CN112465089B - 一种环空水泥浆失重过程监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环空水泥浆失重过程监测系统及监测方法，该监测系统由垂向设置的套管、传输系统、井下数据采集系统、上位机和射频识别系统组成。传输系统包括发射单元，电池单元，无线传输和接收单元，井下数据采集系统集成在套管短节中，储存并传输传感器采集的相关数据，无线传输和接收装置利用NFC设备间的数据交换完成井下无线传输，通过光纤将数据发往上位机，为了能得到环空内水泥浆变化期间完整数据，上胶塞镶嵌一个RFID的电子标签，从注水泥开始，胶塞泵送下降经过读写器时就能触发井下传感器工作。本发明的优点是：设计结构稳定，信息传输方式可靠，测量结果可靠，利于实现。
Description
技术领域
本发明涉及固井施工中环空水泥失重监测领域，尤其涉及一种环空水泥浆失重过程监测系统及监测方法。
背景技术
固井作业是石油气钻井施工中重要组成部分，是向井眼和套管之间的环形空间注入水泥浆等待凝固成井壁的施工作业。水泥浆在凝结过程中，从液态转化为固态，水泥浆网架结构不断形成，靠近套管壁与地层的水泥浆会受到壁面的支撑作用，并由网架结构将这种力传递到整个环空水泥浆柱，导致对井底或地层的有效液柱压力逐渐降低，这一过程称为水泥浆失重。而水泥浆失重会导致环空水泥浆密度下降，无法压稳地层流体，使得地层流体侵入环空，是导致环空窜流的重要原因，而环空窜流会导致水泥环失去完整性，严重时可导致整口井报废。由于固井属于一次性工程，在质量不好的情况下难以补救，且全程在井下，不易观察，无法获知井下情况。在我国各地都有出现窜流现象的油气井，至今无法很好的避免。在固井候凝过程中，水泥浆处于不同的温度，环空和井下条件，会导致水泥浆失重情况不同。例如，通常水泥浆失重速率随着套管偏心度增大而加快，随着环空间隙的减小而加快。所以只要能总结出水泥浆在井下具体失重规律，就能分析出井下水泥浆的失重情况。因此如何科学的获得井下的井斜角，套管偏心度，环空间隙和温度等数据极其重要。
国内相关专利有发明专利，如固井环空水泥浆失重测量装置及测量方法（CN102392634A），各大高校通过实验室环境模拟井下失重来分析失重规律。然而实验室模拟数据可能没准确的模拟井下环空实际情况，容易存在误差，需要真实数据支持才能有效地总结出规律。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种环空水泥浆失重过程监测系统及监测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
1.监测注水泥过程。在油气井注水泥之前需要下入套管，由于此时环空没有水泥浆存在，传感器若一直工作会收集不必要信息，造成电池消耗，增加成本。本发明采用射频识别技术，在上胶塞放置射频识别的电子标签，井下传感器电路接入读写器。当进行注水泥时，读写器接收电子标签信号就能激活电路开始进行数据采集工作。
2.无线数据传输。由于井下短节独立工作，无法通过线缆进行有线传输，因为设计短距离读取数据，使用近场通讯技术（NFC），这一短距离的高频无线通信技术。本发明将传感器采集的数字信号经过ASK调制后加载到高频载波上，通过线圈耦合的方式将数据传输出去。
3.数据采集。本发明的井下数据采集系统设置短节中，有四个压力传感器测量周围压力变化，一个温度传感器测量当前地层的温度，一个倾角传感器结合井眼轨迹预估套管倾斜角度和环空间隙。
一种环空水泥浆失重过程的监测系统，它包括垂向设置的套管、传输系统、井下数据采集系统、上位机、射频识别系统、光线排放筒、浮箍、扶正器和光纤转换器。
所述传输系统包括发射单元、电池单元、无线传输和接收单元、光纤和压力传感器。光纤和发射单元连接，发射单元下面连接电池单元，电池单元连接无线传输和接收单元，无线传输和接收单元底部有压力传感器，各单元封装在耐高温、高压的密闭筒管中，每一筒管两端设有接口，通过螺旋旋转上紧的同时可以完成电气连接。光纤卷绕在光纤排放筒内位于井口处。上位机与光纤通过光纤转换器连接。
所述井下数据采集系统集成在套管短节内，包括四个压力传感器、一个温度传感器、一个倾角传感器、控制模块、电池模块、传输和接收系统的线圈、挡板和包围线圈的隔离层。温度传感器、倾角传感器、单片机电路组成的控制模块、电池模块、传输和接收系统的线圈、单片机控制的挡板均集成在套管短节中，压力传感器均匀分布在套管短节四周用于监测环空压力。套管短节安装在浮箍上方，若存在扶正器，则可在扶正连接处设置该套管短节，套管短节和套管通过螺纹旋转连接。
所述射频识别系统包括无源RFID电子标签、NFC设备，无源RFID电子标签嵌于上胶塞上，NFC设备设置在每一节井下数据采集系统的短节中。
所述的发射单元，电池单元，无线传输和接收单元采用电气接头连接。
所述的无线传输和接收单元采用线圈电磁耦合无线传输信号。
所述的射频识别系统由无源RFID电子标签、NFC设备组成，无源RFID电子标签嵌于上胶塞上，NFC设备充当读写器并集成在每一节井下数据采集系统的短节中。
所述的所述无源RFID电子标签与上胶塞采用镶嵌粘结，且外壳为耐高温，耐腐蚀材料。
所述无源RFID电子标签工作频率满足NFC工作频率13.56MHz，则NFC设备可作为读写器。
所述控制模块由单片机电路构成，所述挡板由单片机控制，单片机具有本地存储功能，可实现断电保存。
它包括以下步骤：
S1：监测系统的激活。井下数据采集系统位于套管短节内，将无源RFID电子标签设置在上胶塞处，上胶塞由泥浆泵泵送泥浆向井底移动，井下套管短节中的NFC设备在收到电子标签信息后，单片机控制唤醒井下数据采集系统，从低功耗待机模式变为工作模式，同时激活挡板伸出，待传输系统接近时固定位置。
S2: 传感器储存采集数据。由于井下数据采集系统含有独立的电池模块供电，在候凝期间，通过单片机控制间隔的采集井下数据，将采集到的压力，温度，倾角等数据按照时间储存起来。
S3: 传输系统和井下数据采集系统的无线传输。光纤连接的传输系统先送入井底，读取数据采集系统内的数据。当靠近井下数据采集系统所在套管短节时，能识别短节上的短节RFID电子标签，确认该位置存在数据采集短节，放慢下降速度，待传输系统底部压力传感器检测到压力突然上升时，则表明碰到挡板，停止下降。当地面上位机发送传输数据请求时，系统将数据调制到载波中耦合发射出去，完成数据的无接触传输。
S4: 数据通过光纤送到地面光纤转换器，之后传输至上位机。上位机把接收的压力、温度和倾角等数据进行分析，建立井下模型。通过分析各个短节处的压力，得出该口井的各个井下短节处的失重情况，结合井眼轨迹能建立井下三维模型，预估出环空间隙等情况。将数据储存，与其它井下记录的环空数据结合分析，总结出失重规律。
S5: 通过光纤回收传输系统装置，清洗后可再次使用。
本发明的有益效果：
（1）由于短节管径与套管一致，不会造成影响；
（2）使用了光纤有线传输至地面，传输速度快且稳定，能及时获取井下数据参数；
（3）本发明的监测装置结构合理，测量结果可靠，能记录固井候凝期间环空内的相关数据变化，为失重规律总结和故障预测提供了科学可靠的数据记录。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2 为本发明井下数据采集系统的结构示意图；
图中，1-套管，2-传输系统，3-井下数据采集系统，301-电池模块，302-线圈，303-挡板，304-短节，305-隔离层，306-压力传感器模块，307-控制模块及其余传感器模块，4-上位机，5-NFC设备，6-无源RFID电子标签，7-发射单元，8-电池单元，9-无线传输和接收单元，10-光纤，11-光纤排放筒，12-短节RFID电子标签，13-浮箍，14-扶正器，15-上胶塞，16-光纤转换器，17-压力传感器。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
本实施例中，如图1所示，一种环空水泥浆失重过程的监测系统，它包括垂向设置的套管1、传输系统2、井下数据采集系统3、上位机4、射频识别系统、光线排放筒11、浮箍13、扶正器14和光纤转换器16。
所述传输系统2包括发射单元7、电池单元8、无线传输和接收单元9、光纤10和压力传感器17。光纤10和发射单元7连接，发射单元7下面连接电池单元8，电池单元8连接无线传输和接收单元9，无线传输和接收单元9底部有压力传感器17，各单元封装在耐高温、高压的密闭筒管中，每一筒管两端设有接口，通过螺旋旋转上紧的同时可以完成电气连接。光纤10卷绕在光纤排放筒11内位于井口处。上位机4与光纤10通过光纤转换器16连接。
所述射频识别系统包括无源RFID电子标签6、NFC设备5，无源RFID电子标签6嵌于上胶塞15上，NFC设备5设置在每一节井下数据采集系统3的短节中。
如图2所示，所述井下数据采集系统3集成在套管短节304内，包括四个压力传感器306、一个温度传感器、一个倾角传感器、控制模块307、电池模块301、传输和接收系统的线圈302、挡板303和包围线圈的隔离层305。温度传感器、倾角传感器、控制模块307、电池模块301、传输和接收系统302的线圈、挡板303均集成在套管短节304中，压力传感器306均匀分布在套管短节304四周用于监测环空压力。套管短节304安装在浮箍13上方，若存在扶正器14，则可在扶正器14连接处设置该套管短节304，套管短节304和套管1通过螺纹旋转连接。
每一完整NFC设备可以使用卡模拟模式、读写器模式、点对点模式这三种模式。当NFC设备转为P2P模式时，允许两个NFC设备之间建立通讯连接进行双向数据交换，本发明所用无线数据传输基于该P2P模式，该P2P遵循ISO/IEC IS 18092国际标准，因此工作在13.56MHz，且工作距离20厘米内，所以使用挡板固定位置来传输井下数据。NFC有主动和被动两种读取模式，若规定先发起通讯请求的一方称为Initiator，则另一方称为Target。主动模式为通讯两方都发射射频信号进行通讯，被动模式为Initiator发出射频信号请求，Target回应。本发明模式默认使用主动模式进行P2P通信。本发明所使用无源RFID电子标签工作频率为13.56MHz，在井下短节内NFC设备为主动模式则可以作为读写器来读取电子标签。
一种环空水泥浆失重监测系统的方法如下；
S1: 监测系统的激活。井下数据采集系统3位于套管短节304内，在下入井内过程中，为了不采集无效数据和节约电源，将无源RFID电子标签6设置在上胶塞15处，到达“碰压”前，上胶塞由泥浆泵泵送泥浆向井底移动，井下数据采集系统中的NFC设备5在收到电子标签信息后，单片机控制唤醒井下数据采集系统3，从低功耗待机模式变为工作模式，同时激活挡板303伸出，待传输系统接近时固定位置。
S2: 传感器储存采集数据。由于井下数据采集系统3含有独立的电池模块301供电，在候凝期间被激活时，通过单片机控制间隔的采集井下数据，将采集到的压力，温度，倾角等数据按照时间储存起来。
S3: 光纤10连接的传输系统2先送入井底，读取数据采集系统内的数据。当靠近井下数据采集系统所在短节304时，能识别短节上的短节RFID电子标签12，确认该位置存在数据采集短节，放慢下降速度，待传输系统底部压力传感器17检测到压力突然上升时，则表明碰到挡板303，停止下降。两NFC设备转为点对点模式，保持合适的传输距离，当地面上位机发送传输数据请求时，井下数据采集系统3将之前储存数据调制到载波中通过放大器放大后，通过线圈耦合发射出去，也就是传输系统2中的NFC设备和井下数据采集系统3的NFC设备5之间进行数据交换，完成数据的无接触传输。等待读取数据完成后，上位机4发出信号，挡板303收回，传输系统2继续向下读取其他井下数据采集系统3。
S31: 所述步骤可能存在上位机4发出挡板回收指令不执行情况。单片机控制程序设置当传输系统识别到井下短节时，一定时间后挡板303自动收回。
S32: 若短节未被胶塞上无源RFID电子标签6激活，则通过井下数据采集系统3中的压力传感器306数值变化激活。在未被激活前。系统处于低功耗待机模式，电源仅维持NFC设备5工作和压力传感器306模块运行，单片机监测压力传感器306数据变化，但不储存数据。当压力传感器306数据徒增时，则激活系统进行工作。
S4: 数据通过光纤10送到地面光纤转换器16，之后传输至上位机4。上位机4把接收的压力、温度和倾角等数据进行分析，建立井下模型。通过分析各个短节处的压力，得出该口井的各个井下短节处的失重情况，由于套管不易形变，倾角能反馈出套管的倾斜情况，结合井眼轨迹能建立井下三维模型，预估出环空间隙等情况。将数据储存，与其它井下记录的环空数据结合分析，总结出失重规律。
S5: 通过光纤10回收传输系统装置，清洗后等待再次使用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种环空水泥浆失重过程监测系统，其特征在于，它包括垂向设置的套管（1）、封装在耐高温、高压的密闭筒管中的传输系统（2）、井下数据采集系统（3）、上位机（4）、射频识别系统、光纤排放筒（11）、短节RFID电子标签（12）、浮箍（13）、扶正器（14）和光纤转换器（16）；
所述传输系统（2）包括发射单元（7）、电池单元（8）、无线传输和接收单元（9）、光纤（10）和压力传感器（17）；光纤（10）和发射单元（7）连接，发射单元（7）连接电池单元（8），电池单元（8）连接无线传输和接收单元（9），无线传输和接收单元（9）底部有压力传感器（17）；光纤（10）卷绕在光纤排放筒（11）内位于井口处；上位机（4）与光纤（10）通过光纤转换器（16）连接；
所述射频识别系统包括无源RFID电子标签（6）、NFC设备（5），无源RFID电子标签（6）嵌于上胶塞（15）上，NFC设备（5）设置在每一节井下数据采集系统（3）的短节中；上胶塞（15）由泥浆泵泵送泥浆向井底移动，套管短节（304）中的NFC设备（5）在收到无源RFID电子标签（6）信息后，单片机控制唤醒井下数据采集系统（3），从低功耗待机模式变为工作模式，同时激活挡板（303）伸出，待传输系统接近时固定位置；
所述井下数据采集系统（3）集成在套管短节（304）内，包括多个压力传感器（306）、温度传感器、倾角传感器、控制模块（307）、电池模块（301）、传输和接收系统的线圈（302）、挡板（303）和包围线圈的隔离层（305）；温度传感器、倾角传感器、控制模块（307）、电池模块（301）、传输和接收系统的线圈（302）、挡板（303）均集成在套管短节（304）中，压力传感器（306）均匀分布在套管短节（304）四周用于监测环空压力；套管短节（304）安装在浮箍（13）上方；光纤（10）连接的传输系统（2）先送入井底，当靠近井下数据采集系统（3）所在套管短节（304）时，能识别短节上的短节RFID电子标签（12），确认该位置存在数据采集短节，放慢下降速度，待传输系统底部压力传感器（17）检测到压力突然上升时，则表明碰到挡板（303），停止下降，当地面上位机（4）发送传输数据请求时，系统将数据调制到载波中耦合发射出去，完成数据的无接触传输。
2.根据权利要求1所述的一种环空水泥浆失重过程监测系统，其特征在于，所述的发射单元（7），电池单元（8），无线传输和接收单元（9）采用电气接头连接。
3.根据权利要求1所述的一种环空水泥浆失重过程监测系统，其特征在于，所述的无线传输和接收单元（9）采用线圈电磁耦合无线传输信号。
4.根据权利要求1所述的一种环空水泥浆失重过程监测系统，其特征在于，所述的射频识别系统由无源RFID电子标签（6）、NFC设备（5）组成，无源RFID电子标签（6）嵌于上胶塞（15）上，短节中的NFC设备（5）充当读写器并集成在每一节井下数据采集系统（3）的短节中。
5.根据权利要求1所述的一种环空水泥浆失重过程监测系统，其特征在于，所述的无源RFID电子标签（6）与上胶塞（15）采用镶嵌粘结，且外壳为耐高温，耐腐蚀材料。
6.根据权利要求1所述的一种环空水泥浆失重过程监测系统，其特征在于，所述无源RFID电子标签（6）工作频率满足NFC工作频率13.56MHz，则NFC设备可作为读写器使用。
7.根据权利要求1所述的一种环空水泥浆失重过程 监测系统，其特征在于，所述控制模块（307）由单片机电路构成，所述挡板（303）由单片机控制，单片机具有本地存储功能，可实现断电保存。
8.根据权利要求1所述的一种环空水泥浆失重过程监测系统，其特征在于，还包括扶正器（14），可在扶正器（14）连接处设置该套管短节（304），套管短节（304）和套管（1）通过螺纹旋转连接。
9.利用如权利要求1~8中任意一项所述的一种环空水泥浆失重过程监测系统的监测方法，其特征在于，它包括以下步骤：
S1：监测系统的激活，井下数据采集系统（3）位于套管短节（304）内，将无源RFID电子标签（6）设置在上胶塞（15）处，上胶塞（15）由泥浆泵泵送泥浆向井底移动，套管短节（304）中的NFC设备（5）在收到电子标签信息后，单片机控制唤醒井下数据采集系统（3），从低功耗待机模式变为工作模式，同时激活挡板（303）伸出，待传输系统接近时固定位置；
S2: 传感器储存采集数据；由于井下数据采集系统（3）含有独立的电池模块（301）供电，在候凝期间，通过单片机控制间隔的采集井下数据，将采集到的压力、温度、倾角数据按照时间储存起来；
S3: 传输系统（2）和井下数据采集系统（3）的无线传输，光纤（10）连接的传输系统（2）先送入井底，读取数据采集系统内的数据；当靠近井下数据采集系统（3）所在套管短节（304）时，能识别短节上的短节RFID电子标签（12），确认该位置存在数据采集短节，放慢下降速度，待传输系统底部压力传感器（17）检测到压力突然上升时，则表明碰到挡板（303），停止下降，当地面上位机（4）发送传输数据请求时，系统将数据调制到载波中耦合发射出去，完成数据的无接触传输；
S4: 数据通过光纤（10）送到地面光纤转换器（16），之后传输至上位机（4）；上位机（4）把接收的压力、温度和倾角数据进行分析，建立井下模型；通过分析各个短节处的压力，得出该口井的各个井下短节处的失重情况，结合井眼轨迹能建立井下三维模型，预估出环空间隙情况；将数据储存，与其它井下记录的环空数据结合分析，总结出失重规律；
S5: 通过光纤（10）回收传输系统装置，清洗后可再次使用。
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