专利名称：用于交流供电的井下计量器的系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及钻井生产电力系统，更具体地，本发明涉及使用三相电力电缆
上的交流功率给井下测量和控制机构供电。
背景技术：
通常通过把相对于地的直流(DC)电压施加在向泵马达输送功率的三相电力电缆 的所有三相上，来给井下电动潜水泵(ESP， electricalsubmersible pump)仪器系统供电。 结果，三相电力系统的通常浮动的相不再浮动，而是保持在这个电压(平均来说)。
所施加的DC电压用来给钻井内的测量设备供电，并且在大多数情况下，把数据传 送回地面。但是，这些直流系统限制了三相电缆的高压绝缘测试，并且，如果三相电力系统 的任何一相对地短路，则这些直流系统就变得不可操作。 因此，本领域需要一种用于通过向泵马达输送功率的三相电力电缆来给井下仪器 供电的改进的系统。
发明内容
为了克服现有技术的上面讨论的缺陷，本发明的主要目的是为钻井仪器提供AC 仪器功率，供在井下生产系统中使用，所述AC仪器功率在同时输送三相马达功率的电力电 缆的所有三相上被传送，所述仪器功率被以马达功率频率的倍数传送，并且具有马达功率 电压的对应分数(fraction)。所述仪器功率通过足以耐受高压电缆绝缘测试的电容耦合接 收。如果一相对地短路，则相对中性点(phase-to-neutral)马达功率给钻井仪器提供大致 相同的功率水平。 前面已经相当宽泛地概括了本发明的特征和技术优点，以使本领域技术人员可以 更好地理解接下来对本发明的详细描述。此后将描述形成本发明的权利要求主题的本发明 额外的特征和优点。本领域技术人员将理解它们可以很容易地使用所公开的概念和具体实 施例作为修改或者设计用于实现和本发明相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员将 理解，这些等同构造不偏离本发明最宽泛形式的精神和范围。
已经阐明了本发明的某些特征和益处，当结合附图时，随着描述的继续进行，其他 的特征和益处将变得清晰，在附图中 图l根据本发明的一个实施例绘出了包括钻井测量/控制设备和泵马达电力系统 的钻井生产系统； 图2根据本发明的一个实施例更详细地绘出了供在钻井生产系统中使用的计量 器子组件(gauge subassembly);禾口 图3根据本发明的一个实施例图解示出了在钻井生产系统内仪器和三相电缆上 的马达功率之间的关系。
虽然将结合优选实施例描述本发明，但是将会理解并非旨在将本发明限于该实施 例。相反，预期覆盖可被包括在本发明的由所附权利要求限定的精神和范围内的所有替换、 修改和等同物。
具体实施例方式
此后将参考其中示出了本发明的实施例的附图更全面地描述本发明。但是，本发 明可以用很多不同的形式具体实施，并且不应该被理解为限于这里给出的所示出的实施 例，相反，提供这些实施例以使本公开内容透彻和完整，并且将向本领域技术人员充分地传 达本发明的范围。相同的数字在全文中指示相同的元件。 图l根据本发明的一个实施例绘出了包括钻井测量/控制设备和泵马达电力系统 的钻井生产系统。示范性实施例中的钻井生产系统100包括利用生产管道103下降到钻井 102内的电动潜水泵和马达子组件101。 泵和马达子组件101的马达部分由从地面通过三相电缆104传送的三相功率供 电。电源105提供传送到马达的三相功率。本领域技术人员将理解，电源105可以包括各种 部件，例如发电机或者到配电网的连接、转换器和/或逆变器，和/或可变频率驱动器(VFD) 或者可变速度驱动器(VSD)。 本发明中的电源105也包括用于产生单相交流(AC)功率的子组件106，所述单向 交流功率要通过三相电缆105传送，用于给位于钻井102内的计量器子组件107内的测量 和/或控制设备供电。如下面进一步详细地描述的那样，用于测量和/或控制设备的单相 功率在频率和峰值幅度上不同于用于泵马达的三相功率。 钻井生产系统100包括至少一个设置在钻井内的计量器子组件107。下面进一步 详细地描述的计量器子组件107测量正被泵浦的流体的诸如温度、压力、切削、流速或者其 他参数的特性。或者，计量器子组件107可以测量马达/泵子组件101的入口压力、温度或 者流速，出口压力、温度或者流速，每分钟转数，或者其他工作参数。在进一步的实施例中， 计量器子组件107可以包括用于开启或者关闭阀门或者用于操作其他电气或者机械设备 的控制机构，具有或者不具有任何测量设备。 虽然在图1中只绘出了一个计量器子组件107，但是本领域技术人员将理解可以 采用任意数量的这种子组件，并且处于沿着钻井102的各个位置，例如在马达下方、在马达 和泵之间、在泵上方，和/或位于密封处、靠近封隔器、位于井口处(用于海下井)，等等。
在示范性实施例中，计量器子组件107连接到马达/泵子组件101内的Y连接的 三相马达的中性点终端。或者，计量器子组件(或者，在包括多个这种子组件的钻井生产系 统的情况下，每一个计量器子组件)可以在沿着钻井102的任何位置处连接到三相电力电 缆104内的一个或更多个导体。 图2根据本发明的一个实施例更详细地示出了供在钻井生产系统内使用的计量 器子组件。计量器子组件107包括连接到马达中性点或者另一个适当形成的耦合到三相电 力电缆104的Y点(由电感器、电容器或者这两者形成)的电容器200。电容器200被适当 地选择大小，以便从三相电力电缆104传送仪器功率，并且其额定电压足够高，以便允许三 相电力电缆104和其他井下装备的绝缘高压测试(小型绝缘试验(megging))。
电容器200通过变压器201耦合到测量和/或控制设备202。采用通过电容器200
5和变压器201的功率来驱动测量和/或驱动设备202内的电气部件。 图3根据本发明的一个实施例图解示出了在钻井生产系统内仪器和三相电缆上 的马达功率之间的关系。所绘出的信号示出了施加在三相电力电缆104上的功率。在示范 性实施例中，三相电力电缆104的各导体均被三相功率信号300的一相A、 B或C驱动(统 称为信号300A、300B和300C)。所有三相也被相对于地的AC电压301驱动，采用AC电压 301作为用于计量器子组件107内的测量/控制设备202的仪器功率。尽管在示范性实施 例中并无任何直流偏移被示出，但是三相电力电缆104上的功率也可以具有以地为参考的 直流分量，在这种情况下，仪器电压301将从中性点偏移。 仪器功率301被设置在三相电力电缆104上传送的马达功率300的电压的十分之 一的量级的电压(小于10的因子)，并且具有高于马达功率300的频率十倍的量级的频率 (在图3中由各信号300和301的半周期的时段示出)。例如，仪器功率301可以近似为 80-100伏特(V)，以600赫兹(Hz)传送，而马达功率是1000到2500V (峰值，相对相最高达 4160伏特)，以60Hz传送。 如上所述，计量器子组件优选地连接到耦合至三相电力电缆104的Y点。在平衡 系统(不具有对地短路的相)中这样的Y点，在Y点只出现AC仪器功率301以及任何DC 偏移。但是，当一相对地短路时，在Y点出现剩余两相(或者如果两相对地短路，则是单相) 的累积井下马达相对中性点功率。在这样的状况下，井下仪器202能够使用马达功率电压 作为动力，代替正常仪器功率301。井下马达功率的较高的电压但是降低的频率以相对相 同的功率水平耦合到仪器202中，因为电容耦合200的阻抗反比于频率，并且马达功率300 和仪器功率301的频率和电压被如上所述那样选择成反向相关。在马达功率300的电压远 低于或者高于上面列出的示范性数字的情况下，通过简单地调整仪器功率301 (计量器107 被设计成利用仪器功率301驱动)的频率和电压，也可以使用这样的系统。
在本发明的一个实施例中，变压器201的电感可以被选择成在仪器功率301的频 率下与电容器200谐振，为仪器功率提供低阻抗路径，并为马达功率提供高阻抗路径(当一 相接地并且在Y点出现马达功率时)。 上述实施例未考虑三相电力电缆104上的数据传输。但是，根据已知的技术，一个 或更多个信令单元110可以被分别耦合到电力电缆104，以便提供对电力电缆104上的DC 偏置或者偏移的调制，或者通过根据已知技术叠加射频(RF)信号。这种信令单元110可以 可通信地耦合到计量器子组件107(与到电力电缆104的公共连接相分离)，给仪器202提 供用于接收功率和信令的替换路径。 当AC功率系统浮动时，通过调制井下仪器202中的控制器(未示出)所需的AC电 流，本发明的替换实施例涉及从地面向井下、从钻井到地面，或者这两者的数据传输。由此， 井下信息可以被作为和所述AC信号成比例的线性负载变化或者作为传输编码数据的离散 电平传送到地面。当传输编码数据时，AC耦合系统允许比DC供电的数据信令系统高得多的 数据速率，因为耦合滤波器时间常数短得多。使用两个或更多个离散电平将进一步提高数 据速率，因为每一个数据样本将会更短。通过把仪器功率301的频率移动预定的偏差量，或 者通过短暂地中断功率信号301，数据可以从地面处的控制器108传输到井下仪器202(同 时地，即双向地，或者在用于从钻井到地面的数据传输的单独时间段期间)。这些技术允许 使用AC仪器功率信号301传输数据，只要功率系统浮动即可。
本发明通过三相电力电缆，或者独立于用于井下马达的三相功率或者与其同时 地，以允许三相电力电缆内的导体对地短路和/或高压绝缘测试的方式，从地面向钻井内 的井下仪器提供功率。 重要的是要注意，虽然已经在具体实施本发明的完全功能性的系统和方法的上下 文中描述了本发明的实施例，本领域技术人员将理解本发明的机制和/或其方面能够以各 种形式的用于在处理器等上执行的计算机可读指令介质的形式分布，并且无论用来实际执 行分布的信号承载介质的具体类型如何，本发明同样地适用。计算机可读介质的例子包括 但不限于非易失、硬编码类型介质，例如只读存储器(ROM) 、 CD-ROM和DVD-ROM，或者，可 擦除、电可编程只读存储器(EEPROM)，可记录类型介质，例如软盘、硬盘驱动器、CD-R/RW、 DVD-RAM、 DVD-R/RW、 DVD+R/RW、快闪驱动器，和其他更新类型的存储器，以及传输类型介质， 例如数字和模拟通信链路。例如，这些介质可以既包括操作指令和/或与系统相关的指令， 也包括上面描述的方法步骤。 要理解，本发明不限于示出和描述的构造、操作、具体材料或者实施例的精确细 节，因为修改或等同物对于本领域技术人员来说将是清楚的。在附图和说明书中，已经公开 了本发明的说明性实施例，尽管采用了特定术语，但是它们只以通用的并且描述性的含义 使用，并不用于限制的目的。因此，本发明只被所附权利要求的范围限制。
权利要求
一种钻井仪器功率系统，包含从地面位置延伸到钻井中的三相电力电缆，所述三相电力电缆能够输送具有电压和频率的三相马达功率；耦合到所述三相电力电缆的电源，所述电源产生交流仪器功率，供在所述三相电力电缆的所有三个导体上传输；和容性耦合到所述三相电力电缆以通过所述三相电缆接收所述交流仪器功率的仪器，其中，所述交流仪器功率具有小于所述三相马达功率电压的电压和高于所述三相马达功率频率的频率。
2. 如权利要求1所述的钻井仪器功率系统，其中，仪器到所述三相电力电缆的容性耦 合能够耐受三相电力电缆绝缘高压测试。
3. 如权利要求1所述的钻井仪器功率系统，其中，所述仪器也感性地耦合到所述三相 电力电缆，所述感性和容性耦合被选择成为所述交流仪器功率提供低阻抗路径，并为所述 三相马达功率提供高阻抗路径。
4. 如权利要求1所述的钻井仪器功率系统，还包含一个或更多个控制器，以便在所述 三相电力电缆上双向传送数据。
5. 如权利要求4所述的钻井仪器功率系统，其中，通过中断所述交流仪器功率、移动所 述交流仪器功率的频率、或者调制所述交流仪器功率，在所述三相电力电缆上双向传送所 述数据。
6. 如权利要求1所述的钻井仪器功率系统，其中，所述仪器还包含 至少一个计量器子组件，用于测量工作特性或者控制设备；禾口信令单元，可通信地耦合到所述至少一个计量器子组件，所述信令单元在所述三相电 力电缆上传送数据。
7. 如权利要求1所述的钻井仪器功率系统，其中，所述至少一个计量器子组件连接到 耦合至所述三相电力电缆的Y点。
8. —种给钻井仪器供电的方法，包含提供从地面位置到钻井中的三相电力电缆，所述三相电力电缆能够输送具有电压和频 率的三相马达功率；把电源耦合到所述三相电力电缆，所述电源产生交流仪器功率，供在所述三相电力电 缆的所有三个导体上传输；禾口把仪器容性耦合到所述三相电力电缆以通过所述三相电缆接收所述交流仪器功率，其 中，所述交流仪器功率具有小于所述三相马达功率电压的电压和高于所述三相马达功率频 率的频率。
9. 如权利要求8所述的方法，其中，所述仪器到所述三相电力电缆的容性耦合能够耐 受三相电力电缆绝缘高压测试。
10. 如权利要求8所述的方法，其中，所述仪器也感性地耦合到所述三相电力电缆，所 述感性和容性耦合被选择成为所述交流仪器功率提供低阻抗路径，并为所述三相马达功率 提供高阻抗路径。
11. 如权利要求8所述的方法，还包含在所述三相电力电缆上在所述地面位置和所述 仪器之间双向传送数据。
12. 如权利要求8所述的方法，其中，通过调制所述交流仪器功率、中断所述交流仪器 功率的频率，或者移动所述交流仪器功率的频率实现双向传送。
13. 如权利要求8所述的方法，还包含提供至少一个计量器子组件，用于测量工作特性或者控制设备；禾口 把信令单元可通信地耦合到所述至少一个计量器子组件，用于在所述三相电力电缆上 传送数据。
14. 如权利要求8所述的方法，其中，所述至少一个计量器子组件连接到耦合至所述三 相电力电缆的Y点。
15. —种钻井系统，包含从地面位置延伸到钻井中的三相电力电缆，所述三相电力电缆能够输送具有电压和频 率的三相马达功率；耦合到所述三相电力电缆的电源，所述电源产生交流仪器功率，供在所述三相电力电 缆的所有三个导体上传输；耦合到所述三相电力电缆的电动潜水泵，所述电动潜水泵包括从所述三相电力电缆接 收所述三相马达功率的马达；禾口容性耦合到所述三相电力电缆以通过所述三相电缆接收所述交流仪器功率的仪器，其 中，所述交流仪器功率具有大约是所述三相马达功率电压的1/N分数的电压，和大约是所 述三相马达功率频率的N倍的频率。
16. 如权利要求15所述的钻井仪器功率系统，其中，所述仪器到所述三相电力电缆的 容性耦合能够耐受三相电力电缆绝缘高压测试。
17. 如权利要求15所述的钻井仪器功率系统，其中，所述仪器也感性地耦合到所述三 相电力电缆，所述感性和容性耦合被选择成为所述交流仪器功率提供低阻抗路径，并为所 述三相马达功率提供高阻抗路径。
18. 如权利要求17所述的钻井仪器功率系统，还包含位于所述仪器内的控制器，调制所述仪器抽取的AC电流以便在所述三相电力电缆上 把数据传送到所述地面位置；禾口第二，耦合到所述三相电力电缆，并通过暂时移动所述交流仪器功率的频率或者暂时 中断所述交流仪器功率而在所述三相电力电缆上把数据传送到所述仪器。
全文摘要
钻井仪器由在同时输送三相马达功率的电力电缆的所有三相上传送的AC仪器功率供电，所述仪器功率被以马达功率频率的倍数传送，并且具有马达功率电压的对应分数，并通过足以耐受高压电缆绝缘测试的电容耦合被接收。如果一相对地短路，则相对中性点马达功率给钻井仪器提供大致相同的功率水平。
文档编号E21B47/00GK101755106SQ200880025061
公开日2010年6月23日 申请日期2008年7月14日 优先权日2007年7月18日
发明者D·L·诺克斯, G·L·贝塞尔, J·E·雷顿 申请人:贝克休斯公司