用于在矿床或地下流体储层的生产井中测量物理参数的方法和装置

摘要

在一个矿床或地下流体储藏层的生产井中—该生产井包括一个外壁(1),该外壁与井的一根中心生产管(2)一同界定一个环形空间(4),该空间中设有连接地面设施和井内部件的电缆(5)的护套(6)—一个用于测量物理参数的装置包括至少一个安置在与中心管(2)内部连通的盒(3)中的小型并密封的测量组件(8),和至少一个与井的中心管(2)一体连接的小型并密封的连接组件(7),该连接组件至少部分地安置在环形空间(4)中并靠近护套(6),以连到连接电缆(5)。密封的测量组件(8)和连接组件(7)具有分别与半变换器(9A,9B)关联的平的接触表面(95A,95B),以便在测量组件(8)和连接组件(7)之间形成一个电感耦合。

说明书

本发明涉及在矿床或地下流体储层的生产井中测量物理参数的方法和装置。

对于象天然气这样的流体地下储存来说，储存参数的控制要涉及到有关储层和相关矿井的可靠和最新的数据。对于含水矿床中的储存，特别需要知道矿床压力值，必须对它定期进行核查。

目前，最常见的作法是根据在井口处得到的测量结果对这些参数进行估算。这种测量结果仅能粗略地获得有关井底情况的信息，这会给储存特性的预报造成明显的误差。

无论是对于含水矿床，还是对于含盐洞穴，关键是要能够得到生产井的井底处的，而不是仅仅井口处的，物理参数信息，特别是压力信息。

已经提出将物理参数探测器伸入在井的中心生产管和井的外圆筒壁之间限定的环形空间中。在这种情况下，探测器利用有线线路连到地面上，该有线线路也设置在没有生产流体循环的这个环形空间中。这个解决方案能够实时地测量井底的情况。

然而，若要取出与矿井结构结为一体的的探测器和与之相联的电子电路以进行维护和更换，就必须对矿井结构本身进行修理，这将是特别昂贵的，因为这需要拆下矿井结构的所有或部分构件。鉴于探测器和关联的电子电路没有设置在能够快速地进行维修和更换的易于接近区，由于安置或放置探测器的任何操作只能在修理矿井的时候进行，所以为了获得所需的测量可靠性和确保测量的连续性，就必须选用高价的探测器和电子电路，以适应恶劣的环境条件，同时必须安装备份的探测器和电子电路。

还提出利用缆线作业在矿井的生产管内部设置测量模块，这样就能将测量模块安置在井底。数据从位于井底的测量模块传到一个位于矿井附近的地面上的收发信机。利用穿过地质岩层的电磁辐射，在地下的测量模块和地上的收发信机之间实现无线传送。然而无线传送是高能耗的，对用于测量模块中的电源(蓄电池)有一定限制。

因此，这种系统只设想用在工作时间有限的场合，并且另外，这种系统具有较大的整体尺寸，这会在生产管中构成障碍。另外，这种无线传送系统可由巨大的同轴电缆来表示。在这种同轴电缆中，导电芯由生产管的抽油杆柱构成，且利用其电性能；内部绝缘体由靠近矿井的土壤构成；而外导电壳由距矿井更远的土壤构成。这已证明，用这种无线系统的信号传送质量是相当随机的，因为它取决于矿井的生产管的结构类型以及所要贯穿的地质岩层的电阻率。因此，其性能从一地到另一地，以及在同一地点从一口井到另一口井，都会有显著的变化。另外，选定探测器在井中的位置也不是很容易，这是由于，为了使电磁波以良好的状态发射，地质岩层的电阻率ρ在矿井附近必须足够高(平均为ρ＞10Ω.m)，而在探测器水平上的一个特定点处必须低(在几米范围上ρ＜10Ω.m).

最后，在包含有探测器的测量模块的高度上，在生产管和井结构(井筒)之间，必须存在机械接触，以防测量模块与地质岩层电绝缘。因此，这种测量模块具有不能正常工作的风险，特别是对开在含盐洞穴中的具有悬挂的中心管的井来说，情况尤为如此。

本发明的目的是弥补先有技术的系统的缺陷，使得能够长期、低成本地在生产井中可靠地测量物理参数。

本发明的另外目的是有利于进行定位和安放测量装置的最易损的零部件的操作，而不必对井结构进行修理。

这些目的可由根据本发明的用于在矿床或地下流体储层的生产井中测量物理参数的装置来实现，该生产井包括一个外壁，该外壁与生产井的一根中心生产管一同限定一个环形空间，在该环形空间中设置有一根位于地面设施和安置在井中的部件之间的电链接电缆的一个护套，其特征是，它包括至少一个小型的、可拆卸的、密封的测量组件和至少一个小型的、密封的连接组件，该测量组件安置在一个与中心管内部连通的盒中，该连接组件与井的中心管成一体并至少部分安置在环形空间中靠近所述护套的地方，以便与所述电链接电缆连接，所述密封的测量组件和密封的连接组件具有分别与一个半变换器(半互感器)相关联的平的接触表面，以便在测量组件和连接组件之间构成一个电感耦合。

根据本发明的装置因此能在潮湿的环境下确保耐久和可靠的连接，该连接是紧密的，并且能从地面上通过生产管中的缆线作业定位和放置包含一个探测器及相关的电子电路的测量组件，而无需对井结构进行维修。

更换可拆的测量组件的便利性，使得能根据需要而便于对测量组件进行维护和修改其结构，这使得该系统具有灵活性和可扩充性。

在用于根据本发明的装置的构架内的电感耦合中，与一个平的接触表面关联的每个半变换器包括一个磁路和一个线圈，线圈埋置在象树脂或玻璃这样的固体材料中，使之能承受压力。

有利的是，半变换器包括薄的焊接的非磁性金属片，后者构成该平的接触表面并形成测量和连接组件的部分密封壳。

测量组件包括至少一个探测器，一个储能件和在半变换器、储能件和探测器之间提供接口的电子电路。

该电子电路包括编码-解码电路和用于控制供电和管理由探测器发出的信息的电路。

根据一个具体实施例，测量组件与由中心管的盒形成的定位挡座相结合。

测量组件可以包括一个用于定位在中心管的盒中的成型部，而连接组件包括一个与该用于定位测量组件的成型部互补的成型部，以使连接组件定位在中心管的盒的附近。

连接组件可穿过中心管的盒的壁，以便部分地位于该环形空间中并且部分地位于与中心管内部连通的盒中。

根据一个有利的实施例，与连接组件和测量组件联接的电链接电缆形成一条用于交替地以控制信号的形式以下行的方式和以数据信号的形式以上行的方式传输电信号的单线半双工链路。

更具体地，该电链接电缆适于在不传输数据信号期间传输为连接组件和测量组件供电的信号。

根据本发明的装置，可以包括多个测量组件，它们与并联在同一电缆上的多个连接组件相连，该电缆构成总线形式的链路。

本发明还涉及一种用于在矿床或地下流体储层的生产井中测量物理参数的方法，该生产井包括一个外壁，该外壁与井的一个中心生产管一同限定一个环形空间，在该环形空间中设置一根位于地面设施和安置在井中的部件之间的电链接电缆的一个护套，其特征是：至少一个密封的连接组件被固定地并与井的中心生产管成一体地设置在护套附近并与电链接电缆相连接，该连接组件至少部分地安置在所述环形空间中并包括一个半变换器；至少一个小型的、密封的测量组件借助于从地面由一条载流电缆遥控的工具通过中心管被可拆卸地安设，该测量组件带有一个半变换器；该测量组件被定位在一个成形在固定有连接组件的中心管中的侧盒中，其定位方式使得测量组件与连到电链接电缆的连接组件电感耦合。

有利的是，通过电链接电缆交替地传送用于给测量组件供电的交流低频电信号以及数据传输和控制信号。

从下面结合附图对作为例子的具体实施例的说明中，将会明了本发明的其他特征和优点。附图中：

图1是一段生产井的轴向断面示意图，该生产井中装设有根据本发明的测量装置的一个例子；

图2是图1的井的一部分的轴向断面图，井中装有一个根据本发明的测量装置，它带有一个测量组件和一个连接组件，这两个组件都装有一个电感耦合装置；

图3和图4是表示根据本发明的测量装置的变型形式的轴向断面示意图；

图5是表示结合于根据本发明的装置中的电路的一个例子的框图；

图6是表示在根据本发明的测量装置和地面设施之间的信号交换的时序图；和

图7和图8是能应用于根据本发明的测量装置上的电感耦合装置的两个实施例的轴向断面图。

在图1中，可以看到矿床或地下流体储层的生产井的一部分。该井包括一个外壁(井筒)，它与一个中心生产管2一同界定出一个环形空间4，在生产管2中循环有从地下储存中抽出或喷出的流体。

布置在环形空间4中的部件是固定安设的，要取走或更换它们牵涉到对井结构本身采取行动。另一方面，可以借助于由载流电缆(联机电缆)连到地面上的遥控工具来触及安置在管2内的部件，使得能以合理的费用来取走或更换安置在管2内的部件。

中心生产管2具有匣状的侧向盒3，后者与管2的内部连通并伸入到环形空间4中。

至少在一些侧向盒3中安置有小型的、可拆下的、密封的测量组件8。在环形空间4中，与含有测量组件8的侧向盒3成一体地安置有小型的、密封的组件7。组件7确保连接一条由护套6包围的电链接电缆5。电缆5及其护套6固定安置在井的环形空间4中，并且穿过井口10连到地面设施上。

连接电链接电缆5的连接组件7安置在测量组件8的附近，使它既可以向测量组件8供电，又可在地面设施和测量组件之间传输数据或控制信号。

由于这些测量组件8的小型性和它们位于侧向盒3中，所以测量组件8的存在不会对进入中心管2造成妨碍。因此，可以让传统的测量工具进入中心管2的所有地方，并且，中心管的生产(喷出或抽吸)不会受到干扰。

下面参照图2-5和7、8，对连接组件7和测量组件8的结构性例子作更详细的说明。

测量组件8可取下地安置在中心生产管2的侧向盒3中，它实质上包括一个探测器(传感器)140，后者可以例如是一个温度探测器，或一个压力探测器，但也可以是一个变化较慢的其他类型物理量(如流率)的探测器。

如果是一个压力探测器，例如压电型，如图所示，一个金属的测压膜片83可安置在一根管82中，管82借助一个密封系统穿过模块8的密封壳80并与中心管2的内部连通，或者必要时，与环形空间4连通。

测量组件8还包括一个储能装置120。该储能装置120可包括一个可重复充电的电池或一个电容器。

在图5中可看到储能装置120的一个例子，它包括一个二极管整流器桥121，后者连有一个电容器122，以便经线路123向探测器140和电子电路130供电。

测量组件8的电子电路130在探测器140、储能装置120和一个半变换器9B之间提供接口，该半变换器提供与连接组件7的电感耦合。

如从图5中可见，电子电路130可以实质上包括编码-解码电路131、132(收发信电路)和用于控制电力供应及用于管理由探测器140发出的信息的电路133(与探测器的仪表接口)。

本发明能够在需要时修改、更换或增补电子电路130、探测器140和储能装置120，为此只需借助一条引到中心管2内部的遥控电缆简单地拆下测量组件8，而丝毫不用修改固定安设在环形空间4中的连接组件7。以这种方式，如果测量组件8的元件例如由于剧烈的温度、强大的压力或与腐蚀性流体接触而受到损坏，那么可以容易地更换这些元件，使得该系统仍能继续借助于仍处于原位的连接组件7而发挥作用。

再参见图2，可以看出，密封的连接组件7安置在环形空间4中的护套6附近，以便连到电链接电缆5，并且包括一个半变换器9A，后者与测量组件8的半变换器9B相结合，以构成一个电感耦合。

更具体地，连接组件7的半变换器9A安置在构成此组件的部分密封壳的平表面95A的后面，而测量组件8的半变换器9B安置在构成此组件的部分密封壳的平表面95B的后面。平表面95A、95B设计成相互结合，并确保两个半变换器9A、9B的相对定位。

每个半变换器9A、9B包括一个磁路91A、91B和一个线圈(绕组)92A、92B，该线圈埋入象树脂或玻璃这样的固体材料中，以便能承受压力。

半变换器9A的线圈92A由连接导线93A连到电缆5，电缆5布置在环形空间4中并通过井口衬套10连到地面设施上，用于供电和信号处理。

半变换器9B的线圈92B由连接导线93B连到储能装置120、电子电路130和探测器140。

有利的是，半变换器9A、9B包括薄的焊接的非磁性金属片，后者构成小厚度的平的接触表面95A、95B，并构成连接组件7和测量组件8的部分密封壳。

如图2所示，连接组件7和测量组件8的每一个可与机械定位挡座31配合，例如可以通过在中心管2的盒3中机加工出这样的挡座。

更具体地，测量组件8的外壳80的成型部81能确保测量组件8在盒3中的定位。连接组件7的外壳具有一个与测量组件8的成型部81互补(互配)的成型部71，以便让连接组件7与中心管2的盒3一体地定位。

连接组件7是坚固的，它固定安装在环形空间4中的盒3的壁上。测量组件8由于它的平的定位表面而能相对于连接组件7精确地定位设置，从而可以实现最佳的电感耦合。

与半变换器9A、9B的线圈92A、92B关联的并且通过电感耦合确保信号传送的平表面95A、95B，可以以不同的方式定向。这些表面可以是水平的(图7)或垂直的(图8)或倾斜的。

在后两种定向的结构中，通过增大这些表面95A、95B之间的距离，可以限制岩屑夹在这些表面之间并损害耦合的风险。平表面95A、95B可以是小型化的，其尺寸小于大约40mm。

根据本发明的测量系统，能够提供一种在潮湿的环境下坚固耐用的、高质量的连接，而不会有随着时间推移而损坏的风险，这是因为它具有在连接组件7和测量组件8之间的电感耦合系统，和将连接组件7制成小型、密封的形式，使得只与链接电缆5的护套6的内部连通。因此这种连接系统能很好地适用于井底探测器，尽管它也能用于安置在井口处的探测器。另外，由于测量组件8被制成小型、密封的模块形式，所以它能承受中心生产管2中的恶劣的环境条件。在所有情况下，测量组件8的可拆卸性和它的借助于载流电缆的易更换性，有利于对该系统的维护。

各种各样的实施例都是可能的。因此，图3中示出了根据本发明的测量装置的一个例子，其中，连接组件7穿过中心管2的盒3的壁，而一部分位于环形空间4中且一部分位于与中心管2的内部连通的盒3中。在这种情况下，测量组件8的下部成型定位部81可与连接组件7的互补的成型部71直接结合。测量组件8还可与成形在盒3的壁上的导座或紧固挡座32结合。在图3的情况下，也示出了盒3支承在外壁1上的一个实施例。

图4示出了一个与图2类似的实施例，其中，连接组件7全部设在环形空间4中，并且固定在盒3的壁上，而不穿进盒3的内侧。图4的实施例示出了一个形式比图2的更简单的盒3，因为测量组件8与成形在盒3侧壁上的引导和紧固挡座32结合，这样盒3的下部比图2所示的更易制造，而在图2所示的情况下，盒3的下部限定一个托槽形的挡座31。

应注意的是，根据本发明的整个测量系统仅消耗小量的能量，这可由普通的蓄电池或太阳电池板类型的装置通过链接电缆5从地上供电。因此这种系统可用于隔绝的地点，而不会招致明显的额外花费，并可避免使用需要定期维护的发电机组。

根据本发明的一个特征，与连接组件7和测量组件8合作的电链接电缆5构成一条单线的半双工的链接，用于以下行的方式以控制信号的形式和以上行的方式以数据信号的形式交替地传输电信号。

更具体地，可使用电链接电缆5在不传输数据信号期间来给连接组件7和测量组件8传输供电信号。

因此，可以通过电链接电缆5交替地传送低频交流电信号以及施加到电子电路130或由其发出的数据输送和控制信号，这种低频交流电信号将由电感耦合传送给测量组件8，并将用于给储能装置120提供电能。

这样，当地面系统希望获得探测器的一串测量结果时，借助于一种从半变换器9A电感传送到测量组件8的交流低频信号，该地面系统通过电缆5发出一控制信号。作为响应，与探测器140相联的电子电路130利用经过半变换器9A、9B的电感耦合，发送源自探测器140的数据信号。在两串数据信号之间，使用于向储层提供电能的向下的传送保持足够长的时间，以给储能装置120充电。

图6中以举例的方式示出了控制和供电信号101和数据信号102的时序图，控制和供电信号通过电链接电缆5从地面设施传输到测量装置，数据信号通过电链接电缆从测量装置传输到地面设施。要供给模块8的下行信号101具有比发自模块8的能耗数据信号102的幅度Vd和时长td大的幅度Vc和时长tc。作为举例，tc和td的典型数值大约分别为20秒和2秒。时长tc必须足够长，以便给安置在可拆下的模块8中的储能装置120供电，并让后者发出一个上行数据信号102。下行信号101用于同时给模块8供电和发送控制信号。需要小能量的信息传送，事实上能取自供电信号。就上述例子而论，由于整个周期(tc+td)持续大约20秒，所以可使装置获取数据的频率小于一分钟。

对电子电路130的供电是由储能装置120永久保障的，储能装置包括例如电容器122。

根据本发明的装置使得能够进行从地面上监控的可变测量周期。它也能让多个探测器(利用电感耦合)连接到同一电缆5。在这种情况下，设置多个测量组件8，它们与多个并联在同一电缆5上的连接组件7相关联，此时电缆5构成总线形式的链路。

在此情况下，在收到一个控制信号后，所有探测器都变成高阻抗状态。被访问的那个探测器发出一个包含有所需测量结果的图形。这些信号穿过电感耦合的两个半电压器9A、9B，然后通过电缆5传送到地面。在收到最后一个被访问的探测器的上行图形之后，恢复用于给测量组件8供电的信号输送。

在所有情况下，电感耦合都保护测量组件8的电子电路免受源发于工业或大地的破坏性过电压的损害。

根据本发明的连接系统可以在潮湿环境下恒久地工作，例如在开采地下天燃气储藏的井中，在压力和温度分别为高达200巴和80℃的环境下，或在碳氢化合物生产井中，在高压P和高温T(例如P＞1000巴，T＞175℃)的环境下。连接组件7没有运动元件。测量组件8可从地面上相对于连接组件7连接和断开。在所有情况下，位于环形空间4中的电链接电缆5既允许电子信号和数值数据的双向传输，又允许对测量组件8供电。