CN116877057A - 一种油气井光纤监测设备及方法 - Google Patents
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Abstract
一种油气井光纤监测设备及方法，涉及油气监测技术领域。内筒下部一侧连续焊接有侧管，侧管里侧与内筒连通，侧管向外伸出外筒且与外筒之间连续焊接，侧管伸出外筒后向上延伸后通过法兰、螺栓密封连接旁筒，旁筒与外筒和内筒平行，旁筒内设有活塞。本发明的有益效果是：在内筒外侧设置旁筒，旁筒内的活塞和抽油杆一起升降，利用抽油杆下降的冲程作为动力，使得内筒向上流动的采出液由间歇输出改为连续输出，提高多模光纤监测流量的准确性，同时可降低原油在井口结蜡的几率，利用光纤监测采出液，根据原油、水、气振动的不同频率，可以监测到采出液内的原油、水和气的含量，可提高监测流量的准确性，当油井出现异常情况时能及时发现问题。
Description
技术领域
本发明涉及油气监测技术领域，尤其涉及一种油气井光纤监测设备及方法。
背景技术
在油气井计量产量时，通常计量的是油井的产液量，如在管路中安装涡街流量计、超声波流量计、金属浮子流量计等装置；或者采用油井称重计量装置，利用称重传感器及翻斗翻转次数计算油井的产液量；或者采集进液有效冲程，绘制油井示功图，根据油井示功图计算油井产液量，然而，在上述各种计量方法中，测量的基本上是液体量，在井口通常不能测量出含气量，对含水率还需要单独测定，无法实时监测油气井的油气水含量；
根据油井的出液特点，在抽油杆上冲程过程中，液体排出，在抽油杆下冲程过程中不出液，因而导致前述的计等装置的计量误差大，不能满足油田现场生产需要，而采用油井称重计量装置计量时，由于其为间断性的测量，例如三天测量一次，从而导致推算出的油井产液量误差大，并且，当油井出现异常情况时，不能及时发现问题。
发明内容
为了解决油气井监测产量不准确、不直接的问题，我们研发了一种油气井光纤监测设备及方法。
本发明提供的技术方案是：一种油气井光纤监测设备，包括外筒和内筒，外筒的上部和下部设有套管公螺纹，内筒的上部和下部加工有油管公螺纹，外筒上部螺纹连接采油树的套管挂，外筒下部螺纹连接套管，内筒上部螺纹连接采油树的油管挂，内筒下部螺纹连接油管，外筒和内筒之间设有固定板，固定板焊接在外筒的内壁和内筒的外圆上，外筒和内筒同心，内筒下部一侧连续焊接有侧管，侧管里侧与内筒连通，侧管向外伸出外筒且与外筒之间连续焊接，侧管伸出外筒后向上延伸后通过法兰、螺栓密封连接旁筒，旁筒与外筒和内筒平行，旁筒内设有活塞，活塞通过密封圈与旁筒内孔间隙配合连接，活塞上部固定连接驱动杆，旁筒上部通过螺栓连接压盖，驱动杆穿过压盖向上延伸，驱动杆顶部通过夹持组件连接抽油杆；
内管的内壁在上部位置焊接有圆周均布的三个支撑件，支撑件通过U形螺栓夹持连接两根多模光纤，多模光纤在U形螺栓位置套有橡胶管，两根多模光纤在内筒和抽油杆的环空内缠绕成一个外圈和一个内圈，两根多模光纤向上密封伸出采油树后连接解调组件；
在抽油杆单次上升的冲程距离，活塞上升距离所留出空间的容积为抽油杆上升时所排出容积的一半；
多模光纤组成的外圈和内圈与内筒顶部的距离为内筒口径的五倍以上，多模光纤组成的外圈和内圈与侧管之间的距离为内筒口径的十倍以上。
驱动杆为钢性轴，夹持组件包括钢性板，钢性板左侧开有上下排列的两个夹持槽B，钢性板右侧开有上下排列的两个夹持槽A，夹持组件还包括夹持板A和夹持板B，夹持板A和夹持板B通过螺栓连接钢性板，驱动杆被夹持在夹持板A和夹持槽之间，抽油杆被夹持在夹持板B和夹持槽B之间。
活塞上部固定连接驱动杆，替换为：活塞上部设有导向套，导向套和旁筒的内孔的配合公差为H7/f6，导向套下部设有导向柱，导向柱上套有压缩弹簧，压缩弹簧下端顶在活塞上，活塞底部开有通孔，限位螺栓从活塞底部穿过该通孔向上螺纹连接导向柱，导向套上部螺纹连接驱动杆。
支撑件为一段等腰三角形管，等腰三角形的顶角朝下安装，支撑件在等腰三角形底边的面上开有螺栓孔。
一种油气井光纤监测方法，包括如下步骤：
S1、将外筒上部螺纹连接采油树的套管挂，将外筒下部螺纹连接井口套管；将内筒上部螺纹连接采油树的油管挂，将内筒下部螺纹连接油管；
S2、盘动抽油机的皮带轮，使得抽油杆位于冲程最低位置；
S3、将旁筒和外筒内灌满污水，将活塞安装到旁筒内，活塞进入到旁筒内的深度要大于抽油杆的行程，将钢性板与抽油杆固定连接，保持活塞的位置不变，将驱动杆与钢性板固定连接，然后将压盖与旁筒连接；
S4、在采油树的外输管道上安装流量计，启动抽油机进行采油作业；
S5、观察抽油杆上、下行程时流量计的变化，当抽油杆上、下行程的流量差超出2%，说明刚度板的强度不够，造成抽油杆和活塞不同步，则重复步骤S3，更换或者加强钢性板，使得抽油杆和活塞同步；
S6、对从油井输出的油、气、水混合液体在实验室进行油、气、水分离并单独计量；
S7、将计量结果与解调组件的读取监测结果进行比对；
S8、应用涡街流量计的原理：
即f=Stv/d
式中：f为旋涡的释放频率，单位为Hz；v为流过旋涡发生体的流体平均速度，单位为m/s；d为旋涡发生体特征宽度，单位为m；St为斯特劳哈尔数，无量纲常数。
通过比对实验结果和解调组件的监测数据，修正油、气、水的无量纲常数；
S9、反复修正，直至实验室的计量结果和解调组件计量结果一致，完成油气井光纤监测设备的调试，进行正常生产过程中的监测。
本发明的有益效果为：在内筒外侧设置旁筒，旁筒内的活塞和抽油杆一起升降，利用抽油杆下降的冲程作为动力，使得内筒向上流动的采出液由间歇输出改为连续输出，提高多模光纤监测流量的准确性，同时可降低原油在井口结蜡的几率，利用光纤监测采出液，根据原油、水、气振动的不同频率，可以监测到采出液内的原油、水和气的含量，在内筒和抽油杆的环空内设置外圈和内圈两条多模光纤，两条多模光纤的数值对比，可提高监测流量的准确性，当油井出现异常情况时能及时发现问题；
由于活塞下行时利用了抽油杆下降的动力，活塞对抽油杆形成反向阻力，抽油杆下降时的悬重降低，减轻了抽油机电机的负扭矩，提高抽油机电机的运行条件。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是附图1的B-B剖面图；
附图3是本发明中多模光纤和支撑件的连接示意图；
附图4是本发明中支撑件的结构示意图；
附图5是附图1的A处放大图；
附图6是附图1的C-C剖面图。
图中1-外筒，2-内筒，3-旁筒，4-侧管，5-抽油杆，6-活塞，7-驱动杆，8-钢性板，9-支撑件，10-多模光纤，11-外圈，12-内圈，13-橡胶管，14-U形螺栓，15-螺栓孔，16-导向套，17-压盖，18-导向柱，19-限位螺栓，20-固定板，21-夹持板B，22-夹持槽B，23-夹持槽A，24-夹持板A。
具体实施方式
如图1～6所示，一种油气井光纤监测设备，包括外筒1和内筒2，外筒1的上部和下部设有套管公螺纹，内筒2的上部和下部加工有油管公螺纹，外筒1上部螺纹连接采油树的套管挂，外筒1下部螺纹连接套管，内筒2上部螺纹连接采油树的油管挂，内筒2下部螺纹连接油管，外筒1和内筒2之间设有固定板20，固定板20焊接在外筒1的内壁和内筒2的外圆上，外筒1和内筒2同心，内筒2下部一侧连续焊接有侧管4，侧管4里侧与内筒2连通，侧管4向外伸出外筒1且与外筒1之间连续焊接，侧管4伸出外筒1后向上延伸后通过法兰、螺栓密封连接旁筒3，旁筒3与外筒1和内筒2平行，旁筒3内设有活塞6，活塞6通过密封圈与旁筒3内孔间隙配合连接，活塞6上部固定连接驱动杆7，旁筒3上部通过螺栓连接压盖17，驱动杆7穿过压盖17向上延伸，驱动杆7顶部通过夹持组件连接抽油杆5；
内管2的内壁在上部位置焊接有圆周均布的三个支撑件9，支撑件9通过U形螺栓14夹持连接两根多模光纤10，多模光纤10在U形螺栓14位置套有橡胶管13，两根多模光纤10在内筒2和抽油杆5的环空内缠绕成一个外圈11和一个内圈12，两根多模光纤10向上密封伸出采油树后连接解调组件；
在抽油杆5单次上升的冲程距离，活塞6上升距离所留出空间的容积为抽油杆5上升时所排出容积的一半。
多模光纤10在采出液流动经过光纤时，行程有规则的两列旋转方向相反的并排旋涡，此旋涡频率与采出液流速成正比，光纤受旋涡的作用而受迫振动，光纤中传输的光信号也被振动调制，解调组件所收到的光信号的变化频率（即旋涡产生的频率）即可求出流场的流速，当即侧流场局限在有限通道时，由流速与流量的一一对应关系即可得到流量信号，见电子科技大学发明专利一种光纤流量计（发明专利申请公布号：CN1083208A），根据原油、水、气振动的不同频率，可以监测到采出液内的原油、水和气的含量，在内筒2和抽油杆5的环空内设置外圈11和内圈12两条多模光纤10，两条多模光纤10的数值对比，可提高监测流量的准确性，当油井出现异常情况时能及时发现问题。
由于活塞6的上升和下降和抽油杆5同步，当抽油杆5上升时，活塞6同时上升抽汲油管内的液体，该次抽油泵排出的采出液有一半进入旁筒3，另一半进入采油树排出，当抽油杆5下降时，井内的采出液不再排出，抽油杆5同时带动活塞6下降，将上次进入旁筒3的采出液推动进入内筒2从采油树排出，使得采出液在井口实现连续流动，在内筒2外侧设置旁筒3，旁筒3内的活塞6和抽油杆5一起升降，利用抽油杆5下降的冲程作为动力，使得内筒2向上流动的采出液由间歇输出改为连续输出，提高多模光纤10监测流量的准确性，同时可降低原油在井口结蜡的几率，由于活塞6下行时利用了抽油杆5下降的动力，活塞6对抽油杆5形成反向阻力，抽油杆5下降时的悬重降低，减轻了抽油机电机的负扭矩，提高抽油机电机的运行条件。
多模光纤10组成的外圈11和内圈12与内筒2顶部的距离为内筒2口径的五倍以上，减轻流过的液体对多模光纤10的扰动，多模光纤10组成的外圈11和内圈12与侧管4之间的距离为内筒2口径的十倍以上，内筒2中的采出液从侧管4流动到多模光纤10位置时呈层流状态，有利于提高监测的准确性。
驱动杆7为钢性轴，夹持组件包括钢性板8，钢性板8左侧开有上下排列的两个夹持槽B22，钢性板8右侧开有上下排列的两个夹持槽A23，夹持组件还包括夹持板A24和夹持板B21，夹持板A24和夹持板B21通过螺栓连接钢性板8，驱动杆7被夹持在夹持板A24和夹持槽A23之间，抽油杆5被夹持在夹持板B21和夹持槽B22之间，驱动杆7和夹持机构可加强抽油杆5的强度，抽油杆5在驱动活塞6时不会弯曲，使得活塞6的行程与抽油杆5的行程相对应，保持采出液连续流动的稳定性。
活塞6上部固定连接驱动杆7，替换为：活塞6上部设有导向套16，导向套16和旁筒3的内孔的配合公差为H7/f6，导向套16下部设有导向柱18，导向柱18上套有压缩弹簧，压缩弹簧下端顶在活塞6上，活塞6底部开有通孔，限位螺栓19从活塞6底部穿过该通孔向上螺纹连接导向柱18，导向套16上部螺纹连接驱动杆7，导向套16与旁筒3起到导向作用，有利于驱动杆7保持直线运动，导向套16和活塞6之间弹性连接，在抽油杆5换向的时候起到缓冲作用，提高采出液流出时的稳定性。
支撑件9为一段等腰三角形管，等腰三角形的顶角朝下安装，降低支撑件9对液体流动的干扰，支撑件9在等腰三角形底边的面上开有螺栓孔15连接U形螺栓14。
一种油气井光纤监测方法，包括如下步骤：
S1、将外筒1上部螺纹连接采油树的套管挂，将外筒1下部螺纹连接井口套管；将内筒2上部螺纹连接采油树的油管挂，将内筒2下部螺纹连接油管；
S2、盘动抽油机的皮带轮，使得抽油杆5位于冲程最低位置；
S3、将旁筒3和外筒1内灌满污水，将活塞6安装到旁筒3内，活塞6进入到旁筒3内的深度要大于抽油杆5的行程，将钢性板8与抽油杆5固定连接，保持活塞6的位置不变，将驱动杆7与钢性板8固定连接，然后将压盖17与旁筒3连接；
S4、在采油树的外输管道上安装流量计，启动抽油机进行采油作业；
S5、观察抽油杆5上、下行程时流量计的变化，当抽油杆5上、下行程的流量差超出2%，说明刚度板8的强度不够，造成抽油杆5和活塞6不同步，则重复步骤S3，更换或者加强钢性板8，使得抽油杆5和活塞6同步，提高监测精度；
S6、对从油井输出的油、气、水混合液体在实验室进行油、气、水分离并单独计量；
S7、将计量结果与解调组件的读取监测结果进行比对；
S8、应用涡街流量计的原理：
即f=Stv/d
式中：f为旋涡的释放频率，单位为Hz；v为流过旋涡发生体的流体平均速度，单位为m/s；d为旋涡发生体特征宽度，单位为m；St为斯特劳哈尔数，无量纲常数；
通过比对实验结果和解调组件的监测数据，修正油、气、水的无量纲常数；
S9、反复修正，直至实验室的计量结果和解调组件计量结果一致，完成油气井光纤监测设备的调试，进行正常生产过程中的监测。
Claims (5)
1.一种油气井光纤监测设备，包括外筒(1)和内筒(2)，其特征在于：外筒(1)的上部和下部设有套管公螺纹，内筒(2)的上部和下部加工有油管公螺纹，外筒(1)上部螺纹连接采油树的套管挂，外筒(1)下部螺纹连接套管，内筒(2)上部螺纹连接采油树的油管挂，内筒(2)下部螺纹连接油管，外筒(1)和内筒(2)之间设有固定板(20)，固定板(20)焊接在外筒(1)的内壁和内筒(2)的外圆上，外筒(1)和内筒(2)同心，内筒(2)下部一侧连续焊接有侧管(4)，侧管(4)里侧与内筒(2)连通，侧管(4)向外伸出外筒(1)且与外筒(1)之间连续焊接，侧管(4)伸出外筒(1)后向上延伸后通过法兰、螺栓密封连接旁筒(3)，旁筒(3)与外筒(1)和内筒(2)平行，旁筒(3)内设有活塞(6)，活塞(6)通过密封圈与旁筒(3)内孔间隙配合连接，活塞(6)上部固定连接驱动杆(7)，旁筒(3)上部通过螺栓连接压盖(17)，驱动杆(7)穿过压盖(17)向上延伸，驱动杆(7)顶部通过夹持组件连接抽油杆(5)；
内管(2)的内壁在上部位置焊接有圆周均布的三个支撑件(9)，支撑件(9)通过U形螺栓(14)夹持连接两根多模光纤(10)，多模光纤(10)在U形螺栓(14)位置套有橡胶管(13)，两根多模光纤(10)在内筒(2)和抽油杆(5)的环空内缠绕成一个外圈(11)和一个内圈(12)，两根多模光纤(10)向上密封伸出采油树后连接解调组件；
在抽油杆(5)单次上升的冲程距离，活塞(6)上升距离所留出空间的容积为抽油杆(5)上升时所排出容积的一半；
多模光纤(10)组成的外圈(11)和内圈(12)与内筒(2)顶部的距离为内筒(2)口径的五倍以上，多模光纤(10)组成的外圈(11)和内圈(12)与侧管(4)之间的距离为内筒(2)口径的十倍以上。
2.根据权利要求1所述的一种油气井光纤监测设备，其特征在于：驱动杆(7)为钢性轴，夹持组件包括钢性板(8)，钢性板(8)左侧开有上下排列的两个夹持槽B(22)，钢性板(8)右侧开有上下排列的两个夹持槽A(23)，夹持组件还包括夹持板A(24)和夹持板B(21)，夹持板A(24)和夹持板B(21)通过螺栓连接钢性板(8)，驱动杆(7)被夹持在夹持板A(24)和夹持槽A(23)之间，抽油杆(5)被夹持在夹持板B(21)和夹持槽B(22)之间。
3.根据权利要求2所述的一种油气井光纤监测设备，其特征在于：活塞(6)上部固定连接驱动杆(7)，替换为：活塞(6)上部设有导向套(16)，导向套(16)和旁筒(3)的内孔的配合公差为H7/f6，导向套(16)下部设有导向柱(18)，导向柱(18)上套有压缩弹簧，压缩弹簧下端顶在活塞(6)上，活塞(6)底部开有通孔，限位螺栓(19)从活塞(6)底部穿过该通孔向上螺纹连接导向柱(18)，导向套(16)上部螺纹连接驱动杆(7)。
4.根据权利要求3所述的一种油气井光纤监测设备，其特征在于：支撑件(9)为一段等腰三角形管，等腰三角形的顶角朝下安装，支撑件(9)在等腰三角形底边的面上开有螺栓孔(15)。
5.根据权利要求4所述的一种油气井光纤监测设备的监测方法，包括如下步骤：
S1、将外筒(1)上部螺纹连接采油树的套管挂，将外筒(1)下部螺纹连接井口套管；将内筒(2)上部螺纹连接采油树的油管挂，将内筒(2)下部螺纹连接油管；
S2、盘动抽油机的皮带轮，使得抽油杆(5)位于冲程最低位置；
S3、将旁筒(3)和外筒(1)内灌满污水，将活塞(6)安装到旁筒(3)内，活塞(6)进入到旁筒(3)内的深度要大于抽油杆(5)的行程，将钢性板(8)与抽油杆(5)固定连接，保持活塞(6)的位置不变，将驱动杆(7)与钢性板(8)固定连接，然后将压盖(17)与旁筒(3)连接；
S4、在采油树的外输管道上安装流量计，启动抽油机进行采油作业；
S5、观察抽油杆(5)上、下行程时流量计的变化，当抽油杆(5)上、下行程的流量差超出2%，说明刚度板(8)的强度不够，造成抽油杆(5)和活塞(6)不同步，则重复步骤S3，更换或者加强钢性板(8)，使得抽油杆(5)和活塞(6)同步；
S6、对从油井输出的油、气、水混合液体在实验室进行油、气、水分离并单独计量；
S7、将计量结果与解调组件的读取监测结果进行比对；
S8、应用涡街流量计的原理：
即f=Stv/d
式中：f为旋涡的释放频率，单位为Hz；v为流过旋涡发生体的流体平均速度，单位为m/s；d为旋涡发生体特征宽度，单位为m；St为斯特劳哈尔数，无量纲常数；
通过比对实验结果和解调组件的监测数据，修正油、气、水的无量纲常数；
S9、反复修正，直至实验室的计量结果和解调组件计量结果一致，完成油气井光纤监测设备的调试，进行正常生产过程中的监测。
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