用于井下电感耦合的方法和系统与流程

该部分旨在提供相关的上下文信息，以便于更好地理解所描述的实施方案的各个方面。因此，应理解，这些表述将就此来进行理解，而非作为对现有技术的承认。

油井和气井典型地在井下配备有各种传感器以测量井下环境的各种状况和/或井参数，诸如温度、压力、振动、电缆故障、位置和定向、流量、密度等。这些传感器在井下与生产油管或钻杆相邻地放置，并且经由电缆联接到井上。因此，当油管或管道在井下延行时，传感器连接到电缆。

在下钻操作期间，通过在井下降低管柱，在前一管段之上连接另一个管段，从而增加管柱的长度，并且然后在井下进一步降低管柱来构建井下管柱。以这种方式添加附加的管段，直到达到所期望的深度为止。目前，必须暂停该下钻过程，以便将传感器安装到管柱上并测试连接。具体地，电缆的电缆头部物理连接到传感器，并且可以执行压力测试。这是在地面处完成的，其中下钻操作暂停以将传感器安装到管柱上，将电缆头部连接到传感器，并且对传感器与电缆头部之间的连接进行压力测试。仅在连接完成并通过压力测试之后，才再次开始下钻操作，以在井下进一步降低油管或管道。该过程花费大量时间，并且减慢下钻操作，从而增加总体钻机时间和成本。

附图说明

参考以下附图描述本发明的实施方案。贯穿附图使用相同的数字来指称相同的特征和部件。附图中示出的特征不一定按比例示出。实施方案的某些特征可能按比例放大或以在一定程度上示意性的形式示出，并且为了清楚和简明起见，可能未示出元件的一些细节。

图1示出了根据一个或多个实施方案的在井下电气部件之间具有电感耦合的示例生产井系统的正视图；

图2a和图2b是根据一个或多个实施方案的电感连接系统的示意图；

图3是根据一个或多个实施方案的包括多个电气装置的电连接系统的实施方案的示意图，每个电气装置联接到唯一电感耦合器；

图4是根据一个或多个实施方案的包括多个电气装置的电连接系统的实施方案的示意图，所有电气装置联接到同一电感耦合器；

图5a是根据一个或多个实施方案的具有作为附加单元的电感耦合器的电连接系统的示意图；

图5b是根据一个或多个实施方案的电连接系统的示意图，其中电感耦合器内置或集成在电缆头部内，并且电感耦合器作为压力密封的附加单元联接到电气装置；

图5c是根据一个或多个实施方案的电连接系统的示意图，其中电感耦合器内置或集成在电气装置内，并且电感耦合器作为压力密封的附加单元联接到电缆头部；

图5d是根据一个或多个实施方案的电连接系统的示意图，其中电感耦合器内置或集成在电气装置内，并且另一个电感耦合器内置或集成在电缆头部内；

图5e示出了根据一个或多个实施方案的电连接系统的示意图，作为附加单元的电感耦合器用电缆来电感耦合到电气装置的底部；以及

图6a和图6b分别示出了根据一个或多个实施方案的并联连接和串联连接的电连接系统的示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种井下电连接系统，其利用电感耦合来在两个或更多个井下部件之间、诸如在电缆与仪表之间传输电力和/或数据。由于电感耦合不需要进行物理连接，因此在两个部件之间不需要压力测试，这减少了在井下运行系统所需的时间量。

现在参考附图，图1示出了根据一个或多个实施方案的在井下电气部件之间具有电感耦合的示例生产井系统100的正视图。如图所示，井系统100包括在地层104内形成的井102。井102可以是如图所示的竖直井筒，或它可以是水平井或定向井。地层104可以由若干个区构成，这些区可以包括油藏。在某些示例实施方案中，井系统100可以包括生产树108和位于井场106处的井口109。生产油管112从井口109延伸到井102中。生产油管112包括多个穿孔126，来自地层104的流体可以穿过该穿孔126进入生产油管112并向上流入生产树108中。

在一些实施方案中，井筒102套有一个或多个套管段130。套管段130有助于保持井102的结构并防止井102自身塌陷。在一些实施方案中，井的一部分没有套管并可以被称为“裸眼井”。生产油管112与套管130或井筒102之间的空间是环形空间110。生产流体从地层104进入环形空间110并然后从环形空间110进入生产油管112。生产流体从生产油管112进入生产树108。生产流体然后被输送到各种地面设施，以经由地面管线114进行处理。应了解，井系统100仅是示例井系统，并且存在也可适合使用的许多其它井系统配置。

井下电感连接系统140也部署在井下，并且在一个或多个实施方案中，联接到生产油管112。在某些这样的实施方案中，连接系统140联接到心轴150，其中心轴150是生产油管112的段。在一个或多个其它实施方案中，系统140直接地联接到生产油管112。连接系统140包括电缆142，电缆142包括向井上延伸并电联接到在作业场所106处的控制系统160的地面端部144。电缆142还包括在井下延伸的联接端部146，电缆142在联接端部146处电和机械联接到电感耦合器148。连接系统140还包括井下电气装置152，其联接到另一个电感耦合器154。因此，电气装置152电感耦合到电缆142的电感耦合器148。数据和/或电力可经由可用作电感收发器的电感耦合器148、154在电缆142与电气装置152之间传输。

井下电感连接系统150可以以节省时间的方式部署在井下，在这种情况下停止时间最小，因为可以在电感耦合器148与电缆132之间和在电感耦合器154与电气装置152之间进行连接，并且提前对该连接进行压力测试。因此，在一个或多个实施方案中，在井下部署连接系统140的方法包括将管段(诸如心轴150)联接到井下管柱112a，井下管柱112a可以包括一个或多个互连的管段。管段可以包括已经联接到其的电气装置152，其中电气装置152电联接到电感耦合器154并用其来进行压力密封。

然后，具有电感耦合器148的电缆142联接到在电气装置152的电感耦合器154的电磁范围内的管段，其中电缆头部会在先前电联接到电缆电感耦合器并用其来进行压力密封。然后，在井下用井下管柱112a下降管段。

虽然图1示出了生产操作，但是应了解，本公开中呈现的系统和技术也可以应用于注入操作、钻井操作或测井/评估操作，其中连接系统140联接到钻杆、线缆电缆、连续油管等，而不是生产油管。

图2a是电感连接系统200的一个实施方案的示意图。在该实施方案中，电气装置202联接到心轴204。心轴204包括用于联接到生产油管112(图1)的井下段和井上段的联接端部212(例如，螺纹端部)，并且由此构成生产管柱112的一部分。

电气装置202还电和机械联接到电感耦合器206，其中电感耦合器206压力密封到电气装置202或与其压力平衡。在一个或多个实施方案中，电感耦合器206内置在电气装置202中并与其成一体，并且由此提供一个密封的装置。在一个或多个其它实施方案中，电感耦合器206作为附加单元附接到电气装置202并压力密封到电气装置202或与其压力平衡。在这样的实施方案中，电感耦合器206与电气装置202之间的连接在安装在心轴204上之前或在下钻操作之前进行压力测试。系统200还包括从地面延伸的电缆210。电缆210还电和机械联接到电感耦合器208，其中电缆210的电感耦合器208可与电气装置202的电感耦合器206通信，从而提供在电缆210与电气装置202之间传输电力、数据或两者的手段。

电感耦合器208可以内置在电缆210的电缆头部214中或与其成一体，并且由此形成一个密封的装置。电感耦合器208也可以作为附加单元联接到电缆头部214并与电缆头部214压力密封。该连接可以在下钻操作之前或与下钻操作的较早部分协同地进行并进行压力测试，使得具有电感耦合器208的电缆210准备好与生产油管的相关段一起下钻，而不暂停下钻操作来进行压力测试。因此，在下钻操作期间，当心轴连接到生产油管112的井下部分时，具有电感耦合器208的电缆210简单地联接到心轴212。心轴212已经包括电气装置202和联接到其的电感耦合器206，并且电缆的电感耦合器208放置在电气装置202的电感耦合器206的可通信的附近位置。由于在电感耦合器206、208之间不需要物理连接，因此不需要压力测试。因此，需要最小的停止时间就能在井下连接和运行系统200。

在示例用例中，电缆210将第一电信号发送到电感耦合器208，电感耦合器208产生穿过电感耦合器208的电流，从而产生电磁场。电磁场跨电气装置202的电感耦合器206感生电压，并且第二电信号被发送到电气装置202，其中第二电信号代表第一电信号。通信由此建立在电缆与电气装置202之间。

电气装置202可以包括传感器，该传感器被配置为测量一个或多个井下状况，诸如在井中的温度、压力、湿度、流体组成、振动、位置和定向等。因此，传感器可以包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光谱仪、流量计、加速度计、磁力计、重力计、应变仪、测力传感器，电磁接收器等中的至少一个。传感器可以包括具有多于一个的感测输入的单型或双型传感器。传感器还可以包括多点感测系统，其中子传感器放置在不同的位置。作为非限制性示例，电气装置202可以是可从德克萨斯州休斯顿的哈里伯顿能源服务公司(halliburtonenergyservices,inc.,ofhouston,texas)获得的roctm永久井下仪表。roctm仪表可以部署在生产管柱(例如，图1的生产油管112)上，以用于生产监测、储层监测、完井系统优化和人工提升优化。roc^tm仪表可以包括一个或多个温度和压力传感器，以用于监测生产系统。电气装置202还可以包括致动设备，诸如但不限于阀、螺线管、活塞、套管、泵、磁致伸缩装置、电动马达、压电装置、电磁换能器或被配置为将电能转换为机械能的任何其它合适的装置等。

应了解，电气装置202可以具有多于一个的电感耦合器206，其电感耦合到具有相应的电感耦合器的一个或多个电气装置或一个或多个电缆。例如，图2b示出了根据一个或多个实施方案的包括多于一个的电感耦合器206a和206b的电气装置202的示意图。如图所示，附加的电感耦合器206b允许电气装置202用作馈通部件，使得数据和/或电力经由电感耦合器208b穿过电气装置202到达附加的电缆210b。图3示出了包括多个电气装置302的电连接系统300的实施方案，每个电气装置302联接到唯一电感耦合器306。在该实施方案中，所有电感耦合器306与联接到电缆310的一个电感耦合器308通信。例如，联接到电气装置302的不同的电感耦合器306可以经由各种调制方案进行通信，包括但不限于幅移键控、频移键控、相移键控或任何其它合适的调制方案，这允许信号通过同一电感耦合器308接收或传输，并且然后被解码成相应的信号。

图4示出了包括多个电气装置402的电连接系统400的实施方案，所有电气装置402联接到同一电感耦合器406。来自电气装置402的单独信号可以被编码成单个传输信号，该传输信号经由电感耦合器406、408被传输到电缆。由电缆410接收到的信号被发送到控制系统150(图1)，其中信号被解码成来自每个电气装置402的相应的数据。电感耦合器406、408还可以提供电气装置402与电缆410之间的双向通信。

在一个或多个实施方案中，电气装置402可以感测在心轴404外的状况。一个或多个电气装置402a也可以位于心轴404内，并且由此从心轴404内或外感测一个或多个状况。电气装置402可以与心轴404的外部或内部流体连通，以通过心轴404感测一个或多个状况。例如，电气装置402a可以经由通道与心轴404的外部流体连通以测量在心轴404外的状况。由电气装置402感测的状况可以包括但不限于温度、压力、流率等。

电感耦合构件可以以若干方式集成到在电缆与井下电气装置之间的通信接口中，如图5a至图5e所示。具体地，图5a的实施方案包括联接到电缆510的电缆头部514。电感耦合器508作为附加单元联接到电缆头部514。类似地，电感耦合器506作为附加单元联接到电气装置502，其中电感耦合器506、508可彼此通信。在用电感耦合器506、508作为附加单元的情况下，可以改装电缆510和电气装置502以进行电感通信。

图5b示出了一个实施方案，其中电感耦合器508内置在电缆头部514中或与其成一体，并且电感耦合器506作为压力密封的附加单元联接到电气装置502。如图所示，可以改装电气装置502以与电缆510进行电感通信。图5c示出了一个实施方案，其中电感耦合器506内置在电气装置502中或与其成一体，并且电感耦合器508作为压力密封的附加单元联接到电缆头部514。如图所示，可以改装电缆512以与电气装置502进行电感通信。图5d示出了一个实施方案，其中电感耦合器506内置在电气装置502中或与其成一体，并且电感耦合器508内置在电缆头部514中或与其成一体。电感耦合器506、508中的每一个可以包括发射器、接收器或两者。电感耦合器506还可以定位或联接在电气装置502上的各种位置。例如，图5e示出了联接到电气装置502的底部的电感耦合器506的示意图，使得电缆510在电气装置502的旁边延行并经由电感耦合器506、508电感耦合到电气装置502。

通信网络还可以与本文讨论的连接系统一起形成，该连接系统包括电感耦合器、电气装置或电缆的组合。通信网络可以与以并联、串联或其组合的方式电感耦合的电气装置202一起形成。例如，图6a示出了根据一个或多个实施方案的沿着电缆610并联连接的电气装置602a至602b的示意图。图6b示出了根据一个或多个实施方案的与多个电感耦合器606、608和电缆610串联连接的电气装置602a和602b的示意图。其它合适的通信网络可以与本文所述的连接系统一起形成，包括但不限于环形网络、网状网络、星形网络、树形网络、线性总线网络、点对点网络或其组合。

除了上述实施方案之外，特定组合的许多示例在本公开的范围内，其中一些在下面详述：

示例1：一种井下电感耦合系统，所述井下电感耦合系统包括：

电缆；

电缆电感耦合器，所述电缆电感耦合器电和机械联接到所述电缆的一端并压力密封到所述电缆；

井下电气装置；

装置电感耦合器，所述装置电感耦合器电和机械联接到所述电气装置并压力密封到所述井下装置；并且

其中，所述电缆电感耦合器和所述装置电感耦合器可彼此电感耦合，使得所述电缆经由所述电缆电感耦合器和所述装置电感耦合器与所述井下电气装置无线通信。

示例2：示例1的系统，其中所述电缆、所述电缆电感耦合器、所述井下电气装置和所述装置电感耦合器联接到心轴，其中所述心轴可联接到井下油管。

示例3：示例2的系统，其中所述井下电气装置是传感器，所述传感器被配置为感测在所述井下油管外、在所述井下油管内或两者的状况。

示例4：示例1的系统，其中所述电缆、所述电缆电感耦合器、所述井下电气装置和所述装置电感耦合器联接到井下油管。

示例5：示例1的系统，所述系统还包括多个井下电气装置，每个井下电气装置联接到唯一装置电感耦合器。

示例6：示例1的系统，所述系统还包括联接到同一装置电感耦合器的多个井下电气装置。

示例7：示例1的系统，其中所述井下电气装置包括致动装置、传感器、阀、套管、泵、活塞或其任何组合中的至少一者。

示例8：示例1的系统，其中所述电缆电感耦合器与所述电缆的电缆头部成一体。

示例9：示例1的系统，其中所述装置电感耦合器与所述井下电气装置成一体。

示例10：示例1的系统，其中所述电缆电感耦合器作为附加单元联接到所述电缆的电缆头部。

示例11：示例1的系统，其中所述装置电感耦合器作为附加单元联接到所述电气装置。

示例12：示例7的系统，其中所述传感器包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器、流量计、加速度计、重力计、比重计、应变仪和测力传感器中的至少一者。

示例13：示例1的系统，其中数据和电力中的至少一者可在所述电缆与所述井下电气装置之间无线传输。

示例14：一种在井下部署电连接的系统的方法，所述方法包括：

将管段联接到井下管柱，其中所述管段包括与其联接的电气装置，所述电气装置电联接到装置电感耦合器并与其压力密封；

所述装置电感耦合器的电磁范围内将电缆头部联接到所述管段上，其中所述电缆头部电联接到电缆电感耦合器并与其压力密封；以及

在井下进一步降低联接到所述井下管柱的所述管段。

示例15：示例14的方法，所述方法还包括将所述电缆头部联接到所述电感耦合器，并且在将所述管段联接到所述井下管柱之前对连接进行压力测试。

示例16：示例14的方法，所述方法还包括在将所述管段联接到所述井下管柱之前将所述电气装置安装到所述管段。

示例17：示例14的方法，所述方法还包括在将所述管段联接到所述井下管柱之前，对所述电缆头部与所述电缆电感耦合器之间的连接进行压力测试，或对所述电气装置与所述装置电感耦合器之间的连接进行压力测试，或进行上述两者。

示例18：示例14的方法，所述方法还包括经由所述电缆电感耦合器和所述装置电感耦合器在所述电缆与所述井下电气装置之间无线传输数据和电力中的至少一者。

示例19：示例14的方法，其中所述管段包括联接到其的附加的电气装置，所述附加的电气装置电联接到在所述电缆电感耦合器的电磁范围内的附加的装置电感耦合器并与其压力密封。

示例20：示例14的方法，其中所述管段包括联接到其的附加的电气装置，所述附加的电气装置电联接到所述装置电感耦合器并与其压力密封。

示例21：一种在井下部件之间传输电信号的方法，所述方法包括：

将传输的电信号从第一电气部件发送到传输电感耦合器，其中所述传输电感耦合器压力密封到所述第一电气部件并联接到管段；

产生穿过所述传输电感耦合器的电流，从而产生电磁场；

经由所述电磁场在接收电感耦合器上感生电压，其中所述接收电感耦合器压力密封到第二电气部件并联接到所述管段；以及

将接收到的电信号从所述接收电感耦合器发送到所述第二电气部件，其中所述接收到的电信号代表所述传输的电信号，从而在所述第一电气部件与所述第二电气部件之间建立无线通信。

示例22：示例21的方法，所述方法还包括在所述第一电气部件与所述第二电气部件之间传输电力、数据或两者。

示例23：示例21的方法，所述方法还包括在多个接收电感耦合器上感生电压。

示例24：示例21的方法，其中所述第一电气部件是电缆，并且所述第二电气装置包括致动装置、传感器、阀、套管、泵、活塞或其任何组合中的至少一者。

示例25：示例21的方法，其中所述接收电感耦合器压力密封到附加的电气部件，并且其中发送所述接收到的电信号还包括将所述接收到的电信号从所述接收电感耦合器发送到所述附加的电气部件。

该讨论涉及本公开的各种实施方案。附图不一定按比例绘制。实施方案的某些特征可能按比例放大或以在一定程度上示意性的形式示出，并且为了清楚和简明起见，可能未示出常规元件的一些细节。尽管这些实施方案中的一个或多个可能是优选的，但是所公开的实施方案不应被解释为或以其它方式用作限制包括权利要求的本公开的范围。应充分地认识到，所讨论的实施方案的不同教导可以单独地使用或以任何合适的组合使用来产生所期望的结果。另外，本领域的技术人员将理解，该描述具有广泛应用，并且对任何实施方案的讨论仅表示该实施方案的示例，并且不旨在表示包括权利要求的本公开的范围限于该实施方案。

贯穿本说明书和权利要求使用某些术语来指代特定的特征或部件。如本领域的技术人员将了解，不同的人可以通过不同的名称来指代相同的特征或部件。除非明确地说明，否则本文档不旨在区分名称而非功能不同的部件或特征。在讨论中和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放的方式使用，并且因此应被解释为表示“包括但不限于……”。此外，术语“联接(couple)”或“联接(couples)”旨在表示间接连接或直接连接。另外，术语“轴向的”和“轴向地”一般表示沿着或平行于中心轴线(例如，主体或端口的中心轴线)，而术语“径向的”和“径向地”一般表示垂直于中心轴线。使用“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”以及这些术语的变型是为了方便，但是不要求部件的任何特定的定向。

贯穿本说明书对“一个实施方案”、“实施方案”或类似的语言的引用表示结合该实施方案描述的特定的特征、结构或特性可以包括在本公开的至少一个实施方案中。因此，贯穿本说明书出现的短语“在一个实施方案中”、“在实施方案中”和类似的语言可以但不一定全部指代相同的实施方案。

尽管已经关于具体细节来描述了本发明，但是这些细节并不旨在应被视为对本发明的范围的限制，除非它们包括在所附权利要求中。