井下流体感应装置及使用该装置的流体流速测量系统

摘要

本发明提供一种井下流体感应装置及使用该装置的流体流速测量系统，该井下流体感应装置包括：导压管；隔板；设置于所述隔板左侧的第一活塞、第一弹簧、第一光栅；对称设置于所述隔板右侧的第二活塞、第二弹簧、第二光栅；文丘里管。本发明利用光栅感测文丘里管内流体流动时对管壁施加的压力，根据流体流速不同，对管壁施加的压力也不同这一特征求得管内流体流速。本发明可以在地下几千米油气井的有限空间和恶劣环境条件下实现精确的流体测量。

说明书

技术领域

本发明是关于流体流速监测技术，特别是关于石油工业领域的流体流速测量技术， 具体的讲是一种井下流体感应装置及使用该装置的流体流速测量系统。

背景技术

流体的流速/流量是日常生活、工业生产过程、能源计量及环境保护监测中一个 重要参量。目前常用的流速/流量传感计有容积式流量计、涡街流量计、涡轮流量计、 电磁流速仪、超声波流速仪及声学多普勒流速仪等。这些流速/流量传感计都有各自 的特点和适用范围，在日常生活及工业生产中已经得到了广泛的应用，但是这些流速 /流量传感计也有一定局限性，如容积式流量计体积庞大，不适合高温低温场合，电 磁流速仪和声学多普勒流速仪虽然测量精度较高，但容易受电磁波干扰，而且成本也 高。

流速/流量传感计在推动工农业发展过程中所扮演的重要角色，因此其自问世以 来便受到了高度重视。如今随着现代工农业的快速发展，一些特殊领域，如石油工业 的上游勘探开发领域对于流体流速仪的要求就极为苛刻，因为地下几千米的油气井不 但空间有限而且环境条件非常恶劣，由于目前常用的流速/流量传感计体积大，易受 电磁干扰的局限性，因此目前常用的流速/流量传感计无法应用。

因此，如何开发出一种新的流体流速测量装置，其能够适应石油工业上游勘探开 发领域，在地下几千米油气井的有限空间和高温、高压环境条件下实现精确的流体流 速测量是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种井下流体感应装置及使用该装置的流体流 速测量系统，利用光栅感测管内流体流动时对管壁施加的压力，流体流速不同，对管 壁施加的压力也不同，进而根据这一压力差求得管内流体流速，解决现有技术中的流 速仪易受干扰、体积大、测量精度低的问题。

本发明的一个实施例中，提供一种井下流体感应装置，其中，该井下流体感应装 置包括：文丘里管，用于导引井下流体，所述文丘里管具有一入口段和一喉道段，所 述入口段的直径大于所述喉道段的直径；导压管，与所述文丘里管连接；隔板，设置 于所述导压管中心；第一弹簧，设置于所述隔板左侧，一端与所述隔板连接，另一端 与一第一活塞连接，流体在所述入口段的压力通过所述第一活塞作用于所述第一弹簧； 第二弹簧，对称设置于所述隔板右侧，一端与所述隔板连接，另一端与一第二活塞连 接，流体在所述喉道段的压力通过所述第二活塞作用于所述第二弹簧；第一光栅，一 端与所述隔板连接，另一端与所述第一活塞连接，所述第一光栅在所述第一弹簧弹力 和所述入口段流体压力的共同作用下始终处于拉伸状态，所述第一光栅接收一入射光， 并反射出一第一反射光；以及第二光栅，一端与所述隔板连接，另一端与所述第二活 塞连接，所述第二光栅在所述第二弹簧弹力和所述喉道段流体压力的共同作用下始终 处于拉伸状态，所述第二光栅接收所述入射光，并反射出一第二反射光。

本发明的另一实施例中，提供一种流体流速测量系统，其中，该流体流速测量系 统包括上述实施例中的井下流体感应装置，该流体流速测量系统还包括激光光源、光 栅解调仪和处理装置，所述激光光源与所述井下流体感应装置连接，所述激光光源用 于发射所述入射光；所述光栅解调仪与所述井下流体感应装置连接，所述光栅解调仪 用于解调所述第一反射光得到一第一反射光谱，并解调所述第二反射光得到一第二反 射光谱；所述处理装置与所述光栅解调仪连接，所述处理装置用于根据所述第一反射 光谱和所述第二反射光谱确定所述文丘里管入口段处的流体流速。

本发明提供一种井下流体感应装置及使用该装置的流体流速测量系统，将文丘里 管和光栅进行了有机结合，利用光栅感测文丘里管内流体流动时对管壁施加的压力， 文丘里管内流体流速不同，对管壁施加的压力也不相同，流体对管壁施加的压力最终 施加到光栅上，光栅受到的力不同，通过光栅的激光的反射光谱峰值波长的长度也不 相同，从而根据反射光谱峰值波长的长度得出这一压力差，再根据这一压力差利用伯 努利方程求得管内流体流速，该井下流体感应装置具有结构简单、安装方便、成本低 廉，抗电磁干扰、工作可靠，测量精度高，占用空间小，能长时间在高温、高压、噪 声、强腐蚀等恶劣环境下工作等优点。

附图说明

图1为本发明的井下流体感应装置的结构示意图。

图2为本发明井下流体感应装置的一优选结构示意图。

图3为本发明井下流体感应装置的文丘里管的结构示意图。

图4为本发明井下流体感应装置的导压管的内部结构示意图。

图5为本发明流体流速测量系统的结构示意图。

图6为本发明流体流速测量系统的处理装置的结构示意图。

符号说明：

1    第一光栅

2    第二光栅

3    第一弹簧

4    第二弹簧

5    第一活塞

6    第二活塞

7    隔板

8    第一卡环

9    第二卡环

10   上游导压接口

11   下游导压接口

12   文丘里管

13   导压管

14   入口段

15   喉道段

100  井下流体感应装置

200  激光光源

300  光栅解调仪

400  处理装置

401  光谱接收单元

402  光谱峰值波长确定单元

403  波长差确定单元

404  压力差确定单元

405  流体流速确定单元

406  显示单元

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发 明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明， 但并不作为对本发明的限定。

图1为本发明的井下流体感应装置100的结构示意图，如图1所示，该井下流体 感应装置100包括文丘里管12、导压管13、隔板7、第一弹簧3、第二弹簧4、第一 活塞5、第二活塞6、第一光栅1、第二光栅2，文丘里管12用于导引井下流体，所 述文丘里管12具有一入口段14和一喉道段15，所述入口段14的直径大于所述喉道 段15的直径；导压管13与所述文丘里管12连接；隔板7设置于所述导压管13中心； 第一弹簧3设置于所述隔板7左侧，第一弹簧3的一端与所述隔板7连接，第一弹簧 3的另一端与第一活塞5连接，流体在所述入口段14的压力通过所述第一活塞5作 用于所述第一弹簧3；第二弹簧4对称设置于所述隔板7右侧，第二弹簧4的一端与 所述隔板7连接，第二弹簧4的另一端与第二活塞6连接，流体在所述喉道段15的 压力通过所述第二活塞6作用于所述第二弹簧4；第一光栅1的一端与所述隔板7连 接，第一光栅1的另一端与所述第一活塞5连接，所述第一光栅1在所述第一弹簧3 弹力和所述入口段14流体压力的共同作用下始终处于拉伸状态，所述第一光栅1接 收入射光，并反射出第一反射光；第二光栅2的一端与所述隔板7连接，第二光栅2 的另一端与所述第二活塞6连接，所述第二光栅2在所述第二弹簧4弹力和所述喉道 段15流体压力的共同作用下始终处于拉伸状态，所述第二光栅2接收所述入射光， 并反射出第二反射光，流体按照图1箭头所示的方向从文丘里管12中流过。

如图1所示，光栅受到的应力(弹簧弹力减去流体压力)不同，反射的入射光也 不同，所述入口段14的直径大于所述喉道段15的直径，当没有流体流过文丘里管 12，或者流体处于静止状态时，根据伯努利方程可知流体在入口段14作用于第一活 塞5的压力，等于流体在喉道段15作用于第二活塞6的压力，入射光经光栅反射出 反射光。当有流体按照图1箭头所示的方向从文丘里管12中流过时，由于所述入口 段14的直径大于所述喉道段15的直径，流体在入口段14的流速小而压力大，流体 在喉道段15的流速大而压力小，此时经过光栅的反射光就会发生变化。

通常情况下，文丘里管12和导压管13位于被测试的现场，例如文丘里管12和 导压管13位于地下几千米油气井中。由于本发明利用激光实现流体流速测量，激光 具有抗电磁干扰、工作可靠、测量精度高等特性，可以在在地下几千米油气井中高温、 高压环境条件下实现精确的流体流速测量。

图2为本发明井下流体感应装置100的一优选结构示意图，如图2所示，井下流 体感应装置100还包括：第一卡环8、第二卡环9。其中，第一卡环8固定设置于所 述第一活塞5左侧的导压管13内壁上，第一卡环8用于限制第一活塞5向左运动， 防止第一光栅1因受力过大而损毁；第二卡环9固定设置于所述第二活塞6右侧的导 压管13内壁上，第二卡环9用于限制第二活塞6向右运动，防止第二光栅2因受力 过大而损毁，且第一卡环8和第二卡环9相对于隔板7对称。

如图2所示，第一卡环8和第二卡环9的设置可以很好地保护第一光栅1和第二 光栅2，当文丘里管12内没有流体流过时，没有流体向第一活塞5和第二活塞6施 加压力，弹簧的弹力全部施加到光栅上，此时，第一卡环8可以防止第一活塞5向左 发生的位移超出所述第一光栅1的最大承受范围，第二卡环9可以防止第二活塞6 向右发生的位移超出所述第二光栅2的最大承受范围，防止光栅由于受力过大而损毁。

如图1、图2所示，导压管13顺着文丘里管12设置，导压管13为管状元件， 可以有效控制井下流体感应装置100的横向尺寸，所以本发明可以在有限的环境空间 中测量流体流速，如油气井井下流体流速的实时监测。此外，导压管13内的各个元 件(弹簧、光栅、活塞等)均为常用物理元件，因此井下流体感应装置100还具有结 构简单、安装方便、工作可靠的优点，进一步提高测量精度。

图3为本发明井下流体感应装置100的导压管的内部结构示意图，如图3所示， 所述隔板7上开有通孔(图中未标示)，这样可以保证隔板两边空腔内的压力始终处 于平衡状态。

如图3所示，由于隔板7上开有设通孔(图中未标示)，可以保证隔板7与第一 活塞5之间的左空腔，与隔板7与第二活塞6之间的右空腔内的气压始终相等，左空 腔和右空腔内的气压相等可以防止气压影响测量结果，进一步提高测量精度。

本发明的一个实施例中，如图2、图3所示，所述第一活塞5与所述第二活塞6 的材料及形状完全相同。第一活塞5与第二活塞6可在第一卡环8、第二卡环9限定 的范围内发生位移但严格阻止流体流通。

如图2、图3所示，第一活塞5与第二活塞6的材料及形状完全相同，保证第一 活塞5与第二活塞6受到的压力仅与流体流速有关，不受第一活塞5与第二活塞6 的材料及形状影响，进一步提高测量精度。

本发明的一个实施例中，如图2、图3所示，所述第一光栅1与所述第二光栅2 的形状及各项参数完全相同。

如图2、图3所示，第一光栅1与第二光栅2的形状及各项参数完全相同，保证 入射光经第一光栅1与第二光栅2反射后形成的反射光，仅与第一光栅1和第二光栅 2受到的应力(弹簧弹力减去流体压力)有关，进一步提高测量精度。

本发明的一个实施例中，如图2、图3所示，所述第一弹簧3与所述第二弹簧4 的形状及各项参数完全相同。

如图2、图3所示，第一弹簧3与第二弹簧4的形状及各项参数完全相同，保证 第一弹簧3与第二弹簧4的发生的形变仅与其受到第一活塞5与第二活塞6压力有关， 进一步提高测量精度。此外，通过改变第一弹簧3与第二弹簧4的弹性模量可以改变 本发明的检测量程，进一步扩大本发明的适用，为用户提供更为广泛的选择。

图4为本发明井下流体感应装置100的文丘里管12的结构示意图，如图4所示， 文丘里管12具有入口段14和喉道段15，所述入口段14的直径大于所述喉道段15 的直径，所述入口段14上开设有一上游导压接口10，所述喉道段15上开设有一下 游导压接口11，上游导压接口10与导压管13的左端相连接，下游导压接口11与导 压管13的右端相连接，文丘里管12内的流体沿所述入口段14向所述喉道段15的方 向流动。

如图2所示，导压管13的左端与上游导压接口10螺纹联接，导压管的右端与下 游导压接口11螺纹联接。本发明的其它实施例中，导压管13的左端与上游导压接口 10焊接，导压管的右端与下游导压接口11焊接，只要保证导压管13与文丘里管12 牢固密封结合即可，本发明不以此为限。

如图2所示，导压管13与文丘里管12采用螺纹联接，拆卸方便，如果只是导压 管13或文丘里管12损坏，不用全部抛弃，节能环保，且降低维护成本。此外，如果 不需要感应流体流速，可以只将导压管13卸下，再用带有相适螺纹的塞子将文丘里 管12上的上游导压接口10和下游导压接口11封上，不用立即同时拆除文丘里管12， 方便使用。

图5为本发明流体流速测量系统的结构示意图。如图5所示，该流体流速测量系 统包括上述实施例中的井下流体感应装置100，该流体流速测量系统还包括一激光光 源200、一光栅解调仪300、一处理装置400。所述激光光源200与所述井下流体流 速感应装置100连接，激光光源200用于发射入射光；所述光栅解调仪300与所述井 下流体感应装置100连接，光栅解调仪300用于解调所述第一反射光获得一第一反射 光谱，解调所述第二反射光获得一第二反射光谱；所述处理装置400与所述光栅解调 仪300连接，处理装置400用于根据所述第一反射光谱和所述第二反射光谱获得文丘 里管12入口段14处的流体流速，由于文丘里管12入口段14的直径等于流体传输管 道的直径，所以处理装置400获得的文丘里管12入口段14处的流体流速即为流体传 输管道内的流体流速(管内流体流速)。

由于激光光源200发射的激光方向性和单一性好，且不受电磁干扰的影响，进一 步提高本发明的测量精度；光栅解调仪300比其它非光学解调仪的稳定性好，抗电磁 干扰，进一步提高流体测量精度。

如图5所示，具体来说，激光光源200发射入射光经光纤传输到第一光栅1和第 二光栅2中；入射光经第一光栅1反射后形成所述第一反射光，入射光经第二光栅2 反射后形成第二反射光；所述第一反射光和所述第二反射光经光纤传输到光栅解调仪 300中；光栅解调仪300解调所述第一反射光得到第一反射光谱，光栅解调仪解调所 述第二反射光得到一第二反射光谱，第一反射光谱峰值波长的变化正比于第一光栅1 所受应力的变化，第二反射光谱峰值波长的变化正比于第二光栅2所受应力的变化。

图6为本发明流体流速测量系统的处理装置400的结构示意图。如图6所示，所 述处理装置400包括一光谱接收单元401、一光谱峰值波长确定单元402、一波长差 确定单元403、一压力差确定单元404、一流体流速确定单元405和一显示单元406。 光谱接收单元401用于接收所述第一反射光谱和所述第二反射光谱；光谱峰值波长确 定单元402与所述光谱接收单元401连接，光谱峰值波长确定单元402用于确定所述 第一反射光谱的第一反射光谱峰值波长和所述第二反射光谱的第二反射光谱峰值波 长；波长差确定单元403与所述光谱峰值波长确定单元402连接，波长差确定单元 403用于确定所述第一反射光谱峰值波长和所述第二反射光谱峰值波长之差；压力差 确定单元404与所述波长差确定单元403连接，压力差确定单元404用于根据所述波 长之差确定所述第一光栅1和所述第二光栅2受到的压力差；流体流速确定单元405 与所述压力差确定单元404连接，流体流速确定单元405用于根据所述压力差确定所 述文丘里管12内流体的流速；显示单元406与所述流体流速确定单元405连接，显 示单元406用于显示流体流速。由于在发射光波长、光栅规格、弹簧弹性系数确定的 情况下，反射光谱峰值的波长对应光栅受到的应力，因此，压力差确定单元404根据 所述第一反射光谱峰值波长和所述第二反射光谱峰值波长之差，获得所述第一光栅和 所述第二光栅受到的压力差(也称为应力差)。

压力差确定单元404根据所述第一反射光谱峰值波长和所述第二反射光谱峰值 波长之差，直接获得压力差，计算简单，易于实现，降低本发明的实现成本；流体流 速确定单元405根据压力差直接获得流体流速，计算简单，易于实现，进一步降低本 发明的实现成本；显示单元406可以同步显示流体流速(入口段14流体流速)，方便 测试人员观察记录，使得测量结果更加直观。

如图6所示，流体流速确定单元405根据压力差确定单元404获得的压力差利用 伯努利方程确定管内流体的流速(即文丘里管12入口段14流体流速)。下述公式揭 示了入口段14流体流量与喉道段15流体流量的相等关系：

A₁V₁＝A₂V₂        (公式1)

其中，A₁V₁为入口段流体流量，A₂V₂为喉道段流体流量；V₁为入口段流体流速， V₂为喉道段流体流速，A₁为入口段横截面积，A₂为喉道段横截面积。

下述公式给出了入口段14横截面积：

$A_1=\frac{{{\mathrm{\pi d}}_1}^2}{4}$        (公式2)

其中，A₁为入口段横截面积，d₁为入口段直径。

下述公式给出了喉道段15横截面积：

$A_2=\frac{{{\mathrm{\pi d}}_2}^2}{4}$        (公式3)

其中，A₂为喉道段横截面积，d₂为喉道段直径。

下述公式为伯努利方程：

$P_1+\frac{{{\mathrm{\rho V}}_1}^2}{2}+{\mathrm{\rho gh}}_1=P_2+\frac{{{\mathrm{\rho V}}_2}^2}{2}+{\mathrm{\rho gh}}_2$        (公式4)

其中，V₁为入口段流体流速，V₂为喉道段流体流速；P₁为入口段流体压力，P₂为喉道段流体压力；ρ为流体密度；h₁为入口段流体的垂直高度，h₂为喉道段流体的 垂直高度，本发明中h₁＝h₂；g为重力加速度。

由公式1可以确定：

$V_2=\frac{A_1}{A_2}{V}_1$        (公式5)

其中，A₁V₁为入口段流体流量，A₂V₂为喉道段流体流量；V₁为入口段流体流速， V₂为喉道段流体流速，A₁为入口段横截面积，A₂为喉道段横截面积。

由公式2、公式3、公式5可以确定V₂：

$V_2={\left(\frac{d_1}{d_2}\right)}^2{V}_1$        (公式6)

其中，d₁为入口段直径，d₂为喉道段直径，V₁为入口段流体流速，V₂为喉道段 流体流速。

由公式4、公式6可以确定V₁：

$V_1=\sqrt{\frac{2P}{\rho [{\left(\frac{d_1}{d_2}\right)}^4-1}}$        (公式7)

其中，P为压力差，P＝P₁-P₂，ρ为流体密度，d₁为入口段直径，d₂为喉道段直径。

根据公式7可以看出：当文丘里管12的直径已知时，文丘里管12内的流体流速 (即入口段14流体流速)仅与压力差P有关，流体流速确定单元405根据压力差P 可以方便地得出管内的流体流速(即文丘里管12入口段14流体流速V₁)。

如图5所示，当文丘里管12内流体处于静止状态，或者没有流体通过文丘里管 12时，流体向第一活塞5施加的压力等于流体向第二活塞6施加的压力，即第一活 塞5与第二活塞6受到的压力相同，此时，第一光栅1受到的拉力为第一弹簧3的弹 力减去流体向第一活塞5施加的压力，第二光栅2受到的拉力为第二弹簧4的弹力减 去流体向第二活塞6施加的压力，由于第一弹簧3与第二弹簧4相同，第一活塞5 和第二活塞6相同，所以第一光栅1受到的拉力等于第二光栅2受到的拉力。由于第 一光栅1和第二光栅2相同，入射光经第一光栅1和第二光栅2反射后形成的第一反 射光谱峰值波长和第二反射光谱峰值波长相同，此时表明流体的流速为0。

当流体如图5箭头所示方向流经文丘里管12时，由于入口段14的内径大于喉道 段15的内径而发生节流作用；入口段14内径大而流速小，喉道段15内径小而流速 大，入口段14处受到流体的压力大于喉道段15处受到的压力。此时，第一光栅1 受到的拉力(应力)为第一弹簧3的弹力减去流体向第一活塞5施加的压力，第二光 栅2受到的拉力(应力)为第二弹簧4的弹力减去流体向第二活塞6施加的压力，由 于第一弹簧3与第二弹簧4相同，第一活塞5和第二活塞6相同，所以第一光栅1 受到的拉力小于第二光栅2受到的拉力。由于第一光栅1和第二光栅2相同，入射光 经第一光栅1和第二光栅2反射后形成的第一反射光谱峰值波长和第二反射光谱峰值 波长不再相等，压力差确定单元404根据两反射光谱峰值波长之差便可获得入口段 14与喉道段15流体的压力差。

流体流速确定单元405根据压力差确定单元404获得的压力差利用伯努利方程求 得管内流体的流速。由公式7可知，当入口段14与喉道段15的横截面积确定下来时， 入口段14或喉道段15内流体流速与所述压力差P的开方成正比，例如，可知当入口 段14的直径为喉道段15直径的2倍时，喉道段15内流体流速是入口段14内流体流 速的4倍，假设原油密度为1000kg/m³，一实施例管内的流体流速(入口段14流体 流速)如下表1所示：

表1

由表1可知压力差确定单元404能够根据压力差方便地确定流体流速，显示单元 406可以同步显示流体流速(入口段14流体流速)，方便测试人员观察记录，测量结 果更加直观。

在此，由于第一活塞5与第二活塞6相同，第一弹簧3与第二弹簧4相同，第一 光栅1和第二光栅2相同，所以可以不用考虑气压、温度等环境因素对测量结果所造 成的影响，使测量数据结果更加准确。

本发明所提供的井下流体感应装置及流体流速测量系统与现有技术相比，具有以 下有益效果：

1、由于传感元件光栅顺着导压管13放置，导压管13的内径可以做到很小，因 此可以有效控制井下流体感应装置100的横向尺寸，所以本发明可应用于有限环境空 间中流体流速的测量，如油气井井下流体流速的实时监测。

2、本发明采用做差法求取文丘里管12节流前后的压力差，而隔板7左右两侧的 压力探测元件完全相同，因而在使用过程中不需要考虑温度等环境因素对测量结果的 影响，从而有效简化了测量数据的处理过程。

3、利用本发明进行流体流速测量之后，不需要对活塞与导压接口之间区段可能 存有的部分残留流体进行处理，因为此区段的流体只起到传导压力的作用，这在很大 程度上简化了流体流速测量系统的维护过程。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前 提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。