CN112630464A - 一种柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的测试装置及方法，所述柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的测试装置以转动杆和红外线测速仪为核心，包括：滑动装置、转动装置和测试系统；所述滑动装置由右部滑轨Ⅰ与下部滑轨Ⅱ拼接而成；所述转动装置两端分别固定于右部滑轨Ⅰ与下部滑轨Ⅱ上；所述测试系统记录并计算柱塞下落速度。本装置能够模拟不同井眼轨迹下柱塞的下落情况，能够有效地测定不同井斜角下柱塞下落时速度的瞬时变化量，精简了实验流程与提高了实验数据精度。

Description

一种柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及石油井下工具测试技术领域，尤其涉及一种柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的测试装置及方法。

背景技术

随着国内外对石油与天然气能源需求的增加，国内各油田公司不但重视国内石油资源的勘探和开采，而且积极进行天然气井开发与增产。随着气井生产到达中后期，井底压力、产气量均降低，气井携液能力变差，井筒内气体流速过小而无法到达连续排液的目的，以致井筒积液不断增多，引发井底回压增大、产气量降低等问题，严重影响气井生产能力及使用寿命，这就需要进行气井排水措施。柱塞气举排水采气技术是利用柱塞做气液物理界面，大幅减少井筒内的滑脱损失，利用气井自身能量推动柱塞将井筒中的液体举升到地面的一种排水采气方式，它具有工艺简单、设备自动化程度高、成本低等特点，特别适用于低产小水量气井的排水采气。近年来，柱塞举升排水采气在塔里木、新疆化及大庆、四川、迁河、中原、吐哈等油田已得到了广泛的应用，取得了较好的效果，但大多研究成果还需要深化，对柱塞的动态模拟特别是对柱塞下落瞬时速度的测定仍存在认识不清的问题。因此，急需建立一套装置测试柱塞在不同斜度井中下落的瞬时速度。

现场实验气井只能提供柱塞下落的初始速度与井身结构(包含井筒内径大小、井眼轨迹与气井斜率)，而柱塞在不同斜度的井中下落的实时速度没法准确测量，这造就了对于柱塞下落运动认识不清，柱塞速度过慢可能在倾斜管中存在卡阻等现象，柱塞速度过快可能造成柱塞与井壁以及与下部座落器的剧烈碰撞，严重降低了柱塞的使用寿命。目前国内外还没有一种装置及方法可以有效的测量柱塞在不同斜度井中下落的瞬时速度；同时为了模拟气井中的井眼轨迹，通常实验需要很长的PC管，并且很难做到与气井中的井眼轨迹相匹配。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的测试装置及方法，旨在解决现有技术中对柱塞的动态模拟特别是对柱塞下落瞬时速度的测定仍存在认识不清的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的测试装置及方法，所述柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的测试装置以转动杆和红外线测速仪为核心，包括：滑动装置、转动装置和测试系统；所述滑动装置由右部滑轨Ⅰ与下部滑轨Ⅱ拼接而成；所述转动装置两端分别固定于右部滑轨Ⅰ与下部滑轨Ⅱ上；所述测试系统记录并计算柱塞下落速度。

所述滑动装置的右部滑轨Ⅰ从上到下依次由轨道上挡板1、轨道横杆Ⅰ、轨道下挡板拼接而成，所述右部滑轨Ⅰ装有滑块Ⅰ和滑块Ⅲ；所述下部滑轨Ⅱ从左到右依次由轨道左挡板、轨道横杆Ⅱ、轨道右挡板拼接而成，所述下部滑轨Ⅱ装有滑块Ⅱ。

所述滑块Ⅰ上装有自动化速度控制器Ⅰ，所述滑块Ⅱ上装有自动化速度控制器Ⅱ，所述自动化速度控制器Ⅰ和所述自动化速度控制器Ⅱ通过电线连接至计算机，用以实现滑块Ⅰ与滑块Ⅱ按计算机设定的速度分别在滑轨Ⅰ与滑轨Ⅱ上自动运动。

所述转动装置包括：连接器Ⅰ、连杆Ⅰ、销轴Ⅰ、门架支耳Ⅰ、固定底座Ⅰ、转动杆、柱塞、固定底座Ⅱ、连接器Ⅱ、连杆Ⅱ、销轴Ⅱ、门架支耳Ⅱ和固定杆；所述转动杆上部与下部分别接上固定底座Ⅰ与固定底座Ⅱ，所述柱塞置于转动杆中，所述固定杆右端固定于滑块Ⅰ上，所述固定杆左下方焊有门架支耳Ⅰ，所述门架支耳Ⅱ固定于滑块Ⅱ上，所述门架支耳Ⅰ间由销轴Ⅰ与连杆Ⅰ连接而成，所述门架支耳Ⅱ间由销轴Ⅱ与连杆Ⅱ连接而成，所述固定底座Ⅰ与门架支耳Ⅰ间由连接器Ⅰ连接，固定底座Ⅱ与门架支耳Ⅱ间由连接器Ⅱ连接，所述转动装置用以实现滑块Ⅰ与滑块Ⅱ实时运动状态的改变，同时控制转动杆与底部滑轨Ⅱ所成斜率的实时变化。

所述转动杆由PC管按照井下套管内径制作而成。

所述测试系统包括：红外光源Ⅰ、红外光源Ⅱ、激光发射器Ⅰ、激光发射器Ⅱ、红外追踪仪和激光测距仪；所述红外光源Ⅰ与红外光源Ⅱ分别安装于柱塞顶部与底部；所述红外追踪仪安装在滑块Ⅲ上，所述滑块Ⅲ可在滑轨Ⅰ上移动用以调整红外追踪仪位置；所述激光发射器Ⅰ与激光发射器Ⅱ分别安装在固定杆与滑块Ⅱ上，所述激光测距仪安装于底部滑轨Ⅱ，所述红外追踪仪与激光测距仪通过电线接入计算机。

一种测试柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的方法，包括如下步骤：

S1：连接瞬时速度测试装置，确保在电脑的控制下滑块Ⅰ与滑块Ⅱ能分别在滑轨Ⅰ与滑轨Ⅱ上正常运动，同时激光测距仪与红外追踪仪能正常使用并将所测数据准确地导入计算机成像；

S2：根据现场提供的实际井斜变化率在计算机中分别设置好右侧滑块Ⅰ与下部滑块Ⅱ的运动速度的变化与方向，具体包括如下子步骤：

所述右侧滑块Ⅰ与下部滑块Ⅱ的运动速度满足以下关系：

v₁t＝Δx₁ (1)

v₂t＝Δx₂ (2)

式中，v₁为滑块Ⅰ在滑轨Ⅰ上的瞬时运动速度，单位m/s；v₂为滑块Ⅱ在滑轨Ⅱ上的瞬时运动速度，单位m/s；t为单位运动时间，单位s；Δx₁为滑块Ⅰ在滑轨Ⅰ上单位时间内的位移量，m；Δx₂为滑块Ⅱ在滑轨Ⅱ上单位时间内的位移量，m；l为转动杆与上下连接器总的长度，单位m；x₁为滑块Ⅰ距滑轨Ⅰ轨道下挡板距离，单位m；x₂为滑块Ⅱ距滑轨Ⅱ轨道下挡板距离，单位m；α₂为t时刻转动杆与滑轨Ⅱ所成斜率，单位°。

联立式(1)～(4)得：

S3：将装有红外光源的柱塞放入转动杆中，在柱塞运动的同时利用计算机控制自动化速度控制器使得滑块按设定的速度在滑轨上运动；

S4：超声波测距仪接收超声波发射器发出的超声波信号，传入计算机，计算并绘制出斜率变化曲线；具体包括如下子步骤：

斜率变化满足以下关系：

α₁为初始时刻转动杆与滑轨Ⅱ所成斜率，单位°；α₂为t时刻转动杆与滑轨Ⅱ所成斜率，单位°；

t时间间隔内，斜率变化量Δα

S5：装有红外光源的柱塞在转动杆中下落的过程中，红外追踪仪实时记录红外光源的位置与瞬时速度变化，将数据导入计算机中计算成像。

S6：对比红外光源瞬时速度变化与转动杆斜率变化即可得出柱塞在斜度变化的井中下落的瞬时速度；

S7：换用不同类型的柱塞与不同尺寸的转动杆，改变滑块运动速度，重复S2-S6，得到不同柱塞在不同斜度变化率的井中下落的瞬时速度。

本发明具有以下有益效果：

(1)实现对于柱塞在不同井斜角下落瞬时速度的准确预测；

(2)实现不同柱塞在同一井斜角变化率下瞬时速度的对比；

(3)实现同一柱塞在不同尺寸套管中下落瞬时速度的对比；

(4)实现柱塞在不同井斜角变化率下落瞬时速度的准确预测；

(5)在不同条件下，柱塞下落速度时间的测量；

(6)对柱塞下落的通过性研究、受力分析以及安全评价提供数据支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的右部滑轨结构侧视图；

图3为本发明的底部滑轨结构俯视图；

图4为本发明的转动连接装置结构图；

图5为本发明的柱塞与红外光源结构图；

图6为本发明的柱塞运动到不同位置的运动轨迹图。

图中，1-轨道上挡板、2-滑轨Ⅰ、3-轨道横杆Ⅰ、4-自动化速度控制器Ⅰ、5-滑块Ⅰ、6-轨道下挡板、7-轨道左挡板、8-滑轨Ⅱ、9-滑块Ⅱ、10-自动化速度控制器Ⅱ、11-轨道横杆Ⅱ、12-轨道右挡板、13-滑块Ⅲ、14-连接器Ⅰ、15-连杆Ⅰ、16-销轴Ⅰ、17-门架支耳Ⅰ、18-固定底座Ⅰ、19-转动杆、20-红外光源Ⅰ、21-柱塞、22-红外光源Ⅱ、23-固定底座Ⅱ、24-连接器Ⅱ、25-连杆Ⅱ、26-销轴Ⅱ、27-门架支耳Ⅱ、28-激光发射器Ⅰ、29-激光发射器Ⅱ、30-红外追踪仪、31-激光测距仪、32-固定杆。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

本发明提出了一种实施例，参照图1，图1为本发明提出的一种测试柱塞21在不同斜度井中下落瞬时速度的装置的整体结构示意图。

如图1所示，在本实施例中，一种测试柱塞21在不同斜度井中下落瞬时速度的装置和方法，所述测试柱塞21在不同斜度井中下落瞬时速度的装置以转动杆19和红外线测速仪为核心，包括：滑动装置、转动装置和测试系统。

在本实施例中，所述滑动装置由右部滑轨Ⅰ2与下部滑轨Ⅱ8拼接而成；所述右部滑轨Ⅰ2从上到下依次由轨道上挡板1、轨道横杆Ⅰ3、轨道下挡板6拼接而成，所述右部滑轨Ⅰ2装有滑块Ⅰ5和滑块Ⅲ13；所述下部滑轨Ⅱ8从左到右依次由轨道左挡板7、轨道横杆Ⅱ11、轨道右挡板12拼接而成，所述下部滑轨Ⅱ8装有滑块Ⅱ9。

在本实施例中，所述滑块Ⅰ5上装有自动化速度控制器Ⅰ4，所述滑块Ⅱ9上装有自动化速度控制器Ⅱ10，所述自动化速度控制器Ⅰ4和所述自动化速度控制器Ⅱ10通过电线连接至计算机，用以实现滑块Ⅰ5与滑块Ⅱ9按计算机设定的速度分别在滑轨Ⅰ2与滑轨Ⅱ8上自动运动。

在本实施例中，所述转动装置包括：连接器Ⅰ14、连杆Ⅰ15、销轴Ⅰ16、门架支耳Ⅰ17、固定底座Ⅰ18、转动杆19、柱塞21、固定底座Ⅱ23、连接器Ⅱ24、连杆Ⅱ25、销轴Ⅱ26、门架支耳Ⅱ27和固定杆32；所述转动杆19上部与下部分别接上固定底座Ⅰ18与固定底座Ⅱ23，所述柱塞21置于转动杆19中，所述固定杆32右端固定于滑块Ⅰ5上，所述固定杆32左下方焊有门架支耳Ⅰ17，所述门架支耳Ⅱ27固定于滑块Ⅱ9上，所述门架支耳Ⅰ17间由销轴Ⅰ16与连杆Ⅰ15连接而成，所述门架支耳Ⅱ27间由销轴Ⅱ26与连杆Ⅱ25连接而成，所述固定底座Ⅰ18与门架支耳Ⅰ17间由连接器Ⅰ14连接，固定底座Ⅱ23与门架支耳Ⅱ27间由连接器Ⅱ24连接，所述转动装置用以实现滑块Ⅰ5与滑块Ⅱ9实时运动状态的改变，同时控制转动杆19与底部滑轨Ⅱ8所成斜率的实时变化。

在本实施例中，所述转动杆19由PC管按照井下套管内径制作而成。

在本实施例中，所述测试系统包括：红外光源Ⅰ20、红外光源Ⅱ、激光发射器Ⅰ28、激光发射器Ⅱ29、红外追踪仪30和激光测距仪31；所述红外光源Ⅰ20与红外光源Ⅱ22分别安装于柱塞21顶部与底部；所述红外追踪仪30安装在滑块Ⅲ13上，所述滑块Ⅲ13可在滑轨Ⅰ2上移动用以调整红外追踪仪30位置；所述激光发射器Ⅰ28与激光发射器Ⅱ29分别安装在固定杆32与滑块Ⅱ9上，所述激光测距仪31安装于底部滑轨Ⅱ8，所述红外追踪仪30与激光测距仪31通过电线接入计算机。

如图2所示，滑块Ⅰ5按照图示方法安装于滑轨Ⅰ2上、实现计算机设定的速度于自动化速度控制器Ⅰ4控制滑块Ⅰ5在滑轨Ⅰ2上自动运动。

如图3所示，滑块Ⅱ9按照图示方法安装于滑轨Ⅱ8上、实现计算机设定的速度于自动化速度控制器Ⅱ10控制滑块Ⅱ9在滑轨Ⅱ8上自动运动。

如图4所示，门架支耳Ⅰ17间由销轴Ⅰ16与连杆Ⅰ15连接而成，连接器Ⅰ14与连杆Ⅰ15相连接，确保连接器Ⅰ14能在连杆Ⅰ15上自由转动。

在本实施例中，一种测试柱塞21在不同斜度井中下落瞬时速度的方法，包括如下步骤：

S1：连接瞬时速度测试装置，确保在电脑的控制下滑块Ⅰ5与滑块Ⅱ9能分别在滑轨Ⅰ2与滑轨Ⅱ8上正常运动，同时激光测距仪31与红外追踪仪30能正常使用并将所测数据准确地导入计算机成像；

S2：根据现场提供的实际井斜变化率在计算机中分别设置好右侧滑块Ⅰ5与下部滑块Ⅱ9的运动速度的变化与方向，具体包括如下子步骤：

所述右侧滑块Ⅰ5与下部滑块Ⅱ9的运动速度满足以下关系：

v₁t＝Δx₁ (I)

V₂t＝Δx₂ (2)

式中，v₁为滑块Ⅰ5在滑轨Ⅰ2上的瞬时运动速度，单位m/s；v₂为滑块Ⅱ9在滑轨Ⅱ8上的瞬时运动速度，单位m/s；t为单位运动时间，单位s；Δx₁为滑块Ⅰ5在滑轨Ⅰ2上单位时间内的位移量，m；Δx₂为滑块Ⅱ9在滑轨Ⅱ8上单位时间内的位移量，m；l为转动杆19与上下连接器总的长度，单位m；x₁为滑块Ⅰ5距滑轨Ⅰ2轨道下挡板6距离，单位m；x₂为滑块Ⅱ9距滑轨Ⅱ8轨道下挡板6距离，单位m；α₂为t时刻转动杆19与滑轨Ⅱ8所成斜率，单位°。

联立式(1)～(4)得：

S3：将装有红外光源的柱塞21放入转动杆19中，在柱塞21运动的同时利用计算机控制自动化速度控制器使得滑块按设定的速度在滑轨上运动；

S4：超声波测距仪接收超声波发射器发出的超声波信号，传入计算机，计算并绘制出斜率变化曲线；具体包括如下子步骤：

斜率变化满足以下关系：

α₁为初始时刻转动杆19与滑轨Ⅱ8所成斜率，单位°；α₂为t时刻转动杆19与滑轨Ⅱ8所成斜率，单位°；

t时间间隔内，斜率变化量Δα

S5：装有红外光源的柱塞21在转动杆19中下落的过程中，红外追踪仪30实时记录红外光源的位置与瞬时速度变化，将数据导入计算机中计算成像。

S6：对比红外光源瞬时速度变化与转动杆19斜率变化即可得出柱塞21在斜度变化的井中下落的瞬时速度；

S7：换用不同类型的柱塞21与不同尺寸的转动杆19，改变滑块运动速度，重复S2-S6，得到不同柱塞21在不同斜度变化率的井中下落的瞬时速度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的测试装置，其特征在于，所述柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的测试装置以转动杆（19）和红外线测速仪（31）为核心，包括：滑动装置、转动装置和测试系统；所述滑动装置由右部滑轨Ⅰ（2）与下部滑轨Ⅱ（8）拼接而成；所述转动装置两端分别固定于右部滑轨Ⅰ（2）与下部滑轨Ⅱ（8）上；所述测试系统记录并计算柱塞下落速度。

2.如权利要求1所述的一种柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的测试装置，其特征在于，所述右部滑轨Ⅰ（2）从上到下依次由轨道上挡板（1）、轨道横杆Ⅰ（3）、轨道下挡板（6）拼接而成，所述右部滑轨Ⅰ（2）装有滑块Ⅰ（5）和滑块Ⅲ（13）；所述下部滑轨Ⅱ（8）从左到右依次由轨道左挡板（7）、轨道横杆Ⅱ（11）、轨道右挡板（12）拼接而成，所述下部滑轨Ⅱ（8）装有滑块Ⅱ（9）。

3.如权利要求2所述的一种柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的测试装置，其特征在于，所述滑块Ⅰ（5）上装有自动化速度控制器Ⅰ（4），所述滑块Ⅱ（9）上装有自动化速度控制器Ⅱ（10），所述自动化速度控制器Ⅰ（4）和所述自动化速度控制器Ⅱ（10）通过电线连接至计算机，用以实现滑块Ⅰ（5）与滑块Ⅱ（9）按计算机设定的速度分别在滑轨Ⅰ（2）与滑轨Ⅱ（8）上自动运动。

4.如权利要求1所述的一种柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的测试装置，其特征在于，所述转动装置包括：连接器Ⅰ（14）、连杆Ⅰ（15）、销轴Ⅰ（16）、门架支耳Ⅰ（17）、固定底座Ⅰ（18）、转动杆（19）、柱塞（21）、固定底座Ⅱ（23）、连接器Ⅱ（24）、连杆Ⅱ（25）、销轴Ⅱ（26）、门架支耳Ⅱ（27）和固定杆（32）；所述转动杆（19）上部与下部分别接上固定底座Ⅰ（18）与固定底座Ⅱ（23），所述柱塞（21）置于转动杆（19）中，所述固定杆（32）右端固定于滑块Ⅰ（5）上，所述固定杆（32）左下方焊有门架支耳Ⅰ（17），所述门架支耳Ⅱ（27）固定于滑块Ⅱ（9）上，所述门架支耳Ⅰ（17）间由销轴Ⅰ16与连杆Ⅰ15连接而成，所述门架支耳Ⅱ（27）间由销轴Ⅱ（26）与连杆Ⅱ（25）连接而成，所述固定底座Ⅰ（18）与门架支耳Ⅰ（17）间由连接器Ⅰ（14）连接，固定底座Ⅱ（23）与门架支耳Ⅱ（27）间由连接器Ⅱ（24）连接，所述转动装置用以实现滑块Ⅰ（5）与滑块Ⅱ（9）实时运动状态的改变，同时控制转动杆（19）与底部滑轨Ⅱ（8）所成斜率的实时变化。

5.如权利要求4所述的一种柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的测试装置，其特征在于，所述转动杆（19）由PC管按照井下套管内径制作而成。

6.如权利要求1所述的一种柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的测试装置，其特征在于，所述测试系统包括：红外光源Ⅰ（20）、红外光源Ⅱ（22）、激光发射器Ⅰ（28）、激光发射器Ⅱ（29）、红外追踪仪（30）和激光测距仪（31）；所述红外光源Ⅰ（20）与红外光源Ⅱ（22）分别安装于柱塞（21）顶部与底部；所述红外追踪仪（30）安装在滑块Ⅲ（13）上，所述滑块Ⅲ（13）可在滑轨Ⅰ（2）上移动用以调整红外追踪仪（30）位置；所述激光发射器Ⅰ(28)与激光发射器Ⅱ(29)分别安装在固定杆(32)与滑块Ⅱ(9)上，所述激光测距仪（31）安装于底部滑轨Ⅱ（8），所述红外追踪仪（30）与激光测距仪（31）通过电线接入计算机。

7.一种测试柱塞在不同斜度井中下落瞬时速度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：连接瞬时速度测试装置，确保在电脑的控制下滑块Ⅰ与滑块Ⅱ能分别在滑轨Ⅰ与滑轨Ⅱ上正常运动，同时激光测距仪与红外追踪仪能正常使用并将所测数据准确地导入计算机成像；

S2：根据现场提供的实际井斜变化率在计算机中分别设置好右侧滑块Ⅰ与下部滑块Ⅱ的运动速度的变化与方向；

S3：将装有红外光源的柱塞放入转动杆中，在柱塞运动的同时利用计算机控制自动化速度控制器使得滑块按设定的速度在滑轨上运动；

S4：超声波测距仪接收超声波发射器发出的超声波信号，传入计算机，计算并绘制出斜率变化曲线；

S5：装有红外光源的柱塞在转动杆中下落的过程中，红外追踪仪实时记录红外光源的位置与瞬时速度变化，将数据导入计算机中计算成像；

S6：对比红外光源瞬时速度变化与转动杆斜率变化即可得出柱塞在斜度变化的井中下落的瞬时速度；

S7：换用不同类型的柱塞与不同尺寸的转动杆，改变滑块运动速度，重复S2-S6，得到不同柱塞在不同斜度变化率的井中下落的瞬时速度。

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