CN202789517U - 基于井下多参数实时监测的螺杆泵采油控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于井下多参数实时监测的螺杆泵采油控制装置，包括位于地面的数据采集及控制装置、变频调速装置、驱动螺杆泵转动的电机，还包括油井下，位于螺杆泵的底端连接有一内设有多个传感器的井下多参数测试仪，该测试仪具有壳体，壳体上设有马龙头，一测井电缆的一端密封穿设马龙头而伸入该测试仪内部，另一端沿油管外壁向上延伸出井口外，通过井口套管管汇连接于数据采集及控制装置。借此，可对泵下温度、压力、含水率及动液面高度等多个参数进行实时在线监测，并根据监测结果实现螺杆泵闭环控制，使其始终在井下实时工况最适宜的功率状态下运行，从而达到高效节能、降低机器损耗、减少维护成本，增加螺杆泵使用寿命的积极效果。

Description

基于井下多参数实时监测的螺杆泵采油控制装置

技术领域

本实用新型涉及油田开采领域的作业工具，特别是指一种基于井下多参数实时监测的螺杆泵采油控制装置。

背景技术

目前，螺杆泵采油系统作为一种重要的机械采油系统，和常规游梁式抽油机采油系统相比，取消了复杂的四连杆机构和巨大的基座，而只需在螺杆泵顶端安装电机驱动螺杆泵旋转，其装机所需功率大大降低，且泵效比普通游梁抽油机高出10％～20％。但螺杆泵采油系统自身的一些缺点也限制了该技术的大规模推广应用，例如：螺杆泵在工作时必须保证井下合理的动液面高度，如果动液面过低，会使螺杆泵供液不足，螺杆泵的转子和定子之间发生干磨而温度过高，导致螺杆泵使用寿命降低，严重时还会导致定子烧毁，螺杆泵损坏；此外，动液面过低还会使螺杆泵空转，产生无效抽取，浪费电力资源。

为了解决上述的缺点，必须知悉螺杆泵采油油井的井下温度、压力、含水率、动液面高度、套压等参数，根据这些参数运算得出螺杆泵最适宜的工作转速，并通过这些参数的随时变化来实时调整螺杆泵的工作状态。在上述多种参数的实际测试中，含水率和动液面的测试相对比较困难。其中，公知的对含水率的测试主要采用井口人工取样化验的方法，其测试结果不能及时、连续地反映油井整个生产过程的含水变化情况，同时增加了工人的劳动强度；也有业者采用较为先进的在线仪表对含水率进行测试，但是在线仪表受油液含气或间出(非满管流)等影响，一般测得的含水率误差较大，不能准确反应实际情况。而在动液面高度的测试方面，公知的测试方法是在井口采用回声法，即在井口向井下发射信号，再采集触底返回的信号，通过波速和行程时间来计算井口到动液面高度的距离，但是受套管环空内泡沫段及井壁结蜡等因素的影响，这种回声测试方法误差较大(误差常高达几十米到几百米不等)，不能准确反应井下实际情况。由上述测试方法所得到的具有较大误差的井下参数，再通过运算反馈给螺杆泵时，螺杆泵的运行状态显然不是井下实时工况所需要的最佳运行状态，于是仍然存在螺杆泵供液不足、温度过高导致的使用寿命降低，甚至定子烧毁的风险；此外，抽油过程也仍然存在螺杆泵空转，浪费电力资源的问题。

因此，很有必要开发研究一种螺杆泵采油控制装置，用以进一步优化螺杆泵的工作状态。这种控制装置能够测得井下各种参数，通过运算得出螺杆泵最适宜的工作转速，并实时地反馈给螺杆泵控制装置对螺杆泵进行实时调整，更重要地，这种控制装置基于井下多参数的实时监测仪器，能够测得更为准确的井下参数，由此使其始终在井下实时工况最适宜的功率状态下运行，减少低效甚至无效抽取，从而达到高效节能、降低机器损耗、减少维护成本，同时增加螺杆泵使用寿命的积极效果，为数字化油田建设奠定基础，对油井产能建设及措施调整具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型的目的，即是提供一种基于井下多参数实时监测的螺杆泵采油控制装置，期望通过在螺杆泵底端连接井下多参数测试仪，来获取准确的井下参数，以克服背景技术中所述的缺陷。

上述本实用新型的目的，是由以下的技术方案所实现：

本实用新型提供一种基于井下多参数实时监测的螺杆泵采油控制装置，包括位于地面的用以接收和运算井下参数的数据采集及控制装置，接收所述数据采集及控制装置的运算结果、并发出螺杆泵转速控制指令的变频调速装置，以及设置于与螺杆泵相连的光杆顶端、受所述变频调速装置控制并驱动螺杆泵转动的电机，所述的螺杆泵采油控制装置在油井下，位于螺杆泵的底端还连接有一内设有多个传感器的井下多参数测试仪，所述井下多参数测试仪具有一壳体，壳体上设有一马龙头，一测井电缆的一端密封穿设所述的马龙头而伸入井下多参数测试仪内部，而所述测井电缆的另一端沿油管外壁向上延伸出井口外，并通过井口套管管汇连接于所述的数据采集及控制装置。

如上所述的螺杆泵采油控制装置，所述螺杆泵的底端通过一接箍连接有一托筒，而所述井下多参数测试仪的壳体外壁上设有悬挂件，并通过悬挂件悬挂固定在托筒内。

如上所述的螺杆泵采油控制装置，所述油管的外壁环设有多个电缆保护器，各电缆保护器上设有用于穿接测井电缆的孔道；所述螺杆泵的底端通过一锚定装置固定于套管内壁上，而所述锚定装置上亦设有穿接测井电缆的孔道；所述测井电缆的一端穿设各个电缆保护器上的孔道，并穿设锚定装置上的孔道，而与所述的马龙头密封连接。

如上所述的螺杆泵采油控制装置，所述的井下多参数测试仪的壳体内部自上而下顺序设置有容置电路板的电路部及容置各传感器的传感部。

如上所述的螺杆泵采油控制装置，所述井下多参数测试仪的电路部的上端通过两个锥形密封圈密封，所述的测井电缆在锥形密封圈的位置引出其芯部，该芯部密封地穿设两个锥形密封圈，与位于电路部的电路板相插接，电路部的下端通过金属密封圈密封，并与所述传感部相隔；所述井下多参数测试仪的传感部设有温度传感器、含水率传感器和压力传感器，而该测试仪的壳体在传感部的位置设置有可通过液流的进液口和出液口。

如上所述的螺杆泵采油控制装置，所述的井下多参数测试仪的壳体下部设有一防止该测试仪在托筒内倾倒的金属扶正器。

如上所述的螺杆泵采油控制装置，所述井下多参数测试仪的壳体为不锈钢材质，且壳体外壁涂有防腐涂层。

如上所述的螺杆泵采油控制装置，所述采油控制装置在井口套管管汇上设置有测试油井套压的压力传感器，该传感器连接于所述的数据采集及控制装置。

如上所述的螺杆泵采油控制装置，所述采油控制装置在螺杆泵的光杆顶端设置有测试光杆扭矩的扭矩传感器，该传感器连接于所述的数据采集及控制装置。

如上所述的螺杆泵采油控制装置，所述采油控制装置在所述数据采集及控制装置上还设置有用以将井下各个参数传送至远端控制室的无线通讯发射器。

借由以上技术方案，本实用新型的优点在于，本实用新型在螺杆泵底端连接井下多参数测试仪，在测试仪内设置多种传感器，通过井下直接测试来获取更为准确的井下参数，并结合光杆扭矩传感器以及套压压力传感器，可对套压、泵下温度、压力、含水率及动液面高度等多个参数进行实时在线监测，并根据监测结果进行螺杆泵转速运算，通过变频调速机构控制螺杆泵驱动电机，对螺杆泵运行状态实现闭环控制，使螺杆泵始终在井下实时工况最适宜的功率状态下运行，减少低效甚至无效抽取，杜绝定子烧毁问题，从而达到高效节能、降低机器损耗、减少维护成本，同时增加螺杆泵使用寿命的积极效果。

为令本实用新型的发明目的、技术手段及技术效果有更完整及清楚的揭露，以下进行详细说明，并请一并参阅附图及元件标号。

附图说明

图1为本实用新型的螺杆泵采油控制装置的整体示意图；

图2为本实用新型的井下多参数测试仪的示意图。

主要元件标号说明：

11    套管            12    油管

13    光杆            14    抽油杆

15    螺杆泵                16    锚定装置

17    油管管汇              18    套管管汇

19    电机                  131   扭矩传感器

181   压力传感器

21    数据采集及控制装置    211   无线通讯发射器

22    变频调速装置

3     井下多参数测试仪      30    壳体

301   悬挂件                302   金属扶正器

303   进液口                304   出液口

31    马龙头                32    电路部

321   电路板                322   锥形密封圈

323   金属密封圈            33    传感部

331   温度传感器            332   含水率传感器

333   压力传感器

4     测井电缆              41    电缆保护器

42    芯部

5     托筒                  51    接箍

9     动液面

具体实施方式

请参阅图1所示，公知常用的螺杆泵油井，是在油井套管11内的油管12中，通过光杆13连接抽油杆14，再在抽油杆14底端连接螺杆泵15，并在光杆13顶端设置驱动螺杆泵15的电机19，在地面端分别设有连接油管12的油管管汇17和连接套管11的套管管汇18。

本实用新型的螺杆泵采油控制装置，包括位于地面的用以接收和运算井下参数的数据采集及控制装置21，接收所述数据采集及控制装置21的运算结果、并发出螺杆泵转速控制指令的变频调速装置22，以及设置于与螺杆泵15相连的光杆13顶端、受所述变频调速装置22控制并驱动螺杆泵15转动的电机19，所述的螺杆泵采油控制装置在油井下，位于螺杆泵15的底端还连接有一内设有多个传感器的井下多参数测试仪3，请参阅图2所示，所述井下多参数测试仪3具有一壳体30，壳体30上设有一马龙头31，一测井电缆4的一端密封穿设所述的马龙头31而伸入井下多参数测试仪3内部，而所述测井电缆4的另一端沿油管12外壁向上延伸出井口外，并通过井口套管管汇18连接于所述的数据采集及控制装置21。其中，马龙头31是一种公知的用于测井电缆与仪器连接的接头，其具有一密封插座，密封插座通过一连接螺帽与壳体30连接在一起，而易损件(例如电缆芯部)能密封地贯穿于密封插座。

较佳地，请一并参阅图1和图2，所述螺杆泵15的底端通过一接箍51连接有一托筒5，而所述井下多参数测试仪3的壳体30外壁上设有悬挂件301，并通过悬挂件301悬挂固定在托筒5内。

较佳地，请参阅图1，油管12的外壁环设有多个电缆保护器41，各电缆保护器41上设有用于穿接测井电缆4的孔道；所述螺杆泵15的底端通过一锚定装置16固定于套管11内壁上，而所述锚定装置16上亦设有穿接测井电缆4的孔道；所述测井电缆4的一端穿设各个电缆保护器41上的孔道，并穿设锚定装置16上的孔道，而与所述的马龙头31密封连接。

进一步地，请参阅图2，井下多参数测试仪3的壳体30内部自上而下顺序设置有容置电路板321的电路部32及容置各传感器的传感部33。电路部32的上端通过两个锥形密封圈322密封，测井电缆4在锥形密封圈322的位置引出其芯部42，该芯部42密封地穿设两个锥形密封圈322，与位于电路部32的电路板321相插接，电路部32的下端通过金属密封圈323密封，并与所述传感部33相隔；较佳地，电路板321外还可套设一电路保护壳320，用以提供井下多参数测试仪3的电路部分更佳的密封效果，避免水汽进入电路板内，经实测可耐压15MPa。传感部33设有温度传感器331、含水率传感器332和压力传感器333，而井下多参数测试仪3的壳体30在传感部的位置设置有可通过液流的进液口303和出液口304；壳体30下部还设有一防止井下多参数测试仪3在托筒5内倾倒的金属扶正器302。但本实用新型并不以此为限，井下多参数测试仪3内也可根据期望测试的参数的变化，而布置其它功能的传感器及电路。

较佳地，井下多参数测试仪3的壳体30为不锈钢材质，且壳体30外壁涂有防腐涂层，用以避免壳体被油液长期浸泡而导致腐蚀、氧化等。

请再参阅图1，在地面端，所述采油控制装置在井口套管管汇18上设置有测试油井套压的压力传感器181，在光杆13顶端设置有测试光杆扭矩的扭矩传感器131，压力传感器181和扭矩传感器131分别连接于所述的数据采集及控制装置21。

较佳地，所述采油控制装置在数据采集及控制装置4上还设置有用以将井下各个参数传送至远端控制室的无线通讯发射器211，用以对整个螺杆泵油井的实时运行状态进行监测。

由以上技术方案所组成的本实用新型，其工作原理如下：

采用单芯的测井电缆一端通过马龙头与井下多参数测试仪进行连接，通过测试仪上的悬挂部件将井下多参数测试仪悬挂固定在托筒上。托筒通过接箍连接在螺杆泵下并与螺杆泵一起下入井中，并通过锚定装置将螺杆泵固定于套管内，锚定装置上加工有可以穿越测井电缆的孔道，电缆保护器可通过螺纹连接在油管上，电缆保护器上有用于穿接电缆的孔道，随着油管的下入，电缆能够良好地绑定在油管外壁上，起到固定和保护电缆的作用，防止仪器在下井及采油过程中油管旋转或摆动时测井电缆被套管磨损。测井电缆通过信号传输线连接到地面的数据采集及控制装置中。

井下多参数测试仪中的电路与各个传感器通过电缆供电，采集井下物理参数(温度、混合油液含水率和井下压力)，位于套管管汇的压力传感器和位于光杆顶部的扭矩传感器同时采集螺杆泵光杆扭矩以及套管压力，并将所有参数均发送至数据采集及控制装置进行处理、计算及分析，得到套压、泵下温度、泵下压力、含水率及动液面9高度(如图1)等数据并可在数据采集及控制装置中实时显示并进行存储，数据采集及控制装置中安装有PLC数据采集控制模块，并与变频调速装置进行通讯，利用得到的参数，经运算得出螺杆泵电机最适宜的工作转速，通过特定的控制程序来调整螺杆泵电机运行状态，实现闭环控制，从而达到高效节能的目的。

对于背景技术中提到的螺杆泵井下最难提取的两种参数：含水率和动液面高度，本实用新型放弃了传统的提取液测含水率方法，以及传统的井口射线测动液面方法，而是采用以下准确度更高的测试方法：

含水率测试可以应用各种含水率传感器，并分别采用射线法、短波吸收法或同轴线相位法等常规的含水率测试方法进行测试，并利用井下温度对其结果进行修正，本实用新型所采用的方法是短波吸收法；

动液面采用井下参数提取结合物理运算的综合方法，即是通过下面的等式联立，求得准确的动液面高度值h_v：

P₂＝P₁+ρ_vgh_v+ρ_lgh_l

ρ_l＝ρ_wC_w+ρ_oC_o

h_v＝h-h_l

式中：P₂——泵下实测压力，MPa；

P₁——地面实测套压，MPa；

ρ_v——油套环空内天然气的密度，kg/m³；

h_v——油套环空内天然气气柱高度，可看作动液面高度，m；

ρ_l——油套环空内油水混合液的密度，kg/m³；

h_l——泵上油水混合液的液柱高度，m；

ρ_w——水的密度，kg/m³；

C_w——含水率，％；

ρ_o——原油的密度，kg/m³；

C_o——原油在混合液中所占的百分比含量，kg/m³；

h——已知泵的悬挂深度，m；

g——重力加速度kg·m/s²。

如此得到的含水率和动液面参数，相比现有技术的测试方法更为准确，经测试，采用上述方法测得的动液面高度其误差小于10m。为螺杆泵的安全运行和节能运行提供了重要而可靠的依据。经现场实际对比测试，采用本实用新型基于井下多参数实时监测的螺杆泵采油控制装置所闭环控制的螺杆泵，和现有技术相比，节能可达到15％以上。

所以综上述，本实用新型可为数字化油田建设奠定基础，同时为稳油控水、挖潜增效提供数据支持，对油井产能建设及措施调整具有重要意义。

以上所举仅为本实用新型示意性的部分实施例，并非用以限制本实用新型的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应包括在本专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于井下多参数实时监测的螺杆泵采油控制装置，包括位于地面的用以接收和运算井下参数的数据采集及控制装置，接收所述数据采集及控制装置的运算结果、并发出螺杆泵转速控制指令的变频调速装置，以及设置于与螺杆泵相连的光杆顶端、受所述变频调速装置控制并驱动螺杆泵转动的电机，其特征在于：

所述的螺杆泵采油控制装置在油井下，位于螺杆泵的底端还连接有一内设有多个传感器的井下多参数测试仪，所述井下多参数测试仪具有一壳体，壳体上设有一马龙头，一测井电缆的一端密封穿设所述的马龙头而伸入井下多参数测试仪内部，而所述测井电缆的另一端沿油管外壁向上延伸出井口外，并通过井口套管管汇连接于所述的数据采集及控制装置。

2.根据权利要求1所述的螺杆泵采油控制装置，其特征在于，所述螺杆泵的底端通过一接箍连接有一托筒，而所述井下多参数测试仪的壳体外壁上设有悬挂件，并通过悬挂件悬挂固定在托筒内。

3.根据权利要求1或2所述的螺杆泵采油控制装置，其特征在于，所述油管的外壁环设有多个电缆保护器，各电缆保护器上设有用于穿接测井电缆的孔道；所述螺杆泵的底端通过一锚定装置固定于套管内壁上，而所述锚定装置上亦设有穿接测井电缆的孔道；所述测井电缆的一端穿设各个电缆保护器上的孔道，并穿设锚定装置上的孔道，而与所述的马龙头密封连接。

4.根据权利要求2所述的螺杆泵采油控制装置，其特征在于，所述的井下多参数测试仪的壳体内部自上而下顺序设置有容置电路板的电路部及容置各传感器的传感部。

5.根据权利要求4所述的螺杆泵采油控制装置，其特征在于，所述井下多参数测试仪的电路部的上端通过两个锥形密封圈密封，所述的测井电缆在锥形密封圈的位置引出其芯部，该芯部密封地穿设两个锥形密封圈，与位于电路部的电路板相插接，电路部的下端通过金属密封圈密封，并与所述传感部相隔；

所述井下多参数测试仪的传感部设有温度传感器、含水率传感器和压力传感器，而该测试仪的壳体在传感部的位置设置有可通过液流的进液口和出液口。

6.根据权利要求4或5任一项所述的螺杆泵采油控制装置，其特征在于，所述的井下多参数测试仪的壳体下部设有一防止该测试仪在托筒内倾倒的金属扶正器。

7.根据权利要求1、2、4或5任一项所述的螺杆泵采油控制装置，其特征在于，所述井下多参数测试仪的壳体为不锈钢材质，且壳体外壁涂有防腐涂层。

8.根据权利要求1所述的螺杆泵采油控制装置，其特征在于，所述采油控制装置在井口套管管汇上设置有测试油井套压的压力传感器，该传感器连接于所述的数据采集及控制装置。

9.根据权利要求1所述的螺杆泵采油控制装置，其特征在于，所述采油控制装置在螺杆泵的光杆顶端设置有测试光杆扭矩的扭矩传感器，该传感器连接于所述的数据采集及控制装置。

10.根据权利要求1所述的螺杆泵采油控制装置，其特征在于，所述采油控制装置在所述数据采集及控制装置上还设置有用以将井下各个参数传送至远端控制室的无线通讯发射器。

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