CN106401582B - 一种集成仿生一体式半透膜脱气器 - Google Patents
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Abstract
一种集成仿生一体式半透膜脱气器属油气勘探技术领域，本发明中集气段内壁设有凹坑状仿生微结构，集气段最大直径处后缘均布有6个载气入口；输气段末端内圈设有环形槽，输气段中环形槽前的内壁设有环状仿生微结构；由半透膜和支撑网组成的脱气层固接于集气段前端；仿生整流板的横截面呈放射状，由6个单元体和中心圆筒组成，6个单元体的长板对应镶嵌于集气段的横槽中；输气段前端与集气段后端螺纹连接；输气段后端与排气嘴入口螺纹连接；3个传感器均布于输气段的环形槽中；本发明可用于油气田勘探与开发过程中气层的检测与识别，且能显著提高气测录井的精度及准确性，同时能实现井上录井工作的脱气、输气、检测一体化，减小装置尺寸，降低成本。
Description
技术领域
本发明属油气勘探技术领域，具体涉及一种集成仿生一体式半透膜脱气器。
背景技术
目前录井过程中脱气工作主要是靠气动或电动脱气器进行油气分离，半透膜脱气方式还很少见，尤其对半透膜脱气装置的结构设计更是少之又少，这种脱气方式相对于传统的电动或气动脱气器具有受影响因素少、能定量评价油气含量的优点。
现有的基于半透膜的油气分离装置通过改变内部结构从而改变流场的设计较少，输气效率低，被测气体容易在集气腔内滞留从而不能及时输出至检测装置，这样会影响检测的精度及准确性，不能充分发挥半透膜脱气的优势。
在井上录井工作中，通常脱气和检测两个过程分别在不同的装置中完成，较为繁琐且成本较高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种集成仿生一体式半透膜脱气器，通过该装置特殊的腔体结构，能使分离出的被测气体快速流畅的通过腔体到达传感器，大大减少被测气体在集气腔的滞留，提高气测录井的精度及准确性，并实现脱气、输气、检测一体化，减小装置尺寸，降低成本。
地下鼠是一类高度特化的动物，鼢鼠作为一种地下鼠为适应黑暗、低氧、声波不易传播的环境，进化出了极为发达的嗅觉系统，其中鼻甲能调节吸入鼻腔的空气并提供嗅觉，其特殊的鼻甲结构能使进气更加均匀、流场更稳定，为整流板的设计提供仿生参考。
近几十年来，仿生减阻研究取得了极大的进展，通过改变表面形态能取得减阻效果，本发明受扇贝表面凹坑结构能减少水流阻力以及蚯蚓体表环节状非光滑结构能降低其在土壤中行进阻力的启发，将仿生微结构应用到半透膜脱气器的设计中，起到减小气流阻力，最终提高检测精度的作用。
本发明由脱气层A、集气段B、仿生整流板C、输气段D、传感器阵列E、排气嘴1和导线2组成，其中脱气层A固接于集气段B的前端； 仿生整流板C的6个长板14镶嵌于集气段B的6个横槽8中，仿生整流板C后端由输气段D限位；输气段D前端与集气段B后端螺纹连接；输气段D后端与排气嘴1入口螺纹连接。
传感器阵列E由传感器Ⅰ19、传感器Ⅱ20和传感器Ⅲ21组成，传感器Ⅰ19、传感器Ⅱ20和传感器Ⅲ21均布于输气段D的环形槽18中，导线2经通孔17与传感器Ⅰ19、传感器Ⅱ20和传感器Ⅲ21连接。
所述的脱气层A由半透膜6和支撑网5组成，半透膜6附着于支撑网5上。
所述的集气段B为回转体，集气段B轴向截面外轮廓由直线a-b、直线b-c、直线c-d、圆弧线d-e和直线e-f顺序连接而成，其中直线a-b与直线b-c的夹角θ1为75°，直线b-c长度为20mm，直线c-d长度为15mm，直线e-f长度为10mm，直线c-d与直线b-c的夹角θ2为90°；圆弧线d-e是以半径r1=60-65mm、圆心角α1为85°形成的圆弧；集气段B轴向截面内轮廓由圆弧线i-j和直线j-k连接而成，其中圆弧线i-j是以半径r2=75-80mm、圆心角α2为65°形成的圆弧，直线j-k长度为10mm；集气段B中a-b段和c-d段壁厚与b-c段壁厚t1相同，t1为3mm。
集气段B前端最大直径d1为185-195mm，集气段脱气口直径d2为150-160mm，集气段B后端外径d3为36mm。
集气段B后端直线j-k段内圈设有内螺纹，直线j-k段前设有凹槽G，凹槽轴向长度l1为20-25mm，凹槽G上设有6个周向均布的横槽8，横槽宽t2为2mm，集气段B后端横截面中对应横槽8的最大直径d7为32mm、最小直径d5为24mm。
集气段B的内壁设有凹坑状仿生微结构10，凹坑状仿生微结构10的凹坑是表面直径d’为0.9-1.8mm，深度h为0.3-0.6mm的浅球形，二相邻凹坑的中心距t为2-2.5mm。
6个载气入口7均布于集气段B的最大直径处后缘，沿直径d6为166-176mm的圆均匀排列，载气入口7的外径d4为10-12mm，壁厚为3mm。
所述的输气段D为圆管状，输气段长度L为80-85mm,输气段内径d13为26mm,输气段壁厚t4为5mm，输气段D前端设有外螺纹，外螺纹长度l2为10mm，输气段D末端设有内螺纹，内螺纹长度l4为10mm。
输气段D末端内螺纹前的内圈设有环形槽18,环形槽宽度l3为20-25mm,环形槽直径d14为32mm,环形槽18上设有通孔17。
输气段D中环形槽18前的内壁设有环状仿生微结构16，环状仿生微结构16的截面是半径r3为0.4-0.6mm的半圆，且半圆沿内壁轴向紧密排列。
所述的仿生整流板C的横截面呈放射状，由6个单元体F和中心圆筒11组成，其中单元体F由短板Ⅰ12、圆弧板13、长板14和短板Ⅱ15组成，短板Ⅰ12和短板Ⅱ15经圆弧板13对称固接于长板14两边，短板Ⅰ12与长板14的夹角α3和短板Ⅱ15与长板14的夹角α4相等，均为20°；长板14內端固接于中心圆筒11的外圆。
6个单元体F均布于直径d11为32mm的圆内，圆弧板13位于直径d8为16mm的圆周上，短板Ⅰ12和短板Ⅱ15位于直径d10和直径d12的圆之间，其中直径d10为20mm，直径d12为12mm。
短板Ⅰ12、短板Ⅱ15和长板14的纵轴线的延长线均相交于中心圆筒11的中心，中心圆筒11的外径d9为6mm。
长板14的壁厚t3为2mm，中心圆筒11、短板Ⅰ12、圆弧板13和短板Ⅱ15的壁厚均为1mm。
仿生整流板C的轴向长度与集气段B的凹槽轴向长度l1相等，为20-25mm。
本发明的工作过程如下： 整个装置在工作时， 由于抽气泵造成的负压，使载气沿集气段B边缘均匀进入集气腔4，对脱气层A半透膜6有一定的冲刷作用，同时由于排气口负压的存在，使气流在集气腔4中呈漏斗状，能够使半透膜6分离出的被测气体及时的通过集气腔4被带走，在经过壳体喉部仿生整流板C时，被测气体与载气能够更充分的混合从而气体浓度分布更加均匀，同时仿生整流板C起到整流作用，使进入到输气腔3的流场更均匀稳定，集气段B及输气段D内壁的仿生微结构能降低气体流动阻力，进一步使被测气体快速流畅的到达检测装置，传感器在输气段末端环形阵列，对通过的气体进行全面检测。
本发明的有益效果在于：
1.载气从半透膜周围进入，能充分地混合分离出的被测气体并使气体快速流畅的通过腔体到达传感器，大大减少被测气体在集气腔的滞留。
2.壳体内壁的仿生微结构能降低气体流动阻力，使流场更稳定。
3.仿生整流板起到整流和混合的作用，使被测气体和载气充分混合从而使气体浓度分布更加均匀，同时能改善上游来流的不稳定性，使进气更加均匀。
总之，本发明可用于油气田勘探与开发过程中气层的检测与识别，且能显著提高气测录井的精度及准确性，同时能实现井上录井工作的脱气、输气、检测一体化，减小装置尺寸，降低成本。
附图说明
图1为集成仿生一体式半透膜脱气器的立体图
图2为集成仿生一体式半透膜脱气器的主视图
图3为集气段的结构示意图
图4为集气段的右视图
图5为凹坑状仿生微结构的俯视图
图6为仿生整流板的结构示意图
图7为输气段的结构示意图
图8为传感器阵列的结构示意图
其中： A.脱气层 B.集气段 C.仿生整流板 D.输气段 E.传感器阵列 F.单元体G.凹槽 1.排气嘴 2.导线 3.输气腔 4.集气腔 5.支撑网 6.半透膜 7.载气入口 8.横槽9.集气段壳体 10.凹坑状仿生微结构 11.中心圆筒 12.短板Ⅰ 13.圆弧板 14.长板 15.短板Ⅱ 16.环状仿生微结构 17.通孔 18.环形槽 19.传感器Ⅰ 20.传感器Ⅱ 21. 传感器Ⅲ
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步分析。
如图1、图2、图8所示，本发明由脱气层A、集气段B、仿生整流板C、输气段D、传感器阵列E、排气嘴1和导线2组成，其中:脱气层A固接于集气段B的前端；仿生整流板C的6个长板14镶嵌于集气段B的6个横槽8中，仿生整流板C后端由输气段D限位；输气段D前端与集气段B后端螺纹连接；输气段D后端与排气嘴1入口螺纹连接。传感器阵列E由传感器Ⅰ19、传感器Ⅱ20和传感器Ⅲ21组成，传感器Ⅰ19、传感器Ⅱ20和传感器Ⅲ21均布于输气段D的环形槽18中，导线2经通孔17与传感器Ⅰ19、传感器Ⅱ20和传感器Ⅲ21连接。
如图2所示，脱气层A由半透膜6和支撑网5组成，半透膜6材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料，半透膜6附着于支撑网5上。
如图3所示，集气段B为回转体，集气段B轴向截面外轮廓由直线a-b、直线b-c、直线c-d、圆弧线d-e和直线e-f顺序连接而成，其中直线a-b与直线b-c的夹角θ1为75°,直线b-c长度为20mm，直线c-d长度为15mm，直线e-f长度为10mm，直线c-d与直线b-c的夹角θ2为90°；圆弧线d-e是以半径r1=60-65mm、圆心角α1为85°形成的圆弧；集气段B轴向截面内轮廓由圆弧线i-j和直线j-k连接而成，其中圆弧线i-j是以半径r2=75-80mm、圆心角α2为65°形成的圆弧，直线j-k长度为10mm；集气段B中a-b段和c-d段壁厚与b-c段壁厚t1相同，t1为3mm。集气段B前端最大直径d1为185-195mm，集气段脱气口直径d2为150-160mm，集气段B后端外径d3为36mm。
如图3、图4所示，集气段B后端直线j-k段内圈设有内螺纹，直线j-k段前设有凹槽G，凹槽轴向长度l1为20-25mm，凹槽G上设有6个周向均布的横槽8， 横槽宽t2为2mm，集气段B后端横截面中对应横槽8的最大直径d7为32mm、最小直径d5为24mm；
如图3、图5所示，集气段B的内壁设有凹坑状仿生微结构10，凹坑状仿生微结构10的凹坑是表面直径d’为0.9-1.8mm，深度h为0.3-0.6mm的浅球形，二相邻凹坑的中心距t为2-2.5mm。
如图4所示，6个载气入口7均布于集气段B的最大直径处后缘，沿直径d6为166-176mm的圆均匀排列，载气入口7的外径d4为10-12mm，壁厚为3mm。
如图7所示，输气段D为圆管状，输气段长度L为80-85mm，输气段内径d13为26mm输气段壁厚t4为5mm，输气段D前端设有外螺纹，外螺纹长度l2为10mm，输气段D末端设有内螺纹，内螺纹长度l4为10mm，输气段D末端内螺纹前的内圈设有环形槽18，环形槽宽度l3为20-25mm，环形槽直径d14为32mm，环形槽18上设有通孔17；输气段D中环形槽18前的内壁设有环状仿生微结构16，环状仿生微结构16的截面是半径r3为0.4-0.6mm的半圆，且半圆沿内壁轴向紧密排列。
如图6所示，仿生整流板C的横截面呈放射状，由6个单元体F和中心圆筒11组成，其中单元体F由短板Ⅰ12、圆弧板13、长板14和短板Ⅱ15组成，短板Ⅰ12和短板Ⅱ15经圆弧板13对称固接于长板14两边，短板Ⅰ12与长板14的夹角α3和短板Ⅱ15与长板14的夹角α4相等，均为20°；长板14內端固接于中心圆筒11的外圆，6个单元体F均布于直径d11为32mm的圆内，圆弧板13位于直径d8为16mm的圆周上，短板Ⅰ12和短板Ⅱ15位于直径d10和直径d12的圆之间，其中直径d10为20mm，直径d12为12mm；短板Ⅰ12、短板Ⅱ15和长板14的纵轴线的延长线均相交于中心圆筒11的中心；中心圆筒11的外径d9为6mm；长板14的壁厚t3为2mm，中心圆筒11、短板Ⅰ12、圆弧板13和短板Ⅱ15的壁厚均为1mm；仿生整流板C的轴向长度与集气段B的凹槽轴向长度l1相等，为20-25mm。
Claims (4)
1.一种集成仿生一体式半透膜脱气器，其特征在于：由脱气层(A)、集气段(B)、仿生整流板(C)、输气段(D)、传感器阵列(E)、排气嘴(1)和导线(2)组成，其中所述的仿生整流板(C)的横截面呈放射状，由6个单元体(F)和中心圆筒(11)组成，其中单元体(F)由短板Ⅰ(12)、圆弧板(13)、长板(14)和短板Ⅱ(15)组成，短板Ⅰ(12)和短板Ⅱ(15)经圆弧板(13)对称固接于长板(14)两边，短板Ⅰ(12)与长板(14)的夹角α3和短板Ⅱ(15)与长板(14)的夹角α4相等，均为20°；长板(14)內端固接于中心圆筒(11)的外圆；6个单元体(F)均布于直径d11为32mm的圆内，圆弧板(13)位于直径d8为16mm的圆周上，短板Ⅰ(12)和短板Ⅱ(15)位于直径d10和直径d12的圆之间，其中直径d10为20mm，直径d12为12mm；短板Ⅰ(12)、短板Ⅱ(15)和长板(14)的纵轴线的延长线均相交于中心圆筒(11)的中心；中心圆筒(11)的外径d9为6mm；长板(14)的壁厚t3为2mm，中心圆筒(11)、短板Ⅰ(12)、圆弧板(13)和短板Ⅱ(15)的壁厚均为1mm；仿生整流板(C)的轴向长度与集气段(B)的凹槽轴向长度l1相等，为20-25mm；脱气层(A)固接于集气段(B)的前端；仿生整流板(C)的6个长板(14)镶嵌于集气段(B)的6个横槽(8)中，仿生整流板(C)后端由输气段(D)限位；输气段(D)前端与集气段(B)后端螺纹连接；输气段(D)后端与排气嘴(1)入口螺纹连接；传感器阵列(E)由传感器Ⅰ(19)、传感器Ⅱ(20)和传感器Ⅲ(21)组成，传感器Ⅰ(19)、传感器Ⅱ(20)和传感器Ⅲ(21)均布于输气段(D)的环形槽(18)中， 导线(2)经通孔(17)与传感器Ⅰ(19)、传感器Ⅱ(20)和传感器Ⅲ(21)连接。
2.按权利要求1所述的集成仿生一体式半透膜脱气器，其特征在于：所述的脱气层(A)由半透膜(6)和支撑网(5)组成，半透膜(6)附着于支撑网(5)上。
3. 按权利要求1所述的集成仿生一体式半透膜脱气器，其特征在于：所述的集气段(B)为回转体，集气段(B)轴向截面外轮廓由直线a-b、直线b-c、直线c-d、圆弧线d-e和直线e-f顺序连接而成，其中直线a-b与直线b-c的夹角θ1为75°，直线b-c长度为20mm，直线c-d长度为15mm，直线e-f长度为10mm，直线c-d与直线b-c的夹角θ2为90°；圆弧线d-e是以半径r1=60-65mm、圆心角α1为85°形成的圆弧；集气段(B)轴向截面内轮廓由圆弧线i-j和直线j-k连接而成，其中圆弧线i-j是以半径r2=75-80mm、圆心角α2为65°形成的圆弧，直线j-k长度为10mm； 集气段(B)中a-b段和c-d段壁厚与b-c段壁厚t1相同，t1为3mm；集气段(B)前端最大直径d1为185-195mm，集气段脱气口直径d2为150-160mm，集气段(B)后端外径d3为36mm；集气段(B)后端直线j-k段内圈设有内螺纹，直线j-k段前设有凹槽(G)，凹槽轴向长度l1为20-25mm，凹槽(G)上设有6个周向均布的横槽(8)，横槽宽t2为2mm，集气段(B)后端横截面中对应横槽(8)的最大直径d7为32mm、最小直径d5为24mm；集气段(B)的内壁设有凹坑状仿生微结构(10)，凹坑状仿生微结构(10)的凹坑是表面直径d’为0.9-1.8mm，深度h为0.3-0.6mm的浅球形，二相邻凹坑的中心距t为2-2.5mm；6个载气入口(7)均布于集气段(B)的最大直径处后缘，沿直径d6为166-176mm的圆均匀排列，载气入口(7)的外径d4为10-12mm，壁厚为3mm。
4.按权利要求1所述的集成仿生一体式半透膜脱气器，其特征在于：所述的输气段(D)为圆管状，输气段长度L为80-85mm,输气段内径d13为26mm,输气段壁厚t4为5mm，输气段(D)前端设有外螺纹，外螺纹长度l2为10mm，输气段(D)末端设有内螺纹，内螺纹长度l4为10mm，
输气段(D)末端内螺纹前的内圈设有环形槽(18),环形槽宽度l3为20-25mm,环形槽直径d14为32mm, 环形槽(18)上设有通孔(17)； 输气段(D) 中环形槽(18) 前的内壁设有环状仿生微结构(16)，环状仿生微结构(16)的截面是半径r3为0.4-0.6mm的半圆，且半圆沿内壁轴向紧密排列。
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