一种基于井下实时大功率的可控电磁脉冲探测系统及方法与流程

1.本发明涉及一种油藏储层开发技术领域，特别是关于一种基于井下实时大功率的可控电磁脉冲探测系统及方法。


背景技术：

2.为了评价开发油藏储层中剩余油分布状态，通常采用井中电磁探测方法，而增强供电场源是改善储层电磁勘探效果的有效措施。传统的储层改造措施主要以静压力为主，压力的作用主要集中在储层薄弱区域，不论储层是否有纵向的非均质性，都对储层进行笼统的整体改造，而且只能对储层进行一次性或成功，或失败的改造。该方法借助于其它介质将地面装置提供的压力作用于储层，是典型的介入式改造，无法对作用于储层的压力定向。此外，水力压裂装置巨大，造价昂贵，能耗也非常大。
3.现有文献井中大功率电磁脉冲发射装置的制作方法中的井中大功率电磁脉冲发射装置，可在套管井中实现瞬时大功率的脉冲磁场激发，并完成对井中发射波形、接收信号的全时段数据记录，为评价开发油藏储层中剩余油分布状态的井中电磁探测方法提供观测系统。而现有文献瞬变电磁测井低压大功率发射电路中，通过选取大功率、低导通内阻的三极管和mos管器件进行发射电路的设计,并接入放置在钢套管内的大功率发射线圈进行发射测试。发射电路中采用放电电阻对发射线圈存储的无用功进行功率消耗，放电电阻的存在使得在发射停止时刻发射线圈尖峰电压幅值非常大。在信号发射过程中,随着发射电源电压幅值逐渐增加,发射过程线圈两端的电压值随之逐渐增加，使得发射功率也逐渐增加。前述方法均可实现大功率设计，但电磁发射过程发射电压不可调节，且在智能井中的应用方法并未提及。
4.现有的静压力方法借助其它介质将地面装置提供的压力作用于储层，是典型的介入式改造，无法对作用于储层的压力定向。此外，水力压裂装置巨大，造价昂贵，能耗也非常大。而现有的井下大功率的电磁脉冲探测方法，发射线圈尖峰电压都是在发射停止时刻产生比较大的幅值，其实际产生的发射功率不可人为调节。当智能井系统目的层段遇到复杂井况时,若发射系统的发射功率可调，则有利于对各层进行更精细化的管理。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于井下实时大功率的可控电磁脉冲设定系统及方法，其能对储层分段进行可控的重复频率作用。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于井下实时大功率的可控电磁脉冲探测系统，其包括：地面电源控制柜，通过测井电缆为井下设备提供电源，并进行控制；所述井下设备包括井下高压直流电源、脉冲储能装置和能量转换器；所述井下高压直流电源，经测井电缆与所述地面电源控制柜连接，由所述地面电源控制柜进行供电及控制；所述脉冲储能装置，与所述井下高压直流电源连接，进行充电储能；所述能量转换器，与所述脉冲储能装置连接，用于接收所述脉冲储能装置传输至的电能，并将电能转换成冲击波能
量后，作用至负载。
7.进一步，所述负载为储层，冲击波能量通过穿透套管和射孔炮眼的方式作用于所述储层。
8.进一步，所述脉冲储能装置包括高聚能储能电容器c、电阻r、发射线圈电感l和触发开关；
9.所述高聚能储能电容器c的一端经所述触发开关与所述井下高压直流电源连接，所述高聚能储能电容器c的另一端分别与所述电阻r的一端和所述能量转换器连接；所述电阻r的另一端与所述发射线圈电感l串联后连接至所述触发开关。
10.进一步，所述触发开关包括第一触点a、第二触点b和开关k；所述开关k的连接端与所述高聚能储能电容器c的一端连接，所述第一触点a与所述井下高压直流电源连接，所述第二触点b与所述发射线圈电感l连接。
11.进一步，所述冲击波的作用方向、脉宽和频率能通过设置在地面电源控制柜内的电池管理系统进行调节。
12.进一步，所述冲击波脉宽在0.5ms内可调。
13.进一步，通过所述电池管理系统调节所述高聚能储能电容器c的电极形状确定冲击波的作用方向；通过所述电池管理系统改变电流脉冲的宽度，以改变发射频率；通过控制所述电阻r、所述发射线圈电感l、所述高聚能储能电容器c的参数能控制频率。
14.进一步，该可控电磁脉冲探测系统还包括智能井激发储能装置；
15.所述智能井激发储能装置包括套管、单芯钢管电缆和激发探头；
16.所述套管对应储层设置为多层结构，位于顶层的所述套管上设置有顶部封隔器，底部和中部的所述套管上设置有层间封隔器，各层之间通过封隔器相隔；每层所述套管上都设置有所述触发开关、所述能量转换器和所述激发探头，所述顶部封隔器的上部套管上设置有所述高聚能储能电容器c，所述高聚能储能电容器c经所述单芯钢管电缆与各所述触发开关、所述能量转换器和所述激发探头连接；所述单芯钢管电缆与所述地面电源控制柜中的电池管理系统连接，实现供电及控制。
17.进一步，每层所述套管上放置多个所述激励探头，采用开关电路控制组合后放电，使层内激发位置可调整；通过所述单芯钢管电缆控制层间所述激励探头连通，以实现单层放电产生冲击波作用于单个储层，或多层组合放电产生冲击波同时作用于多个储层。
18.一种基于上述基于井下实时大功率的可控电磁脉冲探测系统的使用方法，包括：
19.起出井下所有管柱；
20.下通井规，将井筒注满水，整个作业期间维持液面在井口；
21.将脉冲储能装置送至井下欲处理煤层的射孔段位置；
22.将油层分为多个处理段；
23.脉冲储能装置在每个作业点以设定的工作频率重复作业；
24.处理完毕起出井下设备；
25.按设定要求下生产管柱，完井。
26.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
27.1、本发明为首次提出井下大功率的电磁脉冲设定装置。通过改变r、l、c的参数是可以改变电磁脉冲的频率，进而改变电磁脉冲的宽度，获得不同功率的电磁脉冲。压力峰值
高、持续时间短，不会损伤套管和水泥环。
28.2、本发明的能量转换器可实时放电。
29.3、本发明可以对储层分段进行可控的重复频率作用。
附图说明
30.图1是本发明一实施例中脉冲功率探测原理图；
31.图2是本发明一实施例中井中大功率可控电磁脉冲原理图；
32.图3是本发明一实施例中电池的管理系统拓扑示意图；
33.图4是本发明一实施例中智能井激发储能装置结构示意图。
具体实施方式
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
36.本发明的基于井下实时大功率的可控电磁脉冲设定方法及装置，通过将大功率电磁脉冲压力作用于智能井各层中，通过设置电极形状来确定冲击波的作用方向，冲击波充电时间和激励大小可根据实际需要进行控制调节，电磁脉冲装置可实时放电。利用单芯钢管电缆可控制智能井任意层间激发探头的连通与关闭。本发明压力峰值高、持续时间短，不会损伤套管和水泥环，可对储层分段进行可控的重复频率作用。
37.在本发明的一个实施例中，如图1所示，提供一种基于井下实时大功率的可控电磁脉冲探测系统。本实施例中，该系统包括：
38.地面电源控制柜，通过测井电缆为井下设备提供电源，并进行控制；其中，井下设备包括井下高压直流电源、脉冲储能装置和能量转换器；
39.井下高压直流电源，经测井电缆与地面电源控制柜连接，由地面电源控制柜进行供电及控制；
40.脉冲储能装置，与井下高压直流电源连接，进行充电储能；
41.能量转换器，与脉冲储能装置连接，用于接收脉冲储能装置传输至的电能，并将电能转换成机械能(冲击波能量)后，作用至负载，实现脉动探测功能。
42.在本实施例中，负载为储层，机械能可以通过穿透套管和射孔炮眼的方式作用于储层。
43.上述实施例中，井下设备由电缆车送到储层位置并连接地面电源控制柜。
44.上述实施例中，如图2所示，脉冲储能装置采用阻尼振荡回路，包括高聚能储能电容器c、电阻r、发射线圈电感l和触发开关q。
45.高聚能储能电容器c的一端经触发开关q与井下高压直流电源连接，高聚能储能电
容器c的另一端分别与电阻r的一端和能量转换器连接。电阻r的另一端与发射线圈电感l串联后连接至触发开关q，形成阻尼振荡回路。
46.其中，触发开关q包括第一触点a、第二触点b和开关k；开关k的连接端与高聚能储能电容器c的一端连接，第一触点a与井下高压直流电源连接，第二触点b与发射线圈电感l连接。
47.使用时，当开关k的选择端与第一触点a连接时，由井下高压直流电源为高聚能储能电容器c进行充电储能，充电至很高的预设电压；当开关k的选择端与第二触点b连接时，由高聚能储能电容器c、电阻r、发射线圈电感l构成阻尼振荡回路，该阻尼振荡回路进行放电，由高聚能储能电容器c向能量转换器放电，将电能传输至能量转换器。
48.上述实施例中，脉冲储能装置向能量转换器放电后，经能量转换器将电能转换成机械能，即冲击波能量后，该冲击波的作用方向、脉宽和频率可以通过设置在地面电源控制柜内的电池管理系统进行调节。
49.其中，通过电池管理系统可调节脉冲储能装置中高聚能储能电容器c的电极形状确定冲击波的作用方向；通过电池管理系统改变电流脉冲的宽度，可以改变发射频率，而通过控制r、l、c的参数可控制频率。
50.优选的，本发明的冲击波脉宽在0.5ms内可调。
51.具体的，如图2所示，由高聚能储能电容器c向能量转换器放电时，在放电回路中，r是阻尼回路振荡的电阻，l是发射线圈电感。根据基尔霍夫定律，有：
[0052][0053]
其中，t表示检验时间，uc表示高聚能储能电容器c的电压，c为高聚能储能电容器的电容值。
[0054]
边界条件与初始条件为：
[0055]
uc(0
+
)＝uc(0-)＝u0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0056][0057][0058]
其中，uc(0
+
)为流入电容的电压，uc(0-)为流出电容的电压，i(t)为t时刻的电流。
[0059]
假设电容原己充电，其电压为u0，电感中的初始电流为i0＝0，在设定的电压、电流参考方向下将放电开关接通，可得：
[0060]
时为过阻尼状态；
[0061]
时为临界阻尼状态；
[0062]
时为欠阻尼状态。
[0063]
不同阻尼状态下的激发电流是不同的。因此，通过改变r、l、c的参数是可以改变电
磁脉冲的频率，进而改变电磁脉冲的宽度，获得不同功率的电磁脉冲。
[0064]
在此基础上，根据脉冲储能装置的功率和电压的要求，通过地面电源控制柜中串联的电池可实现充放电管理，如图3所示，为电池管理系统拓扑示意图。
[0065]
电池管理系统包括具有均衡器的bms、电池模块、采样电阻、放电mos管、充电mos管和短路保护电路。电池模块设置有多个，均与bms连接进行管理控制；每个电池模块都并联有放电mos管、充电mos管和蓄能电感，放电mos管、充电mos管与bms连接，经过bms控制mos管的工作将蓄积的能量给电池模块进行充放电。位于放电mos管、充电mos管连接的线路上还连接有采样电阻和短路保护电路。控制mos管的开关管脉冲信号实现高低电压充电管理以及mos管设置过流检测。
[0066]
上述实施例中，基于井下实时大功率的可控电磁脉冲探测系统还包括智能井激发储能装置，通过智能井激发储能装置中的单芯钢管电缆实现各储层之间的激发连通。
[0067]
以三层储层为例，如图4所示，智能井激发储能装置包括套管1、单芯钢管电缆2和激发探头3。套管1对应储层设置为三层结构，位于顶层的套管1上设置有顶部封隔器4，底部和中部的套管1上设置有层间封隔器5，各层之间通过封隔器相隔。每层套管1上都设置有触发开关q、能量转换器和激发探头3，顶部封隔器4的上部套管1上设置有高聚能储能电容器c，高聚能储能电容器c经单芯钢管电缆2与各触发开关q、能量转换器和激发探头3连接。同时，单芯钢管电缆2与地面电源控制柜中的电池管理系统连接，实现供电及控制。
[0068]
其中，高压储能电容器c与触发开关q、激发探头3分离，高压储能电容器c设置在顶部封隔器4上部，触发开关和激发探头3置于每一层，可避免高压储能电容器c体积过大而无法安装在每一层。
[0069]
上述实施例中，由于激励探头尺寸通常都较小(《500mm)，因此，可根据需求，在每层套管上放置多个激励探头3，采用开关电路控制组合后放电，从而使层内激发位置可调整；通过单芯钢管电缆2控制层间激励探头3连通，可灵活控制各层的放电情况，例如可以单层放电产生冲击波作用于单个储层，或多层组合放电产生冲击波同时作用于多个储层。多层同时放电，开关可自由组合。但是，单层单独激发时，威力较小；多层同时激发时，威力更大。
[0070]
综上，本发明使用时，实时大功率可控电磁脉冲作业工序包括以下步骤：
[0071]
1)起出井下所有管柱；
[0072]
2)下通井规，以保证下井仪器通行无阻；
[0073]
3)将井筒注满水，整个作业期间维持液面在井口；
[0074]
4)将脉冲储能装置送至井下欲处理煤层的射孔段位置；
[0075]
5)将油层分为多个处理阶段，例如油层以30～50cm分为一个处理段；
[0076]
脉冲储能装置在每个作业点以设定的工作频率重复作业50～80次；
[0077]
6)处理完毕起出井下设备；
[0078]
7)按设定要求下生产管柱，完井。
[0079]
综上所述，基于井下实时大功率的可控电磁脉冲探测方法以冲击压力作用于储层，有别于传统静压改造储层技术；冲击波脉宽在0.5ms以内可调，压力峰值高、持续时间短，不会损伤套管和水泥环；可以对储层分段进行可控的重复频率作用；可以通过电极形状的设计，选择冲击波的作用方向；装置依赖高功率机理，节约能源(单井作业耗电2度)。
[0080]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。