BR112013002203B1

BR112013002203B1 - sistemas e métodos para comunicação de instrumento de fundo de poço por meio de cabo de força

Info

Publication number: BR112013002203B1
Application number: BR112013002203A
Authority: BR
Inventors: E Layton James
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2020-01-28
Also published as: WO2012016117A1; BR112013002203A2; NO345860B1; GB201302885D0; BR112013002203A8; CA2806569A1; GB2499524B; GB2499524A; NO20130205A1; NO346998B1; US8446292B2; US20120026003A1; CA2806569C; NO20210648A1

Abstract

sistemas e métodos para comunicação de instrumento de fundo de poço por meio de cabo de força. a presente invenção refere-se a sistemas e métodos para comunicar de modo seguro dados entre a superfície e o equipamento de fundo de poço over a cabo de força, a despeito do comprimento do cabo de força, em que um transmissor modula um fluxo de dados comuns em múltiplos sinais de portadora de alta frequência, cada um dos quais tem uma frequência diferente. cada uma das frequências diferentes é mais adequada para comunicação por um comprimento de cabo diferente. os sinais de dados de alta frequência modulados resultantes são impressos no cabo de força e são recuperados do cabo por um receptor. o receptor é configurado para recuperar sinais em cada uma das diferentes frequências de portadora, ao menos uma das quais deve ser transmitida com atenuação e interferência pouca o suficiente para que o fluxo de dados possa ser recuperado de modo preciso ao sinal de dados de alta frequência modulado correspondente.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para SISTEMAS E MÉTODOS PARA COMUNICAÇÃO DE INSTRUMENTO DE FUNDO DE POÇO POR MEIO DE CABO DE FORÇA.

Antecedentes

Campo da Invenção [0001] A presente invenção refere-se a sistemas para comunicação entre equipamento de superfície e de fundo de poço e, mais particularmente, a sistemas e métodos para comunicar de modo seguro dados entre o equipamento de superfície e de fundo de poço por um cabo de força, seja o cabo relativamente curto, longo ou de comprimento intermediário.

Técnica relacionada [0002] Sistemas que fornecem comunicação entre equipamento de superfície e de fundo de poço (equipamento posicionado dentro de um furo de sondagem) por cabos de força são conhecidos. Esses sistemas podem usar várias tecnologias, mas tipicamente, um transmissor acoplado ao equipamento de fundo de poço modula um sinal de portadora com um fluxo de dados e imprime o sinal modulado no cabo de força. Um receptor acoplado ao cabo de força na superfície então detecta o sinal modulado e demodula o fluxo de dados a partir do sinal. [0003] O fluxo de dados, que pode ser adquirido a partir dos sensores, produzido por equipamento de fundo de poço, ou de outra forma gerado, pode ser codificado e modulado no sinal de portadora de inúmeras formas. Os dados podem ser, por exemplo, modulados por frequência, modulados por amplitude, modulados por rajada, chave de comutação de frequência modulada, chave de comutação de fase modulada, etc. O sinal de portadora modulado pode ser então impresso no cabo de força, tal como através de uma derivação direta ao cabo de força ou através de um acoplamento reativo. The receptor pode obter o

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2/20 sinal de portadora modulado a partir do cabo de força com o uso de meios similares e pode demodular o fluxo de dados a partir do sinal com o uso de técnicas de demodulação complementares. As comunicações podem ser unidirecionais ou bidirecionais entre o equipamento de superfície e de fundo de poço.

[0004] Os sinais que são portados por cabos de força estão sujeitos a interferência e atenuação no cabo. Os sinais no cabo ressoam em frequências que são inversamente proporcionais ao comprimento do cabo (profundidade do poço) e atenuam em proporção direta ao comprimento do cabo. Os sistemas convencionais usam um único sinal de portadora que tem uma frequência única que é normalmente escolhida de modo que essa seja alta o suficiente para evitar interferência ressonante em poços mais rasos, mas baixa o suficiente para minimizar a atenuação em poços mais profundos. Apesar de a frequência de portadora poder ser otimizada para um comprimento de cabo particular, essa não pode ser otimizada para múltiplos comprimentos, então o sistema pode operar apropriadamente em alguns poços, mas não em outros.

[0005] Seria, portanto, desejável fornecer sistemas e métodos que possibilitem comunicações seguras no cabo de força entre o equipamento de superfície e de fundo de poço, a despeito do comprimento do cabo de força.

Sumário da Invenção [0006] Essa revelação é direcionada a sistemas e métodos para comunicar de modo seguro dados entre o equipamento de superfície e de fundo de poço por um cabo de força, seja o cabo relativamente curto, longo ou de comprimento intermediário. Particularmente, os sistemas e métodos fornecem a geração de múltiplos sinais de portadora que têm frequências diferentes, modulação de um fluxo de dados comuns nos sinais de portadora, comunicação dos sinais modulados pelo cabo de

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3/20 força, recuperação de ao menos um dos sinais modulados e demodulação do fluxo de dados a partir do sinal recuperado.

[0007] Uma modalidade da invenção é um sistema para comunicação entre o equipamento de superfície e equipamento de fundo de poço por um cabo de força de comprimento indeterminado. O sistema inclui equipamento de superfície, equipamento de fundo de poço posicionado em um furo de sondagem e um cabo de força acoplado entre a superfície e equipamento de fundo de poço. O cabo e configurado para fornecer energia do equipamento de superfície para o equipamento de fundo de poço. O sistema inclui ainda ao menos um transmissor e um receptor, ambos os quais são acoplados ao cabo de força. Um dentre o transmissor e o receptor é acoplado ao equipamento de superfície e o outro é acoplado ao equipamento de fundo de poço. O transmissor é configurado para gerar múltiplos sinais de portadora de alta frequência de frequências diferentes, modular um fluxo de dados comuns em cada um desses sinais de portadora e imprimir os sinais de dados de alta frequência modulados resultados no cabo de força. O receptor é configurado para recuperar um ou mais dos sinais de dados de alta frequência modulados a partir do cabo de força e para demodular o fluxo de dados comuns a partir de ao menos um desses sinais.

[0008] O transmissor pode ser configurado para gerar os sinais de portadora de alta frequência por geração de uma onda quadrada modificada, os componentes dos quais incluem ondas seno em uma frequência fundamental e um ou mais harmônicos das mesmas. Os sinais de portadora podem ser modulados com dados de um ou mais sensores com o uso de modulação por rajada ou outros esquemas de modulação. O receptor pode ser configurado para recuperar e demodular o fluxo de dados comuns a partir de um ou mais dos sinais de dados de alta frequência modulados. O transmissor pode ser configurado para transmitir os sinais de dados de alta frequência no

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4/20 cabo de força concorrentemente à transmissão de energia pelo cabo de força ao equipamento de fundo de poço.

[0009] Outra modalidade compreende um transmissor acoplado a um cabo de força que porta energia do equipamento de superfície para o equipamento de fundo de poço. O transmissor é configurado para gerar múltiplos sinais de portadora de alta frequência de frequências diferentes, modular um fluxo de dados comuns em cada um dos sinais de portadora e imprimir os sinais de dados de alta frequência modulados resultados no cabo de força.

[0010] Outra modalidade compreende um receptor acoplado a um cabo de força que porta energia do equipamento de superfície para o equipamento de fundo de poço. O receptor é configurado para detectar múltiplos sinais de dados de alta frequência, sendo que cada um tem uma frequência de portadora diferente. O receptor é ainda configurado para recuperar um ou mais dos sinais de dados de alta frequência detectados a partir do cabo de força e para demodular o fluxo de dados a partir de ao menos um desses sinais. Se mais de um dos sinais de dados de alta frequência puderem ser recuperados do cabo de força, o receptor pode demodular o fluxo de dados (que é common aos sinais de dados de alta frequência) de mais de um dos sinais.

[0011] Outra modalidade compreende um método para comunicação segura entre o equipamento de superfície e o equipamento de fundo de poço por um cabo de força de comprimento indeterminado. O método compreende gerar sinais de portadora de alta frequência de frequências diferentes, modular sinais de portadora de alta frequência com um fluxo de dados comuns, imprimir os sinais de dados no cabo de força, receber os sinais de dados de alta frequência a partir do cabo de força e demodular o fluxo de dados comuns de um ou mais dos sinais de dados de alta frequência. Os sinais de portadora de alta frequência podem ser gerados por geração de uma onda

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5/20 quadrada modificada, os componentes dos quais incluem ondas seno em uma frequência fundamental e um ou mais harmônicos das mesmas. Os sinais de portadora podem ser modulados com dados de um ou mais sensores com o uso de modulação por rajada ou outros esquemas de modulação. O receptor pode ser configurado para recuperar e demodular o fluxo de dados comuns a partir de um único ou múltiplos sinais de dados de alta frequência modulados. Os sinais de dados de alta frequência podem ser transmitidos no cabo de força concorrentemente à transmissão de energia pelo cabo de força ao equipamento de fundo de poço.

[0012] Outra modalidade compreende um método para transmitir dados por um cabo de força de comprimento intermediário. O método compreende gerar sinais de portadora de alta frequência de frequências diferentes, modular os sinais de portadora de alta frequência com um fluxo de dados comuns e imprimir os sinais de dados no cabo de força. Os sinais de portadora de alta frequência podem ser gerados por geração de uma onda quadrada modificada, os componentes dos quais incluem ondas seno em uma frequência fundamental e um ou mais harmônicos das mesmas. Os sinais de portadora podem ser modulados com dados de um ou mais sensores com o uso de modulação por rajada ou outros esquemas de modulação.

[0013] Outra modalidade compreende um método para recuperar dados transmitidos por um cabo de força de comprimento intermediário. O método compreende detectar um ou mais sinais de dados de alta frequência no cabo de força, recuperar um ou mais dos sinais de dados de alta frequência a partir do cabo de força e demodular um fluxo de dados de um ou mais dos sinais de dados de alta frequência (todos os quais são modulados com um fluxo de dados comuns). O fluxo de dados comuns pode ser demodulado a partir de um único ou múltiplos sinais de dados de alta frequência modulados. A verificação de erro pode ser

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6/20 realizada no fluxo de dados demodulados. Os sinais de dados de alta frequência podem ser recuperados no cabo de força concorrentemente à transmissão de energia pelo cabo de força ao equipamento de fundo de poço.

[0014] Numerosas outras modalidades são também possíveis.

Breve Descrição dos Desenhos [0015] Outros objetivos e vantagens da invenção podem se tornar aparentes mediante a leitura da seguinte descrição detalhada e mediante referência aos desenhos anexos.

[0016] A Figura 1 é um diagrama que ilustra um sistema de bomba exemplificativo em concordância com uma modalidade.

[0017] A Figura 2 é um diagrama que ilustra um pacote de medidor exemplificativo acoplado a um motor de bomba em concordância com uma modalidade.

[0018] A Figura 3 é um diagrama que ilustra um receptor exemplificativo acoplado a um controlador de motor em concordância com uma modalidade.

[0019] A Figura 4 é um fluxograma que ilustra um método básico para comunicar dados de um transmissor para um receptor em concordância com uma modalidade.

[0020] A Figura 5 é um fluxograma que ilustra um método exemplificativo pelo qual dados são gerados, processados e transmitidos a partir de um transmissor acoplado a um ou mais sensores.

[0021] A Figura 6 é um fluxograma que ilustra um método exemplificativo pelo qual dados são recebidos e processados no receptor para fornecer dados de sensor a um usuário.

[0022] Apesar de a invenção estar sujeita a várias modificações e formas alternativas, modalidades específicas da mesma são mostradas como forma de exemplo nos desenhos e na descrição detalhada anexa.

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Deve-se entender, no entanto, que os desenhos e descrição detalhada não pretendem limitar a invenção à modalidade particular que é descrita. Esta revelação destina-se, ao invés disso, a incluir todas as modificações, equivalentes e alternativas que estejam dentro do escopo da presente invenção conforme definida pelas reivindicações anexas. Descrição Detalhada das Modalidades Exemplificativas [0023] Uma ou mais modalidades da invenção são descritas abaixo.

Deve-se perceber que essas e quaisquer outras modalidades descritas abaixo são exemplificativas e pretendem ser ilustrativas da invenção ao invés de limitantes.

[0024] Conforme descrito no presente documento, várias modalidades da invenção compreendem sistemas e métodos para comunicar de modo seguro dados entre a superfície e equipamento de fundo de poço por um cabo de força, a despeito do comprimento do cabo de força.

[0025] Os presentes sistemas e métodos utilizam múltiplos sinais de dados de alta frequência que são modulados com um fluxo de dados comuns. Cada um dos sinais de dados de alta frequência tem uma frequência de portadora diferente e pode, portanto, ser bem adequada para transmissão por diferentes comprimentos de cabo. Os sinais de dados de alta frequência são todos transmitidos pelo cabo de força. Um receptor que pode receber e demodular todos os três sinais recebe aqueles dos sinais que são transmitidos com sucesso (isto é, não são substancialmente atenuados ou degradados) e demodula o fluxo de dados comuns de ao menos um dos sinais de dados.

[0026] Em uma modalidade, um transmissor produz múltiplos sinais de portadora de alta frequência por geração de uma onda quadrada modificada ou distorcida. Essa onda quadrada modificada pode ser decomposta em múltiplas ondas seno, incluindo um primeiro sinal em uma frequência fundamental e um ou mais sinais adicionais em

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8/20 harmônicos pares ou ímpares da frequência fundamental. A onda quadrada modificada é modulada com um fluxo de dados, então as ondas seno que formam a onda quadrada modificada são modulados com esses dados também. As ondas portadoras são moduladas nessa modalidade com o uso de modulação por rajada (portadora = 1, sem portadora = 0), que minimiza a energia de transmissão necessária e podem ser implantadas com conjuntos de circuito relativamente simples insensíveis à temperatura.

[0027] O receptor nessa modalidade recebe os sinais de dados em cada uma das frequências harmônicas e tenta demodular as mesmas. A verificação de erro é realizada para determinar se os sinais recebidos e demodulados estão livres de erro. Quando ao menos um dos sinais de dados é recebido com segurança, o receptor pode continuar a receber e demodular apenas esse sinal. Os dados demodulados são fornecidos pele receptor a um usuário ou outro consumidor das informações (por exemplo, um sistema de controle).

[0028] Referindo-se à Figura 1, um diagrama que ilustra um sistema de bomba exemplificativo em concordância com uma modalidade da presente invenção é mostrado. Um furo de sondagem 130 é perfurado em uma estrutura geológica que contém óleo e é revestido. A carcaça dentro do furo de sondagem 130 é perfurada na extremidade inferior do poço para permitir que o óleo flua a partir da formação do poço. A bomba submersível elétrica 120 é acoplada à extremidade de coluna de tubulação 150 e a bomba e coluna de tubulação são abaixadas no furo de sondagem para posicionar a bomba em uma parte de produção do poço (conforme indicado pelas linhas tracejadas no fundo do furo de sondagem). Um acionador de velocidade variável 110 que é posicionado na superfície é acoplado à bomba 120 pelo cabo de força 112, que corre para baixo do furo de sondagem ao longo da coluna de tubulação 150. A coluna de tubulação 150 e o cabo de força 112 podem

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9/20 ter uma faixa de comprimentos (por exemplo, de menos que 30,48 metros (cem pés) em um poço raso a centenas de metros em um poço mais profundo).

[0029] A bomba 120 inclui uma seção de motor elétrico 121 e uma seção de bomba 122. Um pacote de medidor 123 é fixado ao fundo da seção de motor 121. (A bomba 120 pode incluir vários outros componentes que não serão descritos em detalhes aqui devido ao fato de que são bem conhecidos na técnica e não são importantes para uma discussão da invenção). A seção de motor 121 é operada para acionar seção de bomba 122, que realmente bombeia o óleo através da coluna de tubulação e fora do poço. Nessa modalidade, a seção de motor 121 usa um motor de indução que é acionado por acionador de velocidade variável 110. O acionador de velocidade variável 110 recebe energia de entrada de CA (corrente alternada) de uma fonte externa tal como um gerador (não mostrado na figura) por meio de uma linha de entrada 111. O acionador 110 retifica a energia de entrada de CA e então produz energia de saída que é adequada para acionar a seção de motor 121 da bomba 120. Essa energia de saída é fornecida à seção de motor 121 por meio do cabo de força 112.

[0030] O acionador 110 e o pacote de medidor 123 incluem transceptores (113 e 123, respectivamente) para comunicar informações entre o acionador e o sistema de bomba. Por exemplo, o pacote de medidor 123 inclui sensores que medem vários parâmetros físicos que precisam ser comunicados ao acionador 110 e o acionador 110 pode gerar informações de controle que precisam ser comunicadas ao sistema de bomba para controlar sua operação. Nessa modalidade, os transceptores 113 e 123 são, cada um, acoplados ao cabo de força 112 e se comunicam pelo cabo de força com o uso de múltiplos sinais de alta frequência que não interferem na transmissão de energia (isto é, sinais de acionamento) do acionador 110 ao sistema de bomba 120.

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10/20 [0031] Os sinais de alta frequência que são comunicados pelo cabo de força incluem múltiplos sinais, cada um dos quais usa uma frequência de portadora diferente, cada um dos quais é modulado com um fluxo de dados comuns. As frequências de portadora diferentes são selecionadas para possibilitar comunicações seguras pelos cabos de diferentes comprimentos. As altas frequências são mais úteis em poços mais rasos para evitar interferência ressonante. Frequências mais baixas são mais úteis em poços mais profundos, em que a ressonância é mais baixa, mas a atenuação de frequências mais altas aumenta. Devido ao fato de que os mesmos dados são simultaneamente transmitidos com o uso de frequências de portadora diferentes, a frequência de portadora que é mais adequada para transmissão pelo comprimento de um cabo de força particular será provavelmente transmitida sem erro.

[0032] Em uma modalidade, a geração de múltiplos sinais de portadora de alta frequência é realizada por geração de uma onda quadrada modificada. Devido ao fato de que a onda quadrada modificada pode ser decomposta em múltiplas ondas seno, gerar a onda seno efetivamente gera as ondas seno componentes. Similarmente, modular a onda quadrada modificada com um fluxo de dados particular efetivamente modula as ondas seno componentes com esse fluxo de dados. Finalmente, imprimir a onda quadrada modificada modulada no cabo de força tem o mesmo efeito que imprimir as ondas seno componentes moduladas no cabo de força. Um receptor que é projetado para recuperar sinais nas frequências das ondas seno componentes pode então recuperar do cabo de força qualquer um dos sinais de portadora modulados que é transmitido com sucesso pelo comprimento do cabo de força.

[0033] Em uma modalidade, o sistema é configurado para gerar uma onda quadrada distorcida que produz harmônicos ímpares e pares

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11/20 da frequência fundamental. A onda quadrada distorcida tem uma frequência fundamental de aproximadamente 33 kHz. Essa portadora é modulada com o uso de uma modulação por rajada. Em outras palavras, a presença da portadora é interpretada como um dado 1 e a ausência da portadora é interpretada como um dado 0. Esse tipo de modulação é conveniente devido ao fato de que pode ser realizada com um conjunto de circuitos de transmissor insensível à temperatura relativamente simples. A modulação por rajada é também benéfica pelo fato de que minimiza a energia necessária para transmissão de dados. [0034] O receptor nesse sistema é projetado para recuperar sinais de portadora na frequência fundamental e o segundo e terceiro harmônicos dessa frequência. O receptor recupera esses sinais simultaneamente. O receptor pode, por exemplo, utilizar mistura de heterodina e filtragem de frequência intermediária para discriminar, amplificar e detectar rajadas de cada uma dessas frequências de portadora. Devido ao fato de que a taxa de dados em que o transmissor modula os sinais de portadoras é conhecida, o receptor pode usar um filtro de dados proporcional à taxa de dados conhecida, seguido por um comparador, para demodular o fluxo de dados dos sinais de portadora e reconstruir o fluxo de dados digital.

[0035] O fluxo de dados que é reconstruído pelo receptor pode ser entregue a um microprocessador para processamento. Esse processamento pode, por exemplo, incluir filtragem FIR, sincronização de bits, sincronização de bytes, assimilação de transferências de dados e assim por diante. Os dados assimilados podem ser então fornecidos a um usuário ou dispositivo de processamento de dados por meio de métodos de transferência de dados padrão (por exemplo, transferências de dados RS-232 ou RS-485).

[0036] Referindo-se à Figura 2, um diagrama que ilustra um pacote de medidor exemplificativo que emprega o presente sistema é

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12/20 mostrado. Nessa figura, o medidor 200 é preso à extremidade inferior de um motor 201. O motor 201 recebe energia trifásica em enrolamentos 202. O medidor 200 é eletricamente acoplado ao ponto Ípsilon (ou ponto Y) 203 de enrolamentos de motor 202. A energia é fornecida ao transformador de acoplamento de energia 220 do medidor 200 através de uma energia de alta voltagem e capacitor de acoplamento de sinal 210. A saída do transformador de acoplamento de energia 220 é retificada pelo retificador 230 e é fornecida ao conjunto de circuitos de transformador/regulador de energia 240, que, por sua vez, fornece a energia ao conjunto de circuitos que realiza a aquisição e processamento de sinal e a geração de sinal de portadora (250). Os sensores continuam a monitorar a temperatura e pressão do fundo do poço (260, 261) e temperatura do motor (262) são acoplados ao conjunto de circuitos de aquisição 250.

[0037] Os sensores 260 a 262 monitoram os parâmetros ambientais correspondentes e geram sinais de sensores que são inseridos no conjunto de circuitos de processamento 250. O conjunto de circuitos 250 gera um fluxo de dados que codifica as informações recebidas dos sensores, gera um sinal de portadora de onda quadrada distorcido e modula o fluxo de dados no sinal de portadora. O sinal de portadora modulada é passado ao transmissor conjunto de circuitos 240. O transmissor conjunto de circuitos 240 acopla o sinal de portadora modulado através do capacitor 211 ao ponto Ípsilon dos enrolamentos de motor de modo que esse seja transmitido pelo cabo de força a um receptor na superfície do poço.

[0038] Referindo-se à Figura 3, um diagrama que ilustra um receptor exemplificativo acoplado ao controlador motor (acionador) é mostrado. O equipamento de superfície para o poço inclui um controlador de motor, tal como um acionador de velocidade variável 300. O acionador 300 gera energia trifásica que é fornecida ao sistema ESP

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13/20 por meio do cabo de força 302. O receptor 301 é conectado ao ponto Ípsilon 303 da saída do acionador por meio do capacitor de acoplamento de sinal 305. Isso permite que o conjunto de circuitos 310 detecte os sinais de portadora de alta frequência que são impressos no cabo de força. Os sinais de alta frequência são filtrados e amplificados pelo conjunto de circuitos 310 e são então passados ao conjunto de circuitos 320 para processamento. O conjunto de circuitos 320 inclui um comparador para converter os sinais de portadora de alta frequência modulados em fluxos de dados binários, que podem ser ainda filtrados e sincronizados em bits/bytes. O conjunto de circuitos 320 realiza verificação de erro em um ou mais dos fluxos de dados para garantir a integridade dos dados recebidos. Os dados podem ser então emitidos ou para os sistemas de controle/análise 330 ou um usuário 340.

[0039] Devido ao fato de que mais de um dos sinais de portadora de alta frequência pode ser recebido com sucesso pelo receptor, o processamento desses sinais pode ser manuseado de várias formas. Em uma modalidade, o receptor pode ser configurado para detectar continuamente todas as frequências de portadora disponíveis e para demodular simultaneamente todos esses sinais de alta frequência. Para cada frequência em que um padrão de sincronização é detectado, um pacote de dados é recebido e armazenado. Para cada um dos pacotes de dados recebidos, um erro é computado e comparado ao código de erro correspondente. O pacote de dados a partir da primeira das frequências para as quais os códigos de erro correspondem é então movido a um armazenamento temporário e o usuário ou consumidor dos dados notificado que os dados estão disponíveis.

[0040] Em outra modalidade, o receptor pode ser configurado na partida para detectar qualquer dos sinais de portadora possíveis (por exemplo, o fundamental, segundo e terceiro harmônicos de um sinal de portadora de onda quadrada distorcido ou modificado gerado pelo

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14/20 transmissor). Quando um desses sinais de portadora é detectado, o receptor processa o sinal e demodula o fluxo de dados a partir do sinal. Se isso puder ser feito com sucesso e se a verificação de erro verificar a integridade dos dados, o receptor simplesmente continuará a demodular o fluxo de dados a partir desse sinal. Se o receptor não puder processar com sucesso o primeiro sinal de portadora, o receptor tentará detectar um segundo sinal de portadora em uma frequência diferente das frequências possíveis. Se o receptor puder receber com sucesso e demodular dados livres de erro a partir do sinal de portadora na segunda frequência, o receptor continuará a demodular o fluxo de dados a partir desse. Esse procedimento pode ser repetido com cada frequência sucessiva possível até o sinal de portadora correspondente poder ser recebido e modulado com sucesso para produzir um fluxo de dados livre de erro.

[0041] Deve-se perceber que as modalidades da invenção podem incluir métodos adicionalmente aos sistemas descritos acima. Métodos exemplificativos são ilustrados nos fluxogramas das Figuras 4 a 6. A Figura 4 é um fluxograma que ilustra um método simplificado em que os dados são comunicados de um transmissor para um receptor, um dos quais é acoplado ao equipamento de fundo de poço e om outro dos quais é acoplado ao equipamento de superfície. A Figura 5 é um fluxograma que ilustra em mais detalhes um método exemplificativo pelo qual dados são gerados, processados e transmitidos a partir de um transmissor acoplado a um ou mais sensores. A Figura 6 é um fluxograma que ilustra em detalhes um método exemplificativo pelo qual dados são recebidos e processados no receptor para fornecer dados de sensor a um usuário.

[0042] No método da Figura 4, múltiplos sinais de portadora de alta frequência são primeiramente gerados (410). Conforme explicado acima, isso pode ser convenientemente realizado pela geração de uma

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15/20 onda quadrada modificada que inclui componentes em uma frequência fundamental e um ou mais harmônicos dessa frequência. Cada um dos múltiplos sinais de portadora de alta frequência é então modulado com um fluxo de dados comuns (420). Esse fluxo de dados pode, por exemplo, representar dados que são gerados a partir da saída de um ou mais sensores de fundo de poço que monitoram parâmetros tais como temperatura, pressão, taxas de fluxo e similares. Os múltiplos sinais de portadora de alta frequência modulados são então impressos no cabo de força (430).

[0043] O receptor tenta detectar os sinais de portadora de alta frequência modulados no cabo de força e recuperar os sinais (440). O receptor pode recuperar todos os sinais disponíveis (aqueles sinais que não estão muito atenuados e ruidosos) ou pode recuperar apenas um único dos sinais. Após um ou mais dos sinais de alta frequência modulados terem sido detectados e recuperados a partir do cabo de força, esses sinais podem ser filtrados, amplificados ou de outro modo processados. Os sinais são então demodulados para recuperar o fluxo de dados (450). Novamente, isso pode ser realizado em um ou todos os sinais disponíveis. A verificação de erro, tal como uma verificação de CRC, é realizada no fluxo de dados recuperado para verificar a integridade dos dados. Os dados são então fornecidos a um usuário ou passados para outro componente do sistema, tal como conjunto de circuitos de controle, para processamento.

[0044] Conforme representado na Figura 5, os dados são gerados por um ou mais sensores (510) que estão localizados no fundo do poço e os dados são assimilados em um grupo de dados (520) a ser comunicado a um usuário na superfície. Um código de erro é computado para o grupo de dados (530) de modo que a transmissão precisa dos dados pode ser depois verificada. Um padrão de sincronização é anexado ao início do grupo de dados e o código de erro é anexado ao

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16/20 final do grupo de dados para formar um pacote de dados (540). Esse pacote de dados é modulado em cada uma das múltiplas frequências de portadora (550) e as frequências de portadora moduladas são impressas no cabo de força. Esse processo é repetido para cada grupo de dados.

[0045] Conforme mostrado na Figura 6, cada uma das frequências de portadora é continuamente monitorada na superfície e os dados são demodulados a partir das frequências de portadora para recuperar cada pacote de dados (610). Quando um padrão de sincronização é detectado e uma das frequências de portadora, um pacote de dados correspondente é recuperado e armazenado (620). Para cada pacote de dados recuperado, um código de erro é computado com base no grupo de dados no pacote (630). Esse código de erro computado é comparado ao código de erro que estava contido no pacote recuperado (640) para verificar a integridade do grupo de dados no pacote. Devido ao fato de que o mesmo pacote de dados é simultaneamente transmitido em cada uma das frequências de portadora, o pacote de dados precisa apenas ser recuperado de uma das frequências de portadora. Consequentemente, quando um primeiro dos pacotes é verificado (o código de erro computado corresponde ao código de erro contido), o grupo de dados desse pacote é armazenado em um armazenamento temporário (650) e o usuário (uma pessoa ou um processo que consome os dados) é notificado de que os dados estão disponíveis (660). Esse processo é repetido para recuperar cada pacote sucessivo transmitido pelo cabo de força.

[0046] As modalidades alternativas podem incluir métodos para transmitir dados e métodos para recuperar os dados conforme descritos acima. Um método exemplificativo para transmitir dados é mostrado pelas etapas 410 a 430 da Figura 4. Um método exemplificativo para recuperar dados é mostrado pelas etapas 440 a 460 da Figura 4.

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17/20 [0047] As modalidades alternativas da invenção podem incorporar vários dos recursos e funções descritos acima. Por exemplo, apesar de a descrição anterior detalhar apenas a transmissão de dados de um pacote de medidor de fundo de poço para um receptor acoplado ao equipamento de superfície, a comunicação de ados pode ser ou unidirecional ou bidirecional. As comunicações unidirecionais podem ser transmitidas ou do equipamento de fundo de poço para o equipamento de superfície, ou do equipamento de superfície para o equipamento de fundo de poço. Em sistemas bidirecionais, os transceptores que incluem as funções tanto do transmissor quanto do receptor descritos acima são incorporados tanto no equipamento de fundo de poço quanto no equipamento de superfície.

[0048] As modalidades alternativas dos presentes sistemas podem incluir transceptores que estão localizados em posições outras que dentro do pacote de medidor conectado ao fundo do motor de bomba. (Transceptores deve ser interpretado como incluindo transmissores e receptores individualmente, assim como em combinação.) Os transceptores podem ser incorporados no próprio motor ou em outro equipamento de fundo de poço. Os transceptores podem ser também configurados como unidades essencialmente autônomas que são independentemente acopladas ao cabo de força, afastado do equipamento tal como sistemas ESP. Por exemplo, um transceptor e um ou mais sensores podem ser acoplados juntos e posicionados em locais indeterminados no poço. As várias modalidades do presente sistema podem inclui um ou múltiplos transceptores de fundo de poço. Se múltiplos transceptores de fundo de poço forem usados, esses podem empregar vários esquemas para permitir que os mesmos se comuniquem individualmente com transceptores de superfície. Por exemplo, cada um dos transceptores de fundo de poço pode usar um conjunto diferente de frequências para se comunicar com o transceptor

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18/20 de superfície ou os transceptores de fundo de poço podem usar multiplexação por divisão de tempo, um esquema de arbitramento ou outros meios para facilitar as comunicações entre os diferentes transceptores.

[0049] Deve-se perceber que, apensar de ao menos dois sinais de portadora de alta frequência que têm frequências diferentes serem necessários para a implantação do presente sistema, as frequências particulares e os meios para gerar esses sinais de portadora podem variar de uma modalidade para outra. Não é necessário que os sinais de portadora sejam produzidos por geração de uma onda quadrada modificada, ou que os sinais de portadora sejam harmônicos.

[0050] Os sinais de portadora de alta frequência podem ser modulados de várias formas. Nas modalidades descritas acima, modulação por rajada é usada. A modulação por rajada pode ser implantada com um conjunto de circuitos insensível à temperatura relativamente simples, que é bem adequado para aplicações de fundo de poço. A modulação por rajada também minimiza a energia necessária para transmissão dos sinais de portadora modulados. Todavia, numerosos outros esquemas de modulação tais como modulação frequência, modulação por amplitude, modulação por chave de comutação de frequência, modulação por chave de comutação de fase, etc. podem ser usadas em modalidades alternativas.

[0051] Conforme descrito acima, os sinais de portadora de alta frequência são comunicados entre o equipamento de fundo de poço e de superfície por impressão dos sinais no cabo de força. Isso é realizado nas modalidades anteriores por acoplamento por capacidade do transmissor ao ponto Ípsilon do motor ou acionador. O receptor é similarmente acoplado ao cabo de força. Em modalidades alternativas, outros meios podem ser usados para imprimir os sinais de portadora de alta frequência no cabo de força e para detectar os sinais. Por exemplo,

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19/20 os transmissores e receptores podem ser reativamente acoplados ao cabo de força por camisamento capacitivo ao redor de um ou mais dos condutores no cabo.

[0052] Apesar de a presente revelação descrever um sistema para comunicação que inclui tanto um transceptor de superfície quanto um transceptor de fundo de poço, é contemplado que as modalidades alternativas incluem os componentes desse sistema. Por exemplo, uma modalidade é um transmissor que é configurado para gerar múltiplas frequências de portadora, modular um fluxo de dados comuns em cada uma das múltiplas frequências de portadora e imprimir cada um dos sinais de portadora modulados em um cabo de força conforme descrito acima. Outra modalidade alternativa é um receptor que é configurado para detectar um ou mais sinais de portadora modulados em um cabo de força, demodular esses sinais de portadora e recuperar um fluxo de dados dos sinais de portadora conforme descrito acima. Ainda outras modalidades alternativas incluem métodos para transmitir e/ou receber um fluxo de dados por meio de um cabo de força conforme descrito acima.

[0053] Aqueles versados perceberão ainda que os vários blocos lógicos, módulos, circuitos e etapas de algoritmo ilustrativos descritos em conexão com as modalidades reveladas no presente documento podem ser implantados como hardware eletrônico, software de computador (incluindo firmware,) ou combinações de ambos. Para ilustrar com clareza essa intercambialidade de hardware e software, vários componentes, blocos, módulos, circuitos e etapas ilustrativos foram descritos acima em geral em termos de sua funcionalidade. Se a funcionalidade é implantada como hardware ou software depende da aplicação particular e restrições de projeto impostas no sistema geral. Similarmente, os componentes de hardware ou software particulares que são mostrados para implantar a funcionalidade descrita podem ser

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20/20 selecionados para atingir os objetivos de projeto específicos. Aqueles versados na técnica podem implantar a funcionalidade descrita de formas variáveis para cada aplicação particular, mas tais decisões de implantação não devem ser interpretadas como causadora de um afastamento do escopo da presente invenção.

[0054] Os benefícios e vantagens que podem ser fornecidos pela presente invenção foram descritos acima com relação às modalidades específicas. Esses benefícios e vantagens e quaisquer elementos ou limitações que possam provocar sua ocorrência ou que se tornem mais pronunciados não podem ser interpretados como recursos críticos, necessários ou essenciais de qualquer um ou todas as reivindicações. Conforme usados no presente documento, os termos compreende”, “que compreende”, ou qualquer outra variação dos mesmos, pretendem ser interpretados como não exclusivamente incluindo os elementos ou limitações que seguem esses termos. Da mesma forma, um sistema, método ou outra modalidade que compreende um conjunto de elementos não é limitado a apenas esses elementos e pode incluir outros elementos não expressamente listados ou inerentes à modalidade reivindicada.

[0055] Apesar de a presente invenção ter sido descrita com referência às modalidades particulares, deve-se entender que as modalidades são ilustrativas e que o escopo da invenção não é limitado a essas modalidades. Muitas variações, modificações, adições e aprimoramentos às modalidades descritas acima são possíveis. Contempla-se que essas variações, modificações, adições e aprimoramentos estão dentro do escopo da invenção conforme detalhado dentro das seguintes reivindicações.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema para comunicação entre o equipamento de superfície e equipamento de fundo de poço por um cabo de força (112, 302) de comprimento indeterminado, caracterizado pelo fato de que o sistema compreende:

equipamento de superfície;

equipamento de fundo de poço posicionado em um furo de sondagem (130);

um cabo de força (112, 302) acoplado entre o equipamento de superfície e o equipamento de fundo do poço e configurado para fornecer energia do equipamento de superfície para o equipamento de fundo de poço; e ao menos um transmissor acoplado a um dentre o equipamento de superfície e o equipamento de fundo de poço e ao menos um receptor (301) acoplado a outro entre o equipamento de superfície e o equipamento de fundo de poço;

em que o transmissor é configurado para gerar uma pluralidade de sinais de dados de alta frequência modulados e para transmitir os sinais de dados de alta frequência no cabo de força (112, 302), em que cada um dos sinais de dados de alta frequência tem uma frequência diferente e em que cada um dos sinais de dados de alta frequência é modulado para portar um fluxo de dados comuns;

em que o receptor (301) é configurado para receber a pluralidade de sinais de dados de alta frequência e para modular o fluxo de dados comuns de ao menos um dos sinais de dados de alta frequência.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ao menos um transmissor é acoplado ao equipamento de fundo de poço e o ao menos um receptor (301) é acoplado ao equipamento de superfície, sendo que o sistema

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2/8 compreende ainda um ou mais sensores acoplados a ao menos um transmissor, em que o fluxo de dados comuns compreende os dados recebidos pelo ao menos um transmissor a partir de um ou mais sensores.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ao menos um transmissor é configurado para gerar a pluralidade de sinais de dados de alta frequência modulados por geração de uma onda quadrada modificada em uma primeira frequência e modulação da onda quadrada modificada para portar o fluxo de dados comuns, em que um ou mais os componentes de onda seno da onda quadrada modificada modulada formam a pluralidade de sinais de dados de alta frequência modulados.
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de sinais de dados de alta frequência modulados é modulado em rajadas.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o receptor (301) é configurado para:

(a) demodular os dados de cada um dos sinais de dados de alta frequência;

(b) para cada um dos sinais de dados de alta frequência em que um padrão de sincronização é detectado, armazenar um pacote de dados que inclui o padrão de sincronização, computar um primeiro código de erro com base em um grupo de dados no pacote de dados e comparar o primeiro código de erro a um segundo código de erro que está contido no pacote de dados; e (c) armazenar em um armazenamento temporário um grupo de dados contido em um dos pacotes de dados para que o primeiro código de erro corresponda ao segundo código de erro.

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6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o transmissor é configurado para transmitir os sinais de dados de alta frequência no cabo de força (112, 302) concorrentemente à transmissão de energia ao equipamento de fundo de poço no cabo de força (112, 302).
7. Método para comunicação segura entre o equipamento de superfície e o equipamento de fundo de poço por um cabo de força (112, 302) de comprimento indeterminado, o método caracterizado pelo fato de que compreende:

modular uma pluralidade de sinais de dados de alta frequência com um fluxo de dados comuns, em que cada um dos sinais de dados de alta frequência tem uma frequência diferente;

transmitir os sinais de dados no cabo de força (112, 302); receber a pluralidade de sinais de dados de alta frequência;

e demodular o fluxo de dados comuns de ao menos um dos sinais de dados de alta frequência.
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que modular uma pluralidade de sinais de dados de alta frequência compreende modular uma onda quadrada modificada que tem uma primeira frequência com o fluxo de dados comuns e assim produzir ondas seno moduladas na primeira frequência e um ou mais harmônicos da primeira frequência.
9. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende ainda transmitir energia pelo cabo de força (112, 302) concorrentemente a transmitir os sinais de dados de alta frequência.
10. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende ainda receber dados de um ou mais sensores de fundo de poço e gerar o fluxo de dados comuns em

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4/8 dependência dos dados do um ou mais sensores de fundo de poço.
11. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado, ainda:

(a) demodular os dados de cada um dos sinais de dados de alta frequência;

(b) para cada um dos sinais de dados de alta frequência em que um padrão de sincronização é detectado, armazenar um pacote de dados que inclui o padrão de sincronização, computar um primeiro código de erro com base em um grupo de dados no pacote de dados e comparar o primeiro código de erro a um segundo código de erro que está contido no pacote de dados; e (c) armazenar em um armazenamento temporário um grupo de dados contido em um dos pacotes de dados para que o primeiro código de erro corresponda ao segundo código de erro.
12. Aparelho para uso em um sistema de comunicação de fundo de poço, o aparelho caracterizado pelo fato de que compreende:

um transmissor;

em que o transmissor é configurado para receber um fluxo de dados;

em que o transmissor é configurado para gerar uma pluralidade de sinais de dados de alta frequência, sendo que cada um dos sinais de dados de alta frequência tem uma frequência diferente;

em que o transmissor é configurado para modular a pluralidade de sinais de dados de alta frequência com um fluxo de dados comuns;

em que o transmissor é configurado para ser acoplado ao cabo de força (112, 302) de fundo de poço;

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5/8 em que o transmissor é configurado para transmitir a pluralidade de sinais de dados de alta frequência modulados no cabo de força (112, 302) de fundo de poço.
13. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o transmissor é configurado para receber concorrentemente energia por meio do cabo de força (112, 302) e para transmitir a pluralidade de sinais de dados de alta frequência modulados no cabo de força (112, 302).
14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que uma unidade de aquisição de dados acoplada ao transmissor e configurada para gerar o fluxo de dados comuns.
15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um ou mais sensores acoplados à unidade de aquisição de dados, em que a unidade de aquisição de dados é configurada para receber dados de sensor do um ou mais sensores e para gerar o fluxo de dados comuns em dependência dos dados de sensor recebidos.
16. Aparelho, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o transmissor é configurado para gerar a pluralidade de sinais de dados de alta frequência modulados por geração de uma onda quadrada modificada em uma primeira frequência e modulação da onda quadrada modificada para portar o fluxo de dados comuns, em que um ou mais os componentes de onda seno da onda quadrada modificada modulada formam a pluralidade de sinais de dados de alta frequência modulados.
17. Aparelho para uso em um sistema de comunicação de fundo de poço, o aparelho caracterizado pelo fato de que compreende:

um receptor (301);

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6/8 em que o receptor (301) é configurado para ser acoplado a um cabo de força (112, 302) de fundo de poço;

em que o receptor (301) é configurado para receber uma pluralidade de sinais de dados de alta frequência do cabo de força (112, 302), sendo que cada um dos sinais de dados de alta frequência tem uma frequência diferente;

em que o receptor (301) é configurado para demodular um fluxo de dados de um ou mais da pluralidade de sinais de dados de alta frequência.
18. Aparelho, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o receptor (301) é configurado para receber a pluralidade de sinais de dados de alta frequência modulados do cabo de força (112, 302) enquanto energia é transmitida pelo cabo de força (112, 302) para um ou mais dispositivos.
19. Aparelho, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o receptor (301) é configurado para:

(a) demodular os dados de cada um dos sinais de dados de alta frequência;

(b) para cada um dos sinais de dados de alta frequência em que um padrão de sincronização é detectado, armazenar um pacote de dados que inclui o padrão de sincronização, computar um primeiro código de erro com base em um grupo de dados no pacote de dados e comparar o primeiro código de erro a um segundo código de erro que está contido no pacote de dados; e (c) armazenar em um armazenamento temporário um grupo de dados contido em um dos pacotes de dados para que o primeiro código de erro corresponda ao segundo código de erro.
20. Método para transmissão de dados por um cabo de força

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7/8 (112, 302) de comprimento indeterminado, o método caracterizado pelo fato de que compreende:

gerar uma pluralidade de sinais de portadora de alta frequência, em que cada um dos sinais de dados de alta frequência tem uma frequência diferente;

modular a pluralidade de sinais de portadora de alta frequência com um fluxo de dados comuns, que assim produz sinais de dados de alta frequência; e imprimir os sinais de dados de alta frequência no cabo de força (112, 302).
21. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que modular uma pluralidade de sinais de dados de frequência alta compreende modular uma onda quadrada modificada que tem uma primeira frequência com o fluxo de dados comuns e assim produzir ondas seno moduladas na primeira frequência e um ou mais harmônicos da primeira frequência.
22. Método para recuperar dados transmitidos por um cabo de força (112, 302) de comprimento indeterminado, o método caracterizado pelo fato de que compreende:

receber a pluralidade de sinais de dados de alta frequência de um cabo de força (112, 302), em que cada um dos sinais de dados de alta frequência compreende um sinal de portadora de alta frequência que tem uma frequência única e em que cada um dos sinais de dados de alta frequência é modulado com um fluxo de dados comuns;

demodular o fluxo de dados comuns de ao menos um dos sinais de dados de frequência alta.
23. Método, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que ainda compreende:

(a) demodular os dados de cada um dos sinais de dados de frequência alta;

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8/8 (b) para cada um dos sinais de dados de frequência alta em que um padrão de sincronização é detectado, armazenar um pacote de dados que inclui o padrão de sincronização, computar um primeiro código de erro com base em um grupo de dados no pacote de dados e comparar o primeiro código de erro a um segundo código de erro que está contido no pacote de dados; e (c) armazenar em um armazenamento temporário um grupo de dados contido em um dos pacotes de dados para que o primeiro código de erro corresponda ao segundo código de erro.