專利名稱:載荷調制遙測法及裝置的制作方法
技術領域:
本發(fā)明是關于石油生產和鉆探過程中,井下信號的遙測問題。井下信號的載荷調制遙測法及裝置可以利用抽油桿(或鉆桿)載荷的變化將信號由抽油桿(或鉆桿)的一端傳到抽油桿(或鉆桿)的另一端。為深井泵下資料不停產遙測及隨鉆測量技術開辟了一個新的信號傳輸途徑。
現(xiàn)有深井泵下資料的測量,均是通過有線測量的。國外常用的方法是加大套管直徑,在油管及套管的環(huán)行空間中將測試儀器用鋼纜吊到予定深度,進行有線測量。這在我國鋼材緊缺的情況下,只有小泵徑的少數(shù)井可以用此方法。大部分抽油機井均要先通過作業(yè)將泵取出來,然后再用有線測量法進行測量,這樣不僅耗費大量的作業(yè)經費,同時還要停產1至2周,而且還不能測出動態(tài)參數(shù)。如果按規(guī)定每年測量2至3次將大大影響產量。井下信號的隨鉆測量研究工作于七十年代末已逐漸進入工業(yè)實用階段。研制過程中,在信號傳輸方面做了大量的工作,先后在電磁波、聲波、電纜及泥漿壓力波等傳輸方面進行了試驗。第一種方法是電磁法在井下通過導電介質來傳輸電磁信號,目前比較成功的是通過大地來傳輸。為使信號不遭受嚴重的衰減,通常選取極低的頻率,但這種頻率接近大地電流頻率,因而背景噪聲給井下的信號探測及接收帶來很大困難。如果要增大發(fā)射器的功率,又必然遇到井下能源困難的問題。第二種方法是聲波法,通過安裝在井下的發(fā)聲裝置發(fā)射聲波,途經鉆桿或大地將聲波或振動波信號傳到井上檢測記錄。因為井下傳播條件惡劣,信號衰減十分嚴重,背景干擾很大,同樣存在井下信號檢測困難及井下能源提供困難等問題。第三種方法是電纜傳輸法,在鉆桿中埋設電纜,通過電纜進行信號傳輸,但這種傳輸方式需要特殊的連接器,使用維護困難,費用也高。第四種方法是泥漿壓力波傳輸法,鉆井過程中,泥漿以一定速度和壓力向井口流動,在井下用一個控制閥控制泥漿流速即可在井口檢測出泥漿壓力的脈動信號,從而實現(xiàn)信息傳輸。
鑒于上述已有技術存在的問題。本發(fā)明的任務是研究一種井下信號的載荷調制遙測方法及其裝置。利用無線遙測的方法以實現(xiàn)深井泵下資料不停產測試,利用抽油桿(或鉆桿)傳遞信號,為深井測量提供了一種新的信號傳輸手段,同時在隨鉆測量技術研究方面提供了一個新的信號傳輸途經。
下面,以深井泵下信號通過抽油桿傳輸為例,對載荷調制遙測法及裝置的研究和試驗進行分析。若將調制方式改為對鉆桿扭矩的控制,裝置在設計上作適當更改則可推廣應用于隨鉆測試信號的傳輸方面。眾所周知,抽油泵正常抽油過程中,抽油桿將帶動柱塞周期地上下移動,將油送到井口。隨著柱塞運動,游動凡爾及井下的固定凡爾也相應做周期的開閉動作。抽油桿的載荷將周期地變化,其應變也將相應變化??梢哉J為有一應力波沿著抽油桿由下向上傳播。若對凡爾球的開閉動作進行人為的控制時,那么抽油桿也同時受控,偏離正常載荷狀態(tài),這一載荷變化將使抽油桿的應變發(fā)生變化。事實上,當凡爾球發(fā)生砂卡等故障時,人們就是利用檢測抽油桿載荷變化是否異常來進行故障診斷的。示功測試儀就可以對抽油泵進行故障診斷。例如
圖1表示了正常示功圖及固定凡爾發(fā)生漏失情況下的示功圖以及相應的時間展開圖。圖1中標號1.正常抽油時示功圖。2.固定凡爾發(fā)生漏失時示功圖。3.與1對應的應變時間展開圖。4.與2對應的應變時間展開圖。由此可以設想在井下設計一種可控凡爾來代替固定凡爾,當控制信號使可控凡爾產生漏失時,抽油桿同時受控使之偏離正常載荷。這一載荷變化使抽油桿的應變發(fā)生變化并同時隨著抽油桿將一這變化直接傳送到井口,井口的示功測量儀將立即測出異常示動圖。該過程的實質是由井下載荷控制驅動器發(fā)出的控制信號去控制可控凡爾,使可控凡爾產生漏失,也就是對正常載荷進行異常調制,使抽油桿變化規(guī)律發(fā)生異常,這一異常變化再通過抽油桿將應力波傳播到井口,由井口上的示功測量儀檢測解調出異常信號,從而將井下被測參數(shù)的信號在井上測試出來。下面結合附圖2對載荷調制遙測法做進一步描述遙測時,由井下壓力傳感器(5)自動發(fā)出被測信號(若所選傳感器為弦式壓力計,則輸出信號為頻率量),經信號變換及編碼器(6)變換為時間間隔并對其進行編碼,形成如圖3中所示的井下控制脈沖序列(16),每個控制脈沖應在抽油桿到達上死點的瞬間加入,脈沖寬度應維持在抽油桿抵達下死點以后結束,這樣才能有效地控制凡爾漏失情況,因此每個控制脈沖均應與抽油泵工作周期同步。井下控制脈沖序列(16)經過驅動器(7)去控制載荷調制器(8)。這時,抽油桿(10)的載荷將受控制脈沖的控制而偏離正常載荷狀態(tài)。他將隨著抽油桿(10)直接傳到井口。這一載荷變化,一般常用的測井設備-示功測試儀即可檢測出來。示功測試儀通常由應變傳感器、放大器、微處理器和XY記錄儀組成。但載荷調制遙測法要求準確記錄載荷的時間展開圖。因此需對示功測試儀作一些更改,更改后的方框圖(見圖2)及工作原理如下井上傳感器(11)感受載荷的變化經放大器(12)放大形成電信號。正常情況下可控凡爾不受控制時,信號呈正常規(guī)律周期地變化。當井下控制脈沖序列(16)使可控凡爾受控產生漏失時,則井上測出的信號明顯偏離正常變化規(guī)律。如圖3中井上應變信號(17)所示。應變信號異常處幅度明顯減小,這是因為下沖程時凡爾漏失,抽油泵不能正常卸載引起。經放大器放大后的電信號經過自適應濾波器(13)濾除正常規(guī)律信號后即可檢出異常信號,再經譯碼器(14)譯碼則可恢復井下被測信號數(shù)據(jù)。并由顯示記錄(15)顯示輸出。編碼和譯碼的形式有多種,例如將一個0-999的三位數(shù)NcNbNa用四個控制脈沖之間的三個脈沖間隔來表示,這種編碼形式及譯碼電路是很容易實現(xiàn)的。圖3給出了井下控制脈沖序列(16)和井上應變信號(17)的波形。在此選擇每個控制脈沖相互之間的時間間隔為抽油泵(9)工作周期T的整數(shù)倍。這樣井上只要從應變信號時間展開圖上數(shù)一數(shù)異常信號之間正常信號的周期數(shù),直接就可得到被測量參數(shù)Nc、Nb、Na的值。圖3所示情形Na=4、Nb=4、Nc=3該數(shù)據(jù)為344。
按照上述載荷調制遙測法所制造的裝置其實施例如圖4所示,該裝置由井下設備,機械運轉部分和井上設備等三部分組成。井下設備包括井下傳感器(5)、信號變換及編碼器(6)、驅動器(7)、載荷調制器(8)。機械運轉部分有抽油泵(9),抽油桿(10)。井上設備包括井上傳感器(11)、放大器(12)、自適應濾波器(13)、譯碼器(14)、顯示記錄(15)。按照生產井設計需要,抽油泵(9)及抽油桿(10)可安裝到井下任何深處。井下設備的裝配和所在的位置信號變換及編碼器(6)、驅動器(7)、載荷調制器(8)按照圖2方框圖所示的連接方式連接后密封在一段直徑為75厘米長約2米多的鋼管(18)中,同時在鋼管(18)內還裝有供電用的電池組(26),密封后的鋼管直接懸掛在抽油泵(9)下面。井下傳感器(5)可以直接與信號變換及編碼器(6)連接,如果工藝上允許,也可用專門的鋼纜吊置于井下測量部位。井上設備的裝配和所在位置井上傳感器(11)安裝在抽油桿(10)頂端的連接壓塊(27)中。放大器(12)、自適應濾波器(13)、譯碼器(14),顯示記錄(15)按照圖2方框圖所示的連接方式連接后安裝在測試車(28)內。井上傳感器(11)的輸出信號端及供電部分用電纜與測試車(28)內的放大器(12)輸入端連接。操作人員可在測試車內進行測試控制操作。
結合圖5詳細介紹一下載荷調制器(8)的工作原理及組成。載荷調制器(8)由可控凡爾(19)、頂桿(20)、電磁鐵(21)、電磁線圈(22)裝配組成。當抽油泵正常工作時,可控凡爾(19)將隨抽油機周期地上下運動。此時由井上設備必測得如圖6所示的可控凡爾正常時的示功圖(23),當井下控制脈沖序列(16)經驅動器(7)輸出,該脈沖加至電磁線圈(22)上產生電流,當電磁線圈(22)流過電流時,電磁鐵(21)產生吸力吸引頂桿(20)向上頂出。這時可控凡爾(19)下落時因為頂桿(20)頂出一段所以使得可控凡爾(19)不能如圖5所示的那樣復位。因此大量的油從可控凡爾(19)與復位孔之間形成的空隙流失。該過程也就是可控凡爾(19)在受控期間產生嚴重漏失或部分漏失的情況。這時井上設備將立即測出如圖6所示的可控凡爾全部(或部分)漏失時的示功圖(24)(25)。
本發(fā)明有如下附圖圖1正常示功圖及固定凡爾發(fā)生漏失情況下的示功圖及相應的時間展開圖。
圖2載荷調制遙測法原理方框圖。
圖3井下控制脈沖和井上應變信號波形圖。
圖4載荷調制遙測裝置圖。
圖5載荷調制器剖視圖。
圖6實驗記錄圖。
圖中標號名稱如下1.正常抽油時示功圖2.固定凡爾發(fā)生漏失時的示功圖3.與1對應的應變時間展開圖4.與2對應的應變時間展開圖5.井下傳感器(弦式壓力計)6.信號變換及編碼器7.驅動器8.載荷調制器9.抽油泵10.抽油桿11.井上傳感器(應變或扭矩傳感器)12.放大器13.自適應濾波器14.譯碼器15.顯示記錄16.井下控制脈沖序列17.井上應變信號18.鋼管19.可控凡爾20.頂桿
21.電磁鐵22.電磁線圈23.可控凡爾正常時的示功圖24.可控凡爾全漏失時的示功圖25.可控凡爾部分漏失時的示功圖26.電池組27.連接壓塊28.測試車本發(fā)明的優(yōu)點是油井下發(fā)送端利用很少的能源對深井泵工作狀態(tài)進行控制,信號經抽油桿(或鉆桿)向上傳輸,地面接收端能方便可靠地檢測出信號,從而可以實現(xiàn)深井泵下資料不停產遙測及隨鉆測量。利用本發(fā)明對一泵深為1157米的深井進行了可行性試驗。在泵下以一可控凡爾代替其固定凡爾。井下壓力傳感器輸出被測信號經信號變換及編碼器后發(fā)送端發(fā)出一串控制脈沖去控制可控凡爾,可控凡爾在受控期間產生嚴重漏失,由井口示功圖測試儀及應變記錄儀結果表明所傳輸?shù)男盘栍涗浨逦?,傳輸系統(tǒng)工作可靠,記錄結果如圖6所示。使用本發(fā)明可提高產油量,節(jié)省測試時間,節(jié)省資金和能源。本發(fā)明性能可靠,結構簡單,成本低有利于在油田推廣使用。
本發(fā)明的工作過程是由井下壓力傳感器(5)輸出被測信號,經信號變換及編碼器(6)變換編碼產生井下控制脈沖序列(16),井下控制脈沖序列(16)經驅動器(7)去控制載荷調制器(8),通過載荷調制器(8)控制可控凡爾(19)同時使抽油桿(10)受控偏離正常載荷狀態(tài),這一載荷變化隨著抽油桿(10)直接傳遞到井口,由井口的應變傳感器(11)接收,經放大器(12)放大為電信號,經自適應濾波器(13)濾波,經譯碼器(14)譯碼則可恢復井下的被測信號并由顯示記錄(15)顯示輸出。
權利要求
1.關于石油生產和鉆井過程中,深井泵下的測量方法問題,一般是停產通過有線方法進行測量,本發(fā)明的技術特征是深井泵下資料不停產通過載荷調制遙測法進行無線遙測,方法是井下傳感器(5)發(fā)出被測信號,該信號經信號變換及編碼器(6)變換編碼后形成井下控制脈沖序列(16),該控制脈沖(16)經驅動器(7)去控制載荷調制器(8),載荷調制器(8)控制可控凡爾(19)同時使抽油桿(10)(或鉆桿)受控偏離正常載荷狀態(tài),這一載荷變化隨著抽油桿(10)(或鉆桿)直接傳遞到井口由井口的應變(或扭矩)傳感器(11)接收,井口的應變(或扭矩)傳感器(11)的信號經過放大器(12)放大成電信號,該電信號經過自適應濾波器(13)濾波,檢出調制端的控制信號經譯碼器(14)譯出后可恢復井下的被測信號數(shù)據(jù),并由顯示記錄(15)顯示輸出。
2.這種載荷調制遙測法進行載荷調制遙測的裝置其技術特征是該裝置由井下設備、機械運轉部分和井上設備等三部分組成。井下設備包括有井下傳感器(5)、信號變換及編碼器(6)、驅動器(7)、載荷調制器(8)。機械運轉部分有抽油泵(9),抽油桿(10)(或鉆桿)。井上設備包括有井上傳感器(11)、放大器(12)、自適應濾波器(13)、譯碼器(14)、顯示記錄(15)。按照設計需要,抽油泵(9)和抽油桿(10)可安裝在井下所需深處。井下設備信號變換及編碼器(6)、驅動器(7)、載荷調制器(8)。按照圖2連接后密封在一段直徑為75厘米長約2米多的鋼管(18)內,鋼管(18)中還裝有供電用的電池組(26),鋼管(18)直接懸掛在抽油泵(9)下面,井下傳感器(5)可以直接與信號變換及編碼器(6)連接,也可以用專門的鋼纜吊置于井下其他測量部位。井上設備,井上傳感器(11)安裝在抽油桿(10)頂端的連接壓塊(27)中。放大器(12)、自適應濾波器(13)、譯碼器(14)、顯示記錄(15)按圖2連接后安裝在測試車(28)內,井上傳感器(11)的輸出信號端及供電部分用電纜與測試車(28)內的放大器(12)的輸入端連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的載荷調制遙測裝置,其特征在于載荷調制器(8)由可控凡爾(19)、頂桿(20)、電磁鐵(21)、電磁線圈(22)裝配組成。
4.根據(jù)權利要求1所述的載荷遙測法,其特征在于控制脈沖序列(16)中的兩個相鄰的單個控制脈沖之間的時間間隔為抽油泵(9)工作周期T整數(shù)倍。
全文摘要
為使石油高產穩(wěn)產,迫切需要解決井下信號的遙測問題。載荷調制遙測法及裝置利用抽油桿載荷的變化,將井下信號由抽油桿的一端傳向另一端。為深井泵下資料不停產遙測開辟了一個新的信號傳輸途徑。裝置介紹了由井下壓力傳感器輸出的被測信號經變換及編碼形成控制脈沖,再經驅動器去控制可控凡爾,致使抽油桿載荷受到調制,由井上設備接收處理后解調出被測信號。該裝置在設計上作適當更改,其原理可推廣應用于隨鉆測試技術方面。
文檔編號E21B47/00GK1033533SQ8710730
公開日1989年6月28日 申請日期1987年12月15日 優(yōu)先權日1987年12月15日
發(fā)明者周富大, 歐陽長月, 鄒華民, 龍洪彬, 張式其 申請人:北京航空學院