CN202250044U - 油井动液面自动采集仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了油井动液面自动采集仪。采集仪的井口连接器分别与过滤器、压力传感器、常闭、常开电磁阀连接，过滤器另一端与油套环空出口连接，常闭开电磁阀另一端与节流孔板连接，常开电磁阀另一端与供气管线连接。压力传感器、温度传感器与A/D转换器一端连接，A/D转换器另一端与单片机连接，单片机分别与驱动电路、通信接口模块、电源模块连接，驱动电路与电磁阀连接。具有结构简单，成本低，使用方便，永久安装在油井井口，无需人工测试，无需声源，自动化程度高，可以节约人力成本和减少安全隐患的发生，同时可以实时监控油井动液面的动态变化，方便油田实施数字化管理，减少管柱磨损的效果，广泛用于石油采集场无线或有线集中管理。

Description

油井动液面自动采集仪

技术领域

本实用新型涉及油田测试油井动液面的仪器，具体涉及油井动液面自动采集仪。

背景技术

目前使用的抽油井动液面测试方法一般为双频道回声仪测试法，这种方法是根据声波反射的原理计算出抽油井的动液面。回声法液面测试仪一般由主机箱、井口连接器和气瓶三部分组成。测试动液面时，需要人工在测试现场把这三部分连接起来，井口连接器利用气瓶的气压激发声波，当声波遇到液面时反射回来被主机箱接收处理，最后得出动液面值，这种双频道回声仪测试法存在构造相对庞大复杂，无法大规模实现油井动液面的实时自动采集，只能人工携带仪器对油井的动液面进行测量，工人劳动强度大，费时费工，测试频率一般为每口井每月1-2次，不能及时监控油井的动液面变化情况，从而不能及时准确掌握油井的生产动态，导致躺井不能及时发现等的缺陷。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单，成本低，使用方便，永久安装在油井井口，无需人工测试，无需声源，自动化程度高，可以节约人力成本和减少安全隐患的发生，同时可以实时监控油井动液面的动态变化，方便油田实施数字化管理，做到听数字指挥，让数字说话的管理理念的油井动液面自动采集仪。

为了克服现有技术的不足，本实用新型的技术方案是这样解决的：一种油井动液面自动采集仪包括井口连接器、防爆常闭电磁阀、防爆常开电磁阀、防爆压力传感器、过滤器、节流孔板、温度传感器、电源、单片机、上位机，本实用新型的特殊之处在于所述井口连接器依次分别与过滤器、防爆压力传感器、防爆常闭电磁阀、防爆常开电磁阀连接，所述过滤器另一端与井口油套环空出口连接，所述防爆常闭电磁阀另一端与节流孔板连接，所述防爆常开电磁阀另一端与供气管线连接，所述节流孔板另一端与大气相通，其中防爆压力传感器、温度传感器与A/D转换器一端连接，A/D转换器另一端与单片机连接，所述单片机分别与驱动电路、通信接口模块、电源模块连接，所述驱动电路与防爆常闭电磁阀和防爆常开电磁阀连接、通讯接口模块与上位机连接，所述控制箱包含温度传感器、A/D转换器、驱动电路、单片机、电源模块、通讯接口模块。

本实用新型与现有技术相比，具有结构简单，成本低，使用方便，永久安装在油井井口，无需人工测试，无需声源，自动化程度高，可以节约人力成本和减少安全隐患的发生，同时可以实时监控油井动液面的动态变化，方便油田实施数字化管理，做到听数字指挥，让数字说话的管理理念的优点，同时，还有以下特点：

1、由于本实用新型原理不是采用回声法测量，而是采用测试油套环空气柱的气柱长度来得到动液面，可以避免油套环空气柱柱中由于泡沫段的存在使得液面测量不准确(油田上俗称假液面)，更能真实反映油井的真实液面。

2、对于动液面较深的油井，回声法往往很难测试或者无法测试动液面，主要原因是声波存在衰减，动液面越深，液面回波越难以分辨。而本实用新型不存在此困难。

3、由于本实用新型构造简单，每天可以采集若干个动液面值，所以可以大规模装在油井井口，实现油井的动液面实时采集功能。而要实现这一点，目前的设备要不成本过高、要不构造过于复杂庞大、要不对套气的依赖太强。而本实用新型均能克服以上困难，构造简单巧妙，成本较低，对套气的依赖性也不强。

4、可以根据本实用新型测出来的动液面值对低渗透油井实施间开，达到节约能源和减少油井杆管磨损的效果。

广泛用于石油采集场无线或有线集中管理。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为图1的电原理结构示意框图；

图3为井口连接器主视剖视图；

图4为图3右视结构示意图；

图5为图2的电路原理图。

具体实施方式

附图为本实用新型的实施例。

下面结合附图对发明内容作进一步说明：

参照图1～图4所示，一种油井动液面自动采集仪包括井口连接器、防爆电磁阀、防爆压力传感器、过滤器、温度传感器、电源、单片机、上位机，所述井口连接器1依次分别与过滤器2、防爆压力传感器3、防爆常闭电磁阀4、防爆常开电磁阀5连接，所述过滤器2另一端与井口油套环空出口连接，所述防爆常闭电磁阀4另一端与节流孔板6连接，所述防爆常开电磁阀5另一端与供气管线连接，所述节流孔板6另一端与大气相通，其中防爆压力传感器3、温度传感器7与A/D转换器8一端连接，A/D转换器8另一端与单片机10连接，所述单片机10分别与驱动电路9、通信接口模块12、电源模块11连接，所述驱动电路9与防爆常闭电磁阀4和防爆常开电磁阀5连接、通讯接口模块12与上位机14连接，所述控制箱13包含温度传感器7、A/D转换器8、驱动电路9、单片机10、电源模块11、通讯接口模块12。

所述节流孔板6与大气直接连通，使得通过一个防爆压力传感器3测出的数据可以得到排气周期的体积流量；并且可以通过调节节流孔板6的大小来适应不同井深的油井。

参考图5，电源模块11接P7后与稳压电路U9、U10连接，防爆压力传感器3接入P6，压力信号接入U7进行信号放大处理，U7接入转换电路U6，对信号进行A/D转换，U6与单片机U5连接，温度传感器U11直接与单片机U5连接，晶体振荡器U8与单片机U5连接，U5与电磁阀驱动电路Q3、Q5连接，达到控制电磁阀启闭的目的；U5还与通讯接口模块U1和U3连接，达到与上位机通讯的目的。

测量时电路部分的工作顺序：

1)、达到设定测试时间点后，单片机U5通过Q3打开防爆常闭电磁阀4、通过Q5关闭防爆常开电磁阀5，进行排气周期的数据采集，即防爆压力传感器的压力值通过放大电路U7、A/D转换电路U6进入单片机，温度传感器U11直接进入单片机。

2)、排气周期采集数据结束后，单片机U5又通过Q3关闭防爆常闭电磁阀4，进入憋压周期的数据采集。

3)、单片机U5把排气周期与憋压周期采集到的压力值和温度值带入式(7)和式(5)即可求出动液面值H，最后U5通过通讯接口模块U1和U3把动液面值H发送给上位机，供油田管理者和技术人员使用。

油井动液面自动采集仪原理

1、理论基础

由气体状态方程

$\mathrm{PV}=\mathrm{nRTZ}=\frac{m}{M}\mathrm{RTZ}---\left(1\right)$

和物质平衡原理，即流入和流出油套环空的质量流量之差等于油套环空内质量随时间的变化率可得

$Q_1\·\frac{P_{\mathrm{st}}M}{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{st}}}-Q_2\·\frac{P_{\mathrm{st}}M}{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{st}}}=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{\mathrm{PVM}}{\mathrm{RTZ}}\right)---\left(2\right)$

式中，Q₁，Q₂分别为流入和流出油套环空的体积流量，P_st、T_st分别为标况下的压强和温度。M、R为常数，T、Z取为常数，于是

1)、排气周期打开常闭电磁阀、关闭常开电磁阀，油套环空通过节流孔板向大气排气时

$Q_1-Q_2=\frac{T_{\mathrm{st}}}{{\mathrm{TZP}}_{\mathrm{st}}}[P{\left(\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}\right)}_1+V{\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\right)}_1]---\left(3\right)$

2)、憋气周期关闭常闭电磁阀、关闭常开电磁阀，油套环空处于憋气状态时

$Q_1=\frac{T_{\mathrm{st}}}{{\mathrm{TZP}}_{\mathrm{st}}}[P{\left(\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}\right)}_2+V{\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\right)}_2]---\left(4\right)$

短时间内油套环空气体体积的变化量为零，由(3)式和(4)式可得动液面

$H=\frac{V}{A}=\frac{{\mathrm{ZP}}_{\mathrm{st}}}{{\mathrm{AT}}_{\mathrm{st}}}\·\frac{Q_{2}T}{[{\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\right)}_2-{\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\right)}_1]}---\left(5\right)$

式中，H表示动液面，V表示油套环空的体积，A为油套环空的截面积。

2、创新内容

在式(5)中，为常量，经过排气周期和憋气周期后可得到

和

通过温度传感器可得到绝对温度T，只要通过流量计测量排气周期的体积流量Q₂，即可求出动液面H，这是有关文献提到的方法，这种方法实际应用中很少，不能推广的主要原因是流量计太贵，系统集成度低，没有考虑油田的实际应用环境。

1)、不需要流量计

根据连续性方程和伯努利方程可得管道中流体理论体积流量Q的计算公式为

$Q=\frac{1}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\·\left(\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}\right)\·\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ρ}}}\·\sqrt{P_1-P_2}---\left(6\right)$

式中，β为孔板直径d与管道直径的比值，ρ为介质的密度，P₁-P₂为上下游压力差(本文中所提到的压力均为压强)。

本实用新型利用节流孔板与大气相通，在式(6)中P₂的值即为大气压值，在同一区域内的油井该值为常量，令C₂＝P₂；令

C₁只与套管气的密度和孔板有关，对于一口装有动液面采集仪的油井，C₁为定值。从而可得式(5)中的Q₂为

$Q_2=C_1\·\sqrt{P_1-C_2}---\left(7\right)$

把式(7)中的Q₂带入式(5)，无需安装流量计，只利用一个压力传感器和特制的专用孔板，便可以通过本实用新型测出油井动液面的值。

2)、动液面的测量不受油井深度的影响

本实用新型通过对不同井深范围的油井配备孔径不同的节流孔板，使得动液面测试仪的应用不受井深的影响。

3)、优化组合

井口连接器与两个电磁阀的组合，使得动液面测试仪的安装对部分需要利用伴生气的油田不产生影响。另外，这种组合使得动液面测试仪的集成度大为提高，使得推广和应用成为可能。

3、测量时的工作步骤

开始测试时，检测压力稳定后进入排气周期，即关闭防爆常开电磁阀(5)、打开防爆常闭电磁阀(4)，通过防爆压力传感器(3)录取排气周期的压力值，直到压力下降0.1MPa或者压力和大气压相等后停止，从而可得到

排气周期结束后马上进入憋气周期，即关闭防爆常开电磁阀(5)、关闭防爆常闭电磁阀(4)，通过防爆压力传感器(3)录取憋气周期的压力值，直到压力相对憋气周期的初始值压力上升0.08MPa或者憋气时间大于10分钟后停止，从而可得到

最后利用式(7)求出Q₂，一起带入式(5)即可求出一口油井的动液面值H。

图1所示，油井动液面采集仪主要由井口连接器、两个防爆电磁阀、一个防爆压力传感器、节流孔板和控制箱等构成。其中：

1)、井口连接器主要用来连接两个防爆电磁阀和过滤器，其上安装有防爆压力传感器。

2)、节流孔板的作用是控制流量，使气体按特定的方式流出来。过滤网主要是过滤气体中的杂质，防止电磁阀密封不严。

3)、控制箱内则有单片机、继电器或者三极管、通讯接口模块和温度传感器等。主要作用是控制电磁阀的启闭、采集压力值和温度值、处理数据计算出动液面值、发送给上位机或者接收上位机的命令。

4)、上位机软件可以设置每天开始测量的多个时间点，10分钟左右完成一次测量，所以理论上每口井每天可以测量100多个动液面值。但是一天内动液面值变化不大，没必要测量很多次。一般情况下建议每天测量2-5个动液面值为宜。

每天到达设定时间点后，动液面采集仪自动打开/关闭防爆电磁阀并录取压力值和温度值，录取结束后计算出动液面值发送到上位机，10分钟左右自动完成一次测量。也可以手动点击随时开始测量，手动开始测量不受设定时间点的限制。

本实用新型是一款无声源动液面测试仪，主要通过测量井口的套管气体压力变化来求出动液面。该动液面采集仪体积小，成本相对目前使用的仪器低很多，完全可以永久安装在油井井口，实现油井动液面的实时监测，从而可以及时准确掌握油井的生产动态，第一时间发现不正常井，通过准确判断每口井的液面高低，及时对油井采取间开制度，节约能源和减少油管杆的磨损。

本实用新型不再像目前所采用的回声仪那样，耗费人力物力到现场进行动液面的测量。液面采集仪的测量工作完全是自动完成，在办公室就可以查看整个作业区或者整个采油厂的动液面变化动态，做到真正的实时掌握油井的生产动态，安全、高效、便捷。

Claims (2)

1.一种油井动液面自动采集仪，该采集仪包括井口连接器、防爆电磁阀、防爆压力传感器、过滤器、温度传感器、电源、单片机、上位机，其特征在于所述井口连接器(1)依次分别与过滤器(2)、防爆压力传感器(3)、防爆常闭电磁阀(4)、防爆常开电磁阀(5)连接，所述过滤器(2)另一端与井口油套环空出口连接，所述防爆常闭电磁阀(4)另一端与节流孔板(6)连接，所述防爆常开电磁阀(5)另一端与供气管线连接，所述节流孔板(6)另一端与大气相通，其中防爆压力传感器(3)、温度传感器(7)与A/D转换器(8)一端连接，A/D转换器(8)另一端与单片机(10)连接，所述单片机(10)分别与驱动电路(9)、通信接口模块(12)、电源模块(11)连接，所述驱动电路(9)与防爆常闭电磁阀(4)和防爆常开电磁阀(5)连接、通讯接口模块(12)与上位机(14)连接，所述控制箱(13)包含温度传感器(7)、A/D转换器(8)、驱动电路(9)、单片机(10)、电源模块(11)、通讯接口模块(12)。

2.根据权利要求1所述的动液面自动采集仪，其特征在于所述节流孔板(6)与大气直接连通。

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