專利名稱：采氣用柱塞井下運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及油氣田采氣技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種為天然氣井排液采氣作業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)提供管理和生產(chǎn)優(yōu)化依據(jù)的井筒生產(chǎn)參數(shù)采集與測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)清潔能源的需求不斷增加，天然氣消耗所占的比例逐年上升，對(duì)天然氣資源的開發(fā)利用重視程度也越來越高。近年來，非常規(guī)天然氣資源的大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)改變了世界天然氣市場(chǎng)的格局。隨著氣田的采出程度提高，許多氣井已進(jìn)入低壓、單井產(chǎn)量低的階段。氣井流速過低，不能達(dá)到氣井的臨界攜液流量，攜液能力差，井底逐步產(chǎn)生積液，井筒壓力升高，最終導(dǎo)致井被壓死，無法生產(chǎn)。因此，必須采取有效的清除積液工藝以保證氣井的長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)。目前現(xiàn)場(chǎng)使用多種排液采氣工藝，有桿泵、電潛泵等技術(shù)必須消耗外部能量。柱塞氣舉是一種利用儲(chǔ)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(gè)與油管相匹配的可在油管內(nèi)自由游動(dòng)的活塞。工作時(shí)，先關(guān)井提高井底壓力，壓力上升到能滿足舉升要求時(shí)再開井，井底的柱塞5依靠氣井的壓力在油管內(nèi)上升，一直升至井口防噴管 1。管線的開關(guān)由電動(dòng)開關(guān)閥3和電子控制器4來控制調(diào)節(jié)，位于主閥門8上方的是柱塞到達(dá)傳感器9，當(dāng)柱塞5經(jīng)過柱塞到達(dá)傳感器9時(shí)，柱塞到達(dá)傳感器9向電子控制器4發(fā)送信號(hào)，電子控制器4打開電動(dòng)開關(guān)閥3，液體從管線三通2排出，天然氣從油套環(huán)空產(chǎn)出。隨著天然氣不斷采出，井筒壓力下降，電動(dòng)開關(guān)閥3重新關(guān)井，柱塞5依靠自身重力下落至井底，開始下一個(gè)壓力恢復(fù)過程。井筒底部有底部減震器6，防止柱塞5下落后損壞。氣井開井和關(guān)井形成一個(gè)柱塞氣舉的工作周期，循環(huán)重復(fù)這一周期性動(dòng)作就可以把井底積液和天然氣不斷采出(如附圖1所示)。通過柱塞氣舉，在氣體與采出的液體之間形成一個(gè)固定的界面，能有效防止液體的回落，提高舉升效率。與其它排液采氣工藝相比，柱塞氣舉完全利用儲(chǔ)層能量，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本大約只有有桿泵的1/5-1/4，非常適合氣田中后期開采的需要。目前，對(duì)柱塞氣舉井進(jìn)行生產(chǎn)管理和優(yōu)化的技術(shù)還不能滿足要求。由于開關(guān)閥用來控制柱塞的上下行運(yùn)動(dòng)，因此開關(guān)閥的開閉時(shí)間是對(duì)氣井實(shí)施生產(chǎn)控制的主要參數(shù)，而對(duì)氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)進(jìn)行有效管理必須依靠大量準(zhǔn)確及時(shí)的井筒生產(chǎn)參數(shù)作為依據(jù)。目前，氣井流動(dòng)壓力、套壓、地面生產(chǎn)管線壓力等壓力參數(shù)都可以通過壓力傳感器獲得，利用現(xiàn)有成熟技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)，而其它生產(chǎn)參數(shù)，比如液面深度、液柱高度、柱塞運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)(柱塞當(dāng)前運(yùn)行的位置、柱塞運(yùn)行速度及加速度)還沒有很好的技術(shù)手段進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集，不能實(shí)現(xiàn)柱塞氣舉生產(chǎn)井的真正優(yōu)化生產(chǎn)?，F(xiàn)有的柱塞氣舉生產(chǎn)管理的依據(jù)主要是理論模型，通過模型來預(yù)測(cè)柱塞到達(dá)井底的時(shí)間、開始進(jìn)入動(dòng)液面的時(shí)間等，由于模型本身的缺陷會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)值與實(shí)際值有很大出入。比如模型預(yù)測(cè)柱塞落至井底的時(shí)間是2. 5 小時(shí)，但實(shí)際只需1小時(shí)就回到井底，由于長(zhǎng)時(shí)間不開井生產(chǎn)，導(dǎo)致柱塞上方的液體越積越多，等2. 5小時(shí)過去開關(guān)閥打開柱塞上行時(shí)，由于液柱過重而運(yùn)行速度太慢，甚至沒有到達(dá)
4井口時(shí)就因?yàn)闅怏w壓力消耗下降使得柱塞停止運(yùn)行。在另一種情況中，模型預(yù)測(cè)的柱塞落至井底的時(shí)間又過短，導(dǎo)致柱塞還未進(jìn)入液柱地面開關(guān)閥就已打開，柱塞沒有舉升任何液體就開始上行，導(dǎo)致系統(tǒng)的無效運(yùn)行。另外，掌握柱塞運(yùn)行速度也是很重要的，如果柱塞上行速度過快而且不進(jìn)行及時(shí)發(fā)現(xiàn)并控制，可能對(duì)井口設(shè)備造成損壞。同時(shí)還有很多參數(shù)理論模型是無法預(yù)測(cè)的，比如柱塞運(yùn)行時(shí)被卡在油管內(nèi)，被卡深度無法通過模型求出，需要借助其它手段去判斷卡點(diǎn)的實(shí)際位置。對(duì)于動(dòng)液面的確定，雖然現(xiàn)在有井口聲波測(cè)量技術(shù)，但是該技術(shù)具有一定的局限性，由于井筒內(nèi)氣相與液相之間并沒有明顯的界面，有時(shí)會(huì)存在泡沫段，而這些泡沫也會(huì)反射聲波，這會(huì)使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，測(cè)量的動(dòng)液面比實(shí)際的要高，基于錯(cuò)誤的動(dòng)液面參數(shù)進(jìn)行的優(yōu)化處理會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的開關(guān)閥開閉時(shí)間。目前已申請(qǐng)的關(guān)于柱塞氣舉的專利涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，并沒有涉及柱塞運(yùn)行參數(shù)直接測(cè)量，而動(dòng)液面測(cè)量技術(shù)都是用于抽油機(jī)井等其它人工舉升井的應(yīng)用，尚不能在柱塞氣舉井上直接采用。專利號(hào)為CN200971772的實(shí)用新型涉及一種用于石油及天然氣開采領(lǐng)域中，特別是針對(duì)高氣液比井的接力式柱塞氣舉采油氣裝置。它適用于上大下小兩種直徑的組合油管的柱塞氣舉，擴(kuò)大了柱塞氣舉工藝的適用范圍。它主要由井口部分、井下部分及柱塞三部分組成，其特征是油管為內(nèi)徑上大下小的組合油管柱，井下部分的緩沖彈簧、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?duì)顝椈煽ㄗB接， 大柱塞安裝在上部大油管內(nèi)，大柱塞中空并能與小柱塞上的對(duì)接接頭自動(dòng)脫、接，小柱塞安裝在下部小油管內(nèi)。小柱塞在小油管內(nèi)舉升，小柱塞與大柱塞對(duì)接后在大直徑油管內(nèi)舉升， 小、大柱塞的脫、接依靠慣性力自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，充分利用地層產(chǎn)出氣推動(dòng)柱塞運(yùn)動(dòng)來采油或排水采氣。專利號(hào)為200920033774的專利涉及一種油井動(dòng)液面雙聲源自動(dòng)測(cè)量裝置，包括有外殼，氮?dú)馄课挥跉んw內(nèi)部的下層，高壓膠管一端連接在氮?dú)馄科靠谏希硪欢诉B接在貯氣室前端的泄壓閥上，內(nèi)箱體的左上方設(shè)置有電路板，電路板上依次為電源模塊、計(jì)算存儲(chǔ)模塊以及聲波信號(hào)放大模塊，可將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送到電路板計(jì)算出聲速及液面位置并存儲(chǔ)，連續(xù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可隨時(shí)供外部計(jì)算機(jī)讀取，既可以利用井場(chǎng)套管伴生氣體，又可以利用氮?dú)鈦碜詣?dòng)測(cè)量油井動(dòng)液面，氮?dú)獾氖褂妙l率降低，井場(chǎng)套管內(nèi)的伴生氣體得到了利用。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型解決的技術(shù)問題是提供一種采氣用柱塞井下運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，以改善或克服現(xiàn)有技術(shù)存在的一項(xiàng)或多項(xiàng)缺陷。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案包括一種柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，所述柱塞包括柱塞本體和儀器工作筒總成，該系統(tǒng)包括地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)及安裝于所述儀器工作筒總成內(nèi)的柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)接受所述地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的控制，所述地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集油管內(nèi)傳送的聲波脈沖信號(hào)，進(jìn)行處理分析后得到柱塞運(yùn)行參數(shù)，用以實(shí)時(shí)獲取柱塞運(yùn)行狀態(tài)，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(shè)于所述儀器工作筒本體的頂端，所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的兩端各有一組所述減震彈簧和所述壓帽的組合體，對(duì)柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行定位、緩沖。如上所述的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，其中，所述地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)是對(duì)柱塞與油管接箍位置接觸而產(chǎn)生的聲波脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和測(cè)量，獲取柱塞運(yùn)行參數(shù)，以識(shí)別柱塞運(yùn)行狀態(tài)。如上所述的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，其中，所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)接受所述地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的控制發(fā)送聲波脈沖信號(hào)，所述油管內(nèi)的流體介質(zhì)作為聲波傳輸介質(zhì)。如上所述的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，其中，所述儀器工作筒總成內(nèi)還容設(shè)有采樣設(shè)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(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，其中，所述柱塞的下端裝設(shè)有用于加快柱塞在油管內(nèi)的下行速度的柱塞旁通閥。如上所述的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，其中，所述地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)包括柱塞運(yùn)行處理模塊、地面顯示設(shè)備、地面系統(tǒng)電源、地面聲波發(fā)射器和地面聲波接收器；其中，所述柱塞運(yùn)行處理模塊與地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的其他各組成部分耦接，并控制所述地面聲波發(fā)射器和地面聲波接收器的動(dòng)作；柱塞運(yùn)行處理模塊將處理后的波形信息傳至地面顯示設(shè)備上，現(xiàn)場(chǎng)操作人員能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的柱塞運(yùn)行狀態(tài)信息向系統(tǒng)發(fā)出各種控制干預(yù)指令。如上所述的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，其中，所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)包括柱塞系統(tǒng)電源、柱塞聲波發(fā)射器、柱塞聲波接收器、輸入輸出設(shè)備、柱塞系統(tǒng)時(shí)鐘、柱塞控制器和編碼模塊；所述柱塞控制器與所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的其他模塊相耦接；所述輸入輸出設(shè)備包括能夠井下安裝的傳感器；所述柱塞聲波發(fā)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(fā)射器是通過編碼模塊與所述柱塞檢測(cè)子系統(tǒng)耦接；所述柱塞聲波接收器接收地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的控制指令，并將其傳至柱塞控制器，在地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)指令的控制下，柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作，需要發(fā)射聲波脈沖時(shí)，柱塞控制器通過編碼模塊在柱塞系統(tǒng)時(shí)鐘的調(diào)節(jié)下由柱塞聲波發(fā)射器向地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)發(fā)射聲波脈沖信號(hào)。如上所述的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，其中，所述柱塞聲波發(fā)射器采用壓電陶瓷或磁致伸縮材料的電-聲換能器。本實(shí)用新型提出了一種采氣用柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)柱塞的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的采集和測(cè)量。改進(jìn)后的柱塞與井口裝置共同配有聲波發(fā)射器、接收器、控制器、電源等配套設(shè)備。氣井生產(chǎn)時(shí)，柱塞將油管內(nèi)的流體介質(zhì)及/或油管管壁作為聲波傳輸介質(zhì)，避免了僅用一種介質(zhì)時(shí)帶來的較大測(cè)量和計(jì)算誤差。該系統(tǒng)可采用幾種方法對(duì)柱塞運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，既可以單獨(dú)使用其中一種方法，也可同時(shí)使用幾種方法。這些方法包括(1)油管接箍脈沖監(jiān)測(cè)法該方法應(yīng)用時(shí)柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)被關(guān)閉，柱塞在油管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)與管壁不斷接觸摩擦，在油管中產(chǎn)生的聲波脈沖信號(hào)會(huì)沿管體傳輸至地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。柱塞每經(jīng)過油管的接箍位置，聲波脈沖信號(hào)會(huì)發(fā)生一次瞬時(shí)的波動(dòng)，地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的接收器通過記錄波動(dòng)的數(shù)量就可知柱塞經(jīng)過的油管數(shù)量，而油管的長(zhǎng)度是已知的，這樣就可以知道柱塞在油管內(nèi)的深度，而由經(jīng)過兩個(gè)位置的時(shí)間差又可計(jì)算出柱塞的運(yùn)行速度， 柱塞在進(jìn)入液柱前后的聲波脈沖信號(hào)會(huì)有顯著不同，地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)通過識(shí)別信號(hào)的差異可判斷液面的位置。(2)井下-地面連續(xù)監(jiān)測(cè)法系統(tǒng)在工作時(shí)，在系統(tǒng)時(shí)鐘的控制下由柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)連續(xù)發(fā)送聲波脈沖，聲波脈沖由管內(nèi)氣體介質(zhì)傳輸至井口，地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)在接收脈沖信號(hào)后通過放大、濾波、采樣頻率變換等處理，篩選出穩(wěn)定的波型。這些波型經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和控制器(MCU)的處理、解釋和計(jì)算，求出柱塞及井筒實(shí)時(shí)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)， 包括柱塞在油管內(nèi)的深度、上下行速度、上下行加速度、落至井底的時(shí)間、進(jìn)入動(dòng)液面的時(shí)間、動(dòng)液面的位置、液柱的高度等。當(dāng)油管內(nèi)液柱上方存在較長(zhǎng)的泡沫段時(shí)，采用第二種方法可能會(huì)產(chǎn)生誤差，較佳是采用第一種方法，即利用油管管體進(jìn)行信號(hào)傳輸，以保證系統(tǒng)跟蹤柱塞運(yùn)行狀態(tài)的有效性，為油田管理人員對(duì)生產(chǎn)的合理控制與優(yōu)化提供了重要依據(jù)。本實(shí)用新型的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤技術(shù)克服了傳統(tǒng)的基于數(shù)學(xué)模型的柱塞運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)模式的固有缺點(diǎn)，提供了實(shí)時(shí)的、更直接的參數(shù)采集和測(cè)量工具與手段， 縮短了柱塞的無效生產(chǎn)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，延長(zhǎng)了柱塞舉升系統(tǒng)的無故障生產(chǎn)周期，有利于提高氣井單井產(chǎn)量，有利于氣田的穩(wěn)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高。本實(shí)用新型的技術(shù)可用于各類氣井的排液采氣作業(yè)，包括低產(chǎn)氣井、氣藏壓力衰竭氣井、開采后期的凝析氣氣井、致密氣氣井、頁巖氣氣井、煤層氣氣井等常規(guī)和非常規(guī)氣藏開發(fā)井。

圖1為現(xiàn)有的柱塞排液采氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型所采用的配有儀器工作筒的柱塞工具組合示意圖。圖3為本實(shí)用新型的儀器工作筒和柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。圖4為本實(shí)用新型的一具體實(shí)施例的柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的組成示意圖。圖5為本實(shí)用新型的一具體實(shí)施例的地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)組成方框圖。圖6為本實(shí)用新型的一具體實(shí)施例采用的井下-地面連續(xù)監(jiān)測(cè)法的工作流程示意圖。圖7為本實(shí)用新型的一具體實(shí)施例采用的油管接箍脈沖監(jiān)測(cè)法的工作流程示意圖。圖8為本實(shí)用新型的一應(yīng)用實(shí)例中采用的油管接箍脈沖監(jiān)測(cè)法及井下-地面連續(xù)監(jiān)測(cè)法的工作流程示意圖。主要附圖標(biāo)號(hào)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(dá)傳感器；13-柱塞旁通閥；16-壓帽； 統(tǒng)；19-柱塞聲波發(fā)射器； 源；22-輸入輸出設(shè)備；
2-管線三通；3-電動(dòng)開關(guān)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(jiān)測(cè)子系
20-柱塞聲波接收器；21-柱塞系統(tǒng)電
23-柱塞系統(tǒng)時(shí)鐘；24-柱塞控制器；[0040]25-編碼模塊；26-地面顯示設(shè)備；27-人工控制指
令；
28-柱塞運(yùn)行處理模塊； 29-地面系統(tǒng)電源；30-放氣閥；
31-地面聲波發(fā)射器；32-地面聲波接收器；33-地面?zhèn)鞲衅?br> 具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提出一種柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，所述柱塞包括柱塞本體和儀器工作筒總成，該系統(tǒng)包括地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)及安裝于所述儀器工作筒總成內(nèi)的柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)接受所述地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的控制，所述地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集油管內(nèi)傳送的聲波脈沖信號(hào)，進(jìn)行處理分析后得到柱塞運(yùn)行參數(shù)，用以實(shí)時(shí)獲取柱塞運(yùn)行狀態(tài)，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(shè)于所述儀器工作筒本體的頂端，所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的兩端各有一組所述減震彈簧和所述壓帽的組合體，對(duì)柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行定位、緩沖。優(yōu)選地，地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)包括柱塞運(yùn)行處理模塊、地面顯示設(shè)備、地面系統(tǒng)電源、 地面聲波發(fā)射器和地面聲波接收器；其中，所述柱塞運(yùn)行處理模塊與地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的其他各組成部分耦接，控制所述地面聲波發(fā)射器和地面聲波接收器的動(dòng)作；柱塞運(yùn)行處理模塊將處理后的波形信息傳至地面顯示設(shè)備上，現(xiàn)場(chǎng)操作人員能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的柱塞運(yùn)行狀態(tài)信息向系統(tǒng)發(fā)出各種控制干預(yù)指令，調(diào)整、優(yōu)化系統(tǒng)的生產(chǎn)參數(shù)。而且，還可以根據(jù)所測(cè)得的柱塞上行狀態(tài)參數(shù)來控制電動(dòng)開關(guān)閥和放氣閥的開閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)柱塞上行速度的快慢調(diào)節(jié)。較佳地，地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)是對(duì)柱塞與油管接箍位置接觸而產(chǎn)生的聲波脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和測(cè)量，獲取柱塞運(yùn)行參數(shù)，以識(shí)別柱塞運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)一步地，該系統(tǒng)通過記錄柱塞每經(jīng)過油管的接箍位置時(shí)聲波脈沖信號(hào)發(fā)生瞬時(shí)波動(dòng)的次數(shù)，由此獲知柱塞經(jīng)過的油管數(shù)量；還可以由經(jīng)過兩個(gè)位置的時(shí)間差得到柱塞在油管內(nèi)的深度及柱塞的運(yùn)行速度；而且，根據(jù)柱塞在進(jìn)入液柱前后的聲波脈沖信號(hào)顯著不同，通過識(shí)別聲波脈沖信號(hào)的差異判斷液面的位置。在本實(shí)用新型的一具體實(shí)施例中，所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)接受所述地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的控制發(fā)送聲波脈沖信號(hào)，并利用油管內(nèi)的流體介質(zhì)作為聲波傳輸介質(zhì)。在本實(shí)用新型的一具體實(shí)施例中，柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)包括柱塞系統(tǒng)電源、柱塞聲波發(fā)射器、柱塞聲波接收器、輸入輸出設(shè)備、柱塞系統(tǒng)時(shí)鐘、柱塞控制器和編碼模塊；所述柱塞控制器與所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的其他模塊相耦接；所述輸入輸出設(shè)備包括能夠井下安裝的傳感器；所述柱塞聲波發(fā)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(fā)射器是通過編碼模塊與所述柱塞檢測(cè)子系統(tǒng)耦接；所述柱塞聲波接收器接收地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的控制指令，并將其傳至柱塞控制器，在地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)指令的控制下，柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作，需要發(fā)射聲波脈沖時(shí)，柱塞控制器通過編碼模塊在柱塞系統(tǒng)時(shí)鐘的調(diào)節(jié)下由柱塞聲波發(fā)射器向地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)發(fā)射聲波脈沖信號(hào)。本實(shí)用新型的基于聲波測(cè)量技術(shù)的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)的基于數(shù)學(xué)模型的柱塞運(yùn)行狀態(tài)跟蹤和預(yù)測(cè)技術(shù)的誤差大、不能掌握實(shí)時(shí)井筒生產(chǎn)參數(shù)等缺點(diǎn)，該技術(shù)可對(duì)柱塞進(jìn)行實(shí)時(shí)井下定位，對(duì)其運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行有效采集與監(jiān)測(cè)，并對(duì)井內(nèi)動(dòng)液面的變化情況進(jìn)行跟蹤，為氣井的優(yōu)化生產(chǎn)提供重要的依據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，作業(yè)效率高，安全性好，系統(tǒng)工作時(shí)不影響氣舉生產(chǎn)作業(yè)的正常進(jìn)行。為了利于進(jìn)一步準(zhǔn)確理解本實(shí)用新型的技術(shù)方案，
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖2至圖5所示，柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)分為兩部分，一部分是地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，另一部分是柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。配有井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤子系統(tǒng)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(jié)合圖2所示)。其中，柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)裝設(shè)在儀器工作筒總成11內(nèi)，柱塞本體12可采用現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)，柱塞旁通閥 13為可選裝組件，用途是加快柱塞在油管內(nèi)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(jiān)測(cè)子系統(tǒng)18、柱塞聲波發(fā)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(jié)構(gòu)，打撈頭14位于儀器工作筒的頂端，其為符合API標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)件，用于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(jiān)測(cè)子系統(tǒng)18的兩端各設(shè)有一組，用于對(duì)柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)18進(jìn)行定位，并起到緩沖減震的作用。儀器工作筒本體17用不銹鋼制造，以保護(hù)內(nèi)部的電子儀器，其中部設(shè)有長(zhǎng)條形的進(jìn)液孔，用于為可選裝的井下傳感器提供進(jìn)液通道。儀器工作筒總成11內(nèi)除了柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)18以外，還可以容納其它井下儀器，比如壓力/溫度傳感器、采樣設(shè)備等。柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)18(如圖4 所示)主要由柱塞聲波發(fā)射器19、柱塞聲波接收器20、柱塞系統(tǒng)電源21、輸入輸出設(shè)備22、 柱塞系統(tǒng)時(shí)鐘23、柱塞控制器M和編碼模塊25組成。柱塞聲波發(fā)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，并與工作筒內(nèi)部的模塊連接。柱塞系統(tǒng)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(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的控制指令，并將其傳至柱塞控制器對(duì)，在地面指令的控制下，柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作，如發(fā)射聲波脈沖、系統(tǒng)轉(zhuǎn)入休眠等。需要發(fā)射聲波脈沖時(shí)，柱塞控制器M通過編碼模塊25，在柱塞系統(tǒng)時(shí)鐘23的調(diào)節(jié)下由柱塞聲波發(fā)射器19向地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)發(fā)射聲波脈沖信號(hào)。輸入輸出設(shè)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(fā)射器19采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(jiān)測(cè)子系統(tǒng)(如圖5所示)主要由地面顯示設(shè)備沈、人工控制指令27、柱塞運(yùn)行處理模塊觀、地面系統(tǒng)電源29、電動(dòng)開關(guān)閥3、放氣閥30、地面聲波發(fā)射器31、地面聲波接收器32和地面?zhèn)鞲衅鹘M33組成。其中，柱塞運(yùn)行處理模塊28包括控制器(MCU)、1/0 接口、數(shù)字信號(hào)處理模塊(DSP)、存儲(chǔ)模塊、系統(tǒng)時(shí)鐘等組成。柱塞運(yùn)行處理模塊觀用于控制的設(shè)備主要包括電動(dòng)開關(guān)閥3、放氣閥30、地面聲波發(fā)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(guān)閉電動(dòng)開關(guān)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(fā)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，采用現(xiàn)有技術(shù)即可。地面聲波接收器32既可以接收油管內(nèi)傳來的聲波脈沖信號(hào)，又可接收油管管體傳來的聲波脈沖信號(hào)。柱塞運(yùn)行處理模塊觀將處理后的波形等信息傳至地面顯示設(shè)備沈上，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可根據(jù)實(shí)時(shí)的柱塞運(yùn)行狀態(tài)信息向系統(tǒng)發(fā)出各種控制干預(yù)指令，調(diào)整、優(yōu)化系統(tǒng)的生產(chǎn)參數(shù)。[0053]對(duì)系統(tǒng)涉及的主要運(yùn)行狀態(tài)跟蹤方法進(jìn)行歸納(1)井下-地面連續(xù)監(jiān)測(cè)法(工作流程如圖6所示)柱塞在井口防噴管內(nèi)，首先地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)通過聲波發(fā)射器31對(duì)柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，柱塞接收器20收到信號(hào)后將指令傳至柱塞控制器M，柱塞控制器M啟動(dòng)柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，建立與地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的通信聯(lián)系。地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)通過聲波接收器32收到柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的反饋信號(hào)后開始對(duì)柱塞的初始運(yùn)行狀態(tài)(包括當(dāng)前位置、速度等)進(jìn)行校準(zhǔn)并記錄。初始化操作完成后，電動(dòng)開關(guān)閥3關(guān)閉，柱塞工具開始下行，下行過程中柱塞通過聲波發(fā)射器19不斷向地面發(fā)射聲波脈沖信號(hào)，地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的柱塞運(yùn)行處理模塊觀內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)處理模塊 (DSP)對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行前置放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、采樣頻率變換等操作，把處理后的信息傳至控制器(MCU)。經(jīng)過控制器(MCU)的處理，信息被發(fā)送至顯示設(shè)備沈供現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員分析。在該柱塞運(yùn)行處理模塊觀中，傳統(tǒng)的模擬濾波器被數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中的數(shù)字濾波器所取代，采用的是過采樣數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，系統(tǒng)以很高的采樣率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。利用前后脈沖信號(hào)的顯著差異，柱塞運(yùn)行處理模塊觀可識(shí)別判斷出柱塞何時(shí)進(jìn)入液柱、何時(shí)已落至井底。另外，通過柱塞某兩個(gè)點(diǎn)的深度差和時(shí)間差可計(jì)算出瞬時(shí)速度。電動(dòng)開關(guān)閥3打開后，柱塞開始從井底向上運(yùn)動(dòng)，在柱塞上行期間，系統(tǒng)的工作原理與下行周期相同，此處不再贅述。而且，本實(shí)用新型還可根據(jù)所測(cè)得的柱塞上行狀態(tài)參數(shù)來控制電動(dòng)開關(guān)閥和放氣閥的開閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)柱塞上行速度的快慢調(diào)節(jié)，請(qǐng)參照?qǐng)D6所示，當(dāng)柱塞運(yùn)行處理模塊觀監(jiān)測(cè)到柱塞運(yùn)行速度超過了安全值時(shí)，將啟動(dòng)電子控制器4對(duì)開關(guān)閥3實(shí)施短暫關(guān)閉操作，以降低柱塞上行速度；當(dāng)柱塞運(yùn)行處理模塊觀監(jiān)測(cè)到柱塞運(yùn)行速度過慢而且低于經(jīng)濟(jì)開采臨界值(即圖6中的經(jīng)濟(jì)下限)時(shí)，電子控制器4啟動(dòng)并短暫打開放氣閥30，以提高柱塞上下兩端的壓差，加快其上行速度。地面?zhèn)鞲衅鹘M33中的柱塞到達(dá)傳感器10在監(jiān)測(cè)到柱塞已到地面后，柱塞捕捉器10捕獲柱塞工具。同時(shí)，柱塞的一個(gè)完整工作周期的運(yùn)行參數(shù)都被系統(tǒng)記錄下來，為后期的研究和生產(chǎn)制度的制定提供重要依據(jù)。(2)油管接箍脈沖監(jiān)測(cè)法(工作流程如圖7所示)柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)在運(yùn)行期間可以處于休眠狀態(tài)，而靠地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的接收器32被動(dòng)地“聽”井下聲波脈沖信號(hào)的變化。系統(tǒng)在獲得柱塞初始運(yùn)行參數(shù)后，柱塞開始下行，柱塞下行時(shí)與油管內(nèi)壁接觸和摩擦， 所產(chǎn)生的聲波脈沖信號(hào)通過管體向上傳至地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。當(dāng)柱塞經(jīng)過油管的接箍時(shí)，聲波脈沖信號(hào)發(fā)生瞬時(shí)的波動(dòng)，該波動(dòng)被地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)捕獲。柱塞每經(jīng)過一個(gè)接箍時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)波動(dòng)，于是在地面顯示設(shè)備沈上可觀察到一系列的跳變波形。由于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(shù)量就可以計(jì)算出柱塞的深度。另外，由于柱塞在進(jìn)入液柱前后與接箍碰撞產(chǎn)生的聲波脈沖信號(hào)會(huì)有顯著不同，地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)通過識(shí)別聲波脈沖信號(hào)的差異可判斷液面的位置。柱塞上行時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)跟蹤方法與下行時(shí)基本相同。為避免油管內(nèi)泡沫段對(duì)監(jiān)測(cè)帶來的誤差，可將前述井下-地面連續(xù)監(jiān)測(cè)法與油管接箍脈沖監(jiān)測(cè)法結(jié)合起來共同使用，此處不再一一贅述。為了更好地理解本實(shí)用新型的技術(shù)方案，下面結(jié)合一具體應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行說明某一柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)用于31/2”油管內(nèi)。該系統(tǒng)分為兩部分， 一部分是地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，另一部分是柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。配有井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤子系統(tǒng)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(jiān)測(cè)子系統(tǒng)在儀器工作筒總成11內(nèi)，柱塞本體12采用現(xiàn)有技術(shù)。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(jiān)測(cè)子系統(tǒng)18、柱塞聲波發(fā)射器19和柱塞聲波接收器20組成。打撈頭 14為符合API標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)件，用于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(jiān)測(cè)子系統(tǒng)18的兩端各有一組，用于對(duì)柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)18進(jìn)行定位，并起到緩沖減震的作用。儀器工作筒本體17外徑50mm，采用不銹鋼制造，保護(hù)內(nèi)部的電子儀器，中部有長(zhǎng)條形的進(jìn)液孔，用于為可選裝的井下傳感器提供進(jìn)液通道。儀器工作筒總成11除了柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)18以外，還容納安裝了存儲(chǔ)式壓力和溫度傳感器，用于對(duì)油管內(nèi)的壓力與溫度參數(shù)進(jìn)行測(cè)量記錄。柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)18 (如圖4所示)主要由柱塞聲波發(fā)射器19、柱塞聲波接收器20、柱塞系統(tǒng)電源21、輸入輸出設(shè)備22、柱塞系統(tǒng)時(shí)鐘23、柱塞控制器M和編碼模塊25組成。柱塞聲波發(fā)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，并與工作筒內(nèi)部的模塊連接。柱塞系統(tǒng)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(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的控制指令，并將其傳至柱塞控制器對(duì)，在地面指令的控制下，柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作，如發(fā)射聲波脈沖、系統(tǒng)轉(zhuǎn)入休眠等。需要發(fā)射聲波脈沖時(shí)，柱塞控制器M通過編碼模塊25，在柱塞系統(tǒng)時(shí)鐘23的調(diào)節(jié)下由柱塞聲波發(fā)射器19 向地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)發(fā)射聲波脈沖信號(hào)。為減小體積，柱塞聲波發(fā)射器19采用壓電陶瓷技術(shù)。系統(tǒng)采用頻率低于2KHz的低頻聲波進(jìn)行信號(hào)傳輸。地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)(結(jié)合圖5所示)主要由地面顯示設(shè)備沈、人工控制指令27、柱塞運(yùn)行處理模塊觀、地面系統(tǒng)電源四、電動(dòng)開關(guān)閥3、放氣閥30、地面聲波發(fā)射器31、地面聲波接收器32和地面?zhèn)鞲衅鹘M33組成。其中，柱塞運(yùn)行處理模塊28包括控制器(MCU)、1/0 接口、數(shù)字信號(hào)處理模塊(DSP)、存儲(chǔ)模塊、系統(tǒng)時(shí)鐘等組成。柱塞運(yùn)行處理模塊觀的控制設(shè)備主要是電動(dòng)開關(guān)閥3、放氣閥30、地面聲波發(fā)射器31和地面聲波接收器32。地面聲波發(fā)射器31采用氣槍，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(nèi)傳來的聲波脈沖信號(hào)，又可接收油管管體傳來的聲波脈沖信號(hào)。柱塞運(yùn)行處理模塊觀將處理后的波形等信息傳至地面顯示設(shè)備26上，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可根據(jù)實(shí)時(shí)的柱塞運(yùn)行狀態(tài)信息向系統(tǒng)發(fā)出各種控制干預(yù)指令，調(diào)整、優(yōu)化系統(tǒng)的生產(chǎn)參數(shù)。如圖8所示，該系統(tǒng)同時(shí)采用井下-地面連續(xù)監(jiān)測(cè)法與油管接箍脈沖監(jiān)測(cè)法。具體地，系統(tǒng)在工作時(shí)，先由地面子系統(tǒng)向柱塞發(fā)送聲波信號(hào)發(fā)射指令，然后由地面子系統(tǒng)接收柱塞發(fā)出的聲波信號(hào)響應(yīng)，并對(duì)柱塞的初始位置進(jìn)行校準(zhǔn)；初始化操作完成后，電動(dòng)開關(guān)閥3關(guān)閉，柱塞工具開始下行，下行過程中柱塞子系統(tǒng)通過聲波發(fā)射器19不斷向地面發(fā)射聲波脈沖信號(hào)；地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的柱塞運(yùn)行處理模塊觀內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)處理模塊(DSP)對(duì)收到的聲波脈沖信號(hào)進(jìn)行前置放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、采樣頻率變換等操作，把處理后的信息傳至控制器(MCU)，此步驟中，模數(shù)轉(zhuǎn)換較佳采用反饋比較型轉(zhuǎn)換器，編碼為二進(jìn)制編碼，前置放大采用CMOS輸入運(yùn)算放大器，采樣技術(shù)采用過采樣數(shù)字信號(hào)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(shù)為現(xiàn)有技術(shù)，此處不再贅述。經(jīng)過控制器(MCU)的處理，信息被發(fā)送至顯示設(shè)備沈供現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員分析。同時(shí)，柱塞下行期間，在地面電子控制器關(guān)閉電動(dòng)開關(guān)閥3后，地面聲波接收器還記錄油管管體所傳送的柱塞與油管內(nèi)壁接觸摩擦所產(chǎn)生的聲波信號(hào)，并根據(jù)所記錄柱塞進(jìn)入液柱前后接箍脈沖的變化判斷液面的位置，根據(jù)之前接收的聲波信號(hào)經(jīng)處理可識(shí)別柱塞已下行至井底，由此完成對(duì)柱塞運(yùn)行狀態(tài)的跟蹤監(jiān)測(cè)，即圖8中A之前的步驟。在柱塞上行期間，系統(tǒng)的工作原理與下行周期相同，此處不再贅述。而且，本實(shí)用新型還可根據(jù)所測(cè)得的柱塞上行狀態(tài)參數(shù)來控制電動(dòng)開關(guān)閥和放氣閥的開閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)柱塞上行速度的快慢調(diào)節(jié)，請(qǐng)參照?qǐng)D8中A之后的步驟所示，柱塞下行至井底后，電動(dòng)開關(guān)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下壓力，當(dāng)該壓力達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的控制器打開該電動(dòng)開關(guān)閥3，柱塞開始上行，在柱塞上行期間利用上述方法連續(xù)跟蹤柱塞的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到柱塞的運(yùn)行速度高于安全上限時(shí)，則由控制器短暫關(guān)閉電動(dòng)開關(guān)閥 3，以降低柱塞上行速度，當(dāng)運(yùn)行速度下降至安全范圍內(nèi)時(shí)再打開電動(dòng)開關(guān)閥3 ；當(dāng)監(jiān)測(cè)到柱塞的運(yùn)行速度低于經(jīng)濟(jì)下限時(shí)，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(yùn)行速度正常，則將電動(dòng)開關(guān)閥維持在打開狀態(tài)，柱塞繼續(xù)上行，直至到達(dá)傳感器10檢測(cè)到柱塞，由柱塞捕捉器10捕獲柱塞工具。同時(shí)，柱塞的一個(gè)完整工作周期的運(yùn)行參數(shù)都被系統(tǒng)記錄下來，為后期的研究和生產(chǎn)制度的制定提供重要依據(jù)。本實(shí)用新型提出的基于聲波測(cè)量技術(shù)的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤技術(shù)，可滿足柱塞氣舉井生產(chǎn)管理和優(yōu)化的需要。該技術(shù)具有如下特點(diǎn)(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可安裝在各種類型的排液采氣用柱塞上；(2)信號(hào)傳輸和正常生產(chǎn)互不影響系統(tǒng)工作時(shí)為在線監(jiān)測(cè)模式，對(duì)氣井的正常生產(chǎn)沒有影響；(3)安全性好全部模塊符合防爆規(guī)范，氣井的安全生產(chǎn)有保障；(4)適應(yīng)性強(qiáng)系統(tǒng)采用多種方法對(duì)柱塞運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，借助管內(nèi)氣體與油管管體兩種信號(hào)傳輸介質(zhì)，與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性更強(qiáng)；(5)提供信息豐富包括各種柱塞運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)參數(shù)和動(dòng)液面參數(shù)，以及各種緊急情況如柱塞的卡點(diǎn)位置等；(6)系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)便子系統(tǒng)直接安裝在柱塞上，維修時(shí)從柱塞上拆下相應(yīng)模塊即可。該技術(shù)克服了傳統(tǒng)技術(shù)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)柱塞運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)變化的有效跟蹤，提高了系統(tǒng)的工作效率，為今后柱塞氣舉的自動(dòng)化生產(chǎn)與管理提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)和保障。該技術(shù)有利于氣井單井產(chǎn)量的提高，有利于氣田的穩(wěn)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高，具有很好的市場(chǎng)前景。雖然本實(shí)用新型已以具體實(shí)施例揭示，但其并非用以限定本實(shí)用新型，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型的構(gòu)思和范圍的前提下所作出的等同組件的置換，或依本實(shí)用新型專利保護(hù)范圍所作的等同變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本專利涵蓋的范疇。
1權(quán)利要求1.一種柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，所述柱塞包括柱塞本體和儀器工作筒總成，其特征在于，該系統(tǒng)包括地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)及安裝于所述儀器工作筒總成內(nèi)的柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)接受所述地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的控制，所述地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集油管內(nèi)傳送的聲波脈沖信號(hào)，進(jìn)行處理分析后得到柱塞運(yùn)行參數(shù)，用以實(shí)時(shí)獲取柱塞運(yùn)行狀態(tài)，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(shè)于所述儀器工作筒本體的頂端，所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的兩端各有一組對(duì)所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行定位、緩沖的所述減震彈簧和所述壓帽的組合體。
2.如權(quán)利要求1所述的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)是對(duì)柱塞與油管接箍位置接觸而產(chǎn)生的聲波脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和測(cè)量，獲取柱塞運(yùn)行參數(shù)，以識(shí)別柱塞運(yùn)行狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)接受所述地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的控制發(fā)送聲波脈沖信號(hào)，所述油管內(nèi)的流體介質(zhì)作為聲波傳輸介質(zhì)。
4.如權(quán)利要求1所述的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述儀器工作筒總成內(nèi)還容設(shè)有采樣設(shè)備、油壓/套壓傳感器及/或溫度傳感器。
5.如權(quán)利要求1所述的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述柱塞的下端裝設(shè)有用于加快柱塞在油管內(nèi)的下行速度的柱塞旁通閥。
6.如權(quán)利要求1、2、4或5任一項(xiàng)所述的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)包括柱塞運(yùn)行處理模塊、地面顯示設(shè)備、地面系統(tǒng)電源、地面聲波發(fā)射器和地面聲波接收器；其中，所述柱塞運(yùn)行處理模塊與地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的其他各組成部分耦接，并控制所述地面聲波發(fā)射器和地面聲波接收器的動(dòng)作；柱塞運(yùn)行處理模塊將處理后的波形信息傳至地面顯示設(shè)備上，現(xiàn)場(chǎng)操作人員能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的柱塞運(yùn)行狀態(tài)信息向系統(tǒng)發(fā)出各種控制干預(yù)指令。
7.如權(quán)利要求1、2、4或5任一項(xiàng)所述的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)包括柱塞系統(tǒng)電源、柱塞聲波發(fā)射器、柱塞聲波接收器、輸入輸出設(shè)備、柱塞系統(tǒng)時(shí)鐘、柱塞控制器和編碼模塊；所述柱塞控制器與所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的其他模塊相耦接；所述輸入輸出設(shè)備包括能夠井下安裝的傳感器；所述柱塞聲波發(fā)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(fā)射器是通過編碼模塊與所述柱塞檢測(cè)子系統(tǒng)耦接；所述柱塞聲波接收器接收地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的控制指令，并將其傳至柱塞控制器，在地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)指令的控制下，柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作，需要發(fā)射聲波脈沖時(shí)，柱塞控制器通過編碼模塊在柱塞系統(tǒng)時(shí)鐘的調(diào)節(jié)下由柱塞聲波發(fā)射器向地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)發(fā)射聲波脈沖信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7所述的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述柱塞聲波發(fā)射器采用壓電陶瓷或磁致伸縮材料的電-聲換能器。
9.如權(quán)利要求6所述的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)包括柱塞系統(tǒng)電源、柱塞聲波發(fā)射器、柱塞聲波接收器、輸入輸出設(shè)備、柱塞系統(tǒng)時(shí)鐘、柱塞控制器和編碼模塊；所述柱塞控制器與所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的其他模塊相耦接； 所述輸入輸出設(shè)備包括能夠井下安裝的傳感器；所述柱塞聲波發(fā)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(fā)射器是通過編碼模塊與所述柱塞檢測(cè)子系統(tǒng)耦接；所述柱塞聲波接收器接收地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的控制指令，并將其傳至柱塞控制器， 在地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)指令的控制下，柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的操作，需要發(fā)射聲波脈沖時(shí)， 柱塞控制器通過編碼模塊在柱塞系統(tǒng)時(shí)鐘的調(diào)節(jié)下由柱塞聲波發(fā)射器向地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)發(fā)射聲波脈沖信號(hào)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)及柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)接受地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的控制，地面監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集油管內(nèi)傳送的聲波脈沖信號(hào)，進(jìn)行處理分析后得到柱塞運(yùn)行參數(shù)，用以實(shí)時(shí)獲取柱塞運(yùn)行狀態(tài)，所述柱塞監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的兩端各有一組所述減震彈簧和所述壓帽的組合體。本實(shí)用新型的柱塞井下定位及運(yùn)行狀態(tài)跟蹤技術(shù)克服了傳統(tǒng)的基于數(shù)學(xué)模型的柱塞運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)模式的固有缺點(diǎn)，提供了實(shí)時(shí)的、更直接的參數(shù)采集和測(cè)量工具與手段，縮短了柱塞的無效生產(chǎn)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，延長(zhǎng)了柱塞舉升系統(tǒng)的無故障生產(chǎn)周期，有利于提高氣井單井產(chǎn)量，有利于氣田的穩(wěn)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高。
文檔編號(hào)E21B47/12GK202338335SQ20112050375
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者丁愛芹, 李明, 沈澤俊, 王全賓, 童征, 鄭立臣, 郝忠獻(xiàn), 錢杰, 黃鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣股份有限公司