 3 incluído entre a linha tracejada 308 e 310 representa uma modalidade dos FETs 228, o circuito incluído entre as linhas tracejadas 310 e 312 representa uma modalidade dos transformadores 230 e o circuito entre as linhas tracejadas 312 e 314 representa uma modalidade do pelo menos um diodo 232, todos os conversores reforçadores 208 da FIG. 2. Em várias modalidades, o circuito da FIG. 3 incluído entre a linha tracejada 314 e 316 representa o indutor de saída e o comutador 210 da FIG. 2.

[0048] Com referência novamente à FIG. 3, uma ou mais das linhas tracejadas 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314 e 316 correspondem a localizações dentro do circuito onde sinais elétricos de exemplo, tanto de entrada quanto de saída, são medidos ou simulados, como será discutido posteriormente em referência às FIGS. 4A-4D, 5A-5B, 6A-6D, 7A-7B, 8A8B e 9A-9B. Os componentes de exemplo do diagrama de circuito 300 são mostrados como elementos discretos divididos em componentes que correspondem ao AFEC 202, o link CC 204, o freio dinâmico 206, o conversor reforçador 208 e o indutor de saída e comutador 210 do PCS 200 da FIG. 2. No entanto, essas divisões são não limitativas e componentes elétricos individuais, tal como resistores, capacitores, FETs, controladores, processadores, etc. podem ser compartilhados entre componentes ou em uma ordem diferente daquela mostrada na FIG. 3. Vários componentes elétricos da FIG. 3 podem ser substituído por outros componentes ou por hardware, firmware, software, etc. adicionais. Para clareza, processadores e controladores não são mostrados.

[0049] Na FIG. 3, um controlador 301, acoplado a um ou mais sensores 303, pode ser configurado para receber sinais de sensores 303, os sinais indicativos de um ou mais parâmetros associados com o circuito do diagrama de circuito 300, e para fornecer um ou mais sinais de saída de controle 305 para controlar um ou mais parâmetros operacionais do sistema 300 com base pelo menos em parte dos sinais de sensor. O controlador 301 em várias modalidades é um sistema de computador incluindo um ou mais microcontroladores, tal como sistema de computador 1300, conforme ilustrado e descrito abaixo em relação à FIG. 13. Em várias modalidades, um ou mais dos sensores 303 são configurados para detectar uma voltagem, uma corrente, uma temperatura ou algum outro parâmetro físico associado com o(s) sinal(is) presente(s) em um ou mais nós ou porções dos circuitos incluídos no diagrama de circuito 300, e para fornecer um sinal de saída ao controlador 301 que é indicação do parâmetro elétrico detectado. Sensores 303 não estão limitados a qualquer tipo ou quaisquer tipos particulares de sensores e podem incluir um ou uma combinação de sensores configurados para detectar um parâmetro físico e fornecer um sinal de saída indicativo do parâmetro físico medido detectado pelo(s) respectivo(s) sensor(es).

[0050] FIG. 3 representa uma unidade de geração de energia 320, um AFEC 322, um link CC 324, um freio dinâmico 326, um transformador reforçador 328 juntamente com um SAB 338 e uma ponte de diodos 348 e um indutor de saída e comutador 330. Em várias modalidades, o AFEC 322, o link CC 234, o freio dinâmico 326, o transformador reforçador 328 com o SAB 338 e a ponte de diodo 348 e o indutor de saída e o comutador 330 correspondem ao PCS 200 conforme representado na FIG. 2. Em várias modalidades, a unidade de geração de energia 320 inclui uma turbina 350 e um alternador 352. A turbina 350 e o alternador 352 são configurados para gerar uma saída de energia elétrica a partir da energia mecânica fornecida por um fluxo de fluido de perfuração fornecido para e fluindo através da turbina. A turbina 350 e o alternador 352 podem ser componentes individuais ou uma unidade combinada. O alternador 352 pode emitir saída de energia elétrica de corrente alternada trifásica, bifásica ou outra, incluindo saída de energia elétrica de corrente alternada monofásica.

[0051] Em várias modalidades, o AFEC 322 compreende um ou mais FETs 354. Os um ou mais FETs 354 funcionam como comutadores configurados para retificar a saída de energia elétrica fornecida pela unidade de geração de energia 320. A retificação realizada pelo AFEC 322 pode incluir retificar a saída de energia elétrica fornecida pelo alternador 352 para uma saída CA retificada ou quase CC (isto é, onda quadrada, dente de serra, etc.). Para o exemplo trifásico mostrado na FIG. 3, três conjuntos de dois FETs 354 são fornecidos, cada conjunto de dois FETs é acoplado a uma fase da saída trifásica fornecida pelo alternador 352. Os FETs 354 são configurados para retificar e, em seguida, reunidos como a saída de energia CA retificada - onde a corrente é positiva em amplitude, mas pode experimentar duas frequências de oscilação. Em várias modalidades, a corrente pode exibir uma primeira frequência e uma segunda frequência, onde a segunda frequência pode ser uma oscilação no envelope de onda ou uma frequência de pulsação que ocorre em uma frequência mais lenta que aquela da primeira frequência. O AFEC 322 opera na voltagem e corrente emitidas pela unidade de geração de energia 320, que pode ser medida na linha tracejada 302 da FIG. 3.

[0052] Para ilustrar, as FIGS. 4A, 4B, 4C e 4D representam gráficos de saída de alternador, que é a entrada de corrente e voltagem de conversor front-end ativo (AFEC) de acordo com várias modalidades. FIGS. 4A-4D representam os gráficos 400, 420, 440 e 460. Operações e componentes da FIG. 4A-4D são descritos em referência ao PCS 200 de exemplo da FIG. 2 e ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3.

[0053] FIG. 4A contém o gráfico 400 que mostra a voltagem de entrada AFEC 322, que é aproximadamente a voltagem de saída da unidade de geração de energia 320. O gráfico 400 mostra uma voltagem de exemplo (conforme medida na linha 302 da FIG. 3) em função do tempo (no eixo x 402) e da voltagem (no eixo y 404). A voltagem exibe periodicidade na ordem do período 406, que é de aproximadamente 0,02 segundos (s) de duração. A voltagem também pode exibir periodicidade em uma ou mais outras frequências, tal como aquelas relativas à frequência fundamental do alternador e/ou relativas à frequência de comutação do AFEC, que pode ser menor que o período 406. A tensão trifásica mostra uma Vac 410, uma Vbc 412 e uma Vca 414. As diferenças entre cada uma das fases de voltagem também estão representadas na FIG. 4C. A voltagem trifásica experimenta duas frequências - isto é, uma tendência periódica exibida pelo envelope de sinal 408 com o período 406 e uma frequência mais rápida mostrada em mais detalhes na FIG. 4C. A voltagem varia de aproximadamente -1.000 Volts (V) a 1.000 V.

[0054] FIG. 4B contém o gráfico 420, que mostra a corrente de entrada AFEC 322, que é aproximadamente a corrente de saída da unidade de geração de energia 320. O gráfico 420 mostra uma corrente de exemplo (conforme medida na linha 302 da FIG. 3) em função do tempo (no eixo x 422) e da corrente (no eixo y 424). O envelope de onda do sinal de corrente exibe periodicidade na ordem do período 426, que é de aproximadamente 0,02 segundo (s) de duração. A corrente também pode experimentar periodicidade em múltiplas outras frequências, incluindo a frequência fundamental do alternador 352 e a frequência de comutação do AFEC 322. A corrente trifásica mostra uma Iac 430, uma Ibc 432 e uma Ica 434. As diferenças entre cada uma das fases de corrente também estão representadas na FIG. 4D. A corrente trifásica experimenta duas frequências - isto é, uma tendência periódica exibida pelo envelope de sinal 428 com o período 426 e a frequência mais rápida mostrada em mais detalhes na FIG. 4D. A corrente varia de aproximadamente -220 Amperes (A) a 220 A.

[0055] FIG. 4C contém o gráfico 440 que mostra voltagem de entrada AFEC 322, que é aproximadamente a voltagem de saída da unidade de geração de energia 320. FIG. 4C exibe um subconjunto dos dados mostrados no gráfico 400 da FIG. 4A em uma escala de tempo mais curta. O gráfico 440 mostra uma voltagem de exemplo (conforme medida na linha 302 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 442) e voltagem (no eixo y 444). A escala de tempo do gráfico 440 é aproximadamente trinta e três vezes menor que a escala de tempo do gráfico 400 que exibe a mesma voltagem medida na linha 302 da FIG. 3. A voltagem exibe periodicidade na ordem do período 446, que é de aproximadamente 1,3*10-3 segundos (s) de duração. A voltagem trifásica mostra uma Vac 450, uma Vbc 452 e uma V ca 454. A voltagem trifásica experimenta duas frequências, onde a frequência mais longa com o período 406 é visível na FIG. 4A e a frequência mais curta com período 446 é mostrada no gráfico 440. A voltagem varia de aproximadamente -1.000 V a 1.000 V.

[0056] FIG. 4D contém o gráfico 460, que mostra a corrente de entrada AFEC 322, que é aproximadamente a corrente de saída da unidade de geração de energia 320. FIG. 4D exibe um subconjunto dos dados mostrados no gráfico 420 da FIG. 4B em uma escala de tempo mais curta. O gráfico 460 mostra uma corrente de exemplo (conforme medida na linha 302 da FIG. 3) em função do tempo (no eixo x 462) e da corrente (no eixo y 464). A escala de tempo do gráfico 460 é aproximadamente trinta e três vezes menor que a escala de tempo do gráfico 420 que exibe a mesma corrente medida na linha 302 da FIG. 3. A voltagem exibe periodicidade na ordem do período 466, que é de aproximadamente 1,3*10-3 segundos (s) de duração. A voltagem trifásica mostra uma Iac 470, uma Ibc 472 e uma Ica 474. A corrente trifásica pode experimentar múltiplas frequências, onde uma frequência mais longa com o período 426 é visível na FIG. 4B e uma frequência mais curta com período 466 relativo à frequência fundamental do alternador é mostrada no gráfico 460. A corrente trifásica pode ser composta de componentes de frequência adicionais, incluindo componentes de frequência harmônica. A voltagem varia de aproximadamente -1.000 V a 1.000 V. A corrente varia de aproximadamente -110 A a 110A.

[0057] Voltando ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3, o AFEC 322 opera na saída de voltagem e corrente alternada (como mostrado nas FIGS. 4A-4D) pela unidade de geração de energia 320 para gerar uma corrente e voltagem de saída retificadas mensuráveis na linha tracejada 304.

[0058] Para ilustrar, FIGS. 5A e 5B representam gráficos de saída de voltagem e corrente AFEC, de acordo com várias modalidades. FIGS. 5A-5B representam gráficos 500 e 520. Operações das FIG. 5A-5B são descritas em referência ao sistema de condicionamento de energia de exemplo 200 da FIG. 2 e ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3.

[0059] FIG. 5A contém o gráfico 500 que mostra voltagem de saída AFEC 322. O gráfico 500 mostra um sinal de voltagem 506 (conforme medido na linha tracejada 304 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 502) e de voltagem (no eixo y 504). A voltagem exibe periodicidade na ordem de aproximadamente 0,02 s. A voltagem varia de aproximadamente 600 a 950 V. O sinal de voltagem 506 é um sinal CC positivo que exibe periodicidade em amplitude a uma frequência substancialmente estável.

[0060] FIG. 5B contém o gráfico 520, que mostra corrente de saída AFEC 322. O gráfico 520 mostra um sinal de corrente 526 (conforme medido na linha tracejada 304 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 522) e corrente (no eixo y 524). A corrente exibe periodicidade da ordem de aproximadamente 0,02 s (conforme mostrado na natureza dente de serra do envelope de onda) e periodicidade de frequência mais alta, conforme mostrado pelas linhas dentro do envelope de onda. A corrente varia de aproximadamente 0 A a 250 A e é positiva. Pequenas flutuações de corrente negativa ocorrem em alguns casos quando o sinal de corrente 526 atinge o valor 0 A, mas estas flutuações não representam corrente CA.

[0061] Voltando ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3, o link CC 324 é configurado para receber a saída de voltagem e corrente pelo AFEC 322 (como mostrado nas FIGS. 5A-5B) e mensurável na linha tracejada 304. O link CC 324 é configurado para armazenar energia elétrica em excesso, remover frequências ressonantes e suavizar formas de onda de corrente e voltagem para fornecer uma saída elétrica filtrada para o freio dinâmico 326. Em várias modalidades, o link CC 324 compreende quatro capacitores 360, 361, 362 e 363. Os capacitores 360 e 361 estão dispostos em série um com o outro; e os capacitores 362 e 363 estão dispostos em série uns com os outros. O conjunto dos capacitores 360 e 361 está disposto em paralelo com o conjunto dos capacitores 362 e 363, com os dois capacitores conectados paralelo em série acoplados por um indutor 356. Os capacitores 360 e 361 podem ser substituídos opcionalmente por um único capacitor, como podem os capacitores 362 e 363. Os capacitores 360, 361, 362 e 363 podem ser substituídos opcionalmente por um arranjo alternado de capacitores ou um banco de capacitores. O indutor 356 pode ser uma bobina de ar, uma bobina circundando um material não dielétrico ou um material magnético macio, um comprimento de fio formado em torno de uma bobina ou um núcleo toroidal, um comprimento de fio formado em torno de um núcleo metálico ou semimetálico, etc. O link CC 324 pode opcionalmente incluir um ou mais resistores em paralelo com cada um dos capacitores 360, 361, 362 e 363, a fim de melhorar a distribuição equitativa de voltagem entre os conjuntos de capacitores em série.

[0062] O indutor 356 pode ser posicionado no espaço entre o tubo de fluxo central 262 e o revestimento de pele 260 da ferramenta, como mostrado na FIG. 2. Alternativamente, o indutor 356 da FIG. 3 pode ser posicionado dentro da pele externa 260 da ferramenta, onde o tubo de fluxo central 262 passa através do indutor 356, tal como através de um espaço central de um indutor toroidal, ou onde o indutor 356 é formado em torno do tubo de fluxo central 262. O indutor 356 pode ser composto de fio trançado, tal como fio Litz, condutor de camada de cabo, incluindo fio revestido com uma cobertura isolante.

[0063] Juntos, os capacitores 360, 361, 362 e 363 e o indutor 356 podem ser configurados para bloquear a passagem de correntes de alta frequência de AFEC 322 para os outros elementos do PCS 200. Em várias modalidades, AFEC 322 opera em uma primeira frequência de comutação, tal como 40 kHz, enquanto o SAB 338 pode operar em uma segunda frequência de comutação, que pode ser 80 kHz, 100 kHz ou outro valor com base nas características de um ou mais FETs 376 do SAB 338. Em várias modalidades, o link CC 324 pode fornecer uma indutância em uma faixa de 500 nano-henry (nH) a 1,3 micro-henry (μH). Em várias modalidades, o link CC 324 pode ser configurado para transportar correntes tão grandes quanto 200 Amperes (Amps). A entrada para o link CC 324 é aproximadamente a saída do AFEC 322, medida na linha tracejada 322. A saída do link CC 324 é medida na linha tracejada 306.

[0064] Para ilustrar, FIGS. 6A, 6B, 6C e 6D representam gráficos de entrada e saída de corrente contínua e voltagem do link de corrente contínua (CC) de acordo com várias modalidades. FIGS. 6A-6D representam gráficos 600, 620, 640 e 660. Operações das FIG. 6A-6D são descritas em referência ao sistema de condicionamento de energia de exemplo 200 da FIG. 2 e ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3.

[0065] FIG. 6A contém o gráfico 600 que mostra a voltagem de entrada do link CC 324. O gráfico 600 mostra um sinal de voltagem 606 (conforme medido na linha tracejada 304 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 602) e de voltagem (no eixo y 604). A voltagem exibe periodicidade na ordem de aproximadamente 0,02 s. A voltagem varia de aproximadamente 650 a 950 V. O sinal de voltagem 606 é um sinal CC positivo que exibe periodicidade em amplitude a uma frequência substancialmente estável.

[0066] FIG. 6B contém o gráfico 620 que mostra a corrente de entrada do link CC 324. O gráfico 620 mostra um sinal de corrente 626 (conforme medido na linha tracejada 304 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 622) e corrente (no eixo y 624). A corrente exibe periodicidade da ordem de aproximadamente 0,02 s (conforme mostrado na natureza dente de serra do envelope de onda) e outras frequências harmônica e em periodicidade de frequência mais alta, conforme mostrado pelas linhas dentro do envelope de onda. A corrente varia de aproximadamente 0 A a 250 A e é positiva. Pequenas flutuações de corrente negativa podem ocorrer em alguns casos quando o sinal de corrente 626 atinge o valor 0 A, mas estas flutuações não representam corrente CA.

[0067] FIG. 6C contém o gráfico 640 que mostra a voltagem de saída do link CC 324. O gráfico 640 mostra um sinal de voltagem 646 (conforme medido na linha tracejada 306 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 642) e de voltagem (no eixo y 644). A voltagem exibe periodicidade na ordem de aproximadamente 0,02 s. A voltagem varia de aproximadamente 650 a 950 V. O sinal de voltagem 646 é um sinal CC positivo que exibe periodicidade em amplitude a uma frequência substancialmente estável.

[0068] FIG. 6D contém o gráfico 660 que mostra corrente de saída do link CC 324. O gráfico 660 mostra um sinal de corrente 668 (conforme medido na linha tracejada 306 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 662) e corrente (no eixo y 664). A corrente exibe periodicidade da ordem de aproximadamente 0,02 s (e em outras frequências harmônicas) a qual aparece como uma função escalonada no envelope de onda e periodicidade de frequência mais alta, conforme mostrado pelas linhas dentro do envelope de onda. Corrente varia de aproximadamente -500 A a 500 A e é tanto positiva quanto negativa. Os envelopes de onda que aparecem na ordem de cada 0,02 s são separados por seções onde a corrente é zero, ocorrendo também em períodos de aproximadamente 0,02 s.

[0069] Voltando ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3, em várias modalidades o freio dinâmico 326 recebe a saída de voltagem e corrente alternadas (como mostrado nas FIGS. 6A-6D) pelo link CC 324 e é configurado para proteger os circuitos do PCS da FIG. 2 de sobrecargas de voltagem e corrente. Em várias modalidades, o freio dinâmico 326 compreende um ou mais FETs 370 e um ou mais resistores 372. Os um ou mais FETs 370 e os um ou mais resistores 372 são configurados para dispersar como calor qualquer energia elétrica extra causada por condições de sobrevoltagem, passando a corrente através dos um ou mais resistores 372 quando o FET 370 é ativado. Os um ou mais FETs 370 compreendem um comutador configurado para rotear corrente através dos um ou mais resistores 372. Os um ou mais FETs 370 também podem compreender um circuito de detecção de alta voltagem. Os um ou mais resistores 372 podem ser um resistor discreto, resistores em série ou, opcionalmente, um ou mais resistores conectados ao terra ou à pele externa 260 da ferramenta, de modo que alta corrente possa sair do PCS 200.

[0070] Quando o freio dinâmico 326 não está ativo, a saída de corrente e voltagem do freio dinâmico 326 medidas na linha tracejada 308 é substancialmente a mesma que a entrada de corrente e voltagem do freio dinâmico 326, que é a saída de corrente e voltagem do link CC, conforme medido na linha tracejada 306. Quando o freio dinâmico 326 está ativo, a corrente e a voltagem fluindo para o SAB 338 são reduzidas, o que pode incluir uma saída de corrente desprezível ou uma saída de voltagem zero. Em alguns casos, quando o freio dinâmico 326 está ativo, a corrente e a voltagem fluindo para o SAB 338 podem ser truncadas ou limitadas.

[0071] Em várias modalidades, juntos, o SAB 338, o transformador reforçador 328 e a ponte de diodo 348 constituem o conversor reforçador 208 da FIG. 2 Em várias modalidades, o conversor reforçador 208 é configurado para funcionar de forma análoga a um transformador de estado sólido operando na voltagem quase CC do PCS 200. Em várias modalidades, o SAB 338 opera na saída do link CC 324 depois de ele passar através do freio dinâmico 326. A entrada para o SAB 338 é medida na linha tracejada 308, enquanto a saída do SAB 338 é medida na linha tracejada 310 (como será mostrado nas FIGS. 7A e 7B). Em várias modalidades, o SAB 338 contém múltiplos FETs 376. Em várias modalidades, os múltiplos FETs 376 são dispostos em dois bancos paralelos, cada um contendo múltiplos FETs 376. Em várias modalidades, o SAB 338 pode ser composto por dois módulos idênticos em paralelo. Em várias modalidades, o SAB 338, o transformador reforçador 328 e a ponte de diodo 348 compreendem módulos paralelos. O uso de módulos e componentes paralelos pode reduzir a energia elétrica necessária para ser transportada através de cada um dos módulos individuais e, portanto, reduzir os requisitos de tamanho para os componentes individuais do conversor reforçador 208. Em uma ou mais modalidades, o conversor reforçador 208 encaixa entre o tubo de fluxo central 262 e a pele externa 260 do corpo de ferramenta e, como tal, componentes menores são desejáveis.

[0072] A velocidade de comutação de SAB 338 pode ser determinada pelos componentes individuais, tal como os múltiplos FETs 376 e qualquer circuito de controle. O SAB 338 produz o componente de alta frequência da voltagem e corrente de saída para a qual o conversor reforçador 208 está configurado, onde os eletrodos de perfuração de energia de pulso operam na corrente fornecida pelo PCS 200, mas não necessariamente na alta frequência do SAB 338. Em algumas modalidades, o SAB 338 é configurado para operar a uma frequência de aproximadamente 80 kHz. Em algumas modalidades, o SAB 338 é configurado para operar a uma frequência de aproximadamente 100 kHz. A frequência de operação do SAB 338 pode ser ajustada ajustando seu pelo menos um de ajuste de controle de software e/ou substituição de componentes individuais, onde o SAB 338 pode ter uma faixa de frequência ajustável. O SAB 338 gera dois sinais quase CC de onda quadrada de alta frequência nos quais o transformador reforçador 328 está configurado para operar. Em geral, os transformadores mudam os níveis de voltagem para sinais CA e não sinais CC, mas podem operar nas ondas quadradas quase CC que o SAB 338 emite porque a onda quadrada (ou outros impulsos quase verticais são de corrente ou voltagem) têm derivadas diferentes de zero de fluxo magnético e, portanto, obedecem à lei de Faraday.

[0073] Para ilustrar as FIGS. 7A e 7B representam gráficos de voltagem e corrente de saída de ponte ativa simples (SAB) de acordo com várias modalidades. FIGS. 7A-7B representam gráficos 700 e 720. Operações das FIGs. 7A-7B são descritas em referência ao sistema de condicionamento de energia de exemplo 200 da FIG. 2 e ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3. O SAB 338, conforme mostrado nas FIGS. 2 e 3 tem duas voltagens e correntes de saída para as seções paralelas do transformador reforçador 328. Para simplificidade, um conjunto de voltagem e corrente de saída é mostrado.

[0074] FIG. 7A contém o gráfico 700 que mostra a voltagem de saída de SAB 338. O gráfico 700 mostra um sinal de voltagem 706 (conforme medido na linha tracejada 310 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 702) e de voltagem (no eixo y 704). O envelope de onda da voltagem exibe periodicidade da ordem de aproximadamente 0,02 s e secundariamente uma alta frequência dentro do envelope de onda indicada por múltiplas linhas finas. O sinal de voltagem também exibe períodos com voltagem de aproximadamente zero, na ordem da periodicidade do envelope de onda. A voltagem varia de aproximadamente 0 a 20 kV. O sinal de voltagem 706 é um sinal CC positivo com três comportamentos distintos ao longo do tempo. Um período de voltagem zero é seguido por um período onde a voltagem varia de 0 a aproximadamente 10 kV, seguido por um segundo período de voltagem mais alta, onde a voltagem varia de aproximadamente 10kV a 20kV. Há alguma sobreposição entre o primeiro e o segundo períodos de alta voltagem.

[0075] FIG. 7B contém o gráfico 720, que mostra a corrente de saída de SAB 338. O gráfico 720 mostra um sinal de corrente 726 (conforme medido na linha tracejada 310 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 722) e corrente (no eixo y 724). O envelope de onda da corrente exibe periodicidade da ordem de aproximadamente 0,02 s, enquanto o sinal de corrente 726 exibe periodicidade de frequência mais alta adicional, conforme mostrado pelas linhas dentro do envelope de onda. O sinal de corrente 726 exibe períodos de corrente desprezível, que coincidem grosseiramente com os períodos de voltagem zero para o sinal de voltagem 706. A corrente varia de aproximadamente 0 A a 20 A e é positiva com dois comportamentos distintos ao longo do tempo. Um período de corrente zero é seguido por um período onde a corrente varia de 20 A a aproximadamente 10 A. O sinal de corrente diminui durante o período de alta corrente e exibe variações de alta frequência da ordem de aproximadamente 4 A.

[0076] Voltando ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3, em várias modalidades, o transformador reforçador 328 está configurado para receber a saída de voltagem e corrente alternada pelo SAB 338 (como mostrado nas FIGS. 7A e 7B) e para gerar correntes e voltagens de saída mensuráveis na linha tracejada 312, como será mostrado nas FIGS. 8A-8D. Em várias modalidades, o transformador reforçador 328 compreende transformadores 380. Em uma ou mais modalidades, o transformador reforçador 328 contém dois transformadores 380. Os transformadores 380 podem ser transformadores de alta voltagem alta frequência (HVHF). Em várias modalidades, transformadores 380 ocupam o espaço entre o tubo de fluxo central 262 e a pele externa 260 do corpo de ferramenta, como mostrado na FIG. 2. Em várias modalidades, o tubo de fluxo central 262 tem uma dimensão de seção transversal reduzida através do transformador reforçador 328 e uma dimensão de seção transversal maior em uma ou mais outras porções do PCS 200. Em várias modalidades, os transformadores 380 são toroidais em forma. Uma forma toroidal pode reduzir a quantidade de fluxo magnético fora do núcleo dos transformadores 380 quando comparada (por exemplo) com transformadores quadrados. Em várias modalidades, os transformadores 380 têm um núcleo magnético. Em várias modalidades, os transformadores 380 têm múltiplos núcleos magnéticos, assim como o indutor de saída 386 (como será discutido em relação às FIGS. 11A-11B). Em várias modalidades, os transformadores 380 têm múltiplos núcleos magnéticos com alta permeabilidade magnética, enquanto aqueles do indutor de saída 386 têm permeabilidade magnética baixa ou mais baixa.

[0077] Em várias modalidades de transformadores 380, o uso de circuitos paralelos reduz a energia elétrica fluindo através de cada um dos circuitos e, desse modo, diminui os requisitos de tamanho em cada um dos transformadores individuais 380 e outros componentes individuais. Como o fator de forma para o PCS 200 é restrito, componentes menores são preferíveis. Além disso, o uso de circuitos paralelos também reduz a corrente de ondulação de cada um dos transformadores 380. Como a corrente de ondulação é indesejável em aplicações CC, tal como para carregar eletrodos de energia de pulso, os transformadores paralelos atendem a duas ou mais considerações de projeto. Em várias modalidades, cada um dos transformadores 380 tem fuga de corrente não desprezível e indutância de magnetização parasita. Essas não idealidades podem afetar o desempenho dos FETs 376 do SAB 338.

[0078] Em várias modalidades, o conversor reforçador 328 é configurado para converter a entrada de 800 V (CA) em uma saída de aproximadamente 18 kV (CA). A saída CA do conversor reforçador 328 é, então, retificada pela ponte de diodo 348 em uma saída de 18 kV (CC). Em várias modalidades, o transformador reforçador 328 é configurado para fornecer o escalonamento em voltagem. O transformador reforçador 328 tem uma voltagem e corrente primárias e uma voltagem e corrente secundária. Em várias modalidades, a razão de voltagem do transformador é de aproximadamente 1:14.

[0079] Para ilustrar, as FIGS. 8A, 8B, 8C e 8D representam gráficos de correntes e voltagens de transformador reforçador de acordo com várias modalidades. FIGS. 8A-8D representam gráficos 800, 820, 840 e 860. Operações das FIGs. 8A-8D são descritas em referência ao sistema de condicionamento de energia de exemplo 200 da FIG. 2 e ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3. O transformador reforçador 328 relaciona dois conjuntos de corrente e voltagem, a voltagem primária e a corrente representadas nas FIGS. 8A e 8B e a voltagem e corrente secundárias representadas nas FIGS. 8C e 8D.

[0080] FIG. 8A contém o gráfico 800 que mostra a voltagem primária do transformador reforçador 328. O gráfico 800 mostra um sinal de voltagem 806 (conforme medido na linha tracejada 312 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 802) e de voltagem (no eixo y 804). O envelope de onda da voltagem exibe periodicidade da ordem de aproximadamente 0,02 s e secundariamente uma alta frequência dentro do envelope de onda indicada por múltiplas linhas finas. O sinal de voltagem exibe períodos com voltagem de aproximadamente zero, na ordem da periodicidade do envelope de onda. A voltagem varia de aproximadamente -1 a 1 kV. O sinal de voltagem 806 é um sinal de onda quadrada que não é estritamente CA nem CC. Um período de voltagem zero separa o envelope de onda em seções de voltagem de alta frequência, onde a magnitude da voltagem de pico diminui de 1.000 V para aproximadamente 800 V ao longo de cerca de 0,017 s.

[0081] FIG. 8B contém o gráfico 820 que mostra a corrente primária do conversor reforçador 328. O gráfico 820 mostra um sinal de corrente 826 (conforme medido na linha tracejada 312 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 822) e corrente (no eixo y 824). O envelope de onda da corrente exibe periodicidade da ordem de aproximadamente 0,02 s, enquanto o sinal de corrente 826 exibe periodicidade de frequência mais alta adicional, conforme mostrado pelas linhas dentro do envelope de onda. O sinal de corrente 826 exibe períodos de corrente desprezível, que coincidem grosseiramente com os períodos de voltagem zero para o sinal de voltagem 806. A corrente varia de aproximadamente -200 A a 200 A. O sinal de corrente 826 é um sinal de onda quadrada que não é estritamente nem CA nem CC. Um período de corrente zero separa o envelope de onda em seções de corrente de alta frequência, onde a magnitude da corrente de pico diminui de aproximadamente 250 A para 150 A ao longo de cerca de 0,017 s.

[0082] FIG. 8C contém o gráfico 840 que mostra a voltagem secundária do transformador reforçador 328. O gráfico 840 mostra um sinal de voltagem 846 (conforme medido na linha tracejada 312 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 842) e de voltagem (no eixo y 844). O envelope de onda da voltagem exibe periodicidade da ordem de aproximadamente 0,02 s e secundariamente uma alta frequência dentro do envelope de onda indicada por múltiplas linhas finas. O sinal de voltagem exibe períodos com voltagem de aproximadamente zero, na ordem da periodicidade do envelope de onda. A voltagem varia de aproximadamente -12 a 12 kV. O sinal de voltagem 846 é um sinal de onda quadrada que não é nem estritamente CA nem CC. Um período de voltagem zero separa o envelope de onda em seções de voltagem de alta frequência, onde a magnitude da voltagem de pico diminui de aproximadamente 12 kV para aproximadamente 10 V ao longo de cerca de 0,017 s.

[0083] FIG. 8D contém o gráfico 860 que mostra a corrente secundária do conversor reforçador 328. O gráfico 860 mostra um sinal de corrente 866 (conforme medido na linha tracejada 312 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 862) e corrente (no eixo y 864). O envelope de onda da corrente exibe periodicidade da ordem de aproximadamente 0,02 s, enquanto o sinal de corrente 866 exibe periodicidade de frequência mais alta adicional, conforme mostrado pelas linhas dentro do envelope de onda. O sinal de corrente 866 exibe períodos de corrente desprezível, que coincidem grosseiramente com os períodos de voltagem zero para o sinal de voltagem 846. A corrente varia de aproximadamente -20 A a 20 A. O sinal de corrente 866 é um sinal de onda quadrada que não é estritamente nem CA nem CC. Um período de corrente zero separa o envelope de onda em seções de corrente de alta frequência, onde a magnitude da corrente de pico diminui de aproximadamente 20 A para 8 A ao longo de cerca de 0,017 s.

[0084] FIGS. 9A e 9B representam gráficos de voltagens de transformador reforçador em uma escala de tempo na ordem da frequência de comutação de acordo com várias modalidades. FIGS. 9A-9B representam gráficos 900 e 920. Operações das FIGs. 9A-9B são descritas em referência ao sistema de condicionamento de energia de exemplo 200 da FIG. 2 e ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3.

[0085] FIG. 9A contém o gráfico 900 que mostra a voltagem primária do transformador reforçador 328 (como anteriormente representado na FIG. 8A) em uma escala de tempo de 0,1 ms. O gráfico 900 mostra um sinal de voltagem 906 (conforme medido na linha tracejada 314 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 902) e de voltagem (no eixo y 904). A voltagem exibe periodicidade na ordem de aproximadamente 0,01 ms. O sinal de voltagem exibe períodos com voltagem de aproximadamente zero e da ordem de duas vezes a periodicidade do envelope de onda. A voltagem varia de aproximadamente -1 a 1 kV. O sinal de voltagem 906 é um sinal de onda quadrada. A periodicidade do sinal de voltagem é produzida pela frequência de comutação do SAB 338.

[0086] FIG. 9B contém o gráfico 920 que mostra a voltagem secundária do conversor reforçador 328 (como anteriormente representado na FIG. 8C) em uma escala de tempo de 0,1 ms. O gráfico 920 mostra um sinal de voltagem 926 (conforme medido na linha tracejada 314 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 922) e de voltagem (no eixo y 924). A voltagem exibe periodicidade na ordem de aproximadamente 0,001 s. O sinal de voltagem exibe períodos com voltagem de aproximadamente zero, na ordem de duas vezes a periodicidade do envelope de onda. A voltagem varia de aproximadamente -10 a 10 kV. O sinal de voltagem 926 é um sinal de onda quadrada. A periodicidade do sinal de voltagem é transmitida para a voltagem secundária a partir da voltagem primária periódica (como mostrado na FIG. 9A).

[0087] Voltagem e fluxo de corrente do conversor reforçador 328 para a ponte de diodo 348, onde a corrente é retificada para produzir fonte elétrica CC para os eletrodos de energia de pulso. O conversor reforçador, juntamente com o SAB 338 e a ponte de diodo 348, pode ser configurado para gerar a corrente CC de alta voltagem que é enviada do circuito 300 e pode ser usada para alimentar módulos adicionais do conjunto de perfuração de energia de pulso, incluindo aquele de mais eletrodos.

[0088] Voltando ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3, a ponte de diodo 348 é configurada para receber a voltagem e corrente alternadas enviadas pelos transformadores reforçadores 328 (como mostrado nas FIGS. 8A-8C) e para gerar uma corrente e voltagem de saída mensuráveis na linha tracejada 314. A corrente de saída da ponte de diodo é aproximadamente igual à corrente de saída do SAB 338 como mostrado na FIG. 7B. A corrente de saída da ponte de diodo é a corrente de saída retificada do transformador reforçador 328 e, como tal, experimenta mais corrente de ondulação do que a corrente de saída do SAB 338. A corrente de saída da ponte de diodo 348 é a corrente de entrada do indutor de saída 386, o que será discutido com referência à FIG. 10 A. A ponte de diodo 348 converte a corrente quase CA do conversor reforçador 328 em um sinal CC com corrente e voltagem positivas. Em várias modalidades, a ponte de diodo 348 contém um ou mais diodos 384. Cada saída dos transformadores 380 do conversor reforçador 328 pode ser associada a um ou mais diodos 384. Em várias modalidades, os diodos 384 são elementos não comutadores que retificam entradas de corrente e voltagem. Em uma ou mais modalidades, os diodos 384 podem ser controláveis, comutáveis ou ajustáveis

[0089] A ponte de diodo 348 contém diodos 384 que funcionam como junções permitindo que corrente CC flua através das mesmas. Em várias modalidades, a corrente das duas seções paralelas do SAB 338, do conversor reforçador 328 e da ponte de diodo 348 é reunida após a retificação antes de fluir para o indutor de saída e comutador 330.

[0090] Em várias modalidades, a ponte de diodo 348 compreende dois retificadores de ponte completa em paralelo, cada um classificado para 50 kW. Em várias modalidades, a ponte de diodo 348 é configurada para enviar corrente e voltagem para o indutor de saída e comutador 330, conforme medido na linha tracejada 314.

[0091] Voltando ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3, o indutor de saída e o comutador 330 podem ser configurados para receber a saída de voltagem e corrente contínua fornecida pela ponte de diodo 348 e para gerar uma corrente e voltagem de saída como uma saída final do circuito 300 para os um ou mais módulos adicionais do conjunto de perfuração de energia pulsada para os eletrodos de energia de pulso. Em várias modalidades, o indutor de saída e o comutador 330 contêm um indutor 386 e um comutador 392. Em várias modalidades, o indutor de saída e o comutador 330 incluem opcionalmente um ou mais capacitores 388 e um ou mais resistores 390.

[0092] Em várias modalidades, o indutor de saída 386 compreende um único indutor de saída. Em várias modalidades, o indutor de saída e o comutador 330 contêm mais de um indutor, incluindo um indutor primário e um indutor secundário em série ou em paralelo com o indutor primário. Em várias modalidades, o indutor de saída 386 é configurado para limitar a corrente de ondulação, ou ondulação, presente na saída de corrente para os eletrodos de energia de pulso. Em várias modalidades, o indutor de saída 386 ocupa o espaço entre o tubo de fluxo central 262 e a pele externa 260 do corpo de ferramenta. Em várias modalidades, o indutor de saída 386 compreende uma bobina em série entre a saída do conversor reforçador 228 e a saída do PCS 200 para os eletrodos de energia de pulso. Em várias modalidades, o indutor de saída 386 é configurado para fornecer uma filtragem final da corrente e da voltagem na faixa de alta voltagem de voltagem(ns) presente(s) após o transformador reforçador 328 e circuitos de comutação e filtragem associados, tal como o SAB 338 e a ponte de diodo 348. Em várias modalidades, o núcleo da bobina indutiva é um material de baixa permeabilidade, tal como ferrita em pó. Em várias modalidades, o indutor de saída compreende um indutor onde o tubo de fluxo central 262 passa através da cavidade central de um indutor toroidal. A bobina do indutor de saída 386 pode compreender cabo elétrico, tal como fio Litz, e pode ser revestida com isolador. O indutor de saída 386 será discutido mais detalhadamente com referência às FIGS. 11A e 11B.

[0093] Para ilustrar, as FIGS.10A, 10B, 10C e 10D representam gráficos de corrente de entrada de indutor de saída, corrente e voltagem de saída e potência de saída de acordo com várias modalidades. FIGS. 10A-10C representam gráficos 1000, 1020, 1060 e 1090. Operações das FIGs. 10A-10C são descritas em referência ao sistema de condicionamento de energia de exemplo 200 da FIG. 2 e ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3.

[0094] FIG. 10A contém o gráfico 100 que mostra metade da voltagem de entrada do indutor de saída 386. O gráfico 1000 mostra um sinal de voltagem 1006 (conforme medido na linha tracejada 314 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 1002) e de voltagem (no eixo y 1004). A entrada para o indutor de saída 386 é aproximadamente a saída da ponte de diodo 348. O envelope de onda da voltagem exibe periodicidade da ordem de aproximadamente 0,02 s e secundariamente uma alta frequência dentro do envelope de onda indicada por múltiplas linhas finas. O sinal de voltagem exibe períodos com voltagem de aproximadamente zero, na ordem da periodicidade do envelope de onda. A voltagem varia de aproximadamente 0 a 12 kV. O sinal de voltagem 1006 é um sinal de onda quadrada. Um período de voltagem zero separa o envelope de onda em seções de voltagem de alta frequência, onde a magnitude da voltagem de pico diminui de 12 kV para aproximadamente 10 kV ao longo de cerca de 0,017 s.

[0095] FIG. 10B contém o gráfico 1020 que mostra a voltagem de saída do indutor de saída 386. O gráfico 1000 mostra um sinal de voltagem 1026 (conforme medido na linha tracejada 316 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 1022) e de voltagem (no eixo y 1024). A voltagem exibe periodicidade na ordem de aproximadamente 0,02 s. O sinal de voltagem exibe períodos com voltagem de aproximadamente zero, na ordem da periodicidade do envelope de onda. A voltagem varia de aproximadamente 0 a 16 kV, onde o sinal de voltagem 1026 aumenta supralinearmente de 0 kV a 16 kV, permanecendo em 16 kV por aproximadamente 1 ms, antes de retornar bruscamente para 0kV. A queda no sinal de voltagem 1026 de 16 kV para 0 kV é acentuada, acontecendo aproximadamente instantaneamente quando comparada com o período de voltagem de 0,02 s. A queda de voltagem ocorre quando um ou mais elementos capacitivos dos eletrodos de energia de pulso são descarregados.

[0096] FIG. 10C contém o gráfico 1060 que mostra a corrente de saída do indutor de saída 386. O gráfico 1060 mostra três sinais de corrente - uma corrente de comutação 1080, uma corrente média 1082 e uma corrente de referência 1084 (conforme medido na linha tracejada 316 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 1062) e corrente (no eixo y 1064). O envelope de onda dos sinais de corrente exibe periodicidade da ordem de aproximadamente 0,02 s. Os sinais de corrente 1080, 1082 e 1084 exibem períodos de corrente desprezível que coincidem grosseiramente com os períodos de voltagem zero para o sinal de voltagem 1026. A corrente varia de aproximadamente 0 A a 22 A. A corrente de comutação 1080, a corrente média 1082 e a corrente de referência 1084 exibem padrões e periodicidade semelhantes, com a corrente média 1082 e a corrente de referência 1084 substancialmente idênticas. A corrente comutada 1080 difere da corrente média 1082 e da corrente de referência 1084 durante o período de corrente mais alta, onde a corrente comutada 1080 exibe uma corrente plana depois de atingir uma corrente máxima antes de diminuir, ao passo que a corrente média 1082 e a corrente de referência 1086 exibem um ligeiro aumento em corrente após a corrente máxima ser atingida.

[0097] Em várias modalidades, as saídas de voltagem e corrente do indutor 386 compreendem uma saída de corrente constante - energia constante (CC-CP). O ciclo começa (após um período de aproximadamente zero de corrente e zero de voltagem) com uma rampa de corrente de 0 A a 18 A em 1 milissegundo (ms). A corrente é constante na corrente mais alta (ou opcionalmente experimenta um ligeiro aumento) por aproximadamente 3 ms. Quando a corrente é alta, a voltagem rampeia para cima de 0 V a 22 kV, o que aumenta a saída de energia de zero (isto é, 0 W) até a saída de energia máxima. No exemplo descrito acima, a saída de energia máxima possível seria a corrente máxima multiplicada pela voltagem máxima, ou 22 kV vezes 18 A para 396 kW ou aproximadamente 400 kW. No entanto, em várias modalidades, a saída de energia máxima é inferior à saída de energia máxima possível - isto é, a saída de energia máxima pode ser de 100 kW ou outro valor com base na configuração do PCS 200 e dos eletrodos de energia de pulso. Uma vez que a saída de energia máxima é atingida, a corrente e a voltagem se ajustam simultaneamente para manter a saída de energia constante quando a voltagem continua a aumentar até a voltagem máxima. Em algumas modalidades, isso significa que a corrente diminui inversamente com a voltagem após a saída de energia máxima ser atingida. Em uma ou mais modalidades, a saída de energia máxima é mantida até que os eletrodos de energia de pulso sejam descarregados ou de outra forma separados da conexão elétrica com o PCS 200, tal como através da operação do comutador 392.

[0098] FIG. 10D contém o gráfico 1090 que mostra a energia de saída do indutor de saída 386. O gráfico 1090 mostra um sinal de energia 1096 (conforme medido na linha tracejada 316 da FIG. 3) em função de tempo (no eixo x 1092) e de voltagem (no eixo y 1094). A energia exibe periodicidade da ordem de aproximadamente 0,02 s, após um período inicial de rampa para cima começando no tempo zero. O sinal de energia exibe períodos de aproximadamente 55 kW de saída e períodos de aproximadamente 95 kW de saída, alternando na ordem da periodicidade de envelope de onda.

[0099] O indutor de saída 386 remove o sinal de alta frequência presente na voltagem e corrente em outros pontos no sistema PCS 200, por exemplo, nas linhas tracejadas 302, 304, 306, 308, 310, 312 e 314. Os eletrodos de energia de pulso experimentam a saída do PCS 200 como uma fonte de voltagem e corrente quase CC de alta voltagem alta energia.

[00100] Voltando ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3, em várias modalidades, o comutador 392 é configurado para controlar o acoplamento elétrico entre as saídas elétricas do PCS 200 e os módulos a jusante adicionais do conjunto de perfuração de energia de pulso, que inclui um ou mais eletrodos. Em várias modalidades, o comutador 392 é acoplado em série com a saída do indutor de saída 386. Em várias modalidades, o comutador 392 é configurado para permanecer fechado, a menos que uma condição de falha, tal como um curto-circuito, sobretensão, etc., seja detectada no PCS 200 ou outro circuito. Nesse caso, uma falha detectada pode ser usada como um gatilho para abrir o comutador 392. Em várias modalidades, o comutador 392 pode ser controlado para abrir quando os circuitos alimentando os um ou mais eletrodos do conjunto de perfuração de energia de pulso estão totalmente carregados em ordem para proteger o PCS 200 dos efeitos de descarga dos eletrodos de energia de pulso. Se os eletrodos de energia de pulso forem descarregados quando em contato elétrico com o PCS 200, o PCS 200 pode sofrer choque de carga elétrica ou descarga capacitiva a montante. Em várias modalidades, o comutador 392 pode ser configurado para abrir com base em um intervalo de tempo predeterminado. Em várias modalidades, o comutador 392 pode ser configurado para padronizar para uma posição aberta e para fechar quando uma diferença em voltagem é detectada entre a saída do indutor de saída 386 e (por exemplo) os elementos capacitivos da unidade de energia pulsada usada para controlar a energia de pulso aplicada ao(s) eletrodo(s) do conjunto de perfuração de energia de pulso.

[00101] FIGS. 11A e 11B representam modalidades do indutor de saída. FIG. 11A representa uma modalidade de um indutor de saída toroidal. FIG. 11B representa uma seção transversal do indutor de saída toroidal da FIG. 11A. Operações e componentes das FIGS. 11A-11B são descritos em referência ao PCS 200 de exemplo da FIG. 2 e ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3.

[00102] FIGS. 11A-11B representam o indutor 1100. Em várias modalidades, o indutor 1100 representa a configuração do indutor de saída 242 do PCS 200 da FIG. 2 e/ou o indutor de saída 386 do diagrama de circuito 300 da FIG. 3. O indutor 1100 tem pelo menos duas conexões elétricas 1102 que podem ser uma entrada elétrica ou uma saída elétrica. Em uma ou mais modalidades, o indutor 1100 é simétrico em relação às conexões elétricas. Em várias modalidades, o indutor 1100 é composto por múltiplos enrolamentos 1104, onde os enrolamentos 1104 podem ser de um condutor elétrico, tal como fio Litz, ou um condutor elétrico revestido e encerrado dentro de um isolador elétrico (tal como um epóxi) e/ou pode compreender um condutor trançado ou de múltiplos fios e pode compreender uma ou mais camadas de enrolamentos.

[00103] Em várias modalidades, o indutor 1100 compreende uma forma toroidal, tendo uma cavidade cilíndrica interna 1105. Em várias modalidades, cada um dos enrolamentos 1104 pode se estender ao longo de uma superfície externa da forma toroidal em uma direção que é paralela e à mesma distância radial de afastamento de um eixo longitudinal da forma toroidal. Cada enrolamento pode se estender através de uma borda de extremidade (1107, 1108) da forma toroidal e, em seguida, continuar a se estender em uma direção que é paralela a uma distância radial do eixo longitudinal da forma toroidal, passando pela cavidade cilíndrica interna 1105. A cavidade cilíndrica interna 1105 está configurada para receber o tubo de fluxo central de modo que o tubo de fluxo central 262 possa passar através da cavidade cilíndrica interna e se estender além das extremidades do toroide do indutor 1100. Assim, o diâmetro de seção transversal interna da forma toroidal (incluindo a porção dos enrolamentos 1104 que se estende através da passagem da cavidade interna 1105) deve ser pelo menos grande o suficiente para acomodar o tubo de fluxo central.

[00104] Em várias modalidades, o tubo de fluxo central 262 pode estar em contato físico com o condutor elétrico dos enrolamentos 1104 ou com o isolador elétrico revestindo o condutor elétrico dos enrolamentos 1104. Em várias modalidades, o tubo de fluxo central 262 pode ser adicionalmente separado fisicamente do condutor elétrico dos enrolamentos 1104 por uma camada isolante ou não magnética, tal como lã de fibra de vidro isolante, Teflon, etc. Em várias modalidades, a pele externa 260 do corpo de ferramenta pode estar em contato físico com o condutor elétrico dos enrolamentos 1104 ou com o isolador elétrico revestindo o condutor elétrico dos enrolamentos 1104 ao longo das porções externas do indutor 1100. Em várias modalidades, a pele externa 260 do corpo de ferramenta pode ser fisicamente separada do condutor elétrico dos enrolamentos 1104 por uma camada isolante ou não magnética, tal como lã de fibra de vidro isolante, Teflon, etc.

[00105] A seção transversal da FIG. 11B representa múltiplos núcleos indutores 1110. Em várias modalidades, os núcleos indutores 1110 podem ser núcleos indutores de baixa permeabilidade magnética. Em várias modalidades, os núcleos indutores 1110 compreendem núcleos de Kool Mu, xFlux, etc. Em várias modalidades, os núcleos indutores 1110 compreendem um núcleo em pó ou um núcleo de ferrita. Em várias modalidades, os núcleos indutores 1100 podem compreender quinze núcleos indutores 1110 circundados por uma camada de enrolamentos 1104. Alternativamente, o indutor 1100 pode compreender seis núcleos indutores 1110 circundados por duas camadas de enrolamentos 1104. Geometrias alternativas para os núcleos indutores 1110 e enrolamentos 1104 são permitidas com base no fator de forma exigido e nas características elétricas. Em uma ou mais modalidades, o tubo de fluxo central 262 tem um raio menor ao passar através do indutor 1100 do que em uma ou mais outras seções do PCS 200.

[00106] Figura 12 é um fluxograma de um método 1200 incluindo operações para condicionar energia elétrica para uso em operações de perfuração de energia de pulso usando um sistema de condicionamento de energia de acordo com várias modalidades. Um fluxograma 1200 da FIG. 12 inclui operações descritas em referência ao PCS 200 da FIG. 2 e ao diagrama de circuito 300 da FIG. 3, para consistência com descrições anteriores. No entanto, a nomenclatura, a organização e a implantação de código de programa podem variar devido à escolha arbitrária do programador, à(s) linguagem(ns) de programação, à plataforma, etc. A representação dos blocos do fluxograma na FIG. 12 não deve ser interpretada como exigindo todas as operações no bloco representadas, ou as operações na ordem representada.

[00107] No bloco 1202, modalidades do método 1200 incluem retificar energia elétrica recebida como uma saída elétrica de um gerador de um conjunto de perfuração de energia de pulso. O gerador pode compreender ainda um alternador e uma turbina, ou estar em comunicação com esses elementos. Em várias modalidades, retificar a energia elétrica compreende manipular a polaridade e a amplitude das formas de onda de voltagem da energia elétrica recebida. Em várias modalidades, a energia elétrica recebida compreende uma entrada elétrica trifásica recebida do alternador, que pode ser retificada e controlada para dentro de uma faixa de voltagem permissível e uma faixa de corrente permissível. Em várias modalidades, a retificação pode ser realizada pelo AFEC 202 da FIG. 2. Em várias modalidades, o método 1200 continua para o bloco 1204.

[00108] No bloco 1204, modalidades do método 1200 incluem compensar a energia retificada para diferenças de energia instantâneas e filtrar a energia retificada para filtrar uma ou mais frequências de ressonância. Por exemplo, diferenças de energia instantâneas podem ser compensadas com uma carga armazenada nos um ou mais capacitores 224. Filtrar as uma ou mais frequências de ressonância pode incluir atenuar ou de outro modo remover ou reduzir as uma ou mais frequências de ressonância. Em várias modalidades, as uma ou mais frequências ressonantes podem ser filtradas (removidas) com um indutor operando entre seções paralelas dos um ou mais capacitores do link CC 204 da FIG. 2. Juntos, os um ou mais capacitores 224 e o indutor do link CC 204 podem funcionar como um filtro passa banda para remover frequências de ressonância ou outros sinais de alta frequência (tal como aqueles induzidos pelo SAB 338 do diagrama de circuito 300 da FIG. 3). Em várias modalidades, o método 1200 continua para o bloco 1206.

[00109] No bloco 1206, modalidades do método 1200 incluem verificar uma voltagem em qualquer um dos componentes da FIG. 3, incluindo em qualquer um dos sensores 303, para determinar se excesso de voltagem é detectado. Em várias modalidades, a voltagem é verificada no link CC 324 ou no freio dinâmico 326 do PCS 200, como mostrado na FIG. 3. O excesso de voltagem pode ser medido em qualquer das linhas tracejadas 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314 ou 316 da FIG. 3. Se excesso de voltagem for detectado (seta “SIM” se estendendo do bloco 1206), as modalidades de método 1200 continuam para o bloco 1208. Em alternativa, se excesso de voltagem não for detectado (seta “NÃO” no bloco 1206), as modalidades de método 1200 continuam para o bloco 1210. Em várias modalidades, voltagem em excesso pode ser determinada com base em uma comparação da voltagem verificada com uma faixa de voltagem permissível predeterminada, uma faixa de energia permissível predeterminada ou qualquer outra faixa predeterminada ou conjunto de um ou mais limites predeterminadps de voltagem, energia ou corrente.

[00110] No bloco 1208, modalidades do método 1200 incluem dissipar o excesso de energia ou voltagem. Em várias modalidades, o excesso de energia pode ser dissipado através de uma carga resistiva, tal como resistor 372 do freio dinâmico 206 da FIG. 2, ou do freio dinâmico 326 da FIG. 3. Em várias modalidades, dissipar excesso de energia compreende ativação do freio dinâmico, ativando um comutador, tal como um FET, que por sua vez é acoplado a um condutor onde o excesso de voltagem foi detectado na carga resistiva. Em várias modalidades, a ativação do freio dinâmico ou a dissipação de energia ou voltagem no freio dinâmico pode disparar uma ou mais rotinas de desligamento ou diagnóstico. Uma rotina de desligamento ou diagnóstico pode ser disparada se o excesso de energia ou potência detectado ultrapassar limites ou faixas de dissipação de voltagem máxima, limites ou faixas de dissipação de energia ou limites ou faixas de dissipação de corrente. Em várias modalidades, um ou mais controladores, tal como o controlador 301 da FIG. 1 podem determinar que uma rotina de desligamento ou diagnóstico foi disparada com base na entrada dos sensores 303 da FIG. 3. Em várias modalidades, o método 1200 continua opcionalmente para o bloco 1210. Em várias modalidades, o método 1200 pode continuar para o bloco 1210 com base em uma determinação do controlador 301 da FIG. 3 com base na entrada do sensor 303 da FIG. 3.

[00111] No bloco 1210, modalidades do método 1200 incluem comutar voltagem elétrica para gerar sinais alternados e deslocados de fase. Por exemplo, uma corrente CC pode ser comutada para gerar ondas quadradas pulsadas paralelas pelo SAB 338 da FIG. 3. A corrente pode ser dividida em correntes paralelas a fim de reduzir a viagem total de energia através de cada um dos caminhos paralelos usados pelos componentes de conjunto transportando os respectivos sinais paralelos. Em várias modalidades, a corrente elétrica é comutada em uma frequência de comutação do SAB 338, que em várias modalidades pode estar em uma faixa de 80 a 100 kHz, inclusive. Em várias modalidades, a comutação permite formas de onda de voltagem que podem ser transformadas de uma primeira voltagem para uma segunda e mais alta voltagem pelo transformador reforçador 328 da FIG. 3. Em várias modalidades, o método 1200 continua para o bloco 1212.

[00112] No bloco 1212, modalidades do método 1200 incluem transformar a voltagem de cada um dos sinais paralelos gerados no bloco 1210 para uma voltagem mais alta. Por exemplo, a voltagem de cada um dos sinais paralelos pode ser transformada em um sinal de alta voltagem pelo transformador reforçador 328, incluindo os transformadores individuais 380 da FIG. 3. Os transformadores 380 podem ser transformadores HVHF, que geram sinais de alta frequência e alta voltagem, onde alta frequência significa que a frequência é aumentada em relação à entrada e alta voltagem significa que voltagem é aumentada em relação à entrada. Em várias modalidades, o transformador reforçador 328 pode compreender dois transformadores HVHF em paralelo. Em várias modalidades, o método 1200 continua para o bloco 1214.

[00113] No bloco 1214, modalidades do método 1200 incluem retificar separadamente cada um dos sinais paralelos e reunir os sinais paralelos retificados. Por exemplo, os sinais de onda quadrada paralelos podem ser retificados e reunidos pela ponte de diodo 348 da FIG. 3 para formar um único sinal CC tanto com uma primeira frequência quanto um segundo sinal de frequência mais lento. Em várias modalidades, o método 1200 continua para o bloco 1216.

[00114] No bloco 1216, modalidades do método 1200 incluem regular os sinais de corrente e voltagem fornecidos pela retificação e reuião dos sinais paralelos. Por exemplo, o indutor de saída 386 da FIG. 3 pode suavizar e eliminar componentes de alta frequência dos sinais de corrente e voltagem, tal como aqueles induzidos pela frequência de comutação do SAB 338 da FIG. 3. Em várias modalidades, o método 1200 continua para o bloco 1218.

[00115] No bloco 1218, modalidades de método 1200 incluem enviar a energia elétrica condicionada do sistema de condicionamento de energia. Por exemplo, energia elétrica condicionada pode ser transmitida como energia elétrica do PCS 200 da FIG. 2 para a unidade de energia de pulso do conjunto de energia de pulso onde o sistema de condicionamento de energia está localizado. Em várias modalidades, a saída ou transmissão da energia elétrica condicionada pode ser controlada pelo comutador 392 da FIG. 3. O condicionamento de energia da energia elétrica recebida do alternador do conjunto de perfuração de energia de pulso pode ser considerado ter sido concluído uma vez que a energia elétrica condicionada é enviada do sistema de condicionamento de energia, tal como PCS 200. No entanto, seria entendido que o condicionamento de energia elétrica, conforme descrito acima em relação às várias modalidades do método 1200, pode ser realizado em uma base contínua quando o alternador do conjunto de perfuração de energia de pulso continuar a produzir uma saída de energia elétrica que é, então, recebida pelo sistema de condicionamento de energia.

[00116] Qualquer fluxograma fornecido como parte desta divulgação se destina a ajudar a compreender as ilustrações e não será usado para limitar o escopo das reivindicações. O(s) fluxograma(s) representa(m) operações de exemplo que podem variar dentro do escopo das reivindicações. Operações adicionais podem ser realizadas; menos operações podem ser realizadas; as operações podem ser realizadas em paralelo; e as operações podem ser realizadas em uma ordem diferente. Por exemplo, as operações representadas nos blocos 1204 e 1208 podem ser realizadas em paralelo ou simultaneamente. Com relação à FIG. 12, uma entrada elétrica trifásica não é necessária. Será compreendido que cada bloco das ilustrações de fluxograma e/ou diagramas de blocos, e combinações de blocos nas ilustrações de fluxograma e/ou diagramas de blocos, podem ser implementados por código de programa. O código do programa pode ser fornecido a um processador de um computador de uso geral, computador de uso especial ou outra máquina ou aparelho programável.

[00117] Como será apreciado, aspectos da divulgação podem ser incorporados como um sistema, método ou código/instruções de programa armazenados em um ou mais meios legíveis por máquina. Por conseguinte, os aspectos podem assumir a forma de hardware, software (incluindo firmware, software residente, microcódigo, etc.), ou uma combinação de aspectos de software e hardware que podem ser geralmente referidos neste documento como um “circuito”, “módulo” ou “sistema”. A funcionalidade apresentada como módulos/unidades individuais nas ilustrações de exemplo pode ser organizada de forma diferente de acordo com qualquer plataforma (sistema operacional e/ou hardware), ecossistema de aplicativos, interfaces, preferências do programador, linguagem de programação, preferências do administrador, etc.

[00118] Qualquer combinação de um ou mais meios legíveis por máquina pode ser utilizada. O meio legível por máquina pode ser um meio de sinal legível por máquina ou um meio de armazenamento legível por máquina. Um meio de armazenamento legível por máquina pode ser, por exemplo, mas não limitado a, um sistema, aparelho ou dispositivo, que emprega qualquer um ou uma combinação de tecnologia eletrônica, magnética, óptica, eletromagnética, infravermelha ou semicondutora para armazenar o código de programa. Exemplos mais específicos (uma lista não exaustiva) do meio de armazenamento legível por máquina incluem o seguinte: um disquete de computador portátil, um disco rígido, uma memória de acesso aleatório (RAM), uma memória somente de leitura (ROM), uma memória somente de leitura programável apagável (EPROM ou memória Flash), uma memória somente de leitura de disco compacto portátil (CDROM), um dispositivo de armazenamento óptico, um dispositivo de armazenamento magnético ou qualquer combinação adequada dos anteriores. No contexto deste documento, um meio de armazenamento legível por máquina pode ser qualquer meio tangível que pode conter ou armazenar um programa para uso por ou em conexão com um sistema, aparelho ou dispositivo de execução de instrução. Um meio de armazenamento legível por máquina não é um meio de sinal legível por máquina.

[00119] Um meio de sinal legível por máquina pode incluir um sinal de dados propagado com código de programa legível por máquina incorporado no mesmo, por exemplo, em banda base ou como parte de uma onda portadora. Tal sinal propagado pode assumir qualquer uma de uma variedade de formas, incluindo, mas não se limitando a, eletromagnética, óptica ou qualquer combinação adequada das mesmas. Um meio de sinal legível por máquina pode ser qualquer meio legível por máquina que não seja um meio de armazenamento legível por máquina e que pode se comunicar, propagar ou transportar um programa para uso por ou em conexão com um sistema, aparelho ou dispositivo de execução de instrução.

[00120] O código de programa incorporado em um meio legível por máquina pode ser transmitido usando qualquer meio apropriado, incluindo, mas não se limitando a, cabo sem fio, cabo de aço, cabo de fibra óptica, RF, etc., ou qualquer combinação adequada dos anteriores.

[00121] O código/as instruções do programa também podem ser armazenados em um meio legível por máquina que pode direcionar uma máquina para funcionar de uma maneira particular, de modo que as instruções armazenadas no meio legível por máquina produzam um artigo de fabricação incluindo instruções que implementam a função/o ato especificado no fluxograma e/ou bloco ou blocos do diagrama de bloco.

[00122] FIG. 13 representa um sistema de computador 1300 para um sistema de condicionamento de energia de acordo com várias modalidades. Como ilustrado na FIG. 13, o sistema de computador 1300 inclui um processador 1301 (possivelmente incluindo múltiplos processadores, múltiplos núcleos, múltiplos nós e/ou implementando multi-threading, etc.), uma memória de computador 1307. A memória 1307 pode ser memória de sistema ou qualquer uma ou mais das realizações possíveis já descritas acima de meios legíveis por máquina. O sistema de computador 1300 também inclui um barramento 1303 e uma interface de rede 1305. Em várias modalidades, a memória 1307 é acoplada comunicativamente ao processador 1301 através do barramento 1303. Em modalidades alternativas, a memória 1307 pode ser acoplada diretamente ao processador 1301 ou pode ser uma parte integrante do processador 1301.

[00123] Em várias modalidades, o sistema de computador 1200 inclui um controlador de sistema de condicionamento de energia 1313 e, opcionalmente, um controlador de conversor de front-end ativo (AFEC) 1311. O controlador do sistema de condicionamento de energia 1313 pode ser configurado para controlar um ou mais componentes do sistema de condicionamento de energia, incluindo um ou mais FET e um ou mais comutadores de um sistema de condicionamento de energia, tal como PCS 200 (FIG. 2). O controlador de sistema de condicionamento de energia 1313 opcionalmente controla frequências, voltagens e correntes de um ou mais componentes do sistema de condicionamento de energia. O controlador AFEC 1311 pode ser configurado para controlar um ou mais componentes do AFEC, que podem incluir um ou mais FETs ou um ou mais comutadores. O controlador AFEC 1311 pode opcionalmente ser parte do controlador do sistema de condicionamento de energia 1313, pode estar em comunicação com o controlador do sistema de condicionamento de energia 1313 ou pode, opcionalmente, ser autônomo do controlador do sistema de condicionamento de energia 1313. Qualquer uma das funcionalidades descritas anteriormente pode ser parcialmente (ou totalmente) implementada em hardware e/ou no processador 1301. Por exemplo, a funcionalidade pode ser implementada com um circuito integrado específico de aplicação, em lógica implementada no processador 1301, em um coprocessador em um dispositivo periférico ou cartão, etc. Além disso, realizações podem incluir menos componentes ou componentes adicionais não ilustrados na FIG. 13 (por exemplo, placas de vídeo, placas de áudio, interfaces de rede adicionais, dispositivos periféricos, etc.). O processador 1301 e a interface de rede 1305, o controlador de conversor de front end ativo 1311 e o controlador de sistema de condicionamento de energia são acoplados ao barramento 1303 e são configurados para comunicar com um ou mais desses outros componentes do sistema de computador 1300 através do barramento 1303

[00124] Embora os aspectos da divulgação sejam descritos com referência a várias implementações e explorações, será entendido que esses aspectos são ilustrativos e que o escopo das reivindicações não está limitado a eles. Em geral, técnicas para condicionamento de energia, conforme descrito neste documento, podem ser implementadas com instalações consistentes com qualquer sistema de hardware ou sistemas de hardware. Muitas variações, modificações, adições e melhorias são possíveis.

[00125] Exemplos plurais podem ser fornecidos para componentes, operações ou estruturas aqui descritas como um exemplo único. Finalmente, limites entre vários componentes, operações e armazenamentos de dados são um tanto arbitrários e operações particulares são ilustradas no contexto de configurações ilustrativas específicas. Outras alocações de funcionalidade são previstas e podem cair dentro do escopo da divulgação. Em geral, estruturas e funcionalidade apresentadas como componentes separados nas configurações de exemplo podem ser implementadas como uma estrutura ou um componente combinado. Da mesma forma, estruturas e funcionalidade apresentadas como um componente simples podem ser implementadas como componentes separados. Essas e outras variações, modificações, adições e melhorias podem cair dentro do escopo da divulgação.

Terminologia

[00126] Conforme usado neste documento, o termo “ou” é inclusivo, a menos que explicitamente indicado de outra forma. Assim, a frase “pelo menos um de A, B ou C” é satisfeita por qualquer elemento do conjunto {A, B, C} ou qualquer combinação dos mesmos, incluindo múltiplos de qualquer elemento.

Claims

Método, caracterizado pelo fato de que compreende: receber em um sistema de condicionamento de energia posicionado dentro de um conjunto de perfuração com energia de pulso uma saída de energia elétrica gerada por um alternador operando dentro do conjunto de perfuração de energia de pulso como parte de uma operação de perfuração com energia de pulso; e condicionar, usando o sistema de condicionamento de energia, a saída de energia elétrica recebida para gerar uma saída de energia elétrica condicionada a ser acoplada a uma unidade de energia de pulso do conjunto de perfuração com energia pulsada, em que condicionar a saída de energia elétrica recebida compreende: retificar saída de energia elétrica para gerar uma saída de energia retificada, transformar um nível de tensão de uma ou mais formas de onda incluídas na saída de energia retificada para um ou mais níveis de tensão mais altos, e emitir uma saída de energia elétrica condicionada compreendendo os um ou mais níveis de tensão mais altos para a unidade de energia pulsada
Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que transformar um nível de tensão de uma ou mais formas de onda incluídas na saída de energia retificada para um ou mais níveis de tensão mais altos compreende: comutar as uma ou mais formas de onda em uma primeira frequência para criar pelo menos um sinal de onda quadrada; e transformar um nível de tensão do pelo menos um sinal de onda quadrada para um ou mais níveis de tensão mais altos.
Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que comutar as uma ou mais formas de onda em uma primeira frequência para criar pelo menos um sinal de onda quadrada compreende: dividir as uma ou mais formas de onda em dois sinais paralelos; comutar cada um dos dois sinais paralelos em uma primeira frequência para criar pelo menos um sinal de onda quadrada; transformar um nível de tensão de cada um dos dois sinais paralelos para os um ou mais níveis de tensão mais altos; e reunir os dois sinais paralelos nos um ou mais níveis de tensão mais altos.
Método de acordo com a reivindicação 2 caracterizado pelo fato de que compreende ainda: retificar o pelo menos um sinal de onda quadrada nos um ou mais níveis de tensão mais altos.
Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que enviar uma saída de energia elétrica condicionada compreende ainda: regular a saída de energia elétrica condicionada e em que a regulação compreende pelo menos um de suavização indutiva e filtragem de frequência de pelo menos uma de uma corrente, uma tensão e uma energia.
Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que condicionar a saída de energia elétrica recebida compreende ainda: detectar pelo menos um de um excesso de corrente, um excesso de tensão e um excesso de energia; e quando o pelo menos um do excesso de corrente, do excesso de tensão e do excesso de potência é detectado, pelo menos um de dissipar o excesso de corrente, limitar o excesso de tensão e dissipar o excesso de energia.
Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que condicionar a saída de energia elétrica recebida compreende ainda: compensar desequilíbrios instantâneos entre a saída de energia elétrica recebida e a saída de energia elétrica condicionada.
Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compensar desequilíbrios instantâneos entre a saída de energia elétrica recebida e a saída de energia elétrica condicionada compreende pelo menos um de compensar indutivamente e compensar capacitivamente.
Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que condicionar a saída de energia elétrica recebida compreende ainda: remover uma ou mais frequências de pelo menos uma da saída de energia elétrica recebida e da saída de energia elétrica condicionada e em que remover as uma ou mais frequências compreende pelo menos um de filtragem de frequência passa banda, filtrar indutivamente e filtrar capacitivamente.
Aparelho, caracterizado pelo fato de que compreende: um sistema de condicionamento de energia configurado para ser fisicamente posicionado furo abaixo dentro de um poço como parte de um conjunto de perfuração de energia pulsada, o sistema de condicionamento de energia configurado para receber energia elétrica gerada por um alternador do conjunto de perfuração de energia pulsada e para fornecer uma saída compreendendo energia elétrica condicionada, em que o sistema de condicionamento de energia compreende: um módulo active front-end converter (AFEC) configurado para receber a energia elétrica gerada pelo alternador e para realizar a retificação da energia elétrica recebida para gerar uma energia elétrica retificada; um módulo conversor elevador acoplado ao módulo AFEC, o módulo conversor elevador configurado para receber a energia elétrica retificada e para reforçar um nível de tensão da energia elétrica retificada para gerar uma energia elétrica em tensão superior; e um módulo indutor de saída acoplado ao módulo conversor elevador, o módulo indutor de saída configurado para realizar regulação de tensão da energia elétrica de tensão elevada para gerar a energia elétrica condicionada.
Aparelho de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o sistema de condicionamento de energia compreende ainda: um módulo de ligação de corrente contínua (CC) acoplado ao módulo AFEC, o módulo de ligação CC configurado para receber a energia elétrica retificada e para remover oscilações de alta frequência e em que o módulo conversor elevador é acoplado ao módulo AFEC através do módulo de ligação CC.
Aparelho de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o sistema de condicionamento de energia compreende ainda: um módulo de freio dinâmico acoplado ao módulo de ligação CC, o módulo de freio dinâmico configurado para: receber a energia elétrica retificada e detectar pelo menos um de um excesso de corrente, um excesso de tensão e um excesso de energia; e quando o pelo menos um do excesso de corrente, do excesso de tensão e do excesso de potência é detectado, pelo menos um de dissipar o excesso de corrente, limitar o excesso de tensão e dissipar o excesso de energia, e em que o módulo convertido elevador é acoplado ao módulo AFEC através do módulo de ligação CC e o módulo de freio dinâmico.
Aparelho de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o módulo conversor elevador compreende ainda: um módulo de ponte ativa simples (SAB) acoplado ao módulo AFEC, o módulo SAB configurado para: receber a energia elétrica retificada; e comutar uma corrente da energia elétrica retificada em uma primeira frequência para criar pelo menos um sinal de onda quadrada; e um módulo de ponte de diodo acoplado ao módulo conversor elevador, o módulo de ponte de diodo configurado para: retificar a energia elétrica de tensão reforçada, em que o conversor elevador é configurado para reforçar o nível de tensão de energia elétrica retificada comutada na primeira frequência, e em que o módulo indutor de saída é acoplado ao módulo de ponte de diodo.
Aparelho de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o módulo conversor elevador compreende ainda: um módulo de transformador de alta tensão alta frequência (HVHF) acoplado ao módulo AFEC e ao módulo indutor de saída, o módulo HVHF configurado para: comutar uma corrente da energia elétrica retificada de uma primeira frequência para uma segunda frequência mais rápida; e reforçar o nível de tensão da energia elétrica retificada de uma primeira tensão para uma segunda frequência mais alta.
Aparelho de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o módulo conversor elevador compreende ainda um segundo módulo HVHF e em que o módulo HVHF e o segundo módulo HVHF estão eletricamente em paralelo.