CN85109114A

CN85109114A - 深钻井底部参数的遥测技术

Info

Publication number: CN85109114A
Application number: CN198585109114A
Authority: CN
Inventors: 克劳德·A·法克
Original assignee: Oil Dynamics Inc
Current assignee: Oil Dynamics Inc
Priority date: 1985-11-14
Filing date: 1985-11-14
Publication date: 1987-06-03

Abstract

这是一个用以测量一种或更多的地下环境参数，并且在地面上能遥测到这些地下环境参数的装置。地面设备包括一个中频电压电源，一条输送一路或多路电能的电源电缆线，以及接到井下钻井设备去的单独隔离线。根据一种或多种环境参数的量值，中频电压可以变换产生一个高频调制讯号的电源电压。这个调制信号被通过电缆总线和地线送到地面。在地面这个讯号被解调，并且显示出传送来的参数讯号。

Description

这个发明是属于将遥测到的电讯号由深钻井的底部送到地面的技术领域。更具体地讲，是把在深井底部探测到的温度，压力及其它参数根据它们的数值调制在一个高频的载波上。所产生的高频调频讯号被偶合到底部的驱动马达的电力供电线上，一种偶合装置拾取了这个调频讯号，在地面上加以解调，从而得到原始参数值，并可以显示出来。

在现有技术中，可以举出一系列作为测量深钻井底部的这些参数的仪器，并且可以将参数由电缆输送到地面上，供人们使用。众所周知，有些传感器或敏感元件的设计是产生一个随测量参数变化的直流电压或直流电流。这些仪器是简单的，它们在输送讯号方面却有很大的困难，因为导线由深钻井的底部到地面由于条件在变化，因而沿着导线的电阻及绝缘漏电阻均在变化着，更有甚者，当仪器在特殊条件下工作时，必须要有一个设在水中的泵以及驱动马达。通过管道供给泵和马达的电源采用多相电。有了马达电源线来传输参数讯号就不必再使用别的导线了。但是在欧姆表型传感器结构的基础上，仍然要求小心的处理数据，以避免由于沿着电缆的损耗讯号的幅度在地面上发生变化。

从传感器将一个小的直流讯号通过电源电缆偶合到马达电源线上去，将需要十分可观数量的耦合仪器，这是笨重和昂贵的。

本发明的主要目的在于为位于深钻井底部的由传感器给出的一个或多个参数的电讯号提供一个方便，安全和迅速的遥测系统。

本发明的更进一步目的是提供一个方法，使遥测的讯号通过电线传送到地面上来。这个电线是将高压三相交流电流传送去驱动马达的。

这些和其他的目的都已经实现了，现有技术的局限性在本发明中均得到克服，本发明采用了在地面上的第一（地面上）仪器设备装置，和第二（地面下）地下仪器设备装置。上述一组设备装置接收另一组设备装置的交流讯号，反之亦然。

在地面仪器设备装置中，由交流电源提供一个低压中频讯号，此讯号耦合到三相电力输电线的任何一根或者三根上，然后此中频低压讯号从电缆中触耦，并用作孔井底部电子设备的能源。

利用一个或多个传感器测量环境参数，例如水泵和马达附近的温度和压力，这两个参数以及其他参数对于判断向下钻井设备中是否出现了故障是极为重要的。因此他可以预防机械和电子故障的出现，并提供了钻井中的数据。

传感器的输出讯号用来调制高频载波讯号，后者耦合到电缆上。在地面，这电缆把高频调频讯号送到调频检波器或调频接收机上去。这检波器就能解调出载波所载送的讯号，并输出一个数字讯号来。这个数字讯号就是所测量到的向下钻井设备的一个参数的函数。这个数字输出讯号任凭你的需要可以显示，也可以记录。

在地面的仪器设备和在向下钻井的仪器设备之间是不存在直流传送的。但是，在电缆线上有一个用以驱动马达的60赫兹交流大电压存在。那里有个作为提供向下打井装置中电能的中频电讯号，还有一个供遥测参数的调频讯号，它从向下打井装置中沿着电缆传送到地面上仪器装置。

这里的耦合装置均是利用电容器连接到电力导线上的耦合方法而使两个装置对高压电力线绝缘。这里还采用了回路滤波器将讯号与混合在一起的60赫兹的电源分离开来。

本发明的这些和其他的目的和本发明的优点以及更好地理解用该发明的原理和细节都将从与附图结合的下述说明清楚地得到。它是：

图1说明了整个设备及其仪器单元，它不单要求遥测数据，而且要求泵把液体从钻井底部抽上来。

图2是个示意图，相当详细地说明了在地面上和在地下或者向下打井仪器设备装置的电路。

在本发明所涉及的这种遥测设备系统中，采用通常的方法，例如给不同参数的频率提供一个或者数个频率调制系统来处理一个或多个独立的讯号。在另一方面，也可以采用通常的交替转换开关的方法，交替地先接上一个参数讯号来遥测，然后转接上另一个讯号，以后再转接回第一个讯号，就这样继续交替地遥测下去。因此，如果有一个包含有多元的传感器讯号，那么只要阐明其中一路参数讯号的设备系统就可以了。而需求输送两个或更多讯号的其他设备仅只是一个复式的遥测系统，或者是一个遥控转换开关的系统，这些系统在先有技术中已描述得很多了。例如：在地面上用转换接头开关，可以使输送到地下电缆的讯号用来转换测量的参数。这是可以由地面操作人员的意愿来选样传送两个或者更多个中的一个参数。

现在参看图1，那是显示整个设备系统和仪器单元的，它不但是遥测数据，而且也是由井底将液体用泵抽出来所要求的。

如图1所示，该野外装置由以下部分组成：一个管状物即导管系统3，各导管的安装是用轴套环4连接起来，这导管系统的一端与地面上工业贮水设备相连接，另一端延伸到井下所选择的深度，并把该处的液体用泵抽到地面上的贮水装置贮存起来。导管系统另一端连接的一个通用的水泵P用数字1所示，同时有一个驱动水泵的马达2。电源是由地面上的变压器5，通过地面开关装置6输送而来的。连接在开关上的是三相电缆7，三种导线分别为10，11和12，它可以承受由地面输送来的负荷电流和高压。电缆7通常是个园筒形的电缆线，而且通常外面绕有一层一般形状的网丝绕层9，当水泵，马达和导管系统向下钻进的孔里时，绕层可保护电缆，防止损坏。

在地下的设备，即水泵和马达附近电缆是由一个接头14连接到另一根电缆8上去的，此时，这三根电缆并排放置以代替以前的三根集束而成园形或椭圆形状，这个变更形状的目的在于使地下设备的直径变小，这是很重要的，因为马达和水泵的直径略大于导管的，而为了降低钻井设备的价格我们通常希望采用尽量小的装置容器盒。

该图没有按尺寸比例画，水泵和马达都比导管的直径大。向下钻井的设备装置（DIP）16连接在电缆15上，而电缆15又连接在电缆8的熔接点14A上。此仪器在装置外壳16的内部接地，装置外壳用防松夹具60连接装置在水泵和马达附近，一起通向井下。当然，向下钻DIP可以悬挂在马达下面，或者悬挂在水泵和马达之间等等，均可按照你的需要决定。同样地，传感器也可以是包括石油工业在内的感兴趣的其他参数的敏感元件。

同时，此种向下钻井设备装置（DIP）也可以用一根电缆单独地或与电缆7，电缆8一起引伸到地面上去。

在地面上的地面仪器设备装置（SIP）24，它是由普通的电源导线25来供电的，地面所需要的全部电子设备均可安装在这个装置24内。

由地面仪器设备装置输出的电缆21A连接到仪器设备耦合装置17上去。

本遥测系统利用三相电缆线中的一根或多根的导线。图1表示了导线10，通过导线10A连接到仪器设备耦合装置17上去，该耦合装置的另一根引线接到地电位，即接到导管3上去，这是利用导管在地面上可使用的地电位，并且延伸到地下仪器设备装置（DIP）位置的地点，由于在这三根供电导线上的电压是极高的，所以要求仪器耦合器17把地面仪器设备装置（SIP）与高压线绝缘。它是由接入一个高压电容器18（每一根导线用一个电容器）和一个电压限制器及一个滤波元件20而获得的。可用任意的普通固体结构设备来固定此设备并且保护高压设备。

如上所述，图1并未详述到地面及地下设备，它可以由图2分开来详细加以说明的。参看图2，井下马达的电源是由图中虚线方框所示的三相变压器提供的，该变压器有三根输入电力线01，02，03。变压器的初级和次级绕组分别为P₁，P₂，P₃和S₁，S₂，S₃，还有三相开关S₆用三根导线10，11和12相应地接到01，02，03上。导线3表示地电位导线，在现在情况下如前所述，就是导管系统3。

概括地说，这个系统包括有SIP的一个中频电源，例如频率为4千赫兹;一个电源供应单元29，该单元由通常的120伏特的单相电力线25来供电;中频振荡器30的输出通过变压器31耦合出去，以便得到更好的绝缘。变压器31的次级有个滤波器跨接在输出端，它包括一个并联的电容器33和一个电感器32，同时在线路上又串联了一个电感器34以便将其它串进来的，可能是200千赫兹的高频调频讯号，把它与中频振荡器30相隔离。该线路通过引线19A和21A连接到仪器设备耦合器17上去，如图所示，变压器20和电容器18的引线各自接上，由仪器设备耦合器31出的连线10A接到导线10上去，而连线21则接到地电位导体3上。

至此，关于该仪器设备产生4千赫茨的中频频率，及其滤波设备，仪器耦合设备的绝缘以及在地面上如何连接电缆导线10和导管3接到地电位等问题已经充分叙述了。

在此，中频讯号应优选在基本上是恒定频率的较低电压，产生的中频讯号向下传送到DIP的电缆芯线和地线上去。电缆15的引线15A接到电力电缆线10上，另一根引线15B连接到DIP壳16内部的地电位，并与地线3接通。由DIP的变压器41引出到其他二根导线11和12上的任何额外的引线如同电容器40一样，必须也同样串接入电容器。那三根电源线通过标准插头系统13和在马达盒上的相应插座相接，而相应的插座引线接在马达2的对应绕组线26，27和28上。

引线15A上的高压是用电容器40与DIP绝缘。

DIP的作用是首先提取一个或多个传感器的测量参数，例如将它们放在47单元箱中的温度传感器和压力传感器，然后把测量参数转换为高频的调频讯号并把它传送到SIP去，该SIP包括有对应的滤波/泽码器等设备，这些将在以后再叙述。

沿着长电缆输送低压直流讯号的主要问题是由于电缆线的电阻和绝缘漏阻的变化，这就使它极难传送一个能够真实指示参数的量值。在这个发明里，这些讯号被转变为一个高频调频讯号。那就是由传感器测量到的代表温度和压力的相应于参数值的低频数据讯号被用以去调制那频率约为200千赫兹量级的高频载频上去。

因此，在地面上那高频调频讯号的变化将被译码出来变为低频变化的数据讯号，并且加以显示，它就是那被传送来的指示参数的讯号。

在图2中，此中频频率讯号是由导线15A和15B进入井下仪器装置16去的。

为了防止交流高压进入DIP的电子设备和变压器41的初级，这个中频讯号是通过电容器输入的。这个中频讯号接着通过了用变压器42和电容器45构成的调谐滤波器，而进入了供电电路46，在这供电电路里中频讯号被转变为直流电压，这电压通过导线47B和导线47A供电给参数传感器，振荡器组合件47和调频发射机44的电能，这个高频调频讯号就通过由电容器43和变压器41组成的调谐滤波器而滤波。这个高频调频讯号通过偶合电容器40，并由导线15A接到马达的电源线10上去。

这个高频调频讯号通过马达电力线10和地3而到达了仪器的耦合器17，它再通过电容器18和变压器20而被送到导线19A和21A。然后此高频调频讯号由导线36A和36B通过了包含有电容器35和变压器36组成的滤波器，而使只有高频调频讯号才能进入调频接收机。这个调频接收机把低频的数据讯号从那个高频载波讯号中分离出来。而后把这数据讯号转换为他们真正的单位，并加以显示。

该发明叙述了在钻井底部的温度和压力的传感器时并没有具体说明需用那一种的传感器。这可以理解为其它测井参数可以应用的任何转换器或者其它的传感器均可使用。

在DIP里用了电容器40和在SIP里用了电器18其目的是为了准许此设备系统可以使用于出现或者不呈现马达电压的地方。

当叙述了这个发明一定程度的特殊性后，就可以明白了在结构上更换许多细节元件以及对组件的更换布局是不会脱离该发明的精神和范围的。这可以理解为这个发明不只局限于本文所说明的实施例，而它所涉及的权项范围应包括这些权项中每个成份的同等物的整个所有范围。

Claims

1、在从地下井中把液体用水泵抽到地面的装置中至少包括：由地面放到上述井中去的一组能选择深度的管子，电的马达装置和在上述管子底端的水泵设备，在地面上优选频率的一个交流电源供电装置和从地面连接到上述供电装置得到上述马达装置的多路传送电缆设备。

该仪器装备适用于配合上述的水泵装置，在上述钻井内至少指示出一种井内参数，并且把它传送到地面能代表上述至少是一个井内参数的讯号。

其特征在于它包括：

(a)用来在地面产生中频讯号的装置。

(b)在上述的电缆和地之间至少有一根导管用于连接上述中频讯号在地面上的电耦合装置。

(c)位于上述钻井里并接到上述导管和地的向下钻井装置(DIP)，上述DIP装置至少包括：

(1)对上述中频讯号响应的直流供电电源装置；

(2)至少有一个用以探测上述至少一个参数的传感装置；

(3)高频调频(F.M)讯号发生装置，其频率是上述至少一个传感装置输出的函数；

(4)用以将上述高频讯号传送到上述至少一个导管的装置；

(d)对上述高频讯号响应并指示上述参数的地面装置。

2、根据权项1的装置，其特征在于：上述的管子是上述的金属地。

3、根据权项1的装置，其特征在于：在地面上有电的滤波器装置用以将上述的中频讯号和上述的高频调频讯号隔开。

4、根据权项1的装置，其特征在于：在上述的电耦合装置中有并联的电容器装置。

5、根据权项1的装置，其特征在于：包含有多元的参数传感装置。

6、根据权项5的装置，其特征在于：有用以传送代表每个上述的多元传感器装置的多元讯号的多路调制器装置。

7、根据权项6的装置，其特征在于：在上述的多路调制装置中，包括有讯号的多路调制。

8、根据权项6的装置，其特征在于：上述的多路调制器是时间的多路调制器。

9、根据权项1的装置，其特征在于：上述的向下钻井的仪器设备是一个独立组合装置和二个导线引入装置，它接到上述的管子，水泵和马达机组。

10、根据权项9的装置，其特征在于：上述的二个导线引入装置是单独地接入到上述的电缆装置中去的。

11、根据权项1的装置，其特征在于：在上述的向下钻井设备装置中包括有构造完整的附有上述的马达、水泵和管子的组合装置。

12、在从地下钻井用水泵抽液体到地面的装置中至少包括有：在上述井孔内，由地面到选择深度的一组管子，电动机装置，用上述电动机装置驱动的固定在上述管子底部的水泵装置，在地面上优选频率的交流供电电源装置和连接上述在地面的电源装置和在电缆装置底端的上述电动机装置的多路导线电缆装置;

对至少有一个钻井内参数敏感的方法，在地面上可遥测对上述参数响应的电讯号，并且给出上述参数的指示。

其特征包括下列步骤：

（a）在地面上产生一个中频讯号并且把上述的中频讯号耦合到上述的电缆一根导线上去;

（b）在仪器装置中，在上述电缆的低端接收到上述中频讯号，并且把它转换成供电电源电压;

（c）本方法至少对钻井的一个参数是敏感的，对上述的传感器的输出和上述的供电电源电压是响应的，并且产生的高频调频电讯号F。M，它的频率是响应于上述的参数的值的;

（d）本方法把上述可变频率讯号耦合到上述管导中去;

（e）在地面上接收上述的高频调频讯号F。M，并且在指示器上显示上述参数值。

13、在钻井孔内，对钻井参数是敏感的、并能传送一个表示上述井内参数讯号的仪器，其特征包括：

（a）产生一个优选讯号装置;

（b）在导线和地面之间有一个用上述优选讯号连接的电的耦合装置;

（c）一个向下钻井的仪器装置（DIP）安放在上述钻井孔里，并且用上述的导线连接到地面，上述的DIP装置至少包括：

（1）对上述优选讯号响应的直流供电电源装置;

（2）对上述钻井内参数是敏感的一个传感器装置;

（3）频率是上述传感器装置输出函数的调频F。M讯号发生装置;

（4）将上述调频讯号F。M传送到上述导线的发送装置;

（d）适用于对上述参数产生显示的，对调频F。M讯号响应的装置。

14、根据权项13的装置，其特征在于：上述的优选讯号是一个中频讯号。

15、根据权项13的设备装置的特征是：上述的调频F。M讯号是高频的。

16、根据权项13的设备其特征在于：上述的优选讯号是一个中频讯号和上述的调频讯号是高频的。

17、读出钻井孔内某一参数的方法，可以遥测到地面上对上述参数响应的电讯号，并给出上述参数的指示，其特征包括下列步骤：

（a）产生一个中频讯号，并且将上述中频讯号耦合到延伸到上述钻井内的硬导线电路上去;

（b）在上述钻井内把上述的中频讯号F。M传送到与上述线路相连接的仪器装置内，并且在上述仪器装置里把中频讯号变换成供电电源电压;

（c）读出上述钻井的参数;

（d）产生一个调频F。M讯号，其频率是上述钻井参数数值的函数;

（e）将上述调频讯号耦合到上述电路;

（f）接收上述调频F。M讯号，并显示和上述的参数值相同的指示。