一种井下永置式动态监控装置及监控方法与流程

本发明涉及油田井下分层注采领域，更具体的说，是涉及一种井下永置式动态监控装置及监控方法。

背景技术：

在非均质油气田的开发中，井下分层注采参数的调整是一项极为重要的工作，即根据油藏开发的生产要求，监测与调整分层注采量。常规分层调配技术采用钢丝或电缆作业开/关井下阀套或投捞配产配注芯子来完成，采用开/关阀套分层调配方式井下工具仅有开与关两种状态，无法实现分层的精细化调配；并且钢丝电缆投捞调配方式，投捞成功率受井斜影响较大，当井斜大于60℃时，井下调配工具的对接非常困难，无法满足大斜度井、水平井的调配需求。

无缆式智能调配技术可以实现智能调配，但与井口监控装置间数据传输速率较慢、并受电池寿命的制约无法实现井下分层注采的长期监控。

预置电缆式智能调配技术可以实现井下参数的长期、动态监控，但受电气短路的制约(如果一个井下智能调配装置出现密封失效而进液，将使整个监控系统出现短路，其余智能调配装置将无法工作)。

本发明提出一种不依赖于钢丝电缆作业的可实现井下分层调配的新方法与配套核心装置，借助于生产管柱中预置的光缆，可实现井下分层参数的长期动态监测与调整，有效解决大斜度井、智能井的分层注采调配的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种适用于智能井分层注采监控领域的井下永置式动态监控装置及监控方法，该监控装置及监控方法无需钢丝电缆投捞作业，不受井斜限制，特别适应于大斜度井、水平井的分层调配。该监控装置自成一个微系统，借助光缆与地面控制器连接，构成一个集散式控制系统，实现了井下分层生产数据的长期监测及分层配产、配注量的快速调整。

本发明的目的可通过以下技术方案实现。

本发明井下永置式动态监控装置，包括由上至下依次连接的上接头、上密封筒、中间接头、下密封筒和下接头；

所述上密封筒内设置有上中心管和流量测量机构，所述上中心管上端与上接头下端连接，所述上中心管下端与流量测量机构上端连接，所述流量测量机构下端与中间接头上端连接，所述上密封筒与上中心管之间形成上密封环空，所述上中心管内设置有发电机构；

所述下密封筒内设置有下中心管，所述下中心管上端与中间接头下端连接，所述下中心管下端与下接头上端连接，所述下密封筒与下中心管之间形成下密封环空；所述下密封环空内设置有阀调节机构、监控单元、电池组、内压力传感器和外压力传感器，所述监控单元、阀调节机构均与电池组电连接；所述监控单元分别与发电机构、流量测量机构、内压力传感器、外压力传感器、阀调节机构电连接；

所述上接头和下接头分别设置有上光缆密封对接头和下光缆密封对接头，所述上密封环空内设置有上部预置光缆，所述下密封环空内设置有下部预置光缆，所述上部预置光缆一端与上光缆密封接头连接，另一端与监控单元连接，所述下部预置光缆一端与下光缆密封接头连接，另一端与监控单元连接；所述上光缆密封对接头和下光缆密封对接头均与外部光缆连接，所述监控单元通过预置光缆、外部光缆与地面控制器双向通讯。

所述发电机构包括螺帽、滚子轴承、涡轮滚轴、磁转子、旋转支架、线圈、紧固螺钉，所述滚子轴承设置为两个，其中一个连接于螺帽和涡轮滚轴之间，另一个连接于磁转子和涡轮滚轴之间，且通过紧固螺钉连接固定，所述滚子轴承和涡轮滚轴设置于旋转支架内部，所述线圈设置于上密封筒与上中心管之间的上密封环空内；所述涡轮滚轴在流体作业下带动磁转子旋转，线圈内产生感应电动势，感应电动势经监控单元变压、整流后为电池组充电。

所述阀调节机构包括由上至下依次连接的阀套、阀套座、支架，所述阀套设置有径向通孔，与中间接头侧壁的连通孔相连通，所述阀套座内设置有连接头，所述连接头上端连接可调阀芯，下端连接磁铁护筒，所述可调阀芯上端位于阀套内部，控制阀套通孔的开度，所述磁铁护筒内设置磁铁保护套，所述磁铁保护套内设置磁铁，实现阀芯与磁铁的轴向连接，所述支架外部设置励磁线圈，内部设

本发明井下永置式动态监控装置，包括由上至下依次连接的上接头、上密封筒、中间接头、下密封筒和下接头；

所述上密封筒内设置有上中心管和流量测量机构，所述上中心管上端与上接头下端连接，所述上中心管下端与流量测量机构上端连接，所述流量测量机构下端与中间接头上端连接，所述上密封筒与上中心管之间形成上密封环空，所述上中心管内设置有发电机构；

所述下密封筒内设置有下中心管，所述下中心管上端与中间接头下端连接，所述下中心管下端与下接头上端连接，所述下密封筒与下中心管之间形成下密封环空；所述下密封环空内设置有阀调节机构、监控单元、电池组、内压力传感器和外压力传感器，所述监控单元、阀调节机构均与电池组电连接；所述监控单元分别与发电机构、流量测量机构、内压力传感器、外压力传感器、阀调节机构电连接；

所述上接头和下接头分别设置有上光缆密封对接头和下光缆密封对接头，所述上密封环空内设置有上部预置光缆，所述下密封环空内设置有下部预置光缆，所述上部预置光缆一端与上光缆密封接头连接，另一端与监控单元连接，所述下部预置光缆一端与下光缆密封接头连接，另一端与监控单元连接；所述上光缆密封对接头和下光缆密封对接头均与外部光缆连接，所述监控单元通过预置光缆、外部光缆与地面控制器双向通讯。

所述发电机构包括螺帽、滚子轴承、涡轮滚轴、磁转子、旋转支架、线圈、紧固螺钉，所述滚子轴承设置为两个，其中一个连接于螺帽和涡轮滚轴之间，另一个连接于磁转子和涡轮滚轴之间，且通过紧固螺钉连接固定，所述滚子轴承和涡轮滚轴设置于旋转支架内部，所述线圈设置于上密封筒与上中心管之间的上密封环空内；所述涡轮滚轴在流体作业下带动磁转子旋转，线圈内产生感应电动势，感应电动势经监控单元变压、整流后为电池组充电。

所述阀调节机构包括由上至下依次连接的阀套、阀套座、支架，所述阀套设置有径向通孔，与中间接头侧壁的连通孔相连通，所述阀套座内设置有连接头，所述连接头上端连接可调阀芯，下端连接磁铁护筒，所述可调阀芯上端位于阀套内部，控制阀套通孔的开度，所述磁铁护筒内设置磁铁保护套，所述磁铁保护套内设置磁铁，实现阀芯与磁铁的轴向连接，所述支架外部设置励磁线圈，内部设置铁芯，所述铁芯下端穿过支架，并设置固定螺帽；所述励磁线圈与监控单元连接，所述监控单元产生阀开度调控指令，驱动与控制励磁线圈内电流的大小和方向，形成可变磁场驱动可调阀芯沿轴向运动，调控分层过流量。

所述支架上设置有光电探头，所述光电探头与监控单元连接，所述监控单元检测光电探头发射光与接收光的时间，计算出可调阀芯开/关的位移量。

所述中间接头侧壁设有内传压孔和外传压孔，所述内传压孔和外传压孔分别与内压力传感器、外压力传感器连通，内压力传感器和外压力传感器分别将压力信号传输至监控单元，所述监控单元根据内压力和外压力的差值，检验中间接头的可调阀芯是否完全归位。

所述流量测量机构实时监测过流量，并传输至监控单元，当过流量不在预设范围内时，所述监控单元发送控制信号至阀调节机构，所述阀调节机构接收控制信号并调节可调阀芯的开度，实现过流量的控制。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

本发明井下永置式动态监控方法，包括以下步骤：

(1)分层监测：地面控制器对分层监测指令进行编码和信号调制，将监测指令转化为光波编码信号，通过外部光缆向每层设置的井下永置式动态监控装置发送控制指令，井下永置式动态监控装置中的监控单元接受传来的光波编码信号并进行解调和解码，将实时采集的分层数据进行编码和信号调制，所有永置式动态监控装置协同工作，分时经外部光缆反馈给地面控制器，地面控制器对反馈的信号进行解调和解码，完成井下不同层位生产状况的实时监测

(2)分层控制：地面控制器对分层控制指令进行编码和信号调制，将控制指令转化为光波编码信号，通过外部光缆向每层设置的井下永置式动态监控装置发送控制指令，所有井下永置式动态监控装置接受传来的光波编码信号，并由监控单元进行解调和解码，将装置标识码和控制标识码比对，如果标识码相同，则监控单元将依据控制指令中的设定流量值，经过计算驱动阀调节机构动作，调整当前层的流量值，直至满足设定要求，并实时地将分层调控的分层数据进行编码和信号调制，经外部光缆反馈给地面控制器，地面控制器对反馈的信号进行解调和解码，完成分层调控的实时监测。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明采用电池组与发电机构结合的方式提供长久的电力供应；地面设备与所述井下永置式动态监控装置通过光纤作为传输媒介，采用电-光、光-电转换实现地面设备与所述井下永置式动态监控装置数据和控制指令的双向通讯；监控单元一方面实时采集流量、温度、压力、阀开度数据，并将数据经光缆传输至地面设备，另一面将采集的流量数据与控制指令的流量设定值进行比较，根据流量的差值驱动阀调节机构动作，调整阀的开度，直至流量达到设定要求；阀开度调节过程中，监控单元实时监测阀开度变化与方向，当阀开度至最大或最小值时，停止阀调节机构动作。

本发明通过采用光机电一体化结构，可实现分层生产参数的实时与长期监测，并可依据分层调控指令通过内部执行机构对分层过流量进行调整；该监控装置安装有光电探头，可实时检测阀芯开度的变化；装置通过安装内、外压力传感器，可实现阀芯开度归位的检定；该监控装置内部设计有电池组与发电机构，可确保井下监控装置长期电力供应；井下监控装置通过光缆传输方式实现与地面控制设备的双向数据通讯，具有抗电磁干扰强，远程监控功能；该监控装置不受井斜限制，适用范围较广，可解决大斜度井、水平井的长期分层监控技术难题。

附图说明

图1为本发明井下永置式动态监控装置的结构示意图；

图2为阀开度调控的流程示意图；

图3为监控单元与地面控制器之间的连接示意图；

图4为发电机构的结构示意图；

图5为阀调节机构的结构示意图。

附图标记：1外部光缆；2上光缆密封对接头；3上接头；4上部预置光缆；5上中心管；6发电机构；601螺帽；602滚子轴承；603涡轮滚轴；604磁转子；605旋转支架；606线圈；607紧固螺钉；7上密封筒；8流量测量机构；9中间接头；10阀调节机构；101阀套；102可调阀芯；103阀套座；104连接头；105磁铁护筒；106磁铁保护套；107磁铁；108支架；109励磁线圈；1010铁芯；1011固定螺帽；11下中心管；12监控单元；13下密封筒；14内压力传感器；15外压力传感器；16电池组；17下部预置光缆；18下光缆密封对接头；19下接头；20地面控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1至图5所示，本发明井下永置式动态监控装置，整体呈筒形，包括由上至下依次连接的上接头3、上密封筒7、中间接头9、下密封筒13和下接头19。

所述上密封筒7内设置有上中心管5和流量测量机构8，所述上中心管5上端与上接头3下端连接，所述上中心管5下端与流量测量机构8上端连接，所述流量测量机构8下端与中间接头9上端连接，所述上密封筒7与上中心管5之间形成上密封环空，所述上中心管5内部过流通道设置有发电机构6。

所述下密封筒13内设置有下中心管11，所述下中心管11上端与中间接头9下端连接，所述下中心管11下端与下接头19上端连接，所述下密封筒13与下中心管11之间形成下密封环空。所述下密封环空内设置有阀调节机构10、监控单元12、电池组16、内压力传感器14和外压力传感器15，所述监控单元12、阀调节机构10均与电池组16电连接。所述监控单元12分别与发电机构6、流量测量机构8、内压力传感器14、外压力传感器15、阀调节机构10电连接。

所述上接头3和下接头19分别设置有上光缆密封对接头2和下光缆密封对接头18，所述上密封环空内设置有上部预置光缆4，所述下密封环空内设置有下部预置光缆17，所述上部预置光缆4一端与上光缆密封接头2连接，另一端与监控单元12连接，所述下部预置光缆17一端与下光缆密封接头18连接，另一端与监控单元12连接；所述上光缆密封对接头2和下光缆密封对接头18均与外部光缆1连接，所述监控单元12通过预置光缆4、外部光缆1与地面控制器20双向通讯。

所述中间接头9侧壁设有内传压孔和外传压孔，所述内传压孔和外传压孔分别与内压力传感器14、外压力传感器15连通，内压力传感器14和外压力传感器15分别将压力信号传输至监控单元12，所述监控单元12根据内压力和外压力的差值，检验中间接头9的可调阀芯102是否完全归位。

所述阀调节机构10包括由上至下依次连接的阀套101、阀套座103、支架108，所述阀套101设置有径向通孔，与中间接头侧壁的连通孔相连通，所述阀套座103内设置有连接头104，所述连接头104上端连接可调阀芯102，下端连接磁铁护筒105，所述可调阀芯102上端位于阀套101内部，控制阀套101通孔的开度，所述磁铁护筒105内设置磁铁保护套106，所述磁铁保护套106内设置磁铁107，实现可调阀芯102与磁铁107的轴向连接，所述支架108外部设置励磁线圈109，内部设置铁芯1010，所述铁芯1010下端穿过支架108，并设置固定螺帽1011；所述励磁线圈109与监控单元12连接，所述监控单元12产生阀开度调控指令，驱动与控制励磁线圈109内电流的大小和方向，形成可变磁场驱动可调阀芯102沿轴向运动，调控分层过流量。

实际应用中，为准确监测阀的开度，阀调节机构10的支架108上设置有光电探头，所述光电探头与监控单元12连接，所述监控单元12检测光电探头发射光与接收光的时间，计算出可调阀芯102开/关的位移量。

实际应用中，为保证井下监控电路持续的电力供应，所述发电机构6包括螺帽601、滚子轴承602、涡轮滚轴603、磁转子604、旋转支架605、线圈606、紧固螺钉607，所述滚子轴承602设置为两个，其中一个连接于螺帽601和涡轮滚轴603之间，另一个连接于磁转子604和涡轮滚轴603之间，且通过紧固螺钉607连接固定，所述滚子轴承602和涡轮滚轴603设置于旋转支架605内部，所述线圈606设置于上密封筒7与上中心管5之间的上密封环空内。所述涡轮滚轴603在流体作业下产生旋转，带动磁转子604产生磁场，线圈606内产生感应电动势，感应电动势经监控单元12变压、整流后为电池组16充电，保证井下电子电路的电力供应。

所述流量测量机构8实时监测过流量，并传输至监控单元12，当过流量不在预设范围内时，所述监控单元12发送控制信号至阀调节机构10，所述阀调节机构10接收控制信号并调节可调阀芯102的开度，实现过流量的控制。具体地，流量测量机构8实时采集分层过流量q1，并传输至监控单元12，监控单元12将分层流量值q1与设定值q的差值作为控制依据产生控制指令，驱动阀调节机构10的可调阀芯102正反向动作，进而调整分层过流量；如分层过流量q1小于设定值q，则监控单元12发送控制信号至阀调节机构10，驱动可调阀芯102正向动作使阀开度增大；如分层过流量q1大于设定值q，则驱动可调阀芯102反向动作使阀开度减小。

实际应用中，各分层之间通过封隔器隔开，为检验可调阀芯102是否完全归位，并长期监测地层压力变化，内压力传感器14和外压力传感器15分别实时获取管柱内压力与地层压力，并传输至监控单元12。

进一步地，为方便地面施工人员对该监控装置的调控及确保监控装置与地面控制设备间数据传输的可靠性，监控单元12通过光缆将该监控装置采集的分层流量、管柱内压力、地层压力和井下的温度传输至地面控制设备；同时，地面控制器20通过光缆为井下永置式动态监控装置发送指令/数据。

本发明井下永置式动态监控装置的工作原理：该监控装置适用于预先下入光缆的分层注采管柱。井下管柱中的封隔器需采用可通过光缆的封隔器(对于防砂完井需采用可通过外部光缆1的插入密封装置)。在完井时逐一下入并连接好光缆，最终通过外部光缆与地面控制器20相连。工作时，地面控制器20通过光缆向井下监控装置发送指令/数据，监控装置根据接收的指令/数据，完成分层过流量、管柱内压力、地层压力、井下温度等参数的实时数据采集，并将采集的分层数据通过光缆发送到地面控制器20。

分层验封时，通过阀调节机构10关闭可调阀芯102，由内压力传感器14、外压力传感器15分别测量出可调阀芯102前后端的压力值，进而判断封隔器的密封性。分层过流量调配时，监控单元12实时采集流量测量机构8测量的数据q1并与流量设定值q比较，根据q1与q的差值大小和正负，控制可调阀芯102开关动作，调整分层过流量直至满足设定要求，允许存在一定的误差。

本发明井下永置式动态监控方法，包括以下过程：

(1)分层监测：地面控制器20对分层监测指令进行编码和信号调制，将监测指令转化为光波编码信号，通过外部光缆1向每层设置的井下永置式动态监控装置发送控制指令，井下永置式动态监控装置中的监控单元12接受传来的光波编码信号并进行解调和解码，将实时采集的分层数据进行编码和信号调制，所有永置式动态监控装置协同工作，分时经外部光缆1反馈给地面控制器20，地面控制器20对反馈的信号进行解调和解码，完成井下不同层位生产状况的实时监测

(2)分层控制：地面控制器20对分层控制指令进行编码和信号调制，将控制指令转化为光波编码信号，通过外部光缆1向每层设置的井下永置式动态监控装置发送控制指令，所有井下永置式动态监控装置接受传来的光波编码信号，并由监控单元12进行解调和解码，将装置标识码和控制标识码比对，如果标识码相同，则监控单元12将依据控制指令中的设定流量值，经过计算驱动阀调节机构10动作，调整当前层的流量值，直至满足设定要求，并实时地将分层调控的分层数据进行编码和信号调制，经外部光缆1反馈给地面控制器20，地面控制器20对反馈的信号进行解调和解码，完成分层调控的实时监测。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。