CN115217449B - 一种油气井用无线电磁波多级点火系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种油气井用无线电磁波多级点火系统和方法，包括地面控制系统和井下设备串，所述地面控制系统用于发送无线电磁波；所述无线电磁波包括点火指令；所述井下设备串用于接收所述地面控制系统发送的多个无线电磁波，并基于多个点火指令实现多级点火；所述井下设备串包括多套井下设备和定位设备；所述井下设备可以接收所述无线电磁波，并基于所述点火指令进行点火，以完成一次射孔作业；所述定位设备用于定位所述井下设备串；使得可远距离控制多个井下设备，实现可识别，多级点火，提高了智能化水平。

Description

一种油气井用无线电磁波多级点火系统和方法

技术领域

本发明涉及油管输送射孔技术领域，具体而言，涉及一种油气井用无线电磁波多级点火系统和方法。

背景技术

射孔技术按输送方式分为电缆输送射孔和油管输送射孔。电缆输送工艺射孔在大斜度井、水平井一般采用电缆泵送下入工艺，需要电缆车和高压泵车车组。地面设备昂贵，输送能力弱，射孔段较短；油管输送工艺射孔技术常采用井口投棒撞击或井口加压的方式点火。投棒撞击点火：在大斜度井、水平井不能投棒，不易实现多级射孔；加压点火：需要泵车地面设备昂贵，已射孔的老井补孔时，地层与套管沟通，不能环空加压，不易实现多级射孔。

有鉴于此，本申请提供了一种油气井用无线电磁波多级点火系统和方法，以实现多级射孔。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油气井用无线电磁波多级点火系统，包括地面控制系统和井下设备串，所述地面控制系统用于发送无线电磁波；所述无线电磁波包括点火指令；所述井下设备串用于接收所述地面控制系统发送的多个无线电磁波，并基于多个点火指令实现多级点火；所述井下设备串包括多套井下设备和定位设备；所述井下设备可以接收所述无线电磁波，并基于所述点火指令进行点火，以完成一次射孔作业；所述定位设备用于定位所述井下设备串。

进一步，所述井下设备包括接收天线、控制及点火短节、电池短节和射孔枪；所述接收天线用于接收所述无线电磁波；所述控制及点火短节包括电磁波信号接收模块、升压点火模块、电源模块和电雷管；所述电磁波信号接收模块用于解码所述无线电磁波，得到解码后的点火指令；所述升压点火模块用于判断所述解码后的点火指令是否为该井下设备的点火指令；若是，则引爆电雷管；所述电源模块用于为所述电磁波信号接收模块和所述升压点火模块供电；所述电雷管用于被引爆，以激发所述射孔枪完成一次射孔作业；所述电池短节用于为所述电源模块供电。

进一步，在引爆电雷管之前，所述控制及点火短节还用于判断井下的环境是否符合点火条件，若是，再引爆电雷管；所述控制及点火短节还包括压力传感器和温度传感器；所述压力传感器用于获取井下的环境的压力；所述温度传感器用于获取井下的环境的温度。

进一步，所述升压点火模块至少包括MCU电路、高频开关电路、隔离变压器和储能电容；所述MCU电路用于控制所述高频开关电路的通断；所述高频开关电路用于控制所述电源模块对所述储能电容充电；所述隔离变压器用于隔离所述电池短节和所述电雷管；所述储能电容用于引爆所述电雷管。

进一步，所述井下设备和所述定位设备沿油管的轴向设置，所述油管用于将所述井下设备串送入套管。

进一步，所述地面控制系统包括上位机、控制箱和发射天线；所述上位机用于输入点火指令，并将所述点火指令发送给所述控制箱；所述控制箱用于对所述点火指令进行编码和功率放大，得到无线电磁波信号；所述发射天线用于发射所述无线电磁波信号；所述控制箱还用于获取地层电阻的阻值；所述地层电阻为所述发射天线两端形成的电阻，所述发射天线从控制箱引出，一个信号发送端连接所述油管，另一个信号发送端接地；所述上位机还基于所述地层电阻调节所述控制箱的输出功率。

进一步，所述定位设备设置在多套井下设备的下方，用于使所述井下设备在套管内居中；所述定位设备的周面设置有弹簧片，所述弹簧片形成的外周面与所述套管的内周面相接触。

本发明的目的在于提供一种油气井用无线电磁波多级点火方法，包括，连接多套井下设备形成井下设备串，通过油管将所述井下设备串送至第一目标深度；所述第一目标深度为套管内需要进行射孔作业的深度；地面控制系统发射无线电磁波，所述无线电磁波包括点火指令；第一井下设备接收所述无线电磁波，并判断所述点火指令是否为第一点火指令；所述第一井下设备为在所述第一目标深度上的井下设备；所述第一点火指令为指示在所述第一目标深度进行射孔作业的指令；若是，则判断所述第一目标深度的环境是否满足点火条件；若满足，则在第一目标深度上进行射孔作业；将井下设备串调整至第二目标深度，重复上述步骤，直到完成所有目标深度的射孔作业。

进一步，所述井下设备串上设置有定位设备，所述定位设备的周面设置有弹簧片；所述连接多套井下设备形成井下设备串，包括，调整所述定位设备的弹簧片，使弹簧片形成的外周面与所述套管的内周面相接触。

进一步，所述地面控制系统包括控制箱和发射天线，在所述地面控制系统发射无线电磁波之前，还包括，发送测试指令，测试地层电阻的阻值，并基于所述地层电阻调节所述控制箱的输出功率；所述地层电阻为所述发射天线两端形成的电阻，所述发射天线从控制箱引出，一个信号发送端连接所述油管，另一个信号发送端接地。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

通过无线电磁波传输点火指令的技术，可远距离控制多个井下设备，实现可识别，多级点火。点火方式创新，智能化水平高。

通过使用无线电磁波的传输方式，使得地面控制系统简单不需要电缆车和高压泵车车组等特种车辆，且可用于在大斜度井、水平井和老井补孔等各种井况，应用范围广，节约作业成本、作业效率高。

通过隔离变压器可以实现电池短节电压与电雷管的完全隔离，并结合压力传感器和温度传感器采集到的井下实时数据辅助判断点火条件是否成立，在点火条件成立后启动升压点电路输出大电流引爆电雷管，降低误爆率，安全可控。

附图说明

图1为本发明一些实施例提供的一种油气井用无线电磁波多级点火系统的示例性示意图；

图2为本发明一些实施例提供的井下设备的示例性示意图；

图3为本发明一些实施例提供的井下设备的电路的示例性结构图；

图4为本发明一些实施例提供的一种油气井用无线电磁波多级点火方法的示例性流程图；

图标：110-上位机、120-控制箱、130-发射天线、130-1-发射天线的一个信号发送端、130-2-发射天线的另一个信号发送端、140-油管、150-套管、160-第三井下设备、170-第二井下设备、180-第一井下设备、190-定位设备、210-电池短节、220-控制及点火短节、230-接收天线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

图1为本发明一些实施例提供的一种油气井用无线电磁波多级点火系统的示例性示意图。

如图1所示，系统100包括地面控制系统和井下设备串。

地面控制系统用于发送无线电磁波，其中，无线电磁波包括点火指令。

在一些实施例中，地面控制系统包括上位机110、控制箱120和发射天线130。

上位机110可以用于输入点火指令，并将点火指令发送给控制箱120。例如，用户可以通过上位机向控制箱输入点火指令，并指示控制箱发送点火指令。

控制箱120可以用于对点火指令进行编码和功率放大，得到无线电磁波信号。

在一些实施例中，控制箱120包括MCU模块、串口通信、数模转换器、功率放大器和电源模块。电源模块可以将220V交流电压转换为地面控制系统中各模块的工作电压。串口通信电路用于控制箱与上位机通信。MCU模块用于接收上位机发送的点火指令，并采用FSK调制算法，将点火指令编码，并将编码后的点火指令依次通过数模转换器和功率放大器，并将经过编码和功率放大的点火指令输送至地面发射系统。

发射天线130用于发射无线电磁波信号。例如，发射天线可以将经过编码和功率放大后的点火指令以电磁波的形式发射出去。

发射天线130从控制箱引出，发射天线的一个信号发送端130-1连接井口的金属油管，另一个信号发送端130-2通过接地桩接地，以形成用于井上电磁波信号发射的地面发射系统。

在一些实施例中，控制箱120还用于获取地层电阻的阻值，其中，地层电阻可以为发射天线两端形成的电阻。例如，金属油管、井下设备串和地面之间形成的电阻。上位机还用于基于地层电阻调节控制箱的输出功率。例如，上位机向控制箱发送测试指令，以测试地层电阻的阻值，并根据地层电阻的阻值确定输出模块的输出电压或电流，以保证控制箱的输出功率大于500W。

井下设备串用于接收地面控制系统发送的多个无线电磁波，并基于多个点火指令实现多级点火。其中，多级点火可以是指通过多套井下设备对多个目标深度进行射孔作业。目标深度为套管中需要进行射孔作业的一个或多个深度。

井下设备串包括多套井下设备和定位设备190。例如，多套井下设备可以包括第一井下设备180、第二井下设备170和第三井下设备160。

井下设备可以接收无线电磁波，并基于点火指令进行点火，以完成一次射孔作业。通过地面控制系统多次向不同井下设备发送无线电磁波，可以实现对不同目标深度的多次射孔作业，以形成多级射孔作业。关于井下设备的更多内容，参见图2和图3。

定位设备190用于定位井下设备串。在一些实施例中，井下设备和定位设备沿油管的轴向设置，油管用于将井下设备串送入套管。

在一些实施例中，可以将多套井下设备沿油管的轴向设置，以形成井下设备串。当要进行射孔作业时，可以将油管放入套管内，油管下入套管的端面可以被认为是油管的下端。套管可以为用于支撑油井井壁的钢管。例如，石油套管。

在一些实施例中，定位设备190设置在多套井下设备的下方，用于使所井下设备在套管内居中。具体的，多套井下设备和定位设备串接形成井下设备串，定位设备的周面设置有弹簧片，弹簧片形成的外周面与套管的内周面相接触，以确保定位设备的弹簧片与套管的内壁紧密贴合，良好导电。

图2为本发明一些实施例提供的井下设备的示例性示意图。

如图2所示，示意的井下设备200的结构可以包括接收天线230、控制及点火短节220、电池短节210和射孔枪。接收天线230用于接收地面控制系统发出的无线电磁波。控制及点火短节220用于将接收天线接收的无线电磁波解码为点火指令，并基于点火指令进行点火。电池短节210用于为控制及点火短节供电。射孔枪用于执行射孔作业。关于控制及点火短节的更多内容，参见图3。

图3为本发明一些实施例提供的井下设备的电路的示例性结构图。

如图3所示，示例的井下设备的电路300包括接收天线、控制及点火短节和电池短节。其中，控制及点火短节包括电磁波信号接收模块、升压点火模块、电源模块和电雷管。

电池波信号接收模块用于处理无线电磁波，得到解码后的点火指令。在一些实施例中，电磁信波信号接收模块包括前置低噪声放大器、第二级放大器、多级有源带通滤波器、模数转换器和FPGA信号处理模块。前置低噪声放大器和第二级放大电路对接收信号进行多级放大。多级有源带通滤波器对信号进行滤波处理。模数转换器将模拟信号转换为数字信号，连接至FPGA信号处理模块。

升压点火模块用于判断点火指令是否为该井下设备的点火指令；若是，则引爆电雷管。

在一些实施例中，升压点火模块包括MCU电路、高频开关电路、隔离变压器、储能电容和存储单元。MCU电路用于控制高频开关电路的通断。高频开关电路用于控制电源模块对储能电容充电。隔离变压器用于隔离电池短节和电雷管。储能电容用于引爆电雷管。存储单元用于存储点火信息和井下温度压力值。例如，MCU电路通过产生PWM波，控制高频开关电路。当点火指令为该井下设备的点火指令时，将高频开关电路设置到开的状态，将电池电压经隔离变压器升压至目标值，对储能电容充电，使得储能电容输出大电流引爆电雷管，进而引燃导爆索，激活射孔枪中的射孔弹，以实现射孔作业。

本说明书中的一些实施例，通过加入隔离变压器，隔离电池电压和电雷管，提高了系统的安全性。

控制及点火短节中的电源模块用于为电磁波信号接收模块和升压点火模块供直流工作电压。

点火后电雷管被引爆，以激发射孔枪完成一次射孔作业。

在一些实施例中，在引爆电雷管之前，控制及点火短节还用于判断井下的环境是否符合点火条件，若是，再引爆电雷管。控制及点火短节还包括压力传感器和温度传感器。压力传感器用于获取井下的环境的压力。温度传感器用于获取井下的环境的温度。例如，控制及点火短节可以获取目标深度的压力和温度，并基于压力和温度，确定该目标深度的环境是否符合点火条件。

本说明书中的一些实施例通过判断井下环境是否符合点火条件，并在符合点火条件的情况下进行点火指令，降低了系统的误爆率。

图4为本发明一些实施例提供的一种油气井用无线电磁波多级点火方法的示例性流程图。如图4所示，流程400包括以下步骤：

步骤410，连接多套井下设备形成井下设备串，通过油管将井下设备串送至第一目标深度。

第一目标深度可以为套管内需要进行射孔作业的深度。例如，第一目标深度可以为海拔-100m的位置，因此，可以将第一套井下设备下入套管中海拔-100m的位置。

步骤420，地面控制系统发射无线电磁波，无线电磁波包括点火指令。

在一些实施例中，地面控制系统可以接收点火指令，并将点火指令编码后，以无线电磁波的形式发射出去。

步骤430，第一井下设备接收无线电磁波，并判断点火指令是否为第一点火指令。

第一井下设备可以为在第一目标深度上的井下设备。例如，第一目标深度可以为海拔-100m，可以将在海拔-100m处的井下设备确定为第一井下设备。第一点火指令为指示在第一目标深度进行射孔作业的指令。例如，第一点火指令可以为指示第一井下设备进行点火的指令。

在一些实施例中，井下设备中设置有升压点火模块，升压点火模块可以识别点火指令是否为对应井下设备的点火指令。

步骤440，若是，则判断第一目标深度的环境是否满足点火条件。

点火条件可以包括井下的温度和压力。例如，第一目标深度处的环境温度和环境压力。温度和压力可以分别通过温度传感器和压力传感器获取。

在一些实施例中，升压点火模块可以从温度传感器和压力传感器获取需要进行射孔作业的井下深度的温度和压力，并判断温度和压力是否符合预设温度和预设压力，若是，则确定第一目标深度的作业环境满足点火条件。

步骤450，若满足，则在第一目标深度上进行射孔作业。若不满足，则不进行射孔作业，等待接收地面控制系统下一次发射的无线电磁波信号。

在一些实施例中，升压点火模块可以通过输出大电流引爆电雷管，进而引爆导爆索激发射孔弹，完成射孔作业。

步骤460，将井下设备串调整到第二目标深度，重复上述步骤，直到完成所有目标深度的射孔作业。第二目标深度可以为不同与第一目标深度的需要进行射孔作业的井下深度。例如，第二目标深度可以高于第一目标深度，进行第二射孔作业时，可以上提油管管柱到第二目标深度。目标深度可以为预先确定的需要进行射孔作业的深度。

在一些实施例中，井下设备串上设置有定位设备，定位设备的周面设置有弹簧片。连接多套井下设备形成井下设备串，包括，调整定位设备的弹簧片，使弹簧片形成的外周面与套管的内周面相接触。

在一些实施例中，地面控制系统包括控制箱和发射天线，在地面控制系统发射无线电磁波之前，还包括，发送测试指令，测试地层电阻的阻值，并基于地层电阻调节控制箱的输出功率；地层电阻为发射天线两端形成的电阻，发射天线从控制箱引出，一个信号发送端连接油管，另一个信号发送端接地。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种油气井用无线电磁波多级点火系统，其特征在于，包括地面控制系统和井下设备串，

所述地面控制系统用于发送无线电磁波；所述无线电磁波包括点火指令；

所述井下设备串用于接收所述地面控制系统发送的多个无线电磁波，并基于多个点火指令实现多级点火；

所述井下设备串包括多套井下设备和定位设备；所述定位设备的周面设置有弹簧片，所述弹簧片形成的外周面与套管的内周面相接触；所述井下设备包括接收天线、控制及点火短节、电池短节和射孔枪；所述接收天线用于接收所述无线电磁波；所述控制及点火短节包括电磁波信号接收模块、升压点火模块、电源模块和电雷管；所述电磁波信号接收模块用于解码所述无线电磁波，得到解码后的点火指令；所述升压点火模块用于判断所述解码后的点火指令是否为该井下设备的点火指令；若是，则引爆所述电雷管；所述电源模块用于为所述电磁波信号接收模块和所述升压点火模块供电；所述电雷管用于被引爆，以激发所述射孔枪完成一次射孔作业；所述电池短节用于为所述电源模块供电；

所述井下设备可以接收所述无线电磁波，并基于点火指令进行点火，以完成一次射孔作业；

所述定位设备用于定位所述井下设备串；

所述井下设备和所述定位设备沿油管的轴向设置，所述油管用于将所述井下设备串送入套管；所述地面控制系统包括上位机、控制箱和发射天线；

所述上位机用于输入点火指令，并将所述点火指令发送给所述控制箱；

所述控制箱用于对所述点火指令进行编码和功率放大，得到无线电磁波信号；

所述发射天线用于发射所述无线电磁波信号；

所述控制箱还用于获取地层电阻的阻值；所述地层电阻为所述发射天线两端形成的电阻，所述发射天线从控制箱引出，一个信号发送端连接所述油管，另一个信号发送端接地；

所述上位机还基于所述地层电阻调节所述控制箱的输出功率。

2.根据权利要求1所述的油气井用无线电磁波多级点火系统，其特征在于，在引爆电雷管之前，所述控制及点火短节还用于判断井下的环境是否符合点火条件，若是，再引爆电雷管；

所述控制及点火短节还包括压力传感器和温度传感器；

所述压力传感器用于获取井下的环境的压力；

所述温度传感器用于获取井下的环境的温度。

3.根据权利要求1所述的油气井用无线电磁波多级点火系统，其特征在于，所述升压点火模块至少包括MCU电路、高频开关电路、隔离变压器和储能电容；

所述MCU电路用于控制所述高频开关电路的通断；

所述高频开关电路用于控制所述电源模块对所述储能电容充电；

所述隔离变压器用于隔离所述电池短节和所述电雷管；

所述储能电容用于引爆所述电雷管。

4.根据权利要求1所述的油气井用无线电磁波多级点火系统，其特征在于，所述定位设备设置在多套井下设备的下方，用于使所述井下设备在套管内居中。

5.一种油气井用无线电磁波多级点火方法，其特征在于，包括，

连接多套井下设备形成井下设备串，通过油管将所述井下设备串送至第一目标深度；所述第一目标深度为套管内需要进行射孔作业的深度；所述井下设备串上设置有定位设备，所述定位设备的周面设置有弹簧片；所述连接多套井下设备形成井下设备串，包括，调整所述定位设备的弹簧片，使弹簧片形成的外周面与所述套管的内周面相接触；

所述井下设备包括接收天线、控制及点火短节、电池短节和射孔枪；所述接收天线用于接收所述无线电磁波；所述控制及点火短节包括电磁波信号接收模块、升压点火模块、电源模块和电雷管；所述电磁波信号接收模块用于解码所述无线电磁波，得到解码后的点火指令；所述升压点火模块用于判断所述解码后的点火指令是否为该井下设备的点火指令；若是，则引爆所述电雷管；所述电源模块用于为所述电磁波信号接收模块和所述升压点火模块供电；所述电雷管用于被引爆，以激发所述射孔枪完成一次射孔作业；所述电池短节用于为所述电源模块供电；

地面控制系统发射无线电磁波，所述无线电磁波包括点火指令；所述地面控制系统包括控制箱和发射天线，在所述地面控制系统发射无线电磁波之前，还包括，发送测试指令，测试地层电阻的阻值，并基于所述地层电阻调节所述控制箱的输出功率；所述地层电阻为所述发射天线两端形成的电阻，所述发射天线从所述控制箱引出，一个信号发送端连接所述油管，另一个信号发送端接地；

第一井下设备接收所述无线电磁波，并判断所述点火指令是否为第一点火指令；所述第一井下设备为在所述第一目标深度上的井下设备；所述第一点火指令为指示在所述第一目标深度进行射孔作业的指令；

若是，则判断所述第一目标深度的环境是否满足点火条件；

若满足，则在第一目标深度上进行射孔作业；

将井下设备串调整至第二目标深度，重复上述步骤，直到完成所有目标深度的射孔作业。