探针式持气率计的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种探针式持气率计，探针式持气率计包括稳定的电流激励光源、光分路器、光耦合器、传感探头单元以及信号采集及处理单元；稳定的电流激励光源依次通过光分路器以及光耦合器接入传感探头单元；光分路器接入信号采集及处理单元。本实用新型提供了一种测量精度高的探针式持气率计。
【专利说明】探针式持气率计
【技术领域】
[0001]本实用新型属于石油仪器仪表类，涉及一种用于井下开采石油检测持气率仪器，尤其涉及一种探针式持气率计。
【背景技术】
[0002]国内多数陆相沉积油田开发的不断深入，油田开发进入高含水后期，大量油井开采过程中均伴有气体的产生。因此，油气水三相流测量问题日益普遍，造成传统油井产出剖面各参数测量技术和方法不能适应新的测试环境。如何减小或消除气相的不利影响，并发挥现有两相流成熟测井装备的技术优势，进行三相流产液剖面测井成为油田生产亟待解决的重要课题和任务。
[0003]目前，油田井下三相流产出剖面持气率测量的主要方法包括照相法、电导探针法和摄像法等。但在实际应用中上述诸多方法均存在一些问题和局限性，尤其当气泡尺寸变化较大、气泡分布和密度变化较大时，测量误差尤为严重。
[0004]光学传感技术是新型的测量方法，以光作为测量手段。被测量环境将光波的某一特性(强度、谱线，相位偏振)调制后，光波中便携带着待测环境信息，通过测量光波相关参数，并进行解调，即可获得待测环境信息。光纤传感具有响应速度快、精度高、抗干扰、耐腐蚀，且测量时传感结构部分无需带电工作等特点，成为未来测井方法发展的方向。
[0005]折射率调制型光纤持气率传感系统，其动态检测范围可达到全量程O?100%，可高精度地测量介质折射率的变化，而且光纤传感器因其独特的无源工作特性、抗电磁干扰能力强、响应速度快，测量精度高，抗耐腐蚀等优点，在油井产出剖面测量方面有着独特的优势。
实用新型内容
[0006]为了解决【背景技术】中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种测量精度高的探针式持气率计。
[0007]本实用新型的技术解决方案是:本实用新型提供了一种探针式持气率计，其特殊之处在于:所述探针式持气率计包括稳定的电流激励光源、光分路器、光耦合器、传感探头单元以及信号采集及处理单元；所述稳定的电流激励光源依次通过光分路器以及光耦合器接入传感探头单元；所述光分路器接入信号采集及处理单元。
[0008]上述传感探头单元包括光纤、保护套、密封接头；所述密封接头套装在保护套外部；所述保护套套装在光纤外部。
[0009]上述传感探头单元还包括设置在密封接头外的一道或多道密封圈。
[0010]上述光纤是阵列式光纤。
[0011]上述光纤是蓝宝石光纤。
[0012]上述稳定的电流激励光源包括光源驱动电路、光源输出端以及光功率测试仪；所述光源驱动电路通过光功率测试仪接入光源输出端；所述光源输出端分别与光源驱动电路和光分路器相连。
[0013]上述信号采集及处理单元包括光电探测器、探测器偏置电路、探测器放大电路、信号采集电路以及数据处理单元；所述探测器偏置电路以及探测器放大电路分别接入光电探测器；所述光分路器依次通过光电探测器和信号采集电路接入数据处理单元。
[0014]上述数据处理单元是单片机或CPU。
[0015]本实用新型的优点是:
[0016]本实用新型提供了一种探针式持气率计，本实用新型应用光学传感以及光电探测原理，包括传感探头单元、光路传输器件、光源及探测器，信号处理部分，以及相匹配的机械结构。本实用新型通过对截面内气泡、油泡的大小及数量的测量，分析并计算出持气率。
[0017]具体而言，本发明具有如下优点:
[0018]1、本实用新型采用光学传感方式进行测量，实现对三相流中的气体进行直接测量，有效的消除了传统混合测量方式中带来的误差，测量精度及分辨率较传统测量方式大大提闻。
[0019]2、本实用新型采用蓝宝石晶体作为光纤(探头)，具有良好的物理化学性能，机械性能优良，热稳定性好，耐腐蚀高，透光性能优良。测量信号采用光纤传输，能有效的抵抗外界的电磁干扰，降低传输损耗。
[0020]3、本实用新型的机械结构简单，维护方便，外形美观、精致；各个部位设计有扳手口位置或者磙花，方便拆卸。螺纹扣型选用梯形扣(埃克姆螺纹)。机械结构便于安全及维护，测量范围广、精度和分辨率。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是折射反射原理示意图；
[0022]图2是不同折射率环境下光反射率以及透射率分布示意图；
[0023]其中:图2a是光在探头与油相分界面处的反射率及透射率分布示意图；
[0024]图2b是光在探头与水相分界面处的反射率及透射率分布示意图；
[0025]图2c是光在探头与气相分界面处的反射率及透射率分布示意图；
[0026]图3是本实用新型所提供的探针式持气率计的传感探头单元的结构示意图；
[0027]图4是本实用新型所提供的探针式持气率计的光路框架示意图；
[0028]图5是本实用新型所采用的信号采集处理及驱动电路流程图；
[0029]图6是本实用新型使用状态示意图；
[0030]图7是基于本实用新型所提供的探针式持气率计的测量过程示意图；
[0031]其中:
[0032]1-光纤；2_保护套；3_密封接头；4-光源；5_探测器；6_光分路器；7_耦合系统；8-集流伞；
【具体实施方式】
[0033]参见图1，折射反射原理图，其测量原理为，根据井下油、气、水三相流的折射率不同，光在探头与三相流井液的分界面处将发生不同的光学现象。根据折射定率mpin Θ ^ =
Ii1Sin Θ 1?
[0034]当探头折射率Iitl大于待测环境折射率ηι，同时入射角大于tan (Ii1Aici)，在界面处将发生全反射现象，即全部光能量被反射回来。当入射角小于tan (Ii1Aici)时，在界面将发生反射和折射现象。
[0035]参见图2 (图2a、图2b和图2c),根据不同折射率环境下,光反射率，透射率分布图计算出油、水和探头界面的反射光强。
[0036]由于井液中三相流的分布为水中含有的气泡和油泡，为了探头能分辨较小的气泡和油泡，故探头也应设计的尽量小；由于较小的探头虽然提高了分辨率，但是减小了测量范围，故将光纤(探头)设计成阵列式光纤(探头)，已增大测量范围。
[0037]基于如上理论，本实用新型提供了一种探针式持气率计，该探针式持气率计包括稳定的电流激励光源、光分路器、光耦合器、传感探头单元以及信号采集及处理单元；稳定的电流激励光源依次通过光分路器以及光耦合器接入传感探头单元；光分路器接入信号采集及处理单元；其中，传感探头单元包括光纤、保护套、密封接头；保护套套装在光纤外部；密封接头套在保护套外部。传感探头单元还包括设置在密封接头外的一道或多道密封圈；光纤(探头)是阵列式光纤(探头)。
[0038]本实用新型所采用的稳定的电流激励光源包括光源驱动电路、光源输出端以及光功率测试仪；光源驱动电路通过光功率测试仪接入光源输出端；光源输出端分别与光源驱动电路和光分路器相连。
[0039]本实用新型所采用的信号采集及处理单元包括光电探测器、探测器偏置电路、探测器放大电路、信号采集电路以及数据处理单元；探测器偏置电路以及探测器放大电路分别接入光电探测器；光分路器依次通过光电探测器和信号采集电路接入数据处理单元。数据处理单元是单片机。探测器偏置电路、探测器放大电路以及信号采集电路都是电学领域中常用的电子元器件；数据处理单元可以基于如上理论基础而采用常规的或外购的任何计算机软件或程序或客户自己编写的计算机软件程序来实现数据的计算及处理等过程或功能，本实用新型对此不涉及任何的改进。
[0040]下面，将结合附图对本实用新型进行详细说明:
[0041]1、传感探头的设计与实现
[0042]光纤持气率传感系统为折射率调制型传感器，其测量精度与范围主要取决于光纤(探头)和探测环境的折射率差异，且差异越大，现象越明显，故选择蓝宝石作为光纤(探头)材料。蓝宝石折射率为1.75，远大于井下物质的折射率，同时蓝宝石有着良好的透光性能，耐腐蚀性能，稳定的物理化学性能，以及机械性能，可适应井下苛刻的使用环境。
[0043]光纤(探头)采用性能优良的粘接剂，以及O型圈密封的形式，实现光纤(探头)、密封接头和仪器之间的密封。此种方式可保证在井下175°C，SOMPa的高温高压环境下的仪器密封性能。
[0044]传感探头单元的结构示意图如图3所示:
[0045]2、仪器光路设计与实现
[0046]仪器应用光学传感，光纤光学，光电探测，光学耦合等原理，其系统框图如图4所示:
[0047]光源发出的激光由光纤进入分路器，分路器将光传输并耦合进光学探头中。不同的待测环境下，将在探头和待测环境界面处产生不同的光学现象(反射和透射)，探头返回相应的光信号。光纤将信号送进光分路器，光分路器将一部分光送进光电探测器。探测器对光信号进行光电转换，输出含有待测环境的电量。
[0048]3、信号采集处理及驱动电路
[0049]参见图5，光源驱动电路给光源提供稳定的电流激励，同时对光源的输出光功率进行监测，给光源驱动电路提供反馈，修正激励电流，使光源达到光功率的恒定输出。探测器偏置及放大电路给探测器提供相应的外围电路，保证光电探测器的增益、输出范围及阻抗匹配。光电探测器对光信号进行光电转换后，输出相应的电信号。信号米集部分对光电探测器的输出进行采集存储，数据处理部分对信号进行分析处理，根据相应的算法计算出持气率。
[0050]本实用新型的测量过程是:
[0051]参见图6以及图7，本实用新型放置于待测井中，集流伞将三相流的井液集流到光学传感探头处，油和气以泡状的形式混合于水中，由于油、水、气三者的折射率不同，在光纤(探头)与待测环境的分界面处，光将发生不同现象。即环境为气体时，发生全反射现象，所有光强均反射回光纤(探头)，随后经过光学系统后被光电探测器探测，输出电压信号；环境为水时，发生反射和透射现象，反射光强度可由菲涅尔公式计算，光电探测器对反射光强进行探测；环境为油时，发生反射和透射现象，反射光强可由菲涅尔公式计算，此时光强小于环境为水时的强度，光电探测器对反射光强进行探测。阵列形式的光纤(探头)对某一截面井液中的三相流进行测量，其输出波形反应三相流中各成分的信息，通过对阵列信号的脉冲波形进行分析，计算出井中截面持气率。
【权利要求】
1.一种探针式持气率计，其特征在于:所述探针式持气率计包括稳定的电流激励光源、光分路器、光耦合器、传感探头单元以及信号采集及处理单元；所述稳定的电流激励光源依次通过光分路器以及光耦合器接入传感探头单元；所述光分路器接入信号采集及处理单元。
2.根据权利要求1所述的探针式持气率计，其特征在于:所述传感探头单元包括光纤、保护套、密封接头；所述密封接头套装在保护套外部；所述保护套套装在光纤外部。
3.根据权利要求2所述的探针式持气率计，其特征在于:所述传感探头单元还包括设置在密封接头外的一道或多道密封圈。
4.根据权利要求2或3所述的探针式持气率计，其特征在于:所述光纤是阵列式光纤。
5.根据权利要求4所述的探针式持气率计，其特征在于:所述光纤是蓝宝石光纤。
6.根据权利要求5所述的探针式持气率计，其特征在于:所述稳定的电流激励光源包括光源驱动电路、光源输出端以及光功率测试仪；所述光源驱动电路通过光功率测试仪接入光源输出端；所述光源输出端分别与光源驱动电路和光分路器相连。
7.根据权利要求6所述的探针式持气率计，其特征在于:所述信号采集及处理单元包括光电探测器、探测器偏置电路、探测器放大电路、信号采集电路以及数据处理单元；所述探测器偏置电路以及探测器放大电路分别接入光电探测器；所述光分路器依次通过光电探测器和信号采集电路接入数据处理单元。
8.根据权利要求7所述的探针式持气率计，其特征在于:所述数据处理单元是单片机。
【文档编号】E21B47/135GK203925466SQ201420235019
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】胡博宇, 齐国超, 黄玉梅, 王强, 母召智 申请人:西安思坦仪器股份有限公司