一种基于半导体变流的油气钻井硫化氢气侵早期监测装置
阅读说明：本技术 一种基于半导体变流的油气钻井硫化氢气侵早期监测装置 (Oil gas drilling hydrogen sulfide invasion early monitoring device based on semiconductor current transformation ) 是由 苗典远 孙长利 李允智 王福学 李巩 张俊奇 赵建 张帅 于 2020-03-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于半导体变流的油气钻井硫化氢气侵早期监测装置,半导体变流器安装在安装架的尾端,在半导体变流器上方的安装架上安装井下信号发射装置,井下信号发射装置将监测结果无线传递到地面信号接收装置上；在P型半导体衬底的上表面中部设置锌电极,供电电源的负极与P型半导体衬底的下表面相连,供电电源的正极与锌电极相连,源极N型半导体和漏极N型半导体设置在P型半导体衬底的上表面,监测电源的正极与漏极N型半导体相连,监测电源的负极与源极N型半导体相连。本装置能够实现硫化氢气侵的早期监测,并及时采取应对措施。(The invention provides an oil and gas drilling hydrogen sulfide invasion early monitoring device based on semiconductor current transformation, wherein a semiconductor current transformer is arranged at the tail end of an installation frame, an underground signal transmitting device is arranged on the installation frame above the semiconductor current transformer, and a monitoring result is wirelessly transmitted to a ground signal receiving device by the underground signal transmitting device; the middle part of the upper surface of the P-type semiconductor substrate is provided with a zinc electrode, the cathode of a power supply is connected with the lower surface of the P-type semiconductor substrate, the anode of the power supply is connected with the zinc electrode, a source N-type semiconductor and a drain N-type semiconductor are arranged on the upper surface of the P-type semiconductor substrate, the anode of a monitoring power supply is connected with the drain N-type semiconductor, and the cathode of the monitoring power supply is connected with the source N-type semiconductor. The device can realize the early monitoring of the hydrogen sulfide gas invasion and timely take counter measures.)
技术领域
本发明涉及气侵监测
技术领域
，更具体地说涉及一种基于半导体变流的油气钻井硫化氢气侵早期监测装置。背景技术
中国蕴藏着大量的高压、高产、高含硫的天然气资源，但是其勘探开发过程中硫化氢气体在井底高温高压条件下极易溶于钻井液中，导致钻井设备的损坏以及工作人员的伤亡，因此，及时识别和诊断硫化氢气侵信息，成为保障钻井安全、高效的重要内容。
目前常用的硫化氢气侵监测方法包括硫化氢监测仪器法和快速化学分析方法，两种方法都需要现场资料信息(空气或返出钻井液)的采集、处理，所以监测对象也仅限于发生气侵并已上返至地面的硫化氢。但在钻井过程中溶于钻井液中的硫化氢只有在近地面温度、压力降低到一定值后才会释放出来，所以依赖地面资料信息采集的监测方法具有很大的滞后性，不属于硫化氢气侵的早期监测。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，现有的硫化氢气侵监测方法的检测对象仅限于发生气侵并已上返至地面的硫化氢，而对于钻井过程中溶于钻井液中的硫化氢的检测存在一定的滞后性，提供了一种基于半导体变流的油气钻井硫化氢气侵早期监测装置，本装置能够实现硫化氢气侵的早期监测，并及时采取应对措施，为钻井工程安全、优质、高效、快速进行提供可靠保证。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
一种基于半导体变流的油气钻井硫化氢气侵早期监测装置，包括用于安装半导体变流器的安装架、用于将电流信号传递到地面的井下信号发射装置、用于接收信号的地面信号接收装置和用于对硫化氢气侵做出响应并产生电流信号的半导体变流器，
所述半导体变流器安装在所述安装架的尾端，在所述半导体变流器上方的所述安装架上安装所述井下信号发射装置，所述井下信号发射装置将监测结果无线传递到所述地面信号接收装置上；
所述半导体变流器包括监测电源、供电电源、源极N型半导体、漏极N型半导体、锌电极和P型半导体衬底，在所述P型半导体衬底的上表面中部设置所述锌电极，所述供电电源的负极与所述P型半导体衬底的下表面相连，所述供电电源的正极与所述锌电极相连，所述源极N型半导体和所述漏极N型半导体设置在所述P型半导体衬底的上表面，且所述源极N型半导体和所述漏极N型半导体分别位于所述锌电极的首尾两端，所述监测电源的正极通过导线与所述漏极N型半导体相连，在所述导线上设置有用于检测漏极N型半导体处流过电流的监测电流表，所述监测电源的负极与所述源极N型半导体相连。
所述安装架由G105级钢制成，在所述安装架的外壁上开设三个安装凹槽，三个安装凹槽沿着安装架的外壁呈120°对称分布，所述半导体变流器安装在三个安装凹槽内。
所述安装凹槽11的边缘延长线相交所形成的夹角为30-60°，沿油管的管径方向所述安装凹槽的宽度变窄，安装时，首先将半导体变流器中的各个组件镶嵌在安装凹槽内，然后再利用导线将其各个组件之间进行连接，三组半导体变流器保证了测量结果的精确性，安装凹槽与半导体变流器的外壳边缘之间以角度连接最大程度发挥了材料的抗扭强度并扩大了安装凹槽空间。
在所述锌电极的上表面设置有金属保护外壳，当发生硫化氢气侵后，锌电极与硫化氢发生反应形成硫化锌，原有的锌-P型半导体-源极N型半导体形成闭合回路被中断后，在监测电压的作用下，原电路相当于形成一电容器，金属保护外壳相当于该电容器的极板，使得载流子集中于氧化锌下的衬底表面，促进反型层的形成，沟通源极N型半导体与漏极N型半导体。
所述井下信号发射装置采用利用压力脉冲传递信号的随钻测量仪(MWD),利用设置在漏极附近的电流表产生数值波动，说明漏极附近存在电流，此时井下信号发射装置便可以将该信号进行传递了。
电流信号传递至所述井下信号发射装置后，井下信号发射装置通过脉冲发生器改变钻柱内的泥浆压力，压力波将测量数据以脉冲的形式传递至地面信号接收装置。
所述半导体变流器与钻井液直接接触，所述半导体变流器中的锌电极部分浸没在钻井液中。
本发明的有益效果为：与现有技术相比，在钻铤安装硫化氢气侵早期监测装置，测量漏极是否存在电流以判断是否发生硫化氢气侵，克服了依赖地面资料信息采集的硫化氢气体常规监测方法的滞后性；采用锌作电极，一方面其化学性质活泼，保证了监测装置的灵敏度；另一方面其与硫化氢反应形成的硫化锌在井底条件下不具有导电性，构成了锌-硫化锌-半导体场效应晶体管的组成部分；本发明监测精度髙，实时性强，易于推广使用；传感器上发射电极与接收电极的排列方式可根据所需精度以及钻井液性质而改变，例如可通过将发射电极与接收电极垂直排列的方式，将测量区域分割成网状分布的测量点以提高精度。
附图说明
图1为本发明的主体结构示意图；
图2为本发明中半导体变流器的结构示意图；
图3为本发明中安装有半导体变流器的安装架的剖视结构示意图；
其中，1为安装架，2为井下信号发射装置，3为地面信号接收装置，4为监测电源，5为供电电源，6为源极N型半导体，7为漏极N型半导体，8为锌电极，9为金属保护外壳，10为P型半导体衬底，11为安装凹槽，12为半导体变流器。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例一
一种基于半导体变流的油气钻井硫化氢气侵早期监测装置，包括用于安装半导体变流器的安装架1、用于将电流信号传递到地面的井下信号发射装置2、用于接收信号的地面信号接收装置3和用于对硫化氢气侵做出响应并产生电流信号的半导体变流器12，
半导体变流器12安装在安装架1的尾端，在半导体变流器12上方的安装架1上安装井下信号发射装置2，井下信号发射装置2将监测结果无线传递到地面信号接收装置3上；
半导体变流器12包括监测电源4、供电电源5、源极N型半导体6、漏极N型半导体7、锌电极8和P型半导体衬底10，在P型半导体衬底10的上表面中部设置锌电极8，供电电源5的负极与P型半导体衬底10的下表面相连，供电电源5的正极与锌电极8相连，源极N型半导体6和漏极N型半导体7设置在P型半导体衬底10的上表面，且源极N型半导体6和漏极N型半导体7分别位于锌电极8的首尾两端，监测电源4的正极通过导线与漏极N型半导体7相连，在导线上设置有用于检测漏极N型半导体7处流过电流的监测电流表，监测电源4的负极与源极N型半导体6相连。
半导体变流器12与钻井液直接接触，半导体变流器12中的锌电极8部分浸没在钻井液中。
实施例二
在实施例一的基础上，安装架1由G105级钢制成，在安装架1的外壁上开设三个安装凹槽11，三个安装凹槽11沿着安装架1的外壁呈120°对称分布，半导体变流器12安装在三个安装凹槽11内。
安装凹槽11的边缘延长线相交所形成的夹角为30-60°，沿油管的管径方向安装凹槽11的宽度变窄，安装时，首先将半导体变流器中的各个组件镶嵌在安装凹槽内，然后再利用导线将其各个组件之间进行连接，三组半导体变流器12保证了测量结果的精确性，安装凹槽11与半导体变流器12的外壳边缘之间以角度连接最大程度发挥了材料的抗扭强度并扩大了安装凹槽11空间。
实施例三
在实施例二的基础上，在锌电极8的上表面设置有金属保护外壳9，当发生硫化氢气侵后，锌电极8与硫化氢发生反应形成硫化锌，原有的锌-P型半导体-源极N型半导体形成闭合回路被中断后，在监测电压的作用下，原电路相当于形成一电容器，金属保护外壳9相当于该电容器的极板，使得载流子集中于氧化锌下的衬底表面，促进反型层的形成，沟通源极N型半导体与漏极N型半导体。
井下信号发射装置2采用利用压力脉冲传递信号的随钻测量仪(MWD)、利用电磁波传递信息的电磁随钻测量仪(EMWD)或者利用声波传递信息的随钻声波遥测仪(ATWD)，利用设置在漏极附近的电流表产生数值波动，说明漏极附近存在电流，此时井下信号发射装置2便可以将该信号进行传递了。
半导体变流器判断硫化氢气侵的原理：测量时，监测电源和供电电源全部接通，P型半导体和两个N型半导体(源极和漏极)构成了两个PN结，在无硫化氢气侵的情况下，由于锌具有良好的导电率，供电电源输出电压作用下，锌-P型半导体-源极N型半导体形成闭合回路，而不管漏极N型半导体和源极N型半导体之间监测电源输出电压的极性如何，总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，漏极N型半导体电流近似为零；在出现硫化氢气侵的情况下，由于硫化氢的强还原性，直接与钻井液接触的锌电极被还原为硫化锌，而硫化锌常温低电压下不具备导电能力，故原来的锌-P型半导体-源极N型半导体形成闭合回路被中断，此时供电电源相当于在P型半导体衬底上下两侧施加电压，在该电压作用下，将产生一个垂直于半导体表面的由氧化锌指向P型半导体衬底的电场但不会产生电流，这个电场是排斥空穴而吸引电子的，因此，使栅极附近的P型半导体衬底中的空穴被排斥，同时P型半导体衬底中的少子(电子)被吸引到氧化锌下的衬底表面，这些电子在氧化锌附近的P型半导体衬底的硅表面便形成了一个N型薄层，称之为反型层，于是源极N型半导体和漏极N型半导体之间被能通过反型层连接在一起，此时可在漏极N型半导体监测到电流，将出现N型导电沟道将源极N型半导体和漏极N型半导体连接起来形成锌-硫化锌-半导体场效应晶体管，此时可在漏极N型半导体处检测到电流，进而判断发生硫化氢气侵。
为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
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