井下线性马达和泵传感器数据系统的制作方法

本发明涉及井下泵系统，并且更具体地涉及用于线性马达井下泵的传感器数据系统。

背景技术：

通常没有足够的压力使井在没有将地层流体举升到地面的帮助的情况下，以商业上可行的水平生产。因此，人工举升设备被用于将油或其他液体从地下或地表下泵送到地面或表面水平。

用于将生产流体移动到表面的常用方法包括使用潜水泵。这些泵被安装在井本身中，通常位于生产油管的下端。一种这种类型的潜水泵通常包括位于生产线基部的圆柱形壳体和内部往复式活塞。该泵在活塞底端有入口，并且在顶端有出口。该泵在上冲程期间在生产油管内向上推动第一体积的流体，并且在下冲程期间在油管内向上推动第二体积的流体。通过线性磁马达使活塞在井筒内轴向往复运动。

线性磁马达包括定子组件和被驱动以相对于定子组件线性移动(即，作为直线平移)的轴。轴构件至少部分地被定子围绕并且通过轴承相对于定子组件固定就位。轴凭借具有一系列内置的永磁体产生磁场。定子通过一系列环形磁线圈或绕组产生磁场。通过对线圈中的电流相对于轴的位置和/或动量的流动进行计时，来自轴和来自定子的磁力的相互作用将致动轴向上或向下线性移动。

马达由从表面延伸到井底的电缆供电。电源在马达的线圈内产生磁场，这又在马达的轴上施加振荡力。轴由此在井内以向上和向下或线性方式平移。轴通过联动装置连接到泵的活塞，并因此向泵活塞施加平移或线性移动。因此，线性电马达使得泵的活塞能够竖直地往复运动，从而使流体能够随着活塞的每次冲程朝向井的表面举升。

美国专利no.5831353公开了一种马达泵组件，该马达泵组件具有正排量泵和无刷dc线性马达，用于以往复方式驱动泵，以允许生产管中的流体被举升到地上水平。马达控制器被提供以用于控制线性马达，并为马达提供一定数量的直流脉冲。耦接布置将泵连接到马达。

技术实现要素：

仅出于说明的目的而非限制的目的，附带参见所公开实施例的相应部件、部分或表面，提供了一种油井装置(15)，包括：油管(17)，被布置在井中并且为源自表面水平以下的流体形成到所述表面水平的流动通道；泵(19)，被设置在所述井中；线性致动器(20)，被设置在所述井中并被配置为致动所述泵；线缆(24)，从所述表面水平向所述线性致动器供应电力；表面控制器(50)，与所述线性致动器连接并被配置为控制所述线性致动器；多个井下传感器(30，31，32，33，34和35)，被配置为感测所述线性致动器和/或所述泵的多个不同的操作参数；井下信号处理器(40)，与传感器通信并被配置为接收来自传感器的传感器数据并输出串行数据；通信线缆(23)，在所述传感器处理器和所述表面控制器之间，所述通信线缆具有至少两个成对的传输线(25，26)；井下差分信号驱动器(41)，被配置为接收所述串行数据并将数据信号输出到所述成对的传输线；以及表面接收器(27)，被连接到所述通信线缆并被配置为经由所述成对的传输线接收来自所述差分信号驱动器的信号。

所述多个传感器可以选自由温度传感器(32，33)、位置传感器(34)、振动传感器(35)、倾斜度传感器(35)和压力传感器(30，31)组成的组。所述多个传感器可以选自由马达定子热电偶(33)、泵入口温度换能器(32)、泵入口压力换能器(31)、泵出口压力换能器(30)和被配置为感测所述致动器的轴(22)的位置的同步串行接口编码器(34)组成的组。

线性致动器可以包括无刷永磁马达，并且传感器可以包括被配置为感测致动器的轴(22)的位置的马达位置编码器(34)以及选自由温度传感器(32，33)、振动传感器(35)、倾斜度传感器(35)和压力传感器(30，31)组成的组的操作传感器，并且其中串行数据包括来自编码器的位置数据和来自操作传感器的操作数据。表面控制器可以包括与信号处理器通信的时钟(28)，并且来自信号处理器的串行数据可以包括同步串行数据输出。该装置还可以包括与传感器中的至少一个传感器通信的模数转换器(43)和被配置为接收来自传感器中的至少两个传感器的传感器信号并输出串行数据信号的多路复用器(42)。致动器可以包括具有内部开口和设置在开口中的轴(22)的定子(21)，该定子(21)被配置和布置为在由定子产生的磁场的效应下相对于定子在实际方向上线性地往复运动。泵可以包括入口(51)、出口(52)和耦接到致动器轴的活塞(70)。

附图说明

图1是示出具有改进的传感器数据系统的实施例的致动器和泵系统的油井装置的示意性垂直截面图。

图2是图1所示的致动器和泵系统的示意图。

图3是图2所示的传感器数据系统的示意图。

具体实施方式

首先，应该清楚地理解，相似的附图标记旨在贯穿多个附图一致地标识相同的结构元件、部分或表面，因为这样的元件、部分或表面可以进一步由整个书面说明书描述或说明，其中该书面说明书的详细描述是一体部分。除非另外指明，否则附图旨在与说明书一起被读取(例如，交叉影线、部件的布置、比例、程度等)，并且将被认为是本发明的整个书面描述的一部分。如以下描述中所使用的，术语“水平”、“垂直”、“左”、“右”、“向上”和“向下”以及其形容词和副词派生词(例如，“水平地”、“向上地”等)仅仅是指当特定附图面向读者时所示结构的取向。类似地，视情况而定，术语“向内地”和“向外地”通常是指表面相对于其伸长轴或旋转轴的取向。

现在参考附图，并且更具体地参考图1，提供了油井泵和线性磁马达系统，其第一实施例总体上以15表示。如图所示，井眼从表面水平延伸到地面以下的一点。井眼衬有套管16以形成井筒18，井筒18包括提供井筒18和周围的含烃地层之间的流体连通的穿孔。泵19和线性致动器或马达20设置在井筒18的底部，并被设置为通过油管柱17将生产流体从井筒18人工地举升到表面处的收集点。

更具体地说，生产流体通过套管16中的穿孔从地下地层迁移并在井筒18中收集。泵19通常包括圆柱形壳体69和内部往复活塞70。线性致动器20在井筒18中设置在泵19下方。线性致动器20包括通过致动器杆64连接到活塞70的轴22和定子21。线性致动器20由从表面处的控制器机柜50中的马达驱动器延伸到井筒18的底部的电缆24供电。电源在定子21的线圈内产生磁场，这又对磁轴22和致动杆64施加振荡力。轴22和致动器杆64由此在井筒18内以向上和向下或线性方式平移，这由此向泵活塞70施加线性移动。这使得泵19的活塞70能够垂直地往复运动，从而使流体能够随着活塞70的每次冲程朝向井18的表面举升。泵入口51设置在泵壳体69的底端，并且泵出口52设置在活塞70的顶端。泵19在活塞70在泵壳体69中的上冲程期间在生产油管17内向上推动第一体积的流体，并在活塞70在泵壳体69中的下冲程期间在泵壳体69内向上推动第二体积的流体。

在该实施例中，致动器20是具有静止定子21和滑动轴22的三相永磁线性dc电马达。马达20从来自马达驱动器50的三相电力线24接收电力。参考图2和3，线性致动器20通常包括壳体54、定子21、轴23和致动器杆64。定子21和轴23设置在圆柱形壳体54中。定子21不相对于壳体54轴向移动。

如图3和图4所示，线性磁马达20通常包括定子21和轴23。定子21是大致中空的圆柱形构件，其围绕轴x-x伸长并具有内圆柱形通道22。轴23是大致中空的圆柱形构件，其与定子21一致并且沿着通过通道22的轴x-x相对于定子21线性移动。沿着轴x-x的移动在本文中被称为沿轴向的移动。

井下泵19包括固定阀、行进阀、活塞或柱塞70、入口51和出口52。当泵19的活塞70被马达20向上和向下驱动时，油和其他流体被抽出到入口51中并被向上推出出口52。出口52耦接到通向油井表面的生产油管17。

如图2和3所示，与马达20耦接的是数据处理系统36。数据处理系统36与配置为感测马达20和泵19的不同操作参数的多个井下传感器通信。如图2-3所示，这种传感器包括泵出口压力换能器30、泵入口压力换能器31、泵入口温度换能器32、马达定子热电偶33、姿态或倾斜度和振动传感器35以及马达轴位置传感器系统34。这种信号和命令通过从致动器20上的数据处理系统36延伸到井18的表面处的控制器机柜50的信号线缆23来传送。

位置传感器34是配置为感测线性马达轴23相对于定子21的位置和速度的霍尔效应设备(hed)。如图所示，传感器34位于数据处理系统36内靠近轴22的间隔轴向位置处。如下所述，传感器34是到同步串行接口(ssi)编码器以感测线性马达轴的位置的输入。

传感器33是用于监测马达20的温度的温度传感器。在该实施例中，传感器33包括定位在钢定子21中的马达绕组之间的k型(镍铬/镍铝)热电偶。热电偶33连接到热电偶电接口45，该热电偶电接口45输出数字马达温度数据。在该实施例中，接口45是冷端补偿的热电偶-数字转换器。

传感器35是提供角度倾斜数字数据和振动数字数据的微机电系统(mems)。因此，马达20安装的角度可以由倾斜计35测量。

传感器30是在出口52处提供压力读数的压力换能器。传感器31是在入口51处提供压力读数的压力换能器。压力传感器31在入口51处提供油或流体压力，该油或流体压力可用于确定油井中剩余油的深度。传感器32是在泵入口51处提供温度读数的温度换能器。来自换能器30、31和32的输出由具有模数转换器43和多路复用器42的单个换能器接口47接收。因此，换能器接口47输出串行数字信号。系统15可以包含用于监测泵操作、马达操作和/或深油井条件的其他和/或替代传感器。数据接口可以使用用于模拟或数字信号传递的替代协议来实现。

如图3所示，井下数据处理系统36通常包括数字信号处理器单元40、差分信号驱动器41、换能器接口47、热电偶接口45、mems传感器35和轴位置传感器34。

在该实施例中，信号处理器单元40是具有多路复用器44的数字信号处理器(dsp)芯片或cpu。处理器40可以包括用于接收和存储传感数据的数据采样和存储机构，并且可以包括用于存储操作参数以及传感数据日志的数据储存器。特别地，在该实施例中，处理器40是在100引脚表面贴装封装中整合了32位dsp处理单元连同存储器、振荡器、时钟、看门狗(watchdog)和i/o的单芯片嵌入式微控制器。它整合了16通道的12位a/d转换器43，该16通道的12位a/d转换器43与模拟传感器数据输入以及数字输入接口，以接受数字传感器数据。数字信号处理器还具有串行输出48，以直接与ssi串行总线驱动器41接口，以与表面控制器50交换数据。处理器40接受来自各种系统传感器的传感器数据输入，重新格式化ssi格式的数据，并经由ssi总线以适当的定时将数据发送到表面控制器50。dsp还监测编码器数据完整性、电源和单独的马达温度开关，并且如果参数落在可接受的水平之外，则设置ssi数据字中的故障位。dsp还连续监测感测马达轴的hed设备的状态，并通过dsp算法连续计算和更新马达轴位置。

处理器40经由热电偶接口45与热电偶33通信，经由换能器接口47与出口压力换能器30、入口压力换能器31和入口温度换能器32通信，直接与轴位置传感器34通信，并直接与mems传感器35通信。如图所示，来自出口压力换能器30、入口压力换能器31和入口温度换能器32的模拟信号被接口47转换成数字信号并被多路复用为单个线路。来自mems35的数字信号被传送到处理器40。另外，来自轴位置传感器34的信号被提供给处理器40。处理器40被配置为接收这样的数据输入并且将串行ssi输出信号48提供给差分信号驱动器41。通过使用来自位于井筒18的表面处的机柜50中的时钟28的公共时钟信号同步接收和发送端处的传输来传输数据。

差分信号驱动器41经由在到地面之上的机柜50中的接收器27的通信线缆23的成对的导线25和26上发送的两个互补信号将这些数据电传输。差分信令提高了抗电磁干扰，从而使其成为长传输距离和恶劣外部环境下的可靠通信信道。在线缆23的表面端，接收器27读取两个信号之间的差异。在这个实施例中，采用高电压差分信号。

因此，编码器输出信号被转换成数字数据字以通过差分串行数据总线传输。ssi编码器系统36将位置数据嵌入到数字数据字中以便传送给控制器50。这允许除了来自位置传感器34的hed导出的马达位置数据之外还将诸如传感器30-33和35输出的附加数据嵌入并传输到数字总线。在差分信号驱动器41在从井筒18的底部到表面和控制器50的长传输距离上保持信号完整性和抗噪性的同时，数字字以期望的速度提供马达20的操作所需的带宽。来自传感器30、31、32、33和35的附加数据被嵌入到传输中。通过集成来自井下马达20和泵19的附加信号，提供了集成的地下通信系统。

尽管已经示出和描述了系统的当前优选形式，并且讨论了它的多个修改，但是本领域的技术人员将容易地认识到，可以在不脱离如由以下权利要求限定和区分的本发明的范围的情况下进行各种附加的改变和修改。