使用压电触点的井下湿连接 【技术领域】
本发明的技术领域涉及用于从井下到地面的电力和信号传输线的井下湿连接。
背景技术
通常，在井下作业中，安装下部完井，上部完井接入所述下部完井，从而在井下形成连接。除连接的主管段之外，经常存在与主管路平行延伸的辅助管线，该辅助管线也需要与支撑它们的主管连接。举例来说，这些辅助管线可以是液压、气压、信号或电力传输线。光缆也在控制线路中延伸，通常，通过沿一根管道将光缆向下泵送，并通过在靠近完井底部的辅助管线中形成U型弯头使光缆返回到地面。
用于主管及其支撑的辅助管线的井下连接通常称作湿连接。一些影响湿连接的问题是需要使部件在其共同移动以完成连接之前对准。这通常利用半个连接器上的V形引导路径实现，另一半连接器上的凸缘在所述V形引导路径内移动，从而在所述凸缘到达V形部分收缩为轨道的细长纵向部分以进行必要对准时产生相对转动。对准对于管状液压辅助管线来说通常不那么严格，但是在形成良好的导线与导线接触对正确电路操作或电力传输来说非常重要的情况下，对准对于电力或信号线路来说是非常重要的问题。人们还关心井下流体对配合导线形成良好接触能力的影响。尽管可以在接头形成时使用密封来隔离井流体，但是当已然连接的联接半部仍然隔开且仍未完全合拢时会出现问题。人们已经提出了对这种连接的不同设计，但是仍未有效解决湿连接中的实际对准需求或者可以妨碍在井下组装到一起的电线或光纤进行有效接触的环境问题。美国专利US 6,776,636；6,439,932；5,967,816；5,389,003和5,141,051公开了上述设计的一些实例。
本发明试图克服影响现有设计的一些问题，以便提高用于电力或信号传输的湿连接的功能性。本发明应用压电变换器的构思并且使用具有这种性质的适当材料作为用于电缆或信号线的湿连接中的配合对。例如某些陶瓷材料定位在湿连接的每个半部中，使得当湿连接的上部从地面移动时，它将与其位于湿连接下部中的对应部分具有支承关系。电压以适当频率从地面施加给上部陶瓷，所述电压转换为作用在下部陶瓷上的作用力，所述上部陶瓷支承在所述下部陶瓷上。根据陶瓷的相对尺寸，下部陶瓷产生相同、升高或降低的电压。该构思以压电变换器的性能为基础。在井下应用中，所产生的电压用于操作井下设备，并且所有过量电压可以进入存储装置中。可选地，通过例如使用电压变化的预定图案对被传输的电压编码，来自地面的信号可以由井下处理器感应，所述井下处理器继而可以控制井下传感器或其他设备以支持井下必要的作业。相反地，来自地面的输入可以中断，使得井下处理器可以传输通向地面的预定图案的电压，其中，地面处理器可以对从井下获得的信息解码并进行储存和显示。这么做的一个优点在于陶瓷之间不需要紧密接触。它们仅需要沿与陶瓷在其制造时极化方式相关的朝向具有彼此支承关系。
涉及材料、应用和用作变换器的压电材料的工作理论基础的简要背景情况如下。以压电效应为基础的略显神秘和鲜为人知的技术给产生高压的技术增添了受人欢迎的设计选择。压电″变换器″的想法并不新鲜，但是设计的复杂性质(其需要对电子、机械和材料有一定了解)花了43年才步入正轨。压电变换器的优点有许多：尺寸小，无绕组并因此在绕组之间没有短路容量，以及产生大范围高压交流或直流输出的能力。这些变换器地一个直接应用是产生为运行LCD的冷阴极荧光灯所必需的高压。
压电变换器不是通常意义上的变换器。它们没有电线或磁场。它们更像是发电机。压电变换器像机械连接到发电机上的电动机那样工作。应当理解，这种构思需要压电现象的基本知识。
许多材料，例如石英、铌酸锂和锆钛酸铅(PZT)具有一定形式的压电效应。压电变换器使用PZT，因此，它是PZT变换器。存在两种压电效应：直接效应和反效应。对直接效应来说，对压电元件施加作用力或振动(应力)会产生电荷。该电荷的极性取决于和压电元件中的极化方向相比较的应力朝向。在制造期间，对PZT变换器极化或者给其施加45kV/cm范围内的高直流场以设定偏振方向。
顾名思义，反压电效应与直接效应相反。给压电元件施加电场或电压产生尺寸变化或张力。变化方向同样与偏振方向相关。施加与所述元件极性相同的场导致尺寸增大，极性相反的场导致尺寸减小。根据泊松定理，或者侧向应变以泊松比导致纵向应变的事实，结构中一维增加导致另两维减小。这种现象是变换器工作中的要素。
压电变换器利用直接效应和反效应以产生高压升压比。正弦波电压驱动变换器的输入部分，导致变换器振动。这个操作是反效应或电动机效应。振动通过所述结构耦合到输出以产生输出电压，其是直接效应或发电机效应。
压电变换器由PZT陶瓷构造而成，更确切地说，它是多层陶瓷。变换器的制造与积层陶磁电容器的制造类似。加工工艺如下：印刷具有金属图案的柔性且未焙烧的PZT陶瓷带层，随后将所述层对齐和堆叠以形成所需结构。下一步骤包括对所述堆叠结构进行压制、切块和焙烧以形成最终的陶瓷装置。
变换器的输入段具有多层陶瓷电容结构。金属电极的图案产生交错板结构。变换器的输出段在陶瓷层之间没有电极板，使得焙烧产生单个陶瓷输出结构。形成变换器输出电极的导电材料涂覆输出段的端部。
下一步骤形成用于变换器的两个半部的偏振(polarization)方向。输入段在交错电极范围内的极化产生相对于厚度竖直定位的偏振方向。输出段的极化产生水平或沿长度的偏振方向。操作变换器按厚度模式驱动输入，这是指输入平行板之间的外加电压使输入段在正弦波的交错半部上变得更厚和更薄。输入厚度的改变与输出段相关，导致其伸长和缩短，从而产生输出电压。最终的电压升压比与输出长度和输入层厚度之比成比例。
用于压电变换器的等效电路模型看起来和它的串联谐振磁性对应部分的电路模型一致。然而，它们从额定值到各种部件的物理表示都有差别。输入和输出电容只是两个金属板之间具有绝缘体的结果。根据组成不同，PZT材料的有效介电常数为400到5000。令人遗憾的是，到此为止，无法再使用基本的电子设备。其余的部件更为复杂。电感是变换器的主要部分。电容是材料的柔量(compliance)，或者弹性刚度的倒数。计算柔量需要使用合适的广义射束方程和杨氏模量，其是表示单位应力与单位变形之比的常数。电阻表示变换器的介电损耗和机械损耗Q之和。
与电谐振频率相反的声谐振频率和电容、电感的乘积相关。变换器以长度谐振的方式工作，相关运动与振弦的运动相同。PZT变换器和振弦的主要区别在于，PZT变换器的频率为超声波范围，并且根据设计在50kHz到2MHz之间变化。与弦类似，变换器具有位移节点和反节点。机械夹紧一节点而防止振动，这在最好情况下降低了效率，在最坏情况下妨碍了操作。
模型中的终端元件是具有比率N的″理想″变换器。该变换器表示三个独立的变换。第一个是电能转换为机械振动。该变换是压电常数(为电场除以应力)、应力面积和电场长度的函数。第二个变换是机械能从输入段转移到输出段，并且为材料泊松比或横向应变与纵向应变之比的函数。最后一个变换是机械能转换为电能，计算与输入侧的计算类似。
谐振磁性高压变换器具有20-30的电损耗Q。压电变换器的等效量是其机械损耗Q，超过1500。高Q值既好也不好。最终的效率会非常高，但是变换器的可用带宽只有磁型变换器的2.5％。谐振频率取决于材料柔量，所述材料柔量为杨氏模量的函数。压电材料的不常见性质是杨氏模量随电负载而变。在大部分(如果不是全部的话)情况下，谐振频率随额定负载的变化大于可用带宽。因此，压电变换器必须在谐振频率下工作以保持效率和稳定性。用于磁型变换器的近谐振设计(即使有的话)对压电变换器来说不能有效工作。需要具有跟踪振荡器。
通过实施本发明的上述背景和概括说明，本领域技术人员在结合附图阅读时可以由如下所述的特定井下应用的详细说明认识到本发明的整个范围，同时认识到，本发明的整个范围由权利要求界定。
【发明内容】
井下湿连接使用材料之间的支承关系以利用所述材料之间压电效应。电压从地面施加给井上衬垫，所述井上衬垫将井下衬垫产生的电压导入存储装置以存储用于操作井下设备的电力。所产生的电压还可以用作井下设备的实时电源。可选地，所产生的电压可以编码成给井下设备的信号，以将井下获得的数据发送给地面。信息传输为双向的。来自地面的电压输入在井下设备向井上发送基于电压的信号时停止，所述信号由地面处理器转换以收集数据。对准或井下岩屑问题不会影响湿连接中衬垫的传输性能。
【附图说明】
图1是利用环形压电材料的支承关系形成井下湿连接的示意性部分视图。
【具体实施方式】
图1显示了由具有压电效应的材料制成的环形下部部件10。它固定在下部完井中，所述下部完井未显示但支撑在井中。井下湿连接的下部(也未显示)给环10提供支撑，所述环的上表面12暴露。上部完井(未显示)支撑上环14的下表面16，所述下表面在尺寸上与上表面12类似。当形成湿连接时，表面12和16处于彼此支承关系。它们可以直接接触，或者它们可以通过位于环之间的其他固体构件相连。位于湿连接的部件之间的井液和/或井液中的颗粒也可以起到传递作用力的作用。字面上的直接接触对于本发明的实施来说不是强制性的。如同在电力或信号通过电线上的湿连接进行传输的在先设计中一样，表面12和16的绝对对准也不是严格的。尽管举例说明了环形状的端部对准，但是本领域的技术人员应当认识到，其它形状和对准也是可能的。环10和14可以嵌套地和倾斜地卷起，从而存在从一个到另一个的载荷法向分量。一般而言，对于最佳操作来说，部件应当在湿连接装配好时具有彼此支承关系，并且主支承力的方向应当与所用两个部件的极化方向对准。如上所述，在所用压电材料的制造过程中形成极化方向。同样，可以在压电材料之间有或没有直接接触的情况下形成支承关系。
环14通过电线18和20连接到地面设备(未显示)。电线18和20通向相对的端子22和24，其位置通过制造过程中的极化处理确定。类似地，环10具有从端子30和32伸出的电线26和28，所述端子的位置同样通过制造期间的极化处理确定。优选地，端子22和32肩靠来自地面的管线和井下管线(未显示)，所述管线共同支撑湿连接的配合部分(未显示)。不管方向如何，优选的是，环10和14在形成湿连接(所述环是所述湿连接的部件)时承受压缩载荷。例如，通过抵靠关系或间隙可以产生压缩载荷，所述间隙可以在例如弹簧的作用力偏压下例如通过可移动地安装部件之一或两者而改变。在这种情况下，压缩载荷可以通过存在于井孔中的不可压缩流体和/或存在于这种不可压缩流体中的固体杂质来传递。优选地，压缩载荷的作用线或平面沿制造期间的极化方向穿过所述端子。尽管环10和14在图1中显示为具有类似的尺寸，但也可以不需要这种类似。类似尺寸的结果在于产生与输入电压类似的输出电压，而沿极化方向的不同尺寸可以产生与输入电压相比上升或下降的输出电压。
电池34通过线路36和38连接到线路26和28上。线路26和28可以延伸至处理器40以给其供电，或者给其发送信号或者两者皆有，如下文解释的那样。井下传感器或其它井下工具42可以与处理器40连接以给处理器40发送信息或者间接通过如图1所示的处理器40或通过旁通处理器40的未显示的直接连接接收来自线路26和28的电力。
在环10和14具有支承关系(在形成湿连接接头之后)之后的操作进行如下。具有受调频率(遵循环14的共振频率)的通常为5伏左右的输入电压或电压序列通过从地面延伸到环14的线路18和20从地面输入。该输入使环14开始振动并且由于所述环在围绕它们的湿连接建立时具有的支承关系而传递给环10。继而，从环10输入给环14的振动导致环10以其谐振频率产生电压。如果环10和14具有相同的尺寸，对环14的电压输入和频率输入将仅由环10产生。根据环10和14的支承面12和16的相关构造，由环14产生的电压升高或降低也是可能的。相关的电流可以用于给电池或其它存储装置34充电。可选地，电压可以按照处理器40对特定数据或操作某些井底设备的要求进行处理的方式进行调整。可选地，用于操作的电力可以间接(如图1所示)或直接地送至井下传感器或工具，例如附图标记42所指示的部件。
如果来自地面的信号要发送数据，从地面进行的电压传输可以选择性地中断，并且可以开始来自井孔的传输。处理器40可以发送电压或电压序列，其在被地面上用于储存、指示和/或地面上进一步处理的处理器44接收时为编码信号。井底处理器40可以发送来自井下传感器的数据、报告与井底设备的位置和运动以及提供与例如压力、pH或温度的井下条件相关的数据。
可选地，环10和14可以周向分段并且选择性地隔开，使得附加线对可以从环14的每一段向地面延伸，并且可以从环10的每一段向下延伸相同的数量。这样，信号或电力流可以沿相反方向同时存在。这允许井底设备由地面连续供电，同时与井下条件和设备相关的信息可以实时发送给地面。
尽管已经对位于湿连接相对侧上的实心或分段环进行了描述，但是本领域的技术人员应当认识到，也可以使用在建立湿连接时具有支承关系的其它形状。配对元件可以具有矩形、正方形、梯形或其它几何形状，它们在建立湿连接时可以端部抵靠或沿一定斜率定位并且卷起以同心布置。
例如如上所述的压电材料在整合到湿连接中时克服了现有技术中发送电力或信息的问题。这些问题是在建立这类湿连接时需要对线路或电线进行精确对准以及井下杂质对连接质量的影响。本发明使精确对准不再那么重要。例如，利用环的嵌套结构，对准完全不成问题。即使利用其它形状，大致对准同样性能良好，并且配合压电部分的实际尺寸可以设置成补偿进行对准时形成的一部分偏差。另外，由于配合部分具有支承关系并且不需要紧密地直接接触，从而使接触面上的井孔岩屑不会降低连接质量。除了这些优点外，湿连接可以具有更为简单的设计。如果使用完整环的话，在完成装配之前不需要用于湿连接联接半部(coupling halves)的定位特征。另外，在湿连接安装到井上部件之前不需要临时防止井孔岩屑对井下部件的损害。现有的电气和信号湿连接的功能性优点得以保留，同时大大提高了通过这种湿连接进行传输的可靠性。
上文描述了优选实施例，在不脱离由下列权利要求的文字及其等效范围确定的本发明范围的情况下，本领域技术人员可以进行多种改进。