CN214374293U - 一种阵列探头成像仪器及其一体化光学持气率探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种阵列探头成像仪器及其一体化光学持气率探头，其中一体化光学持气率探头包括：探头外壳，光棱镜、发光器件和接收光器件；光棱镜设置于探头外壳的端口；发光器件、接收光器件均设置于光棱镜的内端，光棱镜的外端设有用于同发光器件的光线配合的光界面；光棱镜的光界面能够使得发光器件的光线在遇到气体时全反射到接收光器件，和在遇到液体时部分反射到接收光器件；接收光器件信号输出端连接于外围电路。通过光界面使得发光器件形成不同的反射光强，并将其转换为大小不同电信号以达到识别气相的目的；同时，基于光器件与光棱镜的集成式设置，使得入射光线强度大，入射角恒定，使得测量结果具有较好的一致性、准确性。

Description

一种阵列探头成像仪器及其一体化光学持气率探头

技术领域

本实用新型涉及水平井动态监测仪器技术领域，特别涉及一种阵列探头成像仪器及其一体化光学持气率探头。

背景技术

随着国内页岩气开发的进展和规模的不断扩大，大量的页岩气水平井在开发过程的不同阶段，都需要进行产出剖面测井，目前只有国外测井公司拥有该项测井仪器技术，每年在国内页岩气地区进行几十口井的产气剖面测井施工。

目前国内外新型光学持气率仪采用光纤探针式，存在四个方面问题，一是光纤的传输的光强弱，其光源需要激光式强光源，几十公分长的光纤光路中还需要耐高温分光器、光耦合器等，制造难度大、成本高；二是光线传播是经过光纤内腔的多次反射才能到达光纤头部的探针界面，而且光纤需折弯安装在阵列成像仪器上，光线到达光纤探针界面的入射角就更具不确定性，亦即光的入射角不能满足全反射测量原理，致使区分气相和液相的分辨率下降；三是测量臂式阵列成像仪器结构原因，安装有多条光纤，其走向、位置和弯曲度均不同，也会使多个光纤探针的持气率测量值不一致；四是光纤随着测量臂张开而弯曲，对不同内径的油气井套管，测量臂张开度改变，使光纤的弯曲度改变，光线到达探针界面的入射角也要发生变化，从而产生刻度和测量的不对应性误差。消除此误差需要三相流实验室配备各种型号管子，予以进行有针对性的仪器刻度，费事费力，目前三相流实验室还不具备此条件，若水平井底边存在起伏高度不定的波浪式沉沙，使测量臂张开度带动光纤的弯曲度忽大忽小，更无所适从。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种一体化光学持气率探头，可实现了发光器件和接收光器件与光棱镜的集成式设置，使得入射光线强度大，入射角恒定，从而可使得测量结果具有较好的一致性、准确性。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种一体化光学持气率探头，包括：光棱镜、发光器件、接收光器件和探头外壳；

所述光棱镜设置于所述探头外壳的端口；所述发光器件、所述接收光器件均位于所述探头外壳内，且均设置于所述光棱镜的内端，所述光棱镜的外端设有用于同所述发光器件的光线配合的光界面；所述光棱镜的光界面能够使得所述发光器件的光线在遇到气体介质时被全反射至所述接收光器件，和能够使得所述发光器件的光线在遇到液体介质时被部分反射至所述接收光器件；所述接收光器件的信号输出端用于连接外围电路。

优选地，所述光棱镜为蓝宝石棒材；所述光棱镜的光界面为锥度45°的圆锥面。

优选地，所述光棱镜的直径为6mm。

优选地，所述探头外壳的端口面和/或所述光棱镜的光界面设有用于同气泡配合的钢刺针群。

优选地，还包括：设置于所述探头外壳内的镶嵌管座；所述发光器件和/ 或所述接收光器件通过所述镶嵌管座镶嵌于所述光棱镜的内端。

优选地，所述发光器件包括发光管；所述接收光器件包括光敏管；所述发光管和/或所述光敏管包括红外二极管。

优选地，所述接收光器件的信号输出端通过电线连接所述外围电路；所述电线包括：电路屏蔽线。

优选地，还包括：温漂补偿模块；所述温漂补偿模块通讯连接于所述发光器件的电源。

一种阵列探头成像仪器，包括：持气率探头，所述持气率探头为如上所述的一体化光学持气率探头。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型提供的一体化光学持气率探头中，通过光棱镜的光界面使得发光器件的光线在不同的介质下发生不同程度的反射，尤其在遇到气体介质时发生全反射，使得探测到的反射光强大；在遇到液体时发生部分或少量反射，使得探测到的反射光强小，再通过接收光器件将反射光强大小转换为大小不同电信号，有助于达到在油气水三相流中分辨出气体目的；而且，再基于发光器件和接收光器件与光棱镜的集成设置，使得入射光线强度大，入射角恒定，从而可使得测量结果具有较好的一致性、准确性。

本实用新型还提供了一种阵列探头成像仪器，由于采用了上述的一体化光学持气率探头，因此其也就具有相应的有益效果，具体可以参照前面说明，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的测量原理示意图；

图2为本实用新型另一实施例提供的测量原理示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一体化光学持气率探头的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的总体电路框图；

图5为本实用新型实施例提供的原始探头温度特性图；

图6为本实用新型实施例提供的温漂校正后探头温度特性图；

图7为本实用新型实施例提供的测井过程示意图。

其中，1为钢刺针群，2为光棱镜，3为镶嵌管座，4为光敏管，5为发光管，6为探头外壳。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供的一体化光学持气率探头，如图3所示，包括：光棱镜2、发光器件、接收光器件和探头外壳6；

光棱镜2设置于探头外壳6的端口；发光器件、接收光器件均位于探头外壳6内，且均设置于光棱镜2的内端，光棱镜2的外端设有用于同发光器件的光线配合的光界面；光棱镜2的光界面能够使得发光器件的光线在遇到气体介质时被全反射至接收光器件，和能够使得发光器件的光线在遇到液体介质时被部分反射至接收光器件；接收光器件的信号输出端用于连接外围电路。需要说明的是，本方案的接收光器件能够将反射光强大小转换为大小不同电信号。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的一体化光学持气率探头中，通过光棱镜的光界面使得发光器件的光线在不同的介质下发生不同程度的反射，尤其在遇到气体介质时发生全反射，使得探测到的反射光强大；在遇到液体时发生部分或少量反射，使得探测到的反射光强小，再通过接收光器件将反射光强大小转换为大小不同电信号，有助于达到在油气水三相流中分辨出气体目的；而且，再基于发光器件和接收光器件与光棱镜的集成设置，使得入射光线强度大，入射角恒定，从而可使得测量结果具有较好的一致性、准确性。

在本方案中，为了适应混合流体的复杂工况，这就要求光棱镜2具有耐高温高压和耐腐蚀的特性；而且为了满足光的全反射原理，同时也要求光棱镜2具有很好的透光性和较大折射率。作为优选，光棱镜2优选为蓝宝石棒材；相应地，如图1所示，光棱镜2的光界面为锥度为45°的圆锥面，可使得发光器件的光线经过两次90°的反射，再180°折回接收光器件感应出电信号，以便于达到在三相流中分辨出气体的效果。

具体地，光棱镜2的直径为6mm。如此设计，可使得本方案中的探头与现有的光纤探头(0.25mm)相比，其于测量流体的接触面大，及和油泡、气泡相遇几率高，从而使得测量符合率相应高些。

为了进一步优化上述的技术方案，如图2所示，探头外壳6的端口面和/ 或光棱镜2的光界面设有用于同气泡配合的钢刺针群1，用于增强刺破气泡能力，以使得棱镜界面尽量探测到气泡破灭后释放的干气，而不是气泡表面的液膜，以此有助于提高气体探测性能。

在本方案中，如图3所示，本实用新型实施例提供的一体化光学持气率探头还包括：设置于探头外壳6内的镶嵌管座3；发光器件和/或接收光器件通过镶嵌管座3镶嵌于光棱镜2的内端，从而有助于增加了发光器件和/或接收光器件镶嵌的稳固性。

具体地，如图3所示，发光器件包括发光管5；接收光器件包括光敏管4；发光管5和/或光敏管4包括红外二极管。在本方案中，选用红外二极管作为发光管5和/或光敏管4，主要基于红外二极管具有红外光比紫外光透射性能好、在蓝宝石介质中直射距离长等特点。

为了进一步优化上述的技术方案，接收光器件的信号输出端通过电线连接外围电路；如此设计，可使得电线任意弯曲安装，而且安装不受机械结构影响，设计制造简易、成本低；作为优选，电线包括：电路屏蔽线。在本方案中，电信号传输线采用屏蔽线缆，以防外界电磁干扰。

在本方案中，光二极管的温漂特性，随温度升高发光强度随之减弱，为了适应不同的井下温度场，以及常温刻度值应用于高温的井下状态，需对光二极管的温漂特性进行修正，使探头在不同的温度环境下输出值恒定，才能保证测井结果的一致性和准确性。相应地，本实用新型实施例提供的一体化光学持气率探头还包括：温漂补偿模块；温漂补偿模块通讯连接于发光器件 (即为优选作为发光管5的红外二极管)的电源。即为对探头采用温漂补偿，以保证光探头不同温度场、同介质下恒输出。需要说明的是，在本方案中，温漂补偿作用于发光器件的供电电源，以实现自动调节其供电流大小的目的，主要补偿其因环境温度升高和自身发热所致发光强度减弱大的突出特性，次要也补偿了接收光器件因温度升高、减弱其光电转换效应的不明显特性(接收光器件不供电)；本方案采用温漂补偿最终体现在探头的恒输出；另外，加温实验也是记录整体探头的输出和温度数据，形成编程软件，嵌入单片机。

本实用新型实施例还提供一种阵列探头成像仪器，包括：持气率探头，持气率探头为如上所述的一体化光学持气率探头。由于本方案采用了上述的一体化光学持气率探头，因此其也就具有相应的有益效果，具体可以参照前面说明，在此不再赘述。

下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：

本实用新型实施例提供的一体化光学持气率探头，把包括光棱镜、发光管、光敏管、镶嵌管座、探头外壳和钢刺针群封装固定为耐高温高压的一体化探头。

进一步地，所述光棱镜采用直径6mm、折射率为1.765的人造蓝宝石材质棱镜，光界面为锥度45°的圆锥体。

进一步地，发光管和光敏管为红外二极管。

进一步地，所述光棱镜椎体加装有钢刺针群。

进一步地，一体化探头输出电信号使用屏蔽线传输到外围电路。

进一步地，采用对6个探头的发光管扫描循环，并脉冲供电、周期发光，使6个探头的发光管间断循环工作的低功耗设计。

进一步地，对探头采用温漂补偿，保证光探头不同温度场、同介质下恒输出。

进一步地，输出信号的处理电路和软件算法采用时间占比方法计算气泡份额。

本实用新型涉及一种一体化光学持气率探头，用于页岩气水平井产气剖面阵列成像测井，得出各产出层段含气率，结合其他测井参数给出各层段压裂效果、反排情况、产出状况和层段相互影响情况，依据测井结果，进行层段措施调整，并指导后续页岩气井的射孔和压裂方案，提高产能。

本实用新型基于光的全反射原理。

本实用新型为光学棱镜和光器件封装为长度仅有2厘米的一体化持气率探头，棱镜材质选用满足3个要求：1、折射率较大，使临界角C尽量小，遇到气体时易满足全反射。2、折射率不能太大，应满足遇液体时使光线尽量多的折射走，反射少。3、材质耐高温高压、耐腐蚀。

本实用新型经过计算选用吻合以上特征的Φ6mm蓝宝石材质棒材，一端加工成直角锥面形成棱镜光界面，另一端通过镶嵌光器件，成为一体化探头。发光管光线以45°入射在光界面上，遇到气体发生全反射，探测到的光强大；遇到液体水和油时，大部分光线折射走、少量光线反射到光敏管，探测到的光强小，反射光强大小转换为大小不同电信号，达到在油气水三相流中分辨出气体目的。

探头锥形棱镜的光界面(在本方案中，只是锥形光界面的侧表面积接触测量流体)是Φ0.25mm光纤探针光界面的275倍，和气泡相遇的几率高。

光棱镜的光界面安装有钢刺针群，以增强对气泡的刺破探测性能。

发光管发射光线在蓝宝石介质中直射到探测界面，入射角恒定，且传播距离只有几毫米，损耗极小，采用小功率发光管二极管即可满足光强要求，测量结果有很好的一致性、准确性。

选用非可见光、受太阳环境光线影响小的单色红外二极管，红外光比紫外光透射性能好、在蓝宝石介质中直射距离长。

探头输出电信号使用电线传输，可以任意弯曲安装，安装不受机械结构影响，设计制造简易、成本低。

电信号传输线采用屏蔽线缆，以防外界电磁干扰。

6个探头的6个发光管供电，采用扫描循环、脉冲供电、周期发光，使每个探头的发光管依次循环且脉冲点亮，达到低功耗目的。

采用软硬件温度补偿方法，实现发光强度自动控制，解决了井温升高和发光二极管自身发热都会降低发光光强的问题，保证了环境温度不影响测量结果的准确性。

请参见图1，在耐高温高压、耐腐蚀的材料中，光棱镜选用具有很好的透光性、折射率较大的蓝宝石材料，使入射角θ1首先满足制造封装要求：把Φ6mm 蓝宝石棒加工成锥度45°的锥形光界面，使发光管光线经过两次90°反射，180°折回光敏管感应出电信号；且满足在三相流中分辨出气体。

验证是否满足光的全反射定律：蓝宝石的折射率＝1.765：气的折射率＝1.333，所以临界角C_气＝34.5°；液体水的折射率＝1.333，所以临界角C_水＝49°；液体油的折射率1.48-1.50，所以临界角C_油＝57°-58.2°。加工的蓝宝石棱镜光界面入射角为45°，大于C_气的34.5°即遇气体发生全反射；小于C_水的49°、更小于C_油的57°-58.2°，即遇水和油只发生部分反射。保证了探头遇气发生全反射、探测到的光强大，遇水和油部分光线折射走、探测到的反射光强小(如图2所示)，反射光强大小由光敏管转换为大小不同电信号。

光棱镜的光界面加装有钢刺针群，增强了对气泡的刺破探测性能。使棱镜界面尽量探测到气泡破灭后释放的干气，而不是气泡表面的液膜。

探头遇气相输出高电压，经处理电路转换为方波脉冲信号，记录单位采样测量周期每个方波信号出现时间。计算周期内所有方波出现时间总和与采样周期两者比值，即气相出现时间占比的算法，得出持气率测井结果；记录的单个方波信号出现时间，还能给出气泡个数及大小。

随着混合流体不断流过光学棱镜，电路输出连续变化的高低电平，经过数据处理，得到混合流体中单个探头周围的局部持气率测井曲线，达到探测气体目的。

针对6个探头的发光管同时工作电流大问题，采用扫描循环、脉冲供电、周期发光，使6个探头的发光管间断循环工作，达到低功耗目的；对应光敏管输出的电信号，采用和点亮发光管同步的接收采集电路，形成了扫描电路、同步采集电路及单片机控制技术，使整支仪器在井下存储模式的8500mAH电池组支持下能连续工作70小时。

针对发光管输出光强受环境温度影响较大问题，通过热敏电阻测温补偿电路和经过实验所得到的温补软件，对探头电源电路进行自动调节，使整个探头温漂效应得到补偿，保证了光敏管输出电压不随井温的升高而变化，从而确保了仪器的一致性和准确性，也确保井下高温测量数据能准确运用地面常温下的标定图版。

下面结合附图对本实用新型实施方式再作进一步说明：

请参照图3，光棱镜2和探头外壳6进行耐高压封装，光棱镜2加装钢刺针群1，发光管5和光敏管4封装入镶嵌管座3，再和光棱镜2结合，形成一体化光学持气率探头。

参照图4，核心为单片机及其控制软件和温漂校正软件，控制扫描电路和同步采集测量电路，使采集测量值和时序点亮的发光管均为同一探头；单片机嵌入的温漂校正软件使热敏电阻补偿电路作用于探头电源，使温飘效应的探头实现全温度场的准确测量。

请参照图5，为未做温度影响校正的探头输出和环境温度的关系曲线， 150℃相对误差达到43％。

请参照图6，为温度影响校正后的探头输出和环境温度的关系曲线，最大相对误差在60℃为7.5％，满足持气率测井要求。

请参照图7，随着混合流体不断流过光学棱镜界面，通过探头得到不断变化的原始电信号，经电路处理为方波脉冲信号，其中高电压代表气相，低电压代表液相，一个方波脉冲宽度表示第n个气泡通过探头所经过的时间Δτ_n，在测量周期T内，根据探头检测到的所有气相出现的时间，即可得到气泡份额：

式中，

表示测量周期T内，井筒径向h位置处的平均气泡份额；N_t表示测量周期T内测得的气泡数量。

气泡份额即为流过探头混合流体的局部持气率。

综上所述，本实用新型提供了一种一体化光学持气率探头，包括：光棱镜、发光管、光敏管、镶嵌管座、探头外壳、钢刺针群，以及屏蔽传输线和低功耗发光管驱动电源、温漂补偿、信号处理、采集、测量控制等外围电路、测井计算方法，构成持气率测井仪器，用于页岩气水平井产气剖面阵列成像测井。

本实用新型提供的一体化封装的固定式结构，一是克服了光纤传输光线弱且有弯曲衰减效应，保证了接收光强大，不需激光式强光源就能达到测量要求；二是光线传播距离不到1厘米且直射到探测界面，保证了测量入射角恒定，克服了光纤传输需无数次内腔反射，才能到达光纤头探测界面，入射角度存在的不确定特性；再者本实用新型的探头光棱镜探测界面是光纤探针的275倍，探头和气泡相遇的几率高，对微产气井段具有较高灵敏度。

加装的钢刺针群，用于增强刺破气泡能力，以探测到泡内干气，提高气体探测性能。对阵列6探头各1个发光管的供电，采用扫描循环、脉冲供电、周期发光的设计，使6个探头的发光管间断循环工作，达到低功耗效能。对光学持气率探头进行温漂补偿，保持探头在不同温度场、同介质下恒输出，保证测量结果不受井温影响。处理电路和软件算法采用时间占比计算气泡份额，得出流过探头混合流体的局部持气率。

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。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一体化光学持气率探头，其特征在于，包括：光棱镜(2)、发光器件、接收光器件和探头外壳(6)；

所述光棱镜(2)设置于所述探头外壳(6)的端口；所述发光器件、所述接收光器件均位于所述探头外壳(6)内，且均设置于所述光棱镜(2)的内端，所述光棱镜(2)的外端设有用于同所述发光器件的光线配合的光界面；所述光棱镜(2)的光界面能够使得所述发光器件的光线在遇到气体介质时被全反射至所述接收光器件，和能够使得所述发光器件的光线在遇到液体介质时被部分反射至所述接收光器件；所述接收光器件的信号输出端用于连接外围电路。

2.根据权利要求1所述的一体化光学持气率探头，其特征在于，所述光棱镜(2)为蓝宝石棒材；所述光棱镜(2)的光界面为锥度45°的圆锥面。

3.根据权利要求2所述的一体化光学持气率探头，其特征在于，所述光棱镜(2)的直径为6mm。

4.根据权利要求1所述的一体化光学持气率探头，其特征在于，所述探头外壳(6)的端口面和/或所述光棱镜(2)的光界面设有用于同气泡配合的钢刺针群(1)。

5.根据权利要求1所述的一体化光学持气率探头，其特征在于，还包括：设置于所述探头外壳(6)内的镶嵌管座(3)；所述发光器件和/或所述接收光器件通过所述镶嵌管座(3)镶嵌于所述光棱镜(2)的内端。

6.根据权利要求1所述的一体化光学持气率探头，其特征在于，所述发光器件包括发光管(5)；所述接收光器件包括光敏管(4)；所述发光管(5)和/或所述光敏管(4)包括红外二极管。

7.根据权利要求1所述的一体化光学持气率探头，其特征在于，所述接收光器件的信号输出端通过电线连接所述外围电路；所述电线包括：电路屏蔽线。

8.根据权利要求1所述的一体化光学持气率探头，其特征在于，还包括：温漂补偿模块；所述温漂补偿模块通讯连接于所述发光器件的电源。

9.一种阵列探头成像仪器，包括：持气率探头，其特征在于，所述持气率探头为如权利要求1至8任意一项所述的一体化光学持气率探头。

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