柱塞、井下温度压力的测量装置及测量方法与流程

1.本发明涉及油气田采集领域，具体地涉及一种柱塞，并且涉及一种井下温度压力的测量装置，还涉及一种井下温度压力的测量方法。


背景技术：

2.柱塞气举是解决低压低产小产水气井液体滑脱的重要措施之一，它是将柱塞作为气体和液体之间的机械界面，利用气井弹性能量推动柱塞在油管内周期性举升液体，有效阻止气体上窜和液体回落，减少液体的“滑脱”效应，起到助排效果。
3.目前柱塞气举井中的柱塞为实体机械柱塞或存储式电子柱塞，实体机械柱塞不含电路设备，不能进行测试工作，仅起气举排水采气作用；存储式电子柱塞(即柱塞内置压力温度传感器)需定期人为投放、捕捉、回放数据，浪费人力物力，不能实时监测，影响气井生产。
4.现阶段主要采用绳索作业下入压力计对柱塞气举井进行压力温度监测。作业前需先关井，绳索作业从井口防喷管将压力计下入井筒中。该技术已沿用数十年，缺点在于测井期间气井必须停产。由于柱塞气举本身就是间歇式生产，柱塞下落周期气井不产气，必须通过尽量减少关井次数、加快柱塞下降速度等措施提高单井产量。因此，测井期间停产与尽量避免关井构成了矛盾。
5.现有技术的柱塞不能掌握柱塞本身在井下的定位及运动状态，所获取的数据无法与具体井深对应。特别是在大斜度井和水平井中可能出现柱塞下落不到位，柱塞下落停止位置未到达预定深度，此时得到的数据，无法通过分析及时掌握气层的产气情况和出水程度。这也是该项技术无法取代传统绳索作业测温测压的重要原因。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种柱塞，以解决柱塞不能采集具有位置信息的温度压力数据的问题。
7.为了实现上述目的，本发明一方面提供一种柱塞，其中，所述柱塞包括位于其内部的彼此电连接的传感器组件、电路板以及信号发射器，所述传感器组件包括温度压力传感器和加速度传感器，所述加速度传感器能够测量所述柱塞在开采井中的升降移动的加速度。
8.可选择的，所述加速度传感器为三轴加速度传感器。
9.可选择的，所述柱塞包括筒体、设置在所述筒体上端的打捞头、设置在所述筒体下端的尾堵，所述传感器组件部分地插入所述尾堵中，所述信号发射器设置在所述筒体上端并部分地插入所述打捞头中。
10.可选择的，所述柱塞包括位于所述筒体中的支架，所述支架支撑所述传感器组件和所述电路板。
11.可选择的，所述柱塞包括与所述传感器组件、所述电路板以及所述信号发射器电
连接的电源，所述电源设置在所述支架上。
12.另外，本发明还提供了一种井下温度压力的测量装置，其中，所述测量装置包括设置在井口处的信号接收器、通信连接于所述信号接收器的地面控制器以及以上方案所述的柱塞，所述信号发射器能够与所述信号接收器通信连通。
13.可选择的，所述测量装置包括设置在井口处的防喷管，所述信号接收器穿过所述防喷管设置。
14.可选择的，所述测量装置包括接合于所述防喷管的弹性件和连接于所述弹性件的下端的挡块，所述挡块中设有轴向延伸的通孔。
15.另一方面，本发明还提供了一种井下温度压力的测量方法，其中，所述测量方法使用以上方案所述的井下温度压力的测量装置，所述测量方法包括：所述柱塞在井中升降移动时，通过所述加速度传感器和温度压力传感器同步地测量数据，所述地面控制器能够根据加速度数据确定所述柱塞在井中的位置，并进一步计算出井中不同位置的压力和温度。
16.可选择的，所述柱塞与油管的接箍接触会改变加速度，通过柱塞加速度变化特征识别油管接箍。，所述地面控制器能够根据各个油管的长度计算出不同时间点所述柱塞在井中的位置。
17.通过上述技术方案，加速度传感器可以测量出柱塞在每个时间点的加速度，进而计算出柱塞在每个时间点的井下位置，结合每个时间点的温度压力数据，从而可以得出温度压力关于井下位置的分布图，便于对天然气井井况进行实时监测。
附图说明
18.图1是根据本发明实施方式所述的柱塞的剖视图；
19.图2是根据本发明实施方式所述的井下温度压力的测量装置在井口处的结构示意图；
20.图3是根据本发明实施方式所述的井下温度压力的测量装置在井底处的结构示意图；
21.图4是本发明实施方式所述的柱塞经过接箍时的加速度特征曲线的一部分；
22.图5是根据本发明实施方式所述的井下温度压力的测量装置所测量的温度压力关于井深的曲线。
23.附图标记说明
24.1-尾堵，2-传感器组件，3-外筒，4-内筒，5-电源，6-支架，7-电路板，8-信号发射器，9-打捞头，10-信号接收器，11-防喷管，12-弹性件，13-挡块，14-柱塞，15-油路，16-地面控制器，17-井底卡定器。
具体实施方式
25.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
26.在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指实际生产使用中的相对位置关系，这只是为了更清楚地说明技术特征，但不应当理解为特别限制。
27.本发明提供了一种柱塞，其中，参考图1所示，所述柱塞包括位于其内部的彼此电
连接的传感器组件2、电路板7以及信号发射器8，所述传感器组件2包括温度压力传感器和加速度传感器，所述加速度传感器能够测量所述柱塞在开采井中的升降移动的加速度。
28.柱塞内部(例如内筒4的内部)形成与外部隔绝的密闭空间，用于在内部安装电路系统并保证传感器能正常测量环境数据以及通讯信号正常发射。
29.电路板7上可以设置微处理器、存储器等，以接收来自传感器组件2的数据并存储。
30.气井正常生产时，柱塞在井口与井底之间往返运动，内部传感器组件2按照预设频率采集环境压力温度数据和柱塞加速度数据，当柱塞到达井口后尝试与信号接收器连接，传输数据至地面设备。地面设备可以通过数据处理软件通过分析数据得到柱塞在每个时间点的井深位置、温度、压力，进而绘制出井中温度压力剖面。
31.所述柱塞外壳可以与鱼骨式柱塞外型尺寸完全一致，起划分气液界面减少液体滑脱的作用。柱塞外壳也可以根据不同需求制作成刷式柱塞、弹块式柱塞、旁通式柱塞的形状，不影响其无线监测井下压力温度剖面的功能。
32.本方案中，加速度传感器可以测量出柱塞在每个时间点的加速度，进而计算出柱塞在特定时间点的井下位置，结合对应时间点的温度压力数据，从而可以得出温度压力关于井下位置的分布图，便于对天然气井井况进行实时监测。
33.其中，所述加速度传感器为三轴加速度传感器。三轴加速度传感器可以测量三个维度上的加速度数量，在柱塞与油管接箍碰撞时可以更好体现出特征变换，保证每个时间点柱塞在井下位置的准确性。
34.其中，所述柱塞包括筒体、设置在所述筒体上端的打捞头9、设置在所述筒体下端的尾堵1，所述传感器组件2部分地插入所述尾堵1中，所述信号发射器8设置在所述筒体的上端并部分地插入所述打捞头9中。所述筒体可以包括外筒3和内筒4，尾堵1与内筒4采用金属材质，内筒4采用中空结构，内筒4装配在外筒3内部。内筒4存在两处密封，一处是尾堵1与内筒4通过o圈密封，一处是信号发射器8(例如为天线)与内筒4通过o圈密封。信号发射器8采用聚醚醚酮塑料制作，兼具高强度和良好的信号传导性能，信号发射器8通过螺纹连接在内筒4上部，内部开细孔放置射频天线。信号发射器8一端堵住内筒4，一端包住射频天线延伸至打捞头9中；打捞头9为常见的标准尺寸打捞头，大致形成为管状，其上形成有多个轴向延伸的长条形透波槽，以允许信号发发射器的天线将信号传出。传感器组件2部分地设置在尾堵1中，以测量井下数据。
35.传感器组件2包括温压一体传感器、三轴加速度传感器。温压一体传感器安装在中心筒尾部，从尾堵1中心伸出，采集柱塞下部环境压力和温度。加速度传感器安装在电路板一侧，三轴加速度传感器采集柱塞运动过程中细微震动导致的加速度变化。本方案采用耐高温高压的小体积传感器，灵敏度优于0.01％f.s。温度、压力数据采集频率较低为1-5s，加速度数据采集频率较高3-10ms。
36.另外，所述柱塞包括位于所述筒体中的支架6，所述支架6支撑所述传感器组件2和所述电路板7。支架为筒状结构，外部完全贴合中心筒内表面，中间分隔成若干空间用于放置和固定传感器、电路板、电线。支架可以由工程塑料制成。
37.另外，所述柱塞包括与所述传感器组件2、所述电路板7以及所述信号发射器8电连接的电源5，所述电源5设置在所述支架6上。电源5采用聚合物高温锂电池，额定电压3.6v，可以根据续航需求，采用多个电池串联供电。
38.另一方面，本发明还提供了一种井下温度压力的测量装置，其中，所述测量装置包括设置在井口处的信号接收器10、通信连接于所述信号接收器10的地面控制器16以及以上方案所述的柱塞14，所述信号发射器8能够与所述信号接收器10通信连通。信号接收器10可以与信号发射器8相配合，信号发射器8和信号接收器10可以采用sub-ghz通信方式，发射信号频率可在1ghz以内随意调节，最大数据传输速率2mb/s。可以选择井口附近时建立通信。当柱塞14到达井口附近时，在信号接收器10与信号发射器8建立通信连接，从而可以将柱塞14中所记录的数据信息通过信号发射器8传递到信号接收器10，并进一步地传递到地面控制器16。
39.地面控制器16的外壳采用防爆接线盒，具有良好的防水防尘性能，盒内主要由电源、电路板和接线端子组成。其中电路板由微处理器、存储器、射频芯片组成。地面控制器的功能一是与柱塞建立通信连接，接收并存储井筒内柱塞发送的数据，并通过通讯串口将数据传输至上位机。二是向柱塞发送控制指令，进行电子时钟校时、调节数据采集频率和电磁波发射频率。地面控制器外接太阳能板供电。
40.另外，所述测量装置包括设置在井口处的防喷管11，所述信号接收器10穿过防喷管11设置。其中，信号接收器10包括金属外壳和信号天线，金属外壳外部为标准螺纹公扣，与防喷管顶部母扣配合。金属外壳内包裹工程塑料信号天线，信号天线伸出的长度可以通过顶丝调节，保证信号接收天线能伸入防喷管内壁。防喷管11可以支撑信号接收器10，使得信号接收器10稳定地井口。防喷管11顶部的开孔在原设计中主要用于安装压力表，因此在此处安装信号接收器10无需单独开孔。
41.另外，所述测量装置包括接合于所述防喷管11的弹性件12和连接于所述弹性件12的下端的挡块13，所述挡块13中设有轴向延伸的通孔。柱塞14向上移动时，可能碰撞到挡块13，在弹性件12的作用下，可以缓冲柱塞14的碰撞，以保护柱塞14，同时也可以保护信号接收器10。另外，挡块13中的通孔可以允许信号通过，保证信号传递的稳定性。
42.另一方面，本发明还提供了一种井下温度压力的测量方法，其中，所述测量方法使用以上方案的所述的井下温度压力的测量装置，所述测量方法包括：所述柱塞14在井中升降移动时，通过所述加速度传感器和温度压力传感器同步地测量数据，所述地面控制器16能够根据加速度数据确定所述柱塞14在井中的位置，并进一步计算出井中不同位置的压力和温度。在进行数据测量采集时，根据每个时间点的加速度数据计算出柱塞14在特定时间点的位置，相应的，将特定时间点所测量的温度压力信息对应于柱塞14的位置，从而可以得出井中不同位置的温度压力，并可以绘制出井下温度压力剖面图。
43.进一步的，所述柱塞14能够与油管的接箍接触以改变加速度，所述地面控制器16能够根据各个油管的长度计算出不同时间点所述柱塞14在井中的位置。井中设置有依次连接的多个油管，油管的连接处设置有接箍，柱塞14可以与接箍接触，这导致其加速度发生变化，这种变化与柱塞在油管中部升降时的加速度变化不同，在接箍处的加速度变化可以作为柱塞14的定位参考，即其加速度发生特定变化时，可以确定柱塞14到达某个接箍处，从而根据油管的长度，计算出柱塞14在每个时间点处的位置。其中，加速度传感器以固定的频率来数据采集，即间隔相同的时间段来采集数据。
44.此外，可以采用软件对柱塞运行过程中加速度数据的处理分析流程，首先将加速度数据进行频域滤波处理，将三轴加速度数据进行偏移合并，观察数据幅值变化设定筛选
门限值进行突变点筛选，再自动补充漏选点和删除误选点，最后将所有选取的突变点按顺序与井筒管串数据对应，以计算出柱塞14在每个时间点处的井下位置。l
45.参考图2和图3所示，在一个柱塞气举周期内，气井关井柱塞14自由下落至井底卡定器17位置(图3)，待气井能量恢复后开井，柱塞14携带液柱被举升至井口，柱塞14停留在防喷管11内(图2)，液柱和气体经油路15进入生产管线，待生产时间结束，气井自动关井，柱塞14再次下落完成一个生产周期。柱塞在井口与井底之间往返时，不断采集井筒内温度、压力和柱塞14的三轴加速度数据，并将数据储存在存储器内。当柱塞到达井口后，通过无线交换的方式将数据传输至地面控制器16。
46.参考图4和图5，图4显示了柱塞14的加速度曲线，几个方框标记了经过接箍时的加速度特征曲线，另外，根据每段油管的长度，可以判断不同时间点柱塞14在井下的位置深度，再配上传感器组件在对应的时间点所测得的数据，可以得出图5所示的不同井深时的温度压力曲线。
47.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种柱塞，其特征在于，所述柱塞包括位于其内部的彼此电连接的传感器组件(2)、电路板(7)以及信号发射器(8)，所述传感器组件(2)包括温度压力传感器和加速度传感器，所述加速度传感器能够测量所述柱塞在开采井中的升降移动的加速度。2.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于，所述加速度传感器为三轴加速度传感器。3.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于，所述柱塞包括筒体、设置在所述筒体上端的打捞头(9)、设置在所述筒体下端的尾堵(1)，所述传感器组件(2)部分地插入所述尾堵(1)中，所述信号发射器(8)设置在所述筒体上端并部分地插入所述打捞头(9)中。4.根据权利要求3所述的柱塞，其特征在于，所述柱塞包括位于所述筒体中的支架(6)，所述支架(6)支撑所述传感器组件(2)和所述电路板(7)。5.根据权利要求4所述的柱塞，其特征在于，所述柱塞包括与所述传感器组件(2)、所述电路板(7)以及所述信号发射器(8)电连接的电源(5)，所述电源(5)设置在所述支架(6)上。6.一种井下温度压力的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括设置在井口处的信号接收器(10)、通信连接于所述信号接收器(10)的地面控制器(16)以及权利要求1-5中任意一项所述的柱塞(14)，所述信号发射器(8)能够与所述信号接收器(10)通信连通。7.根据权利要求6所述的井下温度压力的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括设置在井口处的防喷管(11)，所述信号接收器(10)穿过所述防喷管(11)设置。8.根据权利要求7所述的井下温度压力的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括接合于所述防喷管(11)的弹性件(12)和连接于所述弹性件(12)的下端的挡块(13)，所述挡块(13)中设有轴向延伸的通孔。9.一种井下温度压力的测量方法，其特征在于，所述测量方法使用权利要求6-8中任意一项的所述的井下温度压力的测量装置，所述测量方法包括：所述柱塞(14)在井中升降移动时，通过所述加速度传感器和温度压力传感器同步地测量数据，所述地面控制器(16)能够根据加速度数据确定所述柱塞(14)在井中的位置，并进一步计算出井中不同位置的压力和温度。10.根据权利要求9所述的井下温度压力的测量方法，其特征在于，所述柱塞(14)能够与油管的接箍接触以改变加速度，所述地面控制器(16)能够根据各个油管的长度计算出不同时间点所述柱塞(14)在井中的位置。

技术总结
本发明涉及油气田采集领域，公开了一种柱塞、井下温度压力的测量装置以及测量方法，其中，所述柱塞包括位于其内部的彼此电连接的传感器组件(2)、电路板(7)以及信号发射器(8)，所述传感器组件(2)包括温度压力传感器和加速度传感器，所述加速度传感器能够测量所述柱塞在开采井中的升降移动的加速度。通过上述技术方案，加速度传感器可以测量出柱塞在每个时间点的加速度，进而计算出柱塞在特定时间点的井下位置，结合对应时间点的温度压力数据，从而可以得出温度压力关于井身的分布图，便于对天然气井井况进行实时监测。气井井况进行实时监测。气井井况进行实时监测。


技术研发人员：邓悟 范宇 张华礼 尹强 喻成刚 杨云山 李奎 付玉坤 王宇 朱庆 陈满 陈家晓 易德正 朱昆
受保护的技术使用者：中国石油天然气股份有限公司
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2023/7/13