用于传送电功率到钻孔中的系统和方法.pdf

一种用于传送电功率到钻孔的系统，该系统包括在电源(1)和接收站(3)之间的、延伸通过钻孔的电力传输线(7)，其中接收站包括频率增加装置(10)，用于增加通过电力传输线提供的电流的频率；电压变换器装置(11)，用于改变经由频率增加装置提供给它的电流的电压；连接装置，用于把频率增加了的电流提供给电压变换器装置；以及用于把电负载连接到接收站的装置。

1.  一种用于传送电功率到钻孔的系统，该系统包括在电源和接收站之间的、延伸通过钻孔的电力传输线，其中所述接收站包括频率增加装置，用于增加通过电力传输线提供的电流的频率；电压变换器装置，用于改变经由所述频率增加装置提供给它的电流的电压；连接装置，用于把频率增加了的电流提供给所述电压变换器装置；以及用于把电负载连接到接收站的装置。

2.  权利要求1的系统，其中所述电压变换器装置包括非接触变压器装置。

3.  权利要求1或2的系统，包括频率减小装置，该装置被安排成减小经由所述电压变换器装置提供给它的电流的频率。

4.  权利要求3的系统，其中所述频率减小装置包括电流整流器。

5.  前述权利要求中的任一项的系统，其中所述频率增加装置被安排成把电流变换成增加的频率的三个子信号，每个子信号与另外两个相差120°相移，由此，所述电压变换器装置被安排成改变每个所述子信号中的电压。

6.  权利要求3和4或权利要求3和5的系统，其中所述频率减小装置被安排成把三个子信号组合成一个频率减小了的电流，该三个子信号的每个子信号相对于另外两个子信号相差120°相移。

7.  前述权利要求中的任一项的系统，其中频率增加装置被安排成使得电流的频率成为在10与100kHz之间的范围中的一个数值。

8.  前述权利要求中的任一项的系统，其中旁路装置被提供来平行于接收站向电传输馈送或从电传输提取数据信号。

9.  一种延伸到地层的钻孔，该钻孔被提供以按照权利要求1到8的任一项的系统，其中具有工具形式的电负载被连接到用于接收电压被改变的电流的接收站。

10.  权利要求9的钻孔，其中所述工具包括以下工具之一：电焊接工具、电火花钻孔工具、诸如牵引装置或钻孔配件的电动机驱动的工具。

11.  一种传送电功率到钻孔的方法，其中电流经由电力传输线从电源传送到接收站，在该接收站，通过所述电力传输线提供的电流的频率在频率增加装置中被增加，并且经由第一频率变换器提供给它的电流的电压在电压变换器装置中被改变。

12.  权利要求11的方法，其中电压减小的电流被提供到频率减小装置，在其中经由电压变换器装置提供给它的电流的频率被减小。

13.  一种基本上如这里参照附图描述的系统。

14.  一种基本上如这里参照附图描述的方法。

用于传送电功率到钻孔中的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于传送电功率到钻孔的系统，该系统包括在电源和接收站之间的、延伸通过钻孔的电力传输线。
背景技术
这样的系统是在D.R.Turner等的题目为“Electric Coiled tubingdrilling：a smart CT drilling system”的石油工程师协会(Society ofPetroleum Engineers)的论文SPE/IADC 52791中获知的和描述的。在已知的系统中，被供电的底孔组件被连接到达到钻孔中的电的螺旋管。电的螺旋管内安装有传输线，用于给井下直流电动机供电。这个电动机的峰值功率输出是28HP，相应于约21kW。
这个系统被认为不适用于以电动机电压传送高得多的电功率，例如高到100到400kW，因为这需要非常大截面积的电缆，而这种电缆不适合于放在螺旋管中。而且，这样的电缆变得太重，以致于如果它进到适用于碳氢化合物生产的典型的钻孔，将不能拉起它自身的重量。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够传送几百千瓦的电功率到钻孔的系统和方法，以及给钻孔提供以这样的系统。
按照本发明，这个目的是在用于传送电功率到钻孔的系统中达到的，该系统包括在电源和接收站之间的、延伸通过钻孔的电力传输线，其中接收站包括频率增加装置，用于增加通过电力传输线提供的电流的频率，以及电压变换器装置，用于改变经由频率增加装置提供给它的电流的电压，以及第一连接装置，用于把频率增加了的电流提供给电压变换器装置，以及用于连接电负载的装置。
负载可以是在规定电压工作的期望的工具。在接收站处电压变换器装置的存在允许电力传输线上的电压比起想要用于运行负载的电压相对较高，这对于通过适当的传输线达到高功率传输是有利的。由于在接收站处存在频率增加装置，这个系统有可能把电力传输线中的相对较低频率的电流，优选地为直流，与在电压变换器装置中的相对较高频率的电流相组合。
这里，通过电力传输线的电功率传输和在电压变换器装置中的效率都可被最佳化。电功率传输被最佳化，因为在相对较低的频率上，在传输线上的电抗功率负载是相对较低的，导致高的功率传输效率。典型的变压器的尺寸反比于电流频率，因此增加频率允许使用相对较小尺寸的电压变换器装置，这样，它可以适配于典型的钻孔，适用于碳氢化合物生产。
优选地，电压变换器装置包括非接触变压器装置。这样的非接触变压器典型地可包括电感耦合的初级和次级线圈绕组，优选地经由诸如铁心那样的可磁化的芯子被耦合。这样的变压器理想地适用于高频电压变换，因为效率随频率增加而增加，这样，它的尺寸可以随增加频率而减小。
任选地，系统还包括频率减小装置，该装置优选地包括用于减小经由电压变换器装置提供给它的电流的频率的电流整流器；以及第二连接装置，用于把电压改变了的电流提供给频率减小装置。多个负载需要相对较低的频率或直流用于它们的操作，为此，可以提供频率减小装置。
在本发明的有利的实施例中，频率增加装置被安排成把电流变换成频率增加了的三个子信号，每个子信号与另外两个相差120°相移，由此，电压变换器装置被安排成改变每个所述子信号中的电压。大多数功率可以通过使用这样的三相电流被传送。
变换到三相电流的另一个优点在于，由切换电流达到频率增加而造成的波纹频率比起切换的频率高三倍或六倍。所以，波纹幅度被减小，并且滤波要求相对较小。
优选地，如果接收站包括频率减小装置，则频率减小装置也被安排成把三个子信号组合成一个减小频率地电流，该三个子信号的每个子信号与另外两个相差120°相移。
在特定的有利的实施例中，旁路装置被提供来平行于接收站向电传输馈送或从电传输提取数据信号。这使得能够除了高功率传输以外，还能利用电力传输线载送数据信号。因为这样的数据信号不必是高功率的，所以它不需要通过接收站来传送。
本发明的一个或多个目的是在延伸到地层的钻孔中达到的，该钻孔被提供以按照上述的实施例之一的系统，以及其中以工具形式的电负载被连接到用于接收电压被改变的电流的接收站，该工具可包括以下的一个或多个：电焊接工具、油水分离器、通常的电感线圈或加热装置、凿孔工具、阀门系统、诸如电火花钻孔工具的电火花工具、诸如牵引装置或钻孔组件的电动机驱动的工具，优选地包括钻孔配件，或电潜水泵。
本发明的一个或多个目的是通过传送电功率到钻孔的方法达到的，其中电流经由电力传输线从电源传送到接收站，在该接收站，通过电力传输线提供的电流的频率在频率增加装置中被增加以及经由第一频率变换器提供给它的电流的电压在电压变换器装置中被改变。
附图说明
现在参照附图作为例子说明本发明，其中：
图1示意地显示用于AC负载的配线的井下电力系统；
图2示意地显示用于DC负载的配线的井下电力系统；
图3示意地显示电钻孔管道和用于DC负载的井下电力系统；
图4示意地显示带有供电的机械化的扩展器锥体的钻孔。
具体实施方式
在图上，类似的部件采用类似的标号。
在图1上，示意地显示用于传送电功率到钻孔的系统。系统的单元被被编组为组(1)，(2)和(3)，由此组(1)相应于与电源相关联的单元，组(2)相应于电力传输线(2)，以及组(3)相应于接收站中的单元。电源经由电力传输电缆7被连接到接收站。钻孔由外壳8示意地代表。
图1上的电源，它在钻孔达到地层的情形下典型地位于表面，包括变压器装置5，用于使得要传送到钻孔的电流的电压成为想要的数值，以及变换器装置6，在这里以电流整流器的形式表示，用于降低电流的频率。电流整流器具有DC电流作为输出。DC电流的主要的优点在于在电力传输线上电抗功率负载。
接收站9包括频率增加装置10，被电连接到电压变换器装置11，在这里具有线圈变压器的形式。电压变换器装置11的输出端被连接到负载12。
在实际操作中，图1的系统典型地被馈送以具有50Hz或60Hz频率和低于约1kV的相对较低的电压的单相或三相AC电流。它在变压器5中被变换成在5与30kV之间的中等电压，以及在整流器6中被整流成高的DC电压。
电力传输线7使得DC电功率进入到钻孔。在用于碳氢化合物生产的钻孔中，电力传输线7到达的距离可以在几百米与10公里之间。在钻孔底部的目的地处，电流达到接收站9，其中它的频率在频率增加装置9中被增加，以及它的电压在电压变换器装置11中被变化回到典型地在100和800V之间，优选地在400和800V之间，取决于负载12本身所需要的电压。
频率优选地处在10与100kHz之间的范围内，在该范围内具有在频率增加的电流与电压变换器装置的小型化之间的最佳折衷。对于约25kHz的频率，具有线圈变压器的形式的电压变换器装置可以舒服地适合于具有约15cm的直径的管道。这使得该频率特别适合于在钻孔中的应用，特别是在用于碳氢化合物生产的钻孔中。
在图1的情形下，负载12被提供以与电压变换器装置11相同的频率的电功率。对于某些应用，这是适合的，诸如用于在钻孔里面的电功率电弧焊接。
然而，在某些其它应用中，频率必须降低到几Hz或几十Hz，具体地，50Hz或60Hz。一个例子是给交流电动机供电。
在另外某些应用中，频率甚至必须降低到零，导致直流电流。用于传送高功率直流电流到钻孔的系统显示于图2。这个系统很大程度上相应于上述在图1所示的系统。唯一的差别是，在接收站13中，其中电流整流器14被提供为与电压变换器装置11相串联。电流整流器14的细节将在下面进一步讨论。
在功能上，接收站13等于DC到DC功率变换器。适合的DC到DC功率变换器例如在美国专利5,027,264、R.W.A.A.De Doncker，D.M.Divan，和M.H.Kheraluwala，“A three-phase soft-switchedhigh-power-density dc/dc converter for high-power application”，IEEE Transactions on Industrial Applications，Vol.27，No.1(January/February 1991)的论文和A.K.S.Bhat和R.L.Zheng，“A three-phaseseries-parallel resonant converter-analysis，design，simulation，andexperimental results”，IEEE Transactions on Industrial Applications，Vol.32，No.4(July/August 1999)的论文中被示出和被描述。这些DC到DC变换器在此引用以供参考。
DC到DC变换器通常具有频率增加装置，该装置由具有有源栅极控制开关装置的全桥或半桥组成，它们可以是基于诸如金属氧化物控制闸流管(MCT)那样的闸流管，或诸如绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)那样的晶体管。DC到DC变换器还具有变压器装置，用于改变增加频率的电流的电压；和电流整流器。
电流整流器可以是基于二极管电桥或包括二极管的工作栅极控制开关装置。在后者的情形下，DC到DC变换器可以在两个方向工作，因为基于工作栅极控制开关装置的电桥在一个方向上用作为频率增加装置，在另一个方向用作为电流整流器。从而，基于有源栅极控制开关装置的整流器的优点在于，井下功率系统也可起到把电功率传送到钻孔外面的作用。
图3示意地显示被引入到电钻孔管道19的、按照本发明的井下功率系统。接收站适用于如图2所示的DC负载，但在图3的情形下，它可经由连接头21连接到钻孔管道。电力传输线17经由旁通接头(side entry sub)20被引入钻孔管道19。在其它方面和在它的操作中，图3的电功率传输系统是与以上对于图2描述的系统相同的。
作为图3的替换例，电功率传输系统可以与类似于在D.R.Turner等的题目为“Electric Coiled tubing drilling：a smart CT drillingsystem”的石油工程师协会的论文SPE/IADC 52791中描述的传输线的螺旋管技术相组合。
图4示意地显示有利类型的负载，具有在组(4)中描绘的工具的形式以及包括由DC供电的牵引装置16驱动的扩张锥17。这个工具向上移动通过具有直径相对较窄的截面28的井壁管，以便把井壁管扩展到较大的直径以便形成扩张的截面18。这样的牵引装置需要200kW以上，或甚至300与500kW之间，以便以工业上可接受的速率扩张典型的井壁管。接收站13以与以上参照图2描述的相同的方式工作。
对于某些应用，经由系统传送到钻孔里面的目的地的功率处在50到500kW的范围，优选地200到500kW，这取决于操作或应用的类型。这样的高的电功率可以在仅仅具有1.5mm²截面积的电缆中传送，只要电压是足够高的话。优选地，电缆的欧姆电阻小于14Ω/km，这是在20℃时对于DC确定的。
适用的电缆是市面上销售的、来自Draka公司的HNOK电缆，它是具有1.5mm²镀锡的铜的中心导体的8mm直径钢屏蔽同轴功率电缆，可以导通17A的DC电流。在导体与钢屏蔽层之间的绝缘材料可以支持在导体与屏蔽层之间的高达20kV的电位差。因此，理论的340kW的最大功率可以用这个电缆来传输。实际上，功率优选地限制于约280kW。更大直径的中心导体和或更厚的绝缘层将能够承受高到500kW的更高的功率。