CN112530152A - 一种油气井无线监测系统和方法 - Google Patents

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贺秋云
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张明友
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陆峰
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Abstract

本发明提供了一种油气井无线监测系统和方法。所述监测系统包括监测单元、无线传输单元、以及无线电能发射单元，其中，监测单元位于井底并包括传感器；无线传输单元包括沿井内油管轴向分布、并依次将所述参数从井底传至井外的多级传输组件，最底层传输组件邻近传感器并包括无线信号发射模块、第一电池和第一无线电能接收模块；其他传输组件都包括有无线信号收发模块、第二电池和第二无线电能接收模块；无线电能发射单元包括传导线、和无线电能发射机构。所述监测方法可包括采用上述的油气井无线监测系统进行监测。相较于有线传输方式，本发明具有成本低、维护便捷的优势；能够实现不起钻监测；可反复为井下电池充电，节约作业成本。

Description

一种油气井无线监测系统和方法
技术领域
本发明涉及油气井数据采集领域，特别地，涉及一种油气井无线监测方法和系统。
背景技术
伴随国内多数油田进入勘探开发的中后期，对完井技术的要求正日益提高，智能完井技术受到了越来越多的关注。作为一种新型的完井技术，智能完井技术可通过安装在井下的测控装置对不同储层流体进行控制并实时获取流体参数，这对提高油井采收率、优化油藏生产管理、减少修井及地层测试频次、提升单井/油藏生产效益具有显著增益。
井下测控装置的操作需要电能驱动，一般采用井下电池供能、井下涡轮发电、全井电缆供电等主要方式，采集的参数利用有线方式(光纤或者电缆)传输至地面进行解析。
目前油气井生产状态参数监测主要有两个途径：
(1)利用电缆等有线方式，为井底传感器进行供能，同时借助线缆反馈回井底状态参数。但是油气井中布置的电缆存在成本高的问题，每米单价超过500元，且中间任一线缆破损就无法使用。
(2)井底传感器自带服役电池，并通过无线中继以电磁波方式返回井底状态参数。但是，电池存在使用寿命的问题，失效后需要起钻更换，不利于持续长时间值守。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于实现油气井全生产周期内的不起钻监测。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种油气井无线监测系统。
所述监测系统可包括监测单元、无线传输单元、以及无线电能发射单元，其中，监测单元位于井底并包括传感器，传感器能够采集所需的参数；无线传输单元包括沿井内油管轴向分布、并能够依次将所述参数从井底传递至井外的多级传输组件，其中，位于最底层的传输组件邻近传感器并包括无线信号发射模块、第一电池和第一无线电能接收模块，无线信号发射模块与传感器连接，第一电池能够向该传输组件中需要电能的模块供电，第一电池还能够向传感器供电；除最底层的传输组件之外，其他传输组件都包括有无线信号收发模块、第二电池和第二无线电能接收模块，第二电池能够向对应传输组件中需要电能的模块供电；无线电能发射单元包括传导线、以及连接在传导线上的无线电能发射机构，在第一电池电量不足的情况下，传导线能够带动无线电能发射机构移至第一无线电能接收模块附近，以实现给第一电池充电，在第二电池电量不足的情况下，传导线能够带动第二无线电能发射机构移至第二无线电能接收模块附近，以实现给第二电池充电。
本发明另一方面也提供了一种油气井无线监测系统。
所述监测系统可包括监测单元、无线传输单元、以及无线电能发射单元，其中，监测单元位于井底并包括传感器、无线信号发射模块、第一电池和第一无线电能接收模块，传感器能够采集所需的参数并通过无线信号发射模块发送出去，第一电池能够向监测单元需要电能的模块供电；无线传输单元包括沿井内油管轴向分布、并能够依次将所述参数从井底传递至井外的多级传输组件，每级无线传输组件都包括有无线信号收发模块、第二电池和第二无线电能接收模块，第二电池能够向对应传输组件中需要电能的模块供电；无线电能发射单元包括传导线、以及连接在传导线上的无线电能发射机构，在第一电池电量不足的情况下，传导线能够带动无线电能发射机构移至第一无线电能接收模块附近，以实现给第一电池充电，在第二电池电量不足的情况下，传导线能够带动第二无线电能发射机构移至第二无线电能接收模块附近，以实现给第二电池充电。
根据本发明的油气井无线监测系统的一个或多个示例性实施例，传输组件以短节形式存在，安装在井内油管管线上。
根据本发明的油气井无线监测系统的一个或多个示例性实施例，在进行充电的情况下，所述无线电能发射机构与所述第一无线电能接收模块或所述第二无线电能接收模块之间的距离可以为5cm～10cm。
根据本发明的油气井无线监测系统的一个或多个示例性实施例，相邻的两级传输组件之间的距离可以为1000～1500m。
本发明再一方面提供了一种油气井无线监测方法。所述方法可包括采用上述的油气井无线监测系统进行监测。
根据本发明的油气井无线监测方法的一个示例性实施例，在达到预定时间、或者在所述第一电池和/或第二电池的电流降至预定储量的情况下，由井口下放所述无线充电头发射机构至所述第一无线电能接收模块或第二无线电能接收模块的附近进行充电，实现油气井全生产周期不起钻监测。换而言之，在达到预定时间的情况下，下放无线充电头发射机构进行充电；或者，在第一电池和/或第二电池的电流降至预定储量的情况下，下放无线充电头发射机构进行充电。
根据本发明的油气井无线监测方法的一个示例性实施例，在进行充电的情况下，所述无线电能发射机构与所述第一无线电能接收模块或所述第二无线电能接收模块之间的距离可以在10cm以内，例如5cm～10cm，再6、7、9cm等。
本发明另一方面提供了一种油气井无线监测方法。所述方法可包括采用上述的油气井无线监测系统进行监测。
与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：相较于有线传输方式，本发明具有成本低、维护便捷的优势；相较于传统井下信号监测装置电池电量耗尽需起钻更换的问题，本发明可反复为井下电池充电，节约作业成本。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明的无线传输单元的一个示意图。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的油气井无线监测系统和方法。
本发明一方面提供了一种油气井无线监测系统。
本发明提出了一种集无线电能传输和无线信号传输为一体的无线监测系统。该系统可以利用无线电能传输实现对井底储能装置的无线供电，解决井下电气器件长时间工作的供能问题，并且可利用无线信号传输井底监测参数至地面，以便实时掌握井下状况。
在本发明的油气井无线监测系统的一个示例性实施例中，所述监测系统可包括：监测单元、无线电能发射单元和无线传输单元。
监测单元位于井底并包括传感器，传感器可包括测量传感器，能够采集所需的参数。
无线电能发射单元包括无线电能发射机构和传导线，无线电能发射机构连接在传导线上，并在传导线的带动下能够在井中上下移动，例如无线电能发射机构可连接在传导线一端的端部。无线电能发射机构可包括无线充电头发射端；传导线可包括线缆，线缆可传递220V AC电能，线缆可以为完井用专用电缆；无线充电头发射端则与线缆连接，从井口不断下放至无线中继放大器处，逐个完成充电。在井口下放无线电能发射单元的地面设备可以与常规电缆作业的地面设备相同，主要包括绞车、指重系统、井口连接头、防喷阀、防喷管、井口密封系统和滑轮等。无线充电头发射端连接在线缆前端，随线缆下入井中。
无线传输单元可包括沿油气井轴向且自上而下或自下而上依次设置的多级无线传输组件，例如图1示出的分布在中间位置的无线传输组件Ai、Aj，其中，1≤i≤n，1≤j≤n，i≠j，无线传输组件Ai和Aj都位于油管B中，n为传输组件的总数量，例如A1可以是位于最底层的无线传输组件。多级无线传输组件能够传感器采集的井底参数进行逐级传递，并最终传递出油气井。无线传输单元也可称为无线中继放大器(也可称为无线中继器)。其中，位于井底的无线中继放大器邻近传感器，其可以包括无线信号发射模块、第一电池和第一无线电能接收模块，在i或j为1的情况下，图1中无线传输组件Ai或Aj示出的三个椭圆可分别表示无线信号发射模块、第一电池和第一无线电能接收模块。无线信号发射模块能将传感器采集的信息以无线的形式传递到邻近的无线中继放大器。第一电池能够作为该无线中继放大器的供电模块，其还能够向传感器供电。除最底层无线中继放大器的之外，其他无线中继放大器都包括有无线信号收发模块、第二电池和第二无线电能接收模块。在i或j大于1的情况下，图1中无线传输组件Ai或Aj示出的三个椭圆可分别表示线信号收发模块、第二电池和第二无线电能接收模块。第二电池能够向作为对应无线中继放大器的供电模块。无线信号收发模块用于收发相邻无线中继放大器的信号，实现井底到井口的信号交互。
在本实施例中，在进行充电时，无线充电发射端和无线充电接收端之间的最优间隔距离在5～10cm，能实现高效率电能传输，传输效率高于75％。
在本实施例中，无线中继放大器可以短节形式存在，其两端可以为螺纹，可与油管扣型匹配连接，安装在井内油管管线上。无线中继放大器的间距可主要由无线传输的距离决定，例如1000～1500m。
无线中继放大器所包含的三部分可以是集成为一体，即集成在无线中继放大器短节上。例如，所述无线信号发射模块、第一电池和第一无线电能接收模块集成一体；所述无线信号收发模块、第二电池和第二无线电能接收模块集成一体。
在本实施例中，由于在井内，所述监测系统所包含的各部分需要具有耐温、耐压能力，例如耐温150℃、耐压120MPa。
在本实施例中，第一、第二电池为充电电池，即能够利用无线充电的电池。第一电池的容量大于所述第二电池的容量，即相较于第二电池，第一电池容量需要更大，以额外为传感器提供电能消耗。
第一、第二无线电能接收模块都是用于接收以无线方式传递的电能，并转换成直流电源，例如48V的直流电源；充电电池在接收转换后的48V直流电源，用于储存电能。
在本实施例中，无线充电头发射端与无线充电头接收端只要保证空间距离在10cm以内，例如5cm～10cm。
在本实施例中，传感器与最下端的无线中继放大器短节以有线形式相连接，以实现电能和信号的传递。
本发明的油气井无线监测系统的工作过程可包括：最下端的无线中继放大器短节与测量传感器有线连接，并通过无线传输方式将传感器采集数据传输到相邻无线中继放大器短节，经多个无线中继放大器短节逐个传输至井口。待工作一定时间后(可依据电池容量估算)，下入无线充电头发射端进行充电，补充电池电量，实现全生命周期监测。本发明能实现高效率电能传输，传输效率可在75％以上，进一步地，可在85％以上。
在本发明的油气井无线监测系统的另一个示例性实施例中，所述监测系统可包括：无线电能发射单元、监测单元和无线传输单元。
无线电能发射单元可以与上一个示例性实施例中的相同。
监测单元位于井底，并可包括与上一个示例性实施例中相同的传感器，除此之外，还包括独立的电池、无线电能接收模块和无线发射模块。在第一电池电量不足的情况下，传导线能够带动无线电能发射机构移至监测单元的无线电能接收模块附近，以实现给电池充电。无线电能接收模块可与上一个示例性实施例中的相同。
无线传输单元包括沿油气井轴向且自上而下或自下而上依次设置的多级无线传输组件，无线传输组件可以与上一个示例性实施例中非最底层的无线传感器相同。
本发明另一方面提供了一种油气井无线监测方法。该方法是基于无线传输电能和信号技术来实现油气井生产状态参数的监测。
在本发明的油气井无线监测方法的一个示例性实施例中，所述方法可包括采用上述的油气井无线监测系统进行监测。
在本发明的油气井无线监测方法的另一个示例性实施例中，所述方法可包括：将均携带无线充电头接收端和充电电池的多级无线中继放大器和井底传感器入井，无线中继器逐级将信号接力传输至地面，以使地面人员实时了解井底状况，在达到预定时间或者电池储量情况后，由井口下放无线充电头发射端，至各个充电位置，为无线中继器和井底传感器补充电能，实现油气井全生产周期不起钻监测。
本发明可应用在油气井投产作业中，特别是在应用在智能化油气井合理化生产过程中。
综上所述，本发明的油气井无线监测系统和方法的优点可包括：本发明可用于智能化油气井建设，在不起钻的情况下，能够实现为井下数据监测装置电池多次充电功能，从根本上改变了油气井井下生产状态参数监测技术现状。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种油气井无线监测系统，其特征在于，所述监测系统包括监测单元、无线传输单元、以及无线电能发射单元，其中，
监测单元位于井底并包括传感器，传感器能够采集所需的参数；
无线传输单元包括沿井内油管轴向分布、并能够依次将所述参数从井底传递至井外的多级传输组件，其中，位于最底层的传输组件邻近传感器并包括无线信号发射模块、第一电池和第一无线电能接收模块，无线信号发射模块与传感器连接，第一电池能够向该传输组件中需要电能的模块供电，第一电池还能够向传感器供电；除最底层的传输组件之外，其他传输组件都包括有无线信号收发模块、第二电池和第二无线电能接收模块，第二电池能够向对应传输组件中需要电能的模块供电；
无线电能发射单元包括传导线、以及连接在传导线上的无线电能发射机构，在第一电池电量不足的情况下，传导线能够带动无线电能发射机构移至第一无线电能接收模块附近，以实现给第一电池充电，在第二电池电量不足的情况下，传导线能够带动第二无线电能发射机构移至第二无线电能接收模块附近，以实现给第二电池充电。
2.根据权利要求1所述的油气井无线监测系统，其特征在于，所述第一电池的容量大于所述第二电池的容量。
3.根据权利要求1所述的油气井无线监测系统，其特征在于，所述无线信号发射模块、第一电池和第一无线电能接收模块集成一体；所述无线信号收发模块、第二电池和第二无线电能接收模块集成一体。
4.一种油气井无线监测系统，其特征在于，所述监测系统包括监测单元、无线传输单元、以及无线电能发射单元，其中，
监测单元位于井底并包括传感器、无线信号发射模块、第一电池和第一无线电能接收模块，传感器能够采集所需的参数并通过无线信号发射模块发送出去，第一电池能够向监测单元需要电能的模块供电；
无线传输单元包括沿井内油管轴向分布、并能够依次将所述参数从井底传递至井外的多级传输组件，每级无线传输组件都包括有无线信号收发模块、第二电池和第二无线电能接收模块，第二电池能够向对应传输组件中需要电能的模块供电；
无线电能发射单元包括传导线、以及连接在传导线上的无线电能发射机构，在第一电池电量不足的情况下，传导线能够带动无线电能发射机构移至第一无线电能接收模块附近，以实现给第一电池充电，在第二电池电量不足的情况下，传导线能够带动第二无线电能发射机构移至第二无线电能接收模块附近，以实现给第二电池充电。
5.根据权利要求1或4所述的油气井无线监测系统，其特征在于，传输组件以短节形式存在，安装在井内油管管线上。
6.根据权利要求1或4所述的油气井无线监测系统，其特征在于，在进行充电的情况下，所述无线电能发射机构与所述第一无线电能接收模块或所述第二无线电能接收模块之间的距离为5cm～10cm。
7.根据权利要求1或4所述的油气井无线监测系统，其特征在于，相邻的两级传输组件之间的距离为1000～1500m。
8.一种油气井无线监测方法，其特征在于，所述方法包括采用权利要求1或3所述的油气井无线监测系统进行监测。
9.根据权利要求8所述的油气井无线监测方法，其特征在于，其特征在于，在达到预定时间、或者在所述第一电池和/或第二电池的电流降至预定储量的情况下，由井口下放所述无线充电头发射机构至所述第一无线电能接收模块或第二无线电能接收模块的附近进行充电，实现油气井全生产周期不起钻监测。
10.根据权利要求8所述的油气井无线监测方法，其特征在于，在进行充电的情况下，所述无线电能发射机构与所述第一无线电能接收模块或所述第二无线电能接收模块之间的距离在10cm以内。
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