CN103038444A - 用于井下元件之间通信的传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在内部单元与外部单元之间传输信号的传输系统，所述内部单元和外部单元由环状管道部分的壁分隔开，其中所述内部单元被提供有第一天线，并且第二单元被提供有第二天线，优选由线圈构成的所述天线适合于被带到沿着所述管道部分的基本上相同的位置，其中，所述管道部分由低磁导率的材料制成，并且其中至少一个所述天线被提供有具有高磁导率的磁屏蔽，相应的所述天线位于所述管道壁与所述磁屏蔽之间，并且所述磁屏蔽沿着所述天线的长度延伸。

Description

用于井下元件之间通信的传输系统
技术领域
本发明涉及一种用于在内部单元与外部单元之间传输信号的传输系统，该内部单元与外部单元由环状管道部分的壁分隔开，并且特别用于包含管道壁之间的环状空间的管道。
背景技术
在钻探操作和从/到地下石油或天然气井中生产/注入碳氢化合物过程中，监测管道外壳和井周围区域的井下情况例如测漏、温度变化和流动情况非常重要。然而，因为井通常包括很多由包含充满压力的流体、生产的碳氢化合物等的环状空间分开的同轴的管道的事实使这很复杂，难以例如在外壳或生产管道系统内侧和外侧传送信号而同时允许流体通过。来自将管道系统分隔开的环面的压力泄露可能使地岩层(ground formation)饱和，这是潜在的危险局势。岩层的饱和可能使井坍塌并失去井的屏障功能。
解决这些问题的一种已知的解决方案是使用组合有用于跨过管道之间的环面通信的天线或线圈的钻头(penetrator)，如在WO2009/040510、US7165618及US6684952中所述，但环境中潜在地包含管和外壳之间的环面之间的压力差，这引入失败的风险。还有在US71665618和US6684952中讨论的对应于绕组的感应耦合器部分，本身不能充分地保护不受环境的影响。
US7170424、US5008664、US4852648及US3550682讨论了利用感应线圈通过管道壁通信的可能性，并且US5008664讨论了由金属压力屏障分开的同轴布置的两个感应线圈之间内在的无效耦合。然而，存在对功率传输效率、信号传输容量和在挥发性高压井下环境中的有效封闭的需求之间的权衡。一定程度上，US5008664中差的耦合效率补偿了在井底设备/测量装置中使用低功率电子器件的不足。如US7063148中描述的相应的解决方案，虽然用非磁性金属部分能获得较高效率，但线圈尺寸短且外壳厚度太薄，只有5～10mm，以至于不能用于高压情况下。另一种解决方案描述在US2009/0085701中，在US7170424和US4901069中也有一定描述，其中在天线之间提供PEEK材料或类似的材料，但起压力屏障作用的管道壁没有位于天线之间。在US6628118中也讨论了通过屏障控制磁场的理论。
发明内容
由此，本发明的目的是提供一种用于通信及给部分地分离在井中不同的环面中的井下电子设备供应功率的系统，同时能忍受恶劣的环境，例如大的压力差、高温和/或化学反应环境，还允许流体在环面中流动。通过上述和所附权利要求特征化的系统，实现了该目的。
因此，根据本发明优选的实施方式，本发明涉及类似于US7063148和US5008664中描述的旋转变压器，由与两个相近排列的磁半芯(magnetic corehalf)磁性耦合的两个同轴排列的环形线圈构成。
根据本发明优选的实施方式，绕组彼此密封地分离开，并且环绕有单独的密封的磁屏蔽。而且，内部芯用流体流过的金属管取代，并且保持绕组之间的环状流体通道，因此产生大的缝隙。另外，我们插入与绕组之间的高压屏障基本上相同厚度的金属管。为了克服高功率损失和弱耦合的挑战，因此在这种多孔的和有缺陷的旋转变压器设计中，已经研究了物理尺寸和几何形状，且合适的材料以及如何组合这些选择的材料在下文中讨论。因此，发现了两个线圈之间的效率和耦合在最苛刻的条件下功率传输效率为30％～60％的频率范围。
本发明主要描述关于井下作业，但还可用于其他需要井下测量设备之间功率和信号无线耦合的工业应用。或者，此外，这种变压器能耦合井下、流体处理井内的压力屏障之间的信号和功率。其他工业应用可为表面处理工业、航空器、航天器或机器人等这些信号和/或功率需要在需要相对于彼此旋转的两部分之间耦合的领域。
下文中使用的几个术语与井下作业相关，其中，“A-外壳”在本文中为压力屏障，“A环面”是生产管道系统与A-外壳之间的环面(annulus)，“B-环面”是A-外壳与B-外壳之间的环面。“内部”组件是位于A环面中的组件，而“外部”组件是位于B-环面中的组件。
“管(tube)”类似于“管道(pipe)”，只是更短，“管道系统(production tubing)”指串联的几个“管”或“管道”。像“线圈”或“绕组”等术语使用这些词在本技术领域内通常的理解。
附图说明
下面将参照附图详细描述本发明，这些附图通过实施例的方式示例本发明。
图1示出了根据本发明的系统的部分的分解图。
图2示出了根据本发明优选的实施方式具有嵌入的线圈/天线的图1中所示解决方案的细节。
图3a～图3d示出了同轴线圈之间的磁场和耦合。
图4示出了具有径向偏置的两个同轴管道的横截面。
图5a～c示出了本发明不同实施方式中效率对频率的关系。
图5d示出了轴向偏置对效率的关系。
图6a、b示出了短线圈的同轴线圈之间的磁场和耦合。
图7a、b示出了长线圈的同轴线圈之间的磁场和耦合。
图8示出了具有磁屏蔽的磁场。
图9示出了根据本发明另一实施方式具有磁屏蔽的磁场。
具体实施方式
在图1中，将本发明安装到两个同轴管道1、2上，例如内部管道1，即生产管道系统，和外部管道2，即A外壳。管道1和管道2之间的环面(annulus)是A环面。管道2和管道7之间的环面是B环面。管道7一般地叫做B外壳。控制单元3位于生产管道系统上，即管道1上，用于测量环状通道即环面A中的情况，并且从图中明显看出，空间12，也称为“空气缝隙”，设置在第一管道1和第二管道2之间从而使流体在环面中流过。控制单元能在环面A中提供测量。
测量装置4位于A外壳即管道2的外表面上，从而提供对第二管道2外侧的情况的测量。
控制单元3和测量装置4可测量环面中许多不同的参数，但通常测量温度和压力。为了越过管道之间的缝隙传送测量结果，由线圈构成的两个天线5和6分别以大致相同的轴向位置安装在管道1和管道2上。可容忍线圈之间的轴向位置偏置达到一个线圈的长度。线圈适合于传输和接收信号以及跨过环面和通过A外壳2的功率，并且根据本发明优选的实施方式由沿着内部管道1的外部周长延伸的线圈和沿着外部管道2的外部周长延伸的线圈构成。
在附图中，与上层仪器和控制系统的通信通过沿着内部管道1信号引线提供，并且内部测量装置3由此被供给动力且直接通过该方式通信。位于外部管道2上的测量装置4通过线圈5和6获得通信和功率。电源可利用1Hz～5kHz范围内的载波信号提供，该载波信号在测量装置4中整流以提供稳定的DC电源(DC power supply)。
利用标准的调制/解调技术将通信信号从载波信号中过滤出来，并且从第二测量装置到主通信链路8的传输也通过相同的线圈提供。多路传输等可由第一测量装置3提供或在单独的单元中提供，例如与接合/联接到主通信引线8相关(未示出)。
上层设备与井下设备之间的通信可通过利用允许将测量数据解释为任何合适的软件包的TCP/IP、MODBUS、RS422或485协议的标准网络。或者，该通信能通过专门设计的井下网络，例如，国际专利申请WO2008069677中描述的。上层设备可放置在井口，并具有通过双绞线屏蔽电缆8耦合到网络的接口，该双绞线屏蔽电缆顺着生产管道系统1的侧边而下并且以合适的沿着生产管的间隙被固定到所述生产管道系统1上。
第一管道上的在环面A中测量的仪器包括标准测量装置和连接器或提供选择的测量结果，并且根据系统中选择的协议通信，但它必须能够给外部电子器件供应足够的功率，在这种情况下包括第一线圈。另外，存在与第一线圈5的耦合和用于驱动线圈的装置从而通过第二线圈6供应功率和与第二测量装置4的通信。
安装在第二管道2、2a上在环面B中测量的仪器4包括用于测量例如压力和温度的标准测量装置、应答器电子模块以及线圈6。包括在测量装置4中的应答器电子模块整流载波以给测量装置4供应功率。另外，应答器电子模块通过线圈5和6从测量装置3中传输和接收信号或将信号传输和接收到测量装置3中。为了改进通过第二管道2材料的线圈之间的信号传递和功率传输效率，至少靠近线圈的管道2a的相关部分由低磁导率的材料，优选金属制成。这将在下文中详细讨论。下文中术语“功率损失百分比”和以％计的“功率损失”与供应给第一线圈中的初级绕组的总功率相关。
根据本发明，线圈被提供有磁屏蔽10。磁屏蔽是软磁材料的薄管，(环形的，具有相对大的直径)，优选由高磁导率和高饱和磁通密度材料制成，例如由79％Ni-17％Fe以及4％Mo组成的高磁导率的镍合金制成。磁屏蔽用于降低生产管道系统或外壳内的涡流损失。优选将一个磁屏蔽放置在内部线圈5内侧和外部线圈6外侧，并且与线圈中的绕组11平齐。
优选至少一个自动程序(bot)优选具有天线/线圈并且包括在包括由绕组的完整的金属罩构成的密封屏蔽15的传输单元中。可组合有磁屏蔽，还可被提及为金属屏蔽。该封闭闭合可通过电子束焊接(EB焊接)获得，则屏蔽和绕组可被提及为“绕组组件”。
线圈5、6之间的信号和功率传递可看作旋转变压器，其中初级绕组是第一线圈5中的内部绕组，并且次级绕组是外部绕组，其中，功率从初级绕组传输到次级绕组，而数据信号以两个方向传输。然而，初级绕组和次级绕组的功能和作用能切换，例如，如果到上层设备的信号传递8是在外部管道上，则旋转变压器中几乎具有相同的性能。实际试验和在物理尺寸部分(physical sizingsection)中的FEA模拟证实了绕组的相互感应耦合，从而证实了初级绕组和次级绕组作用切换的必要前提。在这里不详细讨论绕组，但根据本发明优选的实施方式，绕组由用方形磁导线和聚酰亚胺片的交替层制成的线圈构成，由诸如密封屏蔽等外罩屏蔽保护。
线圈或绕组5、6之间的管道部分2a中的金属优选为相对磁导率小于10，优选大约1的金属。这些金属的实例可为镍-铁合金，例如Inconel 718，组成为53％Ni-19％Cr-17％Fe-3％Mo-5％Nb-1％Co-1％Ti。
另外，为了将在该部分中的功率损失降低至一定程度之下，管道部分2a中的金属应具有低的电导率。实际的界限在大约σ(Fe)＝10.3MS，但优选不锈钢316(σ＝1.4MS)和Inconel 625(σ＝0.77MS)。这关系到绕组需要的负载电阻(loadimpedance)匹配，将在下文中更详细地描述。
另一方面，线圈中的导线应具有比10.3Ms高的电导率，例如像铜、银、铝或金等金属。
井下系统中的生产管道系统和外壳的通常尺寸可为如下：
-生产管道系统外径：5.5英寸或7英寸
-A外壳外径：9.63英寸或10.75英寸
-A外壳厚度：14mm
-B外壳外径：13.38英寸或14英寸
生产管道系统和外壳通常的材料：
-生产管道系统，不锈钢410或416：13％Cr L-80
-A外壳：P110
-B外壳：P110
生产管道系统和环面中通常的流体或气体
-生产管道系统：具有盐水、沙子和其他成分的石油&气体混合物
-A环面：碳氢化合物气体或液体、空气、H2S气体、盐水(含盐的水)、水和其他气体或液体
-B环面：空气、H2S气体、盐水(含盐的水)、水、水泥和其他气体或液体
在该井下环境中遭遇的压力和温度
-压力：高至(up to)700巴
-温度：高至250摄氏度
如上所述，网络接口模块放置在A环面中，并可链接到WO2008069677中讨论的类型的网络链接到上层设备。网络接口模块完成了上层设备与传感器模块之间的接口功能。网络接口模块通过电磁感应将功率供应给传感器模块4。网络接口模块还将由传感器模块4通过线圈6传送的负载调制信号解调。
将传感器4放置在B环面中以例如测量压力和温度。传感器模块将通过负载调制收集的测量结果通过线圈传送至由旋转变压器、网络接口模块以及接口井下网络构成的上层系统。传感器模块通过来自网络接口模块的电磁感应供应功率。传感器模块负载调制来自网络接口模块的电磁波载波。
天线5、6中的内部线圈和外部线圈必须分别通过导线分别连接到网络接口模块和传感器模块4。由于绕组组件，网络接口模块和传感器模块所处的环境是高压、高温以及腐蚀性环境，因此使用内部绕组组件和外部绕组组件之间的金属管来保护它们，内部绕组组件和外部绕组组件分别放置到网络接口模块和传感器模块。没有与导线或连接处接触的流体或气体非常关键。这种方式避免了线圈或模块终端之间的电路短路，也避免了线圈终端或耦合到线圈的有效模块之间的电路短路。
如上所述，密封屏蔽(保护导线及它们各自的有效模块的管)优选由金属制成，理想地由镍合金制成并且适合于密封导线和终端。几十年来众所周知镍合金在井下作业中对该腐蚀性环境具有满意的阻抗性，而且还是非磁性的并且磁导率低。
在升降机竖井系统中，A环面和B环面中的流量必须限制到尽可能地少。因此尽可能薄地建造绕组组件是至关重要的。因此材料的选择及它们的厚度很关键。
在这种情况下，绕组组件厚度D小于8mm。大部分地，主要厚度来自线圈。线圈厚度对绕组组件的功率传输效率起积极作用。选择尽可能薄的密封屏蔽和磁屏蔽，优选＜1mm，例如0.375mm。
为了部件之间容易密封的目的，密封屏蔽和磁屏蔽必须是薄金属片的金属。薄金属片因电磁目和在环面中保持好的流动部分而合理。
选择磁屏蔽10的主要要求：
-用作磁屏蔽的材料的电磁性能
-磁屏蔽致力于的频带
-获得所追求的屏蔽功能所需要的厚度
-针对磁屏蔽将面临的环境，对震动和振动的阻抗性
-在选择的构型中，材料的延展性
-最后，针对操作，材料能忍受的温度和压力范围
满足上述要求的井下作业的优选材料是Mu金属，是一组软磁，80％镍铁钼合金。实际的商品名是Supermalloy、Superperm 80、HyMu80、MuMetal、Hypernom以及4-79Permalloy。
选择密封屏蔽的主要要求是：
-密封屏蔽必须是金属以使部件之间的密封方案容易
-密封屏蔽必须忍受腐蚀性环境
-密封屏蔽必须忍受高温(高至250℃)
-密封屏蔽必须忍受高压(高至2000巴)
理想情况下的密封屏蔽应该不影响电磁波。密封屏蔽应该由非磁性金属制成并且具有低的电导率。
像从附图中能看出的一样，密封屏蔽15、10在它的末端15处较厚。这是为了机械强度的目的。为了避免减弱穿过这些厚金属部分的电磁场，在绕组组件内侧的线圈每个末端处加入自由空间。该自由空间能充入电绝缘体14。要求该自由空间允许大部分电磁场穿过密封屏蔽的管状薄片，而不是穿过密封屏蔽的厚的钢制末端。
这些环14是低热膨胀率、低磁导率、低电导率并且长时间忍受高温的材料，例如由
Figure BDA00002390745200081
或
Figure BDA00002390745200082
制成。在线圈末端和密封屏蔽的厚的末端之间具有自由空间是有利的。该距离必须大于5mm以避免在绕组边缘失去太多功率，优选20mm。
在内部绕组组件5中，将磁屏蔽10安装在线圈架上。然后，使绕组11处于具有合适的电绝缘层(聚酰亚胺膜)的磁屏蔽顶部。之后，用合适的浸渍漆(环氧树脂或有机硅树脂)浸渍所有的构造。之后，将该密封屏蔽的外部部分EB焊接在端盖上。
使用相同的方法制作外部绕组组件，只是替代地，将磁屏蔽10安装在绕组的外侧。
为了构造线圈，应用下列要求：
磁导线：为了补偿薄的绕组组件要求，磁导线电导率必须尽可能地高，银、铜、金或类似的材料。另外，为了改进线圈的电导率，优选方形部分导线。而且，由方形磁导线层制成的线圈将均匀地分散层与层之间的压力负荷。
磁导线绝缘体：磁导线周围必须具有忍受高至250℃高温的好的绝缘体，例如，使用像
Figure BDA00002390745200091
之类的聚酰亚胺。
聚酰亚胺层：为了使线圈更可靠，将薄的管状聚酰亚胺片放在绕组层之间是有利的。它分散压力负荷并且避免一层到另一层之间的磁导线直接接触。否则，当热膨胀和压力负荷变化过程中存在快的梯度时发生摩擦现象，长期损坏层之间的磁导线绝缘体。
浸渍树脂：为了更好的电子绝缘和加固结构，应该用环氧树脂或有机硅树脂或其他合适的材料浸渍线圈以保持线圈的良好粘接。
靠近绕组组件的A外壳必须具有下列性能：
-为了电磁目的，低的相对磁导率(低于100，理想地为1)
-为了电磁目的，低的电导率(低于10.3*106，理想地为绝缘体)
-为了机械强度的目的，性能必须协调以忍受在升降机竖井中遭遇的牵引、挤压和扭转。替代材料必须具有与P110材料等同或比P110材料更好的机械性能。
-为了抗腐蚀的目的，材料的化学性质必须忍受像井下环境一样的腐蚀性环境。
如上所述，确定为满足这些要求的令人满意的材料是镍合金。
B外壳在外部绕组组件和线圈6附近。如果在该绕组组件中使用的磁屏蔽的磁导率比外壳A的磁导率高很多，则在B外壳中的功率损失降低。比值10应该是最小的比值。
获得高效率和高带宽的线圈的优选物理尺寸
为了得到“密封屏蔽”的优点，高的磁耦合和低的周边损失是对线圈起码的要求。与非金属(非导电塑料或聚合物)相比，金属屏蔽表现出明显的功率损失，并且在像这种旋转变压器中通常表现出破坏性功率损失。然而，因为在本发明中已经需要机构来克服在金属内部压力屏障中的损失，我们进一步研究了添加金属屏蔽的可能性。通过在该屏蔽中使用与压力屏障(外壳)中相同类型的材料，并且使其很薄(＜1mm)，我们以相当低的和可接受的5～10％的功率损失程度结束。图5a示出了没有屏蔽时效率与频率和负载之间的关系，而图5b示出了有屏蔽时效率与频率和负载之间的关系。从图中能看出，因为频率范围在100Hz～1kHz内的磁屏蔽而有2％～8％的降低。
接受了在密封屏蔽中的一些损失后，然后通过将在旋转变压器中的所有其他损失降低至最小值，我们尽我们所能地补偿该损失。以那种方式，我们实际上以相当有效的旋转变压器结束，该旋转变压器用于“在腐蚀性环境中的高温和高压下需要流体经过”时。这与US5008664、US6628118 B1中的描述相反，在这些文件中讨论了这种耦合的线圈中的很差的效率(参见前文)。
为了获得高效率，将尽可能多的可提供的功率传递至传感器通常是重要的。当可提供的功率有限时这尤为重要，例如在井下仪器网络中，和/或在几个旋转变压器相级联时。而且，高效率对数据信号产生较高的信噪比，并且简化调制/解调电路。
与更先进的和复杂的技术相比，例如，与必须在弱耦合设计中使用的调制载波相比，线圈之间好的耦合打开了(数据)信号负载调制的可能性。
为了流体或气体的经过，金属管之间的(空气/气体/流体)缝隙必须尽可能地宽。因此，需要薄的线圈组件。这意味着外部环境屏蔽、磁屏蔽及线圈必须形成薄管、环状形状。因此由于除旋转变压器整体效率之外的其他要求表现出该形式。然而，如同在讨论材料选择部分中进一步详细讨论的一样，能够找到合适的材料使这种形式关于效率和频率范围(带宽)的负效应最小化。
线圈之间大的空气缝隙的一般挑战进一步详细地描述在“UnderwaterTechnology-Vol 12，issue 3”中。文章“Inductive Couplers in Underwater PowerDistribution Networks-Improving their Applicability”表明0.05mm的缝隙具有与250mm长的芯材料相同的阻抗性。在该文章中，因此没有研究具有大于0.25mm的空气缝隙的构型。在组合有在金属屏障中(通常＞10mm)的磁性“空气缝隙”的气体/流体中我们的空气缝隙为至少几毫米。
受上述文章中建议的鼓舞，为了“通过延长芯缝隙增加半芯之间空气缝隙的横截面以增加穿过空气的磁耦合”，我们使线圈更长。在这种情况下，即使我们没有像上述文章中一样的彼此面对着的两个半芯，我们仍然增加两个线圈之间通过磁通量的空气缝隙的横截面。
图3a、3b、3c、3d示出两个不同线圈长度构型130mm和258mm的EM-FEA(电磁场-有限元分析)以及在次级绕组处对应的场强度。图3a示出等高磁通线，Iprim＝1A，f＝100Hz，Np＝Ns＝64t，Wd＝1.8mm，H＝50A/m，B＝0.063mT以及图3b示出从中心到-100mm(绕组在-65mm处停止)沿次级绕组的磁场强度，对于130mm的线圈长度，Hpeak＝50A/m。图3c示出等高磁通线，Iprim＝1A，f＝100Hz，Np＝Ns＝128t，Wd＝1.8mm，Hs＝58A/m，Bs＝0.073mT以及图3d示出从中心到150mm(绕组在129mm处停止)沿次级绕组的磁场强度，对于258mm的线圈长度，Hpeak＝58A/m。
在这两个实施例中，初级电流、导线厚度以及频率是相同的。管尺寸以及线圈的直径差(Wdd)也是相同的。在该实施例中Wdd＝95mm。通过比较这两个长度的EM FEA分析，我们能看出较长的线圈在次级绕组处产生更高的磁场强度。然而，我们应该考虑驱动力N*I在该最后的实施例中为两倍高。“N”是线匝的数目，“I”是电流。
根据安培定律，在单线圈中(以及周围)的磁场强度的表达是：
H = NI l e
这里，le是有效磁性长度，即磁通量路径(线)的平均长度。从该方程我们看出，较长的线圈，由此较长的le相应地降低磁场强度。该效应与一些使线圈更长的正效应相矛盾。幸运地是，如在磁屏蔽部分中进一步详细描述地，具有该问题的解决方案。而且，我们应该记得在次级绕组中的磁通量的积分现在高很多。因此，尝试增加空气缝隙的横截面的初步结果是非常令人振奋的。
如果我们比较这两个实施例中绕组长度(L)与Wdd的比值，我们得到比值(Rlw)：对于短线圈，Rlw＝L/Wdd＝1.37，对于长线圈，Rlw＝L/Wdd＝2.76。虽然比值1将给出一定的效率，但为了高效率的设计我们推荐比值至少为3。图5c示出不同长度L的传输效率。
选择高Rlw的另一益处是防备线圈在Z方向轴向偏移。在偏远郊区的实际组装或油井组装中，其中每个线圈独立地放置，两个线圈不能完美地对准的几率很高。在这种耦合中，我们通过EM FEA模拟和实际试验发现：当线圈长时，线圈之间的电磁耦合效率很少受轴向偏移的影响。例如，直径与上述相同，长度为380m的线圈即使有100mm的偏移也表现出高效率，参见图5e中示例的图表。
除了轴向偏移，径向偏移的几率也很高。然而，实际试验表明对这种情况几乎不敏感。之所以这样的原因可能是一侧偏移的负效应(增加空气缝隙)被相反另一侧的正效应(降低空气缝隙)补偿。下面的示例示出图4中所示的径向偏移的实例。
我们需要高带宽的主要原因是为了确保在实际时间段内对测量结果/数据有足够的响应时间和分辨，特别是当传输许多参数时。高带宽还提高功率传输。那么，在有限的可提供空间，在必要的接口/驱动电路中能使用较小尺寸的感应器和电容器。而且，当电容器尺寸降低时，能利用较高质量的电介质，该电介质随温度变化更稳定并且在失效之前表现出延长的寿命。
旋转变压器的频率上限受金属内部压力屏障限制。该压力屏障的厚度和它的电性能及磁性能一起给出实际的限制。频率上限的直接表达由公知的趋肤深度方程(skin depth equation)指导：
δ = 2 ρ 2 πf μ R μ o (米)
ρ＝电阻率(欧姆-米)
f＝频率(Hz)
μo＝4π×10-7(亨利/米)
μr＝金属的相对磁导率
趋肤深度(在Wikipedia中)定义为导体表面下电流密度衰减为表面处强度的1/e(大约0.37)的深度。这意味着如果压力屏障的厚度比趋肤深度厚，那么在给定的频率下，仅小部分来自初级线圈的电磁信号穿过到达次级线圈。
在我们的实施例中，由Inconel 718制成的压力屏障，电阻率ρ＝1.25μS，μr＝10.0011及功率传输频率f＝625Hz。这给出趋肤深度22.5mm。压力屏障的厚度为13.8mm，是趋肤深度的0.61倍。在1.66kHz下，趋肤深度与我们实例中压力屏障的厚度相等。图5b示例的图表示出效率对1Hz～10kHz频率的FEA模拟。
在图5b的图表中示出效率如何受不同负载电阻的影响。因此，负载电阻必须根据频率选择。“Rsec”是外部绕组的DC电阻。如图表中所示，在该实例中负载电阻必须在RL＝2×Rsec至RL＝13×Rsec范围内。到目前为止完成的对其他变量的所有FEA分析也证实了该范围。
而且，该图表打算表明通过金属外壳的通常衰减，而不是我们的系统在625Hz下的真实性能。在该频率下，可能调节初级驱动阻抗以增加功率因数，以及调节次级负载阻抗的复共轭以补偿漏电感。组合有使用最佳负载电阻的该调节类似于上述文章：“Inductive Couplers in Underwater Power DistributionNetworks-Improving their Applicability”中提到的电容调谐。
关于我们系统的带宽，存在功率载波效率和波特率之间的折中。为了简化调制/解调电路，我们使用功率载波的同步负载调制。以该方式，由于高的耦合效率，可能无需前置放大器解调数据信号。在本发明供选择的实施方式中，能使用更先进的信号/数据调制，在所述更先进的信号/数据调制中使用单独的信号载波，因此功率传输频率更少地依赖于功率传输频率。与功率传输相比，在数据传输中对高效率的需求较少，该供选择的信号载波频率能高很多，因此允许比同步负载调制给出的波特率更高。在US5008664中非常详细地解释了该方法不同的实际变型。
每个绕组的厚度，组合磁导线的电导系数，影响绕组中所有线匝的组合电导率。磁导线的电导率(σ-铜)与绕组厚度D相乘应等于或大于A外壳材料(σ-Inconel)的电导率乘以A外壳的厚度。当得到该前提条件时，那么通过旋转变压器的高效率的功率传递可通过在下列范围内选择负载实现：与变压器的电阻匹配的阻抗(最低值)，A外壳的等同的内部负载电阻(最高值)。
除上述尺寸和频率范围外，应该提及也影响旋转变压器效率的下列参数：
-导线的形状应为正方形或长方形，以增加线圈中的(铜)填充因数。这还有助于增加线圈的电导率。
-线匝的数目应该足够高从而使初级绕组的磁化电流比功率传输载波的电流小。
-因为实际的原因，层的数目应为偶数，并且调整层的数目从而使线匝的数目与需要的厚度匹配。
-当由内部生产管支撑时，内部线圈应该放置在尽可能靠近内部生产管的地方，以最大化线圈外侧流体或气体的环状通过。
-外部线圈在任何情况下都应该放置在尽可能靠近A外壳的地方。
描述在最后一个黑圆点处的放置会减小线圈之间的距离，并增强A外壳与外侧线圈之间的磁耦合。EM FEA分析表明A外壳用作用于电磁波的运输装置。因此，如果线圈中的一个线圈与该运输装置有近的耦合，则通过线圈之间缝隙的整体耦合增强。
现有技术US4852648、US5008664、US7063148B2以及US7170424中没有一个给出关于下列方面的建议：最佳负载阻抗范围、导线的形状、导线的材料、绕组厚度、绕组长度、线匝数目、层的数目或绕组的最佳位置(相对于周围的管)。US7063148B2提及线圈长度应为1～30mm，但因为如上列出的几个原因，这在本申请中表现出差的性能。此外，没有给出关于线圈的轴向偏移或径向偏移的问题的评论。在郊区或其他偏远的地域，在旋转变压器的各个部件的实际组装中，合适地对准两个绕组组件具有明显的挑战，特别是如果在多个接触点(pick-off point)处由相同的管道系统支撑的几个旋转变压器同时组装时。
本发明重要的方面是使用磁屏蔽。为此的一个动机是避免生产管中的涡流损失和滞后损失。如果生产管是P110材料或其他磁性钢，这尤为重要。通过在生产管与内部线圈之间插入管状磁屏蔽，磁通量将被收集并跟随着磁屏蔽，而不是渗透到生产管的表面。当这么说时，将在线圈边缘有一些损失，但这不明显，能容忍。
以与内部磁屏蔽相同的方式，在外部线圈与B外壳之间插入的外部磁屏蔽将消除在B外壳中大部分的涡流损失。
根据本发明，使用磁屏蔽，组合合适尺寸的线圈，能几乎补偿在大的空气缝隙和A外壳中的损失。除避免在生产管和(B外壳)中的损失外，由于沿绕组的好的磁导性，磁屏蔽使绕组(winding)的长度可能延伸，并且因此降低空气-缝隙效应。在图6a和6b中的EM FEA模拟用相对短的线圈示例了上述效果，其中图6a示出等高磁通线。Iprim＝1A，f＝100Hz，Np＝Ns＝64t，Wd＝1.8mm，Hpeak＝365A/m，Bpeak＝0.45mT以及图6b示出从中心到100mm(绕组在-65mm处停止)沿次级绕组的磁场强度，Hpeak＝365A/m，两个线圈的长度都是130mm。
与图3a～图3d中的EM FEA分析相比较，磁场强度现在从50A/m增加到365A/m。相应的磁通密度已从0.063mT增加到0.45mT。我们能清楚地看出磁通更集中，并且受磁屏蔽导向/收集。下面的安培定律表明磁屏蔽和空气缝隙如何分享磁场强度和相应的磁通量。
NI＝H屏蔽L屏蔽+H空气缝隙L空气缝隙
u空气缝隙＝uo＝4π×10-7
“N”是线匝的数目，“I”是线圈的电流(Iprim)。通过将这些方程彼此关联起来，我们能看出如果μ屏蔽变得比μo大很多，那么右侧第一项变得微不足道，并且与空气缝隙相关的项占主导。这是在类似的磁电路中公知的空气缝隙效应，在该类似的磁电路中线圈缠绕在普通的磁芯上。那么磁场强度的表达缩减为：
H = NI l e
这里，le是有效的磁性长度，le非常接近于空气缝隙的尺寸。因为空气缝隙仅是总磁性长度的一部分，在该实施例中我们以磁场强度增加7.3倍而结束。这表明用更长的绕组我们应获得甚至更高的磁场强度，如图7a和7b中所示，其中图7a示出了等高磁通线。Iprim＝1A，f＝100Hz，Np＝Ns＝128t，Wd＝1.8mm，Hs＝600A/m，Bs＝0.78mT以及图7b示出从中心到150mm(绕组在129mm处停止)沿次级绕组的磁场强度，Hpeak＝600A/m，两个线圈的长度都是258mm。
在该实例中，磁场强度是600A/m，与没有磁屏蔽的相比，增加了10.3倍。这事实上大于我们用较短的线圈得到的7.3倍。相应的磁通量从0.073mT增加到0.78mT，即增加了10.7倍，也是比较短的线圈中具有更高的比值。而且，我们现在能看出磁通量甚至更被限制在空气缝隙内和两个线圈中间。
最后一个实例证明，甚至当存在大的空气缝隙和厚的金属屏障(A外壳)时，磁屏蔽共同能起到像从一个线圈到另一线圈的磁耦合装置一样的作用。在长线圈中，电场强度和相应的磁通量增加大于10倍，并且空气缝隙的横截面明显增加。
使用磁芯提高线圈的性能是通常众所周知的事实。然而，这种磁“芯”在本申请中不明显，简单地因为没有放置磁芯的地方。这里内部生产管道系统占据了内部芯通常的地方，而空气缝隙和A外壳占据了绕组组件之间的地方。
图8中示例的进一步的EM FEA试验示出了将磁屏蔽的长度延伸至大于线圈的长度没有任何收益。之所以这样的原因是因为通过将线圈延伸相同的长度，我们得到的比我们在绕组边缘失去的涡流损失更多。因此通常的规则是使线圈和磁屏蔽的长度保持大致相同，并且使它们轴向对准。下面的EM FEA输出表明，当内部生产管和B外壳是由磁性金属，例如P110制成时，一些磁通量如何由内部生产管和B外壳捕获和引导。绕组组件的边缘效应的这种分析已经在50Hz条件下进行。
虽然在这种弱磁性导体中的涡流损失很明显，但EM FEA试验表明仅小部分磁通量在绕组边缘处传递通过这些管。幸运地是，在涡流损失通常最高的高频率范围内证实了这尤其正确。除在边缘处涡流损失降低效应外，实际上还有来自周围管的磁性能的益处。当这么说时，A外壳当然必须是非磁性的，用于传输大于1Hz的频率(参考趋肤效应方程)。这使得A外壳几乎完全可透过高至大约500Hz的频率。通过上述等高磁通线相当好地示出了A外壳中磁的通过性和低的畸变，还有由内侧管和外侧管对磁通量的收集和引导。该引导的正效应来自线圈之间增加的磁通量耦合。那么，更少的磁通量只是从相同线圈的一端到另一端穿过空气缝隙。该效应公知为变压器漏磁。将生产管道系统和B外壳可能用作“磁芯”的进一步讨论在下面“供选择的磁耦合器”部分中详细讨论。
在磁屏蔽中能使用不同类型的磁性材料，只要该材料具有高的相对磁导率(μr＞2000)，以补偿相对薄的外形以及因此而具有的低的横截面Ae。低电导率和高电导率的铁素体，还有像镍-铁合金和硅-铁合金之类的磁性材料都能使用。铁素体难以生产为具有足够精度的需要的形式，并且还非常脆。也能使用无定型金属，虽然无定型金属还有铁素体在高温下都具有较低的居里点和较弱(寿命)的性能。高磁导率的软磁80％镍铁钼合金，给出用于该屏蔽的最好的组合性能。实际的商品名为Supermalloy、Superperm 80、HyMu80、MuMetal、Hypernom以及4-79 Permalloy。
MuMetal表现出许多优点，例如：
-非常高的磁导率
-高饱和磁通密度
-高居里温度
-高温下长期稳定
-随温度变化小
-坚固/可延展(不像铁素体棒一样断裂)
-当在我们频率范围内使用薄屏蔽时涡流损失低
-在我们频率范围内滞后损失低
结合旋转变压器效率，MuMetal表现出狭长的构造、高磁通密度、高磁导率以及在我们使用的频率范围内损失低的成功组合。
当选定MuMetal时，每一层应该很薄(＜0.2mm)以尽可能地降低涡流损失。在旋转变压器中高磁通量的情况下，能使用用聚酰亚胺或其他合适的聚合物材料绝缘的几层以避免磁饱和。
由于MuMetal的极限磁导率，应特别注意，避免在绕组中流动的小的DC电流使材料饱和。稳定和限制MuMetal芯/屏蔽中的DC磁化磁通量的公知方法是在磁路径中加入空气缝隙。幸运地是，在本发明中我们已经具有在两个磁屏蔽之间的大的空气缝隙。因此，DC磁化问题完全被解决了。
供选择的磁耦合器
在我们能容忍在内部生产管道系统中的一些涡流损失的情况下，该管道系统实际上能给出如同内部磁屏蔽一样的磁导向和耦合性能。那么该管道系统必须是用磁性金属或磁性复合(塑料)材料(非导电性材料)制成的。
虽然以这种方式将生产管道系统用作磁芯一般来讲因为高涡流损失和滞后损失而有明显的缺点，但具有较低的频率限制，其中磁性能的优点大于导电性能的缺点。该边界频率取决于管道系统中材料的电磁性能。通过典型的井下材料的EM FEA分析，我们已发现典型的边界频率为50Hz。
与上述用生产管道系统取代内部磁屏蔽的机会一致，如果B外壳具有足够的磁性能，B外壳能类似地取代外部磁屏蔽。
在两种情况下，这些管的磁导率都不需要太高，因为与磁屏蔽相比较，这些管本身相对较厚。FEA试验表明在P110材料的情况下，磁导率100就足够，然而磁导率为409的不锈钢430表现出更好的性能。后者可能是因为较低的电导率，而不是较高的磁导率。
图9示出了具有磁性生产管道系统和磁性B外壳(P110)，在20Hz下来自EM FEA试验的磁通线的等高图。
绕组长度为680mm，厚度为5mm。线匝的数目是5000，负载电阻(loadresistance)比外部绕组的电阻(resistance)大三倍。
为了研究生产管道系统和B外壳中材料的效应，进行了三个不同的EMFEA模拟。在内部绕组中流过0.1A的AC电流，之后计算了由此产生的输入功率以及可用的输出功率。结果列于下面：
Inconel 718生产管道系统和B外壳
Pin＝547mW，Pload＝85mW，η＝15.6％
P110生产管道系统和B外壳
Pin＝1500mW，Pload＝488mW，η＝32.5％
不锈钢430生产管道系统和B外壳
Pin＝1915mW，Pload＝856mW，η＝44.8％
从该结果我们清楚地看出在低频率下在除A外壳之外的其他管道系统中使用磁性材料的益处。
在这三个实施例中输入功率不一致的原因是内部初级绕组的电抗与生产管道系统中的磁性能成比例增加。这能够从在恒定的电流下增加的输入功率看出。当用恒定的电压驱动时该效应还有利于降低初级绕组的磁化电流。在那种情况下，如上已提及，较大部分的输入电流通过旋转变压器传递。
在除A外壳之外使用磁性管道系统的该供选方案在现有技术中没有提及。这是在低于100Hz频率的“磁屏蔽”下简单且足够有效的解决方案。

Claims (14)

1.一种用于在内部单元与外部单元之间传输信号的传输系统，所述内部单元和外部单元由环状管道部分的壁分隔开，所述环状管道部分的壁提供在所述管道的内侧和外侧之间的压力屏障和适合于包含流体的环状缝隙，其中所述内部单元被提供有第一天线，并且所述外部单元被提供有第二天线，这些天线适合于被带到沿着所述管道部分的基本上相同的位置，其中，所述管道部分壁由低磁导率的材料制成，并且其中至少一个天线被提供有具有高磁导率的磁屏蔽，相应的所述天线位于所述管道壁与所述磁屏蔽之间，并且所述磁屏蔽沿着所述天线的轴向长度延伸。
2.根据权利要求1所述的传输系统，其中，所述天线由导电线圈构成，所述导电线圈的轴线与所述管道部分基本上同轴。
3.根据权利要求1所述的传输系统，其中，环状通道位于至少一个天线与所述管道部分壁之间。
4.根据权利要求1所述的传输系统，其中，所述磁屏蔽被包括在包围相应的所述天线的密封封闭件中。
5.根据权利要求1所述的传输系统，其中，两个天线都被提供有磁屏蔽。
6.根据权利要求1所述的传输系统，其中，这些天线在1Hz～5kHz，优选小于1kHz的频率范围内被操作。
7.根据权利要求1所述的传输系统，其中，所述单元中的第一单元包括与外部电源的耦合，并且第二单元包括耦合到所述外部电源的传感器，所述第一天线适合于将功率传输到所述第二天线。
8.根据权利要求7所述的传输系统，其中，所述第二单元包括通过被传输的所述功率所供电的传感器，所述传感器和相应的天线也适合于将信号传输到所述第一单元中的天线。
9.根据权利要求1所述的传输系统，其中，所述单元中的第一单元包括与信号传输线路的耦合，并且第二单元包括耦合到所述信号传输线路的传感器，由此所述传输系统适合于通过这些天线在所述信号传输线路与所述传感器之间传输信号。
10.一种用于传输系统中的传输单元，该传输系统用于在由环状管道部分的壁分隔开的内部单元与外部单元之间传输信号，所述传输单元构成所述内部单元或所述外部单元中的一个，其中天线放置在所述单元中，所述单元被提供有由绕组的完整的金属罩构成的密封屏蔽。
11.根据权利要求10所述的天线，其中，所述密封屏蔽由镍合金制成。
12.根据权利要求10所述的天线，其中，所述密封封闭件由厚度小于1mm的金属箔制成。
13.根据权利要求10所述的天线，其中，所述密封屏蔽包括具有高磁导率的磁屏蔽，相应的所述天线位于所述管道壁与所述磁屏蔽之间，并且所述磁屏蔽沿着所述天线的长度延伸。
14.根据权利要求10所述的天线，所述天线由磁线的线圈构成。
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