CN114894858A - 一种非侵入式光电组合式传感器及其控制系统和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非侵入式光电组合式传感器及其控制系统和测量方法，属于油气剖面测井技术领域，所述光电组合式传感器包括电容测量模块和近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块；所述控制系统包括多通道程控开关、近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块电路、电容测量模块电路、电源模块电路、存储模块、AD采集模块电路及主控制器模块电路；测量方法是基于上下游近红外输出电压信号结合加权融合方法估计截面持气率信息，利用上下游近红外环形阵列光纤传感器获取截面持气率信息，同时以截面持气率与电容持水率特征构建持水率矫正模型进行持水率估计。本发明结构简单、造价低、可靠性高、无可动部件、无阻流、易安装、易更换。
Description
技术领域
本发明涉及油气剖面测井技术领域，尤其是一种非侵入式光电组合式传感器及其控制系统和测量方法。
背景技术
目前，以大庆油田为首的国内多数油田为陆相沉积、多层系开发的低产液机采油田，伴随着长期注水、注气开发及井下流体压力逐渐减小，油井井下流体大都由原来的油水两相流转化为油气水三相流。而开展产出剖面参数测量对油井井下多相流动态异常诊断、油井生产状态监控、调整油井生产方案、提高产能具有重要意义。
近红外技术因其对不同含氢基团具有不同的特征吸收谱带使得该技术开始被引入气液两相流含气率检测领域。相比于伽马射线法、微波法、超声法等含气率测量方法，近红外吸收法具有穿透性强、传输距离远、高效环保、高分辨率、检测过程无损无污染、快速响应等优势特点。电容测量技术相较于电导测量技术、电磁测量技术、雷达技术等具有结构简单、成本低廉、响应速度快、测量精度高等特点被广泛应用于多相流含水率测量领域。相关流量测量技术基于测量管道轴向相距为L的上下游管截面流动夹带介质的“记忆效应”，获取上下游输出信号进行互相关计算获取混合流速参数，相较于涡轮法，相关测量方法具有简单、高效等特点被广泛应用于流量测量领域。而上述方法虽然应用广泛，但是仅能获取多相流单一参数却无法获取多相流综合参数。而当前组合技术主要是通过将各个传感器分别封装，然后再进行结构连接和电气连接，该方法技术简单、易实现、可操作性强，但是结构复杂、故障率高、维修困难、造价高，且本质上并没有实现真正意义上的多传感器一体化融合设计。
因此，针对上述问题，为满足石油生产多相流多参数测量需要，一种用于石油生产多分相参数测量传感器、控制系统及测量方法成为当前亟需解决的问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种非侵入式光电组合式传感器及其控制系统和测量方法，能够实现石油生产多相流参数的准确实时测量，具有结构精巧、造价低、无可动部件、可靠性高等特点。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种非侵入式光电组合式传感器，包括电容测量模块和近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块；
所述电容测量模块包括由外至内依次设置的外壳、外绝缘层、内电极及内绝缘层；
所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块包括均由n组近红外吸收式光纤传感器组成的上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块；
所述近红外吸收式光纤传感器总体呈现环状排列；
所述近红外吸收式光纤传感器包括均与电容测量模块螺纹密封连接的近红外发射探头和近红外接收探头；所述近红外发射探头和所述近红外接收探头伸出内绝缘层部分与测量管道接触；所述近红外发射探头和所述近红外接收探头一一对应，近红外发射探头和近红外接收探头连接线均过截面圆心；相邻近红外吸收式光纤传感器的近红外发射探头和近红外接收探头的安装位置进行对调。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述近红外发射探头在光源前方加载透镜，进行聚光。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述近红外接收探头接收端外扩，以便更好接收光线。
一种非侵入式光电组合式传感器的控制系统，包括多通道程控开关、近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块电路、电容测量模块电路、为系统提供电能的电源模块电路、为光电组合式传感器输出电压信号进行备份的存储模块、用于采集光电组合式传感器输出信号的AD采集模块电路及主控制器模块电路；所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块电路包括光发射模块、光接收模块及信号处理模块；所述电容测量模块电路由电容激励模块、电容测量模块及电容信号处理模块组成。
一种非侵入式光电组合式传感器的测量方法，包括以下步骤：
步骤1，获取光电组合式传感器的输出信号；
步骤2，基于上下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块输出电压信号，通过采用朗伯比尔吸收定律及吸光度线性叠加定律获取上下游径向持气率ug1、ug2、ug3、…、ugn；dg1、dg2、dg3、…、dgn；采用加权融合方法获取上下游截面持气率信息
融合截面持气率为：g＝(ug+dg)/2；
步骤3，基于上下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块输出电压信号，进行互相关运算获取近红外流量参数f；
步骤4，基于电容测量模块输出频率信号，获取电容持水率ew；通过持水率矫正模型获取矫正持水率：w＝ew/(g+1)；
步骤5，获得最终多相流参数：f、g、w。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明集光电组合式传感器、电路控制系统及石油生产多分相参数测量方法于一体，能够获取管道内多相流流量、持率等参数信息，实现了快速、准确检测；解决了截面多相流流量、持率测量困难、测量误差较大等问题。
2、本发明结构简单、造价低、可靠性高、无可动部件、无阻流、易安装、易更换，可在石油生产测量领域广泛推广。
附图说明
图1是本发明中光电组合式传感器结构示意图；
图2是本发明中光电组合式传感器主视图；
图3是本发明中光电组合式传感器剖面主视图；
图4是本发明中光电组合式传感器侧视剖面图；
图5是本发明中光电组合式传感器电路系统终端示意图；
图6是本发明中测量方法的流程图；
其中，1、近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块，2、外壳，3、外绝缘层，4、内电极，5、内绝缘层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
需要说明的是，在本发明的描述中，技术术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“纵”、“横”、“内”、“外”等表示方向或位置关系是基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述和理解本发明的技术方案，以上说明并非对本发明作了限制，本发明也不仅限于上述说明的举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、增添或替换，都应视为本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“n 组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。
实施例
如图1-4所示，一种非侵入式光电组合式传感器，以n＝2为例对非侵入式光电组合式传感器进行详细介绍。所述非侵入式光电组合式传感器安装于测井仪上，所述测井仪还包括出液口、上游扶正器、挤压式橡胶集流器、进液口、下游扶正器、电路仓等，所述非侵入式光电组合式传感器安装在上游扶正器和挤压式橡胶集流器之间。
所述非侵入式光电组合式传感器包括电容测量模块与近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块1等。
所述电容测量模块由外至内依次包括外壳2、外绝缘层3、内电极4及内绝缘层5组成；所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块1包括上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块与下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块。所述上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块均由n(n≥1,n∈N*)组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总体呈现环状排列，如图 3、4所示的：SU1、SU2、RU1、RU2、SD1、RD1、RD2等。
所述近红外吸收式光纤传感器包括近红外发射探头和近红外接收探头，且近红外发射探头和近红外接收探头与电容测量模块螺纹密封连接，且伸出内绝缘层5部分与测量管道接触，近红外发射探头和近红外接收探头一一对应，近红外发射探头和近红外接收探头连接线均过截面圆心。相邻近红外吸收式光纤传感器的近红外发射探头和近红外接收探头的安装位置进行对调。
所述近红外发射探头在光源前方加载透镜，进行聚光。
所述近红外接收探头接收端适当外扩，以便更好接收光线。
如图5所示，一种非侵入式光电组合式传感器的控制系统，包括多通道程控开关、近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块电路、电容测量模块电路、电源模块电路、存储模块、AD采集模块电路及主控制器模块电路等。
所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块电路包括光发射模块、光接收模块及信号处理模块。光发射模块由驱动电路和近红外光源组成，主要用于将驱动电能转化为出射光线；光接收模块包括近红外接收探头和光电转化电路，用于为探测器将返回光能转化可反映持气率信息的电压信号；信号处理模块包括差分和功率放大电路、模数转化电路，将接收到的电信号进行差分、功率放大、模数转化等操作，输出反映持气率信息的电压信号。
所述电容测量模块电路包括电容激励模块与电容信号处理模块；电容激励模块由振荡电路产生激励源对所述电容传感器模块进行激励，电容信号处理模块用于对所述电容传感器模块的信号进行处理；其中电容激励模块一方面对电容传感器的电容大小进行测量，另一方面直接输出能够反应电容传感器电容大小的频率信号，电容信号处理模块只进行信号整形和滤波，电容传感器的测量整个过程没有电压信号，激励模块直接输出的就是频率信号，所以主控制器模块处理的电容信号也是频率信号，频率的高低反应电容传感器电容量的大小。
所述AD采集模块电路用于采集非侵入式光电组合式传感器的输出信号；
所述多通道程控开关分别连接红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块和电容测量模块。
所述电源模块电路对非侵入式光电组合式传感器进行供电。
所述存储模块用于对非侵入式光电组合式传感器输出电压信号进行本地存储。
所述主控制器模块用于对非侵入式光电组合式传感器输出信号进行数据处理，依据近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块获取的电压信号进一步获取截面持气率信息及近红外流量信息。根据电容信号处理模块处理后的频率信号计算电容持水率；最后综合处理获取矫正持水率、截面持气率、流量等参数。
在工作时，利用近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块截面持气率及近红外流量测量，测量管道中多相流流动时，记录光强信号为Ig(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Il(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'＝Igexp{-d[μg(1-βl)+μlβl]} (1)
式中，d为光程/通过被测介质厚度，μg为待测气相摩尔吸光系数，μl为待测液相摩尔吸光系数，则测量管道界面液相浓度βl可表示为：
由式(1)和(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，且光强信号大小与被测液相浓度βl有关。
利用上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块与下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块两路流动噪声信号进行互相关运算，互相关函数表达式为：
式中，τ指的是上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块与下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块获取的信号的相似波形的时间间隔，是依据实际信号获取得到的；互相关函数的峰值代表着两路流动噪声信号的最大相似，它所对应的时间τ0是流体流动噪声信号由上游到下游所经历的时间，称为渡越时间。
流量f为：
f＝(L/τ0)*ap (4)
式(4)中L为上下游距离，ap为传感器管道的横截面积。
所述电容传感器模块测量部分的原理是将导电相与非导电相与电容量建立关系表达式(5)从而得到持水率信息。电容激励模块开启，产生电容激励源，确保电容传感器正常工作；电容信号处理模块对其频率信号进行滤波等处理；当电容传感器置于全油相环境时输出频率为Fco；当电容传感器置于全水相环境中时输出频率为Fcw；当电容传感器置于待测油水两相流体中时，输出频率为Fc；
通过流体电容确定流体持水率为：
其中，上式中yw即表示油水两相流中的电容持水率hc。
如图6所示，一种非侵入式光电组合式传感器的测量方法，即一种用于石油生产多分相参数测量方法，包括以下步骤：
步骤1，获取非侵入式光电组合式传感器的输出信号；
步骤2，基于上下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块输出电压信号，通过采用朗伯比尔吸收定律及吸光度线性叠加定律获取上下游径向持气率ug1、ug2、ug3、…、ugn；dg1、dg2、dg3、…、dgn。采用加权融合方法获取上下游截面持气率信息
融合截面持气率为：g＝(ug+dg)/2；
步骤3，基于上下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块输出电压信号，进行互相关运算获取近红外流量参数f；
步骤4，基于电容测量模块输出频率信号，获取电容持水率ew；通过持水率矫正模型获取矫正持水率：w＝ew/(g+1)；
步骤5，获得最终多相流参数：f、g、w。
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，一种石油生产多分相参数测量光电组合式传感器、控制系统及测量方法，都属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种非侵入式光电组合式传感器，其特征在于：包括电容测量模块和近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块(1)；
所述电容测量模块包括由外至内依次设置的外壳(2)、外绝缘层(3)、内电极(4)及内绝缘层(5)；
所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块(1)包括均由n组近红外吸收式光纤传感器组成的上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块；
所述近红外吸收式光纤传感器总体呈现环状排列；
所述近红外吸收式光纤传感器包括均与电容测量模块螺纹密封连接的近红外发射探头和近红外接收探头；所述近红外发射探头和所述近红外接收探头伸出内绝缘层(5)部分与测量管道接触；所述近红外发射探头和所述近红外接收探头一一对应，近红外发射探头和近红外接收探头连接线均过截面圆心；相邻近红外吸收式光纤传感器的近红外发射探头和近红外接收探头的安装位置进行对调。
2.根据权利要求1所述的一种非侵入式光电组合式传感器，其特征在于：所述近红外发射探头在光源前方加载透镜，进行聚光。
3.根据权利要求1所述的一种非侵入式光电组合式传感器，其特征在于：所述近红外接收探头接收端外扩，以便更好接收光线。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的非侵入式光电组合式传感器的控制系统，其特征在于：包括多通道程控开关、近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块电路、电容测量模块电路、为控制系统提供电能的电源模块电路、为光电组合式传感器输出电压信号进行备份的存储模块、用于采集光电组合式传感器输出信号的AD采集模块电路及主控制器模块电路；所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块电路包括光发射模块、光接收模块及信号处理模块；所述电容测量模块电路由电容激励模块、电容测量模块及电容信号处理模块组成。
5.一种如权利要求1-3任一项所述的非侵入式光电组合式传感器的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，获取光电组合式传感器的输出信号；
步骤2，基于上下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块输出电压信号，通过采用朗伯比尔吸收定律及吸光度线性叠加定律获取上下游径向持气率ug1、ug2、ug3、…、ugn；dg1、dg2、dg3、…、dgn；采用加权融合方法获取上下游截面持气率信息
融合截面持气率为：g＝(ug+dg)/2；
步骤3，基于上下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块输出电压信号，进行互相关运算获取近红外流量参数f；
步骤4，基于电容测量模块输出频率信号，获取电容持水率ew；通过持水率矫正模型获取矫正持水率：w＝ew/(g+1)；
步骤5，获得最终多相流参数：f、g、w。
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| CN202210292483.1A CN114894858A (zh) | 2022-03-23 | 2022-03-23 | 一种非侵入式光电组合式传感器及其控制系统和测量方法 |
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