NO326643B1 - Kraftforsyningssystem for nedihullsnettverk. - Google Patents

Abstract

Et elektrisk system spesielt for måling og kontroll i en olje/gassbrønn som bruker overføring av elektriske signaler og forsyning av elektrisk kraft. Systemet er tilveiebrakt med en strømsløyfe (5, 6) sorn har en hovedsakelig konstant strøm i en strømsløyfe og et antall nedihulls nettverksnoder (IN) som er koblet til systemet.

Description

OPPFINNELSENS TEKNISKE OMRÅDE

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører generelt overvåking og kontroll av nedihulls instrumenteringssystemer for bruk i aktiviteter relatert til olje og gass.

Mer spesifikt vedrører oppfinnelsen et elektrisk kraftforsyningsnettverk som leverer kraft til nedihullsinstrumentering og kontrollmoduler, og eventuelt et kommunikasjonsnettverk for å tilveiebringe kommunikasjon mellom slik nedihullsinstrumentering og kontrollmoduler, og mellom hver modul og en felles nettverkskontrollenhet.

OPPFINNELSENS BAKGRUNN

I undergrunnsbrønner er det en økende etterspørsel etter overvåking og kontroll av nedihullsanordninger og systemer, for eksempel sensorer og instrumentering, eller kontrollanordninger. Det er en trend mot å forsøke å bringe slik instrumentering nærmere og nærmere de faktiske områdene med hydrokarbonreservoar og mot utvinningsteknikker for multibrønn for å muliggjøre utvinning av en høyere fraksjon av hydrokarbonressursene som er tilgjengelige i slike reservoarer. Samtidig er det ønskelig å fordele instrumenterings- og måleanordninger i et større antall lokaliseringer for å være i stand til å måle og vurdere ytelsen til brønnproduksjonen ved flere målepunkter. Et hovedformål med slike målinger er å være i stand til å oppnå så nøyaktige målinger som mulig av reservoartrykket og temperaturen, og et sekundært formål er å være i stand til å lokalisere mulig problemer i et tidlig stadium.

Derfor er det nødvendig å være i stand til å tilveiebringe systemer som er i stand til å operere under de relevante forhold og som gir en operatør forbedrede data om forholdene og ytelsen til avsluttede brønner.

Som et eksempel på den nyeste teknikken beskriver US-patentet nr.6369781 Bl av Mathieu et oljebrønnovervåkings- og kommunikasjonsnettverk for kontrollsystem der en tvunnet parkabel er brukt til å koble brannrelaterte lokaliseringer. Et bussgrensesnitt ved en bussleder og hver node er i stand til å støtte differensial- og fellesmoduskobling mellom busslederen og hver node, og mellom nodene selv. Grensesnittet tilveiebringer høy parallellimpedans for differensialmoduskoblinger og lavserieimpedans for fellesmoduskoblinger. Bussgrensesnittet innbefatter en kabel som har et armert, elektrisk ledende skall, der det armerte skallet kan bli brukt som den fellesmodus elektriske returbanen.

Ved å prøve å utvide løsningen beskrevet i oppfinnelsen beskrevet i US '718 til et større antall noder, større dybder og lengre strekninger av signal/kraftkabler, kan den uønskede effekten av økt spenning og krafttap i kabelen bli en begrensende faktor for systemoperasjon. Ved å koble flere noder ved lokaliseringer i avstand fra busslederen, resulterer det økende totale strømkravet i et økende korresponderende spenningsfall nedover linjens lengde. Derfor vil forsyningslinjespenningen ved hver node varierer avhengig av faktisk lokalisering langs forsyningslinjen. Med mindre nodeimpedansene er laget svært høye kan input kraftkravene og krafteffektiviteten av et slikt system også bli en begrensende faktor. Dersom, til den utstrekning det er mulig, krafteffektiviteten er forbedret ved å øke nodeimpedansen vil den resulterende signallinjen med høy impedans ha en tendens til å være følsom for støy, generert internt ved å fordele kraftkrav i nodene selv, så vel som støy fra eksterne kilder.

Krav til økende effektivitet i å utvinne hydrokarbonressursene danner et korresponderende krav for å oppnå detaljert informasjon om forholdene i en brønn, et krav som kan bli møtt ved å levere mer sofistikert måle- og kontrollteknologi til bruk i slike brønner.

IUS6958704 beskrives et system for å overføre kraft fra en overflate-strømkilde til en nedihullstrømsløyfe med et antall seriekoblede forgreiningspunkter i en petroleumsbrønn, der tilført spenning reguleres med hensyn til behovet ved hvert forgreningspunkt. Systemet mangler imidlertid muligehten for individuell tilpasning av impedansen i en eller flere noder og dermed effektivisere kraftforsyningen i systemet.

Det er derfor et første formål for den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe en løsning for å levere elektrisk kraft til nedihullsinstrumentering via et nettverk koblet til en nettverkskontrollermodul. Systemet tilveiebringer økt krafteffektivitet i systemet ved å minimere den påførte strømmen, og tilveiebringer forbedret kommunikasjonssignalimmunitet ved å ikke la nodestrømvariasjoner påvirke kabelspenningen og strømforholdene men ved å regulere nodens impedans aktivt.

Et andre formål for den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe et kraftforsyningssystem for eksterne nedihulls instrumenteringssystemer som har lav følsomhet for variasjoner i nodekraftforbruket.

Et tredje formål for oppfinnelsen er å tilveiebringe et nettverk som har høy pålitelighet i å levere kraft og kommunikasjon mellom nedihullsinstrumentering og kontrollmoduler og en nettverkskontrollmodul ved å redusere behovet for komponenter som har lav pålitelighet (spesielt ved høye temperaturer), slik som store kondensatorer og induktorer.

Enda et formål er å tilveiebringe et nettverk som tillater kommunikasjon med nodene i nettverket samtidig som å minimere de resulterende forstyrrelsene i kraftforsyningen.

OPPFINNELSEN

I henhold til oppfinnelsen er de ovenfor framsatte formålene oppnådd ved å tilveiebringe et elektrisk nettverk for nedihulls kraftforsyning som forbedrer mulighetene for måling og kontroll for en olje/gass-brønn ved å bruke overføring av elektriske signaler. Nettverket er ordnet som en strømsløyfe med en og bare en topside nettverkskontroller og en eller flere nedihullsnoder. Flertallet av nedihullsnoder er koblet i serie slik at den samme strømmen løper gjennom alle noder. Strømmen som løper gjennom sløyfen er justerbar mellom 50 og 200 mA, og dens eksakte verdi er bestemt av brukeren og matet inn i topside nettverkskontrolleren som en inputparameter. Med nettverksstrømmen satt, vil topside nettverkskontrolleren regulere for å holde sløyfestrømmen på et konstant nivå uavhengig av sløyfeimpedansen. Derfor vil outputspenningen av topside nettverkskontrolleren tilpasses seg automatisk til nivået nødvendig for å vedlikeholde den forhåndssatte sløyfestrømmen.

Hvert av flertallet nedihullsnoder vil akseptere hvilken som helst sløyfestrøm i det valgte området, f.eks. det ovenfor nevnte området, og regulere dens spenningsfall over terminalene til det som minimum er påkrevd for å vedlikeholde den krevde nodefunksjonaliteten. For grunnleggende funksjonalitet, i henhold til en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, er minimumspenningen 9,0 Volt. For utvidet funksjonalitet kan spenningen være høyere. Øyeblikkelig etter at strømmen er slått på vil hver nedihullsnode være i en basis funksjonalitetsmodus med spenningsfall ved nodeterminal lik 9,0 Volt. Utvidet funksjonalitet må alltid bli valgt ved hjelp av en brukerkommando.

Derfor vil outputspenningen av topside nettverkskontrolleren automatisk bli regulert til summen av terminalspenningsfallene over flertallet av nedihullsnoder og spenningsfallet på grunn av resistive tap i nedihulls nettverkskabelen. Strømmen som flyter gjennom en node vil forsyne alle interne forbrukere i noden med den nødvendige mengden strøm. Dersom nodestrømmen er satt til en større verdi enn det som er nødvendig for å forsyne alle forbrukere i en node er overskuddsstrømmen forbikoblet til den neste noden. Denne forbikoblede strømmen (multiplisert med terminalspenningsfallet) vil være en uønsket kraft konvertert i noden og vil dissipere varme. Imidlertid, siden nettverkssløyfestrømmen kan bli satt i topside nettverkskontrolleren kan den bli optimalisert slik at behovet for å forbikoble overskuddsstrømmen er liten.

Nedihullsnettverket i den foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen vil fysisk bestå av en tolederkabel med en jordet kappe. De to lederne er ordnet som et tvunnet par der alle noder er koblet i serie langs en leder og returbanen fra noden lengst ned er i den andre lederen, på denne måten redusere sannsynligheten for støy som forstyrrer nettverksoperasjonen siden ikke noen enkel induksjonssløyfe for stort område vil være i stand til å generere støyspenninger på grunn av fluktuasjoner eller støy i elektromagnetiske felt.

Ved kommunikasjon med nodene vil både kraft og signal fortrinnsvis bli sendt langs den samme tolederkabelen. Kraften er levert at topside nettverkskontrolleren og er sendt som en konstant strøm til nedihullsnodene. Signalet vil bli sendt som en liten firkantpulsstrømvariasjon overlagret på den allerede flytende strømmen. Topside nettverkskontrolleren vil sende og motta signaler til/fra hver av nedihullsnodene mens hver av nedihullsnodene vil motta signaler fra og sende signaler til topside nettverkskontrolleren (halv dupleks).

På innsiden av nedihullsnodene kan signalstrømmen bli ekstrahert fra den konstante sløyfestrømmen uten noe bruk av transformator eller LC-filtrering.

I en foretrukket utførelsesform av nettverket i henhold til oppfinnelsen inkluderer hver av de minst en nettverksnodene en Zener-barriereinnretning koblet mellom dens inputterminaler for å tilveiebringe en ledende bane i parallell med noden i tilfelle nodefeil. En Zener-barriereinnretning virker effektivt som en shunt-innretning ved spenninger over Zener-sperringen, og er på denne måten i stand til å tilveiebringe en ledende parallell bane så fort Zener-spenningen til dioden er nådd i tilfellet der strømsløyfen er brutt i den relevante noden.

I enda en foretrukket utførelsesform av nettverket i henhold til oppfinnelsen er strømsløyfen galvanisk isolert fra hovedkroppen til brønnrøret. Å holde strømsløyfen galvanisk isolert tilveiebringer forbedret sikkerhet for kontroll- og instrumenteirngsenhetene koblet til nettverket siden feilstrømmer som oppstår i annet utstyr ikke enkelt lekker inn i nettverkssystemet så lenge den galvaniske isoleringen er effektiv.

I enda en fortsatt foretrukket utførelsesform av nettverket i henhold til oppfinnelsen er hver av de minst en nettverksnodene delvis realisert i SOI-teknologi (Silicon-On-Insulator). SOI-teknologi er i stand til å operere ved høye temperaturer, som ofte treffes på i nedihullsmiljø. Noder realisert på SOI-teknologi muliggjør operasjon opp til temperaturer på 200°C, muligens også i området 200 - 300°C.

I enda en ytterligere fortsatt foretrukket utførelsesform av et nettverk i henhold til oppfinnelsen er minst en nedihulls nettverksnode tilpasset til å tilveiebringe en kraftforsyning til minst en ekstern nedihullsmodul. En av spenningsregulatorene i noden selv kan bli brukt til å tilveiebringe kraft til minst en ekstern nedihullsmodul. På den måten trekker den eksterne nedihullsmodulen kraft fra nettverket, og har ikke sin egen interne kraftkilde. Dette hjelper til med å redusere størrelsen, vekten og kompleksiteten til nedihullsmodulen i seg selv.

Fortsatt ytterligere foretrukket, i et nettverk i henhold til oppfinnelsen, minst en av topside nettverksnodene, f.eks. topside nettverkskontrolleren er IWIS-kompatibel i betydningen fysisk størrelse, kraftforbruk og lavnivå kommunikasjon (IWIS = Intelligent Well Instrumentation Standardization). Siden IWIS er i utvikling som et standard grensesnitt for bruk med brønninstrumentering er det fordelaktig å tilveiebringe minst en nettverksnode med det nødvendige IWIS-kompatible grensesnittet. Ved å inkorporere IWIS i toppsidenoden kan hele nettverket vurderes som IWIS-kompatibelt. Nedihullsnodene i nettverket må ikke være IWIS-kompatible.

Refererer til de vedlagte tabellene I og II der vi ser at med et seriekoblet system i henhold til oppfinnelsen, eksemplifisert i tabell II, er kabelspenningsfallet/krafttapet og krafteffektiviteten uavhengig av antallet noder. De eneste tingene som endres er kraften og spenningen matet inn i systemet.

I et parallellkoblet system eksemplifisert i tabell I, ser vi i motsetning at hvis ikke Node DC inputimpedans er økt dramatisk vil det høye kablekrafttapet og den lave krafteffektiviteten bli veldig urimelig. En svært høy inputimpedans er også svært uønsket i et undervannssystem siden høyimpedansssytemer er svært følsomme for induserte spenninger (dvs. de er svært bråkete).

Den økte effektiviteten og redusert tap i løsningen i henholdt il oppfinnelsen, som er illustrert i tabell II, er spesielt viktig i forhold til bruken av IWIS-standarden med dens tilknyttede kraftbegrensninger.

KORT BESKRIVELSE AV FIGURENE

FIG. 1 illustrerer en typisk applikasjon for olje/gass-brønn i hvilken

nettverket i henhold til oppfinnelsen er brukt.

FIG. 2 viser en skjematisk illustrasjon av en strømsløyfe av et nettverk i

henhold til oppfinnelsen.

FIG. 3 er en funksjonsblokkskjematikk av et eksempel på utførelsesform

av en node i det elektriske nettverket i henhold til oppfinnelsen.

FIG. 4 illustrerer i mer detalj hardwaremodulene i et eksempel på

utførelsesform av en node i henhold til oppfinnelsen.

FIG. 5A - B illustrere skjematisk to typer koblingsblokker (henholdsvis H-blokk og Y-blokk) brukt til å koble noder til lederne av hovedsløyfen i nettverket i henhold til oppfinnelsen. FIG. 6 er en detaljert skjematikk av et eksempel på en nettverkskontroller vanligvis ordnet i en ende av nettverkssløyfen av det elektriske nettverket i henhold til oppfinnelsen.

Egenskapene og fordelene med den foreliggende oppfinnelsen vil bli tydelig for en fagmann på området i lys av den følgende detaljerte beskrivelsen av oppfinnelsen med referanse til de vedlagte figurene.

DETALJERT BESKRIVELSE AV EN FORETRUKKET UTFØRELSESFORM

Refererer nå til FIG. 2. Det er vist en typisk konfigurasjon for nettverkssløyfe i henhold til oppfinnelsen, i dette tilfellet illustrert som å ha 32 noder. En kabel 4 kobler et antall noder 11, 12,13... 131,132 til en kontroller for nedihullsnettverk (DHNV) (downhole network controller) 2. Minst en av nodene 11,12,13...131,132 er ordnet som en nedihullsenhet ved en nedihullslokalisering for å muliggjøre samling av nedihullsbrønn- eller reservoarinformasjon fra et nedihullsinstrument eller sensor, eller å koble inn sending av informasjon, f.eks. kommandoer, til et nedihullsinstrument eller kontrollmodul. Nettverkskontrolleren (DHNC) vil typisk være en del av eller koblet til et kontrollsystem (DCS) 3. Kontrollsystemet typisk innbefatter en toppside kontrollenhet eller et vertsfasilitets prosesskontrollsystem. Nettverkskontrolleren 2 er typisk lokalisert i en ende av en signal/kommunikasjonskabel 4, og vil i mange situasjoner være lokalisert på en overflateinstallasjon, vanligvis stativmontert. Kontrollsystemet kan i en utførelsesform være realisert som et distribuert kontrollsystem, for eksempel ved å ordne nettverkskontrolleren 2 som en del av en undervannsapplikasjon eller installasjon 100 tilpasset for å koble en overflateplattform eller fartøy 200 til en brønn 400, som illustrert i FIG. 1.

FIG. 2 illustrerer hvordan noder 11, ..., 132 er koblet på seriemåte langs en første leder 6 i en hovedsakelig toledersløyfe 5,6. Begge lederne av strømsløyfen er ordnet i en kabel 4. I en utførelsesform av nettverket i henhold til oppfinnelsen kan lederne 5,6 bli ordnet som et tvunnet par i kabelen 4.

Nettverkskontrolleren 2 er utformet som en konstant strømkilde for sløyfen som bruker kretsteknikker ellers kjent for en fagmann på området. FIG. 3 illustrerer noen av de viktigste funksjonsmodulene i en typisk nettverksnode i et nettverk i henhold til oppfinnelsen. Nettverksnoden innbefatter en nodespenning og shunt-strømregulator (VNode og IShunt regulator 40) og en eller flere spenningsregulatorer 30, 31, 32 som, med sine respektive laster, er koblet i parallell, og drevet av VNode og IShunt regulatoren 40. VNode og IShunt regulatoren 40 har to hovedformål: Den regulerer DC-inputimpedansen til noden slik at spenningsfallet over noden er regulert til det som minimum kreves for å oppnå funksjonaliteten valg av brukeren, og den tjener som en spenningskilde for inputspenning til de interne regulatorene 30, 31 og 32. Parallellarrangementet til VNode og IShunt regulator 40 og de en eller flere spenningsregulatorene 30, 31, 32 som illustrert i fig. 3 er koblet på seriemåte langs lederen 6 til nettverkets strømsløyfe, som vist i FIG. 2. Derfor kan spenningsregulatorene 30,31, 32 bli tilpasset til å tjene ulike formål slik som nodespenningsregulatorer som minimerer spenningen over noden eller til å forsyne spenningsregulatorer tilpasset til å levere spesifikke spenninger til de ulike instrumentene i eller koblet til noden.

Hovedformålet med de en eller flere spenningsregulatorene 30, 31,32 er å levere nødvendige spenninger til laster både internt og eksternt til noden selv. Dette kan inkludere en 3,3V regulator 30 og/eller en 5V regulator 31 for å levere de mest typiske spenningene brukt i elektroniske kretser i noden, og en variabel regulator 32 for å levere andre spenninger. Hver av de en eller flere spenningsregulatorene 30, 31, 32 kan valgfritt bli koblet til laster RLl, RL2 og/eller RL3. Lastene RLl, RL2 og/eller RL3 kan være interne eller eksterne til noden selv. I praksis er det spenningsregulatorene med laster som er koblet i parallell, slik det er tydelig fra figurene.

Strømforbruket internt i en node er ikke konstant. Normalt vil slike strømvariasjoner inkludere korresponderende spennings- og strømvariasjoner på nettverket. Imidlertid, siden varierende strømforbruk internt i noden vil bli kompensert ved en korresponderende variasjon i "forbikoblings" overskuddsstrømmen vil denne variasjonen ikke indusere noen variasjon i nettverkets sløyfestrøm.

Funksjonen til VNode og IShunt regulatoren 40 er å forsikre at spenningsfallet over terminalene til noden er regulert til det som minimum kreves for å oppnå full funksjonalitet og å forbikoble delen av sløyfestrømmen som ikke er nødvendig for interne eller eksterne laster.

FIG. 4 illustrerer i mer detalj hardwaremodulene til en typisk nettverksnode der VNode og IShunt regulator 401 er tilpasset til å kontrollere nodespenningen på den ovenfor nevnte måten slik at sløyfestrømmen er sendt gjennom noden samtidig som å forsikre at spenningen er holdt på det som minimum kreves og at strømmen som ikke er nødvendig for interne eller eksterne laster er forbikoblet som "overskudds"-strøm.

Kontrollmodulen for nodespenning 401 er forsynt med den påkrevde hardware for å gi et grensesnitt til kraftregulatorene 30,31,32 og for å gi et grensesnitt med mikrokontrolleren 406 på en slik måte at kommunikasjonssignalene kan bli overført og mottatt av mikrokontrolleren, eventuelt via en dedikert kommunikasjonsmodul 408. I den foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen forsikrer spenningskontrollmodulen en valgt preliminær spenning over noden, f.eks. i området 9,0V, men kan endre dette som en respons til den spesifikke situasjonen og instrumenter implementert inn i noden.

Siden hver nedihullsnode vil regulere sitt spenningsfall over terminalene til det som er minimum påkrevd for å oppnå full funksjonalitet vil det ikke være noe overskudds varmedissipering på grunn av dårlig satt forsyningsspenning. Et parallellkoblet nettverk, i motsetning, må tillate en fleksibel inputspenning siden hver av nedihullsnodene ser ulike kabelspenningstap og derfor at den faktiske spenningen sett av noden er ukjent, derfor må hver av nodene vedlikeholde en intern forsyningsspenning som er lavere enn inputspenningen, og dissipere overskuddskraften (spenning x strøm) som varme.

Siden en varierende intern last i en nedihullsnode er kompensert ved en korresponderende variasjon i forbikoblings-overskuddsstrømmen vil de interne forsyningsspenningene være stabile i seg selv, og det vil ikke være noe behov for store kondensatorer for å stabilisere disse spenningene.

Siden det ikke er noen store stabiliserende kondensatorer internt i noden som vil tendere til å eliminere kommunikasjonssignalet overlagret på nettverkets sløyfestrøm vil det ikke være noe behov for store induktorer for å filtrerer ut den overlagrede signalstrømmen. Den kan lett bli ekstrahert uten bruk av LC-filtre.

Derfor kan man unngå de to kategoriene av komponenter som er kjent for sin dårlige pålitelighet ved høye temperaturer, nemlig store elektrolytiske kondensatorer og store kjerneinduktorer med høy permeabilitet.

FIG. 4 illustrerer en nedihulls overvåkingsapplikasjon, i hvilken et trykksensitivt transduserelement 401 er koblet som en ekstern krystall til en oscillatorkrets 405. Tilsvarende er et temperatursensitivt transduserelement 403 koblet til nevnte oscillatorkrets 405. Til slutt er et referanseelement 404 også koblet til oscillatorkretsen. Referanseelementet 404 har fortrinnsvis en så lav sensitivitet for trykk og temperaturvariasjoner som mulig. Oscillatoren 405 er drevet av en av de en eller flere spenningsregulatorer 30, 31, 32 hvis inputkraft er tatt fra strømsløyfen. Oscillatoren 405 tilveiebringer et signal til en mikrokontroller 406, mens mikrokontrolleren kan også tilveiebringe en output for oscillatoren 405, for eksempel for å tillate interrogering av hver av de tre eksterne oscillatorelementene 402,403,404. De en eller flere spenningsregulatorene 30,31, 32 tilveiebringer også kraft til en mikroprosessormodul 406, og en digital minnemodul 407. Den digitale minnemodulen 407 kan innbefatte Read-Only-Memory (ROM) for å lagre et program, en algoritme eller oscilatorspesifikk data for å gjøre mikrokontrolleren 406 i stand til å generere digitale verdier som representerer trykket og temperaturen opplevd av de eksterne transduserelementene 402,403,404. I en nedihulls overvåkingsapplikasjon er overvåkingen av trykk og temperatur typiske parametre som er av interesse. Den digitale minnemodulen 407 kan også innbefatte Random Access Memory (RAM) for å tillate oppdatering av data eller programmer, som krevd av applikasjonen.

En send/motta (TX/RX) kommunikasjonsmodul 408 gir en kobling mellom mikrokontrolleren 406 og strømsløyfen 5, 6 i nettverket. Kommunikasjonsmodulen 408 er tilpasset til å konvertere et digitalt signal fra mikrokontrolleren, f.eks. et signal som representerer trykket eller temperaturen, til et korresponderende strømmoduleringssignal på strømsløyfen 5,6. Strømmoduleringssignalet er et moduleringssignal som vil bli overlagret på strømsløyfesignalet generert av nettverkskontrolleren. Et overlagret strømmoduleirngssignal kan bli følt og demodulert av korresponderende demoduleringshardware og/eller software assosiert med hvilken som helst annen enhet koblet på strømsløyfen, for eksempel en node ln eller en nettverkskontrollenhet 2.

I tillegg kan mikrokontrolleren bli utstyrt med en input fra en analog-til-digital konverter 409 som muliggjør konverteringen av et analogt inputsignal 410 til et digitalt format, enten til bruk i mikrokontrolleren 406 eller for overføring via kommunikasjonsmodulen 408 til DHNC, og eventuelt til en DCS.

Siden variasjonen av laststrømmer internt i en node ikke inkluderer korresponderende strømvariasjoner på nettverket vil nettverket være mindre støyende, og det overlagrede kommunikasjonssignalet vil være enkelt å detektere siden det ikke må ekstraheres fra andre støykomponenter.

FIG. 5 A - B illustrerer to typer koblingsblokker 501, 502 som kan bli brukt ved en nedihullslokalisering for å tilveiebringe et "grenliknende" koblingspunkt for enten en enkel node eller to noder. Y-blokken 501 illustrert i FIG. 5A illustrerer en koblingsblokk for å koble en enkel node ln til nettverkets strømsløyfe, mens FIG. 5B illustrerer en H-blokk 501 som kan bli brukt som et koblingspunkt felles for to noder ln og ln+1. Avhengig av de foretrukne eller påkrevde lokaliseringene av målepunkter langs et nedihulls brønnrør kan et sett av H-blokker og Y-blokke distribuert langs brønnen tilveiebringe de påkrevde eller ønskede mulighetene for å koble nettverksnoder langs strømsløyfen til et nedihulls overvåkings- og/eller kontrollnettverk.

Typisk, koblingsblokkene vil være integrerte deler av brannrøret, derav er deres lokalisering og distribuering bestemt når brannrøret er koblet og satt inn i brønnen. FIG. 6 illustrerer i mer detalj de ulike hardwaremodulene til nedihulls nettverkskontroller (DHNC) (Downhole Network Controller) 2 koblet til en ende av strømsløyfen 5, 6 for å forsyne nettverksnodene med kraft, og for å kommunisere med nettverksnodene. FIG.6 illustrerer hvordan strømsløyfen 5, 6 til nedihulls overvåkings- og kontrollnettverkkabel 4 er koblet via en konntektoranordning, fortrinnsvis en IWIS-konnektor (Intelligent Well Interface Standard) 601 og via en plitter/kombinerer for kraft/kommunikasjonssignal 602 til en målers kraftsenhet 603 og til en målers kommunikasjonskodek 604.

Målerens kraftenhet 603 er tilpasset til å tilveiebringe en regulering av sløyfestrømmen. Elektrisk kraft er levert til målerens kraftenhet 603 fra en kraftovervåkende og distribusjonsenhet 605. Formålet med målerens kraftenhet 603 er derfor å muliggjøre måling og regulering av den faktiske sløyfeelektriske strømmen, og målerens kraftenheten 603 er håndtert av egnet kontrollhardware og/eller software i kraftovervåkings og distribusjonsmodulen 606.

Enheten for målerens kommunikasjonskoding/dekoding (kom. kodek) 604 er typisk koblet til en hovedprosesseringsenhet 606, for eksempel realisert som en innebygd personlig datamaskin (PC). Hovedprosesseringsenheten 606 er utstyrt med hardware og software krevd for å kontrollere målerens kom. kodek 604 og for å motta og sende kommunikasjonssignaler på strømsløyfen. Hovedprosesseringsenheten 606 kan også bli koblet til en topside seriekommunikasjonslenke 607 og/eller en tospide ethernetkobling 608. En kontrollinje 609 muliggjør utveksling av kontrollsignaler mellom hovedprosesseringsenheten 606, kraftovervåkings- og distribusjonsenheten 605 og målerens kraftenhet 603. Kraftovervåkings- og distribusjonsenheten 605 er typisk drevet fra en topside kraftforsyning (ikke illustrert), f.eks. en standard 24V forsyning via et ledende par 610.

På den ene siden er galvanisk isolering fortrinnsvis forsynt mellom målerens kom.kodek 604 og målerens kraftenhet 603, og til modulene som er koblet til topsideutstyret på den andre siden. På denne måten vil nedihulls strømsløyfen bli galvanisk isolert.

Et antall fordeler er oppnådd ved å tilveiebringe et nedihulls overvåkings- og kontrollnettverk med en strømsløyfe i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Bruken av en strømsløyfe unngår de høye inputimpedansene vanligvis påkrevd ved overføring av spenninger over lange avstander. Samtidig er støyopplukkingen ved signalinputender til slike nettverk basert på høyimpedansspenning signifikant redusert, siden strømsløyfen i henhold til den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer lav impedans ved hvert nodegrensesnitt med kabellederne og også ved grensesnittet til nettverkskontrolleren med kabelen. Dette betyr at nettverket ikke vil bli mye påvirket av annet elektrisk støyende utstyr lokalisert i nærheten.

En fordel med å ha begge ledningene til strømsløyfen arrangert på innsiden av kabelen er det at det vil være mulig å tilveiebringe en galvanisk isolert kraftforsyning og kommunikasjonslinje til alle nedihullsenheter. I mange nedihullsapplikasjoner er det påkrevd at det er galvanisk isolasjon mellom brønnjord og alle elektriske ledere og komponenter.

Et kommunikasjonssignal er generert i strømsløyfen ved å innføre et strømmoduleringssignal med lav amplitude på nettverkskontrolleren. Med detteformålet er nettverkskontrolleren utstyrt med en anordning for strømmodulering tilpasset for å innføre en strømmodulering på strømmen levert på strømsløyfen. Derfor vil et kommunikasjonssignal være tilgjengelig til alle enheter koblet på sløyfen, mens informasjon i det modulerte strømsignalet indikerer til en node hvorvidt informasjonen modulert på strømbærersignalet er tiltenkt til den noden. Tilsvarende er hver node utstyrt med en intern kommunikasjonsdriver 12 tilpasset for å modulere impedansen over de eksterne terminalene 21, 22 til noden ved å la nodespenningen som er kontrollert av Vnode og IShunt regulatorene 40 ha små firkantpulsawik fra den nominelle nodepsenningen. Dette vil forårsake korresponderende firkantpulsawik i nodestrømmen som vil i sin tur bli detektert av nettverkskontrolleren 2. Hver node IN er i de fleste utførelsesformer av nettverket i henhold til oppfinnelsen utstyrt med en grensesnittsmodul 11 for å skape et grensesnitt til eksterne instrumenter 15, for eksempel en sensoranordning eller en kontrollanordning.

Oppsummert, den foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen vedrører et elektrisk nettverk og en kraftforsyning til dette systemet, spesielt for måling og kontroll i en olje/gassbrønn ved å bruke overføring av elektriske signaler og kraft. Et nettverk basert på strømsløyfe er ordnet til å tilveiebringe både elektrisk kraft og kommunikasjonslinjer fra en tospide nettverkskontroller til en eller flere nedihullsnettverksnoder i nettverket, og der målet med strømsløyfekonfigurasjonen er å: • la hver av nodene i nedihullsnettverket være selvregulerende slik at spenningsfallet over terminalene er regulert til minimumspenningen nødvendig for å vedlikeholde nodefunksjonalitet. Derved er overskudds varmedissipering og unødvendige høye spenninger i nodene i nedihullsnettverket unngått. Overskuddsspenningen er kjent til å være en aldrende oscillator. • la nettverksstrømmen være kontrollert og regulert av topside nettverkskontrolleren med nominell strøm som blir som blir satt som en input-parameter i tospide nettverkskontrolleren. • eliminere behovet for store elektrolytiske kondensatorer for å stabilisere interne forsyningsspenninger i nedihullsnettverket på grunn av konfigurasjonen med "forbikobling av overskuddsstrøm". • eliminere behovet for stor kjerneinduktorer med høypermeabilitet for å filtrere signalstrømmen fra kraftstrømmen. • å eliminere behovet for LC-filtrering for å ekstrahere signalstrøm fra kraftstrømmen. • tilveiebringe et multinode nedihullsnettverk der strømmen som flyter i sløyfen er konstant, uavhengig av antallet koblede noder, og der det resistive tapet i nettverkskabelen derfor er også uavhengig av antallet koblede noder. • tilveiebringe et multinode nedihullsnettverk der resisitve tap er holdt lave på grunn av den moderate strømmen som flyter i nettverket og der dette er oppnådd uten å gjøre nettverkets nodeinputimpedans for høy, som det ville vært dersom alle nedihull nettverksnoder var koblet i parallell og den totale kabelstrømmen var holdt på det samme nivået.

Claims (22)

1. Kraftforsyningssystem for å forsyne kraft til et elektrisk nettverk som i det minste delvis er plassert i en olje/gass-brønn, kjennetegnet ved at den omfatter en nettverkskontroller som inkluderer en elektrisk strømforsyning og et strømsløyfe-basert nettverk (5,6) innrettet til å tilveiebringe elektrisk kraft til et antall noder i nevnte nettverk, der nodene er koblet i serie i nevnte sløyfe, karakterisert ved at minst en nettverksnode (In) omfatter en shuntinnretning (40) innrettet til å regulere nodens impedans aktivt, for derved å opprettholde valgt nominell spenning over nodeterminalene for den valgte sløyfestrømmen.

2. System ifølge krav 1, der hver node omfatter minst en regulator for forsyningsspenning for å gi spesifiserte spenninger til instrumenter plassert i noden.

3. System ifølge krav 1, der hver node er forsynt med minst en nodespenningsregulator innrettet til å regulere spenningen over noden til det minimum som kreves for å oppnå den ønskede funksjonaliteten i noden.

4. System ifølge krav 1, der nettverkskontrolleren er innrettet til å tilveiebringe en i det vesentlige konstant strøm i sløyfen.

5. System ifølge krav 1, der nevnte sløyfe utgjøres av et tvinnet par med elektriske ledere i en kabel.

6. System ifølge krav 1, der nevnte nettverkskontroller og nevnte noder er forsynt med en kommunikasjonsenhet (604,408) for påtrykking av et kommunikasjonssignal til sløyfen, og motta kommunikasjonssignaler fra sløyfen.

7. System ifølge krav 6, der nevnte kommunikasjonssignal er påtrykket som en modulasjon av den påtrykte strømmen.

8. System ifølge krav 1, omfattende et nettverk for måling og kontroll i en olje/gass-brønn ved transmisjon av elektriske signaler og tilførsel av elektrisk kraft, der nevnte sløyfe er et strømsløyfebasert nettverk (5,6) som er innrettet til å tilveiebringe både elektrisk kraft og en kommunikasjonslinje fra en nettverkskontroller (2) til en eller flere nedihulls nettverksnoder (In) koblet til nettverket.

9. System ifølge krav 8 der strømsløyfen omfatter et lederpar (5,6) arrangert i en kabel (4), der kabelen er i det minste delvis plassert nede i brønnen, og der en langsgående seksjon av kabelen er sammenkoblet ved hjelp av en koblingsblokk, der koblingsblokken definerer et punkt for kobling til minst en nettverksnode.

10. System ifølge krav 9, der nevnte to ledere i kabelen er arrangert som et tvinnet par for minimering av generert indusert støy i strømsløyfen (5,6).

11. System ifølge krav 8, der minst en av nettverksnodene (In) er arrangert nede i brønnen for kobling til en elektrisk nedihullsmodul (15), for eksempel et nedihullsinstrument, til nettverket, og nevnte nettverkskontroller (2) er innrettet til å forsyne en elektrisk forsyningsstrøm og muligens også en strøm-modulasjon overlagret på forsyningsstrømmen til nevnte minst en nettverksnode (In) vie strømsløyfen.

12. System ifølge krav 1, der shuntinnretningen (40) kan reguleres av noden for å forbikoble en mengde elektrisk strøm som er sammenlignbar med den nominelle sløyfestrømmen minus laststrømmen, mens den sikrer at spenningen holdes på det minimum som kreves og at strømmen som ikke trengs for interne og ekstreme laster (RL1,RL2,RL3) er forbikoblet noden.

13. System ifølge krav 8, der hver nettverksnode (In) er koblet i serie i strømsløyfen (5,6) og der hele sløyfestrømmen også passerer gjennom nevnte minst en nettverksnode.

14. System ifølge krav 8, der nettverkskontrolleren (2) er innrettet til å forsyne en nominell elektrisk sløyfestrøm til strømsløyfen (5,6) i nettverket.

15. System ifølge krav 1, der den nominelle elektriske strømmen er over 20mA og fortrinnsvis i området 50-200mA.

16. System ifølge krav 1, der nevnte nominelle spenning er omtrent 9.0 Volt (V).

17. System ifølge krav 1, der hver node er innrettet til å regulere det nominelle spenningsfallet over terminalene til noden og ikke til mer enn behovet avhengig av de reelle kravene til nodeapplikasjonen.

18. System ifølge krav 1, der hver av nevnte minst en nettverksnode (In) inkluderer en Zener-barriereinnretning (10) koblet mellom dens utgangsterminaler for derved å gi en ledningsbane parallell med noden, for eksempel i tilfelle en feil i noden.

19. System ifølge krav 1, der strømsløyfen (5,6) er galvanisk isolert fra hoveddelen av brønnrøret.

20. System ifølge krav 1, der minst en av nettverksnodene (In) er delvis realisert med SOI (Silicon-On-Insulator)-teknologyi og tillater oppfinnelsen å brukes i høye temerpaturer i nedihullsapplikasjoner

21. System ifølge krav 1, der minst en nedihulls nettverksnode (In) er innrettet til å gi en strømforsyning til minst en nedihullsmodul.

22. System ifølge krav 1, der minst en toppside-node i nettverket er IWIS-kompatibel (IWIS = Intelligent Well Instrumentation Standardization) og er innrettet til å operere som kommunikasjonsprotokoll og fysisk kobling mot eksterne..