CN101255790B - 套管井智能跟踪的定位方法及引信 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种套管井智能跟踪的定位方法及引信，根据测井资料和压裂任务书设定输入参数，计算跟踪定位引信的下行速度并计数接箍的数量，标定参考点，清零后重新计数套管数量和速度，直到满足点火临界条件，点火。引信依次包括头锥、弹头、壳体、电路和电源舱位、传感器舱位和尾堵，电路和电源舱位安装测控电路和电源；传感器舱位安装CCL传感器；尾堵连接气体压裂药柱，CCL传感器的信号经过调理电路的放大和整形进入脉冲计数器进行脉冲计数，微处理器对脉冲计数器的输出信号进行识别、计时、计算和控制，输出触发信号至控制电路，将引信电源加载到工业电雷管上。本发明结构紧凑，工艺简单；定位精确，方法可靠。

Description

套管井智能跟踪的定位方法及引信

技术领域

本发明属于一种自动控制技术，尤其是采油工艺领域中的自动测量定位和点火控制。

背景技术

高能气体压裂是采油工程中的一种增产技术，利用火药推进剂的燃烧压力压裂地层，拓展油层与井筒的渗流通道。上世纪八十年代，美国和苏联先后动用了高层科研机构，进行了室内外试验和机理研究，使得该项技术蓬勃发展。我国70年代引进该项技术，全国油田应用该技术红红火火，但是2000年以后，工程施工中暴露了一些问题，使得现在油田使用高能气体压裂技术显得有些淡漠，分析原因主要有以下因素：

施工不方便：施工中设备下井常用的两种方法，一种是电缆输送，一种是油管输送。电缆输送的优点在于快捷，但是缺点是铠装电缆被烧毁一大截，需要截断一部分后重新校深，工作流程复杂，另外反复几次截断后电缆长度不足，上千米的铠装电缆就报废，造成了大量浪费。油管输送的方法虽然不存在浪费和反复校深的问题，但是最大的缺点在于施工周期漫长，几千米深的井接“单根”上下油管就需要几天，劳动强度也大。

另外，使用高能气体压裂技术还有效果不明显和油井损害较大等因素，目前经过地层地质特性、火药力、水泥环和套管性能的研究之后，效果不明显与套管水泥环损伤的问题已经得到初步解决。然而，因为自主定位的精度问题，使得简化的投放式气体压裂弹的施工工艺还只是停留在概念上。

一般的高能气体压裂施工的定位精度要求至少在10m以内，特殊井况的要求精度为1m。对于一个3000m深度的井来说，也就是定位精度要求达到3‰～0.3‰。在工程上达到这样的精度难以实现，尤其是井下伴随着上几十摄氏度的温度梯度和几十兆帕的压力梯度，使得电子元器以及测试电路件难以适应，温漂现象将会十分严重，即使使用温度补偿也难以实现上述的精度。

有人提出使用机械式压力测试起爆装置，并且申请了专利(申请号为200610105130.7的投放式高能气体压裂器)。但是从理论上可以推断，机械式的定位测试设备存在两类问题，一是量程虽然能够满足几十兆帕的要求，但是分辨率太低，精度达不到要求；二是分辨率和精度达到要求的测试系统，其量程必然远远不够。

因此目前的技术现状是，只是存在简化的投放压裂弹的施工工艺概念，却没有能够达到油田要求精度的工艺方法和实质性的产品。

发明内容

为了克服现有技术不能满足油田要求精度和量程的不足，本发明提供一种套管井智能跟踪定位方法，能够简化高能气体压裂的施工工艺，缩短施工周期，提高生产效率和安全性。

本发明还提供涉及该方法的跟踪定位引信。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是就是跟踪套管接箍的脉冲信号，确定设备下行的深度或位置，判断点火的临界条件，包括以下步骤：

第一步、设定输入参数。根据测井资料和压裂任务书确定套管长度TL、短套管(通常为了校正套管井深度，固井工艺中会安装一根短套管，通常短套只有套管长度的一半)与目的层的距离TS，或油管接箍数量GN、油管末端与目的层的距离GS(过油管施工工艺的境况)等条件，设定输入参数TL、TS或TL、GN，GS；

第二步、计算和标定参考点。通过套管长度TL和芯片时钟计时Δt_i，计算跟踪定位引信的下行速度v_i，并计数接箍的数量i，芯片时钟以脉冲信号触发，自动记录设备通过两个相邻套管接箍的时间差。当设备在井液中加速下行一段距离后，阻力和重力平衡后，设备下行会稳定为一个极速度v_max。由于通常短套只有套管长度的一半，如果测得的速度突然增加，就说明设备通过的上一个套管就是短套管，就自动找出用于标定参考点的短套管。其中：

v_i＝TL/Δt_i  and  i＝i+1  with  v_i→v_max          (1)

有短套的套管井的标定参考点判据如下式，条件满足则用于标定的短套出现。

v_i≥1.5·v_i-1                        (2)

由于油管没有短套，过油管施工的控制方法就与套管井存在差异。已知油管数量GN，装备计数i等于GN后，则判定油管已经通过，并重新计数。因此，通过油管的标定判据是：

i＝GN                            (3)

第三步、判断点火临界条件与点火。确定标定参考点之后，清零后重新计数套管数量i(i＝i+1)和速度v_i，直到标定后的套管累计长度加上速度与延时时间t之积等于TS或GS时，认为满足点火临界条件，点火，即

$\left.\begin{array}{c}i=n\\ \mathrm{TS}=n\·\mathrm{TL}+t{\·v}_i\end{array}\right\}$ or $\left.\begin{array}{c}i=n\\ \mathrm{GS}=n\·\mathrm{TL}+t{\·v}_i\end{array}\right\}---\left(4\right)$

其中参数n表达式 $n=\mathrm{fix}\left(\frac{\mathrm{TS}}{\mathrm{TL}}\right)$ or $n=\mathrm{fix}\left(\frac{\mathrm{GS}}{\mathrm{TL}}\right)$ 是朝零方向取整函数(如果微处理器计算取整函数困难，则参数n也可以预先作为输入的设定参数)。由于起爆点一般不会正好选取在套管接箍上，因此延时时间t根据起爆点与最后一个接箍的距离与引信的下行速度设定相应的延时时间。

另外，除大庆油田之外，国内的套管井都存在短套。对于没有短套的油井，不需要自动判断标定参考点，标定参考点就在井口的第一个接箍上，因此式(4)依然适用。

本发明所述的跟踪定位引信包括测控部密封隔热壳体、套管接箍信号传感器(CCL传感器)和测控电路。

所述测控部密封隔热壳体主要用来封装测控电路和配重，保证电子元件的温度环境满足使用要求，以及使得设计结构重心前置到结构的1/3处，保证设备在套管的井液环境中下行的稳定性。其示意结构如图2所示，沿引信轴线从前至后依次包括：头锥，钢结构件，用于引导方向；弹头，钢结构件，主要起配重作用；壳体，铸铝件，真空隔热的舱体空间；电路和电源舱位，安装测控电路和电源；传感器舱位，安装CCL传感器；尾堵，铸铝件，用于连接气体压裂药柱，如图3所示，定位引信与压裂火药柱通过尾堵的螺纹联接，并在定位引信的壳体外安装稳定翼来保持引信在井液中的下行姿态。以上各机械部分都通过“O”型橡胶圈和密封脂进行密封的；CCL传感器的信号线输入到测控电路上，电路通过尾堵引出点火电缆，方便电雷管的插接。

所述的CCL传感器是套管测井中常用的传感器，这里不作说明。

所述的测控电路如图4所示的原理框图，CCL传感器的信号经过调理电路的放大和整形以后进入脉冲计数器进行脉冲计数，微处理器对脉冲计数器的输出信号进行识别、计时、计算和控制，按照上述的测控方法进行标定和判断临界条件，一旦满足临界条件就触发输出控制电路，将引信电源加载到工业电雷管上进行点火。

本发明的有益效果是：结构紧凑，工艺简单；定位精确，方法可靠。本发明依据套管井的测井资料，通过脉冲计数的方法只对大信噪比的套管/油管的接箍信号进行跟踪计数，不用精确测量信号幅值，因此回避了井下高温高压条件下电子测量中的温漂，以及机械测量中分辨率和量程的矛盾，充分满足了气体压裂定位精度的要求。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的套管井智能跟踪定位的测控方法流程框图；

图2是本发明的测控部密封隔热壳体的结构示意图；

图中，1-头锥；2-弹头；3-壳体；4-电路和电源舱位；5-传感器舱位；6-尾堵。

图3是本发明的密封隔热壳体与压裂火药柱的装配示意图；

图中，7-定位引信；8-稳定翼；9-压裂火药柱。

图4是本发明的智能跟踪定位引信的测控电路原理框图。

具体实施方式

方法实施例1：针对1872m的压裂层位，已知套管长9.8m，短套管距离压裂层位132m，如图1所示流程，本发明包括以下步骤：

第一步、设定输入参数TL＝9.8，TS＝132.0；

第二步、系统启动后，系统可以自动计算引信通过两个接箍的时间差Δt_i＝t_i-t_i-1＝5.20，则v_i＝9.8/Δt_i＝1.88，如果v_i+1＞＝1.5*1.885＝2.83，则根据式(2)系统判断引信通过短套管，标定参考点出现；

第三步、进一步计算参数n＝fix(132.0/9.8)＝13，清零后然后重新计数i＝i+1，同时修正延时时间t＝(TS-TL*n)/v_i＝(132-9.8*13)/1.88＝2.45，则系统一旦满足式(4)的i＝13条件后，就延时t＝2.45秒启动点火控制电路。

方法实施例2：针对1238m的压裂层，已知套管长9.8m，油管长10.2.m，过油管102根。如图1所示流程，本发明包括以下步骤：

第一步、设定输入参数TL＝9.8，GN＝102，GS＝1238-102×10.2＝197.6(m)；

第二步、系统启动后就自动脉冲计数i＝i+1，并按照式(3)的i＝102判断标定参考点，同时如方法实施例1自动计算内部参数Δt_i＝8.41和v_i＝1.17；

第三步、如方法实施例1计算参数n＝fix(197.6/9.8)＝20，清零后然后重新计数i＝i+1，并逐步修正延时时间t＝(197.6-9.8*20)/1.165＝1.37，则系统一旦满足式(4)的i＝20条件后，就延时t＝1.37秒自动启动点火控制电路。

方法实施例3：针对1533m的压裂层位，已知套管长9.8m，无短套管。如图1所示流程，本发明包括以下步骤：

第一步、设定输入参数TL＝9.8，TS＝1533，n＝fix(1533/9.8)＝156；

第二步、将参考点标定在井口的第一个接箍上；

第三步、如方法实施例1，系统启动后可以自动计算内部参数Δt_i＝5.20和v_i＝1.88，同时自动脉冲计数i＝i+1，计算修正延时时间t＝(1533-156*9.8)/1.88＝2.23，一旦满足式(4)的i＝156条件后，就延时t＝2.23秒启动点火控制电路。

装置的实施例：本发明所述的跟踪定位引信包括测控部密封隔热壳体、套管接箍信号传感器(CCL传感器)和测控电路。所述测控部密封隔热壳体如图2结构所示，钢制头锥1是盖帽螺母标准件，旋接在90°锥形的钢制弹头2上；铸铝件圆筒状的壳体3壁厚5mm，与弹头2通过螺纹连接，壳体3内部是真空隔热舱体空间4，用来安装测控电路和电源；传感器舱位5安装CCL传感器；铸铝件尾堵6的前部与壳体3旋接，后部通过螺纹连接气体压裂药柱9，如图3所示，并在壳体3外部增加四片稳定翼8来保持引信在套管井中的下行姿态。以上各机械部分都通过“O”型橡胶圈和密封脂进行密封的；CCL传感器的信号线输入到测控电路上，同时测控电路通过尾堵6引出点火电缆，方便电雷管的插接。

如图4所示的原理框图，CCL传感器选用型号JLS-Φ25，其输出信号经过调理电路OP07的放大和整形以后，进入脉冲计数器74HC14进行脉冲计数，微处理器AVR单片机对脉冲计数器的输出信号进行识别、计时、计算和控制，按照上述的测控方法进行标定和判断临界条件，一旦满足临界条件就触发输出控制电路(继电器)，将引信电源DC12V加载到工业电雷管SW-2上进行点火。

Claims (3)

1.套管井智能跟踪的定位方法，其特征在于包括下述步骤：

(a)根据测井资料和压裂任务书确定套管长度TL、短套管与目的层的距离TS，或油管接箍数量GN、油管末端与目的层的距离GS，设定输入参数TL、TS或TL、GN，GS；

(b)计算和标定参考点：通过套管长度TL和芯片时钟计时，计算跟踪定位引信的下行速度v_i，并计数接箍的数量i，芯片时钟以脉冲信号触发，自动记录设备通过两个相邻套管接箍的时间差Δt_i；有短套的套管井的标定参考点判据为v_i≥1.5·v_i-1；通过油管的标定判据是i＝GN；

(c)确定标定参考点之后，清零后重新计数套管数量i＝i+1和速度v_i，直到标定后的套管累计长度加上速度与延时时间t之积等于TS或GS时，认为满足点火临界条件，点火。

2.根据权利要求1所述的套管井智能跟踪的定位方法，其特征在于：所述的步骤(b)对于没有短套的油井，标定参考点就在井口的第一个接箍上。

3.一种利用权利要求1所述的方法的套管井智能跟踪引信，包括测控部密封隔热壳体、套管接箍信号传感器和测控电路，其特征在于：所述的测控部密封隔热壳体沿引信轴线从前至后依次包括头锥、弹头、壳体、电路和电源舱位、传感器舱位和尾堵，电路和电源舱位安装测控电路和电源；传感器舱位安装CCL传感器；尾堵连接气体压裂药柱，并在定位引信的壳体外安装稳定翼来保持引信在井液中的下行姿态；以上各机械部分都通过“O”型橡胶圈和密封脂进行密封的；CCL传感器的信号线输入到测控电路上，电路通过尾堵引出点火电缆；所述的测控电路中CCL传感器的信号经过调理电路的放大和整形以后进入脉冲计数器进行脉冲计数，微处理器对脉冲计数器的输出信号进行识别、计时、计算和控制，输出触发信号至控制电路，将引信电源加载到工业电雷管上。

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