数据通信系统的制作方法

数据通信系统的制作方法
【专利摘要】用于通过三相电力系统在表面与例如油田电潜泵等布置的表面下位置之间在三相电缆连接的三个导体的每个上传输数据的数据传输的数据通信系统和关联方法，其中隔离机构可操作以在检测到与任何给定导体关联的故障时隔离那个导体。通过该系统，能够实现在各导体隔离上提供独立AC信号和数据传递，同时实现持续操作。
【专利说明】数据通信系统
[0001]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。
[0002]“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。
[0003]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。
[0004]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，需要能够在主要三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。
[0005]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。
[0006]由于三相电力系统的电机和电力电缆性质，使用电感稱合来稱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向表面传输数据。
[0007]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丧失或损坏时全部易遭受故障，因为任何故障与单独电源并联，并且故障故障成为另一个电流调制源，因而使信号强度丧失。这些现有技术系统通常本质上也是模拟的，因而将噪声引入测量，或者在传输数字数据的情况下，它处于很慢的数据速率。
[0008]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。
[0009]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，当接地绝缘的故障存在时，ESP电力系统所呈现的负载可能过高。当这种过高负载故障存在时，需要完全禁用系统，以便保护仪器电力系统免受过高电源负载，并且降低对信号传输的负载。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ESP电机电力。但是，实际上，绝缘故障还将表面和井下星形点向下拉向短接相。这又增加井下信号驱动器的负载，并且因此使所恢复数据信号衰减。衰减水平可充分使信号是不可恢复的，并且因而系统无法起作用。它还增加表面电源的负载，以及如果电流负载过高，则这可能崩溃，从而也使系统不可操作。
[0010] 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数据传输的系统和方法，其中该系统在大负载故障的情况下能够保持为可操作。
[0011 ] 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的多导体电力电缆上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，设置有提供耦合到电力电缆的各导体的AC电力信号的电源；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耦合到各导体的数据通信信号；多导体电力电缆，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；并且其中表面系统模块包括配置成有选择地隔离电力电缆的各导体的隔离单元。
[0012]这样，通过提供这种数据通信系统，由此在给定相的系统过载发生时能够隔离任何给定导体，系统能够继续提供数据和电力传输。
[0013]优选地，隔离单元包括各导体上的隔离装置。优选地，各隔离装置是继电器。备选地，各隔离装置是固态开关。这样，防止电力在任何所选导体上进行操作，而与任何其它导体无关。
[0014]优选地，隔离单元包括可操作以检测系统故障的检测机构。优选地，检测机构可操作以激活隔离装置。更优选地，检测机构包括各导体上的电流传感器。通过提供检测机构以检测能够造成系统过载的系统故障，能够在任何系统损坏发生之前采取动作以隔离关联导体。
[0015]优选地，隔离单元包括各导体上的调谐电路。这样，三相电源的频率能够选择成与AC电力信号的频率不同。优选地，表面下模块包括电机星形点上的调谐电路，以将第二加电模块与第一加电模块隔离。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]优选地，三相电力信号用来向第一加电模块供电，以及AC电力信号用来向第二加电模块供电。这样，隔离导体将仍然允许AC电力信号到达第二加电模块，并且向表面传输数据。
[0019]优选地，三相电力信号的频率在20-60 Hz的范围之内。又优选地，AC电力信号的频率在2-5 KHz的范围之内。这样，例如，如果多导体具有三个导体，则隔离一个或两个导体将仍然允许AC电力信号到达第二加电模块。
[0020]优选地，各导体上的电力和数据信号是相同的。这样，隔离一个导体仍然提供其它导体，其上能够传输数据和电力。另外，即使隔离导体的大多数，AC电力信号也仍然能够到达井下计量器，并且向表面发送数据信号。
[0021]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三相电力多导体电缆连接；
(b)将AC电力信号均等地耦合到三相电力电缆连接的各导体； (c)将数据信号耦合到电缆连接的各导体；以及
(d)有选择地隔离三相电力电缆连接的导体。
[0022]这样，如果任何给定导体上的系统过载发生，则能够隔离那个给定导体，使得能够保持数据和AC电力传输。
[0023]优选地，该方法包括确定各导体上的故障的步骤。更优选地，响应故障确定而隔离导体。这样，在故障发生时防止对表面下系统的损坏。确定故障的步骤可包括监测各导体上的电流的步骤。
[0024]优选地，该方法包括将三相电源的频率调谐成与AC电力信号不同的步骤。这样，能够与表面下位置的监测系统独立地向ESP电机系统供电。优选地，三相电力信号的频率在20-60 Hz的范围之内。又优选地，AC电力信号的频率在2-5 KHz的范围之内。
[0025]优选地，该方法包括在表面下位置收集数据的步骤，数据作为数据信号来传输。
[0026]优选地，各导体上的AC电力信号和数据信号是相同的。这样，例如，对于三导体电缆，隔离一个导体仍然提供两个导体，其上能够传输数据和电力。另外，即使隔离两个导体，AC电力信号也仍然能够到达井下计量器，并且向表面发送数据信号。
[0027]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；以及图3示出按照本发明的一实施例的数据通信系统表面模块的示意框图。
[0028]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。
[0029]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，并且经由具有三个导体的三相电力电缆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 —般表示的表面系统以及由参考标号30 —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。
[0030]与计量器系统相关的表面设备在图1中示出，其中存在HV单元13，其直接连接到三相电源和井下电机。存在另一 LV或低压电源8，其与高压系统安全隔离。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三相电力系统的恢复。
[0031]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—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。
[0032]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36用来连接到电力电缆26中的各相。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35c，与传感三相电缆26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。这能够通过采用数据模式(FM)调制电力频率来实现，它还能够采用电源的幅度调制来实现，并且能够通过开始和停止不同幅度和/或频率的序列以指示消息的开始和结束得到进一步增强。表面电力的频率可经过特定频率模式来排序，以区分命令与正常电力频率调整。
[0033]简单通信可通过对电源的短中断、从而创建电力脉冲来实现，其能够具有不同的脉冲宽度(PWM)或者备选地按照特定模式来设置以表示特定命令。电力中断能够足够长以在井下位置来检测，但是足够短以使得在计量器没有丧失电力。
[0034]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37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39，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。
[0035]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2-3000伏和70-100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33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的三相导体的各个上。第二 AC电力信号处于单相，与三相第一 AC电力信号形成对照。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37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。使用这种电力，传感器和计量器54监测电机10处和下面的条件。从传感器和计量器54所收集的数据又调制到电缆26的各导体上，供返回到表面。
[0036]现在参照附图的图3，其示出按照本发明的一实施例、结合在驱动系统33中的隔离单元71。驱动系统33经由星形点70将第一 AC电力信号64提供到三相电力电缆26的三个电缆导体26a、26b、26c上。这是如本领域已知的三相电源。各导体26a、26b和26c分别设置有:电流传感器72a、72b、72c ;隔离器机构74a、74b、74c，其在本例中各为继电器；以及在被输入以创建高压电缆连接26之前的耦合组件76a、76b、76c。另外，为了启用信号恢复，导体26a、26b和26c各分别经由单独无源调谐电路35a、35b和35c向信号恢复系统34中进行馈送。信号恢复系统35、42、44可适当地包括诸如滤波器、放大器和解调器(未示出)之类的组件。
[0037]在使用中，足以向电机10供电的第一 AC电力信号作为在所选频率的电压从驱动系统24来施加。
[0038]也耦合到各导体26a、26b、26c的是第二 AC电力信号，其调谐到第二频率，并且作为电压从电力驱动器33来施加。这是单相电源。表面星形点70使计量器系统电压64能够施加到电缆26的各导体26a、26b和26c。电流传感器72a、72b、72c测量馈入电缆26的各导体26a、26b、26c中的电流。这个第二 AC电力信号用来驱动井下计量器和传感器54。所施加的电压在各导体26a、26b、26c上将是相同的。
[0039]此外，表面低压系统34也经由调谐HV耦合电路35a、35b、35c连接到各导体26a、26b、26c。系统34从计量器和传感器54恢复数据。数据信号经由耦合电路39来调制到井下的电缆26的各导体上，并且在表面来解调，如前文参照图2所述。
[0040]如果ESP电力系统的故障、例如接地绝缘的故障存在，则过高负载能够在导体26a、26b或26c其中之一上产生。在由电流传感器72a、72b和72c检测到这种过高负载时，激活关联隔离器机构74a、74b或74c，因而隔离故障正影响的关联导体26a、26b或26c。这样做时，电力仍然提供给传感器和计量器54，以及数据信号仍然经由其余两个导体26a、26b或26c提供给信号恢复系统34，并且充分数据在其余两个导体上携带，以便使数据信号能够被恢复，同时使因过高负载的发生而对ESP系统的损坏为最小(即使没有消除)。实际上，由于第二 AC电力信号和数据信号在各导体26a、26b、26c上是相同的，所以如果只有单个导体是可操作的，则数据仍然能够恢复。这种数据在确定井下环境的故障的影响中可能是重要的。
[0041]由于信号恢复电路34和电力驱动器33设置有单独无源调谐电路76、35，所以电力和数据信号耦合能够在使用中对频率来优化，因而使电力与数据信号系统之间的干扰为最小，确保使充分数据信号被恢复并且转换为数据。
[0042]电流传感器72a、72b和72c还可设置成在系统的实际电流电平受影响之前检测绝缘故障的发生。所感测电流73也记录在微处理器38，使得隔离机构74a、74b或74c的操作作为关于故障已经发生的告警来记录。
[0043]如果绝缘故障实际上是造成一个导体上的接地短路的低电阻，则这种隔离单元71特别有用。当这种故障发生时，跨井下信号驱动器60的负载增加，因而使电力和所恢复数据信号衰减，从而引起计量器电力出故障和/或信号电平下降到低于可恢复电平。通过检测在星形点70发生的短接动作的影响,适当导体连接26a、b、c能够由隔离器机构74a、74b或74c来隔离，因而降低对电源的需求，以及改进信号幅度并且因而改进可恢复信号。
[0044]本发明的主要优点在于，它提供通过三相电力系统的数据传输的系统和方法，其中能够实现隔离其上已经发生系统过载或接地故障的导体以保护系统，同时保持系统操作。
[0045]本发明的另一优点在于，它提供通过三相电力系统的数据传输的系统和方法，其中检测系统过载或接地故障发生，并且关联导体的隔离起作用以便甚至在故障条件下也确保系统的正进行操作。
[0046]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，虽然隔离机构详细描述为继电器，但是将会理解，可使用固态开关或其它类似组件或者多个组件。
【权利要求】
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的多导体电力电缆上传输数据，所述数据通信系统包括:表面系统模块，设置有提供耦合到所述电力电缆的各导体的AC电力信号的电源；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耦合到各导体的数据通信信号；所述多导体电力电缆，设置在所述表面系统模块与所述表面下系统模块之间，以传输所述电力和数据信号；并且其中所述表面系统模块包括配置成有选择地隔离所述电力电缆的各导体的隔离单元。
2.如权利要求1所述的数据通信系统，其中，所述隔离单元包括各导体上的隔离装置。
3.如权利要求2所述的数据通信系统，其中，各隔离装置是继电器。
4.如以上权利要求中的任一项所述的数据通信系统，其中，所述隔离单元包括可操作以检测系统故障的检测机构。
5.如权利要求4所述的数据通信系统，其中，所述检测机构可操作以激活所述隔离装置。
6.如权利要求4或5所述的数据通信系统，其中，所述检测机构包括各导体上的电流传感器。
7.如以上权利要求中的任一项所述的数据通信系统，其中，所述隔离单元包括各导体上的调谐电路。
8.如以上权利要求中的任一项所述的数据通信系统，其中，所述表面下模块包括电机Y点上的调谐电路，以将所述表面下模块与所述三相电力信号隔离。
9.如以上权利要求中的任一项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。
10.如权利要求9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。
11.如以上权利要求中的任一项所述的数据通信系统，其中，所述第二加电模块是监测系统。
12.如权利要求11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。
13.如以上权利要求中的任一项所述的数据通信系统，其中，所述三相电力信号用来向所述第一加电模块供电，以及所述AC电力信号用来向所述第二加电模块供电。
14.如以上权利要求中的任一项所述的数据通信系统，其中，所述三相电力信号的频率在20-60 Hz的范围之内。
15.如以上权利要求中的任一项所述的数据通信系统，其中，所述AC电力信号的频率在2-5 KHz的范围之内。
16.如以上权利要求中的任一项所述的数据通信系统，其中，各相的上所述电力和数据信号是相同的。
17.—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)提供从所述表面到所述表面下系统的三相电力多导体电缆连接； (b)将AC电力信号均等地耦合到所述三相电力电缆连接的各导体； (C)将数据信号耦合到所述电缆连接的各导体；以及 (d)有选择地隔离所述三相电力电缆连接的导体。
18.如权利要求17所述的数据传输的方法，其中，所述方法包括确定各导体上的故障的步骤。
19.如权利要求18所述的数据传输的方法，其中，所述方法包括响应所述故障确定而隔离导体的步骤。
20.如权利要求17或18所述的数据传输的方法，其中，所述方法包括监测各导体上的电流的步骤。
21.如权利要求17至20中的任一项所述的数据传输的方法，其中，所述方法包括将所述AC电源的频率调谐成与所述三相电力的频率不同的步骤。
22.如权利要求21所述的数据传输的方法，其中，所述方法包括在20-60Hz的范围中调谐所述三相电力信号的频率的步骤。
23.如权利要求21或22所述的数据传输的方法，其中，所述方法包括在2-5KHz的范围中调谐所述AC电力信号的频率的步骤。
24.如权利要求17至24中的任一项所述的数据传输的方法，其中，所述方法包括在所述表面下位置收集数据的步骤，所述数据作为所述数据信号来传输。
25.如权利要求17至24中的任一项所述的数据传输的方法，其中，各导体上的所述电力和数据信号是相同的。
【文档编号】H04B3/54GK104303425SQ201380012799
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年2月28日 优先权日:2012年3月8日
【发明者】D.S.尚克斯 申请人:鼎盛油田技术有限公司