CN111827970A - 一种复合型持水率流量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合型持水率流量传感器，由持水率传感组件和流量传感组件组成，持水率传感部的正极由中空金属棒与外部的持水率传感器承压外壳组成，流量传感部由热敏原件、热源及流量传感部承压外壳组成。本发明将流量传感器和持水率传感器集成在一个装置中，集成度高，装置的体积小，且具有较高的灵敏度与分辨率，满足国内低产液井持水率流量准确检测；与传统的持水率流量传感器相比较，本发明的复合型持水率流量传感器，结构简单，安装尺寸小，抗沾污，在低流量井中具有良好的流量温差响应关系，可用于电缆式井下永久监测，为注入产出剖面分层实时动态监测提供重要的技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于石油勘探测井领域，涉及一种复合型持水率流量传感器。
背景技术
在油田开采过程中，为了及时检测开发井中不断变化的参数，需要进行套后生产测井，随着数字油田与智慧油田的普及，注采剖面实时在线永久监测成为重要的发展方向，永久监测涉及到产出剖面持水率与流量检测；常见的持水率传感器包括示电容传感器、电磁波持水率计、微波持水率计、阻抗式传感器与取样式传感器；常见的流量传感器包括GR示踪传感器、涡轮流量传感器、超声流量传感器、电磁流量传感器。
综上所述，持水率传感器与流量传感器都是独立存在的，体积较大，且流量传感器受启动排量限制，离散性较大，无法应用于集成度很高的井下永久监测。因此，继续发展一种兼具持水率和流量监测的仪器。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种一体化的复合型持水率流量传感器，以解决因现有的持水率传感器和流量传感器独立存在、体积较大、离散性较大而难以应用于集成度较高的井下永久监测中的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种复合型持水率流量传感器，包括一体化连接的流量传感组件和持水率传感组件；
所述流量传感组件包括流量传感部承压外壳及安装在流量传感部承压外壳内部的热源和热敏元件，所述热敏元件安装在流量传感部承压外壳一端的内壁上；
所述持水率传感组件包括持水率传感器承压外壳、安装在持水率传感器承压外壳内部的金属棒；
所述金属棒的中心开设有能够使热敏元件和热源的连接线穿过的第二过线孔；所述持水率传感器承压外壳一端与流量传感部承压外壳可拆卸连接，另一端可拆卸连接有承压底座。
优选地，所述持水率传感器承压外壳为两端开口的中空棒状结构，两端均设有持水率传感器封装螺纹和第二密封槽。
优选地，所述持水率传感器承压外壳的内径与金属棒的外径相同。
优选地，所述流量传感部承压外壳为一端封闭的中空棒状结构，另一端设有第一密封槽、第一过线孔及与持水率传感组件可拆卸连接的外螺纹；
优选地，流量传感部承压外壳的壁厚小于2mm，导热系数不小于360w/(m·k)。
优选地，所述承压底座的中部为六方结构；承压底座上开设有承压底座过线孔。
优选地，所述热源上靠近热敏元件的一端距离热敏元件的距离小于12mm。
优选地，所述热源由热源基体和缠绕在热源基体上的电热丝构成。
进一步优选地，所述热源基体的内部开设有过线孔。
进一步优选地，热源基体采用陶瓷类材料或云母板材制备而成；所述电热丝采用金属材料或合金材料制备而成。
优选地，所述流量传感部承压外壳采用导热系数大于195w/(m·k)的铍青铜材料制备而成；所述金属棒采用金属材料或合金材料制备而成；所述承压底座采用金属材料制备而成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种复合型持水率流量传感器，由持水率传感组件和流量传感组件组成，持水率传感组件的正极由中空的金属棒与外部的持水率传感器承压外壳组成，流量传感部由热敏元件、热源及流量传感部承压外壳组成，这种结构的流量传感器具有恒温差和恒功率两种模式，可以依据井下环境，随时切换工作模式，井下适用性强，在井下长期工作也不怕堵卡，适用于注入产出剖面动态监测，为井下永久监测技术的实现提供核心技术支撑。使得装置的实用性更强，适用范围更广。本发明的持水率传感组件由持水率传感器承压外壳与金属棒构成，持水率测量原理是等效电压原理，金属棒作为等效电容的正极，持水率传感器承压外壳作为等效电容的负极，当正负极间填充的井筒流体持水率发生改变时，等效电容值发生改变，并且这种改变呈单调递增或单调递减的关系。基于此，本发明将流量传感器和持水率传感器集成在一个装置中，集成度高，装置的体积小，且具有较高的灵敏度与分辨率，满足国内低产液井持水率流量准确检测；与传统的持水率流量传感器相比较，本发明的复合型持水率流量传感器，结构简单，安装尺寸小，抗沾污，对井筒流形破坏小，没有转动装置，在井下长期监测不会被砂子铁屑堵卡。在低流量井中具有良好的流量温差响应关系，可用于电缆式井下永久监测，为注入产出剖面分层实时动态监测提供重要的技术支撑，结构简单、使用方便，实际意义重大。
进一步地，为了方便过线，持水率传感器承压外壳为两端开口的中空棒状结构；持水率传感器承压外壳的内径与金属棒的外径相同，使得金属棒与持水率传感器承压外壳的内壁之间无缝贴合，封装时需要排完空气，确保持水率响应范围足够宽。
进一步地，流量传感部承压外壳的壁厚小于2mm，导热系数大于195w/(m·k)。这种设计能够进一步提升装置的流量测量灵敏度，使得本发明装置的灵敏度更高，实用性更强。
进一步地，承压底座的中部为六方结构，便于持水率传感器的安装，承压底座上开设有中心过线孔，用于热敏元件、程控热源、等效电容正极走线。
进一步地，热源由热源基体和缠绕在热源基体上的电热丝构成；热源基体的内部开设有过线孔；热源基体为T字型或工字型；热源基体采用陶瓷类材料或云母板材制备而成；所述电热丝采用金属材料或合金材料制备而成。一方面，该热源便于制作，另一方面，该热源能够根据不同的井下环境，选择不同的电热丝和热源基体制备成不同的热源，使得装置能够适用于多种井下环境。
进一步地，流量传感部承压外壳采用铍青铜材料制备而成；所述金属棒作为电容极板，应由金属或合金材料制备而成；所述承压底座采用在175℃环境中承压100MPa的耐温耐压材料。
附图说明
图1为复合型持水率流量传感器外观示意图；
图2为前端流量传感部剖面示意图；
图3为流量传感部热源基体结构示意图；
图4为持水率传感部剖面示意图；
图5为持水率传感部金属棒示意图。
其中：101-承压底座，102-承压底座安装螺纹，103-承压底座过线孔，104-承压底座密封槽，105-热敏元件电源线，106-热源电源线，107-金属棒线，201-流量传感部承压外壳，202-热敏元件，203-热源，204-热源基体，205-流量传感器封装连接螺纹，206-第一密封槽，207-第一过线孔，301-热源电热丝缠绕杆，302-热源电源线过线孔，303-热敏元件过线孔，401-持水率传感器封装螺纹，402-第二密封槽，403-持水率传感器承压外壳，404-金属棒，405-第二过线孔，501-金属棒过线通孔，502-金属棒接线孔。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
参照附图1，本发明涉及一种复合型持水率流量传感器，如图1所示，从右到左包括双模流量传感组件、持水率传感组件、承压底座，流量传感组件包括流量传感部承压外壳201及安装在流量传感部承压外壳201内部的热源203和热敏元件202，热敏元件202安装在流量传感部承压外壳201一端的内壁上；持水率传感组件包括持水率传感器承压外壳403、安装在持水率传感器承压外壳403内部的金属棒404；金属棒404的中心开设有能够使热敏元件202和热源203的连接线穿过的第二过线孔405；持水率传感器承压外壳403一端与流量传感部承压外壳201可拆卸连接，另一端可拆卸连接有承压底座101。持水率传感器承压外壳403为两端开口的中空棒状结构，两端均设有持水率传感器封装螺纹401和第二密封槽402。持水率传感器承压外壳403的内径与金属棒404的外径相同；金属棒404与持水率传感器承压外壳403的内壁之间无缝贴合。流量传感部承压外壳201为一端封闭的中空棒状结构，另一端设有第一密封槽206、第一过线孔207及与持水率传感组件可拆卸连接的外螺纹205。
实施例2
承压底座101的中部为六方结构；承压底座101上开设有承压底座过线孔103，热源203上靠近热敏元件202的一端距离热敏元件202的距离为1mm。其余内容同实施例1。
实施例3
热源203选择程控热源，由耐高温合金金属电热丝缠绕在热源基体上构成，热源基体204采用耐高温绝缘材料，例如陶瓷类材料，热源基体204的主干内部设有过线孔。
实施例4
热源基体204为工字型，采用云母板材制备而成。其余内容同实施例3。
本发明的流量传感组件的组装，参照附图2与附图3，先将电热丝均匀的缠绕在热源基体204上，电热丝两端焊接高温导线作为热源电源线106，热源电源线106由热源电源线过线孔302引出，将热敏元件202上的两根热敏元件电源线105由热源电热丝缠绕杆301内部的热敏元件过线孔303穿出，将热敏元件202的一端与热源203的一端保持0.5mm的距离进行固定，固定好之后，将热敏元件202和热源203作为一个整体由第一过线孔207穿入流量传感部承压外壳201的内部，将热敏元件202紧贴于流量传感部承压外壳201的内壁一端并居中，热敏元件202与流量传感部承压外壳201之间的内部缝隙用具有高导热系数的介质填充，最后用耐高温灌封胶把第一过线孔207灌封，形成流量传感组件。如图3所示，将热源基体204沿其中心对称的轴线分为两部分时，剖面为T字型或工字型。
本发明的持水率传感组件的组装，参照附图4及附图5，加工一个材料空心棒，壁厚控制在0.5mm左右，空心棒最右端加工持水率传感器封装螺纹401，最右端的螺纹尺寸与流量传感器封装连接螺纹205吻合，棒的两边各自加工两道安装密封圈的密封槽402与持水率传感器封装螺纹401，将金属棒404穿入持水率传感器承压外壳403内部后，如图4所示，构成持水率传感组件。在该持水率传感组件中，金属棒404作为等效电容的正极，与持水率传感器承压外壳403共同构成等效电容器，金属棒404与持水率传感器承压外壳403之间的空隙填充有当外部混合介质持水率发生变化时，持水率电容器的两个极板间填充的介质的等效介电常数发生改变，电容器的电容值发生变化，通过外接的RC振荡电路输出信号的频率测量持水率变化。
本发明复合型持水率流量传感器的安装过程如下：
将上述组装的流量传感组件与持水率传感组件相连，热敏元件电源线105，热源电源线106由持水率传感器承压外壳403的一端穿入并从另一端穿出，给第一密封槽206上的密封圈涂硅脂，利用持水率传感器封装螺纹401和流量传感器封装连接螺纹205将流量传感组件与持水率传感组件连接，再在第二密封槽402上安装密封圈，涂硅脂，焊接金属棒线107，将5根导线由承压底座101穿入，从承压底座过线孔103穿出，缓慢旋转持水率传感组件，使持水率传感组件与承压底座101螺纹连接并密封，最后在承压底座过线孔103打入灌封胶进行密封，形成一种具有一体化结构的复合型持水率流量传感器。
需要说明的是，安装过程中：
1)为了保证复合型持水率流量传感器的强度，持水率传感器封装螺纹401处的壁厚可适当增加；
2)为了保证流量传感组件的灵敏度，流量传感部承压外壳201选取导热系数高的材料制备而成，如铍青铜，流量传感组件的内部填充材料可以使用氮化镁粉；
3)为了保证持水率传感组件的灵敏度，金属棒404与持水率传感器承压外壳403需要紧密贴合，不能有缝隙；
4)为了保证流量传感组价的性能，电热丝选取阻值温漂小的材料，且电热丝表面喷涂有绝缘漆；
5)同时需要注意每个焊点与导线节点的绝缘处理。
在本发明中，采用的所有材料均具有承压耐温的共性，在175℃高温环境中，膨胀小，耐压100MPa。电热丝采用温漂小的合金材料，温度上升为300℃时，电阻率漂移小于2‰。流量传感部承压外壳201的外径要控制在15mm以内，壁厚≤2mm，制备流量传感部承压外壳201的金属材料的导热系数大于360k。热源203与热敏元件202之间的距离不能太大，也不能直接接触。流量传感部承压外壳201采用具有良好导热性能的金属材料，例如铍青铜，流量传感部承压外壳201的顶部为子弹头形状，具有良好的导流作用。为了保证电容传感器的灵敏度，持水率传感器承压外壳403的壁厚不能大于1mm，同时还要保证连接强度与承压能力。为了保证电容传感器的分辨率，金属棒404的长度不能太短，但是还需要兼顾棒的加工成功率与强度，在本实施例中，金属棒404的长度选择100mm-120mm适宜。为了保证流量传感组件的灵敏度，流量传感组件的内部需要填充导热介质，导热系数不能小于360k，填充时必须保证填满，不能有气泡和缝隙。密封圈不能有破损，安装时先在密封圈涂硅脂，再连接在密封槽中。从承压底座101引出的5根耐高温导线尽量长，以确保与外接的仪器采集电路连接顺利。
本发明的复合型持水率流量传感器在实际应用时：
首先将密封圈分别预先安装于第一密封槽206和第二密封槽402中，然后将该装置安装于测井仪器上，通过密封圈将井筒环境与装置内部的仪器仓隔离开来。热敏元件电源线105、热源电源线106及金属棒线107分别连接到仪器电路板，给热敏元件电源线105通恒流源并实时采集两端的电压值，给热源电源线106供程控电压，当流量变化时，由流体带走的热量发生变化，此时热敏元件202上的阻值发生变化，导致热敏元件电源线105两端的电压发生变化，如果工作在恒温差模式，则为了保持设定好的温差值，程控电压会调节热源热量，因此热源电源线106两端的电压会改变，该变化的程控电压值与流量存在单调关系，可以通过标定图版解释测井数据；如果工作在恒功率模式，流量发生改变，流体带走的热量发生变化，导致热敏元件电源线105两端电压发生变化，该变化的电压值与井筒流量存在单调关系，可以通过标定图版解释测井数据。即，本发明中的流量传感组件的基本工作原理是热扩散原理。
需要指出的是，恒温差模式环境适应性强，可以用于点测，上提下放测，不受井筒温度变化的影响，但是控制算法复杂，调试难度大；恒功率模式适用于点测，易受环境温度变化的影响，算法简单，容易实现。本发明提供的装置整体为柱状结构。
综上，本发明提供了一种复合型持水率流量传感器，具有较高的灵敏度与分辨率，满足国内低产液井持水率流量准确检测；与传统的持水率流量传感器相比较，这一体化结构的复合型持水率流量传感器其结构简单，安装尺寸小，抗沾污，对井筒流形破坏小，没有转动装置，在井下长期监测不会被砂子铁屑堵卡。流量检测范围由5方/天下探到0方/天，可用于电缆式井下永久监测，为注入产出剖面分层实时动态监测提供重要的技术支撑，结构简单、使用方便，实际意义重大。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合型持水率流量传感器，其特征在于，包括一体化连接的流量传感组件和持水率传感组件；
所述流量传感组件包括流量传感部承压外壳(201)及安装在流量传感部承压外壳(201)内部的热源(203)和热敏元件(202)，所述热敏元件(202)安装在流量传感部承压外壳(201)一端的内壁上；
所述持水率传感组件包括持水率传感器承压外壳(403)及安装在持水率传感器承压外壳(403)内部的金属棒(404)；
所述金属棒(404)的中心开设有能够使热敏元件(202)和热源(203)的连接线穿过的第二过线孔(405)；所述持水率传感器承压外壳(403)一端与流量传感部承压外壳(201)可拆卸连接，另一端可拆卸连接有承压底座(101)。
2.根据权利要求1所述的一种复合型持水率流量传感器，其特征在于，所述持水率传感器承压外壳(403)为两端开口的中空棒状结构，两端均设有持水率传感器封装螺纹(401)和第二密封槽(402)。
3.根据权利要求1所述的一种复合型持水率流量传感器，其特征在于，所述持水率传感器承压外壳(403)的内径与金属棒(404)的外径相同。
4.根据权利要求1所述的一种复合型持水率流量传感器，其特征在于，所述流量传感部承压外壳(201)为一端封闭的中空棒状结构，另一端设有第一密封槽(206)、第一过线孔(207)及与持水率传感组件可拆卸连接的外螺纹(205)；流量传感部承压外壳(201)的壁厚小于2mm，导热系数不小于360w/(m·k)。
5.根据权利要求1所述的一种复合型持水率流量传感器，其特征在于，所述承压底座(101)的中部为六方结构；承压底座(101)上开设有承压底座过线孔(103)。
6.根据权利要求1所述的一种复合型持水率流量传感器，其特征在于，所述热源(203)上靠近热敏元件(202)的一端与热敏元件(202)之间的距离小于12mm。
7.根据权利要求1所述的一种复合型持水率流量传感器，其特征在于，所述热源(203)由热源基体(204)和缠绕在热源基体(204)上的电热丝构成。
8.根据权利要求7所述的一种复合型持水率流量传感器，其特征在于，所述热源基体(204)的内部开设有过线孔。
9.根据权利要求7或8所述的一种复合型持水率流量传感器，其特征在于，热源基体(204)采用陶瓷类材料或云母板材制备而成；所述电热丝采用金属材料或合金材料制备而成。
10.根据权利要求1所述的一种复合型持水率流量传感器，其特征在于，所述流量传感部承压外壳(201)采用导热系数大于195w/(m·k)的铍青铜材料制备而成；所述金属棒(404)采用金属材料或合金材料制备而成；所述承压底座(101)采用金属材料制备而成。
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