一种智能柱塞系统的制作方法

本发明属于油气田工艺技术领域，具体涉及一种智能柱塞系统。

背景技术：

随着油气井采出程度的提高，排液采气过程中对排液采气工艺有了更高的要求，其中，柱塞气举技术在各大油气田得到了推广。

柱塞气举是一种利用存储层本身能量来携液的间歇式举升方法，柱塞是一个与油管相匹配的可在油管内自由运动的活塞，工作时，先关井提高井底压力，压力上升到能满足举升要求时再电动开井，井底的柱塞在油气井内压力的作用下在油管内不断上升，直至升至井口防喷管。油气井的开井和关井形成一个柱塞气举的工作周期，循环重复这一周期性动作就可以把井底积液、石油、天然气不断采出。

但是由于技术瓶颈，柱塞气举一直未能在柱塞参数的获取和柱塞运行制度的建立上有本质的进展。每口井的工况不一样，导致柱塞运行制度的建立往往需要大量的人工分析，并进行不间断的制度参数调整，才能到达较为理想的产出效果。这种方法不仅繁琐、滞后，而且往往不能达到最佳的排采效果，进而影响油气田的产量。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种智能柱塞系统。

本发明提供了一种智能柱塞系统，该智能柱塞系统包括：

防喷管主体、防爆控制器、智能柱塞器，其中，

所述智能柱塞器内置于所述防喷管主体且在所述防喷管主体内运行；

所述防爆控制器设置于所述防喷管主体的外侧壁。

在本发明的一个实施例中，所述防喷管主体包括防喷帽、缓冲弹簧、限位块、生产横管、井口连接法兰，其中，

所述防喷帽设置于所述防喷管主体顶端；

所述限位块内置于所述防喷管主体靠近顶端的位置；

所述缓冲弹簧两端分别与所述防喷帽、所述限位块连接；

所述生产横管设置于所述防喷管主体外侧壁；

所述井口连接法兰设置于所述防喷管主体底端。

在本发明的一个实施例中，所述防喷管主体还包括第一通讯线圈，其中，

所述第一通讯线圈嵌入所述防喷管主体外侧壁，且所述第一通讯线圈与所述防爆控制器连接。

在本发明的一个实施例中，所述智能柱塞器包括柱塞打捞颈、电路板、导压口、位移传感器、温度传感器、压力传感器、霍尔传感器，其中，

所述柱塞打捞颈设置于所述智能柱塞器顶端；

所述电路板、所述导压口、所述位移传感器、所述温度传感器、所述压力传感器、所述霍尔传感器均内置于所述智能柱塞器；

所述电路板与所述位移传感器、所述温度传感器、所述压力传感器、所述霍尔传感器连接；

所述导压口靠近所述智能柱塞器的内侧壁上；

所述压力传感器靠近所述导压口；

所述位移传感器、所述温度传感器靠近所述智能柱塞器下方且在所述霍尔传感器上方；

所述霍尔传感器靠近智能柱塞器底端。

在本发明的一个实施例中，所述导压口包括第一导压口和第一导压口，所述压力传感器包括第一压力传感器和第二压力传感器，其中，

所述第一导压口靠近所述智能柱塞器上方的内侧壁上，所述第二导压口对称靠近所述智能柱塞器下方的内侧壁上；

所述第一压力传感器靠近所述第一导压口，所述第二压力传感器靠近所述第二导压口。

在本发明的一个实施例中，所述智能柱塞器还包括充电电池、第二通讯线圈，其中，

所述充电电池内置于所述智能柱塞器，所述充电电池与所述电路板连接；

所述第二通讯线圈内置于所述智能柱塞器，所述第二通讯线圈与所述充电电池连接。

在本发明的一个实施例中，应用于近距离无线通讯，近距离无线通讯的距离范围为0～100mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过防爆控制器与智能柱塞器共同实现智能柱塞器在防喷管主体内的自动柱塞运行制度，解决了传统柱塞先在地面进行人工分析、再进行柱塞运行制度建立过程繁琐的问题，自动柱塞运行制度根据各井的实际情况进行参数调整，从而达到每口井的最佳排采，提高油气田的产量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种智能柱塞系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种智能柱塞系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种智能柱塞系统中通讯线圈之间线圈耦合原理示意图；

图4为本发明实施例提供的一种智能柱塞系统中防爆控制器的自适应模糊控制算法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种智能柱塞系统中防爆控制器的时间优化算法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种智能柱塞系统中防爆控制器的压力优化算法的流程示意图。

附图标记说明：

10-防喷管主体，20-智能柱塞器，30-防爆控制器，101-防喷帽，102-缓冲弹簧，103-限位块，104-生产横管，105-井口连接法兰，106-第一通讯线圈，201-柱塞打捞颈，202-电路板，203-导压口，204-位移传感器，205-温度传感器，206-压力传感器，207-霍尔传感器，208-充电电池，209-第二通讯线圈，2031-第一导压口，2032-第二导压口，2061-第一压力传感器，2062-第二压力传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例一

请参见图1、图2，图1为本发明实施例提供的一种智能柱塞系统的结构示意图，图2为本发明实施例提供的另一种智能柱塞系统的结构示意图。本实施例提供了一种智能柱塞系统，该智能柱塞系统包括：

防喷管主体10、防爆控制器30、智能柱塞器20，智能柱塞器20内置于防喷管主体10且在防喷管主体10内运行，防爆控制器30安装于防喷管主体10的外侧壁。

具体而言，传统柱塞制度的建立，往往需要大量的人工分析，柱塞想要获取井下参数，需要在柱塞上安装传感器，设计驱动电路及供电电源，并无线传输数据，但由于柱塞运行环境特殊、复杂，现有的通讯模块和技术不能满足柱塞和地面的信号传递，最终导致排采效果差，影响油气田的产量。基于上述存在的问题，本实施例通过在防喷管主体10上安装防爆控制器30，防爆控制器30与智能柱塞器20共同实现智能柱塞器20在防喷管主体10内的自动柱塞运行制度，而不需要在地面进行人工分析后，再进行柱塞运行制度的建立的繁琐过程。

由于在控制智能柱塞器20过程中，防爆控制器30检测环境磁场的不同，并根据磁场变化量是否达到预设阈值来检测智能柱塞器20到达井口防喷管的情况。因此，优选地，本实施例防喷管主体10为透磁材料，方便防爆控制器30进行磁场的检测，从而精确判断智能柱塞器20到达井口防喷管的时间，优选地，透磁材料为具有透磁特性的高分子聚合物，更优选地，高分子聚合物包括聚醚醚酮、聚醚酰亚胺，智能柱塞器20到达前后磁场变化量的预设阈值为15000。

本发明通过防爆控制器30与智能柱塞器20共同实现智能柱塞器在防喷管主体10内的自动柱塞运行制度，解决了传统柱塞先在地面进行人工分析、再进行柱塞运行制度建立过程繁琐的问题，自动柱塞运行制度根据各井的实际情况进行参数调整，从而达到每口井的最佳排采，提高油气田的产量。

进一步地，本实施例防喷管主体10包括防喷帽101、缓冲弹簧102、限位块103、生产横管104、井口连接法兰105。

具体而言，请再参见图2，本实施例防喷帽101设置于防喷管主体10顶端，限位块103内置于防喷管主体10靠近顶端的位置，缓冲弹簧102两端分别与防喷帽101、限位块103连接，防喷帽101、缓冲弹簧102、限位块103共同组合为缓冲装置，用于缓冲智能柱塞器20上升过快的情况，生产横管104设置于防喷管主体10外侧壁，生产横管104有两个流通通道，按图1或图2箭头指向最终汇集到一起排到后续生产管线中，井口连接法兰105设置于防喷管主体10底端。

进一步地，本实施例防喷管主体10还包括第一通讯线圈106。

具体而言，请再参见图2，本实施例第一通讯线圈106嵌入防喷管主体10外侧壁，使得第一通讯线圈106与防爆控制器30可以通过防爆接头连接，第一通讯线圈106外部设计了防护外壳。其中，防爆控制器30通过第一通讯线圈106检测环境磁场，进而判断智能柱塞器20是否到达井口防喷管。

进一步地，本实施例智能柱塞器20包括柱塞打捞颈201、电路板202、导压口203、位移传感器204、温度传感器205、压力传感器206、霍尔传感器207。

具体而言，请再参见图2，本实施例中柱塞打捞颈201设置于智能柱塞器20的顶端，用于智能柱塞器20的打捞，由于在特殊情况下，比如水淹，导致智能柱塞器20在井内无法正常工作，需要打捞而设计；

导压口203设置于靠近智能柱塞器20的内侧壁上，包括第一导压口2031和第二导压口2032，压力传感器206内置于智能柱塞器20，包括第一压力传感器2061和第二压力传感器2062，第一导压口2031设置于靠近智能柱塞器20上方的内侧壁上，第二导压口2032对称设置于靠近智能柱塞器20下方的内侧壁上，第一压力传感器2061设置于靠近第一导压口2031的位置，第二压力传感器2062设置于靠近第二导压口2032的位置，第一压力传感器2061用于通过第一导压口2031采集智能柱塞器20在第一导压口2031的压力，第二压力传感器2062用于通过第二导压口2032采集智能柱塞器20在第二导压口2032的压力；

位移传感器204、温度传感器205内置于智能柱塞器20，具体设置于智能柱塞器20内部靠下的位置且在霍尔传感器207上方，位移传感器204用于采集智能柱塞器20在井内的位置，通过位移传感器204采集的位置信息、第一压力传感器2061与第二压力传感器2062采集的压力信息共同确定井内积液高度，温度传感器205用于采集井内温度，通过温度传感器205采集的温度信息来确定智能柱塞器20进入积液的时间点；

霍尔传感器207内置于智能柱塞器20，具体设置于靠近智能柱塞器20内部最下端(底端)的位置，当智能柱塞器20到达井口或井底的卡定位置时，通过检测霍尔传感器207的采样值变化，即可以检测智能柱塞器20已到达井口或已经到达井底。

需要说明的是，本实施例还通过智能柱塞器20内电路板202上集成的时钟芯片实时进行时钟信号采集，从而结合位移传感器204采集的位置信息计算智能柱塞器20在井内的上升速度。

电路板202内置于智能柱塞器20，电路板202与位移传感器204、温度传感器205、压力传感器206、霍尔传感器207电连接，位移传感器204、温度传感器205、压力传感器206、霍尔传感器207采集井内温度、压力、液位等信息，通过电路板202上集成的处理芯片对采集的温度、压力、液位等信息进行分析、运算处理，并将该运算处理结果通过无线通讯方式传输于防爆控制器30，从而实现智能柱塞器20与防爆控制器30共同控制智能柱塞20，建立自动柱塞运行制度(气举开关制度)，有效的控制油气井的产气量和产液量。

本实施例智能柱塞器20采集井内各种参数，并分析智能柱塞器20的运行情况，解决了依靠地面进行智能柱塞器20在井内运行情况推算存在不确定因素的问题，同时解决了传统地面控制器对井内数据进行采集、分析带来的滞后，不能有效指导柱塞运行制度建立的问题，本实施例通过无线通讯传输方式，将智能柱塞器20采集、分析、计算得到的数据传输至防爆控制器30，进而防爆控制器30与智能柱塞器20共同实现自动柱塞运行制度，无需人工操作。

进一步地，本实施例智能柱塞器20还包括充电电池208、第二通讯线圈209。

具体而言，传统的柱塞内部通过传统电池供电，导致柱塞不能长期工作，无法真正实现柱塞技术的自动化和智能化，不能大范围推广，因此，请再参见图2，本实施例智能柱塞器20内置了充电电池208，以及第二通讯线圈209，其中，充电电池208与电路板202连接，第二通讯线圈209与充电电池208连接，充电电池208给智能柱塞器20中的电路板202供电，同时，在充电电池208电量不足时，通过第二通讯线圈209通过线圈耦合方式，对充电电池208进行无线充电，实现了智能柱塞器20在井内长期工作，更有利于实现柱塞技术的自动化和智能化，使其可以大范围推广。

本实施例通过线圈耦合方式，实现对智能柱塞器20进行无线充电，从而解决了传统电池容量有限，智能柱塞器20不能长期工作的问题。

进一步地，本实施例防爆控制器30内置具有智能控制算法的处理器。

具体而言，本实施例智能控制算法包括自适应模糊控制算法、时间优化算法、压力优化算法，具体地：

请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种智能柱塞系统中防爆控制器的自适应模糊控制算法的流程示意图，图3中ke、kδe、kδ²e为分级数尺度变换因子，d为延迟拍数，ku为输出尺度变换因子，可见，本实施例防爆控制器30内置的自适应模糊控制算法主要是通过对温度、压力、液位等实测数据进行自学习，并实时自调整输出，使得产气量和产液量达到最佳。

请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种智能柱塞系统中防爆控制器的时间优化算法的流程示意图，图4中p为油压，ph/pl为高/低压力阈值，t为时间计数，tw为危险上升时间，tk为过快上升时间，tmax为最大开井时间，t范围为时间调整范围，t正常为正常上升时间，t关为关井时间，可见，本实施例防爆控制器30内置的时间优化算法主要是通过对智能柱塞器20到达井口防喷管时间参数的采集，来判断智能柱塞器20的上升速度是否过快、或者过慢，并实时进行自调整，以达到最佳的产气量和产液量效果。

请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种智能柱塞系统中防爆控制器的压力优化算法的流程示意图，图5中p为油压，ph/pl为高/低压力阈值，p套为套管压力值，t为时间计数，tw为危险上升时间，tk为过快上升时间，tmax为最大开井时间，t范围为时间调整范围，t正常为正常上升时间，t关为关井时间，t未到为智能柱塞器20未到关井时间，可见，本实施例防爆控制器30内置的压力优化算法主要是通过对油管、套管压力参数的采集，判断智能柱塞器20的上升速度是否过快、或者过慢，并实时进行调整，以达到最佳的产气量和产液量效果。

防爆控制器30还通过井场数字化系统将数据传输到远程客户端供查看，其中，井场数字化系统优选型号为zqp-200，其接口为标准rs485接口，采用标准modbus协议，但不局限于该型号的井场数字化系统。

本实施例防爆控制器30内置的智能控制算法，对柱塞运行制度及参数进行自学习、自调整，解决了不同井内情况、不同时期需要人工多次调整参数的问题，实现了自动化、智能化，有利于大范围地推广。

进一步地，本实施例智能柱塞系统应用于近距离无线通讯。

具体而言，本实施例近距离无线通讯技术包括近距离无线通讯技术、近距离无线充电技术，近距离无线通讯技术包括智能柱塞器20内的无线通讯模块和防喷管主体10内的无线通讯模块，近距离无线充电技术包括智能柱塞器20内的无线能量接收模块和防喷管主体10内的无线能量发射模块，防喷管主体10内的无线通讯模块、无线能量接收模块通过第一通讯线圈106实现，智能柱塞器20内的无线通讯模块、无线能量接收模块通过第二通讯线圈209实现，且第一通讯线圈106与第二通讯线圈209通过线圈耦合的方式实现短距离的双向通讯，请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种智能柱塞系统中通讯线圈之间线圈耦合原理示意图，图6中，n1、n2分别为第一通讯线圈106和第二通讯线圈209的线圈匝数，r1、r2分别为第一通讯线圈106和第二通讯线圈209的半径大小，r表示第一通讯线圈106和第二通讯线圈209之间的距离，即本实施例近距离无线通讯的距离，可见，本实施例无线通讯中，第一通讯线圈106和第二通讯线圈209之间通过线圈耦合方式进行信号和能量的传输，防喷管主体10内的无线通讯模块与智能柱塞器20内的无线通讯模块使得防爆控制器30(第一数据端)与智能柱塞器20(第二数据端)之间进行无线通讯，防爆控制器30还根据智能柱塞器20发送于其的数据，分析智能柱塞器20是否需要充电，当电量低于设定阈值，防爆控制器30防喷管主体10内的无线能量发射模块向智能柱塞器20发送能量传递，智能柱塞器20的无线能量接收模块开始对充电电池208进行充电，直到充满为止，优选地预设电量阈值为40％。

优选地，近距离无线通讯的距离范围为0～100mm，特别是80mm。

本实施例提供的智能柱塞工作原理如下：

防爆控制器30完成智能柱塞器20是否到达井口防喷管的检测，检测原理为智能柱塞器20到达前后，防爆控制器30检测到环境磁场不同；

防爆控制器30检测智能柱塞器20到达井口防喷管后，通过无线通讯方式向智能柱塞器20发送握手信号，智能柱塞器20接收到握手信号后返回应答，二者之间的通讯链路接通，此时，防爆控制器30向智能柱塞器20发送需要测试数据的命令，直到智能柱塞器20将该需要的测试数据返回发送完成，防爆控制器30数据接收完毕，并根据防爆控制器30内置的智能控制算法进行数据分析，给出新的控制参数，并将新的控制参数下发给智能柱塞器20；同时防爆控制器30根据接收到的数据分析智能柱塞器20是否需要充电，当电量低于设定阈值，防爆控制器30向智能柱塞器20发送能量传递，直到智能柱塞器20中充电电池208充满为止；

智能柱塞器20接收新的控制参数，根据新的控制参数实现在防喷管主体10内上下运行，重复这样的操作直至完成产气和产液。

综上所述，本实施例通过智能柱塞器20采集井内各种参数，并分析智能柱塞器20的运行情况，解决了依靠地面进行智能柱塞器20在井内运行情况推算存在不确定因素的问题；本实施例通过无线传输方式进行柱塞数据传输，解决了地面对井内数据采集分析滞后，不能有效指导柱塞运行制度建立的问题；本实施例通过对柱塞进行无线充电，解决了传统柱塞电池容量有限，不能长期工作的问题；本实施例智能柱塞系统中的智能控制算法对柱塞运行制度及参数进行自学习、自调整，解决了传统不同井内情况、不同时期需要人工多次调整参数的问题。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。

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。由此，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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。