Электрическая система, в особенности, для измерений и управления в нефтяной/газовой скважине с помощью передачи электрических сигналов и обеспечения электрической энергии. Система содержит контур (5, 6) тока, имеющий, по существу, постоянный ток в контуре тока, и несколько скважинных узлов (1 _N ) сети, которые присоединены к системе.

[0001] Система электроснабжения в электрической сети, расположенной, по меньшей мере, частично в нефтяной/газовой скважине, содержащая сетевой контроллер, включающий источник тока, и сеть (5, 6), основанную на контуре тока, выполненные с возможностью электропитания ряда узлов в указанной сети, причем указанные узлы соединены последовательно в указанном контуре,

[0002] Система по п.1, в которой каждый узел содержит по меньшей мере один регулятор напряжения питания, предназначенный для подачи определенных напряжений питания к контрольно-измерительным приборам, расположенным в указанном узле.

[0003] Система по п.1, в которой каждый узел имеет по меньшей мере один регулятор напряжения, предназначенный для поддержания напряжения узла на минимальном уровне, необходимом для обеспечения требуемой функциональности узла.

[0004] Система по п.1, в которой сетевой контроллер предназначен для обеспечения, по существу, постоянного тока в указанном контуре.

[0005] Система по п.1, в которой указанный контур в скважине образован витой парой проводников в кабеле.

[0006] Система по п.1, в которой сетевой контроллер и указанные узлы имеют блок (604, 408) связи для передачи сигнала связи к указанному контуру и приема сигналов связи от указанного контура.

[0007] Система по п.6, в которой указанный сигнал связи передается в виде модуляции приложенного тока.

[0008] Система по п.1, образующая сеть для измерений и управления в нефтяной/газовой скважине с помощью передачи электрических сигналов и электроснабжения, причем указанный контур является сетью (5, 6), основанной на контуре тока и предназначенной для обеспечения как силового канала питания, так и канала связи от сетевого контроллера (2) к одному или более сетевым узлам (1N), подключенным в сети.

[0009] Система по п.8, в которой контур тока содержит пару проводников (5, 6), расположенных в кабеле (4), причем указанный кабель находится, по меньшей мере, частично в скважине, а продольные части кабеля соединены с помощью соединительного блока, так что соединительный блок определяет точку соединения по меньшей мере для одного узла сети.

[0010] Система по п.9, в которой указанные два проводника в кабеле представляют собой витую пару для минимизации генерирования наведенных помех в контуре (5, 6) тока.

[0011] Система по п.8, в которой по меньшей мере один из указанных узлов (1N) сети расположен в скважине для присоединения электрического скважинного модуля (15), такого как, например, скважинный контрольно-измерительный прибор, к указанной сети, а сетевой контроллер (2) предназначен для подачи тока питания и, возможно, также сигнала модуляции тока, наложенного на указанный ток питания, к указанному по меньшей мере одному узлу (1N) сети через указанный контур тока.

[0012] Система по п.1, в которой обходное устройство (40) может регулироваться узлом для шунтирования тока, равного номинальному току контура за вычетом тока нагрузки, а также обеспечения поддержания напряжения на минимальном необходимом уровне и шунтирования тока, не нужного для питания внутренних или внешних нагрузок (RL1, RL2, RL3) узла.

[0013] Система по п.8, в которой каждый узел (1N) сети включен последовательно в контуре (5, 6) тока, причем полный ток контура также проходит через указанный по меньшей мере один узел (1N) сети.

[0014] Система по п.8, в которой указанный контроллер (2) сети предназначен для обеспечения номинального тока контура в контуре (5, 6) тока сети.

[0015] Система по п.1, в которой номинальный ток превышает 20 мА и предпочтительно находится в диапазоне 50-200 мА.

[0016] Система по п.1, в которой указанное номинальное напряжение составляет около 9,0 В.

[0017] Система по п.1, в которой каждый узел предназначен для регулирования указанного номинального падения напряжения на зажимах указанного узла на уровне, не превышающем необходимого в зависимости от фактических требований при использовании узла.

[0018] Система по п.1, в которой указанный по меньшей мере один узел (1N) сети включает основанное на пробое электронного перехода устройство (10), подключенное к его входным зажимам, для обеспечения проводящего канала, параллельного узлу, например, в случае выхода узла из строя.

[0019] Система по п.1, в которой контур (5, 6) тока гальванически изолирован от основного корпуса обсадной колонны скважины.

[0020] Система по п.1, в которой по меньшей мере один узел (1N) сети частично выполнен по технологии SOI (кремний на изоляторе), позволяющей использовать указанную систему в скважинах при высоких температурах.

[0021] Система по п.1, в которой по меньшей мере один расположенный в скважине узел (1N) сети предназначен для обеспечения питания по меньшей мере одного скважинного модуля.

[0022] Система по п.1, в которой по меньшей мере один расположенный на поверхности узел в сети является IWIS-совместимым (IWIS-интеллектуальный стандарт скважинного контрольно-измерительного оборудования) и предназначен для работы в качестве протокола связи и физического интерфейса с внешней средой.

Область техники

Настоящее изобретение относится в целом к контролю и управлению системами скважинной контрольно-измерительной аппаратуры для использования в нефтяной и газовой промышленности.

В частности, изобретение относится к сети электроснабжения, обеспечивающей питание скважинных контрольно-измерительных приборов и модулей управления, и, возможно, сети связи для обеспечения связи между скважинными контрольно-измерительными приборами и модулями управления и между каждым модулем и общим блоком управления сетью.

Уровень техники

В подземных скважинах существует возрастающая потребность в контроле и управлении скважинными устройствами, например датчиками и контрольно-измерительными приборами, или устройствами управления. Существует тенденция, направленная на попытку располагать такие приборы все ближе и ближе к пластам углеводородов и создать методы многоскважинного исследования для увеличения коэффициента извлечения углеводородных ресурсов, содержащихся в таких пластах. Также желательно распределять контрольно-измерительные устройства в большем количестве мест для увеличения количества точек измерения и оценивания производительности скважины. Главная цель таких измерений состоит в обеспечении как можно более точных измерений давления и температуры в пласте, а другая цель состоит в обеспечении возможности обнаружения проблем на ранней стадии.

Следовательно, крайне необходимо создать системы, обеспечивающие работу в соответствующих условиях и предоставляющие оператору точные данные об условиях и работе законченных скважин.

Например, в патенте США № 6369718 В1, выданном на имя Мэтью, описана сеть связи системы контроля и управления, в которой для соединения точек в скважине используется витая пара. Шинный интерфейс в шинном диспетчере и каждом узле выполнен с возможностью поддержания дифференциального и общего режима соединения между шинным диспетчером и каждым узлом, и между самими узлами. Интерфейс обеспечивает высокое параллельное полное сопротивление для дифференциального режима соединения и низкое последовательное полное сопротивление для общего режима соединения. Шинный интерфейс содержит кабель, имеющий армированную проводящую оболочку, которая может быть использована как обратный проводник в общем режиме.

При попытке увеличения количества узлов, глубины и длины сигнальных/силовых кабелей в решении, описанном в патенте США № 6369718, нежелательный эффект увеличения напряжения и потерь энергии в кабеле может стать ограничивающим фактором для работы системы. При подключении большего числа узлов в местах, удаленных от шинного диспетчера, увеличение общего тока приводит к увеличению соответствующего падения напряжения в линии. Следовательно, напряжение линии питания в каждом узле будет разным в зависимости от конкретного положения в линии передачи. Если узловые полные сопротивления не сделать очень высокими, входная мощность и коэффициент полезного действия такой системы также могут стать ограничивающими факторами. Если, насколько это возможно, увеличить коэффициент полезного действия путем увеличения узлового полного сопротивления, сигнальная линия с высоким результирующим полным сопротивлением будет чувствительна к помехам, генерируемым при коммутации нагрузок в самих узлах, а также к помехам от внешних источников.

Требования к повышению эффективности при добыче углеводородных ресурсов создают соответствующее требование для получения подробной информации об условиях в скважине. Выполнение этого требования может быть обеспечено использованием в таких скважинах более точных технологий измерения и управления.

Таким образом, первой целью настоящего изобретения является создание решения для питания электрической энергией скважинных приборов через сеть, соединенную с модулем управления сетью. Система обеспечивает увеличение коэффициента полезного действия в системе путем минимизации питающего тока и обеспечивает улучшенную помехозащищенность, не позволяя изменениям тока узла влиять на напряжение и на ток кабеля.

Другая цель настоящего изобретения состоит в создании системы электроснабжения для скважинных контрольно-измерительных систем с низкой чувствительностью к изменениям нагрузки в узле.

Третья цель изобретения состоит в создании сети, обеспечивающей высокую надежность электроснабжения и связи между скважинными приборами, модулями управления и модулем управления сетью путем уменьшения количества элементов, имеющих низкую надежность (особенно при высоких температурах), таких как конденсаторы и индуктивности.

Еще одна цель состоит в создании сети, обеспечивающей осуществление связи с узлами в сети с минимизацией результирующих возмущений в источнике питания.

Сущность изобретения

Согласно изобретению описанные выше цели достигаются созданием сети для электроснабжения скважины, улучшающей возможности для измерений и управления в нефтяной/газовой скважине с помощью передачи электрических сигналов. Сеть выполнена как контур тока с одним и единственным находящимся на поверхности сетевым контроллером и одним или несколькими узлами в скважине. Несколько узлов в скважине соединены последовательно, так что через все узлы протекает один и тот же ток. Ток в контуре может регулироваться в диапазоне от 50 до 200 мА, а его точное значение выбирается пользователем и устанавливается как входной параметр в сетевом контроллере, находящемся на поверхности. При установленном токе сети находящийся на поверхности контроллер регулирует ток на постоянном уровне независимо от полного сопротивления контура. Таким образом, выходное напряжение находящегося на поверхности сетевого контроллера автоматически подстраивается на уровне, необходимом для поддержания заданного тока контура.

Каждый из нескольких узлов в скважине воспринимает любой ток контура в выбранном диапазоне, то есть в указанном выше диапазоне, и регулирует падение напряжения на зажимах до минимума для поддержания требуемой функциональности узла. Для базовой функциональности согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения минимальное напряжение составляет 9,0 В. Для расширенной функциональности напряжение может быть выше. Сразу после включения питания каждый скважинный узел находится в режиме базовой функциональности с падением напряжения на зажимах, равным 9,0 В. Режим расширенной функциональности должен всегда устанавливаться по команде пользователя.

Таким образом, выходное напряжение находящегося на поверхности контроллера сети автоматически регулируется до суммы падений напряжений на зажимах нескольких узлов в скважинах и падения напряжения, вызванного потерями на сопротивление в скважинной кабельной сети.

Ток, который течет через узел, питает все внутренние потребители в узле необходимым током. Если ток в узле установится на значение большее, чем необходимо для питания всех потребителей в узле, избыточный ток пропускается в обход к следующему узлу. Этот обходной ток (помноженный на падение напряжения на зажимах) дает нежелательную мощность, выделяющуюся в узле и рассеивающуюся в виде тепла. Однако так как ток в контуре сети может быть установлен в находящемся на поверхности контроллере сети, то он может быть оптимизирован, так чтобы необходимость в шунтировании избыточного тока была мала.

Скважинная сеть в предпочтительном варианте выполнения изобретения физически состоит из двухпроводного кабеля с заземленной оболочкой. Два проводника выполнены как скрученная пара, все узлы соединены последовательно вдоль одного проводника, а обратная ветвь из самого нижнего узла проходит в другом проводнике, таким образом уменьшая вероятность наличия помех, мешающих работе сети, так как ни одна значительная область контура не будет генерировать напряжение помехи из-за колебаний или помех в электромагнитном поле.

При соединении с узлами как энергия, так и сигнал предпочтительно передаются по общему двухпроводному кабелю. Энергия доставляется расположенным на поверхности сетевым контроллером и передается как постоянный ток к скважинным узлам. Сигнал передается как малый прямоугольный импульс, наложенный на уже протекающий ток. Находящийся на поверхности сетевой контроллер передает сигналы к каждому из скважинных узлов и принимает сигналы от каждого из скважинных узлов, а каждый из скважинных узлов принимает сигналы от находящегося на поверхности сетевого контроллера и передает ему сигналы (полудуплексная связь).

В скважинных узлах сигнальный ток может быть выделен из контура постоянного тока без использования трансформаторов или LC-фильтров.

В предпочтительном варианте выполнения сети согласно изобретению каждый по меньшей мере из одного узла включает основанное на пробое электронного перехода устройство, включенное между входными зажимами узла, для обеспечения контура, параллельного узлу, в случае выхода узла из строя. Указанное устройство эффективно работает как параллельное устройство при напряжениях выше напряжения пробоя электронного перехода, таким образом обеспечивая возможность создания параллельного контура сразу после достижения напряжения пробоя электронного перехода при разрыве контура тока в соответствующем узле.

Еще в одном предпочтительном варианте выполнения сети согласно изобретению контур тока гальванически изолирован от обсадной колонны скважины. Гальваническая изоляция контура тока обеспечивает повышенную безопасность для управляющих и контрольно-измерительных блоков, присоединенных к сети, так как токи, возникающие при коротких замыканиях в оборудовании, не попадают в сетевую систему, если гальваническая изоляция эффективна.

Еще в одном предпочтительном варианте выполнения сети согласно изобретению каждый по меньшей мере из одного узла сети частично реализован с помощью технологии SOI (кремний на изоляторе). Технология SOI обеспечивает возможность работы при высоких температурах, что часто необходимо в условиях скважин. Узлы, выполненные по технологии SOI, способны работать при температурах до 200 °С, также, возможно, в диапазоне 200-300 °С.

Еще в одном предпочтительном варианте выполнения сети согласно изобретению по меньшей мере один скважинный узел системы предназначен для питания по меньшей мере одного внешнего скважинного модуля. Один из регуляторов напряжения в самом узле может быть использован для питания по меньшей мере одного внешнего скважинного модуля. Таким образом, внешний скважинный модуль питается от сети и не имеет своего внутреннего источника питания. Это обеспечивает уменьшение размеров, веса и сложности скважинного модуля.

Еще более предпочтительно, чтобы в сети согласно изобретению по меньшей мере один из верхних узлов сети, например находящийся на поверхности сетевой контроллер, был IWIS-совместимым по физическим размерам, потреблению энергии и низкому уровню связи (IWIS - Интеллектуальный стандарт контрольно-измерительных приборов для скважин). Так как IWIS становится стандартным интерфейсом для работы с контрольно-измерительными приборами в скважине, целесообразно предусмотреть по меньшей мере один узел с необходимым IWIS-совместимым интерфейсом. При встраивании IWIS в расположенный на поверхности узел вся сеть может рассматриваться как IWIS-совместимая. Скважинные узлы в сети не обязательно должны быть IWIS-совместимыми.

В сопроводительных табл. I и II показано, что в системе с последовательным соединением согласно изобретению, приведенной в качестве примера в табл. II, падение напряжения в кабеле/потери энергии в кабеле не зависят от количества узлов. Единственными изменяемыми величинами являются мощность и напряжение, питающие систему.

В системе с параллельным соединением, приведенной в качестве примера в табл. I, напротив, видно, что без увеличения полного сопротивления узла постоянному току потери энергии в кабеле и коэффициент полезного действия неудовлетворительны. Очень высокое входное полное сопротивление крайне нежелательно в подводной системе, так как системы с высоким полным сопротивлением очень чувствительны к наведенным напряжениям (то есть они имеют слабую помехозащищенность).

Повышенный коэффициент полезного действия и уменьшенные потери в решении согласно изобретению, как показано в табл. II, особенно важны при использовании стандарта IWIS с присущими ему ограничениями по мощности.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой типовую установку в нефтяной/газовой скважине, в которой используется сеть согласно настоящему изобретению;

фиг. 2 - схему контура тока сети согласно изобретению;

фиг. 3 - функциональную схему примера варианта выполнения узла электрической сети согласно изобретению;

фиг. 4 - более подробную схему аппаратных модулей примера варианта выполнения узла согласно изобретению;

фиг. 5А-В - схемы двух типов соединительных блоков (Н-блок и Y-блок соответственно), используемых для соединения узлов с проводниками основного контура сети согласно изобретению;

фиг. 6 - подробную схему примера сетевого контроллера, как правило, расположенного на одном конце контура сети электрической сети согласно изобретению.

Признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны специалисту в данной области техники из последующего подробного описания изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи.

Подробное описание предпочтительного варианта выполнения

На фиг. 2 показана типовая схема контура сети согласно изобретению, имеющая 32 узла. Кабель 4 соединяет ряд узлов 11, 12, 13, ..., 131, 132 с контроллером 2 скважинной сети (DHNC). По меньшей мере один из узлов 11, 12, 13, ..., 131, 132 расположен как скважинный блок, находящийся внутри скважины, для обеспечения сбора информации в скважине или пласте от скважинного контрольно-измерительного прибора или датчика или обеспечения передачи информации, например, команд к скважинным контрольно-измерительным приборам или модулю управления. Сетевой контроллер (DHNC) обычно является частью системы 3 управления (DCS) или присоединен к ней. Система управления обычно содержит расположенный на поверхности блок управления или систему управления технологическими процессами. Сетевой контроллер 2 обычно располагается на одном конце сигнального кабеля/кабеля связи 4 и во многих случаях располагается на поверхности, обычно в стойке. Система управления в одном из вариантов выполнения может быть реализована как распределенная система управления, например, при использовании сетевого контроллера 2 как части подводной установки или установки 100, предназначенной для соединения платформы на поверхности или судна 200 со скважиной 400, как показано на фиг. 1.

На фиг. 2 показано, что узлы 11, ..., 132 соединены последовательно первым проводником 6, по существу, двухпроводного контура 5, 6. Оба проводника контура тока проложены в кабеле 4. В одном варианте выполнения сети согласно изобретению проводники 5, 6 могут быть выполнены как витая пара внутри кабеля 4.

Сетевой контроллер 2 выполнен как источник постоянного тока для контура с помощью схемотехники, которая хорошо известна специалистам в данной области техники. На фиг. 3 показаны некоторые из основных функциональных модулей типового сетевого узла в сети согласно изобретению. Сетевой узел содержит регулятор 40 напряжения узла и параллельного тока и один или более регуляторов 30, 31, 32 напряжения с нагрузками, которые соединены параллельно и питаются от регулятора 40. Регулятор 40 предназначен для двух основных целей: регулирования входного полного сопротивления узла по постоянному току, так чтобы падение напряжения в узле было равно минимуму, требуемому для обеспечения выбранной пользователем функциональности, и обеспечения источника напряжения для питания внутренних регуляторов 30, 31 и 32. Схема параллельного включения регулятора 40 и одного или более регуляторов 30, 31, 32 напряжения, как показано на фиг. 3, включена последовательно с проводником 6 контура тока сети, как показано на фиг. 2. Таким образом, регуляторы 30, 31, 32 напряжения могут быть использованы для различных целей, например в качестве регуляторов напряжения узла для сведения к минимуму напряжения узла или для питания регуляторов напряжения, предназначенных для обеспечения конкретных напряжений для питания различных контрольно-измерительных приборов, находящихся в узле или присоединенных к нему.

Основным назначением одного или более регуляторов 30, 31, 32 напряжения является обеспечение требуемых напряжений питания нагрузок как внутренних, так и внешних по отношению к узлу. Сюда может относится регулятор 30 на 3,3 В и/или регулятор 31 на 5 В, предназначенные для обеспечения наиболее типичных напряжений, используемых электронными цепями в узле, и переменный регулятор 32 для обеспечения других напряжений. Каждый из одного или более регуляторов 30, 31, 32 может быть соединен с нагрузками RL1, RL2 и/или RL3. Нагрузка RL1, RL2 и/или RL3 может быть внутренней или внешней по отношению к самому узлу. На практике используются регуляторы напряжения с нагрузками, которые соединены параллельно, как показано на чертежах.

Потребление тока в узле непостоянно. Обычно такие изменения тока приводят к соответствующим изменениям напряжения и тока в сети. Однако так как изменение потребления тока внутри узла компенсируется соответствующим изменением тока регулятора, такое изменение тока не приведет к изменению тока в сетевом контуре.

Назначение регулятора 40 напряжения и тока заключается в обеспечении минимального падения напряжения на зажимах узла, требуемого для обеспечения полной функциональности и шунтирования части тока контура, который не требуется для питания внутренних или внешних нагрузок. На фиг. 4 показаны более подробно аппаратные модули типового сетевого узла, в котором регулятор 401 напряжения и тока предназначен для регулирования узлового напряжения вышеупомянутым способом с обеспечением прохождения тока контура через узел, а также поддержания напряжения на требуемом минимуме и шунтирования тока, не нужного для питания внутренних или внешних нагрузок как "избыточного" тока.

Модуль 401 регулирования напряжения узла содержит необходимые устройства для связи с регуляторами 30, 31, 32 мощности и микроконтроллером 406, таким образом, что микроконтроллер может передавать и принимать сигналы связи, например, через специальный модуль 408 связи. В предпочтительном варианте выполнения изобретения модуль регулирования напряжения обеспечивает заданное напряжение в узле, например около 9,0 В, но может изменять его в зависимости от конкретной ситуации и контрольно-измерительной аппаратуры, используемой в узле.

Так как в каждом скважинном узле падение напряжения на зажимах будет поддерживаться на минимальном уровне, требуемом для обеспечения полной функциональности, то не будет избыточного рассеяния тепла из-за избыточного напряжения питания. Параллельно соединенная сеть, напротив, должна быть выполнена с возможностью изменения входного напряжения, так как потери напряжения в кабеле различны для каждого узла и, следовательно, фактическое напряжение узла неизвестно, каждый узел, следовательно, должен поддерживать внутреннее напряжение питания на уровне ниже, чем входное напряжение, и рассеивать избыточную мощность (произведение напряжения и тока) в виде тепла.

Так как изменяющаяся внутренняя нагрузка скважинного узла компенсируется соответствующим изменением тока регулятора, внутренние напряжения питания будут, по существу, постоянны, и нет необходимости в конденсаторах большой емкости для стабилизации этих напряжений.

Так как в узле нет стабилизирующих конденсаторов большой емкости, искажающих сигнал связи, наложенный на ток сетевого контура, нет необходимости в индуктивных элементах с большой индуктивностью для фильтрации наложенного сигнального тока. Он может быть легко выделен без использования LC-фильтров.

Таким образом, можно избежать двух типов элементов, известных своей низкой надежностью при высоких температурах, а именно электролитических конденсаторов большой емкости и индуктивных элементов с большой индуктивностью и высокой проницаемостью сердечника.

На фиг. 4 показан пример системы контроля скважины, в котором чувствительный к давлению преобразовательный элемент 401 присоединен как внешний кристалл к колебательному контуру 405. Подобным же образом чувствительный к температуре преобразовательный элемент 403 присоединен к указанному колебательному контуру 405. Наконец, к колебательному контуру также присоединен элемент 404 задания. Элемент 404 задания предпочтительно имеет максимально низкую чувствительность к изменениям температуры и давления. Колебательный контур питается одним из регуляторов 30, 31, 32 напряжения, который в свою очередь питается от контура тока. Колебательный контур 405 подает сигнал микроконтроллеру 406, который также может подавать сигнал колебательному контуру 405, например, для разрешения опроса каждого из трех внешних колебательных элементов 402, 403, 404. Один или более регуляторов 30, 31, 32 напряжения также питают микропроцессорный модуль 406 и модуль 407 цифрового запоминающего устройства. Модуль 407 цифрового запоминающего устройства может содержать постоянное запоминающее устройство (ROM) для хранения программы, алгоритма или конкретных данных колебательного контура для обеспечения генерирования микроконтроллером 406 цифровых значений, представляющих давление и температуру, измеряемые внешними преобразовательными элементами 402, 403, 404. В системах контроля скважины наиболее важными контролируемыми параметрами являются давление и температура. Модуль 407 цифрового запоминающего устройства может также содержать оперативное запоминающее устройство (RAM) для обеспечения обновления данных или программ при необходимости.

Соединение между микроконтроллером 406 и контуром 5, 6 тока сети обеспечивает модуль 408 связи. Модуль 408 связи предназначен для преобразования цифрового сигнала от микроконтроллера, например сигнала давления или температуры, в соответствующий модулированный сигнал тока в контуре 5, 6 тока. Модулированный сигнал тока - это модулированный сигнал, который накладывается на сигнал контура тока, генерируемый сетевым контроллером. Наложенный модулированный сигнал тока может быть выделен и демодулирован соответствующим аппаратным демодуляционным устройством и/или программным обеспечением, связанным с любым другим блоком, присоединенным к контуру тока, например узлом 1n или сетевым блоком 2 управления.

Кроме того, микроконтроллер может иметь вход от аналогоцифрового преобразователя 409, который обеспечивает преобразование аналогового входного сигнала 410 в цифровой формат либо для использования в микроконтроллере 406, либо для передачи через модуль 408 связи к скважинному сетевому контроллеру (DHNC) и, возможно, к скважинной системе управления (DCS).

Так как изменение токов внутренних нагрузок узла не вызывает соответствующих изменений тока в сети, помехи в сети меньше, и наложенный сигнал связи легко выделить, так как его не нужно извлекать из других составляющих помех.

На фиг. 5А-В показаны два типа соединительных блоков 501, 502, которые могут использоваться в скважине для обеспечения "ответвляющихся" соединений для одного или двух узлов. Y-блок 501, показанный на фиг. 5А, представляет собой соединительный блок для присоединения одного узла 1n к контуру тока сети, а на фиг. 5В показан Н-блок 502, который может быть использован для присоединения двух узлов 1n и 1n+1. В зависимости от предпочтительных или требуемых мест измерения вдоль обсадной колонны скважины система Н-блоков и Y-блоков, распределенных вдоль скважины, может обеспечить требуемые или желаемые условия для присоединения узлов сети вдоль контура тока скважинной сети контроля и/или управления.

Обычно соединительные блоки являются неотъемлемыми частями обсадной колонны скважины, так как их расположение определяется при установке и закреплении обсадной колонны скважины. На фиг. 6 показаны более подробно различные аппаратные модули скважинного контроллера 2 сети (DHNC), присоединенного к одному концу контура 5, 6 тока для питания узлов сети и связи с узлами сети. На фиг. 6 показано, как контур 5, 6 тока кабеля 4 скважинной сети контроля и управления соединен через соединительное устройство, предпочтительно IWIS (Интеллектуальный стандартный скважинный интерфейс), соединитель 601 и через распределитель/уплотнитель 602 сигнала питания/связи с блоком 603 измерения мощности и кодеком 604 связи.

Блок 603 предназначен для обеспечения регулирования тока контура. Электрическая энергия подается к блоку 603 от блока 605 контроля и распределения мощности. Назначение блока 603 состоит в обеспечении измерения и регулирования фактического тока контура, и блок 603 управляется соответствующим аппаратным устройством и/или программным обеспечением управления в модуле 606 контроля и распределения мощности.

Блок 604 кодека связи обычно соединен с главным обрабатывающим блоком 606, например, реализованным как встроенный персональный компьютер (PC). Главный обрабатывающий блок 606 содержит аппаратное и программное обеспечение, необходимое для управления блоком 604, а также приема и передачи сигналов связи по контуру тока. Главный обрабатывающий блок 606 также может быть присоединен к последовательной линии 607 связи на поверхности и/или соединению 608 Ethernet. Канал 609 управления обеспечивает обмен сигналами управления между главным обрабатывающим блоком 606, блоком 605 контроля и распределения мощности и блоком 603 измерения мощности. Блок 605 обычно питается от находящегося на поверхности источника питания (не показан), например стандартного источника напряжением 24 В через пару 610 проводников.

Предпочтительно между блоком 604 кодека и блоком 603 измерения мощности предусмотрена гальваническая развязка, а также модули, присоединенные к оборудованию на поверхности. Таким образом, скважинный контур тока гальванически изолирован.

Скважинная сеть контроля и управления с контуром тока согласно настоящему изобретению обладает рядом преимуществ. Использование контура тока помогает избежать использование высоких входных полных сопротивлений, обычно необходимых при передаче напряжений на большие расстояния. Также значительно уменьшаются наводки на сигнальных входных концах таких сетей с высоким полным сопротивлением, так как контур тока согласно настоящему изобретению обеспечивает низкое полное сопротивление в каждом узле кабельной линии, а также в узле подключения сетевого контроллера к кабельной линии. Это обеспечивает устойчивость сети к расположенному поблизости и создающему помехи оборудованию.

Преимущество размещения обоих проводников контура тока внутри кабеля состоит в возможности обеспечения гальванически изолированного источника питания и канала связи для всех скважинных блоков. Для многих скважин необходима гальваническая изоляция между землей скважины и всеми электрическими проводниками и элементами.

Сигнал связи генерируется в контуре тока путем создания низкоамплитудного сигнала модуляции тока в сетевом контроллере. Для этого сетевой контроллер имеет устройство модуляции тока, предназначенное для обеспечения модуляции тока в токе, питающем контур тока. Следовательно, сигнал связи доступен всем блокам, подключенным к контуру, а информация, содержащаяся в модулированном сигнале тока, позволяет узлу определить, относится ли информация, модулированная на несущем сигнале тока, к этому узлу. Подобным образом, каждый узел имеет внутренний драйвер 12 связи, предназначенный для модулирования полного сопротивления внешних зажимов 21, 22 узла, обеспечивая в напряжении узла, регулируемом регулятором 40 напряжения и тока, небольшие прямоугольные импульсы отклонения от номинального узлового напряжения. Эти импульсы вызывают соответствующие прямоугольные импульсные отклонения в узловом токе, которые, в свою очередь, выделяются сетевым контроллером 2. Каждый узел 1N в большинстве вариантов выполнения сети согласно изобретению имеет интерфейсный модуль 11 для связи с внешними приборами 15, например датчиком или управляющим устройством.

Таким образом, предпочтительный вариант выполнения изобретения относится к электрической сети и источнику питания для этой системы, в особенности для измерения и управления в нефтяной/газовой скважине с помощью передачи электрических сигналов и энергии. Сеть с контуром тока предназначена для обеспечения как канала питания, так и канала связи от находящегося на поверхности сетевого контроллера к одному или нескольким скважинным узлам, соединенным в сеть, при этом такая схема контура тока предназначена для

обеспечения саморегулирования каждого скважинного узла, так чтобы падение напряжения на зажимах поддерживалось на минимальном уровне, необходимом для обеспечения функциональности узла. Таким образом, предотвращается рассеяние избыточного тепла и высокие напряжения в скважинных узлах сети. Известно, что избыточные напряжения ускоряют старение;

обеспечения регулирования тока сети находящимся на поверхности сетевым контроллером с номинальным током, установленным в сетевом контроллере в качестве входного параметра;

исключения необходимости электролитических конденсаторов большой емкости для стабилизации напряжений в скважинном узле сети благодаря схеме с "шунтированием избыточного тока";

исключения необходимости индуктивных элементов с высокой проницаемостью сердечника и большой индуктивностью для фильтрации сигнального тока из тока питания;

исключения необходимости LC-фильтров для выделения сигнального тока из тока питания;

обеспечения многоузловой скважинной сети с постоянным током контура, а также потерями на сопротивление в сетевом кабеле, независящими от количества подключенных узлов;

обеспечения многоузловой скважинной сети с низкими потерями на сопротивление благодаря небольшому току сети без увеличения входного полного сопротивления узла сети, как в случае параллельного соединения всех узлов скважинной сети и поддержания полного тока кабеля на том же уровне.

Таблица I

Таблица II