一种抽油机空抽超声传感控制器的制作方法

本实用新型涉及原油生产节能控制领域，具体为一种抽油机空抽超声传感控制器。

背景技术：

目前，在油田原油生产中，抽油井的抽油机是全天候连续运行的，这种工作方式对低渗透油田来说是对电能的极大浪费。

低渗透油田油藏结构的地质特点是：油井底部原油动液面的积累过程缓慢，原油动液面的上升速度远低于抽油机的抽吸速度。如果抽油机全天候运转，很多时间抽油机是处于空抽状态。低渗透油田抽油机的抽采过程中，当井底原油动液面侵没抽油泵，油泵被充满，抽油机有效抽油；当井底油泵未被原油动液面侵没或无动液面时，抽油机处在半空抽或空抽状态。抽油机处于空抽状态时，造成供给抽油机电机的电能浪费，与此同时，增加了抽油机的机械磨损进而缩短了抽油机的运行寿命。

在各行各业都在采取各种手段节能降耗的形势下，目前这种低渗透油田的油井抽油机采用间歇工作方式。初期，采油工根据长期的生产经验，大致掌握某个井的出油情况，人工间歇停开抽油机。我国油田现在大面积使用游梁式抽油机(俗称磕头机)进行原油生产的抽采。对于油梁式抽油机，最早人工判断抽油机是否空抽方法有多种，包括触摸感知抽油杆温度、侦听油管内的油流声等，这些方法都受到各种外界因素的影响使判断准确性很底。随着电子技术的发展和传感器技术的进步，目前我国油田检测抽油井是否空抽主要采用功图法，该方法根据抽油机抽油杆的应力和位移两个变量的组合用软件判断油井是否在空抽状态下运行。这种方法虽然采取了先进的技术，但传感器安装复杂和功图法本身存在的缺点，其精确度是有限的。还有一种技术是用抽油机电机电流的大小判断抽油机是否空抽，这种方法精确度更低。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本实用新型提出了一种抽油机空抽超声传感控制器，利用超声波的传播特性，判断抽油机是否出油。该超声传感控制器的安装不需要改造抽油机任何井口管路，甚至可以在不停产的条件下安装。本实用新型提出抽油机空抽超声传感控制器，是目前检测抽油井是否空抽的最简单可靠的设备，而且通过实验表面，检测结果精准，对低渗透油田节能降耗意义重大。

技术方案

本实用新型的技术方案为：

所述一种抽油机空抽超声传感控制器，其特征在于：包括安装外壳、超声波发射探头、超声波接收探头以及控制电路模块；

所述超声波发射探头以及所述超声波接收探头均通过安装外壳固定在抽油机的抽油管外壁面；所述超声波接收探头处于所述超声波发射探头发射的超声波信号经抽油管内原油传播的传播路径上；

所述控制电路模块向所述超声波发射探头输入驱动信号；所述控制电路模块从超声波接收探头接收输出信号，并对输出信号进行滤波放大处理。

进一步的优选方案，所述一种抽油机空抽超声传感控制器，其特征在于：超声波发射探头发射超声信号的方向，与抽油管轴线的夹角范围为10°～90°。

进一步的优选方案，所述一种抽油机空抽超声传感控制器，其特征在于：当抽油管内具有抽油杆时，超声波发射探头与抽油管中心的连线在抽油管横截面的投影，与超声波接收探头与抽油管中心的连线在抽油管横截面的投影的夹角不大于90°。

进一步的优选方案，所述一种抽油机空抽超声传感控制器，其特征在于：当抽油管内具有抽油杆时，超声波发射探头发射超声信号的方向，与抽油管轴线的夹角范围为45°±5°，且超声波发射探头与抽油管中心的连线在抽油管横截面的投影，与超声波接收探头与抽油管中心的连线在抽油管横截面的投影的夹角范围为80°±5°。

进一步的优选方案，所述一种抽油机空抽超声传感控制器，其特征在于：所述控制电路模块依据处理后的输出信号，判断抽油机工作状态；当判断抽油机处于空抽工作状态，控制电路模块控制抽油机停止工作。

进一步的优选方案，所述一种抽油机空抽超声传感控制器，其特征在于：控制电路模块中设置有冲次识别模块；控制电路模块依据冲次识别模块，以及处理后的输出信号，在确定连续若干冲次空抽后，判断抽油机处于空抽工作状态。

进一步的优选方案，所述一种抽油机空抽超声传感控制器，其特征在于：所述控制电路模块中设置有延时器；延时器内设置有从抽油机停止工作到重启工作的间隔时间。

进一步的优选方案，所述一种抽油机空抽超声传感控制器，其特征在于：延时器内还设置有从抽油机启动到控制电路模块开始判断超声波接收探头输出信号的间隔时间。

进一步的优选方案，所述一种抽油机空抽超声传感控制器，其特征在于：所述超声波发射探头以及所述超声波接收探头采用磁吸方式安装在抽油管外壁面，通过安装外壳固定；所述安装外壳为两瓣式，将超声波发射探头或超声波接收探头包裹在内，且安装外壳两瓣之间采用耐油橡胶进行密封。

有益效果

本实用新型提出了一种抽油机空抽超声传感控制器，利用超声波的传播特性，判断抽油机是否出油。该超声传感控制器的安装不需要改造抽油机任何井口管路，甚至可以在不停产的条件下安装。本实用新型提出抽油机空抽超声传感控制器，是目前检测抽油井是否空抽的最简单可靠的设备，而且通过实验表面，检测结果精准，对低渗透油田节能降耗意义重大。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：超声传感器探头在井口位置上的安装及检测原理理论示意图；

图2：图1的A-A方式剖视图；

图3：超声传感器在井口位置上的安装示意图；

图4：超声传感器外壳(单瓣)示意图；

图5：图3的A-A视图；

图6：耐油橡胶垫示意图。

其中：1、超声波发射探头；2、超声波接收探头；3、超声波波束；4、抽油管；5、传感器信号出线口；6、传感器外壳；7、传感器外壳安装螺栓孔；8、传感器外壳与抽油管夹持段；9、传感器壳体安装螺栓；10、耐油橡胶垫。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实施例以游梁式抽油机为例，但本实用新型不仅可用于游梁式抽油机，还可用于其他类型的抽油机。

工作原理：

1)超声传感控制器信号发射和接收

工作原理见图1，抽油机空抽超声传感控制器包括安装外壳、超声波发射探头、超声波接收探头以及控制电路模块。

图1中，在井口装置的抽油管直立段外壁面安装超声波发射探头以及超声波接收探头。超声波接收探头处于超声波发射探头发射的超声波信号经抽油管内原油传播的传播路径上。控制电路模块向超声波发射探头输入驱动信号；控制电路模块从超声波接收探头接收输出信号，并对输出信号进行滤波放大处理。

控制电路模块超声波发射探头输入的是正弦高频信号，超声波发射探头向抽油管发射与正弦高频信号频率相同的超声信号。其中超声波发射探头发射超声信号的方向，与抽油管轴线的夹角范围为10°～90°，而本实施例中优选45°±5°。如果抽油管内有原油存在，超声信号穿过管壁后通过管内原油传播，当传播到超声波接收探头处穿过管壁被超声波接收探头接收后，超声波接收探头便输出与发射频率相同的正弦高频电信号，该信号被控制电路模块滤波放大处理后，用来识别抽油管内是否有原油存在。

当抽油管内无原油时，管内充满原油伴生气体，由于气体的声阻抗远低于原油的声阻抗，超声波发射探头产生的超声波信号被反射，不能传播到超声波接收探头，这种情况下，超声波接收探头无高频信号输出，相应也滤波放大处理后也无高频信号输出。

超声波发射探头不间断地发射超声信号，如果超声波接收探头有高频电信号输出，说明抽油机有效工作，即有原油抽出；如果超声波接收探头无高频电信号输出，说明抽油机在空抽工作状态，这时经过判断，控制电路模块能够控制抽油机停止工作。

控制电路模块中设置有延时器；延时器内设置有从抽油机停止工作到重启工作的间隔时间，对于具体的应用油井，该间隔时间根据生产经验进行设定，到设定时间后继续启动抽油机进行抽采工作。

2)传感探头的实际安装角度

上面说明了本实施例的基本原理，但在实际工况中，抽油管中心有一个抽油杆存在，由于抽油杆是金属体，其声阻抗高于原油，因此，实际情况是超声波发射探头发出的超声波束通过管内原油遇到抽油杆时，超声波束被抽油杆反射，使之不能到达处于超声波发射探头直线位置处的超声波接收探头。

为了能够准确接收信号，考虑抽油杆存在，所以要求超声波发射探头与抽油管中心的连线在抽油管横截面的投影，与超声波接收探头与抽油管中心的连线在抽油管横截面的投影的夹角不大于90°。而在本实施例中，当优选超声波发射探头发射超声信号的方向，与抽油管轴线的夹角范围为45°±5°时，经过试验对比，当超声波发射探头与抽油管中心的连线在抽油管横截面的投影，与超声波接收探头与抽油管中心的连线在抽油管横截面的投影的夹角范围为80°±5°时，如图2所示，当超声波发射探头的发射强度不变时，在抽油管内充有原油的条件下，此位置的超声波接收探头所检测到的信号最强。

理论分析和实验均证明以上的抽油机空抽检测方案是可行的。

3)控制电路模块方案

控制电路模块中设置有冲次识别模块。对于低渗透油田，当油井底部原油动液面不能使油泵达到完全充满状态时，抽油机也有原油抽出，但在这种情况下，当抽油机在上抽冲程中，抽油管内安装超声波探头的检测段内原油是充满的，而在抽油机下冲程时，随着油泵活塞的下移，抽油管内的原油也随之下移，该检测段有可能没有原油而是回压产生的伴生气。因此，检测电路要有几十个冲次的检测判断和冲次时间保存功能，以便正常运行的检测对比。所以，在控制电路模块中，依据冲次识别模块，以及处理后的输出信号，当连续确定若干冲次(如50个)空抽后，判断该井已处于空抽状态，相应的控制电路发出抽油机停机信号。

对于间歇抽采的抽油机，当经过几小时的停抽后，在整个井筒中的抽油管内的原油已通过油泵凡尔的微泄露使油管内液位下降很深，当上述延时器中设定的延时到达后开机的最初一段时间内，抽油管内的液位是逐渐上升的，经过一段时间后才能到达井口装置的超声波传感器检测段。所以，在延时器内还设置有从抽油机启动到控制电路模块开始判断超声波接收探头输出信号的间隔时间，这样防止抽油管内液位逐渐上升过程中的误判断。

控制电路模块中还配套数字通讯模块，将信号上传集油站站控系统监视。并配套流量智能化测量模块，实现原油生产井单井计量功能。

4)超声传感控制器的外壳设计和安装。

本实施例中，超声波发射探头以及所述超声波接收探头采用磁吸方式安装在抽油管外壁面，通过安装外壳固定。安装外壳为两瓣式，两瓣安装外壳用螺栓螺母固定在井口装置抽油管的直立段上，将超声波发射探头或超声波接收探头包裹在内，为达到防爆盒防护要求，安装外壳两瓣之间采用耐油橡胶进行密封。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。