СХЕМА ЗАРЯДКИ КОНДЕНСАТОРА БОЛЬШОЙ ЕМКОСТИ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ГИДРОИМПУЛЬСНОЙ СКВАЖИННОЙ ТЕЛЕМЕТРИИ
CHARGING CIRCUIT OF HIGH-VALUE CAPACITOR FOR MUD-PULSE TELEMETRY DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом относится к нефтепромысловому оборудованию и, в частности, к скважинным инструментам.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Гидравлическую скважинную телеметрию применяют с различными скважинными инструментами для передачи информации во время выполнения буровых работ. Один из известных способов предполагает применение гидроимпульсного генератора для создания в скважине импульсов отрицательного давления. Для открытия и закрытия клапана в системе, которая генерирует импульсы давления в буровом растворе, применяют электромагнит. Импульсы соответствуют системе манчестерского кодирования или другой системе кодирования, применяемой для обеспечения возможности передачи сигналов со дна скважины на поверхность.
Существующие устройства, как правило, приводят в действие электромагнитный клапан с помощью конденсатора большой емкости, например, 7600 мкФ, который накапливает требуемую электрическую энергию и выдает сильноточный разряд для быстрого приведения в действие электромагнита. Конденсатор большой емкости заряжается медленнее, чем разряжается, с помощью слаботочного источника питания постоянного напряжения при номинальном постоянном токе, который осуществляет зарядку между моментами срабатывания электромагнита.
Конденсатор большой емкости может быть заряжен с помощью одной или большего количества аккумуляторных батарей, например, комплекта аккумуляторных батарей 90 В, через схему линейного ограничителя тока. Назначение ограничителя тока состоит в предотвращении повреждения аккумуляторных батарей чрезмерным током во время зарядки конденсатора. Однако линейные ограничители тока неэффективны. Например, во время зарядки конденсатора большой емкости от 60 В до 90 В при 700 мА средняя потеря мощности за цикл зарядки составляет 10,5 Вт.
Альтернативно, для зарядки конденсатора большой емкости может быть применен электрический генератор, приводимый в действие течением бурового раствора. Поскольку выходное напряжение генератора пропорционально течению бурового раствора, которое является непостоянным, на выходе генератора для зарядки конденсатора большой емкости применяют регулируемую схему источника питания постоянного тока. Регулируемые источники питания чаще всего бывают крупных размеров, усложняют конструкцию, а также имеют ограниченный диапазон входного напряжения и ограниченную фактическую термостойкость. Соответственно, существует необходимость в разработке схемы источника питания постоянного тока, которая будет подходить для ограниченного доступного пространства скважинного инструмента, позволит расширить рабочий диапазон генератора и будет способна функционировать при более высоких температурах.
Кроме того, существует необходимость в разработке схемы источника питания постоянного тока, которая позволит заряжать конденсатор большой емкости как от аккумуляторной батареи, так и от электрического генератора, приводимого в действие течением бурового раствора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее варианты осуществления описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 показывает упрощенное блочное схематическое представление системы скважинных измерений в процессе бурения, соответствующее предпочтительному варианту осуществления, изображающее бурильную колонну и буровое долото для бурения скважины в геологической среде и инструмент гидроимпульсной скважинной телеметрии, расположенный в бурильной колонне, содержащий схему зарядки конденсатора большой емкости по Фиг. 2;
Фиг. 2 показывает упрощенную блочную схему электрических соединений схемы зарядки конденсатора большой емкости, соответствующей предпочтительному варианту осуществления, изображающая генератор для зарядки конденсатора через преобразователь;
Фиг. 3 показывает подробную схему электрических соединений схемы зарядки конденсатора большой емкости по Фиг. 2, детально изображающую усовершенствованный несимметричный преобразователь постоянного напряжения на катушках индуктивности;
Фиг. 4 показывает блок-схему, изображающую логику, реализуемую схемой зарядки конденсатора большой емкости по Фиг. 3;
Фиг. 5 показывает упрощенную блочную схему электрических соединений схемы зарядки конденсатора большой емкости по Фиг. 2, дополненную аккумуляторной батареей и схемой управления аккумуляторной батареей для возможности зарядки конденсатора большой емкости либо от преобразователя, либо от аккумуляторной батареи;
фиг. 6 показывает подробную схему электрических соединений схемы зарядки конденсатора большой емкости по Фиг. 5, соответствующая одному из вариантов осуществления; и
Фиг. 7 показывает блок-схему, изображающую логику подключения аккумуляторной батареи, реализуемую схемой зарядки конденсатора большой емкости по Фиг. 6.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 изображена система скважинных измерений в процессе бурения (MWD) или система проведения каротажа в процессе бурения (LWD) по настоящему изобретению. Система, показанная на Фиг. 1, обозначена числом 20.
Система 20 скважинных измерений в процессе бурения (MWD) может содержать наземную буровую установку 22. Однако идеи настоящего изобретения могут быть успешно применены на морских платформах, полупогружных буровых платформах, буровых судах и любых других буровых системах, подходящих для формирования ствола скважины, проходящего через одну или большее количество глубинных формаций.
Буровая установка 22 и применяемое в ней оборудование 50 для направленного бурения может быть расположено вблизи устья 24 скважины. Буровая установка 22 также содержит поворотный стол 38 бурового ротора, приводной двигатель 40 ротора и другое оборудование, предназначенное для поворота бурильной колонны 32 внутри ствола 60 скважины. Кольцевое пространство 66 может быть образовано между наружной стороной бурильной колонны 32 и внутренней стороной ствола 60 скважины.
В некоторых случаях буровая установка 22 также может содержать верхний силовой привод или установку 42 верхнего привода. Устье 24 скважины также может быть оборудовано противовыбросовым превентором (явно не показан), а также другим оборудованием, связанным с бурением ствола скважины. Один или большее количество насосов 48 могут применять для откачивания бурового раствора 46 из резервуара или котлована 30 для текучей среды к одному концу бурильной колонны 32, проходящей от устья скважины 24. Трубу 34 можно применять для подачи бурового раствора от насоса 48 к одному концу бурильной колонны 32, проходящей от устья скважины 24. Трубу 36 можно применять для возврата бурового раствора, пластовых текучих сред, выбуренной породы и/или обломков породы со дна или конца 62 ствола 60 скважины в резервуар или котлован 30 для текучей среды. В качестве труб 34 и 36 могут применять различные типы трубопроводов, трубок и/или труб.
Бурильная колонна 32 может проходить от устья 24 скважины и может быть соединена с источником бурового раствора, например, котлованом или резервуаром 30. Противоположный конец бурильной колонны 32 может содержать компоновку 90 нижней части бурильной колонны, содержащую поворотное буровое долото 100, расположенное рядом с концом 62 ствола 60 скважины. Компоновка 90 нижней части бурильной колонны также может содержать переводники долота, гидравлические забойные двигатели, стабилизаторы, утяжеленные бурильные трубы или подобное оборудование, известное в данной области техники. Поворотное буровое долото 100 может содержать один или большее количество каналов для протекания текучей среды с соответствующими насадками на их концах. Из резервуара 30 через насос 48 и трубу 34 к концу бурильной колонны 32, проходящей от устья скважины 24, могут накачивать буровые растворы 46 различных типов. Буровой раствор 46 может протекать через продольное отверстие (явно не показано) в бурильной колонне 32 и выходить из насадок, сформированных на поворотном буровом долоте 100.
В конце 62 ствола 60 скважины буровой раствор 46 может смешиваться с выбуренной породой и другими скважинными текучими средами и обломками породы вблизи бурового долота 100. Буровой раствор затем будет протекать вверх через кольцевое пространство 66 для возврата выбуренной породы и других обломков породы к устью 24 скважины. Труба 36 может возвращать буровой раствор в резервуар 30. Для отделения выбуренной породы и других обломков породы перед возвратом бурового раствора в котлован 30 могут применять сетки, фильтры и/или центробежные сепараторы различных типов (явно не показаны).
Компоновка 90 нижней части бурильной колонны также может содержать различные инструменты 91 для получения каротажных данных или данных измерений и другой информации о стволе 60 скважины. Эти данные и информация могут отображаться на контролирующем устройстве 50. В частности, компоновка 90 нижней части бурильной колонны содержит скважинный инструмент 91 с телеметрическим устройством, содержащим схему 10 или 10' зарядки конденсатора большой емкости, описанную ниже в отношении Фиг. 2-4. Однако при необходимости в компоновку 90 нижней части бурильной колонны могут быть включены инструменты различных других типов.
Данные измерений и другая информация могут быть переданы с конца 62 ствола 60 скважины через текучую среду в бурильной колонне 32 или в кольцевом пространстве с применением способов выполнения измерений во время бурения (MWD) и преобразованы в электрические сигналы на поверхности 24 скважины. Посредством кабелей или электрических проводов 52 электрические сигналы могут передавать на входное устройство 54. Данные измерений с входного устройства 54 могут затем быть переданы в систему 56 обработки данных. В составе управляющего устройства 50 могут применять различные устройства 58 отображения.
В некоторых вариантах применения для контроля функционирования бурильной колонны 32, компоновки 90 нижней части бурильной колонны и соответствующего поворотного бурового долота 100 также могут применять принтер 59 и соответственно распечатки 59а. Выходные данные 57 могут быть переданы различным компонентам, связанным с работой буровой установки 22, также они могут быть переданы в различные удаленные места для контроля функционирования буровой системы 20.
Фиг. 2 представляет собой упрощенную блочную схему электрических соединений схемы 10 зарядки конденсатора большой емкости, соответствующей предпочтительному варианту осуществления, который иллюстрирует принцип ее действия. Скважинный электрический генератор 12 вырабатывает выпрямленное напряжение, пропорциональное частоте его вращения. Электрический генератор 12 предпочтительно приводят в действие течением бурового раствора, который могут подавать на генератор 12 через бурильную колонну 32 (Фиг. 1). В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, полезный диапазон напряжения генератора 12 составляет приблизительно от 100 вольт до 400 вольт. Выпрямленное напряжение подают на преобразователь 14, который, в свою очередь, заряжает конденсатор 16 большой емкости. То есть, преобразователь 14 селективно передает заряд с генератора 12 на конденсатор 16 большой емкости, как это будет описано ниже. Конденсатор 16 большой емкости может представлять собой конденсатор большого размера, который предусмотрен для хранения энергии, применяемой в работе исполнительного устройства (не показано) скважинного инструмента 91. В соответствии с одним из вариантов осуществления скважинный инструмент 91 может содержать телеметрическое устройство, а исполнительное устройство может представлять собой электромагнит клапана с электромагнитным, например, для создания импульса давления в буровом растворе. Хотя конденсатор 16 большой емкости в данном документе упоминают как отдельный конденсатор, для среднего специалиста в данной области техники будет очевидно, что конденсатор 16 большой емкости может содержать множество отдельных конденсаторов, соединенных между собой последовательно, параллельно или с применением комбинации этих способов.
Преобразователь 14 может быть расположен в скважинном инструменте 91 (Фиг. 1), который содержит корпус 92, защищающий электронные компоненты от воздействия опасных факторов скважинной среды. Генератор 12 и/или конденсатор 16 большой емкости также могут быть расположены в корпусе 92 с преобразователем 14, как показано на Фиг. 2. Альтернативно, преобразователь 14, генератор 12 и конденсатор 16 большой емкости могут быть расположены в одном или большем количестве скважинных компонентов в компоновке 90 нижней части бурильной колонны как, например, показано на Фиг. 5.
Преобразователь 14 представляет собой четырехполюсник с парой входных полюсов 13 и парой выходных полюсов 17. Генератор 12 подключен к входным полюсам 13 и подает выпрямленное напряжение постоянного тока, пропорциональное частоте его вращения. Один из входных полюсов 13 электрически соединен с одним из выходных полюсов 17 и может представлять собой «землю» или общую точку опорного напряжения. Конденсатор 16 большой емкости соединен с выходными полюсами 17.
BC
BC
Когда напряжение Vна конденсаторе 16 большой емкости достигает заданного уровня заряда, предпочтительно около 90 вольт, цепь 18 обратной связи по напряжению инициирует прекращение зарядки конденсатора преобразователем 14. При приведении в действие исполнительного устройства (не показано), например, одного или большего количества клапанов с электромагнитным управлением (не показаны) для создания импульсов давления бурового раствора, логическая схема 15 управления через линию 20 управления также инициирует прекращение зарядки конденсатора 16 большой емкости преобразователем 14 в целях повышения эффективности и производительности схемы. При обычных условиях эксплуатации в конце последовательности приведения в действие конденсатор 16 большой емкости будет разряжен с приблизительно 90 вольт до 60 вольт. Если напряжение конденсатора Vпадает ниже заданного нижнего уровня в режиме холостого хода, т.е. когда электромагниты не приведены в действие, цепь 18 обратной связи по напряжению инициирует возобновление зарядки конденсатора 16 преобразователем 14 для обеспечения его дозарядки.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления преобразователь 14 представляет собой несимметричный преобразователь постоянного напряжения на катушках индуктивности (SEPIC), который содержит катушки L1, L2 индуктивности, конденсатор С3, диод D22 и элемент Q13 коммутирования цепи управления, который циклически включают и выключают для передачи заряда. В соответствии с этим вариантом осуществления, поскольку преобразователь 14 представляет собой несимметричный преобразователь постоянного напряжения на катушках индуктивности (SEPIC), он способен выдавать выходное напряжение, которое превышает его входное напряжение, меньше, чем его входное напряжение, или равно ему, в зависимости от рабочего цикла элемента Q13 коммутирования цепи управления. Катушки L1 и L2 индуктивности могут быть отдельными несвязанными компонентами или они могут быть намотаны на одном сердечнике и, таким образом, быть связанными. Связывание катушек L1 и L2 индуктивности позволяет сократить значения индуктивности наполовину и, таким образом, сэкономить пространство.
На Фиг. 3 представлена более подробная схема электрических соединений схемы 10 зарядки конденсатора большой емкости по Фиг. 2. В соответствии с одним из вариантов осуществления элемент Q13 коммутирования цепи управления может представлять собой полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник, биполярный транзистор, биполярный транзистор с изолированным затвором, полевой транзистор с управляющим переходом или другое подходящее устройство.
Рабочий цикл элемента Q13 коммутирования цепи управления может определять тактовый генератор, который может быть подключен к элементу Q13 коммутирования цепи управления через управляющую схему. В соответствии с одним из вариантов осуществления тактовый генератор представляет собой тактовый генератор на триггере Шмидта, образованный из компаратора U1, резисторов R117, R118 и R5 и конденсатора C44. Поскольку тактовые генераторы на триггере Шмидта известны специалистам в данной области техники, их подробное описание не приводится в данном документе. Однако изобретение не ограничено конкретным устройством синхронизации и при необходимости могут быть применены другие генераторы тактовых импульсов или, например, кварцевые резонаторы. Коммутирующие элементы Q6 и Q9 образуют управляющую схему, которая подключает тактовый генератор к элементу Q13 коммутирования цепи управления через конденсатор C41 и резисторы R81, R94. В соответствующих случаях могут применять дискретные или интегральные компоненты или коммерческую схему управления, а конфигурация схемы управления может быть изменена в соответствии с необходимостью поддержки типа устройства, применяемого в качестве элемента Q13 коммутирования цепи управления.
Одним из преимуществ несимметричного преобразователя постоянного напряжения на катушках индуктивности (SEPIC) по сравнению с обычной схемой стабилизированного источника питания является то, что для защиты системы от переходного напряжения не требуется демпферная цепь, поскольку сам конденсатор выходного фильтра выступает в качестве демпфера. Отсутствие демпфера позволяет схеме работать более эффективно. Однако, эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора 16 большой емкости вместе с индуктивностью соединительных проводов может предотвращать существенное демпфирование. Соответственно, конденсатор С1 может быть добавлен в схему для улучшения демпфирования. Добавление конденсатора C1 не приводит к снижению эффективности схемы 10, поскольку его заряд добавляется к заряду конденсатора 16 большой емкости.
CC
Резисторы R4, R5 и R116 и источник V напряжения применяют для обеспечения опережающего управления от генератора 12 (Фиг. 2). Опережающее управление изменяет как частоту колебаний, так и рабочий цикл таким образом, что амплитуду тока в элементе Q13 коммутирования цепи управления поддерживают почти постоянной. Функция опережающего управления обуславливает инвертирование выходного сигнала тактового генератора управляющей схемой коммутирующего элемента, как это происходит в схеме 10, показанной на Фиг. 3.
Коммутирующие элементы Q11 и Q12 соединены таким образом, что, по существу, образуют логическую схему «ИЛИ». Если напряжение на затворе любого из коммутирующих элементов Q11, Q12 является высоким, то конденсатор С44 закорочен и тактовый генератор прекращает работу, как это описано ниже.
BC
2
2
BC
В соответствии с одним из вариантов осуществления схема 10 может содержать схему включения преобразователя, включенную между конденсатором 16 большой емкости и тактовым генератором, которую применяют для прекращения работы тактового генератора, когда конденсатор 16 большой емкости заряжают до более высокого заданного значения, а именно его заранее заданного уровня полного заряда, следующим образом: Схема делителя напряжения из резисторов R109 и R106 определяет напряжение V на конденсаторе 16 большой емкости. Разделенное напряжение сравнивают с эталонным напряжением V, приложенным к инвертирующему входу компаратора U2. Если разделенное напряжение превышает эталонное напряжение V, компаратор U2 выдает высокий логический уровень, который включает коммутирующий элемент Q11, который в свою очередь закорачивает инвертирующий вход компаратора U1 на землю, таким образом останавливая генерацию. Резистор R113 образует линию положительной обратной связи, которая обеспечивает гистерезис, чтобы определить, когда напряжение на конденсаторе большой емкости упадет ниже определенного заданного низкого значения, например, вследствие естественной утечки, при этом тактовый генератор буде запущен снова для поддержания на конденсаторе требуемого напряжения V.
1
В соответствии с одним из вариантов осуществления схема 10 может содержать схему выключения преобразователя, соединенную с тактовым генератором, который выключает генератор, когда требуется разрядить конденсатор 16 большой емкости через электромагниты для приведения в действие клапана, следующим образом: управляющий сигнал 20 от соответствующей логической схемы 15 управления поступает на неинвертирующий вход компаратора U3 через резистор R2. Эталонное напряжение V представляет собой заранее заданное значение для компаратора U3 на его инвертирующем входе. Если управляющий сигнал 20 является высоким, компаратор U3 выдает высокий логический уровень, который включает коммутирующий элемент Q12, который в свою очередь закорачивает инвертирующий вход компаратора U1 на землю, тем самым прекращая работу тактового генератора и циклирование элемента Q13 коммутирования цепи управления. Эта дополнительная функция повышает эффективность работы схемы 10.
1
Коммутирующий элемент Q12 также выключает тактовый генератор, если ток утечки через элемент Q13 коммутирования цепи управления является слишком высоким. Этот ток утечки определяется резистором R6 и подается на компаратор U3 через резисторы R84, R85 и конденсатор C2. Эталонное напряжение V представляет собой заранее заданное значение для компаратора U3. Резистор R83 обеспечивает гистерезис.
На Фиг. 4 представлено функционирование схемы 10 зарядки конденсатора большой емкости по Фиг. 3. Как показано на Фиг. 3 и 4, блок 200 принятия решения, который определяет, происходит ли активный разряд конденсатора 16 большой емкости в электромагнит, реализуют с помощью логической схемы 15 управления, компаратора U3 и связанной с ним схемы, а также коммутирующего элемента Q12. Блок 202 принятия решения определяет, полностью ли заряжен конденсатор 16 большой емкости, его реализуют с помощью резисторов R109, R106 деления напряжения, компаратора U2, резистора R113 обратной связи и коммутирующего элемента Q11. Блок 204 принятия решения определяет, не слишком ли высокий ток протекает через вывод стока элемента Q13 коммутирования цепи управления, его реализуют с помощью резистора R6, компаратора U3 и связанной с ним схемы, а также коммутирующего элемента Q12.
Если какое-либо одно или большее количество условий блоков 200, 202, 204 принятия решений выполняется, то есть, если конденсатор 16 большой емкости активно разряжается, если конденсатор 16 большой емкости полностью заряжен или при наличии чрезмерного тока утечки через элемент Q13 коммутирования цепи управления, тактовый генератор выключается, как показано в блоке 210 состояния. В противном случае тактовый генератор включен, как показано в блоке 212 состояния.
BC
Если тактовый генератор выключен, он будет оставаться выключенном состоянии 210 до тех пор, пока напряжение V на конденсаторе 16 большой емкости будет выше заданного нижнего значения, которое определяется величиной сопротивления гистерезисного резистора R113, как это описано выше. Эта логика отражена на Фиг. 4 в блоке 206 принятия решения.
На Фиг. 5 представлена блочная схема электрических соединений схемы 10 зарядки конденсатора большой емкости. Схема 10 по Фиг. 5 по существу аналогична схеме 10 по Фиг. 2, за исключением того, что она расширена для обеспечения возможности зарядки конденсатора 16 большой емкости либо от генератора 12, подключенного к входным полюсам 13, либо от аккумуляторной батареи 19, подключенной на выходным полюсам 17 через схему 9 управления аккумуляторной батареей. Хотя было рассмотрено применение отдельной аккумуляторной батареи 19, для специалиста в данной области техники будет очевидно, что аккумуляторная батарея 19 может состоять из нескольких отдельных элементов, соединенных последовательно или параллельно.
В случае применения аккумуляторной батареи электрический заряд передается от аккумуляторной батареи 19 на конденсатор 16 большой емкости через схему 9 управления аккумуляторной батареей. В соответствии с одним из вариантов осуществления схема 9 управления аккумуляторной батареей может выполнять одну или большее количество из следующих функций: Подключение аккумуляторной батареи 19 к конденсатору 16 большой емкости при включении оператором режима питания от аккумуляторной батареи; ограничение протекания тока через аккумуляторную батарею 19 во время зарядки конденсатора 16 большой емкости от аккумуляторной батареи; отключение аккумуляторной батареи 19 в период разряда конденсатора 16 большой емкости в исполнительное устройство; и предотвращение зарядки конденсатора 16 большой емкости от аккумуляторной батареи 19, когда подключен генератор 12, путем отключения аккумуляторной батареи 19 от конденсатора 16 большой емкости.
Схема 9 управления аккумуляторной батареей может содержать коммутирующий элемент для подключения аккумуляторной батареи, который подключен посредством линии 7 управления к логической схеме 15 управления и который в первом состоянии служит для подключения аккумуляторной батареи 19 к конденсатору 16 большой емкости при включении оператором режима питания от аккумуляторной батареи, а во втором состоянии для отключения аккумуляторной батареи 19 в период разряда конденсатора 16 большой емкости в исполнительное устройство. Схема 9 управления аккумуляторной батареей также может содержать схему отключения аккумуляторной батареи, которая подключена посредством сигнальной цепи 8 к выходному полюсу 17 таким образом, что способна определять, когда генератор 12 заряжает конденсатор 16 большой емкости и автоматически отключать аккумуляторную батарею 19 от конденсатора 16 большой емкости в такие периоды.
На Фиг. 6 представлена подробная схема электрических соединений схемы 10 зарядки конденсатора большой емкости по Фиг. 5. Многие из элементов и функций схемы по существу аналогичны элементам и функциям схемы 10, показанной на Фиг. 3, и во избежание повторений не обсуждаются снова.
В соответствии с одним из вариантов осуществления схема 9 управления аккумуляторной батареей может содержать ограничитель тока, содержащий диод D200, транзистор Q200 и резистор R200. Транзистор Q200 ограничения тока включают путем создания смещения на его затворе с положительного полюса аккумуляторной батареи 19 через резисторы R93 и R201. Хотя описанный в данном документе ограничитель тока представляет собой линейный ограничитель тока, при необходимости также может быть применен ограничитель тока с переключением режима.
В соответствии с одним из вариантов осуществления сигнальная цепь 8 (Фиг. 5) и часть схемы 9 управления аккумуляторной батареей определяют схему отключения аккумуляторной батареи, которая реализует функцию предотвращения заряда конденсатора 16 большой емкости от аккумуляторной батареи 19, когда работает генератор 12 (Фиг. 5), следующим образом: ток, протекающий через узел 11, заряжает конденсатор 16 большой емкости через резистор R98, имеющий низкое значение сопротивления в Омах. Некоторая часть выходного тока протекает через параллельный путь – на эмиттер коммутирующего элемента Q1 и из его базы через резистор R100 – тем самым включая коммутирующий элемент Q1. Коммутирующий элемент Q1 затем включает коммутирующий элемент Q5, подавая напряжение на его затвор через схему делителя напряжения, состоящую из резисторов R85 и R92. Коммутирующий элемент Q5 в свою очередь предотвращает протекание тока через транзистор Q200 ограничения тока за счет закорачивания напряжения затвор-исток в транзисторе Q200 на ноль, тем самым обеспечивая осуществление заряда конденсатора 16 большой емкости исключительно от генератора, а не от аккумуляторной батареи 30. В этом смысле, транзистор Q200 ограничения тока также выступает в качестве переключающего элемента, который осуществляет включение/выключение.
Схема 9 управления аккумуляторной батареей также может содержать коммутирующий элемент SW1 для подключения аккумуляторной батареи. В случае применения аккумуляторной батареи ток протекает от положительного полюса аккумуляторной батареи 19 в конденсатор 16 большой емкости, через коммутирующий элемент SW1 для подключения аккумуляторной батареи, схему ограничителя тока, описанную выше, и обратно к отрицательному полюсу аккумуляторной батареи 30. Коммутирующий элемент SW1 отключает аккумуляторную батарею 19 во время разряда конденсатора большой емкости в электромагниты. Коммутирующим элементом SW1 для подключения аккумуляторной батареи может управляться логической схемой 15 управления, вручную или с помощью другого подходящего устройства. Альтернативно, функция, реализуемая с помощью коммутирующего элемента SW1 для подключения аккумуляторной батареи, может быть иначе реализована с помощью транзистора Q200 ограничения тока с применением логической схемы 15 управления для селективного закорачивания напряжения затвор-исток в транзисторе Q200 на ноль.
На Фиг. 7 показано функционирование схемы подключения аккумуляторной батареи по Фиг. 6. Как показано на Фиг. 6 и 7, блок 220 принятия решения определяет, разомкнут или замкнут коммутирующий элемент SW1 для подключения аккумуляторной батареи, блок 222 принятия решения определяет, заряжает ли преобразователь 14 конденсатор 16 большой емкости, т. e. работает ли генератор 12 (Фиг. 4). В конкретном раскрытом варианте осуществления блок 222 принятия решения реализуют с помощью коммутирующих элементов Q1, Q5, транзистора Q200 ограничения тока и резисторов R98, R100, R93, R921. Если выполняется любое из условий блоков 220, 222 принятия решения, аккумуляторная батарея 19 отключается от конденсатора 16 большой емкости, как показано в блоке 230 состояния. В противном случае, аккумуляторную батарею 19 подключают к конденсатору 16 большой емкости для зарядки, как показано в блоке 232 состояния.
Таким образом, были описаны скважинный инструмент, буровая система, а также способ и устройство для зарядки конденсатора большой емкости. В соответствии с вариантами осуществления скважинный инструмент, как правило, может содержать корпус, конденсатор большой емкости, расположенный в корпусе и выполненный с возможностью хранения энергии электрический генератор, расположенный в корпусе и соединенный по текучей среде с источником текучей среды под давлением для обеспечения поворота генератора, и несимметричный преобразователь постоянного напряжения на катушках индуктивности, расположенный в корпусе и селективно подключаемый между конденсатором большой емкости и генератором для передачи электрического заряда от генератора на конденсатор большой емкости, когда значение напряжения на конденсаторе большой емкости находится в пределах между заданным низким значением и заданным высоким значением. В соответствии с вариантами осуществления буровая система, как правило, может содержать бурильную колонну, буровое долото, установленное в бурильной колонне, устройство гидроимпульсной скважинной телеметрии, установленное в бурильной колонне, электрический генератор, соединенный с телеметрическим устройством и соединенный по текучей среде с источником текучей среды под давлением для обеспечения поворота генератора, и несимметричный преобразователь постоянного напряжения на катушках индуктивности, соединенный с телеметрическим устройством и генератором для запитывания телеметрического устройства. В соответствии с вариантами осуществления, способ зарядки конденсатора большой емкости, как правило, может предполагать оснащение скважинного инструмента конденсатором большой емкости, который электрически соединен с исполнительным устройством для запитывания исполнительного устройства, оснащение скважинного инструмента электрическим генератором, включение несимметричного преобразователя постоянного напряжения на катушках индуктивности между конденсатором большой емкости и генератором для передачи электрического заряда от генератора на конденсатор большой емкости, зарядку конденсатора большой емкости с помощью генератора через преобразователь, и по меньшей мере частичный разряд конденсатора большой емкости через исполнительное устройство для запитывания исполнительного устройства. И наконец, в соответствии с вариантами осуществления устройство для зарядки конденсатора большой емкости, как правило, может содержать конденсатор большой емкости, выполненный с возможностью хранения энергии, электрический генератор, несимметричный преобразователь постоянного напряжения на катушках индуктивности, избирательно подключаемый между конденсатором большой емкости и генератором для передачи электрического заряда от генератора на конденсатор большой емкости, когда значение напряжения на конденсаторе большой емкости находится между заданным низким значением и заданным высоким значением, и аккумуляторную батарею, селективно подключаемую к конденсатору большой емкости для передачи электрического заряда от аккумуляторной батареи на конденсатор большой емкости, когда коммутирующий элемент для подключения аккумуляторной батареи находится в первом положении, и отключаемую от конденсатора, когда коммутирующий элемент для подключения аккумуляторной батареи находится во втором положении.
Любой из вышеописанных вариантов осуществления может содержать любой из следующих элементов или любую из следующих характеристик по отдельности или в сочетании друг с другом: электромагнит, запитываемый от конденсатора большой емкости; аккумуляторную батарею, селективно подключаемую к конденсатору большой емкости для передачи электрического заряда от аккумуляторной батареи на конденсатор большой емкости, когда коммутирующий элемент для подключения аккумуляторной батареи находится в первом положении, и отключаемую от конденсатора, когда коммутирующий элемент для подключения аккумуляторной батареи находится во втором положении; схему отключения аккумуляторной батареи, подключаемую между преобразователем и коммутирующим элементом для подключения аккумуляторной батареи и выполненную с возможностью переключения коммутирующего элемента для подключения аккумуляторной батареи во второе положение, когда преобразователь передает электрический заряд от генератора на конденсатор большой емкости; ограничитель тока, подключаемый между аккумуляторной батареей и конденсатором большой емкости и выполненный с возможностью ограничения протекания электрического тока между аккумуляторной батареей и конденсатором большой емкости; причем преобразователь представляет собой четырехполюсник с первым и вторым входными полюсами и первым и вторым выходными полюсами, причем второй входной полюс электрически соединен со вторым выходным полюсом, причем генератор электрически соединен с первым и вторым входными полюсами, и причем конденсатор большой емкости электрически соединен с первым и вторым выходными полюсами, причем преобразователь содержит первую и вторую катушки индуктивности и первый конденсатор, каждый из которых имеет первый и второй полюсы, причем преобразователь содержит диод, содержащий анод и катод, причем первый полюс первой катушки индуктивности электрически соединен с первым входным полюсом, причем первый полюс первого конденсатора электрически соединен со вторым полюсом первой катушки индуктивности, причем анод диода электрически соединен со вторым полюсом первого конденсатора, причем катод диода электрически соединен с первым выходным полюсом, и причем второй полюс второй катушки индуктивности электрически соединен со вторым входным полюсом, и причем преобразователь содержит элемент коммутирования цепи управления, подключенный с возможностью управления между первым полюсом первого конденсатора и вторым входным полюсом; причем первая и вторая катушки индуктивности намотаны вокруг общего сердечника; тактовый генератор, подключенный с возможностью управления к элементу коммутирования цепи управления для обеспечения циклической работы элемента коммутирования цепи управления и при этом передачи заряда от генератора на конденсатор большой емкости; схему включения преобразователя, подключенную с возможностью управления между конденсатором большой емкости и тактовым генератором и выполненную с возможностью предотвращения циклической работы элемента коммутирования цепи управления, когда напряжение на конденсаторе большой емкости превышает высокое заданное значение, и разрешения циклической работы элемента коммутирования цепи управления, когда напряжение на конденсаторе большой емкости падает ниже низкого заданного значения; причем схема включения преобразователя содержит компаратор, который определяет напряжение, пропорциональное напряжению на конденсаторе большой емкости, и линию положительной обратной связи, которая обеспечивает гистерезис; схему выключения преобразователя, подключенную с возможностью управления к тактовому генератору и выполненную с возможностью предотвращения циклической работы элемента коммутирования цепи управления, когда конденсатор большой емкости разряжают; телеметрическое устройство, которое содержит клапан с электромагнитным управлением для создания импульса давления в системе подачи текучей среды под давлением; включение преобразователя, когда напряжение на конденсаторе большой емкости падает ниже заданного низкого значения для обеспечения зарядки генератором конденсатора большой емкости; отключение преобразователя, когда напряжение на конденсаторе большой емкости превышает заданное высокое значение, с тем, чтобы генератор не заряжал конденсатор большой емкости; оснащение скважинного инструмента аккумуляторной батареей; селективное подключение аккумуляторной батареи с помощью коммутирующего элемента для подключения аккумуляторной батареи к конденсатору большой емкости; включение коммутирующего элемента для подключения аккумуляторной батареи для передачи электрического заряда от аккумуляторной батареи на конденсатор большой емкости; выключение коммутирующего элемента для отключения аккумуляторной батареи от конденсатора большой емкости, когда преобразователь передает электрический заряд от генератора на конденсатор большой емкости; выключение преобразователя, когда конденсатор большой емкости разряжается через исполнительное устройство; приведение в действие клапана; присоединение клапана по текучей среде) к источнику текучей среды; и создание импульсов давления в источнике текучей среды при приведении клапана в действие.
Реферат настоящего изобретения разработан исключительно для предоставления в Бюро регистрации патентов и товарных знаков США и представления более широкой аудитории способа быстрого определения характера и сущности технического описания после беглого прочтения, и предоставляет лишь один или большее количество вариантов осуществления.
Хотя подробно проиллюстрированы различные варианты осуществления, изобретение не ограничивается представленными вариантами осуществления. Для специалистов в данной области техники будут очевидны возможные усовершенствования и доработки представленных выше вариантов осуществления. Эти усовершенствования и доработки не отступают от сущности и входят в объем настоящего изобретения.