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CN106795757A - 向井下装备无线传输电力 - Google Patents

向井下装备无线传输电力 Download PDF

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CN106795757A
CN106795757A CN201580046612.7A CN201580046612A CN106795757A CN 106795757 A CN106795757 A CN 106795757A CN 201580046612 A CN201580046612 A CN 201580046612A CN 106795757 A CN106795757 A CN 106795757A
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Abstract

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。

Description

向井下装备无线传输电力
技术领域
本发明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。
背景技术
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(earth property)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(formation ground)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WO 2002063341、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WO 2011087400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。
发明内容
简言之，本发明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。
本发明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。根据本发明，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是根据本发明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是根据本发明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是根据本发明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通常表示根据本发明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(guided vibratory wave)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。
能量转换器(power converter)P与钻井孔22中的油管T安装在一起并处于井下装备E所处的深度处，并且将感测到的导波能量转换成电能。电力/电能存储单元S与油管T安装在一起并处于电气装备在钻井孔中所处的深度处，用以存储由能量转换器P从感测到的导波能量转换而来的电能。
根据本发明，导波能量采取被称为兰姆波的弹性导波或振动声导波的形式。兰姆波与纵波类似，都具有压缩部分和稀疏部分，但它们都被圆柱形管壁或油管T的内板和外板或管道表面束缚，从而产生波导型效果。兰姆波的振动能量以弹性动能的形式存在，该弹性动能以管状导管T的圆柱形管壁中的粒子运动的方式在与油管T的纵向轴线平行的垂直平面中行进。这种兰姆波的导波能量由于套管或生产油管T的管状导管的几何形状和尺寸而被引导。
在根据本发明的油管类型结构中，如果兰姆声波的波长与油管尺寸相比显著，则兰姆声波被捕获。由于在边界处的连续反射，兰姆声波形成了可以在非常长的距离上传播的波包。波包的形状限定了波模式，并且不同的波模式具有不同的传播特性。导波的优点在于它们可以传播较长的距离。
地面换能器模块S由发射端(地面)处的声学发射器26(图2)的相控阵列形成，并且井下运动感测模块D由接收端(井下)处的声学接收器28的阵列组成。模块S和模块D中的声学换能器阵列由耦接至管状导管T(如上所述，可为油管、套管或钻柱)的大量(例如，8至64个)换能器形成。所使用的模块S和模块D中的换能器的数量可根据管状导管T的尺寸、声学换能器的尺寸和要被输送的电力的量而变化。
阵列S和阵列D中的每个换能器在与管状导管20的纵向轴线横切的公共面(图2)中被固定在该换能器所在安装架或安装环中与该换能器所属阵列中的其他换能器周向地间隔开的位置处。安装架24未示出在图2中，以便可以示意性地示出换能器。此外优选的是，声学发射器换能器26以相对于传输方向倾斜0°至20°的角度安装在管状导管T之上，使得兰姆声导波信号可以通过在向下方向上沿着钻井孔20的导管T的管壁来在单一方向上行进。
声学换能器26和28可由例如被称为巨磁致伸缩材料(GMM)代替压电材料制成。巨磁致伸缩材料的拉伸系数为压电材料的拉伸系数的约5倍至约8倍，并且巨磁致伸缩材料的能量密度为压电材料的能量密度的约10倍至约14倍。而且，巨磁致伸缩材料的工作频率范围较广，并且其工作温度可以高于200℃。关于巨磁致伸缩材料的更多的信息包含在例如F.Claeyssen,N.Lhermet,R.Le Letty,P.BouchiUoux,"Actuators,Transducers andMotors Based on Giant Magnetostrictive Materials,"Journal of Alloys andCompounds,Vol.258,pp.61-73,August 1997(F.Claeyssen,N.Lhermet,R.Le Letty,P.BouchiUoux,基于巨磁致伸缩材料的致动器、换能器和电机，《合金与化合物学报》，1997年8月第258卷第61-73页)中。
仰孔(uphole)声学发射器换能器26将包含在输入电信号中的能量转换成兰姆声导波。如将要描述的那样，在发射模块S处使用波束形成技术来将定向的、高功率低频率的兰姆声导波信号沿着管状导管T发射进钻井孔20中。声学换能器的工作频率可以例如为从约100Hz至约5000Hz。
发射端(或地面)处的地面换能器模块S(图1)的相控阵列中的声学发射器换能器26各自由功率放大器阵列30中的高压功率放大器驱动。阵列30中的功率放大器将低振幅信号发生器输出(5Vpp)转换为声学发射器换能器26所需的非常高振幅的驱动电压(200Vpp至l000Vpp)。例如，E类功率放大器可以用于这种目的。
阵列30中的功率放大器连接至由计算机34(其可为可编程个人计算机(PC)或现场可编程门阵列或FPGA)控制的信号发生器32。计算机34控制信号发生器32，并且使用波束形成技术来生成沿着导管T的高度定向、高功率的兰姆声导波信号。阵列30中的功率放大器将来自信号发生器32的低电压信号转换成用以驱动声学发射器换能器26的高电压高电流信号。为每一个换能器传送的总功率在50瓦特至500瓦特的范围内。信号发生器32生成其频率符合上述声学发射器的频率范围的低电压方波激励信号。
兰姆声导波信号在通过钻井孔20中的导管T的管壁向下行进后，在井下运动感测模块D处由与管状导管T相耦接的声学接收器换能器28的阵列接收。换能器28的接收器阵列位于与要被供电的井下装备E紧密相邻处。换能器28的声学接收器阵列连接至配置为作为能量收集系统进行操作的能量转换器P。能量转换器P用作井下电力调节，并且提供要被存储在井下电力存储单元S中的电力。
井下运动感测模块D中的每个声学接收器换能器28接收兰姆声导波信号中的一部分。接收的信号的量随着每个接收器换能器28而非线性地变化。接收的信号的振幅取决于传输距离、管状导管T的结构几何形状和尺寸、任何五金工具和完备硬件的存在。接收器换能器28将接收的兰姆声波信号转换成电信号。该电信号是被提供至相关联的电压倍增器40(图3)的非常低振幅的交流电压(AC)信号。根据本发明，多种常规类型的电压倍增器/整流器40可用于将AC电压转换成DC电压。一个示例是用于将AC电压转换成DC电压的多级同步电压倍增器42(图4)。多级同步电压倍增器42由将DC电压变换为更适合于存储在井下电力存储单元S中的形式的电力调节电路R的适当数量的单个倍增器级44组成。倍增器级44的数量可变，通常从3至5不等。合适的倍增器级可采取Mandal,S.；Sarpeshkar,R.,"Low-PowerCMOS Rectifier Design for RFID Applications,"Circuits and Systems I:RegularPapers,IEEE Transactions on,Vol.54,No.6,pp.1177,1188,June 2007(Mandal,S.；Sarpeshkar,R.，面向RFID应用的低功耗CMOS整流器设计，《IEEE电路和系统汇刊I：常规论文》，2007年6月第54卷第6期第1177、1188页)中所描述的类型的低电压CMOS(互补金属氧化物半导体)整流器的形式。电压倍增器级44的电路细节在图5中提供。
从能够以非常低的输入电压振幅进行操作的那些整流器中选择CMOS整流器44。在根据本发明所遇到的情况下，输入振幅非常低，并且单个级42通常不提供足够高的DC输出电压。因此，多个级42在电荷泵型拓扑中级联以增加输出DC电压。
来自接收器换能器28的输出通过泵电容器Cp从各个倍增器40并行地馈送到每个整流器级42中(图3)，并且DC输出在电压加法器46中串行地累加，以产生来自倍增器42的总输出DC电压。
电压加法器46处的输出电压具有变化的振幅，并且DC-DC转换器48以恒定电压对电力/电能存储单元S的井下电力存储装置50进行充电。使用低压差稳压器(LDO)作为DC-DC转换器48，以将变化的电压加法器输出转换为干净或低噪声的恒定输出电压。适于用作根据本发明的转换器48的低压差稳压器例如是在Paul Horowitz and Winfield Hill(1989).The Art of Electronics.Cambridge University Press,pp.343-349.ISBN 978-0-521-37095-0(Paul Horowitz和Winfield Hill(1989年)，电子学的艺术，剑桥大学出版社，第343-349页，ISBN 978-0-521-37095-0)和Jim Williams(March 1,1989)."HighEfficiency Linear Regulators"(Jim Williams(1989年3月1日)，高效线性稳压器.)中所述类型的低压差稳压器。这种类型的低压差稳压器能够以非常小的输入-输出差分电压进行操作。而且，这种低压差稳压器作为DC-DC转换器的其他优点包括更低的最小操作电压、更高效率的操作和更低的散热。
电力/电能存储单元S的井下电力存储装置50可以采取被称之为超级电容器或电化学电容器的形式，或者其可以采取能够在高压高温的井下环境中进行操作的可充电电池的形式。来自电力/电能存储单元S的输出可用于井下装备E中，以便通过能量管理开关模块52操作井下传感器模块、井下装备E的井下控制装置或井下遥感勘测模块R(图11)。能量管理开关模块52以受低电压电力切断模块54控制的开关的形式进行操作。
低电压电力切断模块54是电压传感器，其确保井下电力存储装置50中的电力存储在被用于向井下装备E中的感测/控制模块58(图9)供应电力之前被充电至最小值。当来自电力存储装置50的可用输出电力下降至某一值时，低电压电力切断模块54还利用井下装备E的感测/控制模块切断来自电力存储装置50的电力存储装置连接。因此，能量管理开关模块52和低电压电力切断模块54确保仅当电力存储装置50中存储有足够的电力时才将电力存储装置50连接至井下感测/控制模块58或井下遥感勘测模块R，否则，切断连接。
波束形成
模块S中的声学发射器换能器26的阵列与管状导管T相耦接，并且用于在沿着钻井孔20的管状导管T中发送高度定向的兰姆声导波。对声学发射器26进行操作，以使得利用强烈依赖于管状导管T的壁厚的相速度来激发特定导波模式。
在物理学中被称为分散的现象描述了以随频率改变的速度传播的波的特性。分散曲线示出了速度随频率改变的关系。为了避免使用分散声波，选择所发射的兰姆声导波的波模式的频率，从而使得速度处于分散曲线的恒定水平或平坦部分。基于导管的直径和导管管壁的厚度来为各种导管T计算并绘制分散曲线。管状导管的分散曲线的示例位于：
http://www.twi.co.uk/news-events/bulletin/archive/2008/november-december/corrosion-detection-in-offshore-risersusing-guided-ultrasonic-waves/。
使用波束形成技术来生成沿着导管的高度定向、高功率的兰姆声导波信号。波束形成是在用于定向信号发射或接收的相控传感器阵列中使用的技术。为了在发射时改变阵列的定向性，波束形成器控制每个发射器处的信号的相位、定时延迟和相对振幅，以便在波阵面(wavefront)中产生相长干涉和相消干涉的图样。因此，可以形成具有改进的信号强度和传输距离的高度定向且高功率的信号。根据特定导管的外形尺寸(直径、管壁厚度)来优化传输操作和波束形成。
模块S中的换能器26的声学发射器阵列是相控阵列，其中，通过利用计算机34控制下的信号发生器32改变激励信号的相位、振幅和定时来独立地控制每个发射器换能器。通过将时间延迟应用于被发送至模块S的阵列中的每个发射器换能器26的激励信号来将发射的能量集中在特定方向上，从而实现波束形成。
如图6中60处示意性示出的那样，发射的能量以兰姆波的形式在管状导管T的管壁中行进。在图6中，管状导管被示意性地示出为平板，并且沿导管T的平面图的上部示意性地示出了发射器换能器26。
信号发生器32在计算机34的控制下生成激励信号的延时版本，并且按照由每个换能器26产生通过管状导管T的圆柱形管壁沿着管状导管T行进并以聚焦束62形式到达的定向声束的方式，将激励信号的延时版本施加至阵列中的相邻的发射器换能器26。图7以柱状图形式示意性地示出了图6中所示的不同个体的发射器换能器26的时间延迟量64。
因此，对由单独的发射器发射的声信号进行协调，以使其相长地结合并且产生具有更大振幅的单个聚焦束声信号62(图6)。通过精确地控制声学发射器换能器26的信号之间的延时，产生各种角度、焦距和焦点尺寸的波束。可以在地面计算机34内部实现诸如延时相加之类的波束形成技术。应当理解，还可以使用其他波束形成技术。
操作
作为示例，模块S的阵列中的声学发射器26的数量是32。应当理解，这个数量可以根据传输介质的尺寸而变化。在由四个这样的发射器换能器组成的每个连续组上应用波束形成。这个数字也可以变化。这意味着按照使得单个定向兰姆声导波束来自该组的方式对由四个连续的发射器换能器26组成的每个组进行操作。因此，在该示例中，总共发送了沿着管状导管T垂直地向下行进的8个兰姆声导波束。
虽然被发送的兰姆声导波是窄波束的形式，但是由于其沿着管状导管T在钻井孔20中行进了非常长的距离，所以该波束分散。处于钻井孔20中的期望位置处的钻井孔20中的模块D的声学环形接收器阵列感测所发射的兰姆声导波束。模块D的声学接收器阵列中的声学接收器换能器28在与模块S中的声学发射器阵列相同的频率范围(约100Hz至约5000Hz)内进行操作。随后将模块D中的所有声学接收器换能器28所接收的声信号以上述方式转换成交流(AC)电压信号。使用电压倍增器阵列40中的相关联的电压倍增器来将每个声学接收器换能器28处的AC电压转换成DC电压。阵列40中的每个倍增器处的DC输出电压振幅根据接收器换能器28所接收的声信号的振幅而不同。使用电压加法器44来将阵列40中的倍增器组处的DC电压加在一起。来自DC-DC转换器48的输出电压对井下电力存储装置50进行充电，从而，可以从井下电力存储装置50中获得可用于井下装备E的电力。
多发射器阵列
在本发明的另一个实施例中，在模块S中提供了多个垂直间隔的声学发射器换能器26和126(图8)的声学相控发射器阵列。声学发射器换能器26和126和管状导管T相耦接，用以提高要沿着钻井孔20输送的用于井下装备E的操作的电力的量。虽然在图8中示出了两个这样的阵列，但是应当理解，可以提供多于两个的这种阵列。因此，如图8中所示，多相位发射器阵列可以与在管状导管T上的纵向间隔位置处彼此轴向平行的发射器换能器26和126的环形阵列一起使用。在计算机34内部实现上述波束形成技术以操作多个阵列中的发射器换能器26和126，使得各个发射器换能器26的信号的相位、定时延迟和相对振幅得到控制，从而产生如上所述的波束形成和信号的相长干涉。这增加了可通过管状导管T输送的电力的量。
通过电力信号调制数据
在本发明的另一个实施例中(图9)，可以通过连续的兰姆声导波电力波形来调制数据信号。因此，数据和电力两者都可以沿着钻井孔传输。数据信号可以包括用于井下传感器和控制装置的命令和控制信号。在图9的实施例中，油管T上的井下装置中还包括低电力控制模块58。如图10中所示，控制模块58包括解调器70、解码器72和中央控制单元74。如果井下装备中还包括与在地面处示出的信号发生器32和功率放大器阵列30一样的信号发生器和功率放大器阵列，则还可以将数据从井下传输至地面。
可以利用简单的开-关键控(OOK)调制技术来将数据调制成数字形式，其中，连续的电力信号表示一“1”，而没有信号则表示零“0”。当在井下的电力存储装置50中存储了足够的电力时，仅将数据传输至地面。还可以使用诸如频移键控(FSK)或正交振幅调制(QAM)的更复杂的调制技术来提高数据传输效率，但是，这将使解调器70和解码器72的实现更复杂。通过例如超低功耗微控制器来在地面处接收解调的数据并将其解码。
井下遥感勘测
在本发明的另一个实施例中，设备A的井下装置中包括用于将井下装备的传感器所感测的井数据传输回地面用于记录和评估的遥感勘测模块R(图11)，该设备A的其它部分与图1或图9中所示的设备相同。可以在基于声通信和/或电磁通信的无线遥感勘测系统的遥感勘测模块T中使用多种常规的遥感勘测技术。根据本发明，可使用多个常规的声和/或电磁无线钻孔遥感勘测系统。
基于声学的示例包含在以下专利中：美国专利No.5,050,132、美国专利No.5,124,953、美国专利No.5,128,901、美国专利No.5,148,408、美国专利No.5,995,449、美国专利No.5,293,937。一些基于EM的方法的示例包括美国专利No.6,272,916和美国专利No.5,941,307。
从前文可以看出，本发明提高了井下装置的无线电力传输的范围和效率。本发明提供了向电动的井下石油装备或装置(其可为传感器(比如，压力、温度和多相流量计)、控流机构、以及诸如流入物控制(ICV)的致动器或阀)传输电力的能力。
无线供电装置的可用性简化了安装的复杂度，并且降低了与这种装置的安装和修复相关的操作成本。而且，本发明还避免了在钻井孔中使用电力输送电缆时所出现的问题，比如，可靠性问题、复杂的安装过程、以及由于腐蚀和由油管柱在钻井孔中的运动导致的严重磨损而造成的电缆断裂的风险。
使用兰姆声导波的本发明提供了这样的优点：比如，由于兰姆波的较低频率而使得导管材料中对波的吸收量低。而且，由于钻井孔中的导管-流体边界处的较高的声阻抗失配，使得从导管向外泄露的兰姆波会较少。绝大部分能量会沿导管向下传播，并且能量密度的衰减会很小。
根据本发明，对于在传输距离更长的情况下的更深的油井，声能输送效率要比电磁功率传输效率高。对于发射器和接收器的给定尺寸，与基于电磁的系统相比，基于兰姆声导波的系统应当需要具有高度定向性的低得多的传输频率。因此，基于兰姆声导波的系统可以提供电力传输的高定向性、更长的传输距离和较小的系统尺寸。
已经充分地描述了本发明，使得具有本主题中的普通知识的人可以再现并获得本发明中所提到的结果。尽管如此，本发明的主题的技术领域中的任何技术人员可以实现本申请中未描述的修改，将这些修改应用于确定的结构，或者应用在该确定的结构的制造过程，所附权利要求中要求了所要求保护的主题。本发明的范围中应当覆盖这样的结构。
应当注意和理解，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的精神或范围的情况下，可以对上面详细描述的本发明进行改进和修改。

Claims (20)

1.一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，所述换能器模块包括与所述油管耦接的声学发射器换能器的环形阵列。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述换能器模块包括与所述油管耦接的声学发射器换能器的多个轴向布置环形阵列。
11.根据权利要求1所述的设备，还包括与所述井下电气装备安装在一起的用于将数据传输至地面的遥感勘测模块。
12.一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方法，包括以下步骤：
(a)在邻近所述钻井孔的井口处将电力转换成导波能量；
(b)将所述导波能量输送至所述油管；
(c)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；
(d)在所述井下电气装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；
(e)将所感测到的导波能量转换为电能；和
(f)存储从所感测到的导波能量转换而来的电能，以用作井下电气装备的操作电力。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，输送导波能量的步骤包括输送兰姆声导波能量的步骤。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述井下电气装备包括从所关注的储油层中获取数据的传感器。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括将遥感勘测数据从井下传感器传输至地面的步骤。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述井下电气装备包括控流机构。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括调节从能量转换器接收到的电能以存储在电力存储单元中的步骤。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，存储所述电能的步骤包括将所述电能存储在电容器中。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，存储所述电能的步骤包括将所述电能存储在可充电电池中。
20.根据权利要求12所述的方法，还包括将数据信号调制在被输送至所述油管的所述导波能量上的步骤。
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