CN103114847A - 一种油田井下液位检测方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本公开一种油田井下液位检测方法与装置。本发明通过角位移传感器间接测量绳长,通过力传感器测量连接捞油桶的钢丝绳拉力。采用信号处理模块负责检测力信号变化的转折点。它实时采集测量模块测量到的钢丝绳卷动的角位移信号与钢丝绳拉力信号,滤波去除噪声信号利用钢丝绳拉力F与依据角位移计算得到的钢丝绳下降绳长L得到钢丝绳绳长-拉力信号图。在绳长-拉力信号图上,采用直线分割算法实时检测曲线的转折点,对应的井下绳长为井下液位高度。本发明可以实现油田井下液位的自动跟踪与实时有效测量,准确可靠,易于实现,提高了采油效率,降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种采油过程监测技术,具体涉及一种油田井下液位检测方法与装置。
背景技术
目前,油井液面测量的方法主要有两种:一种是在井口用高压气体或子弹产生声波,利用安装在井口的声波接收器(通常为高灵敏度麦克风)接收反射声波,由声波接收器接收反射声波并转换成电信号,通过控制电路进行数字处理,自动计算出液面深度;另一种应用于捞油机构,在捞油桶钢丝绳上安装重力传感器测量钢丝绳重力,油桶触及油液时由于受到浮力作用,使得传感器所测值减小,通过识别这种变化判断油液高度。但是,这两种油井液面测量方法都存在一些不足。对于第一种方法,其问题在于:一方面,声波测量方法由于声波衰减,经常有较大误差或者测量不到反射波;另一方面,这种方法由于受到声波发射端的压力气体容量或子弹容量的限制,因此不能实现长时间的实时测量,并且这种测量方法的成本较高。对于第二种方法,其问题在于,仅仅依靠识别钢丝绳重力传感器所测值的瞬时减小来判断油桶状态并得到液位高度,其准确度与可靠性低,难以克服油桶在几百米长的油井内上下运动过程中所受到的各种干扰对触液状态判定的影响,容易对油桶触液状态误判而不利于实现捞油全过程的自动化控制。
油井长度长,内部干扰多,且井下的液面是实时变化的,以上两种方法都易造成抽油机的抽汲参数和井下实际情况不匹配,使得采油工艺不合理,降低油井的抽油效率,增加采油成本。因此,研制一种准确可靠的捞油机井下液面连续测量方法与装置,既可以为实时调整油井的抽汲参数提供依据,保证采油的高效率,又可以实现油井采油的自动化,对实现油井高效率的开发具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种油田井下液位检测方法,该方法可以实现油田井下液位的自动跟踪与实时有效测量,准确可靠,易于实现,提高了采油效率,降低了成本;本发明还提供了实现该方法的装置。
为了解决上述现有技术中的问题,本发明提供的技术方案是:一种油田井下液位检测方法,包括以下步骤:
第1步设空载捞油桶置于井口时连接捞油桶的钢丝绳初始长度为L0;
第2步快速下放空载捞油桶,捞油桶尚未接触液面过程中,连接捞油桶的钢丝绳拉力F表示如式I:
F=G桶+ρ绳A绳gL L0≤L 式I
式I中,G桶表示捞油桶所受重力,ρ绳表示钢丝绳密度,A绳表示钢丝绳截面积,L表示钢丝绳长,绳拉力F随绳长L增加呈线性增大;
第3步继续下放捞油桶直到捞油桶触到井下油液;设空载捞油桶刚触及井下油液时,钢丝绳长为L1,此时钢丝绳拉力F达到空载最大值F1,之后绳拉力F随绳长L的增大而开始线性减小,识别此转折点,判断捞油桶已经到达液面,计算转折点井下绳长即为井下液位高度;
第4步捞油桶触及液面后油液进入捞油桶,捞油桶在油液中受到的浮力F浮遵循式II
F浮=ρ油gV排=ρ油gA桶(L-L1) 式II
式中,ρ油表示油液密度,g表示重力加速度,V排表示捞油桶深入油液的体积,A桶为捞油桶截面积,(L-L1)表示捞油桶深入油液的高度;
此阶段,钢丝绳拉力F随绳长L的增加线性减小到F2,绳拉力F如式III所描述:
F=G桶+G绳-F浮=(G桶+ρ油gA桶L1)-(ρ油A桶-ρ绳A绳)gL 式III
第5步继续下放捞油桶直到当钢丝绳拉力F不再减小,设F不再减小时钢丝绳长为L2,此时捞油桶到达最低点,油液满载;
第6步开始上提捞油桶,且油液不再进入油桶,此时,钢丝绳拉力F加入油液重量,即式IV
F=G桶+G绳-F浮+G油 式IV
式中,G油为捞油桶内油液重量;
第7步,当钢丝绳受力到达最大F3,捞油桶离开油液,绳拉力F由式V表示
F=G桶+ρ绳A绳L+G油 式V
钢丝绳拉力F随着下降绳长L的逐渐减短而线性减小,直到L=L0,油液被提升回至井口。
作为上述关于测量方法的技术方案的改进,第3步采用直线分割算法识别所述转折点。
本发明提供的一种油田井下液位测量装置,其特征在于,它包括绳长测量装置、绳拉力测量装置和信号处理模块;绳长测量装置通过角位移传感器间接测量绳长,绳拉力测量装置通过力传感器测量连接捞油桶的钢丝绳拉力,所述信号处理模块负责检测力信号变化的转折点,该转折点对应的井下绳长即为井下液位高度。
作为上述关于测量装置的技术方案的改进,所述绳长测量装置为安装于导绳轮的角位移传感器;所述绳拉力测量装置为用于测量钢丝绳导向轮支座上受到的钢丝绳合力的力传感器,或者为用于测量钢丝绳上的张力的钢丝绳张力测试仪。
本发明相比现有技术具有如下优点:
1、所提供的油田井下液位连续测量方法装置简单、易于实现;
2、使用精确的直线分割算法计算井下液位高度,能够准确跟踪井下液面的实时变化;
3、算法包含防止误判、抗干扰措施,稳定可靠,能够实现油井采油自动控制,提高采油效率,降低成本。
附图说明
图1为本发明实施例测量原理示意图;
1、井口装置;2、储油箱;3、捞油桶;4、套管;5、导油管;6、排绳器;7、提升机构;8、导绳轮;9、力敏传感器;10角位移传感器。
图2为本发明信号处理流程示意图;
图3为本发明液位检测方法中钢丝绳绳长-拉力信号原理图;
图4为本发明基于Hough变换的折点检测方法原理图;
图5为本发明基于逐点迭代的折点检测方法原理图;
图6为本发明实施例实测井深-钢丝绳载荷信号图。
具体实施方式
以下结合设计实例和附图进一步说明本发明的方法、装置和工作原理。
如附图1所示,油田采油的过程为:提升机构7与排绳器6控制钢丝绳的收放,钢丝绳通过导绳轮8直接连接捞油桶3,控制捞油桶3上下行,油液通过捞油桶3底部单向阀进入油桶,所采油通过单向阀进入导油管5,最后通过井口装置1进入储油箱2。
本发明提供的油田井下液位检测方法具体包括以下步骤:
第1步,将空载捞油桶下放置于井口,设此时连接捞油桶的钢丝绳初始长度为L0。
第2步,开始快速下放空载捞油桶,捞油桶尚未接触液面过程中,连接捞油桶的钢丝绳拉力F主要为捞油桶与钢丝绳自重,可用下式表示
F=G桶+ρ绳A绳gL (L0≤L) (2)
式中,F表示钢丝绳拉力,G桶表示捞油桶所受重力,ρ绳表示钢丝绳密度,A绳表示钢丝绳截面积,L表示钢丝绳长。当L取值为L0时,钢丝绳初始拉力依(2)式得到,设为F0。
由(2)式可知,此阶段,钢丝绳连接捞油桶不断下降,由于钢丝绳自重随绳长增加而线性增大,所得力与绳长信号经信号处理得到的L-F图线为正斜率直线,绳拉力F随绳长L增加呈线性增大。
第3步,继续下放捞油桶直到捞油桶触到井下油液。设空载捞油桶刚触及井下油液时,钢丝绳长为L1,此时下放钢丝绳拉力达到空载最大值F1,由于捞油桶触到油液,绳拉力数值发生转折,随下降绳长L的增大而开始线性减小。此时,通过相应的直线分割算法识别此转折点,判断捞油桶已经到达液面,计算转折点井下绳长即为井下液位高度。
第4步,捞油桶触及液面后继续进入油液中,油液通过单向阀进入油桶,捞油桶在油液中受到浮力遵循公式
F浮=ρ油gV排=ρ油gA桶(L-L1) (3)
式中,F浮表示捞油桶在油液中受到浮力,ρ油表示油液密度,g表示重力加速度,V排表示捞油桶深入油液的体积,A桶为捞油桶截面积,(L-L1)表示捞油桶深入油液的高度。
此阶段内由于浮力作用,钢丝绳拉力F随下降绳长L的增加线性减小到F2,绳拉力如公式(4)所描述
F=G桶+G绳-F浮=(G桶+ρ油gA桶L1)-(ρ油A桶-ρ绳A绳)gL (4)
第5步,继续下放捞油桶直到当钢丝绳拉力F不再减小,设F不再减小时钢丝绳长为L2,此时捞油桶到达最低点,油液满载;
第6步,捞油装置开始上提捞油桶,单向阀关闭,钢丝绳所受拉力加入油液重量,即
F=G桶+G绳-F浮+G油 (5)
式中,G油为捞油桶内油液重量。
由于G绳、F浮均与下降绳长L满足一定的线性关系,此时的钢丝绳拉力F也与L满足线性关系。
第7步,当钢丝绳受力到达最大拉力F3,捞油桶离开油液,绳拉力由公式(6)表示
F=G桶+ρ绳A绳L+G油 (6)
钢丝绳拉力F随着下降绳长L的逐渐减短而线性减小,直到L=L0,油液被提升回至井口。
油液通过井口装置1进入储油箱,钢丝绳带着捞油桶重新下降,进入下个采油循环。
本发明提供的一种油田井下液位测量装置包括绳长测量装置、绳拉力测量装置和信号处理模块。
绳长测量装置通过角位移传感器间接测量绳长,绳拉力测量装置通过力传感器测量连接捞油桶的钢丝绳拉力。
理论上,在捞油桶下放的过程中,力传感器测得的力与绳长呈线性增长关系;捞油桶一旦接触到油液的液面,则由于油液浮力的作用,力传感器测得的数值会在一段时间内随着捞油桶排开液体的体积而呈线性减小(如果捞油桶为圆筒状,则与浸没的深度呈线性关系)。因此,只要准确地感知到力信号变化的转折点,就可以测得液面离地面的距离。
所述信号处理模块负责检测力信号变化的转折点。它实时采集测量模块测量到的钢丝绳卷动的角位移信号与钢丝绳拉力信号,对其进行滤波去除噪声信号,然后由处理过的钢丝绳拉力F与依据角位移计算得到的钢丝绳下降绳长L得到钢丝绳绳长-拉力信号图。在绳长-拉力信号图上,采用直线分割算法实时检测曲线的转折点,从而判别钢丝绳拉力F是否随绳长L的增加发生突变,以此判定空载捞油桶是否触及油液。若捞油桶与液面接触,则力发生转折时刻的井下绳长即为井下液位高度。此外,该算法包含防误判策略,防止由于捞油桶运动过程中遇到各种短时扰动可能造成的捞油桶触液状态误判。
本实例中,绳长测量装置为安装于导绳轮的角位移传感器,从向下放钢丝绳开始测量导轮转过的绝对角位移θ,下放绳长可由下式得到:
ΔL=rΔθ (1)
式中ΔL表示钢丝绳下放长度,r表示导绳轮半径,Δθ表示导绳轮角位移。
绳拉力测量装置可以采用载荷传感器或应变片等力传感器测量钢丝绳导向轮支座上受到的钢丝绳合力,也可采用钢丝绳张力测试仪测量钢丝绳上的张力,通过对钢丝绳合力的反求得到钢丝绳拉力。
如附图2所示。信号处理模块实时采集测量模块测量到的钢丝绳卷动的角位移信号与钢丝绳拉力信号,对其进行滤波去除噪声信号,然后由处理过的钢丝绳拉力信号与依据公式(1)计算得到的钢丝绳下降绳长信号得到钢丝绳绳长-拉力(L-F)信号图如附图3所示。
为了判断空载捞油桶是否触及油液,采用直线分割算法实时检测钢丝绳绳长-拉力曲线转折点。本实施例提出两种在钢丝绳绳长-拉力曲线上检测曲线转折点的方法,分述如下:
第一种方法为基于Hough变换直线特征提取的检测方法。
Hough变换利用点-线对偶性将图像空间中的一点(x0,y0)对应到参数空间(ρ,θ)中一条正弦曲线,即
ρ=x0cosθ+y0sinθ (2)
其中ρ表示原点到直线的距离,θ是该直线的法线与x轴的夹角,参数ρ与θ可以极坐标形式唯一确定一条直线。
在钢丝绳的下放过程中,实时得到的钢丝绳绳长、拉力数据组成数据集[(Li,Fi),i=1,2,...,n],建立L-F平面为图像空间。显然,L-F平面任意点对应参数空间的一条正弦线,而L-F平面上任意直线的Hough变换是参数空间的一个点。在参数空间里建立一个累加数组A(ρ,θ),并置数组A中每个元素A(ρs,θs)的初值为零,实时检测L-F信号图中每个点,以选定的Δθ为间隔,让θ取遍-180°到180°上所有可能值,依(2)式计算对应的ρs,根据每对θs和ρs值对数组中相应的元素A(ρs,θs)的值进行累加,即每有一个(ρs,θs),相应的A(ρs,θs)值就自加一。在钢丝绳下放过程中对数组A(ρ,θ)中元素的值进行局部峰值检测,若检测出某元素A(ρs,θs)的值在一定角度范围[θs-α,θs+α]内远大于其他元素的值(可取十倍到二十倍为判断基准),则认为检测到直线,并提取能够唯一确定此直线的相应参数(ρ,θ)。
信号处理模块通过Hough变换对每个(L,F)点进行实时的直线检测,当按照上述局部峰值检测方法检测出两条直线,且其斜率符号相反时,认为钢丝绳拉力F随绳长L的增加发生突然转折而开始由于浮力随L线性减小,空载捞油桶触及油液。通过直线检测得到两条直线的参数(ρ1,θ1)与(ρ2,θ2),对两直线求交点即可得到井下液位高度。其检测图像如附图4所示。其中,上述间隔Δθ与角度范围α的取值要结合具体油井工况及设备参数进行选取,一般Δθ可取0.5°至2°,α可取10°至30°,本实施例选用Δθ为1°,α为15°。
第二种方法为基于逐次迭代直线特征分割的检测方法。
这种方法仍以钢丝绳的下放过程中实时得到的钢丝绳绳长-拉力数据集为基础检测直线段。对于数据集[(Li,Fi),i=1,2,...,n],始终以第一采样点(L0,F0)与当前的最后一个采样点(Ln,Fn)分别为起点和终点作假想直线段,对中间(L1,F1)到(Ln-1,Fn-1)的其它采样点逐一计算其到该直线的距离di(i的取值从1到n-1)。为此距离设置一个阀值W,若最大距离dmax超过给定的阈值W,则该最大距离点对应的(Lx,Fx)被视作信号曲线的转折点。连接第一点(L0,F0)与(Lx,Fx)即为检测出的第一条直线段。重新以(Lx,Fx)为第一点,以当前的最后一个采样点为终点,作新的假想直线段,计算从(Lx+1,Fx+1)到(Ln-1,Fn-1)的中间各点到此新直线段所在直线的距离,依据此距离是否最大且超过预设阀值判断第二条直线段的存在,并以检测出的第二条直线段的末点为假想直线段起点,结合当前采样的最后一点继续检测第三条直线段的存在。按此方法依次逐点迭代往下进行计算与判定,直到检测出所有直线段。在数据的实时采集过程中,当检测出两条直线段,即可判断转折点为捞油桶触液点。依据此点坐标即可计算井下液位高度。其直线检测方法示意图如附图5所示。其中,上述阀值W的取值要结合具体油井工况以及具体使用的设备参数(如捞油桶长度、重量、钢丝绳密度等),由实验标定,其最大值一般不超过
此外,本发明信号处理模块设置措施避免捞油桶触液状态的误判。这种误判主要可能由于两种情况:一是捞油桶从井口下降的最初时刻,由磕碰、摩擦等引起的钢丝绳拉力与绳长的非线性关系;二是井下实际管道直线度不够理想,对捞油桶造成的短时小扰动,致使检测出的局部(L,F)点稍稍偏离理论直线。针对第一种情况,为下降绳长设置一定初始长度范围,只有L超过此初始长度信号处理模块才开始进行折点检测,即可避免误判;针对第二种情况,在信号处理模块的直线分割算法中,只要结合具体油井的工况及设备参数,适当设置Hough变换中参数Δθ、α以及局部峰值检测基准,或者适当选取逐点迭代检测的距离判定阀值W,使局部偏离点影响下的最大距离dmax值,不足以超过此检测阀值而触发油桶触液状态的判定,即可忽略局部偏离点对直线整体检测的影响,避免误判。
附图6为本实施例实际测得的某口油井一个捞油循环中井深-钢丝绳载荷信号图(井深由钢丝绳长减去绳井上部分的长度得到)。此图与钢丝绳绳长-拉力信号原理图吻合情况良好,证实了本发明所提出的油田井下液位检测方法与装置在实际应用中的有效性。
以上所述为本发明的较佳实施例而已,但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改,都落入本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种油田井下液位检测方法,包括以下步骤:
第1步设空载捞油桶置于井口时连接捞油桶的钢丝绳初始长度为L0;
第2步快速下放空载捞油桶,捞油桶尚未接触液面过程中,连接捞油桶的钢丝绳拉力F表示如式I:
F=G桶+ρ绳A绳gL L0≤L 式I
式I中,G桶表示捞油桶所受重力,ρ绳表示钢丝绳密度,A绳表示钢丝绳截面积,L表示钢丝绳长,绳拉力F随绳长L增加呈线性增大;
第3步继续下放捞油桶直到捞油桶触到井下油液;设空载捞油桶刚触及井下油液时,钢丝绳长为L1,此时钢丝绳拉力F达到空载最大值F1,之后绳拉力F随绳长L的增大而开始线性减小,识别此转折点,判断捞油桶已经到达液面,计算转折点井下绳长即为井下液位高度;
第4步捞油桶触及液面后油液进入捞油桶,捞油桶在油液中受到的浮力F浮遵循式II
F浮=ρ油gV排=ρ油gA桶(L-L1) 式II
式中,ρ油表示油液密度,g表示重力加速度,V排表示捞油桶深入油液的体积,A桶为捞油桶截面积,(L-L1)表示捞油桶深入油液的高度;
此阶段,钢丝绳拉力F随绳长L的增加线性减小到F2,绳拉力F如式III所描述:
F=G桶+G绳-F浮=(G桶+ρ油gA桶L1)-(ρ油A桶-ρ绳A绳)gL 式III
第5步继续下放捞油桶直到当钢丝绳拉力F不再减小,设F不再减小时钢丝绳长为L2,此时捞油桶到达最低点,油液满载;
第6步开始上提捞油桶,且油液不再进入油桶,此时,钢丝绳拉力F 加入油液重量,即式IV
F=G桶+G绳-F浮+G油 式IV
式中,G油为捞油桶内油液重量;
第7步,当钢丝绳受力到达最大F3,捞油桶离开油液,绳拉力F由式V表示
F=G桶+ρ油A绳L+G油 式V
钢丝绳拉力F随着下降绳长L的逐渐减短而线性减小,直到L=L0,油液被提升回至井口。
2.根据权利要求1所述的油田井下液位检测方法,其特征在于,第3步采用直线分割算法识别所述转折点。
3.根据权利要求1或2所述的油田井下液位检测方法,其特征在于,所述直线分割算法是基于Hough变换直线特征提取。
4.根据权利要求1或2所述的油田井下液位检测方法,其特征在于,所述直线分割算法是基于逐次迭代直线特征分割。
5.根据权利要求3所述的油田井下液位检测方法,其特征在于,所述直线分割算法是的具体过程为:
设图像空间中的一点(x0,y0)对应到参数空间(ρ,θ)中一条正弦曲线,即式VI
ρ=x0cosθ+y0sinθ 式VI
其中ρ表示原点到直线的距离,θ是该直线的法线与x轴的夹角,参数ρ与θ可以极坐标形式唯一确定一条直线;
在钢丝绳的下放过程中,实时得到的钢丝绳绳长、拉力数据组成数据集[(Li,Fi),i=1,2,...,n],建立建L-F平面;L-F平面任意直线的Hough 变换是参数空间的一个点,在参数空间里建立一个累加数组A(ρ,θ),并置数组A中每个元素A(ρs,θs)的初值为零,实时检测L-F信号图中每个点,以选定的Δθ为间隔,让θ取遍-180°到180°上所有可能值,根据式式VI计算对应的ρi,根据θ和ρ的值对数组中相应的元素进行累加;
在钢丝绳下放过程中对数组A(ρ,θ)中元素进行局部峰值检测,若检测出某元素A(ρs,θs)的值在一定角度范围[θs-α,θs+α]内远大于其他元素的值,则认为检测到直线,并提取能够唯一确定此直线的相应参数(ρ,θ);
通过Hough变换对每个(L,F)点进行实时的直线检测,当按照所设置的局部峰值检验阀值检测出第二条直线且斜率变化较大时,认为钢丝绳拉力F随绳长L的增加发生突然转折而开始由于浮力随L线性减小,空载捞油桶触及油液;通过直线检测得到两条直线的参数(ρ1,θ1)与(ρ2,θ2),对两直线求交点即得到井下液位高度。
6.根据权利要求4所述的油田井下液位检测方法,其特征在于,所述直线分割算法是的具体过程为:
以钢丝绳的下放过程中实时得到的钢丝绳绳长-拉力数据集为基础检测直线段0对于数据集[(Li,Fi),i=1,2,...,n],始终以第一采样点(L0,F0)与当前的最后一个采样点(Ln,Fn)分别为起点和终点作假想直线段,对中间(Ln,Fn)到(Ln-1,Fn-1)的其它采样点逐一计算其到该直线的距离di,i的取值从1到n-1;若最大距离dmax超过预先给定的阈值,则该最大距离对应的(Lx,Fx)被视作信号曲线的转折点;
连接第一点(L0,F0)与(Lx,Fx)即为检测出的第一条直线段0重新以(Lx,Fx)为第一点,以当前的最后一个采样点为终点,作新的假想直线段,计算从(Lx+1,Fx+1)到(Ln-1,Fn-1)的中间各点到此新直线段所在直线的距离,依据此距离 是否最大且超过预设阀值判断第二条直线段的存在,并以检测出的第二条直线段的末点为假想直线段起点,结合当前采样的最后一点继续检测第三条直线段的存在;按此方法依次逐点迭代往下进行计算与判定,直到检测出所有直线段,在数据的实时采集过程中,当检测出两条直线段,即可判断转折点为捞油桶触液点;依据此点坐标即能够计算井下液位高度。
7.一种油田井下液位测量装置,其特征在于,它包括绳长测量装置、绳拉力测量装置和信号处理模块;
绳长测量装置通过角位移传感器间接测量绳长,绳拉力测量装置通过力传感器测量连接捞油桶的钢丝绳拉力,所述信号处理模块负责检测力信号变化的转折点,该转折点对应的井下绳长即为井下液位高度。
8.根据权利要求7所述的油田井下液位检测装置,其特征在于,所述绳长测量装置为安装于导绳轮的角位移传感器。
9.根据权利要求7或8所述的油田井下液位检测装置,其特征在于,所述绳拉力测量装置为用于测量钢丝绳导向轮支座上受到的钢丝绳合力的力传感器。
10.根据权利要求7或8所述的油田井下液位检测装置,其特征在于,所述绳拉力测量装置为用于测量钢丝绳上的张力的钢丝绳张力测试仪。
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