用于电子潜水泵的接地故障免疫数据测量系统的系统与方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般设及与井中的井下电动潜水累配合使用的数据测量系统，并且更具体 地，设及用于此类系统的数据传输和接地故障保护。
【背景技术】
[0002] 采用各种钻井系统和生产系统W从地球寻找并提取石油、天然气、W及其他资源。 运种系统的油井由于油藏的各种条件可能具有减少的产量，并且使用机械采油系统W改善 石油产量。一些机械采油系统可W使用井下电动潜水累W将石油抬升到地面W进行采收。 电动潜水累可W从地面接收电力，例如通过沿生产管道部署的电缆。电动潜水累组还可W 包括测量各种参数的数据测量系统。该数据测量系统通常从累电力电缆接收电力并且通过 电机绕组传输数据，并且经由电力电缆向地面传输数据。然而，运种系统的数据传输速率受 电机绕组和电力电缆的电阻抗的限制。此外，运种系统在发生部分或完全接地故障时不能 传输数据。
【发明内容】
[0003] 本文提供了用于电动潜水累的接地故障免疫数据测量系统的系统与方法的各种 实施例。在一些实施例中，提供了一种禪接至电动潜水累化SP)的数据测量系统。所述系统 包括:地面单元，其禪接至S相电力电缆，所述S相电力电缆禪接至所述ESP的S相电机；W 及井下单元，其禪接至所述ESP的电机并且位于井中的井下。所述井下单元包括:多个传感 器；W及处理器，其禪接至所述传感器并且配置为接收传感器数据。所述井下单元还包括调 制器，其禪接至所述处理器并且配置为生成多路频率调制载波信号，用于将所述传感器数 据运载至所述地面单元，所述多路频率调制载波信号中的每一路运载相同的传感器数据并 且调制为独有的频率。此外，所述井下单元电容性地禪接至所述ESP的电机的电机绕组，并 且配置为穿过所述电容性禪接并且通过所述=相电力电缆向所述地面单元传输所述多路 载波信号。
[0004] 在另一实施例中，提供了一种从井的井下区域传输数据的方法。所述方法包括:从 位于数据测量系统的井下单元中的多个传感器接收传感器数据，所述井下单元位于所述井 的井下区域中；W及通过所述井下单元的调制器将所述传感器数据编码到多路频率调制载 波信号中。所述方法还包括:通过所述井下单元的复用器对所述多路载波信号进行复用W 产生复用的载波信号；W及通过穿过电动潜水累的=相电机的每个电机绕组的电容性禪接 将所述复用的载波信号分流到=相电力电缆。所述方法还包括:通过所述=相电力电缆的 每一条线路向地面单元传输所述复用的载波信号。
[0005] 在另一实施例中，提供了一种禪接至位于井的井下区域中的电动潜水累化SP)的 数据测量系统。所述数据测量系统包括:多个传感器，其配置为产生传感器数据；W及处理 器，其配置为将所述传感器数据编码到第一频率处的第一频率调制载波信号、第二频率处 的第二频率调制载波信号、W及第=频率处的第=频率调制载波信号中。所述处理器还配 置为:对在第四频率处的第四频率调制载波信号中接收的控制数据进行解码，其中所述第 一频率、第二频率、第=频率、W及第四频率为不同的频率。所述数据测量系统还包括:至所 述ESP的S相电机的S个电机绕组的电容性禪接，其中所述频率调制载波信号穿过所述电 容性禪接传输到=相电力电缆。
【附图说明】
[0006] 图1为根据本技术的一个或多个实施例的具有电动潜水累的系统的示意图；
[0007] 图2为根据本发明的实施例的数据测量系统的地面单元和井下单元的示意图；
[0008] 图3为根据本发明的实施例的数据测量系统的井下单元的示意图；
[0009] 图4为根据本发明的实施例的数据测量系统的地面单元的示意图；
[0010] 图5为根据本发明的实施例的载波信号的传输的示意图；
[0011] 图6为示出根据本发明的实施例的命令数据载波信号的解码的示意图；
[0012] 图7为根据本发明的实施例的用于传感器信号的生成和传输的过程的框图；
[0013] 图8为根据本发明的实施例的用于非隔离井下电子电源的输入滤波器和降压调节 器电路的示意图；
[0014] 图9为根据本发明的实施例的多输出降压调节器电路的示意图；
[0015] 图10为根据本发明的实施例的具有耗散阻尼的无源极低频(VLF)滤波器电路的示 意图；
[0016] 图11为根据本发明的实施例的具有非耗散阻尼的VLF滤波器电路的示意图；W及
[0017] 图12为根据本发明的实施例的用于非隔离井下电子电源的两级开关调节器的示 意图。
[0018] 虽然本发明对各种修改和替选形式的敏感，但是其各个具体实施例在附图中W示 例的方式示出并且将在本文中进行详细的描述。附图可W不按比例绘制。然而应当理解，附 图及对其的详细描述不旨在将本发明限制于公开的具体形式，而相反，本发明应涵盖落在 如随附的权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等价物、和替选方案。
【具体实施方式】
[0019] 如在下面更详细地讨论的那样，在一些实施例中提供了用于电动潜水累的接地故 障免疫数据测量系统的系统与方法。数据测量系统包括地面单元和井下单元，其禪接至井 的井下的电动潜水累。地面单元可W位于用于电动潜水累的控制器中，该控制器也位于地 面上并且通过=相电力电缆向所述累提供电力。井下单元包括多个传感器，例如溫度传感 器、压力传感器、振动传感器、电压传感器、W及使用差压传感器的流量计。井下单元通过频 率调制载波信号向地面单元传输传感器数据。所述信号通过穿过电动潜水累的电机的电机 绕组的每个相位的电容性连接进行传输。此外，在一些实施例中控制数据从地面单元传输 到井下单元。
[0020] 井下单元包括各种组件，包括数字信号处理器、复用器和调制器、多个滤波器、W 及多个放大器。用于运载传感器数据的载波信号生成在=个分离的频率处，用编码数据进 行调制，并且通过电容性禪接穿过每个电机绕组进行传输。地面单元包括数字信号处理器、 复用器和调制器、多个滤波器、W及多个放大器，并且从连接至电动潜水累的=相电力电缆 接收载波信号。地面单元对载波信号进行解复用和解调。运就提供传感器数据W输入到禪 接至地面单元的计算机中。通过比较测量的载波信号的振幅，可W检测到电缆故障和/或相 位故障的存在和/或位置。
[0021] 图1示出了根据本发明的实施例的具有地面104下的井102的系统100。系统100包 括生产管道106,其在井中井下地延伸至地下资源108,例如油藏或天然气藏。如将领会的， 在地面上，生产管道106可W连接至各种控制和调节装置(例如，"采油树"）、管道、W及用于 生产石油或其他资源的其他组件。
[0022] 电动潜水累化SPUlO可W禪接至生产管道106的井下端。电动潜水累可W通过生 产管道106将地下资源108的石油或其他资源抽运至地面104上的生产设备(例如，作为机械 采油系统的一部分）dESP 110连接至向ESP 110提供电力用于工作的S相电力电缆112并且 从中接收电力。S相电力电缆112禪接至地面104上的ESP控制器114dESP控制器114可W通 过=相电力电缆112向电动潜水累110提供控制和电力。
[0023] 系统100可W包括根据下面进一步描述的各实施例的数据测量系统116。数据测量 系统116包括禪接至电动潜水累110的井下单元(D皿)118。例如，在一些实施例中D册118可 W在电动潜水累组内部并且可W安装在累的电机的底部。D册118可W包括多个数据处理 传感器(SH20。多个传感器120可W包括用于测量压力、溫度、振动、电压或者如下面讨论的 其他各个参数的各种传感器。
[0024] 数据测量系统116还包括地面单元(SUH22,其位于地面104上并且可W是ESP控制 器114的一部分。如在下面进一步描述的，SU 122可W包括从S相电力电缆112(例如，通过 地面线路)接收通信和控制数据并且例如通过多个滤波器和电压控制连接至地面通信系统 的电容性地或电感性地禪接的多个附件。在一些实施例中，SU 122禪接至计算机124。计算 机124可W包括台式计算机、便携式计算机、平板计算机、智能手机、或者其他计算机。计算 机124可W包括一个或多个处理器、易失性存储器(例如，RAM)、非易失性存储器(例如，硬盘 驱动器、固态驱动器等等）、显示器、网络接口、输入和输出装置、W及各种其他组件。计算机 124可W执行用于显示和处理传感器数据的分析软件、用于控制SU 122和DfflJ 118的各组件 的控制软件、W及用在数据测量系统116的工作中的其他软件。
[0025] 图2为示出D册118、ESP 110的电机201、和洲122之间的连接的简化示意图200。 如图2所示，D册118例如从禪接至D皿118的各传感器接收串行输入数据202。该D皿还包括 多个放大器204(例如，线路驱动器）、复用器与调制器206、W及多个滤波器208。传感器数据 载波信号通过放大器204A、复用器与调制器206、第二放大器204B、然后通过多个线路滤波 器208提供给电机201。在一些实施例中，复用器与调制器206为改进异步数字用户线路 (ADSL)类型宽带复用与调制系统。D册118连接至ESP 110的电机201的Y点210 (也被称为 "星点"），并且载波信号有足够高的频率W穿过平行于电机绕组的每个相位而存在的寄生 电容(如电容性连接212所示出）进行连接。因此，向地面传输数据的载波信号通过电容性连 接212将各电机绕组分流到=相电力电缆112上，而且不通过各电机绕组自身进行传导。因 此，在传输的载波信号上进行编码的数据率不受电机绕组201的电感性阻抗的限制，从而允 许增加的传感器数据的传输率。
[0026] 如示意图200所示，通过S相电力电缆112向地面和SU 122传输载波信号。如下面 描述的，通过调整载波频率W匹配ESP电机201的各绕组和S相电力电缆112的阻抗来实现 载波信号的传输。此外，O至电机201的连接可W是至电机的Y-点210上的单点。在一些实施 例中，发生在Y-点处的AC电压可W用作电流源W给ESP 110的监控器供电。
[0027] 应当领会的是，任何数量的载波信号可W在任一方向上进行传输，例如，从DHU 118至SU 122或者从SU 122至D册118。从D册118传输至洲122的每一路载波信号可W运 载相同的数据，例如，从D册118的各传感器接收的传感器数据。在一些实施例中，使用了四 个不同频率处的四路载波信号。在运样的实施例中，载波信号可W包括64kHz处的第一载 波、96曲Z处的第二载波、128曲Z处的第S载波、W及160曲Z处的第四载波。在运样