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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zum steuerbaren Routing
von Netzstrom und/oder Kommunikation durch ein Netzwerk von miteinander verbundenen
Elementen einer Rohrleitungsstruktur oder einer Metallstruktur unter
Verwendung einzeln steuerbarer Schalter und Induktionsdrosseln.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Verschiedene
Verfahren wurden erdacht, um steuerbare Ventile und andere Vorrichtungen
und Sensoren untertage an einem Steigrohrstrang in einem Schacht
anzuordnen, aber alle solche bekannte Vorrichtungen verwenden typischerweise
ein elektrisches Kabel entlang des Steigrohrstrangs, um die Vorrichtungen
und Sensoren zu speisen und mit ihnen zu kommunizieren. Es ist nicht
erwünscht
und in der Praxis schwierig, ein Kabel entlang des Steigrohrstrangs
entweder einstückig
mit dem Steigrohrstrang oder beabstandet in dem Ringraum zwischen dem
Steigrohr und dem Futterrohr zu verwenden, wegen der Anzahl von
in solchen Systemen vorhandenen Fehlermechanismen. Weitere Verfahren
der Kommunikation innerhalb eines Bohrlochs sind in den US-Patenten
5,493,288; 5,576,703; 5,574,374; 5,467,083; und 5,130,706 beschrieben.
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Das
US-Patent 6,070,608 beschreibt ein oberflächengesteuertes Gaslift-Ventil
zur Verwendung in Erdölschächten. Verfahren
zum Betätigen des
Ventils umfassen Elektrohydraulik, Hydraulik und Pneumohydraulik.
Sensoren leiten die Position der variierbaren Blende und kritische
Fluiddrücke
zu einer Tafel an der Oberfläche
weiter. Wenn jedoch beschrieben wird, wie Elektrizität an die
Untertage-Sensoren und Ventile bereitgestellt wird, wird das Mittel, um
die/das elektrische Leistung/Signal zu den Ventilen/Sensoren zu
bekommen, als eine elektrische Rohrlei tung beschrieben, die die
Untertage-Ventile/Sensoren mit einer Steuertafel an der Oberfläche verbindet.
Das US-Patent 6,070,608 beschreibt oder zeigt nicht speziell die
Strombahn von der Untertage-Vorrichtung zu der Oberfläche. Die
elektrische Rohrleitung ist in den Figuren als eine elektrische Standard-Rohrleitung
gezeigt, d.h. ein gestrecktes Rohr mit einzelnen darin geschützten Drähten, so dass
das Rohr für
physischen Schutz sorgt und die Drähte darin die Strombahn bereitstellen.
Solche elektrische Standard-Rohrleitungen können bei großen Tiefen
jedoch schwierig weiterzuführen
sein, um Biegungen von umgeleiteten Schächten herum, entlang von mehreren
Zweigen für
einen Schacht mit mehreren Seitenzweigen und/oder parallel mit einem Spiralensteigrohr.
Infolgedessen besteht ein Bedarf an einem System und Verfahren zum
Bereitstellen von Netzstrom und Kommunikationssignalen an Untertage-Vorrichtungen
ohne die Notwendigkeit einer separaten elektrischen Rohrleitung
mit Drähten
und geschnürt
entlang eines Steigrohres.
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Das
US-Patent 4,839,644 beschreibt ein Verfahren und System für drahtlose
wechselweise Kommunikation in einem ausgekleideten Bohrloch mit
einem Steigrohrstrang. Dieses System beschreibt jedoch eine Untertage-Ringantenne
zum Koppeln elektromagnetischer Energie in einem TEM-Wellenleitermodus
mit Hilfe des Ringes zwischen dem Futterrohr und dem Steigrohr.
Diese Ringantenne benutzt eine elektromagnetische Wellenkopplung,
die ein im Wesentlichen nicht-leitendes Fluid (wie z.B. raffiniertes
Schweröl)
in dem Ring zwischen dem Futterrohr und dem Steigrohr als ein Übertragungsmedium
und einen ringförmigen
Hohlraum und Bohrlochkopf-Isolatoren erfordert. Daher ist das in
dem US-Patent 4,839,644 beschriebene Verfahren und System kostspielig,
hat Probleme mit dem Einsickern von Sole in das Futterrohr und ist
als ein Modell für eine
wechselseitige Untertage-Kommunikation schwierig zu verwenden. Somit
besteht ein Bedarf an einem besseren System und Verfahren zum Bereit stellen
von Netzstrom und Kommunikationssignale an Untertage-Vorrichtungen ohne
die Notwendigkeit, dass ein nicht-leitendes Fluid in dem Ringraum
zwischen dem Futterrohr und dem Steigrohr vorhanden ist.
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Andere
Konzepte unterirdischer Kommunikation wie z.B. die Spülungsimpuls-Übertragung (US-Patente
4,648,471; und 5,887,657) haben erfolgreiche Kommunikation bei niedrigen
Datenübertragungsraten
gezeigt, sind aber dort von begrenztem Nutzen als ein Kommunikationsmodell,
wo hohe Datenübertragungsraten
erforderlich sind oder es nicht erwünscht ist, untertage eine komplexe
Ausrüstung
für eine
Spülungsimpuls-Übertragung
zu verwenden. Noch weitere Untertage-Kommunikationsverfahren wurden
versucht; siehe die US-Patente 5,467,083; 4,739,325; 4,578,675;
5,883,516; und 4,468,665. Es besteht somit ein Bedarf an einem System
und Verfahren zum Bereitstellen von Netzstrom und Kommunikationssignalen
zu unterirdischen Vorrichtungen bei schnelleren Datenübertragungsraten
und mit verfügbarem
Netzstrom, um eine Untertage-Vorrichtung zu betreiben.
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Es
wäre daher
ein deutlicher Fortschritt im Betrieb von Erdölschächten, wenn Steigrohr, Futterrohr,
Liner und/oder andere in den Schächten
installierte Leiter für
die Kommunikation und als Stromleiter für die Steuerung und zum Betrieb
von Vorrichtungen und Sensoren untertage in einem Erdölschacht verwendet
werden könnten.
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Induktionsdrosseln
wurden in Verbindung mit empfindlichen Instrumenten verwendet, um
diese gegen Spannungsstöße und Streuspannung
zu schützen.
Z.B. haben die meisten Personal Computer für solch einen Schutz eine Art
von Drossel in ihre Wechselstromverbindungsschnur eingebaut. Solche Schutzdrosseln
arbeiten gut hinsichtlich ihres beabsichtigten Zwecks, sind aber nicht
wirksam, um einen Netzstrom- oder Kommunikationskreis zu definieren.
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Das
System und Verfahren gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 und 36 sind aus der
GB 2 330
853 bekannt.
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Kurzzusammenfassung
der Erfindung
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Die
oben dargelegten Probleme und Bedürfnisse sind weitgehend durch
das System und Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 36 gelöst und erfüllt. Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System zum steuerbaren
Routing von Kommunikation und elektrischer Leistung mit einem zeitvarianten
Strom durch eine Rohrleitungsstruktur vorgesehen. Das System umfasst
eine erste Induktionsdrossel, eine zweite Induktionsdrossel und
einen steuerbaren Schalter. Die erste Induktionsdrossel ist um einen
Abschnitt eines ersten Zweigs der Rohrleitungsstruktur herum angeordnet.
Die zweite Induktionsdrossel ist um einen Abschnitt eines zweiten
Zweigs der Rohrleitungsstruktur herum angeordnet. Der steuerbare
Schalter umfasst zwei Schalteranschlüsse. Ein erster der Schalteranschlüsse ist
auf einer Verzweigungsseite der Induktionsdrosseln mit der Rohrleitungsstruktur
elektrisch verbunden. Der erste und zweite Zweig der Rohrleitungsstruktur überschneiden
sich an der Verzweigungsseite der Induktionsdrosseln. Ein zweiter
der Schalteranschlüsse
ist auf einer anderen Seite von zumindest einer der Induktionsdrosseln
mit der Rohrleitungsstruktur elektrisch verbunden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Erdölschacht
zur Förderung von
Erdölprodukten
vorgesehen. Der Erdölschacht umfasst
eine Rohrleitungsstruktur und ein System zum steuerbaren Routing
von Kommunikation und/oder elektri scher Leistung mit einem zeitvarianten
Strom durch die Rohrleitungsstruktur. Die Rohrleitungsstruktur erstreckt
sich innerhalb des Schachts. Das System umfasst eine erste Induktionsdrossel,
eine zweite Induktionsdrossel und einen steuerbaren Schalter. Die
erste Induktionsdrossel ist um einen Abschnitt eines ersten Zweigs
der Rohrleitungsstruktur herum angeordnet. Die zweite Induktionsdrossel
ist um einen Abschnitt eines zweiten Zweigs der Rohrleitungsstruktur
herum angeordnet. Der steuerbare Schalter umfasst zwei Schalteranschlüsse. Ein
erster der Schalteranschlüsse
ist auf einer Verzweigungsseite der Induktionsdrosseln, wo der erste
und zweite Zweig der Rohrleitungsstruktur sich auf der Verzweigungsseite
der Induktionsdrosseln überschneiden,
mit der Rohrleitungsstruktur elektrisch verbunden. Ein zweiter von
den Schalteranschlüssen
ist auf einer anderen Seite von zumindest einer der Induktionsdrosseln
mit der Rohrleitungsstruktur elektrisch verbunden.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Erdölschacht
zur Förderung
von Erdölprodukten
vorgesehen. Der Erdölschacht
umfasst ein Futterrohr, ein Steigrohr, eine Stromquelle, eine erste
Induktionsdrossel, eine zweite Induktionsdrossel, einen steuerbaren
Schalter und zwei Untertage-Vorrichtungen. Das Futterrohr erstreckt
sich in eine Formation hinein und das Steigrohr erstreckt sich innerhalb
des Futterrohres. Die Stromquelle ist an der Oberfläche angeordnet.
Die Stromquelle ist mit dem Steigrohr und/oder dem Futterrohr elektrisch
verbunden und derart eingerichtet, dass sie einen zeitvarianten
Strom in diese/s ausgibt. Die erste Induktionsdrossel ist untertage
um einen Abschnitt eines ersten Zweigs des Steigrohrs und/oder des
Futterrohres herum angeordnet. Die zweite Induktionsdrossel ist
untertage um einen Abschnitt eines zweiten Zweigs des Steigrohrs
und/oder des Futterrohres herum angeordnet. Der steuerbare Schalter
ist untertage angeordnet und umfasst zwei Schalteranschlüsse. Ein
er ster der Schalteranschlüsse
ist auf einer Verzweigungsseite der Induktionsdrosseln mit dem Steigrohr
und/oder dem Futterrohr elektrisch verbunden. Der erste und zweite
Zweig überschneiden
sich auf der Verzweigungsseite der Induktionsdrosseln. Der zweite
der Schalteranschlüsse
ist auf einer anderen Seite der ersten Induktionsdrossel und/oder
der zweiten Induktionsdrossel mit dem Steigrohr und/oder dem Futterrohr
elektrisch verbunden. Eine erste Untertage-Vorrichtung ist mit dem
ersten Zweig elektrisch verbunden. Eine erste Untertage-Vorrichtung
ist mit dem zweiten Zweig elektrisch verbunden.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Förderung von
Erdölprodukten
aus einem Erdölschacht
vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte (deren
Reihenfolge variieren kann): (i) Bereitstellen einer Rohrleitungsstruktur,
die sich innerhalb des Schachts erstreckt; (ii) Bereitstellen einer
an der Oberfläche
angeordneten elektrischen Stromquelle, die mit der Rohrleitungsstruktur
elektrisch verbunden ist und die derart eingerichtet ist, dass sie
einen zeitvarianten Strom ausgibt; (iii) Bereitstellen einer ersten
Induktionsdrossel, die um einen Abschnitt eines ersten Zweigs der
Rohrleitungsstruktur herum angeordnet ist; (iv) Bereitstellen einer
zweiten Induktionsdrossel, die um einen Abschnitt eines zweiten
Zweigs der Rohrleitungsstruktur herum angeordnet ist; (v) Bereitstellen
eines steuerbaren Schalters, der zwei Schalteranschlüsse umfasst,
wobei ein erster der Schalteranschlüsse auf einer Verzweigungsseite
der Induktionsdrosseln mit der Rohrleitungsstruktur elektrisch verbunden
ist, wobei der erste und zweite Zweig der Rohrleitungsstruktur sich
auf der Verzweigungsseite der Induktionsdrosseln überschneiden und
wobei ein zweiter von den Schalteranschlüssen auf einer anderen Seite
von zumindest einer der Induktionsdrosseln mit der Rohrleitungsstruktur
elektrisch verbunden ist; (vi) Bereitstellen einer unterirdischen
Vor richtung, die mit der Rohrleitungsstruktur elektrisch verbunden
ist; (vii) Weitergeben des zeitvarianten Stroms in die Rohrleitungsstruktur
hinein mit der Stromquelle; (viii) Steuern einer Schalterposition
des steuerbaren elektrischen Schalters; (ix) Routing des zeitvarianten
Stroms um zumindest eine der Induktionsdrosseln herum in zumindest
einen von dem ersten und zweiten Zweig der Rohrleitungsstruktur
hinein mit dem steuerbaren elektrischen Schalter; (x) Routing des
zeitvarianten Stroms durch die Untertage-Vorrichtung; (xi) Bereitstellen
von elektrischem Strom an die Untertage-Vorrichtung während Erdölförderungsvorgängen mit
der Stromquelle über
die Rohrleitungsstruktur; und (xii) Fördern von Erdölprodukten
aus dem Schacht. Wenn der zweite Schalteranschluss auf der anderen
Seite der ersten Induktionsdrossel mit dem ersten Zweig der Rohrleitungsstruktur
elektrisch verbunden ist und der steuerbare Schalter ferner einen
dritten Schalteranschluss umfasst, ist der dritte Schalteranschluss
auf der anderen Seite der zweiten Induktionsdrossel mit dem zweiten
Zweig der Rohrleitungsstruktur elektrisch verbunden. Wenn der zweite
Schalteranschluss auf der anderen Seite der ersten Induktionsdrossel
mit dem ersten Zweig der Rohrleitungsstruktur elektrisch verbunden
ist, kann das Verfahren ferner die Schritte umfassen: (xiii) Bereitstellen
eines steuerbaren Schalters, der zwischen der Rohrleitungsstruktur
auf einer Verzweigungsseite der zweiten Induktionsdrossel und dem
zweiten Zweig der Rohrleitungsstruktur auf der anderen Seite der
zweiten Induktionsdrossel elektrisch verbunden ist, so dass jeder
der elektrisch steuerbaren Schalter jeweils über jede der Induktionsdrosseln
elektrisch verbunden ist; und (xiv) Steuern einer Schalterposition
des zweiten steuerbaren elektrischen Schalters.
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Somit
sieht die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren zum Schalten
und Routing von Netzstrom und/oder Kommunikation über ein Netzwerk
einer Rohrleitungsstruktur (z.B. Steigrohr und/oder Futterrohr eines
Schachts) vor. Die vorliegende Erfindung sieht ein Netzstrom- und
Kommunikationsübertragungs-Routingsystem vor,
das in der Lage ist, jede von N Eingangsleitungen mit einer beliebigen
oder mehreren M Ausgangsleitungen zu verbinden, wobei „Leitungen" sich überschneidende
Abschnitte eines Rohrleitungsstrukturnetzwerkes sind. Entfernbare
und rekonfigurierbare Induktionsdrosseln stellen einen Weg bereit,
um solch ein Routing möglich
zu machen. Steuerbare und einzeln adressierbare Schalter stellen
die variablen Querverbindungen zwischen den Rohrleitungsstrukturen
in dem Netzwerk bereit.
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Eine
allgemeine Anwendung der vorliegenden Erfindung liegt in der Punkt-zu-Punkt-Netzstrom- und/oder
Kommunikationsverbindungsfähigkeit,
wobei die Anzahl von Eingangsleitungen (N) und Ausgangsleitungen
(M) gleich ist, M = N. Die Drosseln sind um einen Abschnitt einer
jeden „Leitung" herum angeordnet, über den
kein Netzstrom- und/oder Informationstransport gewünscht wird.
Durch einen Einbau von insgesamt N2 – N (= N(N – 1)) Drosseln zwischen
ausgewählten
Eingangs-Ausgangsverbindungen werden der/die gesamte Netzstrom und Kommunikation
wirksam blockiert. Die verbleibenden N Eingangs-/Ausgangsverbindungen, über die
keine Induktionsdrosseln eingebaut sind, behindern den Fluss von
Netzstrom oder Information nicht. Eine Verbindung könnte durch
Umgehen oder „Überbrücken" der Drossel unter
Verwendung eines adressierbaren Schalters (z.B. eines digital adressierbaren
Schalters) eingeleitet werden. In dem Fall, dass ein teilweiser
Netzstrom- und Kommunikationstransport über das N-mal-N-Gitter erwünscht ist,
können
kleinere Drosseln (d.h., weniger Masse oder unterschiedliche magnetische
Eigenschaften) eingebaut werden, die die Übertragung von Netzstrom und
Signalen nicht vollständig
behindern.
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Eine
weitere allgemeine Anwendung der vorliegenden Erfindung ist ein
nicht blockierendes Schaltnetzwerk, in dem eine beliebige Eingangsleitung
(N) mit einer Vielzahl von einer oder mehreren Ausgangsleitungen
(M) verbunden werden kann, wobei die Anzahl der Eingangsleitungen
(N) die Anzahl der Ausgangsleitungen (M) nicht überschreitet. Ein extremes
Beispiel dieser Anwendung ist jenes, bei dem N = 1 und M eine beliebige
Zahl ist, wodurch eine sternförmige
oder speichenförmige
Netzstrom- und Kommunikationsstruktur definiert ist. Mehrere Drosseln
können
verwendet werden, um Netzstrom und Information an eine beliebige
gewünschte
Teilmenge der M Ausgangsleitungen selektiv aufzuteilen und weiterzuleiten.
Wiederum können
in dem Fall, dass ein teilweiser Netzstrom- und Kommunikationstransport
erwünscht
ist, kleinere Drosseln verwendet werden. Unabhängig von der Anwendung sorgt
der Einbau der Induktionsdrosseln in selektiven Positionen für einen
flexiblen, rekonfigurierbaren Netzstrom- und Kommunikations-Routingmechanismus innerhalb
einer Rohrleitungsstruktur.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Ziele und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung und durch Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen offensichtlich. In den Zeichnungen ist
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1 eine
schematische Darstellung, die einen Erdölförderschacht gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ein
vereinfachtes elektrisches Schaltbild des durch den Schacht von 1 gebildeten elektrischen
Kreises;
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3A eine
schematische Darstellung, die einen oberen Abschnitt eines Erdölförderschachts gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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3B eine
schematische Darstellung, die einen oberen Abschnitt eines Erdölförderschachts gemäß einer
noch weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 eine
schematische Darstellung einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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5 ein
vereinfachtes elektrisches Schaltbild des durch den Schacht von 4 gebildeten elektrischen
Kreises;
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6 eine
schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7 ein
vereinfachtes elektrisches Schaltbild des durch den Schacht von 6 gebildeten elektrischen
Kreises;
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8 ein
Diagramm, das eine verallgemeinerte Konfiguration mit einem Haupteingang,
der in eine beliebige Anzahl von Ausgängen aufgeteilt werden kann,
veranschaulicht; und
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9 ein
Diagramm, das ein rekonfigurierbares Netzstrom- und Kommunikationsübertragungs-Routingsystem
veranschaulicht.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei hierin gleiche
Bezugsziffern verwendet werden, um durchgehend gleiche Elemente in
den verschiedene Darstellungen zu bezeichnen, sind bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung veran schaulicht und weiter beschrieben
und sind andere mögliche
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Figuren sind nicht notwendigerweise
maßstabgetreu
und in einigen Fällen
wurden die Zeichnungen lediglich zu Veranschaulichungszwecken an
gewissen Stellen übertrieben
und/oder vereinfacht. Der Fachmann wird einsehen, dass viele mögliche Anwendungen und
Varianten der vorliegenden Erfindung auf der Basis der nachfolgenden
Beispiele möglicher
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wie auch auf der Basis der in den verwandten
Anmeldungen, die im größtmöglichen
gesetzlichen Ausmaß hierin durch
Bezugnahme aufgenommen sind, veranschaulichten und erläuterten
Ausführungsformen
möglich sind.
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Wie
in der vorliegenden Anmeldung verwendet, kann/können eine „Rohrleitungsstruktur" nur ein einziges
Rohr, ein Steigrohrstrang, ein Futterrohr, ein Pumpgestänge, eine
Reihe von miteinander verbundenen Rohren, Stangen, Durchzügen, Streben,
Gittern, Stützen,
eine Zweig oder eine seitliche Erweiterung eines Schachts, ein Netzwerk
von miteinander verbunden Rohren oder andere dem Fachmann bekannte ähnliche
Strukturen sein. Eine bevorzugte Ausführungsform nutzt die Erfindung
im Zusammenhang mit einem Erdölschacht,
wobei die Rohrleitungsstruktur rohrförmige, metallische, elektrisch
leitende Rohr- oder Steigrohrstränge
umfasst, die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist.
Für die
vorliegende Erfindung muss zumindest ein Abschnitt der Rohrleitungsstruktur
elektrisch leitend sein, wobei solch ein elektrisch leitender Abschnitt
die gesamte Rohrleitungsstruktur (z.B. Stahlrohre, Kupferrohre) oder
ein sich in Längsrichtung
erstreckender elektrisch leitender Abschnitt kombiniert mit einem
sich in Längsrichtung
erstreckenden nicht leitenden Abschnitt sein kann. Mit anderen Worten,
eine elektrisch leitende Rohrleitungsstruktur ist eine solche, die
eine elektrische leitende Bahn von einem ersten Abschnitt, wo eine
Stromquelle elektrisch verbunden ist, zu einem zweiten Abschnitt,
wo eine Vorrichtung und/oder eine elektrische Rücklaufleitung elektrisch verbunden
ist/sind, bereitstellt. Die Rohrleitungsstruktur wird typischerweise
ein herkömmliches
rundes Metallsteigrohr sein, die Querschnittsgeometrie der Rohrleitungsstruktur
oder irgendeines Abschnitts davon kann aber in Form (z.B. rund,
rechteckig, quadratisch, oval) und Größe (z.B. Länge, Durchmesser, Wanddicke)
entlang irgendeines Abschnitts der Rohrleitungsstruktur variieren.
Somit muss eine Rohrleitungsstruktur einen elektrisch leitenden
Abschnitt aufweisen, der sich von einem ersten Abschnitt der Rohrleitungsstruktur
zu einem zweiten Abschnitt der Rohrleitungsstruktur erstreckt, wobei der
erste Abschnitt distal von dem zweiten Abschnitt entlang der Rohrleitungsstruktur
beabstandet ist.
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Die
Begriffe „erster
Abschnitt" und „zweiter Abschnitt" wie hierin verwendet
sind jeweils allgemein definiert, um einen Abschnitt, einen Teil
oder einen Bereich einer Rohrleitungsstruktur zu bezeichnen, der
sich entlang der Rohrleitungsstruktur erstrecken kann oder nicht,
der sich an einer beliebigen entlang der Rohrleitungsstruktur gewählten Stelle
befinden kann und der die am nächsten
liegenden Enden der Rohrleitungsstruktur umfassen kann oder nicht.
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Der
Begriff „Modem" wird hierin verwendet, um
auf eine beliebige Kommunikationsvorrichtung zum Übertragen
und/oder Empfangen elektrischer Kommunikationssignale über einen
elektrischen Leiter (z.B. Metall) allgemein Bezug zu nehmen. Somit ist
der Begriff „Modem" wie er hierin verwendet
wird, nicht auf das Akronym für
einen Modulator (eine Vorrichtung, die ein Sprach- oder Datensignal
in eine Form umwandelt, die übertragen
werden kann)/Demodulator (eine Vorrichtung, die ein ursprüngliches Signal
wiederherstellt, nachdem sie einen Hochfrequenzträger moduliert
hat) beschränkt.
Auch ist der Begriff „Modem", wie er hierin verwendet
wird, nicht auf herkömmliche
Computermodems beschränkt,
die digitale Signale in analoge Signale umwandeln und umgekehrt
(z.B., um digitale Datensignale über
das analoge öffentliche
Fernsprechwählnetz
zu senden). Zum Beispiel kann es sein, dass, wenn ein Sensor Messungen
in einem analogen Format ausgibt, solche Messungen dann nur moduliert
(z.B. Spreizspektrummodulation) und übertragen werden müssen, und
somit keine Analog-/Digitalumwandlung erforderlich ist. Als ein
weiteres Beispiel kann es sein, dass ein Relais-/Slavemodem oder
eine Kommunikationsvorrichtung ein empfangenes Signal nur identifizieren,
filtern, verstärken
und/oder weitergeben muss.
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Der
Begriff „Ventil", wie er hierin verwendet wird,
bezieht sich allgemein auf eine beliebige Vorrichtung, die wirksam
ist, um die Strömung
eines Fluids zu regeln. Beispiele von Ventilen umfassen, sind aber
nicht beschränkt
auf Balg-Gaslift-Ventile und steuerbare Gaslift-Ventile, die jeweils
verwendet werden können,
um die Strömung
von Liftgas in einen Steigrohrstrang eines Schachts zu regeln. Die
inneren und/oder äußeren Arbeitsweisen
von Ventilen können
stark variieren und in der vorliegenden Anmeldung sollen die beschriebenen
Ventile nicht auf irgendeine bestimmte Konfiguration beschränkt sein, solange
die Ventile wirksam sind, um eine Strömung zu regeln. Einige der
verschiedenen Typen von Strömungsreguliermechanismen
umfassen, sind aber nicht beschränkt
auf Kugelventil-Konfigurationen, Nadelventil-Konfigurationen, Schieber-Konfigurationen
und Käfigventil-Konfigurationen.
Die Verfahren des Einbaus der in der vorliegenden Anmeldung erläuterten
Ventile können
stark variieren.
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Der
Begriff „elektrisch
steuerbares Ventil" wie
er hierin verwendet wird, bezieht sich allgemein auf ein „Ventil" (wie gerade beschrieben),
das in Ansprechen auf ein elektrisches Steuersignal (z.B. ein Signal
von einem Oberflächen-Computer
oder von einem unterirdischen elektronischen Steuerungsmodul) geöffnet, geschlossen,
eingestellt, geändert
oder kontinuierlich gedrosselt werden kann. Der Mechanismus, der
tatsächlich
die Ventilposition bewegt, kann umfassen, ist jedoch nicht beschränkt auf:
einen Elektromotor; einen elektrischen Stellantrieb; einen Elektromagneten;
einen elektrischen Schalter; einen hydraulischen Betätiger, der
von zumindest einem elektrischen Stellantrieb, einem Elektromotor, einem
elektrischen Schalter, einem Elektromagneten oder Kombinationen
davon gesteuert wird; einen pneumatischen Betätiger, der durch zumindest
einen elektrischen Stellantrieb, einen Elektromotor, einen elektrischen
Schalter, einen Elektromagneten oder Kombinationen davon gesteuert
wird; oder eine federbelasteten Vorrichtung in Kombination mit zumindest
einem elektrischen Stellantrieb, einem Elektromotor, einem elektrischen
Schalter, einem Elektromagneten oder Kombinationen davon. Ein „elektrisch steuerbares
Ventil" kann einen
Positionsrückkopplungssensor
zum Bereitstellen eines Rückkopplungssignals,
das der tatsächlichen
Position des Ventils entspricht, umfassen oder nicht.
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Der
Begriff „Sensor", wie er hierin verwendet wird,
bezieht sich auf eine beliebige Vorrichtung, die den absoluten Wert
oder eine Änderung
einer physikalischen Größe detektiert,
bestimmt, überwacht, aufzeichnet
oder sonst wie erfasst. Ein Sensor wie hierin beschrieben kann verwendet
werden, um physikalische Größen zu messen,
die umfassen, aber nicht beschränkt
sind auf: Temperatur, Druck (absolut wie auch Differenz), Strömungsgeschwindigkeit, seismische
Daten, akustische Daten, pH-Wert, Salzhaltigkeit, das Vorhandensein
eines Tracers, eine Tracerkonzentration, eine Chemikalienkonzentration, Ventilstellungen
oder beinahe jede beliebige andere physikalische Datengröße.
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Der
Ausdruck „an
der Oberfläche", wie er hierin verwendet
wird, bezieht sich auf eine Position, die sich oberhalb von etwa
fünfzig
Fuß tief
innerhalb der Erde befindet. Mit anderen Worten, der Ausdruck „an der
Oberfläche" bedeutet nicht notwendigerweise eine
Position auf dem Boden auf Geländehöhe sondern
wird hierin in einem weiteren Sinn verwendet, um auf eine Stelle
Bezug zu nehmen, die oft einfach oder bequem an einem Bohrlochkopf
zugänglich
ist, wo Menschen arbeiten können.
Zum Beispiel kann „an
der Oberfläche" auf einem Tisch
auf einer Baustelle sein, der auf dem Boden an der Schachtplattform
positioniert ist, es kann auf einem Meeresboden oder einem Seeboden
sein, es kann auf einer Bohrinselplattform auf hoher See sein oder
es kann im 100. Stock eines Gebäudes
sein. Auch kann der Begriff „oberflächen-" hierin als ein Adjektiv
verwendet werden, um eine Stelle einer Komponente oder eines Bereiches,
die/der sich „an
der Oberfläche" befindet, zu bezeichnen.
Zum Beispiel würde
wie hierin verwendet ein „Oberflächen"-Computer ein Computer sein,
der sich „an
der Oberfläche" befindet.
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Der
Begriff „unterirdisch", wie er hierin verwendet
wird, bezieht sich auf eine Stelle oder eine Position unterhalb
von etwa fünfzig
Fuß tief
innerhalb der Erde. Mit anderen Worten, „unterirdisch" wird hierin in einem
weitläufigen
Sinn verwendet, um eine Stelle zu bezeichnen, die oft nicht einfach
oder bequem von einem Bohrlochkopf aus zugänglich ist, wo Menschen arbeiten
können.
Zum Beispiel befindet sich in einem Erdölschacht eine „unterirdische" Stelle oft bei oder
nahe an einer Erdölförderzone
unter der Oberfläche,
unabhängig
davon, ob die Förderzone vertikal,
horizontal, seitlich oder unter irgendeinem anderen Winkel dazwischen
erreicht wird. Der Begriff „unterirdisch" wird hierin auch
als ein Adjektiv verwendet, das die Stelle einer Komponente oder
eines Bereichs beschreibt. Zum Beispiel würde eine „unterirdische" Vorrichtung in einem Schacht
eine Vorrichtung sein, die sich „unterirdisch" im Gegensatz zu „an der
Oberfläche" befindet.
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Wie
hierin verwendet, bedeutet „drahtlos" das Nicht-Vorhandensein
einer herkömmlichen
isolierten Drahtader, die sich z.B. von einer unterirdischen Vorrichtung
an die Oberfläche
erstreckt. Die Verwendung einer Rohrleitungsstruktur eines Schachts
(z.B. Steigrohrs und/oder des Futterrohrs) als elektrischen Leiter
wird als „drahtlos" betrachtet.
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1 ist
eine schematische Darstellung, die einen Gaslift-Erdölförderschacht 20 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Schacht 20 weist
ein Hauptbohrloch mit einem sich davon weg erstreckenden seitlichen Zweig 16 auf.
Der Schacht 20 in 1 kann in
vier Teile unterteilt werden: den seitlichen Zweigteil 26,
einen Verzweigungsteil 27, einen oberen Teil 28 und
einen unteren Hauptbohrlochteil 29. Der seitliche Zweig 26 geht
an dem Verzweigungsteil 27 in das Hauptbohrloch über. Der
obere Teil 28 erstreckt sich von untertage über dem
Verzweigungsteil 27 an die Oberfläche. Der Schacht 20 weist
ein Futterrohr 30 auf, das sich innerhalb der Bohrlöcher und
durch eine Formation 32 zu Förderzonen (nicht gezeigt) weiter untertage
erstreckt. Ein Steigrohr 40 erstreckt sich innerhalb des
Futterrohres, um während
Fördervorgängen Fluide
(z.B. Öl,
Gas) von unter der Erde an die Oberfläche zu befördern. Packer 42 sind
untertage innerhalb des Futterrohres 30 und um das Steigrohr 40 herum
angeordnet. Es handelt sich um herkömmliche Packer 42 und
sie isolieren die Schachtteile 26–29 über den
Förderzonen
hydraulisch, um zuzulassen, dass Druckgas in einen zwischen der Verkleidung 30 und
dem Steigrohr 40 ausgebildeten Ring 44 eingeleitet
werden kann. Während
eines Gasliftvorgangs wird Druckgas an der Oberfläche in den
Ring 44 für
eine weitere Einleitung in das Steigrohr 40 eingeleitet,
um für
Fluide dar in einen Gaslift bereitzustellen. Somit ist der in 1 gezeigte
Erdölförderschacht 20 im
Aufbau einem herkömmlichen Schacht ähnlich,
umfasst jedoch die vorliegende Erfindung.
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Ein
elektrischer Kreis ist unter Verwendung verschiedener Komponenten
des Schachts in 1 ausgebildet. Der ausgebildete
elektrische Schachtkreis wird verwendet, um Netzstrom und/oder Kommunikation
an elektrisch betriebene Untertage-Vorrichtungen 50 bereitzustellen.
Ein Oberflächen-Computersystem 52 stellt
den/die Netzstrom und/oder Kommunikation an der Oberfläche bereit.
Das Oberflächen-Computersystem 52 umfasst
eine Stromquelle 54 und ein Mastermodem 56, die
Komponenten und die Konfiguration der Einrichtungen an der Oberfläche können jedoch
variieren. Die Stromquelle 54 ist derart eingerichtet,
dass sie einen zeitvarianten Strom ausgibt. Der zeitvariante Strom
ist vorzugsweise ein Wechselstrom (AC), er kann aber auch ein varianter
Gleichstrom sein. Vorzugsweise ist das Kommunikationssignal ein
durch das Oberflächen-Computersystem 52 bereitgestelltes
Spreizspektrumsignal, alternativ können aber auch andere Formen
von Modulation oder Vorverzerrung verwendet werden. Ein erster Computeranschluss 61 des
Computersystems 52 an der Oberfläche ist mit dem Steigrohr 40 an
der Oberfläche
elektrisch verbunden. Der erste Computeranschluss 61 verläuft an einer
isolierten Abdichtung 65 durch den Aufhänger 64 und ist somit von
dem Aufhänger 64 elektrisch
isoliert, da es durch dieses an der Abdichtung 65 verläuft. Ein
zweiter Computeranschluss 62 des Computersystems 52 an der
Oberfläche
ist an der Oberfläche
mit dem Futterrohr 30 elektrisch verbunden.
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Das
Steigrohr 40 und das Futterrohr 30 wirken als
elektrische Leiter für
den Schachtkreis. In einer bevorzugten Ausführungsform wie in 1 gezeigt
wirkt das Steigrohr 40 als Rohrleitungsstruktur zum Transportieren
von elektrischem Netzstrom und/oder Kommunikation zwischen dem Oberflächen-Computersystem 52 und
den unterirdischen Vorrichtungen 50 und die Packer 42 und
das Futterrohr 30 wirken als eine elektrische Rückleitung.
Ein isoliertes Steigrohr-Einzelrohr 68 ist an dem oberen Teil
unter dem Aufhänger 64 enthalten,
um das Steigrohr 40 von dem Aufhänger 64 und dem Futterrohr 30 an
der Oberfläche
elektrisch zu isolieren. Der erste Computeranschluss 61 ist
unter dem isolierten Steigroh-Einzelrohr 68 mit dem Steigrohr 40 elektrisch
verbunden.
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Induktionsdrosseln 70 sind
untertage um das Steigrohr 40 herum angeordnet. Jede Induktionsdrossel 70 ist
allgemein ringförmig
und ist allgemein konzentrisch um das Steigrohr 40 herum.
Jede Induktionsdrossel 70 umfasst ein ferromagnetisches Material
und ist stromlos. Wie in größerem Detail
in den verwandten Anmeldungen beschrieben, ist jede Induktionsdrossel 70 auf
der Basis ihrer Größe (Masse),
Geometrie und ihrer magnetischen Eigenschaften wie auch ihrer räumlichen
Beziehung relativ zu dem Steigrohr 40 wirksam. In weiteren
Ausführungsformen
(nicht gezeigt) kann/können
eine oder beide Induktionsdrossel/n 70 um das Futterrohr 30 herum angeordnet
sein.
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Die
unterirdischen Vorrichtungen 50 weisen jeweils zwei elektrische
Vorrichtungsanschlüsse 71, 72 auf.
Ein erster der Vorrichtungsanschlüsse 71 ist auf einer
Quellenseite 81 der entsprechenden Induktionsdrossel 70 mit
dem Steigrohr 40 elektrisch verbunden. Ein zweiter der
Vorrichtungsanschlüsse 72 ist
auf einer elektrischen Rückleitungsseite 82 der entsprechenden
Induktionsdrossel 70 mit dem Steigrohr 40 elektrisch
verbunden. Jeder Packer 42 stellt untertage eine elektrische
Verbindung zwischen dem Steigrohr 40 und dem Futterrohr 30 bereit.
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Das
Steigrohr 40 und das Futterrohr 30 können jedoch
auch untertage durch ein leitendes Fluid (nicht gezeigt) in dem
Ring 44 über
den Packern 42 oder auf andere Weise elektrisch verbunden
sein. Vorzugsweise wird sich wenig oder kein leitendes Fluid in
dem Ring 44 über
dem Packer 42 befinden, in der Praxis kann dies jedoch
manchmal nicht verhindert werden.
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Weitere
alternative Wege, um einen elektrischen Kreis unter Verwendung einer
Rohrleitungsstruktur eines Schachts und zumindest einer Induktionsdrossel
zu errichten, sind in den verwandten Anmeldungen beschrieben, von
denen viele in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung angewendet werden
können,
um Netzstrom und/oder Kommunikation an die elektrisch betriebene,
Untertage-Vorrichtung 50 bereitzustellen und um weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zu bilden. Bemerkenswerterweise beschreiben
die verwandten Anmeldungen Verfahren auf der Basis der Verwendung
des Futterrohrs anstelle des Steigrohrs, um Netzstrom von der Oberfläche an Untertage-Vorrichtungen zu
transportieren, und die vorliegende Erfindung ist in futterrohrtransportierten
Ausführungsformen
anwendbar.
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Wie
in 1 gezeigt, sind vorzugsweise alle Komponenten
von jeder der unterirdischen Vorrichtungen 50 in einer
einzigen, abgedichteten Steigrohrhülse zusammen oder als ein Modul
zur einfacheren Handhabung und Installation wie auch, um die Komponenten
von der Umgebung ringsherum zu schützen, enthalten. In weiteren
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
die Komponenten der unterirdischen Vorrichtung 50 jedoch
getrennt (d.h., keine Steigrohrhülse)
oder in anderen Kombinationen kombiniert sein.
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Die
Komponenten der unterirdischen Vorrichtungen 50 können variieren,
um viele mögliche Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zu bilden. Beispielsweise kann eine Untertage-Vorrichtung 50 umfassen
(ist aber nicht beschränkt
auf): einen elektrischen Stellantrieb oder einen anderer Elektromotor,
ei nen Sensor oder einen Umwandler, Umwandler, eine elektrisch steuerbare
Tracer-Einspritzvorrichtung, eine elektrisch steuerbare Chemikalieneinspritzvorrichtung,
einen Chemikalien- oder Tracer-Materialbehälter, ein
elektrisch steuerbares Ventil, ein Modem, ein Kommunikations- und
Steuermodul, eine Logikschaltung, ein Computersystem, eine Speichervorrichtung,
einen Mikroprozessor, einen Leistungstransformator, ein/e Stromspeichermodul
oder -vorrichtung, eine/n elektrisch steuerbare/n hydraulische/n
Pumpe und/oder Betätiger,
eine/n elektrisch steuerbare/n pneumatische/n Pumpe und/oder Betätiger oder
eine beliebige Kombination davon. Die unterirdischen Vorrichtungen 50 von 1 umfassen
jeweils ein elektrisch steuerbares Gasliftventil (nicht gezeigt)
und ein Stromspeichermodul (nicht gezeigt).
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Ein
steuerbarer, einzeln adressierbarer elektrischer Umgehungsschalter 90 ist
entlang des ersten Vorrichtungsanschlusses 71 für jede der
Vorrichtungen 50 in-live verbunden. Jeder der Schalter 90 kann durch
das Oberflächen-Computersystem 52 von
der Oberfläche
aus durch ein unterirdisches Schaltersteuermodul (nicht gezeigt),
durch eine andere Untertage-Vorrichtung 50, durch ihre
entsprechende Untertage-Vorrichtung 50, durch einen Steuerkreis innerhalb
des Schalters oder durch eine beliebige Kombination davon gesteuert
werden. Beispielsweise könnte
jeder Schaltersteueralgorithmus auf einer durch einen inneren Taktgeber
gemessenen Zeitsequenz basieren und synchron mit den anderen Schaltern
oder derart koordiniert sein, dass er sich mit diesen abwechselt.
Die Schalter 90 können
analoge oder digitale Schalter sein. Die Bewegung eines jeden der
Schalter 90 kann auf verschiedene Arten, wie sie dem Fachmann
bekannt sind, angetrieben werden, umfassend (aber nicht beschränkt auf):
elektrisch, mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch. Der Netzstrom
zum Steuern und Antreiben jedes Schalters 90 kann von gespeichertem
Strom allein, von einer aufladbaren Stromspeichervorrichtung, von der
Oberfläche
(z.B. der Oberflächenspannungsquelle 54) über das
Steigrohr 40 und/oder Futterrohr 30, von einer
anderen unterirdischen Vorrichtung 50 über ein separates Kabel (nicht
gezeigt), das Steigrohr 40 und/oder das Futterrohr 30 oder
eine beliebige Kombination davon kommen. Vorzugsweise kann jeder Schalter 90 je
nach Bedarf oder Wunsch durch das Oberflächen-Computersystem 52 einzeln
geöffnet oder
geschlossen werden, und jeder Schalter 90 wird durch eine
aufladbare Batterie gespeist, die durch die Oberflächenspannungsquelle 54 über das
Steigrohr 40 und/oder Futterrohr 30 periodisch
aufgeladen wird.
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2 ist
ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild, das den in dem Schacht 20 von 1 ausgebildeten
elektrischen Kreis veranschaulicht. Im Betrieb werden Netzstrom
und/oder Kommunikation (von dem Oberflächen-Computersystem 52 geliefert) in
das Steigrohr 40 an der Oberfläche unter dem isolierten Steigrohr-Einzelrohr 68 über den
ersten Computeranschluss 61 weitergegeben. Der zeitvariante Strom
wird auf Grund der Isolatoren 69 in dem isolierten Steigrohr-Einzelrohr 68 daran
gehindert, von dem Steigrohr 40 über den Aufhänger 64 zu
dem Futterrohr 30 (und zu dem zweiten Computeranschluss 62) zu
fließen.
Der zeitvariante Strom fließt
jedoch ungehindert untertage entlang des Steigrohrs 40,
bis er auf die Induktionsdrosseln trifft. Jede Induktionsdrossel 70 stellt
eine große
Induktion bereit, die den Großteil
des Stroms daran hindert, an jeder Induktionsdrossel 70 durch
das Steigrohr 40 zu fließen. Somit bildet sich infolge
der Induktionsdrosseln 70 ein Spannungspotential zwischen
dem Steigrohr 40 und dem Futterrohr 30. Das Spannungspotential
bildet sich auch zwischen dem Steigrohr 40 auf der Quellenseite 81 einer
jeden Induktionsdrossel 70 und dem Steigrohr 40 auf
der elektrischen Rückleitungsseite 82 einer
jeden Induktionsdrossel 70. Da die unterirdischen Vorrichtungen 50 über die
durch die Drosseln 70 ge bildeten Spannungspotentiale elektrisch
verbunden sind, wird der Großteil
des in das Steigrohr 40 weitergegebenen Stroms, der unterwegs
nicht verloren geht, durch die unterirdischen Vorrichtungen 50 geroutet
und stellt somit Netzstrom und/oder Kommunikation an die unterirdischen
Vorrichtungen 50 bereit. Die Umgebungsschalter 90 bestimmen,
welche der unterirdischen Vorrichtungen 50 den/die von der
Oberfläche
gesendete/n Strom und/oder Kommunikation empfängt. Wenn der Schalter 90 des
unteren Hauptbohrlochteils 29 geschlossen und der Schalter 90 des
seitlichen Teils 26 offen ist, dann befindet sich die Vorrichtung 50 des
seitlichen Teils 26 nicht in der elektrischen Schleife
und der Großteil
des Stroms wird durch die Vorrichtung 50 des unteren Hauptbohrlochteils 29 geroutet.
Wenn der Schalter 90 des unteren Hauptbohrlochteils 29 offen
und der Schalter 90 des seitlichen Teils 26 geschlossen
ist, dann befindet sich die Vorrichtung 50 des unteren Bohrlochteils 29 nicht
in der elektrischen Schleife und der Großteil des Stroms wird durch
die Vorrichtung 50 des seitlichen Teils 26 geroutet.
Und wenn beide Schalter 90 geschlossen sind, dann werden
die unterirdischen Vorrichtungen 50 parallel geschaltet
sein und der Strom wird durch beide fließen. Nach dem Durchfließen einer
oder beider der unterirdischen Vorrichtungen 50 kehrt der
Strom über
den/die Packer 42, das Futterrohr 30 und den zweiten
Computeranschluss 62 zu dem Oberflächen-Computersystem 52 zurück. Wenn
der Strom ein Wechselstrom ist, wird die Flussrichtung des soeben
beschriebenen Stroms durch den Schacht 20 entlang desselben Pfads
auch umgekehrt.
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Weitere
alternative Wege, einen elektrischen Kreis unter Verwendung einer
Rohrleitungsstruktur eines Schachts und zumindest einer Induktionsdrossel
herzustellen, sind in den verwandten Anmeldungen beschrieben, von
denen viele in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung angewendet
werden können,
um Netzstrom und/oder Kommunikation an die elektrisch betriebenen unterirdischen
Vorrichtung 50 bereitzustellen und um weitere Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung zu bilden.
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Wenn
weitere Packer oder Zentralisierer (nicht gezeigt) zwischen dem
isolierten Steigrohr-Einzelrohr 68 und den Packern 42 enthalten sind,
können
diese einen elektrischen Isolator enthalten, um elektrische Kurzschlüsse zwischen
dem Steigrohr 40 und dem Futterrohr 30 zu verhindern. Geeignete
Zentralisierer können
aus einem fest gepressten oder maschinell bearbeiteten Kunststoff
bestehen oder können
vom Bogenfedertyp sein, vorausgesetzt diese sind mit elektrischen
Isolationskomponenten ausgestattet wie erforderlich. Solch eine elektrische
Isolierung von zusätzlichen
Packern oder Zentralisierern kann auf verschiedene Arten erreicht werden,
wie für
den Fachmann offensichtlich ist.
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Alternativ
(oder zusätzlich)
zu dem isolierten Steigrohr-Einzelrohr 68 kann eine weitere
Induktionsdrossel 168 (siehe 3A) um
das Steigrohr 40 herum über
der Stelle der elektrischen Verbindung für den ersten Computeranschluss 61 an
dem Steigrohr 40 angeordnet sein und/oder der Aufhänger 64 kann ein
isolierter Aufhänger 268 sein
(siehe 3B), der Isolatoren 269 aufweist,
um das Steigrohr 40 von dem Futterrohr 30 elektrisch
zu isolieren. Somit kann der obere Abschnitt des Schachts variieren,
um weitere mögliche
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zu bilden.
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Die
Schalterkonfigurationen und -positionen können variieren, um weitere
mögliche
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zu bilden. Beispielsweise können der
Verzweigungsteil 27, der untere Hauptbohrlochteil 29 und
der seitliche Zweigteil 26 von 4 in den
Schacht 20 von 1 hinein ergänzt werden, um eine weitere
mögliche
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zu bilden. In 4 sind die
Schalter 90 mit ihren entsprechenden Induktionsdrosseln 100 in
dem Verzweigungsteil 27 angeordnet und die unterirdischen
Vorrichtungen 50 mit ihren entsprechenden Induktionsdrosseln 70 sind weiter
untertage innerhalb des unteren Hauptbohrlochteils 29 bzw.
des seitlichen Teils 26 angeordnet. 5 ist ein
vereinfachtes elektrisches Schaltbild, das den elektrischen Kreis
zeigt, der gebildet wird, wenn die Teile 26, 27 und 29 von 4 in
den Schacht 20 von 1 hinein
ergänzt
werden.
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Als
ein weiteres Beispiel dafür,
wie die Schalterkonfigurationen und -positionen variieren können, kann
der Verzweigungsteil 27 von 6 in den Schacht 20 von 1 und/oder 4 hinein
ergänzt werden.
In 6 wird ein einziger Schalter 90 verwendet,
um den/die Netzstrom und/oder Kommunikation entweder zu dem unteren
Hauptbohrlochteil 29 oder dem seitlichen Teil 26,
nicht jedoch zu beiden, zu leiten. Alternativ kann der Verzweigungsteil 27 von 6 zwei
Schalter in einem einzigen Gehäuse
(nicht gezeigt) oder einen Dreiwegschalter (nicht gezeigt) umfassen,
wobei jede der Optionen derart eingerichtet ist, um Netzstrom und/oder
Kommunikation zu dem unteren Hauptbohrlochteil 29 und/oder dem
seitlichen Teil 26 weiterzuleiten. 7 ist ein vereinfachtes
elektrisches Schaltbild, das den elektrischen Kreis veranschaulicht,
der gebildet wird, wenn der Verzweigungsteil 27 von 6 mit
dem unteren Bohrlochteil 29 und dem seitlichen Teil 26 von 4 in
den Schacht 20 von 1 hinein
ergänzt
wird.
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8 ist
ein Diagramm, das eine verallgemeinerte Konfiguration veranschaulicht,
wobei ein Haupteingang 110 (z.B. von dem Oberflächen-Computersystem 52)
vorhanden ist, der in eine beliebige Anzahl (Y) von Ausgängen 112 aufgeteilt
werden kann. Die Schalterkonfiguration kann nur einen Ausgang zu
einem Zeitpunkt (wie in 6) oder eine beliebige Kombination
von Ausgängen
zu einem Zeitpunkt (wie in 4) zulassen.
Somit kann sich im Allgemeinen ein einzelner Haupteingang 110 in
Y Ausgänge 112 verzweigen.
Es kann aber auch eine beliebige Anzahl (X) von Haupteingängen 110 vorhanden
sein.
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9 ist
ein weiteres Diagramm, das veranschaulicht, wie die vorliegende
Erfindung ein rekonfigurierbares Netzstrom- und Kommunikationsübertragungs-Routingsystem 120 für einen
durch eine Rohrleitungsstruktur des Schachts gebildeten elektrischen
Kreis eines Schachts bereitstellen kann. Solch ein Routingsystem,
das durch einzeln steuerbare Schalter 90 gebildet ist,
ist in der Lage, jede der N Eingangs-„Leitungen" 122 mit jeder oder mehreren der
M Ausgangs-„Leitungen" 124 zu
verbinden, wobei die „Leitungen" Abschnitte der Rohrleitungsstruktur
eines Schachts (z.B. das Steigrohr 40 und/oder Futterrohr 30)
sind.
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In
der Telekommunikationsindustrie wird ein analoges Routingsystem
für Telefonleitungen
oft als ein „Kreuzschienenschalter" bezeichnet. Ein
typischer elektrischer Kreuzschienenschalter in der Telekommunikationsindustrie
ist eine Matrix von sich einzeln überschneidenden Eingangs-„Zeilen"- und Ausgangs-„Spalten"-Leitern, wobei mechanische
oder Transistorschalter an jeder Verzweigung der orthogonalen Zeilen
und Spalten positioniert sind. Der Schalter an einer beliebigen
Verzweigung kann eindeutig adressiert und erregt werden, um die
Verbindung zwischen einer sich überschneidenden
Eingangsleitung und der Ausgangsleitung herzustellen. Durch Erregen
eines und nur eines Schalters entlang einer einzelnen Eingangs-„Zeilen"-Leitung wird eine
eindeutige Verbindung mit einer Ausgangs-„Spalte" erzielt. Der geschlossene Kreis kann
verwendet werden, um elektrische Leistung oder elektrische Signale
von einer mit der „Eingangs"-Leitung verbundenen
Quelle zu einem mit der „Ausgangs"-Leitung verbundenen Bestimmungsort
zu transportieren. Im Fernsprechwesen werden Kreuzschienen schalter
verwendet, um Anrufe zwischen einem gegebenen Quellenort zu einem
speziellen Bestimmungsort zu routen.
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Das
Diagramm von 9 veranschaulicht eine verallgemeinerte
Konfiguration, bei der es ein Netzwerk von einander überscheidenden
Steigrohrsträngen
und/oder Futterrohrteilen eines Schachts (d.h., ein mit der Schachtrohrleitungsstruktur
gebildetes Netzwerk) gibt, das N Eingangsleitungen 122 und M
Ausgangsleitungen 124 bildet. Es wird angenommen, dass
jede der N Eingangsleitungen 122 mit jeder der M Ausgangsleitungen 124 verbunden
ist, wobei eine Induktionsdrossel 100 und ein oder mehrere Umgehungsschalter 90 an
jeder Verzweigung 127 positioniert sind. Beispielsweise
kann eine einzeln adressierbare elektronische oder mechanische Schaltbrücke (nicht
gezeigt) an jeder Verzweigung 127 vorhanden sein. Eine
Steuerschaltung (nicht gezeigt) kann eine Möglichkeit bereitstellen, eine
vollständige
Netzstrom- und/oder Kommunikationsquerverbindung herzustellen, indem
die elektronischen oder mechanischen Schalter 90 aktiviert,
und die entsprechenden Induktionsdrosseln 100 „überbrückt" oder umgangen werden.
Die Schalter 90 können
auf solch eine Weise vorgespannt sein, dass sie normalerweise offen
oder normalerweise geschlossen sind, wenn sie „inaktiv" sind. Das heißt, der normale, nicht erregte
Zustand eines jeden Schalters 90 kann entweder „Aus" (d.h. offen) oder „Ein" (d.h. geschlossen) sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird angenommen, dass alle Schalter normalerweise
offen (d.h. Aus) sind. Wenn alle Verzweigungsschalter 90 in
der natürlich
offenen Stellung sind, blockieren die um die Verzweigungsleitungen 127 herum
eingebauten Drosseln 100 einen Teil, den Großteil oder
den gesamten Netzstrom- und/oder Kommunikationstransport
an die Ausgangsleitungen 124, bis ein Schalter 90 für eine bestimmte
Verzweigung 127 aktiviert wird.
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Wenn
beispielsweise ein Wechselstrom an die Eingangsleitung A1 in 9 angelegt
wird, dann verhindern die Induktionsdrosseln 100, dass
elektrischer Strom zu den Ausgangsleitungen B1-BM fließt. Wenn
jedoch ein elektrisches Befehlssignal an eine Umgehungssteuerschaltung
ausgegeben wird, die über
die Drosselverzweigung A1-zu-B2 angeordnet ist, dann wird ein entsprechender
elektronischer Schalter 90 geschlossen und die entsprechende Drossel 100 wird
umgangen. Demzufolge können
ein elektrischer Wechselstrom und unbehinderte Kommunikationssignale
von der Eingangsleitung A1 zu der Ausgangsleitung B2 gelangen. Ein
zusätzliches elektrisches
Befehlssignal könnte
an die Steuerschaltung ausgegeben werden, die über die Drosselverzweigung
A2-zu-B7 (nicht gezeigt) angeordnet ist, der den entsprechenden
Schalter 90 anweist, zu schließen und eine zusätzliche
elektrische Verbindung zwischen der Eingangsleitung A2 und der Ausgangsleitung
B7 herzustellen. Somit ist eine mögliche Anwendung der vorliegenden
Erfindung das Erzielen einer Punkt-zu-Punkt-Netzstrom- und/oder Kommunikationsverbindungsfähigkeit
zwischen einer Anzahl von Eingangsleitungen 122 und einer
Anzahl von Ausgangsleitungen 124 in einem durch die Rohrleitungsstrukturen
eines Schachts gebildeten Netzwerk.
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Als
ein weiteres Beispiel, wenn Wechselstrom auf Eingangsleitungen A1-AN
in 9 angelegt wird, dann verhindern die Induktionsdrosseln 100 anfänglich,
dass elektrischer Strom zu den Ausgangsleitungen B1-BM fließt. Wenn
jedoch elektrische Befehlssignale an die Umgehungssteuerschaltung
ausgegeben werden, die an jeder Drosselverzweigung für B1 angeordnet
sind (d.h. A1-zu-B1, A2-zu-B1, ...AN-zu-B1), dann werden die entsprechenden
Schalter 90 geschlossen und die entsprechenden Drosseln 100 werden
umgangen. Somit würden
alle Eingänge
A1-AN für
den Ausgang B1 kombiniert. Daher kann mit der vorliegenden Erfindung
ein vollständig
rekonfigurierbares Kreuzschienenschalter-Netzwerksystem 120 erzielt
werden, indem insgesamt M·N
Drosseln 100 und Schalter 90 über die Verzweigungen 127 zwischen
N Eingangsleitungen 122 und M Ausgangsleitungen 124 eingebaut
werden.
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In
dem Fall, dass ein teilweiser Netzstrom- und/oder Kommunikationstransport über das M-mal-N-Gitter 120 von 9 für eine oder
mehrere Verzweigungen 127 oder für alle Verzweigungen 127 erwünscht ist,
können
kleinere Drosseln eingebaut werden wo es erwünscht ist, so dass der/die
Netzstrom und/oder Kommunikation an den Verzweigungen 127 mit
den kleineren Drosseln nicht vollständig behindert ist. Eine kleinere
Drossel kann physikalisch kleiner sein (d.h. weniger Masse relativ
zu den anderen Drosseln 100) und/oder sie kann andere magnetische
Eigenschaften aufweisen (z.B. weniger ferromagnetisches Material
darin umfassen). Anders ausgedrückt,
eine kleinere Drossel ist eine solche, die eine weniger wirksame
Impedanz an den durch die Rohrleitungsstruktur des Schachts fließenden Wechselstrom
bereitstellt. Somit können
bescheidene (d.h. abgeschwächte)
Beträge
von Leistung an die mit einer speziellen Ausgangsleitung 124 für Überwachungszwecke
verbundene Einrichtung geliefert werden (z.B. im Fall eines Intervallsteuerventils),
während
sich ihr entsprechender Drosselumgehungsschalter 90 offen
oder in der offenen oder „Aus"-Stellung befindet.
Wenn die volle Leistung zu der mit der vorhandenen Ausgangsleitung 124 verbundenen Einrichtung
für andere
Zwecke geleitet werden soll (z.B. um ein Intervallsteuerventil zu öffnen),
dann kann der entsprechende Drosselumgehungsschalter 90 geschlossen
oder auf „Ein" geschaltet werden. Daher
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Schalten und Routing von Netzstrom und/oder Kommunikation über ein
Netzwerk von Steigrohrsträngen 40 und/oder
Futterrohrteilen 30 (d.h. Rohrleitungsstrukturen) eines Schachts
bereit.
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Die
vorliegende Erfindung kann auf jede Art von Erdölschacht (z.B. Aufschlussschacht,
Einspritzschacht, Förderschacht,
Gestängeförderungs-
oder Saugschacht) angewendet werden, wo unterirdischer Netzstrom
für Elektronik
oder elektrische Einrichtungen in unterirdischen Vorrichtungen benötigt wird.
Die vorliegende Erfindung kann auch auf andere Arten von Schächten (andere
als Erdölschächte) wie
z.B. Wasserförderschächte angewendet
werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann auch mehrere Male in einen einzelnen
Erdölschacht
mit einer oder mehreren Förderzonen
oder in einen Erdölschacht
mit mehreren seitlichen oder horizontalen Komplettierungen, die
sich davon weg erstrecken, eingearbeitet sein. Da die Konfiguration
eines Schachts von dem natürlichen
Formationsverlauf und Stellen der Förderzonen abhängig ist,
kann die Anzahl von Anwendungen oder die Anordnung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung variieren, um der Formation gerecht zu
werden, oder um dem Bedarf eines Schachts an Netzstrom und/oder Kommunikation
gerecht zu werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann auch auf anderen Gebieten (außer Schächten) angewendet
werden, wo eine Rohrleitungsstruktur implementiert werden kann,
um unter Verwendung der Rohrleitungsstruktur als elektrische Leiter
und unter Verwendung von Induktionsdrosseln einen elektrischen Kreis
zu bilden. Die vorliegende Erfindung kann auch in einer beliebigen
Anwendung verwendet werden, wo bestehende Elemente oder Strukturen
eines Systems (z.B. strukturelle Elemente, Fluidübertragungselemente) verwendet
werden, um innerhalb des Systems einen elektrischen Kreis mit Induktionsdrosseln
zu bilden anstatt eine zusätzliche
Verkabelung zu führen.
Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise implementiert werden,
um Netzstrom und/oder Kommunikation steuerbar durch: ein bestehendes
Netzwerk von Rohren eines Sprinklersystems in einem Gebäude; ein
bestehendes Netzwerk von miteinander verbundenen strukturellen Metallelementen
in einem Gebäude;
ein bestehendes Netzwerk von miteinander verbundenen strukturellen
Metallelementen für eine
Bohrinsel; ein bestehendes Pipelinenetzwerk (z.B. Wasserrohre),
ein bestehendes Netzwerk von miteinander verbundenen Trägerelementen
in einer Brücke;
und ein bestehendes Netzwerk von miteinander verbundenen Metallbewehrungsstäben zur Betonverstärkung (z.B.
in einer Straße
oder einem Damm) weiterzuleiten.
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Es
wird für
den Fachmann einzusehen sein, dass der Vorteil dieser Offenlegung
darin besteht, dass die Erfindung einen Erdölförderschacht und ein Verfahren
zum Betreiben des Schachts vorsieht, um ein steuerbares unterirdisches
Schaltnetzwerk zum Routing von Netzstrom und/oder Kommunikation
an Untertage-Vorrichtungen bereitzustellen. Es sollte einzusehen
sein, dass die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung hierin
illustrativ und nicht einschränkend
sein sollen und die Erfindung nicht auf die offen gelegten besonderen
Formen und Beispiele beschränken
sollen. Hingegen umfasst die Erfindung jegliche weitere Abwandlungen, Änderungen,
Neuanordnungen, Ergänzungen,
Alternativen, gewählte Konstruktionen
und Ausführungsformen,
die für
den Fachmann offensichtlich sind, ohne von dem Geist und Umfang
der Erfindung wie durch die nachfolgenden Ansprüche definiert, abzuweichen.
Somit sind die nachfolgenden Ansprüche so zu interpretieren, dass
sie alle derartigen weiteren Abwandlungen, Änderungen, Neuanordnungen,
Ergänzungen,
Alternativen, gewählten
Konstruktionen und Ausführungsformen
einschließen
sollen.