阅读说明：本技术 光电式流量测井仪 (Photoelectric flow logging instrument ) 是由 赵希正 陈美英 左卿伶 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及地质勘探技术领域,提供一种光电式流量测井仪,包括：运动部件,所述运动部件上设有透光孔；光电感应部件,包括发光部件和光敏部件,所述发光部件与所述光敏部件之间设置所述运动部件,所述运动部件运动以使所述发光部件、所述透光孔和所述光敏部件共线并导通光路；比较单元,所述比较单元连接所述光敏部件的输出端,所述比较单元输出预设结果,所述预设结果为根据所述光敏部件输出的光强信号与预设值的比较结果,所述预设结果对应流体清澈程度。本发明提供的光电式流量测井仪,利用光电转换原理,解决磁干扰问题,并且能够测得流体的清澈程度。(The invention relates to the technical field of geological exploration, and provides a photoelectric flow logging instrument, which comprises: the moving part is provided with a light hole; the photoelectric sensing part comprises a light emitting part and a photosensitive part, the moving part is arranged between the light emitting part and the photosensitive part, and the moving part moves to enable the light emitting part, the light holes and the photosensitive part to be collinear and conduct a light path; the comparison unit is connected with the output end of the photosensitive component and outputs a preset result, the preset result is a comparison result of the light intensity signal output by the photosensitive component and a preset value, and the preset result corresponds to the clarity degree of the fluid. The photoelectric flow logging instrument provided by the invention solves the problem of magnetic interference by using a photoelectric conversion principle, and can measure the clarity degree of fluid.)

光电式流量测井仪

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，尤其涉及光电式流量测井仪。

背景技术

在矿井水文地质勘探中，抽水井及自溢井中所揭露的各含水层之间，由于各自的水位不同将通过钻孔相互补给，造成钻孔中纵向水流现象。井中纵向水流的速度在不同深度上的变化，与含水层层数、厚度、深度及各含水层的流量、水力状态(涌水或吸水)，渗透性能及其非均匀性等都有密切的关系。利用井下仪器探测地下水在钻孔中的垂向流速及孔径变化情况的工作方法叫流量测井。

上世纪80年代，我国在矿井水文地质勘探中开始应用流量测井技术，最先应用在煤矿井筒检查孔的水文测井工作中。最初使用的仪器主要是仿照前苏联设备的原理，只能进行点测。先期中国煤炭地质总局物探研究院研制出MDS-1型井中流量仪，上海地质仪器厂生产的SLJ-2型井中流量仪，武汉勘察研究院生产的RM-2型地下水流速仪，重庆地质仪器厂生产的LY-1型井中流量仪等等。这些仪器在研制过程中对流量仪进行了很多实验，如热敏式、电磁式、深度水头、中子示踪等等产生信号的方法，但其性能效果都不如旋转叶轮产生的信号稳定可靠、效果好，尤其在测量范围上，所以这些仪器大部分采用了涡轮式流速传感器。同时也实现了井中恒速连续测量功能。

涡轮式流速传感器的工作原理是：当涡轮旋转一周时，涡轮上的永久磁铁经过固定在涡轮框架上的干簧管一次，通过磁力作用使干簧管导通一次，通过测量涡轮的转动频率来实现测量流速的目的。

但现有的磁干簧管涡轮式流速传感器也存在如下不足：

1、在钻探施工过程，钻孔中钻具研磨岩石所产生的铁销残留在钻孔内，当流量测井仪在井中移动时，这些铁销就会吸附在传感器的永久磁铁上，使叶轮的转动惯量发生变化，因此使测量精度降低，当铁销吸附到一定程度时，叶轮就会与干簧管固定框架卡死，导致传感器不能正常工作。在这种情况下只能从井中提出探头对叶轮上的铁销进行清除，再重新测量，所以完成一个井筒检查孔的测量需要反复多次的重复工作，严重影响了探测精度及工作效率。

2、流量测井仪在井中恒速移动时，不论井液是否清澈都能检测到涡轮的转动信号，所以这种流量测井仪不能检测全孔深度范围内的洗孔质量。由于钻孔在钻进过程中岩粉产生的泥浆通过井液压力进入含水层的孔隙与裂隙之中，要进行流量测井的钻孔，在抽水实验前必须进行洗孔，确保每个含水层的孔隙，裂隙畅通，如果洗孔不彻底就会影响探测精度，甚至漏掉弱含水层，但洗孔质量难以判断。

3、原设备井下仪器与地面仪器为模拟测量方式，井下与地面的信号传输是并行传输方式，要同时测量流速，井径及井温三种参数需要三根传输电缆，而地面仪器(煤田数字测井系统)是串行通信方式，测量参数只需要一根电缆传输，原流量测井仪与其不能兼容，所以在钻孔全参数数字测井工作中，流量测井工作要使用专门的地面仪器，而且测量参数数据不能直接进入煤田数字测井的数据库，使现场施工与资料处理极为不便。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种光电式流量测井仪，利用光电转换原理，解决磁干扰问题，并且能够测得流体的清澈程度。

根据本发明第一方面实施例的光电式流量测井仪，包括：

运动部件，所述运动部件上设有透光孔；

光电感应部件，包括发光部件和光敏部件，所述发光部件与所述光敏部件之间设置所述运动部件，所述运动部件运动以使所述发光部件、所述透光孔和所述光敏部件共线并导通光路；比较单元，所述比较单元连接所述光敏部件的输出端，所述比较单元输出预设结果，所述预设结果为根据所述光敏部件输出的光强信号与预设值的比较结果，所述预设结果对应流体清澈程度。

根据本发明的一个实施例，比较单元包括比较器，所述比较器连接于所述光敏部件的输出端，所述比较器接收所述光敏部件的输出信号，并且所述比较器根据所述光敏部件的输出信号与预设值的比较结果输出预设结果。

根据本发明的一个实施例，所述比较器设有多个，多个所述比较器并联于所述光敏部件的输出端。

根据本发明的一个实施例，所述光敏部件的输出端与所述比较器之间连接有电压跟随器。

根据本发明的一个实施例，所述运动部件为涡轮轴，所述涡轮轴上连接叶片。

根据本发明的一个实施例，所述涡轮轴的周向均匀分布有多个所述透光孔。

根据本发明的一个实施例，所述涡轮轴上设有光电编码器，所述透光孔设于所述光电编码器上。

根据本发明的一个实施例，所述发光部件发射红光，所述红光的波长范围为6300A⁰～7600A⁰。

根据本发明的一个实施例，还包括壳体，所述壳体内设有密封区，所述发光部件与所述光敏部件设于所述密封区内。

根据本发明的一个实施例，还包括信号处理电路和计数器，所述信号处理电路连接于所述比较器的输出端，所述信号处理电路的输出端连接所述计数器。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：运动部件与光电感应部件配合，利用光电转换测量流体流速，解决了磁干扰的问题，并且，发光部件采用红光光源，可见光在液体(如水)中传播时，红光的吸收系数最小，光在透射过程中的衰减少，减小发光部件对检测结果的干扰，提高检测准确性。

进一步的，光电感应部件与比较单元配合，能够测得流体的清澈程度，整体结构简单，成本低，使用效果好，尤其适用于井中流体的流速、流量测量以及获得洗孔质量。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的光电式流量测井仪的流速传感器结构示意图；

图2是本发明实施例提供的光电式流量测井仪的井液检测电路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的光电式流量测井仪的串行通信电路的示意图；

附图标记：

1、发光部件；2、引线；3、密封区；4、光敏部件；5、光电编码器；6、叶片；7、减摩件；8、壳体；9、涡轮轴；10、电压跟随器；11、第一比较器；12、第二比较器；13、第三比较器；14、整形定宽器；15、积分器；16、电压/频率转换器；17、计数器；18、锁存器；19、延时器；20、计时器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

结合图1至图3所示，本发明的一个实施例，提供一种光电式流量测井仪，包括：运动部件，运动部件上设有透光孔；光电感应部件，包括发光部件1和光敏部件4，发光部件1与光敏部件4之间设置运动部件，运动部件运动以使发光部件1、透光孔和光敏部件4共线并导通光路；比较单元，比较单元连接光敏部件的输出端，述比较单元输出预设结果，预设结果为根据光敏部件输出的光强信号与预设值的比较结果，预设结果对应流体清澈程度。

发光部件1与光敏部件4相对固定设置，运动部件在流体的外力作用下运动，运动部件运动到发光部件1、透光孔和光敏部件4共线时，发光部件1发射的光线通过透光孔照射到光敏部件4，光敏部件4接收到光信号，光敏部件4将接收到的光信号转换为电信号，并根据电信号得出运动部件的运动周期，也就是形成了流速传感器，能够测量流体流速以及流量。

与此同时，还能根据光敏部件4接收到的光强信号判断流体的清澈程度。在发光部件1的光源强度一定以及发光部件1与光敏部件4之间的传播距离一定的条件下，传播介质(如井液)透光性能决定了光敏部件4输出信号的幅值，所以根据光敏部件4输出的光强信号大小即可判定流体是否清澈，也即可判断井中洗孔是否彻底。

其中，比较单元的预设值是与光敏部件4输出的光强信号相对应的信号，可以为光强信号，根据需要预设的等级分界值。当光敏部件4输出的光强信号转换为电信号时，预设值则为对应的电信号。

需要说明的是，光敏部件4的输出端输出的是一个近似正玄波电压或电流信号，它的频率与流体流速成正比，以测得流速，光电感应部件与运动部件组合形成流速传感器。具体的，光敏部件4包括光敏电阻，在光敏电阻两端加载固定电压，以获得变化的电流信号；或者，光敏电阻内流过固定电流，以获得变化的电压信号。

其中，运动部件的运动形式可以为转动、摆动、直线运动等多种形式。当运动部件为涡轮轴9时，涡轮轴9转动运动。

本实施例，采用光电转换原理，进行流速、流量测量，整体结构简单、成本低、使用寿命长，受环境干扰小，适用于多种场合的流量或流速测量。尤其解决了井内流量测量时，铁磁性物质干扰的问题，提高测量灵敏度，并且能够测得流体的清澈程度，得出洗孔质量，以便及时提醒重新洗孔。

根据上述光敏部件4的输出端输出的电信号可以为电压或电流，下文中以电压信号为例进行说明。

一个实施例中，比较单元包括比较器，比较器连接于光敏部件4的输出端，比较器接收光敏部件4的输出信号，并且比较器根据光敏部件4的输出信号与预设值的比较结果输出预设结果。

光敏部件4的输出端输出的近似正玄波电压或电流信号的振幅与光敏部件4所接收到的光强度有关，光强度又受流体的清澈程度影响，则可通过振幅得出流体清澈程度。其中，预设值为电压值，光敏部件4输出的幅值与预设值比较。

进一步的，光敏部件4的输出端与比较器之间连接有电压跟随器10，电压跟随器10起缓冲、隔离，起到阻抗匹配的作用，提高信号稳定性。

当比较器设有一个时，比较器得出的结果为两种，清澈或浑浊，清澈则表示洗孔质量满足要求，浑浊则表示洗孔质量不满足要求。具体的，当光敏部件4的输出信号大于预设值，比较器输出的预设结果为高电平1，则表示清澈；当光敏部件4的输出信号小于预设值，比较器输出的预设结果为低电平0，则表示浑浊。

在另一个实施例中，比较器设有多个，多个比较器并联于光敏部件4的输出端，至少两个比较器的预设值不同，可进行流体清澈或浑浊的判断，并且能够将流体的清澈程度划分为多个等级。

结合图2所示，以比较器设置三个为例(即为三阶电压比较器电路)进行说明。比较器包括第一比较器11、第二比较器12和第三比较器13。第一比较器11的预设结果为：当光敏部件4的输出信号大于第一预设值，第一比较器11输出的预设结果为高电平1，当光敏部件4的输出信号小于第一预设值，第一比较器11输出的预设结果为低电平0；同理，第二比较器12的预设结果为：当光敏部件4的输出信号大于第二预设值，第二比较器12输出的预设结果为高电平1，当光敏部件4的输出信号小于第二预设值，第二比较器12输出的预设结果为低电平0；第三比较器13的预设结果为：当光敏部件4的输出信号大于第三预设值，第三比较器13输出的预设结果为高电平1，当光敏部件4的输出信号小于第三预设值，第三比较器13输出的预设结果为低电平0。

第一预设值、第二预设值和第三预设值依次减小。光敏部件4的电压信号通过高阻抗输入的电压跟随器10进行隔离，而后进入三阶电压比较器电路。具体的，当电压跟随器10的输出值大于第一预设值，第一比较器11、第二比较器12和第三比较器13的输出为111，此时记录为流体清澈，洗孔质量较好；当电压跟随器10的输出值小于第一预设值、大于第二预设值，第一比较器11、第二比较器12和第三比较器13的输出为011，此时记录为流体不清澈，洗孔质量一般；当电压跟随器10的输出值小于第二预设值、大于第三预设值，第一比较器11、第二比较器12和第三比较器13的输出为001，此时记录为流体浑浊，洗孔质量不佳，可提醒重新洗孔。

第一预设值、第二预设值和第三预设值的一个实施例，参考图2所示，第一预设值、第二预设值和第三预设值分别为8V、6V和4V。

在另一个实施例中，结合图1所示，运动部件为涡轮轴9，涡轮轴9上连接叶片6。进一步的，涡轮轴9与叶片6之间设置减摩件7，减小摩擦阻力，提高测量准确性。减摩件7可以为石英材料。

在另一个实施例中，涡轮轴9的周向均匀分布有多个透光孔，涡轮轴9转动一周，进行多次信号采集，提高测量准确性。

在另一个实施例中，涡轮轴9上连接有光电编码器5，透光孔设于光电编码器5上，光电编码器5用于测量涡轮轴9的转动角度，与透光孔相配合，保证测量准确性。

在另一个实施例中，发光部件1与光敏部件4在运动部件的轴线两侧对称设置，减小发光部件1与光敏部件4的间距，减小光传播损耗对测量结果的影响，提高测量准确性。

在另一个实施例中，光电式流量测井仪还包括壳体8，壳体8内设有密封区3，发光部件1与光敏部件4设于密封区3内，防止流体干扰发光部件1与光敏部件4的运行，保证发光部件1与光敏部件4使用寿命。密封区3内的发光部件1与光敏部件4均通过引线2与其他部件连接。

在另一个实施例中，密封区3通过充填密封胶形成，结构简单，成本低，方便加工。

在另一个实施例中，发光部件发射红光，红光的波长范围为6300A⁰～7600A⁰，可见光在液体(如水)中传播时，红光的吸收系数最小，光在透射过程中的衰减少，减小发光部件对检测结果的干扰，提高检测准确性。具体的，可见光的波长范围在7600A⁰～4000A⁰之间，而红光的波长为7600A⁰～6300A⁰，红光在可见光源中吸收系数最小。根据光学原理：I＝I0e-αd(透射定律)，光在透射中的衰减主要决定于吸收系数α与透射厚度d。当d一定时，α为我们选择的主要参数，由透射原理，光在水中，波长越长α越小，反之越大。为了使吸收系数小，则选择波长越大的光源。

具体的，叶片6是由聚矾磷模压制成，是其密度为1(接近水的密度)，4个叶片6，倾角34度，导程7.8cm。涡轮轴9的顶端有光电编码器5，涡轮轴9的直径8mm、长度8mm，光电编码器5上有透光孔4个，为了减小光程中光强度的损耗，涡轮轴9和壳体8用聚甲基丙烯酸甲酯制成。发光部件1为波长6300A⁰～7600A⁰的红光，发光部件1通过遮光罩定向射向光电编码器5。在光电编码器5后方壳体8内装有光敏部件4，在安装时，发光部件1、光电编码器5、光敏部件4共线，当井液流动时，井液中的叶片6受流动动力的作用发生转动，当透光孔与发光部件1、光敏部件4共线时，光路导通产生一个光电信号，每转动一周时产生四个电信号。又因为叶片6的导程为7.8cm，即水流动7.8cm的距离时，涡轮轴9转动一周，每秒8cm的水流速度时可获得4Hz的测量信号，相对于现有的仪器，其分辨率提高了4倍。

在另一个实施例中，结合图3所示，光电式流量测井仪还包括信号处理电路和计数器17，信号处理电路连接于比较器的输出端，信号处理电路的输出端连接计数器17，计数器17记录比较器输出信号的次数，也就是记录光路接通次数，进而得出运动部件的频率，以测得流体流速。每个比较器的输出端均设有信号处理电路和计数器17。

具体的，信号处理电路包括依次连接整形定宽器14、积分器15、电压/频率转换器16，电压/频率转换器16连接计数器17，计数器17连接锁存器18，并且，计数器17上连接延时器19，延时器19连接计时器20，计时器20连接锁存器18。来自比较器输出的电压信号通过可再触发单稳电路进行整形定宽，把具有固定宽度的脉冲电压信号进行恒流积分(F/V)，再送入高精密的电压/频率转换器16，获得稳定的频率信号，而后再以一定的计数时间进行计数锁存，送入八道传输电路。经过上述处理，使测量得到的信号与煤田数字测井系统的地面仪器兼容，实现多路信号的数字化处理及与地面煤田数字测井仪器的串行通信，解决流速测量信号的频率较底，在后级的多路信号分时传输电路中不能直接计数的问题。

进一步的，井下传输部分时序控制是按时间顺序产生8个道控方波信号，可使8路信号分时串行传输。井下仪器所测量的每种参数信号可分配到这1～7道中的任意一道，第8道为16个“1”作为同步信号，每传输一帧数据32.768ms，实现串行传输后，信号线只占用一根缆芯。

上述实施例应用于井中时，光电传感技术应用于矿井水文地质勘探的测井工作；成功的消除了井中铁磁性物质的干扰，使探测精度及工作效率得到了很大的提高；还可以准确测得钻孔的洗孔质量，解决了一直困扰流量测井工作的一大难题；还实现了与煤田数字测井系统地面仪器的数据通信，解决了原模拟仪器存在的很多问题，使流量测井工作的精度、效率及资料处理功能得到了很大提高；结构大为简化，降低了成本，同时也提高了环境适应性与使用寿命。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。