CN114458287A - 一种固井、压裂、生产过程套管变形无线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固井、压裂、生产过程套管变形无线监测系统,包括:井下套管变形无线监测器、传输信道、信号中继装置和地面接收系统,其中井下套管变形无线监测器与套管串一起入井,扶正套管居中的同时检测套变情况,并将套变数据信号调制激发向外传输,信号中继装置对套变数据信号进行放大和再传输,地面接收系统接收来自信号中继装置的套变数据信号并解调,通过计算机处理得到井下套管变形多点检测情况,实时准确获取井下套管变形位置、变形程度和套变点数量等信息。本发明能对套管上提下放、水泥浆固井、射孔、压裂、生产等作业施工阶段的套变情况进行实时监测和风险预测,对保障油气资源长效开发具有积极现实意义。
Description
技术领域
本发明涉及油气开采中的完井固井技术领域,特别涉及一种固井、压裂、生产过程套管变形无线监测系统。
背景技术
套管是维持油气井运行的生命线,在油气开采中用于钻井过程和完井后对井壁的支撑,起着保护井眼、加固井壁、隔绝井中的油、气、水层及封固各种复杂地层的作用,保证钻井过程的安全进行和完井后整个油井的正常运行。目前,我国在油气田勘探开采中面临着严峻的挑战,由于地质条件不同,井下受力状态复杂,拉、压、弯、扭应力综合作用于套管体,这对套管本身的质量和完整性提出了较高的要求。套管柱完整性主要体现在密封性和截面形状规则两方面,由于长期采用注水开发的方式开采油田,加剧了地层深处的地质活动,许多因素如酸化压裂改造、盐膏岩塑性蠕变、重复多次的井下作业和腐蚀等,都可以导致套管发生不同程度的变形(包括套管缩径、套管一处或多处弯曲、套管挤扁、严重弯曲变形、套管破裂及错断等),在一些易垮塌地层或者固井质量差的地层,套管变形尤为严重,一旦套管本身由于某种原因发生变形或损坏,便可能导致整口井的减产甚至报废,严重影响油气田的安全和效益,造成巨大经济损失。所以,套管变形损坏问题在世界各国的石油及天然气开发中已引起了人们的高度重视。
特别地,近年来我国在非常规油气资源尤其在页岩气资源上加大勘探开发力度,在中石化涪陵、中石油威远-长宁等页岩气区已经取得了突破性进展,显示出良好的发展前景。目前我国页岩气开发主要采用井工厂+长水平井套管分簇射孔完井+大排量分段压裂方法,有效打碎页岩地层获得高产气井,然而,在页岩气井的分段压裂改造过程中,却出现了较为严重的套管变形失效问题,单井套管变形点为1~3个。数据显示,截至2018年12月,长宁区块已完成压裂的113口井中,发生套变井总计39口,套变比例达34.5%;威远区块共完成74口井压裂,套变井36口,占比48.6%。在页岩气井中,套管变形会导致起下钻作业遇阻遇卡,桥塞无法坐封到位,压裂施工成本和难度增加,压裂段数减少,单井产量降低,同时降低井筒的完整性,破坏原有注采平衡关系,缩短井的生命周期,严重制约了我国页岩气的长期高效开发。页岩气井压裂施工中的套管变形机理复杂,影响因素多,变形时机难以预测,因此,若能对压裂施工过程中的套管变形情况进行有效监测和评价,及时准确获取井下套管变形位置、变形程度和套变点数量等信息,以期第一时间采取防治措施对套变井进行治理和修复,减缓套变速率、优化施工工艺、消除套变隐患、减轻套变的不利影响、保证井筒完整性,指导后续作业、修井、射孔、压裂等措施实施,将对页岩气的长效开发具有重大的积极意义。
目前,油气开采过程中套管变形常用的检测方法主要有机械式多臂井径仪测井、声波成像测井、电磁探伤测井、井下视像检测、连续油管下铅印打印、井温或噪声测井、吸水剖面测井等,通过测井的手段把套变物理信息直接或间接传回地面,利用测井解释信息指导修复措施。前述各种套变检测方法针对不同油井实际情况和综合考虑便捷性与操作成本,有各自的适用性和优缺点,如多臂井径仪器测井将井径变化转变为电信号,记录显示垂深井径曲线变化情况,进而识别套管横截面形状推断套管变形状况,是目前套管变形检测的最常用方法,但这种方法只能体现套管内径厚度波动,并且仅能探测单层管壁;电磁探测测井根据钢套管铁磁性介质变化引起的电磁效应来测量套管状况,尽管可以探测双层乃至很多层管壁,不过该方法显示出来的壁厚是套管的加权平均壁厚值,不能确定套损种类和位置,检测精度不够高;超声波检测检测技术通过发出声波和接收反射声波,并将其数字化获得套管变形特征,该方法检测结果直观,人为干扰少,但需要井底液体耦合介质,被检套管表面不可有积蜡、锈蚀、斑点、氧化皮等,检测前需要进行预处理;井下视像检测技术利用井下摄像头和信号传输电缆直接获取井下套变套损情况,能在测井现场实显示井下套管壁的井筒图像,检测结果直观,但是操作复杂,且容易受到井底条件影响,对井下能见度有较高的要求,检测前需要进行相应的处理。由于各种套变检测技术的局限性,实际应用过程中往往在条件允许的情况下将两种或几种检测技术组合使用,例如,多臂井径测井技术/电磁探伤技术组合测井、井温/噪声组合测井等,多种方法的综合应用可以更有效地进行套管状况评价,取得了良好的效果,但是这也增加了检测流程和分析评价的成本。而且,现有的套管变形检测技术都不能实现井下套管变形情况实时监测和风险预测,需要将仪器下入井内一定深度后才开始工作,在检测时需要关井,造成生产被迫停止,既影响了油气开采进度和生产效率,又对仪器和被测井构成破坏风险,存在检测步骤繁杂,且下入井下的仪器容易遇阻、遇卡或掉落等问题。
申请号为201811217762.1的中国专利公开了一种井下管柱套管内径变形程度的检测方法,通过统计分析研究区块的套管变形类型及变形程度,制作模拟套管形成模拟套管变形井,根据无油管时多臂井径测井得到的不同模拟井井深套管内径值,以及有油管时利用涡流电磁测井仪测得的模拟井套管电磁响应特征,以最小二乘法建立两类特征响应数据间关系的数学模型,再通过测量研究区实测井不同井深的套管电磁响应特征值,代入所建立的数学模型便可计算得到实测井相应井深的套管内径值。该方法可以实现在不取油管的情况下依据测量数据间接计算套管内径变形程度,有利于降低风险,但该方法涉及的流程繁琐,从根据区块数据资料制作模拟套管,到建立两类数据间的数学模型,再到根据数学模型反计算实测井套管变形情况,各个技术模块的精度都不够高,可操作性不强。
申请号为202010339742.2的中国专利公开了一种套管最小内径检测方法,该方法是对上述申请号为201811217762.1的中国专利所公开的方法的进一步改进,所涉及的检测流程和技术思路基本不变,只是以机器学习算法代替最小二乘法建立脉冲涡流响应信号和套管最小内径之间的数据模型,通过样本训练的方式更为精确地拟合两类数据间的非线性关系,最后以实测脉冲涡流响应信号代入模型计算得到相应套管变形井的最小内径值。该方法同样存在流程繁琐和操作性不强的弊端,且上述两种方法的设计都建立在现有常规测井技术的基础上,所以同样面临现有技术存在的缺点和问题。
针对当前储层压裂改造诱发的套管变形不能实现实时监测评价的问题,申请号202011170898.9的中国专利公开了一种储层压裂改造诱发井下套管变形的实时监测与评价方法,该方法采用水平井泵送坐桥塞射孔与套管磁性定位测量联作方式,利用磁性定位仪器实时测量套管节箍和套管磁性异常,通过建立的套管变形磁性异常测井响应模式和分析套管磁性异常特征,对井下套管变形程度及发展态势进行实时监测与评价。该方法能根据射孔压裂前后套管因受力产生的压磁效应推断套管变形状态,但所测磁性异常容易受其它力作用如泵送阻卡、井斜拉张的外界干扰,不能有效排除测井解释多解性,所建立的磁性异常与套管变形关联模型以实际水平井套变多臂井径测井检测结果为基础,不能保证模型的准确性,且实时监测的过程只针对于射孔压裂前和压裂中阶段,没有充分考虑压裂后储层压力的后续变化可能带来的套变问题,无论在精确性和实用性上都有一定局限。
一篇论文(Qian Wu,etc.Concurrent Real-Time Distributed Fiber OpticSensing of Casing Deformation and Cement Integrity Loss.Paper SPE194159presented at the SPE/IADC International Drilling Conference andExhibition,The Hague,The Netherlands,5-7March 2019.)基于室内实验,开发了一种基于分布式光纤温度应变传感(DTSS)的新型套管变形及水泥完整性监测系统,采用特殊设计的传感电缆封装碳氢敏感聚合物,实现分布式温度、应变和化学传感(DTS、DSS和DCS)。光缆安装在套管柱的外部,嵌入在水泥环空或废弃塞的内部,DTS和DSS通过混合布里渊-瑞利技术实现,DCS通过分离出仅反映烃类存在的特定应变变化而实现,可应用于套管变形检测、固井作业质量评估、层间隔离和隔离层完整性监测等。该监测系统和监测方法精确度高、监测功能齐全、效率高,但该监测系统在光纤绕制和套管下井过程中施工难度大,需要光纤有很长的长度,并穿透或延伸井下封隔装置,这样会加重系统复杂化,完井费用较高,若套管发生剪切断裂或大变形,以及压裂过程的强干扰作用,光缆有被磨损甚至拉裂破断的风险,一旦损伤便可不修复,可维护性不高。
综上所述,现有技术能在一定程度上解决油气井套管变形的检测和监测问题,各种技术有不同的适用工程场景,但同样存在成本高、精确度有待提高、便捷性有待优化、可维护性低等问题,急需在现有基础上另辟蹊径,提出综合性较强的套管变形检测/监测技术,以更好解决压裂改造套管异常变形频发问题。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷,提供了一种固井、压裂、生产过程套管变形无线监测系统。采用随套管下放的井下套管变形无线监测器检测套管变形情况,并将信号经传输信道和中继装置返回地面系统。本发明能够实时检测和监测套管上提下放、水泥浆固井、射孔、压裂、生产等作业施工阶段的套管变形情况,有利于分析预测井下套管的受力状态,为套变井的治理和修复提供指导,对页岩气等非常规油气的长效开发具有积极现实意义。
为了实现以上发明目的,本发明采取的技术方案如下:
一种固井、压裂、生产过程套管变形无线监测系统,由井下套管变形无线监测器1、传输信道2、信号中继装置3和地面接收系统4四个部分组成。
所述传输信道2包括地层介质、套管以及井筒空间内的空气和油气水介质,作为将携带套管变形数据的电磁波信号从井下传输到地面的通道。
所述信号中继装置3包括机械部件、电源模块、信号接收模块和电路模块,其中所述的机械部件为放置各模块装置的舱体,整体呈圆筒状,套装在井下套管上;所述的电源模块为锂电池组,用于为信号接收模块和电路模块供电;所述的信号接收模块用于接收井下套管变形无线监测器1传来的数据信号;所述的电路模块为整个信号中继装置3的核心部件,电路模块主要包含信号处理中枢、信号放大器和功率放大器,其中信号处理中枢的主要以单片机实现信号处理和调制,信号放大器和功率放大器用于将信号放大和再激发。
所述信号中继装置3用于接收井下套管变形无线监测器1发送来的信号,并进行再调制和放大,实现信号的中继传输,为保证信号能远距离传输,可根据井深情况安装多个信号中继装置。
所述地面接收系统4包括:天线、信号接发电路、信号功放电路、工控机和人机交互模块,所述天线与所述信号接发电路连接,用于接收信号中继装置3传来的数据信号,作预处理后发送到信号功放电路;所述信号功放电路对传输而来的数据信号进行功率放大;所述工控机用于处理和解调由信号功放电路传送来的数据信号;所述人机交互模块用于显示井下套管变形信息。
所述井下套管变形无线监测器1包含两个功能:扶正功能和套变检测功能。
井下套管变形无线监测器1套装于套管上,启动电源开始工作,随套管下入井中进行固井作业,实现监测器和套管在井筒中的固定与就位,检测套管变形情况,接收的套管应变数据信号,并将其转换为数字信号,把所述数字信号调制转换为模拟信号,并激发模拟信号沿井筒向上传输给信号中继装置3,通过信号中继装置3将信号传输给地面接收系统4,地面接收系统4接收模拟信号并处理得到井下套管变形多点检测情况。
套管变形无线监测系统的工作流程如下:
步骤1:对目标区块套变井进行统计分析,根据套管变形发生的点位分布特点和层段情况,在满足套管居中情况下,优选井下套管变形无线监测器1布置位置和数量。
步骤2:将所述井下套管变形无线监测器1、信号中继装置3套装固定于套管上,打开电源让井下套管变形无线监测器1和信号中继装置3开始工作,并使地面接收系统4与套管变形无线监测器1形成无线连接,之后随套管下入井中,进行固井作业,实现套管在井筒中的固定与就位,形成由井下套管变形无线监测器1、传输信道2、信号中继装置3和地面接收系统4四个部分组成的套管变形无线监测系统。
步骤3:最后进行射孔、压裂、试采、生产等作业,在套管下入井筒、水泥浆固井、射孔、压裂、生产等作业的施工过程中,套管变形无线监测系统一直处于工作状态中,所述井下套管变形无线监测器1对套管变形情况进行多点检测,并将套变数据信号激发出去沿传输信道2向上传输,信号中继装置3对套变数据信号进行放大和再传输,地面接收系统4接收套变数据信号,并通过计算机处理得到井下套管变形多点检测情况,实时准确获取井下套管变形位置、变形程度、套变点数量以及套管受力状态信息。
进一步地,为实现对井下套管变形情况的多点监测,需要沿井筒在套管上间隔套装多个井下套管变形无线监测器1,由于信号中继装置3需要接收多个井下套管变形无线监测器1传来的信号,为防止多个井下套管变形无线监测器1之间的信号干扰,需要对多组信号规定传输协议,具体地,从井下套管变形无线监测器1传到信号中继装置3的信号采用码分复用的方式进行识别和传输。
通过码分复用的方式,码分多址系统为每个井下套管变形无线监测器1分配各自特定的地址码,利用公共信道来传输信息,每一个井下套管变形无线监测器1有自己的地址码,这个地址码用于区别每一个井下套管变形无线监测器1,地址码彼此之间互相独立的,互不影响,这样就避免了每各个井下套管变形无线监测器1之间的信号干扰。
进一步地,所述地面接收系统4的天线与信号接发电路,天线采用偶极子式天线,承载信号接发电路的装置为金属柱状结构,一个安装在井口,一个埋入井场地下,都与天线和工控机连接。
所述地面接收系统4的调制采用调频、调幅和调相方式,包括对信号进行分割、随机化、前向纠错码、交织、映射、逆傅里叶变换,最终形成基带数字信号;相应地,所述地面接收系统4的解调采用频率解调、幅度解调和相位解调方式,包括时域均衡、同步校正、去时间保护间隔、解映射、解交织等步骤,最终获得井下信号。
进一步地,若有双向传输的必要,即除了将信号从井下传输到地面外,若要从地面系统4发送指令信号到信号中继装置3,再到井下套管变形无线监测器1,为避免从井下到地面和从地面到井下的信号之间的相互干扰,两个方向的信号传输可采用时分复用或频分复用的方式进行识别和传输。
进一步地,除了对套管进行多点变形监测外,为监测水平井段套管由于压裂地层剪切可能导致的错断和大弯曲变形,在所述井下套管变形无线监测器1上安装微型定位器,由此,将多个井下套管变形无线监测器1串装于井下套管上,即可组成套管测形序列,再在直井筒底端位置安装的信号中继装置3中安装对应的定位信息接收器,根据水平段各个井下套管变形无线监测器1相对于直井筒底端信号中继装置3的位置信息,便可计算出水平段套管在轴向上的形状信息,进一步判断套管大变形情况。
进一步地,所述井下套管变形无线监测器1包括:监测器本体101、导流槽102、扶正肋板103、滚轴104、减阻滚轮105、环形感测应变片组106、接线孔107、腔体装配空间108、封盖109、信号检测与转换装置110、信号发射装置111和电池组112。
所述监测器本体101为中空,呈圆筒状,两端面为平面圆环形,所述监测器本体101内壁面中间部位镶嵌上下两条环形感测应变片组106,所述两条环形感测应变片组106间隔一定距离排列;
所述扶正肋板103沿轴向以一螺旋角度均匀分布在监测器本体101外侧圆周上,扶正肋板103的上下两端面与监测器本体101的两端面的结合部位以倒圆角圆滑过渡,扶正肋板103与监测器本体101结合而成为一体结构,因为螺旋角度的分布而在监测器本体101外侧圆周面形成具有一定深度的导流槽102;
导流槽102均匀分布在监测器本体101外圆周面上,固井过程中注入的水泥浆通过所述导流槽102时可形成一定程度的旋流,进而提高顶替效率,提高固井作业质量。
所述扶正肋板103上下端面倒圆角处开有嵌入槽,所述嵌入槽呈圆形,圆形嵌入槽开槽深度小于扶正肋板103和监测器本体101总径向厚度,所述圆形嵌入槽内部设有滚轴104,滚轴104为圆柱状钢条,滚轴104两端通过焊接方式固定在圆形嵌入槽内;
所述圆形嵌入槽内还设置有减阻滚轮105,所述减阻滚轮105开有圆形通孔,通过通孔套装在滚轴104上,减阻滚轮105轴向尺寸小于滚轴104轴向尺寸,并且减阻滚轮105与滚轴104装配方式为间隙配合,减阻滚轮105凸出于扶正肋板103外表面,即减阻滚轮105外表面径向尺寸大于扶正肋板103外圆面尺寸;
所述扶正肋板103本体上除了上下两个圆形嵌入槽外,还在中心部位开有矩形凹槽,矩形嵌入槽开槽深度小于扶正肋板103和监测器本体101总径向厚度,矩形凹槽作为腔体装配空间108;腔体装配空间108以封盖109密封,扶正肋板103的腔体装配空间108底部开有接线孔107,接线孔107贯穿扶正肋板103与监测器本体101;
所述腔体装配空间108分上下两个部分,上部腔体内部装设信号检测与转换装置110,下部腔体内部装设信号发射装置111;腔体装配空间108内部还装设电池组112。
腔体装配空间108外部设有封盖109,所述腔体装配空间108在将信号检测与转换装置110、信号发射装置111、电池组112装配完毕后,封盖109以紧固螺钉114拧紧盖封。
所述接线孔107的作用为:作为两环形感测应变片组106和信号检测与转换装置110之间的信号线的连接通道,以及,作为装设电池组112的腔体装配空间108给其它腔体装配空间108内设装置供电的连接线通道。
所述信号检测与转换装置110的作用为:检测和接收由环形感测变片组6测得的套管应变数据信号(包括周向和轴向应变数据),并将检测得到的应变数据信号转换为数字信号。
所述信号发射装置111的作用为:把所述信号检测与转换装置110转换得到的数字信号调制转换为模拟信号,并将所述模拟信号激发出去,使包含套管应变信息的模拟信号沿井筒向上传输。
所述套管监测器本体101的内壁开有供所述环形感测应变片组106镶嵌的浅槽,以及供两个腔体装配空间供电线的半环浅线槽113,所述环形感测应变片组106通过紧固螺钉周向嵌于浅槽内,在井下套管变形无线监测器1在套管入井时紧紧贴紧于套管外壁圆周面上。
所述电池组112封装于其一扶正肋板的腔体装配空间,通过监测器本体内壁开设的半环浅线槽113接线连接到另一扶正肋板的腔体装配空间,为信号检测与转换装置110、信号发射装置111提供电源。
所述环形感测应变片组106由四块应变片组成,在所述监测器本体横截面上呈正交分布,即四块应变片分别镶嵌于监测器本体内壁横截面的0°、90°、180°、270°。
环形感测应变片组106其中一组检测套管周向应变,对应可测量套管缩颈、挤扁等变形,另一应环形感测变片组检测套管轴向应变,对应可测量套管拉伸或压缩、弯曲变形。环形感测应变片组106由压阻式应变片组成。
作为优选,扶正肋板103分布的螺旋角度为75°。扶正肋板103的螺旋分布方式为左旋,形成左旋导流槽。扶正肋板103通过其支撑作用达到在固井过程中促使套管居中的目的,其数量为3块,扶正肋板103与监测器本体101间形成3个导流槽。
作为优选,减阻滚轮105为钢球,由合金钢经热处理加工而成,减阻滚轮105凸出外表面所形成的外圆直径和套管内径或裸眼井径大致相同,在井下套管变形无线监测器1随套管在井下工作时,所述减阻滚轮105轴线与井眼轴线垂直,减阻滚轮105与井壁之间为点接触,可有效降低下入摩阻。
作为优选,所述腔体装配空间108用封盖109盖封时,用矩形橡胶密封圈垫于封盖109之下,以加强腔体装配空间108的密封性,所述矩形橡胶密封圈尺寸与腔体内壁尺寸相近。
作为优选,所述信号检测与转换装置110包括数据接收模块和数模转换模块。
所述信号发射装置111包括单片机、信号放大器和功率放大器,其中单片机是信号处理中枢,信号放大器用于放大模拟信号,功率放大器用于将模拟信号发射出去。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1、本发明能够实时检测和监测套管上提下放、水泥浆固井、射孔、压裂、生产等作业施工阶段的套管变形情况,有利于分析预测井下套管的受力状态,为套变井的治理和修复提供指导,对保障油气资源长效开发具有积极现实意义。
2、井下套管变形无线监测器,其集套管扶正功能和套变检测功能为一体,套管扶正功能结构部分可有效降低降低扭矩和摩阻,提高套管旋转作业与上体下放施工效率,改善替浆效果和固井作业质量,套变检测功能结构部分能对井下套管柱进行多点检测,能提供较为全面的井下套变数据。
3、由于采用无线传输方式,整个监测系统的结构得到简化,功能可靠,可降低监测成本,并且可与现有井下信息无线传输系统共同使用,具有可移植的特点,
4、无需下入其它测井工具,避免了井下仪器遇阻、遇卡或掉落等问题,无需关井,检测流程独立而简单,不影响其它施工作业,降低了风险,保证了油气井的开采进度和生产效率。
综上所述,本发明提供的一种固井、压裂、生产过程套管变形无线监测系统,具有成本低、风险低、效率高、可靠性高、可移植性强的特点,能实时准确高效监测井下套管变形情况,可为井下套管异常变形频发问题提供有效的监测手段。
附图说明
图1为本发明的套管变形无线监测系统示意图;
图2本发明井下套管变形无线监测器的整体结构示意图;
图3本发明井下套管变形无线监测器的俯视图;
图4本发明的监测器本体内部结构示意图;
图5本发明的腔体装配空间封盖结构示意图;
图6本发明的环形感测应变片组(周向)示意图;
图7本发明的环形感测应变片组(轴向)示意图;
图8本发明的管变形无线监测系统工作流程图;
附图标记说明:1-井下套管变形无线监测器;2-传输信道;3-信号中继装置;4-地面接收系统;101-扶正筒本体;102导流槽-;103-扶正肋板;104-滚轴;105-减阻滚轮;106-环形感测应变片组;107-接线孔;108-腔体装配空间;109-封盖;110-信号检测与转换装置;111-信号发射装置;112-电池组;113-半环浅线槽;114-紧固螺钉。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下根据附图并列举实施例,对本发明做进一步详细说明。
如图1所示,本发明提供的一种固井、压裂、生产过程套管变形无线监测系统,由井下套管变形无线监测器1、传输信道2、信号中继装置3和地面接收系统4四个部分组成。
如图2至4所示,所述井下套管变形无线监测器1包括:监测器本体101、导流槽102、扶正肋板103、滚轴104、减阻滚轮105、环形感测应变片组106、接线孔107、腔体装配空间108、封盖109、信号检测与转换装置110、信号发射装置111和电池组112。
所述监测器本体101为中空,呈圆筒状,两端面为平面圆环形,所述监测器本体101内壁面中间部位镶嵌上下两条环形感测应变片组106,所述两条环形感测应变片组106间隔一定距离排列;
所述扶正肋板103沿轴向以一螺旋角度均匀分布在监测器本体101外侧圆周上,扶正肋板103的上下两端面与监测器本体101的两端面的结合部位以倒圆角圆滑过渡,扶正肋板103与监测器本体101结合而成为一体结构,因为螺旋角度的分布而在监测器本体101外侧圆周面形成具有一定深度的导流槽102;
在本实施方式中,导流槽102均匀分布在监测器本体101外圆周面上,固井过程中注入的水泥浆通过所述导流槽102时可形成一定程度的旋流,进而提高顶替效率,提高固井作业质量。
所述扶正肋板103上下端面倒圆角处开有嵌入槽,所述嵌入槽呈圆形,圆形嵌入槽开槽深度小于扶正肋板103和监测器本体101总径向厚度,所述圆形嵌入槽内部设有滚轴104,滚轴104为圆柱状钢条,滚轴104两端通过焊接方式固定在圆形嵌入槽内;
所述圆形嵌入槽内还设置有减阻滚轮105,所述减阻滚轮105开有圆形通孔,通过通孔套装在滚轴104上,减阻滚轮105轴向尺寸小于滚轴104轴向尺寸,并且减阻滚轮105与滚轴104装配方式为间隙配合,减阻滚轮105凸出于扶正肋板103外表面,即减阻滚轮105外表面径向尺寸大于扶正肋板103外圆面尺寸;
所述扶正肋板103本体上除了上下两个圆形嵌入槽外,还在中心部位开有矩形凹槽,矩形嵌入槽开槽深度小于扶正肋板103和监测器本体101总径向厚度,矩形凹槽作为腔体装配空间108;腔体装配空间108以封盖109密封,扶正肋板103的腔体装配空间108底部开有接线孔,接线孔贯穿扶正肋板103与监测器本体101;
所述接线孔107的作用为:作为两环形感测应变片组106和信号检测与转换装置110之间的信号线的连接通道,以及,作为装设电池组112的腔体装配空间108给其它腔体装配空间108内设装置供电的连接线通道。
所述腔体装配空间108分上下两个部分,上部腔体内部装设信号检测与转换装置110,下部腔体内部装设信号发射装置111;腔体装配空间108内部还装设电池组112。
在本实施方式中,监测器本体101总长度为500mm。
在本实施方式中,所述环形感测应变片组106由四块应变片组成,在所述监测器本体横截面上呈正交分布,即四块应变片分别镶嵌于监测器本体内壁横截面的0°、90°、180°、270°。
在本实施方式中,扶正肋板103分布的螺旋角度为75°。
在本实施方式中,扶正肋板103的螺旋分布方式为左旋,形成左旋导流槽。
在本实施方式中,扶正肋板103通过其支撑作用达到在固井过程中促使套管居中的目的,其数量为3块,扶正肋板103与监测器本体101间形成3个导流槽。
在本实施方式中,减阻滚轮105为钢球,由合金钢经热处理加工而成,减阻滚轮105凸出外表面所形成的外圆直径和套管内径或裸眼井径大致相同,在井下套管变形无线监测器1随套管在井下工作时,所述减阻滚轮105轴线与井眼轴线垂直,减阻滚轮105与井壁之间为点接触,可有效降低下入摩阻。
在本实施方式中,所述腔体装配空间108,其体积约占整个扶正肋板103体积的1/2,腔体装配空间108外部设有封盖109,所述腔体装配空间108在将信号检测与转换装置110、信号发射装置111、电池组112装配完毕后,封盖109以紧固螺钉114拧紧盖封,所述紧固螺钉上下各2颗,左右各3颗。
所述腔体装配空间108用封盖109盖封时,用矩形橡胶密封圈垫于封盖109之下,以加强腔体装配空间108的密封性,所述矩形橡胶密封圈尺寸与腔体内壁尺寸相近。
如图5所示,在本实施方式中,在所述腔体装配空间108四周,于扶正肋板103内部开有上下壁面各2个紧固螺钉内螺纹槽、左右壁面各3个紧固螺钉内螺纹槽。
在本实施方式中,在腔体装配空间108底部开设的接线孔107,其作用为:作为两环形感测应变片组106和信号检测与转换装置110之间的信号线的连接通道,以及,作为装设电池组112的腔体装配空间给其它腔体装配空间内设装置供电的连接线通道。
如图6所示,所述套管监测器本体101的内壁开有供所述环形感测应变片组106镶嵌的浅槽,以及供两个腔体装配空间供电线的半环浅线槽113,所述环形感测应变片组106通过紧固螺钉周向嵌于浅槽内,在井下套管变形无线监测器1在套管入井时紧紧贴紧于套管外壁圆周面上。
如图6和图7所示,在本实施方式中,所述环形感测应变片组106其中一组检测套管周向应变,对应可测量套管缩颈、挤扁等变形(图5),另一应环形感测变片组检测套管轴向应变,对应可测量套管拉伸或压缩、弯曲等变形(图6)。
所述环形感测应变片组106由压阻式应变片组成。
所述信号检测与转换装置110的作用为:检测和接收由环形感测变片组6测得的套管应变数据信号(包括周向和轴向应变数据),并将检测得到的应变数据信号转换为数字信号。
在本实施方式中,所述信号检测与转换装置110包括数据接收模块和数模转换模块。
信号发射装置111的作用为:把所述信号检测与转换装置110转换得到的数字信号调制转换为模拟信号,并将所述模拟信号激发出去,使包含套管应变信息的模拟信号沿井筒向上传输。
在本实施方式中,所述信号发射装置111包括单片机、信号放大器和功率放大器,其中单片机是信号处理中枢,信号放大器用于放大模拟信号,功率放大器用于将模拟信号发射出去。
在本实施方式中,所述模拟信号为电磁波信号。
所述电池组112封装于其一扶正肋板的腔体装配空间,通过监测器本体内壁开设的半环浅线槽113接线连接到另一扶正肋板的腔体装配空间,为信号检测与转换装置110、信号发射装置111提供电源。
在本实施方式中,所述电池组采用锂电池,可提供2~3个月的供电时间。
所述井下套管变形无线监测器的工作原理为:
将本发明提供的井下套管变形无线监测器1套装于套管上,启动电源开始工作,随套管下入井中进行固井作业,实现监测器和套管在井筒中的固定与就位,环形感测应变片组106检测套管变形情况,信号检测与转换装置110接收环形感测应变片组106传来的套管应变数据信号,并将其转换为数字信号,信号发射装置111把所述数字信号调制转换为模拟信号,并激发模拟信号沿井筒向上传输,地面系统接收模拟信号并处理得到井下套管变形多点检测情况,实时获取井下套管变形位置、变形程度、套变点数量以及套管受力状态等信息,进一步采取相应的防治措施。
上述实施方式阐明的装置或模块,可以由计算机芯片或实体实现,或者由具有某种功能的产品来实现。
所述传输信道2包括地层介质、套管以及井筒空间内的空气和油气水介质,作为将携带套管变形数据的电磁波信号从井下传输到地面的通道。
所述信号中继装置3包括机械部件、电源模块、信号接收模块和电路模块,其中所述的机械部件为放置各模块装置的舱体,整体呈圆筒状,套装在井下套管上;所述的电源模块为锂电池组,用于为信号接收模块和电路模块供电;所述的信号接收模块用于接收井下套管变形无线监测器1传来的数据信号;所述的电路模块为整个信号中继装置3的核心部件,电路模块主要包含信号处理中枢、信号放大器和功率放大器,其中信号处理中枢的主要以单片机实现信号处理和调制,信号放大器和功率放大器用于将信号放大和再激发。
所述信号中继装置3用于接收井下套管变形无线监测器1发送来的信号,并进行再调制和放大,实现信号的中继传输,为保证信号能远距离传输,可根据井深情况安装多个信号中继装置。
所述地面接收系统4包括:天线、信号接发电路、信号功放电路、工控机和人机交互模块,所述天线与所述信号接发电路连接,用于接收信号中继装置3传来的数据信号,作预处理后发送到信号功放电路;所述信号功放电路对传输而来的数据信号进行功率放大;所述工控机用于处理和解调由信号功放电路传送来的数据信号;所述人机交互模块用于显示井下套管变形信息。
在本实施方式中,所述地面接收系统4的天线与信号接发电路,天线采用偶极子式天线,承载信号接发电路的装置为金属柱状结构,一个安装在井口,一个埋入井场地下,都与天线和工控机连接。
在本实施方式中,所述调制采用调频、调幅和调相方式,包括对信号进行分割、随机化、前向纠错码、交织、映射、逆傅里叶变换等步骤,最终形成基带数字信号;相应地,所述解调可采用频率解调、幅度解调和相位解调等方式,包括时域均衡、同步校正、去时间保护间隔、解映射、解交织等步骤,最终获得井下信号。
在本实施方式中,所述井下套管变形无线监测器1,为实现对井下套管变形情况的多点监测,需要沿井筒在套管上间隔套装多个井下套管变形无线监测器1,由于信号中继装置3需要接收多个井下套管变形无线监测器1传来的信号,为防止多个井下套管变形无线监测器1之间的信号干扰,需要对多组信号规定传输协议,具体地,从井下套管变形无线监测器1传到信号中继装置3的信号采用码分复用的方式进行识别和传输。
通过所述码分复用的方式,码分多址系统为每个井下套管变形无线监测器1分配各自特定的地址码,利用公共信道来传输信息,每一个井下套管变形无线监测器1有自己的地址码,这个地址码用于区别每一个井下套管变形无线监测器1,地址码彼此之间互相独立的,互不影响,这样就避免了每各个井下套管变形无线监测器1之间的信号干扰。
在本实施方式中,若有双向传输的必要,即除了将信号从井下传输到地面外,若要从地面系统4发送指令信号到信号中继装置3,再到井下套管变形无线监测器1,为避免从井下到地面和从地面到井下的信号之间的相互干扰,两个方向的信号传输可采用时分复用或频分复用的方式进行识别和传输。
在本实施方式中,除了对套管进行多点变形监测外,为监测水平井段套管由于压裂地层剪切可能导致的错断和大弯曲变形,在所述井下套管变形无线监测器1上安装微型定位器,由此,将多个井下套管变形无线监测器1串装于井下套管上,即可组成套管测形序列,再在直井筒底端位置安装的信号中继装置3中安装对应的定位信息接收器,根据水平段各个井下套管变形无线监测器1相对于直井筒底端信号中继装置3的位置信息,便可计算出水平段套管在轴向上的形状信息,进一步判断套管大变形情况。
上述实施方式阐明的装置、模块或器件,可以由计算机芯片或实体实现,或者由具有某种功能的产品来实现。
如图8所示,在本实施方式中,一种固井、压裂、生产过程套管变形无线监测系统,其工作流程和原理为:
步骤1:对目标区块套变井进行统计分析,根据套管变形发生的点位分布特点和层段情况,在满足套管居中情况下,优选井下套管变形无线监测器1(井下套管变形无线监测器)布置位置和数量。
步骤2:将所述井下套管变形无线监测器1、信号中继装置3套装固定于套管上,打开电源让所述井下套管变形无线监测器1、信号中继装置3开始工作,并使地面接收系统4与之形成无线连接,之后随套管下入井中,进行固井作业,实现套管在井筒中的固定与就位,形成由井下套管变形无线监测器1、传输信道2、信号中继装置3和地面接收系统4四个部分组成的套管变形无线监测系统。
步骤3:最后进行射孔、压裂、试采、生产等作业,在套管下入井筒、水泥浆固井、射孔、压裂、生产等作业的施工过程中,所述套管变形无线监测系统一直处于工作状态中,所述井下套管变形无线监测器1对套管变形情况进行多点检测,并将套变数据信号激发出去沿传输信道2向上传输,信号中继装置3对套变数据信号进行放大和再传输,地面接收系统4接收套变数据信号,并通过计算机处理得到井下套管变形多点检测情况,实时准确获取井下套管变形位置、变形程度、套变点数量以及套管受力状态等信息,进一步采取相应的防治措施。
本发明提供的一种固井、压裂、生产过程套管变形无线监测系统,采用无线传输方式对信号进行从井下到地面的传输,无需下入其它测井工具,能够实时检测和监测套管上提下放、水泥浆固井、射孔、压裂、生产等作业施工阶段的套管变形情况,为井下套管异常变形频发问题提供了有效的监测手段,能提供较为全面的井下套变数据,降低了风险,保证了油气井的开采进度和生产效率,有利于分析预测井下套管的受力状态,为套变井的治理和修复提供指导,对保障油气资源长效开发具有积极现实意义。
本领域的普通技术人员将会意识到,这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法,应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合,这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种固井、压裂、生产过程套管变形无线监测系统,其特征在于:由井下套管变形无线监测器(1)、传输信道(2)、信号中继装置(3)和地面接收系统(4)四个部分组成;
所述传输信道(2)包括地层介质、套管以及井筒空间内的空气和油气水介质,作为将携带套管变形数据的电磁波信号从井下传输到地面的通道;
所述信号中继装置(3)包括机械部件、电源模块、信号接收模块和电路模块,其中所述的机械部件为放置各模块装置的舱体,整体呈圆筒状,套装在井下套管上;所述的电源模块为锂电池组,用于为信号接收模块和电路模块供电;所述的信号接收模块用于接收井下套管变形无线监测器(1)传来的数据信号;所述的电路模块为整个信号中继装置(3)的核心部件,电路模块主要包含信号处理中枢、信号放大器和功率放大器,其中信号处理中枢的主要以单片机实现信号处理和调制,信号放大器和功率放大器用于将信号放大和再激发;
所述信号中继装置(3)用于接收井下套管变形无线监测器(1)发送来的信号,并进行再调制和放大,实现信号的中继传输,为保证信号能远距离传输,可根据井深情况安装多个信号中继装置;
所述地面接收系统(4)包括:天线、信号接发电路、信号功放电路、工控机和人机交互模块,所述天线与所述信号接发电路连接,用于接收信号中继装置(3)传来的数据信号,作预处理后发送到信号功放电路;所述信号功放电路对传输而来的数据信号进行功率放大;所述工控机用于处理和解调由信号功放电路传送来的数据信号;所述人机交互模块用于显示井下套管变形信息;
所述井下套管变形无线监测器(1)包含两个功能:扶正功能和套变检测功能;
井下套管变形无线监测器(1)套装于套管上,启动电源开始工作,随套管下入井中进行固井作业,实现监测器和套管在井筒中的固定与就位,检测套管变形情况,接收的套管应变数据信号,并将其转换为数字信号,把所述数字信号调制转换为模拟信号,并激发模拟信号沿井筒向上传输给信号中继装置(3),通过信号中继装置(3)将信号传输给地面接收系统(4),地面接收系统(4)接收模拟信号并处理得到井下套管变形多点检测情况。
2.根据权利要求1所述的套管变形无线监测系统,其特征在于:套管变形无线监测系统的工作流程如下:
步骤1:对目标区块套变井进行统计分析,根据套管变形发生的点位分布特点和层段情况,在满足套管居中情况下,优选井下套管变形无线监测器(1)布置位置和数量;
步骤2:将所述井下套管变形无线监测器(1)、信号中继装置(3)套装固定于套管上,打开电源让井下套管变形无线监测器(1)和信号中继装置(3)开始工作,并使地面接收系统(4)与套管变形无线监测器(1)形成无线连接,之后随套管下入井中,进行固井作业,实现套管在井筒中的固定与就位,形成由井下套管变形无线监测器(1)、传输信道(2)、信号中继装置(3)和地面接收系统(4)四个部分组成的套管变形无线监测系统;
步骤3:最后进行射孔、压裂、试采、生产等作业,在套管下入井筒、水泥浆固井、射孔、压裂、生产等作业的施工过程中,套管变形无线监测系统一直处于工作状态中,所述井下套管变形无线监测器(1)对套管变形情况进行多点检测,并将套变数据信号激发出去沿传输信道(2)向上传输,信号中继装置(3)对套变数据信号进行放大和再传输,地面接收系统(4)接收套变数据信号,并通过计算机处理得到井下套管变形多点检测情况,实时准确获取井下套管变形位置、变形程度、套变点数量以及套管受力状态信息。
3.根据权利要求2所述的套管变形无线监测系统,其特征在于:为实现对井下套管变形情况的多点监测,需要沿井筒在套管上间隔套装多个井下套管变形无线监测器(1),由于信号中继装置(3)需要接收多个井下套管变形无线监测器(1)传来的信号,为防止多个井下套管变形无线监测器(1)之间的信号干扰,需要对多组信号规定传输协议,具体地,从井下套管变形无线监测器(1)传到信号中继装置(3)的信号采用码分复用的方式进行识别和传输;
通过码分复用的方式,码分多址系统为每个井下套管变形无线监测器(1)分配各自特定的地址码,利用公共信道来传输信息,每一个井下套管变形无线监测器(1)有自己的地址码,这个地址码用于区别每一个井下套管变形无线监测器(1),地址码彼此之间互相独立的,互不影响,这样就避免了每各个井下套管变形无线监测器(1)之间的信号干扰。
4.根据权利要求1所述的套管变形无线监测系统,其特征在于:所述地面接收系统(4)的天线与信号接发电路,天线采用偶极子式天线,承载信号接发电路的装置为金属柱状结构,一个安装在井口,一个埋入井场地下,都与天线和工控机连接;
所述地面接收系统(4)的调制采用调频、调幅和调相方式,包括对信号进行分割、随机化、前向纠错码、交织、映射、逆傅里叶变换,最终形成基带数字信号;相应地,所述地面接收系统(4)的解调采用频率解调、幅度解调和相位解调方式,包括时域均衡、同步校正、去时间保护间隔、解映射、解交织等步骤,最终获得井下信号。
5.根据权利要求4所述的套管变形无线监测系统,其特征在于:若有双向传输的必要,即除了将信号从井下传输到地面外,若要从地面系统(4)发送指令信号到信号中继装置(3),再到井下套管变形无线监测器(1),为避免从井下到地面和从地面到井下的信号之间的相互干扰,两个方向的信号传输可采用时分复用或频分复用的方式进行识别和传输。
6.根据权利要求1所述的套管变形无线监测系统,其特征在于:除了对套管进行多点变形监测外,为监测水平井段套管由于压裂地层剪切可能导致的错断和大弯曲变形,在所述井下套管变形无线监测器(1)上安装微型定位器,由此,将多个井下套管变形无线监测器(1)串装于井下套管上,即可组成套管测形序列,再在直井筒底端位置安装的信号中继装置(3)中安装对应的定位信息接收器,根据水平段各个井下套管变形无线监测器(1)相对于直井筒底端信号中继装置(3)的位置信息,便可计算出水平段套管在轴向上的形状信息,进一步判断套管大变形情况。
7.根据权利要求1所述的套管变形无线监测系统,其特征在于:所述井下套管变形无线监测器(1)包括:监测器本体(101)、导流槽(102)、扶正肋板(103)、滚轴(104)、减阻滚轮(105)、环形感测应变片组(106)、接线孔(107)、腔体装配空间(108)、封盖(109)、信号检测与转换装置(110)、信号发射装置(111)和电池组(112);
所述监测器本体(101)为中空,呈圆筒状,两端面为平面圆环形,所述监测器本体(101)内壁面中间部位镶嵌上下两条环形感测应变片组(106),所述两条环形感测应变片组(106)间隔一定距离排列;
所述扶正肋板(103)沿轴向以一螺旋角度均匀分布在监测器本体(101)外侧圆周上,扶正肋板(103)的上下两端面与监测器本体(101)的两端面的结合部位以倒圆角圆滑过渡,扶正肋板(103)与监测器本体(101)结合而成为一体结构,因为螺旋角度的分布而在监测器本体(101)外侧圆周面形成具有一定深度的导流槽(102);
导流槽(102)均匀分布在监测器本体(101)外圆周面上,固井过程中注入的水泥浆通过所述导流槽(102)时可形成一定程度的旋流,进而提高顶替效率,提高固井作业质量;
所述扶正肋板(103)上下端面倒圆角处开有嵌入槽,所述嵌入槽呈圆形,圆形嵌入槽开槽深度小于扶正肋板(103)和监测器本体(101)总径向厚度,所述圆形嵌入槽内部设有滚轴(104),滚轴(104)为圆柱状钢条,滚轴(104)两端通过焊接方式固定在圆形嵌入槽内;
所述圆形嵌入槽内还设置有减阻滚轮(105),所述减阻滚轮(105)开有圆形通孔,通过通孔套装在滚轴(104)上,减阻滚轮(105)轴向尺寸小于滚轴(104)轴向尺寸,并且减阻滚轮(105)与滚轴(104)装配方式为间隙配合,减阻滚轮(105)凸出于扶正肋板(103)外表面,即减阻滚轮(105)外表面径向尺寸大于扶正肋板(103)外圆面尺寸;
所述扶正肋板(103)本体上除了上下两个圆形嵌入槽外,还在中心部位开有矩形凹槽,矩形嵌入槽开槽深度小于扶正肋板(103)和监测器本体(101)总径向厚度,矩形凹槽作为腔体装配空间(108);腔体装配空间(108)以封盖(109)密封,扶正肋板(103)的腔体装配空间(108)底部开有接线孔(107),接线孔(107)贯穿扶正肋板(103)与监测器本体(101);
所述腔体装配空间(108)分上下两个部分,上部腔体内部装设信号检测与转换装置(110),下部腔体内部装设信号发射装置(111);腔体装配空间(108)内部还装设电池组(112);
腔体装配空间(108)外部设有封盖(109),所述腔体装配空间(108)在将信号检测与转换装置(110)、信号发射装置(111)、电池组(112)装配完毕后,封盖(109)以紧固螺钉(114)拧紧盖封;
所述接线孔(107)的作用为:作为两环形感测应变片组(106)和信号检测与转换装置(110)之间的信号线的连接通道,以及,作为装设电池组(112)的腔体装配空间(108)给其它腔体装配空间(108)内设装置供电的连接线通道;
所述信号检测与转换装置(110)包括数据接收模块和数模转换模块;
信号检测与转换装置(110)的作用为:检测和接收由环形感测变片组(6)测得的套管应变数据信号,包括周向和轴向应变数据,并将检测得到的应变数据信号转换为数字信号;
所述信号发射装置(111)包括单片机、信号放大器和功率放大器,其中单片机是信号处理中枢,信号放大器用于放大模拟信号,功率放大器用于将模拟信号发射出去;
信号发射装置(111)的作用为:把所述信号检测与转换装置(110)转换得到的数字信号调制转换为模拟信号,并将所述模拟信号激发出去,使包含套管应变信息的模拟信号沿井筒向上传输;
所述套管监测器本体(101)的内壁开有供所述环形感测应变片组(106)镶嵌的浅槽,以及供两个腔体装配空间供电线的半环浅线槽(113),所述环形感测应变片组(106)通过紧固螺钉周向嵌于浅槽内,在井下套管变形无线监测器(1)在套管入井时紧紧贴紧于套管外壁圆周面上;
所述电池组(112)封装于其一扶正肋板的腔体装配空间,通过监测器本体内壁开设的半环浅线槽(113)接线连接到另一扶正肋板的腔体装配空间,为信号检测与转换装置(110)、信号发射装置(111)提供电源;
所述环形感测应变片组(106)由四块应变片组成,在所述监测器本体横截面上呈正交分布,即四块应变片分别镶嵌于监测器本体内壁横截面的0°、90°、180°和270°;
环形感测应变片组(106)其中一组检测套管周向应变,对应可测量套管缩颈、挤扁等变形,另一应环形感测变片组检测套管轴向应变,对应可测量套管拉伸或压缩、弯曲变形;环形感测应变片组(106)由压阻式应变片组成。
8.根据权利要求7所述的套管变形无线监测系统,其特征在于:扶正肋板(103)分布的螺旋角度为75°;扶正肋板(103)的螺旋分布方式为左旋,形成左旋导流槽;扶正肋板(103)通过其支撑作用达到在固井过程中促使套管居中的目的,其数量为(3)块,扶正肋板(103)与监测器本体(101)间形成3个导流槽。
9.根据权利要求7所述的套管变形无线监测系统,其特征在于:减阻滚轮(105)为钢球,由合金钢经热处理加工而成,减阻滚轮(105)凸出外表面所形成的外圆直径和套管内径或裸眼井径大致相同,在井下套管变形无线监测器(1)随套管在井下工作时,所述减阻滚轮(105)轴线与井眼轴线垂直,减阻滚轮(105)与井壁之间为点接触,可有效降低下入摩阻。
10.根据权利要求7所述的套管变形无线监测系统,其特征在于:所述腔体装配空间(108)用封盖(109)盖封时,用矩形橡胶密封圈垫于封盖(109)之下,以加强腔体装配空间(108)的密封性,所述矩形橡胶密封圈尺寸与腔体内壁尺寸相近。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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