基于摩擦纳米发电机原理的煤层气井筒两相流速度传感器

技术领域

本发明涉及地质仪器仪表设备技术领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机原理的煤层气井筒两相流速度传感器。

背景技术

目前对煤层气的开采主要有井下抽采和地面开采两种。因为煤储层为多相流体，气体与水共同产生，在开采过程中对井筒附近的煤储层进行降压排水使气体从煤基质表面解析出来进入裂隙中，从而在煤层裂隙中形成两相渗流，最后通过井筒运移产出。

两相流的流态及参数的确定对于煤层气的排采方式，方法的选择和气井的生产动态的分析意义重大。以两相流中气相的速度为出发点，推导出气泡体积与气相折算速度的解析关系，构建出两相流中煤层气的特征的参数，为煤层气合层排采工艺的研究及动态调整提供数据及理论支撑。

而目前对于井下两相流的速度测量方法有很多，诸如视觉探测法、探针间接测取等，但传统的测量方法受其本质的影响，无法在井下进行精准安装，对于井下的探测只能局限于地面，不能实时地进行原位检测，测量数据误差大、可靠性比较差。

发明内容

有鉴于此，井下两相流的速度测量方法只能局限于地面，不能实时地进行原位检测，测量数据误差大、可靠性比较差的问题，本发明的实施例提供了一种基于摩擦纳米发电机原理的煤层气井筒两相流速度传感器。

本发明的实施例提供一种基于摩擦纳米发电机原理的煤层气井筒两相流速度传感器，包括电路板、短接外壳、竖直设置于所述短接外壳内部的连杆、以及间隔设置于所述连杆上的多个传感器部件，每一所述传感器部件包括分别套设于所述连杆上的PDMS外壳和第一铜电极，所述PDMS外壳包围所述第一铜电极，所述PDMS外壳内壁设有第二铜电极和PTFE膜，所述第二铜电极外侧面与所述PDMS外壳内壁贴合固定、内侧面与所述PTFE膜贴合，所述PTFE膜环绕所述第一铜电极且二者之间不接触，所述PDMS外壳受两相流的液相和气相交替挤压作用使所述PTFE膜与所述第一铜电极接触或分离，所述电路板分别连接每一所述传感器部件的第一铜电极和第二铜电极，用以检测每一所述传感器部件的第一铜电极和第二铜电极之间的电压，且所述电路板根据任意两所述传感器部件上检测到的电压，计算两相流中单个气泡经过两所述传感器部件之间的时间差，进而计算出两相流中气泡运动速度。

进一步地，所述第一铜电极和所述第二铜电极均为圆筒状铜片，且所述第一铜电极和所述第二铜电极轴线重合。

进一步地，所述连杆内设有导线，所述电路板通过所述导线分别连接连接每一所述传感器部件的第一铜电极和第二铜电极。

进一步地，所述连杆为L形，包括水平段和竖直段，所述水平段固定连接所述短接外壳内壁，所有传感器部件间隔设置于所述竖直段上。

进一步地，所述水平段一端设有固定元件，所述固定元件贯穿所述短接外壳内壁并通过防水接头连接固定。

进一步地，所述PDMS外壳与所述连杆连接的端部设有防水塞。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的基于摩擦纳米发电机原理的煤层气井筒两相流速度传感器，相对于其他传统的测量方法，通过检测两传感器部件中的电压变化计算两相流中气泡运动速度，可以在井下原位进行实时测量，无需经过长距离的信号输出，测量数据更加精确，为排采工艺提供更加可靠的理论支撑；由于在测量过程中利用电极电荷之间的相互作用产生电势差，可以为电路板供电，与其他传统传感器相比，本传感器无需提供动力，传感器的体积减小，更适合井下环境。

附图说明

图1是本发明一种基于摩擦纳米发电机原理的煤层气井筒两相流速度传感器的安装剖面示意图；

图2是图1中连杆2和传感器部件3的示意图；

图3是图2中传感器部件3的A-A剖面示意图；

图4是第一铜电极、PTFE膜和第二铜电极的运动示意图；

图5是本发明一种基于摩擦纳米发电机原理的煤层气井筒两相流速度传感器的测量原理图。

图中：1-短接外壳、2-连杆、3-传感器部件、4-水平段、5-竖直段、6-PDMS 外壳、7-第一铜电极、8-第二铜电极、9-PTFE膜、10-防水塞、11-固定元件、 12-导线、13-防水接头、14-螺钉、15-法兰接头、16-螺栓孔。

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和2，本发明的实施例提供了一种基于摩擦纳米发电机原理的煤层气井筒两相流速度传感器，包括电路板、短接外壳1、竖直设置于所述短接外壳1内部的连杆2、以及间隔设置于所述连杆2上的多个传感器部件3。

具体的，所述短接外壳1为圆筒结构，其上下两端均设有法兰接头15，所述法兰接头15上设有多个螺栓孔16。所述短接外壳1设置于煤层气井内，且所述短接外壳1两端的法兰接头15通过的螺栓孔16与井筒连接固定。

所述连杆2为L形，包括水平设置的水平段4和竖直设置的竖直段5，所述水平段4固定连接所述短接外壳1内壁，所述水平段4一端设有固定元件11，所述固定元件11贯穿所述短接外壳1内壁，所述短接外壳1的外部设有防水接头13，所述防水接头13通过螺钉14固定于所述短接外壳1的外壁且与所述固定元件11连接。所有传感器部件3间隔设置于所述竖直段5上。

所述传感器部件3至少设置为两个，具体数量可以根据实际需要进行确定。本实施例中所述传感器部件3设置为两个，一所述传感器部件3设置于所述连杆2的竖直段5的下端、另一所述传感器部件3设置于所述连杆2的竖直段5 的中部。

请参考图1、2和3，每一所述传感器部件3包括分别套设于所述连杆2竖直段5上的PDMS外壳6和第一铜电极7，所述PDMS外壳6包围所述第一铜电极 7，所述PDMS外壳6内壁设有第二铜电极8和PTFE膜9。这里所述第一铜电极 7和所述第二铜电极8均为圆筒状铜片，所述第一铜电极7直接套设在所述连杆 2竖直段5的外壁上，与所述连杆2竖直段5固定连接。

所述PDMS外壳6为椭圆长条形中空外壳，所述连杆2竖直段5穿入所述PDMS 外壳6。为了防止液体渗入所述PDMS外壳6内部，在PDMS外壳6与所述连杆2 竖直段5连接的端部设置防水塞10，进行密封防水处理。所述所述PDMS外壳6 内壁、所述第二铜电极8和所述PTFE膜9层叠贴合，即所述第二铜电极8外侧面与所述PDMS外壳6内壁贴合固定、内侧面与所述PTFE膜9贴合，所述PTFE 膜9环绕所述第一铜电极7且二者之间不接触，所述PTFE膜9环绕所述第一铜电极7设置且与所述第一铜电极7之间留有环形间隙。所述PDMS外壳6受两相流的液相和气相交替挤压作用使所述PTFE膜9与所述第一铜电极7接触或分离。优选的，所述第一铜电极7和所述第二铜电极8轴线重合。

所述电路板分别连接每一所述传感器部件3的第一铜电极7和第二铜电极8。这里所述连杆2内设有导线12，所述电路板通过所述导线12分别连接连接每一所述传感器部件3的第一铜电极7和第二铜电极8。所述电路板可以检测出每一所述传感器部件3的第一铜电极7和第二铜电极8之间的电压。

请参考图4，上述基于摩擦纳米发电机原理的煤层气井筒两相流速度传感器的工作原理为：初始状态，在两相流尚未流至所述连杆2下端的所述传感器部件3时，所述PDMS外壳6并未受到两相流的挤压作用，所述第二铜电极8和所述PTFE薄膜9保持静止，与所述第一铜电极7保持固定间距，此时所述第一铜电极7和所述第二铜电极8之间没有电势差(电压)产生。

在两相流流至所述传感器部件3时，所述两相流的液相和气相交替经过所述PDMS外壳6，在液相经过所述PDMS外壳6时对所述PDMS外壳6进行挤压，使所述第二铜电极8和所述PTFE薄膜9会向所述第一铜电极7靠近并接触，如图4中①→②所示，此时为了平衡电势，负电荷将从所述第一铜电极7转移到所述第二铜电极8，电荷的转移产生电流从而产生电信号，当所述PTFE薄膜9 与所述第一铜电极7接触面积达到最大时，开路电压将达到最大值。当气相经过时，由于压力减小，导致接触面积减小，直至所述第二铜电极8和所述PTFE 薄膜9与所述第一铜电极7分离，如图4中②→③→④所示，正电荷从所述第一铜电极7向所述第二铜电极8移动，再次产生一个相反的电信号，同时所述第一铜电极7和所述第二铜电极8上的开路电压也将减小，这些电压信号均可以被所述电路板检测出。

理论上，在一段时间内当单个气泡经过两所述传感器部件3时，由于对所述PDMS外壳6挤压作用相同，两所述传感器部件3的所述第一铜电极7和所述第二铜电极8之间的电压也是相同，可以计算两相流中单个气泡经过两所述传感器部件3之间的时间差，由于两所述传感器部件3之间的距离是固定的，因此通过两所述传感器部件3之间的间隔时间与两所述传感器部件3之间的距离计算出气泡的运动速度。

请参考图5，如通过两相流中气相完全流过所述PDMS外壳6上端气时的电压计算气泡的运动速度，具体为，在气相完全流过所述PDMS外壳6上端时，所述第一铜电极7和所述第二铜电极8完全分离，二者之间的电压U为0，进而判断出两相流中气相完全流过所述PDMS外壳6上端气时的时间差△T。由两所述传感器部件3之间的距离除以时间差△T即可得到气泡的运动速度。另外根据气泡的运动速度从而推导出气泡体积与气泡折算速度等参数，构建井下气泡的运移模型。

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。