CN111198218A - 一种高温油基钻井液电特性测量方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温油基钻井液电特性测量方法与装置，该方法基于平行板电容器和平行极板测量电导率原理，装置主要由两块结构和材料相同的绝缘介质板组成。绝缘介质板具有良好的隔热性能与耐热性能，在其中心处有圆形的铺铜区域，且开了一定数量的圆孔。绝缘介质板中间装有垫片，垫片厚度可以改变。本发明结构可靠、成本低廉、操作简便，可以广泛用于各种常温至高温液体的电特性测量。
Description
技术领域
本发明属于液体电特性测量装置技术领域，具体涉及一种平行板式液体电特性测量装置。
背景技术
液体的电特性是液体材料重要特性参数之一。油基钻井液作为一种广泛应用与石油钻探领域的物质，其电特性对伴随钻探过程存在的测井工作有着重要影响。因此，存在着对油基钻井液电特性测量技术的需求。液体的电特性主要包括液体的介电常数和电导率。其中介电常数可以使用平行板电容器进行测量，液体的电导率可以使用平行极板方法进行测量。两者结构相似，因此可以设计一种方法使用同一装置完成对液体电特性的测量。使用平行板结构测介电常数和电导率，结构简单且操作方便。由于油基钻井液主要应用于井下工作环境，因此还需要考虑其高温的特点。为了扩大平行极板测量装置的测量温度范围，提出了一种基于平行板结构的高温油基钻井液电特性的测量装置。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种结构简单可靠，使用方便的平行极板式电特性测量装置，通过测量平行板内介质的容抗与阻抗并借助反演算法得到介质的介电常数及电导率。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：
一种高温油基钻井液电特性测量装置包括两块结构和材料相同的绝缘介质板和位于两块绝缘介质板之间的垫片；两块绝缘介质板的同一区域设有结构相同的铺铜区域，两块绝缘介质板上的铺铜区域正对设置；所述的垫片为环形金属垫片，环形金属垫片和两块绝缘介质板紧贴构成容纳钻井液的容腔，两块绝缘介质板上的铺铜区域均位于所述的环形金属垫片内(即铺铜区域与环形金属垫片之间不相连)，所述绝缘介质板上设有供钻井液进出所述容腔的孔；所述环形金属垫片与绝缘介质板通过螺栓连接紧固。
作为本发明的优选方案，所述的绝缘介质板为耐高温的PCB电路板，具有良好的隔热效果，最高可承受250℃的高温，也可以采用其他类似相同性能的材料替换。
作为本发明的优选方案，所述的绝缘介质板包括用于设置铺铜区域的基部和与基部相连的长条形尾部，长条形尾部的端部焊接有2个同轴信号接口，同轴信号接口用于与阻抗分析仪相连。
作为本发明的优选方案，所述的铺铜区域呈圆形，所述环形金属垫片呈圆环形，所述环形金属垫片的内径大于圆形铺铜区域的直径，使得环形金属垫片与圆形铺铜区域之间不相连。
作为本发明的优选方案，所述绝缘介质板上的铺铜区域与同轴信号接口的内侧端焊相导通，同轴信号接口的外侧端用于通过信号传输线与阻抗分析仪连接。
作为本发明的优选方案，所述供钻井液进出所述容腔的孔开设在圆形铺铜区域周围；更进一步的，所述孔均匀分布在圆形铺铜区域周围；更进一步的，所述的绝缘介质板在圆形铺铜区域周围开有4个对称的圆孔，用于待测液体进入平行极板内部。
作为本发明的优选方案，所述长条形尾部加装有散热风扇或散热器，以增强散热效果。
作为本发明的优选方案，所述的绝缘介质板的长条形尾部伸展出较长打孔结构(散热孔)，具有良好的散热效果，目的是保护与信号输出接口相连的仪器接口(仪器接口不耐高温)。
作为本发明的优选方案，所述两块绝缘介质板之间通过螺栓连接紧固。
进一步优选，所述的垫片可以有多种厚度尺寸，供不同需要选择，环形金属垫片不易损坏，具有良好的耐用性。
本发明还提供了一种所述装置的高温油基钻井液电特性测量方法，包括如下步骤：
对油基钻井液进行加热，直至其温度达到井下的工作环境温度；
将绝缘介质板上的同轴信号接口通过信号传输线与阻抗分析仪连接，检测装置确保正常工作；
将两绝缘介质板短接，进行短路矫正，补偿连接导线的阻抗，以防止其对测量结果产生干扰；
测量空气的阻抗值，并作为基准参数记录下来；
将待测油基钻井液置于恒温装置中，将高温油基钻井液电特性测量装置浸入待测油基钻中，使待测钻井液高度淹没垫片和铺铜区域；待测钻井液注入容腔内直至容腔被注满，使容腔内没有气泡；
通过信号传输线将信号传入阻抗分析仪，获得待测液体的容抗与阻抗，进行实时测量；综合所测的数据，得到被测溶液的介电常数和电导率值。
本测量装置与普通平行板相比具有一下优点：
1.本装置电路板结构简单，成本较低；
2.装置可直接放入液体中测量，便于操作，在测量结束后易于清洗；
3.上下两平行板上设计了适量数目的散热小孔，散热效果良好，因此装置可测量的温度范围大大增加。
4.平行板的长条形尾端可以加长，且可以在外部加装风扇，以便增强散热效果，保护后面相连的测试探头。
附图说明
结合附图详细描述本发明的具体内容。
图1是单块绝缘介质板的正面结构示意图；
图2是单块绝缘介质板的背面结构示意图；
图3是本发明的结构示意图；
图中，1：圆形铺铜区域，2：液体进出口，3：垫片固定开孔，4：增设固定开孔，5：散热开孔，6：绝缘介质板长条形尾部，7：信号输出接口，8：上极板，9：下极板，10：垫片。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1-3所示，高温油基钻井液电特性测量装置包括两块结构和材料相同的绝缘介质板和位于两块绝缘介质板之间的垫片；两块绝缘介质板的同一区域设有结构相同的铺铜区域，两块绝缘介质板上的铺铜区域正对设置；所述的垫片为环形金属垫片，环形金属垫片和两块绝缘介质板紧贴构成容纳钻井液的容腔，两块绝缘介质板上的铺铜区域均位于所述的环形金属垫片内，所述绝缘介质板上设有供钻井液进出所述容腔的孔；所述环形金属垫片与绝缘介质板通过螺栓连接紧固。
在本发明的具体实施例中，所述的绝缘介质板的圆形铺铜区域周围开有4个上下贯通的圆孔，在测量液体电特性时，待测液体从这4个圆孔进入平行极板之间。绝缘介质板与垫片有四个相匹配的开孔，可以用螺丝螺母来连接。此外，还增设另外四个对称的开孔，通过螺丝螺母来连接，可以加固装置的连接，使装置结合得更加紧密，以便实现良好的密封效果。这样每次测量时能够起到屏蔽的作用，每次测量溶液时将相同体积的被测溶液注入平行板内，利用被测物质对平行板结构的容抗和阻抗产生影响，通过分析测出注入液体后的容抗和阻抗值，根据反演公式得到被测溶液的介电常数与电导率值。
所述的绝缘介质板上两圆形铺铜区域分别与电路板一端同轴信号接口相导通，并且同轴信号接口通过信号传输线直接将测试信号传输至阻抗分析仪。使用同轴信号接口进一步提高了测试精度，避免高频作用下由导线引入的损耗电阻和寄生电感，这样可以扩宽测试频带和提高测量精度，同轴信号接口同样能够减少损耗产生。
本发明主要应用场景是在地面上测量被加热到井下工作温度的油基钻井液的电特性。本发明的使用过程为：首先，对油基钻井液进行加热，直至其温度达到井下的工作环境温度。再将平行板上的同轴信号接口通过信号传输线与阻抗分析仪连接，检测装置是否正常工作。其次，将两平行板短接，进行短路矫正，补偿连接导线的阻抗，以防止其对测量结果产生干扰。然后，测量空气的阻抗值，并作为基准参数记录下来。接着，将待测油基钻井液置于恒温装置中，该恒温装置具有加热和保温功能。将装置浸入一定体积的待测油基钻井液中，使待测油基钻井液高度淹没垫片和铺铜区域。注入溶液后，若平行板内溶液没有气泡产生，可通过信号传输线将信号传入阻抗分析仪，进行实时测量，获得待测油基钻井液的等效容抗与等效电阻。
由于本发明中的绝缘介质板上的铺铜区域平行且相对，可以将铺铜区域连同其间的介质视作平行板电容器。根据平行板电容器等效电容的决定式
可知，将绝缘介质板间距视作电容器平行板间距d，将铺铜区域面积视作电容器平行板面积S，在真空绝对介电常数已知，平行板间距d与平行板面积S固定已知的情况下，电容器的电容值C与介质的相对介电常数εr成正比。即被测油基钻井液的相对介电常数与测得的等效容抗存在对应关系，
类似地，将绝缘介质板之间的介质视作均匀柱形导体，根据均匀柱形导体电阻值的决定式
可知，将铺铜区域面积视作均匀柱形导体截面积S，将绝缘介质板间距视作均匀柱形导体长度L，在两者固定已知的情况下，导体电阻值R与介质的电导率σ成反比。即被测油基钻井液的电导率与测得的等效电阻存在对应关系，
由此可知，使用本发明中的装置与方法，根据测得的等效容抗与等效电阻值，结合已知的铺铜面积和绝缘介质板间距，可以反演推导出被测油基钻井液的相对介电常数和电导率值。以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。
Claims (10)
1.一种高温油基钻井液电特性测量装置，其特征在于：包括两块结构和材料相同的绝缘介质板和位于两块绝缘介质板之间的垫片；两块绝缘介质板的同一区域设有结构相同的铺铜区域，两块绝缘介质板上的铺铜区域正对设置；所述的垫片为环形金属垫片，环形金属垫片和两块绝缘介质板紧贴构成容纳钻井液的容腔，两块绝缘介质板上的铺铜区域均位于所述的环形金属垫片内，所述绝缘介质板上设有供钻井液进出所述容腔的孔；所述环形金属垫片与绝缘介质板通过螺栓连接紧固。
2.根据权利要求1所述的高温油基钻井液电特性测量装置，其特征在于：所述的绝缘介质板优选为耐高温的PCB电路板。
3.根据权利要求1所述的高温油基钻井液电特性测量装置，其特征在于：所述的绝缘介质板包括用于设置铺铜区域的基部和与基部相连的长条形尾部，长条形尾部的端部焊接有2个同轴信号接口，同轴信号接口用于与阻抗分析仪相连。
4.根据权利要求1所述的高温油基钻井液电特性测量装置，其特征在于所述的铺铜区域呈圆形，所述环形金属垫片呈圆环形，所述环形金属垫片的内径大于圆形铺铜区域的直径，使得环形金属垫片与圆形铺铜区域之间不相连。
5.根据权利要求3所述的高温油基钻井液电特性测量装置，其特征在于所述绝缘介质板上的铺铜区域与同轴信号接口的内侧端焊相导通，同轴信号接口的外侧端用于通过信号传输线与阻抗分析仪连接。
6.根据权利要求1所述的高温油基钻井液电特性测量装置，其特征在于：所述供钻井液进出所述容腔的孔开设在圆形铺铜区域周围。
7.根据权利要求3所述的高温油基钻井液电特性测量装置，其特征在于所述长条形尾部加装有散热风扇或散热器。
8.根据权利要求3所述的高温油基钻井液电特性测量装置，其特征在于所述长条形尾部上设有散热孔。
9.根据权利要求1所述的高温油基钻井液电特性测量装置，其特征在于所述两块绝缘介质板之间通过螺栓连接紧固。
10.一种权利要求1所述装置的高温油基钻井液电特性测量方法，其特征在于：
对油基钻井液进行加热，直至其温度达到井下的工作环境温度；
将绝缘介质板上的同轴信号接口通过信号传输线与阻抗分析仪连接，检测装置确保正常工作；
将两绝缘介质板短接，进行短路矫正，补偿连接导线的阻抗，以防止其对测量结果产生干扰；
测量空气的阻抗值，并作为基准参数记录下来；
将待测油基钻井液置于恒温装置中，将高温油基钻井液电特性测量装置浸入待测油基钻中，使待测钻井液高度淹没垫片和铺铜区域，待测钻井液注入容腔内直至容腔被注满，使容腔内没有气泡；
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20210416 |
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