专利名称：一种井下多相流体特性测量传感器及其工作方法
技术领域：
本发明涉及石油钻井过程中井筒或管道中单相或多相流体特性测量领域，更具体的涉及一种井下多相流体特性测量传感器及其工作方法。
背景技术：
在钻井过程中，常有溢流、气侵等复杂工况发生，如在早期不能及时发现且加以控制，有可能使事故进一步恶化，形成井涌甚至井喷等恶性钻井事故，甚至造成井毁人亡重大事故。溢流、气侵是地层流体进入井筒之中，由于地层流体与井筒中的钻井液介电常数与电导率不同，当溢流和气侵发生时必然引起井筒中钻井液介电常数与电导率的变化，因此只要实时测量井筒中介电常数与电导率的变化即可得知钻井液成分是否发生变化，进而及时得知是否有溢流和气侵发生。介电特性为电介质的固有特性，电介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数，又称诱电率。一般不同的物质具有不同的介电常数。如果某一电介质与混入其中的杂质介电常数有较大差别，可通过测量此介质的介电常数变化来判断其是否混入杂质，如利用介电常数测量原油含水率、润滑油使用状况、油品生产质量等等。目前测量介电常数常用传感器为平行板电极式和同轴电缆式。钻井作业在工业工程中有其特殊性，因此对所使用测量仪器有一定特殊要求，主要表现为:(I)井眼及钻具尺寸有限，这就要求所使用随钻测量仪器的体积不能过大；(2)井下环境恶劣，所使用探头应能在高温高压环境中使用；(3)钻具时刻处于高频高强度冲击之中，要求测量元件有一定抗冲击能力；(4)钻井液粘度大，并且含有一定的岩屑，要求测量探头具有防堵塞能力；(5)钻井液流速大，且含有固相颗粒，要求测量探头具有耐磨损能力。目前市面所有介电常数测量传感器均不能用于钻井过程中井下高温高压以及高频高强度振动的条件下的随钻实时测量。
发明内容
本发明实施例提供一种井下多相流体特性测量传感器及其工作方法，以用于井下高温高压以及高频高强度振动的条件下的随钻实时测量。一方面，本发明实施例提供了一种井下多相流体特性测量传感器，所述井下多相流体特性测量传感器包括:振荡及分析电路、测量探头；其中，所述测量探头，用于测量井下被测介质，获取测量信号后发送给所述振荡及分析电路；所述振荡及分析电路，通过两根导线分别耦接所述测量探头的外电极和内电极，用于将电源提供的直流信号生成有预置频率的振荡交流信号，并将所述振荡交流信号传递给所述测量探头；并对所述测量探头反馈的测量信号进行分析，得到所述被测介质的电导率和介电常数；通过对被测介质的电导率和介电常数的分析，得到被测介质的成分变化情况。可选的，在本发明一实施例中，所述外电极和所述内电极之间为绝缘材料，所述绝缘材料比被测介质的介电常数低。可选的，在本发明一实施例中，所述振荡及分析电路还包括两个输出端口，用于分别输出得到的所述被测介质的电导率和介电常数。可选的，在本发明一实施例中，所述振荡及分析电路还包括接地端。可选的，在本发明一实施例中，所述振荡交流信号为方波信号；所述被测介质为钻井液，为气、液单相或者气、液、固多相混合流体；所述通过对被测介质的电导率和介电常数的分析的方法包括但不局限于:时域幅值变化分析方法，频域频谱分析方法。另一方面，本发明实施例提供了一种井下多相流体特性测量传感器的工作方法，所述井下多相流体特性测量传感器包括:振荡及分析电路、测量探头；所述振荡及分析电路，通过两根导线分别耦接所述测量探头的外电极和内电极；其中，所述井下多相流体特性测量传感器的工作方法包括:利用所述振荡及分析电路将电源提供的直流信号生成有预置频率的振荡交流信号，并将所述振荡交流信号传递给所述测量探头；利用所述测量探头接收所述振荡交流信号后，测量井下被测介质，获取测量信号后发送给所述振荡及分析电路；利用所述振荡及分析电路对所述测量探头反馈的测量信号进行分析，得到所述被测介质的电导率和介电常数；利用所述被测介质的电导率和介电常数进行分析，得到被测介质的成分变化情况。可选的，在本发明一实施例中，所述利用所述振荡及分析电路将电源提供的直流信号生成有预置频率的振荡交流信号之前，所述井下多相流体特性测量传感器的工作方法还包括:在所述外电极和所述内电极之间填充绝缘材料，所述绝缘材料比被测介质的介电常数低。可选的，在本发明一实施例中，所述利用所述振荡及分析电路对所述测量探头反馈的测量信号进行分析，得到所述被测介质的电导率和介电常数，所述井下多相流体特性测量传感器的工作方法还包括:利用所述振荡及分析电路的两个输出端口分别输出得到的所述被测介质的电导率和介电常数。可选的，在本发明一实施例中，所述振荡及分析电路还包括接地端。可选的，在本发明一实施例中，所述振荡交流信号为方波信号；所述被测介质为钻井液，为气、液单相流体或者气、液、固多相混合流体；所述利用所述被测介质的电导率和介电常数进行分析的方法包括但不局限于:时域幅值变化分析方法，频域频谱分析方法。上述技术方案具有如下有益效果:因为采用所述井下多相流体特性测量传感器包括:振荡及分析电路、测量探头；其中，所述测量探头，用于测量井下被测介质，获取测量信号后发送给所述振荡及分析电路；所述振荡及分析电路，通过两根导线分别耦接所述测量探头的外电极和内电极，用于将电源提供的直流信号生成有预置频率的振荡交流信号，并将所述振荡交流信号传递给所述测量探头；并对所述测量探头反馈的测量信号进行分析，得到所述被测介质的电导率和介电常数；通过对被测介质的电导率和介电常数的分析，得到被测介质的成分变化情况的技术手段，所以达到了如下的技术效果:井下多相流体特性测量传感器可测量被测介质的电导率和介电常数，其体积小，测量精度高、不受介质成分以及成分比例和粘度的影响。测量装置易于加工，方便安装，可应用于随钻测量短节，可在高温高压以及高频高强度振动的条件下工作。应用在钻井作业中，通过分析测量结果可判断井筒近钻头处钻井液成分变化情况，及时发现进入井筒中的地层流体，为预防和处理井下事故提供了有利时机。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例提供一种井下多相流体特性测量传感器结构示意图；图2为本发明实施例一种井下多相流体特性测量传感器的工作方法流程图；图3为本发明应用实例地面管道多相流体特性测量方案示意图；图4为本发明应用实例井下近钻头钻井液特性测量方案结构示意图；图5为本发明应用实例测量探头气侵测试数据示意图。
具体实施例方式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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。为了防止钻井井涌、井喷等重大事故发生，通过实时测量井下近钻头处环空流体介电常数与电导率，及时发现进入井筒中地层流体(油、气、水)，从而为控制事故进一步发展赢得宝贵时间。如图1所示，为本发明实施例提供一种井下多相流体特性测量传感器结构示意图，所述井下多相流体特性测量传感器包括:振荡及分析电路1、测量探头2 ;其中，所述测量探头2，用于测量井下被测介质，获取测量信号后发送给所述振荡及分析电路I ;所述振荡及分析电路1，通过两根导线分别耦接所述测量探头2的外电极和内电极，用于将电源(V+与V-)提供的直流信号生成有预置频率的振荡交流信号，并将所述振荡交流信号传递给所述测量探头2 ;并对所述测量探头2反馈的测量信号进行分析，得到所述被测介质的电导率和介电常数；通过对被测介质的电导率和介电常数的分析，得到被测介质的成分变化情况。可选的，所述外电极和所述内电极之间为绝缘材料，所述绝缘材料比被测介质的介电常数低。可选的，所述振荡及分析电路还包括两个输出端口 A和B，用于分别输出得到的所述被测介质的电导率和介电常数。
可选的，所述振荡及分析电路还包括接地端GND。可选的，所述振荡交流信号为方波信号；所述被测介质为钻井液，为气、液单相流体或者气、液、固多相混合流体；所述通过对被测介质的电导率和介电常数的分析的方法包括但不局限于:时域幅值变化分析方法，频域频谱分析方法。对应于上述装置实施例，如图2所示，为本发明实施例一种井下多相流体特性测量传感器的工作方法流程图，所述井下多相流体特性测量传感器包括:振荡及分析电路、测量探头；所述振荡及分析电路，通过两根导线分别耦接所述测量探头的外电极和内电极；其中，所述井下多相流体特性测量传感器的工作方法包括:201、利用所述振荡及分析电路将电源提供的直流信号生成有预置频率的振荡交流信号，并将所述振荡交流信号传递给所述测量探头；可选的，所述利用所述振荡及分析电路将电源提供的直流信号生成有预置频率的振荡交流信号之前，所述井下多相流体特性测量传感器的工作方法还包括:在所述外电极和所述内电极之间填充绝缘材料，所述绝缘材料比被测介质的介电常数低。202、利用所述测量探头接收所述振荡交流信号后，测量井下被测介质，获取测量信号后发送给所述振荡及分析电路；203、利用所述振荡及分析电路对所述测量探头反馈的测量信号进行分析，得到所述被测介质的电导率和介电常数；利用所述被测介质的电导率和介电常数进行分析，得到被测介质的成分变化情况。可选的，所述利用所述振荡及分析电路对所述测量探头反馈的测量信号进行分析，得到所述被测介质的电导率和介电常数，所述井下多相流体特性测量传感器的工作方法还包括:利用所述振荡及分析电路的两个输出端口分别输出得到的所述被测介质的电导率和介电常数。可选的，所述振荡及分析电路还包括接地端。可选的，所述振荡交流信号为方波信号；所述被测介质为钻井液，为气、液单相流体或者气、液、固多相混合流体；所述利用所述被测介质的电导率和介电常数进行分析的方法包括但不局限于:时域幅值变化分析方法，频域频谱分析方法。本发明实施例上述技术方案具有如下有益效果:因为采用所述井下多相流体特性测量传感器包括:振荡及分析电路、测量探头；其中，所述测量探头，用于测量井下被测介质，获取测量信号后发送给所述振荡及分析电路；所述振荡及分析电路，通过两根导线分别耦接所述测量探头的外电极和内电极，用于将电源提供的直流信号生成有预置频率的振荡交流信号，并将所述振荡交流信号传递给所述测量探头；并对所述测量探头反馈的测量信号进行分析，得到所述被测介质的电导率和介电常数的技术手段，所以达到了如下的技术效果:井下多相流体特性测量传感器可测量介质的电导率及介电常数，其体积小，测量精度高、不受介质成分以及成分比例和粘度的影响。测量装置易于加工，方便安装，可应用于随钻测量短节，可在高温高压以及高频高强度振动的条件下工作。应用在钻井作业中，通过分析测量结果可判断井筒近钻头处钻井液成分变化情况，及时发现进入井筒中的地层流体，为预防和处理井下事故提供了有利时机。以下举应用实例进行详细说明:本发明应用实例的目的为了测量钻井作业中近钻头出的钻井液成分变化，但应用不局限于钻井行业。本发明应用实例中测量探头所用材料均为市面常规材料，加工方便。如图3所示，为本发明应用实例地面管道多相流体特性测量方案示意图。其中，井下多相流体特性测量传感器由两部分构成，分别为:振荡及分析电路31，测量探头32 ;还包括:直流电源33、数据采集卡34、计算机35、管道及流体36。振荡及分析电路的作用之一是将电源提供的直流信号生成有一定频率的振荡交流信号，并将此信号通过导线传递给测量探头；振荡及分析电路的作用之二是对测量探头的反馈信号进行分析，得到被测介质的电导率和介电常数，并通过A、B端子输出。测量探头直接接触被测介质，被测介质不同，其反馈值也不相同。如图4所示，为本发明应用实例井下近钻头钻井液特性测量方案结构示意图，其中包括:井下多相流体特性测量传感器41、井下计算机42、脉冲发生器43、钻铤44、井壁45、脉冲压力波46、钻井液(被测介质)47，具体方法与上述类似，不再赘述。如图5所示，为本发明应用实例测量探头气侵测试数据示意图，可见，本发明应用实例井下多相流体特性测量传感器，由于由测量探头、振荡及分析电路等组成，可在钻井过程中实时测量井底钻井液介电特性和导电特性，以及由此参数间接得到的其它参数。可在高温高压高频振动环境中使用，有助于及时发现溢流、气侵等事故。本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block),单元,和步骤可以通过电子硬件、电脑软件,或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability),上述的各种说明性部件(illustrative components),单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、⑶-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。以上所述的具体实施方式
，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式
而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种井下多相流体特性测量传感器，其特征在于，所述井下多相流体特性测量传感器包括:振荡及分析电路、测量探头；其中， 所述测量探头，用于测量井下被测介质，获取测量信号后发送给所述振荡及分析电路； 所述振荡及分析电路，通过两根导线分别耦接所述测量探头的外电极和内电极，用于将电源提供的直流信号生成有预置频率的振荡交流信号，并将所述振荡交流信号传递给所述测量探头；并对所述测量探头反馈的测量信号进行分析，得到所述被测介质的电导率和介电常数；通过对被测介质的电导率和介电常数的分析，得到被测介质的成分变化情况。
2.如权利要求1所述井下多相流体特性测量传感器，其特征在于，所述外电极和所述内电极之间为绝缘材料，所述绝缘材料比被测介质的介电常数低。
3.如权利要求1所述井下多相流体特性测量传感器，其特征在于，所述振荡及分析电路还包括两个输出端口，用于分别输出得到的所述被测介质的电导率和介电常数。
4.如权利要求1所述井下多相流体特性测量传感器，其特征在于，所述振荡及分析电路还包括接地端。
5.如权利要求1所述井下多相流体特性测量传感器，其特征在于，所述振荡交流信号为方波信号；所述被测介质为钻井液，为气、液单相流体或者气、液、固多相混合流体；所述通过对被测介质的电导率和介电常数的分析的方法包括但不局限于:时域幅值变化分析方法，频域频谱分析方法。
6.一种井下多相流体特性测量传感器的工作方法，其特征在于，所述井下多相流体特性测量传感器包括:振荡及分析电路、测量探头；所述振荡及分析电路，通过两根导线分别耦接所述测量探头的外电极和内电极；其中，所述井下多相流体特性测量传感器的工作方法包括: 利用所述振荡及分析电路将电源提供的直流信号生成有预置频率的振荡交流信号，并将所述振荡交流信号传递给所述测量探头； 利用所述测量探头接收所述振荡交流信号后，测量井下被测介质，获取测量信号后发送给所述振荡及分析电路； 利用所述振荡及分析电路对所述测量探头反馈的测量信号进行分析，得到所述被测介质的电导率和介电常数；利用所述被测介质的电导率和介电常数进行分析，得到被测介质的成分变化情况。
7.如权利要求6所述井下多相流体特性测量传感器的工作方法，其特征在于，所述利用所述振荡及分析电路将电源提供的直流信号生成有预置频率的振荡交流信号之前，所述井下多相流体特性测量传感器的工作方法还包括: 在所述外电极和所述内电极之间填充绝缘材料，所述绝缘材料比被测介质的介电常数低。
8.如权利要求6所述井下多相流体特性测量传感器的工作方法，其特征在于，所述利用所述振荡及分析电路对所述测量探头反馈的测量信号进行分析，得到所述被测介质的电导率和介电常数，所述井下多相流体特性测量传感器的工作方法还包括: 利用所述振荡及分析电路的两个输出端口分别输出得到的所述被测介质的电导率和介电常数。
9.如权利要求6所述井下多相流体特性测量传感器的工作方法，其特征在于，所述振荡及分析电路还包括接地端。
10.如权利要求6所述井下多相流体特性测量传感器的工作方法，其特征在于，所述振荡交流信号为方波信号；所述被测介质为钻井液，为气、液单相流体或者气、液、固多相混合流体；所述利用所述被测介质的电导率和介电常数进行分析的方法包括但不局限于:时域幅值变化分析方 法，频域频谱分析方法。
全文摘要
本发明提供一种井下多相流体特性测量传感器及其工作方法，该传感器包括振荡及分析电路、测量探头；其中，所述测量探头，用于测量井下被测介质，获取测量信号后发送给所述振荡及分析电路；所述振荡及分析电路，通过两根导线分别耦接所述测量探头的外电极和内电极，用于将电源提供的直流信号生成有预置频率的振荡交流信号，并将所述振荡交流信号传递给所述测量探头；并对所述测量探头反馈的测量信号进行分析，得到所述被测介质的电导率和介电常数；通过对被测介质的电导率和介电常数的分析，得到被测介质的成分变化情况。本发明测量传感器体积小，测量精度高、不受介质成分以及成分比例和粘度的影响。可在高温高压及高频高强度振动的条件下工作。
文档编号E21B49/08GK103206212SQ20131013835
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者张涛, 柳贡慧, 李军 申请人:中国石油大学(北京), 北京信息科技大学