CN115653573A - 一种基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置与方法 - Google Patents
一种基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置与方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于分析及测量控制技术领域，涉及一种基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置与方法。所述装置包括电缆、地面控制中心和工作区；工作区包括供电区、信号监测区和信号采集加工区；工作区与技术套管短节呈一体化安装；电缆分别与地面控制中心和工作区连接。本发明将钻井过程中传统的随钻信息测量变成了固定监测点的套管信息测量，减小了井内管柱运动对监测信号的影响，有助于提升监测信号的信噪比；降低了监测信号解释的难度，提高了数据解释时效性。本发明钻井过程可用于气侵监测，完井生产过程中可用于井筒密封监测，一次安装实现生产井全周期监测。
Description
技术领域
本发明属于分析及测量控制技术领域，具体涉及一种基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置与方法。
背景技术
在钻井工程领域，当地层孔隙压力与井筒压力失衡，地层气容易侵入到井筒中，发生气侵现象，地层气沿着井筒上升膨胀，在井口发生爆炸或井喷，造成财产的损失和人员的伤亡。在完井生产过程中，固井质量和套管强度不足是导致井筒内密封性失效的直接原因，当发生井筒密封完整性失效，会引起环空带压或气、水窜，油气井的工作寿命大幅减少。监测气侵的发生和保证井筒密封完整性安全，有利于实现油气钻采的高效益化、低风险化发展。
钻井工程中和完井生产过程中，为了顺利进行井下气侵和井筒密封完整性监测，井下信息传输是重要的一部分。目前井下信息传输方式一般分为两大类：有线传输和无线传输。有线传输方式，传输数据速度快，精度高，成本高，受井眼环境限制，安装实现困难；无线传输方式，操作简单，信号容易受到地层性质及井下噪音影响，信号精度低。钻井过程中，井下气侵监测方法具有一定的时效性，现阶段的井下气侵监测设备均为随钻测量，信号精度受到钻柱震动影响较大。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置与方法，所述装置井下信息传输快、精度高，同时适用于钻井和完井生产过程的井下信息定点监测，不仅有利于提高钻井和生产过程中井下信息传输的可靠性、时效性，而且能保证钻井和生产过程中的安全性和高效性。
本发明所述的基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置，包括电缆、地面控制中心和工作区；所述的工作区包括供电区、信号监测区和信号采集加工区；所述的工作区与技术套管短节呈一体化安装；所述的电缆分别与地面控制中心和工作区连接。
技术套管短节的外壁上开设有槽，所述工作区设置在槽内，槽上设有密封盖。
所述的供电区包括电源，其功能为储存电缆传输的电能和为不同工作区供电。
所述的信号监测区包括弹性波激发器组和弹性波接收器组，主要功能是让不同频段的弹性波信号在不同的作业过程中向井筒内外传播，形成连续的动态响应信号。
弹性波激发器组分为弹性波激发器组I和弹性波激发器组II；弹性波接收器组分为弹性波接收器组I和弹性波接收器组II；
弹性波激发器组II、弹性波激发器组I、弹性波接收器组I、弹性波接收器组II依次分布在技术套管短节不同高度的平面上，按照由技术套管短节底部到顶部高度顺序排列。
弹性波激发器组I包括四个沿同一平面均匀分布的弹性波激发器I；弹性波激发器组II包括四个沿同一平面均匀分布的弹性波激发器II；弹性波激发器I与弹性波激发器II相隔45°错位分布；
弹性波接收器组I包括四个沿同一平面均匀分布的弹性波接收器I；弹性波接收器组II包括四个沿同一平面均匀分布的弹性波接收器II；弹性波接收器I与弹性波接收器II相隔45°错位分布。
弹性波激发器I和弹性波接收器I负责完井生产过程中井筒外103~104Hz弹性波信号的传播，靠近技术套管短节外壁，用于井筒密封性监测使用；弹性波激发器II和弹性波接收器II负责钻井过程中井筒内~102Hz弹性波信号的传播，靠近技术套管短节内壁，用于气侵监测使用。本发明采用共同监测目的是为了达到井下信号识别的可靠性和稳定性。
所述信号采集加工区包括信号采集加工装置和插孔；信号采集加工装置负责弹性波接收传感器传递的信号的采集处理。
所述电缆呈短圆弧形与技术套管短节配合，紧贴技术套管短节外壁，负责井下基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置的电能供应与井下数据传递，安装在技术套管短节外壁与裸眼井壁之间。电缆上连接有插头或接线头；插头与插孔配合。
本发明所述的电缆有以下作用：（1）电缆与技术套管短节配合：电缆设有的插头与技术套管短节上的插孔连通，通过技术套管短节中内置导线为各个工作区供电和数据传输。若同一开次安装多个套管内外双向井下监测装置，插孔与电缆上的插头连接后，电缆继续沿着技术套管短节外壁，向更深层处的套管内外双向监测装置安装位置处延伸，实现同一开次的多组套管内外双向井下监测装置的电缆与插孔的连接。（2）电缆与每段技术套管的配合：固井下技术套管时，套管被分段下入油气井中，电缆根据每段套管长度分成不同的节数，每下一段套管，每节电缆完成一次连接。除了与技术套管短节的连接的电缆设置插头，其余每节电缆两端分别设有接线头，固井过程中每下一段套管，电缆伴随完成一次接线，实现长距离通电。
本发明所述的一种基于弹性波信号的套管内外双向井下监测方法是基于本发明所述的装置实现的。具体过程为：基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置与技术套管短节一体化→井下电路连接→气侵和/或井筒密封完整性监测→井下信号有线传输→井口信息识别。
气侵和井筒密封完整性监测原理：在钻井过程中，低频弹性波信号（~102Hz）向井筒内传播，井筒内流体为传播介质，低频弹性波遇到气泡后传播速度大幅降低，信号接收时间会发生明显延迟，可根据时间延迟的间隔判断井下气侵；在生产过程中，较高频弹性波信号（103~104Hz）向井筒外传播，以第一界面（套管外壁-水泥石）、第二界面（水泥石-地层）为传播介质，若遇到裂缝和气窜，弹性波压力幅值会发生大幅衰减，根据信号衰减特征，可进行井筒密封完整性监测。弹性波信号在钻井过程和生产过程中工作流程如图5所示。
套管内外双向井下监测方法流程如下所示：电源给套管内外双向井下监测装置内部的装置各个元件进行供电。钻井过程中，4个圆周间隔90°的较低频段信号的弹性波激发器II向井筒内发射~102Hz弹性波信号；生产过程中，另外4个圆周间隔90°的较高频段信号的弹性波激发器I向井筒外发射103~104Hz弹性波信号，保持连续的动态响应，不同频段信号分别在钻井过程中和完井生产过程独立工作，当信号遇到气泡或者气窜、裂缝时，产生异常响应，不同频段的弹性波接收器II和弹性波接收器I接收到的信号，通过在信号采集加工装置，完成井下信号变化特征识别，由电缆进行信号传递，最终在地面控制中心完成井下数据信号的解释和识别。
优选的，技术套管短节内外壁厚度15mm-25mm；
优选的，电源为直流电源，电压5-28V，工作温度范围-30℃-140℃；
优选的，钻井过程中，弹性波在井筒内工作频率~102Hz；生产过程，弹性波在井筒外工作频率103~104Hz。
本发明的有益效果是：
1、本发明实现了监测点位置固定，一方面减小了井内管柱运动对监测信号的影响，有助于提升监测信号的信噪比；另一方面降低了监测信号解释的难度，提高了数据解释时效性。
2、本发明可根据不同的工况进行不同频段弹性波信号的选用，安装位置灵活多变，可用于不同层段的多点监测，实现任意井深位置的安装，同时可以完成多组套管内外双向井下监测装置共同监测，对油气井的运行提供了安全保障。
3、本发明安装在技术套管短节内部，避免了钻井过程中随钻测量钻柱震动对设备元件的影响，使得设备元件使用寿命得到延长，可靠性高。电缆提供电能的持续性让设备原件工作周期持续时间长，为安全高效钻井生产提供了保障。
4、功能集成于一体，既可在钻井过程用于气侵监测，又能在完井生产过程中用于井筒密封检测，一次安装实现生产井全周期监测。
附图说明
图1为本发明所述监测装置实现方法示意图；
图2为本发明所述监测装置与技术套管短节一体化结构图；
图3为本发明所述监测装置与技术套管短节一体化结构图；
图4为图3的主视图；
图5为图3的侧视图；
图6为图3的俯视图（仅显示弹性波激发器组I和弹性波激发器组II）；
图7为图3的俯视图（仅显示弹性波接收器组I和弹性波接收器组II）；
图8为电缆在技术套管外壁上分布的俯视图；
图9为电缆在技术套管外壁上分布的侧视图；
图10是弹性波信号在钻井过程和生产过程中工作流程图；
其中，1为基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置；2为地层；3为水泥返高；4为技术套管；5为表层套管；6为电缆；7为地面控制中心；8为钻柱；9为油管；10为导线；11为电源；12为弹性波激发器组；13为弹性波接收器组；14为信息采集处理装置；15为插孔；16为供电区；17为信号监测区；18为信号采集加工区；19为技术套管短节；
121为弹性波激发器组I；122为弹性波激发器组II；131为弹性波接收器组I；132为弹性波接收器组II。
具体实施方式
实施例1
一种基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置，包括电缆、地面控制中心和工作区；所述的工作区包括供电区、信号监测区和信号采集加工区；所述的工作区与技术套管短节呈一体化安装；所述的电缆分别与地面控制中心和工作区连接。
技术套管短节的外壁上开设有槽，所述工作区设置在槽内，槽上设有密封盖。
所述的供电区包括电源，其功能为储存电缆传输的电能和为不同工作区供电。
所述的信号监测区包括弹性波激发器组和弹性波接收器组，主要功能是让不同频段的弹性波信号在不同的作业过程中向井筒内外传播，形成连续的动态响应信号。
弹性波激发器组分为弹性波激发器组I和弹性波激发器组II；弹性波接收器组分为弹性波接收器组I和弹性波接收器组II；
弹性波激发器组II、弹性波激发器组I、弹性波接收器组I、弹性波接收器组II依次分布在技术套管短节不同高度的平面上，按照由技术套管短节底部到顶部高度顺序排列。
弹性波激发器组I包括四个沿同一平面均匀分布的弹性波激发器I；弹性波激发器组II包括四个沿同一平面均匀分布的弹性波激发器II；弹性波激发器I与弹性波激发器II相隔45°错位分布；
弹性波接收器组I包括四个沿同一平面均匀分布的弹性波接收器I；弹性波接收器组II包括四个沿同一平面均匀分布的弹性波接收器II；弹性波接收器I与弹性波接收器II相隔45°错位分布。
弹性波激发器I和弹性波接收器I负责完井生产过程中井筒外103~104Hz弹性波信号的传播，靠近技术套管短节外壁，用于井筒密封性监测使用；弹性波激发器II和弹性波接收器II负责钻井过程中井筒内~102Hz弹性波信号的传播，靠近技术套管短节内壁，用于气侵监测使用。本发明采用共同监测目的是为了达到井下信号识别的可靠性和稳定性。
所述信号采集加工区包括信号采集加工装置和插孔；信号采集加工装置负责弹性波接收传感器传递的信号的采集处理。
所述电缆呈短圆弧形与技术套管短节配合，紧贴技术套管短节外壁，负责井下基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置的电能供应与井下数据传递，安装在技术套管短节外壁与裸眼井壁之间。电缆上连接有插头或接线头；插头与插孔配合。
电缆与技术套管短节配合：电缆设有的插头与技术套管短节上的插孔连通，通过技术套管短节中内置导线为各个工作区供电和数据传输。若同一开次安装多个套管内外双向井下监测装置，插孔与电缆上的插头连接后，电缆继续沿着技术套管短节外壁，向更深层处的套管内外双向监测装置安装位置处延伸，实现同一开次的多组套管内外双向井下监测装置的电缆与插孔的连接。
电缆与每段技术套管的配合：固井下技术套管时，套管被分段下入油气井中，电缆根据每段套管长度分成不同的节数，每下一段套管，每节电缆完成一次连接。除了与技术套管短节的连接的电缆设置插头，其余每节电缆两端分别设有接线头，固井过程中每下一段套管，电缆伴随完成一次接线，实现长距离通电。
实施例2
一种基于弹性波信号的套管内外双向井下监测方法，采用实施例1所述的装置，具体过程为：基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置与技术套管短节一体化→井下电路连接→气侵监测→井下信号有线传输→井口信息识别。
更具体的，电源给套管内外双向井下监测装置内部的装置各个元件进行供电。钻井过程中，4个圆周间隔90°的较低频段信号的弹性波激发器II向井筒内发射~102Hz弹性波信号，弹性波接收器II接收到的信号，通过在信号采集加工装置，完成井下信号变化特征识别，由电缆进行信号传递，最终在地面控制中心完成井下数据信号的解释和识别。井筒内流体为传播介质，低频弹性波遇到气泡后传播速度大幅降低，信号接收时间会发生明显延迟，可根据时间延迟的间隔判断井下气侵。
实施例3
一种基于弹性波信号的套管内外双向井下监测方法，采用实施例1所述的装置，具体过程为：基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置与技术套管短节一体化→井下电路连接→井筒密封完整性监测→井下信号有线传输→井口信息识别。
更具体的，电源给套管内外双向井下监测装置内部的装置各个元件进行供电。生产过程中，另外4个圆周间隔90°的较高频段信号的弹性波激发器I向井筒外发射103~104Hz弹性波信号，弹性波接收器I接收到的信号，通过在信号采集加工装置，完成井下信号变化特征识别，由电缆进行信号传递，最终在地面控制中心完成井下数据信号的解释和识别。以第一界面（套管外壁-水泥石）、第二界面（水泥石-地层）为传播介质，若遇到裂缝和气窜，弹性波压力幅值会发生大幅衰减，根据信号衰减特征，可进行井筒密封完整性监测。
另外，本发明所述气侵和/或井筒密封完整性监测可以同时独立进行。
Claims (8)
1.基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置，包括技术套管短节，其特征在于，还包括电缆、地面控制中心和工作区；所述的工作区包括供电区、信号监测区和信号采集加工区；所述的工作区与技术套管短节呈一体化安装；所述的电缆分别与地面控制中心和工作区连接；
所述的信号监测区包括弹性波激发器组和弹性波接收器组；
所述的信号采集加工区包括信号采集加工装置和插孔。
2.根据权利要求1所述的基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置，其特征在于，所述的技术套管短节的外壁上开设有槽，所述工作区设置在槽内，槽上设有密封盖。
3.根据权利要求1所述的基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置，其特征在于，所述的供电区包括电源。
4.根据权利要求1所述的基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置，其特征在于，弹性波激发器组分为弹性波激发器组I和弹性波激发器组II；弹性波接收器组分为弹性波接收器组I和弹性波接收器组II；
弹性波激发器组II、弹性波激发器组I、弹性波接收器组I、弹性波接收器组II依次分布在技术套管短节不同高度的平面上，按照由技术套管短节底部到顶部高度顺序排列。
5.根据权利要求4所述的基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置，其特征在于，
弹性波激发器组I包括四个沿同一平面均匀分布的弹性波激发器I；弹性波激发器组II包括四个沿同一平面均匀分布的弹性波激发器II；弹性波激发器I与弹性波激发器II相隔45°错位分布；
弹性波接收器组I包括四个沿同一平面均匀分布的弹性波接收器I；弹性波接收器组II包括四个沿同一平面均匀分布的弹性波接收器II；弹性波接收器I与弹性波接收器II相隔45°错位分布。
6.根据权利要求5所述的基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置，其特征在于：弹性波激发器I和弹性波接收器I负责完井生产过程中井筒外103~104Hz弹性波信号的传播，靠近技术套管短节外壁；弹性波激发器II和弹性波接收器II负责钻井过程中井筒内~102Hz弹性波信号的传播，靠近技术套管短节内壁。
7.根据权利要求1所述的基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置，其特征在于，
所述的电缆呈短圆弧形与技术套管短节配合，紧贴技术套管短节外壁；电缆上连接有插头或接线头；插头与插孔配合。
8.一种基于弹性波信号的套管内外双向井下监测方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的装置，具体过程为：基于弹性波信号的套管内外双向井下监测装置与技术套管短节一体化→井下电路连接→气侵和/或井筒密封完整性监测→井下信号有线传输→井口信息识别。
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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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