CN103228861A - 具有无线单元的井下系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种井下系统（200），所述井下系统包括具有内壁的套管（3）。此外，所述井下系统包括能够在所述套管中移动的无线单元（1），所述无线单元包括轮子形式的驱动装置（7）和至少一个电池组（8），所述电池组（8）包括至少一个用于向所述电机（5）供电的蓄电池，所述电机（5）驱动所述泵（6）从而驱动所述轮子以使之沿着所述套管的内壁转动，其中，所述井下系统还包括井口装置（110），该井口装置包括声音检测设备（16），该声音检测设备用于检测所述套管中的振动，例如，由所述驱动装置或者由所述无线单元所执行的作业引起的振动。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下系统，所述井下系统包括具有内壁的套管。此外，该井下系统包括可以在所述套管内移动的无线单元，该无线单元包括轮子形式的驱动装置和至少一个电池组。
背景技术
在油生产期间，可能有必要在油井中执行维护作业或者开采一个生产油井。这种油井作业已知为修井作业。生产套管设置在油井内部，并且在其上端被井口装置闭合。该井口装置可被放置在岸上，或者在钻井平台上，或者放置在海床上。
为了将工具降到油井中或者提升到油井之外并且向所述工具供电，所述工具在其顶部被连接到穿过井口装置供给的电缆。为了在使用工具执行作业的同时密封油井，电缆穿过一高压油脂注入部分和用于围绕电缆密封的密封元件。
为了在电缆经过油脂注入部分时围绕所述电缆密封，高压油脂被泵送到周围的环形空间中，以实现压力密闭的动态密封，该动态密封通过按照需要注入更多的油脂来在作业期间得以维持。轻微的油脂泄漏是正常的，添加新鲜油脂能够将密封的一致性保持在有效的水平。这样，在修井作业期间油脂从油脂注入部分泄漏到大海中，从环境保护角度考虑，这是不期望的。由于现在环境保护意识越来越强，存在对环境更加友好解决方案的需求。
发明内容
本发明的一个目的是全部地或者部分地克服现有技术的上述缺点和缺陷。更具体地，本发明的目的是提供一种改进的无线工具，该无线工具用于在不要求使用电缆或类似的输电线的情况下在油井中进行作业。
从以下的说明中将变得显而易见的上述目的，以及大量的其他目的、优点和特征将通过根据本发明的解决方案来实现，其中本发明涉及一种井下系统，所述井下系统包括：
-套管，所述套管具有内壁，以及
-能够在所述套管中移动的无线单元，所述无线单元包括轮子形式的驱动装置和至少一个电池组，所述电池组包括至少一个用于向所述电机供电的蓄电池，所述电机驱动泵从而驱动所述轮子以使之沿着所述套管的内壁转动，
其中，所述井下系统还包括井口装置，该井口装置包括声音检测设备，该声音检测设备用于检测所述套管中的振动，例如，由所述驱动装置或者由所述无线单元所执行的作业引起的振动。
在一个实施例中，所述声音检测设备可以是地震检波器。
此外，所述声音检测设备可以设置成与所述套管接触。
以此，操作无线单元的个人能够在不与所述无线单元直接进行通信的情况下确定该单元的位置。此外，当无线单元的驱动装置经过套管接箍（casing collar）时，能够检测到声音或振动的差异，由此能够基于所述单元经过的套管接箍的数量计算所述无线单元的位置。此外，如果无线单元由于意料不到的障碍而忽然停止，那么作业者将被告知，并且接着缩回所述单元并且重新开始。
使用声音检测设备提供了一种额外的预防措施，从而保证无线单元位于执行作业的位置，或者使得该无线单元与井下安全阀足够近以打开阀门而使之可以通过。如果设置在井下的其他安装装置失效，那么不能容易地更换这些装置，因为它们定位在油井中将近300米深的地方。然而，更换设置在井口装置中的声音检测设备是很容易的，并且如果将声音检测设备设置在井口装置的形成外表面的一部分的其他表面上的话，甚至更加容易。
另外，井下系统可包括设置成与井中的无线单元通信和与声音检测设备通信的控制设备，以基于由声音检测设备检测到的声音模式来控制无线单元。
因此，在执行作业时，能够监测由无线单元执行的作业。未按照由早先执行的类似作业制成的明细要求发声的作业能够在该作业出错之前停止，然后该作业可以重新开始。更重要地，根据此声音明细要求进行的作业能够向作业者证明该作业被正确地执行。因此，使用声音检测设备使得可以在作业出错并且损坏油井之前停止作业。因此，降低了作业引起的损坏比其实际解决的问题多的风险。
所述控制设备可以设置成与电源箱连接或者至少与电源箱进行通信。
此外，无线单元在井内部时没有必要能够与其作业者进行通信，因为作业者能够检测到任何动作，并且无线单元能够被编程为经过一段时间之后返回表示所执行的作业的数据。当无线单元没有连接到电缆时，油脂连接头部装置是没有必要的，这样改善了环境安全性。
此外，所述声音检测设备可包括显示器，所述显示器例如以说明振动的曲线的形式示出在套管中检测到的振动。
此外，所述检测设备可包括靠接在所述井口装置的外壁上的转换器或传感器。
此外，所述声音检测设备可以是将声音转换为电信号的声-电转换器或者传感器。
所述转换器可设置在井口装置的顶端。
所述井下系统还可包括处理器，所述处理器用于计算所述井口装置至所述无线单元的距离。
此外，所述处理器可借助于如下的方式与所述检测设备进行无线通信：声学、电磁学、Wi-Fi、ZigBee、无限局域网、DECT、GSM、UWB、UMTS、蓝牙、音频或射频。
另外，所述井下系统还可包括设置在所述套管中的井下安全阀。
在一个实施例中，所述检测设备能够与所述井下安全阀通信，并在所述无线单元离所述井口装置在预定距离之内时指示所述井下安全阀打开。
在另一实施例中，所述井下系统还包括插接站，使得所述无线单元能够连接到所述插接站，以能够向所述无线单元充电或再充电，或者向所述无线单元加载信息或信号，或者从所述无线单元下载信息或信号。
此外，所述插接站可以设置在井口装置中。
通过将插接站设置在井口装置中而不是设置在支线中，能够很容易地更换所述插接站。此外，井口装置没有必要具有增加的直径以还适应在如现有解决方案那样完成油井时支线的插入。当具有支线时，井口装置的内径必须比在没有支线的井中大，以使得带有支线的套管能够被插入到井中以形成井。
所述无线单元可以包括无线连接件，所述无线连接件用于将电流和/或数据传送到所述无线单元和传送来自所述无线单元的电流和/或数据。
此外，井口装置可以包括再充电连接件，该再充电连接件用于再充电和/或向所述无线单元传送电流和/或数据和传送来自所述无线单元的电流和/或数据。
所述再充电连接件使得没有必要为了再充电而将无线单元带出到流体密封的井口装置或井之外。
此外，所述再充电连接件可以包括电感耦合。
另外，所述井口装置包括具有壁部的管状部分，围绕着所述壁部设置所述再充电连接件，使得能够经由所述管状部分的壁部进行再充电和/或向所述无线单元传送电流和/或数据和传送来自所述无线单元的电流和/或数据。
此外，所述井口装置可包括具有端部的管状部分，所述端部具有内表面和外表面，其中，所述再充电连接件可设置在所述端部的外表面上，使得能够经由所述管状部分的端部进行再充电和/或向所述无线单元传送电流和/或数据和传送来自所述无线单元的电流和/或数据。
此外，所述无线单元可以包括电感耦合。
在一实施例中，所述井下系统还可包括可与管状部分的端部连接的润滑器，其中，再充电连接件绕润滑器设置，这使得能够经由润滑器的壁部再充电和/或向无线单元传送电流和/或数据和传送来自无线单元的电流和/或数据。
此外，所述井下系统还可包括具有端部的润滑器，所述端部具有内表面和外表面，所述端部可与所述管状部分的端部连接，其中，再充电连接件设置在润滑器的端部的外表面上，这使得能够经由润滑器的端壁再充电和/或向无线单元传送电流和/或数据和传送来自无线单元的电流和/或数据。
另外，所述井下系统可以包括沉入到所述套管中的再充电工具。
由此，能够在没有必要使得无线单元进入井口装置或者润滑器中的情况下对无线单元进行再充电，由此无线单元没有必要浪费电能从再充电工具行进到油井。
所述再充电工具可以经由电缆或者输电线而沉入到油井中。
此外，所述再充电工具可包括再充电连接件，所述再充电连接件用于再充电和/或向所述无线单元传送电流和/或数据和传送来自所述无线单元的电流和/或数据。
此外，所述再充电连接件可包括电感耦合，以用于再充电和/或向所述无线单元传送电流和/或数据和传送来自所述无线单元的电流和/或数据。
最后，所述再充电工具可包括插接站，使得无线单元能够与其连接，并且能够向所述无线单元再充电，或者向无线单元加载信息或信号，或从无线单元下载信息或信号。
附图说明
以下将参考示意附图更加详细地说明本发明及其许多优点，为了说明，附图示出了一些非限制性的实施例，其中：
图1示出了设置在井的套管中的无线井下单元，
图2示出了具有声音探测设备的井口装置，
图3示出了声音探测设备，
图4示出了具有再充电连接件的井口装置的另一实施例，
图5示出了具有再充电连接件的井口装置的又一实施例，
图6示出了设置在套管中的具有再充电工具的井下系统。
所有的附图都是高度示意的，并不一定按比例绘制，并且它们只示出了为了解释本发明所必需的那些部件，其他部件被省略了或仅仅给予暗示。
具体实施方式
图1示出了井下系统200，该井下系统200包括设置在井2井下的套管3内部的无线井下单元1、100。无线井下单元1、100包括驱动单元15，该驱动单元15具有轮子形式的且沿着套管3的内壁4行走的驱动装置7。无线井下单元1、100典型地用于将作业工具带入到井2中以进行作业，诸如打开套筒、测量井流体的温度和/或压力、测录套管的泄漏情况等。无线井下单元1、100因此连接到各种各样的作业工具上，并且有时同时连接到几个工具上。
为了沿着套管壁推进无线井下单元1、100，该无线井下单元1、100包括由能够被电机5所驱动的泵6驱动的轮子。无线井下单元1、100包括用于向电机5供电的且包括多个蓄电池的蓄电池组8。蓄电池组8设置在无线井下单元1、100的最靠近井口装置110的部分中。通过将蓄电池组8并且因此将蓄电池放置在最靠近井2的顶端的最靠外的端部，仅通过进入井口装置就能够容易地向蓄电池再充电或者更换蓄电池。
井口装置包括管状部分111和具有内表面113和外表面114的端部112。井口装置110还包括声音检测设备16，所述声音检测设备16用于探测套管3中的由驱动装置7诸如轮子所引起的振动。当无线井下单元1、100推进自身在井中前进或后退时，轮子沿着套管3的内壁4转动，并且产生能由声音检测设备16检测到的振动。无线单元1、100越靠近声音检测设备16，能检测到的声音越大，由此能够计算无线井下单元和声音检测设备之间的距离。
操作无线单元1、100的员工能够在不与所述无线单元直接进行通信的情况下确定该单元的位置。此外，当无线单元1、100的驱动装置7经过套管接箍时，能够检测到声音或振动的差异，由此能够基于所述单元经过的套管接箍的数量计算所述无线单元的位置。如果无线单元1、100由于意料不到的障碍而偶然停止，那么作业者能够被告知并且接着缩回所述单元并且重新启动。
此外，无线单元1、100在井内部时没有必要能够与其作业者进行通信，因为作业者能够基于声音检测到任何动作，因此，无线单元1、100可被初始编程为经过一段时间之后返回表示所执行的作业的数据，从而使得没有必要进行通信。当无线单元没有连接到电缆时，油脂连接头部装置是没有必要的，这样改善了环境安全性。
井口装置中或者井口装置附近的声音检测设备提供了一种额外的预防措施，以确保无线单元位于执行作业的位置，或者使得该无线单元与井下安全阀足够近以打开阀门而使之可以通过。替换井口装置中的声音检测设备比替换设置在井下的安全装置更加容易，如果将声音检测设备设置在井口装置的形成外表面的一部分的其他表面上的话，甚至更加容易。
另外，井下系统可包括控制设备，该控制设备设置成与井中的无线单元通信和与声音检测设备通信，以基于由声音检测设备检测到的声音模式控制无线单元。在执行作业时，能够监测由无线单元执行的作业。
可由多个试验制作井下特定作业在正确执行时如何发声的明细，然后，能够在作业出错之前停止未按照此明细发声的作业，并且该作业有可能重新开始。更重要地，根据此发声明细而进行的作业能够向作业者证明该作业被正确地执行。因此，具有声音检测设备使得可以在作业出错并且损坏油井之前停止作业。因此，降低了作业引起的损坏比其实际解决的问题多的风险。
电源箱经常设置在地表面（surface）上，由该电源箱操作无线井下单元，控制设备可设置成与此电源箱连接或者至少与此电源箱进行通信。
如图2所示，声音检测设备16包括显示器17，该显示器以说明振动的曲线形式示出检测到的振动，从而使得作业者能够跟踪套管中的无线单元1、100。为了测量该振动，检测设备16包括与井口装置110的外表面114靠接的转换器18或者传感器18。基于声音的大小，借助于设置在检测设备16中的处理器19能够计算井口装置110与无线单元1、100相距的距离。处理器19也可能设置在地表面上，当情况如此时，表示检测到的振动的数据借助于通信线路被发送到处理器中。借助于具有照相机的ROV（远程操作车辆）也能够读取该显示器17，当情况如此时，显示图片经由ROV的电缆被传送到地表面。
声音检测设备可以包括任何类型的能够从金属套管中检测到声音的转换器诸如任意类型的录音工具，地震检波器或者扩音器，地震检波器或者扩音器是能够将声音转换为电信号的声电转换器或者传感器。该转换器、地震检波器或者扩音器被粘附到井口装置的金属套管上，以允许检测到来自于驱动装置的轮子或者来自于作业中的作业工具的声音/振动。
如果转换器18牢固地安装并靠接在井口装置110的壁部115的外表面114上，那么可以围绕任何现存的井口装置110来安装检测设备16，从而使得转换器能够适当检测到任何振动。可沿着井口装置110的壁部115安装多个转换器18。检测设备16的壳体的长度能够延长，例如，以可调节耦合器的形式，从而能够适应于不同类型的井口装置110。
如果处理器19设置在表面上，也能够借助于如下的方式来与检测设备16进行无线通信：声学、电磁学、Wi-Fi、ZigBee、无线局域网、DECT、GSM、UWB、UMTS、蓝牙、音频或射频。
如图1所示，井下系统200包括设置在套管3的顶部的井下安全阀门20。如果当于无线单元在井下的时候发生导致井口装置110的阀门停止适当工作、使钻探设备（rig）与井口装置的连接松散等的意外时，该阀门20起附加的安装装置的作用。因为井下安全阀门因而是闭合的，无线单元1、100在通过井下安装阀门之前必须等待一个信号。由于声音检测设备16，作业者被告知何时无线单元1、100接近该阀门，这使得作业者能够让无线单元通过——如果安全允许的话。
在图2中，井下系统200包括位于井口装置110的端部的插接站（docking station）21。插接站21因此是安装到井口装置110的附加管件。插接站21可以连接到无线单元以用于充电或再充电，或者用于向无线单元1、100加载信息或信号或从无线单元1、100下载信息或信号。当有必要时，无线单元1、100将其自身插接到插接站21以与电源接通，或者向无线单元加载信息或信号或从无线单元下载信息或信号。无线单元1、100具有与插接站21的连接件相配合的连接件，以装配到插接站，并且以此提供电连接。
如图3所示，井口装置110包括位于其端部的再充电连接件23以用于再充电，或者向无线单元1、100传送电流和/或数据或传送来自无线单元1、100的电流和/或数据。因此，无线单元1、100包括无线连接件22，其用于向无线单元1、100传送电流和/或数据，或传送来自无线单元1、100的电流和/或数据，如图4所示。为了传送电流或数据，再充电连接件23可以包括电感耦合24，无线单元1、100可以包括电感耦合25，使得能够在没有用于提供电连接的接触的情况下通过感应的方式执行再充电。
再充电连接件23的电感耦合24使得没有必要将无线单元1、100提升到流体密封的井口装置110之外或者井之外来再充电。
如图5所示，再充电连接件23也可被设置在井口装置110的管状部分111周围，从而使得能够经由管状部分的壁部115进行再充电，或者向无线单元1、100传送电流和/或数据或传送来自无线单元1、100的电流和/或数据。通过将再充电连接件23设置在管状部分111周围，在无线单元1、100在该井中执行作业的同时，再充电连接件23能够很容易地安装在现存的井周围，当不再要求该无线单元在井中时，能够很容易地再次拆卸该再充电连接件23。
井下系统200也可以包括能够与管状部分111的端部连接的润滑器，再充电连接件23可以设置在润滑器周围。这有利于经由润滑器的壁部再充电和/或向和/或自无线单元1、100传送电流和/或数据。再充电连接件23也可以设置在润滑器的端部的外表面114上。
在另一实施例中，井下系统200包括再充电工具300，该再充电工具300可经由电缆301或者类似的输电线而潜入到套管3中。当无线单元1、100已经进入到套管中时，再充电工具300潜入到套管中。再充电工具300包括再充电连接件302，其用于再充电和/或至和/或自无线单元1、100传送电流和/或数据。因此，通过简单地将再充电工具300的端部对接到再充电工具，能够仅通过将无线单元1、100提升到工具300的高度而对无线单元1、100进行再充电。以此，能够在没有必要使得进入井口装置110或者润滑器中的情况下，对无线单元1、100进行再充电，由此无线单元1、100没有必要浪费用于沿着从再充电工具300到井的距离行进的电能。
再充电连接件302包括电感耦合303，其能够与无线单元1、100的电感耦合相配合。
再充电工具300也可包括插接站21，该插接站用于与无线单元1、100连接以用于充电或再充电，或者向和/或自无线单元上传或下载信息和/或信号。
通过使得井下系统200具有再充电工具300和几个由可反复充电的蓄电池供电的无线单元1、100，该几个无线单元能够同时操作，且当需要电能时，将自身推向再充电工具300，并且随后重新开始它们的操作。通过能够同时操作几个无线单元1、100，能够使得更快地执行测量（例如测量压强和温度）所有的支线或旁线40的作业，由此，能够更快地重新开始碳氢化合物的生产。
需要再充电的无线单元1、100没有必要从其位置行走到井口装置110，因为再充电工具提供了这种能力。以此，节省了时间和能源。
为了优化生产，无线单元1、100也可以永久地设置在井中，以在生产期间对流进周围地层中的流体进行连续的测量。
插接站21可以包括通用串行总线（USB），以用于当工具插接在插接站中时能够与工具进行通信。
插接站21可以电连接到井外面的显示器，从而使得潜入者（diver）能够在不必将工具带出到井之外的情况下向工具发送操作指令。该工具能够经由插接站和显示器上传信息或信号或者下载信息或信号。
当工具已经下降到井中时，该工具连接到插接站21，并且数据被加载到插接站，从而使得该数据能够经由显示器传送到潜入者的ROV。潜入者和/或ROV包括通信单元，该通信单元能够与显示器可视地通信并获得关于井状况的信息。
流体或者井流体指的是任意类型的可存在于井下的油井或者气井中的流体，诸如天然气、油、油基泥浆、原油、水等。气体指的是任意类型的在油井、完井或者裸井中存在的气体成分，油指的是任意类型的油成分，诸如原油、含油流体等。气体、油以及水流体各因此都可包含除气体、油和/或水之外的其他元素或物质。
套管指的是用在井下的与油或天然气生产有关的任意类型的管道、管子、管状体、衬管、柱体等。
在工具没有全部没入套管的情况下，井下牵引器可用于在井中将工具推至正确位置。井下牵引器是任意类型的能够在井下井中推进或牵拉工具的驱动工具，诸如Well 
虽然以上已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了说明，但是对于本领域的技术人员而言，在不脱离由下述的权利要求所限定的本发明的情况下明显可以想到多种修改。
Claims (18)
1.一种井下系统（200），所述井下系统包括：
-套管（3），所述套管（3）具有内壁（4），以及
-能够在所述套管中移动的无线单元（1、100），所述无线单元包括轮子形式的驱动装置（7）和至少一个电池组（8），所述电池组（8）包括至少一个用于向电机（5）供电的蓄电池（9），所述电机（5）驱动泵（6）从而驱动所述轮子以使之沿着所述套管的内壁转动，
其中，所述井下系统还包括井口装置（110），该井口装置包括声音检测设备（16），该声音检测设备用于检测所述套管中的振动，例如，由所述驱动装置或者由所述无线单元所执行的作业引起的振动。
2.根据权利要求1所述的井下系统，其特征在于，所述声音检测设备包括显示器（17），所述显示器例如以说明振动的曲线形式示出在所述套管中检测到的振动。
3.根据权利要求2所述的井下系统，其特征在于，所述声音检测设备包括靠接在所述井口装置的外壁上的转换器（18）或传感器。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的井下系统，其特征在于，所述井下系统还包括处理器（19），该处理器用于计算从所述井口装置到所述无线单元的距离。
5.根据权利要求4所述的井下系统，其特征在于，所述处理器借助于如下的方式与所述声音检测设备进行无线通信：声学、电磁学、Wi-Fi、ZigBee,无限局域网、DECT、GSM、UWB、UMTS、蓝牙、音频或射频。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的井下系统，其特征在于，所述井下系统还包括设置在所述套管中的井下安全阀（20）。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的井下系统，其特征在于，所述声音检测设备能够与所述井下安全阀通信，并在所述无线单元离所述井口装置位于预定距离之内时指示所述井下安全阀打开。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的井下系统，其特征在于，所述井下系统还包括插接站（21），使得所述无线单元能够连接到所述插接站，从而能够向所述无线单元充电或再充电，或者向所述无线单元加载信息或信号，或者从所述无线单元下载信息或信号。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的井下系统，其特征在于，所述无线单元包括无线连接件（22），该无线连接件用于向所述无线单元传送电流和/或数据和传送来自所述无线单元的电流和/或数据。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的井下系统，其特征在于，所述井口装置包括再充电连接件（23），该再充电连接件用于再充电和/或向所述无线单元传送电流和/或数据和传送来自所述无线单元的电流和/或数据。
11.根据权利要求10所述的井下系统，其特征在于，所述再充电连接件包括电感耦合（24）。
12.根据权利要求10或11所述的井下系统，其特征在于，所述井口装置包括具有壁部（115）的管状部分（111），围绕着所述壁部（115）设置所述再充电连接件，使得能够经由所述管状部分的壁部进行再充电和/或向所述无线单元传送电流和/或数据和传送来自所述无线单元的电流和/或数据。
13.根据权利要求10或11所述的井下系统，其特征在于，所述井口装置包括具有端部（112）的管状部分（111），所述端部具有内表面（113）和外表面（114），其中，所述再充电连接件设置在所述端部的外表面上，使得能够经由所述管状部分的端部进行再充电和/或向所述无线单元传送电流和/或数据和传送来自所述无线单元的电流和/或数据。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的井下系统，其特征在于，所述无线单元包括电感耦合（25）。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的井下系统，其特征在于，所述井下系统还包括再充电工具（300），该再充电工具能够沉入到所述套管中。
16.根据权利要求15所述的井下系统，其特征在于，所述再充电工具经由电缆（301）或输电线而沉入。
17.根据权利要求15或16所述的井下系统，其特征在于，所述再充电工具包括再充电连接件（302），所述再充电连接件用于再充电和/或向所述无线单元传送电流和/或数据和传送来自所述无线单元的电流和/或数据。
18.根据权利要求17所述的井下系统，其特征在于，所述再充电连接件包括电感耦合（303），该电感耦合用于再充电和/或向所述无线单元传送电流和/或数据和传送来自所述无线单元的电流和/或数据。
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