具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种液面在线监测方法及监测用柱塞，将柱塞中间掏空，放入电池、压力传感器、温度传感器、MEMS加速度传感器和无线通信单元。智能无线柱塞是在密封的、高压、全金属的油管内，依靠地层压力为动力，从井底到井口防喷管上下运动。需要长期运行，来完成排水采气工作。柱塞设备只能依靠电池供电，并且测量数据需要在柱塞运行到防喷管位置时，通过无线传输的方式将测量数据发送出来。解决柱塞运行状态识别和在被金属全密封情况下的无线通信问题。

请参阅图1，本发明一种液面在线监测方法及监测用柱塞，设置在密封、高压、全金属的油管内，能够依靠地层压力从井底到井口防喷管上下运动，用于测量数据并通过无线传输方式将测量数据发出；包括MCU微控制器5、数据存储器7、无线通信单元6、电源1和测量单元。

测量单元用于采集油管内的温度、压力和加速度信息；MCU微控制器5用于对采集的温度、压力和加速度信息进行处理，解析出柱塞的运行状态；MCU微控制器5和测量单元之间通过模数转换器进行通信和数据传输；数据存储器7用于保存温度、压力和加速度信息数据以及MCU微控制器5解析的柱塞运行状态数据信息；无线通信单元6用于发送解析的柱塞运行状态数据信息；电源1用于为整个柱塞系统提供电能。

测量单元包括温度传感器2、压力传感器3和MEMS加速度传感器4，温度传感器2、压力传感器3和MEMS加速度传感器4分别经模数转换器与MCU微控制器5连接，MCU微控制器5解算MEMS加速度传感器4的数据进而解析出柱塞的运行状态，MCU微控制器5连接数据存储器7能够将采集的传感器信号数据和解析的数据信息保存到数据存储器7中；当MCU微控制器5识别柱塞系统运动到井口防喷管位置处时，通过无线通信单元6发送数据存储器7中保存的测量数据。

温度传感器2的技术指标要求为：

温度系数TCR＝3850ppm/K，温度范围-50℃～300℃，长期稳定性R0漂移≦0.04％，自热系数≦0.4K/mW(0℃时)，水中响应时间<0.1S，空气中响应时间<5S。

压力传感器3的技术指标要求：

测量范围0-40MPa，环境温度-10～100℃，介质温度-20～120℃，温度影响量±0.04％/10K，准确度等级0.1，长期漂移≦0.1％/3年。

MEMS加速度传感器4的技术指标要求：

电源电压2.0～3.6V，SPI或I2C数字接口，温度范围-40～85℃，抗冲击能力>1000g，测量范围≧±4g，测量分辨率>4mg/LSB，测量电流<25uA。

参数测量的间隔时间具体为：

当柱塞位于井口防喷管时，停止温度测量，压力测量间隔时间为5秒，用于检测、识别柱塞向下行状态转换；

当柱塞上行状态时，柱塞的行走速度为200～300米/分钟，测量间隔时间设置为10秒，即每30～50米测量一次温度、压力梯度变化；

当柱塞下行状态时，柱塞的行走速度在30～40米/分钟，测量间隔时间为1分钟，即每30～40米测量一次温度、压力梯度变化；

当井底静止状态时，地层的压力缓慢恢复，测量间隔时间设置为20分钟，记录地层压力恢复速度。

模数转换器的采样对数据处理起着至关重要的作用，并且还需要多通道同时采集同一时刻的信号才能精确的解算，同时模数转换器数字部分的转换数据位，噪声等都有要求。

转换精度ADCbit与模数转换器的参考电压以及被转换信号的最小分辨率有关，具体为：

其中，V_ref为参考电压，V_sen为被转换的最小分辨率。

参考电压为2.5V，最小分辨率为0.0004V，根据计算转换精度ADCbit最小为15位，即模数转换器的最低有效位位数为15位，若加上模数转换器中存在一定的误差，所以模数转换器的位数应大于15位。结合实际使用情况，本发明选用10通道16位精度的模数转换器。

柱塞的温度、压力采集频率和数据传输由柱塞的运行状态决定的，运行状态识别比较重要，具体为：

1、井口状态识别：

柱塞在井底与井口压力差的推动下向井口运动，当运行到井口防喷管时，有一个快的速度；并且，因为防喷管的顶端安装有一个防冲击的弹簧装置，会使柱塞在弹簧位置产生多次连续冲撞动作；使加速度传感器多次、连续出现正负向的较大测量值。

柱塞的运行速度为3.3～5m/s，实测柱塞与弹簧的单次撞击时间小于0.5s，速度和加速度的关系为：

a＝Δv/Δt

撞击时的加速度为6.6～10m/s²，产生0.67～1.02g的加速度值。

MCU微控制器通过实时分析加速度传感器的输出数据，寻找到加速度在0.5s内变化量超过±0.6g的门槛值，即确定柱塞到达井口状态。

2、下行状态识别：

柱塞在关井后，开始由于重力作用，缓慢向井底滑落；在关井前，因为天然气处于向输气管道输出状态，所以井口的压力会比较低，通常低于3Mpa，而井底压力在10Mpa以上；关井后，天然气不再向外输出，井筒内的压力会在短时间内快速回升；经过实测，压力在10秒内会上升至少3Mpa，以10秒变化2Mpa为阈值，能够准确识别出下行状态的开始时刻。

3、井底静止状态识别：

需要通过温度和加速度两个传感器的测量数据进行分析，具体为：

温度传感器测量数据的分析：

柱塞在下行时，由于地层存在温度梯度，深度越深，温度越高；柱塞测量到的温度数据，会随着柱塞的下行缓慢升高；当柱塞到达井底后，温度会停止升高，并保持稳定；通过定时采样温度数据，判断温度变化情况，当检测到温度不在升高后，确认柱塞结束下行状态，满足井底静止状态的条件一；

加速度传感器测量数据的分析：

通过计算加速度的有效值幅度，判断出井底运行状态；在柱塞下行时，由于柱塞会与井筒存在摩擦和碰撞，柱塞在下行时，两个水平轴上的加速度会存在明显的波动；单个点分析加速度的波动无法准确区分出柱塞是下行运动还是静止状态，使用有效值算法进行数据分析，确定X_rms为：

每个有效值，使用128个采样值进行计算，得到有效值X_rmsN。

在柱塞出厂安装之前，首先在柱塞处于静止状态时，测量出柱塞静止时的有效值X_rmsB作为标准数据，将结果保存在柱塞的FLASH存储器中。

在柱塞工作时，通过以下判断条件识别柱塞的运动状态，具体为：

比较X_rmsN与X_rmsB，当X_rmsN大于X_rmsB的50％时，条件成立；当连续10s条件成立后，确认柱塞处于静止状态，满足条件二。

在MCU经过数据分析、计算，在满足上述两个条件后，确认柱塞处于井底静止状态。

4、上行状态识别：在柱塞处于井底静止状态时，通过实时计算加速度测量数据，当条件连续超过10s成立时，确认柱塞由井底静止状态转入上行状态。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种液面在线监测用柱塞的工作过程为：

S1、准备工作

关闭气井采气阀门后，从井口防喷管顶端将无线接收模块的天线引入防喷管内，无线接收模块安装在防喷管外面，无线智能柱塞放入防喷管内，并用柱塞锁定装置将柱塞锁在防喷管内。

S2、数据接收

无线接收模块通过天线向防喷管内的柱塞发送命令，每次柱塞从井底返回到防喷管位置时，会收到无线接收模块的命令，然后将测量的温度、压力数据传送给无线接收模块；无线接收模块再将测量数据发送至服务器，进行数据处理。

S3、柱塞运行

当油管压力低于设定的关井压力时，关闭油管采气阀门。此时天然气不在从井底喷出，油管内顶部和底部的压力平衡。并且由于井底地层持续向油管内补充压力，使油管内的压力快速上升。此时，无线智能柱塞由于自身的重力，开始缓慢向井底下落。无线智能柱塞通过压力传感器测量值的快速上升检测到柱塞进入下行状态，开始启动温度、压力测量。并将测量结果保存在内部的FLASH存储器中。

当MEMS加速度传感器检测到柱塞静止状态，判断出无线智能柱塞到达井底。降低温度、压力的测量频率，继续监测井底地层压力、温度的缓慢变化。并同时降低功耗,节约电能。

当油管压力回升到高于设定的开井压力时，打开油管采气阀门。此时天然气从井底喷出，柱塞在井底压力的推动下，开始向上移动。柱塞上端的水会在柱塞的阻隔下，被推送至井口排出。在柱塞向上运动时，MEMS加速度传感器检测到柱塞上行状态，柱塞开始增加温度、压力测量频率，记录井筒梯度参数。

当MEMS加速度传感器检测到柱塞运动到井口防喷管位置时，开启无线通信，接收无线接收模块的指令，并将测量数据从FLASH存储器中读出，发送给无线接收模块。数据发送完成后，无线智能柱塞关闭无线通信，节省功耗。一个工作周期完成。

请参阅图2，为现场试验的数据图表，在通过分析无线智能柱塞测量数据，并调整智能柱塞生产制度后，进行的前后油套压数据对比情况。生产制度调整后，开井压力上升趋势停止，开井压差小，反应井筒积液减少；开井压降速率、降幅明显增大，套管积液减少；开井到达时间期间油压波动反应气井排液效果好，续流时间无套压微升现象反应开井期间未积液。通过分析无线智能柱塞实时采集、上报的井况数据，用户能够及时发现井况变化并调整生产制度。使用无线智能柱塞不仅可以提高排水效率，增加气井产量，而且还可以监测到柱塞在上升和下落时产生的冲击力大小，以及柱塞在井筒内运动与井壁的撞击情况，通过分析数据可以适当调整生产制度，大大提高柱塞使用寿命，降低柱塞的应用成本。

综上所述，本发明一种液面在线监测方法及监测用柱塞，是对现有柱塞的功能升级，在实现气井排水采气工艺的基础上，增加温度、压力、液柱深度测量功能，液面在线监测式柱塞结合了无线通信、压力传感器和温度传感器，一台设备即可实现柱塞排水采气工艺和井况测量功能，具有兼容现有柱塞设备、实时监测气井状态、安装简单的特点。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。