CN107101678A - 一种基于电导探针的两相流流量传感器及其使用方法 - Google Patents

一种基于电导探针的两相流流量传感器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电导探针的两相流流量传感器，包括外壳、电导探针和弹性靶，外壳内沿竖直方向设有一电路支座，电路板安装在电路支座上，电路支座和电路板通过一橡胶垫密封在外壳内，橡胶垫的上方设有一端盖，端盖插入外壳的上端挤压橡胶垫，橡胶垫径向变形实现密封，外壳的一侧壁上开有第一通孔和第二通孔，第一通孔在所述第二通孔的下方，第一通孔内安装一探针压盖，探针压盖的内侧设有第一密封环，电导探针的后端穿过探针压盖和第一密封环，探针压盖挤压第一密封环，第一密封环径向变形将电导探针的后端密封在外壳内，电导探针的后端与电路板连接，第二通孔内安装一靶位压盖，靶位压盖的内侧设有第二密封环。本发明提高流量测定的精度。

Description

一种基于电导探针的两相流流量传感器及其使用方法
技术领域
本发明涉及两相流探测领域，尤其涉及一种基于电导探针的两相流流量传感器及其使用方法。
背景技术
中国煤层气储量丰富，其中埋深浅于2000米的煤层气资源为36.81万亿立方米，约占全球的15.3％，储量位居世界第三位。
近年，为充分利用煤层气资源，加大了对煤层气开采技术的研发力度，并钻出了多口试验井来探究煤层气开采的成套技术，但受到技术条件限制，煤层气开采井仍以垂直井居多。而，由于煤储层天然的裂隙发育构造，决定了煤层气生产井需进行排水降压，在此过程中，地下水与煤层气共同从井筒环空中产生，并在井筒环空内产生了气液两相流，因此，对于煤层气抽采井，尤其是合层排采井而言，井筒环空内气液两相流(以下简称两相流)流量参数的检测至关重要，它对于制定合理的排采工艺、估算各煤层产气量、判断井下工况及分析地层状况等均具有重要意义。
目前，对煤层气井筒环空内的两相流进行实时测量常见的煤层气抽采井的井筒环空尺寸一般不超过26mm，且使用环境存在最高10Mpa压力，井筒内不可避免会存在少量煤粉颗粒，因此，选择或设计流量传感器时必须对其使用工况环境进行考虑，流量传感器受到体积、安装要求、测量原理、流体介质、密封性能等因素的限制，无法在煤层气井筒环空内使用。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种能在煤层气井筒环空内使用，并且测量精度高的基于电导探针的两相流流量传感器及其使用方法。
本发明的实施例提供一种基于电导探针的两相流流量传感器，包括外壳、电路板、电导探针和弹性靶，所述外壳内沿竖直方向设有一电路支座，所述电路板安装在电路支座上，所述电路支座和电路板通过一橡胶垫密封在外壳内，所述橡胶垫的上方设有一端盖，所述端盖插入外壳的上端挤压橡胶垫，所述橡胶垫径向变形实现密封，所述外壳的一侧壁上开有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔在所述第二通孔的下方，所述第一通孔内安装一探针压盖，所述探针压盖的内侧设有第一密封环，所述电导探针的后端穿过探针压盖和第一密封环，所述探针压盖挤压第一密封环，所述第一密封环径向变形将电导探针的后端密封在外壳内，所述电导探针的后端与电路板连接，所述第二通孔内安装一靶位压盖，所述靶位压盖的内侧设有第二密封环，所述弹性靶的后端穿过靶位压盖和第二密封环，所述靶位压盖挤压第二密封环，所述第二密封环径向变形将弹性靶的后端密封在外壳内，所述弹性靶的前端上方有一全桥应变片，所述全桥应变片的信号线沿弹性靶进入外壳内，并连接电路板，待测流体先流过电导探针，所述电导探针探测流体的流型，并将流型信号传输给电路板，所述流体再流过弹性靶，所述弹性靶在流体的冲击力作用下发生弹性形变，所述全桥应变片感应变形量，并将变形信号传输给电路板，所述电路板根据流体的流型信号对变形信号进行标定，进而得到流体的流量。
进一步，所述电路支座上还安装有温度探头，所述温度探头连接电路板，所述温度探头探测温度，并将温度信号传输给电路板，所述电路板根据温度信号对变形信号进行修正。
进一步，所述外壳连接一保护罩，所述保护罩的两端开口，保护罩的高度与外壳的高度相适配，所述保护罩与电导探针和弹性靶在同一侧，所述电导探针和弹性靶在保护罩内。
进一步，所述第一通孔和第二通孔均呈T形，所述靶位压盖和探针压盖均通过螺栓固定在外壳上。
进一步，所述电路板的上部和下部均通过螺钉固定在电路支座上，所述全桥应变片黏贴在弹性靶的前端。
进一步，所述电路板通过导线将所述流体的流量输出。
进一步，所述外壳的上端开有T形孔，所述T形孔内插入端盖，并通过螺栓固定，所述端盖的中间设有电缆防水接头，所述导线穿过电缆防水接头至外壳的外侧。
进一步，所述端盖连接一延伸盖，所述延伸盖与端盖一体成型，所述延伸盖通过螺栓将端盖与外壳固定在一起。
一种基于电导探针的两相流流量传感器的使用方法，包括以下步骤：
(1)将两相流流量传感器通过钻杆安装在井筒中；
(2)井筒内的流体由下向上流动，先流过电导探针，所述电导探针探测流体的流型，并将流型信号传输给电路板，所述电路板根据流型信号对流体的流型进行判别；
(3)流体流过弹性靶，弹性靶在流体的冲击力作用下发生弹性形变，所述全桥应变片感应变形量，并将变形信号传输给电路板，同时，温度探头将温度信号传输给电路板，电路板根据温度信号对变形信号进行修正，并对修正后的变形信号进行标定，进而得到流体的流量。
进一步，流体的流型根据流体中气体含量的增加可依次分为：泡状流、弹状流、搅混流、环状流及细束环状流；
所述泡状流的标定公式为：y＝0.062x5-0.895x4+4.797x3-11.211x2+15.061x-1.853(0.3≤x≤5)；
所述弹状流的标定公式为：y＝-0.0352x5+0.291x4-0.647x3+0.139x2+6.358x+0.402(0.26≤x≤4.25)；
所述搅混流的标定公式为：y＝0.019x5-0.088x4-0.026x3+0.352x2+6.503x+0.726(0.19≤x≤3.69)；
所述环状流的标定公式为：y＝-0.226x5+1.374x4-3.033x3+3.32x2+6.691x+1.342(0.11≤x≤2.78)；
所述细束环状流的标定公式为：y＝0.597x5-4.372x4+11.367x3-12.632x2+13.901x+0.745(0.09≤x≤2.7)；
式中：x为全桥应变片的变形量，y为流体的流量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明先通过电导探头确定流型，再测点变形信号，同时通过温度信号对变形信号进行修正，变形信号的精度大大提高，针对不同流型有针对性的标定，标定精度大大提高，进而大大提高流量测定的精度，而且，本发明密封性好，测量干扰少，测量精度高；能在煤层气井筒环空内使用，不受到体积、安装要求、测量原理、流体介质和密封性能等因素的限制。
附图说明
图1是本发明一种基于电导探针的两相流流量传感器的一示意图。
图2是本发明一种基于电导探针的两相流流量传感器的一俯视图。
图3是图1中去除保护罩的一侧视图。
图4是图1中靶位压盖、弹性靶和全桥应变片的放大图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1-图4，本发明的实施例提供了一种基于电导探针的两相流流量传感器，包括外壳1、电路板2、电导探针3和弹性靶4。
外壳1内沿竖直方向设有一电路支座11，外壳1的上端开有T形孔12，所述T形孔12内插入端盖5，并通过螺栓6固定，外壳1的上端一侧固接一固定块13，外壳1的一侧壁上开有第一通孔14和第二通孔15，外壳1连接一保护罩7。
第一通孔14在所述第二通孔15的下方，在一实施例中，第一通孔14和第二通孔15均呈T形，所述第一通孔14和第二通孔15的内侧均设有密封环141。
第一通孔14内安装一探针压盖142，所述探针压盖142密封在第一通孔14内，所述探针压盖142的内侧设有第一密封环141，所述电导探针3的后端穿过探针压盖142和第一密封环141，所述探针压盖142挤压第一密封环141，所述第一密封环141径向变形将电导探针3的后端密封在外壳1内，所述电导探针3的后端与电路板2连接。
第二通孔15内安装一靶位压盖151，所述靶位压盖151的内侧设有第二密封环152，所述弹性靶4的后端穿过靶位压盖151和第二密封环152，所述靶位压盖151挤压第二密封环152，所述第二密封环152径向变形将弹性靶4的后端密封在外壳1内，所述弹性靶4的前端上方有一全桥应变片41，在一实施例中，全桥应变片41黏贴在弹性靶4的前端，所述全桥应变片41的信号线(图中未示出)沿弹性靶4进入外壳1内，并连接电路板2。在一实施例中，所述靶位压盖151和探针压盖142均通过螺栓6固定在外壳1上。
保护罩7的两端开口，保护罩7的高度与外壳1的高度相适配，所述保护罩7与电导探针3和弹性靶4在同一侧，所述电导探针3和弹性靶4在保护罩7内，保护罩7防护电导探针3和弹性靶4在测量过程中受损，延长电导探针3和弹性靶4的使用寿命。
电路板2安装在电路支座11上，电路支座11和电路板2通过一橡胶垫52密封在外壳1内，所述橡胶垫52的上方设有一端盖5，所述端盖5插入外壳1的上端挤压橡胶垫52，所述橡胶垫52径向变形实现密封，在一实施例中，电路板2的上部和下部均通过螺钉21固定在电路支座11上，所述电路支座11和电路板2密封在外壳1内，电路支座11上还安装有温度探头8，温度探头8连接电路板2，所述温度探头8探测温度，并将温度信号传输给电路板2。
固定块13与电导探针3和弹性靶4在同一侧，所述端盖5连接一延伸盖51，所述延伸盖51与端盖5一体成型，所述延伸盖51通过螺栓6将端盖5和外壳1固定在一起，在一实施例中，端盖5的中间设有电缆防水接头9，所述导线10穿过电缆防水接头9至外壳1的外侧。
两相流流量传感器安装在井筒(图中未示出)内，所述井筒内的流体自下向上流动，所述流体先流过电导探针3，所述电导探针3探测流体的流型，并将流型信号传输给电路板2，所述流体再流过弹性靶4，所述弹性靶4在流体的冲击力作用下发生弹性形变，所述全桥应变片41感应变形量，并将变形信号传输给电路板2，所述电路板2根据温度信号对变形信号进行修正，所述电路板2根据流体的流型信号对变形信号进行标定，进而得到流体的流量，电路板2通过导线10将所述流体的流量输出。
一种基于电导探针的两相流流量传感器的使用方法，包括以下步骤：
(1)将两相流流量传感器通过钻杆安装在井筒中；
(2)井筒内的流体由下向上流动，先流过电导探针3，所述电导探针3探测流体的流型，并将流型信号传输给电路板2，所述电路板2根据流型信号对流体的流型进行判别；流体的流型根据流体中气体含量的增加可依次分为：泡状流、弹状流、搅混流、环状流及细束环状流；
(3)流体流过弹性靶4，弹性靶4在流体的冲击力作用下发生弹性形变，所述全桥应变片41感应变形量，并将变形信号传输给电路板2，同时，温度探头8将温度信号传输给电路板2，电路板2根据温度信号对变形信号进行修正，并根据步骤(2)判别的流型对修正后的变形信号进行标定，进而得到流体的流量。
所述泡状流的标定公式为：y＝0.062x5-0.895x4+4.797x3-11.211x2+15.061x-1.853(0.3≤x≤5)；
所述弹状流的标定公式为：y＝-0.0352x5+0.291x4-0.647x3+0.139x2+6.358x+0.402(0.26≤x≤4.25)；
所述搅混流的标定公式为：y＝0.019x5-0.088x4-0.026x3+0.352x2+6.503x+0.726(0.19≤x≤3.69)；
所述环状流的标定公式为：y＝-0.226x5+1.374x4-3.033x3+3.32x2+6.691x+1.342(0.11≤x≤2.78)；
所述细束环状流的标定公式为：y＝0.597x5-4.372x4+11.367x3-12.632x2+13.901x+0.745(0.09≤x≤2.7)；
式中：x为全桥应变片的变形量，y为流体的流量。
本发明先通过电导探头确定流型，再测点变形信号，同时通过温度信号对变形信号进行修正，变形信号的精度大大提高，针对不同流型有针对性的标定，标定精度大大提高，进而大大提高流量测定的精度；能在煤层气井筒环空内使用，不受到体积、安装要求、测量原理、流体介质和密封性能等因素的限制。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电导探针的两相流流量传感器，其特征在于，包括外壳、电路板、电导探针和弹性靶，所述外壳内沿竖直方向设有一电路支座，所述电路板安装在电路支座上，所述电路支座和电路板通过一橡胶垫密封在外壳内，所述橡胶垫的上方设有一端盖，所述端盖插入外壳的上端挤压橡胶垫，所述橡胶垫径向变形实现密封，所述外壳的一侧壁上开有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔在所述第二通孔的下方，所述第一通孔内安装一探针压盖，所述探针压盖的内侧设有第一密封环，所述电导探针的后端穿过探针压盖和第一密封环，所述探针压盖挤压第一密封环，所述第一密封环径向变形将电导探针的后端密封在外壳内，所述电导探针的后端与电路板连接，所述第二通孔内安装一靶位压盖，所述靶位压盖的内侧设有第二密封环，所述弹性靶的后端穿过靶位压盖和第二密封环，所述靶位压盖挤压第二密封环，所述第二密封环径向变形将弹性靶的后端密封在外壳内，所述弹性靶的前端上方有一全桥应变片，所述全桥应变片的信号线沿弹性靶进入外壳内，并连接电路板，待测流体先流过电导探针，所述电导探针探测流体的流型，并将流型信号传输给电路板，所述流体再流过弹性靶，所述弹性靶在流体的冲击力作用下发生弹性形变，所述全桥应变片感应变形量，并将变形信号传输给电路板，所述电路板根据流体的流型信号对变形信号进行标定，进而得到流体的流量。
2.根据权利要求1所述的基于电导探针的两相流流量传感器，其特征在于，所述电路支座上还安装有温度探头，所述温度探头连接电路板，所述温度探头探测温度，并将温度信号传输给电路板，所述电路板根据温度信号对变形信号进行修正。
3.根据权利要求1所述的基于电导探针的两相流流量传感器，其特征在于，所述外壳连接一保护罩，所述保护罩的两端开口，保护罩的高度与外壳的高度相适配，所述保护罩与电导探针和弹性靶在同一侧，所述电导探针和弹性靶在保护罩内。
4.根据权利要求1所述的基于电导探针的两相流流量传感器，其特征在于，所述第一通孔和第二通孔均呈T形，所述靶位压盖和探针压盖均通过螺栓固定在外壳上。
5.根据权利要求1所述的基于电导探针的两相流流量传感器，其特征在于，所述电路板的上部和下部均通过螺钉固定在电路支座上，所述全桥应变片黏贴在弹性靶的前端。
6.根据权利要求1所述的基于电导探针的两相流流量传感器，其特征在于，所述电路板通过导线将所述流体的流量输出。
7.根据权利要求6所述的基于电导探针的两相流流量传感器，其特征在于，所述外壳的上端开有T形孔，所述T形孔内插入端盖，并通过螺栓固定，所述端盖的中间设有电缆防水接头，所述导线穿过电缆防水接头至外壳的外侧。
8.根据权利要求7所述的基于电导探针的两相流流量传感器，其特征在于，所述端盖连接一延伸盖，所述延伸盖与端盖一体成型，所述延伸盖通过螺栓将端盖与外壳固定在一起。
9.一种基于电导探针的两相流流量传感器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将两相流流量传感器通过钻杆安装在井筒中；
(2)井筒内的流体由下向上流动，先流过电导探针，所述电导探针探测流体的流型，并将流型信号传输给电路板，所述电路板根据流型信号对流体的流型进行判别；
(3)流体流过弹性靶，弹性靶在流体的冲击力作用下发生弹性形变，所述全桥应变片感应变形量，并将变形信号传输给电路板，同时，温度探头将温度信号传输给电路板，电路板根据温度信号对变形信号进行修正，并对修正后的变形信号进行标定，进而得到流体的流量。
10.根据权利要求9所述的基于电导探针的两相流流量传感器的使用方法，其特征在于，流体的流型根据流体中气体含量的增加可依次分为：泡状流、弹状流、搅混流、环状流及细束环状流；
所述泡状流的标定公式为：y＝0.062x5-0.895x4+4.797x3-11.211x2+15.061x-1.853(0.3≤x≤5)；
所述弹状流的标定公式为：y＝-0.0352x5+0.291x4-0.647x3+0.139x2+6.358x+0.402(0.26≤x≤4.25)；
所述搅混流的标定公式为：y＝0.019x5-0.088x4-0.026x3+0.352x2+6.503x+0.726(0.19≤x≤3.69)；
所述环状流的标定公式为：y＝-0.226x5+1.374x4-3.033x3+3.32x2+6.691x+1.342(0.11≤x≤2.78)；
所述细束环状流的标定公式为：
y＝0.597x5-4.372x4+11.367x3-12.632x2+13.901x+0.745(0.09≤x≤2.7)；
式中：x为全桥应变片的变形量，y为流体的流量。
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