CN106481330A - 一种井下监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下监测系统，属于石油钻井技术领域，以解决现有的监测系统无法实现全井筒监测，井下监测范围和数据量较小，监测数据的传输效率低的技术问题。该井下监测系统包括：多个井下监测装置，所述井下监测装置用于采集并存储井下环境数据，所述多个井下监测装置分布在井筒中；数据处理装置，其用于根据所述多个井下监测装置采集并存储的井下环境数据进行钻井过程的监视以及地层评估。

Description

一种井下监测系统

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，具体的说，涉及一种井下监测系统。

背景技术

在石油钻井作业过程中，将钻井工程参数进行实时的测量和上传已成为常规的技术手段。其目的在于通过对井下测量参数的分析，一方面可以提高对钻井过程的控制能力和对地层的评价能力，从而增加油层的钻遇率；另一方面可以及时的发现钻井异常现象(如高温异常、高压异常等)，为高效和安全钻井提供有效保障。

目前，较为常用的钻井测量工具是随钻测量仪，随钻测量仪是一种先进的钻井工程参数测量工具，其数据传输主要靠两种方式。第一种是有线传输方式，包括电缆传输方式、特种钻杆传输方式及光纤传感等方式，有线传输速度快、数据量大，但是钻井工具相对复杂，对井下设备要求高，经常影响到正常钻进过程，成本也较高。第二种是无线传输方式，根据传输介质不同又分为泥浆脉冲、电磁波传输和声波传输，其中泥浆脉冲是目前应用最普遍的一种，它是将被测参数转变成钻井液压力脉冲，随着钻井液循环传送到地面，但是传输速度较低，一般为4～16bit/s。电磁波随钻测量是目前应用中最新的技术，主要通过地层或钻柱将数据传输到地面。虽然电磁波传输适用面广，但是信号极易受到干扰，信号衰减快。声波传输的原理与电磁波传输类似，是利用声波或者地震波通过钻杆进行信号传输，数据传输易受到地层性质影响和钻井深度限制。而且，随钻测量仪是一种非常昂贵的工具，极大地增加了钻井成本，同时，由于随钻测量仪的检测点离钻头较远(通常大于0.5m)，导致检测滞后以及信息不充分，而且无法测量全井筒的信息，即无法对已钻地层的地质、岩石物理信息进行重复测量。

因此，亟需一种能够实现全井筒监测，扩大井下监测范围和数据量，提高井下监测数据传输效率的井下监测系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种井下监测系统，以解决现有的监测系统无法实现全井筒监测，井下监测范围和数据量较小，监测数据的传输效率低的技术问题。

本发明提供一种井下监测系统，该系统包括：

多个井下监测装置，所述井下监测装置用于采集并存储井下环境数据，所述多个井下监测装置分布在井筒中；

数据处理装置，其用于根据所述多个井下监测装置采集并存储的井下环境数据进行钻井过程的监视以及地层评估。

所述井下监测装置在井口随钻井液进入钻杆中空区域，在向下流动的钻井液的携带下到达钻杆底部后进入钻杆外的井筒区域并在向上流动的钻井液的携带下到达井口。

本发明提供的井下监测系统还包括：

投放装置，其用于在井口向钻杆中空区域中的钻井液中投放所述井下监测装置；

回收装置，其用于在井口回收在钻杆外的钻井液携带下到达井口的所述井下监测装置。

所述井下监测装置包括：

采集单元，其用于采集井下环境数据；

存储单元，其用于存储采集到的所述井下环境数据。

所述井下监测装置还包括：通信单元，其用于接收、发送和转发所述井下环境数据，所述多个井下监测装置之间通过所述通信单元相互通信形成井下通信网络；

所述井下监测系统还包括：地面通信装置，其用于与所述井下通信网络进行井下环境数据的通信，并将所述井下环境数据发送给所述数据处理装置。

在所述通信网络中，通信单元根据井筒中其他井下监测装置的位置和信号强度计算其向所述地面通信装置发送和转发井下环境数据的最优路径，并根据该最优路径发送和转发所述井下环境数据。

所述井下监测装置还包括：

外壳，所述采集单元和存储单元设置在所述外壳内，所述外壳内表面设置有防水层，所述防水层用于防止钻井液透过所述外壳缝隙进入所述外壳内部，在所述采集单元和存储单元与所述外壳之间设置有缓冲部件，所述缓冲部件用于在外壳发生碰撞时减少所述采集单元和存储单元受到的震动。

所述投放装置根据设定的间隔时间在井口向钻杆中空区域中的钻井液中间隔投放所述井下监测装置。

所述井下监测装置的外壳为圆形。

本发明实施例提供的井下监测系统通过在井筒中分布井下监测装置，使得井下监测装置在井筒中跟随钻井液进行循环实现全井筒范围的监测，并且通过井筒中分布的多个井下监测装置构建成为一套完整的井下无线网络，提高井下信息传输速率和稳定性。并且在井下网络条件不好时，直接对井下监测装置进行回收读取，然后再次投放进入循环。整套系统成本较低，适合大部分井筒环境，尤其是适用于复杂井、深井超深井、深海钻井等。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是本发明实施例提供的井下监测系统的示意图；

图2是本发明实施例提供的井下监测装置的示意图；

图3是本发明实施例提供的井下监测系统的使用示意图。

附图标记说明：

1、井下监测装置 2、采集单元 3、存储单元 4、通信单元 5、地面系统 6、井下系统 7、数据处理装置 8、投放装置 9、回收装置 10、地面通信装置 11、钻杆 12、井筒

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供一种井下监测系统，如图1所示，该系统分为地面系统5和井下系统6两部分。其中，地面系统5部分包括数据处理装置7、投放装置8和回收装置9。井下系统6部分由多个井下监测装置1组成，多个用于采集并存储井下环境数据的井下监测装置分布在井筒中各处。

如图2所示，井下监测装置1包括：采集单元2和存储单元3。其中，采集单元2用于采集井下环境数据。存储单元3用于存储采集到的井下环境数据。采集的井下环境数据用于进行地层评估和对钻井过程实时状态的监视，因此，井下环境数据包括有井筒内的压力、温度、电阻率、声速、密度以及中子孔隙度等用于进行地层评估和实时监视的相关数据。在获取到这些实时数据后，由井下监测装置1内的存储单元3将这些数据存储起来，以便于之后根据这些数据进行相应的分析。

可选的，采集单元2包括有：温度传感模块、压力传感模块、位移传感模块，温度传感模块用于测量井下监测装置1外的温度，压力传感模块用于测量井下监测装置1外的压力，位移传感模块用于测量井下监测装置1的位移，从而之后进行数据分析时，获取相应温度和压力以及其他参数对应的井下监测装置1的位置，表示了井筒中不同位置对应的温度、压力以及其他参数。在本发明实施例中，采集单元2中传感模块种类和数量的选择根据实际的监视需求来选择和确定。

进一步的，井下监测装置1还包括有外壳，采集单元2和存储单元3设置在外壳内，外壳内表面设置有防水层，防水层用于防止钻井液透过外壳缝隙进入外壳内部，在采集单元2和存储单元3与外壳之间设置有缓冲部件，缓冲部件用于在外壳发生碰撞时减少采集单元和存储单元受到的震动。采集单元2和存储单元3通过固定件固定在外壳内。

井下监测装置1用于获取井筒中的各项环境数据并存储起来，其工作在井下流动的钻井液中，因此在井下监测装置1外壳内设置防水层防止钻井液进入装置内部，导致内部的电子器件短路损坏。设置缓冲部件和用于固定电子设备的固定件的目的是为了防止井下监测装置1在随钻井液流动过程中与井筒壁或者钻杆壁碰撞导致内部器件损害。并且考虑到常用的钻井液为泥浆，可以将井下监测装置1外壳的形状设计成没有棱角的形状，例如圆形，以便于井下监测装置1能够顺利在泥浆的携带下进入井筒内的各个位置，防止其在流动过程中卡在井筒壁或者钻杆壁上，另一方面，在多个井下监测装置1间隔使用时，防止由于泥浆的粘稠度不均匀导致多个井下监测装置1堆积在一起的情况发生。

数据处理装置7用于根据多个井下监测装置1采集并存储的井下环境数据进行钻井过程的监视以及地层评估。投放装置8用于在井口向钻杆中空区域中的钻井液中投放井下监测装置1，回收装置9用于在井口回收钻杆外的钻井液中的井下监测装置1。

如图3所示，多个井下监测装置1通过投放装置8投放到钻杆11中的钻井液里，井下监测装置在井口随钻井液进入钻杆中空区域，随着钻井过程的进行，井下监测装置1在向下流动的钻井液的携带下到达钻杆11底部后进入钻杆11外的井筒区域并在向上流动的钻井液的携带下到达井口，也就是说井下监测装置1将随着钻井液流经井筒12中的各个位置，并最终跟随钻杆11外的钻井液返回地表井口，通过回收装置9将循环返回的井下监测装置1进行回收。然后对回收的井下监测装置1中记录的井下环境信息进行读取，通过数据处理装置7对该井下环境信息进行处理进而实现对于钻井过程的监视以及地层评估。在井下监测装置1随着钻井液流经井筒的过程中，井下监测装置1可以在流经的多个位置记录井下环境数据，对获取的井下环境数据进行获取时间和获取位置的标注。而在投放过程中，使用间隔投放方式，间隔时间和投放的数量根据实际的测量需要进行选择，使得投放的多个井下监测装置1均匀分布在井筒12中，对井筒12中各个位置的环境信息进行记录。在不断对多个井下监测装置1回收和读取的过程中，还原井下的多方面环境情况，实现对于井筒的全方位监测。进行完数据读取的井下监测装置1可以重新投放入井筒12中进行下一轮的循环采集。

进一步的，如图1至3所示，本发明实施例提供的井下监测系统的地面系统5还包括地面通信装置10。相应的井下监测装置1中设置有通信单元4，通信单元4具有路由器功能，用于接收、发送和转发井下环境数据，多个井下监测装置1之间通过通信单元相互进行通信形成井下通信网络。地面通信装置10用于与井下通信网络进行井下环境数据和控制指令的通信，通信单元4接收这些控制命令进而来控制通信的过程或控制采集单元的工作。

在多个井下监测装置1同时使用时，多个井下监测装置1在井下进行相互通信形成相应的井下数据通信网络，在该通信网络中，每个井下监测装置1都作为一个网络节点，每个井下监测装置1将自身的井下环境数据和节点相关信息发送给其他监测装置，并实现对其他监测装置发送数据的转发。在该井下数据通信网络中，每个井下监测装置中的通信单元作为网络节点进行向地面通信装置10发送和转发数据的由其他节点组成的最优路径的计算和备份路径的计算，在进行最优路径的计算过程中考虑到网络中各个节点的位置、信号强度等节点相关信息。由于该井下网络中的各个节点即井下监测装置1随着钻井液在井筒12中不断流动，所以每一时刻各个节点的位置都不相同，因此，在每一时刻井下监测装置1都会计算其向地面通信装置10发送和转发数据的最优路径，从而使得每一时刻井下监测装置1采集到的井下环境数据都能够快速高效的传输给地面系统5的地面通信装置10，并且在某个节点故障时及时选用备份路径进行数据的传输，保证信息传输的稳定性。在这种使用无线通信实施方式中，回收装置9回收的井下监测装置1可直接进行再次投放，使得井下监测装置1在井筒12中不断进行循环。

在本发明实施例中，地面的数据处理装置7可以通过两种方式获取到井下监测装置1采集到的井下环境数据。一种方式是在井下网络信号较强时，通过多个井下监测装置1组成的网络和地面通信装置10进行无线通信的方式；另一种是在井下信号不好时，通过回收装置9将循环返回的井下监测装置1进行回收，然后对回收的井下监测装置1中记录的井下环境信息进行读取的方式。

本发明实施例提供的井下监测系统通过在井筒中分布井下监测装置，使得井下监测装置在井筒中跟随钻井液进行循环实现全井筒范围的监测，并且通过井筒中分布的多个井下监测装置构建成为一套完整的井下无线网络，提高井下信息传输速率和稳定性。并且在井下网络条件不好时，直接对井下监测装置进行回收读取，然后再次投放进入循环。整套系统成本较低，适合大部分井筒环境，尤其是适用于复杂井、深井超深井、深海钻井等。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种井下监测系统，其特征在于，包括：

多个井下监测装置，所述井下监测装置用于采集并存储井下环境数据，所述多个井下监测装置分布在井筒中；

数据处理装置，其用于根据所述多个井下监测装置采集并存储的井下环境数据进行钻井过程的监视以及地层评估。

2.根据权利要求1所述的井下监测系统，其特征在于，所述井下监测装置在井口随钻井液进入钻杆中空区域，在向下流动的钻井液的携带下到达钻杆底部后进入钻杆外的井筒区域并在向上流动的钻井液的携带下到达井口。

3.根据权利要求2所述的井下监测系统，其特征在于，还包括：

投放装置，其用于在井口向钻杆中空区域中的钻井液中投放所述井下监测装置；

回收装置，其用于在井口回收在钻杆外的钻井液携带下到达井口的所述井下监测装置。

4.根据权利要求3所述的井下监测系统，其特征在于，所述井下监测装置包括：

采集单元，其用于采集井下环境数据；

存储单元，其用于存储采集到的所述井下环境数据。

5.根据权利要求4所述的井下监测系统，其特征在于，所述井下监测装置还包括：通信单元，其用于接收、发送和转发所述井下环境数据，所述多个井下监测装置之间通过所述通信单元相互通信形成井下通信网络；

所述井下监测系统还包括：地面通信装置，其用于与所述井下通信网络进行井下环境数据的通信，并将所述井下环境数据发送给所述数据处理装置。

6.根据权利要求5所述的井下监测系统，其特征在于，在所述通信网络中，通信单元根据井筒中其他井下监测装置的位置和信号强度计算其向所述地面通信装置发送和转发井下环境数据的最优路径，并根据该最优路径发送和转发所述井下环境数据。

7.根据权利要求4或5所述的井下监测系统，其特征在于，所述井下监测装置还包括：

外壳，所述采集单元和存储单元设置在所述外壳内，所述外壳内表面设置有防水层，所述防水层用于防止钻井液透过所述外壳缝隙进入所述外壳内部，在所述采集单元和存储单元与所述外壳之间设置有缓冲部件，所述缓冲部件用于在外壳发生碰撞时减少所述采集单元和存储单元受到的震动。

8.根据权利要求7所述的井下监测系统，其特征在于，所述投放装置根据设定的间隔时间在井口向钻杆中空区域中的钻井液中间隔投放所述井下监测装置。

9.根据权利要求8所述的井下监测系统，其特征在于，所述井下监测装置的外壳为圆形。