CN110942615B - 一种井下监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种井下监测系统，包括：数据采集装置，其包括密封耐压壳、超级电容、监测单元、传感器接口、超声波接收换能器以及第一PZT压电陶瓷；传输充电装置，其伸入到套管内，包括电缆、超声波发射换能器以及第二PZT压电陶瓷。本发明的一种井下监测系统基于超声波的无线储能与通信方法，采用超声波为能量和信息传递的载体，利用超声波发射换能器与超声波接收换能器实现无线充电，利用一对PZT压电陶瓷实现无线通信；使用时将数据采集装置埋于井下一定深度，用于长期收集所需地各种数据，定期将传输充电装置伸入到井下相同深度，采集数据并为超级电容充电，有效地拉长了数据采集间隔，降低了数据采集成本。

Description

一种井下监测系统

技术领域

本发明涉及井下检测技术领域，尤其涉及一种井下监测系统。

背景技术

在油气田的开发中，井下温度、压力、流量等信息的定期监测能提供油井开发过程中的井况变化特性，能帮助工程师及时了解油井的健康状况，进而及时调整开采策略，制定最优开采方案。因此，对油气田的高产稳产至关重要。通常情况下为了获取井下的温度、压力等信息，油田开发工程师们多采用实时测井的方法来解决该问题。即：通过电缆测井的方式实时地为井下各种传感器网络和测量电路提供电能，并且实时地记录相应的传感器的信息。此方法虽然实现了井下信息的实时获取，但为了数据的准确性需要频繁的进行数据的采集，导致电缆测井的成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种井下监测系统，解决现有技术中由于需要频繁采集井下数据，导致数据采集成本较高的技术问题。

为了达到上述技术目的，本发明实施例提供了一种井下监测系统，该一种井下监测系统包括：数据采集装置，其包括密封耐压壳、超级电容、监测单元、传感器接口、超声波接收换能器以及第一PZT压电陶瓷，密封耐压壳套设于套管外壁上，合围形成一工作腔，超级电容、监测单元、超声波接收换能器以及第一PZT压电陶瓷内置于工作腔内，传感器接口设置于密封耐压壳外壁上，超级电容分别与监测单元、超声波接收换能器、传感器接口以及第一PZT压电陶瓷电连接，检测单元分别与传感器接口以及第一PZT压电陶瓷信号连接；传输充电装置，其伸入到套管内，包括电缆、超声波发射换能器以及第二PZT压电陶瓷，电缆上端连接外部升降设备，超声波发射换能器以及第二PZT压电陶瓷连接电缆，超声波发射换能器与超声波接收换能器匹配，第二PZT压电陶瓷与第一PZT压电陶瓷匹配。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的一种井下监测系统基于超声波的无线储能与通信方法，采用超声波为能量和信息传递的载体，利用超声波发射换能器与超声波接收换能器实现无线充电，利用一对PZT压电陶瓷实现无线通信；使用时将数据采集装置埋于井下一定深度，用于长期收集所需的各种数据，定期将传输充电装置伸入到井下相同深度，采集数据采集装置中储存的数据并为数据采集装置中的超级电容充电，有效地拉长了数据采集间隔，降低了数据采集成本。

附图说明

图1是本发明提供的一种井下监测系统一实施例的结构示意图；

图2是图1中部分结构示意图；

图3是本发明提供的一种井下监测系统一实施例的能量流动连接框图；

图4是本发明提供的一种井下监测系统一实施例的信号流动连接框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1至图4，图1是本发明提供的一种井下监测系统一实施例的结构示意图；图2是图1中部分结构示意图；图3是本发明提供的一种井下监测系统一实施例的能量流动连接框图；图4是本发明提供的一种井下监测系统一实施例的信号流动连接框图。在图3、图4中，实线为有线连接，虚线为无线连接。

一种井下监测系统包括：数据采集装置以及传输充电装置，数据采集装置安装于金属套管3上，并随着金属套管3埋入到地下合适的深度，用于在地下连续不断收集并储存相关的井下信息。传输充电装置定期从金属套管3伸入到井下数据采集装置所处的位置，采用无线通信以及无线充电的方法，获取数据采集装置中储存的数据以及为数据采集装置充电。

具体地，数据采集装置包括密封耐压壳11、超声波接收换能器12、第一PZT(leadzirconate titanate piezoelectric ceramics，锆钛酸铅压电陶瓷)压电陶瓷13、超级电容14、监测单元15以及传感器接口16。密封耐压壳11套设于金属套管3上，并与金属套管3合围形成工作腔，超声波接收换能器12、第一PZT压电陶瓷13、超级电容14以及监测单元15均设置于工作腔内，利用密封耐压壳11保护这些元器件，避免地层内部的压力挤压损坏这些元器件。传感器接口16设置于密封耐压壳11上，与外部的地质接触，用于采集井下相关数据。

其中，超级电容14分别与第一PZT压电陶瓷13电连接、监测单元15以及传感器接口16电连接，为其提供电能，同时超声波接收换能器12也与超级电容14电连接，超声波接收换能器12用于将接收到的超声波转化为电能为超级电容14充电。检测单元15分别与传感器接口16以及第一PZT压电陶瓷13信号连接。传感器接口16用于采集井下相关数据，并传输到检测单元15内储存起来，当通过传输充电装置收集井下数据时，检测单元15内储存的数据便通过第一PZT压电陶瓷13发射给传输充电装置。

传输充电装置进行数据传输以及为超级电容14充电时，需要伸入到金属套管3内。传输充电装置包括电缆21、超声波发射换能器22以及第二PZT压电陶瓷23。电缆21上端连接位于井上的外部升降设备，如缆车，超声波发射换能器22以及第二PZT压电陶瓷23连接电缆21下部。井上的升降设备通过电缆21将超声波发射换能器22以及第二PZT压电陶瓷23，下放至数据采集装置所埋设的深度。并且超声波发射换能器22与超声波接收换能器12匹配，第二PZT压电陶瓷23与第一PZT压电陶瓷13匹配。

超声波发射换能器22与超声波接收换能器12之间实现能量传输，位于井上的外部电源，通过电缆23的传输至超声波发射换能器22，超声波发射换能器22将电能转化为超声波发射出去，并被超声波接收换能器12接收，重新转化为电能，并传输至超级电容14为其充电。

第一PZT压电陶瓷13与第二PZT压电陶瓷23之间实现信号传输，监测单元15中储存的井下数据通过第一PZT压电陶瓷13调制成超声波信号发射出去，并被第二PZT压电陶瓷23接收转化成数字信号，并通过电缆21传输至井上，供技术人员获取并使用。并且，第一PZT压电陶瓷13与超声波发射换能器22发出的超声波频率不同，而且差距足够大以避免相互之间产生干扰。

在实际使用过程中，由于超声波发射换能器22与超声波接收换能器12之间的能量传输以及第一PZT压电陶瓷13与第二PZT压电陶瓷23之间的信号传输均采用无线的形式，传输效率相较于有线传输较为低下。为了提高传输效率，降低数据在传输过程中的丢失率，需要尽可能地缩小超声波发射换能器22与超声波接收换能器12之间的距离以及第一PZT压电陶瓷13与第二PZT压电陶瓷23之间的距离。故优选地，传输充电装置还包括电子伸缩臂24以及安装板25。超声波发射换能器22以及第二PZT压电陶瓷23设置于安装板25上，电子伸缩臂24一端连接电缆21，另一端连接安装板25并指向金属套管3。电子伸缩臂24具有小体积的特性，能够在金属套管3内作直线往复运动，推动安装板25向金属套管3运动，以缩小超声波发射换能器22与超声波接收换能器12、第一PZT压电陶瓷13与第二PZT压电陶瓷23之间的距离。在实际使用过程中，电子伸缩臂24可以采用多种不同的机构，只需要满足小体积尺寸、电控直线往复运动的要求即可。在本实施例中，优选采用电动缸。

同时，与之相配合地，在密封耐压壳11内，超声波接收换能器12与一PZT压电陶瓷13之间的排列位置关系和超声波发射换能器22与第二PZT压电陶瓷23之间的在安装板25上的排列位置关系相同，使得电子伸缩臂24在伸长的过程中，能够同时缩短超声波发射换能器22与超声波接收换能器12、第一PZT压电陶瓷13与第二PZT压电陶瓷23之间的距离。

在实际使用过程中，由于超声波发射换能器22以及第二PZT压电陶瓷23需要通过电缆21下放至井下，在此过程中难以避免地会出现电缆21与金属套管3内壁碰撞摩擦，为了保护超声波发射换能器22以及第二PZT压电陶瓷23，避免其因为碰撞摩擦出现损坏，优选地，在电缆21上开设有一个凹槽，凹槽形状与安装板25匹配。在下放地过程中，安装板25以及设置于安装板25上的超声波发射换能器22和第二PZT压电陶瓷23内置于凹槽内，实现对超声波发射换能器22和第二PZT压电陶瓷23的保护。当下放到合适深度时，电子伸缩臂24在推动安装板25向外运动，靠近超声波接收换能器12与一PZT压电陶瓷13，进行能量传输与数据传输。

在实际使用过程中，由于电缆23的伸缩效应和自由旋转特性。工程师很难保证超声波发射换能器22与超声波接收换能器12、第一PZT压电陶瓷13与第二PZT压电陶瓷23正好位于同一深度，也难以确保他们刚好位于金属套管3同一位置的内外两侧。因此选取地超声波发射换能器22、第一PZT压电陶瓷13以及第二PZT压电陶瓷23的功率要足够大，留有一定的余量，以保证超声波发射换能器22与超声波接收换能器12、第一PZT压电陶瓷13与第二PZT压电陶瓷23之间存在一个较大间距时也能正常工作。故超声波发射换能器22与超声波接收换能器12优选采用科美达超声振子。

在本申请文件中，检测单元5采用ACTEL公司的A3P250-VQ100型芯片。由于本申请文件所保护的是将检测系统中的数据采集装置的埋设于井下，进行长时间的不间断的数据采集，然后定期将本检测系统中的传输充电装置伸入到井下，在数据采集装置的附近通过无线通信以及无线充电的方式，对数据采集装置充电，并获取数据采集装置中储存的数据这一工作模式，实现在减少下井采集数据次数，降低数据采集成本的前提下，依然保持甚至提高了数据的准确度。而对于数据采集装置与传输充电装置各自内部地详细电路连接方式，均为本领域技术人员熟知的现有技术。与现有的数据采集设备相比，仅是将有线传输改为无线传输，增加了超声波发射换能器22与超声波接收换能器12、第一PZT压电陶瓷13与第二PZT压电陶瓷23这两对无线充电与无线通信装置，由于无线充电与无线通信均为本领域技术人员熟知的常规技术，故其详细地电路电解关系不在此赘述。

本系统分为数据采集装置以及传输充电装置这两个部分，其中数据采集装置埋设于井下，实现长期数据采集。通过增大数据采集量，相较于传统方式采集到的数据大大增加。同时定期将传输充电装置伸入到井下并位于数据采集装置附近，对数据采集装置进行无线充电并获取数据采集装置中储存的此前一段时间采集得到的大量的井下数据，通过增大数据采集量来提高对井下情况分析的准确度。由于一次下井作业便能够获得此前一段时间内采集的大量数据，无需再像现有技术一样为了提高准确度而频繁下井检测，极大地降低了下井作业成本，更加经济。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明的一种井下监测系统基于超声波的无线储能与通信方法，采用超声波为能量和信息传递的载体，利用超声波发射换能器与超声波接收换能器实现无线充电，利用一对PZT压电陶瓷实现无线通信；使用时将数据采集装置埋于井下一定深度，用于长期收集所需的各种数据，定期将传输充电装置伸入到井下相同深度，采集数据采集装置中储存的数据并为数据采集装置中的超级电容充电，有效地拉长了数据采集间隔，降低了数据采集成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种井下监测系统，其设置在井下金属套管上，特征在于，包括：数据采集装置，其包括密封耐压壳、超级电容、监测单元、传感器接口、超声波接收换能器以及第一PZT压电陶瓷，所述密封耐压壳套设于所述套管外壁上，合围形成一工作腔，所述超级电容、所述监测单元、所述超声波接收换能器以及所述第一PZT压电陶瓷内置于所述工作腔内，所述传感器接口设置于所述密封耐压壳外壁上，所述超级电容分别与所述监测单元、所述超声波接收换能器、所述传感器接口以及所述第一PZT压电陶瓷电连接，检测单元分别与所述传感器接口以及所述第一PZT压电陶瓷信号连接；

传输充电装置，其伸入到所述套管内，包括电缆、超声波发射换能器以及第二PZT压电陶瓷，所述电缆上端连接外部升降设备，所述超声波发射换能器以及所述第二PZT压电陶瓷连接所述电缆，所述超声波发射换能器与所述超声波接收换能器匹配，所述第二PZT压电陶瓷与所述第一PZT压电陶瓷匹配；

所述传输充电装置还包括电子伸缩臂，其一端连接所述电缆，另一端连接所述超声波发射换能器以及所述第二PZT压电陶瓷，并指向所述套管方向；

所述第一PZT压电陶瓷与所述超声波发射换能器发出的频率不同；

所述传输充电装置还包括安装板，所述超声波发射换能器以及所述第二PZT压电陶瓷设置于所述安装板上，所述电子伸缩臂通过所述安装板与所述超声波发射换能器以及所述第二PZT压电陶瓷机械连接。

2.根据权利要求1所述的一种井下监测系统，其特征在于，所述电缆上开设有一与所述安装板匹配的凹槽。

3.根据权利要求1所述的一种井下监测系统，其特征在于，所述电子伸缩臂为电动缸。

4.根据权利要求1所述的一种井下监测系统，其特征在于，所述超声波接收换能器以及所述超声波发射换能器均采用科美达超声振子。

5.根据权利要求1所述的一种井下监测系统，其特征在于，所述检测单元采用ACTEL公司的A3P250-VQ100型芯片。

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