探針式持氣率計(jì)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種探針式持氣率計(jì)，探針式持氣率計(jì)包括穩(wěn)定的電流激勵(lì)光源、光分路器、光耦合器、傳感探頭單元以及信號(hào)采集及處理單元；穩(wěn)定的電流激勵(lì)光源依次通過(guò)光分路器以及光耦合器接入傳感探頭單元；光分路器接入信號(hào)采集及處理單元。本實(shí)用新型提供了一種測(cè)量精度高的探針式持氣率計(jì)。
【專利說(shuō)明】探針式持氣率計(jì)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于石油儀器儀表類，涉及一種用于井下開(kāi)采石油檢測(cè)持氣率儀器，尤其涉及一種探針式持氣率計(jì)。

【背景技術(shù)】
[0002]國(guó)內(nèi)多數(shù)陸相沉積油田開(kāi)發(fā)的不斷深入，油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入高含水后期，大量油井開(kāi)采過(guò)程中均伴有氣體的產(chǎn)生。因此，油氣水三相流測(cè)量問(wèn)題日益普遍，造成傳統(tǒng)油井產(chǎn)出剖面各參數(shù)測(cè)量技術(shù)和方法不能適應(yīng)新的測(cè)試環(huán)境。如何減小或消除氣相的不利影響，并發(fā)揮現(xiàn)有兩相流成熟測(cè)井裝備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行三相流產(chǎn)液剖面測(cè)井成為油田生產(chǎn)亟待解決的重要課題和任務(wù)。
[0003]目前，油田井下三相流產(chǎn)出剖面持氣率測(cè)量的主要方法包括照相法、電導(dǎo)探針?lè)ê蛿z像法等。但在實(shí)際應(yīng)用中上述諸多方法均存在一些問(wèn)題和局限性，尤其當(dāng)氣泡尺寸變化較大、氣泡分布和密度變化較大時(shí)，測(cè)量誤差尤為嚴(yán)重。
[0004]光學(xué)傳感技術(shù)是新型的測(cè)量方法，以光作為測(cè)量手段。被測(cè)量環(huán)境將光波的某一特性(強(qiáng)度、譜線，相位偏振)調(diào)制后，光波中便攜帶著待測(cè)環(huán)境信息，通過(guò)測(cè)量光波相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行解調(diào)，即可獲得待測(cè)環(huán)境信息。光纖傳感具有響應(yīng)速度快、精度高、抗干擾、耐腐蝕，且測(cè)量時(shí)傳感結(jié)構(gòu)部分無(wú)需帶電工作等特點(diǎn)，成為未來(lái)測(cè)井方法發(fā)展的方向。
[0005]折射率調(diào)制型光纖持氣率傳感系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍可達(dá)到全量程O(píng)?100%，可高精度地測(cè)量介質(zhì)折射率的變化，而且光纖傳感器因其獨(dú)特的無(wú)源工作特性、抗電磁干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，抗耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在油井產(chǎn)出剖面測(cè)量方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]為了解決【背景技術(shù)】中存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種測(cè)量精度高的探針式持氣率計(jì)。
[0007]本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是:本實(shí)用新型提供了一種探針式持氣率計(jì)，其特殊之處在于:所述探針式持氣率計(jì)包括穩(wěn)定的電流激勵(lì)光源、光分路器、光耦合器、傳感探頭單元以及信號(hào)采集及處理單元；所述穩(wěn)定的電流激勵(lì)光源依次通過(guò)光分路器以及光耦合器接入傳感探頭單元；所述光分路器接入信號(hào)采集及處理單元。
[0008]上述傳感探頭單元包括光纖、保護(hù)套、密封接頭；所述密封接頭套裝在保護(hù)套外部；所述保護(hù)套套裝在光纖外部。
[0009]上述傳感探頭單元還包括設(shè)置在密封接頭外的一道或多道密封圈。
[0010]上述光纖是陣列式光纖。
[0011]上述光纖是藍(lán)寶石光纖。
[0012]上述穩(wěn)定的電流激勵(lì)光源包括光源驅(qū)動(dòng)電路、光源輸出端以及光功率測(cè)試儀；所述光源驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)光功率測(cè)試儀接入光源輸出端；所述光源輸出端分別與光源驅(qū)動(dòng)電路和光分路器相連。
[0013]上述信號(hào)采集及處理單元包括光電探測(cè)器、探測(cè)器偏置電路、探測(cè)器放大電路、信號(hào)采集電路以及數(shù)據(jù)處理單元；所述探測(cè)器偏置電路以及探測(cè)器放大電路分別接入光電探測(cè)器；所述光分路器依次通過(guò)光電探測(cè)器和信號(hào)采集電路接入數(shù)據(jù)處理單元。
[0014]上述數(shù)據(jù)處理單元是單片機(jī)或CPU。
[0015]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是:
[0016]本實(shí)用新型提供了一種探針式持氣率計(jì)，本實(shí)用新型應(yīng)用光學(xué)傳感以及光電探測(cè)原理，包括傳感探頭單元、光路傳輸器件、光源及探測(cè)器，信號(hào)處理部分，以及相匹配的機(jī)械結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型通過(guò)對(duì)截面內(nèi)氣泡、油泡的大小及數(shù)量的測(cè)量，分析并計(jì)算出持氣率。
[0017]具體而言，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0018]1、本實(shí)用新型采用光學(xué)傳感方式進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相流中的氣體進(jìn)行直接測(cè)量，有效的消除了傳統(tǒng)混合測(cè)量方式中帶來(lái)的誤差，測(cè)量精度及分辨率較傳統(tǒng)測(cè)量方式大大提聞。
[0019]2、本實(shí)用新型采用藍(lán)寶石晶體作為光纖(探頭)，具有良好的物理化學(xué)性能，機(jī)械性能優(yōu)良，熱穩(wěn)定性好，耐腐蝕高，透光性能優(yōu)良。測(cè)量信號(hào)采用光纖傳輸，能有效的抵抗外界的電磁干擾，降低傳輸損耗。
[0020]3、本實(shí)用新型的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，外形美觀、精致；各個(gè)部位設(shè)計(jì)有扳手口位置或者磙花，方便拆卸。螺紋扣型選用梯形扣(埃克姆螺紋)。機(jī)械結(jié)構(gòu)便于安全及維護(hù)，測(cè)量范圍廣、精度和分辨率。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是折射反射原理示意圖；
[0022]圖2是不同折射率環(huán)境下光反射率以及透射率分布示意圖；
[0023]其中:圖2a是光在探頭與油相分界面處的反射率及透射率分布示意圖；
[0024]圖2b是光在探頭與水相分界面處的反射率及透射率分布示意圖；
[0025]圖2c是光在探頭與氣相分界面處的反射率及透射率分布示意圖；
[0026]圖3是本實(shí)用新型所提供的探針式持氣率計(jì)的傳感探頭單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖4是本實(shí)用新型所提供的探針式持氣率計(jì)的光路框架示意圖；
[0028]圖5是本實(shí)用新型所采用的信號(hào)采集處理及驅(qū)動(dòng)電路流程圖；
[0029]圖6是本實(shí)用新型使用狀態(tài)示意圖；
[0030]圖7是基于本實(shí)用新型所提供的探針式持氣率計(jì)的測(cè)量過(guò)程示意圖；
[0031]其中:
[0032]1-光纖；2_保護(hù)套；3_密封接頭；4-光源；5_探測(cè)器；6_光分路器；7_耦合系統(tǒng)；8-集流傘；

【具體實(shí)施方式】
[0033]參見(jiàn)圖1，折射反射原理圖，其測(cè)量原理為，根據(jù)井下油、氣、水三相流的折射率不同，光在探頭與三相流井液的分界面處將發(fā)生不同的光學(xué)現(xiàn)象。根據(jù)折射定率mpin Θ ^ =
Ii1Sin Θ 1?
[0034]當(dāng)探頭折射率Iitl大于待測(cè)環(huán)境折射率ηι，同時(shí)入射角大于tan (Ii1Aici)，在界面處將發(fā)生全反射現(xiàn)象，即全部光能量被反射回來(lái)。當(dāng)入射角小于tan (Ii1Aici)時(shí)，在界面將發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。
[0035]參見(jiàn)圖2 (圖2a、圖2b和圖2c),根據(jù)不同折射率環(huán)境下,光反射率，透射率分布圖計(jì)算出油、水和探頭界面的反射光強(qiáng)。
[0036]由于井液中三相流的分布為水中含有的氣泡和油泡，為了探頭能分辨較小的氣泡和油泡，故探頭也應(yīng)設(shè)計(jì)的盡量?。挥捎谳^小的探頭雖然提高了分辨率，但是減小了測(cè)量范圍，故將光纖(探頭)設(shè)計(jì)成陣列式光纖(探頭)，已增大測(cè)量范圍。
[0037]基于如上理論，本實(shí)用新型提供了一種探針式持氣率計(jì)，該探針式持氣率計(jì)包括穩(wěn)定的電流激勵(lì)光源、光分路器、光耦合器、傳感探頭單元以及信號(hào)采集及處理單元；穩(wěn)定的電流激勵(lì)光源依次通過(guò)光分路器以及光耦合器接入傳感探頭單元；光分路器接入信號(hào)采集及處理單元；其中，傳感探頭單元包括光纖、保護(hù)套、密封接頭；保護(hù)套套裝在光纖外部；密封接頭套在保護(hù)套外部。傳感探頭單元還包括設(shè)置在密封接頭外的一道或多道密封圈；光纖(探頭)是陣列式光纖(探頭)。
[0038]本實(shí)用新型所采用的穩(wěn)定的電流激勵(lì)光源包括光源驅(qū)動(dòng)電路、光源輸出端以及光功率測(cè)試儀；光源驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)光功率測(cè)試儀接入光源輸出端；光源輸出端分別與光源驅(qū)動(dòng)電路和光分路器相連。
[0039]本實(shí)用新型所采用的信號(hào)采集及處理單元包括光電探測(cè)器、探測(cè)器偏置電路、探測(cè)器放大電路、信號(hào)采集電路以及數(shù)據(jù)處理單元；探測(cè)器偏置電路以及探測(cè)器放大電路分別接入光電探測(cè)器；光分路器依次通過(guò)光電探測(cè)器和信號(hào)采集電路接入數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元是單片機(jī)。探測(cè)器偏置電路、探測(cè)器放大電路以及信號(hào)采集電路都是電學(xué)領(lǐng)域中常用的電子元器件；數(shù)據(jù)處理單元可以基于如上理論基礎(chǔ)而采用常規(guī)的或外購(gòu)的任何計(jì)算機(jī)軟件或程序或客戶自己編寫(xiě)的計(jì)算機(jī)軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算及處理等過(guò)程或功能，本實(shí)用新型對(duì)此不涉及任何的改進(jìn)。
[0040]下面，將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:
[0041]1、傳感探頭的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
[0042]光纖持氣率傳感系統(tǒng)為折射率調(diào)制型傳感器，其測(cè)量精度與范圍主要取決于光纖(探頭)和探測(cè)環(huán)境的折射率差異，且差異越大，現(xiàn)象越明顯，故選擇藍(lán)寶石作為光纖(探頭)材料。藍(lán)寶石折射率為1.75，遠(yuǎn)大于井下物質(zhì)的折射率，同時(shí)藍(lán)寶石有著良好的透光性能，耐腐蝕性能，穩(wěn)定的物理化學(xué)性能，以及機(jī)械性能，可適應(yīng)井下苛刻的使用環(huán)境。
[0043]光纖(探頭)采用性能優(yōu)良的粘接劑，以及O型圈密封的形式，實(shí)現(xiàn)光纖(探頭)、密封接頭和儀器之間的密封。此種方式可保證在井下175°C，SOMPa的高溫高壓環(huán)境下的儀器密封性能。
[0044]傳感探頭單元的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示:
[0045]2、儀器光路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
[0046]儀器應(yīng)用光學(xué)傳感，光纖光學(xué)，光電探測(cè)，光學(xué)耦合等原理，其系統(tǒng)框圖如圖4所示:
[0047]光源發(fā)出的激光由光纖進(jìn)入分路器，分路器將光傳輸并耦合進(jìn)光學(xué)探頭中。不同的待測(cè)環(huán)境下，將在探頭和待測(cè)環(huán)境界面處產(chǎn)生不同的光學(xué)現(xiàn)象(反射和透射)，探頭返回相應(yīng)的光信號(hào)。光纖將信號(hào)送進(jìn)光分路器，光分路器將一部分光送進(jìn)光電探測(cè)器。探測(cè)器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出含有待測(cè)環(huán)境的電量。
[0048]3、信號(hào)采集處理及驅(qū)動(dòng)電路
[0049]參見(jiàn)圖5，光源驅(qū)動(dòng)電路給光源提供穩(wěn)定的電流激勵(lì)，同時(shí)對(duì)光源的輸出光功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，給光源驅(qū)動(dòng)電路提供反饋，修正激勵(lì)電流，使光源達(dá)到光功率的恒定輸出。探測(cè)器偏置及放大電路給探測(cè)器提供相應(yīng)的外圍電路，保證光電探測(cè)器的增益、輸出范圍及阻抗匹配。光電探測(cè)器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，輸出相應(yīng)的電信號(hào)。信號(hào)米集部分對(duì)光電探測(cè)器的輸出進(jìn)行采集存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理部分對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，根據(jù)相應(yīng)的算法計(jì)算出持氣率。
[0050]本實(shí)用新型的測(cè)量過(guò)程是:
[0051]參見(jiàn)圖6以及圖7，本實(shí)用新型放置于待測(cè)井中，集流傘將三相流的井液集流到光學(xué)傳感探頭處，油和氣以泡狀的形式混合于水中，由于油、水、氣三者的折射率不同，在光纖(探頭)與待測(cè)環(huán)境的分界面處，光將發(fā)生不同現(xiàn)象。即環(huán)境為氣體時(shí)，發(fā)生全反射現(xiàn)象，所有光強(qiáng)均反射回光纖(探頭)，隨后經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后被光電探測(cè)器探測(cè)，輸出電壓信號(hào)；環(huán)境為水時(shí)，發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，反射光強(qiáng)度可由菲涅爾公式計(jì)算，光電探測(cè)器對(duì)反射光強(qiáng)進(jìn)行探測(cè)；環(huán)境為油時(shí)，發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，反射光強(qiáng)可由菲涅爾公式計(jì)算，此時(shí)光強(qiáng)小于環(huán)境為水時(shí)的強(qiáng)度，光電探測(cè)器對(duì)反射光強(qiáng)進(jìn)行探測(cè)。陣列形式的光纖(探頭)對(duì)某一截面井液中的三相流進(jìn)行測(cè)量，其輸出波形反應(yīng)三相流中各成分的信息，通過(guò)對(duì)陣列信號(hào)的脈沖波形進(jìn)行分析，計(jì)算出井中截面持氣率。
【權(quán)利要求】
1.一種探針式持氣率計(jì)，其特征在于:所述探針式持氣率計(jì)包括穩(wěn)定的電流激勵(lì)光源、光分路器、光耦合器、傳感探頭單元以及信號(hào)采集及處理單元；所述穩(wěn)定的電流激勵(lì)光源依次通過(guò)光分路器以及光耦合器接入傳感探頭單元；所述光分路器接入信號(hào)采集及處理單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針式持氣率計(jì)，其特征在于:所述傳感探頭單元包括光纖、保護(hù)套、密封接頭；所述密封接頭套裝在保護(hù)套外部；所述保護(hù)套套裝在光纖外部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的探針式持氣率計(jì)，其特征在于:所述傳感探頭單元還包括設(shè)置在密封接頭外的一道或多道密封圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的探針式持氣率計(jì)，其特征在于:所述光纖是陣列式光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的探針式持氣率計(jì)，其特征在于:所述光纖是藍(lán)寶石光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的探針式持氣率計(jì)，其特征在于:所述穩(wěn)定的電流激勵(lì)光源包括光源驅(qū)動(dòng)電路、光源輸出端以及光功率測(cè)試儀；所述光源驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)光功率測(cè)試儀接入光源輸出端；所述光源輸出端分別與光源驅(qū)動(dòng)電路和光分路器相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的探針式持氣率計(jì)，其特征在于:所述信號(hào)采集及處理單元包括光電探測(cè)器、探測(cè)器偏置電路、探測(cè)器放大電路、信號(hào)采集電路以及數(shù)據(jù)處理單元；所述探測(cè)器偏置電路以及探測(cè)器放大電路分別接入光電探測(cè)器；所述光分路器依次通過(guò)光電探測(cè)器和信號(hào)采集電路接入數(shù)據(jù)處理單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的探針式持氣率計(jì)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)處理單元是單片機(jī)。
【文檔編號(hào)】E21B47/135GK203925466SQ201420235019
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月8日
【發(fā)明者】胡博宇, 齊國(guó)超, 黃玉梅, 王強(qiáng), 母召智 申請(qǐng)人:西安思坦儀器股份有限公司