一種井下多相流體特性測量傳感器及其工作方法
2023-06-03 13:57:31 3
專利名稱：一種井下多相流體特性測量傳感器及其工作方法
技術領域：
本發明涉及石油鑽井過程中井筒或管道中單相或多相流體特性測量領域，更具體的涉及一種井下多相流體特性測量傳感器及其工作方法。
背景技術：
在鑽井過程中，常有溢流、氣侵等複雜工況發生，如在早期不能及時發現且加以控制，有可能使事故進一步惡化，形成井湧甚至井噴等惡性鑽井事故，甚至造成井毀人亡重大事故。溢流、氣侵是地層流體進入井筒之中，由於地層流體與井筒中的鑽井液介電常數與電導率不同，當溢流和氣侵發生時必然引起井筒中鑽井液介電常數與電導率的變化，因此只要實時測量井筒中介電常數與電導率的變化即可得知鑽井液成分是否發生變化，進而及時得知是否有溢流和氣侵發生。介電特性為電介質的固有特性，電介質在外加電場時會產生感應電荷而削弱電場，原外加電場(真空中)與最終介質中電場比值即為介電常數，又稱誘電率。一般不同的物質具有不同的介電常數。如果某一電介質與混入其中的雜質介電常數有較大差別，可通過測量此介質的介電常數變化來判斷其是否混入雜質，如利用介電常數測量原油含水率、潤滑油使用狀況、油品生產質量等等。目前測量介電常數常用傳感器為平行板電極式和同軸電纜式。鑽井作業在工業工程中有其特殊性，因此對所使用測量儀器有一定特殊要求，主要表現為:(I)井眼及鑽具尺寸有限，這就要求所使用隨鑽測量儀器的體積不能過大；(2)井下環境惡劣，所使用探頭應能在高溫高壓環境中使用；(3)鑽具時刻處於高頻高強度衝擊之中，要求測量元件有一定抗衝擊能力；(4)鑽井液粘度大，並且含有一定的巖屑，要求測量探頭具有防堵塞能力；(5)鑽井液流速大，且含有固相顆粒，要求測量探頭具有耐磨損能力。目前市面所有介電常數測量傳感器均不能用於鑽井過程中井下高溫高壓以及高頻高強度振動的條件下的隨鑽實時測量。
發明內容
本發明實施例提供一種井下多相流體特性測量傳感器及其工作方法，以用於井下高溫高壓以及高頻高強度振動的條件下的隨鑽實時測量。一方面，本發明實施例提供了一種井下多相流體特性測量傳感器，所述井下多相流體特性測量傳感器包括:振蕩及分析電路、測量探頭；其中，所述測量探頭，用於測量井下被測介質，獲取測量信號後發送給所述振蕩及分析電路；所述振蕩及分析電路，通過兩根導線分別耦接所述測量探頭的外電極和內電極，用於將電源提供的直流信號生成有預置頻率的振蕩交流信號，並將所述振蕩交流信號傳遞給所述測量探頭；並對所述測量探頭反饋的測量信號進行分析，得到所述被測介質的電導率和介電常數；通過對被測介質的電導率和介電常數的分析，得到被測介質的成分變化情況。可選的，在本發明一實施例中，所述外電極和所述內電極之間為絕緣材料，所述絕緣材料比被測介質的介電常數低。可選的，在本發明一實施例中，所述振蕩及分析電路還包括兩個輸出埠，用於分別輸出得到的所述被測介質的電導率和介電常數。可選的，在本發明一實施例中，所述振蕩及分析電路還包括接地端。可選的，在本發明一實施例中，所述振蕩交流信號為方波信號；所述被測介質為鑽井液，為氣、液單相或者氣、液、固多相混合流體；所述通過對被測介質的電導率和介電常數的分析的方法包括但不局限於:時域幅值變化分析方法，頻域頻譜分析方法。另一方面，本發明實施例提供了一種井下多相流體特性測量傳感器的工作方法，所述井下多相流體特性測量傳感器包括:振蕩及分析電路、測量探頭；所述振蕩及分析電路，通過兩根導線分別耦接所述測量探頭的外電極和內電極；其中，所述井下多相流體特性測量傳感器的工作方法包括:利用所述振蕩及分析電路將電源提供的直流信號生成有預置頻率的振蕩交流信號，並將所述振蕩交流信號傳遞給所述測量探頭；利用所述測量探頭接收所述振蕩交流信號後，測量井下被測介質，獲取測量信號後發送給所述振蕩及分析電路；利用所述振蕩及分析電路對所述測量探頭反饋的測量信號進行分析，得到所述被測介質的電導率和介電常數；利用所述被測介質的電導率和介電常數進行分析，得到被測介質的成分變化情況。可選的，在本發明一實施例中，所述利用所述振蕩及分析電路將電源提供的直流信號生成有預置頻率的振蕩交流信號之前，所述井下多相流體特性測量傳感器的工作方法還包括:在所述外電極和所述內電極之間填充絕緣材料，所述絕緣材料比被測介質的介電常數低。可選的，在本發明一實施例中，所述利用所述振蕩及分析電路對所述測量探頭反饋的測量信號進行分析，得到所述被測介質的電導率和介電常數，所述井下多相流體特性測量傳感器的工作方法還包括:利用所述振蕩及分析電路的兩個輸出埠分別輸出得到的所述被測介質的電導率和介電常數。可選的，在本發明一實施例中，所述振蕩及分析電路還包括接地端。可選的，在本發明一實施例中，所述振蕩交流信號為方波信號；所述被測介質為鑽井液，為氣、液單相流體或者氣、液、固多相混合流體；所述利用所述被測介質的電導率和介電常數進行分析的方法包括但不局限於:時域幅值變化分析方法，頻域頻譜分析方法。上述技術方案具有如下有益效果:因為採用所述井下多相流體特性測量傳感器包括:振蕩及分析電路、測量探頭；其中，所述測量探頭，用於測量井下被測介質，獲取測量信號後發送給所述振蕩及分析電路；所述振蕩及分析電路，通過兩根導線分別耦接所述測量探頭的外電極和內電極，用於將電源提供的直流信號生成有預置頻率的振蕩交流信號，並將所述振蕩交流信號傳遞給所述測量探頭；並對所述測量探頭反饋的測量信號進行分析，得到所述被測介質的電導率和介電常數；通過對被測介質的電導率和介電常數的分析，得到被測介質的成分變化情況的技術手段，所以達到了如下的技術效果:井下多相流體特性測量傳感器可測量被測介質的電導率和介電常數，其體積小，測量精度高、不受介質成分以及成分比例和粘度的影響。測量裝置易於加工，方便安裝，可應用於隨鑽測量短節，可在高溫高壓以及高頻高強度振動的條件下工作。應用在鑽井作業中，通過分析測量結果可判斷井筒近鑽頭處鑽井液成分變化情況，及時發現進入井筒中的地層流體，為預防和處理井下事故提供了有利時機。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明實施例提供一種井下多相流體特性測量傳感器結構示意圖；圖2為本發明實施例一種井下多相流體特性測量傳感器的工作方法流程圖；圖3為本發明應用實例地面管道多相流體特性測量方案示意圖；圖4為本發明應用實例井下近鑽頭鑽井液特性測量方案結構示意圖；圖5為本發明應用實例測量探頭氣侵測試數據示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。為了防止鑽井井湧、井噴等重大事故發生，通過實時測量井下近鑽頭處環空流體介電常數與電導率，及時發現進入井筒中地層流體(油、氣、水)，從而為控制事故進一步發展贏得寶貴時間。如圖1所示，為本發明實施例提供一種井下多相流體特性測量傳感器結構示意圖，所述井下多相流體特性測量傳感器包括:振蕩及分析電路1、測量探頭2 ;其中，所述測量探頭2，用於測量井下被測介質，獲取測量信號後發送給所述振蕩及分析電路I ;所述振蕩及分析電路1，通過兩根導線分別耦接所述測量探頭2的外電極和內電極，用於將電源(V+與V-)提供的直流信號生成有預置頻率的振蕩交流信號，並將所述振蕩交流信號傳遞給所述測量探頭2 ;並對所述測量探頭2反饋的測量信號進行分析，得到所述被測介質的電導率和介電常數；通過對被測介質的電導率和介電常數的分析，得到被測介質的成分變化情況。可選的，所述外電極和所述內電極之間為絕緣材料，所述絕緣材料比被測介質的介電常數低。可選的，所述振蕩及分析電路還包括兩個輸出埠 A和B，用於分別輸出得到的所述被測介質的電導率和介電常數。
可選的，所述振蕩及分析電路還包括接地端GND。可選的，所述振蕩交流信號為方波信號；所述被測介質為鑽井液，為氣、液單相流體或者氣、液、固多相混合流體；所述通過對被測介質的電導率和介電常數的分析的方法包括但不局限於:時域幅值變化分析方法，頻域頻譜分析方法。對應於上述裝置實施例，如圖2所示，為本發明實施例一種井下多相流體特性測量傳感器的工作方法流程圖，所述井下多相流體特性測量傳感器包括:振蕩及分析電路、測量探頭；所述振蕩及分析電路，通過兩根導線分別耦接所述測量探頭的外電極和內電極；其中，所述井下多相流體特性測量傳感器的工作方法包括:201、利用所述振蕩及分析電路將電源提供的直流信號生成有預置頻率的振蕩交流信號，並將所述振蕩交流信號傳遞給所述測量探頭；可選的，所述利用所述振蕩及分析電路將電源提供的直流信號生成有預置頻率的振蕩交流信號之前，所述井下多相流體特性測量傳感器的工作方法還包括:在所述外電極和所述內電極之間填充絕緣材料，所述絕緣材料比被測介質的介電常數低。202、利用所述測量探頭接收所述振蕩交流信號後，測量井下被測介質，獲取測量信號後發送給所述振蕩及分析電路；203、利用所述振蕩及分析電路對所述測量探頭反饋的測量信號進行分析，得到所述被測介質的電導率和介電常數；利用所述被測介質的電導率和介電常數進行分析，得到被測介質的成分變化情況。可選的，所述利用所述振蕩及分析電路對所述測量探頭反饋的測量信號進行分析，得到所述被測介質的電導率和介電常數，所述井下多相流體特性測量傳感器的工作方法還包括:利用所述振蕩及分析電路的兩個輸出埠分別輸出得到的所述被測介質的電導率和介電常數。可選的，所述振蕩及分析電路還包括接地端。可選的，所述振蕩交流信號為方波信號；所述被測介質為鑽井液，為氣、液單相流體或者氣、液、固多相混合流體；所述利用所述被測介質的電導率和介電常數進行分析的方法包括但不局限於:時域幅值變化分析方法，頻域頻譜分析方法。本發明實施例上述技術方案具有如下有益效果:因為採用所述井下多相流體特性測量傳感器包括:振蕩及分析電路、測量探頭；其中，所述測量探頭，用於測量井下被測介質，獲取測量信號後發送給所述振蕩及分析電路；所述振蕩及分析電路，通過兩根導線分別耦接所述測量探頭的外電極和內電極，用於將電源提供的直流信號生成有預置頻率的振蕩交流信號，並將所述振蕩交流信號傳遞給所述測量探頭；並對所述測量探頭反饋的測量信號進行分析，得到所述被測介質的電導率和介電常數的技術手段，所以達到了如下的技術效果:井下多相流體特性測量傳感器可測量介質的電導率及介電常數，其體積小，測量精度高、不受介質成分以及成分比例和粘度的影響。測量裝置易於加工，方便安裝，可應用於隨鑽測量短節，可在高溫高壓以及高頻高強度振動的條件下工作。應用在鑽井作業中，通過分析測量結果可判斷井筒近鑽頭處鑽井液成分變化情況，及時發現進入井筒中的地層流體，為預防和處理井下事故提供了有利時機。以下舉應用實例進行詳細說明:本發明應用實例的目的為了測量鑽井作業中近鑽頭出的鑽井液成分變化，但應用不局限於鑽井行業。本發明應用實例中測量探頭所用材料均為市面常規材料，加工方便。如圖3所示，為本發明應用實例地面管道多相流體特性測量方案示意圖。其中，井下多相流體特性測量傳感器由兩部分構成，分別為:振蕩及分析電路31，測量探頭32 ;還包括:直流電源33、數據採集卡34、計算機35、管道及流體36。振蕩及分析電路的作用之一是將電源提供的直流信號生成有一定頻率的振蕩交流信號，並將此信號通過導線傳遞給測量探頭；振蕩及分析電路的作用之二是對測量探頭的反饋信號進行分析，得到被測介質的電導率和介電常數，並通過A、B端子輸出。測量探頭直接接觸被測介質，被測介質不同，其反饋值也不相同。如圖4所示，為本發明應用實例井下近鑽頭鑽井液特性測量方案結構示意圖，其中包括:井下多相流體特性測量傳感器41、井下計算機42、脈衝發生器43、鑽鋌44、井壁45、脈衝壓力波46、鑽井液(被測介質)47，具體方法與上述類似，不再贅述。如圖5所示，為本發明應用實例測量探頭氣侵測試數據示意圖，可見，本發明應用實例井下多相流體特性測量傳感器，由於由測量探頭、振蕩及分析電路等組成，可在鑽井過程中實時測量井底鑽井液介電特性和導電特性，以及由此參數間接得到的其它參數。可在高溫高壓高頻振動環境中使用，有助於及時發現溢流、氣侵等事故。本領域技術人員還可以了解到本發明實施例列出的各種說明性邏輯塊(illustrative logical block),單元,和步驟可以通過電子硬體、電腦軟體,或兩者的結合進行實現。為清楚展示硬體和軟體的可替換性(interchangeability),上述的各種說明性部件(illustrative components),單元和步驟已經通用地描述了它們的功能。這樣的功能是通過硬體還是軟體來實現取決於特定的應用和整個系統的設計要求。本領域技術人員可以對於每種特定的應用，可以使用各種方法實現所述的功能，但這種實現不應被理解為超出本發明實施例保護的範圍。本發明實施例中所描述的各種說明性的邏輯塊，或單元都可以通過通用處理器，數位訊號處理器，專用集成電路(ASIC)，現場可編程門陣列或其它可編程邏輯裝置，離散門或電晶體邏輯，離散硬體部件，或上述任何組合的設計來實現或操作所描述的功能。通用處理器可以為微處理器，可選地，該通用處理器也可以為任何傳統的處理器、控制器、微控制器或狀態機。處理器也可以通過計算裝置的組合來實現，例如數位訊號處理器和微處理器，多個微處理器，一個或多個微處理器聯合一個數位訊號處理器核，或任何其它類似的配置來實現。本發明實施例中所描述的方法或算法的步驟可以直接嵌入硬體、處理器執行的軟體模塊、或者這兩者的結合。軟體模塊可以存儲於RAM存儲器、快閃記憶體、ROM存儲器、EPROM存儲器、EEPROM存儲器、寄存器、硬碟、可移動磁碟、⑶-ROM或本領域中其它任意形式的存儲媒介中。示例性地，存儲媒介可以與處理器連接，以使得處理器可以從存儲媒介中讀取信息，並可以向存儲媒介存寫信息。可選地，存儲媒介還可以集成到處理器中。處理器和存儲媒介可以設置於ASIC中，ASIC可以設置於用戶終端中。可選地，處理器和存儲媒介也可以設置於用戶終端中的不同的部件中。在一個或多個示例性的設計中，本發明實施例所描述的上述功能可以在硬體、軟體、固件或這三者的任意組合來實現。如果在軟體中實現，這些功能可以存儲與電腦可讀的媒介上，或以一個或多個指令或代碼形式傳輸於電腦可讀的媒介上。電腦可讀媒介包括電腦存儲媒介和便於使得讓電腦程式從一個地方轉移到其它地方的通信媒介。存儲媒介可以是任何通用或特殊電腦可以接入訪問的可用媒體。例如，這樣的電腦可讀媒體可以包括但不限於RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光碟存儲、磁碟存儲或其它磁性存儲裝置，或其它任何可以用於承載或存儲以指令或數據結構和其它可被通用或特殊電腦、或通用或特殊處理器讀取形式的程序代碼的媒介。此外，任何連接都可以被適當地定義為電腦可讀媒介，例如，如果軟體是從一個網站站點、伺服器或其它遠程資源通過一個同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數字用戶線(DSL)或以例如紅外、無線和微波等無線方式傳輸的也被包含在所定義的電腦可讀媒介中。所述的碟片(disk)和磁碟(disc)包括壓縮磁碟、鐳射盤、光碟、DVD、軟盤和藍光光碟，磁碟通常以磁性複製數據，而碟片通常以雷射進行光學複製數據。上述的組合也可以包含在電腦可讀媒介中。以上所述的具體實施方式
，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式
而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種井下多相流體特性測量傳感器，其特徵在於，所述井下多相流體特性測量傳感器包括:振蕩及分析電路、測量探頭；其中， 所述測量探頭，用於測量井下被測介質，獲取測量信號後發送給所述振蕩及分析電路； 所述振蕩及分析電路，通過兩根導線分別耦接所述測量探頭的外電極和內電極，用於將電源提供的直流信號生成有預置頻率的振蕩交流信號，並將所述振蕩交流信號傳遞給所述測量探頭；並對所述測量探頭反饋的測量信號進行分析，得到所述被測介質的電導率和介電常數；通過對被測介質的電導率和介電常數的分析，得到被測介質的成分變化情況。
2.如權利要求1所述井下多相流體特性測量傳感器，其特徵在於，所述外電極和所述內電極之間為絕緣材料，所述絕緣材料比被測介質的介電常數低。
3.如權利要求1所述井下多相流體特性測量傳感器，其特徵在於，所述振蕩及分析電路還包括兩個輸出埠，用於分別輸出得到的所述被測介質的電導率和介電常數。
4.如權利要求1所述井下多相流體特性測量傳感器，其特徵在於，所述振蕩及分析電路還包括接地端。
5.如權利要求1所述井下多相流體特性測量傳感器，其特徵在於，所述振蕩交流信號為方波信號；所述被測介質為鑽井液，為氣、液單相流體或者氣、液、固多相混合流體；所述通過對被測介質的電導率和介電常數的分析的方法包括但不局限於:時域幅值變化分析方法，頻域頻譜分析方法。
6.一種井下多相流體特性測量傳感器的工作方法，其特徵在於，所述井下多相流體特性測量傳感器包括:振蕩及分析電路、測量探頭；所述振蕩及分析電路，通過兩根導線分別耦接所述測量探頭的外電極和內電極；其中，所述井下多相流體特性測量傳感器的工作方法包括: 利用所述振蕩及分析電路將電源提供的直流信號生成有預置頻率的振蕩交流信號，並將所述振蕩交流信號傳遞給所述測量探頭； 利用所述測量探頭接收所述振蕩交流信號後，測量井下被測介質，獲取測量信號後發送給所述振蕩及分析電路； 利用所述振蕩及分析電路對所述測量探頭反饋的測量信號進行分析，得到所述被測介質的電導率和介電常數；利用所述被測介質的電導率和介電常數進行分析，得到被測介質的成分變化情況。
7.如權利要求6所述井下多相流體特性測量傳感器的工作方法，其特徵在於，所述利用所述振蕩及分析電路將電源提供的直流信號生成有預置頻率的振蕩交流信號之前，所述井下多相流體特性測量傳感器的工作方法還包括: 在所述外電極和所述內電極之間填充絕緣材料，所述絕緣材料比被測介質的介電常數低。
8.如權利要求6所述井下多相流體特性測量傳感器的工作方法，其特徵在於，所述利用所述振蕩及分析電路對所述測量探頭反饋的測量信號進行分析，得到所述被測介質的電導率和介電常數，所述井下多相流體特性測量傳感器的工作方法還包括: 利用所述振蕩及分析電路的兩個輸出埠分別輸出得到的所述被測介質的電導率和介電常數。
9.如權利要求6所述井下多相流體特性測量傳感器的工作方法，其特徵在於，所述振蕩及分析電路還包括接地端。
10.如權利要求6所述井下多相流體特性測量傳感器的工作方法，其特徵在於，所述振蕩交流信號為方波信號；所述被測介質為鑽井液，為氣、液單相流體或者氣、液、固多相混合流體；所述利用所述被測介質的電導率和介電常數進行分析的方法包括但不局限於:時域幅值變化分析方 法，頻域頻譜分析方法。
全文摘要
本發明提供一種井下多相流體特性測量傳感器及其工作方法，該傳感器包括振蕩及分析電路、測量探頭；其中，所述測量探頭，用於測量井下被測介質，獲取測量信號後發送給所述振蕩及分析電路；所述振蕩及分析電路，通過兩根導線分別耦接所述測量探頭的外電極和內電極，用於將電源提供的直流信號生成有預置頻率的振蕩交流信號，並將所述振蕩交流信號傳遞給所述測量探頭；並對所述測量探頭反饋的測量信號進行分析，得到所述被測介質的電導率和介電常數；通過對被測介質的電導率和介電常數的分析，得到被測介質的成分變化情況。本發明測量傳感器體積小，測量精度高、不受介質成分以及成分比例和粘度的影響。可在高溫高壓及高頻高強度振動的條件下工作。
文檔編號E21B49/08GK103206212SQ20131013835
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月19日 優先權日2013年4月19日
發明者張濤, 柳貢慧, 李軍 申請人:中國石油大學(北京), 北京信息科技大學