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HINTERGRUND
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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Erdölschacht und ein Verfahren
zum Betreiben des Schachtes, um Energie und Energiespeicherung im
Bohrloch bereitzustellen. In einem Aspekt bezieht sich die vorliegende
Erfindung auf ein wiederaufladbares Bohrloch-Energiespeichersystem
mit logikgesteuerten Lade- und Entladekreisen.
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Beschreibung
des verwandten Standes der Technik
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Die
verwandten Anmeldungen beschreiben Verfahren zum Bereitstellen von
elektrischer Energie an und Kommunikation mit Ausrüstungen
in der Tiefe eines Öl-
oder Gasschachtes. Diese Verfahren verwenden das Förderrohr
als Zuleitung und die Auskleidung als Rückleitung des Energie- und
Kommunikationsübertragungskreises,
oder alternativ die Auskleidung und/oder das Rohr als Zuleitung
mit einer Formationserdung als Übertragungskreis.
In jedem Fall treten im Übertragungskreis
elektrische Verluste auf, die abhängig von den speziellen Bedingungen
eines besonderen Schachtes sehr variabel sind. Diese Verluste sind
in der Ausbildung von Energie- und Kommunikationssystemen für einen
Bohrschacht nicht vernachlässigbar,
und in Extremfällen
können
die Verfahren zum Beherrschen der Verluste die Hauptdeterminanten
der Konstruktion sein.
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Wenn
Energie unter Verwendung des Förderrohres
als Zuleitung und der Auskleidung als Rückleitung zugeführt wird,
ergibt sich durch die Zusammensetzung der Fluide, die in dem Ringraum vorhanden
sind, und speziell des möglichen
Vorhandenseins von salzhaltigen wäßrigen Komponenten in der Zusammensetzung
(d.h. eines elektrisch leitenden Fluids), eine elektrische Verbindung
zwischen dem Rohr und der Auskleidung. Wenn diese Verbindung hohe
Leitfähigkeit
hat, geht Energie verloren, wenn sie zwischen dem Rohr und der Auskleidung kurzschließt, bevor
sie die Bohrvorrichtung erreicht hat.
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Wenn
Energie unter Verwendung der Auskleidung als Leiter und der Formationserdung
als Rückleitung
zugeführt
wird, können
elektrische Stromlecks durch den Zement oder Beton (zwischen der
Auskleidung und der Erdformation) in die Erdformation einen Verlustmechanismus
darstellen. Je stärker
der Zement und die Erdformation leitend sind, desto größer ist
der elektrische Stromverlust, weil der Strom von der Oberfläche durch
die Auskleidung zu einer Stelle im Bohrloch wandert (z.B. einem
Reservoir in großer
Tiefe).
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Die
erfolgreiche Anwendung des Systems und des Verfahrens zum Liefern
von Energie und/oder Kommunikation zu einer Stelle in der Tiefe des
Bohrloches erfordert deshalb häufig,
daß ein
Mittel zur Verfügung
gestellt wird, um die Energieverluste aufzunehmen, die dann auftreten,
wenn die Energieverluste signifikant sind.
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Das
System gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist aus dem europäischen Patent
EP 096413 bekannt. Ein Problem bei
diesem bekannten System besteht darin, daß im Bohrloch induktive Koppler
mit gewickeltem elektrischem Draht verwendet werden, die sehr fragil
sind und zum Überhitzen neigen.
Andere Bohrlochenergie- und Kommunikationssysteme sind aus der internationalen
Patentanmeldung WO 96/00836, den europäischen Patenten
EP 0721053 und 0295178 sowie dem US-Patent 4,578,675
bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorstehend angedeuteten Probleme und Erfordernisse werden weitgehend
durch die vorliegende Erfindung gelöst. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein System geschaffen, das sich zum Bereitstellen von Energie
an eine Bohrlochvorrichtung in einem Schacht eignet. Das System
umfaßt
eine
Stromimpedanzvorrichtung, die allgemein so ausgebildet ist, daß sie konzentrisch
um eine Rohrstruktur des Schachtes herum positioniert werden kann,
um zumindest teilweise einen leitenden Teil zu bilden, der einen
zeitvariierenden elektrischen Strom durch den und entlang des leitenden
Teil(es) der Rohrstruktur leitet; und
eine Energiespeichervorrichtung;
die mit dem leitenden Teil der Rohrstruktur elektrisch verbindbar
ist, wobei die Speichervorrichtung befähigt ist, durch den zeitvariierenden
elektrischen Strom wieder aufgeladen zu werden, und so ausgebildet
ist, daß sie
an die Bohrlochvorrichtung elektrisch angeschlossen werden kann,
um dieser Vorrichtung Energie zuzuführen;
dadurch gekennzeichnet,
daß die
Energiespeichervorrichtung an elektrische Anschlüsse elektrisch angeschlossen
ist, die mit dem leitenden Teil der Rohrstruktur auf verschiedenen
Seiten der Stromimpedanzvorrichtung elektrisch verbunden sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird auch ein Erdölschacht
zur Förderung
von Erdölprodukten
geschaffen, der das System gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Förderung von
Erdölprodukten
aus einem Erdölschacht
gemäß der Erfindung
geschaffen. Das Verfahren umfaßt die folgenden
Schritte (deren Reihenfolge variieren kann): (i) Bereitstellen einer
Rohrstruktur, die einen elektrisch leitenden Teil bildet, der sich
in und zwischen der Oberfläche
und dem Bohrloch erstreckt; (ii) Bereitstellen einer Oberflächenenergiequelle,
die mit dem elektrisch leitenden Teil der Rohrstruktur elektrisch
verbunden ist, wobei die Energiequelle einen zeitvariierenden Strom
liefert; (iii) Bereitstellen einer Stromimpedanzvorrichtung, die
um einen Teil des elektrisch leitenden Teiles der Rohrstruktur herum angeordnet
ist; (iv) Bereitstellen eines Energiespeichermoduls, der einen Energiespeicher
umfaßt;
(v) Bereitstellen einer elektrischen Rückleitung, die zwischen dem
elektrisch leitenden Teil der Rohrstruktur und der Energiequelle
elektrisch eingeschaltet ist; (vi) Laden der Energiespeichervorrichtung
mit dem Strom aus der Energiequelle, während Erdölprodukte aus dem Schacht gefördert werden;
und (vii) Entladen der Energiespeichervorrichtung, um eine elektrisch
antreibbare Vorrichtung anzutreiben, die an dem zweiten Teil vorgesehen
ist, während
Erdölprodukte
aus dem Schacht gefördert
werden. Wenn die elektrisch angetriebene Vorrichtung einen Sensor und
ein Modem aufweist, kann das Verfahren ferner folgende Schritte
aufweisen: (viii) Feststellen einer physikalischen Menge innerhalb
des Schachtes mit dem Sensor; und (ix) Übertragen der Meßdaten,
welche die physikalische Menge in dem Feststellschritt anzeigen,
an eine andere Vorrichtung, die am ersten Teil unter Verwendung
des Modems und über
die Rohrstruktur vorgesehen ist. Die Übertragung kann ausgeführt werden,
wenn die Energiespeichervorrichtung nicht durch die Energiequelle
geladen wird, um das Rauschen zu reduzieren.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Versorgen einer Bohrlochvorrichtung in einem Schacht gemäß der Erfindung
mit Energie geschaffen. Das Verfahren umfaßt die Schritte (die Reihenfolge
kann sich ändern):
(A)
Bereitstellen eines Bohrloch-Energiespeichermoduls, der eine erste
Gruppe aus elektrischen Schaltern umfaßt, eine zweite Gruppe aus
elektrischen Schaltern, zwei oder mehr Energiespeichervorrichtungen
und einen Logikkreis; (B) wenn dem Energiespeichermodul Strom zugeführt wird,
(1) Schließen der
ersten Schaltergruppe und Öffnen
der zweiten Schaltergruppe zur Bildung eines Parallelkreises über die
Speichervorrichtungen, und (2) Laden der Energiespeichervorrichtungen;
(C) während
des Ladens, wenn dem Energiespeichermodul Strom zugeführt wird
und die Stromzufuhr aufhört
und die Energiespeichervorrichtungen weniger als ein erstes vorbestimmtes
Spannungsniveau haben, (1) Öffnen
der ersten Schaltergruppe und Schließen der zweiten Schaltergruppe
zur Bildung eines seriellen Kreises über die Speichervorrichtungen,
und (2) Entladen der Speichervorrichtungen, wie erforderlich, um
die Bohrlochvorrichtung anzutreiben; (D) während des Ladens, wenn die
Speichervorrichtungen mehr als das erste vorbestimmte Spannungsniveau
haben, Einschalten des Logikkreises; und (E) wenn der Logikkreis
eingeschaltet ist, (1) Warten bis der dem Energiespeichermodul zugeführte Strom
aufhört,
(2) wenn der Strom aufhört,
(i) Verstreichenlassen einer Zeitverzögerung für eine erste vorbestimmte Zeitspanne,
(a) wenn der Strom wieder fließt,
bevor die vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist, weiteres Laden
der Speichervorrichtungen, (b) wenn die vorbestimmte Zeitspanne
verstrichen ist, (b.1) Öffnen der
ersten Schaltergruppe und Schließen der zweiten Schaltergruppe
zur Bildung eines seriellen Kreises über die Speichervorrichtungen,
(b.2) Entladen der Speichervorrichtungen, je nach Erfordernis, um
eine Bohrlochvorrichtung anzutreiben, (b.3) bei Wiederbeginnen des
Stromflusses, (b.3.1) Schließen
der ersten Schaltergruppe und Öffnen
der zweiten Schaltergruppe zur Bildung eines parallelen Kreises über die Speichervorrichtungen,
und (b.3.2) Laden der Speichervorrichtungen, und (b.4) wenn die
Speichervorrichtungen unterhalb einem zweiten vorbestimmten Spannungsniveau
fal len, Abschalten des Logikkreises. Falls die vorbestimmte Zeitspanne
verstrichen ist und dem Energiespeichermodul kein Strom zugeführt wird,
und wenn die Speichervorrichtungen sich oberhalb des vorbestimmten
Spannungsniveaus befinden, kann das Verfahren den weiteren Schritt
des Übertragens
von Daten aus der Bohrlochvorrichtung zum Oberflächenmodem umfassen.
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Somit
werden die vorstehend erörterten
Probleme zum größten Teil
durch Vorsehen eines Weges zum Speichern elektrischer Energie im
Bohrloch gelöst,
um diese Energie je nach den Erfordernissen wiederaufzuladen und
die Energie unter Anwendung eines logischen Algorithmus oder von
Kommunikationen zur Steuerung der Konfiguration der Energieverteilpfade
wirksam zu verteilen.
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Der
Speichermechanismus der Energiespeichervorrichtungen kann chemisch
sein, z.B. wie in Batterien von Sekundärzellen, oder elektrisch, wie
in Kondensatoren, Ultrakondensatoren oder Superkondensatoren. Durch
Steuerung des Lade-Entladezyklus der Speichervorrichtungen kann
selbst eine sehr beschränkte
Verfügbarkeit
von Energie im Bohrloch dazu verwendet werden, die Speichervorrichtungen zu
laden, und die Energie kann abgezogen werden, um elektrische oder
elektronische Ausrüstung
mit einer wesentlich höheren
Rate als der Laderate anzutreiben. Typischerweise kann die elektrische
Ausrüstung
elektrische Motoren, Hülsen-
und Ventilbetätiger und/oder
akustische Quellen umfassen (ist aber nicht darauf beschränkt). Diese
erfordern typischerweise während
der Anwendung eine hohe Energie, werden aber häufig nur intermittierend bei
Bedarf betätigt.
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Eine
konventionelle Schachtkomplettierung mit einem einzigen Bohrloch
kann aus mehreren Zonen fördern,
und eine multilaterale Komplettierung kann eine Anzahl von Zweigbohrlöchern haben,
die mit der Oberfläche über das
Hauptbohrloch kommunizie ren und somit eine baumartige Verzweigungsstruktur
bilden. Im allgemeinen kann deshalb eine Mehrzahl von Bohrlochmodulen
als Energiespeicher und Kommunikationsmittel in dem Schacht installiert werden.
Die Energie wird von der Oberfläche über eine
Rohrstruktur des Schachtes jedem Modul zugeführt. Die Kommunikationen gestatten
jedem Bohrlochmodul, einzeln angesteuert zu werden.
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Entsprechend
der Natur ihrer Funktionen werden die Bohrlochvorrichtungen in Gruppen
angeordnet. Relativ zu ihrem Abstand von der Oberfläche kann
der Abstand zwischen den Bohrlochvorrichtungen innerhalb einer Gruppe
klein sein. Diese Nähe gestattet
es, Energie und/oder Kommunikationen von einer Bohrlochvorrichtung
zur anderen unter Verwendung der Verrohrung und/oder der Auskleidung
als Energieübertragungs-
und/oder Kommunikationspfad zwischen einzelnen Bohrlochvorrichtungen
zu übertragen.
Ein solches Energieverteilverfahren hängt vom Bereitstellen von Steuerkommunikationen zum
Konfigurieren der Verbindungen zwischen den Energiespeichervorrichtungen
in jeder Vorrichtung und der Lasten, die sich in einer anderen Vorrichtung befinden
können,
ab. Unter Anwendung dieses Verfahrens kann die aus einer oder mehreren
Vorrichtungen in der Gruppe verfügbare
Energie auf einen einzigen Anwendungspunkt zurückgeführt werden und gestattet somit
einen höheren
Energieverbrauch an diesem Anwendungspunkt, als gestattet wäre, falls jede
Vorrichtung nur auf ihrer eigenen lokalen Energiespeicherkapazität verbliebe.
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In ähnlicher
Weise wird im Falle, daß die
Energiespeicherung innerhalb einer einzelnen Bohrlochvorrichtung
versagt, der Modul von benachbarten Vorrichtungen angetrieben, und
seine Energiespeichervorrichtungen werden außer Betrieb genommen. Ein wesentliches
Merkmal der Energiespeichervorrichtungen (sowohl chemische Zellen
als auch Kondensatoren) besteht darin, daß ihre individuelle Betriebsenergie
auf Werte beschränkt
sein kann, die niedriger sind, als erforderlich ist, um elektronische
oder elektrische Ausrüstung
anzutreiben. Im Falle, daß die
Bohrlochenergie durch Verluste in dem Energieübertragungspfad wesentlich
beschränkt
ist, kann die verfügbare
Energie, auf Werte beschränkt
sein, die niedriger sind, als zum Normalbetrieb der elektrischen
Kreise notwendig wäre.
Deshalb schafft die vorliegende Erfindung unter anderem eine Lösung für dieses
Problem.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibungen unter Bezugnahme
auf die angeschlossenen Zeichnungen, in denen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Erdölförderschachtes
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
vereinfachte elektrische schematische Ansicht des elektrischen Kreis,
der von dem Schacht nach 1 gebildet wird;
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3A eine
schematische Darstellung, welche einen oberen Teil eines Erdölförderschachtes
gemäß einem
anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3B eine
schematische Ansicht, welche den oberen Teil eines Erdölforderschachtes
gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 einen
vergrößerten Querschnitt
eines Bohrlochteiles des Schachtes nach 1;
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5 ein
vereinfachtes elektrisches Schema der Bohrlochvorrichtung der 1 und 4 mit besonderer
Bezugnahme auf den Energiespeichermodul;
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6 ein
Diagramm, welches die Eingangs- und Ausgangssignale des Logikkreises
der 4 und 5 illustriert; und
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7 ein
statisches Diagramm, welches einen logischen Algorithmus unter Anwendung
der Bohrlochvorrichtung nach den 1, 4 und 5 illustriert.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen in den verschiedenen Ansichten
gleiche Bezugszeichen für
gleiche Elemente verwendet werden, sind bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben,
und andere mögliche
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden ebenfalls nachfolgend beschrieben.
Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabgerecht und in einigen
Fällen
sind die Zeichnungen übertrieben
und/oder vereinfacht, dies aber nur für illustrative Zwecke. Ein Fachmann
versteht, daß viele
mögliche
Anwendungen und Variationen der vorliegenden Erfindung auf Basis
der Beispiele möglicher
Ausführungsformen sowie
auf Basis jener der dargestellten Ausführungsformen möglich sind,
die in Bezugsanmeldungen erörtert
werden, welche unter Bezugnahme hierauf mit dem größtem Umfang,
den das Gesetz zuläßt, in die vorliegende
Beschreibung miteinbezogen werden.
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Wie
in der vorliegenden Beschreibung verwendet, kann der Ausdruck „Rohrstruktur" ein einzelnes Rohr,
ein Rohrstrang, eine Schachtauskleidung, ein Pumprohr, eine Reihe
von miteinander verbundenen Rohren, Stäben, Schienen, Gittern, Trägern, Stützen usw.
oder eine seitliche Bohrlochverlängerung,
ein Netz von miteinander verbundenen Rohren oder andere ähnliche
Strukturen sein, die dem Fachmann bekannt sind. Ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
wendet die Erfindung im Kontext eines Erdölschachtes an, in welchem die
Rohrstruktur ein rohrförmiges,
metallisches, elektrisch leitendes Rohr oder einen Rohrstrang umfaßt, doch
ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Für die vorliegende Erfindung
muß zumindest
ein Teil der Rohrstruktur elektrisch leitend sein, wobei ein solcher
elektrisch leitender Teil die gesamte Rohrstruktur (z.B. Stahlrohre, Kupferrohre)
oder ein sich in Längsrichtung
erstreckender elektrisch leitender Teil sein kann, kombiniert mit
einem sich in Längsrichtung
erstreckenden nichtleitenden Teil. Mit anderen Worten, ist eine
elektrisch leitende Rohrstruktur eine solche, die einen elektrisch
leitenden Pfad von einem ersten Teil, wo eine Energiequelle elektrisch
angeschlossen ist, zu einem zweiten Teil herstellt, wo eine Vorrichtung und/oder
eine elektrische Rückleitung
elektrisch angeschlossen ist. Die Rohrstruktur ist typischerweise ein
konventionelles rundes Metallrohr, doch kann die Querschnittsgeometrie
der Rohrstruktur oder irgendeines Teiles derselben hinsichtlich
der Gestalt (z.B. rund, rechteckig, quadratisch, oval) und hinsichtlich
der Größe (z.B.
Länge,
Durchmesser, Wandstärke)
entlang irgendeines Teiles der Rohrstruktur variieren. Somit muß die Rohrstruktur
einen elektrisch leitenden Teil haben, der sich von einem ersten
Abschnitt der ersten Rohrstruktur zu einem zweiten Abschnitt der
Rohrstruktur erstreckt, wobei der erste Abschnitt von dem zweiten
Abschnitt entlang der Rohrstruktur beabstandet ist.
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Die
Ausdrücke „erster
Abschnitt" und „zweiter
Abschnitt", wie
sie hier verwendet werden, werden im allgemeinen so definiert, daß sie einen
Teil, Abschnitt oder Bereich einer Rohrstruktur umfassen, der sich über die
gesamte Länge
derselben oder weniger als die gesamte Länge erstrecken kann, und der
an irgendeiner Stelle der Rohrstruktur vorgesehen werden kann, wobei
er die Enden der Rohrstruktur umfassen kann oder nicht.
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Der
Ausdruck „Modem", wie er hier verwendet
wird, bezieht sich im allgemeinen auf irgendeine Kommunikationsvorrichtung
zum Übertragen und/oder
Empfangen von elektrischen Kommunikationssignalen über einen
elektrischen Leiter (z.B. Metall). Somit ist der Ausdruck „Modem", wie er hier verwendet
wird, nicht als Akronym für
einen Modulator (eine Vorrichtung, die Stimmen oder Datensignale
in eine Form umwandelt, die übertragen
werden kann)/Demodulator (eine Vorrichtung, die ein originales Signal
wiederherstellt, nachdem es von einem Hochfrequenzträger moduliert
worden ist) beschränkt.
Auch ist der Ausdruck „Modem", wie er hier verwendet
wird, nicht auf konventionelle Computermodems beschränkt, die
Datensignale in Analogsignale verwandeln und umgekehrt (z.B. um
digitale Datensignale über
ein analoges Telefonnetz zu senden). Wenn beispielsweise ein Sensor
Messungen in einem analogen Format ausgibt, dann müssen solche
Messungen nur moduliert (z.B. in einer Breitbandmodulation) und übertragen
werden, und somit ist keine analoge/digitale Umwandlung nötig. Als
weiteres Beispiel braucht eine Relay/Nebenmodem oder Kommunikationsvorrichtung
nur ein Signal zu identifizieren, zu filtern, zu verstärken und/oder
zurückzuübertragen,
das empfangen worden ist.
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Der
Ausdruck „Ventil", wie er hier verwendet wird,
bezieht sich im allgemeinen auf irgendeine Vorrichtung, die dazu
dient, die Strömung
eines Fluids zu regeln. Beispiele von Ventilen umfassen, sind aber nicht
beschränkt
auf balgenartige Gasliftventile, steuerbare Gasliftventile, von
denen jedes verwendet werden kann, um die Strömung eines Liftgases in einem
Rohrstrang eines Schachtes zu regeln. Die internen und/der externen
Arbeitsweisen der Ventile können
sehr stark variieren und in der vorliegenden Erfindung ist nicht
beabsichtigt, die beschriebenen Ventile auf irgendeine bestimmte
Konfiguration zu beschränken,
solange die Ventile dazu dienen, die Strömung zu regeln. Einige der
verschiedenen Arten von Strömungsreguliermechanismen
umfassen, sind aber nicht beschränkt
auf Kugelventilkonfigurationen, Nadelventilkonfigurationen, Absperrventilkonfigurationen
und Käfigventilkonfigurationen.
Die Verfahren der Installation der Ventile, die in der vorliegenden Anmeldung
beschrieben werden, können
stark variieren.
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Der
Ausdruck „elektrisch
steuerbares Ventil", wie
er hier verwendet wird, bezieht sich im allgemeinen auf ein „Ventil" (wie vorstehend
beschrieben), das geöffnet,
geschlossen, eingestellt, geändert
oder gedrosselt werden kann, u.zw. kontinuierlich in Abhängigkeit
von einem elektrischen Steuersignal (z.B. einem Signal von einem
Oberflächencomputer
oder von einem elektronischen Bohrlochsteuermodul). Der Mechanismus,
der die Ventilposition tatsächlich einstellt,
kann umfassen, ist aber nicht beschränkt auf: einen elektrischen
Motor; einen elektrischen Servomotor; ein elektrisches Solenoid;
einen elektrischen Schalter; ein hydraulisches Stellglied, das zumindest
einen elektrischen Servo, elektrischen Motor, elektrischen Schalter,
elektrisches Solenoid oder eine Kombination derselben steuert; ein
pneumatisches Stellglied, das durch zumindest einen elektrischen
Servo, elektrischen Motor, elektrischen Schalter, elektrisches Solenoid
oder Kombinationen derselben gesteuert ist; oder eine federbelastete
Vorrichtung in Kombination mit zumindest einem elektrischen Servo,
elektrischen Motor, elektrischen Schalter, elektrischen Solenoid
oder Kombinationen derselben. Ein „elektrisch steuerbares Ventil" kann, braucht aber
nicht einen Positionsrückmeldesensor zum
Bereitstellen eines Feedbacksignals umfassen, das der tatsächlichen
Position des Ventils entspricht.
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Der
Ausdruck „Sensor", wie er hier verwendet
wird, bezieht sich auf irgendeine Vorrichtung, die den Absolutwert
oder irgendeine Änderung
einer physikalischen Quantität
feststellt, bestimmt, überwacht
und aufzeichnet oder auf andere Weise abfühlt. Ein Sensor, wie er hier
beschrieben ist, kann dazu verwendet werden, physikalische Quantitäten zu messen,
einschließlich,
aber nicht beschränkt
auf Temperatur, Druck (sowohl absolut als auch differenziell), Strömungsgeschwindigkeit,
seismische Daten, akustische Daten, pH-Werte, Salzgehalte, das Vorhandensein
von Tracern, Tracerkonzentration, chemische Konzentration, Ventilpositionen
oder nahezu jegliche andere physikalischen Daten.
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Der
Ausdruck „an
der Oberfläche", wie er hier verwendet
wird, bezieht sich auf eine Stelle, die oberhalb etwa fünfzig Fuß Tiefe
in der Erde liegt. Mit anderen Worten, bedeutet die Phrase „an der
Oberfläche" nicht notwendigerweise,
daß sie
an der Oberfläche
oder oberflächengleich
sitzt, sondern sie wird hier in einem weiteren Sinne zur Bezeichnung
einer Stelle verstanden, die am Bohrlochkopf leicht zugänglich oder
zweckmäßig zugänglich ist
für Menschen,
die am Bohrlochkopf arbeiten. Beispielsweise kann „an der
Oberfläche" auch irgendein Tisch
in einem Arbeitsschuppen sein, der an der Oberfläche oder an der Bohrlochplattform
angeordnet ist, es kann aber auch ein Tisch am Meeresboden oder
an einem Seeboden sein, es kann eine Tiefseeölplattform oder der hundertste
Stock eines Gebäudes
sein. Auch braucht der Ausdruck „Oberfläche", wie er hier verwendet wird, als Adjektiv
zur Bezeichnung einer Stelle einer Komponente oder eines Bereiches
verstanden werden, der „an
der Oberfläche" angeordnet ist.
Beispielsweise wäre
ein „Oberflächen"computer, wie er
hier verwendet wird, ein Computer, der „an der Oberfläche" angeordnet ist.
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Der
Ausdruck „im
Bohrloch", wie er
hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Stelle oder Position
unterhalb etwa fünfzig
Fuß im
Erdreich. Mit anderen Worten, wird „im Bohrloch" im weitesten Sinne dazu
verwendet, auf eine Stelle Bezug zu nehmen, die nicht leicht zugänglich ist
oder nicht zweckmäßig für Personal
zugänglich
ist, das an einem Bohrlochkopf arbeitet. Beispielsweise bedeutet
in einem Erdölschacht
eine Stelle „im
Bohrloch" häufig eine
Stelle nahe einer unterirdischen Erdölförderzone, unabhängig davon,
ob diese Förderzone
vertikal, horizontal, seitlich oder unter einem Winkel zugänglich ist.
Auch bedeutet der Ausdruck „im
Bohrloch", wie er
hier verwendet wird, die Bezeichnung einer Stelle einer Komponente
oder eines Bereiches. Beispielsweise kann eine „Bohrloch"vorrichtung in einem Schacht eine Vorrichtung
sein, die „im
Bohrloch" angeordnet
ist, im Gegensatz zu einer Vorrichtung, die „an der Oberfläche" angeordnet ist.
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Wie
in der vorliegenden Beschreibung verwendet, bedeutet der Ausdruck „drahtlos" die Abwesenheit
irgendeines konventionellen isolierten Drahtleiters, der sich z.B.
von einer Bohrlochvorrichtung zur Oberfläche erstreckt. Die Verwendung
eines Rohres und/oder einer Auskleidung als Leiter wird als „drahtlos" in Betracht gezogen.
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1 ist
ein Schema, das ein Gaslift-Erdölförderbohrloch 20 gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Bohrloch 20 hat eine
Bohrlochauskleidung 30, die sich innerhalb des Bohrloches
durch eine Formation 32 zu einer Förderzone (nicht gezeigt) tiefer
im Bohrloch erstreckt. Ein Förderrohr 40 erstreckt
sich innerhalb der Bohr lochauskleidung 30 zum Durchleiten von
Fluiden (z.B. Öl,
Gas) aus dem Bohrloch zur Oberfläche
während
des Fördervorganges.
Ein Packer 42 ist im Bohrloch innerhalb der Auskleidung 30 und
oberhalb des Rohres 40 angeordnet. Der Packer 42 ist
konventionell und isoliert hydraulisch einen Teil des Bohrloches 20 oberhalb
der Förderzone,
damit Druckgas in einen Ringraum 44 eintreten kann, der zwischen
der Auskleidung 30 und dem Rohr 40 gebildet ist.
Während
des Gasliftvorganges wird Druckgas an der Oberfläche in den Ringraum 44 eingebracht, um
in das Rohr 40 zu strömen,
damit es in diesem einen Gaslift für die Fluide bildet. Somit
ist der in 1 gezeigte Erdölförderschacht 20 in
der Konstruktion ähnlich
einem konventionellen Schacht, aber unter Einschluß der vorliegenden
Erfindung.
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Ein
elektrischer Schaltkreis wird unter Verwendung der verschiedenen
Komponenten des Schachtes 20 in 1 gebildet.
Der elektrische Schaltkreis wird dazu verwendet, Energie und/oder Kommunikationen
einer elektrisch angetriebenen Bohrlochvorrichtung 50 zuzuführen. Ein
Oberflächencomputersystem 52 stellt
die Energie und/oder Kommunikationen der Oberfläche zur Verfügung. Das
Oberflächencomputersystem 52 umfaßt eine Energiequelle 54 und
ein Mastermodem 56, doch können die Oberflächenausrüstungskomponenten und
die Konfiguration variieren. Die Energiequelle 54 ist so
ausgebildet, daß sie
einen zeitvariierenden Strom abgibt. Der zeitvariierende Strom ist
vorzugsweise ein Wechselstrom (AC), kann aber auch ein variierender
Gleichstrom sein. Vorzugsweise werden die Kommunikationssignale,
die vom Oberflächencomputersystem 52 geliefert
werden, Breitbrandsignale sein, doch können alternativ andere Formen
der Modulation angewendet werden. Ein erster Computeranschluß 61 des
Oberflächencomputersystems 52 ist
mit dem Rohr 40 an der Oberfläche elektrisch verbunden. Der
erste Computeranschluß 61 erstreckt sich
durch den Hänger 64 an
der isolierten Dichtung 65 und ist somit von dem Hänger 64 elektrisch isoliert,
wenn er die Dichtung 65 durchsetzt. Ein zweiter Computeranschluß 62 des
Oberflächencomputersystems 52 ist
mit der Bohrlochauskleidung 30 an der Oberfläche elektrisch
verbunden.
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Das
Rohr 40 und die Auskleidung 30 wirken als elektrische
Leiter für
den Schachtkreis. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie es in 1 gezeigt
ist, wirkt das Rohr 40 als Rohrstruktur zum Leiten von
elektrischer Energie und/oder Kommunikationen zwischen dem Oberflächencomputersystem 52 und
der Bohrlochvorrichtung 50, und der Packer 42 und
die Auskleidung 30 wirken als elektrische Rückleitung.
Eine isolierte Rohrverbindung 68 ist in dem Bohrlochkopf
unterhalb des Hängers 64 angeordnet,
um das Rohr 40 von dem Hänger 64 und der Auskleidung 30 an
der Oberfläche
elektrisch zu isolieren. Der erste Computeranschluß 61 ist
an das Rohr 40 unterhalb der isolierten Rohrverbindung 68 elektrisch
angeschlossen. Eine Induktionsdrossel 70 ist im Bohrloch
um das Rohr 40 herum vorgesehen. Die Induktionsdrossel 70 ist
allgemein ringförmig
und konzentrisch um das Rohr 40 herum angeordnet. Die Induktionsdrossel 70 umfaßt ferromagnetisches
Material und ist nicht mit Energie versorgt. Wie im Detail in den
zugeordneten Anmeldungen beschrieben, funktioniert die Induktionsdrossel
auf Grund ihrer Größe (Masse),
Geometrie und magnetischen Eigenschaften als auch ihrer räumlichen
Beziehung relativ zum Rohr 40. Die isolierte Verbindung 68 als
auch die Induktionsdrossel 70 wirken zur Verhinderung eines Wechselstromsignals,
das an das Rohr 40 angelegt ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen
kann die Induktionsdrossel 70 um die Auskleidung 30 herum
angeordnet sein. Die Bohrlochvorrichtung 50 hat zwei elektrische
Vorrichtungsanschlüsse 71, 72.
Ein erster Vorrichtungsanschluß 71 ist
an das Rohr 40 an einer Quellenseite 81 der Induktionsdrossel 70 elektrisch angeschlossen.
Ein zweiter Vorrichtungsanschluß 72 ist
an das Rohr 40 an einer elektrischen Rückleitungsseite 82 der
Induktionsdrossel 70 elektrisch angeschlossen. Der Pac ker 42 stellt
eine elektrische Verbindung zwischen dem Rohr 40 und der
Auskleidung 30 im Bohrloch dar. Jedoch können das
Rohr 40 und die Auskleidung 30 auch im Bohrloch
durch leitendes Fluid (nicht gezeigt) in dem Ringraum 44 oberhalb
des Packers 42 oder auf andere Weise elektrisch verbunden
sein. Vorzugsweise ist wenig oder kein leitendes Fluid im Ringraum 44 oberhalb des
Packers 42 vorhanden, aber in der Praxis kann dies manchmal
nicht verhindert werden.
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2 ist
eine vereinfachte schematische elektrische Darstellung des elektrischen
Kreises, der in dem Schacht 20 nach 1 ausgebildet
ist. Im Betrieb werden Energie und/oder Kommunikation (die von dem
Oberflächencomputersystem 52 geliefert werden)
dem Rohr 40 an der Oberfläche unterhalb der isolierten
Rohrverbindung 68 über
den ersten Computeranschluß 61 auferlegt.
Der zeitvariierende Strom wird durch Isolatoren 69 und
die isolierende Rohrverbindung 68 daran gehindert, aus
dem Rohr 40 zur Auskleidung 30 (und zu dem zweiten
Computeranschluß 62) über den
Hänger 64 zu
fließen.
Der zeitvariierende Strom fließt
jedoch frei im Bohrloch entlang des Rohres 40 nach unten,
bis er auf die Induktionsdrossel 70 trifft. Die Induktionsdrossel 70 bildet
eine große
Induktanz, die verhindert, daß der größte Teil
des Stromes (z.B. 90%) durch das Rohr 40 an der Induktionsdrossel 70 fließt. Ein
Spannungspotential wird jedoch zwischen dem Rohr 40 und
der Auskleidung 30 durch die Induktionsdrossel 70 gebildet.
Andere Verfahren zur Übertragung
von Wechselstromsignalen auf dem Rohr sind in den zugeordneten Anmeldungen
offenbart. Ein Spannungspotential trift auch zwischen dem Rohr 40 und
der Quellenseite 81 der Induktionsdrossel 70 und
dem Rohr 40 auf der elektrischen Rücklaufseite 82 der
Induktionsdrossel 70 auf. Da die Bohrlochvorrichtung 50 über das
Spannungspotential elektrisch angeschlossen ist, geht der meiste
Strom, der dem Rohr 40 auferlegt wird, entlang des Weges
nicht verloren und wird zu der Bohrlochvorrichtung 50 umgeleitet, und
somit wird der Bohrlochvorrichtung 50 Energie und/oder
Kommunikation zugeführt.
Nach dem Durchfließen
der Bohrlochvorrichtung 50 kehrt der Strom über den
Packer 42, die Auskleidung 30 und den zweiten
Computeranschluß 62 zu
dem Oberflächencomputersystem 52 zurück. Wenn
der Strom ein Wechselstrom ist, wird der soeben beschriebene Stromfluß durch
das Bohrloch 20 entlang desselben Pfades umgekehrt.
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Andere
alternative Wege zur Entwicklung eines elektrischen Kreises unter
Verwendung der Rohrstruktur eines Schachtes und zumindest eine Induktionsdrossel
sind in den zugeordneten Anmeldungen beschrieben, von denen viele
in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung angewendet werden können, um
der elektrisch angetriebenen Bohrlochvorrichtung 50 Energie
und/oder Kommunikation zuzuführen,
und um andere Ausführungsbeispiele
der Erfindung zu bilden. Insbesondere beschreiben die zugeordneten
Anmeldungen Verfahren, die auf der Anwendung der Auskleidung statt
des Rohres beruhen, um den Bohrlochvorrichtungen von der Oberfläche Energie
zuzuführen,
und die vorliegende Erfindung ist in den auskleidungsspezifischen
Ausführungsbeispielen
anwendbar.
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Wenn
andere Packer oder Zentralisierer (nicht gezeigt) zwischen der isolierten
Rohrverbindung 68 und dem Packer 42 angeordnet
sind, können
sie einen elektrischen Isolator umfassen, um elektrische Kurzschlüsse zwischen
dem Rohr 40 und der Auskleidung 30 zu verhindern.
Eine solche elektrische Isolation von zusätzlichen Packern oder Zentralisierern
kann auf verschiedene Weise erreicht werden, die dem Fachmann bekannt
sind.
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Als
Alternative zu (oder zusätzlich
zu) der isolierten Rohrverbindung 58 kann eine andere Induktionsdrossel 168 (siehe 3A)
um das Rohr 40 herum oberhalb der elektrischen Verbindung
angeordnet werden, die für
den ersten Computeranschluß 61 zu
dem Rohr 40 vorgesehen ist, und/oder der Hänger 64 kann
ein isolierter Hänger 268 (siehe 3B)
mit Isolatoren 269 sein, um das Rohr 40 von der
Auskleidung 30 elektrisch zu isolieren.
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4 ist
eine vergrößerte weggeschnittene Ansicht
eines Teiles des Schachtes 20 nach 1 und zeigt
die Induktionsdrossel 70 und die Bohrlochvorrichtung 50.
Für das
bevorzugte Ausführungsbeispiel,
das in 1 gezeigt ist, weist die Bohrlochvorrichtung 50 einen
Kommunikations- und Steuermodul 84, ein elektrisch steuerbares
Gasliftventil 86, einen Sensor 88 und einen Energiespeichermodul 90 auf. Vorzugsweise
sind alle Komponenten der Bohrlochvorrichtung 50 in einem
einzigen abgedichteten Rohrteil 92 gemeinsam als ein Modul
vorgesehen, um die Handhabung der Installation zu erleichtern, sowie
um die Komponenten von der Umgebung zu schützen. Bei anderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung können
die Komponenten der Bohrlochvorrichtung 50 jedoch separat
(d.h. es ist kein Rohrteil 92 vorgesehen) oder in anderen
Kombinationen vereinigt sein.
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Der
Kommunikations- und Steuermodul 84 umfaßt ein individuell adressierbares
Modem 94, eine Motorsteuereinrichtung 96 und eine
Sensorschnittstelle 98. Da das Modem 94 der Bohrlochvorrichtung 50 individuell
adressierbar ist, kann mehr als eine Bohrlochvorrichtung installiert
und unabhängig von
den anderen innerhalb des gleichen Schachtes 20 betrieben
werden. Das Kommunikations- und Steuermodul 84 ist mit
dem Energiespeichermodul 90 elektrisch verbunden (Anschlußdrähte sind
in 4 nicht gezeigt), um Energie von dem Energiespeichermodul 90 zu
erhalten, wie dies erforderlich ist. Das Modem 94 ist mit
dem Rohr 40 über
erste und zweite Vorrichtungsanschlüsse 71, 72 elektrisch
verbunden (elektrische Verbindungen zwischen dem Modem 94 und
den Vorrichtungsanschlüssen 71, 72 sind
nicht gezeigt). Somit kann das Modem 94 mit dem Oberflächencomputersystem 52 oder
mit einer anderen Bohrlochvorrichtung (nicht gezeigt) unter Verwendung
des Rohres 40 und/oder der Auskleidung 30 als
elektrischer Leiter für
das Signal kommunizieren.
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Das
elektrisch steuerbare Gasliftventil 86 weist einen elektrischen
Motor 100, ein Ventil 102, einen Einlaß 104 und
eine Auslaßdüse 106 auf.
Der elektrische Motor 100 ist an den Kommunikations- und
Steuermodul 84 an der Motorsteuerung 96 elektrisch
angeschlossen (die elektrischen Verbindungen zwischen Motor 100 und
Motorsteuerung 96 sind nicht gezeigt). Das Ventil 102 wird
durch den elektrischen Motor 100 in Antwort auf Steuersignale
von dem Kommunikations- und Steuermodul 84 mechanisch angetrieben.
Solche Steuersignale von dem Kommunikations- und Steuermodul 84 können von dem
Oberflächencomputersystem 52 oder
von einer anderen Bohrlochvorrichtung (nicht gezeigt) über das Modem 94 erfolgen.
Als Alternative kann das Steuersignal zur Steuerung des elektrischen
Motors 100 innerhalb der Bohrlochvorrichtung 50 erzeugt
werden (z.B. in Abhängigkeit
von Messungen des Sensors 88). Somit kann das Ventil 102 eingestellt,
geöffnet, geschlossen
oder gedrosselt werden, und zwar kontinuierlich durch den Kommunikations-
und Steuermodul 84 und/oder das Oberflächencomputersystem 52.
Vorzugsweise ist der elektrische Motor 100 ein Schrittmotor,
so daß das
Ventil 102 in bekannten Schritten eingestellt werden kann.
Wenn in dem Ringraum 44 Druckgas vorhanden ist, kann es
gesteuert in das Innere 108 des Rohres 40 mit
dem elektrisch steuerbaren Ventil 86 (über den Einlaß 104,
das Ventil 102 und die Auslaßdüse 106) eingebracht
werden, um Gasblasen 110 innerhalb des Fluids zu bilden, welche
das Fluid zu den Oberflächenförderoperationen
bringt.
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Der
Sensor 88 ist an der Sensorschnittstelle 98 an
das Kommunikations- und Steuermodul 84 elektrisch angeschlossen.
Der Sensor 88 kann irgendeine Art von Sensor oder Transducer
sein, der so ausgebildet ist, daß er eine physikalische Menge innerhalb
des Schachtes 20 feststellt oder mißt, einschließlich (aber
nicht beschränkt
auf): Druck, Temperatur, akustische Wellenformen, chemische Zusammensetzung,
chemische Konzentration, Tracermaterial und Strömungsrate. In anderen Ausführungsbeispielen
können
mehrere Sensoren vorgesehen sein. Auch kann die Anordnung des Sensors 88 variieren.
Beispielsweise ist bei einer abgewandelten Ausführungsform ein zusätzlicher
oder alternativer Sensor vorhanden, der befähigt ist, den Druck innerhalb
des Ringraumes 44 zu messen.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 4 umfaßt der Energiespeichermodul 90 Energiespeichervorrichtungen 112,
einen Energiekonditionierkreis 114, einen Logikkreis 116 und
einen Zeitverzögerungskreis 118,
die alle elektrisch zusammengeschaltet sind, um den Energiespeichermodul 90 zu bilden
(die elektrischen Verbindungen sind in 4 nicht
gezeigt). Der Energiespeichermodul 90 ist an das Rohr 40 über das
Spannungspotential elektrisch angeschlossen, das durch die Induktionsdrossel 70 gebildet
wird, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Der Energiespeichermodul 90 ist
auch an dem Kommunikations- und Steuermodul 84 elektrisch
angeschlossen (die elektrischen Verbindungen sind in 4 nicht
gezeigt), um Energie bereitzustellen, wenn Energie aus dem Oberflächencomputersystem 52 über das
Rohr 40 und/oder die Auskleidung 30 nicht verfügbar ist.
Der Energiespeichermodul 90 und der Kommunikations- und
Steuermodul 84 können auch
schaltbar sein, derart, daß der
Kommunikations- und Steuermodul 84 (und somit das Modem 94, der
Elektromotor 100 und der Sensor 88) immer nur von
den Energiespeichervorrichtungen 112 mit Energie versorgt
werden, und die Energiespeichervorrichtungen wiederholt durch die Energiequelle 54 von
der Oberfläche
her über
das Rohr 40 und/oder die Auskleidung 30 aufgeladen
werden.
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Bei
dem in 4 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Energiespeichervorrichtungen
Kapazitäten.
Als Alternative können
die Energiespeichervorrichtungen 112 wiederaufladbare Batterien
sein, die befähigt
sind, elektrische Energie zu speichern und abzugeben, wie dies erforderlich ist.
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Der
Logikkreis 116 ist statt durch die Energiespeichervorrichtungen 112 vorzugsweise
von den Vorrichtungsanschlüssen 71, 72 mit
Energie versorgt (die elektrischen Energieverbindungen für den Logikkreis
sind nicht gezeigt). Die Energie des Logikkreises 116 von
den Vorrichtungsanschlüssen 71, 72 kann
Energie von anderen Bohrlochvorrichtungen (nicht gezeigt) oder von
der Oberflächenenergiequelle 54 sein
und über
die Brücke 136 zugeführt werden, um
den Logikkreis mit Gleichstrom zu versorgen. Somit kann der Logikkreis 116 die
Schalter 121, 122, 131, 132 in
dem Energiespeicherkreis 114 ändern, wenn die Energiespeichervorrichtungen 112 nicht
geladen sind. Als Alternative kann der Logikkreis 116 Energie,
wenn diese verfügbar
ist, aus den Energiespeichervorrichtungen 112 und aus den
Vorrichtungsanschlüssen 71, 72 empfangen,
oder der Logikkreis 116 kann seine eigene wiederaufladbare
Batterie haben, um die Änderungen
der Schalter 121, 122, 131, 132 in
dem Energiekonditionierkreis 114 zu ermöglichen, wenn die Energiespeichervorrichtungen 112 nicht
geladen sind, und wenn keine Energie verfügbar ist, über die Vorrichtungsanschlüsse 71, 72. Auch
kann der Logikkreis 116 nur durch eine oder mehrere der
Energiespeichervorrichtungen 112 angetrieben sein.
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5 ist
ein vereinfachtes elektrisches Schema für die Bohrlochvorrichtung 50 nach
den 1 und 4, mit besonderer Bezugnahme
auf dem Energiespeichermodul 90. Der Energiekonditio nierkreis 114 des
Energiespeichermoduls 90 weist eine erste Gruppe von Schaltern 121,
eine zweite Gruppe von Schaltern 122, einen ersten Lastschalter 131,
einen zweiten Lastschalter 132, eine Zenerdiode 134 und
einen Vollwellen-Brückengleichrichter 136 auf.
Der Energiekonditionierkreis 114 ist befähigt, über die
Energiespeichervorrichtungen 112 eine parallele Schaltungskonfiguration
zum Laden zur Verfügung
zu stellen und über
die Energiespeichervorrichtungen 112 eine serielle Schaltkreiskonfiguration
zum Entladen aufzubauen.
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Im
Betrieb ermöglicht
der Energiekonditionierkreis 114 nach 5 viele
mögliche
Schaltkreiskonfigurationen. Wenn die erste Gruppe von Schaltern 121 geschlossen
und die zweite Gruppe von Schaltern 122 offen ist, wird
eine parallele Schaltkreiskonfiguration über die Speichervorrichtungen 112 erzeugt,
und somit ist das Spannungsniveau über alle Speichervorrichtungen 112 das
gleiche, und diese können
größere Stromlasten
gemeinsam handhaben. Wenn die erste Gruppe von Schaltern 121 offen
und die zweite Gruppe von Schaltern 122 geschlossen ist,
wird eine serielle Schaltkreiskonfiguration über die Speichervorrichtungen 112 gebildet, und
somit werden die Spannungsniveaus der Speichervorrichtungen 112 zusammengeführt, um
eine größere Gesamtspannung
in dem Kreis 114 zur Verfügung zu stellen.
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Auch
gestattet der Energiekonditionierkreis 114 nach 5 viele
mögliche
Schaltkreiskonfigurationen zum Versorgen des an den Schaltkreis
angeschlossenen Kommunikations- und Steuermoduls 84 mit
elektrischer Energie. Wenn Energie von dem Kommunikations- und Steuermodul 84 angefordert oder
an diesen Kommunikations- und Steuermodul 84 gesandt wird,
wird der erste Lastschalter 131 geschlossen, aber die Positionen
der anderen Schalter können
variieren. Da der Kommunikations- und Steuermodul 84 mit
Energie versorgt wird, die durch den ersten Lastschalter 131 gesteuert
werden kann, können
die Ladungen der Speichervorrichtungen 112 erhalten bleiben,
wenn der Kommunikations- und Steuermodul 84 nicht erforderlich
ist, und die Verwendung des Kommunikations- und Steuermoduls 84 kann
gesteuert werden (d.h. der Kommunikations- und Steuermodul 84 wird
an- oder abgeschaltet). Der zweite Lastschalter 132 ist
so ausgebildet, daß er
den Energiekonditionierkreis 114 von dem Schachtkreis trennt.
Wenn beispielsweise der Kommunikations- und Steuermodul 84 nur
von Energiespeichervorrichtungen 112 mit Energie versorgt
wird, dann ist der zweite Lastschaltkreis 132 geöffnet. Wenn
somit der erste Lastschaltkreis 131 geschlossen, der zweite Lastschaltkreis 132 offen,
die erste Schaltergruppe 121 offen und die zweite Schaltergruppe 122 geschlossen
ist, stellt der auf diese Weise geformte serielle Kreis dem Kommunikations-
und Steuermodul 84 ein Spannungsniveau zur Verfügung, das
gleich der Summe der Spannungsniveaus der Energiespeichervorrichtungen 112 ist.
Wenn der erste Lastschaltkreis 131 geschlossen, der zweite
Lastschaltkreis 132 offen, die erste Schaltergruppe 121 geschlossen und
die zweite Schaltergruppe 122 offen ist, stellt der auf
diese Weise geformte parallele Schaltkreis dem Kommunikations- und
Steuermodul 84 ein Spannungsniveau zur Verfügung, das
gleich dem jeder Energiespeichervorrichtung 112 ist, welches
niedriger als das der seriellen Konfiguration ist. Die parallele
Konfiguration legt eine niedrigere Spannung als die serielle Konfiguration über eine
längere
Zeitspanne oder unter höheren
Stromlasten an, die von dem Kommunikations- und Steuermodul 84 abgezogen werden.
Somit hängt
die bevorzugte Kreiskonfiguration (parallel oder seriell) zum Versorgen
einer Vorrichtung mit Energie von den Energieanforderungen der Vorrichtung
ab.
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Der
Kommunikations- und Steuermodul 84 kann auch lediglich
aus dem Schachtkreis mit Energie versorgt werden (von dem ersten
und zweiten Vorrichtungsanschluß 71, 72),
indem der erste Lastschalter 131 geschlossen, der zweite
Lastschalter 132 ge schlossen und die erste und zweite Schaltergruppe 121, 122 geöffnet wird.
Eine derartige Konfiguration für
den Energiekonditionierkreis 114 kann erwünscht sein,
wenn die Kommunikationssignale an den Kommunikations- und Steuermodul 84 gesandt oder
von diesem empfangen werden. Die Zenerdiode 134 bildet
einen Überspannungsschutz,
doch können andere
Arten von Überspannungs-
und/oder Überstromschutzeinrichtungen
ebenfalls vorgesehen sein. Die den ersten und zweiten Vorrichtungsanschlüssen 71, 72 (über das
Rohr 40 und/oder die Auskleidung 30) zur Verfügung gestellte
Energie und/oder Kommunikation kann durch die Oberflächenenergiequelle 54,
eine andere Bohrlochvorrichtung (nicht gezeigt) und/oder einen anderen
Bohrlochenergiespeichermodul (nicht gezeigt) geliefert werden. Außerdem kann
der Kommunikations- und Steuermodul 84 durch den Schachtkreis
und die Energiespeichervorrichtungen 112 mit Energie versorgt
werden, indem der erste Lastschalter 131 geschlossen, der
zweite Lastschalter 132 geschlossen und die erste und zweite
Schaltergruppe 121, 122 geschlossen wird.
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Zum
Laden der Energiespeichervorrichtungen 112 mit dem Schachtkreis
wird der zweite Lastschalter 132 geschlossen, um den Energiekonditionierkreis 114 mit
dem Schachtkreis über
die Brücke 136 zu
versorgen. Es wird bevorzugt, die Energiespeichervorrichtungen 112 mit
der parallelen Schaltkreiskonfiguration über die Speichervorrichtungen 112 zu
laden (d.h. die erste Schaltergruppe 121 ist geschlossen
und die zweite Schaltergruppe 122 geöffnet), und die Kommunikations-
und Steuermodul 84-Last kann abgeschaltet werden (der erste Lastschalter 131 ist
offen), doch können
die Energiespeichervorrichtungen 112 geladen werden (weniger wirksam),
während
sie den Kommunikations- und Steuermodul 84 mit Energie
versorgen. Somit wird während
des Ladevorganges bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach den 1, 4 und 5 der
Bohrlochkreis an der Oberfläche
mit Wechselstrom aus der Energiequelle 54 versorgt und über den
ersten und zweiten Vorrichtungsanschluß 71, 72 durch
die Induktionsdrossel 70 geleitet. Der Wechselstrom fließt durch
einen Impedanzwiderstand 138 und wird durch die Brücke 136 gleichgerichtet,
um eine Gleichstromspannung über
die Speichervorrichtungen 112 zu erzeugen, welche die Speichervorrichtungen 112 auflädt.
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Ein
Schalten zwischen der Lade- und Entladekonfiguration oder eine Veränderung
der Ladekonfigurationen kann ein automatisierter Prozeß sein, der
im Inneren innerhalb der Bohrlochvorrichtung 50 gesteuert
wird, er kann aber auch extern durch Steuersignale von dem Oberflächencomputersystem 52 oder
einer anderen Bohrlochvorrichtung oder einer Bohrlochsteuervorrichtung
(nicht gezeigt) gesteuert werden, oder es kann eine Kombination
dieser Vorgänge
sein. Da externe Befehle nicht empfangen werden können oder
nicht auf sie reagiert werden kann, bis die Bohrlochvorrichtung 50 mit
Energie versorgt ist, ist es erwünscht,
einen automatischen Steuerkreis vorzusehen, der (i) den Entladezustand
der Speichervorrichtungen 112 feststellt, (ii) die Verfügbarkeit
eines Wechselstromes von der Oberflächenenergiequelle 52 über das
Rohr 40 und/oder die Auskleidung 30 feststellt,
und (iii) bei Zutreffen beider Zustände automatisch die Speichervorrichtungen 112 lädt. Deshalb
ist das Schalten bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach den 1, 4 und 5 ein
automatisierter Vorgang, der von dem Logikkreis 116 automatisch
gesteuert wird.
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Unter
Bezugnahme auf die 5 und 6 empfängt der
Logikkreis 116 zwei Eingangssignale 141, 142,
welche vier Ausgangssignale 151–154 des Logikkreises 116 steuern.
Eines der Eingangssignale 141 entspricht dem Zustand, in
welchem Wechselstrom über
die Vorrichtungsanschlüsse 71, 72 zur Verfügung gestellt
wird (z.B. aus der Oberflächenenergiequelle 54).
Das Eingangssignal 141 wird durch einen Einweggleichrichter 156 und
einen Konden sator 158 geleitet, die gemeinsam verwendet
werden, um das Vorhandensein eines Wechselstromes über die
Vorrichtungsanschlüsse 71, 72 festzustellen.
Das andere Eingangssignal 142 liefert Information über das
Spannungsniveau über
die Energiespeichervorrichtungen 112, das ein Indikator
des Spannungsniveaus ist, welches in den Energiespeichervorrichtungen 112 verbleibt.
Ein erstes der Ausgangssignale 151 aus dem Logikkreis 116 liefert
einen Befehl zum Öffnen
oder Schließen
der ersten Schaltergruppe 121. Ein zweites der Ausgangssignale 152 aus
dem Logikkreis 116 liefert einen Befehl zum Öffnen oder Schließen der
zweiten Schaltergruppe 122. Ein drittes Ausgangssignal 153 liefert
einen Befehl zum Öffnen
oder Schließen
des ersten Lastschalters 131, der den Kommunikations- und
Steuermodul 84 an den Konditioniersteuerkreis 114 anschließt. Ein
viertes der Ausgangssignale 154 liefert einen Befehl zum Öffnen oder
Schließen
des zweiten Lastschalters 132, der die Vorrichtungsanschlüsse 71, 72 an
den Energiekonditionierkreis 114 über die Brücke 136 anschließt.
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Der
in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
nach den 1, 4, 5 und 6 vorgesehene
logische Algorithmus ist durch ein Zustandsdiagramm in 7 gezeigt.
In dem Zustandsdiagramm nach 7 entsprechen
die Blöcke
Zuständen
des Systems und die Pfeile entsprechen Übergängen zwischen den Zuständen, die
auftreten, wenn ein Zustand angetroffen wird oder ein Ereignis auftritt.
Beginnend mit dem linken unteren Block 161, der ein Anfangszustand
ist, ist die erste Schaltergruppe 121 geschlossen, die
zweite Schaltergruppe 122 ist offen, der erste Lastschalter 131 ist
offen, und der zweite Lastschalter 132 ist geschlossen.
Somit sind die Energiespeichervorrichtungen 112 so konfiguriert,
daß sie
parallel geschaltet und befähigt
sind, Ladung von der Brücke 136 zu
empfangen. Ihr Ladungszustand wird dem Verbinder 142 signalisiert und
beträgt
weniger als 1,5 Volt, doch ist der Logikkreis 116 im Abschaltzustand.
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Im
Zustand 161 wird das System als inaktiv erachtet, die Energiespeichervorrichtungen
werden als entladen angesehen, aber als bereit, um eine Ladung zu
empfangen.
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Wenn
Wechselstrom durch den Schachtkreis über die Vorrichtungsanschlüsse 71, 72 fließt, beginnen
die Speichervorrichtungen 112 zu laden, und die Systemübergänge befinden
sich im Zustand 162. Wenn die Speichervorrichtungen 112 im
Zustand 162 bis zu einem Punkt aufgeladen sind, in welchem
ihre Spannung 1,5 Volt erreicht, geht das System in den Zustand 163 über, der
Logikkreis 116 wird aktiviert und ist dann befähigt, Spannungen
auf Leitungen 141, 142 abzufühlen. Wenn in dem Zustand 162 der Wechselstrom
aufhört,
bevor die Speichervorrichtungen 112 1,5 Volt erreicht haben,
kehrt der Kreis in den Zustand 161 zurück, indem er inaktiv, aber
bereit ist, mehr Spannung aufzunehmen.
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In
dem Zustand 163 sind die Speichervorrichtungen 112 weiterhin
befähigt,
Ladung aufzunehmen, und der Logikkreis 116 überwacht
die Spannung auf den Leitungen 141 und 142. Wenn
der Wechselstrom abgeschaltet wird, stellt der Logikkreis diesen
Zustand mit Hilfe der Leitung 141 fest, und das System
geht zum Zustand 164 über.
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In
dem Zustand 164 öffnet
der Logikkreis 116 die Schaltergruppe 122, schließt die Schaltergruppe 122, öffnet den
Schalter 132 und startet den Zeitverzögerungskreis. Der Zweck dieser
Verzögerung
besteht darin, Schaltungsübergänge von
der parallelen in die serielle Konfiguration der Vorrichtungen 112 abklingen
zu lassen: die Verzögerung
ist kurz, in der Größenordnung
von Millisekunden. Wenn Wechselstrom wieder angeschaltet wird, während der
Verzögerungskreis
noch läuft,
kehrt das System in den Zustand 162 zurück, ansonsten kehrt das System
in den Zustand 165 zurück,
wenn die Verzögerung
abgeklungen ist.
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In
dem Zustand 165 hält
der Logikkreis 116 die Schaltergruppe 121 offen
und die Schaltergruppe 122 geschlossen, schließt aber
den Schalter 131, um Energie zur Hauptlast 84 weiterzuleiten.
Das System verbleibt im Zustand 165, bis entweder die Wechselstromenergie
wieder vorhanden ist, wie dies auf der Leitung 141 festgestellt
wird, oder bis die Speichervorrichtungen entladen sind, derart,
daß die
auf der Leitung 142 festgestellte Spannung unterhalb 7,5 Volt
gefallen ist. Wenn Wechselstromenergie auftritt, geht das System
in den Zustand 162 mit den zugeordneten Einstellungen für die Schalter 121, 122, 131 und 132 über. Wenn
die Speichervorrichtungen entladen, bevor Wechselstrom wieder auftritt,
geht das System in den Zustand 161 mit den zugeordneten Einstellungen
für die
Schalter 121, 122, 131 und 132 zurück.
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Das
unter Bezugnahme auf 7 beschriebene System stellt
sicher, daß die
Bohrlochausrüstung
von dem inaktiven und entladenen Zustand 161 durch eine
definierte Prozedur aktiviert werden kann, und daß sie sich,
sobald sie geladen und aktiv ist, in einem bekannten Zustand befindet.
Es ist weithin verständlich,
daß das
Erfüllen
dieses Erfordernisses ein notwendiges Element bei einem erfolgreichen
Implementieren für
nicht zugängliche
Vorrichtungen ist, die unter Verwendung von gespeicherter Energie
arbeiten, wenn die Energiespeichervorrichtungen entladen sind.
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Wie
unter Bezugnahme auf 7 an einem statischen Diagramm
beschrieben wurde, übertragen die
Bohrlochvorrichtungen 50 Daten und Messungen als Information
zu dem Oberflächencomputersystem 52 unter
Verwendung des Modem 94 nur dann, wenn Wechselstromenergie
von der Oberflächenenergiequelle 54 nicht übertragen
wird. Dies hilft, Rauschen während
der Übertragung
von der Bohrlochvorrichtung 50 nach oben zum Oberflächencomputersystem 52 zu
vermeiden. Der Algorithmussteuerkreis des Steuerkreises 116 des
bevorzugten Ausführungsbeispieles,
das vorstehend beschrieben wurde, ist nur illustrativ und kann variieren,
wie dies für
den Fachmann ersichtlich ist.
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Durch
Steuern des Lade-Entladezyklus der Speichervorrichtungen 112 mit
dem Energiekonditionierkreis 114 und dem Logikkreis 116 kann
selbst bei in sehr geringem Maße
verfügbarer
Energie im Bohrloch diese Energie dazu verwendet werden, die Speichervorrichtungen 112 zu
laden, und die Energie kann abgezogen werden, um elektrische oder
elektronische Ausrüstungen
mit wesentlich höherer
Rate als der Laderate zu versorgen. Typische elektrische Bohrlochausrüstungen
können
folgendes umfassen (aber nicht beschränkt auf): Motoren, Hülsen- und Ventilstellglieder
und akustische Quellen. Eine solche elektrische Ausrüstung erfordert
häufig
hohe Energie im Gebrauch, wird aber nur intermittierend auf Befehl
betrieben. Somit ermöglicht
die vorliegende Erfindung Wege zum Laden von Bohrloch-Energiespeichervorrichtungen 112 mit
einer Rate (z.B. bei eingeschränkter
Energieverfügbarkeit)
und das Entladen der gespeicherten Energie in den Energiespeichervorrichtungen 112 mit
einer anderen Rate (z.B. kurze Hochenergielasten). Deshalb kann
die vorliegende Erfindung unter anderem viele Schwierigkeiten überwinden,
die durch Beschränkungen
der Energieverfügbarkeit
im Bohrloch verursacht werden.
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Eine
Charakteristik der Energiespeichervorrichtungen 112 (sowohl
chemische Zellen als auch Kondensatoren) besteht darin, daß ihre individuelle Betriebsenergie
auf Werte beschränkt
sein kann, die kleiner sind, als sie erforderlich sind, um elektronische
und elektrische Bohrlochausrüstungen
anzutreiben. In Fällen,
in denen die Bohrlochenergie durch Verluste in dem Energieübertragungspfad stark
eingeschränkt
ist, kann die Energie, die erzeugt wird, auf Werte beschränkt sein,
die kleiner sind als jene, die erforderlich sind, um elektrische
Kreise im Normalbetrieb zu speisen.
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Aus
der Natur ihrer Funktionen werden Bohrlochvorrichtungen 50 innerhalb
des Schachtes häufig in
Gruppen angeordnet. Entsprechend ihrer Distanz von der Oberfläche ist
der Abstand zwischen den Bohrlochvorrichtungen innerhalb einer Gruppe
klein. Wegen ihrer engen Nähe
kann es manchmal vorteilhaft sein, Energie von einer Bohrlochvorrichtung
auf eine andere unter Verwendung des Rohres 40 und/oder
der Auskleidung 30 als elektrische Leiter oder Energieübertragungspfade
zu übertragen.
Eine solche Energieverteilungsmethode hängt vom Vorsehen von Steuerkommunikationen
ab, um die Verbindungen zwischen den Energiespeichermodulen in jeder
Bohrlochvorrichtung und einer Last zu konfigurieren, die in einer
anderen Bohrlochvorrichtung vorhanden sein kann. Solche Steuerkommunikationen können durch
interne Elektronik in einer oder mehreren Bohrlochvorrichtungen
vorgesehen sein, sie können
vom Oberflächencomputersystem 52 zur
Verfügung
gestellt werden, oder einer Kombination von diesen. Somit ist die
aus einer oder mehreren Bohrlochvorrichtungen in einer Gruppe verfügbare Energie
auf einen einzigen Anwendungspunkt gerichtet, was einen höheren Energieverbrauch
an diesem Punkt im Betrieb ermöglicht,
als dies der Fall wäre, wenn
jede Bohrlochvorrichtung lediglich auf ihre eigene lokale Energiespeicherkapazität zurückgreifen müßte. In ähnlicher
Weise wird, im Falle die Energiespeicherung innerhalb einer individuellen
Bohrlochvorrichtung versagt, diese Vorrichtung von benachbarten
Vorrichtungen mit Energie versorgt. Somit können die Energiespeichervorrichtungen,
die versagt haben, außer
Betrieb genommen werden, ohne die Anwendung der Bohrlochvorrichtung,
welche den Energieverlust erlitten hat, zu eliminieren.
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Bei
anderen möglichen
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung können
mehrere Bohrlochvorrichtungen (nicht gezeigt) vorgesehen sein, wobei
jede Bohrlochvorrichtung 50 eine Energiespeichervorrichtung 112 aufweist,
welche die Bohrlochvorrichtung 50 entweder alleine mit
Energie versorgen kann, oder die so geschaltet werden kann, daß sie Energie
dem Rohr 40 und/oder der Auskleidung 30 zur Verfügung stellt.
Jede Bohrlochvorrichtung 50 kann Energie nur von ihrer
eigenen lokalen Speichervorrichtung 112 abziehen, oder
sie kann so geschaltet sein, daß ihre
lokale Energie verstärkt wird,
indem Energie von dem Rohr 40 und/oder der Auskleidung 30 abgezogen
wird. In letzterem Fall kann Energie von den anderen Speichervorrichtungen 112 in
benachbarten Bohrlochvorrichtungen 50 abgezogen werden,
wie dies vorstehend beschrieben wurde, und/oder von der Oberflächenenergiequelle 54.
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In
noch weiteren möglichen
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung wird jeder Schalter der ersten und zweiten
Schaltergruppe 121, 122 unabhängig geöffnet oder geschlossen, um
eine Vielzahl von Spannungsniveaus der Last oder den Lasten durch Änderung
der Schalterpositionen zur Verfügung
zu stellen. Somit können
separate, unabhängige
Ausgangsspannungen für
die Vielzahl von Lasten, für
multiple Lasten oder für
eine Vielzahl von Lastenzuständen
vorgesehen sein, während
die Fähigkeit zur
Belastung aller Speichervorrichtungen 112 parallel mit
niedriger Spannung beibehalten wird.
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Die
Komponenten der Bohrlochvorrichtung 50 können variieren,
um andere mögliche
Ausführungsbeispiele
der Erfindung zu bilden. Einige mögliche Komponenten, die für Komponenten
der Bohrlochvorrichtung substituiert oder hinzufügt werden können, umfassen (sind aber nicht
beschränkt
auf): ein elektrischer Servomotor, ein anderer elektrischer Motor,
andere Sensoren, Transducer, eine elektrisch steuerbare Tracereinspritzvorrich tung,
eine elektrisch steuerbare Chemikalieneinspritzvorrichtung, ein
Chemikalien- oder Tracermaterialreservoir, ein elektrisch steuerbares
Ventil, ein Relay Modem, ein Transducer, ein Computersystem, eine
Speichervorrichtung, ein Mikroprozessor, ein Energietransformer, eine
elektrisch steuerbare hydraulische Pumpe und/oder ein Stellglied,
eine elektrisch steuerbare pneumatische Pumpe und/oder ein Stellglied
oder eine Kombination derselben.
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Auch
können
die Komponenten des Energiespeichermoduls 90 variieren,
dieser wird aber zumindest eine Energiespeichervorrichtung 112 haben. Beispielsweise
kann der Energiespeichermodul 90 so einfach wie eine einzelne
Energiespeichervorrichtung 112 sein und einige Drähte zur
elektrischen Verbindung aufweisen. Der Energiespeichermodul 90 kann
anderseits sehr komplex sein und beispielsweise eine Reihe von Energiespeichervorrichtungen 112,
einen Mikroprozessor, eine Ladespeichervorrichtung, eine Steuerkarte,
einen digitalen Energiemesser, einen digitalen Voltmeter, ein digitales
Amperemeter, mehrere Schalter und ein Modem aufweisen. Anderseits
kann der Energiespeichermodul 90 irgendwo dazwischen, wie
als Energiespeichervorrichtung, ausgebildet sein.