一种油气井管柱动力学监测器及其监测方法与流程

1.本发明属于井下管柱载荷测试技术领域，特别涉及一种油气井管柱动力学监测器及其监测方法。


背景技术：

2.超深超高压气井实际工作时井下管柱处于流体诱发振动状态，尤其是大排量压裂和高产气时，随着流体流速的增大，产生的振动载荷变化幅度更大，更易引发管柱失封、脱扣、断裂等安全事故。此外，因井下管柱自重、内外流体压力、管内流体流动时的粘滞摩阻、管柱弯曲后与井壁之间的支反力、库伦摩擦力等工作载荷的作用，管柱位将承受轴向力、内外压力等载荷。现有管柱力学理论难以解释，并且在实际生产中尚缺少动态监测载荷数据的支持；而现有的“井下管柱载荷测试器”，无法同时采集井下管柱振动、动态轴向力及内外压力，并且采样点数与频率低，不能适应数千米高温高压工况。因此常规的测试仪器不能很好监测井下管柱的动力特性并且不能很好的适用于高温高压井下管柱。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种油气井管柱动力学监测器及其监测方法，解决了现有井下管柱载荷测试器无法同时采集井下管柱振动、动态轴向力及内外压力的问题。
4.本发明是通过以下技术方案来实现：
5.一种油气井管柱动力学监测器，包括仪器本体、外筒、下接头和内管，内管可拆卸设置在仪器本体的内部，下接头的上端与仪器本体的下端可拆卸连接，且下接头的上端位于仪器本体的内部；
6.外筒的上端与仪器本体的外表面可拆卸连接，外筒的下端与下接头的外表面可拆卸连接，仪器本体和下接头的外表面均为台阶状结构，仪器本体、外筒和下接头之间形成中空的安装腔，安装腔内安装有存贮器、应变片、振动传感器和电池；
7.下接头上安装有用于监测外部流体压力的外压力传感器和用于监测内部流体压力的内压力传感器；
8.应变片、振动传感器、外压力传感器及内压力传感器分别与存贮器连接，电池与应变片、振动传感器、外压力传感器、内压力传感器及存贮器电连接。
9.进一步，下接头上开有外压力传感器安装槽和内压力传感器安装槽，外压力传感器安装在外压力传感器安装槽内，内压力传感器安装在内压力传感器安装槽内；
10.外压力传感器安装槽的外侧设有外压通道，外压通道与外压力传感器安装槽连通，且外压通道与下接头的外部连通；
11.内压力传感器安装槽的内侧设有内压通道，内压通道与内压力传感器安装槽连通，且内压通道与下接头的内部连通。
12.进一步，外压力传感器安装槽和内压力传感器安装槽均与安装腔连通。
13.进一步，仪器本体与下接头之间还设有紧定螺钉，仪器本体与下接头通过紧定螺
钉进行定位固定。
14.进一步，仪器本体包括依次连接的第一台阶面、第二台阶面、第三台阶面和第四台阶面，第一台阶面、第二台阶面、第三台阶面和第四台阶面的直径依次变小；
15.下接头包括依次连接的第五台阶面和第六台阶面，第五台阶面直径小于第六台阶面，形成凸台。
16.进一步，应变片安装在第二台阶面上，振动传感器和电池安装在第三台阶面上；
17.第五台阶面与仪器本体下端螺纹连接，外筒一端与第二台阶面螺纹连接，另一端与第六台阶面螺纹连接。
18.进一步，在第二台阶面上开有第一密封槽，第一密封槽内安装有第一密封圈。
19.进一步，内管靠近上端的位置处开有第二密封槽，第二密封槽内安装有第二密封圈；内管靠近下端的位置处开有第三密封槽，第三密封槽内安装有第三密封圈。
20.进一步，下接头与仪器本体连接的位置处设有第四密封槽，第四密封槽内安装有第四密封圈；
21.下接头与外筒连接的位置处设有第五密封槽，每个第五密封槽内均安装有第五密封圈。
22.本发明还公开了所述的一种油气井管柱动力学监测器的监测方法，包括以下过程：
23.取两个油气井管柱动力学监测器，将仪器本体上端和下接头下端分别与油管相连入井，一个油气井管柱动力学监测器置于靠近井口位置，另一个油气井管柱动力学监测器置于靠近封隔器上部位置；
24.井内流体进入内管中，井内流体流动后，引起油管振动及轴力发生变化，该变化由振动传感器及应变片测试得到；
25.外筒外部的流体压力传递至外压传感器，内管内部的流体压力传递至内压传感器；
26.振动传感器、应变片、外压传感器及内压传感器测得的动态数据储存在存贮器中。
27.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
28.本发明公开了一种油气井管柱动力学监测器，包括仪器本体、外筒、下接头和内管，内管可拆卸设置在仪器本体的内部，下接头的上端与仪器本体的下端也为可拆卸连接，且下接头的上端位于仪器本体的内部；本发明中油气井管柱动力学监测器与常规载荷测试仪器相比，增加了内管的结构，消除了由于内压产生的鼓胀效应对仪器本体所测轴向力的影响；同时，还增加了振动传感器，可以用来测量管柱振动；通过设计的安装腔结构，使其即满足高温高压井对于仪器强度的要求，又要保证的安装腔的有效容积尽可能大，以容纳体积更大的高温电池及存储器，提高了采样频率与点数，从而得到更准确的管柱振动载荷数据。能够在井下对管柱的振动、动态轴向力及内外压力进行实时监测，为建立管柱力学理论提供足够的数据支持。
29.进一步，各部件设计为可拆卸的螺纹连接，以便于后期维护仪器、检修。
30.本发明还公开了一种油气井管柱动力学监测器的监测方法，能够在井下对管柱的振动、动态轴向力及内外压力进行实时监测，将其安装在靠近进口的位置和靠近封隔器上部的位置处，可以分别记录近口管柱和下部管柱的载荷；在封隔器坐封后，管柱上部和下部
受力状态不同，靠近井口上部的管柱处于拉伸状态(受拉力)，下部管柱处于压缩状态(受压力)，同时上、下两部分的振动也不同，因此监测两处的载荷数据更准确。
附图说明
31.图1为本发明的一种油气井管柱动力学监测器结构示意图；
32.图2为本发明的仪器本体结构示意图；
33.图3为本发明的内管结构示意图；
34.图4为本发明的下接头结构示意图。
35.其中：1为仪器本体，2为外筒，3为下接头，4为内管，5为安装腔，6为应变片，7为振动传感器，8为井下高温干电池，9为外压力传感器，10为内压力传感器，11为紧定螺钉，12为第一密封槽，13为第一密封圈，14为第二密封槽，15为第三密封槽，16为第二密封圈，17为第三密封圈，18为第四密封槽，19为第四密封圈，20为第五密封槽第四密封圈，21为第五密封圈，22为外压力传感器安装槽，23为内压力传感器安装槽，24为外压通道，25为内压通道。
具体实施方式
36.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
37.如图1～4所示，本发明公开了一种油气井管柱动力学监测器，包括仪器本体1、外筒2、下接头3和内管4，仪器本体1的两端均为内螺纹联接端，所述内管4通过所述仪器本体1内的螺纹可拆卸设置在所述仪器本体1的内部，所述下接头3的上端与所述仪器本体1的下端也为螺纹可拆卸连接，且所述下接头3的上端位于所述仪器本体1的内部。
38.在所述下接头3和所述仪器本体1上对应设有螺纹通孔，在螺纹通孔中安装紧定螺钉11，通过紧定螺钉11对仪器本体1和下接头3进行定位固定。所述内管4全部位于所述仪器本体1的内部，所述下接头3的上端位于仪器本体1内，所述内管4的下端与所述下接头3的上端接触但不连接。
39.所述仪器本体1和所述下接头3的外表面均为台阶状结构，所述仪器本体1的外径从上端到下端是缩小的，所述下接头3的外径从上端到下端是扩大的，所述下接头3的台阶以上部分位于仪器本体1内，且下接头3的台阶以下部分位于仪器本体1的下方，且所述下接头3的台阶以下部分的外径大于仪器本体1下端的外径，形成一个凸台。
40.具体地，如图2所示，仪器本体1包括依次连接的第一台阶面、第二台阶面、第三台阶面和第四台阶面，第一台阶面、第二台阶面、第三台阶面和第四台阶面的直径依次变小；如图4所示，下接头3包括依次连接的第五台阶面和第六台阶面，第五台阶面直径小于第六台阶面，形成凸台。
41.所述外筒2套设在所述仪器本体1的外部，且所述外筒2的上端与所述仪器本体1的外表面螺纹连接，所述外筒2的下端与所述下接头3的外表面螺纹连接，从而使得所述仪器本体1、外筒2和下接头3之间形成一个中空的安装腔5，所述安装腔5内安装有存贮器、应变片6、振动传感器7和电池8。电池8采用井下高温干电池。应变片6和振动传感器7分别与存贮器连接。
42.应变片6安装在第二台阶面上，振动传感器7和电池8安装在第三台阶面上；第五台
阶面与仪器本体1下端螺纹连接，外筒2一端与第二台阶面螺纹连接，另一端与第六台阶面螺纹连接。
43.应变片6可以用来监测流体流动引起的管柱轴向力，振动传感器7可以用来监测流体流动引起的管柱振动，井下高温干电池为监测器内的电器件提供电源，将仪器本体1、下接头3设置成台阶状结构，从而使得仪器本体1、外筒2和下接头3之间形成的中空的安装腔5，不仅可以为应变片6、振动传感器7和井下高温干电池提供安装位置，还能够将这些电子元件与井下液体隔开，有效保护电子元件。
44.所述下接头3上分别安装有用于监测外部流体压力的外压力传感器9和用于监测内部流体压力的内压力传感器10；所述下接头3上分别设有外压力传感器安装槽22和内压力传感器安装槽23，所述外压力传感器安装槽22和内压力传感器安装槽23均设置在下接头3的台阶位置凸出仪器本体1下端的侧面上，且所述外压力传感器安装槽22和内压力传感器安装槽23均与所述安装腔5连通，所述外压力传感器9安装在所述外压力传感器安装槽22内，所述内压力传感器10安装在所述内压力传感器安装槽23内。外压力传感器9及内压力传感器10分别与存贮器连接。
45.所述外压力传感器安装槽22的外侧设有外压通道24，所述外压通道24与所述外压力传感器安装槽22连通，且所述外压通道24与所述下接头3的外部连通；监测器外部流体压力通过外压通道24传递至外压力传感器9。
46.所述内压力传感器安装槽23的内侧设有内压通道25，所述内压通道25与所述内压力传感器安装槽23连通，且所述内压通道25与所述下接头3的内部连通；监测器内部流体压力通过内压通道25传递至内压力传感器10。
47.为了保证监测器内部的密封性能，在所述仪器本体1与所述外筒2连接的位置处设有两圈第一密封槽12，每个所述第一密封槽12内均安装有第一密封圈13，所述仪器本体1与所述外筒2之间通过两个第一密封圈13进行密封。
48.如图3所示，在所述内管4靠近上端的位置处开有两圈第二密封槽14，所述内管4靠近下端的位置处开有两圈第三密封槽15，每个所述第二密封槽14内均安装有第二密封圈16，每个所述第三密封槽15内均安装有第三密封圈17；所述内管4与所述仪器本体1之间留有间隙，可以抵消由于内压产生的鼓胀效应对仪器本体1所测轴向力的影响。仪器本体1内侧与内管4之间通过第二密封圈16和第三密封圈17密封连接，外侧与外筒2通过第一密封圈13密封连接，在外压的作用下外筒2向内压缩第一密封圈13，在内压的作用下内管4向外压缩第二密封圈16和第三密封圈17，构成了自紧密封，保证了安装腔5的密封性能。
49.所述下接头3与所述仪器本体1连接的位置处即第五台阶面上开有两圈第四密封槽18，每个所述第四密封槽18内均安装有第四密封圈19；所述下接头3与所述外筒2连接的位置处即第六台阶面上开有两圈第五密封槽20，每个所述第五密封槽20内均安装有第五密封圈21。
50.具体的，考虑在油气井管柱中7
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套管内作业的需要，兼顾密闭环形空间内放置电子元件的需要，确定监测器最大外径140mm、最小内径48mm。为了便于监测器与油管连接下井，监测器两端选用靠o型圈密封的cas工具扣，监测器与其它扣型油管的连接可由变扣接头实现。
51.油气井管柱动力学监测器考虑了井下空间的限制、施工要求及电子元件的轮廓尺
寸，尺寸和内部结构优化，在内外径尺寸不能改变的前提下，外筒2与仪器本体1形成的安装腔5既要有足够的壁厚保证强度，又要保证尽可能大的有效安装空间。
52.受电子元件及井下高温干电池8外形尺寸的限制，外筒2内径与仪器本体1外径之间的间隙应≥20mm。
53.由于监测器位于井下工作，为了确保其强度并防止井液的腐蚀，仪器本体1、外筒2、下接头3及内管4选用经表面法兰处理的高强度钢40crnimoa。
54.本发明中的油气井管柱动力学监测器在使用时安装在尽量靠近井口位置处和尽量靠近封隔器上部的位置处，分别记录井口管柱和下部管柱的载荷。
55.本发明的油气井管柱动力学监测器在现场实测时，监测器上端和下端分别通过变扣接头与油管相连入井，使用两个监测器，分别置于井口及封隔器上部靠近管柱中和点附近。流体流动引起管柱振动及轴力发生变化，该变化由固定在安装腔5内的振动传感器7及应变片6测试得到；外部流体压力通过外压通道24传递至外压力传感器9，内部流体压力通过内压通道25传递至内压力传感器10，所测动态数据储存在仪器内置的存贮器中，作业结束后，仪器与管柱一同出井，将监测器与计算机通过usb数据线相连，然后运行计算机内预装的数据处理与回放软件即可完成存储数据的回放、处理、转存、图表显示、打印等后续操作。
56.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。