CN102518427A - 采气用柱塞井下运行状态跟踪系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱塞井下定位及运行状态跟踪系统及方法，该系统包括地面监测子系统及柱塞监测子系统，柱塞监测子系统接受地面监测子系统的控制，地面监测子系统实时采集油管内传送的声波脉冲信号，进行处理分析后得到柱塞运行参数，用以实时获取柱塞运行状态，所述柱塞监测子系统的两端各有一组所述减震弹簧和所述压帽的组合体。本发明的柱塞井下定位及运行状态跟踪技术克服了传统的基于数学模型的柱塞运行状态预测模式的固有缺点，提供了实时的、更直接的参数采集和测量工具与手段，缩短了柱塞的无效生产时间，提高了系统的运行效率，延长了柱塞举升系统的无故障生产周期，有利于提高气井单井产量，有利于气田的稳产和经济效益的提高。

Description

采气用柱塞井下运行状态跟踪系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及油气田采气技术领域，主要涉及一种为天然气井排液采气作业生产系统提供管理和生产优化依据的井筒生产参数采集与测量系统。

背景技术

随着国民经济对清洁能源的需求不断增加，天然气消耗所占的比例逐年上升，对天然气资源的开发利用重视程度也越来越高。近年来，非常规天然气资源的大规模商业化开发改变了世界天然气市场的格局。随着气田的采出程度提高，许多气井已进入低压、单井产量低的阶段。气井流速过低，不能达到气井的临界携液流量，携液能力差，井底逐步产生积液，井筒压力升高，最终导致井被压死，无法生产。因此，必须采取有效的清除积液工艺以保证气井的长期稳产。

目前现场使用多种排液采气工艺，有杆泵、电潜泵等技术必须消耗外部能量。柱塞气举是一种利用储层本身能量来携液的间歇式举升方法(如附图1所示)。柱塞是一个与油管相匹配的可在油管内自由游动的活塞。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开井，井底的柱塞5依靠气井的压力在油管内上升，一直升至井口防喷管1。管线的开关由电动开关阀3和电子控制器4来控制调节，位于主阀门8上方的是柱塞到达传感器9，当柱塞5经过柱塞到达传感器9时，柱塞到达传感器9向电子控制器4发送信号，电子控制器4打开电动开关阀3，液体从管线三通2排出，天然气从油套环空产出。随着天然气不断采出，井筒压力下降，电动开关阀3重新关井，柱塞5依靠自身重力下落至井底，开始下一个压力恢复过程。井筒底部有底部减震器6，防止柱塞5下落后损坏。气井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和天然气不断采出(如附图1所示)。通过柱塞气举，在气体与采出的液体之间形成一个固定的界面，能有效防止液体的回落，提高举升效率。与其它排液采气工艺相比，柱塞气举完全利用储层能量，系统整体结构简单，成本大约只有有杆泵的1/5-1/4，非常适合气田中后期开采的需要。

目前，对柱塞气举井进行生产管理和优化的技术还不能满足要求。由于开关阀用来控制柱塞的上下行运动，因此开关阀的开闭时间是对气井实施生产控制的主要参数，而对气井生产动态进行有效管理必须依靠大量准确及时的井筒生产参数作为依据。目前，气井流动压力、套压、地面生产管线压力等压力参数都可以通过压力传感器获得，利用现有成熟技术就可以实现，而其它生产参数，比如液面深度、液柱高度、柱塞运行状态的参数(柱塞当前运行的位置、柱塞运行速度及加速度)还没有很好的技术手段进行有效的实时监测和采集，不能实现柱塞气举生产井的真正优化生产。现有的柱塞气举生产管理的依据主要是理论模型，通过模型来预测柱塞到达井底的时间、开始进入动液面的时间等，由于模型本身的缺陷会导致预测值与实际值有很大出入。比如模型预测柱塞落至井底的时间是2.5小时，但实际只需1小时就回到井底，由于长时间不开井生产，导致柱塞上方的液体越积越多，等2.5小时过去开关阀打开柱塞上行时，由于液柱过重而运行速度太慢，甚至没有到达井口时就因为气体压力消耗下降使得柱塞停止运行。在另一种情况中，模型预测的柱塞落至井底的时间又过短，导致柱塞还未进入液柱地面开关阀就已打开，柱塞没有举升任何液体就开始上行，导致系统的无效运行。另外，掌握柱塞运行速度也是很重要的，如果柱塞上行速度过快而且不进行及时发现并控制，可能对井口设备造成损坏。同时还有很多参数理论模型是无法预测的，比如柱塞运行时被卡在油管内，被卡深度无法通过模型求出，需要借助其它手段去判断卡点的实际位置。

对于动液面的确定，虽然现在有井口声波测量技术，但是该技术具有一定的局限性，由于井筒内气相与液相之间并没有明显的界面，有时会存在泡沫段，而这些泡沫也会反射声波，这会使测量结果不准确，测量的动液面比实际的要高，基于错误的动液面参数进行的优化处理会导致错误的开关阀开闭时间。

目前已申请的关于柱塞气举的专利涉及机械结构方面，并没有涉及柱塞运行参数直接测量，而动液面测量技术都是用于抽油机井等其它人工举升井的应用，尚不能在柱塞气举井上直接采用。专利号为CN200971772的实用新型涉及一种用于石油及天然气开采领域中，特别是针对高气液比井的接力式柱塞气举采油气装置。它适用于上大下小两种直径的组合油管的柱塞气举，扩大了柱塞气举工艺的适用范围。它主要由井口部分、井下部分及柱塞三部分组成，其特征是：油管为内径上大下小的组合油管柱，井下部分的缓冲弹簧、油管卡定器安装在下部小油管中；接力式柱塞由大柱塞与小柱塞间通过瓣状弹簧卡爪连接，大柱塞安装在上部大油管内，大柱塞中空并能与小柱塞上的对接接头自动脱、接，小柱塞安装在下部小油管内。小柱塞在小油管内举升，小柱塞与大柱塞对接后在大直径油管内举升，小、大柱塞的脱、接依靠惯性力自动实现，充分利用地层产出气推动柱塞运动来采油或排水采气。专利号为200920033774的专利涉及一种油井动液面双声源自动测量装置，包括有外壳，氮气瓶位于壳体内部的下层，高压胶管一端连接在氮气瓶瓶口上，另一端连接在贮气室前端的泄压阀上，内箱体的左上方设置有电路板，电路板上依次为电源模块、计算存储模块以及声波信号放大模块，可将声波信号转化为电信号传送到电路板计算出声速及液面位置并存储，连续存储的数据可随时供外部计算机读取，既可以利用井场套管伴生气体，又可以利用氮气来自动测量油井动液面，氮气的使用频率降低，井场套管内的伴生气体得到了利用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种采气用柱塞井下运行状态跟踪系统及其工作方法，以改善或克服现有技术存在的一项或多项缺陷。

本发明的技术解决方案包括：一种柱塞井下定位及运行状态跟踪系统，所述柱塞包括柱塞本体和仪器工作筒总成，该系统包括地面监测子系统及安装于所述仪器工作筒总成内的柱塞监测子系统，所述柱塞监测子系统接受所述地面监测子系统的控制，所述地面监测子系统实时采集油管内传送的声波脉冲信号，进行处理分析后得到柱塞运行参数，用以实时获取柱塞运行状态，所述仪器工作筒总成包括打捞头、减震弹簧、压帽、仪器工作筒本体及所述柱塞监测子系统，所述柱塞监测子系统的两端各有一组所述减震弹簧和所述压帽的组合体，用于对柱塞监测子系统进行定位，并起到缓冲减震的作用。

本发明还提出一种柱塞井下定位及运行状态跟踪方法，所述柱塞包括柱塞本体和仪器工作筒总成，所述仪器工作筒总成内安装有柱塞监测子系统，且所述柱塞监测子系统的两端各有一组减震弹簧和压帽的组合体，用于对柱塞监测子系统进行定位，并起到缓冲减震的作用，所述柱塞监测子系统接受地面监测子系统的控制，该方法是利用地面监测子系统对油管内传送的声波脉冲信号进行实时采集和测量，获取柱塞运行参数，以识别柱塞运行状态。

如上所述，本发明提出的采气用柱塞井下定位及运行状态跟踪系统可对柱塞的运行参数进行实时准确的采集和测量。改进后的柱塞与井口装置共同配有声波发射器、接收器、控制器、电源等配套设备。气井生产时，柱塞将油管内的流体介质及/或油管管壁作为声波传输介质，避免了仅用一种介质时带来的较大测量和计算误差。

该系统可采用几种方法对柱塞运行状态进行跟踪，既可以单独使用其中一种方法，也可同时使用几种方法。这些方法包括：

(1)油管接箍脉冲监测法：该方法应用时柱塞监测子系统被关闭，柱塞在油管内运动时与管壁不断接触摩擦，在油管中产生的声波脉冲信号会沿管体传输至地面监测子系统。柱塞每经过油管的接箍位置，声波脉冲信号会发生一次瞬时的波动，地面监测子系统的接收器通过记录波动的数量就可知柱塞经过的油管数量，而油管的长度是已知的，这样就可以知道柱塞在油管内的深度，而由经过两个位置的时间差又可计算出柱塞的运行速度，柱塞在进入液柱前后的声波脉冲信号会有显著不同，地面监测子系统通过识别信号的差异可判断液面的位置。

(2)井下-地面连续监测法：系统在工作时，在系统时钟的控制下由柱塞监测子系统连续发送声波脉冲，声波脉冲由管内气体介质传输至井口，地面监测子系统在接收脉冲信号后通过放大、滤波、采样频率变换等处理，筛选出稳定的波型。这些波型经过数字信号处理器(DSP)和控制器(MCU)的处理、解释和计算，求出柱塞及井筒实时的各项运行参数，包括柱塞在油管内的深度、上下行速度、上下行加速度、落至井底的时间、进入动液面的时间、动液面的位置、液柱的高度等。

当油管内液柱上方存在较长的泡沫段时，采用第二种方法可能会产生误差，较佳是采用第一种方法，即利用油管管体进行信号传输，以保证系统跟踪柱塞运行状态的有效性，为油田管理人员对生产的合理控制与优化提供了重要依据。

本发明的柱塞井下定位及运行状态跟踪技术克服了传统的基于数学模型的柱塞运行状态预测模式的固有缺点，提供了实时的、更直接的参数采集和测量工具与手段，缩短了柱塞的无效生产时间，提高了系统的运行效率，延长了柱塞举升系统的无故障生产周期，有利于提高气井单井产量，有利于气田的稳产和经济效益的提高。

本发明的技术可用于各类气井的排液采气作业，包括低产气井、气藏压力衰竭气井、开采后期的凝析气气井、致密气气井、页岩气气井、煤层气气井等常规和非常规气藏开发井。

附图说明

图1为现有的柱塞排液采气系统的结构示意图。

图2为本发明所采用的配有仪器工作筒的柱塞工具组合示意图。

图3为本发明的仪器工作筒和柱塞监测子系统。

图4为本发明的一具体实施例的柱塞监测子系统的组成示意图。

图5为本发明的一具体实施例的地面监测子系统组成方框图。

图6为本发明的一具体实施例采用的井下-地面连续监测法的工作流程示意图。

图7为本发明的一具体实施例采用的油管接箍脉冲监测法的工作流程示意图。

图8为本发明的一应用实例中采用的油管接箍脉冲监测法及井下-地面连续监测法的工作流程示意图。

主要附图标号说明：

具体实施方式

本发明提出一种柱塞井下定位及运行状态跟踪系统，该系统包括地面监测子系统，所述地面监测子系统实时采集油管内传送的声波脉冲信号，进行处理分析后得到柱塞运行参数，用以实时获取柱塞运行状态。同时，本发明还提出一种柱塞井下定位及运行状态跟踪方法，该方法是对油管内传送的声波脉冲信号进行实时采集和测量，获取柱塞运行参数，以识别柱塞运行状态。

优选地，地面监测子系统包括柱塞运行处理模块、地面显示设备、地面系统电源、地面声波发射器和地面声波接收器；其中，所述柱塞运行处理模块与地面监测子系统的其他各组成部分耦接，控制所述地面声波发射器和地面声波接收器的动作；柱塞运行处理模块将处理后的波形信息传至地面显示设备上，现场操作人员能够根据实时的柱塞运行状态信息向系统发出各种控制干预指令，调整、优化系统的生产参数。而且，还可以根据所测得的柱塞上行状态参数来控制电动开关阀和放气阀的开闭，从而实现对柱塞上行速度的快慢调节。

较佳地，地面监测子系统是对柱塞与油管接箍位置接触而产生的声波脉冲信号进行实时采集和测量，获取柱塞运行参数，以识别柱塞运行状态。进一步地，该系统通过记录柱塞每经过油管的接箍位置时声波脉冲信号发生瞬时波动的次数，由此获知柱塞经过的油管数量；还可以由经过两个位置的时间差得到柱塞在油管内的深度及柱塞的运行速度；而且，根据柱塞在进入液柱前后的声波脉冲信号显著不同，通过识别声波脉冲信号的差异判断液面的位置。

柱塞包括柱塞本体和仪器工作筒总成，在本发明的一具体实施例中，所述系统还包括安装于所述仪器工作筒总成内的柱塞监测子系统，所述柱塞监测子系统接受所述地面监测子系统的控制发送声波脉冲信号，并利用油管内的流体介质作为声波传输介质。

在本发明的一具体实施例中，柱塞监测子系统包括柱塞系统电源、柱塞声波发射器、柱塞声波接收器、输入输出设备、柱塞系统时钟、柱塞控制器和编码模块；所述柱塞控制器与所述柱塞监测子系统的其他模块相耦接；所述输入输出设备包括能够井下安装的传感器；所述柱塞声波发射器和柱塞声波接收器分别嵌入仪器工作筒本体的外表面，所述柱塞声波发射器是通过编码模块与所述柱塞检测子系统耦接；所述柱塞声波接收器接收地面监测子系统的控制指令，并将其传至柱塞控制器，在地面监测子系统指令的控制下，柱塞监测子系统执行相应的操作，需要发射声波脉冲时，柱塞控制器通过编码模块在柱塞系统时钟的调节下由柱塞声波发射器向地面监测子系统发射声波脉冲信号。

本发明的基于声波测量技术的柱塞井下定位及运行状态跟踪系统及方法能够解决传统的基于数学模型的柱塞运行状态跟踪和预测技术的误差大、不能掌握实时井筒生产参数等缺点，该技术可对柱塞进行实时井下定位，对其运动参数进行有效采集与监测，并对井内动液面的变化情况进行跟踪，为气井的优化生产提供重要的依据。整个系统结构紧凑，作业效率高，安全性好，系统工作时不影响气举生产作业的正常进行。

为了利于进一步准确理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的柱塞井下定位及运行状态跟踪系统及方法进行详细说明。

如图2至图5所示，柱塞井下定位及运行状态跟踪系统分为两部分，一部分是地面监测子系统，另一部分是柱塞监测子系统。配有井下定位及运行状态跟踪子系统的柱塞主要由仪器工作筒总成11、柱塞本体12和柱塞旁通阀13组成(结合图2所示)。其中，柱塞监测子系统装设在仪器工作筒总成11内，柱塞本体12可采用现有技术的结构，柱塞旁通阀13为可选装组件，用途是加快柱塞在油管内的下行速度。

仪器工作筒总成11(如图3所示)主要由打捞头14、减震弹簧15、压帽16、仪器工作筒本体17、柱塞监测子系统18、柱塞声波发射器19和柱塞声波接收器20组成。仪器工作筒本体17为筒状结构，打捞头14位于仪器工作筒的顶端，其为符合API标准的结构件，用于整体柱塞工具的打捞和回收。外端的减震弹簧15和相对内端的压帽16构成的组合体在柱塞监测子系统18的两端各设有一组，用于对柱塞监测子系统18进行定位，并起到缓冲减震的作用。仪器工作筒本体17用不锈钢制造，以保护内部的电子仪器，其中部设有长条形的进液孔，用于为可选装的井下传感器提供进液通道。仪器工作筒总成11内除了柱塞监测子系统18以外，还可以容纳其它井下仪器，比如压力/温度传感器、采样设备等。柱塞监测子系统18(如图4所示)主要由柱塞声波发射器19、柱塞声波接收器20、柱塞系统电源21、输入输出设备22、柱塞系统时钟23、柱塞控制器24和编码模块25组成。柱塞声波发射器19和柱塞声波接收器20分别嵌入仪器工作筒本体17的外表面，并与工作筒内部的模块连接。柱塞系统电源21为柱塞控制器24供电，柱塞声波接收器20接收地面监测子系统的控制指令，并将其传至柱塞控制器24，在地面指令的控制下，柱塞监测子系统执行相应的操作，如发射声波脉冲、系统转入休眠等。需要发射声波脉冲时，柱塞控制器24通过编码模块25，在柱塞系统时钟23的调节下由柱塞声波发射器19向地面监测子系统发射声波脉冲信号。输入输出设备22包括传感器等可选装的井下仪器。为减小体积，柱塞声波发射器19采用压电陶瓷或磁致伸缩材料作为电-声换能器的核心部件。

地面监测子系统(如图5所示)主要由地面显示设备26、人工控制指令27、柱塞运行处理模块28、地面系统电源29、电动开关阀3、放气阀30、地面声波发射器31、地面声波接收器32和地面传感器组33组成。其中，柱塞运行处理模块28包括控制器(MCU)、I/O接口、数字信号处理模块(DSP)、存储模块、系统时钟等组成。柱塞运行处理模块28用于控制的设备主要包括电动开关阀3、放气阀30、地面声波发射器31和地面声波接收器32。如果柱塞上行速度过快，通过短暂关闭电动开关阀3使得柱塞上行速度变慢，如果柱塞上行速度过慢，通过短暂打开放气阀30使得柱塞上部的压力下降，从而增大柱塞两端的压差，柱塞的上行速度可逐渐加快。地面声波发射器31有很多种，常用的是气枪，利用外界压缩气源或气井套管气作为压力源，采用现有技术即可。地面声波接收器32既可以接收油管内传来的声波脉冲信号，又可接收油管管体传来的声波脉冲信号。柱塞运行处理模块28将处理后的波形等信息传至地面显示设备26上，现场操作人员可根据实时的柱塞运行状态信息向系统发出各种控制干预指令，调整、优化系统的生产参数。

对系统涉及的主要运行状态跟踪方法进行归纳：

(1)井下-地面连续监测法(工作流程如图6所示)：柱塞在井口防喷管内，首先地面监测子系统通过声波发射器31对柱塞监测子系统进行初始化操作，柱塞接收器20收到信号后将指令传至柱塞控制器24，柱塞控制器24启动柱塞监测子系统，建立与地面监测子系统的通信联系。地面监测子系统通过声波接收器32收到柱塞监测子系统的反馈信号后开始对柱塞的初始运行状态(包括当前位置、速度等)进行校准并记录。初始化操作完成后，电动开关阀3关闭，柱塞工具开始下行，下行过程中柱塞通过声波发射器19不断向地面发射声波脉冲信号，地面监测子系统的柱塞运行处理模块28内部的数字信号处理模块(DSP)对收到的信号进行前置放大、模数转换、数字滤波、采样频率变换等操作，把处理后的信息传至控制器(MCU)。经过控制器(MCU)的处理，信息被发送至显示设备26供现场作业人员分析。在该柱塞运行处理模块28中，传统的模拟滤波器被数字信号处理器(DSP)中的数字滤波器所取代，采用的是过采样数字信号处理技术，系统以很高的采样率对输入信号进行采样。利用前后脉冲信号的显著差异，柱塞运行处理模块28可识别判断出柱塞何时进入液柱、何时已落至井底。另外，通过柱塞某两个点的深度差和时间差可计算出瞬时速度。

电动开关阀3打开后，柱塞开始从井底向上运动，在柱塞上行期间，系统的工作原理与下行周期相同，此处不再赘述。而且，本发明还可根据所测得的柱塞上行状态参数来控制电动开关阀和放气阀的开闭，从而实现对柱塞上行速度的快慢调节，请参照图6所示，当柱塞运行处理模块28监测到柱塞运行速度超过了安全值时，将启动电子控制器4对开关阀3实施短暂关闭操作，以降低柱塞上行速度；当柱塞运行处理模块28监测到柱塞运行速度过慢而且低于经济开采临界值(即图6中的经济下限)时，电子控制器4启动并短暂打开放气阀30，以提高柱塞上下两端的压差，加快其上行速度。地面传感器组33中的柱塞到达传感器10在监测到柱塞已到地面后，柱塞捕捉器10捕获柱塞工具。同时，柱塞的一个完整工作周期的运行参数都被系统记录下来，为后期的研究和生产制度的制定提供重要依据。

(2)油管接箍脉冲监测法(工作流程如图7所示)：柱塞监测子系统在运行期间可以处于休眠状态，而靠地面监测子系统的接收器32被动地“听”井下声波脉冲信号的变化。系统在获得柱塞初始运行参数后，柱塞开始下行，柱塞下行时与油管内壁接触和摩擦，所产生的声波脉冲信号通过管体向上传至地面监测子系统。当柱塞经过油管的接箍时，声波脉冲信号发生瞬时的波动，该波动被地面监测子系统捕获。柱塞每经过一个接箍时，就会产生一个波动，于是在地面显示设备26上可观察到一系列的跳变波形。由于油管接箍之间的距离是已知确定的，因此，通过记录跳变的数量就可以计算出柱塞的深度。另外，由于柱塞在进入液柱前后与接箍碰撞产生的声波脉冲信号会有显著不同，地面监测子系统通过识别声波脉冲信号的差异可判断液面的位置。柱塞上行时的运行状态跟踪方法与下行时基本相同。

为避免油管内泡沫段对监测带来的误差，可将前述井下-地面连续监测法与油管接箍脉冲监测法结合起来共同使用，此处不再一一赘述。

为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合一具体应用实例进行说明：

某一柱塞井下定位及运行状态跟踪系统用于3 1/2”油管内。该系统分为两部分，一部分是地面监测子系统，另一部分是柱塞监测子系统。配有井下定位及运行状态跟踪子系统的柱塞主要由仪器工作筒总成11、柱塞本体12和柱塞旁通阀13组成(如图2所示)。其中，柱塞监测子系统在仪器工作筒总成11内，柱塞本体12采用现有技术。

仪器工作筒总成11(如图3所示)主要由打捞头14、减震弹簧15、压帽16、仪器工作筒本体17、柱塞监测子系统18、柱塞声波发射器19和柱塞声波接收器20组成。打捞头14为符合API标准的结构件，用于整体柱塞工具的打捞和回收。减震弹簧15和压帽16的组合在柱塞监测子系统18的两端各有一组，用于对柱塞监测子系统18进行定位，并起到缓冲减震的作用。仪器工作筒本体17外径50mm，采用不锈钢制造，保护内部的电子仪器，中部有长条形的进液孔，用于为可选装的井下传感器提供进液通道。仪器工作筒总成11除了柱塞监测子系统18以外，还容纳安装了存储式压力和温度传感器，用于对油管内的压力与温度参数进行测量记录。柱塞监测子系统18(如图4所示)主要由柱塞声波发射器19、柱塞声波接收器20、柱塞系统电源21、输入输出设备22、柱塞系统时钟23、柱塞控制器24和编码模块25组成。柱塞声波发射器19和柱塞声波接收器20分别嵌入仪器工作筒本体17的外表面，并与工作筒内部的模块连接。柱塞系统电源21为柱塞控制器24供电，柱塞声波接收器20接收地面监测子系统的控制指令，并将其传至柱塞控制器24，在地面指令的控制下，柱塞监测子系统执行相应的操作，如发射声波脉冲、系统转入休眠等。需要发射声波脉冲时，柱塞控制器24通过编码模块25，在柱塞系统时钟23的调节下由柱塞声波发射器19向地面监测子系统发射声波脉冲信号。为减小体积，柱塞声波发射器19采用压电陶瓷技术。系统采用频率低于2KHz的低频声波进行信号传输。

地面监测子系统(结合图5所示)主要由地面显示设备26、人工控制指令27、柱塞运行处理模块28、地面系统电源29、电动开关阀3、放气阀30、地面声波发射器31、地面声波接收器32和地面传感器组33组成。其中，柱塞运行处理模块28包括控制器(MCU)、I/O接口、数字信号处理模块(DSP)、存储模块、系统时钟等组成。柱塞运行处理模块28的控制设备主要是电动开关阀3、放气阀30、地面声波发射器31和地面声波接收器32。地面声波发射器31采用气枪，利用气井套管气作为气源。地面声波接收器32既可以接收管内传来的声波脉冲信号，又可接收油管管体传来的声波脉冲信号。柱塞运行处理模块28将处理后的波形等信息传至地面显示设备26上，现场操作人员可根据实时的柱塞运行状态信息向系统发出各种控制干预指令，调整、优化系统的生产参数。

如图8所示，该系统同时采用井下-地面连续监测法与油管接箍脉冲监测法。具体地，系统在工作时，先由地面子系统向柱塞发送声波信号发射指令，然后由地面子系统接收柱塞发出的声波信号响应，并对柱塞的初始位置进行校准；初始化操作完成后，电动开关阀3关闭，柱塞工具开始下行，下行过程中柱塞子系统通过声波发射器19不断向地面发射声波脉冲信号；地面监测子系统的柱塞运行处理模块28内部的数字信号处理模块(DSP)对收到的声波脉冲信号进行前置放大、模数转换、数字滤波、采样频率变换等操作，把处理后的信息传至控制器(MCU)，此步骤中，模数转换较佳采用反馈比较型转换器，编码为二进制编码，前置放大采用CMOS输入运算放大器，采样技术采用过采样数字信号处理，使用防混叠窄带低通滤波器，包括油管接箍波滤波器(BPF)和井下液面波滤波器(LPF)，具体技术为现有技术，此处不再赘述。经过控制器(MCU)的处理，信息被发送至显示设备26供现场作业人员分析。

同时，柱塞下行期间，在地面电子控制器关闭电动开关阀3后，地面声波接收器还记录油管管体所传送的柱塞与油管内壁接触摩擦所产生的声波信号，并根据所记录柱塞进入液柱前后接箍脉冲的变化判断液面的位置，根据之前接收的声波信号经处理可识别柱塞已下行至井底，由此完成对柱塞运行状态的跟踪监测，即图8中A之前的步骤。

在柱塞上行期间，系统的工作原理与下行周期相同，此处不再赘述。而且，本发明还可根据所测得的柱塞上行状态参数来控制电动开关阀和放气阀的开闭，从而实现对柱塞上行速度的快慢调节，请参照图8中A之后的步骤所示，柱塞下行至井底后，电动开关阀处于关闭状态，压力传感器实时监测井下压力，当该压力达到目标值时，地面监测子系统的控制器打开该电动开关阀3，柱塞开始上行，在柱塞上行期间利用上述方法连续跟踪柱塞的运行状态，当监测到柱塞的运行速度高于安全上限时，则由控制器短暂关闭电动开关阀3，以降低柱塞上行速度，当运行速度下降至安全范围内时再打开电动开关阀3；当监测到柱塞的运行速度低于经济下限时，则由控制器短暂打开放气阀30，以提高柱塞上下两端的压差，加快其上行速度；如柱塞运行速度正常，则将电动开关阀维持在打开状态，柱塞继续上行，直至到达传感器10检测到柱塞，由柱塞捕捉器10捕获柱塞工具。同时，柱塞的一个完整工作周期的运行参数都被系统记录下来，为后期的研究和生产制度的制定提供重要依据。

本发明提出的基于声波测量技术的柱塞井下定位及运行状态跟踪技术，可满足柱塞气举井生产管理和优化的需要。该技术具有如下特点：

(1)结构简单：体积小，结构紧凑，可安装在各种类型的排液采气用柱塞上；

(2)信号传输和正常生产互不影响：系统工作时为在线监测模式，对气井的正常生产没有影响；

(3)安全性好：全部模块符合防爆规范，气井的安全生产有保障；

(4)适应性强：系统采用多种方法对柱塞运行状态进行监测，借助管内气体与油管管体两种信号传输介质，与传统监测技术相比现场适应性更强；

(5)提供信息丰富：包括各种柱塞运行状态实时参数和动液面参数，以及各种紧急情况如柱塞的卡点位置等；

(6)系统维护简便：子系统直接安装在柱塞上，维修时从柱塞上拆下相应模块即可。

该技术克服了传统技术的缺点，实现了对柱塞运行参数的实时监测，对运行状态变化的有效跟踪，提高了系统的工作效率，为今后柱塞气举的自动化生产与管理提供了重要的技术基础和保障。该技术有利于气井单井产量的提高，有利于气田的稳产和经济效益的提高，具有很好的市场前景。

虽然本发明已以具体实施例揭示，但其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围的前提下所作出的等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，皆应仍属本专利涵盖的范畴。

Claims (10)

1.一种柱塞井下定位及运行状态跟踪系统，所述柱塞包括柱塞本体和仪器工作筒总成，其特征在于，该系统包括地面监测子系统及安装于所述仪器工作筒总成内的柱塞监测子系统，所述柱塞监测子系统接受所述地面监测子系统的控制，所述地面监测子系统实时采集油管内传送的声波脉冲信号，进行处理分析后得到柱塞运行参数，用以实时获取柱塞运行状态，所述仪器工作筒总成包括打捞头、减震弹簧、压帽、仪器工作筒本体及所述柱塞监测子系统，所述柱塞监测子系统的两端各有一组所述减震弹簧和所述压帽的组合体，用于对柱塞监测子系统进行定位，并起到缓冲减震的作用。

2.如权利要求1所述的柱塞井下定位及运行状态跟踪系统，其特征在于，所述地面监测子系统是对柱塞与油管接箍位置接触而产生的声波脉冲信号进行实时采集和测量，获取柱塞运行参数，以识别柱塞运行状态。

3.如权利要求1或2所述的柱塞井下定位及运行状态跟踪系统，其特征在于，所述柱塞监测子系统接受所述地面监测子系统的控制发送声波脉冲信号，并利用油管内的流体介质作为声波传输介质。

4.如权利要求1所述的柱塞井下定位及运行状态跟踪系统，其特征在于，所述仪器工作筒总成内还容设有采样设备、油压/套压传感器及/或温度传感器。

5.如权利要求1所述的柱塞井下定位及运行状态跟踪系统，其特征在于，所述柱塞的下端装设有柱塞旁通阀，用于加快柱塞在油管内的下行速度。

6.如权利要求1所述的柱塞井下定位及运行状态跟踪系统，其特征在于，所述地面监测子系统包括柱塞运行处理模块、地面显示设备、地面系统电源、地面声波发射器和地面声波接收器；其中，所述柱塞运行处理模块与地面监测子系统的其他各组成部分耦接，控制所述地面声波发射器和地面声波接收器的动作；柱塞运行处理模块将处理后的波形信息传至地面显示设备上，现场操作人员能够根据实时的柱塞运行状态信息向系统发出各种控制干预指令，调整、优化系统的生产参数。

7.如权利要求1所述的柱塞井下定位及运行状态跟踪系统，其特征在于，所述柱塞监测子系统包括柱塞系统电源、柱塞声波发射器、柱塞声波接收器、输入输出设备、柱塞系统时钟、柱塞控制器和编码模块；所述柱塞控制器与所述柱塞监测子系统的其他模块相耦接；所述输入输出设备包括能够井下安装的传感器；所述柱塞声波发射器和柱塞声波接收器分别嵌入仪器工作筒本体的外表面，所述柱塞声波发射器是通过编码模块与所述柱塞检测子系统耦接；所述柱塞声波接收器接收地面监测子系统的控制指令，并将其传至柱塞控制器，在地面监测子系统指令的控制下，柱塞监测子系统执行相应的操作，需要发射声波脉冲时，柱塞控制器通过编码模块在柱塞系统时钟的调节下由柱塞声波发射器向地面监测子系统发射声波脉冲信号。

8.一种柱塞井下定位及运行状态跟踪方法，所述柱塞包括柱塞本体和仪器工作筒总成，其特征在于，所述仪器工作筒总成内安装有柱塞监测子系统，且所述柱塞监测子系统的两端各有一组减震弹簧和压帽的组合体，用于对柱塞监测子系统进行定位，并起到缓冲减震的作用，所述柱塞监测子系统接受地面监测子系统的控制，该方法是利用地面监测子系统对油管内传送的声波脉冲信号进行实时采集和测量，获取柱塞运行参数，以识别柱塞运行状态。

9.如权利要求8所述的柱塞井下定位及运行状态跟踪方法，其特征在于，所述方法利用油管接箍脉冲监测法对柱塞状态进行跟踪，实时采集柱塞在油管内运动时与管壁的每个接箍接触摩擦而在油管中产生的声波脉冲信号，从而获得柱塞运行状态，所述油管接箍脉冲监测法包括以下一项或多项：

(a)记录柱塞每经过油管的接箍位置时声波脉冲信号发生瞬时波动的次数，由此获知柱塞经过的油管数量；

(b)由经过两个位置的时间差得到柱塞在油管内的深度及柱塞的运行速度；

(c)柱塞在进入液柱前后的声波脉冲信号显著不同，通过识别声波脉冲信号的差异判断液面的位置。

10.如权利要求8或9所述的柱塞井下定位及运行状态跟踪方法，其特征在于，所述方法利用井下-地面连续监测法对柱塞状态进行跟踪，其包括：

发射声波脉冲信号：柱塞上的声波发射器发送声波脉冲信号，所述声波脉冲信号由管内气体介质传输至井口；

接收处理声波脉冲信号：在地面接收所述脉冲信号后，并进行放大、滤波、采样频率变换处理，筛选出稳定的波型；

数据分析：所述波型经过数字信号处理器和控制器的处理、解释和计算，获得柱塞及井筒实时的各项运行参数，所述运行参数包括柱塞在油管内的深度、上下行速度、上下行加速度、落至井底的时间、进入动液面的时间、动液面的位置及/或液柱的高度。

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