气井多参数感知柱塞关键技术分析

气井多参数感知柱塞关键技术分析

邓卫平  胡大凯  赵善国  冯贵洪

贵州航天凯山石油仪器有限公司 贵州省贵阳市 550009

摘要：目前气井现有的柱塞气举排水采气所用柱塞均为实体柱塞，其功能单一，不能对井下产层相关数据进行监测，从而在对井下产层相关数据分析存在局限性，多参数感知柱塞能监测其运动过程中的压力、温度和位置等多个参数的感知柱塞，实时掌握气井积液规律及生产动态，分析产层相关变化情况，为准确制定开采制度，实现精细化开采提供依据，本文对多参数感知柱塞的关键技术进行了分析，并对技术的应用前景进行了说明。

关键词：多参数；感知柱塞；关键技术分析

1、引言

随着天然气开采技术的不断发展，气井柱塞作为一种重要的井下工具，在油气开采中发挥着越来越重要的作用。目前柱塞均为实体柱塞，其功能单一，不能对井下产层相关数据进行监测，故不能判断井下产层的情况。多参数感知柱塞不仅能够实时监测井下的压力变化，还能为油气田的开采和管理提供关键数据支持，保证油气开采的稳定性和效率，多参数感知柱塞技术是实现高效、安全开采的关键。本文将对多参数感知柱塞的关键技术进行深入分析，对于提高油气开采效率和安全性具有重要意义。

2、系统组成

气井多参数感知柱塞集成了压力传感器、温度传感器、位置检测传感器、无线通讯模块和供电电池，它通过在感知柱塞上安装多种传感器，实时感知柱塞在气井油管内运行时的压力、温度、位置等关键参数，利用无线通讯技术，将柱塞数据传输给地面控制器，然后将数据通过GPRS传输至远程服务器上的控制系统，并通过控制系统的数据报表进行综合分析，然后进行远程调参控制，从而实现对气井开采过程的开关井进行精确控制。可以显著提高气井开采的效率和安全性，降低开采成本，具有重要的应用价值，其系统组成如图1所示。

图1 多参数感知柱塞系统组成

3、关键技术分析

传感器技术：传感器是实现气井多参数感知的关键。通过对井况和运动过程进行分析，选择了具有高灵敏度、高稳定性、抗冲击、长寿命的传感器，以确保能够准确感知柱塞运动过程中的压力、温度和位置等参数。同时，对传感器的布局和安装结构的研究，采用特定的回旋结构避免了柱塞上下运行过程中气流对传感器的损坏。

无线通讯技术：井口通讯模块是实现感知柱塞与地面控制器通讯的桥梁，感知柱塞在开关井周期内动态监测上下往复运动的相关参数。当感知柱塞上行到达井口时，液体被排出，感知柱塞靠气体能量悬停在井口附近，然后与井口通讯模块建立连接，将感知柱塞测试的数据通过无线模块传输给井口通讯模块，再由通讯模块将数据传输给地面控制器，再通过GPRS将数据传到服务器。因能量不足，感知柱塞可能会从防喷管掉落到油管内某一位置，因此要求感知柱塞能长距离通讯，同时还需耐压25MPa 的气体压力，通过对天线安装结构进行研究和模拟仿真，设计了特定频率的天线和安装结构，实现了金属管道内的长距离无线通讯，解决了金属管道内通讯只能近距离的问题。

抗振动冲击技术：感知柱塞在上行过程中，平均速度可达 370m/min，上行过程中会与油管接箍产生撞击，上行到达井口时会与位于防喷管顶端的缓冲装置产生冲击。柱塞在下行过程中，会与油管接箍产生撞击，下落到井底前先与积液接触，最终与井底卡定器上的缓冲装置相撞产生撞击。强烈的振动冲击会影响内部电路的可靠性，甚至造成电路永久失效，造成产品的不可靠，因此在抗振动冲击上要求较高，必须有必要的抗冲击措施，通过对运动过程进行分析，对减振结构进行研究，对电路板和传感器设计了特定的减振结构，解决了感知柱塞在上下行过程中的冲击问题，提高了产品的使用寿命。

气体密封技术：现有油气田测试仪器的密封绝大部分都是基于O形密封圈密封，而气体介质密封与液体介质密封面临的问题不同。因气体分子小，当受到高压气体作用时，气体会进入O形密封圈材料内部，然后产生气泡，气体在橡胶空隙中滞留到完全饱和，当外部压力降低时，滞留的压缩气体在橡胶内部膨胀，产生内爆，使橡胶失去密封性能，通过对气体组分的分析和对密封材料性能的研究，选择了抗内爆的特定材质的密封圈，解决了O形密封圈进气胀大的问题。

低功耗测试技术：感知柱塞通常需要在井下长期时间工作，因此低功耗测试技术是确保其长期稳定运行的关键，因此需把仪器的功耗降到最低，才能保证仪器的电池在一定的容量下使用的时间最长。其中无线模块的功耗最大，通过优化工作流程，将通讯模块设计成通讯时打开，设定一个通讯阈值，然后按设定的采样间隔进行数据采样，将采集到的数据与设定的阀值进行比较，然后根据比较值判断是否需要打开无线模块进行数据传输。通过进行低功耗设计，使感知柱塞的使用时长达到了6个月。

电源技术：感知柱塞要求长时间进行数据采集，同时井下最高温度可达125℃，因此对供电电源的选择亦显得尤为重要。目前，常用的电源技术是一次性电池供电，从而要求电池具有高电压、高密度、自放电率低、结构安全、使用温度范围广和使用寿命长。不仅要满足压力、温度和位置测试功能供电外，还要满足无线通讯的供电要求，通过性能对比选择了进口的一次性高温电池为感知柱塞供电，再结合低功耗设计和减振设计，保证了仪器的供电稳定性和可靠性。

数据处理技术：由于气井参数具有复杂性和动态性，因此采用了先进的数据处理技术来分析和处理感知数据。这包括数据预处理、特征提取、数据挖掘等步骤，以实现对气井状态的准确判断和预测。

控制系统技术：控制系统是实现气井精确控制的核心，设计了具有高度自适应性控制系统，能够根据感知数据实时调整气井的开采参数，以实现最优的开采效果，提高采收率。

4、应用前景

气井多参数感知柱塞在提高气井开采效率和安全性方面具有巨大的潜力，柱塞气举井在不断增加，随着传感器技术、无线通讯技术、抗冲击技术、密封技术、低功耗测试技术、电源技术、数据处理技术和控制系统技术的不断发展，这些技术将会更加成熟和稳定，为气井开采带来更大的经济效益和社会效益。

5、结论

气井多参数感知柱塞技术是气井开采领域的一项重要技术，它能够监测其运动过程中的压力、温度和位置等多个参数，实时掌握气井积液规律及生产动态，分析产层相关变化情况，为准确制定开采制度，实现精细化开采提供依据。对实现气井的高效、安全开采，降低开采成本，具有重要的应用价值。通过深入研究和不断完善这项技术，将为我国的能源事业和经济发展做出重要贡献。

参考文献：

[1]殷庆国、刘芳等.柱塞气举排水采气工艺技术研究及应用.石油机械，2018；

[2]马志宏、李金国等.军用装备抗振动、抗冲击设计方法.装备环境工程，2013。

 贵州省省级科技计划项目（黔科合平台人才-CXTD[2021]001）资助；

 邓卫平，男，1990生，大学本科，工程师，2013年毕业于西北农林科技大学机械设计制造及其自动化专业，现在贵州航天凯山石油仪器有限公司从事石油仪器仪表设计工作。