CN1372615A - 管线系统中的数据传输 - Google Patents

Abstract

安排一个第一组装置用于从油井(1,3)的被套管部分里的一点发送数据到远端位置。所述装置可以被用作中继站(6)以增加可运行的深度。在中继站(6)将信号应用到导线(1)上并且从导线(1)上读取信号,并且一段选择长度的导线(1)在中继站的任一侧配有绝缘隔离装置(9)用于确保导线(1)和套管(3)被有效的隔开所选择的最小距离。这使得电位差被应用到导线(1)上并且从导线(1)上可以检查到,从而允许数据的发送和接收。安排第二套装置(图8)以从油井(401,403)的被套管部分里的内部单元(408)发送信号到套管(403)外的紧密包围区域。内部单元(408)将信号输入到导线(401)里。提供包围所述套管(403)的一个螺旋管(415)用于拾取信号。传导性密封器(411)提供了在管线(401)与套管(403)之间的间隔连接。在管线(401)和套管(403)里流动的电流里生成一个失配,从而螺旋管可以发现非零通量,并从而可以接收到信号。

Description

管线系统中的数据传输

本发明涉及所有用于管线系统(具体为油井系统)中的数据传输系统，数据传输的方法，信号接收装置和接收信号的方法。

当为获得石油和天然气而钻井时以及在采油井的操作中，能够实行测量是很有用的。然而，很难将数据从井底传到地表面，并且随着井深的增加，其难度也相应增加。目前，要求从离地表面3000米或更深处传输数据。

在当前可获得的信号技术中，那些利用油井自身的金属结构的技术特别适宜，由于它们不需要安装单独的电线。大多数无线系统利用生产管线和套管作为一个单独传导通道并且利用大地作为回路。一些尝试利用套管和管线作为单独的传导路径，但这有很多问题，由于在整个长度上将管线与套管隔离很困难，尤其是在井底由于有载荷，就更困难。其他的方法包含“泥浆-冲击”，它不仅仅难于实行并且费用很贵而且数据传输率很低。

无论使用那种系统，由于其固有的损失和需要将电流保持在合适水平上的，其范围被限制了。而且，就申请人所知，当前没有实际可用的从套管里管线位置上传输信号的无线系统。在此申请人的以前申请EP-A-0,646,304中说明了通信系统，例如，在开孔条件下工作并且可以沿套入的部分传输信号的系统。然而，一般认为，这样的系统不能实际用于从套入部分里的位置传输信号。

在管线系统里，也期望能够从在管线系统里和/或相关套管里的装置将信号传输到系统的相同区域，但是不能将信号传输到位于管线和/或套管外的装置。但是，一般认为这很难达到。

本发明的一个目标是提供一种通信系统，它至少减轻有关现有技术的一些问题。

根据本发明的第一方面，提供了一个数据传输系统，其中管线系统的金属结构被用作信号通道并且大地被用作回路，所述系统包含用于形成电流环路的装置，所述装置有第一和第二导电部分，两部分在隔开的位置互相连接，金属结构至少包含一个导电部分，并且一个本地单元，该本地单元用于将信号传输给一个导电部分的传输装置，因此在使用中，电流在所述环路上流动，在环路区域的大地与金属结构之间产生电位差并且导致信号沿金属结构向环路外传播，其中安排用于形成电流环路路径的装置以确保隔开的位置被至少一最小距离分隔，选择所述最小距离以提供需要的传输特征。

根据本发明的第二方面，还提供了一种数据传输的方法，其中管线系统的金属结构被用于信号通道并且大地被用作回路，所述方法包含步骤：

实行一个电流回路，所述电流回路包含第一和第二导电部分，所述两个导电部分在分隔的位置互相电连接，所述金属结构至少包含一个导电部分；

将一个信号施加到一个所述导电部分，使电流在所述回路上环流以在回路区域内的大地与金属结构之间产生电位差，并且使信号沿金属结构向环路外传播；以及

确保所述被隔开的位置被至少一最小距离分隔，选择所述最小距离以提供需要的传输特征。

所述管线系统可以包含一个内流线和一个外围套管。典型的，管线系统包含有生产管线和包围套管。

运行中沿回路环流的电流可以被认为是使系统作用为一个双极发射器。

可在远离所述电流回路的位置提供接收装置，用于接收沿金属结构传播的信号。

上述的安排有一些优势，即使当沿生产管线，从位于套管内某一位置发送信号时，在使用真实电流电平的实际情况中可以避免电线，将可检查到的信号注入金属结构。离开当前回路路径的区域，金属结构整体可以被对待为一个单一传导通道。

可以选择最小距离以适合环境，从而可以在远离本地单元的期望位置例如在油井顶部检测到可接收适合电平的信号。典型选择的最小距离是100米。较佳的是所选择的距离相对结构/井的整个长度而言是较短的。

较佳的，一个导电部分包含一部分生产管线。可以安排发射装置以将信号施加到生产管线。

在一些实施例里，一个导电部分包含一部分流线，例如生产管线，而其他导电部分包含套管的围绕部分。在这样的具体实施例里，形成电流环路的装置可以包含绝缘衬垫装置，用于保持流线与围绕的套管隔开所选择的最小距离。可以在流线上和/或相应于所选择最小距离的部分上的套管上提供绝缘层。在所述第一和第二导电部分之间的间隔连接，用于完成电流回路，该间隔连接可以包含在所选择区域外流线和套管之间的粗略接触。将认识到，改善流线和所选择最小距离的套管之间的绝缘性所需的成本将比试图在它们的整个长度上隔离管线和套管所需的成本小得多。

在其他实施例里，一个导电部分包含一部分管线或者流线并且另一个导电部分至少包含一个电传导延长部件，所述部件至少连接位于管线或者流线里两个铸模。在此类实施例里，可以在铸模里提供用于完成电流回路的间隔连接。可以在一个所述铸模中上提供本地单元。较佳的将所述发射装置安排为将信号施加到延长部件。

本地单元可以包含传感器装置，用于测量本地单元区域里的条件。本地单元可以包含接收装置，用于接收沿金属结构或其他结构传输的输入信号。本地单元还被安排为用作中继站。应该知道，中继站可以被放置于产管线的套管部分，并且从而用于扩大数据传输的范围。

较佳的，发射装置基本上将信号施加到各自导电部分的中点。这将均衡沿金属结构远离本地单元的方向上传播的信号并且这特别合适于本地单元功能为一个双向中继站情况。

另一方面，如果期望在一个方向上增加信号传输，传输装置可以被安排为将信号施加到朝向各自导电部分某端的点上，较佳的是相对端。

发射装置和/或接收装置可以包含与各自导体部分串联放置的一个隔离部件。发射装置可以包含一个跨接于隔离元件的信号发生装置。所述接收装置可以包含一个测量装置，例如电压测量装置。该装置跨接于隔离元件。其中，各自导电元件包含生产管线，所述隔离部件可以是位于管线上的隔离接合处。

发射装置和/或接收装置可以包含位于各自导电部分周围的电感耦合装置。电流环路可以用作一个变压器的单匝线圈。所述电感耦合装置可以包含一个线在一般环形磁芯上的线圈，它围绕在各自的导电部分。

根据本发明的第三方面，提供了一个与数据传输系统一起使用的信号接收装置，在所述系统里，管线系统的金属结构被用作信号通道并且大地被用作回路，包含一个有接收装置的本地单元，包含用于提供在本地单元与在金属结构上的一部分上至少两个分隔位置之间的电接触的装置，并包含用于确保两个分隔位置被至少分开最短距离的装置，选择所述距离以获得需要的接收特征。

根据本发明的第四方面，提供了一种接收来自管线系统的金属结构的信号的方法，所述金属结构被用作数据传输信号通道，大地被用作回路，包含以下步骤：提供有接收装置的本地单元；提供在所述本地单元和所述金属结构的一部分上的至少两个隔开位置之间的电接触；确保两个分隔位置被至少分开最短距离的装置，选择所述距离以获得需要的接收特征。

当沿管线系统的金属结构传输信号时，信号的幅度一般随离信号源距离的增加而减少。这主要由于信号对地的逐渐泄漏。从而当信号沿金属结构传输时，在任意两个纵向间隔点上存在电位差，并且应该知道，对两个此类点提供的连接使能够从金属结构提取信号。所需的最小距离取决于相对于所处位置大地的信号电平以及接收装置的灵敏度/噪音性能。

在间隔位置提供的电接触的装置可以包含一部分生产管线和绝缘衬垫装置，所述间隔装置保持所述管线部分与包围套管的相应部分隔开。可以在本地单元区域里的管线和与其跨接的信号测量装置里提供一个隔离结合处。在此例子里，由于将管线与套管有效地隔离，对于金属结构的那部分的所有信号损失将来自套管并且沿管线的那部分将有很小的电压下降，从而可以检测到间隔位置之间的电位差别。

用于在隔开位置提供电接触的装置可以至少包含一个导电延长部件，所述部件至少与两个位于生产管线里的铸模相连。

根据本发明的第五方面，提供了与数据传输系统一起使用的信号接收装置，其中管线系统的金属结构被用作信号通道，它包含一个有接收装置的本地单元，所述接收装置包含一个电感耦合。

此信号通道在本地单元的区域里可以被分成两个或多个分枝并且在一个所述分枝周围放置电感耦合。

所述电感耦合较适宜被放置在位于套管里的生产管线周围。一个分枝可以包含生产管线，并且另一个分枝可以包含套管。

电感耦合可以包含一个螺旋管，所述螺旋管放置于所述通道和/或生产管线中的一个的周围。

根据本发明的另一个方面，提供了一种数据传输系统，其中包含一个生产管线和套管的油井的金属结构被用作信号通道并且大地被用作回路，其包含一个本地单元，所述本地单元有接收和/或发射装置，所述接收和/或发射装置与管线耦合，用于沿信号通道接收和/或发射信号，还包含绝缘隔离装置，安排所述绝缘隔离装置以确保生产管线与套管在本地单元区域被至少相互隔开所选择距离，选择的所述最小距离以获得需要的接收和/或发送特征。

套管可以包含多个分隔的部分，这些部分可以是螺纹啮合在一起的。在相邻部分之间的一个或多个接合处的相连表面可以用绝缘媒质覆盖。这可以改变金属结构的电特性并且增强其性能。

根据本发明的以前方面所述的许多额外特征同样适合于在与本发明的所述其他方面相关的应用中。

根据本发明的另一些方面，提供了用于管线系统里的数据传输系统，所述系统包括，

用于形成电流回路的装置，所述装置包含一部分内部传导元件和外部导电元件的相应部分，它们在两个隔开位置互相电连接，所述外部元件包围所述内部元件，并且它是所述管线系统金属结构的一部分。

一个内部单元放置于外部元件内并且有发射装置，用于将信号注入到电流环路；以及

一个放置在外部元件外的外部单元，所述外部单元包含一个电感性耦合装置，将所述装置安排为由在环路上流动的电流生成的磁通量来连接，

在使用中安排使所述内部元件的所述部分里流过的所述电流不匹配于外部元件的相应部分里流过的所述电流，在所述电感耦合装置里生成信号，从而允许从内部单元到外部单元的通信。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于管线系统里数据传输系统的方法，所述方法包含步骤：形成电流环路，所述环路包含一部分内部导电元件和一个外部导电元件的相应部分，在两个隔开的位置互相电连接，外部传导元件围绕所述内部传导元件，并且是管线系统的金属结构的一部分；

将信号从位于外部元件内的内部单元输入到电流环路；以及将一个外部单元放置在外部元件外，所述外部单元包含电感耦合装置，将所述装置安排为由在环路上流动的电流生成的磁通量来连接，

并且在使用中安排使所述内部元件的所述部分里流过的所述电流不匹配于外部元件的相应部分里流过的所述电流，在所述电感耦合装置里生成信号，从而允许从内部单元到外部单元的通信。

一般的，将内部和外部元件一般共轴安排成延长元件组，外部元件一般是管状的。

间隔位置可以被隔开所选择最小距离。较适宜的，选择所述最小距离以获得需要的传输特性。在一些实施例里，数据传输系统可以被安排为应用于管线系统里，其包含一个传导流线，所述流线用作外部元件，并且还提供了一个专门的内部传导元件。在此类例子里，传导元件可以包含连接在两个铸模之间的一个传导带索。

在所述铸模上可提供在专用内部传导器和流线之间的电连接。位于铸模上的清洁刷可以用作与流线内表面的接触。

在其他实施例里，数据传输系统可以被安排为用于管线系统里，其包含一个内部传导流线和一个外部传导套管。在此例子里，所述外部元件可以包含套管并且所述内部元件可以包含流线。

所述外部元件，特别是当它是套管时，可以包含多个分隔部分，这些部分可以被螺纹啮合在一起。在相邻部分之间的一个或多个接合处的相连表面可以用绝缘媒质覆盖。这可以改变金属结构的电气特性并且增强其性能。较佳的是，没有完全隔离的接合处被放置于间隔位置之间的套管里，在这些间隔位置，套管和流线互相电接触。

在流线和套管之间的电连接可以包含粗略接触和/或传导密封器。由于间隔连接包含粗略接触，可以选择连接之间的最小分隔。在使用传导密封器处，可以选择在密封器的实际间隔，并因而也可选择连接。用于形成电流环路的装置可以包含提供于所述内部流线的外表面和/或所述外部套管的内表面上的绝缘层。用于形成电流环路的所述装置可以包含绝缘衬垫装置。

可以选择连接和/或装置的位置和本质以提供需要的传输特性，所述装置用于将流线的所述部分与套管的相应部分隔离。

较佳的，安排所述装置用于将信号施加到内部流线上。可以在流线里提供一个隔离接合处，并且可以安排所述传输装置以使信号通过所述隔离接合处。

所述电感耦合装置可以包含一个螺旋管，所述螺旋管放置于电流环路区域里的套管的周围。较适宜将所述电感耦合装置放置于朝向间隔连接之间的中点。

所述管线系统典型的包含油井的套管部分，在本实施例中在此套管里的生产管线是流线。

根据本发明的另一方面，提供了在实行本发明的上述方面中与金属结构一起使用的装置。

现在将通过示例，仅仅参考附图说明本发明的具体实施例，附图中：

图1示意性显示了包含数据传输系统的海底油井，它包含了本发明的第一实施例；

图2示意性显示了图1所示油井的一部分，图中所示部分上布置了一中继站；

图3显示了图1所示的油井的一个典型长度的生产管线和套管的简化等效电路；

图4显示了图2所示油井的所示部分在接收信号期间的简化等效电路；

图5显示了图2所示油井的所示部分在发送信号期间的简化等效电路；

图6显示了一个可替换的耦合方法。

图7是一张本发明第二实施例部分示意图；

图8示意性显示了本发明第三实施例；

图9显示了图8所示装置排列等效电路；

图1和图2示意性显示了一口包含无线或无金属线路的数据传输系统的海底油井。该油井包括一根用于从结构F中提取产品的生产管线1。生产管线1在泥浆线连接支柱2，并且在支柱2和结构F之间由套管3包围。生产管线1和套管3构成部分油井的金属结构。虽然图1显示了位于套管3中间的生产管线1，在实用中，在沿它们长度的任意位置上，生产管线1和套管3互相粗接触。一般而言，不能防止这样的粗接触，并且管线1在套管3内将沿一条弯曲的路径，例如螺旋形路径。

在管线1和套管3之间的空隙用盐水(或用另一种比水的密度更大的替代液体)填充，以帮助减少作用于封环4上的压力。该封环4位于进入结构F时的套管3和生产管线1的之间。盐水的存在还在管线1和套管3之间引进另外一个产品通路。

通过盐水的粗接触和产品的影响是指：管线1和套管3的相应点通常达到相同的电位，并且管线1和套管3作为单导体来对待。

油井也包括许多设置在敞口井位置的管线1上的数据记录站5，即在结构F内。安排数据传输系统，以致允许在数据记录站5和泥浆线之间或在用油井的金属结构1，3作为信号通道向外传输数据。数据记录站和泥浆线间的距离可能超过3000米。利用现有的非金属线路敞口井技术在数据记录站接收和从数据记录站发送数据，例如在申请者早期申请EP-A-0646304中描述的技术。同时，这些技术引进敞开井中，并且能够沿着被封部分传输信号，它们不能用在实际中从被封部分的某一置传输。只有当被封部分的长度不是太长时，能够用上述申请中描述的非金属线路技术从泥浆线直接接收或直接给泥浆线发送信号；基本上由信噪比决定其范围和数据速率。

然而在本实施例中，通过生产管线1密封(cased)部分中提供的中继站6改进了该系统的信号强度和/或范围。特别参考图2，中继站6包括收发器装置，该收发器装置含有设置在生产管线上的绝缘结合点7，在传输期间使用信号发生装置8a，而在接收期间使用信号测量装置8b。信号发生装置和信号测量装置两者都跨接在绝缘结合点。在结合点7区域的100米距离范围内，围绕生产管线1，提供多个环形绝缘衬垫9。选择衬垫所处位置的距离，以致能够有效地接收和发送信号。实际的距离取决于许多与传输系统和油井本身部件的有关的因素。

衬垫9为半套管形，一起用螺栓固定在生产管线1上。在每个衬垫和管线1之间有绝缘层9a。在图2中，示出一个衬垫9的侧视图，而其余的衬垫9以横截面示出。安排和定位衬垫9，以致在每个衬垫9的位置，使管线1位于套管3的中间，并且使管线1在相邻衬垫9间的任何位置都与套管3不接触。在多个衬垫9每顶端的最后一个衬垫外，使管线1与套管3粗接触10，按图2所示。每个最后衬垫9和各自的粗接触10之间的距离是随机的，但是它的下限由油井和衬垫9的特性决定。这样，衬垫9至少保证在某一选择的最短距离内，生产管线1不会和套管3接触。

概括地，由于增加了粗略接触10之间的间隙，改善了系统的发送和接收性能。然而，有一种对于引入最短距离所需费用的折衷选择，通常，粗略接触10之间的间隙将大于最短距离，但这仅用作改善系统。

因此，管线1和套管3在粗略接触10之间的部分被分别称为管线1a的绝缘部分和套管3a的相应部分。

图3示出生产管生产管线1和套管3的典型长度的等效(总合参数)电路。管线1和套管3分别用一系列电阻R_s和R_c表示。管线1和套管3间的泄漏通路由R_g+b表示，而套管3和远地E间的泄漏通路用电阻器R_e和电容器C_e表示。如果将信号施加于管线1或套管3，由于通过对远地E的泄漏通路的损失，信号的强度将随着离信号源距离的增大而减少。另外，如上所述，将使管线1和套管3的电位相等。

图4示出在接收信号期间，对应于在中继站6区域的生产管线1a和套管3a部分的简化等效电路。除了部分1a，3a任一端的那些粗接触10外，已经消除了由粗略接触引起的泄漏通路。这样，电阻R_g+b由表示单独通过盐水泄漏的较高阻值的电阻R_b代替。通过在中继站6中的盐水的电阻与由在管线1a绝缘部分两端的粗略接触10提供的电阻相比是如此得大，以致基本上可以忽略盐水的影响。

在信号接收期间，因为由于绝缘结合点7不存在通过生产管线1a部分的电流通路，以及因为生产管线部分1a与相应的套管部分3a有效地绝缘，所有对金属结构的部分的信号损失都来自套管3a。在这种环境中，沿着隔离管线两个半部分间，只存在很少的电位差，该两个半部分基本上在1a，3a部分的末端提供了与粗接触10直接接触。这是指能够检测套管上两个纵向间隔部分间的电位差，并因此，从金属结构中提取信号。事实是，被迫沿着中继站6区域中的套管3的所有信号能用于增加套管3上隔离位置间的电位差。

图5示出在发送期间，对应于在中继站6区域的生产管线1a和套管3a部分的简化等效电路。如上所述，除了在部分1a，3a任一端的那些粗接触10外，已经消除了由粗略接触引起的泄漏通路。这样，电阻R_g+b由表示单独通过盐水泄漏的电阻较大的的电阻R_b代替。经过中继站6中的盐水的电阻与由在管线1a绝缘部分端部的粗略接触10提供的电阻相比是如此得大，以致基本上可以忽略盐水的影响。这样在发送期间，能够认为电流环路包括管线1a的绝缘部分，套管3a的相应部分和粗略接触10。该环路的两顶端当然与管线1和套管3剩余相连接。信号发生装置8a使电流I沿环路流动。该电流I的流动在管线1a绝缘部分的相对顶端的粗略接触10之间产生要设置的电位差。该电位差为I×sum(和)Rc，其中，sumRc等于在粗略接触10之间引起的总电阻。

假设绝缘结合点7设置在管线1a的隔离部分的中心，并且系统处于相对于地的平衡状态，在管线1a的绝缘部分的每端上金属结构与地之间的电位差为(I×sumRc)/2。因为在粗略接触10的位置与地之间存在电位差，信号将沿着管线1和套管3，按远离中继站6的方向传输。

能够借助于上述的机械装置，通过将合适的信号编码在管线上，沿着管线1和套管3，按远离中继站的方向传输所需的数据，例如从数据记录站接收的数据。产生的信号沿作为单导体的管线和套管，按远离电流环路的方向传播。信号电路通过大地回路实行，并不所需金属电路。这样，能够避免所有与提供金属线路，尤其是向下打眼，有关的问题。

在泥浆线上或在任何中继站(未显示)上的合适的接收装置，能用于检测施加于管线1和套管3上的信号，并提取所需的数据。接收装置可以利用电感耦合器或将接收装置安排成能测量相对于一独立地基准的信号。

这样，通过在套管3内提供适当数量的中继站就可显著地扩大信号传输系统的范围。中继站是双向的，因此当将信号传输进油井，和送出油井时，扩大了传输范围。

采用中心位于绝缘部分1a中的绝缘结合点，在远离中继站6每个方向上的信号强度实际上相等。然而，如绝缘结合点7移向绝缘部分1a的一端，在绝缘部分1a的另一端产生的电位差将变得比(I×sumRc)/2更大。这样，如果希望增加某一方向上信号的强度，可以相应地放置绝缘结合点7。

在一替代的情况中，生产管线1a的绝缘部分设置有绝缘涂层，以进一步降低绝缘部分1a和套管3a相应部分间的电导。

图6示出绕在环形磁心202上的线圈201，该环形磁心设置在生产管线部分1a上。线圈201用在将信号施加到生产管线1和/或从生产管线1中分接出信号的替代方法中。在这种例子中，要依靠电感耦合，并且不能使用绝缘结合点。在发送期间，线圈201用于减少管线1中的电流，而上述的电流环路用作单匝变压器线圈。在接收期间，在生产管线1上的信号在线圈201上感应出相应的电流，能够检测出该电流。这种接收方法不取决于生产管线的绝缘部分1a。这种耦合方法的优点是通过适当地选择线圈匝数比能够优化阻抗匹配。

图7示出本发明的另一实施例，适用于上述类型的油井中。该实施例包括两块通过导电带索302连接的铸模301，铸模位于可以是盒状或非盒状的生产管线1内。第一块铸模301包括含有串接于带索302的隔离构件7的本地站303，和信号发生装置8a，以及跨接于隔离构件7的信号测量装置8b。每块铸模301有一接触点304，用于与生产管线1的内表面相连接。

在本实施例中，可以按上述与第一实施例有关的基本上相同方法发送或接收信号。在传输期间，带索302，管线1a的一部分和接触点304形成电流环路。当由信号发生装置8a使电流沿环路流动时，在每个接触点304上产生管线1和地之间的电位差，允许发送信号。在接收信号期间，带索302和接触点304允许测量管线1上的两纵向间隔点之间的电位差，以便能从管线1上提取信号。

在该实施例中，可以将信号发送到第一铸模301，并从第一铸模301发送信号。尤其是，可从该铸模301送出信号，允许确定铸模301的位置和/或表示由铸模301测得的质量，例如油井的厚度。

在实施该实施例中，希望使铸模301和生产管线1间的电传导带索302和接触点304的阻抗最小化。为了清洁目的，在铸模的周围提供的线电刷(未显示)可以用作接触点304。

一种用于确定铸模301位置的可能结构，可以在沿管道的间隔位置安排触发器装置，该装置使铸模301发送合适的信号。另一种方法用于确定信号到达管道每一端的时间差。

应当明白，无论铸模位于管线的盒状部分或位于非盒状部分中，均可应用该系统。另外，该系统可用于除油井外的其他管道系统中。

在另一些替代实施例中，可以使用两块以上的铸模。可以使用通过两个传导元件连接的三块铸模，并且本地单元位于中间的铸模。这易于均衡远离本地单元的两个方向上的传输特征。

图8示意性显示了本发明第三实施例，该系统用于将数据从被封井内部传输到实际上为该井相邻的外部位置。

参考图8，金属生产管线401由金属套管403包围着，该金属套管403形成部分套管井。绝缘结合点407设置在管线401上，而包含发送装置(未显示)的内部单元408跨接在绝缘结合点407上。在离绝缘结合点407的等间隔距离处，在线管401和套管403间通常提供有环形电传导密垫411。按选择的间距L分隔电导密垫411，并在管线401和套管403间有良好的电连接。

在间隔对密垫411之间的生产管线401的401a部分设置有绝缘涂层409。绝缘涂层409用助于保证在密垫411之间的所有点上在管线401和套管403之间都不存在导电通路，或仅存在极差的导电通路。

外部单元413包括接收装置(未显示)，螺旋管415位于套管403外部，在这对间隔密垫411之间的位置上。螺旋管415围绕在套管403周围，并且将它安排成起电感耦合装置的作用，这样任何通过螺旋管的净磁通量产生可由接收装置(未显示)测得的信号。

将该系统安排成能通过下述的机械结构，用于将信号从内部单元408发送到外部单元413。

生产管线401a的绝缘部分，套管403a相应的部分，和这对电导密垫411形成可通过电流的电流环路。然而，该环路是不完善的，因此有另一电流通路，并将产生损耗。可以看作经过大地的泄漏环路，要计入该损耗。

绕电流环路以及沿泄漏通路在任意瞬时的电流由图8中的箭头所示。I_s表示流过生产管线401的绝缘部分401a的电流，I_c表示流过套管403a的相应部分的电流，而I_e表示对地的泄漏电流。

在图8中用箭头表示的特定瞬间，电流I_s向上流向远离绝缘结合点407的生产管线401，一部分电流通过传导密垫411，流到套管403，但是另一部分电流继续向上流过线401，随后有对大地的损耗。在套管403，通路又分开，一部分电流I_s继续沿电流环路，而其余的部分沿套管403远离电流环路，并形成对大地的泄漏。在管线401a的绝缘部分的下端，从套管来的电流I_c经各自的传导密垫411返回到管线401，而从大地泄漏的电流I_e在此并入一起流回到绝缘结合点407。

图9示出电流环路和对大地泄漏的简化等效电路。部分生产管线401a，套管403a相应部分和对大地的电阻，分别由电阻R_s，R_c，R_e表示。

从等效电路和上述的描述中可以看到，I_s＝I_c+I_e。该公式理解为，流过生产管线401_a的绝缘部分的电流I_s不等于流过套管403_a的相应部分的电流I_c。这依次是指存在有由流过环路的电流产生的净磁通量。环路由螺旋管415包围，并因此，螺旋管415与净磁通量相关联。因此，流过环路所存在和变化的电流可通过监视在螺旋管415中产生的信号来检测。

因此有可能通过将合适的信号注入生产管线401，以及监视在螺旋管415中产生的信号，在内部和外部单元408，413之间进行通信。

对于这种工作技术，重要的不是所有的注入生产管线401的电流I_s继续沿电流环路流动。就是说，必须提供对大地和/或流出电流环路的重要的和合适的泄漏。实际上，因为存在油井的金属结构剩余部分，并且因为套管403将与大地或其他导电媒质，例如海水，接触，必然会发生这样的泄漏。

在螺旋管415上获得的信号电平可以通过选择合适的设计来调节。例如，可选择螺旋管沿管线401a的绝缘部分的位置和绝缘结合点407的位置。另外，可改变传导密垫411间的间隙L，如可改变生产管线401a的绝缘部分的长度。其目的是通过尽可能实际地增大套管环路相对于泄漏电阻R_s的电阻R_c，来使所接收的信号达到最大值。在第一种情况，可通过增加传导密垫间的间隙来达到。理论上，可以使传导密垫间的间隙以达到最佳位置，因为在某种状态增加间隙将有效地增加泄漏通路的电阻R_e。然而，其他实际的考虑将妨碍达到这种最佳的电气间隙。所选择的密垫411的实际特征和导电性能也将改变其性能。

虽然沿着电流环路和/或绝缘部分401a的螺旋管的位置不是严格的，该位置移向中间部位以平衡正向和负向变化周期间产生的信号以及避免任何不需要的边沿影响，就可能达到最好的结果。

应当注意到，该系统在沿整个油井的长度方向的生产管线401和套管403之间，不要求有绝缘，仅是沿长度方向较佳地选择，以给出必须的传输特征。

虽然，参考油井的套管部分已经描述了这种技术，应当明白，该技术同样地适用于从其他的希望从围绕有收发器的传导元件内发送信号的场合。例如，该系统能用于从流动管线的套管之间而不是生产管线，以及从本身提供合适内导体的流线内发送信号。

在特殊场合，该系统可以与沿图7和参考图7描述的管线的装置一起使用。就是说，电流环路可以一部分流线1，两块铸模301和内连接传导带索302形成。然后，如果在流线1的周围提供有螺旋管，当位于铸模301的发送装置8a产生的信号通过螺旋管区域时，就可能检出该信号。

应当注意到，该实施例利用如上面参考第一和第二实施例描述的相同的现象。然而，在本实施例中，在电流环路本身上发生的效应，不是使用沿生产管线和套管1，3的，远离电流环路的泄漏电流。

还应当注意到，至少在相同的环境实行的本实施例，与前面所述的实施例相一致。这样，系统可以沿金属结构给远地发送信号，并可能从套管内部到套管外部的相邻设备发送信号。

虽然未在图中显示出，油井套管3通常包括螺丝固定部件。在本发明替代实施例中，套管部件间的某些或全部结合点都被处理成使井管的导电性不连续。通常通过将绝缘材料涂在结合处的连接表面来达到。该材料不损害套管密封的要求。

引进这种不连续的情况能有效地改变整个油井的电气特性。至少在某些环境中，这将导至改善上述的相应实施例的性能。例如可以改善图1和2中所示的传输系统的范围。无论在电流环路区域，即在间隙连接之间，或在远离该区域提供不连续，均能改善性能。趋向于将更多的信号送进管线，而不是套管内，并趋向于增加流出环路区域的信号部分。

在图8所示系统的情况中，包含间隙连接区域中在套管部分之间的绝缘媒质，特别有助改进性能，因为它能减少套管的屏蔽影响。考虑另一方面，它倾向于增加管线-套管环路的阻抗，并因此增加流过管线的电流I_s和套管的电流I_c间的电流差。

应当注意到，虽然如同上面提到的，如果在套管连接部件间存在不连续的情况，通常本实施例和本发明的功能可更好，这并不是对工作的要求。这样，系统可以在沿套管整个长度或至少在环路区域内，套管实际上是电连续的。这对于油井的套管和任何其他管线，以及对任何围绕在外层结构外的相应装置，例如图7所示实施例中的管线，都是正确的。

Claims (24)

1.一种数据传输系统，其特征在于，将一个管线系统的金属结构被用作信号通道并且将大地被用作回路，所述系统包含用于形成信号耦合环路的装置，所述装置包含第一和第二导电部分，所述两个导电部分在隔开位置互相电连接，所述金属结构至少包含一个导电部分和一个拥有发射装置的本地单元，用于将信号施加到一个导电部分，由此在使用中，在在环路区域的大地与金属结构之间生成了一个电位差，此电位差使信号沿金属结构传播远离环路，其中，安排用于形成环路的装置以确保间隔位置被至少隔开一最小距离，选择的所述最小距离用于获得需要的传输特性。

2.如权利要求1所述的数据传输系统，其特征在于，所述管线系统包含一个内流线和一个包围所述内流线的套管，其中一个导电部分包含一部分流线并且其他的导电部分包含所述套管的围绕部分。

3.如权利要求2所述的数据传输系统，其特征在于，用于形成所述环路的装置包含绝缘衬势装置，所述绝缘隔离装置用于将流线与围绕套管隔开以选择的最小距离。

4.如权利要求2或3所述的数据传输系统，其特征在于，在所述第一和第二导电部分之间的间隔连接包含在所选择区域外在流线和套管之间的粗略接触。

5.如任一前述权利要求所述的数据传输系统，其特征在于，本地单元包含接收装置，所述接收装置用于接收沿金属结构传输的输入信号。

6.如权利要求5所述的数据传输系统，其特征在于，所述本地单元被安排为用作中继站。

7.如任一前述权利要求所述的数据传输系统，其特征在于，安排所述发射装置用于将信号基本施加到各自导电部分的中点。

8.如任一前述权利要求所述的数据传输装置，其特征在于，所述发送装置包含一个隔离元件，所述隔离元件与各自导电部分串接，所述发送装置还包含一个信号生成装置，所述装置跨接于所述隔离元件。

9.如权利要求1到7中任一种权利要求所述的数据传输系统，其特征在于，所述传输装置包含电感耦合装置，所述电感耦合装置放置在各自导电部分的周围。

10.如权利要求1所述的数据传输系统，其特征在于，一个导电部分包含管线或流线的一部分并且所述其他导电部分至少包含一个电传导性延长元件，所述元件至少与两个铸模相连，所述铸模放置于管线或流线内，并且其中在所述铸模上提供用于完成电流环路的间隔连接。

11.一种数据传输系统，其特征在于，其中一个包含产品导线和套管的油井的金属结构被用作信号通道并且大地被用作回路，所述系统包含一个本地单元，所述本地单元拥有接收和/或发送装置，所述装置与导线耦合用于从所述信号通道接收信号和/或沿所述信号通道发送信号，所述系统还包含间隔衬垫装置，安排所述间隔衬垫装置以确保产品导线与套管在本地单元区域被相互隔开至少一最小距离，选择所述最小距离以获得需要的接收/发送特性。

12.如权利要求2到4和11中任一权利要求所述的数据传输系统，其特征在于，所述套管包含多个分隔部分，并且在相邻部分之间的一个或多个接合处的相连表面用绝缘媒质覆盖。

13.一种数据传输方法，其特征在于，其中一个管线系统的金属结构被用作信号通道并且大地被用作回路，所述方法包含步骤：

安排一个信号耦合环路，所述环路拥有第一和第二导电部分，所述两个导电部分在隔开位置互相电连接，所述金属结构至少包含一个导电部分；

将一个信号施加到一个所述导电部分，用于在环路区域内的大地与金属结构之间生成了一个电位差，所述电位差导致使信号沿金属结构从传播远离环路；以及

确保所述间隔位置被至少隔开一最小距离，选择的所述最小距离以获得需要的发送特性。

14.与数据传输装置一起使用的信号接收装置，其特征在于，一个管线系统的金属结构被用作信号通道并且大地被用作回路，所述系统包含一个拥有接收装置的本地单元，还包含提供在所述本地单元与在所述金属结构一部分上的至少两个间隔位置之间的电接触装置，还包含用于确保所述两个间隔位置被至少隔开一最小距离的装置，选择的所述最小距离以获得需要的发送特性。

15.一种用于从管道系统的金属结构中接收信号的方法，其特征在于，所述管线系统的金属结构被用作信号通道并且大地被用作回路，所述方法包含步骤：提供一个拥有接收装置的本地单元；在所述本地单元与在所述金属结构一部分上的至少两个间隔位置之间提供电学接触；以及确保所述两个间隔位置被隔开至少一最小距离，选择的所述最小距离用于获得需要的传输特性。

16.一种用于管线系统里的数据传输系统，所述系统包括：

用于形成一信号耦合环路的装置，其包含一部分内部导电元件和一外部导电元件的相应部分，所述两部分在两个间隔位置互相电学连接，所述外传导元件包围所述内导电构件并且它是管线系统的金属结构的一部分；

放置于所述外部元件内的内部单元，所述内部单元拥有用于将信号输入到环路里的发射装置；和

放置于所述外部元件外的外部单元，所述外部单元包含电感耦合装置，安排由环路里电流生成的磁通量连接所述电感耦合装置，所述安排使在使用中所述内部元件的所述部分里流通的所述电流不匹配外部元件的相应部分里的所述电流，通过所述外部元件，在所述电感耦合装置里生成信号，从而允许从内部单元到外部单元的通信。

17.如权利要求16所述的数据传输系统，其特征在于，所述间隔位置被至少隔开所选择的最小距离，选择的所述最小距离用于获得需要的传输特性。

18.如权利要求16或17所述的数据传输系统，其特征在于，所述安排用于管线系统里的数据传输系统包含一个内传导性流线和一个外传导性套管，所述外部元件包含所述套管，并且所述内部元件包含所述流线。

19.如权利要求18所述的数据传输系统，其特征在于，所述套管包含多个分隔部分，并且在相邻部分之间的一个或多个接合处的相连表面被绝缘媒介覆盖。

20.如权利要求18或19所述的数据传输系统，其特征在于，在所述流线和套管之间的所述电学连接包含粗略接触和/或传导性密封器。

21.如权利要求16到20任一所述的数据传输系统，其特征在于，用于形成所述环路的装置包含绝缘衬垫装置。

22.一种用于管道系统里的数据传输方法，其特征在于，所述方法包含步骤：

形成一个信号耦合环路，所述环路包含一部分内部导电元件和一外部导电元件的相应部分，所述两部分在两个间隔位置互相电学连接，所述外传导元件包围所述内导电构件并且它是管线系统的金属结构的一部分；

从放置于所述外部元件内的内部单元将信号输入到环路里；和

将一个外部单元放置于所述外部元件外，所述外部单元包含电感耦合装置，安排由环路里电流生成的磁通量连接所述电感耦合装置，

并且所述安排使所述内部元件的所述部分里流通的所述电流不匹配外部元件的相应部分里的所述电流，通过所述外部元件，在所述电感耦合装置里生成信号，从而允许从内部单元到外部单元的通信。

23.如权利要求22所述的数据传输系统，其特征在于，所述间隔位置被至少隔开所选择的最小距离，选择的所述最小距离用于获得需要的传输特性。

24.随同金属结构使用的用于提供如权利要求1到12和16到21中任一所述的系统的或者实行如权利要求13、15和22中任一所述的方法的装置。

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