專利名稱：注汽井光纖傳感四參數(shù)測井儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是對油田測井儀結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
在油田的開發(fā)和管理過程中，普遍需要采用注入技術(shù)(如注水、注汽、注聚合物、注稀油等)來達(dá)到驅(qū)油效果。在采用除注汽以外的其他注入技術(shù)時，一般對井下的描述比較簡單，只需測定壓力和流量二參數(shù)就能滿足需要，而且這種在非惡劣環(huán)境下的測定也容易實現(xiàn)。而注汽井是對于稠油或重油場合采用過飽和高溫、高壓蒸汽的辦法，才能降低稠油的粘度親和系數(shù)形成一定的吞吐能力。在注汽過程中，井下的溫度、壓力、干度(在一定深度井內(nèi)的流體流動時，汽體體積占流體總體積之比，即井內(nèi)汽體的體積濃度)、流量四參數(shù)的測定決定了流動剖面，分析剖面對于提高產(chǎn)油、減少注汽、降低熱損和描述管理油藏具有重要意義。但由于注汽井內(nèi)測量環(huán)境處于高溫、高壓的惡劣條件下，使數(shù)據(jù)采集工作很難進(jìn)行，到目前為止僅用溫度和壓力二參數(shù)的測定對注汽井內(nèi)的流體狀態(tài)進(jìn)行分析描述，尚未見有四參數(shù)測井儀 現(xiàn)使用的溫度、壓力二參數(shù)測并儀的溫度測定采用熱電偶，存在響應(yīng)速度慢、線性度差的缺點，而且定點時間過長、無法快速測量；其壓力測定采用硅壓阻傳感器，受環(huán)境溫度影響較大，并存在有零點的漂移問題，使僅有的二參數(shù)測定也不盡人意，更何況這二參數(shù)本身就不能滿足注汽井內(nèi)狀態(tài)分析的需要。
對于蒸汽干度的測定，美國Atlas測井服務(wù)公司采用γ射線測密度的方法來換算干度，存在著量程短、需附加防護(hù)裝置及多相流流型的判別問題。傳統(tǒng)的渦輪流量計容易受污染而失效，且只能適用于理想流體的測定，對于高溫、高壓顯然不符合使用要求。在已有技術(shù)中用光纖傳感測定溫度和壓力的應(yīng)用較為普遍，而且測量精度隨著技術(shù)的日臻完善不斷提高，但在測井儀中尚未見有光纖傳感測定的報道。
本發(fā)明的目的就是設(shè)計出注汽井用光纖傳感的溫度、壓力、干度、流量四參數(shù)測井儀，以解決上述存在問題，并使之具有使用方便、測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。
為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明技術(shù)方案采用如下方式得以實現(xiàn)。所設(shè)計的注汽井光纖傳感四參數(shù)測井儀的組成采用有，帶有空腔體的圓柱外殼體、外殼體頂端為帶有軸向通孔的打撈頭、隔熱保溫材料、光纖傳感溫度、干度、動壓、靜壓傳感器及其信號處理電路；其結(jié)構(gòu)特點為，在外殼體上部打撈頭下端位置至少有二個不同方向的徑向通孔和一個盲孔，二個通孔在外殼體中心與打撈頭上軸向通孔相通形成中心通道，在徑向通孔與外殼體空腔之間的位置設(shè)置溫度、動壓、靜壓、干度四個光纖傳感器的傳感頭，所有傳輸光纖都連至空腔體內(nèi)，其中靜壓傳感頭的端頭朝向盲孔內(nèi)，溫度、動壓、干度三個傳感頭的端頭朝向通孔；在空腔體的內(nèi)壁襯有尺寸匹配的真空隔熱膽，真空膽的底部置有隔熱保溫材料，保溫材料向上真空膽內(nèi)設(shè)有與其內(nèi)徑尺寸匹配的隔熱套管，套管的上下兩端有保溫材料制作的密封塞；光纖傳感器的傳輸光纖通過上端的密封塞進(jìn)入套管內(nèi)腔，其中信號傳輸光纖經(jīng)由所設(shè)置的光電轉(zhuǎn)換器將光信號分別轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)信號放大后由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，即可將得到的溫度、動壓、靜壓、干度四組數(shù)字信號輸出；在套管內(nèi)腔還設(shè)置有冷光源發(fā)光管，光源光線由光源傳輸光纖送至傳感器的傳感頭。
本發(fā)明的特征還在于，所述動壓、干度傳感頭的端頭位于中心通道內(nèi)徑向通孔內(nèi)壁表面，所述靜壓傳感頭的端頭位于盲孔內(nèi)壁表面；四個傳感器的四根信號傳輸光纖分別經(jīng)由四個光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變出電信號，再經(jīng)四個信號放大電路放大，對應(yīng)輸出四路放大信號送入串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出溫度、動壓、靜壓、干度(ρ)四組數(shù)字信號，用這些輸出信號經(jīng)處理運算后就能得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)值，再用動壓與靜壓之差等于ρV2/2就能得到流速(V)，由流速即可方便地計算出流量；在套管內(nèi)腔的信號處理線路板上還可設(shè)有定時控制器，用其控制冷光源和信號處理電路的電源開關(guān)；所述的冷光源發(fā)光管為激光二極管。按照上述技術(shù)方案，所述的測井儀可制成存儲式結(jié)構(gòu)，在套管內(nèi)腔設(shè)置有電池電源，并設(shè)帶有內(nèi)存和只讀存儲器的單片機(jī)與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端相連，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號在單片機(jī)內(nèi)由設(shè)置在只讀存儲器的處理程序進(jìn)行處理運算，得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)被存于內(nèi)存；并由單片機(jī)完成定時控制器的時間設(shè)置，以定時控制器控制光源和單片機(jī)之前的信號處理電路的電源開關(guān)；在單片機(jī)的輸出端口連接有串行數(shù)據(jù)回放接口，接口設(shè)置在下端密封塞的外端，同時外殼體底端設(shè)有可拆卸的端蓋，拆下端蓋可露出回放接口。
由上述可以看出，本發(fā)明將四個光纖傳感器合理地設(shè)置在測井儀外殼體內(nèi)，并在外殼體內(nèi)采用了較好的真空隔熱和保溫材料隔熱的雙重措施，其傳感器采集的數(shù)據(jù)信號能由所設(shè)信號處理電路進(jìn)行前期處理，可以通過電纜將信號傳送至地面由計算機(jī)實時處理分析，也可制成存儲式結(jié)構(gòu)把處理后的數(shù)據(jù)儲存起來，待測井儀返回地面后通過接口把儲存數(shù)據(jù)回放給地面計算機(jī)處理分析；本發(fā)明克服高溫、高壓惡劣環(huán)境，根據(jù)流體力學(xué)的等式、利用采集的信號、方便地得到溫度、壓力、干度、流量四個參數(shù)，從而為油井內(nèi)剖面的分析描述提供全面的信息依據(jù)，完全可以滿足注汽井下狀態(tài)的分析。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有不受惡劣環(huán)境影響、采集數(shù)據(jù)全面、測量準(zhǔn)確，使用方便、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。當(dāng)然本發(fā)明也可以滿足采用其他注入技術(shù)油井的測量使用，只是有大材小用之感。
附

圖1為本發(fā)明所設(shè)計注汽井光纖傳感四參數(shù)測井儀一種實例(存儲式)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為打撈頭，2為溫度傳感頭，3為動壓傳感頭，4為干度傳感頭，5為靜壓傳感頭，6為傳輸光纖，7為密封塞，8為光電轉(zhuǎn)換器，9為信號處理線路板，10為測井儀外殼體，11為真空膽，12為隔熱套管，13為電池電源，14為回放接口，15為保溫隔熱材料，16為端蓋。附圖2為圖1實例的信號處理電路部分的結(jié)構(gòu)示意框圖。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。
參見附圖1，所設(shè)計注汽井光纖傳感四參數(shù)存儲式測井儀的外殼體采用不銹鋼管制成，其上端焊接有打撈頭，下端以螺紋連接有端蓋，在打撈頭下端位置至少開有二個不同方向的徑向通孔和一個盲孔，二徑向通孔在中心相通形成中心通道，以利于來自不同方向流體的流通，使檢測更為準(zhǔn)確。在盲孔與空腔體之間設(shè)置靜壓光纖傳感器的傳感頭，并使其端頭位于盲孔內(nèi)壁表面；在徑向通孔與空腔體之間設(shè)置溫度、動壓、干度三個光纖傳感器的傳感頭，最好使動壓和干度傳感頭的端頭位于中心通道內(nèi)徑向通孔內(nèi)壁表面，四個傳感器的傳輸光纖都連至空腔體內(nèi)，其中動壓和靜壓可采用相同結(jié)構(gòu)的壓力光纖傳感器，設(shè)于盲孔內(nèi)的由于流體不流通故所測壓力為靜止壓力，而設(shè)于中心通道的受流體流通的影響故所測壓力為動態(tài)壓力；各種光纖傳感器的選擇可根據(jù)要求和方便選取更為適用的結(jié)構(gòu)類型，本發(fā)明推薦有三種光纖傳感器在文后介紹。在鋼管空腔體內(nèi)壁襯有尺寸匹配的不銹鋼真空隔熱膽，真空膽在端蓋連接處分為二段，其可隨端蓋的拆卸被分開；真空膽的底部置有隔熱保溫石棉材料，在石棉材料往上真空膽內(nèi)有與其內(nèi)徑尺寸匹配的隔熱套管，套管的上下二端有密封塞，套管和密封塞可以選用石棉或巖棉等保溫隔熱材料壓制而成，也可以用隔熱保溫材料制成夾層結(jié)構(gòu)，在夾層中填充石英沙等隔熱保溫材料，或是十水硫酸鈉等吸熱材料，這些都應(yīng)在本發(fā)明所保護(hù)范圍之內(nèi)。
在本發(fā)明中壓力傳感器可以采用微位移光纖傳感器，其結(jié)構(gòu)原理是在傳感頭的端頭為一膜片，外界流體壓力的變化使膜片產(chǎn)生位移，在傳感頭內(nèi)固定設(shè)有光源光纖和信號接收光纖，膜片的位移量決定了所接收反射光的強(qiáng)度，由此即可確定流體的壓力，其不受溫度影響、測量精度高，采用PIN光電轉(zhuǎn)換器將接收的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。所采用干度傳感器的結(jié)構(gòu)原理為，用藍(lán)寶石做成的柱形傳感頭，其前端為通過流體，后端耦合有光源傳輸光纖和信號傳輸光纖，光線經(jīng)藍(lán)寶石照射流體，流體內(nèi)由于水蒸汽的存在能將光部分反射，蒸汽越多反射光越強(qiáng)，反射光經(jīng)過藍(lán)寶石由信號傳輸光纖送至PIN光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)處理后即得到干度。所采用溫度傳感器的結(jié)構(gòu)原理為，采用外表面鍍有鋁或鉻反射膜的中空光纖做為信號傳輸光纖，其前端頭磨成球狀固定設(shè)置在徑向通孔內(nèi)壁表面下(約1-2mm)，高溫流體產(chǎn)生的紅外輻射經(jīng)內(nèi)壁表面進(jìn)入傳輸光纖的中空腔體，被送至熱電堆光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)處理后得到溫度。上述所有傳感器使用石英光纖。
參見附圖2，本發(fā)明所設(shè)計存儲式測井儀的信號處理部分的結(jié)構(gòu)為四路信號傳輸光纖進(jìn)入套管內(nèi)腔分別連接于光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，其中溫度信號連接于熱電堆光電轉(zhuǎn)換器，四路電信號經(jīng)分別放大后送入串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(可選用MAX186)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入89C2051單片機(jī)，由設(shè)于只讀存儲器(EPROM)內(nèi)的處理程序運算處理并將結(jié)果存于內(nèi)存，單片機(jī)的輸出端接有RS232回放接口，待測井儀返回地面后通過此接口將內(nèi)存數(shù)據(jù)回放給地面計算機(jī)；在套管內(nèi)腔還設(shè)置有電池和激光二極管，光線由光源傳輸光纖送至傳感器的傳感頭，電池可采用充電電池，并連接有充電接口設(shè)置在下端密封塞的外端；為了省電和延長器件的使用壽命，在信號處理線路板上還設(shè)有定時控制器，以便給光源和單片機(jī)之前的信號處理電路的電源開關(guān)提供時間基準(zhǔn)控制，其時間設(shè)置由單片機(jī)完成；另外在套管內(nèi)腔還可以設(shè)置半導(dǎo)體溫度傳感器(AD590)，將其得到的腔內(nèi)溫度數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，用于在腔內(nèi)溫度變化時對所測參數(shù)進(jìn)行修正；這樣測井儀回放給地面計算機(jī)的數(shù)據(jù)應(yīng)該是，在某一時刻(可知測量深度)某一腔內(nèi)溫度(用于修正)時的溫度、壓力、干度、流量四參數(shù)的系列數(shù)據(jù)。
發(fā)明人按上述要求制出測井儀樣品，并經(jīng)油田試用后效果非常好。其測溫范圍0～400℃，誤差＜±0.5℃；其測壓范圍0～20Mpa，精度為0.1Mpa；其測干度范圍0～100％，精度為0.5％；其測流量范圍2～30t/h，精度為0.1t/h；可連續(xù)工作6小時以上，腔內(nèi)溫度＜60°。
權(quán)利要求
1.一種注汽井用光纖傳感四參數(shù)測井儀，采用有帶有空腔體的圓柱外殼體、外殼體頂端為帶有軸向通孔的打撈頭、隔熱保溫材料、光纖傳感溫度、干度、動壓、靜壓傳感器及其信號處理電路；其特征在于，在外殼體上部打撈頭下端位置至少有二個不同方向的徑向通孔和一個盲孔，二個通孔在外殼體中心與撈打頭上軸向通孔相通形成中心通道，在徑向通孔與外殼體空腔之間的位置設(shè)置溫度、動壓、靜壓、干度四個光纖傳感器的傳感頭，所有傳輸光纖都連至空腔體內(nèi)，其中靜壓傳感頭的端頭朝向盲孔內(nèi)，溫度、動壓、干度三個傳感頭的端頭朝向通孔；在空腔體的內(nèi)壁襯有尺寸匹配的真空隔熱膽，真空膽的底部置有隔熱保溫材料，保溫材料向上真空膽內(nèi)有與其內(nèi)徑尺寸匹配的隔熱套管，套管的上下兩端有保溫材料制作的密封塞；光纖傳感器的傳輸光纖通過上端的密封塞進(jìn)入套管內(nèi)腔，其中信號傳輸光纖徑由所設(shè)的光電轉(zhuǎn)換器將光信號分別轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)信號放大后由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，即可將得到的溫度、動壓、靜壓、干度四組數(shù)字信號輸出；在套管內(nèi)腔還設(shè)置有冷光源發(fā)光管，光源光線由光源傳輸光纖送至傳感器的傳感頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測井儀，其特征在于，所述動壓、干度傳感頭的端頭位于中心通道內(nèi)徑向通孔的內(nèi)壁表面，所述靜壓傳感頭的端頭位于盲孔內(nèi)壁表面；四個傳感器的四根信號傳輸光纖分別經(jīng)由四個光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變出電信號，再經(jīng)四個信號放大電路放大，對應(yīng)輸出四路放大信號送入串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出溫度、動壓、靜壓、干度(ρ)四組數(shù)字信號，用這些輸出信號經(jīng)處理運算后就能得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)值，再用動壓與靜壓之差等于ρV2/2就能得到流速(V)，由流速即可計算出流量；在套管內(nèi)腔的信號處理線路板上還設(shè)有定時控制器，用其控制冷光源和信號處理電路的電源開關(guān)；所述的冷光源發(fā)光管為激光二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測井儀，其特征在于，將測井儀制成存儲式結(jié)構(gòu)，在套管內(nèi)腔設(shè)置有電池電源，并設(shè)帶有內(nèi)存和只讀存儲器的單片機(jī)與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端相連，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號在單片機(jī)內(nèi)由設(shè)置在只讀存儲器的處理程序進(jìn)行處理運算，得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)被存于內(nèi)存；并由單片機(jī)完成定時控制器的時間設(shè)置，以定時控制器控制光源和單片機(jī)之前信號處理電路的電源開關(guān)；在單片機(jī)的輸出端口連接有串行數(shù)據(jù)回放接口，接口裝置在下端密封塞的外端，同時外殼體底端設(shè)有可拆卸的端蓋，拆下端蓋可露出回放接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測井儀，其特征在于，所述的動壓和靜壓傳感器采用結(jié)構(gòu)相同的壓力傳感器，其壓力傳感器采用微位移光纖傳感器，其結(jié)構(gòu)原理是在傳感頭的端頭為一膜片，外界流體壓力的變化使膜片產(chǎn)生位移，在傳感頭內(nèi)固定設(shè)有光源光纖和信號接收光纖，膜片的位移量決定了反射光的強(qiáng)度，由此即可確定流體的壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測井儀，其特征在于，所述的干度傳感器的結(jié)構(gòu)原理為，用藍(lán)寶石做成的柱形傳感頭，其前端為通過流體，后端耦合有光源傳輸光纖和信號傳輸光纖，光線經(jīng)藍(lán)寶石照射流體，反射光經(jīng)過藍(lán)寶石由信號傳輸光纖送至PIN光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)處理后即得到干度。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測井儀，其特征在于，所述的溫度傳感器的結(jié)構(gòu)原理為，采用外表面鍍有反射膜的中空光纖做為信號傳輸光纖，其前端頭磨成球狀固定設(shè)置在徑向通孔內(nèi)壁表面下，高溫流體產(chǎn)生的紅外輻射經(jīng)內(nèi)壁進(jìn)入傳輸光纖的中空腔體，被送至熱電堆光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)處理后得到溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求2～6中任一項或幾項的組合所述的測井儀，其特征在于，在套管內(nèi)腔設(shè)置有半導(dǎo)體溫度傳感器，將其得到的腔內(nèi)溫度數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，用于對所測參數(shù)的修正。
全文摘要
一種注汽井光纖傳感四參數(shù)測井儀,是在測井儀外殼體內(nèi)設(shè)置有溫度、干度、動壓、靜壓四個光纖傳感器,并采用真空和保溫材料的雙重隔熱措施,傳感器采集的信號由處理電路進(jìn)行前期處理,通過電纜送至地面由計算機(jī)實時處理分析,也可制成存儲式結(jié)構(gòu)把數(shù)據(jù)儲存起來,待返回地面由接口將存儲數(shù)據(jù)回放給地面機(jī)處理分析,從而為油井內(nèi)剖面的分析描述提供溫度、壓力、干度、流量四參數(shù),其在高溫高壓下有采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確全面、使用方便可靠的優(yōu)點。
文檔編號E21B47/00GK1258806SQ9811305
公開日2000年7月5日 申請日期1998年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月28日
發(fā)明者陳堯生, 阮航 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所