CN109267999A - 一种基于压电晶体自供电的抽油机井下信号测量与无线传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电晶体自供电的抽油机井下信号测量与无线传输系统，由若干个信号测量与无线传输装置和地面无线发射/接收装置组成，信号测量与无线传输装置可以代替接箍用来连接抽油杆，抽油机每个冲程中，油液带动信号测量与无线传输装置上的旋转体旋转，旋转体叶片挤压半圆挤压头进而挤压压电晶体发电，测量与无线传输装置中的柔性印刷电路板上有传感器信号处理电路、无线发送接收电路和主控制电路等，通过ZigBee无线通讯协议与地面通讯，实现了装置的自供电的井下无线通讯，结构简单，安装方便，适应性强，解决了现有技术中存在的成本高以及施工难度大的问题，可以根据不同的井深采用不同的安装方式适应不同的工作环境。

Description

一种基于压电晶体自供电的抽油机井下信号测量与无线传输 系统

技术领域

本发明关于油田井下监测技术，特别是关于油井井下直读监测技术，具体的讲是一种基于压电晶体自供电的抽油机井下信号测量与无线传输系统。

背景技术

在如今的采油工程中，有各式各样的采油方式，但是最主要使用的是有杆采油的方式。有杆采油使用细长的抽油杆连接着地下数千米的抽油泵，通过固定在地面的抽油机带动抽油杆上下运动达到抽油目的。

抽油杆是抽油机井的细长杆件，它上接抽油机的悬绳器，下接抽油泵起传递动力的作用。抽油杆单根长度为7.62、8或9.14米，材质一般是低碳合金钢经过调质处理, 单根抽油杆的两端加工成外螺纹，然后用一种叫接箍的标准连接件将一根根抽油杆连接起来，接箍的两端加工成内螺纹，长度一般为100毫米，外径比抽油杆稍大，这样在油管内通过抽油杆将地下油层处的油泵活塞与抽油机“驴头”上的悬绳器相连接，通过抽油机往复运动来泵油。

目前随着油价的下跌，各油田生产单位越来越重视生产节能增效，如对抽油机改为变频控制，实现可调的抽油频次，对注水井的注水压力和流量的优化改变来提升产油量，但目前这些参数的设定均是基于操作人员的经验，因为缺乏井下环境数据的测量，如注水井中注水压力和流量均很大，在油井中抽上来的是含水量很高的原油，就会造成能量的极大浪费。另一方面，目前的油井深度一般在2～3千米左右，新疆克拉玛依的油井深度可达6～7千米，而井下工况十分复杂，工作环境非常恶劣，不仅受到机、杆、泵等抽油设备的影响，还直接受到砂、蜡、气、水的影响，故障率很高，为了保证抽油井正常生产，延长抽油设备使用寿命，就必须及时、准确地掌握抽油井的工作状况，诊断抽油井所存在的故障。

我国现有的油井在生产过程中，几乎没有对油井井下环境参数进行监测，目前对于抽油井的工况主要通过采油工程技术员对抽油机示功图的分析和油井的管理经验确定，诊断结果准确性不高，情况复杂时只能通过抽出所有井下抽油杆和油管来查探情况，但该方法容易导致判断错误或投入不必要的测试作业费，并且很少存在可以直接检测井下其他数据的测量装置，不仅是因为井下仪器供电困难，还因为井下信号传输困难。专利网公布了“一种利用压电技术发电的流体管道系统”（申请号：201510039957.1）这种发电的装置可以实现将流体流动产生的动能转换成电能，但是并不适用在油田抽油的环境中，因为抽油井的抽油管道中有抽油杆，抽油杆并不会转动。专利网公布的 “一种油井井下无缆测试系统”（申请号：201210154062.9）直接从几千米下的的油井发送无线信号到地表，容易受到油液，管道，土壤等的削弱，使得无线传输的效果不理想；专利网公布的 “一种用于井下通讯的数据传输装置及方法”（申请号：201110171527.7）公布了一种井下无线通讯的方法，但是没有很具体的结构，也没有提供电源的解决方案；专利网公布的“一种井下微功耗远距离无线数据传输装置” （申请号：201320685866.1），该实用新型专利提供了一种无线通讯的方法，但是没有给出电源的解决方案；除此之外也有尝试直接放电缆下去，采用有线线缆方式，由于井内的恶劣工作环境(温度 ：最高125度，最低十几度 ；压力 ：60MPa ；腐蚀性 ：饱和盐水 )，不仅长距离电缆传输成本很高，而且耐久性和工作的可靠性较难得到保证，在抽油过程中电线易被拉断，同时布线后也会干扰修井工作。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供抽油机油井井下信号测量与无线传输系统，其可以实现装置自供电，结构简单，安装方便，适应性强，解决了现有技术中存在的成本高以及施工难度大的问题，可以根据不同的井深采用不同的安装方式适应不同的工作环境。

本发明采取的技术方案是：整个系统由若干个信号测量与无线传输装置组成，每个信号测量与无线传输装置分为发电部分和信号测量与无线传输部分，装置由短节，上橡胶密封盖，下橡胶密封盖，上螺纹封盖，下螺纹封盖，卡扣，上固定架，下固定架，旋转体，测量装置封盖，测量装置外壳，传感器，柔性印刷电路板，蓄电池，压电发电块，压电晶体，半圆挤压头组成。其特征在于：短节安装在两根抽油杆之间用于承担接箍的作用，短节的两端都攻有内螺纹，可以和抽油杆杆端的外螺纹配合；短节外圆上均布铣出10～20道轴向槽，每道槽内均布着4～8块压电发电块，每块压电发电块由半圆挤压头和压电晶体粘接而成，压电发电块通过粘接的方式固定在短节槽上；短节上还有一系列的小孔，这些小孔处于每块压电发电块的下方，使得压电晶体发电两极级引出的导线可以进入短节内部，所有的导线连接端制成接插件母头；上下固定架套在短节外并通过螺钉固定在短节上，旋转体套在短节上并且夹在上下两个固定架之间并留有一定间隙，旋转体内壁上铣出了螺旋的叶片，叶片的末端挤压着半圆挤压头，当液体通过时旋转体可以绕着短节旋转；螺纹封盖上有方形的小孔，使用工具可以旋转螺纹封盖，上螺纹封盖没有卡扣，下螺纹封盖有四个卡扣，测量装置外壳通过四个卡槽固定在下螺纹封盖上，测量装置封盖上也有四个卡扣可以固定在测量装置外壳上，测量装置封盖上还有一个开口，用于固定接插件公头，装置内部安装有传感器，蓄电池和柔性印刷电路板；传感器，蓄电池都和柔性印刷电路板相连，柔性印刷电路板上引出导线与固定在测量装置封盖上的接插件公头相连，接插件公头和母头相连。

抽油机工作时，抽油杆在抽油管中上下运动，抽油杆抽油管中充满着油液，抽油杆一个冲程中，旋转体内通过油液，由于旋转体内部的叶片存在，旋转体旋转，叶片与半圆挤压头接触挤压半圆挤压头，半圆挤压头挤压压电晶体，在旋转过程中每一个压电晶体都经历了挤压-放松的过程，压电晶体产生电能通过导线传入柔性印刷电路板，柔性印刷电路板中具有整流稳压电路、充放电管理电路可以将交变的电流转化成直流充入蓄电池中, 传感器可以根据测试要求更换，柔性印刷电路板中更换为相应的传感信号放大、调理电路，通过蓄电池供电，并将数据存储在柔性印刷电路板的内存中，柔性印刷电路板上还有信号处理电路、无线信号发射和无线中继电路，可以将传感器采集到的信号通过无线的方式发射出去，也可以接收无线信号进行信号的中继。

进一步，短节与抽油杆相连，短节要具有足够的强度，采用优质的碳素结构钢为原料制造而成，具有不易生锈，不易腐蚀的特点，其外形与接箍相仿，长度略长，两端为内螺纹，可代替接箍标准件。

进一步，所述的四个卡扣和下螺纹封盖是一体化制造的，卡扣和下螺纹封盖可以是塑料制成。

进一步，所述的旋转体内部的叶片和旋转体是一体的，并且具有一定的强度和较高耐磨性，使得在旋转过程中磨损较小。

进一步，所述的无线传输为ZigBee协议，ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗、高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。

进一步，本装置的安装位置需要根据不同的井深和井下环境来综合考虑，若只需要测量最底部的数据，本装置可以每隔一定的距离安装一个，最下方的装置用于发射无线信号，其余的用于无线中继，使得无线信号一层层接力传输到地面被接收装置接收。

进一步，若需要测量油井内指定深度的数据，每一个中继也可以发射自己所在位置的传感器检测到的数据，作为一个新的信号测量与无线传输装置，将接收到的其他信号测量与无线传输装置发送的数据放大后发射出去。

在本发明中，利用抽油杆和油液相对运动，将机械能转化成电能，可以实现抽油井下的自供电测量，本发明的优点在于：1.可以在传统的线缆式供电难以实现的抽油井下通过自供电实现井下环境参数的检测，同时相对于现用的井下测量装置的发明，具有不必隔一段时间就更换一次蓄电池的优点；2.由于是在井下直接测量温度，其准确性较高，而且结构简单不需要对现有的抽油杆做改动即可使用；3.可以根据不同的测试条件，更换不同的传感器，以实现井下不同环境参数额测量；4.通过无线中继的方式解决了油井下不同深度的信号测量，实现了抽油机井下生产数据的无缆直读测试，解决了现有技术中存在的成本高以及施工难度大的问题。

附图说明

图1 是本发明的原理示意图。

图2 是本发明在井下一种布置示意图。

图3 是本发明的安装示意图。

图4 是本发明的爆炸视图。

图5 是下螺纹封盖的俯视图。

图6是测试装置的示意图。

图中套管1，绝缘扶正器2，油管3，抽油杆4，上抽油杆41，下抽油杆42，信号测量与无线传输装置501，地面无线接收/发射装置502，短节51，上橡胶密封盖521 ，下橡胶密封盖522，上螺纹封盖531，下螺纹封盖532，卡扣5321，上固定架541，下固定架542，旋转体55， 测量装置封盖561，测量装置外壳562，传感器563，柔性印刷电路板564，蓄电池565，压电发电块57，压电晶体571，半圆挤压头572，接箍6。

具体实施方式

如图1和图2和图3和图4和图5和图6所示，抽油井由套管1，绝缘扶正器2，油管3组成，其中抽油杆4在油管3之中运动。现有的抽油杆一般由接箍6连接，本发明的短节51可以代替接箍6，在所需要测量的位置，将接箍6替换成短节51，短节51安装在两根抽油杆之间用于承担接箍6的作用，短节51的两端都攻有内螺纹，可以和抽油杆的外螺纹配合，固定在上抽油杆41和下抽油杆42之间；短节51外圆上均布铣出10～20道轴向槽，每道槽内均布着4～8块压电发电块57，每块压电发电块57由半圆挤压头572和压电晶体571粘接而成，压电发电块57通过粘接的方式固定在短节51的槽上；短节51上还有一系列的小孔，这些小孔处于每块压电发电块57的下方，使得压电晶体571发电两级引出的导线可以进入短节51内部，所有的导线连接端制成接插件母头；上下固定架541和542套在短节51外并通过螺钉固定在短节51上，旋转体55套在短节51上并且夹在上下两个固定架541和542之间，并留有一定间隙，旋转体55内壁上铣出了螺旋的叶片，叶片的末端挤压着半圆挤压头572，当液体通过时旋转体55可以绕着短节51旋转；螺纹封盖上有方形的小孔，使用工具可以旋转螺纹封盖，上螺纹封盖531没有卡扣，下螺纹封盖532有四个卡扣5321，测量装置外壳通过四个卡槽固定在下螺纹封盖532上，测量装置封盖561上也有四个卡扣可以固定在测量装置外壳562上，测量装置封盖561上还有一个开口，用于固定接插件公头，装置内部安装有传感器563，蓄电池565和柔性印刷电路板564；传感器563，蓄电池565都和柔性印刷电路板564相连，柔性印刷电路板564上引出导线与固定在测量装置封盖561上的接插件公头相连，接插件公头和母头相连。

抽油机工作时，抽油杆在抽油管中带动泵上下运动，抽油管中充满油液抽油杆中充满着油液 ，抽油杆一个冲程中，例如在上提过程中，上固定架541上的油液被挤压，会通过541的上端喇叭口加速通过下端的槽口，并进入旋转体55内通过油液，由于旋转体55内部的叶片存在，旋转体55旋转，叶片与半圆挤压头572接触挤压半圆挤压头572，半圆挤压头572挤压压电晶体571，在旋转过程中每一个压电晶体571都经历了挤压-放松的过程，压电晶体571产生电能通过导线传入柔性印刷电路板564，柔性印刷电路板564中具有整流稳压电路、充放电管理电路可以将交变的电流转化成直流充入蓄电池565中, 传感器563可以根据测试要求更换，柔性印刷电路板564中更换为相应的传感信号放大、调理电路，通过蓄电池565供电，并将数据存储在柔性印刷电路板564的内存中，柔性印刷电路板564上还有信号处理电路、无线信号发射和无线中继电路，可以将传感器563采集到的信号通过无线的方式发射出去，也可以接收无线信号进行信号的中继。

短节51与抽油杆相连，短节51要具有足够的强度，采用优质的碳素结构钢为原料制造而成，具有不易生锈，不易腐蚀的特点，其外形与接箍6相仿，长度略长，两端为内螺纹，可代替接箍6标准件。

所述的四个卡扣5321和下螺纹封盖532是一体化制造的，卡扣5321和下螺纹封盖532可以是塑料制成。

所述的旋转体55内部的叶片和旋转体55是一体的，并且具有一定的强度和较高耐磨性，使得在旋转过程中磨损较小。

橡胶密封盖直径比短节内径略大，短节的每个通孔都通过胶封做好了防水防油处理，可以防止外界的油液等杂质进入短节内部。

本发明的一种实施方式为如图2所示，在井下所需深度将接箍6替换为信号测量与无线传输装置501，之后每隔一定距离安装一个信号测量与无线传输装置，这些装置在结构上相同，仅在功能上不同，为了便于区分把信号测量与无线传输装置501之后的装置称为无线中继装置。

所述的每隔一定距离为相邻的信号测量与无线传输装置的无线信号覆盖范围内的任意距离。

无线中继装置，可以接收信号测量与无线传输装置501、地面无线接收/发射装置502和其他无线中继装置的信号，地面无线接收/发射装置502可以接收到井下传输上来的信号，也可以将信号传输到井下。

所述的无线传输为ZigBee协议，ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗、高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。

本发明的另外一种实施方式，若需测量井下一个或者多个指定位置的数据，那么将指定位置的接箍6替换为本系统中的信号测量与无线传输装置501，信号测量与无线传输装置501可以测量该位置的数据，同时可以接收其他信号测量与无线传输装置501和地面无线发射/接收装置发出来的数据，以及将自身检测到的数据发射出去。

安装信号测量与无线传输装置501时需要保证在无线覆盖范围内至少有另一个信号测量与无线传输装置501。

所述的无线传输为ZigBee协议，ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗、高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。

本文中所描述的具体实施实例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种基于压电晶体自供电的抽油机井下信号测量与无线传输系统，包括短节和短节上设置的内螺纹，其特征在于：由若干个信号测量与无线传输装置和地面无线发射/接收装置组成，信号测量与无线传输装置由短节，上橡胶密封盖，下橡胶密封盖，上螺纹封盖，下螺纹封盖，卡扣，上固定架，下固定架，旋转体，测量装置封盖，测量装置外壳，传感器，柔性印刷电路板，蓄电池，压电发电块，压电晶体，半圆挤压头组成，信号测量与无线传输装置的短节外壳与抽油杆相连，短节外壳要具有足够的强度，采用优质的碳素结构钢为原料制造而成，具有不易生锈，不易腐蚀的特点，其外形与接箍相仿，长度略长，两端为内螺纹，可代替接箍标准件，螺纹封盖上有方形的小孔，使用工具可以旋转螺纹封盖，上螺纹封盖没有卡扣，下螺纹封盖有四个卡扣，测量装置外壳通过四个卡槽固定在下螺纹封盖上，测量装置封盖上也有四个卡扣可以固定在测量装置外壳上，测量装置封盖上还有一个开口，用于固定接插件公头，装置内部安装有传感器，蓄电池和柔性印刷电路板；传感器，蓄电池都和柔性印刷电路板相连，柔性印刷电路板上引出导线与固定在测量装置封盖上的接插件公头相连。

2.如权利要求1所述的一种基于压电晶体自供电的抽油机井下信号测量与无线传输系统，其特征在于：短节安装在两根抽油杆之间用于承担接箍的作用，短节的两端都攻有内螺纹，可以和抽油杆杆端的外螺纹配合；短节外圆上均布铣出10～20道轴向槽，每道槽内均布着4～8块压电发电块，每块压电发电块由半圆挤压头和压电晶体粘接而成，压电发电块通过粘接的方式固定在短节槽上；短节上还有一系列的小孔，这些小孔处于每块压电发电块的下方，使得压电晶体发电两极引出的导线可以进入短节内部，所有的导线连接端制成接插件母头；上下固定架套在短节外并通过螺钉固定在短节上，旋转体套在短节上并且夹在上下两个固定架之间并留有一定间隙，旋转体内壁上铣出了螺旋的叶片，叶片的末端挤压着半圆挤压头，当液体通过时旋转体可以绕着短节旋转。

3.如权利要求2所述的一种基于压电晶体自供电的抽油机井下信号测量与无线传输系统，其特征在于：信号测量与无线传输装置的短节外表面铣出纵向槽，表面阵列粘接着压电晶体，压电晶体上粘接着半圆挤压头，压电晶体的电极连接着细导线，细导线通过凸台上的小孔接入短节外壳内部。

4.如权利要求1所述的一种基于压电晶体自供电的抽油机井下信号测量与无线传输系统，其特征在于：固定架开口为上大下小的喇叭口，喇叭口的大口朝向抽油杆，使得流过旋转体的油液速度加快，有利于发电，固定架套在短节上并通过螺钉固定在短节上，固定架分为上下两个，对称安装。

5.如权利要求1所述的一种基于压电晶体自供电的抽油机井下信号测量与无线传输系统，其特征在于：信号测量与无线传输装置的安装位置需要根据不同的井深和井下环境来综合考虑，若只需要测量最底部的数据，本装置可以每隔一定的距离安装一个，最下方的装置用于发射/接收无线信号，其余的用于无线中继，使得无线信号可以覆盖地面与整个抽油井。

6.如权利要求1所述的一种基于压电晶体自供电的抽油机井下信号测量与无线传输系统其特征在于：若需要测量油井内指定深度的数据，每一个信号测量与无线传输装置既是中继也可以发射自己所在位置的传感器检测到的数据，将接收到的其他信号测量与无线传输装置发送的数据放大后发射出去。