CN216406782U - 一种井下智能柱塞及数智排采系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及柱塞气举排水采气技术领域，尤其涉及一种井下智能柱塞及数智排采系统。井下智能柱塞包括打捞部、智能检测部以及导向部。打捞部包括打捞头以及扶正器，打捞头与扶正器连接，且扶正器的外轮廓尺寸大于打捞头的外轮廓尺寸，扶正器的外周设置有密封圈，且扶正器用于使得井下智能柱塞稳定。智能检测与打捞部连接，且智能检测部用于检测井下智能柱塞所处的位置。导向部连接在智能检测部远离打捞部的一端，且导向部包括密封导向头，密封导向头外周设置多圈的导向环，密封导向头远离智能检测部的一端的外轮廓尺寸朝远离智能检测部的一端变小。使用该井下智能柱塞会避免智能柱塞被淹死的风险以及提升智能柱塞的使用寿命。

Description

一种井下智能柱塞及数智排采系统

技术领域

本实用新型涉及柱塞气举排水采气技术领域，尤其涉及一种井下智能柱塞及数智排采系统。

背景技术

随着气井的生产，井底会逐渐产生积液，当积液增多时会影响到气井的正常生产，严重时甚至会导致停产。为了提高天然气的采收率，延长气井的生产寿命，就必须清除井底的积液。在相关技术中，智能柱塞存在着被淹死的风险，以及智能柱塞的卡定密封结构使用寿命短的问题。

实用新型内容

本申请公开了一种井下智能柱塞及数智排采系统，使用该井下智能柱塞会避免智能柱塞被淹死的风险以及提升智能柱塞的使用寿命。

第一个方面，本申请公开的井下智能柱塞，包括：

打捞部，所述打捞部包括打捞头以及扶正器，所述打捞头与所述扶正器连接，且所述扶正器的外轮廓尺寸大于所述打捞头的外轮廓尺寸，所述扶正器的外周设置有密封圈，且所述扶正器用于使得所述井下智能柱塞稳定；

智能检测部，所述智能检测部与所述打捞部连接，且所述智能检测部用于检测所述井下智能柱塞所处的位置；

导向部，所述导向部连接在所述智能检测部远离所述打捞部的一端，且所述导向部包括密封导向头，所述密封导向头外周设置多圈的导向环，所述密封导向头远离所述智能检测部的一端的外轮廓尺寸朝远离所述智能检测部的一端变小。

进一步地，所述智能检测部包括依次相连接的电池模块、感应线圈、控制板模块、传感器模块。

进一步地，所述传感器模块由高精度温度传感器、高精度压力传感器、低功耗三轴加速度传感器组成，且三者均与所述控制板模块连接，所述高精度温度传感器两线连接，所述高精度压力传感器四线连接，所述低功耗加速度传感器四线连接。

进一步地，所述感应线圈由线圈、外部密封橡胶和特种塑料组成，所述线圈与所述控制板模块电连接，所述感应线圈用于在井口与所述控制板模块的能量交换和数据通信。

进一步地，所述控制板模块由无线充电管理和载波通信模块、传感检测模块、控制板主控单元、电机驱动模块和数据存储管理模块组成。

进一步地，所述智能检测部还包括电机组件及悬停及流通阀模块，其中，所述电机组件与所述传感器模块连接，且所述电机组件远离所述传感器模块的一端与所述悬停及流通阀模块连接，所述悬停及流通阀模块的另一端与所述密封导向头连接。

进一步地，所述电机组件包括直流电机和减速器。

进一步地，所述悬停及流通阀模块包括悬停机构和流通阀，所述悬停机构使用凸轮悬停结构设计。

第二个方面，本申请还公开了一种数智排采系统，所述数智排采系统应用了如上述方案中任一项所述的井下智能柱塞。

与现有技术相比，本实用新型具备以下有益效果：

一方面，本实用新型能够通过井下智能柱塞实时检测并计算当前积液高度然后在井下预定位置悬停以防止柱塞被‘淹死’。井下智能柱塞到达井口后，数智排采系统会与智能柱塞以无线方式通信以获取存储的井下采集数据，同时数智排采系统以无线方式给智能柱塞充电以延长电池续航能力。数智排采系统对井下数据分析处理后在井口以无线方式调整井下智能柱塞的排采参数。井下智能柱塞悬停及流通阀模块使数智排采系统不再需要频繁开关井操作。独特的密封导向头的卡定密封结构设计以延长井下智能柱塞的使用寿命。综上，本实用新型节约了人力管控成本，提高了系统的排水采气效率，增加了现场的产气量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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获得其他的附图。

图1是本申请实施例中井下智能柱塞的结构示意图；

图2是本申请实施例中井下智能柱塞控制板模块的功能框图；

图3是本申请实施例中井下智能柱塞卡定密封结构示意图。

附图标记：

1：井下智能柱塞；1-1：打捞头；1-2：扶正器；1-3：传感器模块；1-4：感应线圈；1-5：控制板模块；1-6：电池模块；1-7：电机组件；1-8：悬停及流通阀模块；1-9：密封导向头；1-5-1：电机驱动模块；1-5-2：无线充电管理和载波通信模块；1-5-3：传感检测模块；1-5-4：数据存储管理模块；1-5-5：控制板主控单元；1-8-1：凸轮转轴悬停结构；1-8-2：流通阀结构；1-8-3：密封结构。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本实用新型及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本实用新型中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

下面将结合具体实施例和附图对本申请的技术方案作进一步的说明。

第一个方面，本申请公开的井下智能柱塞1，包括：

打捞部，打捞部包括打捞头1-1以及扶正器1-2，打捞头1-1与扶正器1-2 连接，且扶正器1-2的外轮廓尺寸大于打捞头1-1的外轮廓尺寸，扶正器1-2 的外周设置有密封圈，且扶正器1-2用于使得井下智能柱塞1稳定；

智能检测部，智能检测部与打捞部连接，且智能检测部用于检测井下智能柱塞1所处的位置；

导向部，导向部连接在智能检测部远离打捞部的一端，且导向部包括密封导向头1-9，密封导向头1-9外周设置多圈的导向环，密封导向头1-9远离智能检测部的一端的外轮廓尺寸朝远离智能检测部的一端变小。

如图1所示，井下智能柱塞1总体结构由打捞头1-1、扶正器1-2、传感器模块1-3、感应线圈1-4、控制板模块1-5、电池模块1-6、电机组件1-7、悬停及流通阀模块1-8、密封导向头1-9组成。打捞头1-1与扶正器1-2连接；扶正器1-2与传感器模块1-3连接；传感器模块1-3与控制板模块1-5连接；感应线圈1-4与控制板模块1-5连接；控制板模块1-5与电池模块1-6连接，单节3.6V电池给控制板供电，四节串联12V电池给电机供电；电机组件1-7 与控制板模块1-5连接；悬停及流通阀模块1-8与电机组件1-7连接，由电机驱动实现悬停功能及流通阀的开关控制；密封导向头1-9与悬停及流通阀模块1-8连接。

井下智能柱塞1打捞头1-1在井下柱塞无法回到井口时提供打捞对接接头。

井下智能柱塞1扶正器1-2用于防止井下柱塞在油管内来回摆动，起到稳定柱塞和导向的作用。

进一步地，控制板模块1-5由无线充电管理和载波通信模块1-5-2、传感检测模块1-5-3、控制板主控单元1-5-5、电机驱动模块1-5-1和数据存储管理模块1-5-4组成。

如图2所示，井下智能柱塞1控制板模块1-5由柱塞内感应线圈1-4、无线充电管理和载波通信模块1-5-2、传感检测模块1-5-3、数据存储管理模块 1-5-4、井下智能柱塞1主控单元、电机驱动模块1-5-1组成。井下智能柱塞 1内部感应线圈1-4由线圈、外部密封橡胶和特种塑料组成，感应线圈1-4 通过两根线与智能柱塞控制板内部无线充电管理和载波通信模块1-5-2连接，主要用于在井口与无线充电通信模块的能量交换和数据通信。

柱塞内感应线圈1-4与无线充电管理和载波通信模块1-5-2连接；无线充电管理和载波通信模块1-5-2无线充电部分与智能柱塞内部两组电池分别连接，载波通信部分与井下智能柱塞1主控单元连接；传感器模块1-3一端与温度、压力、加速度传感器连接，另一端与控制板主控单元1-5-5连接；数据存储管理模块1-5-4与控制板主控单元1-5-5连接，用于井下采集参数的存储。

电机驱动模块1-5-1一端与井下控制板主控单元1-5-5连接，另一端通过连轴方式与悬停及流通阀模块1-8连接。控制板主控单元1-5-5负责无线充电管理及载波通信数据的调制与解调，将感应线圈1-4感应的交变电压信号通过桥式整流加滤波的方式转换为直流电压信号，通过稳压后得到14.8V以上的直流电压，此直流电压可以直接给电机驱动用的四节串联3.6V可充电锂电池充电，此直流电压通过降压电路后可以主控系统用单节3.6V电池充电。

载波数据的调制与解调采用调频方式实现，发送数据通过调制信号，接收数据通过解调信号，通过制定字符编码格式和带校验的通信协议可以保证无线通信数据的可靠性。

控制板主控单元1-5-5负责实时检测井下温度、压力和加速度等数据，通过对传感数据的处理，可以知道当前智能柱塞所处井下位置、上下行的运行速度以及积液高度，当积液高度到达预定位置时，控制板主控单元1-5-5 通过电机驱动启动悬停机构，防止智能柱塞继续下落被‘淹死’，同时关闭流通阀，然后通过地压举升上行，上行悬停机构自动收回，当智能柱塞回到井口时，打开流通阀采气，同时与地面控制器无线通信，将采集存储的井下数据传输给数智排采系统的控制器，数智排采系统的控制器分析数据后又以无线方式调整智能柱塞的排采参数，实现了数字化智能控制，在此过程中，数智排采系统的控制器通过无线充电通信模块还可以给智能柱塞无线充电，增加了智能柱塞内部电池的续航能力；

无线充电管理和载波通信模块1-5-2与智能柱塞内部感应线圈1-4连接，以实现井口的无线充电和无线通信功能；传感检测模块1-5-3与温度传感器、压力传感器、加速度传感器连接，用于检测井下参数及柱塞的运行状态；控制板主控单元1-5-5由低功耗单片机及其外围电路组成，实现井下智能柱塞1 的传感检测、无线充电管理及载波通信、数据存储管理、电机驱动控制、实时时钟和看门狗功能；电机驱动模块1-5-1与悬停及流通阀模块1-8连接，主要控制流通阀的开关工作；数据存储管理模块1-5-4主要实现采集参数的存储及管理。

井口流通阀模块处于打开状态，当气压举升力低于智能柱塞自重和油管内壁的摩擦力时，智能柱塞会再次自动下行，而不需要像传统柱塞那样通过频繁开关井的方式来实现柱塞的上下行控制，免去了开关井操作。

如图3所示，井下智能柱塞1的导向部除包括密封导向头1-9外，还包括卡定密封结构1-8-3，卡定密封结构1-8-3由凸轮转轴悬停结构1-8-1、流通阀结构1-8-2、密封结构1-8-3组成。凸轮转轴悬停结构1-8-1在下行悬停时由电机驱动连轴实现下行卡定功能，上行能够自动回收卡定机构，有效减小了上行举升和油管内壁的摩檫力，延长了卡定结构的使用寿命。流通阀结构 1-8-2在下行悬停时由电机驱动连轴正转90°而关闭流通阀，之后借助地压举升，当到达井口时，再由电机驱动连轴反转90°而打开流通阀。密封结构1-8-3采用特斯拉式结构设计，上行时可以保证举升的液体几乎没有下落，下行时与油管内壁几乎没有摩擦力，从而保证智能柱塞排水的顺利进行。

井下智能柱塞1电池模块1-6由两组耐高温可充电锂电池组成，一组为单节3.6V电池为超低功耗单片机及其外围传感检测和存储电路供电；另一组为四节3.6V串联的电池组成，主要为12V直流电机供电。两组电池输入分别连接到智能柱塞控制板的无线充电管理模块的不同充电电压接口上，输出分别连接到智能柱塞控制板的不同电压输入接口上。

井下智能柱塞1电机组件1-7由12V直流电机和减速器组成，下行检测到预定悬停位置时，柱塞控制板主控单元1-5-5驱动电机动作关闭流通阀；上行到井口时，柱塞控制板主控单元1-5-5驱动电机动作打开流通阀。直流电机和减速器通过连轴与悬停及流通阀模块1-8连接。

井下智能柱塞1悬停及流通阀模块1-8由悬停机构和流通阀组成，悬停机构采用凸轮悬停结构设计，

下行到预定悬停位置由直流电机驱动撑开悬停，上行自动回收，不易损坏，使用寿命长；流通阀的操作是下行到预定悬停位置由直流电机驱动关闭，上行到井口后再次打开。悬停机构和流通阀通过连轴与电机减速器连接。

井下智能柱塞1密封及导向头一方面用于上行密封柱塞，另一方面用于下行导向。

与现有技术相比，本申请实施例具备以下有益效果：

一方面，本实用新型能够通过井下智能柱塞1实时检测并计算当前积液高度然后在井下预定位置悬停以防止柱塞被‘淹死’。井下智能柱塞1到达井口后，数智排采系统会与智能柱塞以无线方式通信以获取存储的井下采集数据，同时数智排采系统以无线方式给智能柱塞充电以延长电池续航能力。数智排采系统对井下数据分析处理后在井口以无线方式调整井下智能柱塞1 的排采参数。井下智能柱塞1悬停及流通阀模块1-8使数智排采系统不再需要频繁开关井操作。独特的密封导向头1-9的卡定密封结构1-8-3设计以延长井下智能柱塞1的使用寿命。综上，本实用新型节约了人力管控成本，提高了系统的排水采气效率，增加了现场的产气量。

以上对本实用新型实施例公开的一种井下智能柱塞以及数智排采系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的井下智能柱塞以及数智排采系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (9)

1.一种井下智能柱塞，其特征在于，所述井下智能柱塞包括：

打捞部，所述打捞部包括打捞头以及扶正器，所述打捞头与所述扶正器连接，且所述扶正器的外轮廓尺寸大于所述打捞头的外轮廓尺寸，所述扶正器的外周设置有密封圈，且所述扶正器用于使得所述井下智能柱塞稳定；

智能检测部，所述智能检测部与所述打捞部连接，且所述智能检测部用于检测所述井下智能柱塞所处的位置；

导向部，所述导向部连接在所述智能检测部远离所述打捞部的一端，且所述导向部包括密封导向头，所述密封导向头外周设置多圈的导向环，所述密封导向头远离所述智能检测部的一端的外轮廓尺寸朝远离所述智能检测部的一端变小。

2.根据权利要求1所述的井下智能柱塞，其特征在于，所述智能检测部包括依次相连接的电池模块、感应线圈、控制板模块、传感器模块。

3.根据权利要求2所述的井下智能柱塞，其特征在于，所述传感器模块由高精度温度传感器、高精度压力传感器、低功耗三轴加速度传感器组成，且三者均与所述控制板模块连接，所述高精度温度传感器两线连接，所述高精度压力传感器四线连接，所述低功耗加速度传感器四线连接。

4.根据权利要求2所述的井下智能柱塞，其特征在于，所述感应线圈由线圈、外部密封橡胶和特种塑料组成，所述线圈与所述控制板模块电连接，所述感应线圈用于在井口与所述控制板模块的能量交换和数据通信。

5.根据权利要求2所述的井下智能柱塞，其特征在于，所述控制板模块由无线充电管理和载波通信模块、传感检测模块、控制板主控单元、电机驱动模块和数据存储管理模块组成。

6.根据权利要求5所述的井下智能柱塞，其特征在于，所述智能检测部还包括电机组件及悬停及流通阀模块，其中，所述电机组件与所述传感器模块连接，且所述电机组件远离所述传感器模块的一端与所述悬停及流通阀模块连接，所述悬停及流通阀模块的另一端与所述密封导向头连接。

7.根据权利要求6所述的井下智能柱塞，其特征在于，所述电机组件包括直流电机和减速器。

8.根据权利要求6所述的井下智能柱塞，其特征在于，所述悬停及流通阀模块包括悬停机构和流通阀，所述悬停机构使用凸轮悬停结构设计。

9.一种数智排采系统，其特征在于，所述数智排采系统应用了如权利要求1至8任一项所述的井下智能柱塞。

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