井下传感器的接地故障免疫传感器电源制造技术

用于井下传感器的接地故障免疫电力和数据传送系统通过三相电力电缆连接到井下马达。交流电源和传感器数据模块在某时间电连接到从三根导线(相位)中选择的两根导线(相位)中的一根，以向所述井下传感器提供电力和数据信号。如果在所述两个连接相位中的一个上检测到接地故障，则隔离模块隔离接地相位，并切换到未接地的连接相位以继续传输电力和数据信号。交流电源的频率、数据通信频率和控制所述井下马达的驱动器的开关频率彼此正交以减轻干扰。地面到井下的通信可以通过调整由处理器控制的交流电源的电压、频率和/或相位进行。

Grounding fault immune sensor power supply for downhole sensors

The grounding fault immune power and data transmission system used for underground sensors is connected to the downhole motor through a three-phase power cable. The AC power and sensor data module is connected to one of two wires (phase) selected from three wires (phase) at a certain time to provide power and data signals to the underground sensor. If the ground fault is detected in one of the two connection phases, the isolation module isolates the grounding phase and switches to the unconnected connection phase to continue transmitting power and data signals. The frequency of the AC power supply, the frequency of the data communication, and the switching frequencies of the drives of the downhole motor are orthogonal to reduce the interference. Communication from the ground to the downhole can be carried out by adjusting the voltage, frequency and / or phase of the AC power source controlled by the processor.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】井下传感器的接地故障免疫传感器电源
本公开整体涉及井下电力系统，并且更具体地讲涉及用于井下传感器的接地故障免疫电力和数据传送系统。
技术介绍
人工举升系统，例如电潜泵(ESP)系统，通常用于碳氢化合物生产井，以将流体从井中向上泵送到地面。传统的ESP系统通常包括离心泵，该离心泵由均位于地面的三相电压源和变速驱动器驱动，所述三相电压源通过三相电力电缆将三相电力输送到井下马达。另外，地面和井下传感器之间的数据信号也通过电力电缆传输。这种信号包括与井下部件的性能和井下测量有关的各种数据。然而，当一个或多个相位沿着电力电缆接地时会出现问题。当发生这种情况时，取决于电缆接地的位置，数据传输不可靠或不可能通过电力电缆。因此，本领域需要一种用于井下环境的接地故障免疫电力和数据传送系统。附图说明根据以下给出的具体实施方式以及本公开的各种实施方案的附图，将更全面地理解本公开的各种实施方案。在附图中，相同的附图标记可以表示相同或功能类似的元件图1是根据本公开的某些说明性实施方案的利用接地故障免疫电力和数据传送系统的井系统的示意图。图2是示出了接地故障免疫电力和数据传送系统的说明性实施方案的操作和特征的简化框图图解。图3是用于调整图2所示的接地故障免疫电力和数据传送系统中实施的电源并切换相位的工作流的流程。图4是可以实现本公开的实施方案的说明性计算机系统的框图。具体实施方式下文描述本公开的说明性实施方案和相关方法，因为它们可以用于井下传感器的接地故障免疫电力和数据传送系统。本公开的实施方案涉及开发用于具有电潜泵的油井的井下传感器的电源，所述电源即使当潜油马达的相位中的一个接地时也可操作并且不干扰数据通信和耦合到潜油马达的驱动器的开关频率。为了清楚起见，在本说明书中没有描述实际实现方式或方法的所有特征。当然可以理解的是，在任何这样的实际实施方案的开发中，必须做出许多实现方式特定的决定以实现开发者的特定目标，诸如遵守与系统相关和商业相关的约束，这些约束将在一种实现方式与另一种实现方式间变化。此外，应理解，这样的开发工作可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员，这将是常规任务。考虑以下描述和附图，本公开的各种实施方案和相关方法的其他方面和优点将变得显而易见。如本文所述，本公开的说明性实施方案提供了用于井下传感器的接地故障免疫电力和数据传送系统。在通用的实施方案中，在地面的三相电源通过三导线电缆向井下马达(例如ESP马达)提供三相电力。井下传感器模块通过Y形点连接与井下马达连接。在地面的交流(AC)电源在某时间电连接到从三根导线(相位)中选择的两根导线(相位)中的一根，以由此将AC电力信号提供给井下传感器模块。在地面的传感器数据模块在两根导线(相位)的时间也电连接到相同的一根导线(相位)，以进行数据信号向/从井下传感器模块的通信。隔离模块连接在AC电源和传感器数据模块与两根导线之间，以响应于沿着隔离导线发生的接地故障而选择性地隔离两根导线中的一根。因此，AC电源和传感器数据模块均一次连接到一根导线(相位)。当在连接的导线(相位)上检测到接地故障时，将从该导线切换到连接至隔离模块的两根导线中的另一根导线(相位)。在这个通用实施方案的正常操作期间，井下传感器电力和数据信号仅在两根连接导线中的一根上传输。因此，如果在第三根未连接的导线上检测到接地故障，则电力和数据信号继续通过连接到电力和数据传送系统的单根导线传输。当在两根连接的导线中的一根上检测到接地故障时，隔离模块将接地的连接导线隔离，并在必要时切换到未接地的导线。结果，电力和数据信号继续通过唯一剩下的连接导线进行通信。本文描述的某些说明性实施方案不提供比维持接地故障免疫和稳健的数据通信所需的更多的电路。由于当三根导线中的两根接地时大多数井下马达关闭，所以本公开的电力和数据系统不需要连接到两根以上的导线。然而，许多现有技术系统连接到所有三根导线，从而向其设计添加不必要的复杂和昂贵的电路。然而，本公开的实施方案利用这种关闭特征，因为三根导线中仅有两根连接到电力和数据传送系统。在三根导线中的任何一根发生接地故障时，电力和数据传送系统继续通过两根连接的导线之一进行通信。如果三根导线中的两根发生接地故障，即使马达已关闭，电力和数据传送系统仍然允许传输电力和数据信号(假设未接地的导线是连接的导线)，这在马达暂时关闭的条件下是特别有用的。该系统被设计成与接地的三根导线(相位)中的任何导线一起连续工作。在一个或多个实施方案中，利用两根或更多根接地的导线(相位)，系统可以取决于接地故障的严重性和位置而仍然工作。因此，以较低的成本提供有效且稳健的接地故障免疫和数据通信。图1是根据本公开的某些说明性实施方案的利用接地故障免疫电力和数据传送系统的井系统的示意图。井系统10包括延伸穿过各个地层的井筒12，包括生产区20。井筒12在其中安装有套管16和工具管柱14，在该实例中，工具管柱是生产管柱。示出了被定位在固定阀组件22上方的封隔器组件18，密封环24在生产管柱14和井筒套管16之间形成并且隔离生产层段。井下马达19(例如井下潜油泵，诸如ESP或其他人工举升系统)从固定阀组件22定位在井下，用于将生产流体从地层泵送至地面26。井下马达19通过密封件21联接到泵23。如本领域中所理解的，当泵23关闭以进行维护、注入过程、压力测试等时，固定阀组件22防止流体回流到井下马达19中。接地故障免疫电力和数据传送系统100位于地面26处。如下面将更详细地描述的那样，电力和数据传送系统100通过三相电力电缆30(其是三导线电缆)向井下马达19供应三相电力。电力和数据传送系统100还经由电力电缆30将AC电力供应到连接到井下马达19的井下传感器模块11。另外，电力和数据传送系统100还使得能够通过电力电缆30实现传感器数据模块(未示出)和井下传感器模块11之间的双向数据通信。尽管在本文中描述了用于井下ESP传感器应用，但是本公开的各种实施方案可以用于任何使用三导线电力线载波通信的井下系统，例如一些测井电缆应用、随钻测井(LWD)应用、随钻测量(MWD)应用、滑线应用等，如受益于本公开的本领域的普通技术人员将会理解的那样。而且，虽然在图1中在下套管的垂直井筒中示出，但是本公开的说明性实施方案将在任何取向上以及在裸井或下套管的井中工作。应该理解的是，本公开的实施方案可以用于各种方法，包括生产、修井、完井、测试、钻井、压裂、补救程序等。图2是示出接地故障免疫电力和数据传送系统100的说明性实施方案的操作和特征的简化框图图解。如前所述，电力和数据传送系统100经由电力电缆30在井下提供电力和数据通信。电力和数据传送系统100包括三相电压输入102(例如，频率为60Hz的480V的均方根电压)，其馈送使用控制器(未示出)来控制井下马达19的速度的变速驱动器(VSD)104。例如，变速驱动器104的输出可以是具有由变速驱动器104的开关电路(未示出)产生的可变频率的480V(均方根)的三相电压输出，其中可变开关频率控制井下马达19的速度。可选的升压变压器106可连接在变速驱动器104和电力电缆30之间，以通过电力电缆30增加供应井下马达19的三相电压输出的电压电平。电力电缆30可以延伸数千英尺进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于井下传感器的接地故障免疫电力和数据传送系统，包括：三相电源，所述三相电源连接到电力电缆，从而向沿着井筒定位的井下马达供电，所述电力电缆包括第一导线、第二导线和第三导线，在所述第一导线、第二导线和第三导线上传输电力信号和数据信号；井下传感器模块，所述井下传感器模块连接到所述井下马达；交流(AC)电源，所述交流(AC)电源仅连接到所述第一导线和第二导线，从而将所述电力信号提供给所述井下传感器模块；和第一隔离模块，所述第一隔离模块连接到所述AC电源，从而响应于沿着所述第一导线或第二导线发生的接地故障而选择性地隔离所述第一导线或第二导线中的一根，从而允许所述电力信号仅在所述第一导线或第二导线中的一根上传输，其中所述电力信号的频率与所述数据信号的一个或多个频率正交。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于井下传感器的接地故障免疫电力和数据传送系统，包括：三相电源，所述三相电源连接到电力电缆，从而向沿着井筒定位的井下马达供电，所述电力电缆包括第一导线、第二导线和第三导线，在所述第一导线、第二导线和第三导线上传输电力信号和数据信号；井下传感器模块，所述井下传感器模块连接到所述井下马达；交流(AC)电源，所述交流(AC)电源仅连接到所述第一导线和第二导线，从而将所述电力信号提供给所述井下传感器模块；和第一隔离模块，所述第一隔离模块连接到所述AC电源，从而响应于沿着所述第一导线或第二导线发生的接地故障而选择性地隔离所述第一导线或第二导线中的一根，从而允许所述电力信号仅在所述第一导线或第二导线中的一根上传输，其中所述电力信号的频率与所述数据信号的一个或多个频率正交。2.根据权利要求1所述的接地故障免疫电力和数据传送系统，其中耦合到所述三相电源和所述电力电缆的变速驱动器(VSD)的开关频率与所述电力信号的所述频率正交，并且与所述数据信号的所述一个或多个频率正交。3.根据权利要求1所述的接地故障免疫电力和数据传送系统，还包括与所述AC电源接口的计算机，所述计算机具有其中存储有指令的计算机可读存储介质，所述指令在由所述计算机执行时使所述计算机执行多项功能，包括以下功能：控制由所述AC电源提供的所述电力信号的电压、频率或相位中的至少一个。4.根据权利要求1所述的接地故障免疫电力和数据传送系统，还包括与所述AC电源接口的计算机，所述计算机具有其中存储有指令的计算机可读存储介质，所述指令在由所述计算机执行时使所述计算机执行多项功能，包括以下功能：斜升所述AC电源的电压电平直到建立与所述井下传感器模块的通信；和将建立所述通信所处的所述AC电源的所述电压电平存储在所述计算机的存储器中。5.根据权利要求4所述的接地故障免疫电力和数据传送系统，其中所述指令还执行以下功能：如果由于所述接地故障或与所述接地故障免疫电力和数据传送系统相关的错误而导致通信丢失，则进一步斜升所述AC电源的所述电压电平。6.根据权利要求5所述的接地故障免疫电力和数据传送系统，其中所述指令还执行以下功能：如果所述AC电源的所述电压电平达到阈值并且所述通信的可靠性低于限定水平，则触发所述第一隔离模块将所述AC电源切换到所述第一导线或第二导线的未接地导线。7.根据权利要求1所述的接地故障免疫电力和数据传送系统，其中所述AC电源和所述井下传感器模块之间在所述第一导线或所述第二导线之一上的通信基于给所述井下传感器模块供电的电压的电平。8.根据权利要求7所述的接地故障免疫电力和数据传送系统，还包括与所述AC电源接口的计算机，所述计算机具有其中存储有指令的计算机可读存储介质，所述指令在由所述计算机执行时使所述计算机执行多项功能，包括以下功能：通过调整所述AC电源的电压电平使得对所述井下传感器模块供电的电压电平被校正为达到预定义的配置值，来执行所述AC电源和所述井下传感器模块之间的通信。9.根据权利要求8所述的接地故障免疫电力和数据传送系统，其中所述预定义的配置值从所述井下传感器模块传达到与所述AC电源接口的所述计算机。10.根据权利要求1所述的接地故障免疫电力和数据传送系统，还包括与所述AC电源接口的计算机，所述计算机具有其中存储有指令的计算机可读存储介质，所述指令在由所述计算机执行时使所述计算机执行多项功能，包括以下功能：改变来自所述AC电源的所述电力信号的频率以与所述井下传感器模块通信。11.根据权利要求1所述的接地故障免疫电力和数据传送系统，还包括与所述AC电源接口的计算机，所述计算机具有其中存储有指令的计算机可读存储介质，所述指令在由所述计算机执行时使所述计算机执行多项功能，包括以下功能：改变来自所述AC电源的所述电力信号的相位以与所述井下传感器模块通信。12.根据权利要求1所述的接地故障免疫电力和数据传送系统，还包括：与所述井下传感器模块接口的能量储存装置，其被配置为在与所述井下传感器模块相关联的峰值电力时间期间提供电力提升。13.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·阿拉斯，S·K·古普塔，A·S·K·阿尔穆哈那，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国,US