本發(fā)明涉及煤層氣探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于氣液兩相流的動液面高度傳感器及其使用方法。

背景技術(shù)：

我國煤層氣儲量豐富，其中埋深淺于2000米的煤層氣資源為36.81萬億立方米，約占全球的15.3％，儲量位居世界第三位。為了能夠充分利用煤層氣資源，近年來我國政府加大了對煤層氣開采技術(shù)的研發(fā)力度，并鉆出了多口試驗(yàn)井來探究煤層氣開采的成套技術(shù)，但受技術(shù)條件限制，我國的煤層氣開采井仍以垂直井居多。

對于煤層氣開采而言，由于煤儲層天然的裂隙發(fā)育構(gòu)造，導(dǎo)致煤層氣生產(chǎn)井需要進(jìn)行排水降壓，在此過程中，地下水與煤層氣共同滲入到井筒環(huán)空，在井筒環(huán)空內(nèi)形成氣液兩相流，由此導(dǎo)致井筒環(huán)空動液面高度增加；滲入井筒環(huán)空內(nèi)的煤層氣以氣泡或氣柱形式存在并沿井筒上升，上升的煤層氣最終將脫離井筒環(huán)空液面，由此導(dǎo)致井筒環(huán)空動液面高度下降；此外，地層的涌水及漏水等因素也將導(dǎo)致井筒環(huán)空動液面高度發(fā)生變化。因此，由于上述眾多復(fù)雜因素的存在，導(dǎo)致井筒環(huán)空動液面高度發(fā)生動態(tài)變化，由此形成動液面。

對于垂直井而言，井筒環(huán)空的動液面高度是制定排采工藝的重要參數(shù)之一，因此必須對動液面高度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，常見的油氣井液面測量方法包括浮筒測量法、回聲探測法及壓力探測法等，但上述常見的方法由于安裝問題、設(shè)計(jì)問題、安全隱患、測量精度及無法實(shí)時(shí)測量等諸多問題，均無法適應(yīng)煤層氣排采井液面實(shí)時(shí)測量的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種能夠?qū)崟r(shí)測量動液面高度、提高測量精度的適用于氣液兩相流的動液面高度傳感器，還提供了一種利用該動液面高度傳感器測量動液面高度的方法。

本發(fā)明提供一種適用于氣液兩相流的動液面高度傳感器，該動液面高度傳感器包括依次連接的密封頭、密封座、外殼體和底座，所述動液面高度傳感器還包括導(dǎo)線、電路板、氣泡探針、溫度探頭和應(yīng)變片，所述電路板、氣泡探針和溫度探頭均位于外殼體內(nèi)，所述應(yīng)變片位于底座內(nèi)，所述導(dǎo)線、氣泡探針、溫度探頭和應(yīng)變片分別與電路板連接，所述氣泡探針用以獲得流體的平均密度，所述應(yīng)變片用以測量流體壓力，所述溫度探頭用以測量溫度，利用所述溫度探頭測得的溫度對應(yīng)變片測得的壓力進(jìn)行修正，從而消除應(yīng)變片的溫漂。

進(jìn)一步地，所述外殼體包括外殼體上端和外殼體下端，所述密封頭與密封座的上端螺紋連接，所述密封座的下端與外殼體上端螺紋連接，所述外殼體下端與底座螺紋連接，所述密封頭和密封座的連接處設(shè)有第一橡膠環(huán)，所述密封座的上端設(shè)有用以放置第一橡膠環(huán)的第一凹槽，所述外殼體上端和密封座的連接處設(shè)有密封墊，所述外殼體上端上設(shè)有用以放置密封墊的第二凹槽，所述外殼體下端與底座的連接處設(shè)有橡膠密封圈，所述外殼體下端呈階梯狀，將所述橡膠密封圈放置在外殼體下端的階梯狀臺階處。

進(jìn)一步地，所述導(dǎo)線的一端依次穿過密封頭、第一橡膠環(huán)和密封座的中心孔與電路板連接，所述第一橡膠環(huán)在密封頭和密封座的連接處被壓緊，從而使第一橡膠環(huán)緊貼導(dǎo)線而對導(dǎo)線進(jìn)行密封，所述導(dǎo)線的另一端連接終端設(shè)備。

進(jìn)一步地，所述外殼體的內(nèi)部連接一卡座，所述卡座與外殼體的內(nèi)部螺紋連接，所述卡座上加工有第一螺紋盲孔，所述電路板上設(shè)有第一通孔，通過在所述第一通孔和第一螺紋盲孔內(nèi)插入螺栓可將電路板固定在卡座上，所述卡座的端面加工有內(nèi)六角凹槽，以方便采用內(nèi)六角扳手進(jìn)行擰卸。

進(jìn)一步地，所述外殼體上連接一壓蓋，所述外殼體與壓蓋的連接處設(shè)有第二橡膠環(huán)，在所述外殼體上設(shè)有用以放置第二橡膠環(huán)的第三凹槽，所述外殼體上加工有第二螺紋盲孔和第二通孔，所述氣泡探針依次穿過壓蓋、第二橡膠環(huán)的中心孔和第二通孔后與電路板連接，所述壓蓋上設(shè)有第三通孔，通過在第三通孔和第二螺紋盲孔內(nèi)插入螺釘可將壓蓋固定連接在外殼體上，同時(shí)所述壓蓋將第二橡膠環(huán)壓緊從而實(shí)現(xiàn)對氣泡探針的密封。

進(jìn)一步地，所述外殼體上還連接一保護(hù)罩，所述保護(hù)罩位于壓蓋的上方，所述保護(hù)罩上設(shè)有第四通孔，通過在第四通孔和第二螺紋盲孔內(nèi)插入螺釘可將保護(hù)罩固定連接在外殼體上，所述保護(hù)罩用以保護(hù)氣泡探針。

進(jìn)一步地，所述底座內(nèi)加工有第四凹槽，在所述第四凹槽內(nèi)放置具有防水功能的應(yīng)變片，所述應(yīng)變片的上方設(shè)有壓環(huán)，所述壓環(huán)位于卡座與外殼體的內(nèi)部的連接處，所述壓環(huán)用以對應(yīng)變片進(jìn)行密封。

進(jìn)一步地，所述電路板上加工有第三螺紋盲孔，通過螺紋連接將所述溫度探頭旋入第三螺紋盲孔內(nèi)，從而將所述溫度探頭與電路板連接，所述電路板上連接數(shù)據(jù)處理電路，所述數(shù)據(jù)處理電路用以處理應(yīng)變片、氣泡探針和溫度探頭檢測到的數(shù)據(jù)。

本發(fā)明還提供了一種適用于氣液兩相流的動液面高度傳感器的使用方法，包括以下步驟：

將所述動液面高度傳感器安裝于油管上，然后將安裝有動液面高度傳感器的油管下放到井下動液面的下方，獲得第一高度，所述第一高度為動液面高度傳感器安裝位置距離井口的深度，同時(shí)獲得井口空氣的壓力；

將所述第一高度和井口空氣的壓力輸入到終端設(shè)備；

啟動動液面高度傳感器，利用所述應(yīng)變片測量得到動液面高度傳感器安裝位置的流體壓力，利用所述氣泡探針獲得動液面高度傳感器安裝位置與動液面高度之間的流體的平均密度，所述流體壓力與平均密度被傳輸?shù)浇K端設(shè)備；

所述終端設(shè)備對接收到的流體壓力和平均密度進(jìn)行處理，得到動液面高度。

進(jìn)一步地，所述動液面高度具體通過以下步驟獲得：

計(jì)算液體在動液面高度傳感器安裝位置產(chǎn)生的壓力，所述液體在動液面高度傳感器安裝位置產(chǎn)生的壓力的計(jì)算公式為：

p2＝p1-p0

式中，p2為液體在動液面高度傳感器安裝位置產(chǎn)生的壓力，p1為利用應(yīng)變片測量得到的動液面高度傳感器安裝位置的流體壓力，p0為井口空氣的壓力；

計(jì)算第二高度，所述第二高度為動液面距離動液面高度傳感器安裝位置的深度，所述第二高度的計(jì)算公式為：

h2＝p2/ρg

式中，h2為第二高度，ρ為利用氣泡探針獲得的平均密度，g為重力常數(shù)；

計(jì)算動液面高度，所述動液面高度的計(jì)算公式為：

h3＝h1-h2

式中，h3為動液面高度，h1為第一高度。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：

1.本發(fā)明提供的動液面高度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，本發(fā)明通過在密封頭和密封座的連接處設(shè)置第一橡膠環(huán)，在外殼體上端和密封座的連接處設(shè)置密封墊，在外殼體下端和底座的連接處設(shè)置橡膠密封圈，有效保證了動液面高度傳感器的密封性，減小安全隱患；

2.本發(fā)明通過采用第一橡膠環(huán)對導(dǎo)線進(jìn)行密封，采用第二橡膠環(huán)對氣泡探針進(jìn)行密封，同時(shí)采用保護(hù)罩保護(hù)氣泡探針，采用壓環(huán)對應(yīng)變片進(jìn)行密封，避免動液面高度傳感器受到流體流動的影響；

3.本發(fā)明通過溫度探頭對應(yīng)變片測得的壓力進(jìn)行修正，能夠有效消除應(yīng)變片的溫漂，本發(fā)明利用氣泡探針獲得流體的平均密度，減小由于受到井筒環(huán)空泡沫段影響而引起的誤差，有效解決了現(xiàn)有測量方法測量含氣泡段的動液面高度誤差較大的問題，提高了動液面高度的測量精度；

4.本發(fā)明提供的使用方法步驟簡單、便于計(jì)算，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)測量動液面高度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種適用于氣液兩相流的動液面高度傳感器的主視圖。

圖2是本發(fā)明一種適用于氣液兩相流的動液面高度傳感器的右視圖。

圖3是本發(fā)明一種適用于氣液兩相流的動液面高度傳感器的俯視圖。

圖4是本發(fā)明一種適用于氣液兩相流的動液面高度傳感器的剖面示意圖。

圖5是本發(fā)明一種適用于氣液兩相流的動液面高度傳感器的卡座俯視圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地描述。

請參考圖1至圖5，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種適用于氣液兩相流的動液面高度傳感器，其包括依次連接的密封頭1、密封座2、外殼體3和底座4，外殼體3包括外殼體上端31和外殼體下端32，外殼體上端31和外殼體下端32均加工有螺紋，密封頭1與密封座2的上端螺紋連接，密封座2的下端與外殼體上端31螺紋連接，外殼體下端32與底座4螺紋連接，密封頭1和密封座2的連接處設(shè)有第一橡膠環(huán)22，密封座2的上端設(shè)有用以放置第一橡膠環(huán)22的第一凹槽21，第一凹槽21的形狀為錐形，外殼體上端31和密封座2的連接處設(shè)有密封墊312，通過密封墊312可將外殼體上端31和密封座2的連接處進(jìn)行密封，外殼體上端31上設(shè)有用以放置密封墊312的第二凹槽311，外殼體下端32與底座4的連接處設(shè)有橡膠密封圈321，通過橡膠密封圈321可將外殼體下端32與底座4的連接處進(jìn)行密封，外殼體下端32呈階梯狀，將橡膠密封圈321放置在外殼體下端32的階梯狀臺階處，一實(shí)施例中，橡膠密封圈321采用o型圈。

該動液面高度傳感器還包括導(dǎo)線5、電路板6、氣泡探針7、溫度探頭8和應(yīng)變片9，電路板6、氣泡探針7和溫度探頭8均位于外殼體3內(nèi)，導(dǎo)線5的一端依次穿過密封頭1、第一橡膠環(huán)22和密封座2的中心孔與電路板6連接，第一橡膠環(huán)22在密封頭1和密封座2的連接處被壓緊，從而使第一橡膠環(huán)22緊貼導(dǎo)線5而對導(dǎo)線5進(jìn)行密封，導(dǎo)線5的另一端連接一終端設(shè)備101。

氣泡探針7用以獲得流體的平均密度，應(yīng)變片9用以測量流體壓力，溫度探頭8用以測量溫度，利用溫度探頭8測得的溫度對應(yīng)變片9測得的壓力進(jìn)行修正，從而消除應(yīng)變片9的溫漂。

外殼體3的內(nèi)部連接一卡座33，卡座33與外殼體3的內(nèi)部螺紋連接，卡座33上加工有第一螺紋盲孔331，電路板6上設(shè)有第一通孔61，通過在第一通孔61和第一螺紋盲孔331內(nèi)插入螺栓可將電路板6固定在卡座33上。

請參考圖5，卡座33的端面加工有內(nèi)六角凹槽332，以方便采用內(nèi)六角扳手進(jìn)行擰卸。

外殼體3上固定連接一壓蓋352，外殼體3與壓蓋352的連接處設(shè)有第二橡膠環(huán)351，在外殼體3上設(shè)有用以放置第二橡膠環(huán)351的第三凹槽35，外殼體3上還加工有第二螺紋盲孔34和第二通孔36，氣泡探針7依次穿過壓蓋352、第二橡膠環(huán)351的中心孔和第二通孔36后與電路板6連接，壓蓋352上設(shè)有第三通孔3521，通過在第三通孔3521和第二螺紋盲孔34內(nèi)插入螺釘可將壓蓋352固定連接在外殼體3上，同時(shí)壓蓋352將第二橡膠環(huán)351壓緊從而實(shí)現(xiàn)對氣泡探針7的密封。

外殼體3上還固定連接一保護(hù)罩353，保護(hù)罩353位于壓蓋352的上方，保護(hù)罩353上設(shè)有第四通孔3531，通過在第四通孔3531和第二螺紋盲孔34內(nèi)插入螺釘可將保護(hù)罩353固定連接在外殼體3上，保護(hù)罩353用以保護(hù)氣泡探針7。

請參考圖4，電路板6上加工有第三螺紋盲孔62，通過螺紋連接將溫度探頭8旋入第三螺紋盲孔62內(nèi)，從而將溫度探頭8與電路板6連接。

底座4內(nèi)加工有第四凹槽41，在第四凹槽41內(nèi)放置具有防水功能的應(yīng)變片9，應(yīng)變片9與電路板6連接，在應(yīng)變片9的上方設(shè)有壓環(huán)333，壓環(huán)333位于卡座33與外殼體3的內(nèi)部的連接處，用以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變片9進(jìn)行密封。

電路板6上連接有數(shù)據(jù)處理電路63，數(shù)據(jù)處理電路63用以處理應(yīng)變片9、氣泡探針7和溫度探頭8檢測到的數(shù)據(jù)。

該動液面高度傳感器的工作原理為：應(yīng)變片9受到井筒環(huán)空內(nèi)氣液兩相流的壓力影響而產(chǎn)生變形，壓力越大則變形越大，且壓力值與變形量之間存在線性關(guān)系，通過對應(yīng)變片9的變形量進(jìn)行標(biāo)定可以得到流體的壓力值，同時(shí)由于應(yīng)變片9對溫度較敏感，容易產(chǎn)生溫漂，因此利用溫度探頭8對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，根據(jù)溫度的測量結(jié)果對應(yīng)變片9的溫漂進(jìn)行修正，應(yīng)變片9及溫度探頭8測得的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理電路63，數(shù)據(jù)處理電路63能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理；由于煤層氣井筒環(huán)空流體為氣液兩相流，如果采用一般的密度傳感器進(jìn)行測量，則測量結(jié)果為液體密度，不能得到液體與氣體混合后的平均密度，將氣液兩相流根據(jù)氣體含量的不同劃分為不同流型，流體的流型與流體密度之間存在對應(yīng)關(guān)系，利用氣泡探針7可以實(shí)時(shí)檢測流體的參數(shù)數(shù)據(jù)，參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理電路63，數(shù)據(jù)處理電路63通過運(yùn)算對流體的流型進(jìn)行判斷，根據(jù)流型判斷的結(jié)果得到液體與氣體混合后的平均密度。

本發(fā)明的實(shí)施例還提供了一種動液面高度傳感器的使用方法：包括以下步驟：

s101，將動液面高度傳感器安裝于油管上，然后將安裝有動液面高度傳感器的油管下放到井下動液面的下方，獲得第一高度h1，第一高度h1為動液面高度傳感器安裝位置距離井口的深度，同時(shí)獲得井口空氣的壓力p0。

s102，將第一高度h1和井口空氣的壓力p0輸入到終端設(shè)備101；

s103，啟動動液面高度傳感器，利用應(yīng)變片9測量得到動液面高度傳感器安裝位置的流體壓力p1，利用氣泡探針7獲得動液面高度傳感器安裝位置與動液面高度之間的流體的平均密度ρ，流體壓力p1與平均密度ρ被傳輸?shù)浇K端設(shè)備101；

s104，終端設(shè)備101對接收到的流體壓力p1與平均密度ρ進(jìn)行處理，得到動液面高度h3；

動液面高度h3具體通過以下步驟獲得：

4.1計(jì)算液體在動液面高度傳感器安裝位置產(chǎn)生的壓力p2，液體在動液面高度傳感器安裝位置產(chǎn)生的壓力p2的計(jì)算公式為：

p2＝p1-p0；

4.2計(jì)算第二高度h2，第二高度h2為動液面距離動液面高度傳感器安裝位置的深度，第二高度h2的計(jì)算公式為：

h2＝p2/ρg

式中，ρ為利用氣泡探針7獲得的平均密度，g為重力常數(shù)；

4.3計(jì)算動液面高度h3，動液面高度h3的計(jì)算公式為：

h3＝h1-h2。

本發(fā)明提供的動液面高度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，本發(fā)明通過在密封頭1和密封座2的連接處設(shè)置第一橡膠環(huán)22，在外殼體上端31和密封座2的連接處設(shè)置密封墊312，在外殼體下端32和底座4的連接處設(shè)置橡膠密封圈321，有效保證了動液面高度傳感器的密封性，減小安全隱患；本發(fā)明通過采用第一橡膠環(huán)22對導(dǎo)線5進(jìn)行密封，采用第二橡膠環(huán)351對氣泡探針7進(jìn)行密封，同時(shí)采用保護(hù)罩353保護(hù)氣泡探針7，采用壓環(huán)333對應(yīng)變片9進(jìn)行密封，避免動液面高度傳感器受到流體流動的影響；本發(fā)明通過溫度探頭8對應(yīng)變片9測得的壓力進(jìn)行修正，能夠有效消除應(yīng)變片9的溫漂，本發(fā)明利用氣泡探針7獲得流體的平均密度，減小由于受到井筒環(huán)空泡沫段影響而引起的誤差，有效解決了現(xiàn)有測量方法測量含氣泡段的動液面高度誤差較大的問題，提高了動液面高度的測量精度；本發(fā)明提供的使用方法步驟簡單、便于計(jì)算，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)測量動液面高度。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位詞是以附圖中零部件位于圖中以及零部件相互之間的位置來定義的，只是為了表達(dá)技術(shù)方案的清楚及方便。應(yīng)當(dāng)理解，所述方位詞的使用不應(yīng)限制本申請請求保護(hù)的范圍。

在不沖突的情況下，本文中上述實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。