能够承受高温的井下工具的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本申请涉及用于在井下的井中执行操作的钢索井下工具，通过电源单元在第一末 端处以预定的电压向工具以直流源供电，该电源单元被配置为提供选自多个预定电压的特 定稳态电压。此外，本发明涉及井下工具组，并且涉及保护频率转换器免受向根据本发明的 井下工具中的频率转换器提供的所选电力的稳态电压峰值的方法。
【背景技术】
[0002] 当在井下的井中操作时，温度和压力通常很高。然而，在一些井中，温度极其高，其 对于任何沉进在这些高温井中的设备呈现巨大挑战。特别地，在这种高温井中电操作工具 的使用非常具有挑战性。因此，由于主要通过向下穿过连续油管所提供的流体来控制连续 油管操作，所以操作员通常选择使用连续油管设备代替钢索工具从而在这些高温井中执行 操作。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于整体或部分地克服现有技术的上述缺点和劣势。更具体地，目 的在于提供能够在高温井中运行的改进的钢索工具。
[0004] 通过根据本发明的由用于在深度最深为15km井下处的井中执行操作的井下钢索 工具的解决方案实现以上目的，连同从以下描述中更明确的许多其它目的、优点以及特征， 通过电源单元在第一末端中以预定的电压向工具以直流供电，该电源单元被配置为提供选 自多个预定电压的特定稳态电压，该井下钢索工具包括：
[0005] _电动机，以交流对其供电，
[0006]-频率转换器，其被布置在第一末端和电机之间，以及
[0007]-电压峰值降低单元，其适于降低从电源提供给频率转换器的所选电力的稳态电 压，电压峰值降低单元包括电容器，
[0008] 其中电容器是具有包括能够耐受高于150 °C温度的材料的电介质的高温电容器。
[0009] 术语"稳态"应当在该上下文中被广义地解释为恒定或略有变化的性能的状态。虽 然同样包括诸如在图3中所示电压曲线的缓慢增加或减少特性的状态，但是不认为"稳态" 包括快速以及通常不期望的诸如电压尖峰和瞬变的状态。
[0010] 如上所述的井下钢索工具可进一步包括诸如用于推动钢索井下工具的操作工具 或轮子的操作装置，该操作装置需要向下通过钢索的不同量的所选电力。
[0011] 在实施例中，电压峰值降低单元可包括与由控制单元激活的晶体管连接的电阻 器，以使得当所选电力的稳态电压超过预定电平时，控制单元激活晶体管，该晶体管然后允 许过多的电力在电阻器中消耗。
[0012] 在某些实施例中，电容器的电介质可以是固态电介质。
[0013]同样，电介质可包括聚四氟乙烯（PTFE)或陶瓷。
[0014] 如上所述的井下工具可包括多个电容器。
[0015] 另外，工具可经由钢索与电源连接，钢索与工具的第一末端连接。
[0016] 此外，提供给电机的电力可具有在90VAC-900VAC之间的电压，优选在 90VAC-500VAC之间的电压。电力可以作为交流提供。
[0017] 进一步，提供给频率转换器的所选电力可具有在500V-900V之间的稳态电压，优 选在600V-700V之间的稳态电压。所选电力可作为直流提供。
[0018] 此外，电压峰值降低单元可包括消弧电路。
[0019] 在如上所述的井下工具中，电容器可具有在80 yF和150 yF之间的电容。
[0020] 同样，电容器可具有至少100 yF的电容。
[0021] 进一步，频率转换器可向电机提供具有20Hz-120Hz频率的电力。
[0022] 在实施例中，稳态电压的预定电平可以是750V-1200V。
[0023] 另外，电压峰值降低单元可与工具主体可释放地连接，以使得电压峰值降低单元 是可更换的。
[0024] 此外，电压峰值降低单元可包括用于在电压峰值降低单元的输入侧处测量所选电 力的稳态电压的测量单元。
[0025] 本发明同样涉及包括如上所述的井下工具和诸如铣削工具的操作工具的井下工 具组。
[0026] 最后，本发明涉及保护频率转换器免受向根据前述权利要求中任何一项的井下钢 索工具中的频率转换器提供的所选电力的稳态电压峰值的方法，该方法包括如下步骤：
[0027]-在井下工具中的电源和频率转换器之间布置电压峰值降低单元，
[0028]-向井下工具中的电压峰值降低单元提供电力，
[0029]-在电压峰值降低单元的输入侧处测量所选电力的稳态电压，以及
[0030]-降低电力中高于预定电压电平的稳态电压的峰值。
【附图说明】
[0031] 下面将参考所附示意性附图更详细地描述本发明及其若干优点，其出于说明的目 的示出一些非限制性实施例，并且在附图中：
[0032] 图1示出电路的简化电路模型，
[0033] 图2示出电路的简化电路模型的另一实施例，
[0034] 图3是向频率转换器提供的电力电压的示意图，以及
[0035] 图4示出井中的井下工具。
[0036] 所有附图都是高度示意性的并且不必按比例绘制，并且它们仅示出其为了阐明本 发明的必要部分，其它部分省略或仅作为建议。
【具体实施方式】
[0037] 图1示出用于向在井的井下执行操作的井下钢索工具1中的电动机5供电的电路 的简化电路模型。通过电源单元4在工具的第一末端中以预定的稳态电压向工具以直流供 电。电源单元4被配置为提供来自多个预定电压的特定稳态电压，并且电源最通常位于井 的顶部，并且通过与工具的第一末端连接的井下钢索16向井下面的被淹没的工具供电。此 外井下钢索工具1包括在第一末端和电机5之间布置并且因此在工具中布置的频率转换器 6,以使得从电源单元4通过钢索16和频率转换器6向电机5提供所选电力。因此电机以 交流供电。，
[0038] 当向下通过长的钢索提供稳态电压时，提供给工具的电力电压基本上下降，并且 当由于暂时性要求操作导致井下工具需要显著更高量的电力时，同样由于长的线缆，电力 供应延迟。因此，当操作不再要求显著更高量的电力时，相应地对于工具延迟了电力的调 节。因此，在高量的电力需求之后并且在由于通过钢索的延迟而调节馈入工具的电力之前， 工具被馈入太多的电力。
[0039] 因此，井下工具1包括用于降低从电源提供给频率转换器的所选电力的稳态电压 的电压峰值降低单元7。由于频率转换器不能承受高于预定电压电平的电压而不受到永久 损坏的事实而降低稳态电压。因此，将电压峰值降低单元7布置成保护使提供给频率转换 器的稳态电压不超过预定电压电平。为了能够降低稳态电压，电压峰值降低单元包括电容 器8。电容器是具有包括能够耐受高于150°C，例如175°C左右温度的材料的电介质的高温 电容器。以这种方式，电容器能够承受高于150°C的温度，并且可将工具掩没到具有高温和 高压的井中而不冒电容器将被破坏的风险。测试已经示出当工具执行任务失败时，通常损 坏电容器。当工具在井中操作时，其中工具周围具有高温，由此对电部件加热，这使电容器 中的温度上升，然后加热电容器中的有害液体，导致它从电容器中泄漏。当液体从电容器中 泄漏时，电容器的性能下降，导致例如振荡电压的发生，并且最后电容器甚至可能在高温环 境的井下击穿。随后，频率转换器将停止运行，导致工具的立即停止并且工具然后必须从井 中抽出用于修理工作。在操作已经结束之前抽出工具是费时的，并且因此非常昂贵。
[0040] 与已知的具有相同电容、能量密度或能量存储容量的标准温度电容器相比，能够 承受高于150°C温度的高温电容器不幸地是在体积上更大。
[0041] 工具的长度和直径是有竞争力的参数。这是由于有时工具在尺寸上被限制，即通 过井口的润滑器长度和工具的其它操作部分的长度限制长度，并且通过井眼或壳体的内直 径限制直径的事实。因此，在电容器具有相同的电容、能量密度或能量存储容量的同时，由 于井下工具中空间是有限的，即高温电容器因此可能无法装配到工具中，所以同样无法装 配到井的润滑器中。
[0042] 在图1中，电压峰值降低单元7进一步包括与由控制单元11激活的晶体管10连 接的电阻器9。当电压超过预定电平L时，控制单元激活晶体管，并且因此"在电阻器中吸 收过多的电力"。通过激活晶体管，将电力引导到电阻器，并且从而保护频率转换器免受过 电压。随着稳态电压降低，并且电压下降预定电平L以下，控制单元使晶体管失效，并且将 所有电力再次馈入到频率转换器。通过使电阻器由晶体管和控制单元激活，电压峰值降低 单元7能够在电压超过破坏性电平之前降低稳态电压，并且因此对于高温电容器没有必要 具有与标准电容器相同的电容或能量存储容量。高温电容器因此可显著降低能量存储容量 并且因此减小体积。通过使电阻器由晶体管和控制单元激活，高温电容器能够装配到井下 工具中，并且井下工具然后能够在一些井中承受高温。在一个实施例中，控制单元可以是微 处理器。
[0043] 在图2中，电压峰值降低单元7进一步包括接地到或连接到地的消弧电路12。通 过采用消弧电路12,电压峰值降低单元7通常能够降低电力，并且因此保护频率转换器免 受高于第二预定电平的稳态电压，该第二预定电平比控制激活晶体管处的预定电平L(在 图3中示出）更高。出于一些原因，如果电容器不能正确运行，并且因此不能将稳态电压降 低到足够的程度，则消弧电路12保护频率转换器，并且断开电路。然后工具需要在操作可 继续之前重新启动，并且可能需要更换电容器。
[0044] 在图3中示出提供给频率转换器的电力电压的示意图。L是控制激活晶体管处的