CN110847890B - 一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测装置，包括成像组件、温度压力检测单元、短接、外封盖，外封盖套装在短接上，短接的内侧安装有分别密封封装的成像组件以及温度压力检测单元，同时成像组件以及温度压力检测单元设置在外封盖的内部，短接的前、后两端用于连接开采工具管串，短接的前、后两端分别设置公扣、母扣，成像组件上搭载有微型成像设备。本发明采用模块化设计，成像组件和温度压力传感单元自身作为一个独立的装置安装在短接上面，另结合紧凑的短接结构设计，能够大幅缩小装置整体体积，本发明的整个装置安装在开采管串上，能够快速、方便的通过摄像头对破碎后的多相流进行流动成像。
Description
技术领域
本发明属于海洋油气装备领域，特别涉及一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测装置及方法。
背景技术
天然气水合物是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。天然气水合物甲烷含量高，燃烧污染小。据统计，全球天然气水合物的资源总量相当于全世界已知煤炭、石油和天然气等能源总储量的2倍，有望成为21世纪继页岩气、致密气、煤层气、油砂等之后接替能源之一。
目前已获取的自然界天然气水合物样品赋存状态可分为砂岩型、砂岩裂隙型、细粒裂隙型和分散型。与常规油气储层形式相比，海洋天然气水合物赋存区域具有埋深浅、弱胶结、大多无致密盖层及发育完备的生储盖等特点。而我国海域天然气水合物钻探取样储层又大多属于非成岩水合物。为此，周守为院士基于我国海域天然气水合物钻探取样情况，提出了针对深水浅层几米到上百米、非成岩全新的开采模式，即固态流化开采新方法。其核心思想是将深水浅层非成岩天然气水合物矿体通过机械破碎流化转移到密闭的气、液、固多相举升管道内，利用举升过程中海水温度升高、静水压力降低的自然规律使水合物逐步气化，变非成岩天然气水合物分解过程的不可控为可控，实现深水浅层天然气水合物安全试采。
非成岩天然气水合物矿体通过射流破碎后，转移到密闭的气、液、固多相水平管道内，其破碎后多相流的特征对于射流破碎效果、回收效率以及运移等具有重要价值。
对于多相流流动成像的方法具有很多，但是成本和设计处理都比较复杂。因此，对于工程应用来说，选择一种符合工况的检测手段尤为重要。水合物破碎回收的多相流相比油气管道内的多相流有其独特的特点，通过可见光成像的方式进行随钻多相流检测还存在很多问题，需要不断的完善和改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测装置，能够方便与开采工具管串相连应用在海底浅层天然气水合物固态流化开采中对破碎后多相流进行检测。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测装置，包括成像组件、温度压力检测单元、短接、外封盖，所述外封盖套装在短接上，所述短接的内侧安装有分别密封封装的成像组件以及温度压力检测单元，同时所述成像组件以及温度压力检测单元设置在外封盖的内部，所述短接的前、后两端用于连接开采工具管串，所述短接的前、后两端分别设置公扣、母扣，所述成像组件上搭载有微型成像设备。
进一步的，所述短接内安装有两组成像组件，且两组成像组件在短接上采用120°夹角布置，所述温度压力检测单元安装有压力传感器和温度传感器，能够实时检测水合物破碎多相流的温度、压力变化。
进一步的，所述成像组件包括微型摄像头、光源、主板、电源、外壳和安装槽；
所述成像组件的主板和电源安装在外壳内，所述外壳的一端连接有安装槽，所述微型摄像头及光源安装在安装槽内，所述光源对称布置在微型摄像头的两边，所述成像组件的主板上设置有相机控制模块、存储模块和电源控制模块，所述安装槽上安装有透明防护件。
进一步的，所述透明防护件包括铝硅玻璃和玻璃压盖，所述铝硅玻璃通过玻璃压盖压装在安装槽的上表面，所述安装槽的上表面开设有环形密封槽并通过环形O型圈密封，所述外壳与安装槽以螺纹方式连接，且在外壳与安装槽二者的连接面上开设有环形密封槽并采用O型圈压装密封。
进一步的，所述光源与铝硅玻璃的水平面之间成75°内夹角。
进一步的，所述短接采用偏心结构，所述短接内设置有偏心过流孔，所述短接的一端内在靠近公扣处设置有偏心孔过渡槽，所述短接内在偏心过流孔的一侧还设置有变形协调槽，所述短接内还设置有用于卡装成像组件以及压力温度检测单元的弧形槽。
进一步的，所述微型摄像头采用CCD相机，所述光源采用LED光源。
本发明同时提供了一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测方法，所述检测方法采用上述的多相流检测装置对海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流进行检测，所述检测方法包括如下步骤：
1)多组所述的多相流检测装置分别安装在天然气水合物开采工具串中的多处位置，随钻采过程对工艺过程及管串中不同位置的回抽水合物破碎多相流流动状态进行数据采集；
2)在成像组件中主板控制程序控制下，安装在工具天然气水合物开采工具管串上的该装置，在管串不同位置分阶段采集工艺过程中的多相流流动状态，并把相关视频图像存储在主板的存储模块中；压力温度检测单元也同时采集工艺过程中的压力温度变化数据，并存储在存储器中；
3)获取存储器中的视频图像资料以及压力温度数据，通过图像处理的方式结合压力温度变化数据分析在工艺过程中水合物破碎多相流流动状态中的粒度分布、相态变化、流速等多相流参数。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测装置，能够方便与开采工具管串相连应用在海底浅层天然气水合物固态流化开采中对破碎后多相流进行检测。本发明能够通过光学成像技术对靶区水合物藏破碎回收多相流信息进行视频图像采集，本发明采用模块化设计，成像组件和温度压力传感单元自身作为一个独立的装置安装在短接上面，另结合紧凑的短接结构设计，能够大幅缩小装置整体体积，本发明的整个装置安装在开采管串上，能够快速、方便的通过摄像头对破碎后的多相流进行流动成像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测装置的结构示意图。
图2是图1的截面示意图。
图3是本发明实施例中成像组件1的结构示意图。
图中，1、成像组件，2、温度压力检测单元，3、短接，4、外封盖，5、母扣，6、公扣，7、微型摄像头，8、铝硅玻璃，9、光源，10、主板，11、电源，12、玻璃压盖，13、外壳，14、安装槽，15、环形密封槽，16、偏心过流孔，17、偏心孔过渡槽，18、变形协调槽，19、弧形槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图3所示，本发明实施例提供一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测装置，该多相流检测装置包括成像组件1、温度压力检测单元2、短接3、外封盖4，外封盖4套装在短接3上，短接3的内侧安装有分别密封封装的成像组件1以及温度压力检测单元2，同时成像组件1以及温度压力检测单元2设置在外封盖4的内部，短接3的前、后两端用于连接开采工具管串，短接3的前、后两端分别设置公扣6、母扣5，成像组件1上搭载有微型成像设备，成像组件1、温度压力检测单元2自身作为一个独立的部分，分别密封封装，并卡装在在短接3上的弧形槽内，通过外封盖4套装固定在短接3上。本发明中，成像组件1和温度压力检测单元2作为一个独立的整体，分别进行密封封装，能够独立实现其功能，成像组件的选择对于多相流成像质量至关重要，因此本发明采用模块化的设计方式，便于后期成像组件的调节。
在本发明实施例中，短接3内安装有两组成像组件1，且两组成像组件1在短接3上采用120°夹角布置，温度压力检测单元2安装有压力传感器和温度传感器，能够实时检测水合物破碎多相流的温度、压力变化。在本发明中，短接3采用偏心结构设计，两组成像组件采用120°夹角，能够检测环空内的大部分流体，出于检测工况的需要，双成像组件能提高成像的可靠性、增大成像范围。本发明配备的温度压力检测单元2，能够记录钻采时的压力温度变化。压力和温度的变化，对于颗粒水合物的存在形式具有很大的影响，检测和记录开采过程中的压力温度变化和水合物颗粒的状态对设备优化改进和合理开采具有重要意义。
其中，成像组件1包括微型摄像头7、光源9、主板10、电源11、外壳13和安装槽14；
成像组件1的主板10和电源11安装在外壳13内，外壳13的一端连接有安装槽14，微型摄像头7及光源9安装在安装槽14内，光源9对称布置在微型摄像头7的两边，成像组件1的主板10上设置有相机控制模块、存储模块和电源控制模块，安装槽14上安装有透明防护件。成像组件1工作时，光源3进行补光，微型摄像头1进行图片视频采集、采集完的图片视频存储在存储器中。
在本发明实施例中，其中的透明防护件包括铝硅玻璃8和玻璃压盖12，铝硅玻璃8通过玻璃压盖12压装在安装槽14的上表面，安装槽14的上表面开设有环形密封槽15并通过环形O型圈密封，外壳13与安装槽14以螺纹方式连接，且在外壳13与安装槽14二者的连接面上开设有环形密封槽15并采用O型圈压装密封。
光源9与铝硅玻璃8的水平面之间成75°内夹角。
在本发明实施例中，短接3采用偏心结构设计，以扩大短接3的空间利用率，短接3内设置有偏心过流孔16，用于钻井液(海水)过流，短接3的一端内在靠近公扣6处设置有偏心孔过渡槽17，以减小钻井液过流对装置带来的冲击与震动，短接3内在偏心过流孔16的一侧还设置有变形协调槽18，减小因不协调变形造成的应力集中。短接3内还设置有用于卡装成像组件1以及压力温度检测单元2的弧形槽19。
微型摄像头7采用CCD相机，光源9采用LED光源。
本发明实施例还提供一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测方法，该检测方法采用本发明的多相流检测装置对海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流进行检测，该检测方法包括如下步骤：
1)多组的多相流检测装置分别安装在天然气水合物开采工具串中的多处位置，随钻采过程对工艺过程及管串中不同位置的回抽水合物破碎多相流流动状态进行数据采集；
2)在成像组件1中主板控制程序控制下，安装在工具天然气水合物开采工具管串上的该装置，在管串不同位置分阶段采集工艺过程中的多相流流动状态，并把相关视频图像存储在主板的存储模块中；压力温度检测单元2也同时采集工艺过程中的压力温度变化数据，并存储在存储器中；
3)获取存储器中的视频图像资料以及压力温度数据，通过图像处理的方式结合压力温度变化数据分析在工艺过程中水合物破碎多相流流动状态中的粒度分布、相态变化、流速等多相流参数。
本发明采用可见光成像的方式采集视频图片数据，并将数据存储在存储器中。实际应用中，可采用采用图像处理技术和相关算法对采集到的数据进行处理。通过图片和视频数据，对检测在现工况下水合物藏的破碎粒径范围，水合物多相流流动速度藏相含量，水合物藏多相流在管道内的运移状态、水合物颗粒在管道内的分解与合成相变状态提供最真实的数据支持。
本发明实施例一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测装置，能够方便与开采工具管串相连应用在海底浅层天然气水合物固态流化开采中对破碎后多相流进行检测。本发明能够通过光学成像技术对靶区水合物藏破碎回收多相流信息进行视频图像采集，本发明采用模块化设计，成像组件和温度压力传感单元自身作为一个独立的装置安装在短接上面，另结合紧凑的短接结构设计，能够大幅缩小装置整体体积，本发明的整个装置安装在开采管串上，能够快速、方便的通过摄像头对破碎后的多相流进行流动成像。
利用本发明装置进行海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测首先可将多个该装置通过公母扣分别安装在天然气水合物开采工具管串上的不同位置，跟随随钻开采工具管串下入相应海域，进行数据采集。该装置中设计的偏心过流孔主要用于管串中钻井液(海水)过流。过流的钻井液在前端射流破碎天然气水合物，在天然气水合物破碎后回抽的过程中，该装置的成像组件以及压力温度检测单元对回抽的水合物破碎多相流进行数据采集，并存储在存储器中，待整个管串回收后，读取存储器中的数据再进行相关处理，再通过图像处理的相关算法，结合检测的压力温度参数，综合判断水合物破碎多相流的粒度分布、流动速度、运移状态与相态变化。
在本发明中，图片视频采用存储式记录，待试采结束后，可读取存储器中的图片视频，进行图片视频处理。在实际开采应用中，对采集的图片视频进行处理主要是基于图片处理技术与特征识别技术。图片处理的过程包括图片的前期处理、边缘检测、图片数据处理等。前期处理可通过滤波等手段去掉图片中的一些噪声、背景等，提高图片处理的质量减少图像的数据量。可采用边缘检测的方式对颗粒的轮廓进行提取，通过粒子轮廓所占的的像素面积来计算粒子的粒径等特征参数。采用特征提取的方式对颗粒进行模式匹配，采用互相关函数计算颗粒速度方向等。通过像素标记的方式得到颗粒的真实速度。可结合本发明检测到的数据信息，对视频和图片数据的分析，得出在现工况下水合物藏的破碎粒径范围，水合物藏相含量，水合物藏多相流在管道内的运移状态、水合物颗粒在管道内的分解与合成状态。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (5)
1.一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测装置，其特征在于，包括成像组件(1)、温度压力检测单元(2)、短接(3)、外封盖(4)，所述外封盖(4)套装在短接(3)上，所述短接(3)的内侧安装有分别密封封装的成像组件(1)以及温度压力检测单元(2)，同时所述成像组件(1)以及温度压力检测单元(2)设置在外封盖(4)的内部，所述短接(3)的前、后两端用于连接开采工具管串，所述短接(3)的前、后两端分别设置公扣(6)、母扣(5)，所述成像组件(1)上搭载有微型成像设备；
所述短接(3)内安装有两组成像组件(1)，且两组成像组件(1)在短接(3)上采用120°夹角布置，所述温度压力检测单元(2)安装有压力传感器和温度传感器，能够实时检测水合物破碎多相流的温度、压力变化；
所述短接(3)采用偏心结构，所述短接(3)内设置有偏心过流孔(16)，所述短接(3)的一端内在靠近公扣(6)处设置有偏心孔过渡槽(17)，所述短接(3)内在偏心过流孔(16)的一侧还设置有变形协调槽(18)，所述短接(3)内还设置有用于卡装成像组件(1)以及温度压力检测单元(2)的弧形槽(19)。
2.根据权利要求1所述的一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测装置，其特征在于，所述成像组件(1)包括微型摄像头(7)、光源(9)、主板(10)、电源(11)、外壳(13)和安装槽(14)；
所述成像组件(1)的主板(10)和电源(11)安装在外壳(13)内，所述外壳(13)的一端连接有安装槽(14)，所述微型摄像头(7)及光源(9)安装在安装槽(14)内，所述光源(9)对称布置在微型摄像头(7)的两边，所述成像组件(1)的主板(10)上设置有相机控制模块、存储模块和电源控制模块，所述安装槽(14)上安装有透明防护件。
3.根据权利要求2所述的一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测装置，其特征在于，所述透明防护件包括铝硅玻璃(8)和玻璃压盖(12)，所述铝硅玻璃(8)通过玻璃压盖(12)压装在安装槽(14)的上表面，所述安装槽(14)的上表面开设有环形密封槽(15)并通过环形O型圈密封，所述外壳(13)与安装槽(14)以螺纹方式连接，且在外壳(13)与安装槽(14)二者的连接面上开设有环形密封槽(15)并采用O型圈压装密封。
4.根据权利要求3所述的一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测装置，其特征在于，所述光源(9)与铝硅玻璃(8)的水平面之间成75°内夹角。
5.一种应用于海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流检测方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一所述的多相流检测装置对海底浅层天然气水合物固态流化开采中的多相流进行检测，所述检测方法包括如下步骤：
1)多组所述的多相流检测装置分别安装在天然气水合物开采工具串中的多处位置，随钻采过程对工艺过程及管串中不同位置的回抽水合物破碎多相流流动状态进行数据采集；
2)在成像组件(1)中主板控制程序控制下，安装在工具天然气水合物开采工具管串上的该装置，在管串不同位置分阶段采集工艺过程中的多相流流动状态，并把相关视频图像存储在主板的存储模块中；温度压力检测单元(2)也同时采集工艺过程中的压力温度变化数据，并存储在存储器中；
3)获取存储器中的视频图像资料以及压力温度数据，通过图像处理的方式结合压力温度变化数据分析在工艺过程中水合物破碎多相流流动状态中的粒度分布、相态变化、流速多相流参数。
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