CN103939089B - 示踪器、包括该示踪器的钻井设备及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种示踪器，属于石油钻井领域。该示踪器包括：球形封装支架；固定于支架的用于测量外界压力的压力传感器；固定于支架内部的电路板，在电路板上设有温度传感器和数据处理元件；固定于支架的通讯接口，其中，压力传感器和温度传感器的测量结果传输给数据处理元件，数据处理元件将所获取的结果存储并通过通讯接口传输出去。本发明还提出了一种包括该示踪器的钻井设备，其中示踪器能够在钻柱内的流体通道内随钻井液运动，经过钻头的水眼和环空之后与钻井液一同返回地面。本发明还提出了通过该钻井设备对井眼进行数据采集的方法。根据本发明的示踪器、设备和方法可以实时对整个井筒进行参数采集，弥补了现有技术的不足。

Description

示踪器、包括该示踪器的钻井设备及使用方法

技术领域

本发明涉及一种示踪器，属于石油钻井领域。本发明还涉及一种包括该示踪器的钻井设备以及使用该钻井设备的方法。

背景技术

温度和压力是钻井工程中的两项重要的基础数据。根据温度数据可以了解井筒中的温度随深度增加的梯度，可以在一定程度上反映钻井液流体特性和井壁稳定性的变化情况。压力数据可以为优化钻井液密度和循环当量、选择最佳套管下入深度、提高钻井效率、识别油气层、降低作业风险和钻井成本提供依据。对整个井筒的温度、压力进行实时监测，建立随钻测量的温度、压力剖面对钻井工程的提速提效和安全钻井有着重要的意义。

近年来，随钻测量技术得到了广泛的关注。研发出了一些随钻地层压力测量仪器，这些仪器在靠近钻头的井底组合钻具中安装温度、压力传感器，在钻头附近测得地层温度、压力，不需要中断正常钻井工作就能把信息传至地面。这些仪器可以实时提供地层温度、压力数据，使钻井工艺得到优化，还可以早期检测到高温、高压地层，确定地层温度、压力梯度和流体界面，实时调整钻井液密度，使钻井作业、下套管和完井作业得到优化。

然而，现有技术中的随钻测量仪（MWD、LWD、PWD等），测量参数多以地层特性参数为主，而且当前的参数测量多以钻头附近为主，是对井筒顶点的测量，对整个井筒的参数变化缺少一个立体的全过程测量。随着井深的不断增加和钻井液密度的变化，对全井筒的立体监测变得尤其重要。目前，在现有技术中还没有一种针对全井筒的参数的随钻实时测量方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实现整个井筒的温度、压力随钻测量的示踪器，该示踪器可以快速检测全井筒的温度、压力参数，包括钻头位置附近的参数。而且根据本发明的示踪器设计灵巧简便，成本低廉，使用方便，针对全井筒进行实时测量，有效地弥补了现有技术中的不足。

本发明提出了一种示踪器，包括：球形封装支架；固定于支架的用于测量外界压力的压力传感器；固定于支架内部的电路板，在电路板上设有温度传感器和数据处理元件；固定于支架的通讯接口，其中，压力传感器和温度传感器的测量结果传输给数据处理元件，数据处理元件将所获取的结果存储并通过通讯接口传输出去。

在一个实施例中，支架包括第一半球体和第二半球体，压力传感器置于第一半球体中，通讯接口置于第二半球体中。

在一个实施例中，第一半球体和第二半球体之间通过螺纹连接，在连接处采用氟橡胶或硅橡胶密封。

在一个实施例中，第一半球体具有通道，压力传感器置于通道中，压力传感器的引线通过通道连接到电路板。

在一个实施例中，支架内部充填有硅油。

在一个实施例中，还包括晶体振荡器作为时钟源，数据处理元件通过晶体振荡器计时并对所接收的数据进行时间标记。

在一个实施例中，第二半球体还具有用于保护通讯接口的插针帽。

在一个实施例中，压力传感器与支架之间和插针帽与支架之间通过氟橡胶或硅橡胶密封，电路板和支架之间通过绝缘片隔离。

本发明还提出了一种包括该示踪器的钻井设备，其中示踪器能够在钻柱内的流体通道内随钻井液运动，经过钻头的水眼和环空之后与钻井液一同返回地面，其中，示踪器在运动过程中实时采集和存储井眼的数据。

本发明还提出了一种通过该设备进行井下参数测量的方法，包括：第一步：将示踪器送入到钻柱内的流体通道；第二步：示踪器随钻井液在钻柱内向下运动，并从钻头的水眼出来进入环空，示踪器在运动过程中实时采集和存储井眼的数据，最后随钻井液一起返回地面；第三步：打捞示踪器，并把示踪器所采集到的数据下载到信息处理装置。

根据本发明的示踪器具有球形的外形设计，并将各个测量所需的模块合理有效地整合到球形封装支架内部的不同位置，大大提高了测量装置的集成度。同时，根据几何学原理，球形设计使其节省材料，并且有利于将其在钻井液中流动所受的阻力最小化。根据本发明的配备有该示踪器的钻井设备以及根据本发明的方法可以有效地实时监控整个井筒的参数。

附图说明

在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1示意性显示了配备了根据本发明的示踪器的钻井设备；

图2示意性显示了根据本发明的示踪器的框图；

图3为根据本发明的示踪器的结构示意图。

在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将参照附图来详细地介绍本发明。

首先参照图1，图1显示了配备有根据本发明的示踪器11的钻井设备。图2和图3进一步详细描述了示踪器11。

首先参照图3，图3显示了示踪器11的结构。

示踪器11为球形结构，其具有球形的封装支架27（图3中未标出），用来支撑和固定示踪器11的其余部件。封装支架27的材料可以为不锈钢。该球形封装支架27包括两部分，即上半球31和下半球32。上半球31和下半球32之间通过螺纹连接，连接处可以采用氟橡胶或者硅橡胶圈密封。球内部可充填硅油，以保证球内和球外压力平衡，提高封装支架27的抗压强度。

在图3所示的实施例中，上半球31的顶部开有例如圆柱形凹槽的支撑基座，凹槽内放置压力传感器22，其承压面直接与外界接触，用于采集井筒的压力数据。压力传感器22与支撑基座之间的缝隙采用氟橡胶或者硅橡胶密封。

压力传感器22可以为柱形，总直径小至3.2mm。压力传感器22可以是微型压阻式压力传感器，该传感器具有高量程、高精度、高频响应（例如400KHz）的特点，输出mV级电压，适用于静态和动态压力测量。

上半球31内设置有电路板35。下半球32内设置有电路板36。电路板的方向可以设置为与压力传感器22的纵向方向垂直。上半球31与电路板35之间通过绝缘片38隔离，下半球32与电路板36之间通过绝缘片39隔离。电路板和示踪器11的封装支架27之间可以用胶黏剂固定在一起。

再次参照图3，压力传感器22的支撑基座的底部连接有通孔34，即圆柱形的支撑基座和通孔34整体连通成一个通道。通孔34为柱形通孔，其纵向方向可以与压力传感器22的纵向方向一致。压力传感器22的引线通过通孔34连接到内部，与电路板35和36（下面将详细介绍）相连，用于信息的传输。

参照图2的框图。电路板35上设置有信号调理电路，电路板36上设置有单片机21和温度传感器23。

温度传感器23用于采集井筒的温度数据。进一步地，温度传感器23还可以具有模数转换器和I²C接口。温度传感器23可以为数字温度传感器，该传感器封装尺寸小(5mm×3mm)，功耗低（μA量级），测量精度高（例如0.5℃）。

单片机21用来构成数据处理单元。数据处理单元用来接收温度传感器和压力传感器的测量数据，对所收到的温度和压力数据进行处理，对数据相应地打上时间标签，存储数据并实时发送数据。

单片机21可以为MSP430系列单片机21，该单片机是一种极低功耗处理器，拥有16位精简指令集（RISC）CPU、16位寄存器组、连续发生器，可以提供极大的代码效率，具有5种节能模式，可以在不到1μs时间里从待机模式唤醒，其封装尺寸小（6.5mm×6.5mm）。在活动模式、工作电压为2.2V的情况下，工作电流为230μA；在待机模式下，工作电流为0.5μA；在关闭模式下（RAM保持），工作电流为0.1μA。

结合图3，在下半球32的底部设置有作为通讯接口的插针接口37和用于保护插针接口37的插针帽301。单片机21把记录的或者存储的压力、温度数据，打上时间标签后通过插针接口37传输给上位机，或者接收来自上位机的指令。插针帽301与下半球32之间通过氟橡胶圈或者硅橡胶圈密封。插针接口37可以为串行通讯接口。

示踪器11还包括拆卸槽302，在靠近上半球31的顶部设置有2个对称的拆卸槽302，在靠近下半球32的底部也设置有2个对称的拆卸槽302，方便示踪器11的各个部件的组装和拆卸。

示踪器11还包括晶体振荡器25，其布置在电路板36。晶体振荡器25用来作为时钟源，单片机通过其计时并对数据进行时间标记。

示踪器11还包括电池26。电池26可以是纽扣电池。

在一个实施例中，在示踪器11中，压力传感器22输出接口与MSP430单片机的P1.0管脚相连，温度传感器23的时钟线和数据线分别与MSP430单片机的P1.6和P1.7管脚相连，串行通讯接口输出端选用MSP430单片机的P1.2管脚，输入端选用MSP430单片机的P1.1管脚。晶体振荡器采用无源晶振，晶振频率为32.768KHz，工作电源采用纽扣电池供电。

在一个实施例中，根据本发明的示踪器11采用高温动态微型压力传感器检测井筒压力值，采用微型温度传感器检测井筒温度值，采用耐高温低功耗处理器进行数据处理，采用不锈钢材料对电路和元器件进行抗温、抗压封装，采用有线传输方式下载数据。示踪器外观是球形，总直径小于20mm。

示踪器11可以快速采集全井筒的温度和压力数据，具体地讲，示踪器11通过泵送装置注入井筒中，随钻井液在钻杆内的流体通道内运动，经过钻头水眼进入环空，最后返回地面，在这一循环过程中，示踪器连续采集井筒的温度和压力数据。

本发明还提出了一种包括根据本发明的示踪器11的钻井设备。

如图1所示，常规钻井设备通常包括地面井架12和钻盘13，钻盘13带动钻柱14高速旋转，钻柱14带动钻头15高速旋转，在地层内钻凿一个井眼17，井眼17钻入地下不同的地质构造层。钻柱14内部包括一个纵向流体通道16，流体通道16的出口与钻头15的水眼连通，钻柱和井壁之间形成一个环形空间18。以上本领域技术人员容易理解，在此不作详述。而根据本发明的钻井设备，则为在常规钻井设备中包括了根据本发明的示踪器11。示踪器11首先泵入到钻柱内的流体通道16，随后示踪器11随钻井液在钻柱内向下运移，并从钻头15的水眼出来，进入环空18，示踪器11在运动过程中实时采集和存储井眼的温度和压力数据，最后示踪器11随钻井液一起返回地面。

本发明还提出了应用包括根据本发明的示踪器11的钻井设备的方法。具体地为：

首先通过泵送装置将根据本发明的示踪器11泵入到钻柱内的流体通道16；

示踪器11随钻井液在钻柱内向下运动，并从钻头15的水眼出来，进入环空18，示踪器11在运动过程中实时采集和存储井眼的温度和压力数据，最后示踪器11随钻井液一起返回地面；

在地面上把示踪器11打捞出来，并把示踪器11采集到的数据下载到例如PC机19的信息处理装置。PC机19可以快速处理和显示温度和压力数据，可供钻井工程师预测钻井状况。

每年国内各大油田都不同程度地发生井涌、井漏等钻井工程事故，而这些事故与井筒工程参数的变化密切相关。

微型示踪器可以快速检测钻井过程中的井筒温度和压力参数，为及时了解井壁稳定性、井涌井漏提供技术支持，从而可以有效地防止钻井事故的发生。同时，微型示踪器可以对非常规钻井液的温度和压力变化进行监控，以及对油藏动态情况进行监测。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种示踪器，包括：

球形封装支架，封装支架的制作材料为不锈钢；

固定于所述支架的用于测量外界压力的压力传感器；

固定于所述支架内部的电路板，在所述电路板上设有温度传感器和数据处理元件；

固定于所述支架的通讯接口，所述通讯接口构造成插针接口；

其中，所述压力传感器和温度传感器的测量结果传输给所述数据处理元件，所述数据处理元件将所获取的结果存储并通过所述通讯接口传输出去,

所述支架包括第一半球体和第二半球体，所述压力传感器置于第一半球体中，所述通讯接口置于第二半球体中，

所述第二半球体还具有用于保护所述通讯接口的插针帽，

所述第一半球体具有通道，所述压力传感器置于所述通道中，所述压力传感器的引线通过所述通道连接到所述电路板。

2.根据权利要求1所述的示踪器，其特征在于，所述第一半球体和第二半球体之间通过螺纹连接，在连接处采用氟橡胶或硅橡胶密封。

3.根据权利要求1或2所述的示踪器，其特征在于，所述支架内部充填有硅油。

4.根据权利要求1或2所述的示踪器，其特征在于，还包括晶体振荡器作为时钟源，所述数据处理元件通过所述晶体振荡器计时并对所接收的数据进行时间标记。

5.根据权利要求1所述的示踪器，其特征在于，所述压力传感器与所述支架之间和所述插针帽与所述支架之间通过氟橡胶或硅橡胶密封，所述电路板和所述支架之间通过绝缘片隔离。

6.包括根据上述权利要求中任一项所述的示踪器的钻井设备，其特征在于，所述示踪器能够在钻柱内的流体通道内随钻井液运动，经过钻头的水眼和环空之后与钻井液一同返回地面，其中，所述示踪器在运动过程中实时采集和存储井眼的数据。

7.通过根据权利要求6所述的设备进行井下参数测量的方法，包括：

第一步：将所述示踪器送入到钻柱内的流体通道；

第二步：所述示踪器随钻井液在钻柱内向下运动，并从钻头的水眼出来进入环空，所述示踪器在运动过程中实时采集和存储井眼的数据，最后随钻井液一起返回地面；

第三步：打捞示踪器，并把所述示踪器所采集到的数据下载到信息处理装置。