井下流体感应装置及使用该装置的流体流速测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种井下流体感应装置及使用该装置的流体流速测量系统，该井下流体感应装置包括：导压管；隔板；设置于所述隔板左侧的第一活塞、第一弹簧、第一光栅；对称设置于所述隔板右侧的第二活塞、第二弹簧、第二光栅；文丘里管。本发明利用光栅感测文丘里管内流体流动时对管壁施加的压力，根据流体流速不同，对管壁施加的压力也不同这一特征求得管内流体流速。本发明可以在地下几千米油气井的有限空间和恶劣环境条件下实现精确的流体测量。
【专利说明】井下流体感应装置及使用该装置的流体流速测量系统
【技术领域】
[0001] 本发明是关于流体流速监测技术，特别是关于石油工业领域的流体流速测量技 术，具体的讲是一种井下流体感应装置及使用该装置的流体流速测量系统。
【背景技术】
[0002] 流体的流速/流量是日常生活、工业生产过程、能源计量及环境保护监测中一个 重要参量。目前常用的流速/流量传感计有容积式流量计、润街流量计、润轮流量计、电磁 流速仪、超声波流速仪及声学多普勒流速仪等。该些流速/流量传感计都有各自的特点和 适用范围，在日常生活及工业生产中已经得到了广泛的应用，但是该些流速/流量传感计 也有一定局限性，如容积式流量计体积鹿大，不适合高温低温场合，电磁流速仪和声学多普 勒流速仪虽然测量精度较高，但容易受电磁波干扰，而且成本也高。
[0003] 流速/流量传感计在推动工农业发展过程中所扮演的重要角色，因此其自问世W 来便受到了高度重视。如今随着现代工农业的快速发展，一些特殊领域，如石油工业的上游 勘探开发领域对于流体流速仪的要求就极为苛刻，因为地下几千米的油气井不但空间有限 而且环境条件非常恶劣，由于目前常用的流速/流量传感计体积大，易受电磁干扰的局限 性，因此目前常用的流速/流量传感计无法应用。
[0004] 因此，如何开发出一种新的流体流速测量装置，其能够适应石油工业上游勘探开 发领域，在地下几千米油气井的有限空间和高温、高压环境条件下实现精确的流体流速测 量是本领域亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种井下流体感应装置及使用该装置的流体流 速测量系统，利用光栅感测管内流体流动时对管壁施加的压力，流体流速不同，对管壁施加 的压力也不同，进而根据该一压力差求得管内流体流速，解决现有技术中的流速仪易受干 扰、体积大、测量精度低的问题。
[0006] 本发明的一个实施例中，提供一种井下流体感应装置，其中，该井下流体感应装置 包括；文丘里管，用于导引井下流体，所述文丘里管具有一入口段和一喉道段，所述入口段 的直径大于所述喉道段的直径；导压管，与所述文丘里管连接；隔板，设置于所述导压管中 也；第一弹黃，设置于所述隔板左侧，一端与所述隔板连接，另一端与一第一活塞连接，流体 在所述入口段的压力通过所述第一活塞作用于所述第一弹黃；第二弹黃，对称设置于所述 隔板右侧，一端与所述隔板连接，另一端与一第二活塞连接，流体在所述喉道段的压力通过 所述第二活塞作用于所述第二弹黃；第一光栅，一端与所述隔板连接，另一端与所述第一活 塞连接，所述第一光栅在所述第一弹黃弹力和所述入口段流体压力的共同作用下始终处于 拉伸状态，所述第一光栅接收一入射光，并反射出一第一反射光；W及第二光栅，一端与所 述隔板连接，另一端与所述第二活塞连接，所述第二光栅在所述第二弹黃弹力和所述喉道 段流体压力的共同作用下始终处于拉伸状态，所述第二光栅接收所述入射光，并反射出一 第二反射光。
[0007] 本发明的另一实施例中，提供一种流体流速测量系统，其中，该流体流速测量系统 包括上述实施例中的井下流体感应装置，该流体流速测量系统还包括激光光源、光栅解调 仪和处理装置，所述激光光源与所述井下流体感应装置连接，所述激光光源用于发射所述 入射光；所述光栅解调仪与所述井下流体感应装置连接，所述光栅解调仪用于解调所述第 一反射光得到一第一反射光谱，并解调所述第二反射光得到一第二反射光谱；所述处理装 置与所述光栅解调仪连接，所述处理装置用于根据所述第一反射光谱和所述第二反射光谱 确定所述文丘里管入口段处的流体流速。
[0008] 本发明提供一种井下流体感应装置及使用该装置的流体流速测量系统，将文丘里 管和光栅进行了有机结合，利用光栅感测文丘里管内流体流动时对管壁施加的压力，文丘 里管内流体流速不同，对管壁施加的压力也不相同，流体对管壁施加的压力最终施加到光 栅上，光栅受到的力不同，通过光栅的激光的反射光谱峰值波长的长度也不相同，从而根据 反射光谱峰值波长的长度得出该一压力差，再根据该一压力差利用伯努利方程求得管内流 体流速，该井下流体感应装置具有结构简单、安装方便、成本低廉，抗电磁干扰、工作可靠， 测量精度高，占用空间小，能长时间在高温、高压、噪声、强腐蚀等恶劣环境下工作等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1为本发明的井下流体感应装置的结构示意图。
[0010] 图2为本发明井下流体感应装置的一优选结构示意图。
[0011] 图3为本发明井下流体感应装置的文丘里管的结构示意图。
[0012] 图4为本发明井下流体感应装置的导压管的内部结构示意图。
[0013] 图5为本发明流体流速测量系统的结构示意图。
[0014] 图6为本发明流体流速测量系统的处理装置的结构示意图。
[001引符号说明：
[0016] 1 第一光栅
[0017] 2 第二光栅
[0018] 3 第一弹黃
[0019] 4 第二弹黃
[0020] 5 第一活塞
[0021] 6 第二活塞
[002引 7 隔板
[002引 8 第--环
[0024] 9 第二卡环
[00幼 10 上游导压接口
[002引 11 下游导压接口
[0027] 12 文丘里管
[0028] 13 导压管
[0029] 14 入口段
[0030] 15 喉道段
[0031] 100井下流体感应装置
[00础 200激光光源
[0033] 300光栅解调仪
[0034] 400处理装置
[00对 401光谱接收单元
[0036] 402光谱峰值波长确定单元
[0037] 403波长差确定单元
[0038] 404压力差确定单元
[0039] 405流体流速确定单元
[0040] 406 显示单元
【具体实施方式】
[0041] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发 明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并 不作为对本发明的限定。
[0042] 图1为本发明的井下流体感应装置100的结构示意图，如图1所示，该井下流体感 应装置100包括文丘里管12、导压管13、隔板7、第一弹黃3、第二弹黃4、第一活塞5、第二 活塞6、第一光栅1、第二光栅2,文丘里管12用于导引井下流体，所述文丘里管12具有一入 口段14和一喉道段15,所述入口段14的直径大于所述喉道段15的直径；导压管13与所 述文丘里管12连接；隔板7设置于所述导压管13中也；第一弹黃3设置于所述隔板7左 侦第一弹黃3的一端与所述隔板7连接，第一弹黃3的另一端与第一活塞5连接，流体在 所述入口段14的压力通过所述第一活塞5作用于所述第一弹黃3 ;第二弹黃4对称设置于 所述隔板7右侧，第二弹黃4的一端与所述隔板7连接，第二弹黃4的另一端与第二活塞6 连接，流体在所述喉道段15的压力通过所述第二活塞6作用于所述第二弹黃4 ;第一光栅 1的一端与所述隔板7连接，第一光栅1的另一端与所述第一活塞5连接，所述第一光栅1 在所述第一弹黃3弹力和所述入口段14流体压力的共同作用下始终处于拉伸状态，所述第 一光栅1接收入射光，并反射出第一反射光；第二光栅2的一端与所述隔板7连接，第二光 栅2的另一端与所述第二活塞6连接，所述第二光栅2在所述第二弹黃4弹力和所述喉道 段15流体压力的共同作用下始终处于拉伸状态，所述第二光栅2接收所述入射光，并反射 出第二反射光，流体按照图1箭头所示的方向从文丘里管12中流过。
[0043] 如图1所示，光栅受到的应力（弹黃弹力减去流体压力）不同，反射的入射光也不 同，所述入口段14的直径大于所述喉道段15的直径，当没有流体流过文丘里管12,或者流 体处于静止状态时，根据伯努利方程可知流体在入口段14作用于第一活塞5的压力，等于 流体在喉道段15作用于第二活塞6的压力，入射光经光栅反射出反射光。当有流体按照图 1箭头所示的方向从文丘里管12中流过时，由于所述入口段14的直径大于所述喉道段15 的直径，流体在入口段14的流速小而压力大，流体在喉道段15的流速大而压力小，此时经 过光栅的反射光就会发生变化。
[0044] 通常情况下，文丘里管12和导压管13位于被测试的现场，例如文丘里管12和导 压管13位于地下几千米油气井中。由于本发明利用激光实现流体流速测量，激光具有抗电 磁干扰、工作可靠、测量精度高等特性，可w在在地下几千米油气井中高温、高压环境条件 下实现精确的流体流速测量。
[0045] 图2为本发明井下流体感应装置100的一优选结构示意图，如图2所示，井下流体 感应装置100还包括：第一卡环8、第二卡环9。其中，第一卡环8固定设置于所述第一活塞 5左侧的导压管13内壁上，第一卡环8用于限制第一活塞5向左运动，防止第一光栅1因受 力过大而损毁；第二卡环9固定设置于所述第二活塞6右侧的导压管13内壁上，第二卡环 9用于限制第二活塞6向右运动，防止第二光栅2因受力过大而损毁，且第一卡环8和第二 卡环9相对于隔板7对称。
[0046] 如图2所示，第一卡环8和第二卡环9的设置可W很好地保护第一光栅1和第二 光栅2,当文丘里管12内没有流体流过时，没有流体向第一活塞5和第二活塞6施加压力， 弹黃的弹力全部施加到光栅上，此时，第一卡环8可W防止第一活塞5向左发生的位移超出 所述第一光栅1的最大承受范围，第二卡环9可W防止第二活塞6向右发生的位移超出所 述第二光栅2的最大承受范围，防止光栅由于受力过大而损毁。
[0047] 如图1、图2所示，导压管13顺着文丘里管12设置，导压管13为管状元件，可W有 效控制井下流体感应装置100的横向尺寸，所W本发明可W在有限的环境空间中测量流体 流速，如油气井井下流体流速的实时监测。此外，导压管13内的各个元件（弹黃、光栅、活 塞等）均为常用物理元件，因此井下流体感应装置100还具有结构简单、安装方便、工作可 靠的优点，进一步提高测量精度。
[004引图3为本发明井下流体感应装置100的导压管的内部结构示意图，如图3所示，所 述隔板7上开有通孔（图中未标示），该样可W保证隔板两边空腔内的压力始终处于平衡状 态。
[0049] 如图3所示，由于隔板7上开有设通孔（图中未标示），可W保证隔板7与第一活 塞5之间的左空腔，与隔板7与第二活塞6之间的右空腔内的气压始终相等，左空腔和右空 腔内的气压相等可W防止气压影响测量结果，进一步提高测量精度。
[0050] 本发明的一个实施例中，如图2、图3所示，所述第一活塞5与所述第二活塞6的材 料及形状完全相同。第一活塞5与第二活塞6可在第一卡环8、第二卡环9限定的范围内发 生位移但严格阻止流体流通。
[0051] 如图2、图3所示，第一活塞5与第二活塞6的材料及形状完全相同，保证第一活 塞5与第二活塞6受到的压力仅与流体流速有关，不受第一活塞5与第二活塞6的材料及 形状影响，进一步提高测量精度。
[0052] 本发明的一个实施例中，如图2、图3所示，所述第一光栅1与所述第二光栅2的形 状及各项参数完全相同。
[0053] 如图2、图3所示，第一光栅1与第二光栅2的形状及各项参数完全相同，保证入射 光经第一光栅1与第二光栅2反射后形成的反射光，仅与第一光栅1和第二光栅2受到的 应力（弹黃弹力减去流体压力）有关，进一步提高测量精度。
[0054] 本发明的一个实施例中，如图2、图3所示，所述第一弹黃3与所述第二弹黃4的形 状及各项参数完全相同。
[00巧]如图2、图3所示，第一弹黃3与第二弹黃4的形状及各项参数完全相同，保证第一 弹黃3与第二弹黃4的发生的形变仅与其受到第一活塞5与第二活塞6压力有关，进一步 提高测量精度。此外，通过改变第一弹黃3与第二弹黃4的弹性模量可W改变本发明的检 测量程，进一步扩大本发明的适用，为用户提供更为广泛的选择。
[0056] 图4为本发明井下流体感应装置100的文丘里管12的结构示意图，如图4所示， 文丘里管12具有入口段14和喉道段15,所述入口段14的直径大于所述喉道段15的直径， 所述入口段14上开设有一上游导压接口 10,所述喉道段15上开设有一下游导压接口 11， 上游导压接口 10与导压管13的左端相连接，下游导压接口 11与导压管13的右端相连接， 文丘里管12内的流体沿所述入口段14向所述喉道段15的方向流动。
[0057] 如图2所示，导压管13的左端与上游导压接口 10螺纹联接，导压管的右端与下游 导压接口 11螺纹联接。本发明的其它实施例中，导压管13的左端与上游导压接口 10焊接， 导压管的右端与下游导压接口 11焊接，只要保证导压管13与文丘里管12牢固密封结合即 可，本发明不W此为限。
[0058] 如图2所示，导压管13与文丘里管12采用螺纹联接，拆卸方便，如果只是导压管 13或文丘里管12损坏，不用全部抛弃，节能环保，且降低维护成本。此外，如果不需要感应 流体流速，可W只将导压管13卸下，再用带有相适螺纹的塞子将文丘里管12上的上游导压 接口 10和下游导压接口 11封上，不用立即同时拆除文丘里管12,方便使用。
[0059] 图5为本发明流体流速测量系统的结构示意图。如图5所示，该流体流速测量系统 包括上述实施例中的井下流体感应装置100,该流体流速测量系统还包括一激光光源200、 一光栅解调仪300、一处理装置400。所述激光光源200与所述井下流体流速感应装置100 连接，激光光源200用于发射入射光；所述光栅解调仪300与所述井下流体感应装置100连 接，光栅解调仪300用于解调所述第一反射光获得一第一反射光谱，解调所述第二反射光 获得一第二反射光谱；所述处理装置400与所述光栅解调仪300连接，处理装置400用于根 据所述第一反射光谱和所述第二反射光谱获得文丘里管12入口段14处的流体流速，由于 文丘里管12入口段14的直径等于流体传输管道的直径，所W处理装置400获得的文丘里 管12入口段14处的流体流速即为流体传输管道内的流体流速（管内流体流速）。
[0060] 由于激光光源200发射的激光方向性和单一性好，且不受电磁干扰的影响，进一 步提高本发明的测量精度；光栅解调仪300比其它非光学解调仪的稳定性好，抗电磁干扰， 进一步提高流体测量精度。
[0061] 如图5所示，具体来说，激光光源200发射入射光经光纤传输到第一光栅1和第二 光栅2中；入射光经第一光栅1反射后形成所述第一反射光，入射光经第二光栅2反射后形 成第二反射光；所述第一反射光和所述第二反射光经光纤传输到光栅解调仪300中；光栅 解调仪300解调所述第一反射光得到第一反射光谱，光栅解调仪解调所述第二反射光得到 一第二反射光谱，第一反射光谱峰值波长的变化正比于第一光栅1所受应力的变化，第二 反射光谱峰值波长的变化正比于第二光栅2所受应力的变化。
[0062] 图6为本发明流体流速测量系统的处理装置400的结构示意图。如图6所示，所 述处理装置400包括一光谱接收单元401、一光谱峰值波长确定单元402、一波长差确定单 元403、一压力差确定单元404、一流体流速确定单元405和一显示单元406。光谱接收单元 401用于接收所述第一反射光谱和所述第二反射光谱；光谱峰值波长确定单元402与所述 光谱接收单元401连接，光谱峰值波长确定单元402用于确定所述第一反射光谱的第一反 射光谱峰值波长和所述第二反射光谱的第二反射光谱峰值波长；波长差确定单元403与所 述光谱峰值波长确定单元402连接，波长差确定单元403用于确定所述第一反射光谱峰值 波长和所述第二反射光谱峰值波长之差；压力差确定单元404与所述波长差确定单元403 连接，压力差确定单元404用于根据所述波长之差确定所述第一光栅1和所述第二光栅2 受到的压力差；流体流速确定单元405与所述压力差确定单元404连接，流体流速确定单元 405用于根据所述压力差确定所述文丘里管12内流体的流速；显示单元406与所述流体流 速确定单元405连接，显示单元406用于显示流体流速。由于在发射光波长、光栅规格、弹 黃弹性系数确定的情况下，反射光谱峰值的波长对应光栅受到的应力，因此，压力差确定单 元404根据所述第一反射光谱峰值波长和所述第二反射光谱峰值波长之差，获得所述第一 光栅和所述第二光栅受到的压力差（也称为应力差）。
[0063] 压力差确定单元404根据所述第一反射光谱峰值波长和所述第二反射光谱峰值 波长之差，直接获得压力差，计算简单，易于实现，降低本发明的实现成本；流体流速确定 单元405根据压力差直接获得流体流速，计算简单，易于实现，进一步降低本发明的实现成 本；显示单元406可W同步显示流体流速（入口段14流体流速），方便测试人员观察记录， 使得测量结果更加直观。
[0064] 如图6所示，流体流速确定单元405根据压力差确定单元404获得的压力差利用 伯努利方程确定管内流体的流速（即文丘里管12入口段14流体流速）。下述公式掲示了 入口段14流体流量与喉道段15流体流量的相等关系：
[006引 AJi = A2V2 (公式 1)
[006引其中，AJi为入口段流体流量，A2V2为喉道段流体流量；Vi为入口段流体流速，V2为 喉道段流体流速，Ai为入口段横截面积，A2为喉道段横截面积。
[0067] 下述公式给出了入口段14横截面积：
[0068] 4=^^ (公式 2)
[0069] 其中，Ai为入口段横截面积，di为入口段直径。
[0070] 下述公式给出了喉道段15横截面积：
[0071] 4=(公式 3)
[0072] 其中，A2为喉道段横截面积，d2为喉道段直径。
[0073] 下述公式为伯努利方程：
[0074]
【权利要求】
1. 一种井下流体感应装置，其特征在于，该井下流体感应装置包括： 一文丘里管，用于导引井下流体，所述文丘里管具有一入口段和一喉道段，所述入口段 的直径大于所述喉道段的直径； 一导压管，与所述文丘里管连接； 一隔板，设置于所述导压管中心； 一第一弹簧，设置于所述隔板左侧，一端与所述隔板连接，另一端与一第一活塞连接， 流体在所述入口段的压力通过所述第一活塞作用于所述第一弹簧； 一第二弹簧，对称设置于所述隔板右侧，一端与所述隔板连接，另一端与一第二活塞连 接，流体在所述喉道段的压力通过所述第二活塞作用于所述第二弹簧； 一第一光栅，一端与所述隔板连接，另一端与所述第一活塞连接，所述第一光栅在所述 第一弹簧弹力和所述入口段流体压力的共同作用下始终处于拉伸状态，所述第一光栅接收 一入射光，并反射出一第一反射光；以及 一第二光栅，一端与所述隔板连接，另一端与所述第二活塞连接，所述第二光栅在所述 第二弹簧弹力和所述喉道段流体压力的共同作用下始终处于拉伸状态，所述第二光栅接收 所述入射光，并反射出一第二反射光。
2. 如权利要求1所述的井下流体感应装置，其特征在于，该井下流体感应装置还包括： 一第一卡环，设置于所述第一活塞左侧的导压管内壁上；以及 一第二卡环，对称设置于所述第二活塞右侧的导压管内壁上。
3. 如权利要求1所述的井下流体感应装置，其特征在于，所述隔板上开设有通孔。
4. 如权利要求1所述的井下流体感应装置，其特征在于，所述第一活塞与所述第二活 塞相同；所述第一光栅与所述第二光栅相同；所述第一弹簧与所述第二弹簧相同。
5. 如权利要求1所述的井下流体感应装置，其特征在于，所述入口段上开设有一上游 导压接口，所述喉道段上开设有一下游导压接口，所述导压管的左端与所述上游导压接口 连接，所述导压管的右端与所述下游导压接口连接。
6. 如权利要求5所述的井下流体感应装置，其特征在于，所述导压管的左端与所述上 游导压接口螺纹联接，所述导压管的右端与所述下游导压接口螺纹联接。
7. -种流体流速测量系统，其特征在于，该流体流速测量系统包括如权利要求1-6任 一所述的井下流体感应装置，该流体流速测量系统还包括一激光光源、一光栅解调仪、一处 理装置， 所述激光光源，与所述井下流体感应装置连接，用于发射所述入射光； 所述光栅解调仪，与所述井下流体感应装置连接，用于解调所述第一反射光得到一第 一反射光谱，解调所述第二反射光得到一第二反射光谱；以及 所述处理装置，与所述光栅解调仪连接，用于根据所述第一反射光谱和所述第二反射 光谱确定所述文丘里管入口段处的流体流速。
8. 如权利要求7所述的流体流速测量系统，其特征在于，所述处理装置包括： 一光谱接收单元，用于接收所述第一反射光谱和所述第二反射光谱； 一光谱峰值波长确定单元，与所述光谱接收单元连接，用于确定所述第一反射光谱峰 值波长和所述第二反射光谱峰值波长； 一波长差确定单元，与所述光谱峰值波长确定单元连接，用于确定所述第一反射光谱 峰值波长和所述第二反射光谱峰值波长的差； 一压力差确定单元，与所述波长差确定单元连接，用于根据光谱峰值波长之差确定所 述第一光栅和所述第二光栅受到的压力差；以及 一流体流速确定单元，与所述压力差确定单元连接，用于根据所述压力差确定所述文 丘里管入口段处的流体流速。
9. 如权利要求8所述的流体流速测量系统，其特征在于，所述流体流速确定单元利用 下述公式确定所述文丘里管入口段处的流体流速：
其中，V1为入口段流体流速，P为压力差，P为流体密度，Cl1为入口段直径，(12为喉道段 直径。
10. 如权利要求8所述的流体流速测量系统，其特征在于，所述处理装置还包括一显示 单元，与所述流体流速确定单元连接，用于显示流体流速。
【文档编号】E21B47/00GK104389581SQ201410475281
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】陈少华, 王伟, 赵昆, 孟倩, 孙世宁 申请人:中国石油大学(北京)