CN110318688B - 一种固井质量监测短节装置及数据收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固井质量监测短节装置(40)，该监测短节装置(40)连接在套管串中的相邻两个套管(20)之间，实时采集处于套管(20)和地层(30)之间的环形空间内的固井水泥石(10)的至少包括压力、温度及应力应变的状态表征数据，并根据状态表征数据评估监测短节装置(40)的位置处的固井水泥石(10)的密封性。本发明实现了对固井作业质量及固井水泥石(10)密封性进行长期的持续性的监测，为及时了解和掌握环空密封性提供有力的数据支持，并为及时治理提供科学的依据，同时，能够对固井失效导致的安全事故进行提前预警。

Description

一种固井质量监测短节装置及数据收集方法

技术领域

本发明涉及油气资源勘探与开发领域，具体地说，是涉及一种固井质量监测短节装置及数据收集方法。

背景技术

当前油气资源勘探开发向着复杂地层和深层油气藏发展，导致石油工程复杂情况多、周期长、作业风险大，严重制约了勘探开发进程，也为固井作业带来了新的挑战。固井质量的好坏会直接影响到钻井作业效率、安全事故、油气井寿命以及油气藏开采率等诸多方面。固井质量或密封性不好将引起窜槽，甚至发生溢流，产生井喷事故，如2010年墨西哥湾BP公司的漏油事件。由于井下温度压力及外加地层应力的等复杂因素的作用，固井质量往往很难保证。因此对固井质量的长期有效监测就显得尤为重要。

目前常用声波水泥胶结测井仪器来评价固井质量，该测量方式主要评价固井套管和水泥石的胶结情况，对固井水泥石的密封性无法进行有效监测；而且该评价法只能对固井后单一时段的水泥石胶结情况进行单次抽查测量，无法进行长期的持续性监测。

随着时间的推移，受井下外部高温高压环境以及其它井下作业的影响，固井水泥石也会发生一定程度的变化，会导致固井胶结质量出现不同程度的问题，因此亟需一种新的固井胶结质量井下监测评价工具，对固井作业的质量和固井水泥石的密封性进行长期的持续性的监测和评价。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种固井质量监测短节装置(40)，其连接在套管串中的相邻两个套管(20)之间，所述监测短节装置(40)实时采集处于套管(20)和地层(30)之间的环形空间内的固井水泥石(10)的至少包括压力、温度及应力应变的状态表征数据，并根据所述状态表征数据评估所述监测短节装置(40)的位置处的固井水泥石(10)的密封性。

优选地，所述监测短节装置(40)包括：短节本体(400)；柔性的扶正器(403)，其安装于所述监测短节装置(40)的外壁，并伸入到所述固井水泥石(10)中；若干传感器装置(405)，其封装于所述柔性的扶正器(403)内，用于采集所述状态表征数据；和若干天线(404)，其设置在所述短节本体(400)，并用于传输来自所述传感器装置(405)的所述状态表征数据。

优选地，所述短节本体(400)通过上、下接头分别与处于所述监测短节装置(40)的上方和下方的套管(20)连接。

优选地，所述传感器装置(405)在获取到发送数据请求命令后，通过所述天线(404)将所述状态表征数据进行无线输出，并且所述天线(404)在传输所述状态表征数据的同时以无线方式为所述传感器装置(405)进行充电。

优选地，所述发送数据请求命令由下入到所述套管(20)内的监测数据采集装置(50)以无线方式发出。

优选地，所述监测短节装置(40)按照预设的分布间距布置在整个井段，或者所述监测短节装置(40)按照预设的分布间距布置在井下油气储层的范围内，或者所述监测短节装置(40)按照预设的分布间距布置在油气储层上方300～500米的范围内。

优选地，每个所述传感器装置(405)包括一种或多种类型的传感器，其中，所述传感器装置(405)按照预设的采样间隔并利用当前所述传感器装置(405)内的传感器进行采集，生成对应类型的采集参数，进一步得到相应的所述状态表征数据，其中，传感器类型至少包括温度传感器、压力传感器以及应变传感器。

优选地，每个所述传感器装置(405)，其进一步将针对各类型的所述采集参数与对应类型的传感器位置信息以及传感器类型信息进行整合，生成针对当前所述传感器装置(405)的所述状态表征数据。

另一方面，本发明提供了一种固井质量监测数据收集方法，用于收集上述所述的固井质量监测短节装置(40)所采集到的状态表征数据，所述收集方法包括如下步骤：步骤一，在下入井筒中的监测数据采集装置(50)经过所述监测短节装置(40)时，所述监测数据采集装置(50)以无线方式发出发送数据请求命令；步骤二，在所述监测短节装置(40)内的传感器装置(405)获取到所述发送数据请求命令后，通过所述监测短节装置(40)内的天线(404)以无线方式将所述状态表征数据进行输出；步骤三，所述监测数据采集装置(50)接收所述监测短节装置(40)内所有传感器装置(405)发送的所述状态表征数据。

优选地，所述步骤二还包括：在所述传感器装置(405)传输所述状态表征数据的同时，通过所述天线(404)为相应的所述传感器装置(405)进行充电。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明实现了对固井作业质量及水泥石密封性进行长期的持续性的监测，为及时了解和掌握环空密封性提供有力的数据支持，并为及时治理提供科学的依据，同时能够对固井失效导致的安全事故进行提前预警。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，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

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例的固井质量监测数据收集系统运行情景的结构剖视图。

图2是本发明实施例的固井质量监测数据收集系统内监测短节装置40与监测数据采集装置50的数据及信号传输示意图。

图3是本发明实施例的固井质量监测短节装置40的结构示意图。

图4为本发明实施例的固井质量监测数据收集方法的步骤图。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。

其中，附图标记列表如下：

10：套管与地层之间的环形空间的固井水泥石

20：套管

30：地层

40：监测短节装置

50：监测数据采集装置

400：短节本体

401：上接头

402：下接头

403：柔性的扶正器

404：天线

405：传感器装置

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。

本发明实施例旨在形成一种固井质量监测短节装置，通过安装在固井套管间的带有智能传感器的工具短节，实时采集水泥石状态表征数据，在经过模数转换、整合处理后，向固井套管中的监测数据采集装置发送固井水泥环中的温度、压力、应力应变等参数，从而实现了对固井质量实时且长期地监测功能。进一步通过不同位置、不同类型的测量参数，综合分析并评价水泥石(水泥环)密封失效的位置，以及水泥裂缝形态和通道的分布情况，为石油工程提供高效的技术服务，降低作业风险，提高作业效率。

图1是本发明实施例的固井质量监测数据收集系统运行情景的结构剖视图。如图1所示，该收集系统包括：若干固井质量监测短节装置(以下简称监测短节装置)40和监测数据采集装置50，其中，数据收集系统的应用环境包括：若干个套管20、地层30以及套管20与地层30之间的环形空间的固井水泥石10。其中，套管串(未图示)通过固井质量监测短节装置40或套管接箍(未图示)将相邻两个套管20连接起来。

在油气井固井作业中，监测短节装置40随套管串一起下入井眼中。随着固井水泥浆填充满套管20外壁和地层30之间的环形空间后，监测短节装置40也逐渐随着固井水泥浆的凝结固化在套管20与地层30之间构成的环形空间的固井水泥石10中，形成一种固井质量井下长期监测短节装置。如果固井水泥石10密封性良好，则当前位置处的固井水泥石10保持有效密封，此时地层30与环形空间(固井水泥石10)是不窜通的；如果固井质量不好导致固井水泥石10密封性失效，则地层30与环形空间(固井水泥石10)窜通，油、气、水等流体会侵入环形空间(固井水泥石10)中，此时固井水泥石10的压力、温度、应力应变等参数会发生明显改变。

需要说明的是，本申请对监测短节装置40安装的位置和数量不作具体限定，一般根据油层40和/或气层50所处的位置来安置。具体地，按照预设的分布间距集中布置在整个井段，或者按照预设的分布间距布置在井下油气储层的范围内，或者按照预设的分布间距布置在油气储层上方300～500米的范围内。可以在整个井段的重点监测位置减小分布间距进行集中的或密集的布置；也可以在非重点监测位置处增大分布间距。另外，在不使用监测短节装置40连接相邻套管20时，需要使用套管接箍连接相邻的套管20。在最终获得不同位置的监测短节装置40传输的数据后，可从整体上掌握可能密封失效的层位的分布情况以及具体的密封失效位置。

下面对固井质量监测数据收集系统中的组成部分及功能进行详细说明。

图2是本发明实施例的固井质量监测数据收集系统内监测短节装置40与监测数据采集装置50的数据及信号传输示意图。

首先，结合图1和图2对监测数据采集装置50进行说明。当需要读取井下固井水泥石监测数据时，监测数据采集装置50，其通过井筒内(也可看成是套管20内部)按照预先设定完成的运行速度信息逐渐向井下运行，当其经过井下监测短节装置40所处位置时，通过无线方式与监测短节装置40中的各传感器装置405建立通讯通道，保持可通讯状态，同时发出发送数据请求命令。然后，监测短节装置40中的各个传感器装置405在接收到上述发送数据请求命令后，通过无线通讯方式将采集到的固井水泥石的温度、压力、应力应变等状态表征数据输出至监测数据采集装置50，并由监测数据采集装置50进行接收和存储。其中，运行速度信息根据监测短节装置40的位置、传输数据量大小、充电时间等影响因素编辑而成。需要说明的是，运行速度信息的编辑，首先设置经过或停留在每个监测短节装置40的时间，使其为每个监测短节装置40的无线充电提供时间支持，从而满足监测短节装置40长时间工作的条件。当监测数据采集装置50经过重要监测区时，可将该区域内监测数据采集装置90的运行速度减慢，或者增大停留在监测短节装置40处的时间。本申请对运行速度信息的编辑结果不作具体限定，本领域技术人员可根据实际情况进行相应的编辑。

接下来，对监测短节装置40进行详细说明。通过监测短节装置40或套管接箍将整个固井套管中的相邻的两个套管20连接起来，其中，监测短节装置40能够实时采集套管20和地层30之间的环形空间内的固井水泥石10的至少包括压力、温度及应力应变的状态表征数据，并根据状态表征数据评估监测短节装置40位置处的固井水泥石10的密封性，从而实现了对固井水泥石质量的监测功能。

图3是本发明实施例的固井质量监测短节装置40的结构示意图。如图3所示，监测短节装置40包括：短节本体400、上接头401、下接头402、柔性的扶正器403，若干天线404，若干传感器装置405。下面对监测短节装置40内各部分功能进行具体说明。

短节本体400用于安装上接头401、下接头402、柔性的扶正器403、天线404、传感器装置405等其它组成部件，且位于各组成部件中心，进一步通过上、下接头(401、402)分别与处于监测短节装置40的上方套管20和下方套管20(参考图1)连接。另外，短节本体400由高强度的复合材料组成，满足接入上端/下端套管20后的机械强度和密封性要求。其中，在本例中，上端扣型401为上接头401的一个具体示例，安装于短节本体400上，且与上端套管20连接；下端扣型402为下接头402的一个具体示例，安装于短节本体400上，且与下端套管20连接，本申请对上、下接头的形式不作具体限定。

然后，对柔性的扶正器403进行说明。柔性的扶正器403安装于监测短节装置40的外壁，并伸入到固井水泥石10中，由柔性复合材料组成，与短节本体400相连。柔性的扶正器403用于内置和密封若干个智能的传感器装置405，同时还能够使监测短节装置40保持居中位置。

接着，对天线404进行说明。监测短节装置40中的天线404，用于无线通讯和无线充电时充当智能传感器装置405的天线。具体地，天线404分别与传感器装置405连接，并设置在短节本体400，在传感器装置405获取到发送数据请求命令后，通过天线404将来自传感器装置405的状态表征数据通过无线方式传输至上述监测数据采集装置50，实现监测短节装置40的数据采集功能。另外，在传感器装置405传输状态表征数据的同时，天线404能够接收监测数据采集装置50发送的电磁波信号，并利用该信号为与天线404连接的传感器装置405进行无线充电。

最后，对传感器装置405进行详细说明。传感器装置405，其具备一种或多种类型的传感器，用于采集状态表征数据，按照传感器装置405内部传感器的类型、每种传感器的数量及分布情况等要求，封装在柔性的扶正器403内。实际应用过程中，每个传感器装置405按照预设的采样间隔并利用当前传感器装置405内的传感器进行采集，生成对应类型的采集参数，再将各类采集参数分别进行数据整合处理，进一步得到相应的状态表征数据。而后，将状态表征数据存储在传感器装置405内的存储器中。在从上述监测数据采集装置50中获取到的有效的发送数据请求命令后，将已经采集完成的和/或存储在存储器中状态表征数据传输至监测数据采集装置50。其中，传感器类型至少包括温度传感器、压力传感器以及应变传感器。在本例中，传感器装置405采用外径为8到12毫米的微型传感器装置完成上述功能，本申请对传感器装置405的类型不作具体限定，本领域技术人员可根据实际情况选择相应的传感器装置的类型。

需要说明的是，第一，由于每个传感器装置405内可具备单一类型或者多种类型的传感器，因此，传感器装置405能够得到温度类采集参数；或者压力类采集参数；或者应力应变类采集参数；或者其他类型传感器测量到的采集参数；或者包含温度类、压力类和应力应变类等实际项目中需要的所有种类的采集参数。本申请对每个传感器装置405中包含的传感器的类型的数量不作具体限定。(一个实施例)当每个传感器装置405内仅包括单一种类的传感器时，若要获得不同种类的采集参数，则需要通过具备不同种类传感器的传感器装置405进行监测，进一步，本领域技术人员在实际应用过程中，需要根据井下重要测量位置等影响参量，对传感器装置405生成的数据种类、每种传感器装置405的数量以及各类型传感器装置405的分布情况等信息进行分布设计。(另一个实施例)当每个传感器装置405内包括实际项目中需要的所有种类的传感器时，能够通过各传感器的测量操作后，直接生成具备多种类型的采集参数。第二，在本申请中，传感器的种类不局限于温度传感器、压力传感器以及应变传感器，还可以包括：其它力学、电磁学和声学等不同类型的传感器，本申请对此不作具体限定，本领域技术人员可根据实际需求进行调整。第三，在本例中，传感器通常采用微型传感器实现相应参数的采集功能，例如：使用微温度传感器得到温度类采集参数、使用微压力传感器得到压力类采集参数、使用微应变传感器得到应力应变类采集参数等。本申请对传感器的类型不作具体限定，本领域技术人员可根据实际需求进行选择。

进一步，在传感器装置405实际应用过程中，由于传感器装置405存储有针对每个传感器装置405的预设的包括上述采样间隔的初始化信息，在对表征固井水泥石10的状态的参数进行采集时，首先，传感器装置405完成系统初始化操作，同时生成与已存储的采样间隔匹配的数据采集指令。然后，传感器装置405利用当前传感器装置405内部各类型传感器，按照包括数据采集指令的预定要求进行测量信号的采集，将采集到的测量信号进行模数转换操作，生成对应类型的采集参数。接着，将各类型的采集参数与对应类型的传感器位置信息以及传感器类型信息等进行整合，最终得到针对传感器装置405的状态表征数据。

具体地，(一个实施例)当每个传感器装置405内仅包括单一种类的传感器时，每个传感器装置405仅生成单一类型的采集参数，此时，传感器装置405需要将对应类型的传感器装置405内的传感器位置信息、采集时间信息、传感器类型信息以及采集参数等信息进行整合，生成针对当前传感器装置405的状态表征数据。(另一个实施例)当每个传感器装置405内包括实际需求的所有种类的传感器时，每个传感器装置405生成多种类型的采集参数，此时，传感器装置405需要先将各类型的采集参数分别与对应类型的传感器位置信息、采集时间信息以及传感器类型信息等信进行初步整合，得到不同类型的初步整合结果，再将各种类型的所述初步整合结果进行二次整合，得到针对当前所述传感器装置405的至少包含所有类型的采集参数的状态表征数据。进一步，通过获取的不同位置的、不同类型的测量参数，可以综合分析和评价固井水泥石10密封失效的位置，并进一步分析出失效处水泥石的形态以及其通道的分布情况。

另外，本发明提出了一种固井质量监测数据收集方法。图4为本发明实施例的固井质量监测数据收集方法的步骤图。这种方法用于收集上述监测短节装置40所采集到的状态表征数据。如图4所示，在步骤S410(步骤一)中，在下入井筒中的监测数据采集装置50经过监测短节装置40时，监测数据采集装置50以无线方式与监测短节装置40建立通讯通道，保持可通讯状态，并输出发送数据请求命令，而后，进入到步骤S420(步骤二)中。当所述监测短节装置40内的传感器装置405获取到发送数据请求命令时，传感器装置405通过监测短节装置40内的天线404，以无线方式将所有状态表征数据传输至监测数据采集装置50，同时，通过与传感器装置405连接的天线404为相应的传感器装置405进行充电。最后，在步骤S430(步骤三)中，监测数据采集装置50接收监测短节装置40内所有传感器装置405发送的状态表征数据，从而完成监测数据的收集工作。

由于国内外油气田常因固井质量或密封性不好出现窜槽，甚至发生溢流、产生井喷事故，造成重大损失。油气井特别是气井，如果固井后环空密封失效将严重危害气井寿命和生产安全。本发明设计的固井质量监测装置及数据收集系统，安置于井下固井水泥环中，可以对固井作业的质量及水泥环的密封性进行长期的持续性的监测，为及时了解和掌握环空密封性提供有力技术支持，并为及时进行失效治理提供了科学的依据，对固井失效导致的安全事故可以进行提前预警。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种固井质量监测短节装置(40)，其连接在套管串中的相邻两个套管(20)之间，所述监测短节装置(40)实时采集处于套管(20)和地层(30)之间的环形空间内的固井水泥石(10)的至少包括压力、温度及应力应变的状态表征数据，并根据所述状态表征数据评估所述监测短节装置(40)的位置处的固井水泥石(10)的密封性，其中，所述监测短节装置(40)包括：

短节本体(400)；

柔性的扶正器(403)，其与所述短节本体(400)连接，安装于所述监测短节装置(40)的外壁，并伸入到所述固井水泥石(10)中；

若干传感器装置(405)，其封装于所述柔性的扶正器(403)内部，用于采集所述状态表征数据；和

若干天线(404)，其设置在所述短节本体(400)，并用于传输来自所述传感器装置(405)的所述状态表征数据。

2.根据权利要求1所述的监测短节装置(40)，其特征在于，所述短节本体(400)通过上、下接头分别与处于所述监测短节装置(40)的上方和下方的套管(20)连接。

3.根据权利要求1所述的监测短节装置(40)，其特征在于，所述传感器装置(405)在获取到发送数据请求命令后，通过所述天线(404)将所述状态表征数据进行无线输出，并且

所述天线(404)在传输所述状态表征数据的同时以无线方式为所述传感器装置(405)进行充电。

4.根据权利要求3所述的监测短节装置(40)，其特征在于，所述发送数据请求命令由下入到所述套管(20)内的监测数据采集装置(50)以无线方式发出。

5.根据权利要求4所述的监测短节装置(40)，其特征在于，所述监测短节装置(40)按照预设的分布间距布置在整个井段，或者

所述监测短节装置(40)按照预设的分布间距布置在井下油气储层的范围内，或者

所述监测短节装置(40)按照预设的分布间距布置在油气储层上方300～500米的范围内。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的监测短节装置(40)，其特征在于，每个所述传感器装置(405)包括一种或多种类型的传感器，其中，

所述传感器装置(405)按照预设的采样间隔并利用当前所述传感器装置(405)内的传感器进行采集，生成对应类型的采集参数，进一步得到相应的所述状态表征数据，其中，传感器类型至少包括温度传感器、压力传感器以及应变传感器。

7.根据权利要求6所述的监测短节装置(40)，其特征在于，

每个所述传感器装置(405)，其进一步将针对各类型的所述采集参数与对应类型的传感器位置信息以及传感器类型信息进行整合，生成针对当前所述传感器装置(405)的所述状态表征数据。

8.一种固井质量监测数据收集方法，用于收集如权利要求1～7中任一项所述的固井质量监测短节装置(40)所采集到的状态表征数据，所述收集方法包括如下步骤：

步骤一，在下入井筒中的监测数据采集装置(50)经过所述监测短节装置(40)时，所述监测数据采集装置(50)以无线方式发出发送数据请求命令；

步骤二，在所述监测短节装置(40)内的传感器装置(405)获取到所述发送数据请求命令后，通过所述监测短节装置(40)内的天线(404)以无线方式将所述状态表征数据进行输出；

步骤三，所述监测数据采集装置(50)接收所述监测短节装置(40)内所有传感器装置(405)发送的所述状态表征数据。

9.根据权利要求8所述的收集方法，其特征在于，所述步骤二还包括：

在所述传感器装置(405)传输所述状态表征数据的同时，通过所述天线(404)为相应的所述传感器装置(405)进行充电。

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