向井下装备无线传输电力制造技术

通过使用兰姆声导波和用作电力传输介质的管状导管(生产油管、套管)提供了向井下装备的无线电力传输。在发射端(地面)存在声学发射器的相控阵列，并且在接收端(井下)处存在声学接收器的阵列。发射器阵列和接收器阵列两者耦接至管状导管。使用波束形成技术连同功率放大器来生成沿着钻井孔的定向的、高功率低频率的兰姆声导波，从而在长距离中传输电力。井下多通道声能量收集系统接收所发射的声信号，并且生成电力并将其存储在井下电力存储单元中。该电力用于操作包括感测装置、控制装置和遥感勘测装置在内的井下装备。

Equip the underground with wireless transmission of electricity

A radio power transmission is provided by using a lamb acoustic wave guide and a tubular catheter (an oil pipe or bushing) used as an electrical transmission medium. A phased array of acoustic emitters is present at the transmitter (ground), and an array of acoustic receivers is present at the receiver (downhole). The emitter array and receiver array are coupled to the tubular catheter. Beam forming techniques, together with power amplifiers, are employed to generate directional, high-power, low frequency Lamb acoustic waves along the borehole, thereby transmitting power over long distances. A downhole multichannel acoustic energy collection system receives the emitted acoustic signals and generates power and stores them in a downhole power storage unit. The power is used to operate downhole equipment including sensing devices, control devices, and remote sensing devices.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】向井下装备无线传输电力
本专利技术涉及使用兰姆声导波以及在油井中用作电力传输介质的管状导管来在油井中向井下装备无线传输电力。
技术介绍
油藏管理基于获取由在井内永久安装的传感器捕获的油藏数据。这些传感器与待监测的储油层直接接触，并且提供关于针对长期和持续油藏管理的储油层条件的实时数据。一个这样的油藏管理系统是由本申请的受让人在被称为智能井的物体中所使用的永久井下监测系统或PDHMS。井下永久性装置包括传感器和控制阀两者。传感器用于监测井的各种物理和动态性能，包括温度、压力和多相流率。在智能井情况下，传感器与控流装置相结合以调节流体流率并优化井性能和储油层行为。需要向传感器和控流装置提供电力。在其中需要操作电力的其他永久部署或安装的井下钻井孔仪器应用包括：用于监测地震或声学的地性能(earthproperty)的传感器(地震检波器)、地层压力传感器、光学传感器以及电磁场或EM传感器。通常，这些永久部署的系统依靠从地面延伸的电缆向这些装置供电。在这些装置安装在井内几千英尺的深度处的情况下，电缆的使用不仅非常昂贵而且安装耗时。因此，电缆的使用是不可取的。而且，不管油管柱是与井管成一体还是在井管和套管之间的环形域中被隔开，电缆都难以在钻井孔中沿着油管柱使用。使用电缆的其他缺点包括可靠性问题、复杂的安装、以及由于井内流体的腐蚀还有由油管柱在钻井孔内的运动导致的严重磨损而造成的电缆断裂的风险。已经提出了用于取代电缆并解决电缆的相关问题的许多技术，从而使用管状导管(生产油管或套管)作为传输介质来从地面向井内部提供无线电力传输。基于电磁的电力传输方法使得电信号被注入至导电套管或油管中，以在井底处产生电偶极源。美国专利No.4,839,644涉及一种油管-套管电传导传输系统，其中油管和套管的绝缘系统用作同轴电缆以传输电力和数据。该系统使用了电感耦合技术，并且环形线圈用于电流注入。其需要在套管和油管之间的环形域中的基本上不导电的流体，比如原油。在美国公开专利申请No.2003/0058127中，使用电绝缘导电套管来在地面和永久井下装置之间建立电连接。使得电流流动至井底装置。美国专利No.6,515,592也在井中使用了导电导管，其中导电导管的一部分电绝缘，并且是通过导管间隙使得导管的密封部分与邻接部分绝缘。井下装置耦接至绝缘部分，并且电力和数据两者被传输。美国专利No.7,114,561将金属井套管用作地面和井下模块之间的电力和数据通信路径，并且其与用作返回路径的地层接地(formationground)一起使电路完整。美国专利NO.8,009,059涉及一种使用地面压力波发生器和井下机械能-电能转换器供能的井下传感器。能量转换器采用磁致伸缩材料或压电晶体的形式。美国专利No.8,358,220描述了一种使用套管或油管作为传输介质并采用基于电磁耦合的技术的钻井孔通信系统。在欧洲专利No.1918508中，在井内部布置了光纤线缆和太阳能电池。太阳光通过钻井孔中的光纤线缆传输，使得被传输的光照射太阳能电池，从而该太阳能电池产生供井下装备使用的电力。欧洲专利No.1448867公开了将液压能转换成电能的井下电力发生器。欧洲专利No.0721053、美国专利No.6,415,869、欧洲专利No.1252416、PCT公开申请WO2002063341、欧洲专利No.2153008、美国专利No.7,488,194、美国专利No.8,353,336、美国专利No.5,744,877以及PCT公开申请WO2011087400中描述了其它用于井内电力传输的方法。在套管、油管或钻柱中使用用于电流注入的环形线圈的方法在可电感耦合的电力的量上受限。而且，由于电流寻找通过套管的最短路径，所以电流回路会是局部的。现有系统的另一个缺点是：井口必须维持在非常高的电势，以便在井底处获得期望的电流密度。因此，就所知而言，现有技术具有各种限制，包括高操作和设计复杂度、有限的电力输送、低或短的传输距离以及低传输效率。
技术实现思路
简言之，本专利技术提供了一种新的且改进的用于通过钻井孔中的油管向与该油管安装在一起的井下电气装备无线地传输电力的设备。该设备包括换能器模块，其将电力转换成导波能量，同时与油管安装在一起，从而将导波能量输送至油管以使导波能量通过油管的管壁向井下行进。该设备还包括：运动感测模块，其处于电气装备在钻井孔中所处的深度处且与钻井孔中的油管安装在一起，并且感测油管的管壁中的导波能量；以及能量转换器，其处于电气装备在钻井孔中所处的深度处且与钻井孔中的油管安装在一起，并且将感测到的导波能量转换成电能。该设备还包括电力存储单元，其处于电气装备在钻井孔中所处的深度处且与油管安装在一起，用以存储从感测到的导波能量转换而来的电能。本专利技术提供了一种新的且改进的通过钻井孔中的油管向与所述油管安装在一起的井下电气装备无线地传输电力的方法。根据本专利技术，在邻近所述钻井孔的井口处将电力转换成导波能量，并且所述导波能量被输送至所述油管。通过所述油管的管壁将所述导波能量传导至所述井下电气装备。在所述井下电气设备在所述钻井孔中所处的深度处感测所述油管中的导波能量，并且将感测到的导波能量转换为电能。对从感测到的导波能量转换而来的电能进行存储，以用作井下电气装备的操作电力。附图说明图1是根据本专利技术的向布置在钻井孔中的井下装备无线传输电力的设备的示意图。图2是沿图1的线2-2截取的剖视图。图3是根据本专利技术的向井下装备无线传输电力的设备的示意性电路图。图4是图3的设备的一部分的示意性电路图。图5是图3的设备的一部分的示意性电路图。图6是根据本专利技术的向井下装备无线传输电力时波束形成的示意图。图7是与图6所示的波束形成相结合地应用的时间延迟的示意图。图8是图2所示结构的替代实施例的示意图。图9是图1的向井下装备无线传输电力的设备的修改实施例的示意图。图10是图9的设备的一部分的示意性电路图。图11是图1和图9的设备的修改实施例的示意图。具体实施方式在附图中，字母A通常表示根据本专利技术的用于向井下装备无线传输电力的设备。设备A使用生产油管或其他导管T(其可以是井套管或钻柱)作为将操作电力输送到钻井孔20中示意性示出的井下装备E的传输介质来传输兰姆声导波，用以在井内输送电力。井下装备E可以采取位于钻井孔20中或安装在油管T上的传感器的形式。传感器从邻近钻井孔20的所关注的储油层获取用于连续或自动化油藏管理的实时数据。井下装备E还可以采取机电控流机构(比如，阀)的形式来调节钻井孔20中的流体流动。设备A包括具有安装架或安装环24的地面换能器模块S，其中，安装架或安装环24包含将在地面处生成的电力转换成振动导波(guidedvibratorywave)能量的声学发射器换能器26的阵列。地面换能器模块S通过安装架或安装环24与用于输送导波能量的油管T安装在一起，并且导波能量通过油管T的圆柱形管壁22向井下行进。井下运动感测模块D与油管T一起安装在钻井孔20中，并且处于井下装备E在钻井孔20中所处的受关注的深度处。感测油管管壁中的导波能量的井下运动感测模块D包括声学接收器换能器阵列R，其包括具有响应于在油管T的管壁中感测到的导波能量而形成电信号的声学接收器换能器28的阵列的安装架或安装环27。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过钻井孔中的油管向与所述油管安装在一起的井下电气装备无线地传输电力的设备，包括：(a)换能器模块，其将电力转换成导波能量，并且与所述油管安装在一起，以将所述导波能量输送至所述油管从而通过所述油管的管壁向井下行进；(b)运动感测模块，其在所述电气装备在所述钻井孔中所处的深度处与所述钻井孔中的所述油管安装在一起，并且感测所述油管的管壁中的导波能量；(c)能量转换器，其在所述电气装备在所述钻井孔中所处的深度处与所述钻井孔中的所述油管安装在一起，并且将所感测到的导波能量转换成电能；以及(d)电力存储单元，其在所述电气装备在所述钻井孔中所处的深度处与所述油管安装在一起，用以存储从所感测到的导波能量转换而来的电能。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.30 US 62/018,749;2015.06.10 US 14/735,2271.一种通过钻井孔中的油管向与所述油管安装在一起的井下电气装备无线地传输电力的设备，包括：(a)换能器模块，其将电力转换成导波能量，并且与所述油管安装在一起，以将所述导波能量输送至所述油管从而通过所述油管的管壁向井下行进；(b)运动感测模块，其在所述电气装备在所述钻井孔中所处的深度处与所述钻井孔中的所述油管安装在一起，并且感测所述油管的管壁中的导波能量；(c)能量转换器，其在所述电气装备在所述钻井孔中所处的深度处与所述钻井孔中的所述油管安装在一起，并且将所感测到的导波能量转换成电能；以及(d)电力存储单元，其在所述电气装备在所述钻井孔中所处的深度处与所述油管安装在一起，用以存储从所感测到的导波能量转换而来的电能。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述导波能量包括兰姆声导波能量。3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述井下电气装备包括从所关注的储油层获取数据的传感器。4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述井下电气装备包括控流机构。5.根据权利要求1所述的设备，还包括电力调节电路，其调节从所述能量转换器接收的电能以存储在所述电力存储单元中。6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电力存储单元包括电容器。7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电力存储单元包括可充电电池。8.根据权利要求1所述的设备，还包括将数据信号施加至被输送至所述油管的所述导波能量上的数据调制器。9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述换能...

【专利技术属性】
技术研发人员：塔尔哈·贾迈勒·艾哈迈德，
申请(专利权)人：沙特阿拉伯石油公司，
类型：发明
国别省市：沙特阿拉伯,SA