CN204255927U - 应用于欠平衡钻井ubd的气体标定装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种应用于欠平衡钻井UBD的气体标定装置，该装置包括用于容纳已知浓度气体样本的取样袋、传感器接口、待标定传感器、用于采集所述待标定传感器测量值的数据采集系统；取样袋、传感器接口通过管线连接；管线上设有用于已知浓度气体样本注入取样袋的气体注入口，气体注入口上设有阀门；待标定传感器连接在传感器接口和数据采集系统之间。本实用新型的气体标定装置及方法可实现UBD现场对气体浓度传感器的标定，标定装置结构简单、操作方便，标定方法方便快捷，标定精度满足钻井行业的精度要求，具有很大的实用价值，易推广。
Description
技术领域
本实用新型涉及油气开采技术，尤其涉及一种应用于欠平衡钻井(UnderBalance Drilling，简称：UBD)的气体标定装置。
背景技术
气体钻井过程中，可能出现的井下安全风险主要包括地层出气、井壁垮塌、地层出水、钻柱失效、井下燃爆及地层产出有毒有害气体。这些安全风险的发生会对钻井施工、人员安全及经济造成一定损失。因此，气体钻井过程的监测就显得尤为重要。UBD仪器通过在线监测气体钻井过程返出的气体成分及浓度来判断井下是否发生异常情况。然而仪器内置传感器在现场的工作环境恶劣，在工作一段时间后输出电压与浓度值会偏离原有的线性关系，造成较大的测量误差。故必须在现场间隔一段时间进行传感器的标定工作。
目前，气体浓度传感器常用的标定方法是在室内采用气相色谱仪进行标定，虽然其标定精度高，然而该方法标定条件要求苛刻，标定时间较长，施工现场很难达到标定条件，故依靠色谱仪标定方法不适合UBD仪器的现场标定。
实用新型内容
本实用新型提供一种气体标定装置，可实现UBD现场对气体浓度传感器的标定，标定装置结构简单、操作方便，标定方法方便快捷，标定精度满足钻井行业的精度要求，具有很大的实用价值，易推广。
本实用新型提供一种应用于欠平衡钻井UBD的气体标定装置，包括：
用于容纳已知浓度气体样本的取样袋、传感器接口、待标定传感器、用于采集所述待标定传感器测量值的数据采集系统；
所述取样袋、所述传感器接口通过管线连接；
所述管线上设有用于所述已知浓度气体样本注入所述取样袋的气体注入口，所述气体注入口上设有阀门；
所述待标定传感器连接在所述传感器接口和所述数据采集系统之间。
进一步的，所述装置还包括：气泵，所述气泵、所述取样袋、所述传感器接口通过所述管线连通，所述气泵用于所述气体样本在所述管线内循环并混合均匀。
所述气泵为微型真空泵。
所述待标定传感器为CO2传感器，气体样本的CO2浓度均匀分布在0ppm到50000ppm之间。
所述待标定传感器为CO传感器，气体样本的CO浓度均匀分布在0ppm到1000ppm之间。
所述待标定传感器为H2S传感器，气体样本的H2S浓度均匀分布在0ppm到50ppm之间，且气体样本的H2S浓度包括10ppm和20ppm。
所述待标定传感器为O2传感器，气体样本的O2摩尔浓度均匀分布在5％～21％之间，且气体样本的O2的摩尔浓度包含5％和8％。
所述待标定传感器为CH4传感器，气体样本的CH4摩尔浓度均匀分布在0％～4％之间。
所述气体注入口、所述传感器接口分别通过三通接头与所述管线连通。
本实用新型的应用于欠平衡钻井UBD的气体标定装置，通过包含用于容纳已知浓度气体样本的取样袋、传感器接口、待标定传感器、用于采集待标定传感器测量值的数据采集系统；并将取样袋、传感器接口通过管线连接；在管线上设置用于已知浓度气体样本注入取样袋的气体注入口，并在气体注入口上安装阀门；将待标定传感器连接在传感器接口和数据采集系统之间，从而实现了UBD现场对气体浓度传感器的标定，且标定装置结构简单、操作方便，标定方法方便快捷，标定精度满足钻井行业的精度要求，具有很大的实用价值，易推广。
附图说明
图1为本实用新型应用于欠平衡钻井UBD的气体标定装置的实施例一的结构示意图；
图2为本实用新型应用于欠平衡钻井UBD的气体标定装置的实施例二的结构示意图；
图3为本实用新型应用于欠平衡钻井UBD的气体标定方法的实施例一的流程图；
图4为应用于欠平衡钻井UBD的气体标定方法的实施例一中的待标定甲烷CH4传感器的电压-浓度拟合曲线。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，在附图或说明书中，相似或相同的元件皆使用相同的附图标记。
图1为本实用新型应用于欠平衡钻井UBD的气体标定装置的实施例一的结构示意图，如图1所示，本实施例的装置包括：
用于容纳已知浓度气体样本的取样袋1、传感器接口2、待标定传感器3、用于采集待标定传感器3测量值的数据采集系统4；取样袋1、传感器接口2通过管线5连接；管线5上设有用于已知浓度气体样本注入取样袋1的气体注入口6，气体注入口6上设有阀门7；待标定传感器3连接在传感器接口2和数据采集系统4之间。
具体的，该气体标定装置用于对待标定传感器3的标定，其中，取样袋1用于容纳已知浓度的气体样本，管线5上设有气体注入口6和传感器接口2，通过气体注入口6将已知浓度的气体样本注入取样袋1，气体注入口6设有阀门7，传感器接口2用于连接待标定传感器3，数据采集系统4与待标定传感器3连接，数据采集系统4用于采集待标定传感器3的测量数据。取样袋1为双口取样袋1以便通过管线5形成循环通路，气体注入口6可以设于取样袋1的任何一侧。同样，传感器接口2也可以设置在管线5的任意位置。气体注入口6和传感器接口2均可通过在管线5上设置三通接头来形成。
在该标定装置工作过程中，取样袋1具有缓冲气体并使得气体压力保持与大气压一致并恒定的功能，使得标定不受气体压力变化的影响；数据采集系统4具有对待标定传感器3数据的实时采集、存储、传输并在显示屏上显示的功能；阀门7主要用于封闭和开启气体注入口6，以便工作人员往取样袋1内注入气体。
本实施例的应用于欠平衡钻井UBD的气体标定装置，通过包含用于容纳已知浓度气体样本的取样袋、传感器接口、待标定传感器、用于采集待标定传感器测量值的数据采集系统；并将取样袋、传感器接口通过管线连接；在管线上设置用于已知浓度气体样本注入取样袋的气体注入口，并在气体注入口上安装阀门；将待标定传感器连接在传感器接口和数据采集系统之间，从而实现了UBD现场对气体浓度传感器的标定，且标定装置结构简单、操作方便，标定方法方便快捷，标定精度满足钻井行业的精度要求，具有很大的实用价值，易推广。
图2为本实用新型应用于欠平衡钻井UBD的气体标定装置的实施例二的结构示意图，如图2所示，本实施例的装置在上述实施例一的基础上，还包括：气泵8，气泵8、取样袋1、传感器接口2通过管线5连通，气泵8用于气体样本在管线5内循环并混合均匀。
具体的，气泵8可以采用小型气泵，小型气泵指的就是微型真空泵，因为体积小通常把微型真空泵叫做小型真空泵或直接叫小型气泵。微型真空泵(即小型真空泵)是指：具备一进一出的抽气嘴、排气嘴各一个，并且在进口处能够持续形成真空或负压；排气嘴处形成微正压；工作介质主要为气体，体积小巧的一种仪器。取样袋1和气泵8通过管线5连接成循环通路，取样袋1用于容纳已知浓度的气体样本，气泵2用于该已知浓度的气体样本循环并混合均匀，其中，取样袋1为双口取样袋1以便通过管线5与气泵8形成循环通路，气泵8可以设于取样袋1的任何一侧。也就是说，取样袋1、传感器接口2、气泵8三者通过管线5连通，三者在管线上的位置没有具体规定，可以设置在管线5的任意位置。气体注入口7和传感器接口8均可通过在连接管线5上设置三通接头来形成，气泵8的抽气嘴、排气嘴分别连接在管线5上，以使已知浓度的气体样本在管线5内循环并混合均匀，从而保证待标定传感器3测量的已知浓度的气体样本浓度恒定，提高浓度标定精度。
该标定装置的工作过程中是将纯标样气体与空气(或氮气)按不同比例注入取样袋1中，通过开启气泵8使气体在密闭管线5的通道内循环并持续通过传感器接口2传递给待标定传感器3，待标定传感器3输出电压稳定后记录测量数据。配制的气体样本的浓度应均匀分布在零到待标定传感器3的最大量程之间，最好包括零和最大量程两个端点的浓度，或有与两个端点相近的浓度。这样可以得到更为准确的标定曲线，即电压-浓度关系曲线，使标定后的传感器更为准确。其中二氧化碳CO2传感器的量程是0ppm到50000ppm、一氧化碳CO传感器的量程是0ppm到1000ppm之间，这些传感器的标定浓度应均匀分布在零到最大量程间，即若待标定传感器3为CO2传感器，气体样本的CO2浓度均匀分布在0ppm到50000ppm之间；若待标定传感器3为CO传感器，气体样本的CO浓度均匀分布在0ppm到1000ppm之间；若待标定传感器3为CH4甲烷传感器，气体样本的CH4甲烷的摩尔浓度均匀分布在0％～4％之间。浓度不能分布在某一个小区间内，应该覆盖气体浓度传感器的全部量程且待测定的浓度比例在最大量程范围内均匀分布。若待标定传感器3为硫化氢H2S传感器，气体样本的H2S浓度均匀分布在0ppm到50ppm之间，且气体样本的H2S浓度包括10ppm和20ppm。H2S的阈限值10ppm以下是对于人体相对安全的H2S浓度，若超过该阈限值10ppm，人体会感到不适，若达到安全浓度极限值20ppm则会报警。所以对于H2S传感器的标定浓度还应包含10ppm、20ppm两个具有特定安全意义的浓度值。此外，对于当前膜制氮分离出的氮气含氧量的摩尔浓度最低5％摩尔浓度，然而现场一般膜制氮分离出的氮气含氧量是5％～8％摩尔浓度，故若待标定传感器3为O2传感器，气体样本的O2摩尔浓度均匀分布在5％～21％之间，且气体样本的O2的摩尔浓度包含5％和8％。不同的气体浓度比例能够使得待标定传感器3得到不同的输出电压，故根据已知浓度气体样本与待标定传感器3对应的输出电压拟合出一条直线，从而对该待标定传感器3进行校正。
本实施例的应用于欠平衡钻井UBD的气体标定装置，通过包含用于容纳已知浓度气体样本的取样袋、传感器接口、气泵、待标定传感器、用于采集待标定传感器测量值的数据采集系统；并将取样袋、气泵、传感器接口通过管线连通；在管线上设置用于已知浓度气体样本注入取样袋的气体注入口，并在气体注入口上安装阀门；将待标定传感器连接在传感器接口和数据采集系统之间，利用气泵将气体样本在管线内循环并混合均匀，保证气体样本浓度均匀恒定，从而实现了UBD现场对气体浓度传感器的标定，且标定装置结构简单、操作方便，标定方法方便快捷，标定精度满足钻井行业的精度要求，具有很大的实用价值，易推广。
图3为本实用新型应用于欠平衡钻井UBD的气体标定方法的实施例一的流程图，如图3所示，本实施例的方法包括：
步骤101、取样袋从气体注入口接收已知浓度气体样本，该气体样本为纯标样气体与空气的不同比例的混合气体，或者纯标样气体与氮气的不同比例的混合气体。
具体的，将纯标样气体，如二氧化碳CO2气体、一氧化碳CO气体、甲烷CH4气体、硫化氢H2S气体、氧气O2等纯标样气体与空气按不同比例混合出不同浓度的气体样本；或者将上述纯标样气体与氮气按不同比例混合出不同浓度的气体样本。然后将待标定浓度的气体样本注入取样袋内。
步骤102、传感器接口通过与取样袋连通的管线获取到该气体样本，并传递该气体样本给待标定传感器。
步骤103、待标定传感器接收该气体样本，并输出该气体样本对应的电压值。
步骤104、数据采集系统接收该电压值，当该电压值保持稳定时，记录稳定后的电压值，该稳定后的电压值为待标定传感器输出的该已知浓度气体样本的实测浓度值。
由于气体样本在管线内循环流动，会造成气压波动，使得待标定传感器的输出电压值波动，需要等待一段时间，待输出电压值稳定后，通过数据采集系统记录该已知浓度气体样本相应的电压值，即测量得到的浓度值。
步骤105、数据采集系统根据已知浓度气体样本的浓度值、实测浓度值对应的稳定后的电压值，拟合出待标定传感器的电压与浓度曲线的线性参数。
依次重复上述步骤101～步骤104，直至完成所有待标定浓度气体样本的检测。根据多组电压值和浓度值拟合电压-浓度关系曲线，将拟合出的电压-浓度曲线的线性参数写入控制器程序即完成待标定传感器的标定。
进一步的，在上述方法实施例一的基础上，本实施例的方法还包括：设置在管线通路上的气泵对管线内的气体样本进行混合，以使气体样本在管线内循环、浓度均匀。
该步骤具体可以通过开启气泵，如小型气泵或者微型真空泵，使得气体样本在封闭的管线内循环流动，从而使得该气体样本的浓度均匀恒定，保证气体样本浓度测量的精度。
为了便于本实用新型的标定方法的现场实施，通常准备注射器以便现场进行气体样本的配制。注射器可以包括10ml、100ml注射器各一只。同时现场具有各种气体标样，如二氧化碳CO2气体、一氧化碳CO气体、甲烷CH4气体、硫化氢H2S气体、氧气O2等纯标样气体与空气或者氮气按不同比例混合出的不同浓度的气体样本。
下面以多种待标定传感器为例介绍具体标定步骤：将标定装置连接好通信线路及电源；连接完毕进行通电，运行该标定装置的现场监测程序，查看通信是否正常；检查该标定装置是否有漏气；在无漏气后连接取样袋和气泵；对甲烷传感器的标定，首先用100ml注射器通过阀门向气体取样袋内按照不同所需浓度注入一定量的甲烷和空气，开启气泵循环；待甲烷传感器输出电压稳定后，记录采集的电压值及气体样本的浓度值。根据监测要求，至少需要五个不同的甲烷浓度对甲烷传感器进行标定，以保证电压-浓度拟合曲线的准确性。对H2S传感器的标定，首先将上一次标定的甲烷CH4气体排空，向取样袋内按照所需标定浓度注入空气和H2S，开启气泵进行循环，待H2S传感器输出电压稳定后，记录采集的电压值及气体样本浓度值。至少需要五个不同的H2S浓度对H2S传感器进行标定。对CO传感器进行标定，标定方法同H2S传感器的标定方法。对CO2传感器的标定，连接氮气瓶，先用一定流量的氮气将取样袋及管线内的气体吹空，CO2传感器输出电压稳定后，记录该零点值，向取样袋内按照不同所需浓度注入氮气和CO2，开启气泵进行循环，待CO2传感器输出电压稳定后，记录采集的电压值及气体样本浓度值。至少需要五个不同的CO2浓度对CO2传感器进行标定。对O2传感器的标定，连接氮气瓶，先用一定流量的氮气将取样袋及管线内的气体吹空，O2传感器输出电压稳定后，记录该零点值，由于大气的含氧量是已知的，故可通过大气与氮气的混合来获得不同氧浓度的混合气体，向取样袋内按照不同所需浓度注入氮气和空气，开启气泵进行循环，待O2传感器输出电压稳定后，记录采集的电压值及气体样本浓度值。至少需要五个不同的O2浓度对O2传感器进行标定。所有传感器均需进行二次反向标定，从而保证待标定传感器标定曲线的准确性。
进一步的，已知浓度气体样本的浓度值应该包括待标定传感器量程范围内的零浓度值、最大浓度值、至少三个均匀分布在零浓度值和最大浓度值之间的浓度值。也就是说，对于配制的气体样本的浓度应均匀分布在零到待标定传感器的最大量程之间，最好包括零和最大量程两个端点的浓度，或有与两个端点相近的浓度。这样可以得到更为准确的标定曲线，即电压-浓度关系曲线，使标定后的传感器更为准确。
其中二氧化碳CO2传感器的量程是0ppm到50000ppm、一氧化碳CO传感器的量程是0ppm到1000ppm之间，这些传感器的标定浓度应均匀分布在零到最大量程间，即若待标定传感器为CO2传感器，气体样本的CO2浓度均匀分布在0ppm到50000ppm之间；若待标定传感器为CO传感器，气体样本的CO浓度均匀分布在0ppm到1000ppm之间。此外，还有若待标定传感器为CH4甲烷传感器，气体样本的CH4甲烷的摩尔浓度均匀分布在0％～4％之间。浓度不能分布在某一个小区间内，应该覆盖气体浓度传感器的全部量程且待测定的浓度比例在最大量程范围内均匀分布。若待标定传感器为硫化氢H2S传感器，气体样本的H2S浓度均匀分布在0ppm到50ppm之间，且气体样本的H2S浓度包括10ppm和20ppm。H2S的阈限值10ppm以下是对于人体相对安全的H2S浓度，若超过该阈限值10ppm，人体会感到不适，若达到安全浓度极限值20ppm则会报警。所以对于H2S传感器的标定浓度还应包含10ppm、20ppm两个具有特定安全意义的浓度值。此外，对于当前膜制氮分离出的氮气含氧量的摩尔浓度最低5％摩尔浓度，然而现场一般膜制氮分离出的氮气含氧量是5％～8％摩尔浓度，故若待标定传感器3为O2传感器，气体样本的O2摩尔浓度均匀分布在5％～21％之间，且气体样本的O2的摩尔浓度包含5％和8％。不同的气体浓度比例能够使得待标定传感器得到不同的输出电压，故根据已知浓度气体样本与待标定传感器对应的输出电压拟合出一条直线，从而对该待标定传感器进行校正。表1为对甲烷CH4传感器进行标定所得的数据表；图4为应用于欠平衡钻井UBD的气体标定方法的实施例一中的待标定甲烷CH4传感器的电压-浓度拟合曲线，图4是根据表1数据中的电压和浓度拟合出的待标定甲烷CH4传感器的电压-浓度拟合曲线，通过拟合及线性回归相关系数R2＝0.9989，得到待标定甲烷CH4传感器的电压-浓度关系为：y＝0.234x+0.612。
表1为对甲烷CH4传感器进行标定所得的数据表
| 序号 | 电压(mV) | CH4体积(ml) | 空气体积(ml) | CH4摩尔浓度(％) |
| 1 | -2.92 | 0 | 1250 | 0 |
| 2 | 1.05 | 10 | 1240 | 0.8 |
| 3 | 4.33 | 20 | 1230 | 1.6 |
| 4 | 7.8 | 30 | 1220 | 2.4 |
| 5 | 11.02 | 40 | 1210 | 3.2 |
| 6 | 14.31 | 50 | 1200 | 4 |
将拟合出的曲线的线性参数写入控制器的程序中即完成传感器的标定。
需要说明的是，在注入气体样本之前取样袋的容积可视为零，虽然气泵内和与之连接的管线内具有一定体积的气体，但这个容积相对于充气后的取样袋容积，不足千分之一，所以，标定之前气泵及管线内的其他气体对配置好的已知浓度的气体样本的浓度的影响不到千分之一，是满足现场简易快速标定要求的。此外，作为另一种选择，在注入配置好的气体样本时，可以不进行密闭循环，也就是说气体样本由阀门注入，断开取样袋与阀门之间的管线，气体样本由阀门注入，气体样本经过气泵向取样袋流动，由取样袋排放掉，这样，标定之前气泵及管线内的其他气体可以完全被顶替出来，当气体样本注入量达到3倍以上的气泵与管线容积时，可以认为标定之前气泵及管线内的其他气体完全被顶出，这时再连接取样袋与阀门之间的管线，这样就对已知浓度的气体样本的浓度没有影响，确保检测的气体是配置好的已知浓度的气体。
本实施例的应用于欠平衡钻井UBD的气体标定方法，通过利用取样袋从气体注入口接收已知浓度气体样本，然后通过传感器接口与取样袋连通的管线获取到该气体样本，并传递该气体样本给待标定传感器；然后待标定传感器接收该气体样本，并输出该气体样本对应的电压值；然后数据采集系统接收该电压值，当该电压值保持稳定时，记录稳定后的电压值，稳定后的电压值为待标定传感器输出的已知浓度气体样本的实测浓度值；数据采集系统再根据已知浓度气体样本的浓度值、实测浓度值对应的稳定后的电压值，拟合出待标定传感器的电压与浓度曲线的线性参数，从而实现了UBD现场对气体浓度传感器的标定，且标定装置结构简单、操作方便，标定方法方便快捷，标定精度满足钻井行业的精度要求，具有很大的实用价值，易推广。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种应用于欠平衡钻井UBD的气体标定装置，其特征在于，包括：用于容纳已知浓度气体样本的取样袋、传感器接口、待标定传感器、用于采集所述待标定传感器测量值的数据采集系统；
所述取样袋、所述传感器接口通过管线连接；
所述管线上设有用于所述已知浓度气体样本注入所述取样袋的气体注入口，所述气体注入口上设有阀门；
所述待标定传感器连接在所述传感器接口和所述数据采集系统之间。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：气泵，所述气泵、所述取样袋、所述传感器接口通过所述管线连通，所述气泵用于所述气体样本在所述管线内循环并混合均匀。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述气泵为微型真空泵。
4.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于，所述待标定传感器为CO2传感器，气体样本的CO2浓度均匀分布在0ppm到50000ppm之间。
5.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于，所述待标定传感器为CO传感器，气体样本的CO浓度均匀分布在0ppm到1000ppm之间。
6.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于，所述待标定传感器为H2S传感器，气体样本的H2S浓度均匀分布在0ppm到50ppm之间，且气体样本的H2S浓度包括10ppm和20ppm。
7.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于，所述待标定传感器为O2传感器，气体样本的O2摩尔浓度均匀分布在5％～21％之间，且气体样本的O2的摩尔浓度包含5％和8％。
8.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于，所述待标定传感器为CH4传感器，气体样本的CH4摩尔浓度均匀分布在0％～4％之间。
9.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于，所述气体注入口、所述传感器接口分别通过三通接头与所述管线连通。
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| CN105548464A (zh) * | 2015-12-04 | 2016-05-04 | 重庆市荣冠科技有限公司 | 一种气体传感器标定装置及标定方法 |
| CN105675803A (zh) * | 2014-11-19 | 2016-06-15 | 中国石油天然气股份有限公司 | 应用于欠平衡钻井ubd的气体标定装置及方法 |
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| CN108508150A (zh) * | 2018-03-28 | 2018-09-07 | 翼捷安全设备（昆山）有限公司 | 具有简易标定办法的气体传感器及其方法 |
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- 2014-11-19 CN CN201420696752.1U patent/CN204255927U/zh not_active Expired - Fee Related
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