CN104321974B - 数据通信系统 - Google Patents
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Abstract
提供用于通过三相电力系统在表面与地表表面下位置之间来传输数据的系统和方法。提供第一AC电力信号的第一电源和提供第二AC电力信号的第二电源处于表面。提供数据通信信号的第一加电模块和第二加电模块处于表面下。电缆连接设置在表面与表面下之间，以传输电力和数据通信信号。数据通信信号提供施加到第二加电模块的电力的指示，并且电力信号响应所施加电力而改变。本发明在监测井下设备、例如井筒中的电潜泵方面得到具体应用。
Description
本发明涉及向/从井下设备的数据传输，以及非排他地具体来说，涉及表面下与表面位置之间经过三相电力系统的数据传输的改进数据通信系统和方法。
“井下设备”被理解为表示井筒中使用的任何工具、设备或仪器。
数据由于各种原因而需要在井下设备与表面之间传输。例如，监测电机/泵的性能、用于阀的控制的控制信号的传输、测量装置取向和位置以及进行物理测量。
对于机动井下设备、例如电潜泵(ESP)电机系统，数据需要从设备下面的电路(其包括电机绕组)和设备的电力电缆(其能够被认为是三相电力系统)中发送。在这类布置中，当电力电缆已经存在时，存在如下理论根据：使用这些的解决方案的成本应当相称地小于还提供通信电缆的适当长度的解决方案。还一般认为，需要能够在主要3相电力系统未加电时保持井下监测仪表上的电力，因为这在泵关闭或者井中的其它主要事件的情况下提供必不可少信息。
因此，这些系统的设计和操作以确保始终成功传输数据并且保持单独电力供应是棘手的。
由于三相电力系统的电机和电力电缆性质，使用电感耦合来耦合到电力系统的基于DC电流的装置已经研制并且广泛使用。从表面的低电流DC电源提供电力，以及通过调制从这个电源所吸取的电流或电压向表面传输数据。
在US5515038、GB2283889和US6396415中公开基于数字和处理器的装置的示例。这些系统利用注入到电力信号上并且经过电感Y点耦合所提取的DC电流。这些系统在电力电缆上的绝缘失去或损坏时全部易遭受故障，因为任何故障与单独电源并联，并且故障成为另一个电流调制源，因而使信号强度失去。这些现有技术系统通常本质上也是模拟的，因而将噪声和不定性引入测量，或者在传输数字数据的情况下，它处于很慢的数据速率。
研制了利用AC电力和/或信号传输的基于AC的系统，以克服这些问题。但是，这些基于AC的系统引入其自己的缺点。在US7982633中公开一种作为供井下应用中使用的典型现有技术的基于AC的系统，其中电能通过多导体电力电缆提供给ESP电机组合件。井下单元经过ESP电机组合件的Y点AC耦合到电力电缆的导体。表面单元与电力电缆的导体AC耦合。遥测数据的上行链路通信通过井下单元和表面单元所支持的AC通信方案进行。遥控命令数据的下行链路通信通过表面单元和井下单元所支持的不同AC通信方案进行。这些AC通信方案向井下环境提供单独电力供应。表面与井下环境之间的所有通信经过电力电缆来实现，而无需使用附加通信线路。在电力电缆上的接地故障的情况下保持数据通信。
这类现有技术的基于AC的系统的明确意图是在电力电缆上的绝缘被损坏或者至少不完善时进行操作。但是，这些系统的缺点在于，虽然所输送的电力量已知用于正常操作条件下的固定电缆长度和尺寸，但是电缆上的任何故障对这些进行调整，并且因而将对所输送的电力量具有巨大影响。因此，输送到井下单元的电力能够受到不利影响，从而引起在井下单元的监测和数据通信的损坏及潜在损失。在US7982633中，公开一种布置，其中高通滤波用来消除通常在25 – 60 Hz左右、施加于井下单元的低频电机电力。但是，实际上，注入电机组合件的AC电力受到电机组合件中的电抗分量的极大影响。电抗分量可包括表面变换器的电感、井下电缆的电容和井下电机的电感。因此，有可能的是，在正常运行条件下，将稳定和有用的电力供应提供给井下单元，但是当绝缘故障出现时，井下单元所经受的电机组合件的电抗急剧变化，从而使所输送的电力显著变化。输送到井下单元的电力的这种变化可以是增加或降低。如果电力的降低发生，则井下监测单元可停止起作用。如果电力增加过多，则井下监测单元可能出故障，或者至少可因加压操作条件而具有比原本预计的要短的服务寿命。
因此，本发明的一个目的是提供用于通过三相电力系统来传输数据的系统和方法，其中将输送到井下单元的电力保持为恒定，而与三相电力系统的工作条件无关。
按照本发明的第一方面，提供一种用于通过三相电力系统在表面与表面下位置之间传输数据的数据通信系统，所述数据通信系统包括：表面系统模块，设置有提供第一AC电力信号的第一电源和提供第二AC电力信号的第二电源；表面下系统模块，提供第一加电模块和第二加电模块，其中第二加电模块提供数据信号；电缆连接，设置在表面系统模块与表面下系统模块之间，传输电力和数据通信信号；以及其中数据通信信号提供施加到第二加电模块的电力的指示，并且电力信号响应所施加电力而改变。
这样，能够调节施加到井下数据传输系统的电力，以确保数据传输的完整性。
优选地，第二加电模块包括确定所施加电压的部件。这样，所施加电压能够在数据通信信号中传输给表面系统模块，并且用来改变电力信号。优选地，第二AC电力信号响应所施加电压而调节。
可选地，第二加电模块可包括AC耦合电路。这样，施加到第二加电模块的电力可通过改变电力信号的频率来改变。优选地，第一AC电力信号的频率在20 Hz至60 Hz的范围之内。又优选地，第二AC电力信号的频率在500 Hz至5 KHz的范围之内。这样，AC耦合可永久地阻止一个AC电力信号所施加的电力，同时允许另一AC电力信号所施加的电力被改变。
优选地，第一加电模块是电机组合件。更优选地，第一加电模块是ESP电机系统。
优选地，第二加电模块是监测系统。更优选地，监测系统包括一个或多个计量器/传感器，以及数据通信信号包括来自一个或多个计量器/传感器的数据。
优选地，第一AC电力信号用来向第一加电模块供电，以及第二AC电力信号用来向第二加电模块供电。又优选地，第二AC电力信号响应所施加电力而改变。这样，在第二加电模块上调节所施加电力，其中第二加电模块保持监测系统和关联数据传输的最佳机能。
按照本发明的第二方面，提供一种用于通过三相电力系统在表面与表面下位置之间传输数据的数据传输的方法，所述方法包括下列步骤：
(a)提供从表面到表面下系统的电缆连接；
(b)沿所述电缆连接向下提供第一和第二AC电力信号；
(c)确定在所述表面下位置的单元所施加的电力；
(d)沿所述电缆连接向上传递指示所施加的所述所确定电力的数据信号；以及
(e)改变所述表面的AC电力信号，以改变所施加的所述电力。
优选地，该方法包括设置单元所要求的预期功率级的步骤。
优选地，步骤(d)包括传输施加到单元的电压。
又优选地，该方法包括提供反馈环路以主动控制单元的功率级的步骤。
优选地，第一AC电力信号用来向井下电机组合件供电。优选地，第一AC电力信号在20 Hz至60 Hz的频率范围之内。
优选地，第二AC电力信号用来向井下监测系统供电。优选地，第二AC电力信号在500 Hz至5 KHz的频率范围之内。
优选地，监测系统包括调谐电路，以防止第一AC电力信号的传输到达监测系统。
优选地，该方法包括改变第二AC电力信号的频率的步骤。更优选地，该方法可包括扫描第二AC电力信号的频率的步骤。结合调谐电路的使用来改变频率将有效地改变所输送的电力。
优选地，如果在表面没有接收数据信号或者如果数据信号丢失，则执行扫描频率的步骤。优选地，扫描频率，直至接收到数据信号。
优选地，经由数据信号所施加的指示电力的突然变化用来警告用户关于电缆连接中的可能故障。又优选地，在故障的检测时，去除第一AC电力信号，同时仍然从监测系统传输数据。
现在将仅作为举例、参照附图来描述本发明，附图包括：
图1示出井中的井下设备的典型设置，示出设备、电机和表面的控制接口的位置；
图2示出按照本发明的第一实施例的数据通信系统的示意框图；
图3(a)和图3(b)是在(a) 正常和(b) 接地故障条件下的电机电路等效体；
图4示出按照本发明的另一实施例的数据通信系统的示意框图；以及
图5示出按照本发明的又一实施例的数据通信系统的示意框图。
一类井下设备是人工升举系统，供储层中存在不充分压力以将井的流体(例如油、水或气体)提升到表面的井中使用。人工升举系统的类型包括液压泵、杆式泵、电潜泵(ESP)、喷射泵、螺杆泵(PCP)和气举。
一开始参照附图的图1，其示出井筒中的典型ESP完井。ESP电机10经过密封12耦合到离心泵14，并且用来按照本领域的技术人员已知的方式经过管道16将流体提升到井20的表面18。为了监测操作，传感器或计量器22定位在ESP 10下面。通常，电机10是三相Y配置。电机由变速驱动系统24来驱动，并且经由三相电力电缆26来连接。该系统能够被认为包括两个不同部件，即，由参考标号28一般表示的表面系统以及由参考标号30一般表示的井下系统。这两个部件28、30使用ESP电力电缆26进行通信。
与计量器系统相关的表面设备在图1中示出，其中存在将3相电源直接连接到井下电机的HV单元13，并且还存在LV或低压单元8，其与高压系统安全地隔离。LV系统主要用于数据恢复和处理以及数据显示等。HV单元用来注入AC电力，并且还进行原始数据从3相电力系统的恢复。
现在参照附图的图2，示出按照本发明的一实施例、由参考标号40一般表示的数据传输系统的原理框图。在这个布置中，数据能够沿表面设备28与表面下或井下设备30之间的任一个方向传输到三相电力电缆26上。
在表面28，设备分为高压侧32和低压侧34。高压侧32向井下系统30提供电力。调谐高压AC耦合36a用来连接到电力电缆26中的每相。因此，在高压设备32中使用三重电路。微处理器38控制到三相电缆26上的电力分配，并且链接到低压侧34上的对应微处理器41。另外，高压侧32使用调谐高压AC耦合36c，与传感电缆76上的数据信号并联。这些信号然后通过已知方法来滤波42和解调44。数据信号然后经由微处理器41来传递以供显示46，或者传输到数据记录器或SCADA系统。另外，该过程能够相反地工作，其中微处理器41经由高压侧32上的调谐高压AC耦合36将数据提供到电力线26上，如本领域已知。
井下ESP系统48如本文中参照图1所述来提供。为了清楚起见，相似部件具有相同参考标号。在电机10下面是标准Y点连接器50。在Y点连接器50设置了井下系统52。井下系统52提供采取经由微处理器56所通电的测量装置传感器或计量器54的形式的监测。驱动计量器54的电力经由调谐HV AC耦合电路36b提供给电压调节器58。类似地，来自测量装置54的数据在微处理器56中处理。使用信号驱动器60和调谐HV AC耦合电路36d，将数据传输到电力线62上，以供传输到Y点50并且沿三相电力电缆36向前传输到表面单元28。
在本发明中，第一AC电力信号在驱动系统24来生成。这是三相电力信号，其通常较大、例如2000伏和24安，并且处于20至60 Hz的范围中的低频。它用来向电机10供电。第二AC电力信号在表面HV系统32的电力驱动器34来生成。这个第二AC电力信号采用任何所需数据信号来调制，并且传递到电力电缆26的各相上。第二AC电力信号具有较低电压和电流，其中具有500 Hz至5 kHz的范围中的较高频率。第二AC电力信号将经过Y点50，并且传递到井下系统52中。在输入的调谐HV AC耦合电路36经过调谐，以防止可能损坏井下仪表54的第一AC电力信号的传输。电力调节电路58将第二AC电力信号转换为适当形式，以用于向仪表54供电。虽然第二AC电力信号被认为与第一AC电力信号无关，但是情况不是这样，如同在电缆绝缘故障的情况下，输送到仪表54的电力将改变。这种效果在图3(a)和图3(b)中最好地示出。
图3(a)示出监测系统的电负载，其重叠于3相电力系统，并且依靠接地隔离以进行操作。图3(a)示出健康电机系统，其中仪器电源34经过耦合(通常为电容器)36连接到3相电机系统10。表面驱动变换器将呈现小电感负载64。表面28与井下电机10之间的电缆26将具有从金属护套66对地的电阻和电容，以及井下电机10在将电力传送给井下单元52之前将表现为串联电感68。
图3(b)示出具有对地泄漏的电缆的绝缘的相同设备。电源34是相同的，但是表面变换器这时对地64是相当大的负载。注意，对良好绝缘没有影响的导体间电容这时加入对地的电容，使电缆负载66要高许多。具有这时在某级经由电缆70连接到地的一个绕组的电机这时也充当分压器72，其是频率相关的，因而显著降低跨单元52的电压。还要注意，在3相中，井下信号驱动器60上的负载也增加，以及将表面单元32与短接相隔离能够降低表面电源34和井下驱动器60上的总负载。
对井下单元52的所施加电力在井下单元52的电力调节段58来确定。这个数据信号经由微处理器56、信号驱动器60和耦合36调制到送往表面的返回数据信号上。在表面单元32、34如上文所述来提取数据。微处理器41将电力数据转发给微处理器38，其然后可通过调整电力驱动器34输入来调节，作为电缆26上的第二AC信号。如果需要，则也能够调整第二AC信号的频率。输送到井下单元52的电力的这个变化将由调节器58来拾取，并且因而创建有效反馈环路，以向井下单元52提供调节电源。电缆上的任何故障将引起所施加的电力的变化，其将在调节器58来检测。送往表面的数据信号将指示所输送电力的变化，并且驱动器34将补偿功率级注入到第二AC信号上，使得井下单元52接收预期功率级。
备选地，如果数据信号丢失并且实际上停止向表面进行传输，则微处理器38能够传输固定电压/功率，并且扫描第二AC信号的频率。在这个实施例中，在井下单元52的输入的调谐HV AC耦合36将根据所传输频率来传输功率分布。当传输操作井下仪表54的电力时，调节器58将传输信号，以警告表面28关于电力被接收并且它如何与预期电力进行比较。这个过程动态改变对井下单元的电力输送以及具有载波频率的电力单元的谐波干扰。这种技术克服电机系统的监测系统所看到的频率响应和负载在故障出现时相当大地改变并且根据故障性质以完全不同方式改变的问题。
数据信号的丢失也能够用来警告用户关于电缆26上的可能故障。应当注意，送往电机的第一AC信号能够关断，同时第二AC信号仍然可传输。在这个布置中，在井下单元52的监测系统54仍然能够进行操作，并且甚至在电机没有运行时也向表面28发送数据信号。
参照图4，示出按照本发明的一实施例的数据通信系统40，系统40包括经由三相电力电缆26所连接的表面系统模块28和表面下系统模块30。为了清楚起见，对与图1相似的部件给予相同参考标号。表面系统模块28提供有高压单元13、3相电力变换器24、输入调节器25和低压单元8。表面下系统模块30提供有ESP电机系统10和仪器系统22。
在使用中，当数据通信信道为可操作、也就是说数据可经过电缆26来传输时，高压单元13将AC电压施加到所述电缆26。使用所述电缆连接26从仪表系统22传输数据。从仪表22所收集和传输的数据包括确定施加于表面下系统30的电力的数据。与所施加电压相关的数据能够作为读数来记录，并且这能够是传输的所确定数据。在接收所确定数据时，LV系统8对所确定数据起作用，并且将表示所述数据的输出提供给输入调节器25，其响应所确定数据而起作用，通过对电力变换器24起作用来改变所述所施加电力。所施加电力备选地能够通过使用来自LV系统8的所确定数据来改变，以便对输入调节器25起作用以改变高压单元13所施加的AC电压，从而改变施加到表面下系统30的电力的所选频率和/或幅度。
参照图5，示出本发明的数据通信系统的另一个实施例，其中表面系统模块28提供有高压单元13、3相电力变换器24和低压单元8。表面下系统模块28提供有电力电路模块27、ESP电机系统10和仪器系统22。
在使用中，电力电路模块27具有对所施加电力频率的调谐响应，使得能够通过改变电力频率，通过仍然排斥处于比电力频率要低的频率的电机电力频率，有效地改变输送到仪器系统或工具22的电力。
所施加电力频率通常在500 Hz与5 kHz之间的区域中，以及电机电力频率的工作频率可在20 Hz与60 Hz之间。
本发明的主要优点在于，它提供一种通过三相电力系统的数据传输的方法，其中输送到监测系统的电力经过调节，以更有效地管理监测系统性能，并且实现对极大范围的条件的操作。
可对本文所述的本发明进行各种修改，而没有背离其范围。例如，表面下模块可设计成对极大范围的所施加电力条件操作短周期，使得始终保持数据传输，从而允许调节起作用。
Claims (27)
1.一种数据通信系统，用于通过三相电力系统在表面与表面下位置之间传输数据，所述数据通信系统包括：
表面系统模块，设置有提供第一AC电力信号的第一电源和提供第二AC电力信号的第二电源；
表面下系统模块，提供第一加电模块和第二加电模块，其中所述第二加电模块提供数据通信信号到所述表面系统模块；
电缆连接，设置在所述表面系统模块与所述表面下系统模块之间，传输所述电力信号到所述表面下系统模块和且将数据通信信号传输到所述表面系统模块；以及
其中传输到所述表面系统模块的所述数据通信信号提供施加到所述第二加电模块的电力的指示，并且电力信号响应所述所施加电力而改变。
2.如权利要求1所述的数据通信系统，其中，所述第二加电模块包括确定所施加电压的部件。
3.如权利要求1或2所述的数据通信系统，其中，所述第二AC电力信号响应所述所施加电压而调节。
4.如权利要求1或2所述的数据通信系统，其中，所述第二加电模块可包括AC耦合电路。
5.如权利要求1所述的数据通信系统，其中，所述第一AC电力信号的频率在20Hz至60Hz的范围之内。
6.如权利要求1所述的数据通信系统，其中，所述第二AC电力信号的频率在500Hz至5KHz的范围之内。
7.如权利要求1所述的数据通信系统，其中，所述第一加电模块是电机组合件。
8.如权利要求7所述的数据通信系统，其中，所述第一加电模块是ESP电机系统。
9.如权利要求1所述的数据通信系统，其中，所述第二加电模块是监测系统。
10.如权利要求9所述的数据通信系统，其中，所述监测系统包括一个或多个计量器/传感器，以及所述数据通信信号包括来自所述一个或多个计量器/传感器的数据。
11.如权利要求1所述的数据通信系统，其中，所述第一AC电力信号用来向所述第一加电模块供电，以及所述第二AC电力信号用来向所述第二加电模块供电。
12.如权利要求1所述的数据通信系统，其中，所述第二AC电力信号响应所施加电力而改变。
13.一种数据传输的方法，用于通过三相电力系统在表面与表面下位置之间传输数据，所述方法包括下列步骤：
(a)提供从表面系统到表面下系统的电缆连接；
(b)沿所述电缆连接向所述表面下系统提供第一AC电力和第二AC电力信号；
(c)确定在所述表面下位置的单元所施加的电力；
(d)沿所述电缆连接向所述表面系统传递数据信号，所述数据信号指示所确定的要施加的所述电力；以及
(e)改变所述表面系统处的AC电力信号，以改变要施加到所述表面下系统的所述电力。
14.如权利要求13所述的数据传输方法，其中，所述方法包括设置所述单元所需的预期功率级的步骤。
15.如权利要求13或14所述的数据传输方法，其中，步骤(d)包括向所述单元传输所施加的电压。
16.如权利要求14所述的数据传输方法，其中，所述方法包括提供反馈环路以主动控制所述单元处的所述功率级的步骤。
17.如权利要求13所述的数据传输方法，其中，所述第一AC电力信号用来向井下电机组合件供电。
18.如权利要求13所述的数据传输方法，其中，所述第一AC电力信号处于20Hz至60Hz的频率范围之内。
19.如权利要求13所述的数据传输方法，其中，所述第二AC电力信号用来向井下监测系统供电。
20.如权利要求13所述的数据传输方法，其中，所述第二AC电力信号处于500Hz至5KHz的频率范围之内。
21.如权利要求19述的数据传输方法，其中，所述井下监测系统包括调谐电路，以防止所述第一AC电力信号的传输到达所述井下监测系统。
22.如权利要求13所述的数据传输方法，其中，所述数据传输方法包括改变所述第二AC电力信号的频率的步骤。
23.如权利要求22所述的数据传输方法，其中，所述数据传输方法包括扫描所述第二AC电力信号的所述频率的步骤。
24.如权利要求23所述的数据传输方法，其中，如果在所述表面没有接收数据信号或者如果所述数据信号丢失，则执行扫描所述频率的步骤。
25.如权利要求23或24中的任一项所述的数据传输方法，其中，扫描所述频率，直至接收到数据信号。
26.如权利要求13所述的数据传输方法，其中，经由所述数据信号所施加的指示电力的突然变化用来警告用户关于所述电缆连接中的可能故障。
27.如权利要求26所述的数据传输方法，其中，在检测到故障时，去除所述第一AC电力信号，同时仍然从井下监测系统传输数据。
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