CN114109314A - 一种用于节流井下水合物监控与防治的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于节流井下水合物监控与防治的装置，包括节流器、气动发电机、加热器、压变和温变监测装置；天然气井底节流器两端会形成超高压差，气流速度可以达到声速，利用节流器的前后压差对气动发电机进行发电，提供的电能为井底的其他设备持续提供电能。电能主要为加热器进行加热和为、压变和温变监测装置供能；节流过程的天然气经过加热温度上升至水合物形成点的温度以上，就能有效地降低井底水合物形成带来的事故发生率，也为油田节能增效提供了一种解决方案。此外仪器将井底的温度、压力通过超声波在井筒固体中的传播至地面，地面接收器接收后通过计算机解码并进行计算来确认井筒是否存在水合物生成的风险。

Description

一种用于节流井下水合物监控与防治的装置

技术领域

本发明涉及天然气气井生产技术领域，尤其是一种用于节流井下水合物监控与防治的装置。

背景技术

在天然气气井生产中，由于气藏的高压或者异常高压对井口设备存在风险，因此常采用井下节流的方式来降低井口的压力。井下节流技术就是在井下某一深度油管内座放一定规格的节流器，实现井筒中节流降压，将压能转变成动能，提高流体流动速度，使节流后的流体始终保持临界流动状态，减少井口压力波动对井底的影响。现有的节流器包括油嘴、中心管、托管、弹簧、下推进器、上推进器、密封胶筒、卡瓦等部件。节流时，使天然气只通过节流器下方的油嘴依次进入中心管、管道，因油嘴的直径远远小于管道的直径，从而控制进入管道的天然气流量，实现管道内的节流降压。但是在节流过程由于焦耳-汤姆逊效应使得节流后的井筒容易产生低温区域，天然气水混合物的容易产生水合物，严重时造成整井堵塞和生产安全，由此带来的损失不可估量。

发明内容

本发明的目的是针对现有节流器在节流过程由于焦耳-汤姆逊效应使得节流后的井筒容易产生低温区域，天然气水混合物的容易产生水合物，造成整井堵塞和生产安全的问题，提供一种用于节流井下水合物监控与防治的装置。

本发明提供的用于节流井下水合物监控与防治的装置，主要利用天然气井底节流器两端会形成超高压差，气流速度可以达到声速，利用节流器的前后压差能通过气动电机进行发电，为井底的其他设备持续提供电能。电能的主要作用：为加热器进行供电加热；为压变和温变监测装置供电。节流过程的天然气经过加热温度上升至水合物形成点的温度以上，就能有效地降低井底水合物形成带来的事故。将井底的温度、压力通过超声波在井筒固体中的传播至地面，地面接收器接收后通过计算机解码并进行计算来确认井筒是否存在水合物生成的风险。

本发明提供的用于节流井下水合物监控与防治的装置，主要结构包括节流器、气动发电机、加热器、压变和温变监测装置。节流器包括节流与坐卡装置。

所述节流器顶端连接一竖直向上的圆筒形壳体一，壳体一底端接口与节流器顶端螺纹连接，所述壳体一内设置由下至上依次设置气动发电机、加热器、压变和温变监测装置。节流器顶端节流嘴连接气动发电机的进气口，气动发电机为加热器、压变和温变监测装置供电。所述加热器为电涡流加热器，用于对节流后的天然气加热。所述气动发电机的结构包括壳体二、定子、转子、底端接头。所述壳体二底端开口，顶端密封并设置气流出口，壳体二底端开口处与底端接头螺纹连接。所述壳体二内壁面设置绕线槽，绕线槽内缠绕设置线圈。壳体二中心设置转子，所述转子由实心圆柱体和套设在实心圆柱体表面的圆环体组成。实心圆柱体的表面均匀开设数条沿轴线方向的螺旋孔道，实心圆柱体的表面还设置有至少两条轴向的凸条，圆环体内壁面开设条形凹槽，实心圆柱形和圆环体之间通过凸条与凹槽卡合连接。圆环体表面还开设气孔。所述转子的圆环体内等间距设置数个永磁条。转子与绕线槽之间的空隙内设有环形的抗磨损非导磁保护层。所述底端接头中心开设天然气进气口，实心圆柱体底端与天然气进气口连接。底端接头内侧开设以中心点为圆心的环形插槽，抗磨损非导磁保护层底端固定于环形插槽内。环形插槽的内侧设置同圆心的环形滑槽，滑槽位于圆环体的正下方，滑槽内设置滚珠。所述转子的圆环体底端设置环形凸起，环形凸起以活动的方式限位于底端接头的滑槽内。底端接头上开设输出电流布线孔。螺旋孔道作为气流通道，在气流的作用下提供旋转力矩，驱动转子转动进行发电。

所述压变和温变监测装置包括圆柱形壳体三，壳体三内底面设置电路板和压力感应器，压力传感器包括压力探针和合金电阻片，壳体三中部壁面环绕设置一圈热敏电阻片，热敏电阻片和合金电阻片分别通过引脚与电路板连接，壳体三顶面设置为倾斜面，倾斜面上设置固定设置压电晶片一和压电晶片二，壳体三内部靠近倾斜面的位置设置用于吸收多余超声波的颗粒填充物；两个压电晶片连接电路板，压电晶片一和压电晶片二分别用于将温度信号和压力信号转换为超声波。所述壳体三底部设置可旋转支架，支架底端连接底座，底座通过螺钉与气动发电机顶部固定连接。所述壳体三侧面底部设置一横向弹簧，横向弹簧另一端与壳体一内壁面连接，弹簧内部设置与壳体三连接的拉断杆。

所述电路板包括压力或者温度信号的转换器模块、将交流转换为直流电的供能模块以及超声波发生器模块。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

(1)与普通节流器相比，本发明的装置增加了涡流加热器，节流后对已经降温的天然气加热，提高天然气内能，从而使天然气的流温高于水合物形成条件的温度。通过发电机将天然气压差能转换为电能，使得将对井口的温度、压力监控改为对井底的温度压力监控，让施工单位对生产决策变得更为快捷有效，减少因误差决策带来的损失。除了井底节流装置外，井口有信号接受器和温度压力传感器，通过对井底和井口的温度压力场进行布控，实时计算整个井筒的状况。发电机、加热器、压变和温变监测装置都是独立设计可以多个配合安装，等效于各个发电机并联供能，单个发电机故障时不影响设备总体运行，同时能够在减小单个发电机体型的同时能够为负载提供大电流和大功率。

(2)本发明的压变和温变监测装置，将压力和温度变化信号转换为电阻的改变，电阻的改变使得电路上高平信号的占空比变化，从而达到控制超声波的调制信号的目的。利用温敏电阻的改变来控制电路上高平信号的占空比，达到调制超声波信号的目的。将压变与温变监测设计在同一个电路和容器中，有效地利用了井下有限的空间。

(3)本发明的整套装置兼具有节流、发电、加热和发射信号的功能，将井底节流前后的压差能转换为电能、内能、信号。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1、本发明的用于节流井下水合物监控与防治的装置结构示意图。

图2、气动发电机的整体结构示意图。

图3、气动发电机的各部件结构示意图。

图4、压变和温变监测装置的结构示意图。

图5、压变和温变监测装置的主控制电路图。

图6、与本发明的用于节流井下水合物监控与防治的装置配套使用的地面装置结构示意图。

图中标号：井下油管3、调节螺母1、固定螺丝2、托管4、弹簧5、下推进器6、下密封胶筒7、上密封胶筒8、销钉筒9、上推进器10、卡瓦11、滑槽12、固定器13、螺纹接口14、气动发电机15、加热器16、气动发电机17、压变和温变监测装置18、壳体一19、壳体二20、定子21、转子22、底端接头23、绕线槽24、实心圆柱体25、圆环体26、螺旋孔道27、凸条28、条形凹槽29、气孔30、永磁条31、抗磨损非导磁保护层32、天然气进气口33、环形插槽34、环形滑槽35、环形凸起36、电流布线孔37、壳体三38、电路板39、压力探针40、合金电阻片41、热敏电阻片42、压电晶片一43、压电晶片二44、保护壳61、颗粒填充物45、可旋转支架46、底座47、螺钉孔48、弹簧49、拉断杆50、保护壳51、壳体52、线管53、计算中心54、输入总线53、井口周围阵列超声波接收器56、压力表57、油管超声波接收器58、温度传感器59、流量计60、保护壳61。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-6所示，本发明提供的用于节流井下水合物监控与防治的装置，主要结构包括节流器、气动发电机、加热器、压变和温变监测装置。所述节流器可以采用本领域公知的常规节流器。节流器的主要结构是节流与坐卡装置。

例如图1所示的实施例中，给出了一种节流器的具体结构图以及节流器与气动发电机、加热器、压变和温变监测装置的连接结构示意图。如图1所示，本发明的用于节流井下水合物监控与防治的装置结构。该装置使用时下入井下油管3内。其中，所述节流器的结构由下至上依次包括调节螺母1、固定螺丝2、托管4、托管4内设置弹簧5、弹簧5上端设置下推进器6、托管4上部设置下密封胶筒7、上密封胶筒8、销钉筒9、上推进器10、上推进器10外侧设置卡瓦11、滑槽12、固定器13，节流器顶端设置螺纹接口14。

图1节流器的连接分为三层管，中心管、中间管、卡瓦。最内部的中心管并与节流气孔为一体，中心管下部连接下推进器6，推进器的主要作用是在天然气的压力下产生向上的推力，推进器的上部与电机的外壳为一体，推进器的下部由弹簧5与调节螺母连接并与一根可拉断的杆件连接，在节流器坐封前弹簧处于压缩状态，节流器坐封后弹簧处于伸长状态并与天然气同时给推进器6提供向上的推力。在推进器管与外层卡瓦之间有一层中间管，中间管与上推进器10为一体，在下井前，中间管与外层卡瓦都是悬挂在中心管与下推进器上，中间管10也就是上推进器上有两层胶筒，胶筒在受到向上推力的时候膨胀密封整个井筒，外层卡瓦11在受到上推进器向上推力的时候两侧扩张使得齿与井壁咬合来使得整个节流器固定在井壁上。当需要卸载节流器时只需要下压最中间的推进器，带动中间管往下运行实现解封。

所述节流器顶端连接一竖直向上的圆筒形壳体一19，壳体一19底端接口与节流器顶端的螺纹接口14进行螺纹连接。所述壳体一19内设置由下至上依次设置气动发电机15、加热器16、气动发电机17、压变和温变监测装置18。气动发电机15和气动发电机17结构相同。气动发电机15为加热器16供电。气动发电机17为压变和温变监测装置18供电。所述加热器16为电涡流加热器，用于对节流后的天然气加热。图1中显示的是两个气动发电机分为电涡流加热器、压变和温变监测装置供电。在其他实施例中，也可以使用一个气动发电机同时为电涡流加热器、压变和温变监测装置供电。

如图2和3所示，所述气动发电机的结构包括壳体二20、定子21、转子22、底端接头23。所述壳体二20底端开口，顶端密封并设置气流出口，壳体二20底端开口处与底端接头23螺纹连接。所述壳体二内壁面设置绕线槽24，绕线槽内缠绕设置线圈形成电机定子21。壳体二中心设置转子22，所述转子由实心圆柱体25和套设在实心圆柱体表面的圆环体26组成。实心圆柱体的表面均匀开设数条沿轴线方向的螺旋孔道27，螺旋孔道27呈矩阵分布。实心圆柱体的表面还设置有至少两条轴向的凸条28，圆环体内壁面开设条形凹槽29，实心圆柱形和圆环体之间通过凸条与凹槽卡合连接。圆环体表面还开设气孔30。所述转子的圆环体内等间距设置数个永磁条31。转子与绕线槽之间的空隙内设有环形的抗磨损非导磁保护层32。所述底端接头中心开设天然气进气口33，实心圆柱体底端与天然气进气口连接天然气进气口33连接节流器顶端节流嘴。底端接头内侧开设以中心点为圆心的环形插槽34，抗磨损非导磁保护层底端固定于环形插槽内。环形插槽的内侧设置同圆心的环形滑槽35，滑槽位于圆环体26的正下方，滑槽内设置滚珠。所述转子的圆环体26底端设置环形凸起36，环形凸起以活动的方式限位于底端接头的滑槽35内。底端接头上开设输出电流布线孔37。螺旋孔道27作为气流通道，在气流的作用下提供旋转力矩，驱动转子转动进行发电。

所述气动发电机的工作原理：(1)矩阵排布的螺旋孔道27在气流的作用下提供稳定的旋转力矩，驱动转子转动，整个转子带动永磁条旋转使得定子线圈产生感应电动势；(2)螺旋孔道27产生向上的浮力使转子悬浮来降低机械磨损。(3)螺旋孔道27与气孔30共同提供电机冷却的风道，利用节流后的低温天然气冷却整个发电机，同时对天然气也进行了初加热；(4)当气井压力衰减到一定程度后不足以支撑转子的重量后，底端接头23上设置的滑槽35内钢珠与转子接触，将滑动摩擦转为滚动摩擦达到降低机械磨损。

如图4所示，所述压变和温变监测装置18包括圆柱形壳体三38，壳体三内底面设置电路板39和压力感应器，电路板39上设置保护壳51。压力传感器包括压力探针40和合金电阻片41，壳体三中部壁面环绕设置一圈热敏电阻片42，热敏电阻片表面设置壳体52用于保护热敏电阻片。热敏电阻片和合金电阻片分别通过引脚与电路板39连接，壳体三顶面设置为倾斜面，倾斜面上设置固定设置压电晶片一43和压电晶片二44，两个压电晶片的上方设置保护壳61用于保护压电晶片。壳体三38内部靠近倾斜面的位置设置用于吸收多余超声波的颗粒填充物45。颗粒填充物可以是pvc颗粒，也可以是其他颗粒。通过颗粒之间的间隙来达到吸收压电晶片产生的多余超声波。圆柱形壳体三38的中心线上设置线管53，线管内设置连接线，两个压电晶片通过线管内53的连接线与电路板39连接。压电晶片一和压电晶片二分别用于将温度信号和压力信号转换为超声波信号。所述壳体三底部设置可旋转支架46，支架底端连接底座47，底座上设置螺钉孔48，通过螺钉与气动发电机18顶部固定连接。所述壳体三侧面底部设置一横向弹簧49，横向弹簧另一端与壳体一19内壁面连接，弹簧内部设置与壳体三38连接的拉断杆50。

如图5所示，所述电路板包括压力或者温度信号的转换器模块、将交流转换为直流电的供能模块以及超声波发生器模块。

所述压变和温变监测装置18的工作原理如下：

(1)在电路的作用下，外来电源经过镇流为直流电源，一部分供给超声波电路模块来持续发射超声波。

(2)直流电源另一部分供给信号控制电路，信号控制电路主要由可变电阻来控制直流方波的占空比。

(3)可变电阻由热敏电阻和压控电阻组成，热敏电阻根据环境温度来改变电阻；压控电阻通过压力探针在压力感应片的作用下改变与合金电阻片的接触面积从而改变电阻。

(4)电路板中的信号电路的方波电位占空比根据电阻变化而变化，一个电路周期中的高电平时超声波停止发射信号，低电平时重新发送信号，从而将电压和温度信号调制进超声波的发射信号中。

(5)通过接收端进行解调实现对压力变化的解析。基本电路原理如图5所示。图5中整个电路板分为三个模块，其中A模块为将交流信号转换为方波信号也即是压力或者温度信号的转换器，目的是控制方波的占空比大小，通过温度或者压力控制控制可变电阻R2来实现控制占空比；B模块为供能模块，将交流转换为直流电供能；C模块为超声波发生器模块。

(6)将传感器下井预定位置后，传感器的支架旋转将传感器贴近井壁，从而达到降低信号损失。

如图6所示，在实际使用中，将本发明的用于节流井下水合物监控与防治的装置下入井底，与之配套使用的还有安装在地面的装置，所述地面装置包括：计算中心54、输入总线53、井口周围阵列超声波接收器56、压力表57、油管超声波接收器58、温度传感器59、流量计60。

本发明的用于节流井下水合物监控与防治的装置配合地面的装置，使用工艺流程及方法如下：

(1)将用于节流井下水合物监控与防治的装置放至井底预定位置，上提节流器实现坐封，继续拉提使得上下密封胶筒密封；如果要卸载装置，只需要下放加重杆振激和下压中心管可以实现解封；

(2)调节井口油嘴使得井下装置工作，天然气通过节流嘴到达发电机，发电机的转子悬浮并旋转工作；

(3)在电能的供应下涡流加热器为节流后的天然气进行加热，发电机与加热器都是螺纹连接，可以设置多个发电机，多个发电机和加热器串联可以实现多级加热，将节流后的天然气加热至预定温度。

(4)压变和温变监测装置中的压变超声波发射器与温变超声波发射器(压电晶片一43和压电晶片二44)在紧贴井壁，能最大限度地减少超声波在空气中的传播损失。

(5)通过超声波接收传感器捕捉油管内的超声波频率信号和井口附近地层的超声波信号；

(6)按照预先设定的超声波信号进行解析得到井底的温度与压力；

(7)井口监控了井口的温度、压力、流量，将数据全部通过总线通过计算机识别，可以快速识别出整个井筒是否存在水合物生成的风险。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种用于节流井下水合物监控与防治的装置，其特征在于，包括节流器、气动发电机、加热器、压变和温变监测装置；所述节流器顶端连接一竖直向上的圆筒形壳体一，壳体一底端接口与节流器顶端螺纹连接，所述壳体一内设置由下至上依次设置气动发电机、加热器、压变和温变监测装置；节流器顶端的节流嘴连接气动发电机的进气口，气动发电机为加热器、压变和温变监测装置供电；加热器用于对节流后的天然气加热；

所述气动发电机的结构包括壳体二、定子、转子、底端接头；所述壳体二底端开口，顶端密封并设置气流出口，壳体二底端开口处与底端接头螺纹连接；所述壳体二内壁面设置绕线槽，绕线槽内缠绕设置线圈；壳体二中心设置转子，所述转子由实心圆柱体和套设在实心圆柱体表面的圆环体组成；实心圆柱体的表面均匀开设数条沿轴线方向的螺旋孔道，实心圆柱体的表面还设置有至少两条轴向的凸条，圆环体内壁面开设条形凹槽，实心圆柱形和圆环体之间通过凸条与凹槽卡合连接；圆环体内部设置永磁条；转子与绕线槽之间的空隙内设有环形的抗磨损非导磁保护层；所述底端接头中心开设天然气进气口，实心圆柱体底端与天然气进气口连接；底端接头内侧开设环形插槽，抗磨损非导磁保护层底端固定于环形插槽内；环形插槽的内侧设置环形滑槽，滑槽位于圆环体的正下方，滑槽内设置滚珠；螺旋孔道作为气流通道，在气流的作用下提供旋转力矩，驱动转子转动进行发电。

2.如权利要求1所述的用于节流井下水合物监控与防治的装置，其特征在于，所述转子的圆环体底端设置环形凸起，环形凸起以活动的方式限位于底端接头的滑槽内。

3.如权利要求2所述的用于节流井下水合物监控与防治的装置，其特征在于，所述转子的圆环体内等间距设置数个永磁条。

4.如权利要求3所述的用于节流井下水合物监控与防治的装置，其特征在于，所述转子的圆环体表面还开设气孔。

5.如权利要求1所述的用于节流井下水合物监控与防治的装置，其特征在于，所述底端接头上开设输出电流布线孔。

6.如权利要求1所述的用于节流井下水合物监控与防治的装置，其特征在于，所述压变和温变监测装置包括圆柱形壳体三，壳体三内底面设置电路板和压力感应器，压力传感器包括压力探针和合金电阻片，壳体三中部壁面环绕设置一圈热敏电阻片，热敏电阻片和合金电阻片分别通过引脚与电路板连接，壳体三顶面设置为倾斜面，倾斜面上设置固定设置压电晶片一和压电晶片二，壳体三内部靠近倾斜面的位置设置用于吸收多余超声波的颗粒填充物；两个压电晶片连接电路板，压电晶片一和压电晶片二分别用于将温度信号和压力信号转换为超声波。

7.如权利要求6所述的用于节流井下水合物监控与防治的装置，其特征在于，所述壳体三底部设置可旋转支架，支架底端连接底座，底座通过螺钉与气动发电机顶部固定连接。

8.如权利要求7所述的用于节流井下水合物监控与防治的装置，其特征在于，所述壳体三侧面底部设置一横向弹簧，横向弹簧另一端与壳体一内壁面连接，弹簧内部设置与壳体三连接的拉断杆。

9.如权利要求6所述的用于节流井下水合物监控与防治的装置，其特征在于，所述电路板包括压力或者温度信号的转换器模块、将交流转换为直流电的供能模块以及超声波发生器模块。

10.如权利要求1所述的用于节流井下水合物监控与防治的装置，其特征在于，所述加热器为电涡流加热器。

Images