一种油气固井上胶塞位置监测装置及其检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及油气固井施工时井中套管内的上胶塞位置监测的技术领域，特别是一种油气固井上胶塞位置监测装置及其检测方法。
【背景技术】
[0002]固井作业是油气钻井施工的重要组成部分，固井作业过程中使用的上胶塞用途在于注水泥时隔离水泥浆和钻井液，防止水泥浆中渗入钻井液而影响固井质量。长期以来，油气井注水泥施工过程中对上胶塞在井中套管内的位置判断是根据固井作业中泥浆泵的水泥浆排量与套管内径及容积参数计算后而得出，但由于泥浆泵排量的不稳定性、套管内外水泥浆与钻井液的密度差引发的U形管效应、套管井径异常等因素，致使上胶塞的准确井深位置难以获知，影响了固井施工精细作业的高质量完成。
[0003]目前，国外威泽福(Weathford)公司的Casing Wiper Plugs、石油大学(北京，CN1167870A)等的专利技术是在设定井深套管上预安装带凸出块(或胶塞限制挡板)的挡圈，固井作业时上胶圈在套管内下移并与挡圈相遇，受挡圈凸出块(或胶塞限制挡板)的阻碍上胶塞暂停移动并使泥浆泵的泵压升高，当泵压升高到一定值时上胶塞将档圈的凸出块(或胶塞限制挡板)剪断并继续向下移动，而泥浆泵的压力得以恢复，根据泥浆泵的泵压变化即可判断上胶塞已到达设定井深位置，也可依据井口压力变送器所测得的压力波传递时间差判定上胶塞的井深位置。分析资料可知，预设挡圈技术只能获知上胶塞已到达设定井深，而不能获知到达设定井深过程中的实时位置参数，如遇到剪切挡圈凸出块(或胶塞限制挡板)失效、上胶塞破损及套管形变漏液等因素均可能使固井作业失败并造成巨大经济损失，故连续监测上胶塞实时位置极其重要。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种操作安全、省时省力、结构紧凑、信息传输可靠、测控及数据分析结果可靠、测量精度高的智能化的油气固井上胶塞位置监测装置及其检测方法。
[0005]本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种油气固井上胶塞位置监测装置，它包括垂向设置的套管、接箍检测子系统、光电信息传输子系统和上胶塞测控及分析子系统，套管内设置有浮箍和下胶塞，下胶塞设置在浮箍上，所述的接箍检测子系统由上胶塞短节、上胶塞和接箍检测器组成，上胶塞短节设置在套管的顶部，上胶塞设置在上胶塞短节内，接箍检测器设置在上胶塞的顶部，所述的光电信息传输子系统由监测套筒、以及设置在监测套筒内的防冲支撑筒、光纤卷筒、光电信号转换器和光电信号收发器组成，监测套筒设置在上胶塞短节的顶部，监测套筒的内壁上设置有止滑销圈，防冲支撑筒设置在止滑销圈顶部，光纤卷筒设置在防冲支撑筒的顶部，光电信号转换器设置在光纤卷筒的顶部，光纤卷筒内设置有光纤排放机构，光纤排放机构上卷绕有光纤，光纤一端与接箍检测器连接，光纤的另一端与光电信号转换器连接，光电信号转换器与光电信号收发器连接，上胶塞测控及分析子系统由设置在监测套筒外部的数据采集及测控系统、压力及温度变送器和上位机组成，压力及温度变送器的工作端与监测套筒连通，上位机与数据采集及测控系统连接，数据采集及测控系统与光电信号收发器和压力及温度变送器连接，它还包括注液阀、排气阀、高压截止阀A和高压截止阀B，注液阀、排气阀和高压截止阀A均与监测套筒连通，注液阀和排气阀设置在监测套筒的顶端，高压截止阀A设置在监测套筒的底端，高压截止阀B与上胶塞短节连通。
[0006]所述的接箍检测器与上胶塞采用螺纹连接或粘结。
[0007]所述的光纤为单模光纤或多模光纤，所述的光纤上也可设置浮子串。
[0008]所述的监测套筒与上胶塞短节采用螺纹或法兰连接。
[0009]所述的高压截止阀A和高压截止阀B为电动阀、气动阀或手动阀。
[0010]所述的光电信号转换器和光电信号收发器均由耐压防爆防水材料加工而成，且光电信号转换器和光电信号收发器上均连接有电源。
[0011]所述的光电信号转换器和光电信号收发器采用有线传输信号或无线传输信号。
[0012]所述的上位机为带嵌入式系统的工业触摸屏或计算机。
[0013]所述的光纤也可为电缆。
[0014]一种油气固井上胶塞位置监测装置的检测方法，它包括以下步骤:
51、监测装置的初始设置，将上胶塞装入上胶塞短节中，连接接箍检测器与上胶塞；将光纤排放机构置入光纤卷筒内，将光纤的一端连接接箍检测器，光纤的另一端连接光电信号转换器；将光电信号转换器与光电信号收发器连接；用止滑销圈将防冲支撑筒和光纤卷筒固定于监测套筒内；将上胶塞短节上端与监测套筒法兰连接，将上胶塞短节下端与套管螺纹(或法兰)连接；将高压截止阀A和高压截止阀B分别与供应钻井液系统、钻井泥浆泵连接；经注液阀向监测套筒内注入压力平衡液，从监测套筒内排出的空气经排气阀排出；将光电信号转换器、压力及温度变送器和数据采集及测控系统与上位机连接，通过上位机向数据采集及测控系统发出指令可使该监测装置处于等待测试状态，从而实现了监测装置的初始设置；
52、固井作业及上胶塞的监测，在固井作业时，钻井泥浆泵通过高压截止阀B向套管内泵入用于固井的水泥浆直至注满套管，注满后，关闭高压截止阀B并开启高压截止阀A，供应钻井液系统通过高压截止阀门A向监测套筒内泵入钻井液，由于钻井液及压力平衡液的不可压缩性，随着钻井液的持续泵入钻井液体积逐渐增大，压力变化使上胶塞沿套管向井下移动，接箍检测器同步开始实时检测上胶塞的位移量、套管接箍位置、压力等参数，接箍检测器将这些参数经光纤传递给数据采集及测控系统，数据采集及测控系统将电信号传递给上位机，上位机实时接收和分析显示井下上胶塞的移动位置信息，泥浆泵连续工作直至上胶塞到达设计井深与下胶塞“碰压”后即固井作业完成，从而实现了固井作业及上胶塞的监测；
53、当步骤S2结束后，关闭高压截止阀A，开启排气阀以进行监测套筒7泄压；
54、使光纤卷筒外部的光纤与光纤卷筒机械脱离，脱离的光纤随上胶塞一起留在井中套管内，由于光纤和接箍检测器选用制造材料的性质，因此，留在井内对后续钻井施工无任何影响；
55、电脱离数据采集及测控系统与上位机、机械脱离套管与上胶塞短节，回收井内留存光纤，清洗装置后可等待再次使用。
[0015]本发明具有以下优点:(1)泥浆泵向套管内注入体积不可压缩的钻井液致使上胶塞向井下移动，与上胶塞机械连接的磁电光检测器可实时监测上胶塞在套管中的位置等参数，而参数信息以光的方式由光纤传至数据采集及测控系统，再由数据采集及测控系统传至上位机。(2)本发明适合各种钻井套管管径，可在陆地、海洋的各种固井施工作业井场使用，相比现在凭人工经验判断进行固井作业监督更直观和科学。(3)本发明的监测装备具有结构合理、测量及分析结果可靠且具有实时性、触摸屏程序操作简便、固井现场作业指挥、故障预测及处理更具有了科学可靠的测试数据分析基础。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的结构示意图；
图中，1-套管，2-浮箍，3-下胶塞，4-上胶塞短节，5-上胶塞，6-接箍检测器，7-监测套筒，8-防冲支撑筒，9-光纤卷筒，10-光电信号转换器，11-光电信号收发器，12-止滑销圈，13-光纤，14-数据采集及测控系统，15-压力及温度变送器，16-上位机，17-排气阀，18-注液阀，19-高压截止阀A，20-高压截止阀B，21-钻台。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述: 如图1所示，一种油气固井上胶塞位置监测装置，它包括垂向设置的套管1、接箍检测子系统、光电信息传输子系统和上胶塞测控及分析子系统，套管I内设置有浮箍2和下胶塞3，下胶塞3设置在浮箍2上，所述的接箍检测子系统由上胶塞短节4、上胶塞5和接箍检测器6组成，上胶塞短节4设置在套管I的顶部，监测套筒7与上胶塞短节4采用法兰连接，上胶塞5设置在上胶塞短节4内，接箍检测器6设置在上胶塞5的顶部，接箍检测器6与上胶塞5采用螺纹连接或粘结。
[0018]如图1所示，光电信息传输子系统由监测套筒7、以及设置在监测套筒7内的防冲支撑筒8、光纤卷筒9、光电信号转换器10和光电信号收发器11组成，由于防冲支撑筒8、光纤卷筒9、光电信号转换器10和光电信号收发器11均设置在监测套筒7内，因此，能够有效防止设备意外落入井中或者受到上胶塞反冲作用。所述的固井作业时可防止经高压阀门A注入的泥浆对光纤排放造成的冲击损害，监测套筒7设置在上胶塞短节4的顶部，监测套筒7的内壁上设置有止滑销圈12，防冲支撑筒8设置在止滑销圈12顶部，光纤卷筒9设置在防冲支撑筒8的顶部，光电信号转换器10设置在光纤卷筒9的顶部，光纤卷筒9内设置有光纤排放机构，光纤排放机构上卷绕有光纤13，从而能够确保光纤13能随上胶塞5在套管I中移动，确保光纤13平稳排放。光纤13为单模光纤或多模光纤。所述的光纤13上也可设置浮子串，光纤13 —端与接箍检测器6连接，光纤13的另一端与光电信号转换器10连接，光电信号转换器10与光电信号收发器11连接。所述的光纤13也可为电缆。
[0019]如图1所示，上胶塞测控及分析子系统由设置在监测套筒7外部的数据采集及测控系统14、压力及温度变送器15和上位机16组成，压力及温度变送器15的工作端与监测套筒7连通，上位机16为带嵌入式系统的工业触摸屏或计算机，上位机16与数据采集及测控系统14连接，数据采集及测控系统14与光电信号收发器11和压力及温度变送器15连接。
[0020]如图1所示，它还包括注液阀18、排气阀17、高压截止阀A19和高压截止阀B20，高压截止阀A19和高压