CN211904222U - 热储参数获取用传感器及探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种热储参数获取用传感器及探测系统。传感器包括传感器筒，传感器筒内设有传感器容置腔，传感器芯体通过压盖被嵌装固定于传感器容置腔内，传感器筒的底口通过头部堵塞密封，头部堵塞上设有进水通道，传感器容置腔通过压盖上的通孔和进水通道与外部连通，传感器筒的顶口上安装有线路板筒，线路板筒内的线路板容置腔中安装有线路板，线路板筒的顶口上安装有公接头，公接头的顶部通过公母接头固定螺帽连接有母接头，母接头的顶口上安装有尾部压帽。本实用新型传感器耐高温高压，可准确实时获取地热深井深部地热储层的热储参数。

Description

热储参数获取用传感器及探测系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于获取新型清洁能源——地热能的深部热储参数的耐高温高压传感器以及基于该传感器实现的探测系统，属于深部热储探测技术领域。

背景技术

地热能属于新型清洁能源，但国内关于深部热储探测技术的规范及标准尚不健全，工程中采用的技术大部分是引用石油行业的监测及探测技术，但油井的成井工艺、储层性质等指标均有别于热储，因此，获取深部热储参数属于探测领域的新技术。

地热储层一般位于地下2000米～4000米，储层温度一般可达到80℃～150℃，其涉及的关键参数通常有温度、压力、介质密度等参数。目前市场上已有的温度、压力双通道常规传感器所适用的温度通常不能高于80℃，而地热储层温度通常高于80℃，因此，上述常规传感器无法胜任热储参数的获取任务，不能满足地热深井的探测需求。另外，深部地热储层的探测需要很长的线缆或绳索，而目前已有的常规绞车的承载力不够、不能设定或改变收放速度、不能自动排线，常规绞车的上述缺点同样制约了地热深井的深部探测技术的发展。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种热储参数获取用传感器及探测系统，传感器可准确实时获取地热深井深部地热储层的温度和压力热储参数。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种热储参数获取用传感器，其特征在于：它包括传感器筒，传感器筒内设有传感器容置腔，传感器芯体通过压盖被嵌装固定于传感器容置腔内，传感器筒的底口通过头部堵塞密封，头部堵塞上设有进水通道，传感器容置腔通过压盖上的通孔和进水通道与外部连通，传感器筒的顶口上安装有线路板筒，线路板筒内的线路板容置腔中安装有线路板，线路板筒的顶口上安装有公接头，公接头的顶部通过公母接头固定螺帽连接有母接头，母接头的顶口上安装有尾部压帽，其中：传感器芯体包括主壳，主壳的顶部设有充油腔，充油腔向下延伸至与主壳的底部开设的上凹槽相贯通，上凹槽的槽底放置有激光蚀刻出测压电路的硅膜片，硅膜片上朝向充油腔的表面上设有测温元件，充油腔内充入硅油后通过封盖密封，波纹片通过压环固定于主壳的底部，波纹片与硅膜片之间的间隙内充有硅油，从测压电路和测温元件引出的导线穿过充油腔内的硅油、封盖和封盖外的输出管脚接口后与线路板连接，从线路板引出的导线依次贯穿线路板筒、公接头、母接头、尾部压帽后与外部的探测线缆连接。

一种探测系统，其特征在于：它包括所述的热储参数获取用传感器，所述热储参数获取用传感器与所述探测线缆的一端头相连，所述探测线缆的另一端头经由置于井上地面的线缆收放控制绞车与监测仪器相连，其中：线缆收放控制绞车包括排线滚筒，所述探测线缆缠绕在排线滚筒上，处于排线滚筒输入侧的所述探测线缆上安装有测距装置和张力测量装置，测距装置位于地热深井的井边，从排线滚筒输出侧伸出的所述探测线缆借由集流环与监测仪器连接，排线滚筒的转动轴经由传动机构与变频电机连接，传动机构上安装有减速器，变频电机、减速器、测距装置、张力测量装置与控制装置连接，控制装置与监测仪器连接。

本实用新型的优点是：

1、本实用新型热储参数获取用传感器因采用简洁实用的电桥电路来感测代表压力参数的电压信号，从而使得整个传感器在可具备耐高温高压特性的基础上，还可准确实时地获取地热深井中的深部地热储层的压力、温度参数，本实用新型传感器的密封性能好，使用寿命长。

2、本实用新型探测系统适用于深部地热储层的远距离数据传输与通讯，解决了地热深井井下数据的可靠传输问题，其具备自动排线、自动收放探测线缆且收放速度可调、自动记录下放深度等功能。

附图说明

图1是本实用新型热储参数获取用传感器的结构示意图。

图2是传感器芯体的结构示意图。

图3是获取反映压力参数的电压信号的原理图。

图4是图3的俯视示意图。

图5是获取电压信号的等效电路原理图。

图6是本实用新型探测系统的组成示意图。

图7是线缆收放控制绞车的组成示意图。

图8是探测线缆的组成示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示，本实用新型热储参数获取用传感器100包括传感器筒120，传感器筒120内设有与传感器筒120的顶口、底口贯通、用于承载传感器芯体600的传感器容置腔121，通常将传感器容置腔121的截面尺寸设计为大于传感器筒120的顶口尺寸而大于等于传感器筒120的底口尺寸，以便于装入传感器芯体600以及配合下述压盖122使传感器芯体600稳固不动地置于传感器容置腔121内，用于测量温度和电压信号的传感器芯体600通过压盖122被嵌装固定于传感器容置腔121内，即压盖122使得传感器芯体600固定不动地处于传感器容置腔121内，压盖122通过传感器筒120内壁设置的卡槽124卡固住并抵顶传感器芯体600，传感器筒120的底口通过头部堵塞110密封，即头部堵塞110螺接于传感器筒120底口上，头部堵塞110上设有进水通道112，传感器容置腔121通过压盖122上的通孔1220和进水通道112与外部(或者深部地热储层510的液体环境中的液体介质)连通，传感器筒120的顶口上安装有用于装载线路板150的线路板筒140，即传感器筒120的顶口与线路板筒140的底口螺接连接，线路板筒140内的线路板容置腔141中安装有线路板150，线路板筒140的顶口上安装有公接头170，即线路板筒140的顶口与公接头170的底口螺接连接，公接头170的顶部通过公母接头固定螺帽130连接有母接头180，母接头180的顶口上安装有尾部压帽190，即母接头180的顶口与尾部压帽190的底口螺接连接，其中：传感器芯体600包括主壳610，主壳610的顶部设有充油腔611，如图2，充油腔611呈上大下小的结构，充油腔611向下延伸至与主壳610的底部开设的上凹槽612相贯通，上凹槽612的槽底放置有激光蚀刻出测压电路652的硅膜片650，硅膜片650上朝向充油腔611的表面上设有测温元件670，充油腔611内充入硅油620后通过封盖680密封，波纹片640(已有部件)通过环状压环630固定于主壳610的底部，波纹片640与硅膜片650之间保持间隙且间隙内充有硅油660，从测压电路652和测温元件670引出的导线穿过充油腔611内的硅油620、封盖680、封盖680外侧安装的输出管脚接口690后与线路板150的信号输入端口连接，从线路板150的信号输出端口引出的导线依次贯穿线路板筒140、公接头170、母接头180、尾部压帽190上设有的导线通道后与外部的探测线缆200的端头连接。

在实际应用时，当不使用本实用新型热储参数获取用传感器100时，尾部压帽190的顶部扣设有顶盖帽700，如图1所示，顶盖帽700上设有便于栓挂储存的穿孔710。

如图1，头部堵塞110上的进水通道112呈T字型，进水通道112具有两个进水口113，进水口113外露，进水通道112的出水口114经由压盖122上的通孔1220与传感器容置腔121连通，压盖122上均布地开设有多个通孔1220，这样可以使深部地热储层510中的液体环境与传感器容置腔121内的传感器芯体600接触的同时，对传感器芯体600产生均匀的压力作用，确保电压信号的测量准确性，头部堵塞110的底部设有便于本实用新型传感器100下入液体环境中时减小阻力的锥形头111。

如图1，传感器筒120的顶部向上延伸有支撑固定壁125，支撑固定壁125可呈圆筒状、半筒状、板状等，不受局限，其中：支撑固定壁125伸入线路板筒140的线路板容置腔141内而使线路板150稳固地固定于线路板容置腔141内；支撑固定壁125上设有用于排布线路板150引出导线的导线通道123。线路板筒140顶部、公接头170、母接头180、尾部压帽190上的导线通道可参见支撑固定壁125上的导线通道123来理解。

如图1，公接头170的导线通道中插装有用于固定四针插头161的四针插头固定套160，四针插头固定套160的通腔1601中安装有四针插头161，其中：从线路板150的信号输出端口引出的导线连接于四针插头161上，从四针插头161引出的导线依次贯穿线路板筒140、公接头170、母接头180、尾部压帽190上设有的导线通道后与外部的探测线缆200的端头连接。

在实际设计中，传感器筒120与线路板筒140相连的部位之间，线路板筒140与公接头17相连的部位之间，公接头17与公母接头固定螺帽130相连的部位之间，等等，可安装有确保密封性能、实现腔内防水的O型防水圈(图中未标出)，O型防水圈选用耐高温高压的O型橡胶密封圈为宜。

在实际设计中，测温元件670优选选用铂电阻。

在实际设计中，硅膜片650采用单晶硅制成，测压电路652为在硅膜片650的表面上激光蚀刻出的四个压敏电阻651搭接形成的图5所示的电桥电路，其中：四个压敏电阻651的电阻值相等，且四个压敏电阻651中心对称分布，如图4所示。

在本实用新型中，将测压电路652或说电桥电路设计为向外引出三根导线，一根导线输出电压信号，另外两根导线用于连接电源正负极，即图5中所示的地和Vin引脚。将测温元件670设计为向外引出用于输出温度信号的一根导线。如图2，输出管脚接口690上可设计有五个输出管脚，其中的四个输出管脚分别连接上述用于输出电压信号、温度信号，接入电源正负信号的导线，而剩余的一个输出管脚留作备用。

本实用新型采用的压力测量原理为：

利用硅膜片650的压阻效应，在硅膜片650的表面上激光蚀刻出用于感测电压信号、电阻值相等的压敏电阻R1～R4，压敏电阻R1～R4作为桥臂电阻对称分布并搭接成电桥电路的形式，如图5所示。

当硅膜片650受到压力作用时，其外形和电阻率改变，从而导致硅膜片650自身材料的阻值发生变化，也就是说，压力(应变)与电阻值之间具有映射关系，可表示为下式：

上式中：π为硅膜片650自身材料的压阻系数，E为硅膜片650自身材料的杨氏模量，ε为硅膜片650自身材料的应变率，υ为硅膜片650自身材料的泊松比。

由此可以看出，硅膜片650这种半导体的电阻值变化

是由几何尺寸的改变和载流子运动状态的改变共同作用形成的。

在实际应用时，将本实用新型传感器100下放到地热深井500中的深部地热储层510，处于深部地热储层510的液体环境中时，液体介质通过头部堵塞110的进水通道112、压盖122的通孔1220进入传感器容置腔121，直接向波纹片640施加压力P(如图3)，于是波纹片640将感应的压力P经由硅油660传递给硅膜片650。

当硅膜片650上的压敏电阻651的阻值因所受压力P的作用而发生变化时，电桥电路的平衡状态遭到破坏，导致电桥电路输出非零的电压信号Vout，电压信号Vout即反映了深部地热储层510的压力参数，从而达到测量压力参数的目的。

进一步来说，理想情况下，电桥电路中的压敏电阻R1～R4的阻值是完全相同的，它们受温度等外界因素的影响是一致的，但是当外界压力P作用于硅膜片650时，电桥电路的电压响应呈线性变化。

如图3至图5，设定电桥电路输出的电压信号Vout为B、D两点的电势差，A、C两点用于输入电源电压，则得到下式：

Vout＝V_B-V_D

式中：

Vin为输入的电源电压，ΔR表示压敏电阻651的阻值变化，R1′、R2′、R3′、R4′分别为压敏电阻R1～R4发生阻值变化后的电阻值。

在理想状态下，假设桥臂电阻，即压敏电阻统一记为R，硅膜片650所受压力为P，则电桥电路输出的电压变化ΔVout为：

由上式可以看出，在压力P作用下，本实用新型传感器100输出的电压信号变化ΔVout由电桥电路中的桥臂电阻R的阻值变化ΔR决定。因此，可以得出，电桥电路输出的电压信号Vout可以很好地反映深部地热储层510的压力参数。

基于上述本实用新型热储参数获取用传感器100，一方面可准确获得位于地下2000米～4000米的深部地热储层的压力和温度参数，另一方面，基于获得的压力参数，通过间接计算方式可准确得到介质密度参数，具体实现过程为：

1)本实用新型热储参数获取用传感器100下放到地热深井500中处于地下2000米～4000米的深部地热储层510的液体环境中，其中，液体环境中的液体介质可能为清水，也可能为清水与泥浆等的混合，不受局限；

2)借由测温元件670直接检测出深部地热储层510的温度参数；

3)借由传感器芯体600的测压电路652获得反映深部地热储层510的液体环境压力(水位压力)的电压信号，即电桥电路输出的电压信号Vout；

4)基于本领域已有或合理设定的电压与压力之间的量化映射关系，得到深部地热储层510的压力(水位压力)参数；

5)基于压力参数P，借由下式计算出介质密度参数，即介质密度参数通过压力参数间接计算得到：

ρ＝g(L-H)/P

上式中：ρ为介质密度参数，g为当地测量的重力加速度，L为探测线缆200下放到地热深井500中的长度，H为地热深井500中当时的静水位高度，P为压力参数；

6)完成热储参数的获取。

上式中涉及的介质即指深部地热储层510的液体环境中的液体介质。

在本实用新型中，线路板150上设计有处理电路，处理电路的主要作用为接收温度参数，基于接收的电压信号计算出压力参数，以及将压力、温度参数向外传输，另外，线路板150还负责向传感器芯体600供电(低电压)。线路板150及其上的处理电路为本领域的熟知技术，故不在这里详述。

在实际实施中，温度、压力(水位压力)两种参数的获取在本实用新型传感器100内实现。而介质密度参数的获取是基于传输至监测仪器400的温度、压力参数而最终在监测仪器400内间接计算得到的。

另外，本实用新型还提出了一种探测系统，如图6和图7，它包括上述本实用新型热储参数获取用传感器100，本实用新型热储参数获取用传感器100与探测线缆200的一端头相连，探测线缆200的另一端头经由置于井上地面的线缆收放控制绞车300与监测仪器400相连，其中：

如图7，线缆收放控制绞车300包括排线滚筒310，探测线缆200缠绕在排线滚筒310上，处于排线滚筒310输入侧的探测线缆200上安装有测距装置320和张力测量装置330，测距装置320位于地热深井500的井边，从排线滚筒310输出侧伸出的探测线缆200借由集流环380与监测仪器400的信号采集端口连接，排线滚筒310的转动轴经由传动机构340与变频电机350连接，即变频电机350对传动机构340进行控制，传动机构340带动排线滚筒310转动，达到收线和放线目的，传动机构340上安装有减速器360，变频电机350、减速器360、测距装置320、张力测量装置330的信号端口分别与控制装置370的相应信号端口连接，控制装置370的通讯端口与监测仪器400的通讯端口连接。

在实际设计中，测距装置320包括光电码盘和脉冲计数电路，光电码盘的电信号输出端口与脉冲计数电路的输入端口连接，脉冲计数电路的输出端口与控制装置370的相应信号端口连接，其中，光电码盘用于将位移转换成周期性的电信号，脉冲计数电路用于将电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数来表示探测线缆200的位移大小，即反映探测线缆200的收回与下放长度。

在实际实施时，通常设定探测线缆200每移动1米，发送1000个脉冲，于是通过记录脉冲数量便可实现放线/收线的长度测量目的。

在实际设计中，张力测量装置330为拉力计，即通过拉力的测量来换算成探测线缆200所承载的重量。

在本实用新型中，排线滚筒310采用刚性圆筒，其能够缠绕并承载探测线缆200，达到自动排线的目的。

在本实用新型中，变频电机350、减速器360和传动机构340的组合用于为排线滚筒310提供不同的驱动力，且可达到收放线速度可调的目的，其中的减速器360可起到良好的刹车作用。

在本实用新型中，集流环380的作用在于，便于探测线缆200与监测仪器400的连接。

在本实用新型中，变频电机350、减速器360、传动机构340和集流环380采用本领域的已有设备或器件，控制装置370、监测仪器400为本领域的熟知设备，故其具体组成、工作原理不在这里详述。

如图8，探测线缆200包括软铜导体210，软铜导体210外包裹有绝缘层220，绝缘层220外包裹有内铠装层230，内铠装层230外包裹有外铠装层240，其中：软铜导体210用于传输电源信号以及作为热储参数传输的载体，软铜导体210通常由7根细铜丝构成，每根铜丝的直径为0.21毫米，既保障了耐折性能，又保障了介质性能；绝缘层220可采用耐高温氟PFA材质制作；内铠装层230由12根直径为0.47毫米的钢丝逆时针构成；外铠装层240由18根直径为0.47毫米的钢丝顺时针构成，如图8所示，内、外铠装层230、240的钢丝排列方向不一致的设计保证了探测线缆200在使用过程中不打结。

本实用新型所使用的探测线缆200为一种单芯线缆，其用于供电与数据传输。基于上述结构设计的探测线缆200通常外径为3.5毫米，在空气中的重量为45千克/千米，最高耐温150℃，抗拉断力大于8KN，弯曲直径小于190毫米，最高耐压300伏特(直流)，适于用在深部地热储层的热储参数探测领域。

在本实用新型中，井下数据的传输优选采用跳变沿表达数据流的编码方式，即将数据信息转换为二进制形式，下降沿表示1，上升沿表示0，同时数据流包含时钟信息，该编码方式的优点是能够提供没有直流漂移的定时分量，编码简单，适合数据在井下探测线缆200中进行远程传输。根据探测线缆200的特性及环境因素计算数据信号的衰减度，试验证明该编码方式能够实现5000米的远距离信号传输。

在实施时，本实用新型传感器100下放至深部地热储层510的液体环境中，感知与计算出温度、压力(水位压力)这两种热储参数并将这些热储参数通过探测线缆200进行远程传输，经由地上的线缆收放控制绞车300最终传输至监测仪器400中，然后监测仪器400基于温度、压力(水位压力)参数计算出介质密度参数，从而完成探测任务。

在下放与回收本实用新型传感器100时，监测仪器400向控制装置370下达控制指令，于是，控制装置370对变频电机350和减速器360的运行进行控制，从而借由传动机构340对排线滚筒310的转动进行控制，以实现对探测线缆200放线与收线的控制。在放线与收线过程中，测距装置320对放线/收线的长度进行实时测量并向控制装置370进行实时反馈，张力测量装置330对探测线缆200所承受的拉力(重量)进行实时测量并向控制装置370进行实时反馈，继而使控制装置370更好地对变频电机350和减速器360进行控制，从而达到收放线缆速度可调的目的，确保探测任务的顺利实施。

本实用新型的优点是：

1、本实用新型热储参数获取用传感器因采用简洁实用的电桥电路来感测代表压力参数的电压信号，从而使得整个传感器在可具备耐高温高压(可承受的最高温度可达到150℃，可承受的最高压力可达到60MPa)特性的基础上，还可准确实时地获取地热深井中的深部地热储层的压力、温度参数，本实用新型传感器的密封性能好，使用寿命长。

2、本实用新型探测系统适用于深部地热储层的远距离数据传输与通讯，解决了地热深井井下数据的可靠传输问题，其具备自动排线、自动收放探测线缆且收放速度可调、自动记录下放深度等功能。

3、本实用新型不仅适用于对地热深井的深部地热储层进行深部热储参数的实时获取，还适用于油田、页岩气、干热岩、煤田等领域。

以上所述是本实用新型较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，任何基于本实用新型技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本实用新型保护范围之内。

Claims (9)

1.一种热储参数获取用传感器，其特征在于：它包括传感器筒，传感器筒内设有传感器容置腔，传感器芯体通过压盖被嵌装固定于传感器容置腔内，传感器筒的底口通过头部堵塞密封，头部堵塞上设有进水通道，传感器容置腔通过压盖上的通孔和进水通道与外部连通，传感器筒的顶口上安装有线路板筒，线路板筒内的线路板容置腔中安装有线路板，线路板筒的顶口上安装有公接头，公接头的顶部通过公母接头固定螺帽连接有母接头，母接头的顶口上安装有尾部压帽，其中：传感器芯体包括主壳，主壳的顶部设有充油腔，充油腔向下延伸至与主壳的底部开设的上凹槽相贯通，上凹槽的槽底放置有激光蚀刻出测压电路的硅膜片，硅膜片上朝向充油腔的表面上设有测温元件，充油腔内充入硅油后通过封盖密封，波纹片通过压环固定于主壳的底部，波纹片与硅膜片之间的间隙内充有硅油，从测压电路和测温元件引出的导线穿过充油腔内的硅油、封盖和封盖外的输出管脚接口后与线路板连接，从线路板引出的导线依次贯穿线路板筒、公接头、母接头、尾部压帽后与外部的探测线缆连接。

2.如权利要求1所述的热储参数获取用传感器，其特征在于：

所述头部堵塞上的所述进水通道呈T字型，所述进水通道的进水口外露而出水口经由所述压盖上的所述通孔与所述传感器容置腔连通，所述头部堵塞的底部设有锥形头。

3.如权利要求1所述的热储参数获取用传感器，其特征在于：

所述传感器筒的顶部向上延伸有支撑固定壁，其中：支撑固定壁伸入所述线路板筒的所述线路板容置腔内而使所述线路板固定于所述线路板容置腔内；支撑固定壁上设有导线通道。

4.如权利要求3所述的热储参数获取用传感器，其特征在于：

所述公接头的所述导线通道中插装有四针插头固定套，四针插头固定套中安装有四针插头，其中：从所述线路板引出的导线连接于四针插头上，从四针插头引出的导线依次贯穿所述线路板筒、所述公接头、所述母接头、所述尾部压帽后与外部的所述探测线缆连接。

5.如权利要求1至4中任一项所述的热储参数获取用传感器，其特征在于：

所述测温元件为铂电阻。

6.如权利要求1至4中任一项所述的热储参数获取用传感器，其特征在于：

所述硅膜片采用单晶硅制成，所述测压电路为在所述硅膜片的表面上激光蚀刻出的四个压敏电阻搭接形成的电桥电路，其中：四个压敏电阻的电阻值相等。

7.一种探测系统，其特征在于：它包括权利要求1至6中任一项所述的热储参数获取用传感器，所述热储参数获取用传感器与所述探测线缆的一端头相连，所述探测线缆的另一端头经由置于井上地面的线缆收放控制绞车与监测仪器相连，其中：

线缆收放控制绞车包括排线滚筒，所述探测线缆缠绕在排线滚筒上，处于排线滚筒输入侧的所述探测线缆上安装有测距装置和张力测量装置，测距装置位于地热深井的井边，从排线滚筒输出侧伸出的所述探测线缆借由集流环与监测仪器连接，排线滚筒的转动轴经由传动机构与变频电机连接，传动机构上安装有减速器，变频电机、减速器、测距装置、张力测量装置与控制装置连接，控制装置与监测仪器连接。

8.如权利要求7所述的探测系统，其特征在于：

所述测距装置包括光电码盘和脉冲计数电路，光电码盘的电信号输出端口与脉冲计数电路的输入端口连接，脉冲计数电路的输出端口与所述控制装置的相应信号端口连接；

所述张力测量装置为拉力计。

9.如权利要求7所述的探测系统，其特征在于：

所述探测线缆包括软铜导体，软铜导体外包裹有绝缘层，绝缘层外包裹有内铠装层，内铠装层外包裹有外铠装层。

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