专利名称：抽油井用地面至井下无线传输装置的制作方法
技术领域：
抽油井用地面至井下无线传输装置技术领域[0001]本发明涉及油田采油技术领域，特别涉及油井地面至油井井下无线传输用声波通 讯装置，实现从地面无线遥控井下工具。
背景技术：
[0002]目前，油田开发进入中后期，油井综合含水普遍上升，层间矛盾突出，稳产难度越 来越大。为了解决这一问题，自20世纪90年代开始兴起，在井中安装了可获得井下油气生 产信息的传感器、数据传输系统和控制设备，并可在地面进行数据收集和决策分析的井。可 以进行远程控制，达到优化产能的目的。主要部件包括[0003](I)流动控制装置，通常是控制流体流出/入油藏的水力内部控制阀；[0004](2)直通层间隔离封隔器，使水力控制管线和地下控制阀连通；[0005](3)井下传感器，向地面提供压力、温度和流量数据；[0006](4)控制系统，包括水力/电力地面系统，用以监测和控制地面条件。[0007]影响该技术广泛应用的最主要问题就是地面和井下设备之间的通讯，目前实际 应用的方式主要依靠光纤通信，主要缺点是一、价格昂贵，二、需要在完井时将光纤下入井 内，特别适用于新井投产，老井需要技术改造，而且维修困难。[0008]解决地面和井下设备之间的通讯问题主要有方式有[0009]①电缆传输。其缺点是工艺复杂，成本高。遇到油井的井身结构、井眼轨迹复杂 (包括水平井)，电缆无法下入。中国专利公告号CN 201068794Y，名称为《井下数据无线 交换装置》的专利中公开了一种井下数据无线交换装置，主要由井下数据测量仪和井下数 据回读仪通过数据井下测量仪天线和井下数据回读仪天线无线耦合一体连接而构成。使 用时，两仪器间通过天线耦合交换测量数据，数据交换完成后，再通过电缆将数据传送至地 面。该技术从本质上依然是电缆传输数据，实际使用时仍然需要起下电缆作业。[0010]②井下数据通过低频声波沿油管传输。如中国专利公告号CN I01220742A，名称为 《一种油井固相介质中声波调制传输及解析设备》、中国专利公告号CN 201599025U，名称为 《油井井下无线遥测系统的井口接收设备》等专利中公开的声波通信技术，均通过油管将井 下信号传输至地面，由地面设备接收。虽然使用了声波通讯技术，但是一是要求油管必须连 续，二是均为井下至地面的数据传输，不涉及地面至井下的通讯。[0011]③由地面至井下传输的技术有两种，一是如中国专利公告号CN 102031953A，名称 为《一种智能井井下层位选择液压解码方法及装置》公开的利用液压控制向井下传递地面 控制信号，该技术需要建设复杂的液压管线。二是如中国专利公告号CN 1406311A，名称为 《用于井中无线通信和控制的扼流电感器》专利中公开的通信技术，在井下安装一种铁磁扼 流圈形式的电流阻抗器件，其中跨过扼流圈产生一个电压电位，以供电井中的器件和传感 器并且与其通信。该技术可归类于电磁波通信，需要在油井作业起下油管时安装该设备。[0012]④如中国专利公告号CN 101250987A，名称为《一种油井智能分层测试与开采的方 法》和中国专利公告号CN 101498211A，名称为《一种用声波遥控分层配水的方法》专利中公开的通信技术，与本技术类似，都是从地面向井下传递信号，其中《一种油井智能分层测 试与开采的方法》提及“地面发射遥控指令”，但是未提及信号的性质。《一种用声波遥控分 层配水的方法》提到使用声波信号，但是没有公布使用信号的频率、地面设备及井下接收设 备的构成，没有介绍编码方案。同时在发射声波信号时需要将声波信号发生器的信号发射 端没入油管液面下，只需要将信号发射端连接在井口四通的套管闸门上即可。最主要的是 这些通信方案只能传递简单的信号，是另一技术的一个组成部分。编码方案可以向井下传 递复杂的报文，是一种通用的通信技术。发明内容[0013]本实用新型的目的是提供一种抽油井用地面至井下无线传输装置，用于油井用 无线传输遥控井下仪器，有效降低现场测试费用，为井下通讯系统提供解决方案。[0014]本实用新型采用的技术方案是抽油井用地面至井下无线传输装置，包括地面声 波发射装置和井下声波信号接收机两大部分。其特征在于[0015]地面声波发射装置包括笔记本电脑、功率放大器、高音音喉和声波导管；笔记本电 脑通过信号线连接功率放大器，功率放大器通过信号线连接高音音喉，高音音喉与声波导 管固定在一起；高音音喉和声波导管设置在井口四通的套管阀门内。在井口有井口四通，套 管阀门固定在井口四通的一侧；井口四通下端连接有套管；油管在套管内，油管的上端固 定在井口四通内，油管之间连接有油管接箍，油管的下端连接抽油泵，抽油泵的下端依次连 接筛管和导锥。[0016]高音音喉和声波导管以O 3kHz的数字扫频信号为基波，命令编码为一定(模糊) 频率的声波信号，按照编码规则叠加在基波上，组成完整的声波编码。该声波编码通过计算 机声卡发出，通过音频接口输入到地面功率放大器，地面功率放大器将信号放大至足够的 功率使用高音音喉(电声换能器)将声波信号发出，通过声波导管从井口四通注入到井筒 内向下传输。套管内的环形空间是信号传输通道。通过理论分析以及现场实验测试发现， 在这种结构的信道中声波传输频率在O 3kHz内最佳，所以本技术中采用O 3kHz声波 信号作为基波，在其上叠加O 3kHz内的窄带声波信号作为编码。[0017]井下声波信号接收机主要由水声换能器、信号处理电路、高温电池和通讯接口组 成。水声换能器连接在信号处理电路的上端，信号处理电路和通讯接口连接高温电池。高 温电池能承受井下120°C。井下声波信号接收机的下端连接受控工具；受控工具连接在固 定接头内；固定接头的上端连接下部油管，在下部油管的外壁上有封隔器，封隔器座封在套 管的内壁上，在下部油管的顶端连接有脱接器。[0018]导锥与井下声波信号接收机之间的距离在40 60m之间。[0019]井下声波信号接收机通过水声换能器接收地面信号，水声换能器接收到地面信号 后将其转变为电信号，经放大及滤波电路放大滤波后转换为±3V的模拟电信号。A/D转换 电路将该模拟信号变换为数字信号输入到单片机中，单片机把接收到的数字信号组合成编 码，再按照编码规则进行判定，通过通讯接口将接收到的编码发送给受控工具。受控工具根 据地面指令的控制采取相应的动作。同时，单片机还根据预先设置的程序控制整个电路的 工作，如休眠、电源开启、A/D转换的时序等。[0020]简述抽油井用地面至井下无线传输装置的工作原理。在油水井井口套管闸门处连接声波信号发生装置，发射O 3000Hz声波调制信号，利用油水井本身作为信道，声波信号传输到井下，在井下的声波信号接收机接收到地面声波信号，将声波信号解码为控制命令、 存储并发往受控工具。[0021]地面发射的声波编码采用调幅、调频相结合的方式，编码由唤醒码、标识码、命令码组成，其中唤醒码由不易混淆、特征明显的数字编码组成，如1010……系列；标识码表示由此开始进入通讯正文；命令码为通讯正文，采用国际通用标准编码。[0022]钢质水声换能器、信号处理电路、存储器、高温电池组成，耐温120°C，耐压25MPa， 适应井下高温高压环境要求。[0023]本实用新型的有益效果本实用新型抽油井用地面至井下无线传输装置，从地面发射声波信号，能达到控制工具动作的目的，有效降低现场测试、作业成本。
[0024]图1为抽油井用地面至井下无线传输装置示意图。[0025]图2为地面声波发射装置原理示意图。[0026]图3为井下声波信号接收机的结构示意图。[0027]图中部件序号为1_笔记本电脑，2-功率放大器，3-高音音喉，4-声波导管，5-套管阀门，6-油管，7-井口四通，8-油管接箍，9-套管，10-抽油泵，11-筛管，12-导锥，13-脱接器，14-封隔器，15-井下声波信号接收机，16-水声换能器，17-信号处理电路，18-高温电池，19-通讯接口，20-受控工具，21-固定接头。
具体实施方式
实施例1 :以一个抽油井用地面至井下无线传输装置为例，对本实用新型作进一步详细说明。[0029]参阅图1，本实用新型抽油井用地面至井下无线传输装置，包括地面声波发射装置和井下声波信号接收机15两大部分。[0030]地面声波发射装置包括笔记本电脑1、功率放大器2、高音音喉3和声波导管4。笔记本电脑I通过信号线连接功率放大器2，功率放大器2通过信号线连接高音音喉3，高音音喉3与声波导管4固定在一起。功率放大器2选用各公司的成型功率放大器，要求功率在250W以上，如杭州无线电四厂的PA250型功率放大器。高音音喉3选用大功率高音警报器，如常州凯特来电子有限公司的250。声波导管4根据所需传输的声波频率性质设计加工。高音音喉3和声波导管4设置在井口四通7的套管阀门5内。在井口有井口四通7，套管阀门5固定在井口四通7的一侧。井口四通7下端连接有套管9。油管6在套管9内， 油管6的上端固定在井口四通7内，油管6之间连接有油管接箍8，油管6的下端连接一个抽油泵10，抽油泵10的下端通过油管依次连接筛管11和导锥12。[0031]井下声波信号接收机15主要由水声换能器16、信号处理电路17、高温电池18和通讯接口 19组成。水声换能器16连接在信号处理电路17的上端，信号处理电路17和通讯接口 19连接高温电池18。高温电池18能承受井下120°C。井下声波信号接收机15的下端连接受控工具20 ;受控工具20连接在固定接头21内；固定接头21的上端连接下部油管，在下部油管的外壁上有封隔器14，封隔器14座封在套管9的内壁上，在下部油管的顶端连接有脱接器13。[0032]井下声波信号接收机15的导锥12的正下方，导锥12与井下声波信号接收机15 之间的距离为50m。[0033]井下信号解码时接到地面信号的最差时机是这种情况仪器处于工作周期，但是接到信号后进行的频谱分析不能保证仪器被唤醒，反而将这一段信号作为环境噪音存储， 然后进入了休眠。因此，为了保证地面信号被正确接收，我们设计的地面信号包括唤醒码、 标识码和命令码。唤醒码是由一系列不易混淆、特征明显的数字编码组成比如1010……序列，其长度必须长于一个休眠周期加上一个工作周期，以保证能够将仪器正确唤醒。标识码表示由此开始进入通讯正文，在此之前的编码为唤醒码，后面为命令码。可以由特征明显，不常用到的编码组成，如1111等。命令码通讯正文，可根据具体情况采用ACSI I码或其他国际通用标准编码。表示地面控制井下受控工具的正是命令。[0034]具体过程为a)声波信号源根据所需发射的命令代码产生的音频电信号；b)音频电信号被功率放大器放大，用以获得足够大的发射功率；[0035]c)电声换能器将放大后的电信号转换为声波信号，从油井口注入井内。声波信号在油井油管内孔或油管与套管之间的环空中传输。[0036]井下接收装置接收到声波信号后按照以下步骤处理a)声电换能器将声波信号转换为电信号；b)信号处理电路中的仪表放大器对该信号进行预放大，之后有源滤波器会滤除带外干扰，并对有用信号进行进一步的放大，以供后级电路处理；c)单片机控制模数转换器采集处理过的信号，并进行解调操作，还原出油井地面发声装置发射的命令代码，再根据命令代码控制井下设备进行相应操作。在现场实际应用中得到如下结果利用油管与套管之间的环形空间、套管信道，在直井声波接收机最深在2800m处接收到地面发射的声波信号，并正确解码控制井下受控工具动作，信噪比最低5dB 6dB。
权利要求1.一种抽油井用地面至井下无线传输装置，包括地面声波发射装置和井下声波信号接收机(15)两大部分；其特征在于 地面声波发射装置包括笔记本电脑(I)、功率放大器(2)、高音音喉(3)和声波导管(4);笔记本电脑(I)通过信号线连接功率放大器(2)，功率放大器(2)通过信号线连接高音音喉(3),高音音喉(3)与声波导管(4)固定在一起；高音音喉(3)和声波导管(4)设置在井口四通(7)的套管阀门(5)内；在井口有井口四通(7)，套管阀门(5)固定在井口四通(7)的一侧；井口四通(7)下端连接有套管(9);油管(6)在套管(9)内，油管(6)的上端固定在井口四通(7)内，油管(6)之间连接有油管接箍(8)，油管(6)的下端连接抽油泵(10)，抽油泵(10)的下端依次连接筛管(11)和导锥(12)； 井下声波信号接收机(15)主要由水声换能器(16)、信号处理电路(17)、高温电池(18)和通讯接口(19)组成；水声换能器(16)连接在信号处理电路(17)的上端，信号处理电路(17)和通讯接口(19)连接高温电池(18);井下声波信号接收机(15)的下端连接受控工具(20);受控工具(20)连接在固定接头(21)内；固定接头(21)的上端连接下部油管，在下部油管的外壁上有封隔器(14)，封隔器(14)座封在套管(9)的内壁上，在下部油管的顶端连接有脱接器(13)。
2.根据权利要求1所述的抽油井用地面至井下无线传输装置，其特征在于导锥(12)与井下声波信号接收机(15)之间的距离在40 60m之间。
专利摘要抽油井用地面至井下无线传输装置，应用于油田井下采油。包括地面声波发射装置和井下声波信号接收机两大部分；高音音喉和声波导管设置在井口四通的套管阀门内；井下声波信号接收机的下端连接受控工具；受控工具连接在固定接头内；固定接头的上端连接下部油管，在下部油管的外壁上有封隔器，封隔器座封在套管的内壁上，在下部油管的顶端连接有脱接器。效果是从地面发射声波信号，能达到控制工具动作的目的，有效降低现场测试、作业成本。
文档编号E21B47/14GK202832516SQ20122029979
公开日2013年3月27日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者王燕嵩, 张宝辉, 祖世强, 郭吉民, 王凤清, 崔金榜, 李善维 申请人:中国石油天然气股份有限公司