CN114109365A - 一种钻探井动态液面监测设备及方法 - Google Patents

一种钻探井动态液面监测设备及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钻探井动态液面监测设备及方法，该钻探井动态液面监测设备，包括管柱、液面监测装置、信号接收处理装置，所述液面监测装置用以测量钻探井内液面位置，所述液面监测装置设于所述管柱上，所述信号接收处理装置设于钻探井的井筒外，所述液面监测装置与所述信号接收处理装置通过无线通信相连。本发明解决了现有技术存在的以下问题：结构复杂，成本高，难以准确获得液面数值，难以实时动态监测液面位置，液面位置监测结果误差较大，抗干扰能力较弱等。

Description

一种钻探井动态液面监测设备及方法
技术领域
本发明涉及勘探技术领域，具体是一种钻探井动态液面监测设备及方法。
背景技术
目前，现有的液面监测装置一般通过计算声波发射与反射接收的时间差来确定液面位置。基于声波的液面监测装置一般安装在地面节流管汇分支管线端部，固定式安装，承压能力不能低于管汇压力等级，装置结构复杂，体积大，成本较高；声源为变截面音爆及声冲击波、次声波、电控声波等，抗干扰能力较弱，需要停钻、关封井器等附加作业步骤，作业周期长，尤其是液面下降较少，声部反射时间过短时。现有技术存在以下问题：结构复杂，成本高，难以准确获得液面数值，难以实时动态监测液面位置，液面位置监测结果误差较大，抗干扰能力较弱等。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种钻探井动态液面监测设备及方法，解决现有技术存在的以下问题：结构复杂，成本高，难以准确获得液面数值，难以实时动态监测液面位置，液面位置监测结果误差较大，抗干扰能力较弱等。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种钻探井动态液面监测设备，包括管柱、液面监测装置、信号接收处理装置，所述液面监测装置用以测量钻探井内液面位置，所述液面监测装置设于所述管柱上，所述信号接收处理装置设于钻探井的井筒外，所述液面监测装置与所述信号接收处理装置通过无线通信相连。
作为一种优选的技术方案，所述液面监测装置包括相互电相连的信号采集装置、信号中转装置，所述信号中转装置设于所述管柱上，所述信号中转装置与所述信号接收处理装置通过无线通信相连。
作为一种优选的技术方案，还包括电缆，所述信号采集装置包括压力传感器，所述信号中转装置包括第一无线电收发模块、第一数据处理模块，所述信号接收处理装置包括相互电相连的第二数据处理模块、第二无线电收发模块，所述第一无线电收发模块与所述第二无线电收发模块通过无线通信相连，所述压力传感器、所述第一数据处理模块、所述第一无线电收发模块依次电相连。
作为一种优选的技术方案，信号接收处理装置还包括与所述第二数据处理模块电相连的显示模块。
作为一种优选的技术方案，还包括保护层，所述保护层将所述电缆和所述液面监测装置包裹于内。
作为一种优选的技术方案，还包括紧固件，所述管柱与所述液面监测装置通过所述紧固件紧固连接。
作为一种优选的技术方案，所述管柱的数量为一个或多个，多个管柱顺次连接。
一种钻探井动态液面监测方法，采用所述的一种钻探井动态液面监测设备，利用液面监测装置测量钻探井内的压力，从而计算得到液面距井口的距离。
作为一种优选的技术方案，包括以下步骤：
S1，利用具有一个或多个管柱的所述的一种钻探井动态液面监测设备的液面监测装置测量钻探井内的压力，监测到的压力记为Pi，其中，i表示管柱的编号，Pi表示标号为i的管柱对应的液面监测装置监测到的压力；
S2，比较Pi与PMIN、PMAX的值的大小，其中，PMIN表示液面监测装置采集和发射信号时最小压力，PMAX表示液面监测装置采集和发射信号时最大压力；
S3，若PMIN≤Pi≤PMAX，液面监测装置采集压力数据，将采集到的压力数据信号间隔发射至信号接收处理装置；若Pi在PMIN≤Pi≤PMAX的范围之外，则返回步骤S1；
S4，信号接收处理装置接收并处理压力数据信号，计算得出液面到距离信号采集装置最近的管柱的顶部的距离Ld，计算公式为：Ld＝h-Pi/(ρ·g)，其中，ρ表示井内流体密度，g表示重力加速度，h表示液面监测装置(2)的高度；
S5，计算液面距井口的距离S，计算公式为：S＝mi×Lp+Ld，其中，Lp表示管柱的长度，mi表示位于标号为i的管柱上方的管柱数量。
作为一种优选的技术方案，采用两个及以上液面监测装置的所述的一种钻探井动态液面监测设备，并对液面监测装置编号，步骤S3中，若PMIN≤Pi≤PMAX，液面监测装置采集压力数据，将采集到的压力数据信号和液面监测装置的编号数据间隔发射至信号接收处理装置。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明结构简单，成本较低，便于准确获得液面数值，便于实时动态监测液面位置，液面位置监测结果误差较小，抗干扰能力强；
(2)本发明能有效避免信号传输过程中受到的损耗和干扰；
(3)本发明压力传感器精确度高，反应灵敏，通过信号接收处理装置计算得出计算得到液面距井口的距离，便于实时精确地监测压力。电缆有利于减少信号传输中的干扰，可靠性高；
(4)本发明便于显示，便于实时直观观察；
(5)本发明保护层有利于保护所述电缆和所述压力传感器免受机械损伤，同时也能提供抗干扰的作用；
(6)本发明有利于减少因所述管柱与所述液面监测装置晃动带来的测量误差，进一步提高了监测的准确性和稳定性；
(7)本发明便于适用于不同深度的钻探井动态液面监测的作业场景；
(8)本发明采用两个及以上液面监测装置为监测提供了冗余和备份功能，可靠性增强；将采集到的压力数据信号和液面监测装置的编号数据间隔发射至信号接收处理装置，则减小了测量误差，提高了监测的准确度，也便于进一步分析监测数据，以便改进测量方案。
附图说明
图1为本发明所述一种钻探井动态液面监测设备的结构示意图；
图2为图1的Q区域的局部放大图；
图3为本发明所述一种钻探井动态液面监测设备的信号传输的电连接示意图；
图4为本发明所述一种钻探井动态液面监测方法的步骤图；
图5为本发明所述一种钻探井动态液面监测方法的流程图；
图6为本发明在步骤S4、步骤S5的距离计算示意图。
附图中标记及相应的零部件名称：1、管柱，2、液面监测装置，3、信号接收处理装置，4、电缆，5、保护层，6、紧固件，21、压力传感器，22、第一无线电收发模块，23、第一数据处理模块，32、第二无线电收发模块，33、第二数据处理模块，34、显示模块，201、信号采集装置，202、信号中转装置。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图6所示，一种钻探井动态液面监测设备，包括管柱1、液面监测装置2、信号接收处理装置3，所述液面监测装置2用以测量钻探井内液面位置，所述液面监测装置2设于所述管柱1上，所述信号接收处理装置3设于钻探井的井筒外，所述液面监测装置2与所述信号接收处理装置3通过无线通信相连。
使用时，将管柱1放入钻探井中，液面监测装置2用以测量钻探井内液面位置，并将液面位置信号传输给信号接收处理装置3，从而计算得出计算得到液面距井口的距离。本技术方案结构简单，成本较低，便于准确获得液面数值，便于实时动态监测液面位置，液面位置监测结果误差较小，抗干扰能力强。
作为一种优选的技术方案，所述液面监测装置2包括相互电相连的信号采集装置201、信号中转装置202，所述信号中转装置202设于所述管柱1上，所述信号中转装置202与所述信号接收处理装置3通过无线通信相连。
信号中转装置202为液面监测装置2测量的信号提供了传输和中转的作用，能有效避免信号传输过程中受到的损耗和干扰。
作为一种优选的技术方案，还包括电缆4，所述信号采集装置201包括压力传感器21，所述信号中转装置202包括第一无线电收发模块22、第一数据处理模块23，所述信号接收处理装置3包括相互电相连的第二数据处理模块33、第二无线电收发模块32，所述第一无线电收发模块22与所述第二无线电收发模块32通过无线通信相连，所述压力传感器21、所述第一数据处理模块23、所述第一无线电收发模块22依次电相连。
所述第一数据处理模块23用以：将压力传感器21采集的信号转换成可以被第一无线电收发模块22识别接收的数据格式，启动第一无线电收发模块22发送数据，和/或，决定第一无线电收发模块22何时发送数据等。
压力传感器21精确度高，反应灵敏，通过信号接收处理装置3计算得出计算得到液面距井口的距离，便于实时精确地监测压力。电缆4有利于减少信号传输中的干扰，可靠性高。
作为一种优选的技术方案，信号接收处理装置3还包括与所述第二数据处理模块33电相连的显示模块34。
显示模块34便于显示，便于实时直观观察。
作为一种优选的技术方案，还包括保护层5，所述保护层5将所述电缆4和所述液面监测装置2包裹于内。
保护层5有利于保护所述电缆4和所述压力传感器21免受机械损伤，同时也能提供抗干扰的作用。
作为一种优选的技术方案，还包括紧固件6，所述管柱1与所述液面监测装置2通过所述紧固件6紧固连接。
这有利于减少因所述管柱1与所述液面监测装置2晃动带来的测量误差，进一步提高了监测的准确性和稳定性。
作为一种优选的技术方案，所述管柱1的数量为一个或多个，多个管柱1顺次连接。
这便于适用于不同深度的钻探井动态液面监测的作业场景。值得说明的是，管柱1可以直接收尾顺次连接，也可以通过管柱接头等连接件进行顺次连接，以便于安装和拆卸。
实施例2
如图1至图6所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
一种钻探井动态液面监测方法，采用所述的一种钻探井动态液面监测设备，利用液面监测装置2测量钻探井内的压力，从而计算得到液面距井口的距离。
作为一种优选的技术方案，包括以下步骤：
S1，利用具有一个或多个管柱1的所述的一种钻探井动态液面监测设备的液面监测装置2测量钻探井内的压力，监测到的压力记为Pi，其中，i表示管柱1的编号，Pi表示标号为i的管柱1对应的液面监测装置2监测到的压力；
S2，比较Pi与PMIN、PMAX的值的大小，其中，PMIN表示液面监测装置2采集和发射信号时最小压力，PMAX表示液面监测装置2采集和发射信号时最大压力；
S3，若PMIN≤Pi≤PMAX，液面监测装置2采集压力数据，将采集到的压力数据信号间隔发射至信号接收处理装置3；若Pi在PMIN≤Pi≤PMAX的范围之外，则返回步骤S1；
S4，信号接收处理装置3接收并处理压力数据信号，计算得出液面到距离信号采集装置201最近的管柱1的顶部的距离Ld，计算公式为：Ld＝h-Pi/(ρ·g)，其中，ρ表示井内流体密度，g表示重力加速度，h表示液面监测装置(2)的高度；
S5，计算液面距井口的距离S，计算公式为：S＝mi×Lp+Ld，其中，Lp表示管柱1的长度，mi表示位于标号为i的管柱1上方的管柱1数量。
使用时，将管柱1放入钻探井中，液面监测装置2用以测量钻探井内液面位置，并将液面位置信号传输给信号接收处理装置3，通过信号接收处理装置3计算得出计算得到液面距井口的距离。本技术方案结构简单，成本较低，便于准确获得液面数值，便于实时动态监测液面位置，液面位置监测结果误差较小，抗干扰能力强。
作为一种优选的技术方案，采用两个及以上液面监测装置2的所述的一种钻探井动态液面监测设备，并对液面监测装置2编号，步骤S3中，若PMIN≤Pi≤PMAX，液面监测装置2采集压力数据，将采集到的压力数据信号和液面监测装置2的编号数据间隔发射至信号接收处理装置3。
采用两个及以上液面监测装置2为监测提供了冗余和备份功能，可靠性增强；将采集到的压力数据信号和液面监测装置2的编号数据间隔发射至信号接收处理装置3，则减小了测量误差，提高了监测的准确度，也便于进一步分析监测数据，以便改进测量方案。
实施例3
如图1至图6所示，本实施例包含实施例1、实施例2的全部技术特征，本实施例在实施例1、实施例2的基础上，提供更细化的实施方式。
监测硬件包括：
液面监测装置2：压力传感器21，无线电信号收发模块(即第一无线电收发模块22，可采用NRF24L01、Zigbee、Lora等)，第一数据处理模块23(STM32、STC89C52、CC2530等)，电源模块(锂电池、纽扣电池、干电池等)；
信号接收处理装置3：无线电信号收发模块(即第二无线电收发模块32，可采用NRF24L01、Zigbee、Lora等)，第二数据处理模块33(STM32、STC89C52、CC2530等)，显示模块34(数码管、OLED等)。
安装方式如下：
液面监测装置2安装在井内管柱1上，安装时记录每一个装置编号对应的管柱1编号，顺序按照入井次序由小到大。在位置a安装信号中转装置202包括第一无线电收发模块22、电源等模块，位置b安装压力传感器21，压力传感器21信号通过电缆4与第一无线电收发模块22连接。钻杆外表面包覆有防止电缆4和液面监测装置2磨损破坏的保护层5(保护层5采用碳纤维、钢丝或其它材料编织工艺包裹在钻杆外表面)。
信号接收处理装置3放置在井筒外，接收、处理井下液面监测装置2发来的信号，并将处理结果显示。
监测方法如下：
当液面发生变化时，位置b的压力传感器21监测到压力值Pi发生变化，当PMIN≤Pi≤PMAX时，电源向第一无线电收发模块22供电，第一无线电收发模块22发射压力传感器21测得的压力、液面监测装置2的编号。井口信号接收处理装置3自动计算液面位置及单位时间内液面的变化量。
具体实施可采用以下步骤：
1、钻杆下入井筒前，在钻杆接头下部安装液面监测装置2；
2、液面监测装置2安装数量根据液面允许偏差确定；
安装最大数量为：每一根钻杆接头下部安装2个液面监测装置2，两只互为备用，可以获得最小的液面监测偏差。液面监测装置2电磁信号由下向上传递，安装深度不受限。安装最小数量为2个，其位置根据液面允许最低深度确定。
3、正常钻井过程中，没有发生井漏时，井筒内充满流体，此时所有液面监测装置2监测到的压力值均大于PMAX，除压力传感器21外，其它模块均处于关闭状态；当发生井漏时，随着液面下降，由上向下，液面监测装置2的压力传感器21监测到压力Pi逐渐降低，当PMIN≤Pi≤PMAX时，开启液面监测装置2的无线电信号收发模块发送压力传感器21测得的压力数值以及液面监测装置2自身编号，无线电信号向上传输至井口的信号接收处理装置3，通过第二数据处理模块33分析计算得出液面到井口的距离，同时也能监测到单位时间内液面高度的变化量。
4、当采取堵漏措施，井漏得到控制，环空充满流体后，液面监测装置2的压力传感器21监测到的压力值大于PMAX后，重置各液面监测装置2的存储信息，并对液面监测装置2其它模块断电，停止监测和发射电信号。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钻探井动态液面监测设备，其特征在于，包括管柱(1)、液面监测装置(2)、信号接收处理装置(3)，所述液面监测装置(2)用以测量钻探井内液面位置，所述液面监测装置(2)设于所述管柱(1)上，所述信号接收处理装置(3)设于钻探井的井筒外，所述液面监测装置(2)与所述信号接收处理装置(3)通过无线通信相连。
2.根据权利要求1所述的一种钻探井动态液面监测设备，其特征在于，所述液面监测装置(2)包括相互电相连的信号采集装置(201)、信号中转装置(202)，所述信号中转装置(202)设于所述管柱(1)上，所述信号中转装置(202)与所述信号接收处理装置(3)通过无线通信相连。
3.根据权利要求2所述的一种钻探井动态液面监测设备，其特征在于，还包括电缆(4)，所述信号采集装置(201)包括压力传感器(21)，所述信号中转装置(202)包括第一无线电收发模块(22)、第一数据处理模块(23)，所述信号接收处理装置(3)包括相互电相连的第二数据处理模块(33)、第二无线电收发模块(32)，所述第一无线电收发模块(22)与所述第二无线电收发模块(32)通过无线通信相连，所述压力传感器(21)、所述第一数据处理模块(23)、所述第一无线电收发模块(22)依次电相连。
4.根据权利要求3所述的一种钻探井动态液面监测设备，其特征在于，信号接收处理装置(3)还包括与所述第二数据处理模块(33)电相连的显示模块(34)。
5.根据权利要求4所述的一种钻探井动态液面监测设备，其特征在于，还包括保护层(5)，所述保护层(5)将所述电缆(4)和所述液面监测装置(2)包裹于内。
6.根据权利要求5所述的一种钻探井动态液面监测设备，其特征在于，还包括紧固件(6)，所述管柱(1)与所述液面监测装置(2)通过所述紧固件(6)紧固连接。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种钻探井动态液面监测设备，其特征在于，所述管柱(1)的数量为一个或多个，多个管柱(1)顺次连接。
8.一种钻探井动态液面监测方法，采用权利要求2至7所述的一种钻探井动态液面监测设备，其特征在于，利用液面监测装置(2)测量钻探井内的压力，从而计算得到液面距井口的距离。
9.根据权利要求8所述的一种钻探井动态液面监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，利用具有一个或多个管柱(1)的所述的一种钻探井动态液面监测设备的液面监测装置(2)测量钻探井内的压力，监测到的压力记为Pi，其中，i表示管柱(1)的编号，Pi表示标号为i的管柱(1)对应的液面监测装置(2)监测到的压力；
S2，比较Pi与PMIN、PMAX的值的大小，其中，PMIN表示液面监测装置(2)采集和发射信号时最小压力，PMAX表示液面监测装置(2)采集和发射信号时最大压力；
S3，若PMIN≤Pi≤PMAX，液面监测装置(2)采集压力数据，将采集到的压力数据信号间隔发射至信号接收处理装置(3)；若Pi在PMIN≤Pi≤PMAX的范围之外，则返回步骤S1；
S4，信号接收处理装置(3)接收并处理压力数据信号，计算得出液面到距离信号采集装置(201)最近的管柱(1)的顶部的距离Ld，计算公式为：Ld＝h-Pi/(ρ·g)，其中，ρ表示井内流体密度，g表示重力加速度，h表示液面监测装置(2)的高度；
S5，计算液面距井口的距离S，计算公式为：S＝mi×Lp+Ld，其中，Lp表示管柱(1)的长度，mi表示位于标号为i的管柱(1)上方的管柱(1)数量。
10.根据权利要求9所述的一种钻探井动态液面监测方法，其特征在于，采用两个及以上液面监测装置(2)的所述的一种钻探井动态液面监测设备，并对液面监测装置(2)编号，步骤S3中，若PMIN≤Pi≤PMAX，液面监测装置(2)采集压力数据，将采集到的压力数据信号和液面监测装置(2)的编号数据间隔发射至信号接收处理装置(3)。
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