CN111622742B - 一种流体自发电参数检测与通信*** - Google Patents
一种流体自发电参数检测与通信*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种流体自发电参数检测与通信***，包括井下发电和检测装置，井上数据接收装置。井下发电和检测装置安装于抽油泵底部用于井下流体的参数检测并实现自供电，包括机械部分和硬件电路部分。井上数据接收装置包括硬件部分和算法部分。具体包括：在抽油泵的上冲程，通过发电和检测装置产生电能，经电源模块处理后直接为电路板上的元器件进行供电，并进行充电储能。在抽油泵的下冲程，则由储能模块为电路板上元器件供电，保证持续不断的电能供应。电路板上的检测模块和通信模块在单片机的控制下对井下流量、压力和温度信息进行采集、处理并转化成声波进行发送，载有井下信息的声波沿着油管传输到井上接收装置进行数据的接收与解析。
Description
技术领域
本发明涉及油田井下检测技术领域，尤其是涉及一种流体自发电参数检测与通信***。
背景技术
随着我国石油资源的勘探和开采的迅速发展，生产井动态监测显得尤为重要。在生产井开采中，能够为井下测量仪器和控制工具提供充足的电量供应，能够准确而及时的掌握井下温度、压力等重要参数有着非常重要的意义。但现有的井下测量仪器通常采用有限容量的电池进行供电，虽保证了稳定的供电，但也具有易受环境影响和电池容量小，不能够满足测量仪器对长期工作的需求。而频繁的更换电池或充电，也严重影响了作业效率和增加了额外成本。且部分油井的井下最高温度已经达到240℃，温度还会随着油井深度的增加而增加，油井的温度已经超过了电池的最大耐温能力，在使用过程中带来了很多的事故风险。因此现有技术中采用了泥浆发电机进行供电，但其缺点是输出电能不够稳定，须要通过利用稳压模块对发电机输出的电压进行稳压调节，而且整个供电***会由于模块中元器件的损坏而停止工作，而且井下的发电***非常复杂，维修难度高。此外，在数据实时监测方面，主要采用电缆，但电缆时常发生断线的现象从而导致井下数据测量失败，且具有通用性较差和成本过高多种问题。还有采用泥浆脉冲传输进行检测数据传输，但当钻井循环流体介质变为气体或气液两相流体的时候，钻井液脉冲就不能进行数据传输，有一定的局限性；或采用电磁波传输，却容易受到井场电气设备和地层电阻率的影响，给井下数据的传输和接收带来了非常大的困难。
针对上述现有的技术问题和难题，本发明在对现有井下发电机研究基础之上提出了一种流体自发电参数检测与通信***，从而解决井下供电和数据实时监测的技术问题，对于我国在生产井动态监测的井下发电机和井下数据实时检测的研究有一定的参考价值，在一定程度上弥补了此类研究的空缺，有利于我国早日打破国外在该领域技术的垄断地位，实现技术上的自主化。
发明内容
本发明提出了一种流体自发电参数检测与通信***，旨在解决现有的多种缺陷问题。具体为：
一种流体自发电参数检测与通信***，该***包括：
安装于抽油泵底部的井下发电和检测装置；以及
安装于油井井口处的井上数据接收装置；
其中，所述井下发电和检测装置包括：
用于过滤原油的筛管；
连接在所述筛管末端的涡轮流量计，用于对流经其的原油进行流量计量；
与所述涡轮流量计的轴固定连接的传动齿轮；
发电机，其转子轴与所述传动齿轮的输出轴固定连接，由所述传动齿轮带动而转动进行发电，所述发电机被设置在一电机护套内；
与所述电机护套相接的电路护套；以及
设置在电路护套内的电路部分，其包括：
与所述发电机的电能输出端电连接的电源电路，用于为电路部分供电；
检测模块，其用于至少采集井下流量，压力和温度信息；
声波通信模块，其用于将需要其输出的数据转化为声波后通过油管传输给所述井上数据接收装置；以及
控制模块，其用于控制所述电源模块、储能模块、检测模块和声波通信模块工作，对所述检测模块和涡轮流量计输出的信息进行处理，并将需要输出的数据通过声波通信模块输出；
其中，所述井上数据接收装置用于对接收到的声波进行解析和输出。
所述筛管为长圆筒形，包括内部的圆形桶状不锈钢管，和外部的过滤网。
还包括霍尔传感器，其设置在所述电机护套内侧，并靠近发电机转子轴处；所述发电机的转子轴上设置有磁铁；所述霍尔传感器与所述控制模块电连接。
所述电路部分还包括串口通信模块；所述流体自发电参数检测与通信***可通过所述串口通信模块与PC端连接。
所述电源电路包括：
电源模块，其用于接收和处理所述发电机输出的电能，并在所述抽油泵的上冲程为电路部分的其他需要电能的部件供电；
储能模块，其用于将电源模块输出的电能存储起来，并在所述抽油泵的下冲程为电路部分的其他需要电能的部件供电。
优选的，在抽油泵上冲程时，井下原油向上流动进入所述井下发电和检测装置内部，通过所述筛管将原油中掺杂的沙粒进行过滤，原油继续向上流经所述涡轮流量计，从而带动涡轮流量计轴的转动，经齿轮传动进而带动发电机转子转动，产生电压，经初级稳压电路转入二级稳压，并进行电压储能。在抽油泵下冲程时，所述电压储能作为负载电源。
优选的，所述电机护套和电路护套的管壁厚度计算公式为：
，式中，P是护套管壁的内外压差，D是护套的直径，S是钢管的压力系数，Rm是钢管材质的拉伸强度。
进一步的，所述流体参数包括：井下的流量、温度和压力信息，所述检测模块包括：
流量检测电路：包括霍尔元件、电压比较器和计数器，获取霍尔电压并经电压比较器整形得方波，所述计数器对所述方波的脉冲信号进行计数；
压力检测电路：包括压力传感器和运算放大器，通过所述压力传感器获取的电压值经由所述运算放大器进行放大，所获得的输出电压经过滤波后发送至所述主控单元；
温度检测电路：包括温度传感器和运算放大器，及由所述温度传感器构成的电阻桥测温电路；通过对所述电阻桥测温电路中的电压差值进行运算放大器及滤波后发送至所述主控单元。
进一步的，所述控制模块中还设置用于控制所述***的运行程序，包括：CPU主程序、定时中断程序、信号检测程序，优选的，所述CPU主程序：用于获取数据采集处理程序检测的流体参数，并通过井下声波通信程序发送至PC端；
所述数据采集处理程序：通过所述检测模块对井下流体参数进行采集和处理；
所述井下声波通信程序：用于将所采集的井下流体参数按照预设通信协议组装成帧并通过所述声波发射模块进行发送至PC端；
定时中断程序：用于控制所述数据采集处理程序和所述井下声波通信程序的执行频率；
串口通信程序：用于在***程序调试的过程中，将电路部分的数据发送至PC端串口助手。
进一步的，所述运行程序执行步骤包括：
S1：初始化设置，并开启***的定时中断程序；
S2：判断是否需要进行程序调试，若需要，则所述CPU主程序通过所述串口通信电路向PC端串口助手发送调试数据，经人工判断所述主控单元是否处于正常运行状态，直至调试成功后，转入S3；若不需要，则直接转入S3；
S3：等待定时中断的到来；当定时中断到来时，执行定时中断程序中的定时中断服务函数，在定时中断服务函数内部依次执行数据采集处理程序，及井下声波通信程序，完成对井下流量、压力和温度的采集、处理和发送；程序运行完毕后跳出定时中断服务函数，等待下一个定时中断的到来，并按照上述顺序循环执行。
所述温度的计算公式为：
所述压力的计算公式为：
式中，KT是温度和电压关系，KP是压力和电压关系，K是电压放大倍数，Vref是基准参考电压，N是AD转换精度，V是AD采集后存入转化存储寄存器的值；
所述流量的计算公式为：
，式中，n是一预设时间内所述霍尔传感器记录的脉冲个数；N1是发电机转子轴磁的个数，N2是比例传动齿轮的比例数，V0是涡轮流量计的容量，t是采集时间。
进一步的，所述井上数据接收装置，其包括：
加速度传感器，其用于将接收到的声波信号转化成电信号；
信号调理器，其用于将所述电信号进行放大；
数据采集卡，其用于将所述信号调理器输出的模拟信号转化成数字信号；
具有声波信号提取算法的处理器，其用于对所述数字信号进行去噪和解调；其中，去噪用于滤除噪声，提取有用声波信号；解调用于解析声波信号所包含的信息。
所述井下装置硬件电路部分电路部分包括CPU主控制电路、串口通信电路、信号检测电路、声波发射电路和电源电路。CPU主控电路对串口电路、信号检测和声波发射电路进行控制，使其安全、有序的执行。串口通信电路的作用是使电路与PC上位机进行通信，包括程序下载和串口通信。信号检测电路的作用是负责对井下的流量、温度和压力进行采集。声波发射电路的作用是将采集到的井下数据通过声波进行发送。电源电路的作用是将电机产生的电能进行存储和转化，为整个电路提供电能。
所述井上接收装置算法部分，其主要特征：该算法可以对所接收到带噪声的声波信号筛选出预设频域范围的声波信号，进行放大后剔除异常信号后，根据井下的噪声环境对声波进行针对性的滤波去噪处理，最终滤出有效的声波信号，进而通过解调处理，将所述声波信号信息展示在PC端上。信号的解调既从携带信息的已调声波信号中恢复消息的过程，解调算法可恢复井下声波信号所传送的消息并加以利用，最终实现将数据展示在PC端上，并判断当前现场的各项参数。
综上所述，本发明提供了一种流体自发电参数检测与通信***，通过设置发电部分，用于在井下指定的深度及温度、高压、腐蚀等复杂环境中为井下仪器提供稳定持续的电能供应，及电路部分对井下的流量、温度、压力信息进行检测并利用声波传输到地面接收端以实现对井下数据的实时监测。从而解决了现有技术中的供电问题和检测难题，实现了可持续性供电，且结合抽油泵的上下冲程，有效利用了上冲程时，井下原油从装置内部流过推动发电结构把原油动能转化成电能，用于给电路板上的元器件供电和通过储能模块进行储能，在下冲程时通过储能模块完成供电，不但保证稳定和持续的供电，也大大节省成本和蓄电池的各种缺陷问题。
附图说明
图1为一实例的流体自发电参数检测与通信***示意图。
图2为一实例的井下发电和检测装置的示意图。
图3 为一实例的流体自发电参数检测与通信***程序流程图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及附图对本发明的一种流体自发电参数检测与通信***作进一步详细描述。
如图1所示，流体自发电参数检测和通信装置正常工作时安装在井下，安装位置在抽油泵底部。在抽油泵的上冲程，井下原油从装置内部流过推动发电部分把原油动能转化成电能。生成的电能经安装在装置中的电路板的电源模块处理后直接为电路板上的元器件进行供电，同时进行充电储能。在抽油泵的下冲程，原油无法推动装置发电，由储能模块继续为电路板上元器件供电，保证持续不断的电能供应。与此同时，电路板上的检测模块和通信模块在单片机的控制下对井下流量、压力和温度信息进行采集、处理并转化成声波进行发送，载有井下信息的声波沿着油管传输到井上接收端，接收端进行数据的接收与解析。其中，所述抽油泵另一端与地面发动机通过套管、油管连接。本发明所述流体自发电参数检测与通信***的工作过程还包括：发电机所发电能通过调制模块和换能器用于供电和储能，并通过油管声波传递至PC端的换能器，进而通过所述声波信号提取算法模块对所接收到带噪声的声波信号筛选出预设频域范围的声波信号，进行放大后剔除异常信号，根据井下的噪声环境对声波进行滤波去噪处理，获得有效声波信号，进而通过解调处理，将所述声波信号信息展示在PC端上。其中，所述抽油泵一端与该流体自发电参数检测和通信装置连接，另一端通过油管、套管与井上的装置连接。
如图2，为一实例的流体自发电参数检测与通信***井下装置示意图，其中，1-筛管；2-涡轮流量计；3-传动齿轮；4-霍尔传感器；5-发电机；6-电机护套；7-电路护套。所述装置安装于抽油泵底部，包括发电部分和电路部分，其中，发电部分包括筛管、涡轮流量计、传动齿轮、霍尔传感器、和发电机；所述发电机***设有电机护套，与所述电路部分***电路护套构成一密封空间；所述霍尔传感器安装于所述电机护套内侧面靠近发电机转子轴处；所述电路部分用于流体参数检测，其一端与所述发电机连接，另一端通过串口通信电路与PC端连接，所述电路部分还包括主控单元，及与所述主控单元电连接的检测模块、声波发射模块和电源模块；其中，所述发电部分在抽油泵上冲程时，产生电能为电路部分供电，同时通过所述电源模块进行储能，在抽油泵下冲程时，由所述电源模块中的储能为电路部分供电。
其中，所述装置顶端设置有管螺纹，用于安装在抽油泵底部。
由于井下原油中含有大量的沙粒，若这些沙粒进入装置，会直接引起流量计的堵转，从而使整个装置停止工作，故本发明通过设置筛管，作为优选的，筛管设计成长圆筒形，从而满足装置的空间限制且保证有充足的过滤面积，还包括内部的圆形桶状不锈钢管，和外部的过滤网。不锈钢管可以有效支撑过滤网以提高筛管的机械强度，保证能够承受井下高压环境。根据流量计允许通过的最大沙粒，所述滤网密度设计成50目，以保证充分过滤井下沙粒。过滤网材料优选为304不锈钢网以保证过滤网耐腐蚀性，提高筛管的使用寿命。
同样，由于装置在井下工作时需要承受一定的高压环境，本发明所述电路护套和所述电机护套共同围成一个密封空间，主要用于放置电路部分，例如电机、电路板和一些检测元器件，从而为各电子元器件的正常运行提供了良好环境和空间，且可以与外部环境隔离，保证各类电子元器件不受侵蚀，延长其使用寿命，及其数据检测的有效性。作为优选的，设置所述密封空间至少要承受30MPa的压强，及良好的密封性，电机护套和电路护套管壁的厚度可由以下公式确定：式中，是电机护套和电路护套管壁的厚度，P是护套管壁的内外压差30MPa，D是护套的直径，S是钢管的压力系数，当压力P>17.5MPa时，压力系数S为4，是钢管材质的拉伸强度，作为优选的，护套采用304不锈钢，其拉伸强度为520。通过计算得到为6.9，为保证机构具有足够的机械强度，本发明将电机护套和电路护套的管壁厚度都设计成7.5mm，结构中其他钢管的厚度也应该在环境空间充足的情况下至少设计在5mm以上。
作为优选的，在发电机转子处采用旋转动密封圈进行密封，在电机护套和电路护套连接处的密封，两个护套通过螺纹连接，为保证密封在螺纹末端位置设计两道密封圈。密封圈选择氟橡胶O型圈，耐高温性优于硅橡胶，优选的使用温度范围为-20~250℃。为进一步保证其密封性，在螺纹处使用706硅橡胶进行密封封装，同时可以起到防震的作用。
如图3，为一实例的流体自发电参数检测与通信***程序流程图，其中，CPU主程序是软件的核心部分，主要功能是负责程序的整体控制、任务的调度，保证整个软件***安全、有序、正常的运行。数据采集与处理程序主要功能是对井下流量、温度和压力信息进行采集与初步处理。井下声波通信程序的主要功能是负责将井下流量、温度和压力信息按照一定的通信协议组装成帧并通过声波进行发送。定时中断程序的主要功能是决定数据采集与处理程序和井下声波通信程序的执行频率。串口通信程序的主要功能是在电路板和***程序调试的过程中通过串口将一些数据发送到上位机串口助手以便于电路板和***程序的调试。
作为优选的，CPU主控程序的运行步骤如下：首先对程序进行***的初始化设置，包括对相关变量和硬件驱动的设置，然后开启***的定时器中断。在程序的调试阶段，若程序需要进行调试，主程序执行串口通讯程序向上位机串口助手发送相关数据并等待定时中断的到来。当定时中断到来时，程序执行定时中断服务函数，在中断服务函数内部依次执行数据采集和处理程序及井下声波通信程序，完成对井下流量、压力和温度的采集、处理和发送。程序运行完毕后跳出定时中断服务函数，等待下一个定时中断的到来，并按照上述顺序循环执行。
作为优选的，数据采集与处理程序主要负责完成对井下流量、温度和压力的测量与初步处理。其中对井下温度和压力的采集是通过单片机的AD模块进行采集，对井下流量的采集是通过单片机的8位并行GPIO引脚进行采集。
作为优选的，所述检测模块包括：
流量检测电路：包括霍尔元件、电压比较器和计数器，获取霍尔电压并经电压比较器整形得方波，所述计数器对所述方波的脉冲信号进行计数；
压力检测电路：包括压力传感器和运算放大器，通过所述压力传感器获取的电压值经由所述运算放大器进行放大，所获得的输出电压经过滤波后发送至所述主控单元；
温度检测电路：包括温度传感器和运算放大器，及由所述温度传感器构成的电阻桥测温电路；通过对所述电阻桥测温电路中的电压差值进行运算放大器及滤波后发送至所述主控单元。
进一步的，所述***运行步骤具体包括：
S1：初始化设置，并开启***的定时中断程序；
S2：判断是否需要进行程序调试，若需要，则所述CPU主程序通过所述串口通信电路向PC端串口助手发送调试数据，经人工判断所述主控单元是否处于正常运行状态，直至调试成功后，转入S3；若不需要，则直接转入S3；
S3：等待定时中断的到来；当定时中断到来时，执行定时中断程序中的定时中断服务函数，在定时中断服务函数内部依次执行数据采集处理程序，及井下声波通信程序，完成对井下流量、压力和温度的采集、处理和发送；程序运行完毕后跳出定时中断服务函数，等待下一个定时中断的到来，并按照上述顺序循环执行。
其中，所述温度的计算公式为：
所述压力的计算公式为：
式中，KT是温度和电压关系，KP是压力和电压关系，K是电压放大倍数，Vref是基准参考电压，N是AD转换精度，V是AD采集后存入转化存储寄存器的值。
所述流量的计算公式为：
，式中，n是一预设时间内所述霍尔传感器记录的脉冲个数；N1是发电机转子轴磁的个数，N2是比例传动齿轮的比例数，V0是流量计的容量，t是采集时间。
综上所述，本发明所提供的一种流体自发电参数检测与通信***，安装于抽油泵底部用于井下流体的参数检测，包括发电部分和电路部分，其中发电部分在抽油泵上冲程时，产生电能为电路部分供电，同时通过所述电源模块进行储能，在抽油泵下冲程时，由所述电源模块中的储能为电路部分供电。解决了现有技术中供电不稳定，成本高等问题，利用抽油泵的自身运动实现自发电自供电的效果，有效解决了供电问题，替代了传统的供电方式，降低了作业成本。且结合井下作业环境要求，在装置的硬件部分设置了满足抗高压和强密封性的电机护套和电路护套，为内部电路及其电子元器件的正常使用提供了保护，确保了电路部分正常工作，提供了满足工艺设计要求的误差范围之内的温度、压力和流量等参数，确保流体参数的精确性和可靠性，大大提高了井下作业的技术水平。
虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化、是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的精神和范围内。
Claims (9)
1.一种流体自发电参数检测与通信***，其特征在于，该***包括：
安装于抽油泵底部的井下发电和检测装置；以及
安装于油井井口处的井上数据接收装置；
所述井下发电和检测装置包括：
用于过滤原油的筛管；
连接在所述筛管末端的涡轮流量计，用于对流经其的原油进行流量计量；
与所述涡轮流量计的轴固定连接的传动齿轮；
发电机，其转子轴与所述传动齿轮的输出轴固定连接，由所述传动齿轮带动转子轴转动进行发电，所述发电机被设置在一电机护套内；
与所述电机护套相接的电路护套；以及
设置在电路护套内的电路部分，其包括：
与所述发电机的电能输出端电连接的电源电路，用于为电路部分供电；所述电源电路包括：
电源模块，其用于接收和处理所述发电机输出的电能，并在所述抽油泵的上冲程为电路部分的其他需要电能的部件供电；以及储能模块，其用于将电源模块输出的电能存储起来，并在所述抽油泵的下冲程为电路部分的其他需要电能的部件供电；
检测模块，其用于至少采集井下流量，压力和温度信息；
声波通信模块，其用于将需要其输出的数据转化为声波后通过油管传输给所述井上数据接收装置；以及，
控制模块，其用于控制所述电源模块、储能模块、检测模块和声波通信模块工作，对所述检测模块和涡轮流量计输出的信息进行处理，并将需要输出的数据通过声波通信模块输出；
其中，所述井上数据接收装置用于对接收到的声波进行解析和输出。
2.根据权利要求1所述的流体自发电参数检测与通信***，其特征在于，所述筛管为长圆筒形，包括内部的圆形桶状不锈钢管，和外部的过滤网。
3.根据权利要求1所述的流体自发电参数检测与通信***，其特征在于，还包括霍尔传感器，其设置在所述电机护套内侧，并靠近发电机转子轴处；所述发电机的转子轴上设置有磁铁；所述霍尔传感器与所述控制模块电连接。
4.根据权利要求1所述的流体自发电参数检测与通信***，其特征在于，所述电路部分还包括串口通信模块；所述流体自发电参数检测与通信***可通过所述串口通信模块与PC端连接。
5.根据权利要求1所述的流体自发电参数检测与通信***，其特征在于，所述电机护套和电路护套的管壁厚度计算公式为：
，式中，P是护套管壁的内外压差，D是护套的直径，S是钢管的压力系数，Rm是钢管材质的拉伸强度。
6.根据权利要求1所述的流体自发电参数检测与通信***，其特征在于，所述检测模块包括：
流量检测电路：包括霍尔传感器、电压比较器和计数器，获取霍尔电压并经电压比较器整形得方波，所述计数器对所述方波的脉冲信号进行计数；
压力检测电路：包括压力传感器和运算放大器，通过所述压力传感器获取的电压值经由所述运算放大器进行放大，所获得的输出电压经过滤波后发送至所述控制模块；
温度检测电路：包括温度传感器和运算放大器，及由所述温度传感器构成的电阻桥测温电路；通过对所述电阻桥测温电路中的电压差值进行运算放大器及滤波后发送至所述控制模块。
7.根据权利要求4所述的流体自发电参数检测与通信***，其特征在于，所述控制模块中还设置用于控制所述***的运行程序，包括：CPU主程序、定时中断程序、信号检测程序，所述运行程序执行步骤包括：
S1：初始化设置，并开启***的定时中断程序；
S2：判断是否需要进行程序调试，若需要，则所述CPU主程序通过所述串口通信模块向PC端串口助手发送调试数据，经人工判断所述控制模块是否处于正常运行状态，直至调试成功后，转入S3；若不需要，则直接转入S3；
S3：等待定时中断的到来；当定时中断到来时，执行定时中断程序中的定时中断服务函数，在定时中断服务函数内部依次执行数据采集处理程序，及井下声波通信程序，完成对井下流量、压力和温度的采集、处理和发送；程序运行完毕后跳出定时中断服务函数，等待下一个定时中断的到来，并按照上述顺序循环执行。
8.根据权利要求6所述的流体自发电参数检测与通信***，其特征在于，
所述温度的计算公式为：
；
所述压力的计算公式为：
；
式中，KT是温度和电压关系，KP是压力和电压关系，K是电压放大倍数，Vref是基准参考电压，N是AD转换精度，V是AD采集后存入转化存储寄存器的值；
所述流量的计算公式为：
，式中，n是一预设时间内所述霍尔传感器记录的脉冲个数；N 1是发电机转子轴磁的个数，N 2是比例传动齿轮的比例数，V 0是涡轮流量计的容量，t是采集时间。
9.根据权利要求1所述的流体自发电参数检测与通信***，其特征在于，所述井上数据接收装置，其包括：
加速度传感器，其用于将接收到的声波信号转化成电信号；
信号调理器，其用于将所述电信号进行放大；
数据采集卡，其用于将所述信号调理器输出的模拟信号转化成数字信号；
具有声波信号提取算法的处理器，其用于对所述数字信号进行去噪和解调；其中，去噪用于滤除噪声，提取有用声波信号；解调用于解析声波信号所包含的信息。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7042801B1 (en) * | 2004-02-04 | 2006-05-09 | Seismoelectric Soundings, Inc. | System for geophysical prospecting using induce electrokinetic effect |
| CN102168551A (zh) * | 2011-01-19 | 2011-08-31 | 杨平 | 油井动液面深度连续测量和采出液连续计量装置及方法 |
| CN103967481A (zh) * | 2014-05-29 | 2014-08-06 | 中国石油集团钻井工程技术研究院 | 一种全井段多参数随钻实时测量与传输的方法与*** |
| CN103993870A (zh) * | 2013-02-19 | 2014-08-20 | 大庆国电海天科技有限公司 | 油田油水井井下参数逐层检测方法 |
| CN106089188A (zh) * | 2016-06-02 | 2016-11-09 | 中国石油大学(华东) | 一种泥浆脉冲信号泵噪声实时去除方法 |
| CN107178359A (zh) * | 2017-06-28 | 2017-09-19 | 杨冬 | 一种带光缆的连续油管实时智能测井*** |
| CN107636248A (zh) * | 2015-05-19 | 2018-01-26 | 哈利伯顿能源服务公司 | 跨越泥浆马达的井下通信 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7042801B1 (en) * | 2004-02-04 | 2006-05-09 | Seismoelectric Soundings, Inc. | System for geophysical prospecting using induce electrokinetic effect |
| CN102168551A (zh) * | 2011-01-19 | 2011-08-31 | 杨平 | 油井动液面深度连续测量和采出液连续计量装置及方法 |
| CN103993870A (zh) * | 2013-02-19 | 2014-08-20 | 大庆国电海天科技有限公司 | 油田油水井井下参数逐层检测方法 |
| CN103967481A (zh) * | 2014-05-29 | 2014-08-06 | 中国石油集团钻井工程技术研究院 | 一种全井段多参数随钻实时测量与传输的方法与*** |
| CN107636248A (zh) * | 2015-05-19 | 2018-01-26 | 哈利伯顿能源服务公司 | 跨越泥浆马达的井下通信 |
| CN106089188A (zh) * | 2016-06-02 | 2016-11-09 | 中国石油大学(华东) | 一种泥浆脉冲信号泵噪声实时去除方法 |
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