CN110359888A - 一种用于井下节流器的自动调节系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于井下节流器的自动调节系统及其操作方法，包括设置在节流器锚定机构上端的测量短节骨架，测量短节骨架上设置有数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP分别与传感器组和电机组件连接，数字信号处理器DSP和传感器组之间设置有信号调理和数据采集单元，传感器组用于采集气嘴前、后压力、温度以及气嘴开度参数并经过信号调理和采集单元发送至数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP根据接收到的信息控制电机组件通过改变阀芯和阀座间流通面积调节气嘴的开度实现自动调节。利用井下节流器自动调节系统，只需要一次施工，就可以完成对节流器气嘴的调节，无需后期人工干预和测量，节约大量人力物力，可以实时有效的做出数据趋势分析。

Description

一种用于井下节流器的自动调节系统及其操作方法

技术领域

本发明属于油气田采气技术领域，具体涉及一种用于井下节流器的自动调节系统及其操作方法。

背景技术

在天然气开采生产过程中，普遍使用的是带有固定节流气嘴的活动式和固定式井下节流器，这些节流器都是纯机械式的。这种传统的井下节流器无法实时调节节流器气嘴的大小，必须通过关井和采取钢丝绳作业更换不同尺寸的气嘴来实现不同等级的节流功能，这种工作方式不但延长了作业时间，影响气井生产，也会增加施工费用，而且工艺过程复杂，费工费时。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于井下节流器的自动调节系统及其操作方法，只需要一次下井，无需后期更换节流器气嘴，减少下井次数、提高生产效率、降低施工作业风险，并适用于在深井和斜井内使用。

本发明采用以下技术方案：

一种用于井下节流器的自动调节系统，包括设置在节流器锚定机构上端的测量短节骨架，测量短节骨架上设置有数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP分别与传感器组和电机组件连接，数字信号处理器DSP和传感器组之间设置有信号调理和数据采集单元，传感器组用于采集气嘴前、后压力、温度以及气嘴开度参数并经过信号调理和采集单元发送至数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP根据接收到的信息控制电机组件通过改变阀芯和阀座间流通面积调节气嘴的开度实现自动调节。

具体的，信号调理和数据采集单元设置在电路板上，包括采样器，采样器一端与传感器组连接，另一端依次经过放大器、滤波器、调理器和AD转换器与数字信号处理器DSP连接。

进一步的，传感器组包括压力传感器、温度传感器和霍尔元件，压力传感器用于采集气嘴压力，温度传感器用于采集气嘴温度，霍尔元件用于采集气嘴过流面积，压力传感器、温度传感器和霍尔元件分别与采样器连接。

进一步的，压力传感器和温度传感器包括两组，对应设置在气嘴的前端和后端，分别用于采集气嘴前后的压力值和温度值。

进一步的，压力传感器采用恒压激励电路，温度传感器采用恒流激励电路。

具体的，电机组件包括电机，电机的一端与数字信号处理器DSP电连接，另一端通过减速器与丝杠连接，丝杠上设置的调节杆与轴承连接，通过轴承与锥形结构的阀芯连接。

具体的，数字信号处理器DSP还通过井下信号发送装置与井上控制单元连接，将发送数据转化为二进制表示的脉冲串形式发送给井上控制单元用于对井下节流器进行监测。

进一步的，井上控制单元包括井上信号接收单元，井下信号发送装置通过井上信号接收单元与PC机连接，井上信号接收单元和PC机之间设置有信号解码单元。

具体的，数字信号处理器DSP还分别与井下电源和数据存储单元连接。

一种井下节流器自动调节系统的操作方法，包括以下步骤：

S1、在节流器锚定机构上端安装测量短节骨架，将设置有数字信号处理器DSP和信号调理和数据采集单元的电路板设置在安装测量短节骨架上；

S2、在气嘴上设置霍尔元件，并在气嘴的前端设置第一温度传感器和第一压力传感器，在气嘴的后端设置第二温度传感器和第二压力传感器；

S3、在电机组件上安装保护电路，在电机工作时超过400mA时自动切断电路；

S4、数字信号处理器DSP根据气嘴前后压差计算流量Q_g和设定流量Q_s进行对比；当Q_g＞Q_s时，由电机带动阀杆向上部运转即节流口开度增大；当Q_g＜Q_s时，由电机带动阀杆向下部运转即节流口开度减少。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种用于井下节流器的自动调节系统，通过在节流器锚定机构上端的测量短节骨架上各设置数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP分别与设置在气嘴前后的传感器组连接，通过电机改变阀芯和阀座间流通面积调节气嘴的开度实现自动调节，利用井下节流器自动调节系统，只需要一次施工，就可以完成对节流器气嘴的调节，无需后期人工干预和测量，节约大量人力物力，同时利用传感器技术对井下压力和温度进行实时测量，可以向作业者提供井下的工作状况，可以实时有效的做出数据趋势分析。

进一步的，设置传感器的目的是为了实时监测节流器前后的压力、温度变化情况，便于确定气体流动状态是否临界流态或者非临界流态。

进一步的，气体在经过节流嘴前后，流动状态发生改变，因此在嘴前后放置传感器可以实时得到压力、温度参数值，方便后期计算，根据测量值自动调节气嘴。

进一步的，节流嘴径的调节是通过电机驱动锥形结构阀芯，改变阀芯同与其配合的阀座之间的流通面积，来调节气嘴的开度，从而达到节流降压的目的。

进一步的，数字信号处理器DSP通过井下信号发送装置与井上控制单元连接，完成对井下存储数据的提取，通过分析数据即可得到井下节流器的工作状况，实现了对节流器的长期监测；若改变气井的井况，可以由地面PC机，通过井上信号接收装置向井下发送命令，改变井下参数的设置，以上功能自动实现，避免了人工打捞节流器，节约施工费用。

本发明还公开了一种井下节流器自动调节系统的操作方法，在节流器锚定机构上端安装测量短节骨架，将设置有数字信号处理器DSP和信号调理和数据采集单元的电路板设置在安装测量短节骨架上；在气嘴上设置霍尔元件，并在气嘴的前端设置第一温度传感器和第一压力传感器，在气嘴的后端设置第二温度传感器和第二压力传感器；在电机组件上安装保护电路，在电机工作时超过400mA时自动切断电路；数字信号处理器DSP根据气嘴前后压差计算流量Q_g和设定流量Q_s进行对比；当Q_g＞Q_s时，由电机带动阀杆向上部运转即节流口开度增大；当Q_g＜Q_s时，由电机带动阀杆向下部运转即节流口开度减少，可以实现节流器嘴径自动调节，避免人工打捞更换，节约施工费用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构框架示意图；

图2为本发明信号采集及处理单元框图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种用于井下节流器的自动调节系统及其操作方法，依据流体节流理论，采用自动控制、信号处理和机电一体化等相关理论和技术研发的一套自动调节硬件支撑系统。

请参阅图1，本发明一种用于井下节流器的自动调节系统，自动调节系统包括分别设置在节流器锚定机构上端测量短节骨架上的电路板、传感器组和电机组件，传感器组与电路板上设置的信号调理和数据采集单元连接，通过信号调理和数据采集单元与控制和数据处理单元连接，控制和数据处理单元采用数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP与电机组件连接，通过改变阀芯和阀座间流通面积调节气嘴的开度，从而实现自动调节功能。

数字信号处理器DSP还通过井下信号发送装置与井上控制单元连接，用于对井下节流器进行监测，井上控制单元包括井上信号接收单元、信号解码单元以及PC机，井下信号发送装置与井上信号接收单元连接，井上信号接收单元通过信号解码单元与PC机连接，完成对井下存储数据的提取，通过分析数据即可得到井下节流器的工作状况，实现了对节流器的长期监测；若改变气井的井况，可以由地面PC机，通过井上信号接收装置向井下发送命令，改变井下参数的设置。

在向上发送数据时，由数字信号处理器DSP通过井下信号发送装置将要发送的数据转化为二进制表示的脉冲串形式进行发送；然后通过井上信号发送装置对井下发来的信号进行解析译码，之后再将得到的数据传给计算机。

控制和数据处理单元分别连接有用于供电的井下电源和用于存储的数据存储单元，控制和数据处理单元采用数字信号处理器DSP，数据存储单元用于对数字信号处理器DSP将气嘴前、后的压力温度传感器经过刻度换算计算出实际的压力、温度值即工程值，并将实际值进行存贮。

请参阅图2，传感器组将测试的气嘴前、后压力温度和气嘴开度参数经过信号调理和采集单元发送至数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP对优化后的数据进行分析、处理以及存储，再根据软件控制算法，数据相应的控制数据传递给运动控制卡，运动控制卡通过电机驱动锥形阀芯。

电路板上设置有井下数字信号处理器DSP和信号调理和数据采集单元；信号调理和数据采集单元包括采样器、放大器、滤波器、调理器、AD转换器；采样器、放大器、滤波器、调理器、AD转换器、以及数字信号处理器DSP依次连接。

传感器组包含有第一压力传感器、第一温度传感器、第二压力传感器、第二温度传感器和霍尔元件，第一压力传感器、第一温度传感器、第二压力传感器、第二温度传感器和霍尔元件均与信号采集单元的采样器相连接。

第一压力传感器用于采集气嘴前压力值，第一温度传感器用于采集气嘴前温度值，第二压力传感器用于采集气嘴后压力值，第二温度传感器用于采集气嘴后温度值，第一压力传感器和第二压力传感器采用恒压激励电路；第一温度传感器和第二温度传感器采用恒流激励电路；

霍尔元件用于采集气嘴的过流面积。

电机组件包含电机、减速器、丝杠、调节杆和轴承，电机和数字信号处理器DSP电连接；电机通过减速器与丝杠连接，丝杠上设置的调节杆与轴承连接，通过轴承与锥形阀芯连接，根据气嘴前后压差输出的动力驱动阀芯，改变阀芯同与其配合的阀座之间的流通面积，来调节气嘴的开度，从而达到节流降压的目的；

电机组件上安装有保护电路，在电机工作时超过400mA时，可自动切断电路，重新上电工作。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明用于井下节流器的自动调节系统的工作原理如下：

在节流器锚定机构上端安装有测量短节骨架，数字信号处理器DSP根据气嘴前后压差计算流量Q_g和设定流量Q_s进行对比；

当Q_g＞Q_s时，由电机带动阀杆向上部运转即节流口开度增大；

当Q_g＜Q_s时，由电机带动阀杆向下部运转即节流口开度减少。

节流形式采用锥阀结构，调节时更改锥形阀口节流环形间隙大小用于调节控制流量。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于井下节流器的自动调节系统，其特征在于，包括设置在节流器锚定机构上端的测量短节骨架，测量短节骨架上设置有数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP分别与传感器组和电机组件连接，数字信号处理器DSP和传感器组之间设置有信号调理和数据采集单元，传感器组用于采集气嘴前、后压力、温度以及气嘴开度参数并经过信号调理和采集单元发送至数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP根据接收到的信息控制电机组件通过改变阀芯和阀座间流通面积调节气嘴的开度实现自动调节。

2.根据权利要求1所述的一种用于井下节流器的自动调节系统，其特征在于，信号调理和数据采集单元设置在电路板上，包括采样器，采样器一端与传感器组连接，另一端依次经过放大器、滤波器、调理器和AD转换器与数字信号处理器DSP连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于井下节流器的自动调节系统，其特征在于，传感器组包括压力传感器、温度传感器和霍尔元件，压力传感器用于采集气嘴压力，温度传感器用于采集气嘴温度，霍尔元件用于采集气嘴过流面积，压力传感器、温度传感器和霍尔元件分别与采样器连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于井下节流器的自动调节系统，其特征在于，压力传感器和温度传感器包括两组，对应设置在气嘴的前端和后端，分别用于采集气嘴前后的压力值和温度值。

5.根据权利要求4所述的一种用于井下节流器的自动调节系统，其特征在于，压力传感器采用恒压激励电路，温度传感器采用恒流激励电路。

6.根据权利要求1所述的一种用于井下节流器的自动调节系统，其特征在于，电机组件包括电机，电机的一端与数字信号处理器DSP电连接，另一端通过减速器与丝杠连接，丝杠上设置的调节杆与轴承连接，通过轴承与锥形结构的阀芯连接。

7.根据权利要求1所述的一种用于井下节流器的自动调节系统，其特征在于，数字信号处理器DSP还通过井下信号发送装置与井上控制单元连接，将发送数据转化为二进制表示的脉冲串形式发送给井上控制单元用于对井下节流器进行监测。

8.根据权利要求7所述的一种用于井下节流器的自动调节系统，其特征在于，井上控制单元包括井上信号接收单元，井下信号发送装置通过井上信号接收单元与PC机连接，井上信号接收单元和PC机之间设置有信号解码单元。

9.根据权利要求1所述的一种用于井下节流器的自动调节系统，其特征在于，数字信号处理器DSP还分别与井下电源和数据存储单元连接。

10.一种根据权利要求1至9中任一项所述井下节流器自动调节系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在节流器锚定机构上端安装测量短节骨架，将设置有数字信号处理器DSP和信号调理和数据采集单元的电路板设置在安装测量短节骨架上；

S2、在气嘴上设置霍尔元件，并在气嘴的前端设置第一温度传感器和第一压力传感器，在气嘴的后端设置第二温度传感器和第二压力传感器；

S3、在电机组件上安装保护电路，在电机工作时超过400mA时自动切断电路；

S4、数字信号处理器DSP根据气嘴前后压差计算流量Q_g和设定流量Q_s进行对比；当Q_g＞Q_s时，由电机带动阀杆向上部运转即节流口开度增大；当Q_g＜Q_s时，由电机带动阀杆向下部运转即节流口开度减少。