CN101552459B - 在烃勘探或生产电气系统中对于串联节点的短路保护 - Google Patents

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CN101552459B CN200710127463.4A CN200710127463A CN101552459B CN 101552459 B CN101552459 B CN 101552459B CN 200710127463 A CN200710127463 A CN 200710127463A CN 101552459 B CN101552459 B CN 101552459B
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Abstract

一种在烃勘探和生产中使用的电气系统中提供短路保护的技术，更具体地说，针对包括串联节点的这种电气系统的短路保护技术，该技术包括设备和方法。该设备包括：电源；和位于所述电源的下游的多个电串联连接的应用传感器。每个应用传感器都包括：感测元件；和与所述感测元件相关联的多个电子装置。所述电子装置在存在短路的情况下切断到下游应用传感器的上游电力。该方法包括以下步骤：串联地向包括多个电串联连接的井下传感器的井下设备提供电力；串联地并且在接收到来自上游的电力时在各井下传感器中对是否存在下游短路进行感测；以及在存在短路的情况下切断到下游井下传感器的上游电力。

Description

在烃勘探或生产电气系统中对于串联节点的短路保护
技术领域
本发明涉及在烃勘探和生产电气系统中的短路保护，更具体地说，涉及对于包括串联连接节点的这种电气系统的短路保护。
背景技术
短路保护系统是熟知的对于电气系统的保护。短路可能产生危险的情况。例如，短路可能对设备产生危险的电负荷，这可能破坏设备的电气/电子部件，从而使得它们不可操作。由短路情况引起的危险的电负荷还可能引起火和其他危险的情况。因此，在现代生活中无所不在的电气引起了对短路保护的很大关注。
解决短路情况的标准方式是实现自动熔断器体系。每个熔断器都具有特定额定电流。当电流超过其额定值时熔断器跳闸。例如在房屋中，主熔断器具有比每个单独电力区域的熔断器更高的额定电流。此外，像收音机或个人计算机(“PC”)那样的电气装置也可能具有内部熔断器，该熔断器带有比它从其获取电力的电力区域更低的额定电流。这种体系的目的是尽可能地缩小短路的影响范围。这使得更容易对问题进行定位和解决，同时确保整个系统的安全性。这还限制了受短路影响的范围。
在某些情形下这些类型的考虑显得更加重要。地震勘探系统通常布置有一系列单元，由这些单元之间的地震电缆将它们连接起来。在地震勘探系统中对电力进行传送或中继的电缆、连接器以及单元会经受短路情形。在每个电力区域中可能存在几千个单元，并且单元之间的电缆有几十米，使得整个电力区域的跨度为几千米。由此，不仅可能存在非常大的数量的可能出现短路情况的位置，而且这些位置可能延伸很大的距离。因此对短路的定位和修理可能是个耗时并且困难的任务。
在地震勘探系统中，如上所述的自动熔断器体系意味着电源必须包括这样的熔断器：如果在传感器的线路上的任何地方发生了短路，那么该熔断器都将跳闸。该解决方案的不利的一面在于：只要在线路上的任何地方存在短路，传感器的整条线路就会失去电力。而且也无法自动地知道短路位于线路上的什么地方，这意味着需要耗费很长的时间来修复。
本发明旨在解决或至少减轻上述多个问题中的一个或所有问题。
发明内容
本发明包括一种在烃勘探和生产中使用的电气系统中提供短路保护的方法和设备，更具体地说，提供对于这种包括串联节点的电气系统的短路保护方法和设备。该设备包括：电源；和位于所述电源的下游的多个电串联连接的应用传感器。每个应用传感器都包括：感测元件；和与所述感测元件相关联的多个电子装置。所述电子装置在存在短路的情况下切断到下游应用传感器的上游电力。该方法包括以下步骤：串联地向包括多个电串联连接的井下传感器的井下设备提供电力；串联地并且在接收到来自上游的电力时在各井下传感器中对是否存在下游短路进行感测；以及当存在短路时切断到下游井下传感器的上游电力。
附图说明
通过结合附图参照以下说明，可以理解本发明，在附图中类似的标号表示类似的组成要素，在附图中：
图1示出了应用了本发明的地震勘探排列(seismic surveyspread)的一部分；
图2在原理上例示了地震勘探仪器中的位于大地的表面上的多个地震传感器中的一个；
图3图示了这样的电路，即，通过该电路可以在图1的排列部分中实现本发明的功能；
图4示出了可以应用本发明的地震勘探排列的第二部分；
图5到图6分别例示了其中可以采用本发明的拖缆(towedstreamer)和海床海洋勘探；
图7A到图7B在原理上例示了其中可以使用本发明的钻井操作；以及
图8A到图8B在原理上例示了其中可以使用本发明的线缆测井(wireline logging)操作的一部分。
尽管可以对本发明进行各种修改并将本发明实现为另选形式，但是附图例示了以示例方式在此详细描述的具体实施例。然而，应当明白，在此对具体实施例的描述并不是要将本发明局限于所公开的具体形式，而是相反，本发明是要覆盖落入如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等价物以及另选。
具体实施方式
以下对本发明的例示性实施例进行描述。为清楚起见，在本说明书中不对实际实现的所有特征都进行描述。当然可以理解的是，在开发任何这种实际实施例时，必须作出许多针对实现的决定(如依照与系统有关的和与商业有关的限制)以实现开发者的具体目的，这些决定将随实现而不同。此外，应当理解，对于本领域的普通技术人员来说，这种开发工作(即使复杂并且耗时)将是例行的工作。
本发明实现了对由通过其间的电缆串联连接的若干电子单元组成的电力区域进行自动组件保护和诊断的系统。本发明实现了各单元中的电压受控自动开关连同一种顺序系统，按各节点之间的小延迟来对该顺序系统加电。利用该延迟来测量在将开关闭合之前各段的阻抗。假设没有短路情形，那么阻抗应当超过固定阈值，该固定阈值与线路上单元的位置无关。在成功加电之后，短路保护系统继续对电压进行监测，并且在该电压(例如由于短路而)被强制降低到某个设定阈值以下时断开该开关，从而保护同一电力区域上的其他单元。
图1示出了采用本发明的地震勘探排列(未另外示出)的一部分100。该部分100包括电源103和从电源103接收电力的电力区域106。地震勘探排列可以并且通常将包括数个电力区域106。电力区域106包含有地震电缆109，地震电缆109包括由线路段115(只标出了一个)连接的多个地震传感器112(只标出了一个)。每个地震传感器112都代表电力区域106内的节点。在所例示的实施例中，每个线路段115都可以包括位于任一端的连接器118(只标出了一个)。将地震传感器112串联连接在地震电缆109上。
可以按常规方式实现线路段115和连接器118。具体的实现可以取决于采用具体实施例的环境而不同。例如，在海床勘探中，电连接必须在深处是防水的，在陆基勘探中不是如此。
在所例示的实施例中，将电源103实现在地震勘探仪的数据采集单元(未另外示出)中。如本领域的技术人员将理解的那样，地震勘探仪通常包括执行数个功能的数据采集单元。它发送命令和控制信号；提供电力；接收由地震传感器产生的数据；并且有时对该数据进行处理或预处理。在本实施例中，使用数据采集单元向电力区域106提供电力。然而，在另选实施例中，可以将电源103实现在例如并非数据采集单元的一部分的电源中。
图2在原理上例示了位于大地203的表面200上的多个地震传感器112中的一个。将所例示的实施例的地震传感器112构造成大致相同，尽管本发明并不要求这样。地震传感器112通常包括位于壳体212中的感测元件206和一组电子装置209。壳体212包括用以帮助确保感测元件206与大地203之间的良好耦合的钉215。注意，本发明并不受壳体212的结构或设计的限制。例如，可以将感测元件206实现如在如本领域中普通并且公知的常规地震检波器中。
电子装置209除了包括开关218以外是常规的。将开关218原理性地示出为单刀单掷开关。开关218对从电源103沿下游方向(即，沿远离电源103的方向顺着地震电缆115往下)到传感器112的电力的流动进行控制。本发明容许对开关218的实现进行变化。然而，图3中例示了一个具体实现。
更具体地说，图3是这样的电路300的示意图，即，通过该电路300在所例示的实施例中实现开关218。表1记录了组件的示例值/部件数量。对于该示例，“A侧”是“上游”或电源侧或靠近电源103的一侧，“B侧”是下游侧或最远离电源103的一侧。然而，该电路是对称的，因此它是双向工作的。注意，晶体管X1和X3按以下将更完全讨论的方式执行对开关218的实际开关功能。注意，电路300经由相对高阻抗电阻(即R16、R3)向下游节点提供电力。将该电阻设定得足够高，以在线路上存在短路的情况下不会使得电源103中的熔断器(未示出)烧断。同时该阻抗足够低，以在标称情况下将电压VB提高到设定阈值以上。
表1.图3的示例性组件列表
  组件   类型   部件编号/值
  D1   齐纳二极管   1N4744
  R5   电阻器   100k
  R2   电阻器   100k
  R16   电阻器   1k
X1   P沟道功率MOSFET晶体管 IRF9530
M1   N沟道MOSFET晶体管 VN10LE
  R3   电阻器   1L
X3   P沟道功率MOSFET晶体管 IRF9530
M5   N沟道MOSFET晶体管 VN10LE
  D2   齐纳二极管   1N4744
  R17   电阻器   100k
最初，到电路300的电力是切断的，因此晶体管X1和X3也都是断开的。在A侧施加电力。此时晶体管X1将由于其内部漏到源二极管(未示出)而已经是导电的。当上升的电压VA超过由齐纳二极管D1设定的限制时，该电压会将晶体管M1导通。当晶体管M1导通时，晶体管X1将完全导通。电阻器R3将试图提高输出处的电压VB。在正常情况下，该电压将上升。当该电压超过由齐纳二极管D2设定的限度时，晶体管M5将开始导电，将晶体管X3导通。接着电力到下一下游传感器112(如果有的话)。如果存在短路或接近于短路，输出处的电压VB将不会升高得足以将晶体管X3导通。晶体管X3因而保持截止，直到短路被消除，因而到下游地震传感器112(如果有的话)的电力将保持被中断，直到短路被消除时。
如上所述，本发明容许对开关218的实现的变化。由此，图3仅示出了开关218的示例性实施例。另选实施例例如可以使用比较器(未示出)来代替齐纳二极管D1和D2。使用比较器使得可以精确地限定何时应当接通或断开保护，甚至可以在系统中引入滞后性(例如截止电压低于导通电压)以使可能的振荡最小化。这种实施例还包括位于晶体管M1和M5的栅极上的电容器(未示出)以限定各节点中的加电延迟。
回到图1，考虑在对部分100进行加电时在一个地震电缆115(如地震传感器120与地震传感器122之间的地震电缆115)中存在短路情况的场景。最初，到地震传感器112(包括地震传感器120)的电力是断开的。当未施加电力时，各地震传感器112的图2所示的开关218处于“断开”位置。接着从电源103经由地震电缆115向电力区域106施加电力。
随着对地震传感器120的输入电压的升高，其开关218由于短路而保持断开，从而不允许其下游邻居(即，地震传感器122)接收完全电力。如果电压VB不上升得超过所述设定阈值，则开关218保持断开。紧随该短路之后的地震传感器120仍然是运行的，因而可以如以下更完全地描述的那样发送如下消息：在它与它的下游邻居之间存在短路。注意，如果短路是在地震传感器122本身中而不是在地震电缆中，那么该场景是完全相同的。在消除了该短路的情况下，一旦电压VB超过所述设定阈值，则开关218接通，并且地震传感器122接收完全电力。下游传感器经历相同的过程以考查其下游传感器的电缆115是否是可操作的，并且继续下去，直到将所有地震传感器112被加电(只要不存在短路)。
注意，电流(在常规系统中，一旦电流超过熔断器的额定值，电流通常就会烧断熔断器)对本短路保护方案没有影响。对于图1中的情形，短路的下游的所有东西都将没有电力。(相反，短路的上游的所有东西都将被加电。)这仍然比常规熔断器解决方案将带来的效果更好。此外，本系统可以精确地告知问题在何处。
现在考虑电力区域106已加电并且正在没有问题地运行并且在操作过程中在电力区域106内的某个地方出现短路的情况。在此情况下，出现短路的段上的电压由于短路而下降得非常快。一旦该电压在限定阈值以下，紧接的上游地震传感器112中的开关218断开，从而保护电力区域106的该短路的上游的其余部分不会失去电力。根据所述设定阈值、沿线路的电阻以及各地震传感器112上的电容，与短路部分相邻的某些地震传感器112可能会暂时地失去电力。这种暂时电力丢失是由于短路传播得比在此描述的短路保护反应得更快。然而，一旦将短路部分断开，这些地震传感器112将在数秒内再次接收到电力。在这数秒的中断之后，地震传感器112的线路被加电并且再次运行，而短路部分没有电力并且被标记为已短路。
在本具体实施例中，本发明还可以提供表示可以在何处找到故障的指示。当M1或M5断开时，分别在上游或下游侧存在短路。例如，可以通过使用比较器(未示出)对此进行监测，并且可以向较高级单元发送消息以警告系统用户。从技术角度来说，该消息可以相对简单或相对复杂。例如，该消息可以是由系统操作员使用的该单元的控制面板上的光，或者是可听警告。或者，该消息可以是使用传输控制协议/网际协议(“TCP/IP”)或某个其他合适的通信协议通过通信信道向操作员发送的“分组”。
所例示的实施例还在电源103中提供了开关，如开关218。在图4的以下更全面讨论的实施例中，可以在两个电源103中均设置这种开关。然而，对于实践本发明来说这并不是必需的。此外，本发明并不一定要求在每个地震传感器112中都提供这种开关218。然而，通过在电力区域106中的各地震传感器112中并且在各电源103中设置诸如开关218的开关，可以更完全地实现本发明的好处。
由此，在这一具体方面中并且如图1和图4的实施例所示，本发明包括一种地震勘探设备，其包括电源103和多个电串联连接的地震传感器112。在电力从电源103流到这些地震传感器112的意义上，这些地震传感器112是电源103的“下游”。(类似地，在电力从电源103经由地震传感器120流到地震传感器122的意义上，地震传感器122是地震传感器120的下游。)相反，电源103是地震传感器112的“上游”。现在转向图2，每个地震传感器112都包括感测元件206和与感测元件206相关联的多个电子装置209。在存在短路时电子装置209切断从电源103到下游地震传感器112的上游电力。更具体地说，电子装置209在不存在短路时将来自电源103的电力传输给下游地震传感器112，而在存在短路时切断到下游地震传感器112的电力。
如先前提到的那样，本发明容许对实现的变化。例如，考虑图4的实施例。该具体实施例是地震勘探排列(未另外示出)的一部分400，该部分400包括两个电源103，在地震电缆109的任一端上有一个电源103。由于从两侧提供电力，因此即使存在短路，地震传感器112的整条线路也会没有问题地继续运行。唯一的异常只会存在于出现了短路的地震传感器112，因此只有该地震传感器112会断开。勘探队员接着可以在不停止生产的情况下从容地驱车到如上所述地标识的短路段。
在本实施例中，图3所示的电路300的对称设计是有利的。如以上所说明的那样，电路300是对称的，使得无论从A侧还是B侧施加电力它都将起作用。根据短路位置和地震传感器112在地震电缆115上的位置，地震传感器112可以接收A侧或B侧上的电力。电路300的对称设计因此是有利的，因为无论哪一侧接收电力它都可以按相同的方式进行操作。
图1和图4中的以上实施例都是陆基勘探仪。然而，本发明并不受此限制。海洋地震勘探仪存在两种基本类型：拖缆勘探仪和海床勘探仪。可以在任一类型的海洋勘探仪中使用本发明。可以将在海床勘探仪中使用的缆线和洋底电缆均视为“地震电缆”，尽管它们的结构、操作以及使用的某些方面与按本领域的技术人员所公知的方式在陆基勘探仪中使用的地震电缆不同。因此，为了清楚起见并且为了不使本发明变模糊，不对与本发明不相关的设计、结构以及操作的事项进行进一步的讨论。
更具体地说，在如图5所示的勘探仪500那样的拖缆勘探仪中，由勘探船510在水面509上或靠近水面509拖曳包含有地震传感器112a(只标出了一个)的地震缆线506(只标出了一个)的阵列503。地震传感器112a的感测元件(未示出)例如可以是水听器，每一个传感器的电子装置(未示出)都包括开关218，如图2所示的开关。从船510上的数据采集单元(未示出)经由拖缆511和缆线506向地震传感器112a供应电力。在这种勘探仪中，每个缆线506都可以例如构成单独的电力区域106a，在该电力区域106a中地震传感器112a的电子装置包括多个串联连接的节点。该短路保护如以上针对图1的实施例描述的那样工作。
在海床勘探仪中，从位于水面509的船510起在海床515上排列有洋底电缆(“OBC”)512(只标出了一个)。每个OBC 512都包括多个地震传感器112b。地震传感器112b的感测元件(未示出)例如可以是水听器或地震检波器。各感测元件的电子装置(未示出)包括开关218(如图2所示的开关)。每个OBC 512还包括电源103a，电源103a经由OBC 512向地震传感器112b提供电力。每个OBC 512可以限定一电力区域106b，在电力区域106b中地震传感器112b的电子装置包括多个串联连接的节点。该短路保护如以上针对图1的实施例描述的那样工作。
此外，以上公开的所有实施例都是在地震勘探的环境下的。然而，本发明并不限于地震应用，而是还可以用于井下应用。图7A示意性地例示了钻井操作700，其中包括有钻头(bit)702的钻柱703正在大地705的表面707的下方的大地705中钻出钻井704。钻井操作700包括钻塔706，从钻塔706穿过钻杆709悬挂有钻柱703。在钻柱703内还有诸如震击器和稳定器的工具(未示出)。钻铤(也未示出)和重钻杆718位于钻柱703的底部附近。在钻头702的不远的上方包括有数据和过渡接头721。
钻柱703将包括用于收集与井下钻井条件有关的信息的各种仪器工具。例如，钻头702连接到容纳包括有加速度计(未另外示出)的传感器设备724的数据和过渡接头721。加速度计对于从井底部收集实时数据来说很有用。例如，加速度计可以给出对钻头振动的定量测量。钻头702、数据和过渡接头721以及传感器设备724通常部分地包括井底组件728，尽管井底组件728的结构对于本发明的实践来说并不重要。
钻柱703的这些部分之间的接头727以及钻柱703的其他接头(未示出)包括如本领域的技术人员公知的那样的接头。可以并且通常将包括许多类型的数据源。可能感兴趣的示例性测量包括孔温度和压力、钻探泥浆的盐度和pH、井底组件的磁偏角和水平偏角、与周围构成(formation)有关的地震预测信息、构成的电阻率、构成的孔隙压力、构成的伽马射线特性等等。
钻柱703的每个仪器部分都将包括电子装置209a(只示出了一个)，电子装置209a至少部分地包括开关218(只示出了一个)。也可以例如利用图3所示的电路300来实现开关218。注意，每个仪器(例如传感器设备721的加速度计)都可以构成一电节点，因此可以具有相关联的开关218。因此，如图7B所示，仪器部分可以具有多个电节点，这些电节点带有多个相关联的开关218。
回到图7A，电子装置209a通过线路109a从位于表面707的电源103b下井下接收电力。电源103b通常是某个类型的数据收集系统(未另外示出)。线路109a可以是电缆或导线。仪器部分因此构成了其中串联连接有多个节点(即，电子装置209a)的电力区域106c。该短路保护如以上针对图1的实施例描述的那样工作。
还可以在其他井下环境(如完井和测井操作)中使用本发明。图8A示出了用以在钻井过程中收集数据的多个线缆测井工具800(只标出了一个)。每个工具800都包括电子装置209b(其包括如在图2中首次示出的开关218那样的开关)以及一个或更多个传感器(未示出)。从表面经由电缆109b提供电力。注意，单个工具800可以包括多个传感器，因此包括多组电子装置209b，每个电子装置209b都带有开关。由此，在如图8B所示的工具803那样的单个工具中可能存在多个节点。回到图8A，电子装置209b因此包括电力区域106c中的多个串联连接节点，在电力区域106c中短路保护如以上针对图1的实施例描述的那样工作。
由此，在这一具体方面中并且如图7A到图8B的实施例所示，本发明包括一种井下设备，其包括电源103和多个电串联连接的井下传感器。每个井下传感器都包括感测元件和与感测元件相关联的多个电子装置209a、209b。在存在短路时电子装置209切断从电源103a到下游井下传感器的上游电力。更具体地说，电子装置209a、209b在不存在短路时将来自电源103a的电力传输给下游井下传感器，而在存在短路时切断到下游井下传感器的电力。
还可以在采用电路的其他应用中使用本短路保护系统。例如，可以在采用电油田组件的其他烃勘探和生产应用中使用本短路保护系统，传感器、阀、采样装置、装置如在智能或自动完井中使用的量具、温度传感器、压力传感器、流量控制装置、流率测量装置、油/水/气比例测量装置、标尺检测器、致动器、锁、释放机构、设备传感器(如振动传感器)、砂检测传感器、水检测传感器、数据记录器、粘度传感器、密度传感器、泡点传感器、pH计、多相流量计、声音砂检测器、固体检测器、成分传感器、电阻率阵列装置和传感器、声音装置和传感器、其他遥测装置、近红外传感器、伽马射线检测器、H2S检测器、CO2检测器、井下存储器单元、井下控制器、打孔装置、锥孔装药(shape charge)、火头、定位器、应变仪、压力传感器以及其他井下装置。
本发明因此提供了在烃勘探和生产电气系统中的短路保护，更具体地说，提供针对包括串联节点的这种电气系统的短路保护。本发明提供了自动短路定位，由于短路而造成的操作中断非常有限，并且具有层级启动。某些实施例甚至为系统操作员提供对短路在何处的指示，这使得便于进行快速修理。某些实施例从串联连接节点的两端提供电力，相对于常规实践，这使得甚至在存在短路时也可以进行卓越的操作。
现在对本详细说明作出结论。以上公开的具体实施例只是例示性的，因为可以按本领域的受益于这里教导的人员显见的不同的但是等价的方式来修改和实践本发明。此外，除了如以下权利要求所描述的那样以外，不应对在此示出的结构或设计的详情进行限制。例如，在图1的实施例中，电源103可以位于地震电缆109的中间，使得存在两串串联连接的地震传感器112，从而在电源103的下游存在两组地震传感器112，在电源103的任一侧有一组。因此很显然，可以对以上公开的具体实施例进行更改或修改，并且所有这种变化都被视为在本发明的范围和精神内。因此，在此寻求的保护是如以下权利要求所阐述的那样的。
本非临时专利申请要求由相同的发明人以相同的标题于2006年7月5日提交的共同未决临时专利申请第60/806,604号(代理案卷号14.302-US-PRO)的优先权。

Claims (8)

1.一种地震勘探或井下感测设备，其包括：
电源；和
位于所述电源的下游的多个电串联连接的地震传感器或井下信号传感器，每个传感器都包括：
感测元件；和
与所述感测元件相关联的多个电子装置，所述电子装置在存在短路的情况下切断到下游传感器的上游电力，并且保护位于该短路的上游的传感器不会失去上游电力。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述电源在不存在短路的情况下从所述电源向下游传感器传输电力。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述电子装置包括开关，该开关对上游电力的传输和切断进行控制。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述开关在接收到上游电力时对上游电力的传输和切断进行控制。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述电子装置在接收到上游电力时切断上游电力。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述电源从所述串联连接的一端对所述地震传感器供电。
7.根据权利要求6所述的设备，该设备还包括从所述串联连接的另一端提供电力的第二电源。
8.一种用于使用根据权利要求1到7中的任何一项所述的设备以在地震勘探或井下测试过程中对短路进行检测的方法。
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