CN102168552B - 用于油井液位测量的自动气枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于油井液位测量的气枪。包括先导放气电磁阀、阀盖、阀体、安装在阀体内的主阀组合、调节弹簧、充放气电磁阀和井口连接器；阀体一侧安装有阀盖，阀盖上装有先导放气电磁阀，与先导放气电磁阀相对的阀体另一侧装有井口连接器，井口连接器内的阀体侧面装有麦克风，阀体上还安装有压力传感器、压力表、微音传感器、手动卸压阀和充放气电磁阀。主阀杆采用台阶式的设计，使井内气体和储气室的气体都可成为阀杆移动的推动气源，将内爆和外爆的方式集合在一起；将两个气源与控制腔用阻尼孔连接，给控制腔充气，以便主阀杆气复位，当给于先导放气电磁阀PMW信号时，可实现连续发射；解决了现有内外爆气枪的结构复杂、难拆装的缺陷。

Description

用于油井液位测量的自动气枪

技术领域

本发明涉及在油井开发过程中一种用于油井液位测量的自动气枪。

背景技术

众所周知，油井液位的确定对油井的勘测和测量有重要的意义，它可以成为确定油井产量、渗透率等参数的辅助参数  。

回声测距在油井测量中已经广泛应用，通过在井口产生一个声音脉冲，发出的脉冲经油管与套管之间的环隙向井下传播，通过测量接箍回波和液面回波的时间即可得到声波速度和液面深度 ，传统产生声音脉冲的方式有声弹等，因为安全与环保等诸多因素，现在气枪取代声弹已经成为一个趋势。

用于油井液位测量的气枪产生声音脉冲的气源有两种：一种是油井内部自身气源；另外一种为自带的高压气瓶为外部气源；根据两种不同气源从而产生两种工作模式：外爆模式——气枪利用外部气源产生声音脉冲；内爆模式——气枪利用内部气源产生声音脉冲。

目前国内用于油井液位测量的气枪多是内爆式气枪或者外爆式气枪，这种单一的模式使得气枪具有压力适用范围，不能随着环境的变化而自适应；而集内外爆为一体的气枪一般也为手动气枪，而且不能根据内部起源压力的变化来进行内爆和外爆之间的转化并继续检测，这样意味着无法实现自动控制，无法连续自动产生脉冲。而已有的内外爆为一体的自动气枪一般分为内爆装置和外爆装置，用两个先导放气电磁阀分别来控制两个三通气阀，来产生声音脉冲，结构比较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于油井液位测量的自动气枪，将内爆模式和外爆模式集合在一起，并且能自动的根据井内气体压力的变化情况，由计算机来控制是否使用外部气源，不需要人工操作，提高了油井监测自动化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明包括先导放气电磁阀、阀盖、阀体、安装在阀体内的主阀组合、调节弹簧、充放气电磁阀和井口连接器；阀体一侧安装有阀盖，阀盖上装有先导放气电磁阀，与先导放气电磁阀相对的阀体另一侧装有井口连接器，井口连接器内的阀体侧面装有麦克风，阀体上还安装有压力传感器、压力表、微音传感器、手动卸压阀和充放气电磁阀。

所述的主阀组合包括连接体、主阀杆、球阀芯、通气管道、第一限流螺钉和第二限流螺钉；连接体的一端与阀盖连接，连接体靠近阀盖侧的圆柱面开有与第一限流螺钉连接的径向螺纹孔，通气管道的一端装在阀体内腔开的偏心轴向孔内，通气管道的另一端装在连接体的偏心轴向孔中，与连接体连接的通气管道的孔中装有第二限流螺钉；连接体开有主阀杆的中心导向阶梯通孔，连接体的阶梯孔与主阀杆的阶梯面构成轴向滑动配合，主阀杆的一端通过连接体安装在阀盖的一端的轴向中心孔中，主阀杆的另一端与球阀芯的一端卡紧，球阀芯的另一端安装在阀体内腔开的轴向阀座孔中，调节弹簧置于阀盖与主阀杆台阶面之间。

气枪气动回路构成为：连接体、阀盖、第一限流螺钉和第二限流螺钉连接部分构成控制腔；阀体、阀盖、连接体连接部分构成储气室；阀盖上开了由先导放气电磁阀控制通断的控制腔放气通道，阀体上开了由充放气电磁阀控制通断的储气室的充放气通道；阀体上开有气道连接井内气源与储气室，该气道的通断由主阀杆的轴向位置来决定；井内气源通过阀体上的气道、通气管道和第二限流螺钉与控制腔连接；储气室通过第一限流螺钉与控制腔连接。

所述的气枪气动回路的气路为：主阀杆控制井内气源与储气室的通断，主阀杆的一端同时受井内气源和储气室的气压力，其另一端受控制腔的气压力及调节弹簧的弹簧力，井内气源通过第一阻尼通道进入控制腔，储气室气体通过第二阻尼通道进入控制腔，控制腔与大气连通的控制腔放气通道由先导放气电磁阀控制通道，储气室的充放气通道有充放气电磁阀控制通断。

所述的主阀杆是根据插装阀及差压面积的原理设计的主阀杆，主阀杆为四级阶梯式结构。 

所述的两个限流螺钉均开有阶梯阻尼通孔。

所述的球阀芯采用杜邦材料，而阀体采用不锈钢材料，阀芯密封采用球面密封，因为阀芯、阀座的材料硬度不同，因而阀芯在受力下产生形变从而形成环面密封，密封性能好。

本发明具有的有益效果是：  

1）结构紧凑、易拆装；

2）采用先导阀控腔的方法，减小主阀的直径；

3）主阀杆采用台阶式的设计，使得油井内部气源和储气室的气体都可成为阀杆移动的推动气源，巧妙将内爆和外爆的方式集合在一起；

4）将高压气源（油井内部气源或储气室气源）与控制腔用阻尼孔连接，即在主阀杆打开时给控制腔提供了背压从而起到了缓冲减少其振动，又可以慢慢给控制腔充气，以便主阀杆气复位，当给于先导放气电磁阀PMW信号时，可实现连续发射；

5）储气室开在阀体内腔，与内部气源之间气道连接简单，有利于声音脉冲的声音特性；

6）球阀芯和阀体阀座采用球面密封，利用球阀芯的微小弹性形变来密封，形成面密封，同时有高压气的背压作用，因而密封性能好。该内外爆自动气枪解决了现有内外爆气枪的结构复杂、难拆装的缺陷。

附图说明

图1是根据本发明制成的内外爆气枪的局部剖视图。

图2是内外爆气枪剖面图。

图3是图2中A-A的剖视图。

图4是图2中B部分的局部放大图。

图5是主阀杆的受力结构简图。

图6是阀芯和阀座的截面图。

图7是内外爆气动阀的气动回路图。

图中：1、控制腔放气通道；2、第二阻尼通道；3、第一阻尼通道；4、控制腔；5、储气室；6、井内气源；7、先导放气电磁阀；8、阀盖；9、阀体；10、连接体；11、第一限流螺钉；12、第二限流螺钉；13、主阀杆；14、充放气电磁阀；15、球阀芯；16、充放气通道；17、井口连接器；18、麦克风；19、压力传感器；20、压力表；21、微音传感器；22、手动卸压阀；23、阀芯球面；24、阀座锥面；25、调节弹簧；26、通气管道。

具体实施方式

本发明依照插装阀及差压面积法的原理，将普通气枪的主阀杆采用四级台阶式的设计，在其气源受力端引入两道气源压力，从而使得其一端既受内部气源的气体压力，也受外部气源的气体压力，从而使得不管是内部气源为高压气源还是外部气源为高压气源，都有高压气源作为主阀杆的推动气源，而主阀杆的另一端通过阻尼通道引入高压气体，并采用差压面积法，使得主阀杆控制腔端的受力面积比气源端的受力面积大，因而主阀杆控制腔的总受力大于非控制端的受力，从而使得在非工作状态下球阀芯是紧紧贴在阀体锥阀座上，从而实现很好的密封，由于阻尼通道的引入使得，主阀杆在工作后能够自动实现气复位；本发明中的自动气枪采用先导阀控腔的原理，来控制球阀芯的开闭，来实现声音脉冲的产生。工作时给先导放气电磁阀充电，先导放气电磁阀打开，从而控制腔连通打气，因而控制腔迅速放气，主阀杆控制腔端的受力迅速变小，因而主阀杆失去受力平衡，从而主阀杆被推动气源迅速推开，由于井内气源和储气室气压之间存在的压力差，高压气能迅速释放，从而产生一个声音脉冲，安装在阀体上的麦克风将压力波转换成电信号，通过微音传感器输送到计算机进行分析，从而得出油井的液面深度。此处限流螺钉的应用使得将高压气源引入到控制腔，使得完成一次声音脉冲后能通过阻尼螺钉给控制腔充气，主阀杆通过气复位，并通过调节弹簧，可以调节内外爆模式的切换压力。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明包括先导放气电磁阀7、阀盖8、阀体9、安装在阀体9内的主阀组合、调节弹簧25、充放气电磁阀14和用于将自动气枪连接在油井井口的井口连接器17；阀体9一侧安装有阀盖8，阀盖8上装有先导放气电磁阀7，与先导放气电磁阀7相对的阀体9另一侧装有井口连接器17，井口连接器17内的阀体侧面装有麦克风18，阀体9上还安装有压力传感器19、压力表20、微音传感器21、手动卸压阀22和充放气电磁阀14。

如图2、图3所示，所述的主阀组合包括连接体10、主阀杆13、球阀芯15、通气管道26、第一限流螺钉11和第二限流螺钉12；连接体10的一端通过螺钉与阀盖连接，连接体10靠近阀盖侧的圆柱面开有与第一限流螺钉11连接的径向螺纹孔，通气管道26的一端装在阀体9内腔开的偏心轴向孔内，通气管道26的另一端装在连接体10的偏心轴向孔中，与连接体10连接的通气管道26的孔中装有第二限流螺钉12；连接体10开有主阀杆13的中心导向阶梯通孔，连接体10的阶梯孔与主阀杆13的阶梯面构成轴向滑动配合，主阀杆13的一端通过连接体10安装在阀盖8的一端的轴向中心孔中，主阀杆13的另一端与球阀芯15的一端卡紧，球阀芯15的另一端安装在阀体9内腔开的轴向阀座孔中，调节弹簧25置于阀盖8与主阀杆13台阶面之间，调节弹簧25具有一定的预压缩量。

气枪气动回路构成为：井口连接器17将气枪连接在油井出口，连接体10、阀盖8、第一限流螺钉11和第二限流螺钉12连接部分构成控制腔4；阀体9、阀盖8、连接体10连接部分构成储气室5；阀盖8上开了由先导放气电磁阀7控制通断的控制腔放气通道1，控制腔放气通道1出口连通大气；阀体9上开了由充放气电磁阀14控制通断的储气室5的充放气通道16，充放气通道16外围接口既可连通大气，也可连接高压气瓶；阀体9上开有气道连接井内气源6与储气室5，该气道的通断由主阀杆13的轴向位置来决定；井内气源6通过阀体9上的气道、通气管道26和第二限流螺钉12与控制腔4连接，第二限流螺钉12内开有第二阻尼通道2；储气室5通过第一限流螺钉11与控制腔4连接，第一限流螺钉11内开有第一阻尼通道3；井内气源6通过阀体9上的气道分别与压力传感器19和手动卸压阀22连接，储气室5通过阀体9上的气道与压力表20连接，压力传感器19用以检测井内气源6压力、压力表20用以检测储气室5压力，手动卸压阀22用于卸载油井内部的高压气体。

如图7所示，所述的气枪气动回路的气路为：主阀杆13控制井内气源6与储气室5的通断，主阀杆13的一端同时受井内气源6和储气室5的气压力，其另一端受控制腔4的气压力及调节弹簧25的弹簧力，井内气源6通过开在第一限流螺钉11上的第一阻尼通道3进入控制腔4，储气室5气体通过开在第二限流螺钉12上的第二阻尼通道2进入控制腔4，控制腔4与大气连通的控制腔放气通道1由先导放气电磁阀7控制通断，储气室5与外部连通的充放气通道16由充放气电磁阀14控制通断，由上可知，控制腔4、储气室5、内部气源6之间通过第一限流螺钉11、第二限流螺钉13连通的。

所述的主阀杆13是根据插装阀及差压面积的原理设计的主阀杆，主阀杆13为四级阶梯式结构，主阀杆的受力图及受力面积如图5所示，P3表示控制腔的气压力，P2表示储气室的气压力，P1表示井内气源的气压力，而使得其一端既受内部气源的气压力，也受外部气源的气压力，从而使得不管是内部气源为高压气源还是外部气源为高压气源，都有高压气源作为主阀杆的推动气源，在初始状态下，控制腔4、储气室5、内部气源6三者的气压力近似相等，由于阀杆的差压面积法，阀杆的控制腔受气压力更大些，此时，主阀杆13的受力如图5所示，P1、P2、P3气压力近似相等，而P1及P2端的受力比P3端大，从而使得主阀杆13上嵌着的球阀芯15紧紧贴在阀座锥面上，因而初始状态下，球阀芯15由于气压力关闭。

如图6所示，球阀芯15与阀座密封采用球面阀芯23，阀座锥面24来密封，并且球阀芯15采用比不锈钢制阀座硬度稍软的杜邦材料，从而利用其阀芯的微变来实现环面密封，锥面角采用20°，既可以获得很好的密封特性，又可以获得很好的流量特性。

本发明的工作原理如下：

当安装在阀体9上的压力传感器19检测到井内气源6气体压力大于0.3Mpa时，则采用内爆工作模式，在初始状态下，控制腔4、储气室5、内部气源6三者的气压力近似相等，由于阀杆的差压面积法，阀杆的控制腔受气压力更大些，此时，主阀杆13的受力如图5所示，P1、P2、P3气压力近似相等，而P1及P2端的受力比P3端大，从而使得主阀杆13上嵌着的球阀芯15紧紧贴在阀座锥面上，因而初始状态下，球阀芯15由于气压力关闭。让控制器给充放气电磁阀14通电，从而充放气通道16打开连接大气，将储气室5放气；如图4所示，用控制器给先导放气电磁阀7通电，先导放气电磁阀7打开，从而连接控制腔4的控制腔放气通道1通向大气，控制腔4迅速放气，因而控制腔气体压力迅速降低，因而主阀杆13的P3端的气压力迅速减少，因而主阀杆13的P1、P2端的气压力克服弹簧力将球阀芯15迅速打开，因而井内气源6与储气室5连通，因为井内气源6与储气室5气体之间存在压力差，从而井内高压气体迅速释放到储气室中产生声音脉冲，安装在阀体9上的麦克风18将压力波转变成电信号，经微音传感器21传给远程测试仪分析，从而完成一次声音脉冲，然后通过控制器给先导放气电磁阀7断电，从而控制腔4放气停止，井内气源6通过第一限流螺钉12的第二阻尼通道2往控制腔4充气，控制腔4里的气压力慢慢升高，因而主阀杆13的P3端气压力慢慢增大，到一定值后，根据上述说的主阀杆13的差压面积法，主阀杆13的P3端气压力可以克服P1、P2端的气压力，因而主阀杆13慢慢复位，最终控制腔4的高压力使得主阀杆13完全复位，并使球阀芯15紧紧贴在阀体9锥阀座上，等待下一次工作，通过控制器给先导电磁阀PWM信号可以实现声音脉冲的连续发射。

当压力传感器19检测到井内气源6气体压力小于0.3Mpa时，则选择外爆模式，在初始状态下，控制腔4、储气室5、内部气源6三者的气压力近似相等，由于阀杆的差压面积法，阀杆的控制腔受气压力更大些，此时，主阀杆13的受力如图5所示，P1、P2、P3气压力近似相等，而P1及P2端的受力比P3端大，从而使得主阀杆13上嵌着的球阀芯15紧紧贴在阀座锥面上，因而初始状态下，球阀芯15由于气压力关闭。让充放气电通道16接口通外部高压气瓶，同时通过控制充放气电磁阀14给储气室5充气，当储气室5内充至其压力值高于预定值则给充放气电磁阀14断电让其停止向储气室5中充气，在此状态下，控制腔4、储气室5两者者的气压力近似相等，由于阀杆的差压面积法，阀杆的控制腔受气压力更大些，此时，主阀杆13的受力如图5所示，P2、P3气压力近似相等，而P1的气压力比P2小，而P3及P2端的受力比P1端大，从而使得主阀杆13上嵌着的球阀芯15依然紧紧贴在阀座锥面上，因而球阀芯15由于气压力关闭。然后通过控制器给先导放气电磁阀7通电，先导放气电磁阀7打开，控制腔放气通道1通向大气，控制腔4迅速放气，因而控制腔气体压力迅速降低，因而主阀杆13的P3端的气压力迅速减少，因而主阀杆13的P1、P2端的气压力克服弹簧力将球阀芯15迅速打开，因而井内气源6与储气室5连通，因为井内气源6与储气室5气体之间存在压力差，因而储气室5中高压气体迅速释放到井内，从而产生声音脉冲，并通过连接在阀体9上的麦克风装置18将压力波转变成电信号，经微音传感器21传给远程测试仪分析，从而完成一次声音脉冲，然后通过控制器给先导放气电磁阀7断电，从而控制腔4放气停止，高压气体通过限流螺钉11的阻尼通道3往控制腔4充气，因而主阀杆13的P3端气压力慢慢增大，到一定值后，根据上述说的主阀杆13的差压面积法，主阀杆13的P3端气压力可以克服P1、P2端的气压力，因而主阀杆13慢慢复位，最终控制腔4的高压力使得主阀杆13完全复位，并使球阀芯15紧紧贴在阀体9锥阀座上，通过控制器给先导电磁阀PWM信号可以实现声音脉冲的连续发射。

尽管已根据具体的实例对本发明进行了详细的介绍，在本发明的下述权利要求所限定的范畴内仍存在多种变化和修改。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于油井液位测量的气枪，其特征在于：包括先导放气电磁阀（7）、阀盖（8）、阀体（9）、安装在阀体（9）内的主阀组合、调节弹簧（25）、充放气电磁阀（14）和井口连接器（17）；阀体（9）一侧安装有阀盖（8），阀盖（8）上装有先导放气电磁阀（7），与先导放气电磁阀（7）相对的阀体（9）另一侧装有井口连接器（17），井口连接器（17）内的阀体侧面装有麦克风（18），阀体（9）上还安装有压力传感器（19）、压力表（20）、微音传感器（21）、手动卸压阀（22）和充放气电磁阀（14）；

所述的主阀组合包括连接体（10）、主阀杆（13）、球阀芯（15）、通气管道（26）、第一限流螺钉（11）和第二限流螺钉（12）；连接体（10）的一端与阀盖连接，连接体（10）靠近阀盖侧的圆柱面开有与第一限流螺钉（11）连接的径向螺纹孔，通气管道（26）的一端装在阀体（9）内腔开的偏心轴向孔内，通气管道（26）的另一端装在连接体（10）的偏心轴向孔中，与连接体（10）连接的通气管道（26）的孔中装有第二限流螺钉（12）；连接体（10）开有主阀杆（13）的中心导向阶梯通孔，连接体（10）的阶梯通孔与主阀杆（13）的阶梯面构成轴向滑动配合，主阀杆（13）的一端通过连接体（10）安装在阀盖（8）的一端的轴向中心孔中，主阀杆（13）的另一端与球阀芯（15）的一端卡紧，球阀芯（15）的另一端安装在阀体（9）内腔开的轴向阀座孔中，调节弹簧（25）置于阀盖（8）与主阀杆（13）台阶面之间；

气枪气动回路构成为：连接体（10）、阀盖（8）、第一限流螺钉（11）和第二限流螺钉（12）连接部分构成控制腔（4）；阀体（9）、阀盖（8）、连接体（10）连接部分构成储气室（5）；阀盖（8）上开了由先导放气电磁阀（7）控制通断的控制腔放气通道（1），阀体（9）上开了由充放气电磁阀（14）控制通断的储气室（5）的充放气通道（16）；阀体（9）上开有气道连接井内气源（6）与储气室（5），该气道的通断由主阀杆（13）的轴向位置来决定；井内气源（6）通过阀体（9）上的气道、通气管道（26）和第二限流螺钉（12）与控制腔（4）连接；储气室（5）通过第一限流螺钉（11）与控制腔（4）连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于油井液位测量的气枪，其特征在于：所述的气枪气动回路的气路为：主阀杆（13）控制井内气源（6）与储气室（5）的通断，主阀杆（13）的一端同时受井内气源（6）和储气室（5）的气压力，其另一端受控制腔（4）的气压力及调节弹簧（25）的弹簧力，井内气源（6）通过第一阻尼通道（3）进入控制腔（4），储气室（5）气体通过第二阻尼通道（2）进入控制腔（4），控制腔（4）与大气连通的控制腔放气通道（1）由先导放气电磁阀（7）控制通道，储气室（5）的充放气通道（16）有充放气电磁阀（14）控制通断。

3.根据权利要求1所述的一种用于油井液位测量的气枪，其特征在于：所述的主阀杆（13）是根据插装阀及差压面积的原理设计的主阀杆，主阀杆（13）为四级阶梯式结构。

4.根据权利要求1所述的一种用于油井液位测量的气枪，其特征在于：所述的两个限流螺钉均开有阶梯阻尼通孔。

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