一种智能柱塞排水采气系统

1.本实用新型涉及井筒排水采气技术领域，具体涉及一种智能柱塞排水采气系统。


背景技术：

2.气井井底积液问题是天然气开采中常见的问题，尤其是在气井生产的中后期，积液问题尤为突出。在现代化的排水采气工艺中，为了更好解决气井的产水生产阶段，并且能够节省在排水采气过程中所需要的能源，故采用智能化的气井控制系统以及智能化的智能柱塞，既可以减少井底积液，提高天然气开采效率、延长气井的生产寿命，又保证排水采气的稳产。
3.而现有的智能柱塞系统中需要完全依赖外部能源供给，保证智能柱塞的可靠运行，从而导降低了智能柱塞的使用性能，在使用过程中需要定时对智能柱塞进行能源补给，降低了工作效率，同时对智能柱塞运动过程中产生的能量并不能得到可靠利用，大大降低了能源利用率。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种智能柱塞排水采气系统。
5.本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种智能柱塞排水采气系统，包括用于排水采气的且具有能量转换的智能柱塞、位于井口处且用于对智能柱塞进行捕捉和能量供给的井口组件以及用于对智能柱塞动作状态进行控制的控制机构；
6.智能柱塞内设置有为智能柱塞提供能量供给的能量转换组件，通过能量转换组件使得井内气流产生的动能转换为电能以及将智能柱塞在井内运动时的势能转换为电能。
7.进一步地，智能柱塞包括打捞头、用于检测井内压力的压力传感器、用于检测智能柱塞位置的位置传感器、变径后与套管壁贴合的密封结构、与能量转换组件电性连接的电控系统、用于对井筒出水口进行开闭的控制的阀门、连接在阀门上的传动机构以及用于对传动机构提供动力且与能量转换组件电性连接的驱动电机。
8.进一步地，能量转换组件包括发电机、设置在发电机输出端的涡轮以及与发电机电性连接的电池仓，电池仓为智能柱塞内的用电部件进行供电。
9.进一步地，井口组件包括防喷盒、位于防喷盒内壁且用于卡定智能柱塞的卡定结构以及位于防喷盒内部且用于对智能柱塞上行时产生能量进行转换的发电机组，发电机组与设置在防喷盒内的蓄电仓电性连接，且当智能柱塞到达井口位置时，蓄电仓为智能柱塞的电池仓充电。
10.进一步地，发电机组包括小型发电机以及设置在小型发电机上的发电涡轮，发电涡轮中部设置有上传端口，上传端口与设置在智能柱塞的打捞头上的信息传送端口相配合。
11.进一步地，智能柱塞还包括逆变器，逆变器分别与智能柱塞的发电机和电池仓电性连接。
12.进一步地，电池仓的外部套设有导压管。
13.进一步地，发电机的上端和下端均设置有输出端，且两个输出端上分别设置有所述涡轮。
14.本实用新型具有以下有益效果：本实用新型所提供的一种智能柱塞排水采气系统，其结构可靠，使用性能好，通过智能柱塞的特定性结构设置以及分别设置在智能柱塞内部和防喷盒内部的发电机组，将井内的气流及流体产生的动能转化为电能，同时，在智能柱塞下行过程中的势能转换为电能，并储存在电池仓内，大大提高能量转换率，并且在智能柱塞上行至防喷盒时，在信息上传端口连接后，也可使防喷盒内部的储能电池仓为智能柱塞充电，大大降低了对外部能源的依赖。此外，本技术中，通过电控系统对发电机的工作状态进行控制，能够使得智能柱塞内部的发电机反转作为电动机使用，从而在涡轮叶片转动过程中，产生旋流，对气井出砂及其他导致智能柱塞卡住的状况进行紧急处理，将智能柱塞内的砂砾等杂质排除至智能柱塞外部，保证智能柱塞的可靠上行。
附图说明
15.图1为本实用新型结构示意图；
16.图2为本实用新型中智能柱塞结构示意图；
17.图3为本实用新型中防喷盒结构示意图；
18.图4为本实用新型中防喷盒内部的发电涡轮结构示意图；
19.图5为本实用新型中能量转换组件工作流程示意图；
20.图6为本实用新型中紧急状态下能量转换组件工作流程示意图；
21.图7为本实用新型中气井内排水采气流程示意图；
具体实施方式
22.以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
23.如图1至图2所示，一种智能柱塞排水采气系统，包括用于排水采气的且具有能量转换的智能柱塞1、位于井口处且用于对智能柱塞1进行捕捉和能量供给的井口组件2以及用于对智能柱塞1动作状态进行控制的控制机构。控制机构可采用单片机等控制设备，能够对井内的各项数据信息和智能柱塞的位置信息进行实时采集，完成对智能柱塞上下行过程中的智能控制、监控井内积液排放和收集井下各类数据。此外，该系统还包括有薄膜阀、气体分离器，薄膜阀为控制气井的开关，也能同时控制智能柱塞的上下行动作。气体分离器为薄膜阀提供所需的压力。
24.智能柱塞1内设置有为智能柱塞提供能量供给的能量转换组件10，通过能量转换组件10使得井内气流产生的动能转换为电能以及将智能柱塞在井内运动时的势能转换为电能，转换后的电能储存在电池仓103内。电池仓103的外部套设有导压管104，其为绝缘材料，对电池仓103起到保护作用。能量转换组件10包括发电机101、设置在发电机101输出端的涡轮102以及与发电机101电性连接的电池仓103，电池仓103为智能柱塞内的用电部件进行供电。涡轮102上设置有涡轮102叶片，在工作中，利用井内的气流及流体推动涡轮102叶片转动带动发电机101内部的转子转动切割磁感线，从而实现发电过程，然后将此过程所发
的储存在电池仓103内。在能量转换组件10中，考虑到其电流大小及方向难以同发电机101所发出的电流一致，故使用逆变器19将电流整流之后存入电池仓103内，逆变器19分别与所智能柱塞1的发电机101和电池仓103电性连接。
25.如图2所示，智能柱塞1包括打捞头11、用于检测井内压力的压力传感器12、用于检测智能柱塞位置的位置传感器120、变径后与套管壁贴合的密封结构13、与能量转换组件10电性连接的电控系统14、用于对井筒出水口进行开闭的控制的阀门15、连接在阀门15上的传动机构16以及用于对传动机构16提供动力且与能量转换组件10电性连接的驱动电机17。打捞头11上设置有信息传送端口18，该信息传送端口18与防喷盒20的发电涡轮221上的上传端口222相配合，当智能柱塞1上行到防喷盒20后，该打捞头11上的信息传送端口18与上传端口222相配合，从而通过防喷盒20内部的蓄电仓23为智能柱塞1充电，从而进一步地节省外部能源，此处使用的配合方式为usb串口总线标准。压力传感器12用于感应井内压力，并上传至电控系统14的存储器中。通过阀门15的开闭控制井内积液流至智能柱塞上部，智能柱塞上部积累了可承受压力的最大液量时，再关闭阀门15。在智能柱塞1的自运行过程中，电控系统14在预计电池仓103总电量低于20％时将完成当前过程后，自动停留在井内的井口位置由防喷盒20内的电池仓103进行充电或下行预定由气液能量供电位置，在完成充电后再进行排水采气工作过程。密封结构13为膨胀变径结构，在工作过程中能够实现变径，从而贴紧套管壁，形成智能柱塞下部与气井之间的封闭空间，智能柱塞的下部气体聚集，与地面压力形成加大落差的压降，从而推动智能柱塞和上部液体缓慢上行。
26.如图3至图5所示，井口组件2包括防喷盒20、位于防喷盒20内壁且用于卡定智能柱塞的卡定结构21以及位于防喷盒20内部且用于对智能柱塞上行时产生能量进行转换的发电机组22，发电机组22与设置在防喷盒20内的蓄电仓23电性连接，且当智能柱塞1到达井口位置时，蓄电仓23为智能柱塞1的电池仓103充电。卡定结构21对上行到防喷盒20处的智能柱塞进行捕捉定位。防喷盒20内的顶部设置有缓冲弹簧，对智能柱塞的上行至防喷盒20处接触时进行缓冲。防喷盒20上接入背板使用太阳能电池式的综合信息控制端，使施工人员便于了解气井内的各项数据信息和智能柱塞的位置信息，完成对智能柱塞上下行过程的智能控制、监控气井内的积液排放和收集井下各类数据。
27.发电机组22包括小型发电机220以及设置在小型发电机220上的发电涡轮221，发电涡轮221中部设置有上传端口222，上传端口222与设置在智能柱塞1的打捞头11上的信息传送端口18相配合。在智能柱塞上行达到防喷盒20处时，智能柱塞上部积累的流体推动发电涡轮221上的叶片转动，进而带动小型发电机220内的转子转动切割磁感线，实现发电过程，并将所发的电存储在蓄电仓23内。同时，在智能柱塞上行至防喷盒20时，智能柱塞上的信息传送端口18与防喷盒20的上传端口222连接后，实现井底数据的上传，同时在信息上传过程中通过防喷盒20内部的蓄电仓23为智能柱塞充电。
28.为了提高能量转换效果，本实用新型中，发电机101的上端和下端均设置有输出端，且两个输出端上分别设置有涡轮102。从而形成在智能柱塞的上行和下行中均能够进行能量转换，进一步的提高能量转换效率。
29.如图6所示，当位于气井底部工作的智能柱塞1可能遇到气井出砂及其他导致智能柱塞卡住的情况，而使得智能柱塞无法正常上行时，电控系统14发出“放电”指令，电池满功率放电驱动电机17以及电控系统14发出指令让智能柱塞内发电机101反转来应对该情况，
这样智能柱塞内电动机a与由发电机101转化的电动机b共同将智能柱塞内外的砂砾等杂质排除智能柱塞外；并且在此过程中，阀门15打开，压力传感器12外部的可膨胀变径的密封结构13保持膨胀状态；这里对应前文中电池保持20％的最低电量用于突发情况中能满足电池的满功率放电的情况。在智能柱塞完成脱困后，电控系统14下达“恢复”指令，恢复发电机101由气液流发电的正常工作状态；并且在指令实施后，压力传感器12将智能柱塞所受到的压力以及温度的变化上传至电控系统14的存储器中，带智能柱塞上行至井口后，将受困信息及受困所需的电流大小上传至地面控制中心。地面控制中心依据信息中电流的大小判断智能柱塞内电动机和发电机101的受损情况，评估其使用的寿命，进行合理保养。
30.随后在经过一段时间的排液后，气井内液体情况趋于正常，气井开采恢复初始状态；智能柱塞由防喷盒20内的卡定结构21卡紧，当气井井底积液再次增多时，地面控制中心发出指令，再次将智能柱塞投入井中重复以上过程进行排液，如此恢复天然气的正常生产过程。
31.如图7所示，智能柱塞在使用时，现将智能柱塞1下落至套管内，随后打开阀门15，水流从出水口进入流至智能柱塞1的上部，同时利用井内的气流及流体推动智能柱塞1内部的涡轮102的叶片转动进行发电，并将电量经逆变器19作用后储存在电池仓103内；
32.如图7(a)为智能柱塞上行过程，当智能柱塞1上部积累可承受压力的最大液柱后，打开薄膜阀，关闭阀门15，智能柱塞1的密封结构13膨胀贴紧套管壁，形成智能柱塞1下部与气井之间的封闭空间，智能柱塞下部气体聚集，与地面压力形成较大落差的压降，推动智能柱塞和上部液柱缓慢上行，随后推动智能柱塞1和上部液柱上行。在该过程中，当智能柱塞1因环境因素无法正常上行时，通过电控系统14发出放电指令，使得电池仓103满功率放电驱动电机17，同时通过电控系统14发出指令使得智能柱塞1内的发电机101反转作为电动机使用，并打开阀门15及保证密封结构13膨胀始终紧贴在套管内壁上。
33.如图7(b)所示，当智能柱塞1上行至防喷盒20和捕捉器处时，智能柱塞1上部的打捞头11的信息传送端口18与防喷盒20的发电涡轮221上的上传端口222对接，实现井底数据的上传，同时在上传过程中对智能柱塞1进行补电作业。当井底数据上传完毕后，如图7(c)所示，关闭薄膜阀和阀门15，智能柱塞1下行，在压力传感器12受到与液面接触时的压力变化后，智能柱塞1在套管内自动悬停，如图7(d)所示。重复s1至s3步骤，继续完成下一个排水采气动作。
34.以上仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。