CN103498667A

CN103498667A - 一种用于有杆采油井的井下参数传输***

Info

Publication number: CN103498667A
Application number: CN201310484707.XA
Authority: CN
Inventors: 王中宇; ***; 李丹
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2033-10-16
Also published as: CN103498667B

Abstract

本发明属于计量测试技术领域，涉及一种有杆采油井井下参数传输***，利用瞬变电磁传输井下参数的方法，提供一种高速、实时传输有杆采油井井下参数的传输***，解决深井条件下井下传感器参数无法实时传输的问题。井下发射部分由井下发射控制组件、长接头舱、发射线圈、铁芯和短接头舱组成，井下发射部分包含井下发射控制组件、长接头舱、发射线圈、铁芯和短接头舱；地面接收处理部分包含接收线圈、前置放大器、可变增益放大器、瞬变电磁信号取样积分电路、A/D转换、数字滤波器和数据分析处理终端；***的设备组成简单、容易制造和安装，能够在超过4000米深油井实现井下参数实时传输，且传输速度大于1kb/s。

Description

一种用于有杆采油井的井下参数传输***

技术领域

本发明属于计量测试技术领域，涉及一种有杆采油井井下参数传输***，可将油井地层以下指定部位诸如温度、压力以及抽油杆受力状况等参数实时传输至井口，满足地面实时分析、处理需求。

背景技术

在当今采油工程中，有杆采油井在机械采油中所占比例高达90%以上，虽然近些年来出现了无杆采油井，但是依然难以撼动有杆采油井的主导地位。随着石油消耗剧增，石油资源开发加快，并且向着深层、复杂地层掘进，复杂工况导致有杆采油***故障率大大增加。近些年来，伴随油田勘探开发的不断深入，油井深度不断刷新，目前已经出现达万米的深油井，这种情况下井下采油设备工况变得更加恶劣，出现故障几率增大，以抽油杆为例，深井条件下抽油杆遇到的大斜度、大深度和高磨损加剧其磨损，其发生腐蚀、磨蚀、脱和疲劳断裂的几率较一般油井高出40%以上，虽然目前关于抽油杆力学参数与磨损检测装置不少，并且都能很好的反应抽油杆状况变化，但由于油井深度和环境的局限，这些宝贵数据无法实时传到井口，通用做法是将油井停产，然后取出位于数千米深处的测量装置，连接上位机，导出存储数据，这使得每次检测都要耗费大量的资金，另外是否要停产导出检测数据完全靠技术人员经验判断，这种情况下错过发现故障的最佳时间也就不足为怪。因此努力找到一种可靠的实时井下数据传输办法是众多国内外石油公司研发部门梦寐以求的一项关键技术。

有线传输本应是传输数据最可靠的方式，但是由于抽油杆是套在油管内，且油管内径通常小于52mm，杆外径为48mm左右，油管与油杆之间缝隙很小，并且抽油杆在工作时上下冲程运动距离通常为2～3米，并且伴有强烈摩擦，这种工况下传输线很容易被磨断，所以布置信号线传输参数的方案是不可靠的。

无线传输被认为解决抽油杆井下测量信息实时传输的最理想途径，目前有关井下无线传输的常用方法有二种：一种为泥浆或水脉冲遥测技术，另一种为电磁波随钻遥测技术。其中泥浆或水脉冲技术是用机械的方法瞬时堵塞或开启泥浆或水流流动通道产生液压脉冲，通过液压脉冲来传递数据，该技术已经成熟应用于钻井数据传输，该技术的缺点是数据传输速度慢，并且只有在泥浆或水正常流动时才能工作，而现实条件部分油井无法产生流动泥浆或液体，进而无法在所有采油井中推广，且目前该方式在油井中的可靠传输距离小于2000m；就电磁波随钻遥测技术而言，其单一电磁信号传输井下抽油杆测量信息时，由于受到衰减、噪声和多径效应等因素影响，信号出现失真或差错现象严重，在大斜度井和水平井中这种影响尤为显著，目前该方式的可靠传输距离不足1000m。

总的来说，国内外在有杆采油井井下参数实时传输方面还处于起步阶段，急需出现新的解决方案。关于油井井下参数实时传输问题已是众多采油技术人员亟待解决的一项技术难题。

发明内容

1、本发明的目的是：以地层为信号传播导体，利用瞬变电磁传输井下参数的方法，提供一种高速、实时传输有杆采油井井下参数的传输***，解决深井条件下井下传感器参数无法实时传输的问题。

2、本发明的技术方案是：一种用于有杆采油井井下参数传输***，由井下发射部分和地面接收处理部分组成。井下发射部分由井下发射控制组件、长接头舱、发射线圈、铁芯和短接头舱组成，地面接收处理部分包含接收线圈、前置放大器、可变增益放大器、瞬变电磁信号取样积分电路、A/D转换、数字滤波器和数据分析处理终端，它们之间的关系是：长接头舱和短接头舱通过螺纹密封连接形成井下发射部分的机体，然后通过螺纹与抽油杆连接，使井下发射部分在深井中具有稳定和可靠的工作环境，长接头舱和短接头舱内部所组成的稳定空腔用于安装对工作环境要求较高的井下发射控制组件、发射线圈和铁芯，井下发射控制组件从传感器获取参数信号，经过调理、转换处理，形成数字信号，并将数据存储于井下大容量存储器以备份，同时将数据进行载频、调理、信号放大等处理，形成双极性矩形波激励信号并传输给发射线圈，发射线圈缠绕在铁芯外部，铁芯未绕线端经过绝缘处理后***短接头舱内，组成可靠的地下低频发射构成，将井下发射控制组件产生的双极性矩形波的激励信号转化为有用电磁信号发射出去，电磁信号穿过油管和套管传输至地层，以地层为导体传输至地面，地面接收处理部分通过埋藏在地表油井口附近的接收线圈，捕获来自地层深处的低频瞬变电磁信号，依次经过前置放大器、可变增益放大器、积分采样电路、A/D转换、数字滤波器和数据分析处理终端等处理后，得到井下传输的参数。

所述的井下发射部分包含井下发射控制组件、长接头舱、发射线圈、铁芯和短接头舱，长接头舱和短接头舱通过螺纹密封连接形成井下发射部分的机体，其内腔涂隔热层，减小油井高温对机体内部空腔的影响；机体通过螺纹与抽油杆连接，为井下发射部分在深井中创造稳定和可靠的发射环境，机体内部空腔安装井下发射控制组件、发射线圈和铁芯；井下发射控制组件从传感器获取参数信号，经过调理、转换处理，形成数组信号，将数据存储于井下大容量存储器以备份，同时将数据进行载频、调理、信号放大等处理，形成双极性矩形波的激励信号；发射线圈主要作用是实现能量转化，为了增强发射信号强度，采用多匝数小线圈，安装时要求在发射线圈内部放置铁芯，并发射线圈缠绕在铁芯上，铁芯一段经过绝缘处理后***短接头舱，形成可靠的地下发射构成，将井下发射控制组件产生的双极性矩形波的激励信号转化为有用信号并发射至地层中。

所述的井下发射控制组件由FPGA控制器、大容量存储器、大容量蓄电池、电源控制电路、信号调理电路、A/D转换器、发射数模转换、功率放大器和发射开关电路组成。FPGA控制器为井下发射部分的中枢神经，负责向大容量存储器备份要发射传感器参数、协调大容量蓄电池满足***组成部分的电力需求以及控制井下发射部分与外界的数据交换，另外其还负责设定井下发射部分的发射频率和待机时间，并且依据地层电阻率调节发射频率以及发射信号的强度；大容量存储器用于存储已经或是将要发射传输的参数，起数据备份的作用，当抽油杆从油井中取出检修的时候，可从井下发射部分导出已经传输数据，与已经接受数据比对，修正接受的数据并依此判断传输***的状况；大容量蓄电池为井下发射部分的能量源，负责提供各个组成部分的电力供应，宜使用容量大、体积小的锂电池；电源控制电路依据各个部分的电压需求，负责提供需求的电力供应，另外对井下发射部分的工作电源应严格管理以实现低功耗、长时间工作；信号调理电路负责将来自井下传感器输出的模拟电压信号转换为FPGA控制器要求的范围，之后经过A/D转换器将模拟信号变换为数字信号，传输至FPGA控制器共处理；发射数模转换将FPGA控制器输出的数字信号转换为模拟信号；功率放大器用于增大激励信号强度，***具有较深的传输能力的保证来源于发射线圈产生的信号强度，本***解决这一问题的方法之一就是加大发射***发射电流强度，而这正是设置功率发达器的目的；发射开关电路是瞬变电磁传输法的核心部分，由四个场效应晶体管及发射线圈组成控制桥路组成，主要进行电能转换、实现双极性矩形波的输出。

所述的发射线圈在本***中的主要作用是实现能量转化，将激励源产生的瞬变信号转化为有用信号并发射至地层中；发射线圈材料选用线直径为0.3mm左右的铜导线，用漆包线绕制；发射线圈设计为多匝小线圈，匝数为50～100匝；在发射线圈内部放置铁芯增强发射信号强度，铁芯一端经过绝缘处理后***短接头舱小孔内，形成可靠的地下发射单元。所述的长接头舱与短接头舱的两端都具有螺纹用于他们之间相互组合以及与抽油杆连接，形成井下发射部分的机体，由于井下发射部分需要长期工作于井下，并且井下工作空间有限、工作环境十分恶略，有高温、高压以及较强的腐蚀性等，所以机体的好坏直接影响井下发射部分可靠性与稳定性。

所述的地面接收处理部分包含接收线圈、前置放大器、变增益放大器、瞬变电磁信号取样积分电路、A/D转换、数字滤波器和数据分析处理终端。井下发射部分发射出的瞬变电磁以大地作为传播导体向地面传播，其产生的瞬变电磁信号具有较宽的频谱，同时包含低频和高频成分，而高频成分信号在透过油管穿越套管时会被金属材料的套管所屏蔽一部分，在地层中会消耗剩下部分，传到地面时高频成分所剩无几，但信号中的低频成分能够有效穿透套管进入地层进而传输至地面，沿着地层传输的瞬变低频电磁信号会在油井附近形成电势差，通过地面油井附近埋藏接收线圈捕捉低频电磁信号；前置放大器包括电磁信号通道的信号调理器和干扰信号的信号调理器，用于对电磁信号和干扰信号的调理，滤除工频干扰，进行抗混叠滤波；变增益放大器通过改变接收增益，调整所接受的变低频信号动态变化范围，使接收信号的功劳趋于稳定，以便信号采样提取；瞬变电磁信号取样积分电路为地面接收处理部分的关键一环。为了将接收信号可靠的记录下来，要求***具有较高的灵敏度，但由于瞬变电磁晚期信号量级已达微伏级甚至更低，所以接收机的实际接收精度至少要达到这个水平，由于油气井瞬变电磁装置中通常使用占空比为1的双极性脉冲电流作为激励源，所以接收线圈上产生的原始信号也为双极性信号，这样经过瞬变电磁信号取样积分电路处理后的输出值对于有用信号而言将得到累加的结果，而对于慢衰变的噪声信号而言，由于正、负半周期内的采样值符号相反，两者相加将互相抵消，从而大大降低了干扰电平，取样门由周期性触发脉冲控制，从而将多个周期的瞬变电磁响应信号逐次累加保持下来；A/D转换用于将取样后的模拟信号转换为数字信号；数字滤波器用于滤除超低频成分以及少量残留的高频成分所产生的影响；数据分析处理终端包含对井下传输的参数进行还原处理、分析、打印和存储。

3、本发明的优点：

（1）瞬变低频电磁传输在地层中具有较强的穿透性，且信号传输稳定性好，使的本***能够在超过4000米深油井实现井下参数实时传输，且传输速度大于1kb/s；

（2）设备组成简单，容易制造、安装，且由于井下发射部分与抽油杆连接，近似取代节箍的连接作用，因此安装本传输***不需要对抽油装置进行适应性改造，更不会对油井抽油工作产生干扰。

附图说明

图1为井下发射部分主要组件的外形结构；

图2为井下发射部分主要组件的外形结构的A-A剖视示意图；

图3传输***的组成；

图4为发射开关桥路；

图5为接收积分采样电路

图中符号说明如下：

1—井下发射控制组件；2—长接头舱；3—发射线圈；4—铁芯；5—短接头舱；6—抽油杆；7—接收线圈；8—前置放大器；9—可变增益放大器；10—瞬变电磁信号取样积分电路；11—A/D转换器；12—数字滤波器；13—数据分析处理终端；14—极性开关；15—前置运算放大器；16—门；17—触发

101—FPGA控制器；102—大容量存储器；103—大容量蓄电池；104—电源控制电路；105—信号调理电路；106—传感器信号；107—A/D转换器；108—发射数模转换；109—功率放大器；1010—发射开关电路

具体实施方式

为了使本领域的一般技术人员能够清楚理解本发明的技术方案，现结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

一种用于有杆采油井井下参数传输***，由井下发射部分和地面接收处理部分组成。如图1所示，井下发射部分外形如抽油杆节箍，呈圆筒状，两端连接抽油杆6，内部安装对环境要求严格的电子器件；如图2所示，井下发射部分由井下发射控制组件1、长接头舱2、发射线圈3、铁芯4和短接头舱5组成，长接头舱2和短接头舱5通过螺纹密封连接形成井下发射部分的机体，然后通过螺纹与抽油杆连接，长接头舱2和短接头舱5内部所组成的稳定空腔用于安装对工作环境要求较高的井下发射控制组件1、发射线圈3和铁芯4。

所述的发射线圈3在本***中的主要作用是实现能量转化，将激励源产生的瞬变信号转化为有用信号并发射至地层中；发射线圈3材料选用线直径为0.3mm左右的铜导线，用漆包线绕制；发射线圈3设计为多匝小线圈，匝数为50～100匝；在发射线圈3内部放置铁芯4增强发射信号强度，铁芯4一端经过绝缘处理后***短接头舱5小孔内，形成可靠的地下发射单元。

如图3所示，所述的井下发射控制组件由FPGA控制器101、大容量存储器102、大容量蓄电池103、电源控制电路104、信号调理电路105、A/D转换器107、发射数模转换108、功率放大器109和发射开关电路1010组成。FPGA控制器101为井下发射部分的中枢神经，负责向大容量存储器102备份要发射传感器参数、协调大容量蓄电池103满足***组成部分的电力需求以及控制井下发射部分与外界的数据交换，另外其还负责设定井下发射部分的发射频率和待机时间，并且依据地层电阻率调节发射频率以及发射信号的强度；大容量存储器102用于存储已经或是将要发射传输的参数，当抽油杆从油井中取出检修的时候，可从井下发射部分导出已经传输数据，与已经接受数据比对修正接受的数据并依此判断传输***的状况；大容量蓄电池103为井下发射部分的能量源，负责提供各个组成部分的电力供应，使用容量大、体积小的锂电池；电源控制电路104依据各个部分的电压需求，负责提供需求的电力供应，另外对井下发射部分的工作电源应严格管理以实现低功耗、长时间工作；信号调理电路105负责将来自井下传感器输出的模拟电压信号转换为FPGA控制器要求的范围，之后经过A/D转换器将模拟信号变换为数字信号，传输至FPGA控制器共处理；发射数模转换108将FPGA控制器输出的数字信号转换为模拟信号；功率放大器109用于增大激励信号强度，***具有较深的传输能力的保证来源于发射线圈产生的信号强度，本***解决这一问题的方法之一就是设置功率发达器增大发射***发射电流强度；信号调理电路105、A/D转换器107、发射数模转换108、功率放大器109均可采用已知技术。

所述的发射开关电路1010是瞬变电磁传输的核心部分，主要进行电能转换、实现双极性矩形波的输出，如图4所示，它由四个场效应晶体管k1～k4及发射线圈R_L组成控制桥路组成，当k1和k4组成的桥路导通时，发射线圈中的电流为正，当k2和k3组成的桥路导通时，发射线圈中的电流为负，当两组桥路交替导通时，发射线圈就会出现正负交替的电流，另外由于金属套管对电磁波存在屏蔽作用，这就要求发射功率足够大，本***的发射线圈的发射电流幅度应限制在1A～3A，为了实现大电流发射和快速关断，k1、k2、k3和k4选用场效应晶体管。

如图3所示，所述的地面接收处理部分包含接收线圈7、前置放大器8、可变增益放大器9、瞬变电磁信号取样积分电路10、A/D转换11、数字滤波器12和数据分析处理终端13。井下发射部分发射出的瞬变电磁以大地作为传播导体向地面传播，其产生的瞬变电磁信号具有较宽的频谱，同时包含低频和高频成分，而高频成分信号在透过油管穿越套管时会被金属材料的套管所屏蔽一部分，在地层中会消耗剩下部分，传到地面时高频成分所剩无几，但信号中的低频成分能够有效穿透套管进入地层进而传输至地面，沿着地层传输的瞬变低频电磁信号会在油井附近形成电势差，通过地面油井附近埋藏接收线圈7捕捉低频电磁信号；前置放大器8包括电磁信号通道的信号调理器和干扰信号的信号调理器，用于对电磁信号和干扰信号的调理，滤除工频干扰，进行抗混叠滤波；变增益放大器9通过改变接收增益，调整所接受的变低频信号动态变化范围，使接收信号的功劳趋于稳定，以便信号采样提取；A/D转换11用于将取样后的模拟信号转换为数字信号；数字滤波器12用于滤除超低频成分以及少量残留的高频成分所产生的影响；前置放大器8、可变增益放大器9、A/D转换11、数字滤波器12均可采用已知技术；数据分析处理终端13前置放大器8、可变增益放大器9、A/D转换11、数字滤波器12均可采用已知技术；数据分析处理终端13包含对井下传输的参数进行还原处理、分析、打印和存储。

所述的瞬变电磁信号取样积分电路10为地面接收处理部分的关键一环，其电路原理如图5所示。图中，V_i为所接受的经过放大的信号电压，V_o为电容器C两端的输出电压，接收线圈为双极性信号，当负极性瞬变电磁信号进入积分器时，极性开关14换向倒向，使得进入取样积分器的信号始终为正值，经过这种由前置运算放大器15处理后的输出值对于有用信号而言将得到累加的结果，而对于慢衰变的噪声信号而言，由于正、负半周期内的采样值符号相反，两者相加将互相抵消，从而大大降低了干扰电平，取样门16由触发17周期性触发脉冲控制，从而将多个周期的瞬变电磁响应信号逐次累加保持下来。

Claims

1.一种用于有杆采油井的井下参数传输***，包含井下发射部分和地面接收处理部分，其特征在于：

（1）井下发射部分由井下发射控制组件1、长接头舱2、发射线圈3、铁芯4和短接头舱5组成，地面接收处理部分包含接收线圈7、前置放大器8、可变增益放大器9、瞬变电磁信号取样积分电路10、A/D转换11、数字滤波器12和数据分析处理终端13；长接头舱2和短接头舱5通过螺纹密封连接形成井下发射部分的机体，然后通过螺纹与抽油杆6连接，使井下发射部分在深井中具有稳定和可靠的工作环境，长接头舱2和短接头舱5内部所组成的稳定空腔用于安装对工作环境要求较高的井下发射控制组件1、发射线圈3和铁芯4，井下发射控制组件1从传感器获取参数信号，经过调理、转换处理，形成数字信号，并将数据存储于井下大容量存储器102以备份，同时将数据进行载频、调理、信号放大等处理，形成双极性矩形波激励信号并传输给发射线圈3，发射线圈3缠绕在铁芯4外部，铁芯4未绕线端经过绝缘处理后***短接头舱5内，组成可靠的地下低频发射构成，将井下发射控制组件1产生的双极性矩形波的激励信号转化为有用电磁信号发射出去，电磁信号穿过油管和套管传输至地层，以地层为导体传输至地面，地面接收处理部分通过埋藏在地表油井口附近的接收线圈7，捕获来自地层深处的低频瞬变电磁信号，依次经过前置放大器8、可变增益放大器9、信号取样积分电路10、A/D转换11、数字滤波器12和数据分析处理终端13处理后，得到井下传输的参数；

（2）井下发射控制组件由FPGA控制器101、大容量存储器102、大容量蓄电池103、电源控制电路104、信号调理电路105、A/D转换器107、发射数模转换108、功率放大器109和发射开关电路1010组成；

（3）发射开关电路1010是瞬变电磁传输法的核心部分，主要进行电能转换、实现双极性矩形波的输出，它由四个场效应晶体管k1～k4及发射线圈RL组成控制桥路组成，其中k1和k4、k2和k3组成桥路，桥路交替导通，发射线圈就会出现正负交替的电流，另外由于金属套管对电磁波存在屏蔽作用，这就要求发射功率足够大，本***的发射线圈接收的激励源发射电流幅度应限制在1A～3A，为了实现大电流发射和快速关断，k1、k2、k3和k4选用场效应晶体管；

（4）瞬变电磁信号取样积分电路10为地面接收处理部分的关键一环，其收到的为双极性信号，当负极性瞬变电磁信号进入时，极性开关14换向倒向，使得进入取样积分器的信号始终为正值；经过这种由前置运算放大器15处理后的输出值对于有用信号而言将得到累加的结果，而对于慢衰变的噪声信号，由于正、负半周期内的采样值符号相反，两者相加将互相抵消，从而大大降低了干扰电平；取样门16由触发17周期性触发脉冲控制，将多个周期的瞬变电磁响应信号逐次累加保持下来。