採氣用柱塞井下運行狀態跟蹤系統的製作方法
2023-08-06 16:24:11 1
專利名稱：採氣用柱塞井下運行狀態跟蹤系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及油氣田採氣技術領域，主要涉及一種為天然氣井排液採氣作業生產系統提供管理和生產優化依據的井筒生產參數採集與測量系統。
背景技術：
隨著國民經濟對清潔能源的需求不斷增加，天然氣消耗所佔的比例逐年上升，對天然氣資源的開發利用重視程度也越來越高。近年來，非常規天然氣資源的大規模商業化開發改變了世界天然氣市場的格局。隨著氣田的採出程度提高，許多氣井已進入低壓、單井產量低的階段。氣井流速過低，不能達到氣井的臨界攜液流量，攜液能力差，井底逐步產生積液，井筒壓力升高，最終導致井被壓死，無法生產。因此，必須採取有效的清除積液工藝以保證氣井的長期穩產。目前現場使用多種排液採氣工藝，有杆泵、電潛泵等技術必須消耗外部能量。柱塞氣舉是一種利用儲層本身能量來攜液的間歇式舉升方法(如附圖1所示)。柱塞是一個與油管相匹配的可在油管內自由遊動的活塞。工作時，先關井提高井底壓力，壓力上升到能滿足舉升要求時再開井，井底的柱塞5依靠氣井的壓力在油管內上升，一直升至井口防噴管 1。管線的開關由電動開關閥3和電子控制器4來控制調節，位於主閥門8上方的是柱塞到達傳感器9，當柱塞5經過柱塞到達傳感器9時，柱塞到達傳感器9向電子控制器4發送信號，電子控制器4打開電動開關閥3，液體從管線三通2排出，天然氣從油套環空產出。隨著天然氣不斷採出，井筒壓力下降，電動開關閥3重新關井，柱塞5依靠自身重力下落至井底，開始下一個壓力恢復過程。井筒底部有底部減震器6，防止柱塞5下落後損壞。氣井開井和關井形成一個柱塞氣舉的工作周期，循環重複這一周期性動作就可以把井底積液和天然氣不斷採出(如附圖1所示)。通過柱塞氣舉，在氣體與採出的液體之間形成一個固定的界面，能有效防止液體的回落，提高舉升效率。與其它排液採氣工藝相比，柱塞氣舉完全利用儲層能量，系統整體結構簡單，成本大約只有有杆泵的1/5-1/4，非常適合氣田中後期開採的需要。目前，對柱塞氣舉井進行生產管理和優化的技術還不能滿足要求。由於開關閥用來控制柱塞的上下行運動，因此開關閥的開閉時間是對氣井實施生產控制的主要參數，而對氣井生產動態進行有效管理必須依靠大量準確及時的井筒生產參數作為依據。目前，氣井流動壓力、套壓、地面生產管線壓力等壓力參數都可以通過壓力傳感器獲得，利用現有成熟技術就可以實現，而其它生產參數，比如液面深度、液柱高度、柱塞運行狀態的參數(柱塞當前運行的位置、柱塞運行速度及加速度)還沒有很好的技術手段進行有效的實時監測和採集，不能實現柱塞氣舉生產井的真正優化生產。現有的柱塞氣舉生產管理的依據主要是理論模型，通過模型來預測柱塞到達井底的時間、開始進入動液面的時間等，由於模型本身的缺陷會導致預測值與實際值有很大出入。比如模型預測柱塞落至井底的時間是2. 5 小時，但實際只需1小時就回到井底，由於長時間不開井生產，導致柱塞上方的液體越積越多，等2. 5小時過去開關閥打開柱塞上行時，由於液柱過重而運行速度太慢，甚至沒有到達
4井口時就因為氣體壓力消耗下降使得柱塞停止運行。在另一種情況中，模型預測的柱塞落至井底的時間又過短，導致柱塞還未進入液柱地面開關閥就已打開，柱塞沒有舉升任何液體就開始上行，導致系統的無效運行。另外，掌握柱塞運行速度也是很重要的，如果柱塞上行速度過快而且不進行及時發現並控制，可能對井口設備造成損壞。同時還有很多參數理論模型是無法預測的，比如柱塞運行時被卡在油管內，被卡深度無法通過模型求出，需要藉助其它手段去判斷卡點的實際位置。對於動液面的確定，雖然現在有井口聲波測量技術，但是該技術具有一定的局限性，由於井筒內氣相與液相之間並沒有明顯的界面，有時會存在泡沫段，而這些泡沫也會反射聲波，這會使測量結果不準確，測量的動液面比實際的要高，基於錯誤的動液面參數進行的優化處理會導致錯誤的開關閥開閉時間。目前已申請的關於柱塞氣舉的專利涉及機械結構方面，並沒有涉及柱塞運行參數直接測量，而動液面測量技術都是用於抽油機井等其它人工舉升井的應用，尚不能在柱塞氣舉井上直接採用。專利號為CN200971772的實用新型涉及一種用於石油及天然氣開採領域中，特別是針對高氣液比井的接力式柱塞氣舉採油氣裝置。它適用於上大下小兩種直徑的組合油管的柱塞氣舉，擴大了柱塞氣舉工藝的適用範圍。它主要由井口部分、井下部分及柱塞三部分組成，其特徵是油管為內徑上大下小的組合油管柱，井下部分的緩衝彈簧、油管卡定器安裝在下部小油管中；接力式柱塞由大柱塞與小柱塞間通過瓣狀彈簧卡爪連接， 大柱塞安裝在上部大油管內，大柱塞中空並能與小柱塞上的對接接頭自動脫、接，小柱塞安裝在下部小油管內。小柱塞在小油管內舉升，小柱塞與大柱塞對接後在大直徑油管內舉升， 小、大柱塞的脫、接依靠慣性力自動實現，充分利用地層產出氣推動柱塞運動來採油或排水採氣。專利號為200920033774的專利涉及一種油井動液面雙聲源自動測量裝置，包括有外殼，氮氣瓶位於殼體內部的下層，高壓膠管一端連接在氮氣瓶瓶口上，另一端連接在貯氣室前端的洩壓閥上，內箱體的左上方設置有電路板，電路板上依次為電源模塊、計算存儲模塊以及聲波信號放大模塊，可將聲波信號轉化為電信號傳送到電路板計算出聲速及液面位置並存儲，連續存儲的數據可隨時供外部計算機讀取，既可以利用井場套管伴生氣體，又可以利用氮氣來自動測量油井動液面，氮氣的使用頻率降低，井場套管內的伴生氣體得到了利用。
實用新型內容本實用新型解決的技術問題是提供一種採氣用柱塞井下運行狀態跟蹤系統，以改善或克服現有技術存在的一項或多項缺陷。本實用新型的技術解決方案包括一種柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，所述柱塞包括柱塞本體和儀器工作筒總成，該系統包括地面監測子系統及安裝於所述儀器工作筒總成內的柱塞監測子系統，所述柱塞監測子系統接受所述地面監測子系統的控制，所述地面監測子系統實時採集油管內傳送的聲波脈衝信號，進行處理分析後得到柱塞運行參數，用以實時獲取柱塞運行狀態，所述儀器工作筒總成包括儀器工作筒本體、打撈頭、減震彈簧及壓帽，所述打撈頭設於所述儀器工作筒本體的頂端，所述柱塞監測子系統的兩端各有一組所述減震彈簧和所述壓帽的組合體，對柱塞監測子系統進行定位、緩衝。如上所述的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，其中，所述地面監測子系統是對柱塞與油管接箍位置接觸而產生的聲波脈衝信號進行實時採集和測量，獲取柱塞運行參數，以識別柱塞運行狀態。如上所述的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，其中，所述柱塞監測子系統接受所述地面監測子系統的控制發送聲波脈衝信號，所述油管內的流體介質作為聲波傳輸介質。如上所述的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，其中，所述儀器工作筒總成內還容設有採樣設備、油壓/套壓傳感器及/或溫度傳感器。如上所述的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，其中，所述柱塞的下端裝設有用於加快柱塞在油管內的下行速度的柱塞旁通閥。如上所述的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，其中，所述地面監測子系統包括柱塞運行處理模塊、地面顯示設備、地面系統電源、地面聲波發射器和地面聲波接收器；其中，所述柱塞運行處理模塊與地面監測子系統的其他各組成部分耦接，並控制所述地面聲波發射器和地面聲波接收器的動作；柱塞運行處理模塊將處理後的波形信息傳至地面顯示設備上，現場操作人員能夠根據實時的柱塞運行狀態信息向系統發出各種控制幹預指令。如上所述的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，其中，所述柱塞監測子系統包括柱塞系統電源、柱塞聲波發射器、柱塞聲波接收器、輸入輸出設備、柱塞系統時鐘、柱塞控制器和編碼模塊；所述柱塞控制器與所述柱塞監測子系統的其他模塊相耦接；所述輸入輸出設備包括能夠井下安裝的傳感器；所述柱塞聲波發射器和柱塞聲波接收器分別嵌入儀器工作筒本體的外表面，所述柱塞聲波發射器是通過編碼模塊與所述柱塞檢測子系統耦接；所述柱塞聲波接收器接收地面監測子系統的控制指令，並將其傳至柱塞控制器，在地面監測子系統指令的控制下，柱塞監測子系統執行相應的操作，需要發射聲波脈衝時，柱塞控制器通過編碼模塊在柱塞系統時鐘的調節下由柱塞聲波發射器向地面監測子系統發射聲波脈衝信號。如上所述的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，其中，所述柱塞聲波發射器採用壓電陶瓷或磁致伸縮材料的電-聲換能器。本實用新型提出了一種採氣用柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，該系統可對柱塞的運行參數進行實時準確的採集和測量。改進後的柱塞與井口裝置共同配有聲波發射器、接收器、控制器、電源等配套設備。氣井生產時，柱塞將油管內的流體介質及/或油管管壁作為聲波傳輸介質，避免了僅用一種介質時帶來的較大測量和計算誤差。該系統可採用幾種方法對柱塞運行狀態進行跟蹤，既可以單獨使用其中一種方法，也可同時使用幾種方法。這些方法包括(1)油管接箍脈衝監測法該方法應用時柱塞監測子系統被關閉，柱塞在油管內運動時與管壁不斷接觸摩擦，在油管中產生的聲波脈衝信號會沿管體傳輸至地面監測子系統。柱塞每經過油管的接箍位置，聲波脈衝信號會發生一次瞬時的波動，地面監測子系統的接收器通過記錄波動的數量就可知柱塞經過的油管數量，而油管的長度是已知的，這樣就可以知道柱塞在油管內的深度，而由經過兩個位置的時間差又可計算出柱塞的運行速度， 柱塞在進入液柱前後的聲波脈衝信號會有顯著不同，地面監測子系統通過識別信號的差異可判斷液面的位置。(2)井下-地面連續監測法系統在工作時，在系統時鐘的控制下由柱塞監測子系統連續發送聲波脈衝，聲波脈衝由管內氣體介質傳輸至井口，地面監測子系統在接收脈衝信號後通過放大、濾波、採樣頻率變換等處理，篩選出穩定的波型。這些波型經過數位訊號處理器(DSP)和控制器(MCU)的處理、解釋和計算，求出柱塞及井筒實時的各項運行參數， 包括柱塞在油管內的深度、上下行速度、上下行加速度、落至井底的時間、進入動液面的時間、動液面的位置、液柱的高度等。當油管內液柱上方存在較長的泡沫段時，採用第二種方法可能會產生誤差，較佳是採用第一種方法，即利用油管管體進行信號傳輸，以保證系統跟蹤柱塞運行狀態的有效性，為油田管理人員對生產的合理控制與優化提供了重要依據。本實用新型的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤技術克服了傳統的基於數學模型的柱塞運行狀態預測模式的固有缺點，提供了實時的、更直接的參數採集和測量工具與手段， 縮短了柱塞的無效生產時間，提高了系統的運行效率，延長了柱塞舉升系統的無故障生產周期，有利於提高氣井單井產量，有利於氣田的穩產和經濟效益的提高。本實用新型的技術可用於各類氣井的排液採氣作業，包括低產氣井、氣藏壓力衰竭氣井、開採後期的凝析氣氣井、緻密氣氣井、頁巖氣氣井、煤層氣氣井等常規和非常規氣藏開發井。
圖1為現有的柱塞排液採氣系統的結構示意圖。圖2為本實用新型所採用的配有儀器工作筒的柱塞工具組合示意圖。圖3為本實用新型的儀器工作筒和柱塞監測子系統。圖4為本實用新型的一具體實施例的柱塞監測子系統的組成示意圖。圖5為本實用新型的一具體實施例的地面監測子系統組成方框圖。圖6為本實用新型的一具體實施例採用的井下-地面連續監測法的工作流程示意圖。圖7為本實用新型的一具體實施例採用的油管接箍脈衝監測法的工作流程示意圖。圖8為本實用新型的一應用實例中採用的油管接箍脈衝監測法及井下-地面連續監測法的工作流程示意圖。主要附圖標號說明1-防噴管總成；4-電子控制器；7-油管限位器；10-柱塞到達傳感器；13-柱塞旁通閥；16-壓帽； 統；19-柱塞聲波發射器； 源；22-輸入輸出設備；
2-管線三通；3-電動開關閥；5-柱塞；6-底部減震器；8-主閥門；9-柱塞捕捉器；11-儀器工作筒總成；12-柱塞本體；14-打撈頭；15-減震彈簧；17-儀器工作筒本體；18-柱塞監測子系
20-柱塞聲波接收器；21-柱塞系統電
23-柱塞系統時鐘；24-柱塞控制器；[0040]25-編碼模塊；26-地面顯示設備；27-人工控制指
令；
28-柱塞運行處理模塊； 29-地面系統電源；30-放氣閥；
31-地面聲波發射器；32-地面聲波接收器；33-地面傳感器
具體實施方式
本實用新型提出一種柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，所述柱塞包括柱塞本體和儀器工作筒總成，該系統包括地面監測子系統及安裝於所述儀器工作筒總成內的柱塞監測子系統，所述柱塞監測子系統接受所述地面監測子系統的控制，所述地面監測子系統實時採集油管內傳送的聲波脈衝信號，進行處理分析後得到柱塞運行參數，用以實時獲取柱塞運行狀態，所述儀器工作筒總成包括儀器工作筒本體、打撈頭、減震彈簧及壓帽，所述打攜頭設於所述儀器工作筒本體的頂端，所述柱塞監測子系統的兩端各有一組所述減震彈簧和所述壓帽的組合體，對柱塞監測子系統進行定位、緩衝。優選地，地面監測子系統包括柱塞運行處理模塊、地面顯示設備、地面系統電源、 地面聲波發射器和地面聲波接收器；其中，所述柱塞運行處理模塊與地面監測子系統的其他各組成部分耦接，控制所述地面聲波發射器和地面聲波接收器的動作；柱塞運行處理模塊將處理後的波形信息傳至地面顯示設備上，現場操作人員能夠根據實時的柱塞運行狀態信息向系統發出各種控制幹預指令，調整、優化系統的生產參數。而且，還可以根據所測得的柱塞上行狀態參數來控制電動開關閥和放氣閥的開閉，從而實現對柱塞上行速度的快慢調節。較佳地，地面監測子系統是對柱塞與油管接箍位置接觸而產生的聲波脈衝信號進行實時採集和測量，獲取柱塞運行參數，以識別柱塞運行狀態。進一步地，該系統通過記錄柱塞每經過油管的接箍位置時聲波脈衝信號發生瞬時波動的次數，由此獲知柱塞經過的油管數量；還可以由經過兩個位置的時間差得到柱塞在油管內的深度及柱塞的運行速度；而且，根據柱塞在進入液柱前後的聲波脈衝信號顯著不同，通過識別聲波脈衝信號的差異判斷液面的位置。在本實用新型的一具體實施例中，所述柱塞監測子系統接受所述地面監測子系統的控制發送聲波脈衝信號，並利用油管內的流體介質作為聲波傳輸介質。在本實用新型的一具體實施例中，柱塞監測子系統包括柱塞系統電源、柱塞聲波發射器、柱塞聲波接收器、輸入輸出設備、柱塞系統時鐘、柱塞控制器和編碼模塊；所述柱塞控制器與所述柱塞監測子系統的其他模塊相耦接；所述輸入輸出設備包括能夠井下安裝的傳感器；所述柱塞聲波發射器和柱塞聲波接收器分別嵌入儀器工作筒本體的外表面，所述柱塞聲波發射器是通過編碼模塊與所述柱塞檢測子系統耦接；所述柱塞聲波接收器接收地面監測子系統的控制指令，並將其傳至柱塞控制器，在地面監測子系統指令的控制下，柱塞監測子系統執行相應的操作，需要發射聲波脈衝時，柱塞控制器通過編碼模塊在柱塞系統時鐘的調節下由柱塞聲波發射器向地面監測子系統發射聲波脈衝信號。本實用新型的基於聲波測量技術的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統能夠解決傳統的基於數學模型的柱塞運行狀態跟蹤和預測技術的誤差大、不能掌握實時井筒生產參數等缺點，該技術可對柱塞進行實時井下定位，對其運動參數進行有效採集與監測，並對井內動液面的變化情況進行跟蹤，為氣井的優化生產提供重要的依據。整個系統結構緊湊，作業效率高，安全性好，系統工作時不影響氣舉生產作業的正常進行。為了利於進一步準確理解本實用新型的技術方案，
以下結合附圖對本實用新型的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統進行詳細說明。如圖2至圖5所示，柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統分為兩部分，一部分是地面監測子系統，另一部分是柱塞監測子系統。配有井下定位及運行狀態跟蹤子系統的柱塞主要由儀器工作筒總成11、柱塞本體12和柱塞旁通閥13組成(結合圖2所示)。其中，柱塞監測子系統裝設在儀器工作筒總成11內，柱塞本體12可採用現有技術的結構，柱塞旁通閥 13為可選裝組件，用途是加快柱塞在油管內的下行速度。儀器工作筒總成11 (如圖3所示)主要由打撈頭14、減震彈簧15、壓帽16、儀器工作筒本體17、柱塞監測子系統18、柱塞聲波發射器19和柱塞聲波接收器20組成。儀器工作筒本體17為筒狀結構，打撈頭14位於儀器工作筒的頂端，其為符合API標準的結構件，用於整體柱塞工具的打撈和回收。減震彈簧15和壓帽16的組合體在柱塞監測子系統18的兩端各設有一組，用於對柱塞監測子系統18進行定位，並起到緩衝減震的作用。儀器工作筒本體17用不鏽鋼製造，以保護內部的電子儀器，其中部設有長條形的進液孔，用於為可選裝的井下傳感器提供進液通道。儀器工作筒總成11內除了柱塞監測子系統18以外，還可以容納其它井下儀器，比如壓力/溫度傳感器、採樣設備等。柱塞監測子系統18(如圖4 所示)主要由柱塞聲波發射器19、柱塞聲波接收器20、柱塞系統電源21、輸入輸出設備22、 柱塞系統時鐘23、柱塞控制器M和編碼模塊25組成。柱塞聲波發射器19和柱塞聲波接收器20分別嵌入儀器工作筒本體17的外表面，並與工作筒內部的模塊連接。柱塞系統電源21為柱塞控制器M供電，柱塞聲波接收器20接收地面監測子系統的控制指令，並將其傳至柱塞控制器對，在地面指令的控制下，柱塞監測子系統執行相應的操作，如發射聲波脈衝、系統轉入休眠等。需要發射聲波脈衝時，柱塞控制器M通過編碼模塊25，在柱塞系統時鐘23的調節下由柱塞聲波發射器19向地面監測子系統發射聲波脈衝信號。輸入輸出設備22包括傳感器等可選裝的井下儀器。為減小體積，柱塞聲波發射器19採用壓電陶瓷或磁致伸縮材料作為電-聲換能器的核心部件。地面監測子系統(如圖5所示)主要由地面顯示設備沈、人工控制指令27、柱塞運行處理模塊觀、地面系統電源29、電動開關閥3、放氣閥30、地面聲波發射器31、地面聲波接收器32和地面傳感器組33組成。其中，柱塞運行處理模塊28包括控制器(MCU)、1/0 接口、數位訊號處理模塊(DSP)、存儲模塊、系統時鐘等組成。柱塞運行處理模塊觀用於控制的設備主要包括電動開關閥3、放氣閥30、地面聲波發射器31和地面聲波接收器32。如果柱塞上行速度過快，通過短暫關閉電動開關閥3使得柱塞上行速度變慢，如果柱塞上行速度過慢，通過短暫打開放氣閥30使得柱塞上部的壓力下降，從而增大柱塞兩端的壓差， 柱塞的上行速度可逐漸加快。地面聲波發射器31有很多種，常用的是氣槍，利用外界壓縮氣源或氣井套管氣作為壓力源，採用現有技術即可。地面聲波接收器32既可以接收油管內傳來的聲波脈衝信號，又可接收油管管體傳來的聲波脈衝信號。柱塞運行處理模塊觀將處理後的波形等信息傳至地面顯示設備沈上，現場操作人員可根據實時的柱塞運行狀態信息向系統發出各種控制幹預指令，調整、優化系統的生產參數。[0053]對系統涉及的主要運行狀態跟蹤方法進行歸納(1)井下-地面連續監測法(工作流程如圖6所示)柱塞在井口防噴管內，首先地面監測子系統通過聲波發射器31對柱塞監測子系統進行初始化操作，柱塞接收器20收到信號後將指令傳至柱塞控制器M，柱塞控制器M啟動柱塞監測子系統，建立與地面監測子系統的通信聯繫。地面監測子系統通過聲波接收器32收到柱塞監測子系統的反饋信號後開始對柱塞的初始運行狀態(包括當前位置、速度等)進行校準並記錄。初始化操作完成後，電動開關閥3關閉，柱塞工具開始下行，下行過程中柱塞通過聲波發射器19不斷向地面發射聲波脈衝信號，地面監測子系統的柱塞運行處理模塊觀內部的數位訊號處理模塊 (DSP)對收到的信號進行前置放大、模數轉換、數字濾波、採樣頻率變換等操作，把處理後的信息傳至控制器(MCU)。經過控制器(MCU)的處理，信息被發送至顯示設備沈供現場作業人員分析。在該柱塞運行處理模塊觀中，傳統的模擬濾波器被數位訊號處理器(DSP)中的數字濾波器所取代，採用的是過採樣數位訊號處理技術，系統以很高的採樣率對輸入信號進行採樣。利用前後脈衝信號的顯著差異，柱塞運行處理模塊觀可識別判斷出柱塞何時進入液柱、何時已落至井底。另外，通過柱塞某兩個點的深度差和時間差可計算出瞬時速度。電動開關閥3打開後，柱塞開始從井底向上運動，在柱塞上行期間，系統的工作原理與下行周期相同，此處不再贅述。而且，本實用新型還可根據所測得的柱塞上行狀態參數來控制電動開關閥和放氣閥的開閉，從而實現對柱塞上行速度的快慢調節，請參照圖6所示，當柱塞運行處理模塊觀監測到柱塞運行速度超過了安全值時，將啟動電子控制器4對開關閥3實施短暫關閉操作，以降低柱塞上行速度；當柱塞運行處理模塊觀監測到柱塞運行速度過慢而且低於經濟開採臨界值(即圖6中的經濟下限)時，電子控制器4啟動並短暫打開放氣閥30，以提高柱塞上下兩端的壓差，加快其上行速度。地面傳感器組33中的柱塞到達傳感器10在監測到柱塞已到地面後，柱塞捕捉器10捕獲柱塞工具。同時，柱塞的一個完整工作周期的運行參數都被系統記錄下來，為後期的研究和生產制度的制定提供重要依據。(2)油管接箍脈衝監測法(工作流程如圖7所示)柱塞監測子系統在運行期間可以處於休眠狀態，而靠地面監測子系統的接收器32被動地「聽」井下聲波脈衝信號的變化。系統在獲得柱塞初始運行參數後，柱塞開始下行，柱塞下行時與油管內壁接觸和摩擦， 所產生的聲波脈衝信號通過管體向上傳至地面監測子系統。當柱塞經過油管的接箍時，聲波脈衝信號發生瞬時的波動，該波動被地面監測子系統捕獲。柱塞每經過一個接箍時，就會產生一個波動，於是在地面顯示設備沈上可觀察到一系列的跳變波形。由於油管接箍之間的距離是已知確定的，因此，通過記錄跳變的數量就可以計算出柱塞的深度。另外，由於柱塞在進入液柱前後與接箍碰撞產生的聲波脈衝信號會有顯著不同，地面監測子系統通過識別聲波脈衝信號的差異可判斷液面的位置。柱塞上行時的運行狀態跟蹤方法與下行時基本相同。為避免油管內泡沫段對監測帶來的誤差，可將前述井下-地面連續監測法與油管接箍脈衝監測法結合起來共同使用，此處不再一一贅述。為了更好地理解本實用新型的技術方案，下面結合一具體應用實例進行說明某一柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統用於31/2」油管內。該系統分為兩部分， 一部分是地面監測子系統，另一部分是柱塞監測子系統。配有井下定位及運行狀態跟蹤子系統的柱塞主要由儀器工作筒總成11、柱塞本體12和柱塞旁通閥13組成(如圖2所示)。 其中，柱塞監測子系統在儀器工作筒總成11內，柱塞本體12採用現有技術。儀器工作筒總成11 (如圖3所示)主要由打撈頭14、減震彈簧15、壓帽16、儀器工作筒本體17、柱塞監測子系統18、柱塞聲波發射器19和柱塞聲波接收器20組成。打撈頭 14為符合API標準的結構件，用於整體柱塞工具的打撈和回收。減震彈簧15和壓帽16的組合在柱塞監測子系統18的兩端各有一組，用於對柱塞監測子系統18進行定位，並起到緩衝減震的作用。儀器工作筒本體17外徑50mm，採用不鏽鋼製造，保護內部的電子儀器，中部有長條形的進液孔，用於為可選裝的井下傳感器提供進液通道。儀器工作筒總成11除了柱塞監測子系統18以外，還容納安裝了存儲式壓力和溫度傳感器，用於對油管內的壓力與溫度參數進行測量記錄。柱塞監測子系統18 (如圖4所示)主要由柱塞聲波發射器19、柱塞聲波接收器20、柱塞系統電源21、輸入輸出設備22、柱塞系統時鐘23、柱塞控制器M和編碼模塊25組成。柱塞聲波發射器19和柱塞聲波接收器20分別嵌入儀器工作筒本體17 的外表面，並與工作筒內部的模塊連接。柱塞系統電源21為柱塞控制器M供電，柱塞聲波接收器20接收地面監測子系統的控制指令，並將其傳至柱塞控制器對，在地面指令的控制下，柱塞監測子系統執行相應的操作，如發射聲波脈衝、系統轉入休眠等。需要發射聲波脈衝時，柱塞控制器M通過編碼模塊25，在柱塞系統時鐘23的調節下由柱塞聲波發射器19 向地面監測子系統發射聲波脈衝信號。為減小體積，柱塞聲波發射器19採用壓電陶瓷技術。系統採用頻率低於2KHz的低頻聲波進行信號傳輸。地面監測子系統(結合圖5所示)主要由地面顯示設備沈、人工控制指令27、柱塞運行處理模塊觀、地面系統電源四、電動開關閥3、放氣閥30、地面聲波發射器31、地面聲波接收器32和地面傳感器組33組成。其中，柱塞運行處理模塊28包括控制器(MCU)、1/0 接口、數位訊號處理模塊(DSP)、存儲模塊、系統時鐘等組成。柱塞運行處理模塊觀的控制設備主要是電動開關閥3、放氣閥30、地面聲波發射器31和地面聲波接收器32。地面聲波發射器31採用氣槍，利用氣井套管氣作為氣源。地面聲波接收器32既可以接收管內傳來的聲波脈衝信號，又可接收油管管體傳來的聲波脈衝信號。柱塞運行處理模塊觀將處理後的波形等信息傳至地面顯示設備26上，現場操作人員可根據實時的柱塞運行狀態信息向系統發出各種控制幹預指令，調整、優化系統的生產參數。如圖8所示，該系統同時採用井下-地面連續監測法與油管接箍脈衝監測法。具體地，系統在工作時，先由地面子系統向柱塞發送聲波信號發射指令，然後由地面子系統接收柱塞發出的聲波信號響應，並對柱塞的初始位置進行校準；初始化操作完成後，電動開關閥3關閉，柱塞工具開始下行，下行過程中柱塞子系統通過聲波發射器19不斷向地面發射聲波脈衝信號；地面監測子系統的柱塞運行處理模塊觀內部的數位訊號處理模塊(DSP)對收到的聲波脈衝信號進行前置放大、模數轉換、數字濾波、採樣頻率變換等操作，把處理後的信息傳至控制器(MCU)，此步驟中，模數轉換較佳採用反饋比較型轉換器，編碼為二進位編碼，前置放大採用CMOS輸入運算放大器，採樣技術採用過採樣數位訊號處理，使用防混疊窄帶低通濾波器，包括油管接箍波濾波器(BPF)和井下液面波濾波器(LPF)，具體技術為現有技術，此處不再贅述。經過控制器(MCU)的處理，信息被發送至顯示設備沈供現場作業人員分析。同時，柱塞下行期間，在地面電子控制器關閉電動開關閥3後，地面聲波接收器還記錄油管管體所傳送的柱塞與油管內壁接觸摩擦所產生的聲波信號，並根據所記錄柱塞進入液柱前後接箍脈衝的變化判斷液面的位置，根據之前接收的聲波信號經處理可識別柱塞已下行至井底，由此完成對柱塞運行狀態的跟蹤監測，即圖8中A之前的步驟。在柱塞上行期間，系統的工作原理與下行周期相同，此處不再贅述。而且，本實用新型還可根據所測得的柱塞上行狀態參數來控制電動開關閥和放氣閥的開閉，從而實現對柱塞上行速度的快慢調節，請參照圖8中A之後的步驟所示，柱塞下行至井底後，電動開關閥處於關閉狀態，壓力傳感器實時監測井下壓力，當該壓力達到目標值時，地面監測子系統的控制器打開該電動開關閥3，柱塞開始上行，在柱塞上行期間利用上述方法連續跟蹤柱塞的運行狀態，當監測到柱塞的運行速度高於安全上限時，則由控制器短暫關閉電動開關閥 3，以降低柱塞上行速度，當運行速度下降至安全範圍內時再打開電動開關閥3 ；當監測到柱塞的運行速度低於經濟下限時，則由控制器短暫打開放氣閥30，以提高柱塞上下兩端的壓差，加快其上行速度；如柱塞運行速度正常，則將電動開關閥維持在打開狀態，柱塞繼續上行，直至到達傳感器10檢測到柱塞，由柱塞捕捉器10捕獲柱塞工具。同時，柱塞的一個完整工作周期的運行參數都被系統記錄下來，為後期的研究和生產制度的制定提供重要依據。本實用新型提出的基於聲波測量技術的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤技術，可滿足柱塞氣舉井生產管理和優化的需要。該技術具有如下特點(1)結構簡單體積小，結構緊湊，可安裝在各種類型的排液採氣用柱塞上；(2)信號傳輸和正常生產互不影響系統工作時為在線監測模式，對氣井的正常生產沒有影響；(3)安全性好全部模塊符合防爆規範，氣井的安全生產有保障；(4)適應性強系統採用多種方法對柱塞運行狀態進行監測，藉助管內氣體與油管管體兩種信號傳輸介質，與傳統監測技術相比現場適應性更強；(5)提供信息豐富包括各種柱塞運行狀態實時參數和動液面參數，以及各種緊急情況如柱塞的卡點位置等；(6)系統維護簡便子系統直接安裝在柱塞上，維修時從柱塞上拆下相應模塊即可。該技術克服了傳統技術的缺點，實現了對柱塞運行參數的實時監測，對運行狀態變化的有效跟蹤，提高了系統的工作效率，為今後柱塞氣舉的自動化生產與管理提供了重要的技術基礎和保障。該技術有利於氣井單井產量的提高，有利於氣田的穩產和經濟效益的提高，具有很好的市場前景。雖然本實用新型已以具體實施例揭示，但其並非用以限定本實用新型，任何本領域的技術人員，在不脫離本實用新型的構思和範圍的前提下所作出的等同組件的置換，或依本實用新型專利保護範圍所作的等同變化與修飾，皆應仍屬本專利涵蓋的範疇。
1權利要求1.一種柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，所述柱塞包括柱塞本體和儀器工作筒總成，其特徵在於，該系統包括地面監測子系統及安裝於所述儀器工作筒總成內的柱塞監測子系統，所述柱塞監測子系統接受所述地面監測子系統的控制，所述地面監測子系統實時採集油管內傳送的聲波脈衝信號，進行處理分析後得到柱塞運行參數，用以實時獲取柱塞運行狀態，所述儀器工作筒總成包括儀器工作筒本體、打撈頭、減震彈簧及壓帽，所述打撈頭設於所述儀器工作筒本體的頂端，所述柱塞監測子系統的兩端各有一組對所述柱塞監測子系統進行定位、緩衝的所述減震彈簧和所述壓帽的組合體。
2.如權利要求1所述的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，其特徵在於，所述地面監測子系統是對柱塞與油管接箍位置接觸而產生的聲波脈衝信號進行實時採集和測量，獲取柱塞運行參數，以識別柱塞運行狀態。
3.如權利要求1或2所述的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，其特徵在於，所述柱塞監測子系統接受所述地面監測子系統的控制發送聲波脈衝信號，所述油管內的流體介質作為聲波傳輸介質。
4.如權利要求1所述的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，其特徵在於，所述儀器工作筒總成內還容設有採樣設備、油壓/套壓傳感器及/或溫度傳感器。
5.如權利要求1所述的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，其特徵在於，所述柱塞的下端裝設有用於加快柱塞在油管內的下行速度的柱塞旁通閥。
6.如權利要求1、2、4或5任一項所述的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，其特徵在於，所述地面監測子系統包括柱塞運行處理模塊、地面顯示設備、地面系統電源、地面聲波發射器和地面聲波接收器；其中，所述柱塞運行處理模塊與地面監測子系統的其他各組成部分耦接，並控制所述地面聲波發射器和地面聲波接收器的動作；柱塞運行處理模塊將處理後的波形信息傳至地面顯示設備上，現場操作人員能夠根據實時的柱塞運行狀態信息向系統發出各種控制幹預指令。
7.如權利要求1、2、4或5任一項所述的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，其特徵在於，所述柱塞監測子系統包括柱塞系統電源、柱塞聲波發射器、柱塞聲波接收器、輸入輸出設備、柱塞系統時鐘、柱塞控制器和編碼模塊；所述柱塞控制器與所述柱塞監測子系統的其他模塊相耦接；所述輸入輸出設備包括能夠井下安裝的傳感器；所述柱塞聲波發射器和柱塞聲波接收器分別嵌入儀器工作筒本體的外表面，所述柱塞聲波發射器是通過編碼模塊與所述柱塞檢測子系統耦接；所述柱塞聲波接收器接收地面監測子系統的控制指令，並將其傳至柱塞控制器，在地面監測子系統指令的控制下，柱塞監測子系統執行相應的操作，需要發射聲波脈衝時，柱塞控制器通過編碼模塊在柱塞系統時鐘的調節下由柱塞聲波發射器向地面監測子系統發射聲波脈衝信號。
8.如權利要求7所述的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，其特徵在於，所述柱塞聲波發射器採用壓電陶瓷或磁致伸縮材料的電-聲換能器。
9.如權利要求6所述的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，其特徵在於，所述柱塞監測子系統包括柱塞系統電源、柱塞聲波發射器、柱塞聲波接收器、輸入輸出設備、柱塞系統時鐘、柱塞控制器和編碼模塊；所述柱塞控制器與所述柱塞監測子系統的其他模塊相耦接； 所述輸入輸出設備包括能夠井下安裝的傳感器；所述柱塞聲波發射器和柱塞聲波接收器分別嵌入儀器工作筒本體的外表面，所述柱塞聲波發射器是通過編碼模塊與所述柱塞檢測子系統耦接；所述柱塞聲波接收器接收地面監測子系統的控制指令，並將其傳至柱塞控制器， 在地面監測子系統指令的控制下，柱塞監測子系統執行相應的操作，需要發射聲波脈衝時， 柱塞控制器通過編碼模塊在柱塞系統時鐘的調節下由柱塞聲波發射器向地面監測子系統發射聲波脈衝信號。
專利摘要本實用新型公開了一種柱塞井下定位及運行狀態跟蹤系統，該系統包括地面監測子系統及柱塞監測子系統，柱塞監測子系統接受地面監測子系統的控制，地面監測子系統實時採集油管內傳送的聲波脈衝信號，進行處理分析後得到柱塞運行參數，用以實時獲取柱塞運行狀態，所述柱塞監測子系統的兩端各有一組所述減震彈簧和所述壓帽的組合體。本實用新型的柱塞井下定位及運行狀態跟蹤技術克服了傳統的基於數學模型的柱塞運行狀態預測模式的固有缺點，提供了實時的、更直接的參數採集和測量工具與手段，縮短了柱塞的無效生產時間，提高了系統的運行效率，延長了柱塞舉升系統的無故障生產周期，有利於提高氣井單井產量，有利於氣田的穩產和經濟效益的提高。
文檔編號E21B47/12GK202338335SQ20112050375
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月6日 優先權日2011年12月6日
發明者丁愛芹, 李明, 沈澤俊, 王全賓, 童徵, 鄭立臣, 郝忠獻, 錢傑, 黃鵬 申請人:中國石油天然氣股份有限公司