CN103124831A - 在井下环境中使用的感应耦合器 - Google Patents
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Abstract
描述了在井下环境中使用的感应耦合器。在井下环境中使用的实例感应耦合器包括界定腔的主体和被放置在所述腔中的磁性材料。所述实例感应耦合器还包括邻近所述磁性材料的线圈，所述线圈是由大匝数电线形成；和被耦接到所述主体以封闭所述腔的第一金属覆盖物。所述金属覆盖物被电耦接到所述主体以形成包围所述腔的实质连续导电表面。
Description
相关申请的交叉引用
本专利要求于2010年7月5日申请的美国临时专利申请号61/361,479的权益，其内容据此以全文引用的方式并入本文。
技术领域
本专利一般涉及感应耦合器，和更具体来说，涉及在井下环境中使用的感应耦合器。
背景技术
将完井系统安装在井中以从邻近井的储液器产生烃流体(通常称为石油和天然气)或将流体注入井中。在许多情况下，完井系统包括需通电且与地表或井下控制器通信的电设备。传统上，将电缆牵引到井下位置以实现这种电通信和电力传输。另外或或者，可以将感应耦合器用于井下环境中与完井系统连接以实现井眼电设备与地面之间的能量通信和/或遥测。
附图说明
图1描绘已知感应耦合。
图2描绘实例阳型感应耦合器。
图3描绘另一个实例阳型感应耦合器。
图4描绘另一个实例阳型感应耦合器。
图5描绘另一个实例阳型感应耦合器。
图6至图8描绘实例阴型感应耦合器的不同视图。
图9和图10描绘实例感应耦合的不同视图。
具体实施方式
某些实例是在上述图中示出且在下文详细描述。在描述这些实例时，类似或相同参考数字是用于识别相同或类似元件。这些图不一定按比例绘制且为了清楚和/或简明起见，附图的某些特征和某些视图可以夸大比例或示意性地被示出。另外，已在本说明全文描述几个实例。来自任何实例的任何特征可以包括、代替或以其它方式组合来自其它实例的其它特征。
本文中所描述的实例涉及阳型和阴型感应耦合器，其被构造以在井下环境中使用和，具体来说，供烃完井组合件使用。本文所描述的实例通过使用金属层和/或套管使得被放置在感应耦合器的腔中的组件与井眼流体和/或气体隔离，该金属套管通过焊接和/或铜焊而被电耦接到感应耦合器的主体，使得该金属套管提供了包围腔的实质连续导电表面)。可以使用电子束焊接、等离子焊接、TIG焊接等进行焊接。金属套管可以实质不透气且可以不需要额外密封(例如，O-环)来防止井眼流体的渗透(例如，液体和/或气体进入腔)。在某些实例中，金属套管可以具有介于约0.1与约0.4毫米(mm)之间的厚度且可以包括诸如奥氏体镍-铬型超合金的超合金。
为了在使用金属套管来封闭腔的同时使得阳型与阴型感应耦合器可以被感应耦合，相比于已知的感应耦合器可以增加形成线圈的导电材料(例如，电线)的匝数、线圈的长度、磁性材料的长度和/或所使用的线圈的数量。更具体来说，可以改变和/或选择诸如材料类型、几何厚度等的各个参数以实现大于例如80％的耦合效率。具体来说，用于形成线圈的电线的匝数和金属套管或护套的材料类型和厚度可以被选择以实现80％的耦合效率。某些已知感应耦合器将一个线圈同时用于遥测和通电，该线圈具有约54至80匝电线或其它合适导电材料，而本文中所描述的实例感应耦合器可以使用各自具有比已知感应耦合器实质更大的匝数的两个线圈。对于本文中所描述的两个线圈实例来说，线圈中的一个可以用于遥测且可以具有约200匝至400匝，而另一个线圈可以用于通电且可以具有约1,000匝至10,000匝。然而，可以使用任何其它匝数和/或可以将任意其它线圈数(例如1、2、3等)与本文中所描述的实例连用以使得多于30％和/或多于50％的所产生电流通向邻近耦合器(例如，大于30％和/或50％和/或80％耦合效率)。因为用于通电的线圈可以具有相对高的匝数，所以电力可以在相对低频率下传送。此外，由于用于遥测的线圈上的匝数和/或包围这个线圈的金属套管，遥测可以在较高频率下传送。用于该线圈的电线或其它导电材料可以是具有约0.65mm的直径或任何其它合适厚度的绝缘化铜线。换句话说，本公开的目的是使线圈和/或耦合器达到大匝数以克服由金属套管引起的短路、损耗或电路径，从而实现具有至少50％和/或80％效率的线圈和/或耦合器。
为了使得感应耦合器的磁性材料、线圈和/或主体具有类似热膨胀特性，放置该磁性材料和线圈的腔可以用填充物填充。该填充物可，例如，包括树脂、涂漆、环氧树脂、不导电流体、介电油和/或纤维玻璃。在填充物是流体和/或油的实例中，金属套管和/或感应耦合器主体的一部分可以包括金属波纹管和/或压力补偿构件以调节和/或补偿因井下环境的温度和/或压力变化所导致的流体和/或油体积变化。
本文中所描述的感应耦合器还可以包括邻近金属套管外表面的二级层和/或套管以保护该金属套管免于当放置在井下环境中时损坏。该额外层可以是界定一个或多个沟槽的不导电材料或二级金属层或套管(例如，笼、带沟槽的笼等)。如果该额外层是二级金属套管，那么可以将绝缘和/或隔离层(例如，纤维玻璃)放置在该金属套管与该二级金属套管之间以实质防止在该金属套管与该二级金属套管之间形成导电路径。
图1描绘包括阳型耦合102和阴型耦合104的已知感应耦合器100。为了使得该阳型耦合102能够落入和/或被放置在该阴型耦合104内，该阳型耦合102具有小于该阴型耦合104的内径的外径。为了使得电力和/或信息能够通过阳型与阴型耦合102与104之间的感应来传达，该阳型耦合102包括与阴型耦合104的线圈110和磁芯112匹配的线圈106和磁芯108。
在实践中，通过使电流流动通过线圈106和/或110中的一个创建磁场114，该磁场感生电流流过线圈106和/或110的另一个线圈。然而，这种已知构造使线圈106和/或110及磁芯108和/或112暴露于井眼流体，这可能降低感应耦合器100的寿命和/或有效性。其它已知实例可以使用弹性体、塑料或陶瓷附件使得至少在开始时防止线圈106和/或110及磁芯108和/或112暴露于井眼流体。然而，这些已知实例也存在缺陷。例如，随着时间流逝，弹性体和/或塑料附件可以透气且需要易磨损和泄漏的密封(例如，O-环)。
图2描绘具有界定凹槽或腔204的主体或芯棒202的实例阳型感应耦合器200。该主体202可以呈圆柱形且由诸如超合金(例如，
935)的金属材料制成且凹槽或腔204可以采取围绕主体202的圆周方式界定。可以将磁芯或材料206、线圈208、垫片210和212及填充物214放置在腔204内且金属覆盖物或套管216可以封闭腔204。在某些实例中，可以将纤维玻璃织物或材料217放置在主体202、磁芯206、线圈208、填充物214和/或金属覆盖物216之间。被放置在主体202、磁芯206、线圈208、填充物214和/或金属覆盖物216的任一个之间的纤维玻璃材料217可以具有类似或不同织法、重量比率、纤维支数和/或厚度。该纤维玻璃材料217可以是纤维玻璃E且可以用氨基硅烷和/或FT970氨基硅烷涂布。
金属覆盖物216可以通过焊接或铜焊218被耦接到主体202，以使得金属覆盖物216电耦接到主体202。金属覆盖物216可以具有介于约0.1mm与约0.5mm之间的厚度或任何合适厚度且可以由具有相对低导电率的金属材料制成。金属覆盖物216可以由包括镍、钼、铬、钴、铁、铜、锰、钛、锆、碳、钨、奥氏体、碳、硅、硫、磷、铌、钽和/或铝的超合金制成。在某些实例中，金属覆盖物216可以由
合金600和/或
制成。
磁芯206可以具有约200mm的长度和线圈208可以具有约150mm的长度。在这些实例中，线圈208可以被至于磁芯206中心使得线圈208的末端220分别被放置在离磁芯206的末端22225mm处。然而，磁芯206和/或线圈208可以采取不同方式放置且可以取决于腔204的长度而具有任何其它长度。磁芯206可以由铁素体(例如，MN80铁素体)制成且可以包括一个或多个工件和/或片段。线圈208可以包括多数匝电线，诸如200匝至10,000匝或任何其它合适匝数。虽然图2描绘具有一个层的线圈208，但是线圈208可以具有任何其它层数(例如，1、2、3等)。在线圈包括多个层的实例中，可以将纤维玻璃织物或材料放置在这些层之间。电线可以是具有约0.65mm的直径或任何其它合适直径的绝缘化铜线(例如，铜和瓷釉，铜线占80％(按体积算))。在某些实例中，将感应耦合器200构造成同时传达电力和遥测。然而，在其它实例中，将感应耦合器200用于通电或遥测中的一种。
垫片210、212可以用来使磁芯206相对于主体202而固定，以增大感应耦合器200的效率和/或使线圈208与主体202所产生的磁场之间的相互作用减至最小。垫片210、212可以由不导电材料(诸如聚醚醚酮(PEEK)、玻璃和/或环氧树脂)制成。
为了使主体202、磁芯206、线圈208和/或金属覆盖物216之间的腔204内的空间或空隙减至最小，可以将填充物214添加到该腔204。填充物214可以具有相对低热膨胀值，诸如在约14ppm与46ppm之间。填充物214可以由如下相对低导电率材料制成：诸如囊封剂、绝缘材料、导热环氧囊封剂、导热绝缘环氧树脂、黏结剂、涂漆、不导电流体、介电油、非金属材料和/或纤维玻璃。在某些实例中，填充物214可以包括Epoxy LY8615、
等。在其它实例中，可以将诸如硅砂粉、玻璃、金刚石、陶瓷的材料(低膨胀材料)添加到填充物214，以减小或匹配腔的热膨胀。
在填充物214包括涂漆和环氧树脂的实例中，可以将涂漆添加到腔204以填充线圈208匝线之间的空间或空隙且可以将环氧树脂添加到腔204以填充主体202、磁芯206、线圈208和/或金属覆盖物216之间的空间。另外或或者，可以将填充物224添加(例如，在真空下注入)到主体202内部。填充物224可以保护主体202免受损坏和/或填充主体202内的空间。填充物224可以包括树脂、环氧基树脂、胺环氧基树脂、耐氟硅溶剂密封剂、耐高温和化学树脂、Amine Epoxy8615、Fluorosilicon Dow
等。
图3描绘类似于感应耦合器200的实例阳型感应耦合器300。然而，与感应耦合器200不同的是，图3的感应耦合器300包括具有波纹管或压力补偿构件304的实例金属片或套管302。波纹管304可以包括耦接在一起以使得感应耦合器300更好地补偿井下环境中的压力和/或温度变化的多个隔膜。例如，如果填充物214是流体和/或油，那么波纹管304可以使得感应耦合器300能够补偿井下环境中的流体和/或油体积改变。
图4描绘类似于感应耦合器200的实例阳型感应耦合器400。然而，与感应耦合器200不同的是，图4的感应耦合器400包括邻近金属覆盖物216的外表面的不导电材料层或套管402。该层402可以保护金属覆盖物216免受井下环境的物理损坏和/或影响。感应耦合器400的主体或芯棒406可以界定凹槽或腔408，其中层402被放置其中以以使层402相对于主体406而固定。该不导电材料可以是具有任何合适厚度的聚醚醚酮、聚醚酮、氟弹性体、全氟弹性体、陶瓷等。
图5描绘类似于感应耦合器200的实例阳型感应耦合器500。然而，与感应耦合器200相比，图5的感应耦合器500包括可以包围和/或实质包围金属覆盖物216的带沟槽二级金属层或套管502。该二级金属套管502的沟槽可以按大小分类和/或具有防止或抑制在套管502中形成电路径的长度。因此，套管502被防止提供外加电流路径。具体来说，沟槽的长度应为线圈的长度加一段距离。这段距离可以取决于沟槽数而被减小。例如，随着金属套管502中的沟槽数增加，该距离可以制得越短-反之亦然。二级金属套管502可以通过焊接或铜焊504被耦接到主体502且可以保护金属覆盖物216免受井下环境的物理损坏和/或影响。焊接504可以从焊接218分隔以实质防止在套管502与覆盖物216之间形成导电路径。该二级金属套管502可以具有比金属覆盖物216的厚度大的厚度且可以由具有相对低导电率的金属和/或包括镍、钼、铬、钴、铁、铜、锰、锆、碳、钨、奥氏体、碳、硅、硫、磷、钛、铌、钽和/或铝的超合金制成。在某些实例中，隔离或绝缘层(例如纤维玻璃)506可以被放置在二级金属套管502与金属覆盖物216之间以实质防止在套管502与覆盖物216之间形成导电路径。
图6描绘包括第一阴型感应耦合器602和第二阴型感应耦合器604的实例阴型感应耦合器组合件600。该第一感应耦合器602可以用于传达和/或接收来自相对第一阳型感应耦合器的通信和/或遥测，且第二感应耦合器604可以用于传达和/或接收来自相对第二阳型感应耦合器的电力。
感应耦合器组合件600包括界定第一凹陷、凹槽或腔606和第二凹陷、凹槽或腔608的主体601。第一感应耦合器602的组件可以被放置在第一凹槽或腔606中且第二感应耦合器604的组件可以被放置在第二凹槽或腔608中。第一和第二感应耦合器602和604的组件可以包括线圈610和612、磁性材料614和616及垫片618和620。内表面622和624可以分别是可以铜焊、焊接或以其它方式被耦接到主体601的金属套管或覆盖物625和627的表面。凹槽或腔606和/或608可以用如上描述的填充物628填充且可以将覆盖物626(以最佳方式出示于图7中)和/或金属套管625和/或627耦接(例如，电耦接)到主体601。在某些实例中，可以将带沟槽二级金属层或套管630、632插入外壳601中或成为其一部分以保护金属套管或覆盖物625和627。因此，耦合器组合件600还可以包括在金属套管或覆盖物625和627与套管630、632之间的一个或多个绝缘层以防止短路或额外能量损耗。
图7描绘不具有覆盖物626的阴型感应耦合器组合件600的一部分的透视图。如图示出，感应耦合器602和604的每一个可以包括由多个不同片段或工件制成的磁性材料614和616。另外，感应耦合器602和604的每一个可以包括线圈610和612，这些线圈可以包围主体601和/或分在凹槽或腔606和608中的金属套管625和/或627。在某些实例中，纤维玻璃织物或材料和/或环氧树脂等702可以被放置在主体601、金属套管625和/或627、线圈610和/或612、磁性材料614和/或616、填充物628和/或覆盖物626之间。
图8描绘具有覆盖物626的阴型感应耦合器组合件600的一部分的透视图。覆盖物626可以采用任何合适方法(诸如焊接和/或铜焊)耦接到主体601且可以用来维持感应耦合器组合件600内的压力和/或张力。覆盖物626可以由非金属材料和/或包括镍、钼、铬、钴、铁、铜、锰、锆、碳、钨、奥氏体、碳、硅、硫、磷、钛、铌、钽和/或铝的超合金制成。在某些实例中，覆盖物626可以由
合金600和/或
935制成。
图9描绘包括阴型感应耦合器902和阳型感应耦合器904的实例感应耦合900。为了使得阳型感应耦合器904能够落入和/或被放置在阴型感应耦合器902内，阳型感应耦合器904可以具有小于阴型感应耦合器902的内径的外径。阳型和阴型感应耦合器902和904包括主体906和908，其界定供相对线圈914和916及相对磁性材料918和920被放置的凹陷、凹槽或腔910和912。金属覆盖物922和924分别被耦接到主体906和908以提供包围凹槽或腔910和912的实质连续导电表面。在实践中，可以通过使电流流过线圈914和/或916的一个线圈产生磁场，该磁场感生电流流过线圈914和/或916的另一个线圈。
图10描绘感应耦合900。如示出，阳型感应耦合器904包括被耦接到主体908内表面的金属覆盖物924。
虽然已在本文中描述了某些实例方法、装置和制造物件，但是本专利的涵盖范围不局限于此。相反，本专利涵盖属于随附权利要求的范围内的字面或等效内容的教义下的全部方法、装置和制造物件。
Claims (24)
1.一种在井下环境中使用的感应耦合器，所述感应耦合器包括：
界定腔的主体；
被放置在所述腔中的磁性材料；
邻近所述磁性材料的线圈，所述线圈由大匝数电线形成；和
被耦接到所述主体以封闭所述腔的第一金属覆盖物，所述金属覆盖物被电耦接到所述主体以形成包围所述腔的实质连续导电表面。
2.根据权利要求1所述的感应耦合器，其中所述第一金属覆盖物是通过焊接或铜焊中的至少一种被耦接到所述主体。
3.根据权利要求1所述的感应耦合器，其还包括邻近所述第一金属覆盖物的外表面的不导电材料层。
4.根据权利要求1所述的感应耦合器，其还包括界定一个或多个沟槽的第二金属覆盖物和隔离层，所述隔离层被放置在所述第一金属覆盖物与所述第二金属覆盖物之间。
5.根据权利要求4所述的感应耦合器，其中所述隔离层旨在实质防止在所述第一金属覆盖物与所述第二金属覆盖物之间形成导电路径。
6.根据权利要求4所述的感应耦合器，其中所述第二金属覆盖物包括套管。
7.根据权利要求1所述的感应耦合器，其中所述第一金属覆盖物具有介于约0.1毫米与0.5毫米之间的厚度。
8.根据权利要求1所述的感应耦合器，其还包括被放置在所述主体、所述磁性材料、所述线圈或所述第一金属覆盖物中的至少两个之间的纤维玻璃材料。
9.根据权利要求1所述的感应耦合器，其中所述主体界定用树脂填充的内部。
10.根据权利要求9所述的感应耦合器，其中所述树脂包括耐高温和耐化学品的材料。
11.根据权利要求1所述的感应耦合器，其还包括填充物，所述填充物用来填充所述主体、所述磁性材料、所述线圈和所述第一金属覆盖物之间的一个或多个空间。
12.根据权利要求11所述的感应耦合器，其中所述填充物使得所述主体、所述磁性材料和所述线圈具有类似热膨胀特性。
13.根据权利要求1所述的感应耦合器，其还包括涂漆和树脂，其中所述涂漆填充匝线之间的空间且其中所述树脂填充所述主体、所述磁性材料、所述线圈或所述第一金属覆盖物中的至少两个之间的空间。
14.根据权利要求1所述的感应耦合器，其中所述线圈包括多个线圈层。
15.根据权利要求14所述的感应耦合器，其还包括在至少第一与第二线圈层之间的纤维玻璃织物。
16.根据权利要求1所述的感应耦合器，其中所述主体包括金属材料。
17.根据权利要求1所述的感应耦合器，其中所述磁性材料包括一个或多个磁性片段。
18.根据权利要求1所述的感应耦合器，其中所述电线匝数包括约200匝至10,000匝。
19.根据权利要求1所述的感应耦合器，其中所述线圈是由所述匝数的电线形成以使得由所述线圈产生的电流的多于30％通向另一感应耦合器。
20.根据权利要求1所述的感应耦合器，其中所述电线匝数和所述第一金属覆盖物的厚度是被选择以提供大于80％的耦合效率。
21.一种在井下环境中使用的感应耦合器，所述感应耦合器包括：
界定腔的主体；
被放置在所述腔中的磁性材料；
邻近所述磁性材料的线圈，所述线圈是由大匝数导电材料形成；和
焊接或铜焊到所述主体以封闭所述腔的金属套管。
22.根据权利要求21所述的感应耦合器，其还包括金属波纹管或压力补偿构件以使得所述感应耦合器能够调节以适应所述井下环境中的压力或温度变化。
23.根据权利要求21所述的感应耦合器，其中所述金属套管被构造以补偿在所述井下环境中的压力或温度变化。
24.一种在井下环境中使用的感应耦合器，所述感应耦合器包括：
至少部分地界定腔的主体；
被放置在所述腔中的磁性材料；
邻近所述磁性材料的线圈，
非金属填充物，其用来填充所述主体、所述磁性材料和所述线圈之间的一个或多个空间；和
邻接所述非金属填充物且被耦接到所述金属主体以封闭所述腔的金属覆盖物，所述金属覆盖物实质不透流体。
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