一种基于声学通讯的自供能井下信息检测传输系统及方法与流程

1.本发明属于油气井工程领域，特别涉及一种基于声学通讯的自供能井下信息检测传输系统及方法。


背景技术：

2.在油气井开采工程中，固井是其关键环节之一，洗井作为固井的前期准备环节保障着固井作业顺利开展，实时井下环境参数对固井作业顺利开展以及固井质量有着重要意义。鉴于固井工况的限制，井下环境参数很难实时传输至地面，当前井下无线通讯技术多采用电磁波传输，然而电磁波传输信号衰减快，且由于固井工况复杂，故电磁波信号易受干扰，使得信息传输愈发困难。因此亟需一套自发电井下信息无线采集传输系统，可以实现系统自供能，无需考虑能源消耗问题；可以实时有效监测井下环境参数，对井下环境进行预警，对固井作业做出判断，有效提高固井质量；可以依据实际工况，调整声波信号频率来适应不同工况的深井，实现高效的信息采集传输。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于声学通讯的自供能井下信息检测传输系统及方法，其特征在于：所述自供能井下信息检测传输系统包括依次连接的电源系统、控制系统和信息采集传输系统、传感器以及换能器；
4.所述电源系统包括压电及涡轮发电装置、储能装置、通断控制装置；其中涡轮发电装置置于扶正器内，利用井液压力进行驱动；压电发电装置置于涡轮发电装置附近，进行振动能量的回收；储能装置包括耐高温电池组，置于扶正器内部，将电能进行贮存；通断控制装置由控制系统进行控制，控制井下信息检测传输系统装置的电源的接通或关断；
5.所述控制系统包括时钟模块、watchdog模块、a/d转换模块、存储器模块、调制模块以及通讯串口；其中a/d转换模块与传感器连接；调制模块与换能器连接，提供声波信号；通讯串口为程序输入接口；
6.所述信息采集传输系统包括传感器、换能器、声电转换器、接收器、中继站、地面阅读器；其中，一个接收器与一个中继站连接成一组，并多组串联后，与各传感器组成为井下信息采集装置，与井下信息处理装置的传感器和井下信息转换装置的换能器连接，再与地面接收器、声电换能器和地面阅读器串联构成信息采集传输系统。
7.所述传感器包括耐高温温度传感器、耐高温压力传感器、耐高温湿度传感器、耐高温流量传感器和耐高温图像传感器；
8.所述换能器选用压电陶瓷换能器，利用其逆压电效应，当电信号通过压电换能器时，压电陶瓷产生形变，从而稳定输出频率。利用井下套管柱为传输介质，各传感器所测信息由声波作为载波向上传输，通过数字调制的方式来实现井下扶正器节点与地面接收器之间的信息传输。
9.一种基于声学通讯的自供能井下信息检测传输系统的井下信息检测传输方法，其
特征在于，所述传感器进行井下信息采集；将电信号传递给换能器，通过换能器转换为声信号；将声信号传递给接收器，通过中继站进行信号维持，实现信号在井下远距离传递；传递到地面后，通过声电转换器转换为电信号，由地面阅读器进行解译，实现对井下环境信息的有效采集；包括：
10.(1)传感器采集井下信息，得到的模拟信号由a/d转换模块转换为数字信号，经过控制系统处理后，调制模块将传感器采集信息转化为对应的编码波形送给换能器，通过换能器转换为声信号；将声信号通过套管传递至各接收器和中继站组，由中继站进行信号维持，实现信号在井下远距离传递；依次往上传输至传递到地面后，通过声电转换器转换为电信号，由地面阅读器进行解译，实现对井下环境信息的有效采集；
11.(2)所述压电及涡轮发电装置设置在井下扶正器内，充分利用井下钻井液以及水泥浆循环所产生的液压能和振动压力，涡轮以及压电片产生的电能为耐高温电池组持续供电，实现对井下信息检测传输系统的可控启动；从而确保控制系统以及采集传输系统的正常工作，进一步为自供能井下信息检测传输系统的稳定性提供动力；
12.(3)信息采集传输系统利用各传感器采集各扶正器节点处的压力、温度、湿度、流量以及扶正器性能信息；所述压力信息主要针对固井完成水泥凝固后产生裂缝导致漏气的压力异常现象，通过压力异常可判断是否产生气窜问题；
13.(4)通过采用耐高温温度传感器来监测井下温度分布情况；采用耐高温湿度传感器来监测井下湿度参数；采用耐高温流量传感器来监测钻井液以及水泥浆的流量以及流速情况；依据水泥浆有裂缝的情况下会产生漏气现象，导致压力异常，采用压力传感器来监测气窜现象；通过对上述参数的监测，可以对井下环境进行预警，帮助对固井质量进行情况作出判断；
14.(5)自供能井下信息检测传输系统未激活时处于休眠状态，激活后开始工作，由地面阅读器端发射声波信号激活或暂停各扶正器信息采集节点，从而使得各节点进入工作或休眠状态。
15.所述通过套管传递的声信号，依据井深2500m以下应采用频率为800hz及以下，且500hz以下的低频段易受井下噪声干扰，故依据井深以及油气井参数不同，设定系统的工作声波传输频率为500hz-800hz之间，具体频率需依据具体井况进行测定后实施。
16.所述井下信息检测传输系统能够根据需求分别监测洗井工况、固井工况、固井后工况这三种工况下的井下环境信息。
17.本发明的有益效果：本发明应用于油气井工程领域中的洗井及固井阶段。利用注入钻井液的压力驱动涡轮发电装置，同时压电发电装置收集振动能量，实现自发电供能，持续为声学通讯技术的自供能井下信息检测传输系统供电。相比于常见的井下信息采集传输系统，本发明本系统利用声学通讯技术实现了信息的无线传输，避免了常规采集传输系统因传输线路而限制传输距离的问题，同时本系统中的自发电装置，更是解除了常规无线传输系统井下无法供能、难以持续工作的局限，并且利用声波在固体中传播的高效性，实现对井下信息的无线、自供能、高效传输，从而有效提升井下信息采集的质量和稳定性。此外，由于自供能的特性，可以实现本系统的连续工作，为洗井、固井及固井后的质量分析提供持续的信息采集。基于声学通讯技术的自供能井下信息检测传输系统整体结构合理，操作方便，容易控制，有效采集井下信息，为洗井及固井工程提供充足、长效的信息监控，保证了工程
质量。同时，实际操作中，也可以依据实际工况，通过调整生成的声波信号的频率来适应不同工况的深井，适应不同的井下条件，进而进行高效的信息采集传输。
附图说明
18.图1是基于声学通讯技术的自供能井下信息检测传输系统示意图。
19.图2是井下自供能信息检测传输系统节点示意图。
20.图3是井下自供能系统控制方案示意图。
21.具体实施方法
22.本发明提供一种基于声学通讯技术的自供能井下信息检测传输系统及方法，下面结合附图和实施例对本发明予以进一步说明。
23.如图1-图3所示，所述自供能井下信息检测传输系统包括依次连接的电源系统5、控制系统4和信息采集传输系统3、传感器301以及换能器302；其中，电源系统5包括压电发电装置502及涡轮发电装置503、储能装置、通断控制装置；其中涡轮发电装置503置于扶正器6内，利用井液压力进行驱动；压电发电装置502置于涡轮发电装置503附近，进行振动能量的回收；储能装置包括耐高温电池组501，置于扶正器6内部，将电能进行贮存；通断控制装置由控制系统4进行控制，控制井下信息检测传输系统的电源接通或关断；所述控制系统包括时钟模块、watchdog模块、a/d转换模块、存储器模块、调制模块以及通讯串口；其中a/d转换模块与传感器301连接；调制模块与换能器302连接，提供声波信号；通讯串口为程序输入接口；
24.所述信息采集传输系统包括传感器301、换能器302、声电转换器、接收器303、中继站304、地面阅读器；其中，一个接收器与一个中继站连接成一组，并多组串联后，与各传感器组成为井下信息采集装置，与井下信息处理装置的传感器和井下信息转换装置的换能器连接，再与地面接收器、声电换能器和地面阅读器1串联构成信息采集传输系统。具体按图1、图2、图3分别说明如下：
25.图1所示是基于声学通讯技术的自供能井下信息检测传输系统示意图。所述自供能井下信息检测传输系统包括依次连接的电源系统5、控制系统4和信息采集传输系统3、传感器以及换能器；该自供能井下信息检测传输系统应用于油气井固井作业，下井前将所述自供能井下信息检测传输系统安装于扶正器6上(如图2所示)，使自供能井下信息检测传输系统随扶正器6及套管下放至井下预设位置；通过井口注入井液，利用井液压力，对所述涡轮发电装置503进行驱动，同时带动所述压电发电装置502同时工作，进行装置自发电，为井下信息检测传输系统供能；在该系统激活后，控制系统4通过各个模块对相应装置发送指令，进行作业；通过所述传感器301对井下各扶正器6节点处环境参数进行采集；将传感器301所采集到的参数转化为携带信息的编码波形，通过所述换能器302将电信号转换为声信号；通过所述接收器303和所述中继站304将信息依次传输至次一节扶正器信息采集节点，实现扶正器间的无线传递；将井下信息传输至地面上，通过所述声电换能器将声信号转换为电信号，通过地面阅读器1进行解译，实现井下与地面之间的信息传输工作。
26.图2所示是井下自供能信息检测传输系统节点示意图。该自供能信息检测传输系统节点包括：传感器301、换能器302、接收器303、中继器304、控制系统4、耐高温电池组501、压电发电装置502、涡轮发电装置503。所述涡轮发电装置503置于扶正器6内，利用井液压力
进行驱动；压电发电装置502置于涡轮发电装置503附近，进行振动能量的回收；储能装置主要包括耐高温电池组501，置于扶正器6内部，将电能进行贮存。所述传感器301进行井下信息采集；将电信号传递给所述换能器302，通过换能器302转换为声信号；将声信号传递给接收器303，通过中继器304进行信号维持，实现信号在井下远距离传递；传递到地面后，通过所述声电转换器转换为电信号，使用所述地面阅读器1进行解译，实现对井下环境信息的有效采集。
27.图3所示是井下自供能系统控制方案示意图。该井下自供能系统包括采集传输系统3、控制系统4以及电源系统5。所述电源系统5包括压电发电装置502、涡轮发电装置503、耐高温电池组501。所述控制系统4包括时钟模块、watchdog模块、a/d转换模块、存储器模块、调制模块以及通讯串口。所述采集传输系统3包括各传感器301、换能器302、接收器303、中继器304。通过所述控制系统4的调控，各传感器进行井下信息采集；通过a/d转换模块将所述传感器301采集到的模拟信号转换为数字信号；经过控制系统4处理后，调制模块将传感器301采集信息转化为对应的编码波形送给所述换能器302；所述换能器302把对应信息转化为声波，将信号传递至下一节点的接收器303，通过所述中继站304进行信号维持；依次往上传输至地面后，通过所述声电转换器转换为电信号，使用所述地面阅读器1进行解译，实现对井下环境信息的有效采集。
实施例
28.基于声学通讯技术的自供能井下信息检测传输系统的工作原理，应用于油气井工程领域中的固井阶段，首先将所述自供能井下信息检测传输系统装配在油气井套管上及扶正器上，随所述套管下入深井达到预设位置；注入钻井液，利用所述井液压力驱动所述涡轮发电装置，同时压电发电装置收集振动能量，进行自发电供能，激活的控制系统对电源系统进行控制，打开所述通断开关，对整个系统进行供电，所述采集传输系统激活，进行井下信息的采集传输；所述发电装置产生电能储存于所述储能装置，持续为所述声学通讯技术的自供能井下信息检测传输系统供电；所述采集传输系统激活后，所述耐高温传感器开始井下信息采集，将所述传感器所采集到的参数转化为携带信息的编码波形；通过所述换能器将电信号转换为声信号；通过所述接收器和所述中继站将信息依次传输至次一节扶正器信息采集节点；将井下信息传输至地面上，通过所述声电转换器将声信号转换为电信号，通过地面阅读器进行解译，从而实现井下与地面之间的信息传输工作。
29.本实施例中，所述井下信息采集传输系统在洗井工况、固井工况、固井后工况等三种工况下采集各扶正器节点处的压力、温度、湿度、流量以及扶正器性能信息；所述压力信息主要针对固井完成水泥凝固后产生裂缝导致漏气的压力异常现象，通过压力异常可判断是否产生气窜问题。