CN106979005B - 一种适用于气液两相流的动液面高度传感器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于气液两相流的动液面高度传感器，其包括依次连接的密封头、密封座、外壳体和底座，所述动液面高度传感器还包括导线、电路板、气泡探针、温度探头和应变片，所述电路板、气泡探针和温度探头均位于外壳体内，所述应变片位于底座内，所述导线的一端、气泡探针、应变片和温度探头分别与电路板连接，所述导线的另一端连接终端设备。本发明还提供了一种所述动液面高度传感器的使用方法，包括以下步骤：将安装有动液面高度传感器的油管下放到井下动液面的下方，获得第一高度和井口空气的压力；将第一高度和井口空气的压力输入到终端设备；测量获得流体压力和流体平均密度；计算动液面高度。本发明能够实时测量动液面高度。

Description

一种适用于气液两相流的动液面高度传感器及其使用方法

技术领域

本发明涉及煤层气探测技术领域，尤其涉及一种适用于气液两相流的动液面高度传感器及其使用方法。

背景技术

我国煤层气储量丰富，其中埋深浅于2000米的煤层气资源为36.81万亿立方米，约占全球的15.3％，储量位居世界第三位。为了能够充分利用煤层气资源，近年来我国政府加大了对煤层气开采技术的研发力度，并钻出了多口试验井来探究煤层气开采的成套技术，但受技术条件限制，我国的煤层气开采井仍以垂直井居多。

对于煤层气开采而言，由于煤储层天然的裂隙发育构造，导致煤层气生产井需要进行排水降压，在此过程中，地下水与煤层气共同渗入到井筒环空，在井筒环空内形成气液两相流，由此导致井筒环空动液面高度增加；渗入井筒环空内的煤层气以气泡或气柱形式存在并沿井筒上升，上升的煤层气最终将脱离井筒环空液面，由此导致井筒环空动液面高度下降；此外，地层的涌水及漏水等因素也将导致井筒环空动液面高度发生变化。因此，由于上述众多复杂因素的存在，导致井筒环空动液面高度发生动态变化，由此形成动液面。

对于垂直井而言，井筒环空的动液面高度是制定排采工艺的重要参数之一，因此必须对动液面高度进行实时测量，常见的油气井液面测量方法包括浮筒测量法、回声探测法及压力探测法等，但上述常见的方法由于安装问题、设计问题、安全隐患、测量精度及无法实时测量等诸多问题，均无法适应煤层气排采井液面实时测量的需要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种能够实时测量动液面高度、提高测量精度的适用于气液两相流的动液面高度传感器，还提供了一种利用该动液面高度传感器测量动液面高度的方法。

本发明提供一种适用于气液两相流的动液面高度传感器，该动液面高度传感器包括依次连接的密封头、密封座、外壳体和底座，所述动液面高度传感器还包括导线、电路板、气泡探针、温度探头和应变片，所述电路板、气泡探针和温度探头均位于外壳体内，所述应变片位于底座内，所述导线、气泡探针、温度探头和应变片分别与电路板连接，所述气泡探针用以获得流体的平均密度，所述应变片用以测量流体压力，所述温度探头用以测量温度，利用所述温度探头测得的温度对应变片测得的压力进行修正，从而消除应变片的温漂。

进一步地，所述外壳体包括外壳体上端和外壳体下端，所述密封头与密封座的上端螺纹连接，所述密封座的下端与外壳体上端螺纹连接，所述外壳体下端与底座螺纹连接，所述密封头和密封座的连接处设有第一橡胶环，所述密封座的上端设有用以放置第一橡胶环的第一凹槽，所述外壳体上端和密封座的连接处设有密封垫，所述外壳体上端上设有用以放置密封垫的第二凹槽，所述外壳体下端与底座的连接处设有橡胶密封圈，所述外壳体下端呈阶梯状，将所述橡胶密封圈放置在外壳体下端的阶梯状台阶处。

进一步地，所述导线的一端依次穿过密封头、第一橡胶环和密封座的中心孔与电路板连接，所述第一橡胶环在密封头和密封座的连接处被压紧，从而使第一橡胶环紧贴导线而对导线进行密封，所述导线的另一端连接终端设备。

进一步地，所述外壳体的内部连接一卡座，所述卡座与外壳体的内部螺纹连接，所述卡座上加工有第一螺纹盲孔，所述电路板上设有第一通孔，通过在所述第一通孔和第一螺纹盲孔内插入螺栓可将电路板固定在卡座上，所述卡座的端面加工有内六角凹槽，以方便采用内六角扳手进行拧卸。

进一步地，所述外壳体上连接一压盖，所述外壳体与压盖的连接处设有第二橡胶环，在所述外壳体上设有用以放置第二橡胶环的第三凹槽，所述外壳体上加工有第二螺纹盲孔和第二通孔，所述气泡探针依次穿过压盖、第二橡胶环的中心孔和第二通孔后与电路板连接，所述压盖上设有第三通孔，通过在第三通孔和第二螺纹盲孔内插入螺钉可将压盖固定连接在外壳体上，同时所述压盖将第二橡胶环压紧从而实现对气泡探针的密封。

进一步地，所述外壳体上还连接一保护罩，所述保护罩位于压盖的上方，所述保护罩上设有第四通孔，通过在第四通孔和第二螺纹盲孔内插入螺钉可将保护罩固定连接在外壳体上，所述保护罩用以保护气泡探针。

进一步地，所述底座内加工有第四凹槽，在所述第四凹槽内放置具有防水功能的应变片，所述应变片的上方设有压环，所述压环位于卡座与外壳体的内部的连接处，所述压环用以对应变片进行密封。

进一步地，所述电路板上加工有第三螺纹盲孔，通过螺纹连接将所述温度探头旋入第三螺纹盲孔内，从而将所述温度探头与电路板连接，所述电路板上连接数据处理电路，所述数据处理电路用以处理应变片、气泡探针和温度探头检测到的数据。

本发明还提供了一种适用于气液两相流的动液面高度传感器的使用方法，包括以下步骤：

将所述动液面高度传感器安装于油管上，然后将安装有动液面高度传感器的油管下放到井下动液面的下方，获得第一高度，所述第一高度为动液面高度传感器安装位置距离井口的深度，同时获得井口空气的压力；

将所述第一高度和井口空气的压力输入到终端设备；

启动动液面高度传感器，利用所述应变片测量得到动液面高度传感器安装位置的流体压力，利用所述气泡探针获得动液面高度传感器安装位置与动液面高度之间的流体的平均密度，所述流体压力与平均密度被传输到终端设备；

所述终端设备对接收到的流体压力和平均密度进行处理，得到动液面高度。

进一步地，所述动液面高度具体通过以下步骤获得：

计算液体在动液面高度传感器安装位置产生的压力，所述液体在动液面高度传感器安装位置产生的压力的计算公式为：

P₂＝P₁-P₀

式中，P₂为液体在动液面高度传感器安装位置产生的压力，P₁为利用应变片测量得到的动液面高度传感器安装位置的流体压力，P₀为井口空气的压力；

计算第二高度，所述第二高度为动液面距离动液面高度传感器安装位置的深度，所述第二高度的计算公式为：

h₂＝P₂/ρg

式中，h₂为第二高度，ρ为利用气泡探针获得的平均密度，g为重力常数；

计算动液面高度，所述动液面高度的计算公式为：

h₃＝h₁-h₂

式中，h₃为动液面高度，h₁为第一高度。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

1.本发明提供的动液面高度传感器结构简单、安装方便，本发明通过在密封头和密封座的连接处设置第一橡胶环，在外壳体上端和密封座的连接处设置密封垫，在外壳体下端和底座的连接处设置橡胶密封圈，有效保证了动液面高度传感器的密封性，减小安全隐患；

2.本发明通过采用第一橡胶环对导线进行密封，采用第二橡胶环对气泡探针进行密封，同时采用保护罩保护气泡探针，采用压环对应变片进行密封，避免动液面高度传感器受到流体流动的影响；

3.本发明通过温度探头对应变片测得的压力进行修正，能够有效消除应变片的温漂，本发明利用气泡探针获得流体的平均密度，减小由于受到井筒环空泡沫段影响而引起的误差，有效解决了现有测量方法测量含气泡段的动液面高度误差较大的问题，提高了动液面高度的测量精度；

4.本发明提供的使用方法步骤简单、便于计算，能够实现实时测量动液面高度。

附图说明

图1是本发明一种适用于气液两相流的动液面高度传感器的主视图。

图2是本发明一种适用于气液两相流的动液面高度传感器的右视图。

图3是本发明一种适用于气液两相流的动液面高度传感器的俯视图。

图4是本发明一种适用于气液两相流的动液面高度传感器的剖面示意图。

图5是本发明一种适用于气液两相流的动液面高度传感器的卡座俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1至图5，本发明的实施例提供了一种适用于气液两相流的动液面高度传感器，其包括依次连接的密封头1、密封座2、外壳体3和底座4，外壳体3包括外壳体上端31和外壳体下端32，外壳体上端31和外壳体下端32均加工有螺纹，密封头1与密封座2的上端螺纹连接，密封座2的下端与外壳体上端31螺纹连接，外壳体下端32与底座4螺纹连接，密封头1和密封座2的连接处设有第一橡胶环22，密封座2的上端设有用以放置第一橡胶环22的第一凹槽21，第一凹槽21的形状为锥形，外壳体上端31和密封座2的连接处设有密封垫312，通过密封垫312可将外壳体上端31和密封座2的连接处进行密封，外壳体上端31上设有用以放置密封垫312的第二凹槽311，外壳体下端32与底座4的连接处设有橡胶密封圈321，通过橡胶密封圈321可将外壳体下端32与底座4的连接处进行密封，外壳体下端32呈阶梯状，将橡胶密封圈321放置在外壳体下端32的阶梯状台阶处，一实施例中，橡胶密封圈321采用O型圈。

该动液面高度传感器还包括导线5、电路板6、气泡探针7、温度探头8和应变片9，电路板6、气泡探针7和温度探头8均位于外壳体3内，导线5的一端依次穿过密封头1、第一橡胶环22和密封座2的中心孔与电路板6连接，第一橡胶环22在密封头1和密封座2的连接处被压紧，从而使第一橡胶环22紧贴导线5而对导线5进行密封，导线5的另一端连接一终端设备101。

气泡探针7用以获得流体的平均密度，应变片9用以测量流体压力，温度探头8用以测量温度，利用温度探头8测得的温度对应变片9测得的压力进行修正，从而消除应变片9的温漂。

外壳体3的内部连接一卡座33，卡座33与外壳体3的内部螺纹连接，卡座33上加工有第一螺纹盲孔331，电路板6上设有第一通孔61，通过在第一通孔61和第一螺纹盲孔331内插入螺栓可将电路板6固定在卡座33上。

请参考图5，卡座33的端面加工有内六角凹槽332，以方便采用内六角扳手进行拧卸。

外壳体3上固定连接一压盖352，外壳体3与压盖352的连接处设有第二橡胶环351，在外壳体3上设有用以放置第二橡胶环351的第三凹槽35，外壳体3上还加工有第二螺纹盲孔34和第二通孔36，气泡探针7依次穿过压盖352、第二橡胶环351的中心孔和第二通孔36后与电路板6连接，压盖352上设有第三通孔3521，通过在第三通孔3521和第二螺纹盲孔34内插入螺钉可将压盖352固定连接在外壳体3上，同时压盖352将第二橡胶环351压紧从而实现对气泡探针7的密封。

外壳体3上还固定连接一保护罩353，保护罩353位于压盖352的上方，保护罩353上设有第四通孔3531，通过在第四通孔3531和第二螺纹盲孔34内插入螺钉可将保护罩353固定连接在外壳体3上，保护罩353用以保护气泡探针7。

请参考图4，电路板6上加工有第三螺纹盲孔62，通过螺纹连接将温度探头8旋入第三螺纹盲孔62内，从而将温度探头8与电路板6连接。

底座4内加工有第四凹槽41，在第四凹槽41内放置具有防水功能的应变片9，应变片9与电路板6连接，在应变片9的上方设有压环333，压环333位于卡座33与外壳体3的内部的连接处，用以实现对应变片9进行密封。

电路板6上连接有数据处理电路63，数据处理电路63用以处理应变片9、气泡探针7和温度探头8检测到的数据。

该动液面高度传感器的工作原理为：应变片9受到井筒环空内气液两相流的压力影响而产生变形，压力越大则变形越大，且压力值与变形量之间存在线性关系，通过对应变片9的变形量进行标定可以得到流体的压力值，同时由于应变片9对温度较敏感，容易产生温漂，因此利用温度探头8对温度进行实时测量，根据温度的测量结果对应变片9的温漂进行修正，应变片9及温度探头8测得的数据被传输到数据处理电路63，数据处理电路63能够进行数据的处理；由于煤层气井筒环空流体为气液两相流，如果采用一般的密度传感器进行测量，则测量结果为液体密度，不能得到液体与气体混合后的平均密度，将气液两相流根据气体含量的不同划分为不同流型，流体的流型与流体密度之间存在对应关系，利用气泡探针7可以实时检测流体的参数数据，参数数据传输到数据处理电路63，数据处理电路63通过运算对流体的流型进行判断，根据流型判断的结果得到液体与气体混合后的平均密度。

本发明的实施例还提供了一种动液面高度传感器的使用方法：包括以下步骤：

S101，将动液面高度传感器安装于油管上，然后将安装有动液面高度传感器的油管下放到井下动液面的下方，获得第一高度h₁，第一高度h₁为动液面高度传感器安装位置距离井口的深度，同时获得井口空气的压力P₀。

S102，将第一高度h₁和井口空气的压力P₀输入到终端设备101；

S103，启动动液面高度传感器，利用应变片9测量得到动液面高度传感器安装位置的流体压力P₁，利用气泡探针7获得动液面高度传感器安装位置与动液面高度之间的流体的平均密度ρ，流体压力P₁与平均密度ρ被传输到终端设备101；

S104，终端设备101对接收到的流体压力P₁与平均密度ρ进行处理，得到动液面高度h₃；

动液面高度h₃具体通过以下步骤获得：

4.1计算液体在动液面高度传感器安装位置产生的压力P₂，液体在动液面高度传感器安装位置产生的压力P₂的计算公式为：

P₂＝P₁-P₀；

4.2计算第二高度h₂，第二高度h₂为动液面距离动液面高度传感器安装位置的深度，第二高度h₂的计算公式为：

h₂＝P₂/ρg

式中，ρ为利用气泡探针7获得的平均密度，g为重力常数；

4.3计算动液面高度h₃，动液面高度h₃的计算公式为：

h₃＝h₁-h₂。

本发明提供的动液面高度传感器结构简单、安装方便，本发明通过在密封头1和密封座2的连接处设置第一橡胶环22，在外壳体上端31和密封座2的连接处设置密封垫312，在外壳体下端32和底座4的连接处设置橡胶密封圈321，有效保证了动液面高度传感器的密封性，减小安全隐患；本发明通过采用第一橡胶环22对导线5进行密封，采用第二橡胶环351对气泡探针7进行密封，同时采用保护罩353保护气泡探针7，采用压环333对应变片9进行密封，避免动液面高度传感器受到流体流动的影响；本发明通过温度探头8对应变片9测得的压力进行修正，能够有效消除应变片9的温漂，本发明利用气泡探针7获得流体的平均密度，减小由于受到井筒环空泡沫段影响而引起的误差，有效解决了现有测量方法测量含气泡段的动液面高度误差较大的问题，提高了动液面高度的测量精度；本发明提供的使用方法步骤简单、便于计算，能够实现实时测量动液面高度。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于气液两相流的动液面高度传感器，其特征在于，该动液面高度传感器包括依次连接的密封头、密封座、外壳体和底座，所述动液面高度传感器还包括导线、电路板、气泡探针、温度探头和应变片，所述电路板、气泡探针和温度探头均位于外壳体内，所述应变片位于底座内，所述导线、气泡探针、温度探头和应变片分别与电路板连接，所述气泡探针用以获得流体的平均密度，所述应变片用以测量流体压力，所述温度探头用以测量温度，利用所述温度探头测得的温度对应变片测得的压力进行修正，从而消除应变片的温漂。

2.如权利要求1所述的适用于气液两相流的动液面高度传感器，其特征在于，所述外壳体包括外壳体上端和外壳体下端，所述密封头与密封座的上端螺纹连接，所述密封座的下端与外壳体上端螺纹连接，所述外壳体下端与底座螺纹连接，所述密封头和密封座的连接处设有第一橡胶环，所述密封座的上端设有用以放置第一橡胶环的第一凹槽，所述外壳体上端和密封座的连接处设有密封垫，所述外壳体上端上设有用以放置密封垫的第二凹槽，所述外壳体下端与底座的连接处设有橡胶密封圈，所述外壳体下端呈阶梯状，将所述橡胶密封圈放置在外壳体下端的阶梯状台阶处。

3.如权利要求2所述的适用于气液两相流的动液面高度传感器，其特征在于，所述导线的一端依次穿过密封头、第一橡胶环和密封座的中心孔与电路板连接，所述第一橡胶环在密封头和密封座的连接处被压紧，从而使第一橡胶环紧贴导线而对导线进行密封，所述导线的另一端连接终端设备。

4.如权利要求1所述的适用于气液两相流的动液面高度传感器，其特征在于，所述外壳体的内部连接一卡座，所述卡座与外壳体的内部螺纹连接，所述卡座上加工有第一螺纹盲孔，所述电路板上设有第一通孔，通过在所述第一通孔和第一螺纹盲孔内插入螺栓可将电路板固定在卡座上，所述卡座的端面加工有内六角凹槽，以方便采用内六角扳手进行拧卸。

5.如权利要求1所述的适用于气液两相流的动液面高度传感器，其特征在于，所述外壳体上连接一压盖，所述外壳体与压盖的连接处设有第二橡胶环，在所述外壳体上设有用以放置第二橡胶环的第三凹槽，所述外壳体上加工有第二螺纹盲孔和第二通孔，所述气泡探针依次穿过压盖、第二橡胶环的中心孔和第二通孔后与电路板连接，所述压盖上设有第三通孔，通过在第三通孔和第二螺纹盲孔内插入螺钉可将压盖固定连接在外壳体上，同时所述压盖将第二橡胶环压紧从而实现对气泡探针的密封。

6.如权利要求5所述的适用于气液两相流的动液面高度传感器，其特征在于，所述外壳体上还连接一保护罩，所述保护罩位于压盖的上方，所述保护罩上设有第四通孔，通过在第四通孔和第二螺纹盲孔内插入螺钉可将保护罩固定连接在外壳体上，所述保护罩用以保护气泡探针。

7.如权利要求1所述的适用于气液两相流的动液面高度传感器，其特征在于，所述底座内加工有第四凹槽，在所述第四凹槽内放置具有防水功能的应变片，所述应变片的上方设有压环，所述压环位于卡座与外壳体的内部的连接处，所述压环用以对应变片进行密封。

8.如权利要求1所述的适用于气液两相流的动液面高度传感器，其特征在于，所述电路板上加工有第三螺纹盲孔，通过螺纹连接将所述温度探头旋入第三螺纹盲孔内，从而将所述温度探头与电路板连接，所述电路板上连接数据处理电路，所述数据处理电路用以处理应变片、气泡探针和温度探头检测到的数据。

9.一种权利要求1至8任一项所述的适用于气液两相流的动液面高度传感器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述动液面高度传感器安装于油管上，然后将安装有动液面高度传感器的油管下放到井下动液面的下方，获得第一高度，所述第一高度为动液面高度传感器安装位置距离井口的深度，同时获得井口空气的压力；

将所述第一高度和井口空气的压力输入到终端设备；

启动动液面高度传感器，利用所述应变片测量得到动液面高度传感器安装位置的流体压力，利用所述气泡探针获得动液面高度传感器安装位置与动液面高度之间的流体的平均密度，所述流体压力与平均密度被传输到终端设备；

所述终端设备对接收到的流体压力和平均密度进行处理，得到动液面高度。

10.一种如权利要求9所述的适用于气液两相流的动液面高度传感器的使用方法，其特征在于，所述动液面高度具体通过以下步骤获得：

计算液体在动液面高度传感器安装位置产生的压力，所述液体在动液面高度传感器安装位置产生的压力的计算公式为：

P₂＝P₁-P₀

式中，P₂为液体在动液面高度传感器安装位置产生的压力，P₁为利用应变片测量得到的动液面高度传感器安装位置的流体压力，P₀为井口空气的压力；

计算第二高度，所述第二高度为动液面距离动液面高度传感器安装位置的深度，所述第二高度的计算公式为：

h₂＝P₂/ρg

式中，h₂为第二高度，ρ为利用气泡探针获得的平均密度，g为重力常数；

计算动液面高度，所述动液面高度的计算公式为：

h₃＝h₁-h₂

式中，h₃为动液面高度，h₁为第一高度。

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