专利名称：载荷调制遥测法及装置的制作方法
技术领域：
本发明是关于石油生产和钻探过程中，井下信号的遥测问题。井下信号的载荷调制遥测法及装置可以利用抽油杆(或钻杆)载荷的变化将信号由抽油杆(或钻杆)的一端传到抽油杆(或钻杆)的另一端。为深井泵下资料不停产遥测及随钻测量技术开辟了一个新的信号传输途径。
现有深井泵下资料的测量，均是通过有线测量的。国外常用的方法是加大套管直径，在油管及套管的环行空间中将测试仪器用钢缆吊到予定深度，进行有线测量。这在我国钢材紧缺的情况下，只有小泵径的少数井可以用此方法。大部分抽油机井均要先通过作业将泵取出来，然后再用有线测量法进行测量，这样不仅耗费大量的作业经费，同时还要停产1至2周，而且还不能测出动态参数。如果按规定每年测量2至3次将大大影响产量。井下信号的随钻测量研究工作于七十年代末已逐渐进入工业实用阶段。研制过程中，在信号传输方面做了大量的工作，先后在电磁波、声波、电缆及泥浆压力波等传输方面进行了试验。第一种方法是电磁法在井下通过导电介质来传输电磁信号，目前比较成功的是通过大地来传输。为使信号不遭受严重的衰减，通常选取极低的频率，但这种频率接近大地电流频率，因而背景噪声给井下的信号探测及接收带来很大困难。如果要增大发射器的功率，又必然遇到井下能源困难的问题。第二种方法是声波法，通过安装在井下的发声装置发射声波，途经钻杆或大地将声波或振动波信号传到井上检测记录。因为井下传播条件恶劣，信号衰减十分严重，背景干扰很大，同样存在井下信号检测困难及井下能源提供困难等问题。第三种方法是电缆传输法，在钻杆中埋设电缆，通过电缆进行信号传输，但这种传输方式需要特殊的连接器，使用维护困难，费用也高。第四种方法是泥浆压力波传输法，钻井过程中，泥浆以一定速度和压力向井口流动，在井下用一个控制阀控制泥浆流速即可在井口检测出泥浆压力的脉动信号，从而实现信息传输。
鉴于上述已有技术存在的问题。本发明的任务是研究一种井下信号的载荷调制遥测方法及其装置。利用无线遥测的方法以实现深井泵下资料不停产测试，利用抽油杆(或钻杆)传递信号，为深井测量提供了一种新的信号传输手段，同时在随钻测量技术研究方面提供了一个新的信号传输途经。
下面，以深井泵下信号通过抽油杆传输为例，对载荷调制遥测法及装置的研究和试验进行分析。若将调制方式改为对钻杆扭矩的控制，装置在设计上作适当更改则可推广应用于随钻测试信号的传输方面。众所周知，抽油泵正常抽油过程中，抽油杆将带动柱塞周期地上下移动，将油送到井口。随着柱塞运动，游动凡尔及井下的固定凡尔也相应做周期的开闭动作。抽油杆的载荷将周期地变化，其应变也将相应变化。可以认为有一应力波沿着抽油杆由下向上传播。若对凡尔球的开闭动作进行人为的控制时，那么抽油杆也同时受控，偏离正常载荷状态，这一载荷变化将使抽油杆的应变发生变化。事实上，当凡尔球发生砂卡等故障时，人们就是利用检测抽油杆载荷变化是否异常来进行故障诊断的。示功测试仪就可以对抽油泵进行故障诊断。例如
图1表示了正常示功图及固定凡尔发生漏失情况下的示功图以及相应的时间展开图。图1中标号1.正常抽油时示功图。2.固定凡尔发生漏失时示功图。3.与1对应的应变时间展开图。4.与2对应的应变时间展开图。由此可以设想在井下设计一种可控凡尔来代替固定凡尔，当控制信号使可控凡尔产生漏失时，抽油杆同时受控使之偏离正常载荷。这一载荷变化使抽油杆的应变发生变化并同时随着抽油杆将一这变化直接传送到井口，井口的示功测量仪将立即测出异常示动图。该过程的实质是由井下载荷控制驱动器发出的控制信号去控制可控凡尔，使可控凡尔产生漏失，也就是对正常载荷进行异常调制，使抽油杆变化规律发生异常，这一异常变化再通过抽油杆将应力波传播到井口，由井口上的示功测量仪检测解调出异常信号，从而将井下被测参数的信号在井上测试出来。下面结合附图2对载荷调制遥测法做进一步描述遥测时，由井下压力传感器(5)自动发出被测信号(若所选传感器为弦式压力计，则输出信号为频率量)，经信号变换及编码器(6)变换为时间间隔并对其进行编码，形成如图3中所示的井下控制脉冲序列(16)，每个控制脉冲应在抽油杆到达上死点的瞬间加入，脉冲宽度应维持在抽油杆抵达下死点以后结束，这样才能有效地控制凡尔漏失情况，因此每个控制脉冲均应与抽油泵工作周期同步。井下控制脉冲序列(16)经过驱动器(7)去控制载荷调制器(8)。这时，抽油杆(10)的载荷将受控制脉冲的控制而偏离正常载荷状态。他将随着抽油杆(10)直接传到井口。这一载荷变化，一般常用的测井设备-示功测试仪即可检测出来。示功测试仪通常由应变传感器、放大器、微处理器和XY记录仪组成。但载荷调制遥测法要求准确记录载荷的时间展开图。因此需对示功测试仪作一些更改，更改后的方框图(见图2)及工作原理如下井上传感器(11)感受载荷的变化经放大器(12)放大形成电信号。正常情况下可控凡尔不受控制时，信号呈正常规律周期地变化。当井下控制脉冲序列(16)使可控凡尔受控产生漏失时，则井上测出的信号明显偏离正常变化规律。如图3中井上应变信号(17)所示。应变信号异常处幅度明显减小，这是因为下冲程时凡尔漏失，抽油泵不能正常卸载引起。经放大器放大后的电信号经过自适应滤波器(13)滤除正常规律信号后即可检出异常信号，再经译码器(14)译码则可恢复井下被测信号数据。并由显示记录(15)显示输出。编码和译码的形式有多种，例如将一个0-999的三位数NcNbNa用四个控制脉冲之间的三个脉冲间隔来表示，这种编码形式及译码电路是很容易实现的。图3给出了井下控制脉冲序列(16)和井上应变信号(17)的波形。在此选择每个控制脉冲相互之间的时间间隔为抽油泵(9)工作周期T的整数倍。这样井上只要从应变信号时间展开图上数一数异常信号之间正常信号的周期数，直接就可得到被测量参数Nc、Nb、Na的值。图3所示情形Na＝4、Nb＝4、Nc＝3该数据为344。
按照上述载荷调制遥测法所制造的装置其实施例如图4所示，该装置由井下设备，机械运转部分和井上设备等三部分组成。井下设备包括井下传感器(5)、信号变换及编码器(6)、驱动器(7)、载荷调制器(8)。机械运转部分有抽油泵(9)，抽油杆(10)。井上设备包括井上传感器(11)、放大器(12)、自适应滤波器(13)、译码器(14)、显示记录(15)。按照生产井设计需要，抽油泵(9)及抽油杆(10)可安装到井下任何深处。井下设备的装配和所在的位置信号变换及编码器(6)、驱动器(7)、载荷调制器(8)按照图2方框图所示的连接方式连接后密封在一段直径为75厘米长约2米多的钢管(18)中，同时在钢管(18)内还装有供电用的电池组(26)，密封后的钢管直接悬挂在抽油泵(9)下面。井下传感器(5)可以直接与信号变换及编码器(6)连接，如果工艺上允许，也可用专门的钢缆吊置于井下测量部位。井上设备的装配和所在位置井上传感器(11)安装在抽油杆(10)顶端的连接压块(27)中。放大器(12)、自适应滤波器(13)、译码器(14)，显示记录(15)按照图2方框图所示的连接方式连接后安装在测试车(28)内。井上传感器(11)的输出信号端及供电部分用电缆与测试车(28)内的放大器(12)输入端连接。操作人员可在测试车内进行测试控制操作。
结合图5详细介绍一下载荷调制器(8)的工作原理及组成。载荷调制器(8)由可控凡尔(19)、顶杆(20)、电磁铁(21)、电磁线圈(22)装配组成。当抽油泵正常工作时，可控凡尔(19)将随抽油机周期地上下运动。此时由井上设备必测得如图6所示的可控凡尔正常时的示功图(23)，当井下控制脉冲序列(16)经驱动器(7)输出，该脉冲加至电磁线圈(22)上产生电流，当电磁线圈(22)流过电流时，电磁铁(21)产生吸力吸引顶杆(20)向上顶出。这时可控凡尔(19)下落时因为顶杆(20)顶出一段所以使得可控凡尔(19)不能如图5所示的那样复位。因此大量的油从可控凡尔(19)与复位孔之间形成的空隙流失。该过程也就是可控凡尔(19)在受控期间产生严重漏失或部分漏失的情况。这时井上设备将立即测出如图6所示的可控凡尔全部(或部分)漏失时的示功图(24)(25)。
本发明有如下附图图1正常示功图及固定凡尔发生漏失情况下的示功图及相应的时间展开图。
图2载荷调制遥测法原理方框图。
图3井下控制脉冲和井上应变信号波形图。
图4载荷调制遥测装置图。
图5载荷调制器剖视图。
图6实验记录图。
图中标号名称如下1.正常抽油时示功图2.固定凡尔发生漏失时的示功图3.与1对应的应变时间展开图4.与2对应的应变时间展开图5.井下传感器(弦式压力计)6.信号变换及编码器7.驱动器8.载荷调制器9.抽油泵10.抽油杆11.井上传感器(应变或扭矩传感器)12.放大器13.自适应滤波器14.译码器15.显示记录16.井下控制脉冲序列17.井上应变信号18.钢管19.可控凡尔20.顶杆
21.电磁铁22.电磁线圈23.可控凡尔正常时的示功图24.可控凡尔全漏失时的示功图25.可控凡尔部分漏失时的示功图26.电池组27.连接压块28.测试车本发明的优点是油井下发送端利用很少的能源对深井泵工作状态进行控制，信号经抽油杆(或钻杆)向上传输，地面接收端能方便可靠地检测出信号，从而可以实现深井泵下资料不停产遥测及随钻测量。利用本发明对一泵深为1157米的深井进行了可行性试验。在泵下以一可控凡尔代替其固定凡尔。井下压力传感器输出被测信号经信号变换及编码器后发送端发出一串控制脉冲去控制可控凡尔，可控凡尔在受控期间产生严重漏失，由井口示功图测试仪及应变记录仪结果表明所传输的信号记录清晰，传输系统工作可靠，记录结果如图6所示。使用本发明可提高产油量，节省测试时间，节省资金和能源。本发明性能可靠，结构简单，成本低有利于在油田推广使用。
本发明的工作过程是由井下压力传感器(5)输出被测信号，经信号变换及编码器(6)变换编码产生井下控制脉冲序列(16)，井下控制脉冲序列(16)经驱动器(7)去控制载荷调制器(8)，通过载荷调制器(8)控制可控凡尔(19)同时使抽油杆(10)受控偏离正常载荷状态，这一载荷变化随着抽油杆(10)直接传递到井口，由井口的应变传感器(11)接收，经放大器(12)放大为电信号，经自适应滤波器(13)滤波，经译码器(14)译码则可恢复井下的被测信号并由显示记录(15)显示输出。
权利要求
1.关于石油生产和钻井过程中，深井泵下的测量方法问题，一般是停产通过有线方法进行测量，本发明的技术特征是深井泵下资料不停产通过载荷调制遥测法进行无线遥测，方法是井下传感器(5)发出被测信号，该信号经信号变换及编码器(6)变换编码后形成井下控制脉冲序列(16)，该控制脉冲(16)经驱动器(7)去控制载荷调制器(8)，载荷调制器(8)控制可控凡尔(19)同时使抽油杆(10)(或钻杆)受控偏离正常载荷状态，这一载荷变化随着抽油杆(10)(或钻杆)直接传递到井口由井口的应变(或扭矩)传感器(11)接收，井口的应变(或扭矩)传感器(11)的信号经过放大器(12)放大成电信号，该电信号经过自适应滤波器(13)滤波，检出调制端的控制信号经译码器(14)译出后可恢复井下的被测信号数据，并由显示记录(15)显示输出。
2.这种载荷调制遥测法进行载荷调制遥测的装置其技术特征是该装置由井下设备、机械运转部分和井上设备等三部分组成。井下设备包括有井下传感器(5)、信号变换及编码器(6)、驱动器(7)、载荷调制器(8)。机械运转部分有抽油泵(9)，抽油杆(10)(或钻杆)。井上设备包括有井上传感器(11)、放大器(12)、自适应滤波器(13)、译码器(14)、显示记录(15)。按照设计需要，抽油泵(9)和抽油杆(10)可安装在井下所需深处。井下设备信号变换及编码器(6)、驱动器(7)、载荷调制器(8)。按照图2连接后密封在一段直径为75厘米长约2米多的钢管(18)内，钢管(18)中还装有供电用的电池组(26)，钢管(18)直接悬挂在抽油泵(9)下面，井下传感器(5)可以直接与信号变换及编码器(6)连接，也可以用专门的钢缆吊置于井下其他测量部位。井上设备，井上传感器(11)安装在抽油杆(10)顶端的连接压块(27)中。放大器(12)、自适应滤波器(13)、译码器(14)、显示记录(15)按图2连接后安装在测试车(28)内，井上传感器(11)的输出信号端及供电部分用电缆与测试车(28)内的放大器(12)的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的载荷调制遥测装置，其特征在于载荷调制器(8)由可控凡尔(19)、顶杆(20)、电磁铁(21)、电磁线圈(22)装配组成。
4.根据权利要求1所述的载荷遥测法，其特征在于控制脉冲序列(16)中的两个相邻的单个控制脉冲之间的时间间隔为抽油泵(9)工作周期T整数倍。
全文摘要
为使石油高产稳产，迫切需要解决井下信号的遥测问题。载荷调制遥测法及装置利用抽油杆载荷的变化，将井下信号由抽油杆的一端传向另一端。为深井泵下资料不停产遥测开辟了一个新的信号传输途径。装置介绍了由井下压力传感器输出的被测信号经变换及编码形成控制脉冲，再经驱动器去控制可控凡尔，致使抽油杆载荷受到调制，由井上设备接收处理后解调出被测信号。该装置在设计上作适当更改，其原理可推广应用于随钻测试技术方面。
文档编号E21B47/00GK1033533SQ8710730
公开日1989年6月28日 申请日期1987年12月15日 优先权日1987年12月15日
发明者周富大, 欧阳长月, 邹华民, 龙洪彬, 张式其 申请人:北京航空学院