井下经向流体动感音采集装置及使用方法与流程

1.本发明属于天然气生产井水平段开采井筒产气剖面监测领域，涉及一种井 下经向流体动感音采集装置及使用方法。


背景技术：

2.开采地层深处的天然气施工流程是，钻完井后首先需要下入设计好下入深 度和规格的生产套管而构成能连通到地面的开采井筒，再通过采用高能射孔技 术在与储能层对应的开采井筒上射出一定数量的连通孔组，这样储层中具有高 压能的天然气就能通过开采井筒上的连通孔组涌入到开采井筒内而被采出。原 先的直井射孔是开采井筒对应储层只射一组连通孔；而水平井设计的开采井筒 却能在同一储层内以近似水平的形态穿进近千米，根据天然气开采工艺设计， 每间隔70m就能实施布射一组连通孔，近千米的水平段开采井筒上大致能布射 十几组的连通孔以实现单井汇集式高产模式。随着水平井钻完井工艺的成熟与 发展，为求得单井高产，目前天然气开采领域基本全采用了水平井完井开采工 艺。
3.由于天然气储层内同时存在有地层水，随着开采所造成的天然气原始压力降低， 这时与天然气在同储层内的水就会由边部或底部逐渐随天然气一起由某一组连 通孔涌入到水平段开采井筒内，随着涌入量的淤积会逐渐在开采井筒内形成水 柱，当水柱高度上升到一定程度时就会压迫储层内的天然气而造成产气量降低； 为了恢复正常产量，首先需要明确地监测出这些水具体是从水平段开采井筒内 那一组连通孔涌入的以及水的涌入量强弱性，而后再采取堵水工艺有针对性地 对涌入水量强的那一组连通孔进行封堵水作业，在封堵水工艺成熟有效的前提 下，就需要考量监测技术的准确和可靠性。目前用于监测涌入水平段开采井筒 内水的流体特征的技术主要由电感式监测仪、压力和温度监测仪以及流量监测 仪等共同组合成的一套产气剖面监测系统，实际是这套产气剖面监测系统是原 先针对直井所开发的，而引用于目前天然气水平井水平段开采井筒内水平分布 有近几十组连通孔的井况下实施产气剖面监测作业就有了一定的局限性，因这 些分布在水平段开采井筒内近几十组连通孔基本在同一近似水平的井况层面， 由于是同层那么每一连通孔部位的储层压力和温度基本相同，使得所监测到的 一组对应数据值因差异微小而无法获得理想的分辨结果；再由于从每个段节单 元孔组涌入的天然气和水汇集后在同一水平段开采井筒内轴向的物理流动特征 也基本相同，那么电感式监测仪和流量监测仪想监测的经向涌入流体特征与被 动监测到的轴向流动特征会相互干扰，同样无法准确地分辨出监测结果的可靠 性。如何才能清晰、准确地监测到涌入水平段开采井筒内各项流体的特征及量 化评估，就需要根据天然气水平井的完井井况特点，从天然气和水在通过各组 连通孔涌入水平段开采井筒内的其固有的流体物理特征的动、应和感层面加以 研究，结合原有的地面模拟井下实际生产井况试验所得出的：天然气在涌入水 平段开采井筒内时呈经向高速射流态势，而地层水却是由天然气携带进入到开 采井筒内的，并且由同一组连通孔涌入的天然气的流量与其所携带的地层水的 跟进量成反比，也说明同一组连通孔涌入天然气气量
很足的时候，该水平段开 采井筒开采区域范围所含的水量是偏低的。通过这项试验结果就明确知道了由 某一组连通孔涌入水平段开采井筒的天然气只要具备开采价值就同时也会具有 很强的经向冲击能，采用与之对应的旋转机构承接其能量而能发出一种具有代 表性的声音，如能被声音传感器感知采集，那么再由声音和声波同步规律性的 显示出来，对分辨水平段开采井筒上与某一组连通孔所对应区域是富含天然气 还是己被地层水所侵占具有很好的参照价值；天然气的经向涌入特征，如果再 采用与之同步对应的光学成像系统作为辅助性设计，将又能摄录到涌入天然气 的另一种显像特征，显然由音、声波和视像同步构建的“二视一听”显示平台 对分辨、定性和解释更具真实性，值得加大研发力度。目前就实时采用动感发 音及采集并同时加入同步工作的光学成像系统所构成的一套井下音像联合监测 涌入流体特征装置，在天然气生产井水平段开采井筒产气剖面监测领域，还未 见可行的实际应用文献以及案列公示。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了获得由地层涌入水平井水平段开采井筒内天然气流体 物理特征，所监测得到的经向天然气流体物理特征资料有助于解决现有天然气 水平井产气剖面监测技术存在的准确性差的技术问题，并有利于针对性堵控水 措施的制定，提供一套井下经向流体动感音采集装置及使用方法。
5.本发明的技术方案是这样实现的，一种井下经向流体动感音采集装置及使 用方法，其特点是，它由供电启动系统、动感音采录系统、光学成像系统、地 面显示系统4个子系统、中央存储编辑器、信号传输线、扶正器、重力环短节、 o型橡胶密封圈和滚针轴承构成：
6.a)供电启动系统主要由供电单元外筒7、单层隔热套8、电池组9、稳压板 10和定时器11组成；
7.b)动感音采录系统主要由录音单元外筒12、录音模块13、复合隔热保护套 14、密封隔音腔15、膈音层16、声音传感器17、承流窗18、拾音针19、 三角发音架20、金属丝21、直片叶轮22和弹性拨片23组成；
8.c)光学成像系统主要由摄像单元外筒24、摄像模块25、复合隔热保护套 14-1、光学镜头26、耐高压防护镜片27、高亮度led灯28、耐高压防护 灯罩29、压板30、压紧螺丝31和中央存储编辑器32组成；
9.d)地面显示系统主要由信号处理器39、显示面板40、工程打印机41和高 保真监听耳机42组成。
10.本发明提供一套井下经向流体动感音采集装置及使用方法，与现有天然气 水平井产气剖面监测技术的区别在于，依据同井况同质流体的物理特征相同， 以及一个物理特征转变为另一个物理特征时具有鲜明的可验证性这一基本原 理，采用经向针对性动、应和感声音采集方式及又加入光学成像系统以实现相 辅相成的多元显示功能，以获得多元同性而唯有涌入水平段开采井筒内的天然 气才具有的流体物理特征，监测得的资料将由地面显示系统汇集、分辨区分后 找出天然气涌入特征强的水平段开采井筒连通孔区和天然气涌入特征弱的水平 段开采井筒连通孔区，再依据公知性的“气弱水强”特征能对所有水平段开采 井筒连通孔区进行评估和定性，明确需要堵控降水的连通孔区的具体位段。
11.其技术特点在于，包括为满足110摄氏度以内高温井况下能实现正常工作， 所选
用的芯片及电子元器件为高性能车规级，为提高对所用芯片及电子元器件 的辅助隔热保护结构的性能，由原先常规单层隔热结构设计成现在的二夹一复 合隔热保护套结构。
12.包括为感应由水平段开采井筒连通孔涌入的天然气经向射入流能量所能转 换生成的一种特定音，在音的采录结构设计上，采用外置裸露的拾音针、三角 音架、直片叶轮、金属丝和弹性拨片与内置密封隔音腔、隔音层和声音传感器 共同构成感应、保真和无扰音密闭采录音结构。
13.包括井下同步音像采集仪器总成工面在水平段开采井筒内连续拖动作业时 在重力环短节所设偏心重力块的作用下与重力下垂线能始终保持90度夹角，以 实现井下同步音像采集仪器总成工面能一直经向针对性地对水平段开采井筒内 壁实施音像采集作业。
14.包括把所监测采集到的数据由地面显示系统以音、声波和辅助性视像构成 的“二视一听”三元同步显示平台，做出相应的分辨、定性和解释，为后期能 科学地制定封堵水措施，提供清晰、准确的参照依据。
附图说明
15.图1为井下经向流体动感音采集装置及使用方法井下工况示意图；
16.图2为井下经向流体动感音采集装置及使用方法构成成示意图；
17.图3为供电启动系统示意图；
18.图4为动感音采录系统示意图；
19.图5为光学成像系统基本示意图；
20.图6为重力环短节结构示意图；
21.图7为重力环短节侧视工况示意图；图8为地面显示系统示意图。
具体实施方式
22.由图1所示，井下经向流体动感音采集装置及使用方法，其特点是，水平 段开采井筒1上分布的用1-1、1-2、1-3、1-4四组数字标注的是射穿后与地层 连通的连通孔，可以清晰的看出，地层所含天然气2同时通过1-1、1-2、1-3、 1-4涌入水平段开采井筒内，而后汇集通过下入并固定好的内径￠50mm的油管3 自排到地面进入输送流程，而实际为求单井高产在水平段开采井筒上所射开的 连通孔会达到十几至二十几组；可以清晰地看出，井下经向流体动感音采集装 置及使用方法所含的井下同步音像采集仪器总成5是由井底1-1开始往后拖动 进行采集作业的，根据同层、同质流体在同一密闭空间内的流动压和温度相同 这一定律，显然采用老式的监测技术在1-1处所监测到的压力、温度，以及流 量等数据与在1-2或1-4等处所监测到的数据是基本相同的；说明只有根据实 际井况采用经向针对性动、应和感的技术思想，才能实现凭借特质流体的一项 物理特征转换为另一种对应的物理特征这一方式，对天然气水平井产气剖面实 施准确的评估；同时又说明，井下经向流体动感音采集装置及使用方法所含的 井下同步音像采集仪器总成5的作业工况，是在一个特定的环境内完成的，并 严格地约束了外型是圆柱形的该井下同步音像采集仪器总成5的整体外径尺寸 不能大于￠44mm；综上所述，其具有一个明显的应用技术特点是，与作业人员 能下入到达的开采煤矿井内所用的井下声像类监测装置的本质性区别在于，技 术目的、技术内
容、外部形状及尺寸限制等存在不同界性。
23.由图2所示，井下经向流体动感音采集装置及使用方法，其特点是，该套 装置分为井下同步音像采集仪器总成5和地面显示系统6构成，其中井下同步 音像采集仪器总成5主要由扶正器、重力环短节33、供电启动系统、光学成像 系统(中央存储编辑器32)、动感音采录系统、扶正器和重力环短节33采用螺 纹联合构成，包括安装在两端的两组扶正器和重力环短节33具有等同功能；包 括井下同步音像采集仪器总成5的整体外径是￠44mm；包括为了便于装配，中 央存储编辑器32与光学成像系统一并组装在摄像单元外筒24内。
24.由图3所示，供电启动系统主要由供电单元外筒7、单层隔热套8、电池组 9、稳压板10和定时器11组成，其特点是，供电单元外筒7采用钛合金材料， 其外径加工成￠44mm、内径为￠32mm，同时在两端加工有用于对接的螺纹及装o 型橡胶密封圈的凹槽；包括把单层隔热套8外径加工成￠31.5mm便于装配在供 电单元外筒7内，而单层隔热套的内径却需要根据电池组9、稳压板10和定时 器11的尺寸来确定加工；包括装配步骤是这样实现的，先把稳压板10和定时 器11焊接固定在一张长型非金属板子上，而后与电池组9一起装入单层隔热套 8固定好后再整体装入供电单元外筒7内，装上o型橡胶密封圈及引出供电线进 入待总装流程。
25.由图4所示，动感音采录系统主要由录音单元外筒12、录音模块13、复合 隔热保护套14、密封隔音腔15、膈音层16、声音传感器17、承流窗18、拾音 针19、三角发音架20、金属丝21、直片叶轮22和弹性拨片23组成，其特点是， 录音单元外筒12同样采用钛合金材料，外径同样加工成￠44mm、内径为￠32mm， 两端加工有螺纹及用于装o型橡胶密封圈的凹槽；录音单元外筒12的定型是这 样加工的，由左右端口分别往中间钻镗内径为￠32mm的孔，左右钻镗深度相同， 当钻镗至正中间还留有20mm厚盲板时即可，而后用于拾音针尺寸相配的钻头在 盲板正中间钻一通孔并做光洁处理，包括在录音单元外筒12右端盲板与端面的 部位上铣出一个长宽尺寸于与直片叶轮22对应的承流窗18，完成这些工序后， 先把录音模块13装入复合隔热保护套14，再按顺序把己与录音模块13对接好 的声音传感器17装入有隔音层16的密封隔音腔15内，引出信号传输线和电源 线后做密封处理，再由密封隔音腔15一端在前从录音单元外筒12左端装入录 音单元外筒12内并固定好；接下来把金属丝21先装到三角发音架20上并调好 张紧度，而后再把弹性拨片23通过两只螺丝紧固在直片叶轮22上调整好伸缩 量后套装到拾音针19的右端，并用尼龙防脱帽通过螺纹固定在右端头部以防直 片叶轮22脱落，接着在拾音针19左端套装好匹配的o型橡胶密封圈后由录音 单元外筒12右端口放进去并插入盲板上的中芯孔，其中o型橡胶密封圈除了能 起到密封作用，同时还能具有防自动脱落和隔音性能，所以不用再另外做隔音 和防脱处理，在录音单元外筒12上装好o型橡胶密封圈便可进入待总装流程； 包括直片叶轮22正好与承流窗18对应，在实施监测作业时，储层内天然气通 过连通孔经向射流入水平段开采井筒内后便由录音单元外筒12右端所设的承流 窗18进入并冲击直片叶轮22旋转而实现发音；包括由图3、图4所示，其特点 是，构成复合隔热保护套14、(14-1)的二夹一结构是这样实现，在内外两层相 同的隔热材料中间再加注一层高泡隔热材料构成；包括图3所示复合隔热保护 套14和图4所示复合隔热保护套14-1的外径尺寸相同，由于内部所保护的电 子元器件形状不同，它们的内径尺寸不相同，但所实现的隔热性能是等同的。
26.由图5所示，光学成像系统主要由摄像单元外筒24、摄像模块25、复合隔 热保护套
14-1、光学镜头26、耐高压防护镜片27、高亮度led灯28、耐高压 防护灯罩29、压板30、压紧螺丝31和中央存储编辑器32组成，其特点是，摄 像单元外筒24任然采用钛合金材料，同样主体外径￠44mm、内径为￠32mm两端 加工有螺纹及用于装o型橡胶密封圈的凹槽；首先把中央存储编辑器32、光学 镜头26、高亮度led灯28与摄像模块25根据设计把对应的电源线和信号线焊 接好，而后按中央存储编辑器32在前，逐步把光学镜头26、高亮度led灯28 和摄像模块25装入复合隔热保护套14-1内并固定牢固，而后再由摄像单元外 筒24的左端口装入到摄像单元外筒24内并做好固定处理，对应调整好光学镜 头26和高亮度led灯28的位置后，分别装入匹配的o型橡胶密封圈及再装入 对应的耐高压防护镜片27和耐高压防护灯罩29，扣上压板30并用四条压紧螺 丝31紧固好，引出信号传输线和电源线后做好密封处理便可进入待总装流程。
27.由图6、图7所示，重力环短节33主要由输出轴34、滚珠轴承35和偏心 重力块36组成，其特点是，输出轴34、偏心重力块36插接部位设计有滚珠轴 承35，以保证重力环短节33与输出轴34能360度自由旋转；包括重力环短节 33所设的输出轴34与扶正器对接后，在两端重力环短节33本体段用丝扣对接 的由供电启动系统、光学成像系统(中央存储编辑器32)、动感音采录系统构成 的整体部件在偏心重力块36的作用下，其工面38始终能与重力线37保持90 度的夹角作业。
28.由图8所示，地面显示系统主要由信号处理器39、显示面板40、工程打印 机41和高保真监听耳机42组成，其特点是，显示面板40和高保真监听耳机42 能构成声波曲线、视像和声音同步相互对应的“二视一听”三元显示平台，三 元同步相辅相成地显示由一个物理现象所生成的三个不同特征，具有弥补单一 性显示的不足性，同时还可以采用工程打印机41打印出完整的声波曲线图以便 于今后调档对比。
29.综上所述，在对已完成初级组装的部件的再次检查后，便可实施井下同步 音像采集仪器总成5的组装工作，首先把右侧重力环短节33上带偏心重力块36 的一端与录音单元外筒12右端口通过螺纹连接在一起，再把录音单元外筒12 左端口引出的电源线和信号传输线与摄像单元外筒24右端口由中央存储编辑器 32引出的对应线焊接在一起，完成焊接后把录音单元外筒12左端口通过螺纹与 摄像单元外筒24右端口连接并上紧，由于设计上做了刻度标定及螺纹调整，录 音单元外筒12与摄像单元外筒24通过螺纹对接上紧后，承流窗18和摄像单元 外筒24上所设的光学镜头26及高亮度led灯28的朝向都保持在同一条轴线上， 而这条轴线与重力环短节33上偏心重力块36所能实现的向下下垂线37呈90 度夹角；接下来把摄像单元外筒24左端口引出的电源线与供电单元外筒7右端 口引出的电源线焊接在一起后，通过两端丝扣把供电单元外筒7上紧到摄像单 元外筒24上，这些工作完成后，再把设计在左侧的重力环短节33所设的输出 轴34通过螺纹与左面所设扶正器对接在一起并上紧。
30.在需要下井施工作业时，设定好定时启动后，通过连续油管把设在左侧的 扶正器对接在一起，便可由连续油管输送至井下实施采集监测作业，当井下同 步音像采集仪器总成5到达设计的监测作业井段时，事先设定的定时启动流程 就会同时向动感音采录系统和光学成像系统供电，所采集到的实时音像资料同 时被中央存储编辑器32收录并存储；在完成监测作业后，起到地面通过数据线 把中央存储编辑器32与地面显示系统6所设信号处理器39插接好，便可以通 过显示面板40和高保真监听耳机42把监测到的音像资料以声波、视
像和音的 形式回放出来，以此来分辨、定性和解释所监测到的唯有天然气才能具备的物 理特征，为后期能科学地制定封堵水措施，提供清晰、准确的参照依据。
31.仅为本发明的具体实施方法，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟 悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要 求的保护范围为准。