專利名稱：管線系統中的數據傳輸的制作方法
技術領域：
本發明涉及所有用于管線系統(具體為油井系統)中的數據傳輸系統，數據傳輸的方法，信號接收裝置和接收信號的方法。
當為獲得石油和天然氣而鉆井時以及在采油井的操作中，能夠實行測量是很有用的。然而，很難將數據從井底傳到地表面，并且隨著井深的增加，其難度也相應增加。目前，要求從離地表面3000米或更深處傳輸數據。
在當前可獲得的信號技術中，那些利用油井自身的金屬結構的技術特別適宜，由于它們不需要安裝單獨的電線。大多數無線系統利用生產管線和套管作為一個單獨傳導通道并且利用大地作為回路。一些嘗試利用套管和管線作為單獨的傳導路徑，但這有很多問題，由于在整個長度上將管線與套管隔離很困難，尤其是在井底由于有載荷，就更困難。其他的方法包含“泥漿-沖擊”，它不僅僅難于實行并且費用很貴而且數據傳輸率很低。
無論使用那種系統，由于其固有的損失和需要將電流保持在合適水平上的，其范圍被限制了。而且，就申請人所知，當前沒有實際可用的從套管里管線位置上傳輸信號的無線系統。在此申請人的以前申請EP-A-0,646,304中說明了通信系統，例如，在開孔條件下工作并且可以沿套入的部分傳輸信號的系統。然而，一般認為，這樣的系統不能實際用于從套入部分里的位置傳輸信號。
在管線系統里，也期望能夠從在管線系統里和/或相關套管里的裝置將信號傳輸到系統的相同區域，但是不能將信號傳輸到位于管線和/或套管外的裝置。但是，一般認為這很難達到。
本發明的一個目標是提供一種通信系統，它至少減輕有關現有技術的一些問題。
根據本發明的第一方面，提供了一個數據傳輸系統，其中管線系統的金屬結構被用作信號通道并且大地被用作回路，所述系統包含用于形成電流環路的裝置，所述裝置有第一和第二導電部分，兩部分在隔開的位置互相連接，金屬結構至少包含一個導電部分，并且一個本地單元，該本地單元用于將信號傳輸給一個導電部分的傳輸裝置，因此在使用中，電流在所述環路上流動，在環路區域的大地與金屬結構之間產生電位差并且導致信號沿金屬結構向環路外傳播，其中安排用于形成電流環路路徑的裝置以確保隔開的位置被至少一最小距離分隔，選擇所述最小距離以提供需要的傳輸特征。
根據本發明的第二方面，還提供了一種數據傳輸的方法，其中管線系統的金屬結構被用于信號通道并且大地被用作回路，所述方法包含步驟實行一個電流回路，所述電流回路包含第一和第二導電部分，所述兩個導電部分在分隔的位置互相電連接，所述金屬結構至少包含一個導電部分；將一個信號施加到一個所述導電部分，使電流在所述回路上環流以在回路區域內的大地與金屬結構之間產生電位差，并且使信號沿金屬結構向環路外傳播；以及確保所述被隔開的位置被至少一最小距離分隔，選擇所述最小距離以提供需要的傳輸特征。
所述管線系統可以包含一個內流線和一個外圍套管。典型的，管線系統包含有生產管線和包圍套管。
運行中沿回路環流的電流可以被認為是使系統作用為一個雙極發射器。
可在遠離所述電流回路的位置提供接收裝置，用于接收沿金屬結構傳播的信號。
上述的安排有一些優勢，即使當沿生產管線，從位于套管內某一位置發送信號時，在使用真實電流電平的實際情況中可以避免電線，將可檢查到的信號注入金屬結構。離開當前回路路徑的區域，金屬結構整體可以被對待為一個單一傳導通道。
可以選擇最小距離以適合環境，從而可以在遠離本地單元的期望位置例如在油井頂部檢測到可接收適合電平的信號。典型選擇的最小距離是100米。較佳的是所選擇的距離相對結構/井的整個長度而言是較短的。
較佳的，一個導電部分包含一部分生產管線。可以安排發射裝置以將信號施加到生產管線。
在一些實施例里，一個導電部分包含一部分流線，例如生產管線，而其他導電部分包含套管的圍繞部分。在這樣的具體實施例里，形成電流環路的裝置可以包含絕緣襯墊裝置，用于保持流線與圍繞的套管隔開所選擇的最小距離。可以在流線上和/或相應于所選擇最小距離的部分上的套管上提供絕緣層。在所述第一和第二導電部分之間的間隔連接，用于完成電流回路，該間隔連接可以包含在所選擇區域外流線和套管之間的粗略接觸。將認識到，改善流線和所選擇最小距離的套管之間的絕緣性所需的成本將比試圖在它們的整個長度上隔離管線和套管所需的成本小得多。
在其他實施例里，一個導電部分包含一部分管線或者流線并且另一個導電部分至少包含一個電傳導延長部件，所述部件至少連接位于管線或者流線里兩個鑄模。在此類實施例里，可以在鑄模里提供用于完成電流回路的間隔連接。可以在一個所述鑄模中上提供本地單元。較佳的將所述發射裝置安排為將信號施加到延長部件。
本地單元可以包含傳感器裝置，用于測量本地單元區域里的條件。本地單元可以包含接收裝置，用于接收沿金屬結構或其他結構傳輸的輸入信號。本地單元還被安排為用作中繼站。應該知道，中繼站可以被放置于產管線的套管部分，并且從而用于擴大數據傳輸的范圍。
較佳的，發射裝置基本上將信號施加到各自導電部分的中點。這將均衡沿金屬結構遠離本地單元的方向上傳播的信號并且這特別合適于本地單元功能為一個雙向中繼站情況。
另一方面，如果期望在一個方向上增加信號傳輸，傳輸裝置可以被安排為將信號施加到朝向各自導電部分某端的點上，較佳的是相對端。
發射裝置和/或接收裝置可以包含與各自導體部分串聯放置的一個隔離部件。發射裝置可以包含一個跨接于隔離元件的信號發生裝置。所述接收裝置可以包含一個測量裝置，例如電壓測量裝置。該裝置跨接于隔離元件。其中，各自導電元件包含生產管線，所述隔離部件可以是位于管線上的隔離接合處。
發射裝置和/或接收裝置可以包含位于各自導電部分周圍的電感耦合裝置。電流環路可以用作一個變壓器的單匝線圈。所述電感耦合裝置可以包含一個線在一般環形磁芯上的線圈，它圍繞在各自的導電部分。
根據本發明的第三方面，提供了一個與數據傳輸系統一起使用的信號接收裝置，在所述系統里，管線系統的金屬結構被用作信號通道并且大地被用作回路，包含一個有接收裝置的本地單元，包含用于提供在本地單元與在金屬結構上的一部分上至少兩個分隔位置之間的電接觸的裝置，并包含用于確保兩個分隔位置被至少分開最短距離的裝置，選擇所述距離以獲得需要的接收特征。
根據本發明的第四方面，提供了一種接收來自管線系統的金屬結構的信號的方法，所述金屬結構被用作數據傳輸信號通道，大地被用作回路，包含以下步驟提供有接收裝置的本地單元；提供在所述本地單元和所述金屬結構的一部分上的至少兩個隔開位置之間的電接觸；確保兩個分隔位置被至少分開最短距離的裝置，選擇所述距離以獲得需要的接收特征。
當沿管線系統的金屬結構傳輸信號時，信號的幅度一般隨離信號源距離的增加而減少。這主要由于信號對地的逐漸泄漏。從而當信號沿金屬結構傳輸時，在任意兩個縱向間隔點上存在電位差，并且應該知道，對兩個此類點提供的連接使能夠從金屬結構提取信號。所需的最小距離取決于相對于所處位置大地的信號電平以及接收裝置的靈敏度/噪音性能。
在間隔位置提供的電接觸的裝置可以包含一部分生產管線和絕緣襯墊裝置，所述間隔裝置保持所述管線部分與包圍套管的相應部分隔開。可以在本地單元區域里的管線和與其跨接的信號測量裝置里提供一個隔離結合處。在此例子里，由于將管線與套管有效地隔離，對于金屬結構的那部分的所有信號損失將來自套管并且沿管線的那部分將有很小的電壓下降，從而可以檢測到間隔位置之間的電位差別。
用于在隔開位置提供電接觸的裝置可以至少包含一個導電延長部件，所述部件至少與兩個位于生產管線里的鑄模相連。
根據本發明的第五方面，提供了與數據傳輸系統一起使用的信號接收裝置，其中管線系統的金屬結構被用作信號通道，它包含一個有接收裝置的本地單元，所述接收裝置包含一個電感耦合。
此信號通道在本地單元的區域里可以被分成兩個或多個分枝并且在一個所述分枝周圍放置電感耦合。
所述電感耦合較適宜被放置在位于套管里的生產管線周圍。一個分枝可以包含生產管線，并且另一個分枝可以包含套管。
電感耦合可以包含一個螺旋管，所述螺旋管放置于所述通道和/或生產管線中的一個的周圍。
根據本發明的另一個方面，提供了一種數據傳輸系統，其中包含一個生產管線和套管的油井的金屬結構被用作信號通道并且大地被用作回路，其包含一個本地單元，所述本地單元有接收和/或發射裝置，所述接收和/或發射裝置與管線耦合，用于沿信號通道接收和/或發射信號，還包含絕緣隔離裝置，安排所述絕緣隔離裝置以確保生產管線與套管在本地單元區域被至少相互隔開所選擇距離，選擇的所述最小距離以獲得需要的接收和/或發送特征。
套管可以包含多個分隔的部分，這些部分可以是螺紋嚙合在一起的。在相鄰部分之間的一個或多個接合處的相連表面可以用絕緣媒質覆蓋。這可以改變金屬結構的電特性并且增強其性能。
根據本發明的以前方面所述的許多額外特征同樣適合于在與本發明的所述其他方面相關的應用中。
根據本發明的另一些方面，提供了用于管線系統里的數據傳輸系統，所述系統包括，用于形成電流回路的裝置，所述裝置包含一部分內部傳導元件和外部導電元件的相應部分，它們在兩個隔開位置互相電連接，所述外部元件包圍所述內部元件，并且它是所述管線系統金屬結構的一部分。
一個內部單元放置于外部元件內并且有發射裝置，用于將信號注入到電流環路；以及一個放置在外部元件外的外部單元，所述外部單元包含一個電感性耦合裝置，將所述裝置安排為由在環路上流動的電流生成的磁通量來連接，在使用中安排使所述內部元件的所述部分里流過的所述電流不匹配于外部元件的相應部分里流過的所述電流，在所述電感耦合裝置里生成信號，從而允許從內部單元到外部單元的通信。
根據本發明的另一個方面，提供了一種用于管線系統里數據傳輸系統的方法，所述方法包含步驟形成電流環路，所述環路包含一部分內部導電元件和一個外部導電元件的相應部分，在兩個隔開的位置互相電連接，外部傳導元件圍繞所述內部傳導元件，并且是管線系統的金屬結構的一部分；將信號從位于外部元件內的內部單元輸入到電流環路；以及將一個外部單元放置在外部元件外，所述外部單元包含電感耦合裝置，將所述裝置安排為由在環路上流動的電流生成的磁通量來連接，并且在使用中安排使所述內部元件的所述部分里流過的所述電流不匹配于外部元件的相應部分里流過的所述電流，在所述電感耦合裝置里生成信號，從而允許從內部單元到外部單元的通信。
一般的，將內部和外部元件一般共軸安排成延長元件組，外部元件一般是管狀的。
間隔位置可以被隔開所選擇最小距離。較適宜的，選擇所述最小距離以獲得需要的傳輸特性。在一些實施例里，數據傳輸系統可以被安排為應用于管線系統里，其包含一個傳導流線，所述流線用作外部元件，并且還提供了一個專門的內部傳導元件。在此類例子里，傳導元件可以包含連接在兩個鑄模之間的一個傳導帶索。
在所述鑄模上可提供在專用內部傳導器和流線之間的電連接。位于鑄模上的清潔刷可以用作與流線內表面的接觸。
在其他實施例里，數據傳輸系統可以被安排為用于管線系統里，其包含一個內部傳導流線和一個外部傳導套管。在此例子里，所述外部元件可以包含套管并且所述內部元件可以包含流線。
所述外部元件，特別是當它是套管時，可以包含多個分隔部分，這些部分可以被螺紋嚙合在一起。在相鄰部分之間的一個或多個接合處的相連表面可以用絕緣媒質覆蓋。這可以改變金屬結構的電氣特性并且增強其性能。較佳的是，沒有完全隔離的接合處被放置于間隔位置之間的套管里，在這些間隔位置，套管和流線互相電接觸。
在流線和套管之間的電連接可以包含粗略接觸和/或傳導密封器。由于間隔連接包含粗略接觸，可以選擇連接之間的最小分隔。在使用傳導密封器處，可以選擇在密封器的實際間隔，并因而也可選擇連接。用于形成電流環路的裝置可以包含提供于所述內部流線的外表面和/或所述外部套管的內表面上的絕緣層。用于形成電流環路的所述裝置可以包含絕緣襯墊裝置。
可以選擇連接和/或裝置的位置和本質以提供需要的傳輸特性，所述裝置用于將流線的所述部分與套管的相應部分隔離。
較佳的，安排所述裝置用于將信號施加到內部流線上。可以在流線里提供一個隔離接合處，并且可以安排所述傳輸裝置以使信號通過所述隔離接合處。
所述電感耦合裝置可以包含一個螺旋管，所述螺旋管放置于電流環路區域里的套管的周圍。較適宜將所述電感耦合裝置放置于朝向間隔連接之間的中點。
所述管線系統典型的包含油井的套管部分，在本實施例中在此套管里的生產管線是流線。
根據本發明的另一方面，提供了在實行本發明的上述方面中與金屬結構一起使用的裝置。
現在將通過示例，僅僅參考
本發明的具體實施例，附圖中
圖1示意性顯示了包含數據傳輸系統的海底油井，它包含了本發明的第一實施例；圖2示意性顯示了圖1所示油井的一部分，圖中所示部分上布置了一中繼站；圖3顯示了圖1所示的油井的一個典型長度的生產管線和套管的簡化等效電路；圖4顯示了圖2所示油井的所示部分在接收信號期間的簡化等效電路；圖5顯示了圖2所示油井的所示部分在發送信號期間的簡化等效電路；圖6顯示了一個可替換的耦合方法。
圖7是一張本發明第二實施例部分示意圖；圖8示意性顯示了本發明第三實施例；圖9顯示了圖8所示裝置排列等效電路；圖1和圖2示意性顯示了一口包含無線或無金屬線路的數據傳輸系統的海底油井。該油井包括一根用于從結構F中提取產品的生產管線1。生產管線1在泥漿線連接支柱2，并且在支柱2和結構F之間由套管3包圍。生產管線1和套管3構成部分油井的金屬結構。雖然圖1顯示了位于套管3中間的生產管線1，在實用中，在沿它們長度的任意位置上，生產管線1和套管3互相粗接觸。一般而言，不能防止這樣的粗接觸，并且管線1在套管3內將沿一條彎曲的路徑，例如螺旋形路徑。
在管線1和套管3之間的空隙用鹽水(或用另一種比水的密度更大的替代液體)填充，以幫助減少作用于封環4上的壓力。該封環4位于進入結構F時的套管3和生產管線1的之間。鹽水的存在還在管線1和套管3之間引進另外一個產品通路。
通過鹽水的粗接觸和產品的影響是指管線1和套管3的相應點通常達到相同的電位，并且管線1和套管3作為單導體來對待。
油井也包括許多設置在敞口井位置的管線1上的數據記錄站5，即在結構F內。安排數據傳輸系統，以致允許在數據記錄站5和泥漿線之間或在用油井的金屬結構1，3作為信號通道向外傳輸數據。數據記錄站和泥漿線間的距離可能超過3000米。利用現有的非金屬線路敞口井技術在數據記錄站接收和從數據記錄站發送數據，例如在申請者早期申請EP-A-0646304中描述的技術。同時，這些技術引進敞開井中，并且能夠沿著被封部分傳輸信號，它們不能用在實際中從被封部分的某一置傳輸。只有當被封部分的長度不是太長時，能夠用上述申請中描述的非金屬線路技術從泥漿線直接接收或直接給泥漿線發送信號；基本上由信噪比決定其范圍和數據速率。
然而在本實施例中，通過生產管線1密封(cased)部分中提供的中繼站6改進了該系統的信號強度和/或范圍。特別參考圖2，中繼站6包括收發器裝置，該收發器裝置含有設置在生產管線上的絕緣結合點7，在傳輸期間使用信號發生裝置8a，而在接收期間使用信號測量裝置8b。信號發生裝置和信號測量裝置兩者都跨接在絕緣結合點。在結合點7區域的100米距離范圍內，圍繞生產管線1，提供多個環形絕緣襯墊9。選擇襯墊所處位置的距離，以致能夠有效地接收和發送信號。實際的距離取決于許多與傳輸系統和油井本身部件的有關的因素。
襯墊9為半套管形，一起用螺栓固定在生產管線1上。在每個襯墊和管線1之間有絕緣層9a。在圖2中，示出一個襯墊9的側視圖，而其余的襯墊9以橫截面示出。安排和定位襯墊9，以致在每個襯墊9的位置，使管線1位于套管3的中間，并且使管線1在相鄰襯墊9間的任何位置都與套管3不接觸。在多個襯墊9每頂端的最后一個襯墊外，使管線1與套管3粗接觸10，按圖2所示。每個最后襯墊9和各自的粗接觸10之間的距離是隨機的，但是它的下限由油井和襯墊9的特性決定。這樣，襯墊9至少保證在某一選擇的最短距離內，生產管線1不會和套管3接觸。
概括地，由于增加了粗略接觸10之間的間隙，改善了系統的發送和接收性能。然而，有一種對于引入最短距離所需費用的折衷選擇，通常，粗略接觸10之間的間隙將大于最短距離，但這僅用作改善系統。
因此，管線1和套管3在粗略接觸10之間的部分被分別稱為管線1a的絕緣部分和套管3a的相應部分。
圖3示出生產管生產管線1和套管3的典型長度的等效(總合參數)電路。管線1和套管3分別用一系列電阻Rs和Rc表示。管線1和套管3間的泄漏通路由Rg+b表示，而套管3和遠地E間的泄漏通路用電阻器Re和電容器Ce表示。如果將信號施加于管線1或套管3，由于通過對遠地E的泄漏通路的損失，信號的強度將隨著離信號源距離的增大而減少。另外，如上所述，將使管線1和套管3的電位相等。
圖4示出在接收信號期間，對應于在中繼站6區域的生產管線1a和套管3a部分的簡化等效電路。除了部分1a，3a任一端的那些粗接觸10外，已經消除了由粗略接觸引起的泄漏通路。這樣，電阻Rg+b由表示單獨通過鹽水泄漏的較高阻值的電阻Rb代替。通過在中繼站6中的鹽水的電阻與由在管線1a絕緣部分兩端的粗略接觸10提供的電阻相比是如此得大，以致基本上可以忽略鹽水的影響。
在信號接收期間，因為由于絕緣結合點7不存在通過生產管線1a部分的電流通路，以及因為生產管線部分1a與相應的套管部分3a有效地絕緣，所有對金屬結構的部分的信號損失都來自套管3a。在這種環境中，沿著隔離管線兩個半部分間，只存在很少的電位差，該兩個半部分基本上在1a，3a部分的末端提供了與粗接觸10直接接觸。這是指能夠檢測套管上兩個縱向間隔部分間的電位差，并因此，從金屬結構中提取信號。事實是，被迫沿著中繼站6區域中的套管3的所有信號能用于增加套管3上隔離位置間的電位差。
圖5示出在發送期間，對應于在中繼站6區域的生產管線1a和套管3a部分的簡化等效電路。如上所述，除了在部分1a，3a任一端的那些粗接觸10外，已經消除了由粗略接觸引起的泄漏通路。這樣，電阻Rg+b由表示單獨通過鹽水泄漏的電阻較大的的電阻Rb代替。經過中繼站6中的鹽水的電阻與由在管線1a絕緣部分端部的粗略接觸10提供的電阻相比是如此得大，以致基本上可以忽略鹽水的影響。這樣在發送期間，能夠認為電流環路包括管線1a的絕緣部分，套管3a的相應部分和粗略接觸10。該環路的兩頂端當然與管線1和套管3剩余相連接。信號發生裝置8a使電流I沿環路流動。該電流I的流動在管線1a絕緣部分的相對頂端的粗略接觸10之間產生要設置的電位差。該電位差為I×sum(和)Rc，其中，sumRc等于在粗略接觸10之間引起的總電阻。
假設絕緣結合點7設置在管線1a的隔離部分的中心，并且系統處于相對于地的平衡狀態，在管線1a的絕緣部分的每端上金屬結構與地之間的電位差為(I×sumRc)/2。因為在粗略接觸10的位置與地之間存在電位差，信號將沿著管線1和套管3，按遠離中繼站6的方向傳輸。
能夠借助于上述的機械裝置，通過將合適的信號編碼在管線上，沿著管線1和套管3，按遠離中繼站的方向傳輸所需的數據，例如從數據記錄站接收的數據。產生的信號沿作為單導體的管線和套管，按遠離電流環路的方向傳播。信號電路通過大地回路實行，并不所需金屬電路。這樣，能夠避免所有與提供金屬線路，尤其是向下打眼，有關的問題。
在泥漿線上或在任何中繼站(未顯示)上的合適的接收裝置，能用于檢測施加于管線1和套管3上的信號，并提取所需的數據。接收裝置可以利用電感耦合器或將接收裝置安排成能測量相對于一獨立地基準的信號。
這樣，通過在套管3內提供適當數量的中繼站就可顯著地擴大信號傳輸系統的范圍。中繼站是雙向的，因此當將信號傳輸進油井，和送出油井時，擴大了傳輸范圍。
采用中心位于絕緣部分1a中的絕緣結合點，在遠離中繼站6每個方向上的信號強度實際上相等。然而，如絕緣結合點7移向絕緣部分1a的一端，在絕緣部分1a的另一端產生的電位差將變得比(I×sumRc)/2更大。這樣，如果希望增加某一方向上信號的強度，可以相應地放置絕緣結合點7。
在一替代的情況中，生產管線1a的絕緣部分設置有絕緣涂層，以進一步降低絕緣部分1a和套管3a相應部分間的電導。
圖6示出繞在環形磁心202上的線圈201，該環形磁心設置在生產管線部分1a上。線圈201用在將信號施加到生產管線1和/或從生產管線1中分接出信號的替代方法中。在這種例子中，要依靠電感耦合，并且不能使用絕緣結合點。在發送期間，線圈201用于減少管線1中的電流，而上述的電流環路用作單匝變壓器線圈。在接收期間，在生產管線1上的信號在線圈201上感應出相應的電流，能夠檢測出該電流。這種接收方法不取決于生產管線的絕緣部分1a。這種耦合方法的優點是通過適當地選擇線圈匝數比能夠優化阻抗匹配。
圖7示出本發明的另一實施例，適用于上述類型的油井中。該實施例包括兩塊通過導電帶索302連接的鑄模301，鑄模位于可以是盒狀或非盒狀的生產管線1內。第一塊鑄模301包括含有串接于帶索302的隔離構件7的本地站303，和信號發生裝置8a，以及跨接于隔離構件7的信號測量裝置8b。每塊鑄模301有一接觸點304，用于與生產管線1的內表面相連接。
在本實施例中，可以按上述與第一實施例有關的基本上相同方法發送或接收信號。在傳輸期間，帶索302，管線1a的一部分和接觸點304形成電流環路。當由信號發生裝置8a使電流沿環路流動時，在每個接觸點304上產生管線1和地之間的電位差，允許發送信號。在接收信號期間，帶索302和接觸點304允許測量管線1上的兩縱向間隔點之間的電位差，以便能從管線1上提取信號。
在該實施例中，可以將信號發送到第一鑄模301，并從第一鑄模301發送信號。尤其是，可從該鑄模301送出信號，允許確定鑄模301的位置和/或表示由鑄模301測得的質量，例如油井的厚度。
在實施該實施例中，希望使鑄模301和生產管線1間的電傳導帶索302和接觸點304的阻抗最小化。為了清潔目的，在鑄模的周圍提供的線電刷(未顯示)可以用作接觸點304。
一種用于確定鑄模301位置的可能結構，可以在沿管道的間隔位置安排觸發器裝置，該裝置使鑄模301發送合適的信號。另一種方法用于確定信號到達管道每一端的時間差。
應當明白，無論鑄模位于管線的盒狀部分或位于非盒狀部分中，均可應用該系統。另外，該系統可用于除油井外的其他管道系統中。
在另一些替代實施例中，可以使用兩塊以上的鑄模。可以使用通過兩個傳導元件連接的三塊鑄模，并且本地單元位于中間的鑄模。這易于均衡遠離本地單元的兩個方向上的傳輸特征。
圖8示意性顯示了本發明第三實施例，該系統用于將數據從被封井內部傳輸到實際上為該井相鄰的外部位置。
參考圖8，金屬生產管線401由金屬套管403包圍著，該金屬套管403形成部分套管井。絕緣結合點407設置在管線401上，而包含發送裝置(未顯示)的內部單元408跨接在絕緣結合點407上。在離絕緣結合點407的等間隔距離處，在線管401和套管403間通常提供有環形電傳導密墊411。按選擇的間距L分隔電導密墊411，并在管線401和套管403間有良好的電連接。
在間隔對密墊411之間的生產管線401的401a部分設置有絕緣涂層409。絕緣涂層409用助于保證在密墊411之間的所有點上在管線401和套管403之間都不存在導電通路，或僅存在極差的導電通路。
外部單元413包括接收裝置(未顯示)，螺旋管415位于套管403外部，在這對間隔密墊411之間的位置上。螺旋管415圍繞在套管403周圍，并且將它安排成起電感耦合裝置的作用，這樣任何通過螺旋管的凈磁通量產生可由接收裝置(未顯示)測得的信號。
將該系統安排成能通過下述的機械結構，用于將信號從內部單元408發送到外部單元413。
生產管線401a的絕緣部分，套管403a相應的部分，和這對電導密墊411形成可通過電流的電流環路。然而，該環路是不完善的，因此有另一電流通路，并將產生損耗。可以看作經過大地的泄漏環路，要計入該損耗。
繞電流環路以及沿泄漏通路在任意瞬時的電流由圖8中的箭頭所示。Is表示流過生產管線401的絕緣部分401a的電流，Ic表示流過套管403a的相應部分的電流，而Ie表示對地的泄漏電流。
在圖8中用箭頭表示的特定瞬間，電流Is向上流向遠離絕緣結合點407的生產管線401，一部分電流通過傳導密墊411，流到套管403，但是另一部分電流繼續向上流過線401，隨后有對大地的損耗。在套管403，通路又分開，一部分電流Is繼續沿電流環路，而其余的部分沿套管403遠離電流環路，并形成對大地的泄漏。在管線401a的絕緣部分的下端，從套管來的電流Ic經各自的傳導密墊411返回到管線401，而從大地泄漏的電流Ie在此并入一起流回到絕緣結合點407。
圖9示出電流環路和對大地泄漏的簡化等效電路。部分生產管線401a，套管403a相應部分和對大地的電阻，分別由電阻Rs，Rc，Re表示。
從等效電路和上述的描述中可以看到，Is＝Ic+Ie。該公式理解為，流過生產管線401a的絕緣部分的電流Is不等于流過套管403a的相應部分的電流Ic。這依次是指存在有由流過環路的電流產生的凈磁通量。環路由螺旋管415包圍，并因此，螺旋管415與凈磁通量相關聯。因此，流過環路所存在和變化的電流可通過監視在螺旋管415中產生的信號來檢測。
因此有可能通過將合適的信號注入生產管線401，以及監視在螺旋管415中產生的信號，在內部和外部單元408，413之間進行通信。
對于這種工作技術，重要的不是所有的注入生產管線401的電流Is繼續沿電流環路流動。就是說，必須提供對大地和/或流出電流環路的重要的和合適的泄漏。實際上，因為存在油井的金屬結構剩余部分，并且因為套管403將與大地或其他導電媒質，例如海水，接觸，必然會發生這樣的泄漏。
在螺旋管415上獲得的信號電平可以通過選擇合適的設計來調節。例如，可選擇螺旋管沿管線401a的絕緣部分的位置和絕緣結合點407的位置。另外，可改變傳導密墊411間的間隙L，如可改變生產管線401a的絕緣部分的長度。其目的是通過盡可能實際地增大套管環路相對于泄漏電阻Rs的電阻Rc，來使所接收的信號達到最大值。在第一種情況，可通過增加傳導密墊間的間隙來達到。理論上，可以使傳導密墊間的間隙以達到最佳位置，因為在某種狀態增加間隙將有效地增加泄漏通路的電阻Re。然而，其他實際的考慮將妨礙達到這種最佳的電氣間隙。所選擇的密墊411的實際特征和導電性能也將改變其性能。
雖然沿著電流環路和/或絕緣部分401a的螺旋管的位置不是嚴格的，該位置移向中間部位以平衡正向和負向變化周期間產生的信號以及避免任何不需要的邊沿影響，就可能達到最好的結果。
應當注意到，該系統在沿整個油井的長度方向的生產管線401和套管403之間，不要求有絕緣，僅是沿長度方向較佳地選擇，以給出必須的傳輸特征。
雖然，參考油井的套管部分已經描述了這種技術，應當明白，該技術同樣地適用于從其他的希望從圍繞有收發器的傳導元件內發送信號的場合。例如，該系統能用于從流動管線的套管之間而不是生產管線，以及從本身提供合適內導體的流線內發送信號。
在特殊場合，該系統可以與沿圖7和參考圖7描述的管線的裝置一起使用。就是說，電流環路可以一部分流線1，兩塊鑄模301和內連接傳導帶索302形成。然后，如果在流線1的周圍提供有螺旋管，當位于鑄模301的發送裝置8a產生的信號通過螺旋管區域時，就可能檢出該信號。
應當注意到，該實施例利用如上面參考第一和第二實施例描述的相同的現象。然而，在本實施例中，在電流環路本身上發生的效應，不是使用沿生產管線和套管1，3的，遠離電流環路的泄漏電流。
還應當注意到，至少在相同的環境實行的本實施例，與前面所述的實施例相一致。這樣，系統可以沿金屬結構給遠地發送信號，并可能從套管內部到套管外部的相鄰設備發送信號。
雖然未在圖中顯示出，油井套管3通常包括螺絲固定部件。在本發明替代實施例中，套管部件間的某些或全部結合點都被處理成使井管的導電性不連續。通常通過將絕緣材料涂在結合處的連接表面來達到。該材料不損害套管密封的要求。
引進這種不連續的情況能有效地改變整個油井的電氣特性。至少在某些環境中，這將導至改善上述的相應實施例的性能。例如可以改善圖1和2中所示的傳輸系統的范圍。無論在電流環路區域，即在間隙連接之間，或在遠離該區域提供不連續，均能改善性能。趨向于將更多的信號送進管線，而不是套管內，并趨向于增加流出環路區域的信號部分。
在圖8所示系統的情況中，包含間隙連接區域中在套管部分之間的絕緣媒質，特別有助改進性能，因為它能減少套管的屏蔽影響。考慮另一方面，它傾向于增加管線-套管環路的阻抗，并因此增加流過管線的電流Is和套管的電流Ic間的電流差。
應當注意到，雖然如同上面提到的，如果在套管連接部件間存在不連續的情況，通常本實施例和本發明的功能可更好，這并不是對工作的要求。這樣，系統可以在沿套管整個長度或至少在環路區域內，套管實際上是電連續的。這對于油井的套管和任何其他管線，以及對任何圍繞在外層結構外的相應裝置，例如圖7所示實施例中的管線，都是正確的。
權利要求
1.一種數據傳輸系統，其特征在于，將一個管線系統的金屬結構被用作信號通道并且將大地被用作回路，所述系統包含用于形成信號耦合環路的裝置，所述裝置包含第一和第二導電部分，所述兩個導電部分在隔開位置互相電連接，所述金屬結構至少包含一個導電部分和一個擁有發射裝置的本地單元，用于將信號施加到一個導電部分，由此在使用中，在在環路區域的大地與金屬結構之間生成了一個電位差，此電位差使信號沿金屬結構傳播遠離環路，其中，安排用于形成環路的裝置以確保間隔位置被至少隔開一最小距離，選擇的所述最小距離用于獲得需要的傳輸特性。
2.如權利要求1所述的數據傳輸系統，其特征在于，所述管線系統包含一個內流線和一個包圍所述內流線的套管，其中一個導電部分包含一部分流線并且其他的導電部分包含所述套管的圍繞部分。
3.如權利要求2所述的數據傳輸系統，其特征在于，用于形成所述環路的裝置包含絕緣襯勢裝置，所述絕緣隔離裝置用于將流線與圍繞套管隔開以選擇的最小距離。
4.如權利要求2或3所述的數據傳輸系統，其特征在于，在所述第一和第二導電部分之間的間隔連接包含在所選擇區域外在流線和套管之間的粗略接觸。
5.如任一前述權利要求所述的數據傳輸系統，其特征在于，本地單元包含接收裝置，所述接收裝置用于接收沿金屬結構傳輸的輸入信號。
6.如權利要求5所述的數據傳輸系統，其特征在于，所述本地單元被安排為用作中繼站。
7.如任一前述權利要求所述的數據傳輸系統，其特征在于，安排所述發射裝置用于將信號基本施加到各自導電部分的中點。
8.如任一前述權利要求所述的數據傳輸裝置，其特征在于，所述發送裝置包含一個隔離元件，所述隔離元件與各自導電部分串接，所述發送裝置還包含一個信號生成裝置，所述裝置跨接于所述隔離元件。
9.如權利要求1到7中任一種權利要求所述的數據傳輸系統，其特征在于，所述傳輸裝置包含電感耦合裝置，所述電感耦合裝置放置在各自導電部分的周圍。
10.如權利要求1所述的數據傳輸系統，其特征在于，一個導電部分包含管線或流線的一部分并且所述其他導電部分至少包含一個電傳導性延長元件，所述元件至少與兩個鑄模相連，所述鑄模放置于管線或流線內，并且其中在所述鑄模上提供用于完成電流環路的間隔連接。
11.一種數據傳輸系統，其特征在于，其中一個包含產品導線和套管的油井的金屬結構被用作信號通道并且大地被用作回路，所述系統包含一個本地單元，所述本地單元擁有接收和/或發送裝置，所述裝置與導線耦合用于從所述信號通道接收信號和/或沿所述信號通道發送信號，所述系統還包含間隔襯墊裝置，安排所述間隔襯墊裝置以確保產品導線與套管在本地單元區域被相互隔開至少一最小距離，選擇所述最小距離以獲得需要的接收/發送特性。
12.如權利要求2到4和11中任一權利要求所述的數據傳輸系統，其特征在于，所述套管包含多個分隔部分，并且在相鄰部分之間的一個或多個接合處的相連表面用絕緣媒質覆蓋。
13.一種數據傳輸方法，其特征在于，其中一個管線系統的金屬結構被用作信號通道并且大地被用作回路，所述方法包含步驟安排一個信號耦合環路，所述環路擁有第一和第二導電部分，所述兩個導電部分在隔開位置互相電連接，所述金屬結構至少包含一個導電部分；將一個信號施加到一個所述導電部分，用于在環路區域內的大地與金屬結構之間生成了一個電位差，所述電位差導致使信號沿金屬結構從傳播遠離環路；以及確保所述間隔位置被至少隔開一最小距離，選擇的所述最小距離以獲得需要的發送特性。
14.與數據傳輸裝置一起使用的信號接收裝置，其特征在于，一個管線系統的金屬結構被用作信號通道并且大地被用作回路，所述系統包含一個擁有接收裝置的本地單元，還包含提供在所述本地單元與在所述金屬結構一部分上的至少兩個間隔位置之間的電接觸裝置，還包含用于確保所述兩個間隔位置被至少隔開一最小距離的裝置，選擇的所述最小距離以獲得需要的發送特性。
15.一種用于從管道系統的金屬結構中接收信號的方法，其特征在于，所述管線系統的金屬結構被用作信號通道并且大地被用作回路，所述方法包含步驟提供一個擁有接收裝置的本地單元；在所述本地單元與在所述金屬結構一部分上的至少兩個間隔位置之間提供電學接觸；以及確保所述兩個間隔位置被隔開至少一最小距離，選擇的所述最小距離用于獲得需要的傳輸特性。
16.一種用于管線系統里的數據傳輸系統，所述系統包括用于形成一信號耦合環路的裝置，其包含一部分內部導電元件和一外部導電元件的相應部分，所述兩部分在兩個間隔位置互相電學連接，所述外傳導元件包圍所述內導電構件并且它是管線系統的金屬結構的一部分；放置于所述外部元件內的內部單元，所述內部單元擁有用于將信號輸入到環路里的發射裝置；和放置于所述外部元件外的外部單元，所述外部單元包含電感耦合裝置，安排由環路里電流生成的磁通量連接所述電感耦合裝置，所述安排使在使用中所述內部元件的所述部分里流通的所述電流不匹配外部元件的相應部分里的所述電流，通過所述外部元件，在所述電感耦合裝置里生成信號，從而允許從內部單元到外部單元的通信。
17.如權利要求16所述的數據傳輸系統，其特征在于，所述間隔位置被至少隔開所選擇的最小距離，選擇的所述最小距離用于獲得需要的傳輸特性。
18.如權利要求16或17所述的數據傳輸系統，其特征在于，所述安排用于管線系統里的數據傳輸系統包含一個內傳導性流線和一個外傳導性套管，所述外部元件包含所述套管，并且所述內部元件包含所述流線。
19.如權利要求18所述的數據傳輸系統，其特征在于，所述套管包含多個分隔部分，并且在相鄰部分之間的一個或多個接合處的相連表面被絕緣媒介覆蓋。
20.如權利要求18或19所述的數據傳輸系統，其特征在于，在所述流線和套管之間的所述電學連接包含粗略接觸和/或傳導性密封器。
21.如權利要求16到20任一所述的數據傳輸系統，其特征在于，用于形成所述環路的裝置包含絕緣襯墊裝置。
22.一種用于管道系統里的數據傳輸方法，其特征在于，所述方法包含步驟形成一個信號耦合環路，所述環路包含一部分內部導電元件和一外部導電元件的相應部分，所述兩部分在兩個間隔位置互相電學連接，所述外傳導元件包圍所述內導電構件并且它是管線系統的金屬結構的一部分；從放置于所述外部元件內的內部單元將信號輸入到環路里；和將一個外部單元放置于所述外部元件外，所述外部單元包含電感耦合裝置，安排由環路里電流生成的磁通量連接所述電感耦合裝置，并且所述安排使所述內部元件的所述部分里流通的所述電流不匹配外部元件的相應部分里的所述電流，通過所述外部元件，在所述電感耦合裝置里生成信號，從而允許從內部單元到外部單元的通信。
23.如權利要求22所述的數據傳輸系統，其特征在于，所述間隔位置被至少隔開所選擇的最小距離，選擇的所述最小距離用于獲得需要的傳輸特性。
24.隨同金屬結構使用的用于提供如權利要求1到12和16到21中任一所述的系統的或者實行如權利要求13、15和22中任一所述的方法的裝置。
全文摘要
安排一個第一組裝置用于從油井(1,3)的被套管部分里的一點發送數據到遠端位置。所述裝置可以被用作中繼站(6)以增加可運行的深度。在中繼站(6)將信號應用到導線(1)上并且從導線(1)上讀取信號,并且一段選擇長度的導線(1)在中繼站的任一側配有絕緣隔離裝置(9)用于確保導線(1)和套管(3)被有效的隔開所選擇的最小距離。這使得電位差被應用到導線(1)上并且從導線(1)上可以檢查到,從而允許數據的發送和接收。安排第二套裝置(圖8)以從油井(401,403)的被套管部分里的內部單元(408)發送信號到套管(403)外的緊密包圍區域。內部單元(408)將信號輸入到導線(401)里。提供包圍所述套管(403)的一個螺旋管(415)用于拾取信號。傳導性密封器(411)提供了在管線(401)與套管(403)之間的間隔連接。在管線(401)和套管(403)里流動的電流里生成一個失配,從而螺旋管可以發現非零通量,并從而可以接收到信號。
文檔編號E21B47/12GK1372615SQ0081251
公開日2002年10月2日 申請日期2000年6月30日 優先權日1999年7月7日
發明者S·M·胡德森, D·喬因森 申請人:飛行添加燃料有限公司