CN111322038A - 用于电缆输送桥塞与射孔联作的智能选发方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电缆输送桥塞与射孔联作的智能选发方法，主要解决现有技术对深井电缆的匹配性和通信稳定性差，且无法获知井下实际工作环境情况的问题。其技术方案是：通过使用特定的单总线通信方式完成与井下多级选发开关之间的双向通信，通过逐级导通的方式连接多级选发开关，采用逐级增一的方式为每一级井下选发开关分配动态序号，并收集井下所有选发开关周围的环境参数反馈给地面控制系统，通过寻址选发开关内的固定地址实现控制命令的传递；本发明方法能够实现一次下井依次完成桥塞点火及多簇射孔弹的激发，有效提高了多级射孔作业时的现场工作效率以及作业稳定性。
Description
技术领域
本发明属于油气开采技术领域，进一步涉桥塞与射孔智能控制技术，具体为一种用 于电缆输送桥塞与射孔联作的智能选发方法，可用于油、气田开采过程中深井套管的射孔作业。
背景技术
桥塞与射孔联作是非常规油气藏开发中使用最为广泛的射孔完井方式，该方式可有 效提升单井产量。电缆输送桥射联作技术利用电缆泵送，一次下井完成桥塞坐封和多簇射孔，具有不受分段压裂层数限制、工具管柱简单、不易造成砂卡、解除封堵快捷、单 井增产效果明显等诸多优点。近年来，随着页岩油气、致密油气开发步伐的加快，压裂 储层改造效率效果的重要性凸显，桥射联作的需求量大幅增加，对桥塞与射孔联作技术 和工艺施工过程提出了更高的要求。现今国内的相关射孔起爆器产品中暂未发现无需电 缆匹配、可以兼容多种桥塞发火器以及射孔雷管的产品。
目前，国外的电缆分级射孔起爆控制器大部分操作复杂，不符合国内操作人员的操 作习惯。而国内的电缆多级射孔起爆器存在不能兼容多种发火器和雷管，存在误起爆风险，对线缆依赖性强等缺点。而各测井队使用的电缆规格和长度具有差异，现场进行阻 抗匹配费时费力。常规选发开关对电缆的依赖性较强，当电缆的阻抗发生变化时，则需 人为进行电缆匹配；常规选址电子开关，通过处理器选址激发，选择一个编码并打开该 编码对应的电路，这种电子选址方式缺乏稳定性，且安全性欠佳；机械选发开关又存在 体积大、接触力大、稳定性差、不能实现任意选发的缺点。
申请号为201410188968.1，名称为“油气井多级射孔起爆器的控制电路及控制方法” 的发明专利中公开了一种油气井多级射孔起爆器的控制方法，该方法基于其提供的控制 电路，包括正负电压变换电路，正负电压变换电路分别与电源及驱动电路连接，在电源两端分别并联有电源电压监控和稳压电压，电源电压监控、稳压电压和驱动电路均与数 字控制器信号连接，数字控制器的AD采样管脚还分别与压力传感器、温度传感器连 接；数字控制器的串口通信管脚与通信接口连接；数字控制器另与存储器连接；采用数 字化控制实现虽然在一定程度上简化结构、降低了误起爆率。然而，该专利文件中并未 提及对深井电缆的匹配处理方法，其所采用的通信方式稳定性欠佳，且虽然提到了温度 传感器，但其对该传感器的使用并不能满足获取井下实际工作环境不同层深相关参数的 要求。
发明内容
本发明目的在于针对以上现有技术的不足，提供一种用于电缆输送桥塞与射孔联作 的智能选发方法；通过使用特定的单总线通信方式完成与井下多级智能选发开关之间的 通信，通过逐级导通的方式连接多级选发开关，采用逐级增一的方式为每一级智能选发开关分配动态序号，再通过寻址智能选发开关内的固定地址实现控制命令的传递；该方 法可独立实现对多级射孔智能选发开关的自动寻址、动态序号分配、连接、定位及点火 功能，有效提高了多级射孔作业时的现场工作效率以及作业稳定性。
为实现上述目的，本发明提供的用于电缆输送桥塞与射孔联作的智能选发方法，具 体包括如下步骤：
(1)在射孔枪内安装选发开关，且每一只射孔枪至少安装一只选发开关，用于激发起爆雷管；
(2)通过供电线缆将地面控制系统与井下选发开关进行连接，地面控制系统将控制信号采用编码、调制的方式耦合到供电线缆上；
(3)地面控制系统通过逐级导通的方式对多个选发开关进行级联，即第N级选发开关接通后，采用编码、调制方式向地面控制系统反馈本级开关相关信息，该信息至少 包括序号、温度以及固定地址信息；
(4)地面控制系统向固定地址下发级联命令，本级开关的级联端尝试向下连接第N+1级选发开关；
(5)如果存在第N+1级选发开关则接通第N+1级选发开关，且第N+1级选发开关 向地面控制系统反馈本级开关的相关信息；若不存在第N+1级选发开关，则第N级选发 开关向地面控制系统反馈无下一级选发开关；
(6)在地面控制系统确认共级联了多少个选发开关，将开关数目进行记录并在控制系统界面对应显示每一级井下开关反馈的相关信息；
(7)通过人工操作控制系统界面对指定的选发开关进行选择，并向其下发点火指令；
(8)选发开关采用解调方式对通过供电线缆耦合到其自身输入端上的指令进行解码，获取地面控制系统下发的操作信息；
(9)接收到控制系统指令的所在级选发开关执行点火操作；
(10)执行点火操作的选发开关处于点火状态时，实时反馈其自身的电压、温度以及点火输出电压信息至地面控制系统；
(11)地面控制系统接收到执行点火操作的选发开关反馈的信息后，在控制系统界面对该开关的当前状态进行更新并显示；
(12)地面控制系统的控制系统界面显示状态为点火成功后，系统自动修改发现级数并将当前选择数值更改至下一枪，重复执行步骤(7)-(11)可再次触发点火操作， 直至点火工作全部完成。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明使用单总线通信方式，即使用一根缆芯完成对多级选发开关的供 电以及地面控制系统与井下选发开关之间的双向通信，使得井下选发开关的信息可以实 时反馈到地面，控制系统可掌握井下选发开关的工作状态以及井下的环境参数信息并随 时发出操作指令，大大提高了射孔的一次成功率；且调制解调的双向通信方式使得通信稳定性得到明显提升；
第二，由于本发明方法能够兼容单芯与多芯电缆，根据选发开关反馈的信号强度对 通信的信号强度自动进行实时调整，以消除电缆对通信的影响，从而能够自动匹配电缆长度，可自适应一万米以内的任意长度测井电缆，无需现场进行阻抗匹配，优化了射孔 施工工序、提高了工作效率；
第三，由于本发明针对多级选发开关采用逐级地址比对方式，对井下选发开关的周 边环境参数进行收集，使得井下各开关的相关参数均可分别向地面进行反馈；同时，寻址智能选发开关内的固定地址即可实现控制命令的传递，一次下井可依次完成桥塞点火及多簇射孔弹的激发；从而有效提高了现场工作效率以及作业稳定性，扩大了适用范围；
第四，由于本发明方法中增加了对于井下不同层深温度的采集过程，从而为射孔作 业及后续的压裂作业提供数据支持；
第五，由于本发明方法既可以通过智能选发控制仪实现地面对于井下设备的控制， 也可通过PC操作软件界面来实现，在一种控制方式出现部分故障时，另一种方式可替代其完成指令发送任务，有效提升了使用本发明方法完成智能选发操作的可靠性。
附图说明
图1为本发明的应用场景示意图；
图2为本发明实现井下操作使用的智能选发开关电路框图；
图3为本发明实现地上控制使用的智能选发控制仪电路框图；
图4为本发明方法通过智能选发控制仪实现地上控制的操作界面示意图；
图5为本发明方法通过PC实现地上控制的操作界面示意图。
具体实施方式
以下参照附图，对本发明进行详细描述：
参照图1，本发明的应用场景示意图；施工人员在射孔枪串系统中为每一支枪管安装上 一只智能选发开关，并将N个智能选发开关逐级连接起来，如图1中所示1号智能选 发开关5、2号智能选发开关6直至N号智能选发开关7，N为大于等于1的自然数； 智能选发控制仪2与逐级连接起来的智能选发开关串之间通过测井电缆3相连，中间可 以挂载其他井下设备4，例如磁定位仪等设备；将序1号智能选发开关与经过其他井下 设备4连接到测井电缆3的下端，向上通过测井电缆3与智能选发控制仪2连接，在使 用过程中可以使用智能选发控制仪2来进行选发操作，也可以将PC端软件1与智能选 发控制仪2连接，通过PC端软件进行操控，PC端软件1与智能选发控制仪2可以通 过USB相连实现数据传输。
本发明提供的一种用于电缆输送桥塞与射孔联作的智能选发方法，具体包括如下步 骤：
步骤1：在射孔枪内安装选发开关，且每一只射孔枪至少安装一只选发开关，用于激发起爆雷管；
步骤2：通过10KM以内的任意长度单芯测井电缆或者多芯测井电缆内的任意一芯将地面控制系统与井下选发开关进行连接，地面控制系统将经过编码、调制的控制信号 耦合到测井电缆上；
步骤3：地面控制系统通过逐级导通的方式对多个选发开关进行级联，即第N级选发开关接通后，采用编码、调制方式向地面控制系统反馈本级开关相关信息，该信息至 少包括序号、温度以及固定地址信息；其中，选发开关通过编码、调制将所需反馈的信 号耦合到输出端上，实现反馈信息至地面控制系统；
步骤4：地面控制系统向固定地址下发级联命令，本级开关的级联端尝试向下连接第N+1级选发开关；
步骤5：如果存在第N+1级选发开关则接通第N+1级选发开关，且第N+1级选发开 关向地面控制系统反馈本级开关的序号、温度以及固定地址信息；若不存在第N+1级选 发开关，则第N级选发开关向地面控制系统反馈无下一级选发开关；
步骤6：在地面控制系统确认共级联了多少个选发开关，将开关数目进行记录并在控制系统界面对应显示每一级井下开关反馈的相关信息；地面控制系统采用逐级地址比对方式，收集井下所有选发开关的相关信息；选发开关采用解调方式对耦合到其自身输 入端的上信号进行解码，获取由地面控制系统下发的操作信息，上述地面控制系统可以 是智能选发控制仪、PC软件控制操作界面等可进行人工选择用于发送控制信息的操作 系统；
步骤7：在地面控制系统通过上一步骤确认完总共有多少级选发开关后，通过人工操作控制系统界面对指定的选发开关进行选择，并向其下发点火指令；
步骤8：选发开关采用解调方式对通过供电线缆耦合到其自身输入端上的指令进行 解码，获取地面控制系统下发的操作信息；
步骤9：接收到控制系统指令的所在级选发开关执行点火操作，具体为：
首先通过频率发生器产生磁电雷管所需的特定频率，再通过驱动电路对输出幅度进 行放大，用于激发磁电雷管，最后，通过大电流驱动电路产生激发大电流雷管的驱动电流，完成对多种雷管的激发，即完成点火操作；
步骤10：执行点火操作的选发开关处于点火状态时，实时反馈其自身的电压、温度以及点火输出电压信息至地面控制系统；
步骤11：地面控制系统接收到执行点火操作的选发开关反馈的信息后，在控制系统界面对该开关的当前状态进行更新并显示；
步骤12：地面控制系统的控制系统界面显示状态为点火成功后，系统自动修改发现级数并将当前选择数值更改至下一枪，重复执行步骤7-11可再次触发点火操作，直 至点火工作全部完成。
本发明方法利用地面控制系统与井下选发开关，配合人工操作高效完成桥塞点火及 多簇射孔弹的激发任务。地面控制系统与井下选发开关之间使用数字编码进行双向通信，系统检测井下选发开关的个数，定位到某一级选发开关，给这一级选发开关发送点 火指令，选发开关在收到定位与点火命令时，实时反馈本级选发开关的电压与温度，在 收到点火指令后输出点火信号引爆雷管。下面以地面控制系统为智能选发控制仪、井下 选发开关为智能选发开关作为实例对本发明做进一步描述。
参照图2和图3，本发明实现井下操作使用的智能选发开关电路框图和本发明实现地上控制使用的智能选发控制仪电路框图，对本发明方法在地面控制系统与井下选发开关上的应用进行描述：
智能选发控制仪和智能选发开关中，智能选发控制仪用于地面控制，智能选发开关 用于井下工作，智能选发控制仪与智能选发开关通过测井电缆相连，并采用双向通信方式；其适用的电缆类型包括单芯和多芯，对电缆缆芯绝缘要求为大于1MΩ。
如图2所示，智能选发开关包括输入接地端GND9、供电电压输入端VCC10、开关 通信发送单元11、开关电源管理模块17、开关微处理器18、开关通信接收单元19、温 度传感器23、开关电源电压采集电路24、开关三极管25、向下供电电源驱动电路26、 磁电雷管激发驱动电路27、大电阻雷管激发驱动电路32、输出接地端GND36以及向下 供电接口37；其中，开关通信发送单元11与开关通信接收单元19均采用调制解调的方 式对信号进行处理；开关通信接收单元19从供电线缆上获取智能选发控制仪发出的控 制信号，经过处理后传输至开关微处理器18；开关通信发送单元11从开关微处理器18 中接收命令，反馈信息至供电线缆；温度传感器23连接在开关微处理器18上，用于采 集温度数据并实时传输至微处理器中，再通过开关通信发送单元11将获取的温度数据 作为参数信息传递给智能选发控制仪；
磁电雷管激发驱动电路27由频率发生器30、第二功率驱动电路28、第一点火输出端子29以及第一点火电压采集电路31组成；其中第二功率驱动电路28的输入接频率 发生器30的输出端、输出接第一点火输出端子29的输入，第一点火输出端子29留有 一个输出端口，用于连接开关外部的磁电雷管/磁电发火器38；其中，第一点火电压采 集电路31连接于第一点火输出端子29与开关微处理器18之间，用于将采集到的电压 信息通过开关微处理器18进行反馈；
大电阻雷管激发驱动电路32由第三功率驱动电路33、第二点火输出端子34以及第二点火电压采集电路35组成；其中第三功率驱动电路33的输出接第二点火输出端子34 的输入，第二点火输出端子34留有一个输出端口，用于连接开关外部的大电阻雷管/大 电阻发火器39；其中，第二点火电压采集电路35连接于第二点火输出端子34与开关微 处理器18之间，用于将采集到的电压信息通过开关微处理器18进行反馈。
如图3所示，智能选发控制仪包括交流电源输入端A8，程控电源A9，控制仪三极 管A10，控制仪驱动电路A11，控制仪微处理器A12，AC/DC转换器A13，控制仪通 信发送单元A14，控制仪电源管理模块A18，控制仪通信接收单元A19，触摸屏A23， 点火输出负极A24，点火输出正极A25，这里的点火输出正极与测井电缆的缆芯相连， 缆芯可以为单芯电缆的缆芯或者是多芯电缆中的任意一根缆芯，点火输出负极与测井电 缆的地相连；控制仪电流电压采集电路A26；其中，交流电源输入端A8为整个控制仪 电路提供交流电源，该电源经过程控电源A9转换为井下智能选发开关工作所需的直流 电源；AC/DC转换器A13与控制仪电源管理模块A18共同将交流电源输入端A8提供 的交流电源进行转换后供给控制仪中的各个模块；控制仪通信发送单元A14与控制仪 通信接收单元A19均采用调制解调的方式对信号进行处理；控制仪通信接收单元A19 从供电线缆上获取智能选发开关反馈的信息，经过处理后传输至控制仪微处理器A12； 控制仪通信发送单元A14从开关微处理器18中接收命令，下达指令信息至供电线缆；
控制仪微处理器A12接收来自触摸屏A23的操作指令以及控制仪通信接收单元A19返回的参数，并对其进行分析处理，用于控制控制仪驱动电路A11、控制仪三极管 A10以及程控电源A9，并通过控制仪通信发送单元A14下发指令；其中，来自触摸屏 A23的操作指令也可以由提前设置在系统上的指定命令按键来下发，且该按键与触摸屏 A23上的指令选项相互独立，均可单独向控制仪微处理器A12发出操作指示，无论触 摸屏出现故障还是设置在系统上的指令按键出现问题，都不会影响另一方向微处理器发 送操作指令；微处理器通过分析处理，判断是否控制控制仪驱动电路A11打开控制仪 三极管A10、是否控制程控电源A9的输出参数，并最终决定如何下发指定的通信命令。
开关通信发送模块14和控制仪通信发送单元A14均由编码模块、DA数模转换电路、调制模块组成，用于将所需发送的信息耦合到供电线缆上；所述开关通信接收单元 19和控制仪通信接收单元A19均由解调模块、AD数模转换电路、解码模块组成，用于 将供电线缆上获取的电信号转换为信息传递给各自的微处理器。
参照图4，本发明方法通过智能选发控制仪实现地上控制的操作界面示意图，对本发明方法通过智能选发控制仪进行选发操作的过程进行如下描述：
1)在智能选发控制仪的交流电源输入端上连接AC220V电源，通过接通电源开启智能选发控制系统；
2)智能选发控制系统开启后，智能选发控制仪通过触摸屏显示启动界面，并进行系统自检；
3)通过操作智能选发控制仪的触摸屏连接井下智能选发开关，连接成功后，系统为其分配地址；
4)连接完成后系统提示等待定位，同时在控制仪的触摸屏上更新状态显示，通过触摸屏进行定位操作，完成对井下智能选发开关的定位；
5)定位完成后，系统将在触摸屏上弹出确认点火界面，若确认，则系统通过地面智能选发控制仪向井下的智能选发开关下发点火指令，指令通过控制仪通信发送模块耦合传递到供电线缆上，进一步向井下智能选发开关传递，开关通信接收模块收到指令后，执行点火命令激发雷管，雷管激发成功后，系统在智能选发控制仪的触摸屏上显示点火 成功字样提示此次点火工作已完成；
6)点火成功后，系统自动修改发现级数、当前选择数值更改至下一枪，重复执行步骤4)-5)可再次触发点火操作，直至点火工作全部完成。
参照图5，本发明方法通过PC实现地上控制的操作界面示意图，对于本发明方法提及的地面控制系统，可以是通过测井电缆与井下选发开关连接的智能选发控制仪，也 可以是经过USB接口连接在控制仪上的PC软件操控端，其操作界面如图5所示，同 样能够实现控制完成各开关的自动寻址、动态序号分配、连接、定位及点火功能，具体 实现方式类似智能选发控制仪的触控操作界面。
本发明方法已在长庆油田多个作业区使用，截止目前使用该方法完成点火工作的一 次性成功率为100％；累计激发雷管数量已超过15000次。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
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，显然对于本领域的 专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍 在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于电缆输送桥塞与射孔联作的智能选发方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在射孔枪内安装选发开关，且每一只射孔枪至少安装一只选发开关，用于激发起爆雷管；
(2)通过供电线缆将地面控制系统与井下选发开关进行连接，地面控制系统将控制信号采用编码、调制的方式耦合到供电线缆上；
(3)地面控制系统通过逐级导通的方式对多个选发开关进行级联，即第N级选发开关接通后，采用编码、调制方式向地面控制系统反馈本级开关相关信息，该信息至少包括序号、温度以及固定地址信息；
(4)地面控制系统向固定地址下发级联命令，本级开关的级联端尝试向下连接第N+1级选发开关；
(5)如果存在第N+1级选发开关则接通第N+1级选发开关，且第N+1级选发开关向地面控制系统反馈本级开关的相关信息；若不存在第N+1级选发开关，则第N级选发开关向地面控制系统反馈无下一级选发开关；
(6)在地面控制系统确认共级联了多少个选发开关，将开关数目进行记录并在控制系统界面对应显示每一级井下开关反馈的相关信息；
(7)通过人工操作控制系统界面对指定的选发开关进行选择，并向其下发点火指令；
(8)选发开关采用解调方式对通过供电线缆耦合到其自身输入端上的指令进行解码，获取地面控制系统下发的操作信息；
(9)接收到控制系统指令的所在级选发开关执行点火操作；
(10)执行点火操作的选发开关处于点火状态时，实时反馈其自身的电压、温度以及点火输出电压信息至地面控制系统；
(11)地面控制系统接收到执行点火操作的选发开关反馈的信息后，在控制系统界面对该开关的当前状态进行更新并显示；
(12)地面控制系统的控制系统界面显示状态为点火成功后，系统自动修改发现级数并将当前选择数值更改至下一枪，重复执行步骤(7)-(11)可再次触发点火操作，直至点火工作全部完成。
2.根据权利要求1所述的智能选发方法，其特征在于：步骤(2)中地面控制系统从供电线缆上获取选发开关反馈的信息，并将操作信息以指令形式下达至供电线缆。
3.根据权利要求1所述的智能选发方法，其特征在于：步骤(2)中供电线缆采用单芯测井电缆或者多芯测井电缆内的任意一芯。
4.根据权利要求3所述的智能选发方法，其特征在于：所述供电线缆长度为10KM以内的任意长度，在使用过程中无需进行电缆配。
5.根据权利要求1所述的智能选发方法，其特征在于：步骤(6)中地面控制系统采用逐级地址比对方式，收集井下所有选发开关的相关信息。
6.根据权利要求1所述的智能选发方法，其特征在于：步骤(9)执行点火操作，首先通过频率发生器产生磁电雷管所需的特定频率，再通过驱动电路对输出幅度进行放大，用于激发磁电雷管，最后，通过大电流驱动电路产生激发大电流雷管的驱动电流，完成对多种雷管的激发，即完成点火。
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