一種基于壓電效應的抽油機井下信號測量與無線傳輸系統技術方案

本發明專利技術公開了一種基于壓電效應的抽油機井下信號測量與無線傳輸系統，由若干個信號測量與無線傳輸裝置和地面無線發射/接收裝置組成，信號測量與無線傳輸裝置可以代替接箍用來連接抽油桿，在抽油機帶動抽油桿上下運動的過程中，可以通過發電體上應變片的振動將一部分動能轉化為電能儲存在蓄電池中，測量與無線傳輸裝置中的柔性印刷電路板上有傳感器信號處理電路、無線發送接收電路和主控制電路等，通過ZigBee無線通訊協議與地面通訊，實現了裝置的自供電的井下無線通訊，結構簡單，安裝方便，適應性強，解決了現有技術中存在的成本高以及施工難度大的問題，可以根據不同的井深采用不同的安裝方式適應不同的工作環境。

【技術實現步驟摘要】
一種基于壓電效應的抽油機井下信號測量與無線傳輸系統
本專利技術關于油田井下監測技術，特別是關于油井井下直讀監測技術，具體的講是一種基于壓電材料的抽油機井下信號測量與無線傳輸系統。
技術介紹
在如今的采油工程中，有各式各樣的采油方式，但是最主要使用的是有桿采油的方式。有桿采油使用細長的抽油桿連接著地下數千米的抽油泵，通過固定在地面的抽油機帶動抽油桿上下運動達到抽油目的。抽油桿是抽油機井的細長桿件，它上接抽油機的懸繩器，下接抽油泵起傳遞動力的作用。抽油桿單根長度為7.62、8或9.14米，材質一般是低碳合金鋼經過調質處理,單根抽油桿的兩端加工成外螺紋，然后用一種叫接箍的標準連接件將一根根抽油桿連接起來，接箍的兩端加工成內螺紋，長度一般為100毫米，外徑比抽油桿稍大，這樣在油管內通過抽油桿將地下油層處的油泵活塞與抽油機“驢頭”上的懸繩器相連接，通過抽油機往復運動來泵油。目前隨著油價的下跌，各油田生產單位越來越重視生產節能增效，如對抽油機改為變頻控制，實現可調的抽油頻次，對注水井的注水壓力和流量的優化改變來提升產油量，但目前這些參數的設定均是基于操作人員的經驗，因為缺乏井下環境數據的測量，如注水井中注水壓力和流量均很大，在油井中抽上來的是含水量很高的原油，就會造成能量的極大浪費。另一方面，目前的油井深度一般在2～3千米左右，新疆克拉瑪依的油井深度可達6～7千米，而井下工況十分復雜，工作環境非常惡劣，不僅受到機、桿、泵等抽油設備的影響，還直接受到砂、蠟、氣、水的影響，故障率很高，為了保證抽油井正常生產，延長抽油設備使用壽命，就必須及時、準確地掌握抽油井的工作狀況，診斷抽油井所存在的故障。我國現有的油井在生產過程中，幾乎沒有對油井井下環境參數進行監測，目前對于抽油井的工況主要通過采油工程技術員對抽油機示功圖的分析和油井的管理經驗確定，診斷結果準確性不高，情況復雜時只能通過抽出所有井下抽油桿和油管來查探情況，但該方法容易導致判斷錯誤或投入不必要的測試作業費，并且很少存在可以直接檢測井下其他數據的測量裝置，不僅是因為井下儀器供電困難，還因為井下信號傳輸困難。專利網公布了“一種利用壓電技術發電的流體管道系統”（申請號：201510039957.1）這種發電的裝置可以實現將流體流動產生的動能轉換成電能，但是并不適用在油田抽油的環境中，因為抽油井的抽油管道中有抽油桿，抽油桿并不會轉動。專利網公布的“一種油井井下無纜測試系統”（申請號：201210154062.9）直接從幾千米下的油井發送無線信號到地表，容易受到油液，管道，土壤等的削弱，使得無線傳輸的效果不理想；專利網公布的“一種用于井下通訊的數據傳輸裝置及方法”（申請號：201110171527.7）公布了一種井下無線通訊的方法，但是沒有很具體的結構，也沒有提供電源的解決方案；專利網公布的“一種井下微功耗遠距離無線數據傳輸裝置”（申請號：201320685866.1），該技術專利提供了一種無線通訊的方法，但是沒有給出電源的解決方案；除此之外也有人嘗試直接放電纜下去，采用有線線纜方式，由于井內的惡劣工作環境(溫度：最高125度，最低十幾度；壓力：60MPa；腐蝕性：飽和鹽水)，不僅長距離電纜傳輸成本很高，而且耐久性和工作的可靠性較難得到保證，在抽油過程中電線易被拉斷，同時布線后也會干擾修井工作。。
技術實現思路
本專利技術的目的是：克服現有技術的不足，提供抽油機油井井下信號測量與無線傳輸系統，其可以實現裝置自供電，結構簡單，安裝方便，適應性強，解決了現有技術中存在的成本高以及施工難度大的問題，可以根據不同的井深采用不同的安裝方式適應不同的工作環境。本專利技術的測量裝置安裝在兩節抽油桿之間，其特征在于：本專利技術由短節，傳感器，固定在短節內部的內部發電裝置外殼，用于防止外界油液進入的橡膠密封蓋，安裝在內部發電裝置外殼內部用于防水的上封蓋，固定在上封蓋上的蓄電池，固定在上封蓋上的柔性印刷電路板，安裝在內部發電裝置外殼內部用于分隔兩腔室的中封蓋，壓電片和振動體組成發電體，以及下封蓋組成，其中六片壓電片的一端與內部發電裝置外殼、中封蓋或下封蓋固定，固定方式為螺栓連接，下封蓋通過螺釘固定在內部發電裝置外殼用于隔離防水，封蓋與內部發電裝置外殼都是通過螺釘連接，上下封蓋周圍都加了橡膠密封圈用于防止外界液體進入，橡膠密封圈可以是事先固定在封蓋上，也可以在安裝的過程中再固定，發電體由壓電片和振動體組成，振動體每個面上都連接有“S”形的壓電片，抽油機在上下沖程運動中，帶動振動體運動，再通過振動體振動帶動壓電片振動發電；當其中一片壓電片受到擠壓時，與之相對的壓電片處于不受力的狀態，所有各壓電片都不同程度地伸長或縮短，從而使壓電片的應力交替變化、并將機械能轉換成電能，電能通過導線傳入柔性印刷電路板，柔性印刷電路板中具有整流穩壓電路、充放電管理電路可以將交變的電流轉化成直流充入蓄電池中,傳感器可以根據測試要求更換，柔性印刷電路板中更換為相應的傳感信號放大、調理電路，通過蓄電池供電，并將數據存儲在柔性印刷電路板的內存中，柔性印刷電路板上還有信號處理電路、無線信號發射和無線中繼電路，可以將傳感器采集到的信號通過無線的方式發射出去，也可以接收無線信號進行信號的中繼。進一步，壓電片由基體材料和聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（壓電薄膜）粘接而成。進一步，柔性印刷電路板是柔性的，可以卷起來塞在內部發電裝置外殼里面。進一步，所述的柔性印刷電路上有用于數據存儲和讀取的電路，可以實現對傳感器采集到的信息的存儲和讓上位機讀取的能力。進一步，信號測量與無線傳輸裝置的安裝位置需要根據不同的井深和井下環境來綜合考慮，若只需要測量最底部的數據，本裝置可以每隔一定的距離安裝一個，最下方的裝置用于發射/接收無線信號，其余的用于無線中繼，使得無線信號可以覆蓋地面與整個抽油井。進一步，若需要測量油井內指定深度的數據，每一個信號測量與無線傳輸裝置既是中繼也可以發射自己所在位置的傳感器檢測到的數據，將接收到的其他信號測量與無線傳輸裝置發送的數據放大后發射出去。本專利技術的優點在于：1、可以在傳統的線纜式供電難以實現的抽油井下通過自供電實現井下環境參數的檢測，同時相對于現用的井下測量裝置的專利技術，具有不必隔一段時間就更換一次蓄電池的優點；2、由于是在井下直接測量溫度，其準確性較高，而且結構簡單不需要對現有的抽油桿做改動即可使用；3、可以根據不同的測試條件，更換不同的傳感器，可以是鎧甲式的溫度傳感器，耐腐蝕不易損壞，可以是液體壓力傳感器，用于估計抽油機中的液體壓力情況，可以是超聲波傳感器，用于估計原油中的含水情況，實現井下不同環境參數額測量；4、通過無線中繼的方式解決了油井下不同深度的信號測量，實現了抽油機井下生產數據的無纜直讀測試，解決了現有技術中存在的成本高以及施工難度大的問題。附圖說明圖1是本專利技術的原理示意圖。圖2是本專利技術在井下一種布置示意圖。圖3為測量裝置在抽油桿上的布置圖。圖4為測量裝置裝配的爆炸圖。圖5為測量裝置的剖視圖。圖6為測量裝置中發電體示意圖。圖中套管1，絕緣扶正器2，油管3，抽油桿4，信號測量與無線傳輸裝置501，地面無線接收/發射裝置502，短節51，下封蓋52，內部發電裝置外殼53，發電體54，中封蓋55，柔性印刷電路板56，蓄本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種基于壓電效應的抽油機井下信號測量與無線傳輸系統，包括短節，短節上有外螺紋，可以和抽油桿的內螺紋配合；其特征在于：由若干個信號測量與無線傳輸裝置和地面無線發射/接收裝置組成，信號測量與無線傳輸裝置由短節，橡膠密封蓋，傳感器，內部發電裝置外殼，上封蓋，蓄電池，柔性印刷電路板，中封蓋，發電體，下封蓋組成，內部發電裝置外殼和短節是分開制造的，安裝時內部發電裝置外殼固定在短節內部，上封蓋、下封蓋上都固定在內部發電裝置外殼內部，柔性印刷電路板、蓄電池固定在中封蓋上，發電體由壓電片和振動體組成，其中六片壓電片的一端與內部發電裝置外殼、中封蓋或下封蓋固定，振動體擁有一定的質量，使得抽油桿上下運動過程中可以帶動壓電片振動；在抽油機帶動抽油桿上下運動的過程中可以將一部分動能轉化為電能儲存在蓄電池中給位于短節內的傳感器供電,?壓電片由基體材料和聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（壓電薄膜）粘接而成，柔性印刷電路板上還有信號處理電路、無線信號發射和無線中繼電路，可以將傳感器采集到的信號通過無線的方式發射出去，也可以接收無線信號進行信號的中繼，地面上的地面無線發射/接收裝置可以接收來自信號測量與無線傳輸裝置的信號和發送信號。...

【技術特征摘要】
1.一種基于壓電效應的抽油機井下信號測量與無線傳輸系統，包括短節，短節上有外螺紋，可以和抽油桿的內螺紋配合；其特征在于：由若干個信號測量與無線傳輸裝置和地面無線發射/接收裝置組成，信號測量與無線傳輸裝置由短節，橡膠密封蓋，傳感器，內部發電裝置外殼，上封蓋，蓄電池，柔性印刷電路板，中封蓋，發電體，下封蓋組成，內部發電裝置外殼和短節是分開制造的，安裝時內部發電裝置外殼固定在短節內部，上封蓋、下封蓋上都固定在內部發電裝置外殼內部，柔性印刷電路板、蓄電池固定在中封蓋上，發電體由壓電片和振動體組成，其中六片壓電片的一端與內部發電裝置外殼、中封蓋或下封蓋固定，振動體擁有一定的質量，使得抽油桿上下運動過程中可以帶動壓電片振動；在抽油機帶動抽油桿上下運動的過程中可以將一部分動能轉化為電能儲存在蓄電池中給位于短節內的傳感器供電,壓電片由基體材料和聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（壓電薄膜）粘接而成，柔性印刷電路板上還有信號處理電路、無線信號發射和無線中繼電路，可以將傳感器采集到的信號通過無線的方式發射出去，也可以接收無線信號進行信號的中繼，地面上的地面無線發射/接收裝置可以接收來自信號測量與無線傳輸裝置的信號和發送信號。2.如權利要求1所述的一種基于壓電效應的抽油機井下信號測量與無線傳輸系統，其特征在于：柔性印刷電路板是柔性的，可以卷起來塞在內部發電裝置外殼里面。3.如權利要求2所述的一種...

【專利技術屬性】
技術研發人員：魏燕定，沈佳，何光玉，宋執環，
申請(專利權)人：杭州中油智井裝備科技有限公司，
類型：發明
國別省市：浙江,33