CN114412442B - 一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪，属于油气田产气剖面测井技术领域，包括依次连接的电路仓、扶正器Ⅱ、进液口管道、双节挤压式橡胶集流器、可控旋转式累积仓和出液口管道；所述可控旋转式累积仓外套接有扶正器Ｉ；所述进液口管道上设有多个进液口，且进液口呈周向分布；所述出液口管道上设有出液口；所述电路仓、双节挤压式橡胶集流器和可控旋转式累积仓均受控于智能终端。本发明适用于页岩气水平井气相参数的测量，具有结构精巧、一体化程度高、易安装、易更换、无阻流、无可动部件、测量可靠等优点，可在气液两相流测量领域广泛推广，解决了现有页岩气水平井气相参数的测量困难的问题。

Description

一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪

技术领域

本发明涉及一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪，属于油气田产气剖面测井技术领域。

背景技术

页岩气水平井的开采技术应用越来越广泛，在页岩气开发和生产过程中，一旦发生局部水淹将导致全井含水急剧上升，严重影响开发效果，甚至会导致气井的废弃。水平井气液两相流气相参数是表征气井动态变化和评价气层生产状况的重要参数，对指导气井注入产出、提高采气率以及预测气井的开发寿命具有重要的意义。

目前，由于气井环境复杂多变，现有的多相流气相测量方法中：声学法测量误差大；光学法测量响应灵敏、体积小，但传感器加工困难；层析成像法技术复杂、体积大、测量效率低；电学法易受干扰、腐蚀和结垢等影响；涡轮流量测量技术易受沙卡影响，稳定性差；电磁流量测量测量技术及电导相关测量技术无法在非连续水相条件下稳定工作，适用性较差；而体积法需要额外借助其他传感器进行间接测量。因此目前暂时没有一种可以直接获取气液气相综合参数的方法。

针对上述问题，为满足页岩气水平井实际生产需要，一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪及相应控制系统的开发成为当前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪，可在气液两相流测量领域广泛推广，解决了现有页岩气水平井气相参数的测量困难的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪，包括依次连接的电路仓、扶正器Ⅱ、进液口管道、双节挤压式橡胶集流器、可控旋转式累积仓和出液口管道；所述可控旋转式累积仓外套接有扶正器I；所述进液口管道上设有多个进液口，且进液口呈周向分布；所述出液口管道上设有出液口；所述电路仓、双节挤压式橡胶集流器和可控旋转式累积仓均受控于智能终端；

所述可控旋转式累积仓包括累积仓腔体，所述累积仓腔体靠近双节挤压式橡胶集流器的一侧底部设有可控进液口、靠近出液口管道的一侧底部设有可控出液口；所述累积仓腔体的中部外侧设有外壳凹槽，所述外壳凹槽内套接有密封圈；所述累积仓腔体的管壁上安装有周向多截面近红外吸收式光纤探测系统，所述周向多截面近红外吸收式光纤探测系统由n(n≥3,n∈N^*)组沿周向多截面交错排布的近红外吸收式光纤传感器组成；所述近红外吸收式光纤传感器均匀分布在累积仓截面上，呈人字形分布，每个截面上有一组近红外吸收式光纤传感器，且同时相邻截面的距离相等，所述近红外吸收式光纤传感器敏感区域均在累积仓腔体内，所述近红外吸收式光纤传感器包括近红外发射装置和近红外接收装置；

所述智能终端为多参数测井仪的核心中枢，包括电路部分和智能控制方法，所述智能控制方法包括如下步骤：

S1、在页岩气水平井气液分层条件下，打开可控进液口和可控出液口，挤压双节挤压式橡胶集流器对输送管道进行封隔，使流体进入可控旋转式累积仓内；一段时间后，主控制器模块将可控进液口和可控出液口关闭、双节挤压式橡胶集流器收回，阻断流体继续流入可控旋转式累积仓中；

S2、结合方位传感器和角度传感器，将可控旋转式累积仓旋转一定角度，使得周向多截面近红外吸收式光纤探测系统平行于底面；

S3、流体分层后，上层为气相，下层为液相；利用周向多截面近红外吸收式光纤探测系统分时依次获取n(n≥3,n∈N^*)组近红外吸收式传感器在累积仓腔体不同位置对应的响应值，根据据响应值的变化特性确定累积仓腔体中气相累积高度，进而计算气相在腔体的累积量和累积时间即为气流量，从而实现对页岩气水平井气液分层流条件下的气流量、含率的有效测量；

S4、测量结束后进行下一次测量。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述累积仓腔体靠近出液口管道的一侧端面连接有小型电机。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述近红外发射装置和近红外接收装置与累积仓腔体均通过螺纹密封连接，所述小型电机与累积仓腔体通过螺纹连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述电路仓内设有电路系统、方位传感器和角度传感器。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述智能终端电路部分包括：

光发射模块，用于向近红外发射装置提供驱动电能，使近红外光源发射光线；

光接收模块，用于将近红外接收装置中的光能转换为电能；

信号处理模块，用于将收到的电信号进行差分、放大及模数转化操作，输出反应持气率信息的电压信号；

多通道程控开关，用于将周向多截面近红外吸收式光纤探测系统中n(n≥3,n∈N^*)组人字形周向多截面交错式分布的n(n≥3,n∈N^*)组近红外吸收式光纤传感器进行分时开关工作；

继电器模块，用于控制可控进液口及可控出液口的开启和关闭状态；

电机驱动电路模块，用于为小型电机提供电能；

主控制器模块，用于控制小型电机工作状态及周向多截面近红外吸收式光纤探测系统中n(n≥3,n∈N^*)的工作状态；

电源模块，用于向各模块提供电能；

定时器模块，与主控制器模块连接，利用主控制器模块对周向多截面近红外吸收式光纤探测系统中人字形周向多截面交错式分布的n(n≥3,n∈N^*)组近红外吸收式光纤传感器进行分时数据采集。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：

本发明适用于页岩气水平井气相参数的测量，具有结构精巧、一体化程度高、易安装、易更换、无阻流、无可动部件、测量可靠等优点，可在气液两相流测量领域广泛推广，解决了现有页岩气水平井气相参数的测量困难的问题。

本发明采用无阻式周向多截面阵列近红外吸收式光纤传感器与智能控制终端相结合，分时依次获取人字形周向多截面交错式分布的n组近红外吸收式光纤传感器在累积腔体内不同高度位置对应的响应值，依据响应值的变化实现页岩气水平井气液两相流气相流量、持率的有效测量。所述人字形周向多截面交错式分布的n组近红外吸收式光纤传感器有效防止彼此之间影响，同时扩大了测井仪探测区域，结果更为精确。

本发明利用方位传感器和角度传感器实现可控旋转式累积的位置，采用可控进出液口进行仓内流体封隔，从而实现静置测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明周向多截面近红外吸收式光纤探测系统整体示意图；

图3是本发明周向多截面近红外吸收式光纤探测系统正视图；

图4是本发明可控旋转式累积仓电路控制系统图；

图5是本发明控制方法框图；

其中，1、出液口管道，2、扶正器I，3、可控旋转式累积仓，31、小型电机，32、累积仓腔体，33、可控出液口，34、可控进液口，35、密封圈，36、周向多截面近红外吸收式光纤探测系统，4、双节挤压式橡胶集流器，5、进液口管道，6、扶正器Ⅱ，7、电路仓。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参照图1至图3所示，本发明提供一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪，以n＝9为例对一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪进行详细介绍。

一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪，包括依次连接的电路仓7、扶正器Ⅱ6、进液口管道5、双节挤压式橡胶集流器4、可控旋转式累积仓3和出液口管道1，所述可控旋转式累积仓3外套接有扶正器I2，所述进液管5上设有多个进液口，且进液口呈周向均匀分布。所述出液口管道1上设有出液口，所述电路仓7、双节挤压式橡胶集流器4和可控旋转式累积仓3均受控于智能终端。

所述可控旋转式累积仓3包括累积仓腔体32，所述累积仓腔体32靠近双节挤压式橡胶集流器4的一侧底部设有可控进液口34、靠近出液口管道1的一侧底部设有可控出液口33；所述累积仓腔体32的中部外侧设有外壳凹槽，所述外壳凹槽内套接有密封圈35；所述累积仓腔体32的管壁上安装有周向多截面近红外吸收式光纤探测系统36，所述周向多截面近红外吸收式光纤探测系统36由n(n≥3,n∈N^*)组沿周向多截面交错排布的近红外吸收式光纤传感器组成，n的具体数值根据仪器的尺寸来确定，以保证测量精确度；所述近红外吸收式光纤传感器均匀分布在累积仓截面上，呈人字形分布，每个截面上有且只有一组近红外吸收式光纤传感器，同时相邻截面的距离相等。所述近红外吸收式光纤传感器敏感区域均在累积仓腔体32内，所述周向多截面近红外吸收式光纤探测系统36敏感区域均在可控旋转式累积仓3腔体内，人字形周向多截面交错式分布的n(n≥3,n∈N*)组近红外吸收式光纤传感器位于垂直方向上。所述近红外吸收式光纤传感器包括近红外发射装置和近红外接收装置，且近红外发射装置和近红外接收装置与可控旋转式累积仓通过螺纹密封连接。

所述累积仓腔体32靠近出液口管道1的一侧端面通过螺纹连接有小型电机31。

所述电路仓7内设有电路系统、方位传感器和角度传感器。

所述近红外发射装置在光源前方加载透镜，进行聚光。

所述近红外接收装置接收端适当外扩，以便更好接收光线。

所述周向多截面近红外吸收式光纤探测系统36中人字形周向多截面交错式分布的n(n≥3,n∈N*)组近红外吸收式光纤传感器，流体经气液两相流后近红外光强的吸收衰减等于近红外光分别流过混合相流体后光强衰减的线性之和。假定当测量管道只有气相流体流动时，记录光强信号为I_g入射光束强度；当测量管道只有液相流体流动时，记录该光强信号为I_l透射液相后的光束强度。令近红外发射探头输出近红外光经测量管道液相浓度为β₁的两相流吸收后，近红外吸收光强为I’,则I’可表示为：

I'＝I_gexp{-d[μ_g(1-β_l)+μ_lβ_l]} (1)

式中，d为光程/通过被测介质厚度，μ_g为待测气相摩尔吸光系数，μ_l为待测液相摩尔吸光系数，则测量管道界面液相浓度β_l可表示为：

由式(1)与(2)可知，近红外接收装置收集的光强信号变化实际反映了近红外光强信号穿过待测液体后入射光强吸收衰减情况，且光强信号大小雨被测液相浓度β_l有关。

实施例2

参照图4所示，所述一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪控制系统设光发射模块、光接收模块、信号处理模块、多通道程控开关、电机驱动电路模块、继电器模块、电源模块、主控制器模块、定时器模块。

所述光发射模块，用于向近红外发射装置提供驱动电能，使近红外光源发射光线；

所述光接收模块，用于将近红外接收装置中的光能转换为电能；

所述信号处理模块，用于将收到的电信号进行差分、放大及模数转化操作，输出反应持气率信息的电压信号；

所述多通道程控开关，用于将周向多截面近红外吸收式光纤探测系统36中n(n≥3,n∈N^*)组人字形周向多截面交错式分布的n(n≥3,n∈N^*)组近红外吸收式光纤传感器进行分时开关工作；

所述继电器模块，用于控制可控进液口34及可控出液口33的开启和关闭状态；

所述电机驱动电路模块，用于为小型电机提供电能；

所述主控制器模块，用于控制小型电机工作状态及周向多截面近红外吸收式光纤探测系统36中n(n≥3,n∈N^*)的工作状态；

所述电源模块，用于向各模块提供电能；

所述定时器模块，与主控制器模块连接，利用主控制器模块对周向多截面近红外吸收式光纤探测系统36中人字形周向多截面交错式分布的n(n≥3,n∈N^*)组近红外吸收式光纤传感器进行分时数据采集。

实施例3

如图5所示，所述一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪控制系统控制方法如下：以n(n≥3,n∈N^*)组近红外吸收式光纤传感器程控开关、挤压式橡胶集流器程控开关、累积仓可控进液口继电器开关、累积仓可控出液口继电器开关、可控累计仓旋转角度等构建测量指令。对指令进行解析如下：

所述智能终端的控制步骤如下：

S1、初始状态，解析工作指令，在页岩气水平井气液分层流条件下，打开挤压式橡胶集流器4程控开关、可控进液口34继电器开关和可控出液口33继电器开关，流体通过挤压式橡胶集流器4进入可控旋转式累积仓3内，一段时间后，主控制器模块将可控进液口34和可控出液口33继电器开关关闭，阻断流体继续流入可控旋转式累积仓3中；

S2、结合方位传感器和角度传感器，将可控旋转式累积仓3旋转一定角度，使得周向近红外吸收式光纤探测系统36平行于底面；

S3、由于液体密度远大于气体密度，一段时间内流体会发生气液分离，上层为气相，下层为液相；开启周向近红外吸收式光纤探测系统36程控开关，利用周向近红外吸收式光纤探测系统36分时依次获取n(n≥3,n∈N^*)组近红外发射装置和近红外接收装置在累积仓腔体32不同位置对应的响应值，根据据响应值的变化特性确定累积仓腔体32中气的累积高度，进而计算气相在腔体的累积量和累积时间即为气流量，从而实现对页岩气水平井气液分层流条件下的气流量、含率的有效测量；

S4、测量结束后进行下一次测量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，页岩气监测领域中一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪，都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪，其特征在于：包括依次连接的电路仓(7)、扶正器Ⅱ(6)、进液口管道(5)、双节挤压式橡胶集流器(4)、可控旋转式累积仓(3)和出液口管道(1)；所述可控旋转式累积仓(3)外套接有扶正器I(2)；所述进液口管道(5)上设有多个进液口，且进液口呈周向分布；所述出液口管道(1)上设有出液口；所述电路仓(7)、双节挤压式橡胶集流器(4)和可控旋转式累积仓(3)均受控于智能终端；

所述可控旋转式累积仓(3)包括累积仓腔体(32)，所述累积仓腔体(32)靠近双节挤压式橡胶集流器(4)的一侧底部设有可控进液口(34)、靠近出液口管道(1)的一侧底部设有可控出液口(33)；所述累积仓腔体(32)的中部外侧设有外壳凹槽，所述外壳凹槽内套接有密封圈(35)；所述累积仓腔体(32)的管壁上安装有周向多截面近红外吸收式光纤探测系统(36)，所述周向多截面近红外吸收式光纤探测系统(36)由n组沿周向多截面交错排布的近红外吸收式光纤传感器组成，其中n≥3,n∈N^*；所述近红外吸收式光纤传感器均匀分布在累积仓截面上，呈人字形分布，每个截面上有一组近红外吸收式光纤传感器，且同时相邻截面的距离相等，所述近红外吸收式光纤传感器敏感区域均在累积仓腔体(32)内，所述近红外吸收式光纤传感器包括近红外发射装置和近红外接收装置；

所述智能终端为多参数测井仪的核心中枢，包括电路部分和智能控制方法，所述智能控制方法包括如下步骤：

S1、在页岩气水平井气液分层条件下，打开可控进液口(34)和可控出液口(33)，挤压双节挤压式橡胶集流器(4)对输送管道进行封隔，使流体进入可控旋转式累积仓(3)内；一段时间后，主控制器模块将可控进液口(34)和可控出液口(33)关闭、双节挤压式橡胶集流器(4)收回，阻断流体继续流入可控旋转式累积仓(3)中；

S2、结合方位传感器和角度传感器，将可控旋转式累积仓(3)旋转一定角度，使得周向多截面近红外吸收式光纤探测系统(36)平行于底面；

S3、流体分层后，上层为气相，下层为液相；利用周向多截面近红外吸收式光纤探测系统(36)分时依次获取n组近红外吸收式传感器在累积仓腔体(32)不同位置对应的响应值，其中n≥3,n∈N^*，根据据响应值的变化特性确定累积仓腔体(32)中气相累积高度，进而计算气相在腔体的累积量和累积时间即为气流量，从而实现对页岩气水平井气液分层流条件下的气流量、含率的有效测量；

S4、测量结束后进行下一次测量。

2.根据权利要求1所述的一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪，其特征在于：所述累积仓腔体(32)靠近出液口管道(1)的一侧端面连接有小型电机(31)。

3.根据权利要求2所述的一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪，其特征在于：所述近红外发射装置和近红外接收装置与累积仓腔体(32)均通过螺纹密封连接，所述小型电机(31)与累积仓腔体(32)通过螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪，其特征在于：所述电路仓(7)内设有电路系统、方位传感器和角度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种用于页岩气水平井气液两相流沉降式多参数测井仪，其特征在于：所述智能终端电路部分包括：

光发射模块，用于向近红外发射装置提供驱动电能，使近红外光源发射光线；

光接收模块，用于将近红外接收装置中的光能转换为电能；

信号处理模块，用于将收到的电信号进行差分、放大及模数转化操作，输出反应持气率信息的电压信号；

多通道程控开关，用于将周向多截面近红外吸收式光纤探测系统(36)中n组人字形周向多截面交错式分布的n组近红外吸收式光纤传感器进行分时开关工作，其中n≥3,n∈N^*；

继电器模块，用于控制可控进液口(34)及可控出液口(33)的开启和关闭状态；

电机驱动电路模块，用于为小型电机提供电能；

主控制器模块，用于控制小型电机工作状态及周向多截面近红外吸收式光纤探测系统(36)中n的工作状态，其中n≥3,n∈N^*；

电源模块，用于向各模块提供电能；

定时器模块，与主控制器模块连接，利用主控制器模块对周向多截面近红外吸收式光纤探测系统(36)中人字形周向多截面交错式分布的n组近红外吸收式光纤传感器进行分时数据采集，其中n≥3,n∈N^*。