一种基于液电效应的钻杆胶塞智能定位装置、系统和定位方法与流程

本发明涉及钻探技术领域，特别是一种基于液电效应的钻杆胶塞智能定位装置、系统和定位方法。

背景技术：

目前，尾管碰压式完井技术在目前固井施工中扮演着重要角色，由于其施工简便，不需要下内管柱或通井钻塞，因而备受推崇。但随着井深的增加，在施工过程中，由于碰压压力的不明显，不能正确判断碰压胶塞是否真正到底，时常出现少替留塞、多替留空等工程事故的发生，给整个固井施工带来风险。

“杨超.谐振胶塞监测控制系统[D].西安：西安科技大学,2013.”中披露了一种谐振胶塞监测控制系统，其装置可在固井工作结束后进行回收，读取其中存储的信息，了解胶塞在井下的工作过程。然而其设计需建立在固井工作正常进行的前提下，且胶塞在井下的工作过程也仅能在工作结束后获得，无法即时了解胶塞在井下的实际状态，不能解决固井工作中遇见的特殊情况。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种基于液电效应的钻杆胶塞智能定位装置，能够给胶塞在井下实时位置的定位提供信号，且可以实现较远的信号传输。

本发明的另一个目的是提供一种基于液电效应的钻杆胶塞智能定位装置系统，能够实时定位胶塞在井下的实时位置。

本发明的另一个目的是提供一种基于液电效应的钻杆胶塞智能定位方法。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于液电效应的钻杆胶塞智能定位装置，所述定位装置用于和钻杆胶塞连接以共同在井下运动，所述定位装置包括

电源；

储能电容，所述储能电容与电源连接；以及

电极；所述储能电容通过第一控制开关与电极连接；所述电极允许被置于液体放电通道中并通过释放储能电容中的能量以产生爆炸。

可选地或优选地，所述定位装置还包括第二控制开关，所述第二控制开关与电源连接，用于控制储能电容的充电过程。

可选地或优选地，所述第一控制开关与第二控制开关被整合在同一模块中。

可选地或优选地，所述储能电容由多个电容并联构成。

可选地或优选地，所述电源为锂电池。

该定位装置随钻杆胶塞在井下运动时，通过储能电容储存大量的电量，在特定的时间控制第一控制开关导通，此时电极将大量的电量在钻井液内释放，在高压强电场作用下，由于巨大的能量瞬间释放于放电通道内，通道中的液体就迅速汽化、膨胀并引起爆炸，这就是所谓的液电效应。爆炸产生的声波和冲击波在液体或固体中传输到地表，供后续的采集单元采集分析，从而判断胶塞在井下的位置。由于能量在瞬间释放，产生的声波和冲击波传输距离长，避免了传统的声波换能器功率小，传输距离短的问题，更加适用于井下环境。

第二方面，本发明提供一种基于液电效应的钻杆胶塞智能定位系统，包括第一方面所述的定位装置、波接收器和计算单元；

所述波接收器用于接收定位装置引起爆炸后产生的压力波和/或声波；

所述计算单元与波接收器连接，根据接收到的压力波和/或声波计算钻杆胶塞位置。

定位装置产生声波和压力波后，通过波接收器进行采集，再按照预先设定的算法计算出胶塞的位置，这样可以对井下胶塞实现实时地定位。

第三方面，本发明提供一种基于液电效应的钻杆胶塞智能定位方法，使用第一方面所述的定位装置，所述定位方法还包括：

在地面接收声波；所述声波通过控制电极按照时间间隔放电，在液体放电通道中引起爆炸而产生；以及

按照预先建立好的衰减模型处理声波信号，得到传输距离，以确定钻杆胶塞的位置。

可选地或优选地，所述定位方法还包括：

根据声波脉冲的时间差以及声波在介质中的传输速度，计算胶塞瞬时下行距离。

可选地或优选地，所述定位方法还包括：

通过累加不同时段的所述瞬时下行距离计算胶塞下行的总距离。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的基于液电效应的钻杆胶塞智能定位装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的基于液电效应的钻杆胶塞智能定位系统的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的基于液电效应的钻杆胶塞智能定位方法的流程图；

图中：

1-电源；2-储能电容；3-第一控制开关；4-第二控制开关；5-电极；101-定位装置；102-钻杆胶塞；103-波接收器；104-计算单元；105-井。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

术语解释

液电效应：高压强电场通过液体，由于巨大的能量瞬间释放于放电通道内，通道中的液体就迅速汽化、膨胀并引起爆炸。

实施例一

本发明实施例提供了一种基于液电效应的钻杆胶塞智能定位装置，其主要构思是将能量在时间尺度上进行压缩，然后在特定的时间瞬时释放，这样可以产生强度较强的声波和/或冲击波，实现较远距离的传输。因此即使定位装置随钻杆胶塞运动到井下比较深的位置，也可以产生能够被地表检测到的信号。

请参考图1和2，本发明实施例提供的定位装置101，包括电源1、储能电容2、第一控制开关3和电极5。该定位装置101作为一个整体与钻杆胶塞102连接，随钻杆胶塞102在井105下运动。此时定位装置101的周围为充有钻井液的液体环境。电源1的电力输出端与储能电容2连接，储能电容2的输出端通过第一控制开关3与电极5连接。其中，电极5应当被允许暴露在所述的液体环境中。当储能电容2中的电量达到一定的值时，控制第一控制开关3打开，储能电容2的电量在电极5处得到瞬时地大量释放，在电极5周围的钻井液放电通道中产生高压强电场，使得电极5间液体中的电子被加速，并电离电极5附近的液体分子。液体中被电离出的电子被电极间强电场加速电离出更多的电子，形成电子雪崩。在液体分子被电离的区域形成等离子体通道。随着电离区域的扩展，在电极5间形成放电通道，液体被击穿。放电通道产生后，由于放电电阻很小，将产生几十千安的放电电流。放电电流加热通道周围液体，使液体汽化并迅速向外膨胀。迅速膨胀的气腔外沿在水介质中产生强大的冲击波。冲击波随放电电流和放电时间的不同，以冲量或者冲击压力的方式作用于周围介质。这种液电效应产生的冲击波可以传输较远的距离。此外，该装置是随着钻杆胶塞一起实时运动的，能够给胶塞在井下位置的定位提供实时信号。只要分析出定位装置波源所在位置，就可以获知胶塞位置。

发明人在研究钻杆胶塞定位方法时发现，在定位装,101随钻杆胶塞102运动过程中，并不需要持续放电来提供连续的信号，而是需要间隔放电(下文叙述)，因此，如果电源1持续供电，可能会导致电容充电量饱和，浪费能源。为此，在一些实施例中，定位装置101还包括第二控制开关4，第二控制开关4用于控制电源1的启动和停止，以控制储能电容2的充电过程。在优选的条件下，为了便于控制电路的整体设计和排布，可以将第二控制开关4与第一控制开关3整合在一个控制模块中，即第一控制开关3的两个端子连接储能电容2和电极5，第二控制开关4可以为一个与第一控制开关3相独立的控制器(如单片机)，其输出端连接电源1的控制端，按照预定的规则启动或关闭电源1，以控制储能电容2的充电量和充电周期。

在井深较深的情况下，如果电极5瞬时释放的电量不足，产生的压力波或声波的强度不足以实现较远距离的传输。或者储能电容2发生故障时会导致装置失灵。为此，在一些实施例中，储能电容2可以由多个电容并联构成，这样可以增大电容储存的总电量，保证在传输距离较长的情况下也能产生明显的液电效应。此外，如果有个别电容失灵，也不会对储能电容2的总体储电量造成太大影响，防止装置失灵。

电源1可以采用直流电源，如井下作业中使用的锂电池即可。

实施例二

为了检测和分析实施例一种定位装置产生的波，本实施例提供了一种基于液电效应的钻杆胶塞智能定位系统，该系统包括实施例一种所述的定位装置101，此外还包括位于地表的波接收器103和计算单元104。其中，波接收器103可以是声波接收器，用于检测液电效应爆炸时产生的强力声波；还可以是压力传感器，用于检测爆炸时冲击液体产生的压力波。此外还可以是两种波接收器的结合。在本实施例中，优选采用声波接收器。计算单元104包括计算机和相应的显示设备。

实施例三

本实施例提供了采用实施例一中的定位装置或实施例二中的定位系统实现的钻杆胶塞定位方法，考虑采用钻井液或者套管与钻井液结合的方式来作为传输信道，选择最佳传输频率。传输距离的计算方法可以利用声波在特定介质中的衰减模型(Sound Propagation Loss:SPL)来计算，具体可以包括如下步骤：

S1：在地面接收声波；所述声波通过控制电极按照时间间隔放电，在液体放电通道中引起爆炸而产生；以及

S2：按照预先建立好的衰减模型处理声波信号，得到传输距离，以确定钻杆胶塞的位置。

声波的传输介质可以是液体，如钻井液，也可以是液体和固体的结合，如声波可以在钻井液和钻杆的套管中传播，此时在建立衰减模型中需要根据传输信道的不同进行修正。此方法的优点在于利用了衰减模型，位置计算结果更精确。

S3：根据声波脉冲的时间差以及声波在介质中的传输速度，计算胶塞瞬时下行距离。

假设声波脉冲以发送的时间间隔为1s，那么，由于定位装置是随胶塞运动的(即声源也在运动)，那么在地面接收到的声波的时间间隔就为(1+t)s，时间差为t，根据该时间差以及声波在介质中的传输速度，就可以计算出声波在1s内的下行距离，由于时间间隔通常比较小，因此可以视为瞬时距离。

S4：通过累加不同时段的所述瞬时下行距离计算胶塞下行的总距离。

此外，还可以将步骤三和步骤四与步骤一和步骤二进行结合，对胶塞位置的计算进行参数修正。

以上对本发明所提供的一种基于液电效应的钻杆胶塞智能定位装置、系统和定位方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。