JP7187531B2 - 共振源を用いたダウンホールセンサシステム - Google Patents

Description

本出願は、２０１７年７月２１日に提出された米国仮特許出願第６２／５３５，５７８号の米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく利益を主張し、また２０１７年７月２１日に提出された米国仮特許出願第６２／５３５，５７８号の米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく利益を主張して、２０１７年１０月１３日に提出された米国出願第５／７８３，６７０号に優先権を主張し、これらの両方とも、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

エネルギー産業は、地表面の下に位置する原油およびガスを抽出するために特殊なツールおよび機器を使用している。このタイプのエネルギー抽出に使用される技術で一般的に使用される用語は、ダウンホール抽出技術と呼ばれる。長さが数メートルから数百メートルの範囲になり得るケーシングと呼ばれる特別な鋼管は、一緒に結合され、ボアホール（ｂｏｒｅｈｏｌｅ）に、さらに、坑井（ｗｅｌｌｂｏｒｅ）、掘削井戸（ｂｏｒｅ ｗｅｌｌ）、油井（ｏｉｌ ｗｅｌｌ）、または単に井戸（ｗｅｌｌ）とも呼ばれるボアホールに挿入される。深さは、数キロメートルになることもある。ケーシングの主な機能は、井戸流体を地層流体から分離し、井戸が崩壊するのを防ぐことである。穴は、表面上で幅が１ｍ以上のこともあり、井戸の底に向かって数インチまで小さくなっていく。コイルドチューブウェルの中には、約２～４インチ（５～１０ｃｍ）の小さいものもある。

掘削プロセス中および抽出プロジェクトの期間中、しばしば単にセンサとも呼ばれる遠隔測定センサが井戸を監視するために使用される。これらのセンサは、遠隔測定データを地上局に送信するために、ケーシング上またはその近く、ドリルストリング内、および／またはドリルビットの近くに規則的な間隔で配置できる。加速度計の測定値（方向を含む）、振動、圧力、磁場の測定値（方向を含む）、温度などを含む遠隔測定データは、無線周波数（ＲＦ）信号を使用して無線で、有線で、または音響的に地上局に送信される。遠隔測定データは、掘削方向と位置の正確性および井戸の健全性を確保するのに重要であることから、数年に及び得るエネルギー井戸の期間にわたってセンサが適切に信頼性高く機能することを保証する必要がある。

センサは、ときどきバッテリによって電力供給される。しかしながら、これには課題がある。センサ障害の主な原因の１つは、バッテリがセンサに電力供給できなくなることにある。バッテリが早期に故障する原因の１つは、井戸内の温度が高いことであり、その温度は３００℃（または５７３．１５Ｋ）を超えることもある。

ダウンホールセンサーに電力を供給するための別の考えられる補完的なアプローチは、外部ソースから電力を伝送することを伴う。Ｇｏｎｚａｌｅｓ等に交付された米国特許第９，１０３，１９８Ｂ２号（２０１５年）は、センサに電力を供給し、センサからの送信を受信するための電極対としてケーシングと源泉パイプを使用するシステムを開示している。米国特許第８，１０６，７９１Ｂ２号（Ｔｈｏｍｐｓｏｎ、他、２０１２年）、米国特許第８，３９０，４７１Ｂ２号（Ｃｏａｔｅｓ、他、２０１３年）、米国特許第７，５０４，９６３Ｂ２号（Ｈａｌｌ、他、２００９年）、米国特許第６，５１５，５９２Ｂ１号（Ｂａｂｏｕｒ、他、２００３年）は、源泉など、外部から挿入できるケーシングやその他の近くの物体を使用してセンサに電力を供給し、それらのセンサから放出される信号を受信する同様のシステムを開示している。

井戸の全寿命にわたって電力を供給することができる地上ＡＣ電源ユニットなどの外部制御電源からセンサに電力を確実に伝送するニーズがある。本発明は、このニーズに対処し、原則として、無期限にセンサに電力を供給することができる。

本発明は、井戸ケーシングに沿って配置されたセンサなどの複数のダウンホールノードへの電力供給に関する。以下、「ケーシング」という用語は、井戸内で通常一緒に結合される外側パイプを集合的に示し、個々のパイプは「ケーシングのセクション」または「ケーシングセクション」として示される。通常、供給された電力は、ダウンホールノードに直接電力を供給することも、および／またはダウンホールノードに電力を供給するバッテリを充電および／または維持することもできる。ここでダウンホールノード、または単にノードは、通常、遠隔測定センサ、アクチュエータ、または通信リピータである。ノードは、通常、２つのケーシングセクションのカップリングジョイントのすぐ下に配置される。カップリングでは、直流（ＤＣ）接続がある場合も、あるいはない場合もあるが、コンデンサとして機能し、カップリングを通る交流（ＡＣ）電力の伝送も可能にする。供給される電力は、ノード、例えば、センシング回路、バッテリ充電器（存在する場合）、データ送受信電子機器のノードを操作することが目的である。オンボードのエネルギー供給ユニットとは対照的に、電力は無期限に供給でき、場合によってはバッテリをバイパスして、高温環境で操作できる。

システムは通常、地表面に位置するＡＣ電源ユニットを電源として使用する。中程度の周波数（～１０キロヘルツ（ｋＨｚ））のＡＣユニットがケーシングに接続されており、適切な絶縁体を使用することで電気的な危険を防ぐようにする。電源ユニットの第二の端子は、１）セメントが導電性である状況、またはセメントが導電性になるようにドープされた状況でケーシングを囲むセメントの導電性杭に、あるいは、２）ケーシングを囲むセメントまたはコンクリートから離れて、地面（地質構造）の導電性杭に接続される。第二のシナリオは、本開示のノードへの電力供給の代替実施として提示されている。ダウンホールノードは、井戸の深さに沿って、ケーシングを囲むセメントに配置される。ノードの一方の電極はケーシングに接続されている。ノードの接地電極は、ケーシングおよび／または周囲の地質構造を囲むセメントに晒され、そのセメントと電気的に接触する裸の先端を除いて、ほとんど絶縁体で覆われている。前述の地質構造は、地面（ｇｒｏｕｎｄ）、土（ｓｏｉｌ）、土塵（ｄｉｒｔ）、泥（ｍｕｄ）、土壌（ｅａｒｔｈ）、または岩（ｒｏｃｋ）などであり得る。複数のノードが規則的な間隔（約３０～５００ｍ）で井戸全体に配置され、上述のように構成される。ノードは、２つの異なる直径のケーシングセクションの接合部付近にあることが好ましい。

例において、ＡＣ電源ユニットおよびノード電極によるケーシングへの接続は、電気的に絶縁された「ボタン」を備えたガラス対金属シール（ｇｌａｓｓ－ｔｏ－ｍｅｔａｌ ｓｅａｌ）を使用して行うことができる。

ＡＣ電力は、共振回路を使用してダウンホールノードに最適な方法で供給される。異なる直径の２つのケーシングセクションが互いにねじ込まれている接合部、または「ハング（ｈｕｎｇ）」されている接合部のケーシングと井戸の電気特性（その実効インピーダンスと静電容量を含む）を近似する回路モデルを参照する。ＡＣユニットの共振回路モデルと電気特性を備えた構成により、ノードに最適な電力を供給するのに適切な電源電圧と周波数が得られる。

一般に、一態様によれば、本発明は、井戸用のダウンホールノードを特徴とする。ノードは、井戸のケーシングを囲むセメント内に設置されたセンサハウジング、センサエレクトロニクスと、ノードハウジングからケーシングまで延びる電源電極と、ノードハウジングからセメントおよび／または地質構造まで延びる接地電極を備える。接地電極ワイヤは、先端が裸になっている。

ノードは、電源電極を介して電力を受け取り、接地電極を介して接地される同調フィルタを含み得るノード回路を有する。ブリッジ回路は、ケーシングを介して伝送される電力を整流するためにも使用される。最終的に、調整電源は、ケーシングを介して送信される電力の調整に役立つ。

一般に、別の態様によれば、本発明は、井戸用の井戸遠隔測定システムを特徴とする。このシステムは、井戸のケーシングを囲むセメント内に設置された１つ以上のノード、およびケーシング内に定在波を確立することによってケーシングを介してＡＣ電力をノードに伝送する電源を備える。

動作中、電源は、ＡＣ電力の周波数を調整して、ノードへの電力伝送を可能にする。周波数は、ノードが定在波の波腹に位置するように調整される。通常、電源からのＡＣ電力の周波数は、ノードからのデータに応じてチューニングされる。

本発明の上記および他の特徴は、パーツの構成および組み合わせの様々な新規の詳細、ならびに他の利点を含め、ここで、添付の図面を参照してより詳細に説明され、特許請求の範囲で指摘される。本発明を具体化する特定の方法および装置は、本発明を限定するものとしてではなく、例示として示されることが理解されるであろう。本発明の原理および特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な多数の実施形態で使用され得る。

添付図面において、参照文字は、異なる図を通して同じパーツを指す。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、その代わりに、本発明の原理を説明することに重点が置かれている。

図１Ａは、採油リグの概略垂直断面図であり、地上石油プラットフォーム、ケーシングを有する井戸、ならびに周囲の外部セメントおよび地質構造を示している。この図では、ＡＣ電源回路が完成し、ケーシングとセメントを使用して電力がノードに供給される。 図１Ｂは、図１Ａに示す構成の代替実施形態を示す概略図である。ここでは、ケーシングと、セメントから離れた地質構造を使用して、ＡＣ回路が完成し、電力が供給される。 図１Ａに対応する図２Ａは、ＡＣユニットの電気接続および高電力ＡＣユニットからの電気的危険を防止するための絶縁の使用を示す井戸の垂直断面図である。 図１Ｂに対応する図２Ｂは、図２Ａに示される構成の代替実施形態の垂直断面図である。 図１Ａに対応する図３Ａは、セメント内に設置され、ケーシングおよび周囲のセメントへの接続を有するダウンホールノードの拡大断面図である。 図１Ｂに対応する図３Ｂは、構成の代替実施形態の拡大断面図である。 図４は、様々な値のＤＣ抵抗（１０～１０^４Ω・ｍ）について、シェル厚が２．５センチメートル（ｃｍ）で長さが３０メートル（ｍ）のケーシングの周波数の関数としてモデル化されたインピーダンスのプロットである。 図５は、垂直金属ロッドのインパルス抵抗（ディラックデルタ関数電圧入力に対する抵抗）データ対その長さのプロットである。Ｊｉｎｌｉａｎｇ Ｈｅら、「送電塔接地装置のインパルス特性の実験室調査」（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ、第１８巻、第３号、２００３年７月）を参照のこと。 図６Ａは、２つのレベル、すなわち、地表面と静電容量Ｃ_{ｃｏｕｐｌｉｎｇ}を有する第一のカップリングとの間に囲まれたケーシングおよび周囲の集中電気アナログを示す回路図である。 図６Ｂは、第二のノードおよび２つのケーシングカップリングを含むケーシングのセグメントの完全な電気回路アナログを示す回路図である。 図６Ｃは、１ボルト（Ｖ）ピーク振幅の入力電圧に対して、図６Ｂに示される回路の周波数および位相応答を示すプロットである。 図７は、１Ｖピーク振幅および周波数１０ｋＨｚの入力に対して図６Ｂの負荷抵抗器Ｒ９に送達される瞬間電力を示すプロットである。 図８は、ノードの電力抽出回路、制御ユニットおよびデータ送信ユニットを含むノードの電子部品の図である。 図９は、ＡＣ電源ユニットをチューニングし、遠隔測定ユニットと通信するシステムコントローラの機能を示すフロー図である。

ここで、本発明の例示的な実施形態が示されている添付図面を参照して、本発明を以下により詳細に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で実施することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が徹底的かつ完全であり、本発明の範囲を当業者に完全に伝えるように提供されている。

本明細書で使用される場合、「および／または」という用語は、関連する列挙されたアイテムの１つ以上の任意の全ての組み合わせを含む。さらに、単数形も、冠詞「一つの（ａ）」、「一つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」も、特に明記しない限り、複数形も含むことを意図している。さらに、本明細書で使用される場合、含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）、含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）、および／または備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）という用語は、記載された特徴、整数、ステップ、操作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素および／またはそれらのグループの存在または追加を除外しないことは理解される。さらに、構成要素またはサブシステムを含む要素が別の要素に接続または結合されていると言及および／または図示されている場合、他の要素または介在要素に直接接続または直接結合できることも理解される。

図１Ａは、井戸内のケーシングと、原油またはガスを抽出するための他の機器を示す炭化水素、例えば、石油およびガスの抽出リグとの垂直断面切断図の概略図である。この図は、カップリング２５－１－２と２５－２－３で対となって接続／ねじ切りされた鋼管製ケーシング２０、センサ位置、およびＡＣ電源ユニットを示す。ここで、この図の顕著な側面を、本発明に関連するパーツおよび特徴に重点を置いて説明する。

図中のケーシング２０は、上から数えて３つの鋼管またはケーシングセクション２５－１、２５－２および２５－３として示されている。それらは、２つのカップリング２５－１－２と２５－２－３で結合される。第一のカップリング２５－１－２は、最初の２つの鋼管２５－１と２５－２を結合する。第二のカップリング２５－２－３は、第二の鋼管２５－２と第三の鋼管２５－３を結合し、以下が続く。カップリングでは、ＤＣ接続がある場合もない場合もあり得るが、カップリングはコンデンサとして機能するので、ＡＣ電流の伝送が可能になる。

図に示されるように、地質構造５０の穴とケーシングとの間の隙間は、セメント５５で満たされている。セメント５５は、井戸の壁を円筒状に補強し、井戸ケーシング２０を囲む。通常、ノードはカップリング直下に位置するので、２５－１－２および２５－２－３は、ノード位置、すなわち、ノードの位置も示している。ノード６０－１および６０－２は、セメントで覆われ、図示の例では、カップリング２５－１－２および２５－２－３のすぐ下のケーシングに取り付けられている。ノード接地端子部分７０および７５については、図３Ａに関連して後で説明する。地表面１１０上のＡＣ電源ユニット１５１０は、電気接続１５を介してケーシングに接続される。その第二の電気接続は、セメントの導電性杭１０である。システムコントローラ７００は、その周波数を含むＡＣ電源ユニット１５１０を調整する役割を担う。また、コントローラ７００は、遠隔測定制御ユニット（ＴＣＵ）１００を介して得られたノード入力を分析する。最後に、完全を期すために、ドリルストリング３０およびドリルビット３５が図に示されている。井戸の底部は、油が豊富なオイルサンドの領域にあり、その油は井戸の上部まで汲み上げられる。

図１Ｂは、電源ユニット１５１０の第二の端子に接続する導電性杭１０の位置、およびノード端子部分７０および７５の構成を除いて、図１Ａと同一である。この図の導電性杭は、セメントの外側で、地質構造の中にある。後述するように、これには、ノード端子部分７０および７５の構成に対応する変更が必要となる。

図２Ａは、接続ワイヤ１５を介した地上ＡＣ電源ユニット１５１０のケーシング２０への接続を示す。そのもう一つは、図１Ａに対応するセメント５５に埋め込まれた接地導電性杭１０に接続されている。表面への電気的危険を最小限に抑え、周囲への漏れをなくして電力供給の効率を向上させるために、ケーシングは電気絶縁体９０でコーティングされている。絶縁体は、ケーシング２０をＡＣユニット１５に接続するために領域９５で剥がされる。ＡＣユニットからの接続（１５および１０）も絶縁体９０で絶縁される。絶縁材料９０は、プラスチック、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、エポキシベースの材料、ナイロンおよび／またはセラミック材料であり得る。

図１Ｂに対応する図２Ｂは、セメント５５から離れて地質構造５０に埋設された導電性杭１０の位置を除いて、図２Ａと同一である。

図３Ａは、一般的なノード６０およびその外部電極接続の拡大図である。この図は、図１Ａの右側に対応する。ノードハウジング／パッケージング６２の内部には、ノード回路６４（図８を参照）および他の感知用電子機器が入れられている。電極６５は、絶縁されていないセクションでケーシング２０に接続している。電極６５は、１５を介してＡＣ電源ユニット１５１０に電力接続している（図１Ａおよび図２Ａを参照）。ノード接地ワイヤ７０は、地金の先端７５を有し、図１Ａに示されるように、地表面１１０上のＡＣ電源ワイヤ１０への接続を提供するセメント５５に電気的に接続される。

図１Ａ、図２Ａ、および図３Ａは、ケーシングおよびケーシングを囲むセメントを使用して、ＡＣ電力がノードに供給されることを示す。したがって、ＡＣ回路は、ケーシングおよびセメントを使用して完成する。これは、セメントが導電性であること、または導電性になるようにドープされていることを前提とする。導電性を高めるための１つの可能なドーパントは、金属繊維または炭素であり、例えば、グラファイトである。

セメントの代わりに地質構造を使用してＡＣ回路を完成させることができるＡＣ電源ユニット接続の代替実施形態が可能である。したがって、ＡＣユニットは、ケーシングと地質構造を使用してノードに電力を供給する。これには、図１Ｂおよび図２Ｂに示すように、セメント５５から離れた地質構造５０に埋設された杭であるＡＣ電源ユニットの接地接続１０の代替構成が必要である。この回路を完成させるために、ノードの接地端子部分７０および７５は、図３Ｂに示すように構成されている。図３Ａとは対照的に、図３Ｂでは、ノード接地ワイヤの露出先端７５は、地質構造５０内にあり、セメント５５から離れている。しかしながら、接地ワイヤは、セメント内部で絶縁されたまま７０である。

電力供給のために地質構造５０の代わりにセメント５５を使用し、ＡＣユニットの回路を完成させることが好ましいこともあり得る。第一に、セメントは地質構造よりも導電性が高い（またはドーパントを添加することで高くし得る）。第二に、セメント内部に電極部分７５および７０を固定する方が、セメントを介して絶縁部分７０を押して地質構造の中で部分７５を露出させるよりも容易であり得る。

セメント５５を介して電力を送達するための図３Ａのさらに別の代替実施形態は、ノードの接地接続をセメントに晒すことによってセメントの導電性を直接使用して電力を伝送し、こうして、浮動接地ワイヤを完全に排除することである。

現在のアプローチは、推定された電気パラメータの入力による回路モデリングを使用して、ＡＣ電源の仕様と設定の開始値を決定する。インピーダンス、抵抗率、静電容量といったこれらのパラメータは、利用可能なデータおよび／または地下リグの物理的レイアウトとその電気的特性の電気的モデリングからの推定値である。システムコントローラ７００は、回路のモデリングから得られた値から始めて、電源仕様、周波数およびピーク電圧設定をチューニングする。

図４は、３つの異なるモデル、ＥＭＦ、ＴＬ、ＲＬＣを使用して、土壌のＤＣ抵抗率の様々な値、ｐ＝１０、１００、１０００、１０００Ω・ｍについて、インピーダンス対ＡＣ周波数（Ｈｚ）のプロットである。頭字語は、埋設導体モデルにおいて、ＲＬＣ＝抵抗器／インダクタ／コンデンサの等価回路、ＴＬ＝伝送ライン、およびＥＭＦ＝電磁有限要素解析を示す。この図は、直径２．５ｃｍの深さ３０ｍの導体の正規化されたインピーダンスを示す。

図４に表示される結果について、深く埋め込まれた垂直方向の導体の電気的挙動のモデルへの入力に関して不確実性がある。したがって、これらのモデル計算の結果から推測できるのは、大まかな近似の結論のみである。モデルはすべて、より高い周波数での埋設ロッドの入力インピーダンスが、通常、ロッドのＤＣ抵抗よりも高くなること、そして当然のことながら、抵抗率の高い土壌がより高い入力インピーダンスになることを予測している。この計算は、ＲＬＣモデル（この開示で使用）が、埋設垂直導体の他のより詳細なモデルと一致していることを示す。

土壌に埋設された垂直方向の導電性構造を特徴付けるインパルスインピーダンス測定がいくつか公開されているが、ダウンホールケーシングを表す深さではない。

図５は、最大６０ｍまでの様々な長さの垂直金属ロッドのインパルス抵抗の測定データを示している。図１Ａと図１Ｂに描かれている井戸のケーシングほど深くはないが（または直径が大きくないが）、図５の応答は、地中深くまで貫通する垂直導体の予想される入力特性を表している。鋼が土壌に埋設されてセメントに囲まれると、地面へのＤＣ抵抗接続（以下の図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃに示されている等価回路で、抵抗の逆数である高い値のコンダクタンスＧ’）が比較的低くなることは十分に確立されているが、そのような構造のＶＬＦ（超長波）およびＬＦ（長波）応答についてはあまり知られていない。

図６Ａは、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、地表面１１０とカップリング２５－１－２の２つのレベルの間に囲まれたケーシングおよび周囲の集中電気アナログである。このモデルは、コンデンサＣ_{Ｃｏｕｐｌｉｎｇ}と結合した損失の多い伝送ラインに対するものである。各集中要素の値は、単位長さΔｚごとに表される。すなわち、Ｌ’は（ケーシング）１ｍあたりのインダクタンスの単位、Ｃ’は１ｍあたりの静電容量の単位、Ｇ’は１ｍあたりのコンダクタンスの単位、Ｒ’は１ｍあたりの抵抗の単位である。カップリング容量Ｃ_{ｃｏｕｐｌｉｎｇ}は、カップリング近くのケーシングとセメント間の静電容量を表し、単位距離あたりの値ではない。ケーシング伝送ラインの散逸損失は、単位長さあたりの抵抗Ｒ’によって特定される。セメントを通る周囲の地質構造への静電容量と電流の漏れ経路は、それぞれＣ’とＧ’で表される。

図６Ｂは、地表面１１０から第二のノード２５－２－３までのセグメントを含むが、この第二のノード２５－２－３を含まず、垂直に埋設された結合ケーシングセクションの完全集中電気回路アナログであり、図１Ａおよび図１Ｂのセグメントを表す。１Ｖのピーク電力に正規化された電源ユニット１５１０は、Ｖ１によって表される。これには最初の２つのケーシングセクションが含まれ、そのそれぞれのケーシング長は５００ｍが採用され、ケーシングの全長は約１ｋｍとなる。この図の完全な回路には、図６Ａに示すいくつかの集中回路要素が含まれる。Ｃ３は、カップリング２５－１－２のカップリング容量を示す。インダクタンスＬ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝Ｌ４および抵抗Ｒ１＝Ｒ３＝Ｒ５＝Ｒ７の値は、鋼製ケーシングシリンダの計算された区分的なインダクタンスおよび抵抗（区分的長さ＝２５０ｍ）から推定される。同様に、静電容量Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４および抵抗Ｒ２＝Ｒ４＝Ｒ６＝Ｒ８は、区分的な静電容量および接地ＤＣ抵抗の推定値である。抵抗器Ｒ９の値は、電力が供給されるケーシングに沿ったポイントで得られる局所的接地抵抗の約２倍を表す。すなわち、このモデル要素に供給される電力の半分は、カップリング２５－２－３の近くにあるセンシングノードまたは送受信ノードに供給できる電力である。残りの半分の電力は、およそ、セメントとケーシングを囲む地質構造で消散される。インダクタンス、静電容量、および抵抗の組み合わせの値は、Ｖ１でのＡＣ入力インピーダンスについて知られているものと一致する。すなわち、図６Ｂに示す回路モデルの入力インピーダンスは、１００Ω・ｍの土壌抵抗率に対して図４にプロットしたものと同様に、正規化された入力インピーダンスの周波数依存性│Ｚ（ｊω）│／Ｒになる。この図４との比較により、図４の結果の関連性が確立され、重要なことに、図６Ｂで具体化されたモデルが検証される。

次の図である図６Ｃは、Ｖ１で印加される１Ｖピークについて、図６Ｂで「電力」とラベル付けされたノードにおける周波数の関数としての振幅および位相角を示す。図から明らかなように、ノードに供給される最大電力は１０ｋＨｚ付近の周波数で発生する。このように実行された回路シミュレーションは、このノードに配置されたセンサの場合、１０ｋＨｚのＡＣ回路から十分な電力が得られることを示す。

図７は、Ｖ１に印加される１Ｖピーク入力振幅１０ｋＨｚの信号に対して、負荷抵抗器Ｒ９＝５００Ωに供給される瞬時電力を示す。この図の計算は、地下ノード（深さ１ｋｍ）で指定された電力を供給するにあたって、図１Ａおよび図１Ｂに示すＡＣ電源ユニット１５１０の地表面１１０に必要な入力電圧（または入力電力）を決定するために使用できる。１０ｋＨｚで１Ｖピークソースから供給されるＲＭＳ電力は、３．７２μＷである。したがって、例として、ノードのバッテリまたはコンデンサに５００μＷを供給するためにトリクル充電が使用されている場合、表面のピークソース電圧は約１６．４Ｖになる。これらの条件下において、ソースは、表面入力に約０．６７Ｗを供給して、ノードで５００μＷを提供する。

異なる電気パラメータを有する井戸では、これらの数値は異なることに留意することが重要である。これらの数値は、典型的なＲＬＣ値を有する典型的な井戸を例示する目的で引用されている。

深く埋設されたノードへの電力供給の効率は低いが、（地下の）低電力ノード電子機器の間欠動作には比較的低い充電電力で十分であり得る。より多くの電力が必要な場合、ピークソース電圧を上げることができる。さらに、表面の単一ソースは、複数のノードに電力を供給し得る。

ケーシングおよび周囲をモデル化するために図６Ｂに具現化された回路は、特定のチューニングされた周波数で共振を達成するために使用できるＲＬＣ回路のタイプ（Ｌ＝インダクタンス、Ｃ＝静電容量）である。この場合は約１０ｋＨｚと思われる適切な周波数で、共振ＡＣソースは、ケーシングの特定の等距離位置に電力の定在波パターンを作成する。ただし、セメントおよび地質構造を含むケーシングセクションが、同様のインピーダンス値、抵抗値および静電容量値を有する場合に限る。共振電力供給設計システムを特徴とする本実施形態では、ＡＣ電力の定在波がノードの位置で相対的に最大になるように、ＡＣ電源ユニットがチューニングされる。一般に、本システムの長所は、定在波を修正して特定のノードに到達し得ることである。一例では、地上局は、異なるノードへの異なる時刻の電力供給動作をスケジュールする。例えば、１時間で周波数／定在波が選択されてノードの１つのグループに電力が供給され、次いで、周波数が変更されて、次の１時間のために、ノードの別のグループに電力が供給される。

一般に、ノードはケーシングに沿った任意の位置に配置し得る。定在波の最大値が遠隔測定信号の必要とするノードと一致するように、電力供給システムの電気パラメータ、すなわち、周波数および電力をチューニングできる。常にすべてのノードを同時に監視する必要はない。例えば、井戸が深くなるにつれて、表面に近い特定のノードからの測定が不要になり得る。したがって、電力供給システムは、より深いノードへの電力供給に集中できる。同様に、一日において、井戸の日々の運用中の異なる時間に異なるノードに電力供給をスケジュールすることもできる。

図８は、ノード６０の実施形態を示す。ノードハウジング６２は、図３Ａおよび図３Ｂに示される内部ノード回路６４を、その構成要素、すなわち、同調フィルタ５０５、ブリッジ５１０、調整電源５１５、ノード制御ユニット６００、およびデータ送信ユニット６７とともに保護する。ハウジング６２内に収容された各構成要素について以下に説明する。

順番に作用する電力抽出回路の構成要素は、同調フィルタ５０５、ブリッジ５１０、および調整電源５１５である。

電力抽出回路の同調フィルタ５０５への入力電力は、ＡＣ電源ユニット１５１０の電極１５を介してケーシングと直接接触しているノードのケーシング電極６５から来る。例では、ケーシングへの接続は、電気的に絶縁された「ボタン」を備えたガラス対金属シールを使用して行われる。

ＡＣ回路を完成させるために、ノードの第二の電極７５は、地質構造５０またはセメント５５を介してＡＣ電源ユニット（１５１０）の接地杭１０に接続される（図３Ａおよび図３Ｂ）。同調フィルタ５０５の回路図では、文字「Ｃ」、「Ｌ」、「Ｔ」、および「Ｄ」は、その後に数字が続いているが、それぞれコンデンサ、インダクタ、変圧器、およびダイオード素子を示す。同調フィルタ５０５は、コア５０６を取り巻く巻線Ｔ１およびＴ２を有するチューニング可能な変圧器Ｔを含む。チューニング可能な変圧器Ｔは、ＡＣユニットからの電圧をノードに適切な値まで低下させる。また、同調フィルタ回路の共振をチューニングして、ＡＣ電源ユニット１５１０によって供給されるＡＣ電力の周波数に一致させる。

コンデンサＣ１、Ｃ２およびＣ３、およびインダクタＬ１は、ローパスフィルタとして機能して、ブリッジ回路５１０への高周波ＡＣ成分の通過を拒否するように構成されている。接地接続Ｇ２により、過剰なＡＣ電流が地面に流すことができる。ツェナーダイオード５２０は、同調フィルタ５０５を通過する電圧を制御する。こうして、ダイオード５２０はサージ保護装置として機能する。

電力抽出回路の中央にあるブリッジ５１０は、ＡＣ出力をＤＣ電圧に変換する。全波整流器であるブリッジ回路５１０のダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３およびＤ４は、ＤＣ成分を「＋」ラインに分流する。

調整電源回路５１５は、インダクタＬ２を使用して高周波成分をさらに除去し、電圧と電流を調整する。ダイオードＤ５およびコンデンサＣ４は、変換器５５０へのＤＣ電流の直接的な流れを、また場合によってはノード制御ユニット６００およびデータ送信ユニット６７へのＤＣ電流の直接的な流れを保証する。最終的に、レギュレータ５９０は、変換器５５０の電圧レベルを制御するように作用する。

変換器５５０は、その電子機器に直接電力供給をするため、および／またはノード電子機器に電力を供給するバッテリを充電するためにＤＣ電圧を必要とする。電力抽出回路６４からのＤＣ電力の出力は、「＋」および「－」の符号で示される固定極性のものである。

典型的にはマイクロコントローラであるノード制御ユニット６００は、同調フィルタ５０５内のチューニング可能な変圧器Ｔを調整する。ノード制御ユニットは、変換器５５０を読み取り、変換器からデータ送信ユニット６７への情報も読み取る。送信ユニットは、変換器情報を遠隔測定データとして符号化し、遠隔測定データをＴＣＵ１００に送信する。

図９は、制御システム７００の動作を示すフロー図である。

一般に、制御システム７００は、ＡＣ電源ユニット１５１０を最適な周波数および電力（ピーク電圧）で動作するようにチューニングし、その結果、すべてのノードがデータを感知し、遠隔測定制御（ＴＣＵ）１００に送信するのに十分な電力を有するようになる。

周波数は、電圧と周波数の２つのパラメータのうちで、決定するのが最も困難である。最適な周波数は、ケーシング２０に定在波を生成する。周波数は、最大出力（波腹）の位置がケーシングに沿った様々なノード６０－１、６０－２の位置にほぼ位置するように選択される。電圧の決定は、ＡＣユニットの電力をスケーリングする単純な問題である。最も遠い（最も深い位置の）ノード６０に必要とされる電力を供給する値にスケーリングしなければならない。ノードはすべて定在波の相対的な最大値（波腹）に位置しても、ケーシングの最も深い部分に位置するノードは、次第に電力が減少する。したがって、すべてのノード６０に十分な電力を確保するために、ＡＣ電力（ピーク電圧）を最大深くに位置するノードの要件に合わせてスケーリングする必要がある。

図９では、ステップ７４０で、システムコントローラ７００は、ＡＣ電源ユニット１５１０の周波数および電圧を決定する。最良のＡＣ周波数の初期推定は、図６Ｂと同様の回路の分析により、その値を決定するステップ７２５で提供される。ピーク電圧の初期推定は、ステップ７３０（図７と同様）の電力出力と、センサノードの電力要件の事前知識を分析することで決定される。シミュレーション回路を実行するためのパラメータは、それぞれステップ７１０（図６Ｂと同様の回路の抵抗、インダクタンス、およびカップリング容量などの電気パラメータ）、ステップ７１５（回路６Ｂの方程式を解く）、およびステップ７２０（インピーダンスのより正確な推定値、および抵抗）で提供される。

シミュレーションに基づき、ステップ７２５およびステップ７３０から得られる周波数および電圧値の推測は、ノード６０における実世界の電力要件の理想的なパラメータではない可能性が高い。電源ユニット１５１０の電力および電圧の仕様が適切であるか否か、すなわち、周波数とピーク電圧がノードに十分な電力を備えた共振ＬＣ回路を生成するか否かは、ステップ７５０でＴＣＵ１００から適切な応答を受け取った後に、制御ユニット７００によって決定される。ＴＣＥ１００は、ケーシング２０に沿った様々なノード６０－１、６０－２によって送信された遠隔測定データに基づいて応答する。

ステップ７６０において、制御ユニットは、ＡＣ電源仕様が正しいか否かを、ＴＣＵ１００からの応答が「ＹＥＳ」であるか、または「ＮＯ」であるかに基づいて決定する。応答が「ＹＥＳ」の場合、これはノードが適切に機能していることを示し、遠隔測定データの取得は通常どおり続行できる。他方、ステップ７６０での決定が「ＮＯ」であり、ノードへの電力供給が不適であることを示す場合、ステップ７４０では、増分的に変更された周波数および電圧の仕様の新しいペアを繰り返す。このように、ＡＣ電源ユニットのチューニングは、主にＴＣＵ１００からの応答に基づいた反復プロセスである。

７４０における周波数および電力の反復は、ＴＣＵ１００からの「ＹＥＳ」または「Ｎｏ」の信号に依存する。ノードの一部または全部からの信号がない（「ＹＥＳ」も「Ｎｏ」もない）場合、おそらくノードのバッテリが完全に放電したこと、および／またはノードの電極接続が定在波の節点に位置するという事実を指す。ノードがＴＣＵ１００と通信できるようになるまで、周波数と電力のパラメータは、ソフトウェアを使用して自動化できる「探索・待機（ｈｕｎｔ ａｎｄ ｗａｉｔ）」方式で決定しなければならない。「探索」部分は、ノードに電力を供給するための電源仕様（周波数およびピーク電圧）の選択を記述するもので、「待機」部分は、ノードがＴＣＵ１００との通信を開始するのを待機することを意味する。妥当な時間が経過しても、ノードが依然として通信していない場合、ＡＣユニットで別の周波数と電力を試す必要がある。

この方法が必要なのは、ノードのバッテリが完全に使い果たされ、バッテリが完全に充電されるまでそれらの電気回路を作動させることができない場合である。通常、携帯電話およびコンピュータなどのほとんどのデバイスでは、アクティブな電源により電子機器が作動し、同時にバッテリが充電される。したがって、バッテリが充電されるのを「待機」する必要はないこともあり得る。

ＡＣ電源ユニットパラメータの反復チューニングの「探索・待機」の性質について説明したが、ＡＣ電源ユニットの初期パラメータを決定するための本発明に記載のシミュレーション方法は、パラメータ値の良好な出発点でなければならないこと、またこれらのパラメータが「探索・待機」の方法を克服できない問題としてはならないことに留意すべきである。

本発明は、その好ましい実施形態を参照して特に図示され説明されたが、添付の請求項に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態および詳細の様々な変更がなされ得ることを当業者は理解するであろう。

Claims (21)

1. 井戸用のダウンホールノードであって、
   前記井戸のケーシングを囲むセメント内に設置されたノードハウジングと、
   前記ノードハウジングから前記ケーシングまで延びる電源電極と、
   前記ノードハウジングから前記セメントおよび／または周囲の地質構造まで延びる接地電極を備え、
   前記ダウンホールノードは、前記ケーシング内に定在波を確立することによって前記ケーシングを介してＡＣ電力を伝送する電源により給電され、前記電源は、前記ＡＣ電力の周波数を調整することで、前記ダウンホールノードが前記定在波の波腹に位置することを保証する、ダウンホールノード。
2. 前記ダウンホールノードは、前記電源電極を介して電力を受け取り、前記接地電極を介して接地される同調フィルタを含むノード回路を備える、請求項１に記載のダウンホールノード。
3. 前記ダウンホールノードは、前記ケーシングを介して伝送される電力を整流するためのブリッジ回路を含むノード回路を備える、請求項１に記載のダウンホールノード。
4. 前記ダウンホールノードは、前記ケーシングを介して伝送される前記電力を調整するための調整電源を含むノード回路を備える、請求項１に記載のダウンホールノード。
5. 前記ダウンホールノードは、前記ノードを過電圧から保護するために、前記電源電極と前記接地電極との間に接続されたツェナーダイオードを含むノード回路を備える、請求項１に記載のダウンホールノード。
6. 前記ケーシングを覆う絶縁カバーをさらに備える、請求項１に記載のダウンホールノード。
7. 前記絶縁カバーがプラスチックの層である、請求項１に記載のダウンホールノード。
8. 前記絶縁カバーがペイント層である、請求項７に記載のダウンホールノード。
9. 前記電源電極がガラス対金属シールで保護された前記ケーシングに接続されている、請求項１に記載のダウンホールノード。
10. 井戸用の井戸遠隔測定システムであって、
    前記井戸のケーシングを囲むセメント内に設置された１つ以上のノードと、
    前記ケーシング内に定在波を確立することにより、前記ケーシングを介して前記ノードにＡＣ電力を伝送するための電源を備え、
    前記電源は、前記ＡＣ電力の周波数を調整して、前記ノードが前記定在波の波腹に位置することを保証する、井戸遠隔測定システム。
11. 前記電源は、前記ＡＣ電力の周波数を調整して、前記ノードへの電力伝送を可能にする、請求項１０に記載の井戸遠隔測定システム。
12. 前記電源からの前記ＡＣ電力の周波数は、前記ノードからのデータに応じてチューニングされる、請求項１０に記載の井戸遠隔測定システム。
13. 前記ケーシングを覆う絶縁カバーをさらに備える、請求項１０に記載の井戸遠隔測定システム。
14. 前記絶縁カバーがプラスチックの層である、請求項１３に記載の井戸遠隔測定システム。
15. 前記絶縁カバーがペイント層である、請求項１３に記載の井戸遠隔測定システム。
16. 前記ノードのそれぞれが、
    セメント内に設置されたノードハウジングと、
    前記ノードハウジングから前記ケーシングまで延びる電源電極と、
    前記ノードハウジングから前記セメントおよび／または周囲の地質構造まで延びる接地電極を備える、請求項１０に記載の井戸遠隔測定システム。
17. 前記ノードは、それぞれが前記電源電極を介して電力を受け取り、前記接地電極を介して接地される同調フィルタを含むノード回路を備える、請求項１６に記載の井戸遠隔測定システム。
18. 前記ノードは、それぞれが前記ケーシングを介して伝送される電力を整流するためのブリッジ回路を含むノード回路を備える、請求項１６に記載の井戸遠隔測定システム。
19. 前記ノードは、前記ケーシングを介して伝送される前記電力を調整するための調整電源を含むノード回路を備える、請求項１６に記載の井戸遠隔測定システム。
20. 前記ケーシングを覆う絶縁カバーをさらに備える、請求項１０に記載の井戸遠隔測定システム。
21. 前記絶縁カバーは、プラスチックの層またはペイント層である、請求項２０に記載の井戸遠隔測定システム。

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