用於交流供電的井下計量器的系統和方法
2023-10-28 18:38:12 2
專利名稱：用於交流供電的井下計量器的系統和方法
技術領域：
本發明一般地涉及鑽井生產電力系統，更具體地，本發明涉及使用三相電力電纜
上的交流功率給井下測量和控制機構供電。
背景技術：
通常通過把相對於地的直流(DC)電壓施加在向泵馬達輸送功率的三相電力電纜 的所有三相上，來給井下電動潛水泵(ESP， electricalsubmersible pump)儀器系統供電。 結果，三相電力系統的通常浮動的相不再浮動，而是保持在這個電壓(平均來說)。
所施加的DC電壓用來給鑽井內的測量設備供電，並且在大多數情況下，把數據傳 送回地面。但是，這些直流系統限制了三相電纜的高壓絕緣測試，並且，如果三相電力系統 的任何一相對地短路，則這些直流系統就變得不可操作。 因此，本領域需要一種用於通過向泵馬達輸送功率的三相電力電纜來給井下儀器 供電的改進的系統。
發明內容
為了克服現有技術的上面討論的缺陷，本發明的主要目的是為鑽井儀器提供AC 儀器功率，供在井下生產系統中使用，所述AC儀器功率在同時輸送三相馬達功率的電力電 纜的所有三相上被傳送，所述儀器功率被以馬達功率頻率的倍數傳送，並且具有馬達功率 電壓的對應分數(fraction)。所述儀器功率通過足以耐受高壓電纜絕緣測試的電容耦合接 收。如果一相對地短路，則相對中性點(phase-to-neutral)馬達功率給鑽井儀器提供大致 相同的功率水平。 前面已經相當寬泛地概括了本發明的特徵和技術優點，以使本領域技術人員可以 更好地理解接下來對本發明的詳細描述。此後將描述形成本發明的權利要求主題的本發明 額外的特徵和優點。本領域技術人員將理解它們可以很容易地使用所公開的概念和具體實 施例作為修改或者設計用於實現和本發明相同目的的其他結構的基礎。本領域技術人員將 理解，這些等同構造不偏離本發明最寬泛形式的精神和範圍。
已經闡明了本發明的某些特徵和益處，當結合附圖時，隨著描述的繼續進行，其他 的特徵和益處將變得清晰，在附圖中 圖l根據本發明的一個實施例繪出了包括鑽井測量/控制設備和泵馬達電力系統 的鑽井生產系統； 圖2根據本發明的一個實施例更詳細地繪出了供在鑽井生產系統中使用的計量 器子組件(gauge subassembly);禾口 圖3根據本發明的一個實施例圖解示出了在鑽井生產系統內儀器和三相電纜上 的馬達功率之間的關係。
雖然將結合優選實施例描述本發明，但是將會理解並非旨在將本發明限於該實施 例。相反，預期覆蓋可被包括在本發明的由所附權利要求限定的精神和範圍內的所有替換、 修改和等同物。
具體實施例方式
此後將參考其中示出了本發明的實施例的附圖更全面地描述本發明。但是，本發 明可以用很多不同的形式具體實施，並且不應該被理解為限於這裡給出的所示出的實施 例，相反，提供這些實施例以使本公開內容透徹和完整，並且將向本領域技術人員充分地傳 達本發明的範圍。相同的數字在全文中指示相同的元件。 圖l根據本發明的一個實施例繪出了包括鑽井測量/控制設備和泵馬達電力系統 的鑽井生產系統。示範性實施例中的鑽井生產系統100包括利用生產管道103下降到鑽井 102內的電動潛水泵和馬達子組件101。 泵和馬達子組件101的馬達部分由從地面通過三相電纜104傳送的三相功率供 電。電源105提供傳送到馬達的三相功率。本領域技術人員將理解，電源105可以包括各種 部件，例如發電機或者到配電網的連接、轉換器和/或逆變器，和/或可變頻率驅動器(VFD) 或者可變速度驅動器(VSD)。 本發明中的電源105也包括用於產生單相交流(AC)功率的子組件106，所述單向 交流功率要通過三相電纜105傳送，用於給位於鑽井102內的計量器子組件107內的測量 和/或控制設備供電。如下面進一步詳細地描述的那樣，用於測量和/或控制設備的單相 功率在頻率和峰值幅度上不同於用於泵馬達的三相功率。 鑽井生產系統100包括至少一個設置在鑽井內的計量器子組件107。下面進一步 詳細地描述的計量器子組件107測量正被泵浦的流體的諸如溫度、壓力、切削、流速或者其 他參數的特性。或者，計量器子組件107可以測量馬達/泵子組件101的入口壓力、溫度或 者流速，出口壓力、溫度或者流速，每分鐘轉數，或者其他工作參數。在進一步的實施例中， 計量器子組件107可以包括用於開啟或者關閉閥門或者用於操作其他電氣或者機械設備 的控制機構，具有或者不具有任何測量設備。 雖然在圖1中只繪出了一個計量器子組件107，但是本領域技術人員將理解可以 採用任意數量的這種子組件，並且處於沿著鑽井102的各個位置，例如在馬達下方、在馬達 和泵之間、在泵上方，和/或位於密封處、靠近封隔器、位於井口處(用於海下井)，等等。
在示範性實施例中，計量器子組件107連接到馬達/泵子組件101內的Y連接的 三相馬達的中性點終端。或者，計量器子組件(或者，在包括多個這種子組件的鑽井生產系 統的情況下，每一個計量器子組件)可以在沿著鑽井102的任何位置處連接到三相電力電 纜104內的一個或更多個導體。 圖2根據本發明的一個實施例更詳細地示出了供在鑽井生產系統內使用的計量 器子組件。計量器子組件107包括連接到馬達中性點或者另一個適當形成的耦合到三相電 力電纜104的Y點(由電感器、電容器或者這兩者形成)的電容器200。電容器200被適當 地選擇大小，以便從三相電力電纜104傳送儀器功率，並且其額定電壓足夠高，以便允許三 相電力電纜104和其他井下裝備的絕緣高壓測試(小型絕緣試驗(megging))。
電容器200通過變壓器201耦合到測量和/或控制設備202。採用通過電容器200
5和變壓器201的功率來驅動測量和/或驅動設備202內的電氣部件。 圖3根據本發明的一個實施例圖解示出了在鑽井生產系統內儀器和三相電纜上 的馬達功率之間的關係。所繪出的信號示出了施加在三相電力電纜104上的功率。在示範 性實施例中，三相電力電纜104的各導體均被三相功率信號300的一相A、 B或C驅動(統 稱為信號300A、300B和300C)。所有三相也被相對於地的AC電壓301驅動，採用AC電壓 301作為用於計量器子組件107內的測量/控制設備202的儀器功率。儘管在示範性實施 例中並無任何直流偏移被示出，但是三相電力電纜104上的功率也可以具有以地為參考的 直流分量，在這種情況下，儀器電壓301將從中性點偏移。 儀器功率301被設置在三相電力電纜104上傳送的馬達功率300的電壓的十分之 一的量級的電壓(小於10的因子)，並且具有高於馬達功率300的頻率十倍的量級的頻率 (在圖3中由各信號300和301的半周期的時段示出)。例如，儀器功率301可以近似為 80-100伏特(V)，以600赫茲(Hz)傳送，而馬達功率是1000到2500V (峰值，相對相最高達 4160伏特)，以60Hz傳送。 如上所述，計量器子組件優選地連接到耦合至三相電力電纜104的Y點。在平衡 系統(不具有對地短路的相)中這樣的Y點，在Y點只出現AC儀器功率301以及任何DC 偏移。但是，當一相對地短路時，在Y點出現剩餘兩相(或者如果兩相對地短路，則是單相) 的累積井下馬達相對中性點功率。在這樣的狀況下，井下儀器202能夠使用馬達功率電壓 作為動力，代替正常儀器功率301。井下馬達功率的較高的電壓但是降低的頻率以相對相 同的功率水平耦合到儀器202中，因為電容耦合200的阻抗反比於頻率，並且馬達功率300 和儀器功率301的頻率和電壓被如上所述那樣選擇成反向相關。在馬達功率300的電壓遠 低於或者高於上面列出的示範性數字的情況下，通過簡單地調整儀器功率301 (計量器107 被設計成利用儀器功率301驅動)的頻率和電壓，也可以使用這樣的系統。
在本發明的一個實施例中，變壓器201的電感可以被選擇成在儀器功率301的頻 率下與電容器200諧振，為儀器功率提供低阻抗路徑，並為馬達功率提供高阻抗路徑(當一 相接地並且在Y點出現馬達功率時)。 上述實施例未考慮三相電力電纜104上的數據傳輸。但是，根據已知的技術，一個 或更多個信令單元110可以被分別耦合到電力電纜104，以便提供對電力電纜104上的DC 偏置或者偏移的調製，或者通過根據已知技術疊加射頻(RF)信號。這種信令單元110可以 可通信地耦合到計量器子組件107(與到電力電纜104的公共連接相分離)，給儀器202提 供用於接收功率和信令的替換路徑。 當AC功率系統浮動時，通過調製井下儀器202中的控制器(未示出)所需的AC電 流，本發明的替換實施例涉及從地面向井下、從鑽井到地面，或者這兩者的數據傳輸。由此， 井下信息可以被作為和所述AC信號成比例的線性負載變化或者作為傳輸編碼數據的離散 電平傳送到地面。當傳輸編碼數據時，AC耦合系統允許比DC供電的數據信令系統高得多的 數據速率，因為耦合濾波器時間常數短得多。使用兩個或更多個離散電平將進一步提高數 據速率，因為每一個數據樣本將會更短。通過把儀器功率301的頻率移動預定的偏差量，或 者通過短暫地中斷功率信號301，數據可以從地面處的控制器108傳輸到井下儀器202(同 時地，即雙向地，或者在用於從鑽井到地面的數據傳輸的單獨時間段期間)。這些技術允許 使用AC儀器功率信號301傳輸數據，只要功率系統浮動即可。
本發明通過三相電力電纜，或者獨立於用於井下馬達的三相功率或者與其同時 地，以允許三相電力電纜內的導體對地短路和/或高壓絕緣測試的方式，從地面向鑽井內 的井下儀器提供功率。 重要的是要注意，雖然已經在具體實施本發明的完全功能性的系統和方法的上下 文中描述了本發明的實施例，本領域技術人員將理解本發明的機制和/或其方面能夠以各 種形式的用於在處理器等上執行的計算機可讀指令介質的形式分布，並且無論用來實際執 行分布的信號承載介質的具體類型如何，本發明同樣地適用。計算機可讀介質的例子包括 但不限於非易失、硬編碼類型介質，例如只讀存儲器(ROM) 、 CD-ROM和DVD-ROM，或者，可 擦除、電可編程只讀存儲器(EEPROM)，可記錄類型介質，例如軟盤、硬碟驅動器、CD-R/RW、 DVD-RAM、 DVD-R/RW、 DVD+R/RW、快閃驅動器，和其他更新類型的存儲器，以及傳輸類型介質， 例如數字和模擬通信鏈路。例如，這些介質可以既包括操作指令和/或與系統相關的指令， 也包括上面描述的方法步驟。 要理解，本發明不限於示出和描述的構造、操作、具體材料或者實施例的精確細 節，因為修改或等同物對於本領域技術人員來說將是清楚的。在附圖和說明書中，已經公開 了本發明的說明性實施例，儘管採用了特定術語，但是它們只以通用的並且描述性的含義 使用，並不用於限制的目的。因此，本發明只被所附權利要求的範圍限制。
權利要求
一種鑽井儀器功率系統，包含從地面位置延伸到鑽井中的三相電力電纜，所述三相電力電纜能夠輸送具有電壓和頻率的三相馬達功率；耦合到所述三相電力電纜的電源，所述電源產生交流儀器功率，供在所述三相電力電纜的所有三個導體上傳輸；和容性耦合到所述三相電力電纜以通過所述三相電纜接收所述交流儀器功率的儀器，其中，所述交流儀器功率具有小於所述三相馬達功率電壓的電壓和高於所述三相馬達功率頻率的頻率。
2. 如權利要求1所述的鑽井儀器功率系統，其中，儀器到所述三相電力電纜的容性耦 合能夠耐受三相電力電纜絕緣高壓測試。
3. 如權利要求1所述的鑽井儀器功率系統，其中，所述儀器也感性地耦合到所述三相 電力電纜，所述感性和容性耦合被選擇成為所述交流儀器功率提供低阻抗路徑，並為所述 三相馬達功率提供高阻抗路徑。
4. 如權利要求1所述的鑽井儀器功率系統，還包含一個或更多個控制器，以便在所述 三相電力電纜上雙向傳送數據。
5. 如權利要求4所述的鑽井儀器功率系統，其中，通過中斷所述交流儀器功率、移動所 述交流儀器功率的頻率、或者調製所述交流儀器功率，在所述三相電力電纜上雙向傳送所 述數據。
6. 如權利要求1所述的鑽井儀器功率系統，其中，所述儀器還包含 至少一個計量器子組件，用於測量工作特性或者控制設備；禾口信令單元，可通信地耦合到所述至少一個計量器子組件，所述信令單元在所述三相電 力電纜上傳送數據。
7. 如權利要求1所述的鑽井儀器功率系統，其中，所述至少一個計量器子組件連接到 耦合至所述三相電力電纜的Y點。
8. —種給鑽井儀器供電的方法，包含提供從地面位置到鑽井中的三相電力電纜，所述三相電力電纜能夠輸送具有電壓和頻 率的三相馬達功率；把電源耦合到所述三相電力電纜，所述電源產生交流儀器功率，供在所述三相電力電 纜的所有三個導體上傳輸；禾口把儀器容性耦合到所述三相電力電纜以通過所述三相電纜接收所述交流儀器功率，其 中，所述交流儀器功率具有小於所述三相馬達功率電壓的電壓和高於所述三相馬達功率頻 率的頻率。
9. 如權利要求8所述的方法，其中，所述儀器到所述三相電力電纜的容性耦合能夠耐 受三相電力電纜絕緣高壓測試。
10. 如權利要求8所述的方法，其中，所述儀器也感性地耦合到所述三相電力電纜，所 述感性和容性耦合被選擇成為所述交流儀器功率提供低阻抗路徑，並為所述三相馬達功率 提供高阻抗路徑。
11. 如權利要求8所述的方法，還包含在所述三相電力電纜上在所述地面位置和所述 儀器之間雙向傳送數據。
12. 如權利要求8所述的方法，其中，通過調製所述交流儀器功率、中斷所述交流儀器 功率的頻率，或者移動所述交流儀器功率的頻率實現雙向傳送。
13. 如權利要求8所述的方法，還包含提供至少一個計量器子組件，用於測量工作特性或者控制設備；禾口 把信令單元可通信地耦合到所述至少一個計量器子組件，用於在所述三相電力電纜上 傳送數據。
14. 如權利要求8所述的方法，其中，所述至少一個計量器子組件連接到耦合至所述三 相電力電纜的Y點。
15. —種鑽井系統，包含從地面位置延伸到鑽井中的三相電力電纜，所述三相電力電纜能夠輸送具有電壓和頻 率的三相馬達功率；耦合到所述三相電力電纜的電源，所述電源產生交流儀器功率，供在所述三相電力電 纜的所有三個導體上傳輸；耦合到所述三相電力電纜的電動潛水泵，所述電動潛水泵包括從所述三相電力電纜接 收所述三相馬達功率的馬達；禾口容性耦合到所述三相電力電纜以通過所述三相電纜接收所述交流儀器功率的儀器，其 中，所述交流儀器功率具有大約是所述三相馬達功率電壓的1/N分數的電壓，和大約是所 述三相馬達功率頻率的N倍的頻率。
16. 如權利要求15所述的鑽井儀器功率系統，其中，所述儀器到所述三相電力電纜的 容性耦合能夠耐受三相電力電纜絕緣高壓測試。
17. 如權利要求15所述的鑽井儀器功率系統，其中，所述儀器也感性地耦合到所述三 相電力電纜，所述感性和容性耦合被選擇成為所述交流儀器功率提供低阻抗路徑，並為所 述三相馬達功率提供高阻抗路徑。
18. 如權利要求17所述的鑽井儀器功率系統，還包含位於所述儀器內的控制器，調製所述儀器抽取的AC電流以便在所述三相電力電纜上 把數據傳送到所述地面位置；禾口第二，耦合到所述三相電力電纜，並通過暫時移動所述交流儀器功率的頻率或者暫時 中斷所述交流儀器功率而在所述三相電力電纜上把數據傳送到所述儀器。
全文摘要
鑽井儀器由在同時輸送三相馬達功率的電力電纜的所有三相上傳送的AC儀器功率供電，所述儀器功率被以馬達功率頻率的倍數傳送，並且具有馬達功率電壓的對應分數，並通過足以耐受高壓電纜絕緣測試的電容耦合被接收。如果一相對地短路，則相對中性點馬達功率給鑽井儀器提供大致相同的功率水平。
文檔編號E21B47/00GK101755106SQ200880025061
公開日2010年6月23日 申請日期2008年7月14日 優先權日2007年7月18日
發明者D·L·諾克斯, G·L·貝塞爾, J·E·雷頓 申請人:貝克休斯公司