具有感应耦合的动力和信号传输装置的井.pdf

本发明涉及一种用于生产烃的井，包括钻入地下的井孔、紧固在井孔壁上的套管、从地面向下朝含烃区域延伸进入套管内的生产管、在井上端的地面上的悬挂器，其中悬挂器悬挂着生产管和套管并且使生产管和套管电短路，以及在井下端或接近井下端处在生产管和套管之间的环空中密封设置并电短路的封隔器，其特征在于，井还包括：围绕生产管同心设置的主线圈、围绕生产管同心设置的副线圈、连接到副线圈的负载以及连接到主线圈的交流电发生器/信号单元。

1、  一种用于生产烃的井，包括钻入地下的井孔；紧固在井孔壁上的套管；从地面向下朝含烃区域延伸进入套管内的生产管；在井上端的地面上的悬挂器，其中悬挂器悬挂着生产管和套管并且使生产管和套管电短路；以及在井下端或接近井下端处在生产管和套管之间的环空中密封设置并电短路的封隔器，其特征在于，井还包括：
围绕生产管同心设置的主线圈；
围绕生产管同心设置的副线圈；
连接到副线圈的负载；以及
连接到主线圈的交流电发生器/信号单元。

2、  按照权利要求1所述的井，其特征在于，封隔器在生产管和套管之间的环空中在高于含烃区域的高度处密封设置并电短路。

3、  按照权利要求1所述的井，其特征在于，负载包括呈分开的变压器形式的感应馈通装置，具有设置在生产管外的外部部分和可拆地设置在生产管内的内部部分，具有从所述内部部分到可拆地设置在生产管内的传感器或设备的连接。

4、  按照权利要求1所述的井，其特征在于，负载设置在封隔器下方，与从副线圈朝向负载穿过封隔器馈送的电缆连接。

5、  按照权利要求1所述的井，其特征在于，该井包括至少一个在井中比电短路封隔器处于更下方的区域，与从副线圈穿过封隔器向另外一个在所述区域围绕生产管设置的主线圈馈送的电缆相连接，并且具有另外一个在所述区域围绕生产管设置的副线圈，具有一个连接到所述另外一个副线圈的负载。

6、  按照权利要求1所述的井，其特征在于，大约50Hz和50-250V的动力信号从发生器/信号单元传输，而从发生器/信号单元传输的信号为20-30kHz和大约20V。

7、  按照权利要求1所述的井，其特征在于，电绝缘扶正器设置在生产管和悬挂器与封隔器之间的套管之间的环空中，以避免所述管之间短路。

8、  按照权利要求1所述的井，其特征在于，线圈具有作为套筒设置在生产管和各个线圈之间的铁磁芯。

9、  按照权利要求1所述的井，其特征在于，负载包括一个或多个另外的主线圈；电驱动的节流器(节流阀)；用于测量压力、温度、多相、成分、流量、流速的仪表；泵；马达和地震传感器。

10、  按照权利要求1所述的井，其特征在于，该井包括多个产烃区域，具有包括设置在各区域的仪表和可调节流阀的负载。

具有感应耦合的动力和信号传输装置的井
技术领域
本发明涉及用于生产烃的运转着的井的信号和动力传输。
背景技术
当从井中生产烃时，优选的是了解关于井是如何生产的物理参数。物理参数可以在井口测量，但是特别优选的是能在井中进行测量，优选地在井的生产区域中进行测量。
压力是我们特别感兴趣的，许多其他的物理参数也是使人感兴趣的，比如温度、成分和流率。另外，主要兴趣可能是把需要来自地面的动力和信号的阀、泵或其他设备安装入井内。
在公开的专利US6,644,403B2中描述了用于在生产井中测量物理参数的方法和装置。在井内，在生产管和外部套管(casing)之间的环空里，一个半变压器设置在环空中，一个半变压器设置在生产管中。环空中的半变压器用缆线电连接到井的地面。生产管内的半变压器与外侧半变压器感应耦合，并连接到设置在生产套管内的至少一个传感器、用于存储能量的元件和电路。位于环空中的设备是永久性安装的，而位于生产套管内的设备可以通过轻型井维护作业更换，比如通过缆索操作。因此，按照US6,644,403B2的发明的优点在于允许设置在生产套管内的设备被更换，而不需要在井中进行复杂的操作。
在公开的专利US6,515,592B1中描述了将至少一个电信号传送到井中的至少一个井下装置或从井中的至少一个井下装置传送至少一个电信号的不同的方法和装置。井下安装的装置被永久性安装。通过在地面上的连接到套管的电源，电流被引入套管内。一个或若干个永久的井下装置电连接到套管，并且使用与套管的电连接来为井下装置提供动力。井下装置也可以将信号传送到绝缘套管，信号可通过套管被引到位于地面的用于接收和储存信号的接收单元。套管的最靠近地面的上部与下部电绝缘，并从地面单元到下部设置直接或感应电连接。在套管中设置了绝缘缺口，并且下部套管利用具有一个主线圈的电缆来连接。连接到井下装置的一个副线圈与主线圈感应耦合。在一个实施例中，效能和信号通过内管向下传输并通过外管返回。通过使用不同的频率和/或定址，动力和信号被传送到永久性设置的井下装置并从其传送。该专利中没有描述内生产管的感应耦合，没有描述内管内部的测量装置，也没有描述井的上端在外管和内管之间的短路，除了通过一个位于地面的发生器/信号单元以外。
在公开的专利申请US2004/0144530A1中，描述了铁磁电抗供给包封装置，并将其应用于油井中，其中当交流电通过内管时，在电抗供给包封装置上产生电压降，从而得到效能和信号，用于井内的装置及传感器的驱动和连通。电抗供给包封装置，即所谓的节流器，不接收动力，并且由具有高的相对磁导率的材料制成，例如相对磁导率在1000到150000范围内，例如铁磁金属合金或铁氧体。节流器与内管电绝缘，并且其作用是在管内提供对交流电流的电抗阻抗。地面上的动力和信号源并不与井感应耦合。
在公开的专利US6,684,952B2中描述了一种方法和一个装置，通过感应耦合装置，提供了从一个井下组件到其他的井下组件的电力和信号连通。使用了同心并排的主、副线圈，通过电缆从地面连接到靠近设备的主线圈，用于测量和/或控制。更具体地说，描述了通过利用感应耦合来穿过衬管/套管壁馈通动力和电信号，而不需要电引入线。
需要对上面提到的现有技术进行进一步研发，以便实现在井内不使用长电缆，并且有可能时位于生产管内部的传感器和其他传感设备进行更换。特别需要可用于井内的技术，这些井在地面上通过悬挂所述管的悬挂器在生产管和套管之间短路，并且通过所述管之间的封隔器向下进入井内短路，而且特别是用于连接至比短路封隔器在井内更往下的区域和设备。
发明内容
为了满足以上需求，本发明提供一种用于生产烃的井，包括钻入地下的井孔、紧固在井孔壁上的套管、从地面向下朝含烃区域延伸进入套管内的生产管、在井上端的地面上的悬挂器，其中悬挂器悬挂着生产管和套管并且使生产管和套管电短路，以及在井下端或接近井下端处在生产管和套管之间的环空中密封设置并电短路的封隔器，其特征在于，井还包括：围绕生产管同心设置的主线圈、围绕生产管同心设置的副线圈、连接到副线圈的负载以及连接到主线圈的交流电发生器/信号单元。
按照发明的井通过在悬挂器和封隔器处将生产管和套管连接在一起而形成闭合电路，所述管在悬挂器和封隔器之间是电绝缘的。术语″套管″也指电短路的衬管的部分，因此电路能够保持。即使对于长的井，电路也具有低电阻损耗，通常为1-10欧姆，这对本发明的技术效果很重要。不锈钢，例如13％Cr钢的生产管和套管在损耗方面比所谓的碳钢更优越。生产管通常由13％Cr不锈钢制备。
封隔器优选在生产管和套管之间的环空中在高于含烃区域的高度处密封设置并电短路，以避免泄漏的导电流体进入封隔器上方的环空内。
负载优选包括呈分开的变压器形式的感应馈通装置，具有设置在生产管外的外部部分和可拆地设置在生产管内的内部部分，具有从所述内部部分到可拆地设置在生产管内的传感器或设备的连接。在一个优选的实施例中，负载设置在封隔器下方，与从负载朝向副线圈穿过封隔器馈送的电缆连接。因此，只有负载或负载中选定的元件暴露于来自含烃区域的流体中。
按照本发明的井可以包括至少一个在井中比电短路封隔器处于更下方的区域，与从副线圈穿过封隔器向另外一个在所述区域围绕生产管设置的主线圈的电缆相连接，并且具有另外一个在所述区域围绕生产管设置的副线圈，具有一个连接到所述另外一个副线圈的负载。在所述区域的端部或靠近所述区域的端部处，设想在生产管和套管之间有一个短路封隔器或另一个短路。因此，实现了否则将相对于井的其余部分成为隔离盲区的区域的连接。
优选为大约50Hz和50-250V的动力信号优选从发生器/信号单元传输，而从发生器/信号单元传输的信号优选为大约20-30kHz和大约20V。线圈优选具有设置在生产管和各个线圈之间的铁磁芯，以增加磁场并从而改善与井的感应耦合。
井优选包括在悬挂器和与封隔器之间设置在生产管和套管之间的环空中的电绝缘扶正器，以避免所述管之间短路。
负载可以包含一个或多个另外的主线圈，电驱动的节流器或调节阀(节流阀)，用于测量压力、温度、多相、成分、流量、流速的装置，泵，马达和地震传感器。易磨损组件优选被可更换和可拆地设置在生产管内部。负载也可以方便地包括一个例如呈电池组形式的动力装置，用于编码/解码、定址、通讯和控制的电路，经适当地选择和改变的已知设备。负载可以优选与信号单元通讯，并且可选择地与其他的负载通讯。
按照本发明的井优选包括若干产烃区域，具有包括设置在各区域的仪表和可调节流阀的负载。因此，根据仪表测量到的参数，可以实现对各产烃区域生产的控制。这些区域可以是井的常规电路的一部分，或者可以按照本发明连接。
附图说明
本发明用3幅图加以说明，其中：
图1是按照本发明的井的示意图，
图2显示了本发明的一个实施例，具有可通过轻型井维护作业更换的负载，以及
图3显示了本发明的一个实施例，具有通向若干区域的馈通线，所述区域由电绝缘封隔器分隔。
具体实施方式
首先参考图1，其显示了包括生产管1和套管2的井，井口处的管悬挂于所谓的悬挂器3上，该悬挂器3在生产管和套管之间形成电短路。在井内更下方一点的位置显示了封隔器4，其被密封和电短路地设置在生产管和套管之间的环空中。在井的上部，环绕或围绕生产管，设置了主线圈A，其用电缆连接到位于井的地面上的动力发生器/信号单元5。在井的内部，在生产管周围设置副线圈B，其连接到负载6。在悬挂器3和封隔器4之间，通过根据需要设置成用于防止管之间短路的电绝缘扶正器7，使生产管1和套管2电绝缘。在悬挂器与封隔器之间，在生产管和套管之间的环空中，优选充以不导电的流体或介质，例如柴油，且/或在管的表面施涂电绝缘涂层。
动力发生器/信号单元5产生的交流电信号被引导通过线圈A，这产生与生产管1的感应耦合，产生通过生产管1的交流电流。线圈B与生产管1感应耦合，这样就在线圈B上产生了交流电压，连接到负载6以便操作负载。这样，井形成一个闭合电路，因为通过封隔器4和悬挂器3，生产管与套管耦合。通过使用动力发生器/信号单元5，向井或从井传输信号和动力，并且方便地与负载6传输信号和动力，其可以包含自己的动力单元、电路和传感器、马达或其他相连的设备。从负载6传出的信号被线圈B传递到生产管1并用线圈A取出。
图2显示了可通过轻型井维护作业更换的负载是如何设置的。更具体地，线圈B连接到一个由两个半变压器细成的变压器8，更具体地，环空中的半变压器8a设置为位于生产管上、围绕生产管或部分埋入生产管中，并且半变压器8b相对地设置在生产管1内部。负载6设置为与生产管内部的半变压器8b连接，并且它可以通过轻型井维护作业更换，即缆索操作、盘管作业或类似的操作，而不需要起出生产管。
进一步地参考图3，其显示了装置是如何可以被设置在井中不同区域的，这些区域位于井中比(上部)电短路封隔器4更下方。更具体地，在图3中，这些区域通过使用穿过(下部)封隔器4的电馈通线9一起分别与另外的主、副线圈A′、B′、A″和B″耦合。这些区域例如可以是井分支中的产烃区域。
大规模的试验已经证明，合适的动力传输的交流电信号为大约50Hz，并且用于信号传输的交流电信号频率可以适当地是20-30kHz。所述频率可以不是上述值或范围。例如，动力信号可以方便地为频率在20-60Hz范围内的交流电。信号优选在更高的频率被传导，优选在kHz范围，以保征给信号传输充分的分辨率。试验已经证明，30kHz的输出信号已经足够以10-15千比特/秒的速率传输数据，这对于传输所需信号是足够的。用于效能传输的外加电压通常为50-250V，而用于信号传输的外加电压通常是20V。外加电流通常是每圈0.1-0.5A。通常的输出效能为输入效能的大约50％。主线圈A可以是并联连接的一个或若干个线圈，或是一个长的线圈，例如7-10m长，因为具有更多绕圈的更大线圈能提供更好的传输，更多的或更大的芯也是同样的。最优选的是，主线圈是多个带有铁氧体芯的相同线圈，这些线圈被并排设置且并联连接，这对于制造、装配和灵活性是很便利的。副线圈的实现也是类似的，然而，可能尺寸比主线圈更小，并且具有较少的绕圈，这是因为空间因素而且也因为副线圈不会传输大的效能。并联连接的线圈是锁相的，这样它们共同作用。线圈通常被嵌入聚合物中以保证机械稳定性。长的井增加的损耗可以通过施加大的效能、增加线圈中芯的数量以及采用更大的线圈或增加并排的相同并联连接的线圈的数量来补偿。
实例
一个2000m长的井要自上向下传输1kW。试验证明50％的效率是实际可行的。因此，主线圈上必须施加2kW。一个方便的主线圈大约8m长，由80个并排设置、并联连接的相同线圈组成，每个线圈具有大约250个0.2mm²的铜线绕圈。通过在主线圈上施加大约9.1A的220V、50Hz交流电，将在组成主线圈的80个线圈的每个线圈上施加25W，在主线圈的80个线圈的每个线圈上有0.1A的电流。井的闭合电路，包括在井的顶端和底部短路的生产管和套管，可以被看作一个绕圈，并且因此如果忽略损耗，闭合电路的电压和电流分别为80×220/250＝70.4V和9.1×250/80＝28.43A。然而，由于在生产管和套管中的电阻损耗，损耗是存在的，实际井的损耗通常为大约2欧姆。如果使用与主线圈相同的副线圈，并且忽略损耗，在副线圈上可以得到220V和大约9.1A。必须预想到一个2000m长的井中的损耗为大约50％，因此在副线圈上可以得到的只有一半效能，例如220V和4.55A。设备的优化，特别是线圈的优化，可以被认为能够减少损耗。井可以被当作两个变压器，其中生产管和套管形成主线圈的次端和副线圈的主端。
线圈之间的转换比、外加电压、电流、阻抗、负载和频率对效率来说具有重要意义。然而，参数和组件可以在很宽的范围内选择，只要动力和信号传输可以达到令人满意。例如，由于阻抗的增加，不同类型的负载和连接的负载的长度范围可能有重要的影响。