遠隔測定及び電力供給のための方法および装置

专利摘要:
記録計、ケーブル・ネットワーク及び複数のダウンホール・センサ・ノードを含む遠隔検知システムが提供される。ケーブル・ネットワークは、第１のケーブル及び第２のケーブルを含む。第１及び第２のケーブルは、ループを形成することが可能である。記録計及び複数のダウンホール・センサ・ノードは、ケーブル・ネットワークに直列に接続される。第１のケーブルは、ノードに電力を供給し、第２のケーブルは、電力帰路を含み、記録計に対してループを閉じる。
公开号:JP2011505734A
申请号:JP2010535464
申请日:2008-11-04
公开日:2011-02-24
发明作者:裕司 細田；正博 鎌田
申请人:シュルンベルジェ ホールディングス リミテッドＳｃｈｌｎｍｂｅｒｇｅｒ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ；
IPC主号:H04Q9-00

专利说明:

[0001] 本開示は、一般に、ツールに対して給電し、かつ通信するための方法及び装置に関する。より具体的には、本開示は、ダウンホール（地面に掘った孔）、海中又は陸地用途のためのデータ取得システムのようなツールに対して、遠隔で給電し、かつ通信するための方法及び装置に関する。]
背景技術

[0002] 油層及びガス層の回復を増進し、かつ観察するために、ボーリング孔（ｂｏｒｅｈｏｌｅ）の検層及び監視が長年にわたって行われている。ボーリング孔の検層において地下測定を行う１つの方法は、１つ又はそれ以上のツールを地表システムに接続されたワイヤラインに取り付けることを含む。次に、ツールは、ワイヤラインによってボーリング孔の中に降ろされ、測定を行いながらボーリング孔を通って地表まで引き戻される（「検層する」）。ワイヤラインは、通常は、命令／同期／電力／データの伝送又は「遠隔測定」能力を有する導電ケーブルである。同様に、これもまた通常は電気ケーブルに取り付けられる常設のセンサを用いて、常設の監視システムが確立される。]
[0003] 幾つかの地震データ取得システムにおいては、遠隔測定に基づく地震記録計は、導電ケーブルとしてのツイストペア線を通じて、遠隔データ取得ユニット（例えば、通常は直列に配置されたネットワーク内のノード）に命令及びタイミング信号又はクロック信号を送信する。各ノードは、それ自体のクロックをツイストペア線から着信するクロック信号に同期させ、別のツイストペア線を通して、多くの場合はリアルタイムでデータを送信する。これらのシステム内の各ノードは、それ自体の局所バッテリによって給電されるので、記録計から電力を供給する必要はない。]
[0004] しかしながら、ペア線の一部、コネクタ・ピン、ノード電子機器又はバッテリが故障した場合、故障したノードの向こう側の全てのノードは、記録計との通信が絶たれる。バッテリの不具合は、ツイストペア線を通じて電力を供給することによって排除することができるが、コネクタ、ノード電子機器又はペア線の問題から生じる故障は残る。さらに、ケーブル内の電気抵抗は、記録計からのノードの距離が増すほど、線間電圧の降下をもたらす。ケーブル内の電圧降下は、長い距離にわたって多数のノードを効率的に接続することを困難にすることがある。さらに、上述のように、コネクタが、不具合のその他の原因である。従って、信頼性の観点から、導体及びコネクタ・ピンは少ないほど良い。]
[0005] 本明細書は、上記の１つ又はそれ以上の問題の影響を改善すること又は少なくとも減らすことに向けられた幾つかの実施形態を提供する。多数の可能な実施形態のうちの１つにおいて、遠隔検知システムが提供される。遠隔検知システムは、記録計と、ループを形成する第１のケーブル及び第２のケーブルを含むケーブル・ネットワークと、複数のダウンホール・センサ・ノードとを含み、記録計及び複数のダウンホール・センサ・ノードは、ケーブル・ネットワークに直列に接続され、第１のケーブルは、ノードに電力を供給し、第２のケーブルは、電力帰路を含み、かつ記録計に対してループを閉じる。一実施形態においては、第１及び第２のケーブルの各々は、少なくとも１つのコアを含むケーブルを含み、第１のケーブルの少なくとも１つのコアは、ノードに電力を供給し、第２のケーブルの少なくとも１つのコアは、電力帰路を含み、かつ記録計に対してループを閉じる。]
[0006] 遠隔検知システムの一実施形態において、第１及び第２のケーブルの各々は、導体部材をさらに含み、第１又は第２のケーブルの該部材は、故障条件において、電力帰路を含み、かつ記録計に対してループを閉じる。一実施形態において、複数のダウンホール・センサ・ノードは、電力及びデータ伝送の経路を変更することが可能なできる１つ又はそれ以上のスイッチを含む。一実施形態において、ノードのスイッチは、データ伝送を１つ又はそれ以上の方向に向かわせるように動作可能である。一実施形態において、ノードのスイッチは、第１及び第２のケーブルに沿って、データ伝送をノードから記録計へと並列で向かわせる。一実施形態において、複数のダウンホール・センサ・ノードそれぞれのスイッチは、ノード間に故障が検出された場合、電力を提供するケーブルと同じケーブルを通じて電力を戻し、かつ命令及び／又は同期信号とは反対方向にデータを送信するようにプログラムされる。]
[0007] 遠隔検知システムの一実施形態は、複数の故障が発生した場合に電力及びデータ伝送の経路設定を行うために、スイッチによって選択的に接続可能な少なくとも２つの非隣接ノード間のケーブル接続をさらに含む。遠隔検知システムの別の実施形態は、複数の故障が発生した場合に電力及びデータ伝送の経路設定を行うために、スイッチによって選択的に接続可能な少なくとも４つの非隣接ノード間のケーブル接続をさらに含む。一実施形態において、センサ・ノードは各々、常設地震センサ及び遠隔測定モジュールを含む。一実施形態において、第１及び第２のケーブルは、クワッド・ケーブルによって形成され、第１及び第２のケーブルの少なくとも１つのコアは、互いに隔離される。]
[0008] １つの態様は、坑口と、記録計と、ループを形成する第１の遠隔測定及び電力用ケーブル並びに第２の遠隔測定及び電力用ケーブルを含んで坑口を貫通するケーブル・ネットワークと、ケーブル・ネットワークに直列に接続された地震センサ及び遠隔測定モジュールを各ノードが含む複数のダウンホール・ノードとを含む遠隔検知システムを提供し、第１のケーブルは、ダウンホール・ノードに電力を供給し、第２のケーブルは、電力帰路を含み、かつ記録計に対してループを閉じる。]
[0009] 一実施形態において、複数のダウンホール・ノードは、電力ループ構成を変更すること及び地震センサからのデータ伝送の経路設定を変更することが可能な、１つ又はそれ以上のスイッチを含む。一実施形態において、正常な動作条件下で、電力は、第１のケーブルに沿って複数のダウンホール・ノードに伝送され、スイッチは、遠隔測定及び電力用ケーブルを通じてループを閉じるようにプログラムされる。一実施形態において、隣接するダウンホール・ノード間に故障が発生した場合に、電力は、第１及び第２のケーブルの両方に沿って複数のダウンホール・ノードに伝送され、スイッチは、第１の遠隔測定及び電力用ケーブルの第１の電力ループを閉じ、かつ第２の遠隔測定及び電力用ケーブルの第２の電力ループを閉じるようにプログラムされる。一実施形態において、スイッチは、遠隔測定モジュールからの地震センサのデータを、第１及び第２のケーブルを通じて、命令及び／又は同期信号とは反対方向に経路設定するようにプログラムされる。]
[0010] 遠隔検知システムの一実施形態は、ノード間に複数の故障が発生した場合に電力及びデータ伝送の経路変更を行うために、スイッチによって選択的に接続可能な少なくとも２つの非隣接ダウンホール・ノード間のケーブル接続をさらに含む。遠隔検知システムの別の実施形態は、ノード間に複数の故障が発生した場合に電力及びデータ伝送の経路設定を行うために、スイッチによって選択的に接続可能な少なくとも４つの非隣接ダウンホール・ノード間に接続された第３及び第４の遠隔測定及び電力用ケーブルをさらに含む。一実施形態において、電力及び同期信号は、一緒に下流に（ｄｏｗｎｈｏｌｅ）供給される。]
[0011] １つの態様は、遠隔検知システムにおいて電力及びデータ伝送を提供する方法を含み、該方法は、第１のケーブルに沿って直列に配置された複数のノードに対して電力を下流に供給し、隣接するノード間の故障を監視し、故障が検出されない場合には、ノードに接続された第２のケーブルを通じて第１の電力ループを閉じ、隣接するノード間に１つの故障が検出された場合には、故障箇所において第１のケーブルを通じて第１の電力ループを閉じ、第２のケーブルを用いて複数のノードの幾つかに対して電力を下流に供給し、故障箇所において第２のケーブルを通じて第２の電力ループを閉じるステップを含む。故障が検出されない場合には、該方法は、データを第１及び第２のケーブルを通じて上流に（ｕｐｈｏｌｅ）並列で伝送するステップを含む。隣接するノード間に１つの故障が検出された場合には、該方法は、データを故障箇所の近位のノードから第１のケーブルを通じて上流に伝送し、かつデータを故障箇所の遠位のノードから第２のケーブルを通じて下流に伝送するステップを含む。一実施形態において、故障が検出されない場合は、データを、第１及び第２のケーブルを通じて、命令及び／又は同期信号の方向と反対の単一方向に直列で上流に伝送する。該方法の一実施形態は、非隣接ノードを少なくとも１つのケーブルで接続するステップをさらに含む。隣接ノードの２つ又はそれ以上の別々の組の間に故障が検出された場合には、該方法は、非隣接ノードを少なくとも１つのケーブルを用いて相互接続するようにノード接続を切り替え、各故障を迂回して電力及びデータ伝送の経路を変更するステップをさらに含む。]
[0012] １つの態様は、遠隔検知システムにおける伝搬遅延を測定する方法を提供する。該方法は、記録計を準備し、ループを形成する第１のケーブル及び第２のケーブルを含むケーブル・ネットワークを準備し、複数のダウンホール・センサ・ノードを準備し、記録計及び複数のダウンホール・センサ・ノードをケーブル・ネットワークに直列に接続し、第１のケーブルによって、記録計に対してループを閉じ、記録計から複数のダウンホール・センサ・ノードに対してデータを送信する開始時刻を測定し、送信されたデータが記録計に戻る到着時刻を測定し、開始時刻及び到着時刻を用いて伝搬遅延を計算するステップを含む。]
[0013] 更なる利点及び新規な特徴は、以下の説明において記述されており、又は当業者が、これらの資料を読むこと又は本明細書に記載された原理を実施することによって習得することができる。]
[0014] 添付の図面は、特定の実施形態を示すものであり、明細書の一部である。以下の説明と共に、図面は、特定の原理を例証し、説明する。]
図面の簡単な説明

[0015] 一実施形態による、常設のボーリング孔センサ設置の概略図である。図１に示され、かつこれに関連して記載される原理は、検層システム又は一時的設置にも適用可能である。
ダウンホール・ノードによるケーブルからの直列の電力抽出、及び信号遅延測定を示す電気回路図である。
ダウンホール・ノードによる直列の電力抽出及び単一方向のデータ伝送を伴うデュアル・ケーブル・システムを示す電気回路図である。
図２の図におけるシステム遅延を模式的に示す。
故障条件下での電力及びデータ伝送を含む、図２の電気回路図を示す。
図３のノードにおける電力抽出の一実施形態を概略的に示す。
定電流電力供給に関して、正常条件及び故障条件下での図２の電気回路図のケーブルに沿った電圧プロファイルを概略的に示す。
２つの故障を伴う電力及びデータ伝送を含む図２の電気回路図を示す。
複数のノード間接続を有するデュアル・ケーブル・システムを示す電気回路図である。
直列の命令抽出図を示す。
図１０に示されるライン・トポロジを、ワイヤライン・ループの実施形態について示す。
図１１Ａに示されるクワッド・ケーブルの拡大断面図である。
一実施形態による、図１１Ａのバイパス導体の拡大部分断面図を示す。
幾つかの実施形態による、ボーリング孔の遠隔測定ループを示す。
幾つかの実施形態による、陸地／海底の遠隔測定ループを示す。] 図１ 図１０ 図２ 図３
実施例

[0016] 図面全体を通じて、同一の参照番号及び説明は、類似しているが必ずしも同一ではない要素を示す。本明細書で説明される原理は、種々の修正及び代替的な形態を受け入れる余地があるが、特定の実施形態が、例として図面に示され、本明細書で詳細に説明される。しかしながら、教示された原理は開示された特定の形態に限定することを意図するものではないと理解するべきである。むしろ、原理は、添付の特許請求の範囲内に収まる全ての修正、同等物及び代替物を包含する。]
[0017] 例証的な実施形態及び態様を以下に説明する。このようないずれかの実際の実施形態の開発においては、開発者の具体的な目標を達成するために、システム関連及びビジネス関連の制約事項の遵守といった、その実施に特有の多数の決定を行わなければならず、これは実施毎に異なるものとなることが、当然、認識される。さらに、こうした開発努力は、複雑なものであり、多大な時間を要するはずであるが、それにもかかわらず、本開示の利益を享受する当業者にとっては慣例的な仕事であることが認識される。]
[0018] 明細書全体を通して、「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」又は「実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」又は「幾つかの実施形態（ｓｏｍｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）」という言及は、その実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、明細書全体を通して、様々な箇所における現れる「一実施形態において」又は「実施形態において」又は「幾つかの実施形態において」という語句は、必ずしも全て同じ実施形態について言及するものではない。さらに、特定の特徴、構造又は特性は、１つ又はそれ以上の実施形態において、いずれかの適切な方法で組み合わせることができる。]
[0019] さらに、発明の態様は、開示された単独の実施形態の全ての特徴に存する訳ではない。従って、発明の詳細な説明の後に続く特許請求の範囲は、ここでこの詳細な説明に明示的に組み込まれ、各々の請求項は、それ自体単独で本発明の別個の実施形態としての立場にある。]
[0020] 明細書及び特許請求の範囲全体を通して用いられる場合、「ダウンホール」という用語は、地下環境、特に坑井孔内の環境を指し、水中のボーリング孔を含むことができる。「ダウンホール・ツール」は、検層ツール、画像化ツール、音響ツール及び複合ツールを含むがそれらに限定されない地下環境で用いられるいずれかのツールを意味するために広義に用いられる。「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という単語は、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という単語と同じ意味を有するものとする。]
[0021] 幾つかの態様において、本開示は、ダウンホール・センサ・ノードに給電し、地表下のデータを効率的に記録するための方法及び装置を提供し、この地表下のデータは、地震データを含むことができる。幾つかの実施形態は、故障条件においてダウンホール・センサに対する及びダウンホール・センサからの電力及びデータの伝送を容易にする。]
[0022] 海中坑井仕上げにおいては、坑口を通して設置することができるのは少数のペネトレータのみである。各ペネトレータは、典型的には１つの電気接続部を通る。ペネトレータ及び電気接続部の数が少ないのは、海面からの遠隔操作によって坑口及びクリスマスツリーを組み立てることに伴う難しさゆえの副産物である。現在の遠隔設置の技術は複雑な操作には適していない。海中システムにおけるダウンホール遠隔測定は、例えば、同軸ケーブルを含む。同軸ケーブルの外管は、一般に、耐食性のためにステンレス鋼又はインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）であり、従って、外管のＤＣ抵抗（及び電圧降下）は通常、高い。]
[0023] ここで図面、特に図１を参照すると、本明細書において説明される１つの地下センサ・システム１００は、１本の同軸ケーブルを用いるのではなく、同軸ケーブル１０２、１０４のような２本又はそれ以上のケーブルのコア導体を通じて電力を供給し、かつデータを伝送する。典型的な地下システムは、多くの場合、同軸ケーブルの外管を用いて電力ループを完成させる。しかしながら、図１の実施形態によれば、電流帰路は、通常は第１の同軸ケーブル１０２の高抵抗の外管を用いないので、従って電気効率が高い。とはいえ、より詳細に後述するように、故障がある場合には、第１又は第２の同軸ケーブル１０２、１０４の外管を電流帰路のために用いることができる。外管が利用されるときには効率は低下するとはいえ、システム１００は、十分に機能し続けることができる。外管の代わりに、同軸ケーブルの編組シールド、クワッド・ケーブル内のドレイン線、クワッド・ケーブルの外装又はケーブルのその他の導体部材を用いて電力ループを完成させることができる。幾つかの実施形態において、ノード１０６ａ、１０６ｂを備えた地震センサ・アレイのようなダウンホール・センサ・ノードはそれぞれ、２本又はそれ以上の同軸ケーブル１０２、１０４に直列に接続される。第１及び第２の同軸ケーブル１０２、１０４は、ループを形成する。遠隔測定モジュール１０６ａ、１０６ｂを備えた地震センサ・アレイについての直列接続は、漏電がない限り、ケーブル１０２、１０４に沿って電流が一定であることを意味する。しかしながら、本明細書で説明される原理によれば、漏電又は故障がある場合、故障よりも上流にある（ｕｐｈｏｌｅ）全てのモジュールに対して引き続き給電され、故障よりも上流にある全てのモジュールは、正常にデータを伝送する。その上、故障よりも下流にある（ｄｏｗｎｈｏｌｅ）モジュールは、データ（及び／又は電力）伝送を第２の同軸ケーブル１０４のような別のケーブルへと切り替えることができる。従って、幾つかの実施形態は、少なくとも第２の又は予備の（例えば、同軸）ケーブル１０４を含むが、余分なコネクタを含まなくてもよい。] 図１
[0024] さらに、図１に示されるように、システム１００は、坑口１１６及び記録計１１８のような標準的な構成要素を、海底（ｓｅｅ ｆｌｏｏｒ又はｓｅａｂｅｄ）を含む表面１１９において含むことができる。システムはさらに、パッカー１０８、圧力及び／又は温度センサ１１０、傾斜メータ及び歪みメータ１１２及びセメンティング１１４も含むことができる。図１の実施形態によれば、第１及び第２の同軸ケーブルは坑口１１６を貫通し、ノード１０６ａ、１０６ｂを備えた地震センサ・アレイに接続する。] 図１
[0025] 第１及び第２の同軸ケーブル１０２、１０４は、図２及び図３に図式的に示されるようなダウンホール・ケーブル・ネットワークを形成することができる。上述の通り、第１及び第２のケーブル１０２、１０４は、ループを形成する。ノード１０６ａ乃至１０６ｄを備えた地震センサ・アレイは、常設センサ又は一時的なツールに基づくセンサを含むことができる。さらに、ノード１０６ａ乃至１０６ｄを備えた地震センサ・アレイは、電力及びセンサ・データの伝送経路を変更することが可能な１つ又はそれ以上のスイッチを含むことができる。図２に示されるように、第１の同軸ケーブル１０２は、第１のコア１２０及び第１の管１２２を含む。同様に、第２の同軸ケーブル１０４は、第２のコア１２４及び第２の管１２６を含む。幾つかの実施形態において、正常条件の間は、第１の同軸ケーブル１０２は、ノード１０６ａ乃至１０６ｄを備えた地震センサ・アレイに第１のコア１２０を通じて直列に電力を供給し、第２の同軸ケーブル１０２の第２のコア１２４は、電力ループを閉じ、電力「帰路」として機能する。詳細には、ノード１０６ａ乃至１０６ｄの各々は、電力抽出部１０７ａ乃至１０７ｄを含み、その電力抽出部を通して上記の常設センサ又は一時的ツールに基づくセンサのようなセンサに給電する。電力を提供することに加えて、第１のコア１２０は、同期信号も同様にノード１０６ａ乃至１０６ｄに伝送することができる。] 図２ 図３
[0026] 図２において、記録計１１８は、記録計１１８内のポートＡから第１のコア１２０を通じて全てのノード１０６ａ乃至１０６ｄに同期信号を送信することができ、同期信号は、第２のコア１２４を通じて記録計１１８内のポートＢに戻ることができる。各モジュールは、同期信号を受信し、かつ着信する同期信号と一致するようにそれ自身のクロック周波数及びデータ取得タイミングを調整して、全てのノードが同時に信号をサンプリングするようになっている。各ノード１０６は、着信する同期信号の方向を検出するように設計されており、次に、それ自体のスイッチ１３２（典型的には、複数のスイッチ素子（図示せず）を含む）を、同期信号とは反対方向にデータを送信するように構成する。各ノード１０６は、後方から受信された何らかのデータがあるかどうかを探索する。何らかのデータがない場合は、ノードは、そのノードがネットワーク群の中で最後のノードであると理解し、データ・パケットの送信を開始する。] 図２
[0027] 図３に示される通り、後で詳述するように、最後のノード（記録計１１８内のポートＢ）は、データ・パケットを次のノード１０６ｄに送信することができ、次のノード１０６ｄは、受信したデータと自身のデータとをその先のノードに送信する。全てのノード１０６ａ乃至１０６ｄからのデータが、同期信号とは反対方向で記録計１１８内のポートＡに伝送される。記録計１１８は、記録計１１８がポートＢからネットワーク内にどのデータを伝送したか知っているので、記録計１１８は、同じデータが戻されているかどうかを確認するために、ポートＡに戻されたデータをクロスチェックすることができる。] 図３
[0028] ケーブル及びノード１０６ａ乃至１０６ｄにおける合計伝搬遅延を測定して、同期精度の較正のために用いることができる。同期精度は、地震データ取得システムにおける重要な特徴であり得る。望ましい同期精度は、１０マイクロ秒未満である。しかしながら、ケーブル長が数キロメートル又はそれ以上に達する場合には、ケーブル内の遅延のために、このような精度を達成することは困難である。従って、長いケーブルのシステムに関しては、ケーブル遅延に対する較正が必要とされることがある。]
[0029] ノードにおける信号の遅延は、ノード電子機器から生じるものであり、即ち、ノード電子機器が信号を受け渡すのにどのくらい時間がかかるかは、設計から既知である。ケーブルにおける信号遅延は、ケーブルの特性及びその長さに関連する。さらに、ケーブル特性は、温度の関数であり得る。従って、使用条件でケーブル遅延を測定することが望ましいことがある。]
[0030] 図４は、図２及び図３の電気回路図における遠隔測定システムの遅延を模式的に示す。最初に、記録計内に配置されたポートＡが、従来は別の記録計内に配置されるポートＢに命令及び／又は同期信号を送信する。ポートＢが命令及び／又は同期信号を受信した後、ポートＢは、サンプリング時間毎にダウンホール・ノードへのデータ送信を開始する。ここにおいて、データは、次に各ノードにおいて付加され、最終的にはポートＢに戻される。典型的には、各ノードの電子機器は、データの繰り返しに起因して、ノード毎に固定した遅延を生じさせる。回路図中の各ケーブルも、長さに応じた伝搬遅延を生じさせる。電子機器における固定遅延は、ノードの数に基づいて補償することができる。ケーブルにおける伝搬遅延は、測定する必要がある。しかしながら、本実施形態によれば、ポートＡ及びポートＢは両方とも図２に示されるように同じ記録計１１８内に配置されるので、記録計は、記録計１１８内の同じクロックを用いて、ポートＡからの同期信号の送信とポートＢにおける信号の受信との間のタイミングを計ることができる。] 図２ 図３ 図４
[0031] 図２及び図３に示されるループ・トポロジの実施形態において、マスター同期信号は、記録計１１８から隣接するノードに送信されるものとすることができる。この同期信号は、全てのケーブル及びノード内を伝搬し、最終的に記録計１１８に戻ってくる。記録計１１８は、同期信号の送信及び受信のためのタイミングを測定することができるので、システム全体の合計の遅延ＤＴは、
ＤＴ＝ｎ＊Ｔｎｏｄｅ＋Ｔｃ＊ＴＬ
であり、式中、ｎはノードの数であり、Ｔｎｏｄｅは１つのノードにおける時間遅延であり、Ｔｃは単位長さにおけるケーブル遅延であり、ＴＬはシステム内のケーブルの合計長である。
従って、ケーブルの単位長さにおけるケーブル遅延は、
Ｔｃ＝（ＤＴ−ｎ＊Ｔｎｏｄｅ）／ＴＬ
と推定される。
各ケーブル区域における遅延ＤＴｉは、
ＤＴ（ｉ）＝Ｔｃ＊ＣＬ（ｉ）
であり、式中、ＣＬ（ｉ）はケーブル区域ｉにおけるケーブル長である。各ケーブル区域内の遅延が既知ならば、同期遅延は補償することができる。] 図２ 図３
[0032] 上述の通り、合計遅延から、各区域内の遅延は、上記で説明されたのと同じ方法で計算される。従って、ケーブル遅延に対して同期を補償することができる。]
[0033] 図２及び図３は、単一方向における、ノード１０６ａ乃至１０６ｄを備えた地震センサ・アレイによる直列の電力抽出、及びケーブル遅延測定を示す。しかしながら、センサ・データは、異なる方向に送信することができ、これは、データ伝送率を高めることができる（図示せず）。] 図２ 図３
[0034] 例えばノード１０６ｂがデータ伝送を開始させるように設定することができる。この開始は、例えば、向こう側のノードに同期信号を渡さないことにより行うことができる。ノード１０６ｂは、ノード１０６ａにデータを送信し、ノード１０６ａは、データを付加し、記録計１１８内のポートＡにデータを送信する。この場合、ノード１０６ｃ及び１０６ｄは、「休眠」している。ポートＢは、第２のコア１２４を通じてノード１０６ｃ及び１０６ｄに同期信号を送信する。すると、ノード１０６ｃ及び１０６ｄは、記録計１１８内のポートＢに対するデータ送信を開始する。]
[0035] 図２及び図３に示されるケーブル・ネットワークは、海中で用いることができる。しかしながら、海中のケーブル・ネットワークは、水漏れの影響を受けやすい。水漏れは、故障又は短絡を引き起こす可能性がある。従って、幾つかの実施形態によれば、遠隔測定ノード１０６ａ乃至１０６ｄを備えた地震センサ・アレイの１つ又はそれ以上のスイッチ１３２は、図５に示される第１の故障１３０のような故障が発生した場合にデータ伝送を宛先変更するようにプログラムされる。図５の第１の故障１３０は、ノード１０６ａ乃至１０６ｄを備えた地震センサ・アレイの隣接する一対の間に示される。] 図２ 図３ 図５
[0036] 第１の故障１３０が発生した場合にノード１０６ａ乃至１０６ｄを備えた地震センサ・アレイの全てに給電し、かつデータを収集するために、電力を第１及び第２の同軸ケーブル１０２、１０４の各々を通じて下流に送ることができる。第１の同軸ケーブル１０２からの電力は、第１のコア１２０を通じて供給され、第１の故障１３０よりも上流に配置された、ノード１０６ａ乃至１０６ｄを備えた地震センサ・アレイの全てについて、かつ第１の管１２２を通じて戻る、又はループを形成することができる。同様に、第２の同軸ケーブル１０４からの電力は、第２のコア１２４を通じて供給され、第１の故障１３０の下流の、ノード１０６ａ乃至１０６ｄを備えた地震センサ・アレイの全てについて、第２の管１２６を通じて戻ることができる。第１及び第２の電力ループを閉じるために高抵抗の第１及び第２の管１２２、１２６がそれぞれ使用された場合、電力供給の効率は低下することになるが、データは、ノード１０６ａ乃至１０６ｄを備えた地震センサ・アレイの各々から収集し続けることができる。加えて、第１の故障１３０が検出された場合、スイッチ１３２は、電力が供給されるコアと同じコアを通じて、ノード１０６ａ乃至１０６ｄを備えた各々の地震センサ・アレイから上流にデータの経路設定をするようにプログラムされるものとすることができる。]
[0037] 例えば、図５に示されるように、故障１３０の上流のノード１０６ａ乃至１０６ｃを備えた地震センサ・アレイからのデータの全ては、第１のコア１２０を通じて記録計１１８内のポートＡに向けて経路設定され、故障１３０の下流のノード１０６ｄを備えた地震センサ・アレイからのデータの全ては、第２のコア１２４を通じて記録計１１８内のポートＢに向けて経路設定される。一般に、記録計１１８が＋／−Ｅ0の電圧を送ることができる場合、理想的には、ケーブル１０２、１０４に沿った電圧降下はないものと仮定されるので、各ノードは、２＊Ｅ0／ｎの電圧を受け取り、式中、ｎは、正常条件下で記録計１１８に接続されているノード１０６ａ乃至１０６ｄの総数である（図６の場合、ｎ＝４であり、１ノードにおける設計電圧はＥ0／２）。しかしながら、図５の水漏れ条件の下では、ノード３における電圧値は、ゼロ（接地）になる。その結果、ノード１０６ａ乃至１０６ｃの各々は、設計電圧よりもやや小さいＥ0／３を受け取る。また、ノード１０６ｄは、Ｅ0を受け取り、これは設計電圧の２倍である。このような広範囲の線間電圧下で動作するようにノード電子機器を設計するのは困難である場合がある。従って、たとえ水漏れ条件下であっても、ノードがラインから定電圧を抽出することが望まれる。記録計の電力供給を定電流にすることによって、電力抽出を定電圧で行うようにすることができる。この場合、図６に示されるように、電力抽出部１０７は、電圧を定電圧で安定させる又は調整するために用いられるツェナー・ダイオード１０９を含むことが好ましい。] 図５ 図６
[0038] 図７は、図２の電気回路図における、正常条件下及び故障条件下での、定電流で電力が給送されているケーブルに沿った、より実際的な電圧プロフィールを概略的に示す。図７に示されるように、ケーブルの抵抗に起因するケーブルに沿った電圧降下が存在する。また、ノード１０６ａ乃至１０６ｄの各々は、同じ電圧を抽出する。図５に示されるようにノード１０６ｃにおける漏れがある場合には、記録計１１８は、定電流を維持するために、より高い電圧をポートＡから供給し、より小さい負電圧をポートＢから供給する。それゆえ、各ノード１０６ａ乃至１０６ｄにおける電圧は、信頼性の高い又は安定性のある電気機能のために一定のまま保たれる。] 図２ 図５ 図７
[0039] 図５のネットワーク配置は、１つの故障がある場合に、ノード１０６を備えた地震センサ・アレイが完全に動作することを容易にする。２つ又はそれ以上の故障があると、更に複雑になることがある。例えば、図８に示されるように、たとえ第１及び第２の同軸ケーブル１０２、１０４の両方を用いても、下流のケーブル・ネットワークを完全に動作させることはできない。ネットワークが第１の故障１３０及び第２の故障１３２の両方を含む場合、第１の故障１３０と第２の故障１３２との間に配置されたノードを備えた地震センサ・アレイはどれも動作しないことになる。] 図５ 図８
[0040] 従って、幾つかの実施形態によれば、図９に示されるように、遠隔測定モジュール１０６を備えた少なくとも２つの非隣接の地震センサ・アレイの間に付加的なケーブル接続が存在してもよい。ノード１０６を備えた２つ又はそれ以上の地震センサ・アレイにおける付加的なスイッチ１３６は、複数の故障が検出されたときに、電力及びデータの伝送を宛先変更することができる。非隣接ノード間の適切な相互接続を用いると、たとえ第３の故障１３４又は他の故障があっても、ノード１０６を備えた地震センサ・アレイのうちのいずれも動作不能にしないですむことができる。幾つかの実施形態は、少なくとも４つ及び少なくとも６つ又はそれ以上の非隣接ノード間のケーブル接続を含むことができ、これらは、記録計及びノードへの電力及びデータ伝送及び／又は記録計及びノードからの電力及びデータ伝送の経路設定を行うように、スイッチ１３６によって選択的に接続可能である。例えば、図９は、ノード１６０を備えた地震センサ・アレイ間の、第３、第４及び第５のケーブル１４０、１４２、１４４及び関連付けられた接続を示す。] 図９
[0041] 図１０は、ループの実施形態における直列の命令抽出を示す。図１０に示されるように、記録計は、命令及び／又は同期信号を下流ノード（ノード１、ノード２、ノード３）に低周波数で送信する。命令及び／又は同期信号は、減衰に打ち勝つために、低周波数及び／又は高振幅で送信することができる。各ノード（例えば、ノード１、ノード２、ノード３など）は、抵抗器Ｒ又はチョーク・コイルを通じて直列に命令及び／又は同期信号を抽出する。従って、たとえ漏れがあっても、各ノードは、命令及び／又は同期信号を受信することができる。対照的に、ネットワーク・システム全体における命令／同期信号の抽出が並列である場合、漏れは、システム全体に短絡を引き起こし、どのノードも命令及び／又は同期信号を受信することができず、かつ全てのノードが記録計にデータを送信しない。] 図１０
[0042] 上で図示され、かつ説明された海中トポロジに対するダウンホールは、言及されたようにワイヤライン用途に拡張することができる。図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１２は、ワイヤライン用途に適した単一ケーブル・システムの一実施形態を示す。より詳細に後述するように、ループ状ケーブルを、ループの特徴を保持したまま単一の物理的ワイヤライン内に組み込むことができる。] 図１２
[0043] 図１１Ａは、図１０に示されるライン・トポロジをワイヤライン・ループの実施形態について示す。図１１Ｂは、図１１Ａに示される相互接続ケーブルの拡大断面図である。図１１Ａに示されるループ遠隔測定トポロジは、上述の同軸ケーブルの代わりに、１本のケーブル又は図１１Ｂに示されるようなクワッド・ケーブル９５０内の２本のツイストペアを用いてライン・トポロジを形成することができる。クワッド・ケーブル９５０は、より良好な充填密度及び改善されたクロストーク抑制のため、ワイヤライン、陸地又は海底用途に適している。クワッド・ケーブル９５０を用いて図１１Ａのライン・トポロジを形成する場合、クワッド・ケーブル９５０内の第１の導体ペア９５０ａ及び９５０ｂは、ノード１及びノード３の遠隔測定装置又は電子機器に接続され、ノード２は通り抜ける。第２の導体ペア９５０ｃ及び９５０ｄは、ノード１及びノード３は通り抜けて、ノード２の遠隔測定装置又は電子機器に接続される。この場合、第１の導体ペア９５０ａ及び９５０ｂは、ノード２におけるバイパス導体９５２である。また、第２の導体ペア９５０ｃ及び９５０ｄは、ノード１及びノード３におけるバイパス導体９５２である。従って、図１１Ａのライン・トポロジは、単一のクワッド・ケーブル９５０によって形成することができる。導体９５０ａ乃至９５０ｄは、外装で覆われ、これは、上述の管、編組シールドなどと同様に、故障状態のときには電力帰路を構成し、記録計に対してループを閉じる。] 図１０
[0044] 図１１Ａに示されるバイパス導体９５２の一実施形態が、図１２の部分断面図に詳しく示される。図１２の実施形態において、バイパス導体９５２は、耐圧ハウジング内に入る必要はない。その代わり、バイパス導体９５２は、電子機器のための耐圧ハウジングの外側を迂回して行くことができる。耐圧ハウジング内へのフィードスルー又はコネクタは、信頼できないことがあり、従って、バイパス導体９５２は、必ずしもいずれかの耐圧ハウジングを通り抜ける必要はない（ただし通り抜けることもできる）。そのうえ、第１の導体ペア９５０ａ及び９５０ｂが、第２の導体ペア９５０ｃ及び９５０ｄ（即ち、バイパス導体９５２）から隔離されるならば、これら２つの対の間の漏電を効果的に減らすことができる。] 図１２
[0045] 次に図１３Ａ及び図１３Ｂを参照すると、本明細書において教示され説明されるループ遠隔測定は１本のケーブルを用いて行うことができるので、説明された方法及びシステムは、従来のボーリング孔、陸地及び海底用のデータ取得に適用することができる。図１３Ａはボーリング孔を表し、図１３Ｂは陸地又は海底を表す。本明細書で説明されたループ・システムは、電力及び遠隔測定の接続を変換することによって、従来のワイヤライン・ケーブルを通じて接続することができる。] 図１３Ａ 図１３Ｂ
[0046] 上で図示され、かつ説明されたダウンホール・センサ及び電力／データ伝送ネットワークの配置は、常設の設置に限定されない。検層ツール及びその他の装置のような一時的なダウンホール・ツールも、電力及びデータ伝送に関して本明細書において説明された原理からの利益を享受することができる。前述の説明は、本発明及びその実施の幾つかの例を例証し説明するためにのみ提示された。これは、網羅的であることも、又は本発明を開示された正にそのものの形態に限定することも意図しない。上記の教示に鑑みて、多くの変更及び変形が可能である。例えば、本発明は、海中用に限定されず、ダウンホール又は陸地用途に適用することができる。]
[0047] １００：地下センサ・システム
１０２、１０４：同軸ケーブル
１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ：ノード
１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ：電力抽出
１０８：パッカー
１０９：ツェナー・ダイオード
１１０：圧力及び／又は温度センサ
１１２：傾斜メータ及び歪みメータ
１１４：セメンティング
１１６：坑口
１１８：記録計
１１９：表面
１２０：第１のコア
１２２：第１の管
１２４：第２のコア
１２６：第２の管
１３０、１３２、１３４：故障
１３２、１３６：スイッチ
１４０、１４２、１４４：ケーブル
９５０：クワッド・ケーブル
９５０ａ、９５０ｂ、９５０ｃ、９５０ｄ：導体
９５２：バイパス導体]

权利要求:

請求項1
記録計と、第１のケーブル及び第２のケーブルを含み、前記第１及び第２のケーブルがループを形成する、ケーブル・ネットワークと、複数のダウンホール・センサ・ノードとを含む遠隔検知システムであって、前記記録計及び前記複数のダウンホール・センサ・ノードは、前記ケーブル・ネットワークに直列に接続され、前記第１のケーブルは、前記ノードに電力を供給するように構成され、前記第２のケーブルは、電力を戻し、かつ前記記録計に対して前記ループを閉じるように構成されることを特徴とする遠隔検知システム。
請求項2
前記第１及び第２のケーブルの各々が、少なくとも１つのコアを含むケーブルを含み、前記第１のケーブルの前記少なくとも１つのコアは、前記ノードに電力を供給し、前記第２のケーブルの前記少なくとも１つのコアは、電力帰路を含み、かつ前記記録計に対して前記ループを閉じることを特徴とする、請求項１に記載の遠隔検知システム。
請求項3
前記第１及び第２のケーブルの各々が導体部材をさらに含み、前記第１又は第２のケーブルの前記部材は、故障条件において、電力帰路を含み、かつ前記記録計に対して前記ループを閉じることを特徴とする、請求項２に記載の遠隔検知システム。
請求項4
前記複数のダウンホール・センサ・ノードが、電力及びデータ伝送の経路を変更することが可能な１つ又はそれ以上のスイッチを含むことを特徴とする、請求項１に記載の遠隔検知システム。
請求項5
前記ノードの前記スイッチが、データ伝送を１つ又はそれ以上の方向に向かわせるように動作可能であることを特徴とする、請求項４に記載の遠隔検知システム。
請求項6
前記ノードの前記スイッチが、前記第１及び前記第２のケーブルに沿って、データ伝送を前記ノードから前記記録計に向かって並列で向かわせることを特徴とする、請求項４に記載の遠隔検知システム。
請求項7
前記複数のダウンホール・センサ・ノードの各々の前記スイッチが、ノード間に故障が検出された場合に、電力を供給するケーブルと同じケーブルを通じて電力を戻し、かつ命令及び／又は同期信号と反対方向にデータを送信するようにプログラムされることを特徴とする、請求項４に記載の遠隔検知システム。
請求項8
複数の故障が発生した場合に電力及びデータ伝送の経路設定を行うために、前記スイッチによって選択的に接続可能な少なくとも２つの非隣接ノード間のケーブル接続をさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の遠隔検知システム。
請求項9
複数の故障が発生した場合に電力及びデータ伝送の経路設定を行うために、前記スイッチによって選択的に接続可能な少なくとも４つの非隣接ノード間のケーブル接続をさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の遠隔検知システム。
請求項10
前記センサ・ノードは各々、常設地震センサ及び遠隔測定モジュールを含むことを特徴とする、請求項１に記載の遠隔検知システム。
請求項11
前記第１及び第２のケーブルがクワッド・ケーブルを含み、前記第１及び第２のケーブルの前記少なくとも１つのコアが互いに隔離されることを特徴とする、請求項２に記載の遠隔検知システム。
請求項12
坑口と、記録計と、前記坑口を貫通し、第１の遠隔測定及び電力用ケーブル、第２の遠隔測定及び電力用ケーブルとを含み、前記第１及び第２の遠隔測定及び電力用ケーブルがループを形成する、ケーブル・ネットワークと、前記ケーブル・ネットワークに直列に接続された地震センサ及び遠隔測定モジュールを各ノードが含む、複数のダウンホール・ノードとを含む遠隔検知システムであって、前記第１のケーブルは、前記ダウンホール・ノードに電力を供給し、前記第２のケーブルは、電力帰路を含み、かつ前記記録計に対して前記ループを閉じることを特徴とする遠隔検知システム。
請求項13
前記複数のダウンホール・センサ・ノードが、電力ループ構成を変更すること及び前記地震センサからのデータ伝送の経路設定を変更することが可能な、１つ又はそれ以上のスイッチを含むことを特徴とする、請求項１２に記載の遠隔検知システム。
請求項14
正常な動作条件下で、前記電力は、前記第１の遠隔測定及び電力用ケーブルに沿って前記複数のダウンホール・ノードに伝送され、前記スイッチは、前記第２の遠隔測定及び電力用ケーブルを通じて前記ループを閉じるようにプログラムされることを特徴とする、請求項１３に記載の遠隔検知システム。
請求項15
隣接するダウンホール・ノード間に故障が発生した場合に、前記電力は、前記第１及び第２の遠隔測定及び電力用ケーブルの両方に沿って前記複数のダウンホール・ノードに伝送され、前記スイッチは、前記第１の遠隔測定及び電力用ケーブルの第１の電力ループを閉じ、かつ前記第２の遠隔測定及び電力用ケーブルの第２の電力ループを閉じるようにプログラムされることを特徴とする、請求項１３に記載の遠隔検知システム。
請求項16
前記スイッチが、前記遠隔測定モジュールからの地震センサ・データを、前記第１及び第２の遠隔測定及び電力用ケーブルを通じて、命令及び／又は同期信号とは反対方向に経路設定するようにプログラムされることを特徴とする、請求項１３に記載の遠隔検知システム。
請求項17
前記ノード間に複数の故障が発生した場合に電力及びデータ伝送の経路変更を行うために、前記スイッチによって選択的に接続可能な少なくとも２つの非隣接ダウンホール・ノード間のケーブル接続をさらに含むことを特徴とする、請求項１３に記載の遠隔検知システム。
請求項18
前記ノード間に複数の故障が発生した場合に電力及びデータ伝送の経路設定を行うために、前記スイッチによって選択的に接続可能な少なくとも４つの非隣接ダウンホール・ノード間に接続された第３及び第４の遠隔測定及び電力用ケーブルをさらに含むことを特徴とする、請求項１３に記載の遠隔検知システム。
請求項19
電力及び同期信号が、一緒に下流に供給されることを特徴とする、請求項１２に記載の遠隔検知システム。
請求項20
遠隔検知システムにおいて電力及びデータ伝送を提供する方法であって、第１のケーブルに沿って直列に配置された複数のノードに対して電力を下流に供給し、隣接するノード間の故障を監視し、故障が検出されない場合には、前記ノードに接続された第２のケーブルを通じて第１の電力ループを閉じ、隣接するノード間に１つの故障が検出された場合には、前記故障箇所において、前記第１のケーブルを通じて前記第１の電力ループを閉じ、前記第２のケーブルを用いて、前記複数のノードのうちの幾つかに対して電力を下流に供給し、前記故障箇所において、前記第２のケーブルを通じて第２の電力ループを閉じるステップを含むことを特徴とする方法。
請求項21
故障が検出されない場合には、データを前記第１及び第２のケーブルを通じて上流に並列で伝送し、隣接するノード間に１つの故障が検出された場合には、データを前記故障箇所の近位のノードから前記第１のケーブルを通じて上流に伝送し、かつデータを前記故障箇所の遠位のノードから前記第２のケーブルを通じて上流に伝送することを特徴とする、請求項２０に記載の遠隔検知システムにおいて電力及びデータ伝送を提供する方法。
請求項22
故障が検出されない場合には、データを、前記第１及び第２のケーブルを通じて、命令及び／又は同期信号の方向と反対の単一方向に直列で上流に伝送することを特徴とする、請求項２０に記載の遠隔検知システムにおいて電力及びデータ伝送を提供する方法。
請求項23
非隣接ノードを少なくとも１つのケーブルで接続するステップをさらに含み、隣接ノードの２つ又はそれ以上の別々の組の間に故障が検出された場合には、非隣接ノードを前記第１及び第２のケーブルのうちの少なくとも１つで相互接続するようにノード接続を切り替え、各故障を迂回して電力及びデータ伝送の経路を変更することを特徴とする、請求項２０に記載の遠隔検知システムにおいて電力及びデータ伝送を提供する方法。
請求項24
遠隔検知システムにおける伝搬遅延を測定する方法であって、記録計を準備し、ループを形成する第１及び第２のケーブルを含むケーブル・ネットワークを準備し、複数のダウンホール・センサ・ノードを準備し、前記記録計及び前記複数のダウンホール・センサ・ノードを前記ケーブル・ネットワークに直列に接続し、前記第１のケーブルによって、前記記録計に対して前記ループを閉じ、前記記録計から前記複数のダウンホール・センサ・ノードに対してデータを送信する開始時刻を測定し、前記送信されたデータが前記記録計に戻る到着時刻を測定し、前記開始時刻及び前記到着時刻を用いて前記伝搬遅延を計算するステップを含むことを特徴とする方法。
請求項25
次式によって、ケーブルの単位長さにおけるケーブル遅延を推定するステップをさらに含み、ＤＴ（ｉ）＝Ｔｃ＊ＣＬ（ｉ）式中、ＤＴ（ｉ）は、ケーブル区域ｉにおけるケーブル遅延であり、ＣＬ（ｉ）は、前記ケーブル区域ｉにおけるケーブル長であり、Ｔｃは、単位長さにおけるケーブル遅延であり、これは、（ＤＴ−ｎ＊Ｔｎｏｄｅ）／ＴＬとして定義され、式中、ｎは、ノードの数であり、Ｔｎｏｄｅは、ノードにおける時間遅延であり、ＴＬは、前記システム内のケーブルの合計長であることを特徴とする、請求項２４に記載の遠隔検知システムにおける伝搬遅延を測定する方法。