[发明专利]数据通信系统

说明书

本发明涉及向/从井下设备的数据传输，以及非排他地具体来说，涉及表面下与表面位置之间经过三相电力系统的数据传输的改进数据通信系统和方法。

“井下设备”被理解为表示井筒中使用的任何工具、设备或仪器。

数据由于各种原因而需要在井下设备与表面之间传输。例如，监测电机/泵的性能、用于阀的控制的控制信号的传输、测量装置取向和位置以及进行物理测量。

对于机动井下设备、例如电潜泵(ESP)电机系统，数据需要从设备下面的电路(其包括电机绕组)和设备的电力电缆(其能够被认为是三相电力系统)中发送。在这类布置中，当电力电缆已经存在时，存在如下理论根据：使用这些的解决方案的成本应当相称地小于还提供通信电缆的适当长度的解决方案。还一般认为，需要能够在主要3相电力系统未加电时保持井下监测仪表上的电力，因为这在泵关闭或者井中的其它主要事件的情况下提供必不可少信息。

因此，这些系统的设计和操作以确保始终成功传输数据并且保持单独电力供应是棘手的。

由于三相电力系统的电机和电力电缆性质，使用电感耦合来耦合到电力系统的基于DC电流的装置已经研制并且广泛使用。从表面的低电流DC电源提供电力，以及通过调制从这个电源所吸取的电流或电压向表面传输数据。

在US5515038、GB2283889和US6396415中公开基于数字和处理器的装置的示例。这些系统利用注入到电力信号上并且经过电感Y点耦合所提取的DC电流。这些系统在电力电缆上的绝缘失去或损坏时全部易遭受故障，因为任何故障与单独电源并联，并且故障成为另一个电流调制源，因而使信号强度失去。这些现有技术系统通常本质上也是模拟的，因而将噪声和不定性引入测量，或者在传输数字数据的情况下，它处于很慢的数据速率。

研制了利用AC电力和/或信号传输的基于AC的系统，以克服这些问题。但是，这些基于AC的系统引入其自己的缺点。在US7982633中公开一种作为供井下应用中使用的典型现有技术的基于AC的系统，其中电能通过多导体电力电缆提供给ESP电机组合件。井下单元经过ESP电机组合件的Y点AC耦合到电力电缆的导体。表面单元与电力电缆的导体AC耦合。遥测数据的上行链路通信通过井下单元和表面单元所支持的AC通信方案进行。遥控命令数据的下行链路通信通过表面单元和井下单元所支持的不同AC通信方案进行。这些AC通信方案向井下环境提供单独电力供应。表面与井下环境之间的所有通信经过电力电缆来实现，而无需使用附加通信线路。在电力电缆上的接地故障的情况下保持数据通信。

这类现有技术的基于AC的系统的明确意图是在电力电缆上的绝缘被损坏或者至少不完善时进行操作。但是，这些系统的缺点在于，虽然所输送的电力量已知用于正常操作条件下的固定电缆长度和尺寸，但是电缆上的任何故障对这些进行调整，并且因而将对所输送的电力量具有巨大影响。因此，输送到井下单元的电力能够受到不利影响，从而引起在井下单元的监测和数据通信的损坏及潜在损失。在US7982633中，公开一种布置，其中高通滤波用来消除通常在25 – 60 Hz左右、施加于井下单元的低频电机电力。但是，实际上，注入电机组合件的AC电力受到电机组合件中的电抗分量的极大影响。电抗分量可包括表面变换器的电感、井下电缆的电容和井下电机的电感。因此，有可能的是，在正常运行条件下，将稳定和有用的电力供应提供给井下单元，但是当绝缘故障出现时，井下单元所经受的电机组合件的电抗急剧变化，从而使所输送的电力显著变化。输送到井下单元的电力的这种变化可以是增加或降低。如果电力的降低发生，则井下监测单元可停止起作用。如果电力增加过多，则井下监测单元可能出故障，或者至少可因加压操作条件而具有比原本预计的要短的服务寿命。

因此，本发明的一个目的是提供用于通过三相电力系统来传输数据的系统和方法，其中将输送到井下单元的电力保持为恒定，而与三相电力系统的工作条件无关。

按照本发明的第一方面，提供一种用于通过三相电力系统在表面与表面下位置之间传输数据的数据通信系统，所述数据通信系统包括：表面系统模块，设置有提供第一AC电力信号的第一电源和提供第二AC电力信号的第二电源；表面下系统模块，提供第一加电模块和第二加电模块，其中第二加电模块提供数据信号；电缆连接，设置在表面系统模块与表面下系统模块之间，传输电力和数据通信信号；以及其中数据通信信号提供施加到第二加电模块的电力的指示，并且电力信号响应所施加电力而改变。

这样，能够调节施加到井下数据传输系统的电力，以确保数据传输的完整性。