CN110244078A - 一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器，包括管状壳体、传感器棍体和电荷测量设备，壳体侧壁设有密封腔体，传感器棍体表面设有纳米材料膜，传感器棍体与纳米材料膜之间由上到下依次设有上、中、下电极，上电极位于密封腔体内，中、下电极均设置于壳体内且位于密封腔体外，电荷测量设备分别连接上、中、下电极，传感器棍体用于接受气液两相流冲击，其中水流与纳米材料膜摩擦生电，气泡流流至下电极，上、下电极发生一次电荷转移，气泡流流至中电极，上、中电极发生二次电荷转移，电荷测量设备监测一次和二次电荷转移的时间差。本发明的有益效果：利用气液两相流与纳米材料膜摩擦介质的改变，产生测量信号，计算气泡速度。
Description
技术领域
本发明涉及地质仪器仪表设备技术领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器。
背景技术
中国煤层气储量丰富,其中埋深浅于2000m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3位。为充分利用煤层气资源,近年来中国政府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。
由于煤储层天然的裂隙发育构造,决定了煤层气生产井需要进行排水降压,在此过程中,地下水与煤层气共同从井筒环空中产生,因此井筒环空内便产生了气液两相流。对于煤层气垂直井而言,正是通过监测并控制井筒油套环空内的气液两相流工况参数来实现煤层气开采管理的。
排采井中两相流气泡参数，通过对气泡参数的分析，建立气泡参数间的关系，是极其有意义的一项工作。气泡的速度，以及通过速度确定和直径间的定量关系，它将成为掌握排采特征，建立合理工作制度的基础。同时，还可以指导排采生产，实现高产井保持稳产，低产井提高产量。在现阶段，对于两相流中气泡参数测量相关研究学者对其进行大量的探索，但是在煤层气开采井中，两相流气泡速度测量相关研究较少，而且开采井筒中相对尺寸较小，较多数气泡传感器不适用井下环境，因此急需研制一种精度较高、体积小、且适合钻井工况环境要求开采井筒专用两相流气泡速度测量短节。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器。
本发明的实施例提供一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器，包括管状壳体、传感器棍体和电荷测量设备，所述壳体侧壁设有密封腔体，所述传感器棍体表面设有纳米材料膜，所述传感器棍体与所述纳米材料膜之间由上到下依次设有上电极、中电极和下电极，所述传感器棍体上端设置于所述密封腔体内使所述上电极位于所述密封腔体内，所述中电极和所述下电极均设置于所述壳体内且位于所述密封腔体外，所述电荷测量设备分别连接所述上电极、所述中电极和所述下电极，所述壳体下端用于连接抽采井，所述传感器棍体用于接受所述抽采井内气液两相流的冲击，其中所述气液两相流的水流与所述纳米材料膜摩擦生电，使所述上电极、所述中电极和所述下电极均带上电荷，所述气液两相流的气泡流流至所述下电极邻侧的所述纳米材料膜，所述上电极与所述下电极之间发生一次电荷转移，所述气液两相流的气泡流流至所述中电极邻侧的所述纳米材料膜，所述上电极与所述中电极之间发生二次电荷转移，所述电荷测量设备监测一次电荷转移和二次电荷转移之间的时间差。
进一步地，所述密封腔体为筒体，所述筒体固定连接所述壳体侧壁且与所述壳体连通，所述筒体两端均设有防水接头，所述传感器棍体上端穿过所述防水接头伸入所述筒体内。
进一步地，所述筒体远离所述壳体一端设有导线电缆，所述导线电缆穿过所述防水接头，一端连接所述电荷测量设备，另一端分别连接所述上电极、所述中电极和所述下电极。
进一步地，所述传感器棍体为L形，包括相连接的上部水平段和下部竖直段，所述上电极设置于所述水平段，所述中电极和所述下电极设置于所述竖直段。
进一步地，所述纳米材料膜包裹住所述传感器棍体，使所述上电极、所述中电极和所述下电极密封于所述纳米材料膜和所述传感器棍体之间。
进一步地，所述上电极、所述中电极和所述下电极均为铝质环形片。
进一步地，所述壳体的两端均设有法兰盘，所述法兰盘用于连接抽采井。
进一步地，所述纳米材料膜为PTFE材料膜。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器，利用煤层气气液两相流水流和气泡流的流动特点，基于纳米材料电荷接触转移原理，水流流过壳体使上电极和、中电极和下电极带上电荷，气泡流流经壳体时由于中电极与下电极的外界接触物质发生改变，产生两次电荷转移，形成传感器的测量信号，电荷测量设备测量两次电荷转移时间差，结合上电极与下电极之间的间距可计算出煤层气气液两相流的气泡速度，不受外界物理因素影响，测量精度更高。
附图说明
图1是本发明一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器的主视图；
图2是图1中的A-A剖面示意图；
图3是本发明一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器的立体图。
图中：1-上电极、2-导线电缆、3-电缆防水接头、4-筒体、5-螺钉、6-壳体、7-连接孔、8-防水接头、9-传感器棍体、10-中电极、11-下电极、12-法兰盘。
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，本发明的实施例提供了一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器，包括管状壳体6、传感器棍体9和电荷测量设备。
所述壳体6为绝缘材料制成的中空圆柱管体，所述壳体6的中部设有接口，所述接口向外延伸且设有多个螺纹孔，所述接口连接筒体4，所述筒体一端设有多个螺钉5，所述筒体通过所述螺钉5与所述螺纹孔螺纹连接，使所述筒体4固定连接所述壳体6侧壁且与所述壳体6连通，且所述筒体4两端均设有防水接头8，使所述筒体4内形成密封腔体，其中远离所述壳体6的一所述防水接头为电缆防水接头3。所述壳体6的两端均设有法兰盘12，所述法兰盘12上设有多个连接孔7，所述法兰盘12可通过所述连接孔7连接抽采井，所述壳体6内部作为所述抽采井内的气液两相流的流通通道。
所述传感器棍体9为L形，包括相连接的上部水平段和下部竖直段，所述传感器棍体9表面设有纳米材料膜，本实施例中所述纳米材料膜选择PTFE材料膜，所述传感器棍体9与所述纳米材料膜之间由上到下依次设有上电极1、中电极10和下电极11，所述上电极1设置于所述水平段，所述中电极10和所述下电极11分别上下设置于所述竖直段，这里的所述上电极1、所述中电极10和所述下电极11均为铝质环形片，分别套设于所述传感器棍体9上且通过胶粘固定，所述纳米材料膜完全包裹住所述传感器棍体9，使所述上电极1、所述中电极10和所述下电极11密封于所述纳米材料膜和所述传感器棍体9之间。
所述筒体4远离所述壳体6一端设有导线电缆2，所述导线电缆2穿过所述电缆防水接头3，所述导线电缆2一端连接所述电荷测量设备，另一端分别连接所述上电极1、所述中电极10和所述下电极11，本身实施例中所述电荷测量设备选用6514可编程静电计，所述电荷测量设备可监测所述上电极1分别与所述中电极10和所述下电极11之间的电荷转移，记录电荷转移时间。
本发明的一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器在测量井下测量煤层气气液两相流气泡的速度时，通过所述壳体6下端的法兰盘12连接测量抽采井，抽采井内的气液两相流的水流和气泡流先后流过所述壳体6，对所述传感器棍体9进行冲击，首先气液两相流的水流流入所述壳体6内，所述传感器棍体9侵泡于水中，所述纳米材料膜与水摩擦生电，即所述纳米材料膜与水分别带上不同类型电荷，从而使所述中电极10和所述下电极11带上电荷，所述上电极1处于密封的所述筒体4内，此时所述上电极1、所述中电极10和所述下电极11之间发生电荷转移直至达到电势平衡，且在气液两相流的气泡流到达之前将长期处于稳态；
然后气液两相流的气泡流流入所述壳体6内至所述下电极11邻侧的所述纳米材料膜区域，受所述液两相流的气泡流挤压由所述壳体6上部排出部分水，排出水带走部分电荷，为了重新达到电势平衡，所述上电极1与所述下电极11之间发生电荷转移，为一次电荷转移，之后气液两相流的气泡流流入所述壳体6内至所述中电极10邻侧的所述纳米材料膜区域，受所述液两相流的气泡流挤压再次由所述壳体6上部排出部分水，排出水仍然会带走部分电荷，为了重新达到电势平衡，所述上电极1与所述中电极10之间发生电荷转移，为二次电荷转移。
所述电荷测量设备检测一次电荷转移与二次电荷转移之间的时间差，由于所述中电极10和所述下电极11均是固定的，二者之间的距离是不变的，可在固定所述中电极10和所述下电极11时提前设置恰当距离，也可以通过测量获知，由所述中电极10和所述下电极11之间距离除以一次电荷转移与二次电荷转移之间的时间差即可获得气液两相流的气泡速度。
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 (8)
1.一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器，其特征在于：包括管状壳体、传感器棍体和电荷测量设备，所述壳体侧壁设有密封腔体，所述传感器棍体表面设有纳米材料膜，所述传感器棍体与所述纳米材料膜之间由上到下依次设有上电极、中电极和下电极，所述传感器棍体上端设置于所述密封腔体内使所述上电极位于所述密封腔体内，所述中电极和所述下电极均设置于所述壳体内且位于所述密封腔体外，所述电荷测量设备分别连接所述上电极、所述中电极和所述下电极，所述壳体下端用于连接抽采井，所述传感器棍体用于接受所述抽采井内气液两相流的冲击，其中所述气液两相流的水流与所述纳米材料膜摩擦生电，使所述上电极、所述中电极和所述下电极均带上电荷，所述气液两相流的气泡流流至所述下电极邻侧的所述纳米材料膜，所述上电极与所述下电极之间发生一次电荷转移，所述气液两相流的气泡流流至所述中电极邻侧的所述纳米材料膜，所述上电极与所述中电极之间发生二次电荷转移，所述电荷测量设备监测一次电荷转移和二次电荷转移之间的时间差。
2.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器，其特征在于：所述密封腔体为筒体，所述筒体固定连接所述壳体侧壁且与所述壳体连通，所述筒体两端均设有防水接头，所述传感器棍体上端穿过所述防水接头伸入所述筒体内。
3.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器，其特征在于：所述筒体远离所述壳体一端设有导线电缆，所述导线电缆穿过所述防水接头，一端连接所述电荷测量设备，另一端分别连接所述上电极、所述中电极和所述下电极。
4.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器，其特征在于：所述传感器棍体为L形，包括相连接的上部水平段和下部竖直段，所述上电极设置于所述水平段，所述中电极和所述下电极设置于所述竖直段。
5.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器，其特征在于：所述纳米材料膜包裹住所述传感器棍体，使所述上电极、所述中电极和所述下电极密封于所述纳米材料膜和所述传感器棍体之间。
6.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器，其特征在于：所述上电极、所述中电极和所述下电极均为铝质环形片。
7.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器，其特征在于：所述壳体的两端均设有法兰盘，所述法兰盘用于连接抽采井。
8.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电原理的井下气泡速度传感器，其特征在于：所述纳米材料膜为PTFE材料膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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