CN1079488C - 注汽井测井仪 - Google Patents
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Abstract
一种注汽井测井仪，是在测井仪外壳体内设置有温度、干度，动压，静压四个光纤传感器，并采用真空和保温材料的双重隔热措施，传感器采集的信号由处理电路进行前期处理，通过电缆送至地面由计算机实时处理分析，也可制成存储式结构把数据储存起来。待返回地面由接口将存储数据回放给地面机处理分析，从而为油井内剖面的分析描述提供温度、压力、干度、流量四参数，其在高温高压下有采集数据准确全面，使用方便可靠的优点。
Description
本发明是对油田测井仪结构的改进，属于光电技术领域。
在油田的开发和管理过程中，普遍需要采用注入技术(如注水、注汽、注聚合物、注稀油等)来达到驱油效果。在采用除注气以外的其他注入技术时，一般对井下的描述比较简单，只需测定压力和流量二参数就能满足需要，而且这种在非恶劣环境下的测定也容易实现。而注汽井是对于稠油或重油场合采用过饱和高温、高压蒸汽的办法，才能降低稠油的粘度亲和系数形成一定的吞吐能力。在注汽过程中，井下的温度、压力、干度(在一定深度井内的流体流动时，汽体体积占流体总体积之比，即井内汽体的体积浓度)、流量四参数的测定决定了流动剖面，分析剖面对于提高产油、减少注汽、降低热损和描述管理油藏具有重要意义。但由于注汽井内测量环境处于高温、高压的恶劣条件下，使数据采集工作很难进行，到目前为止仅用温度和压力二参数的测定对注汽井内的流体状态进行分析描述，尚未见有四参数测井仪。现使用的温度、压力二参数测井仪的温度测定采用热电偶，存在响应速度慢、线性度差的缺点，而且定点时间过长、无法快速测量；其压力测定采用硅压阻传感器，受环境温度影响较大，并存在有零点的漂移问题，使仅有的二参数测定也不尽人意，更何况这二参数本身就不能满足注汽井内状态分析的需要。
对于蒸汽干度的测定，美国Atlas测井服务公司采用γ射线测密度的方法来换算干度，存在着量程短、需附加防护装置及多相流流型的判别问题。传统的涡轮流量计容易受污染而失效，且只能适用于理想流体的测定，对于高温、高压显然不符合使用要求。在已有技术中用光纤传感测定温度和压力的应用较为普遍，而且测量精度随着技术的日臻完善不断提高，但在测井仪中尚未见有光纤传感测定的报道。
本发明的目的就是设计出注汽井用光纤传感的温度、压力、干度、流量四参数测井仪，以解决上述存在问题，并使之具有使用方便、测量准确、稳定性好的优点。
为了达到上述的目的，本发明技术方案采用如下方式得以实现。所设计的注汽井测井仪的组成包括，带有空腔体的圆柱外壳体、外壳体顶端为带有轴向通孔的打捞头、隔热保温材料、温度光纤传感器、干度光纤传感器、动压光纤传感器、静压光纤传感器及其信号处理电路；其结构特点为，在外壳体上部打捞头下端位置至少有二个不同方向的径向通孔和一个盲孔，径向通孔在外壳体中心与捞打头上轴向通孔相通形成中心通道；在径向通孔与外壳体空腔之间的位置设置温度光纤传感器、动压光纤传感器、静压光纤传感器和干度光纤传感器的传感头，所有传输光纤都连至空腔体内；其中静压传感头的端头朝向盲孔内，温度、动压、干度三个传感头的端头朝向通孔；在空腔体的内壁衬有尺寸匹配的真空隔热胆，该胆的底部置有隔热保温材料，在保温材料上方真空隔热胆内设有与其内径尺寸匹配的隔热套管，该套管的上下两端有保温材料制作的密封塞；各光纤传感器的传输光纤通过上端的密封塞进入隔热套管内腔；其中信号传输光纤经由所设置的光电转换器将光信号分别转变为电信号，再经信号放大后由模/数转换器把模拟信号转变为数字信号，即可将得到的温度信号、动压信号、静压信号和干度信号四组数字信号输出；这些输出信号经处理运算后得到温度、动压、静压和干度(ρ)的数据值，再用动压与静压之差等于ρV2/2的等式运算就能得到流速(V)，由流速即可方便地计算出流量；在套管内腔还设置有冷光源发光管，光源光线由光源传输光纤送至传感器的传感头。
本发明的特征还在于，所述动压光纤传感器和干度光纤传感器传感头的端头位于中心通道内径向通孔内壁表面，所述静压传感头的端头位于盲孔内壁表面；四个传感器的四根信号传输光纤分别经由四个光电转换器转变出电信号，再经四个信号放大电路放大，对应输出四路放大信号送入串行模/数转换器，经转换后输出数字信号。在隔热套管内腔的信号处理线路板上还可设有定时控制器，用其控制冷光源和信号处理电路的电源开关；所述的冷光源发光管为激光二极管。按照上述技术方案，所述的测井仪可制成存储式结构，在隔热套管内腔设置有电池电源，并把带有内存和只读存储器的单片机与模/数转换器的输出端相连，模/数转换器输出的数字信号在单片机内由设置在只读存储器的处理程序进行处理运算，得到的数据被存于内存；并由单片机完成定时控制器的时间设置，由定时控制器控制光源和单片机之前的信号处理电路的电源开关，在单片机的输出端口连接有串行数据回放接口，接口设置在下端密封塞的外端，同时外壳体底端设有可拆卸的端盖，拆下端盖可露出回放接口。
由上述可以看出，本发明将四个光纤传感器合理地设置在测井仪外壳体内，并在外壳体内采用了较好的真空隔热和保温材料隔热的双重措施，其传感器采集的数据信号能由所设信号处理电路进行前期处理，可以通过电缆将信号传送至地面由计算机实时处理分析，也可制成存储式结构把处理后的数据储存起来，待测井仪返回地面后通过接口把储存数据回放给地面计算机处理分析；本发明克服高温、高压恶劣环境，根据流体力学的等式、利用采集的信号、方便地得到温度、压力、干度、流量四个参数，从而为油井内剖面的分析描述提供全面的信息依据，完全可以满足注汽井下状态的分析。与现有技术相比，具有不受恶劣环境影响、采集数据全面、测量准确、使用方便、稳定性好的优点。当然本发明也可以满足采用其他注入技术油井的测量使用，只是有大材小用之感。
附图1为本发明所设计注汽井测井仪一种实例(存储式)的结构示意图，图中1为打捞头，2为温度传感头，3为动压传感头，4为干度传感头，5为静压传感头，6为传输光纤，7为密封塞，8为光电转换器，9为信号处理线路板，10为测井仪外壳体，11为真空隔热胆，12为隔热套管，13为电池电源，14为回放接口，15为保温隔热材料，16为端盖。附图2为图1实例的信号处理电路部分的结构示意框图。
以下结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步说明。
参见附图1，所设计注汽井存储式测井仪的外壳体采用不锈钢管制成，其上端焊接有打捞头，下端以螺纹连接有端盖，在打捞头下端位置至少开有二个不同方向的径向通孔和一个盲孔，径向通孔在中心相通形成中心通道，以利于来自不同方向流体的流通，使检测更为准确。在盲孔与空腔体之间设置静压光纤传感器的传感头，并使其端头位于盲孔内壁表面；在径向通孔与空腔体之间设置温度光纤传感器、动压光纤传感器和干度光纤传感器的三个传感头，最好使动压和干度传感头的端头位于中心通道内径向通孔内壁表面，四个传感器的传输光纤都连至空腔体内；其中动压光纤传感器和静压光纤传感器可采用相同结构的压力光纤传感器，设于盲孔内的由于流体不流通故所测压力为静止压力，而设于中心通道的受流体流通的影响故所测压力为动态压力；各种光纤传感器的选择可根据要求和方便选取更为适用的结构类型，本发明推荐有三种光纤传感器在文后介绍。在钢管空腔体内壁衬有尺寸匹配的不锈钢真空隔热胆，真空隔热胆在端盖连接处分为二段，其可随端盖的拆卸被分开；真空隔热胆的底部置有隔热保温石棉材料，在石棉材料上方真空隔热胆内有与其内径尺寸匹配的隔热套管，该套管的上下二端有密封塞，隔热套管和密封塞可以选用石棉或岩棉等保温隔热材料压制而成，也可以用隔热保温材料制成夹层结构，在夹层中填充石英沙等隔热保温材料，或是十水硫酸钠等吸热材料，这些都应在本发明所保护范围之内。
在本发明中压力光纤传感器可以采用微位移光纤传感器，其传感头的端头为一膜片，外界流体压力的变化使膜片产生位移，在传感头内固定设有光源光纤和信号接收光纤，膜片的位移量决定了所接收反射光的强度，由此即可确定流体的压力，其不受温度影响、测量精度高，采用PIN光电转换器将接收的光信号转变为电信号。所述的干度光纤传感器采用蓝宝石做成的柱形传感头，其前端为通过流体，后端藕合有光源传输光纤和信号传输光纤，光线经蓝宝石照射流体，流体内由于水蒸汽的存在能将光部分反射，蒸汽越多反射光越强，反射光经过蓝宝石由信号传输光纤送至PIN光电转换器转换成电信号，经处理后即得到干度。所述的温度光纤传感器采用外表面镀有铝或铬反射膜的中空光纤做为信号传输光纤，其前端头磨成球状固定设置在径向通孔内壁表面下(约1-2mm)，高温流体产生的红外辐射经内壁表面进入传输光纤的中空腔体，被送至热电堆光电转换器转换成电信号，经处理后得到温度。上述所有传感器使用石英光纤。
参见附图2，本发明所设计存储式测井仪的信号处理部分的结构为：四路信号传输光纤进入隔热套管内腔分别连接于光电转换器将光信号转变为电信号，其中温度信号连接于热电堆光电转换器，四路电信号经分别放大后送入串行模/数转换器(可选用MAX186)，转换后的数字信号送入89C2051单片机，由设于只读存储器(EPROM)内的处理程序运算处理并将结果存于内存，单片机的输出端接有RS232回放接口，待测井仪返回地面后通过此接口将内存数据回放给地面计算机；在隔热套管内腔还设置有电池和激光二极管，光线由光源传输光纤送至传感器的传感头，电池可采用充电电池，并连接有充电接口设置在下端密封塞的外端；为了省电和延长器件的使用寿命，在信号处理线路板上还设有定时控制器，以便给光源和单片机之前的信号处理电路的电源开关提供时间基准控制，其时间设置由单片机完成；另外在隔热套管内腔还可以设置半导体温度传感器(AD590)，将其得到的腔内温度数据送入单片机，用于在腔内温度变化时对所测参数进行修正；这样测井仪回放给地面计算机的数据应该是，在某一时刻(可知测量深度)某一腔内温度(用于修正)时的温度、压力、干度、流量四参数的系列数据。
发明人按上述要求制出测井仪样品，并经油田试用后效果非常好。其测温范围0～400℃，误差＜±0.5℃；其测压范围0～20Mpa，精度为0.1Mpa；其测干度范围0～100％，精度为0.5％；其测流量范围2～30t/h，精度为0.1t/h；可连续工作6小时以上，腔内温度＜60°。
Claims (7)
1.一种注汽井测井仪，包括带有空腔体的圆柱外壳体、外壳体顶端为带有轴向通孔的打捞头、隔热保温材料、温度光纤传感器、干度光纤传感器、动压光纤传感器、静压光纤传感器及其信号处理电路；其特征在于，在外壳体上部打捞头下端位置至少有二个不同方向的径向通孔和一个盲孔，径向通孔在外壳体中心与打捞头上轴向通孔相通形成中心通道；在径向通孔与外壳体空腔之间的位置设置温度光纤传感器、动压光纤传感器、静压光纤传感器和干度光纤传感器的传感头，所有传输光纤都连至空腔体内；其中静压传感头的端头朝向盲孔内，温度、动压、干度三个传感头的端头朝向通孔；在空腔体的内壁衬有尺寸匹配的真空隔热胆，该胆的底部置有隔热保温材料、在保温材料上方真空隔热胆内有与其内径尺寸匹配的隔热套管，该套管的上下两端有保温材料制作的密封塞；各光纤传感器的传输光纤通过上端的密封塞进入隔热套管内腔；其中信号传输光纤经由所设的光电转换器将光信号分别转变为电信号，再经信号放大后由模/数转换器把模拟信号转变为数字信号，即可将得到的温度信号、动压信号、静压信号和干度信号四组数字信号输出；这些输出信号经处理运算后得到温度、动压、静压和干度(ρ)的数据值，再用动压与静压之差等于ρV2/2的等式运算就能得到流速(V)，由流速即可计算出流量；在隔热套管内腔还设置有冷光源发光管，光源光线由光源传输光纤送至传感器的传感头。
2.根据权利要求1所述的测井仪，其特征在于，所述动压光纤传感器和干度光纤传感器传感头的端头位于中心通道内径向通孔的内壁表面，所述静压光纤传感器传感头的端头位于盲孔内壁表面；在隔热套管内腔的信号处理线路板上还设有定时控制器，用其控制冷光源和信号处理电路的电源开关；所述的冷光源发光管为激光二极管。
3.根据权利要求2所述的测井仪，其特征在于，将测井仪制成存储式结构，在隔热套管内腔设置有电池电源，并把带有内存和只读存储器的单片机与模/数转换器的输出端相连，模/数转换器输出的数字信号在单片机内由设置在只读存储器的处理程序进行处理运算，得到的数据被存于内存；并由单片机完成定时控制器的时间设置，由定时控制器控制光源和单片机之前信号处理电路的电源开关；在单片机的输出端口连接有串行数据回放接口，接口装置在下端密封塞的外端，同时外壳体底端设有可拆卸的端盖，拆下端盖可露出回放接口。
4.根据权利要求3所述的测井仪，其特征在于，所述的动压光纤传感器和静压光纤传感器采用结构相同的压力传感器，压力传感器采用微位移光纤传感器，其传感头的端头为一膜片，外界流体压力的变化使膜片产生位移，在传感头内固定设有光源光纤和信号接收光纤，膜片的位移量决定了反射光的强度，由此即可确定流体的压力。
5.根据权利要求3所述的测井仪，其特征在于，所述的干度光纤传感器采用蓝宝石做成的柱形传感头，其前端为通过流体，后端耦合有光源传输光纤和信号传输光纤，光线经蓝宝石照射流体，反射光经过蓝宝石由信号传输光纤送至PIN光电转换器转换成电信号，经处理后即得到干度。
6.根据权利要求3所述的测井仪，其特征在于，所述的温度光纤传感器采用外表面镀有反射膜的中空光纤做为信号传输光纤，其前端头磨成球状固定设置在径向通孔内壁表面下，高温流体产生的红外辐射经内壁进入传输光纤的中空腔体，被送至热电堆光电转换器转换成电信号，经处理后得到温度。
7.根据权利要求2～6中所述的任一项测井仪，其特征在于，在隔热套管内腔还设置有半导体温度传感器，将其得到的腔内温度数据送入单片机，用于对所测参数进行修正。
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