一種基於電導探針的兩相流流量傳感器及其使用方法與流程
2023-05-28 16:39:11 6
本發明涉及兩相流探測領域，尤其涉及一種基於電導探針的兩相流流量傳感器及其使用方法。
背景技術：
中國煤層氣儲量豐富，其中埋深淺於2000米的煤層氣資源為36.81萬億立方米，約佔全球的15.3％，儲量位居世界第三位。
近年，為充分利用煤層氣資源，加大了對煤層氣開採技術的研發力度，並鑽出了多口試驗井來探究煤層氣開採的成套技術，但受到技術條件限制，煤層氣開採井仍以垂直井居多。而，由於煤儲層天然的裂隙發育構造，決定了煤層氣生產井需進行排水降壓，在此過程中，地下水與煤層氣共同從井筒環空中產生，並在井筒環空內產生了氣液兩相流，因此，對於煤層氣抽採井，尤其是合層排採井而言，井筒環空內氣液兩相流(以下簡稱兩相流)流量參數的檢測至關重要，它對於制定合理的排採工藝、估算各煤層產氣量、判斷井下工況及分析地層狀況等均具有重要意義。
目前，對煤層氣井筒環空內的兩相流進行實時測量常見的煤層氣抽採井的井筒環空尺寸一般不超過26mm，且使用環境存在最高10mpa壓力，井筒內不可避免會存在少量煤粉顆粒，因此，選擇或設計流量傳感器時必須對其使用工況環境進行考慮，流量傳感器受到體積、安裝要求、測量原理、流體介質、密封性能等因素的限制，無法在煤層氣井筒環空內使用。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的實施例提供了一種能在煤層氣井筒環空內使用，並且測量精度高的基於電導探針的兩相流流量傳感器及其使用方法。
本發明的實施例提供一種基於電導探針的兩相流流量傳感器，包括外殼、電路板、電導探針和彈性靶，所述外殼內沿豎直方向設有一電路支座，所述電路板安裝在電路支座上，所述電路支座和電路板通過一橡膠墊密封在外殼內，所述橡膠墊的上方設有一端蓋，所述端蓋插入外殼的上端擠壓橡膠墊，所述橡膠墊徑向變形實現密封，所述外殼的一側壁上開有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔在所述第二通孔的下方，所述第一通孔內安裝一探針壓蓋，所述探針壓蓋的內側設有第一密封環，所述電導探針的後端穿過探針壓蓋和第一密封環，所述探針壓蓋擠壓第一密封環，所述第一密封環徑向變形將電導探針的後端密封在外殼內，所述電導探針的後端與電路板連接，所述第二通孔內安裝一靶位壓蓋，所述靶位壓蓋的內側設有第二密封環，所述彈性靶的後端穿過靶位壓蓋和第二密封環，所述靶位壓蓋擠壓第二密封環，所述第二密封環徑向變形將彈性靶的後端密封在外殼內，所述彈性靶的前端上方有一全橋應變片，所述全橋應變片的信號線沿彈性靶進入外殼內，並連接電路板，待測流體先流過電導探針，所述電導探針探測流體的流型，並將流型信號傳輸給電路板，所述流體再流過彈性靶，所述彈性靶在流體的衝擊力作用下發生彈性形變，所述全橋應變片感應變形量，並將變形信號傳輸給電路板，所述電路板根據流體的流型信號對變形信號進行標定，進而得到流體的流量。
進一步，所述電路支座上還安裝有溫度探頭，所述溫度探頭連接電路板，所述溫度探頭探測溫度，並將溫度信號傳輸給電路板，所述電路板根據溫度信號對變形信號進行修正。
進一步，所述外殼連接一保護罩，所述保護罩的兩端開口，保護罩的高度與外殼的高度相適配，所述保護罩與電導探針和彈性靶在同一側，所述電導探針和彈性靶在保護罩內。
進一步，所述第一通孔和第二通孔均呈t形，所述靶位壓蓋和探針壓蓋均通過螺栓固定在外殼上。
進一步，所述電路板的上部和下部均通過螺釘固定在電路支座上，所述全橋應變片黏貼在彈性靶的前端。
進一步，所述電路板通過導線將所述流體的流量輸出。
進一步，所述外殼的上端開有t形孔，所述t形孔內插入端蓋，並通過螺栓固定，所述端蓋的中間設有電纜防水接頭，所述導線穿過電纜防水接頭至外殼的外側。
進一步，所述端蓋連接一延伸蓋，所述延伸蓋與端蓋一體成型，所述延伸蓋通過螺栓將端蓋與外殼固定在一起。
一種基於電導探針的兩相流流量傳感器的使用方法，包括以下步驟：
(1)將兩相流流量傳感器通過鑽杆安裝在井筒中；
(2)井筒內的流體由下向上流動，先流過電導探針，所述電導探針探測流體的流型，並將流型信號傳輸給電路板，所述電路板根據流型信號對流體的流型進行判別；
(3)流體流過彈性靶，彈性靶在流體的衝擊力作用下發生彈性形變，所述全橋應變片感應變形量，並將變形信號傳輸給電路板，同時，溫度探頭將溫度信號傳輸給電路板，電路板根據溫度信號對變形信號進行修正，並對修正後的變形信號進行標定，進而得到流體的流量。
進一步，流體的流型根據流體中氣體含量的增加可依次分為：泡狀流、彈狀流、攪混流、環狀流及細束環狀流；
所述泡狀流的標定公式為：y＝0.062x5-0.895x4+4.797x3-11.211x2+15.061x-1.853(0.3≤x≤5)；
所述彈狀流的標定公式為：y＝-0.0352x5+0.291x4-0.647x3+0.139x2+6.358x+0.402(0.26≤x≤4.25)；
所述攪混流的標定公式為：y＝0.019x5-0.088x4-0.026x3+0.352x2+6.503x+0.726(0.19≤x≤3.69)；
所述環狀流的標定公式為：y＝-0.226x5+1.374x4-3.033x3+3.32x2+6.691x+1.342(0.11≤x≤2.78)；
所述細束環狀流的標定公式為：y＝0.597x5-4.372x4+11.367x3-12.632x2+13.901x+0.745(0.09≤x≤2.7)；
式中：x為全橋應變片的變形量，y為流體的流量。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：本發明先通過電導探頭確定流型，再測點變形信號，同時通過溫度信號對變形信號進行修正，變形信號的精度大大提高，針對不同流型有針對性的標定，標定精度大大提高，進而大大提高流量測定的精度，而且，本發明密封性好，測量幹擾少，測量精度高；能在煤層氣井筒環空內使用，不受到體積、安裝要求、測量原理、流體介質和密封性能等因素的限制。
附圖說明
圖1是本發明一種基於電導探針的兩相流流量傳感器的一示意圖。
圖2是本發明一種基於電導探針的兩相流流量傳感器的一俯視圖。
圖3是圖1中去除保護罩的一側視圖。
圖4是圖1中靶位壓蓋、彈性靶和全橋應變片的放大圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地描述。
請參考圖1-圖4，本發明的實施例提供了一種基於電導探針的兩相流流量傳感器，包括外殼1、電路板2、電導探針3和彈性靶4。
外殼1內沿豎直方向設有一電路支座11，外殼1的上端開有t形孔12，所述t形孔12內插入端蓋5，並通過螺栓6固定，外殼1的上端一側固接一固定塊13，外殼1的一側壁上開有第一通孔14和第二通孔15，外殼1連接一保護罩7。
第一通孔14在所述第二通孔15的下方，在一實施例中，第一通孔14和第二通孔15均呈t形，所述第一通孔14和第二通孔15的內側均設有密封環141。
第一通孔14內安裝一探針壓蓋142，所述探針壓蓋142密封在第一通孔14內，所述探針壓蓋142的內側設有第一密封環141，所述電導探針3的後端穿過探針壓蓋142和第一密封環141，所述探針壓蓋142擠壓第一密封環141，所述第一密封環141徑向變形將電導探針3的後端密封在外殼1內，所述電導探針3的後端與電路板2連接。
第二通孔15內安裝一靶位壓蓋151，所述靶位壓蓋151的內側設有第二密封環152，所述彈性靶4的後端穿過靶位壓蓋151和第二密封環152，所述靶位壓蓋151擠壓第二密封環152，所述第二密封環152徑向變形將彈性靶4的後端密封在外殼1內，所述彈性靶4的前端上方有一全橋應變片41，在一實施例中，全橋應變片41黏貼在彈性靶4的前端，所述全橋應變片41的信號線(圖中未示出)沿彈性靶4進入外殼1內，並連接電路板2。在一實施例中，所述靶位壓蓋151和探針壓蓋142均通過螺栓6固定在外殼1上。
保護罩7的兩端開口，保護罩7的高度與外殼1的高度相適配，所述保護罩7與電導探針3和彈性靶4在同一側，所述電導探針3和彈性靶4在保護罩7內，保護罩7防護電導探針3和彈性靶4在測量過程中受損，延長電導探針3和彈性靶4的使用壽命。
電路板2安裝在電路支座11上，電路支座11和電路板2通過一橡膠墊52密封在外殼1內，所述橡膠墊52的上方設有一端蓋5，所述端蓋5插入外殼1的上端擠壓橡膠墊52，所述橡膠墊52徑向變形實現密封，在一實施例中，電路板2的上部和下部均通過螺釘21固定在電路支座11上，所述電路支座11和電路板2密封在外殼1內，電路支座11上還安裝有溫度探頭8，溫度探頭8連接電路板2，所述溫度探頭8探測溫度，並將溫度信號傳輸給電路板2。
固定塊13與電導探針3和彈性靶4在同一側，所述端蓋5連接一延伸蓋51，所述延伸蓋51與端蓋5一體成型，所述延伸蓋51通過螺栓6將端蓋5和外殼1固定在一起，在一實施例中，端蓋5的中間設有電纜防水接頭9，所述導線10穿過電纜防水接頭9至外殼1的外側。
兩相流流量傳感器安裝在井筒(圖中未示出)內，所述井筒內的流體自下向上流動，所述流體先流過電導探針3，所述電導探針3探測流體的流型，並將流型信號傳輸給電路板2，所述流體再流過彈性靶4，所述彈性靶4在流體的衝擊力作用下發生彈性形變，所述全橋應變片41感應變形量，並將變形信號傳輸給電路板2，所述電路板2根據溫度信號對變形信號進行修正，所述電路板2根據流體的流型信號對變形信號進行標定，進而得到流體的流量，電路板2通過導線10將所述流體的流量輸出。
一種基於電導探針的兩相流流量傳感器的使用方法，包括以下步驟：
(1)將兩相流流量傳感器通過鑽杆安裝在井筒中；
(2)井筒內的流體由下向上流動，先流過電導探針3，所述電導探針3探測流體的流型，並將流型信號傳輸給電路板2，所述電路板2根據流型信號對流體的流型進行判別；流體的流型根據流體中氣體含量的增加可依次分為：泡狀流、彈狀流、攪混流、環狀流及細束環狀流；
(3)流體流過彈性靶4，彈性靶4在流體的衝擊力作用下發生彈性形變，所述全橋應變片41感應變形量，並將變形信號傳輸給電路板2，同時，溫度探頭8將溫度信號傳輸給電路板2，電路板2根據溫度信號對變形信號進行修正，並根據步驟(2)判別的流型對修正後的變形信號進行標定，進而得到流體的流量。
所述泡狀流的標定公式為：y＝0.062x5-0.895x4+4.797x3-11.211x2+15.061x-1.853(0.3≤x≤5)；
所述彈狀流的標定公式為：y＝-0.0352x5+0.291x4-0.647x3+0.139x2+6.358x+0.402(0.26≤x≤4.25)；
所述攪混流的標定公式為：y＝0.019x5-0.088x4-0.026x3+0.352x2+6.503x+0.726(0.19≤x≤3.69)；
所述環狀流的標定公式為：y＝-0.226x5+1.374x4-3.033x3+3.32x2+6.691x+1.342(0.11≤x≤2.78)；
所述細束環狀流的標定公式為：y＝0.597x5-4.372x4+11.367x3-12.632x2+13.901x+0.745(0.09≤x≤2.7)；
式中：x為全橋應變片的變形量，y為流體的流量。
本發明先通過電導探頭確定流型，再測點變形信號，同時通過溫度信號對變形信號進行修正，變形信號的精度大大提高，針對不同流型有針對性的標定，標定精度大大提高，進而大大提高流量測定的精度；能在煤層氣井筒環空內使用，不受到體積、安裝要求、測量原理、流體介質和密封性能等因素的限制。
在本文中，所涉及的前、後、上、下等方位詞是以附圖中零部件位於圖中以及零部件相互之間的位置來定義的，只是為了表達技術方案的清楚及方便。應當理解，所述方位詞的使用不應限制本申請請求保護的範圍。
在不衝突的情況下，本文中上述實施例及實施例中的特徵可以相互結合。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。