仿生井下烃类气体随钻检测装置

摘要

仿生井下烃类气体随钻检测装置属机械工程技术领域，本发明检测室组中四个检测室的下端分别经气阀组的四个气阀与吸附室的四个上孔连接；吸附室下孔经气阀与减压储气室上孔连接；减压储气室下孔经减压阀与气液分离室上孔连接；检测室中导气管设于主体Ⅰ下部外侧壁；惰性气体阀置于主体Ⅰ与导气管连接处；主体Ⅰ中自上而下顺序固接上扰动结构组、传感器阵列、下扰动结构组；吸附室中二吸附块对称固接于主体Ⅱ内壁两侧；减压储气室中二排气管对称设于主体Ⅲ上部侧壁，二气阀分别置于主体Ⅲ与二排气管连接处；气液分离室中气液分离网置于分离隔板和分离室底板之间；本发明可实现多模态融合检测，检测精度和检测效率高，结构简单，易于实施和推广。

说明书

技术领域

本发明属机械工程技术领域，具体涉及一种仿生井下烃类气体随钻检测装置。

背景技术

目前，随着煤、石油等化石燃料由于大量使用而日渐枯竭，天然气水合物由于其可观的 储量日益受到重视，而气体检测技术在其开采中起到重要作用。

现阶段，井下气体随钻检测由于其即时、准确、快速等优点得到了广泛的关注，但仍存 在较多问题限制其发展，其中最主要的问题集中在样本气减压释放和剧变高压环境对检测精 度的干扰上。

从仿生学角度出发，通过以自然界中现有生物为原型，提取相关有价值的信息，从而仿 照其结构或原理并将其运用到工程技术上，为上述问题的解决，提供了一种新的途径。自然 界中蜥蜴为适应生存环境进化出适于其感知外界信息的最优嗅觉器官包括舌头、犁鼻器等和 嗅觉方式包括变压吸附、传递、感知，其整个收集、递送、检测外界气味分子的方式使其具 有高效、灵敏、快速的特性，而其采用的基于变压吸附式嗅觉的多模态融合检测方式进行的 复杂环境中的目标识别，为上述问题的解决提供了仿生参考。

发明内容

自然界中蜥蜴在对外界气味分子识别时，其嗅觉器官内气体流场的变化促进了气体分子 的吸附，而其犁鼻器官内的多种嗅觉神经，可实现对气味分子进行多种形式的检测。

本发明以蜥蜴的基于变压吸附式嗅觉特性的多模态融合检测方式为借鉴，以其变压吸附 及多模态融合检测两个方面为主要参考对象，目的是提供一种仿蜥蜴嗅觉特性的井下烃类气 体随钻检测装置。

本发明由检测室组A、气阀组B、吸附室C、减压储气室D、气液分离室E、气阀Ⅴ1和减 压阀2组成，其中：检测室组A中检测室Ⅰ3的下端经气阀组B的气阀Ⅰ19与吸附室C的上 孔Ⅰ29连接；检测室组A中检测室Ⅱ4的下端经气阀组B的气阀Ⅱ20与吸附室C的上孔Ⅱ24 连接；检测室组A中检测室Ⅲ5的下端经气阀组B的气阀Ⅲ21与吸附室C的上孔Ⅲ30连接； 检测室组A中检测室Ⅳ6的下端经气阀组B的气阀Ⅳ22与吸附室C的上孔Ⅳ23连接；吸附 室C的下孔Ⅰ26经气阀Ⅴ1与减压储气室D的上孔Ⅴ31连接；减压储气室D的下孔Ⅱ35经减 压阀2与气液分离室E的上孔Ⅵ38连接。

所述的检测室组A包括检测室Ⅰ3、检测室Ⅱ4、检测室Ⅲ5、检测室Ⅳ6，其中检测室Ⅰ3、 检测室Ⅱ4、检测室Ⅲ5和检测室Ⅳ6的结构完全相同，均包括主体Ⅰ7、上扰动结构组8、传 感器阵列9、下扰动结构组10、导气管11和惰性气体阀12，主体Ⅰ7为圆筒状，导气管11 设于主体Ⅰ7的下部外侧壁；惰性气体阀12置于主体Ⅰ7与导气管11的连接处；主体Ⅰ7的 上口至与导气管11的连接处之间、自上而下顺序固接上扰动结构组8、传感器阵列9、下扰 动结构组10；上扰动结构组8由对称布置的扰动结构Ⅰ13和扰动结构Ⅱ14组成、传感器阵 列9由对称布置的传感器Ⅰ15和传感器Ⅱ16组成、下扰动结构组10由对称布置的扰动结构 Ⅲ17和扰动结构Ⅳ18组成。

所述的气阀组B由气阀Ⅰ19、气阀Ⅱ20、气阀Ⅲ21和气阀Ⅳ22组成，且呈正方形排列。

所述的吸附室C由上孔Ⅳ23、上孔Ⅱ24、吸附块Ⅰ25、下孔Ⅰ26、吸附块Ⅱ27、主体Ⅱ 28、上孔Ⅰ29和上孔Ⅲ30组成，其中主体Ⅱ28为圆筒状，上孔Ⅰ29、上孔Ⅱ24、上孔Ⅲ30、 上孔Ⅳ23设于主体Ⅱ28顶部，下孔Ⅰ26设于主体Ⅱ28底部，吸附块Ⅰ25和吸附块Ⅱ27对称 固接于主体Ⅱ28内壁两侧。

所述的减压储气室D由上孔Ⅴ31、排气管I32、气阀Ⅵ33、主体Ⅲ34、下孔Ⅱ35、气阀 Ⅶ36和排气管II37组成，其中主体Ⅲ34为圆筒状，排气管I32和排气管II37对称设于主体 Ⅲ34的上部侧壁，气阀Ⅵ33置于主体Ⅲ34与排气管I32的连接处，气阀Ⅶ36置于主体Ⅲ34 与排气管II37的连接处，上孔Ⅴ31设于主体Ⅲ34顶部，下孔Ⅱ35设于主体Ⅲ34底部。

所述的气液分离室E为圆台状，由上孔Ⅵ38、主体Ⅳ39、分离隔板40、气液分离网41 和分离室底板42组成，其中上孔Ⅵ38设于主体Ⅳ39顶部，分离隔板40设于主体Ⅳ39的近 下部，分离室底板42固接于主体Ⅳ39底部，气液分离网41置于分离隔板40和分离室底 板42之间。

所述的分离隔板40和分离室底板42上所设圆孔47、圆孔的直径e和排布完全相同，均 包括中心孔43、环形孔阵列I44、环形孔阵列II45和环形孔阵列III46；环形孔阵列I44、 环形孔阵列II45和环形孔阵列Ⅲ46与中心孔43为同心圆，其中环形孔阵列I44以半径h为 8mm的圆周上均布4个圆孔47；环形孔阵列II45以半径h₁为16mm的圆周上均布8个圆孔47； 环形孔阵列Ⅲ46以半径h₂为24mm的圆周上均布12个圆孔47；圆孔直径e为6mm。

本发明的工作过程和原理为：高压的气液混合体通过分离室底板42和分离隔板40上的 中心孔43、环形孔阵列I44、环形孔阵列II45、环形孔阵列III46及气液分离网41将气体 分离至气液分离室E，打开减压阀2、气阀Ⅵ33、气阀Ⅶ36，其余各阀均关闭，混合气体从气 液分离室E经减压阀2以合适的压力进入到减压储气室D，同时将气液分离室E和减压储气 室D内的原有气体排走，防止原有气体干扰检测精度，减压阀2及气阀Ⅵ33、气阀Ⅶ36开启 一段时间后同时关闭，此时减压储气室D内充满待测烃类气体，只打开气阀Ⅴ1，气体扩散至 吸附室C，并由吸附块Ⅰ25、吸附块Ⅱ27吸附待测气体，待吸附完毕并且减压储气室D和吸 附室C内气压稳定时，关闭气阀Ⅴ1，调节吸附室C内的气压至合适值，吸附块Ⅰ25、吸附块 Ⅱ27开始释放气体，此时将气阀Ⅰ19、气阀Ⅱ20、气阀Ⅲ21、气阀Ⅳ22同时打开，其余各阀 依旧保持关闭状态，气体进入检测室Ⅰ3、检测室Ⅱ4、检测室Ⅲ5、检测室Ⅳ6，在上扰动结 构组8及下扰动结构组10的作用下，检测室组A内的气体流场发生变化，扰动后的气流与传 感器阵列9充分接触，从而提高传感器的检测精度，待传感器阵列9得到的检测数据信号稳 定后，关闭气阀Ⅰ19、气阀Ⅱ20、气阀Ⅲ21、气阀Ⅳ22并打开惰性气体阀12，向导气管11 中通入惰性气体，从而将检测室组A内的残余气体排走，完成检测室组A的清洗，整个检测 过程结束。

与现有技术相对比，本发明具备的优点和积极效果为：

1.检测思想仿照蜥蜴变压吸附式嗅觉特性的多模态融合检测方式，其中吸附室C内的吸 附块Ⅰ25、吸附块Ⅱ27在适当的压力条件下起到混合气体的变压吸附及释放的作用，传感器 阵列9中两种不同种类的传感器及其组合方式可实现多模态融合检测。

2.分离室底板42、气液分离网41、分离隔板40及减压阀2将高压气液混合体转换为可 控的低压气体，实现在气液分离的同时控制进入混合气体的压力，能解决气液分离和高压环 境的问题。

3.吸附室C及其内部吸附块Ⅰ、吸附块Ⅱ起到待测烃类气体变压吸附及释放的作用，从 而实现气体的减压且稳压释放，并保证检测室组A内的传感器阵列9在稳定的压力条件下进 行正常检测，能解决样本气的减压释放和剧变高压环境对检测精度的干扰。

4.检测室组A内部的上扰动结构组8、下扰动结构结构组10使得进入检测室组A内的混 合气体的流场发生变化，经扰动的待测气体与传感器阵列9充分接触，能提高传感器阵列9 的检测精度。

5.传感器阵列9的排布采用非对称原则，检测室组A内部布有四种不同的传感器组合， 综合各个组合得出的各种检测数据，可避免检测中的偶然性，同时也能提高传感器阵列9的 检测精度。

本发明检测精度和检测效率高，结构简单，易于实施和推广。

附图说明

图1为仿生井下烃类气体随钻检测装置的结构示意图

图2为检测室组的俯视图

图3为检测室的结构示意图

图4为图3中的a-a截面视图

图5为图3中的b-b截面视图

图6为图3中的c-c截面视图

图7为气阀组的截面视图

图8为吸附室的主视图

图9为吸附室的俯视图

图10为减压储气室的主视图

图11为减压储气室的俯视图

图12为气液分离室的主视图

图13为分离室底板的主视图

其中：A.检测室组B.气阀组C.吸附室D.减压储气室E.气液分离室1.气阀Ⅴ 2.减压阀3.检测室Ⅰ4.检测室Ⅱ5.检测室Ⅲ6.检测室Ⅳ7.主体Ⅰ8.上扰动结构 组9.传感器阵列10.下扰动结构组11.导气管12.惰性气体阀13.扰动结构Ⅰ 14.扰动结构Ⅱ15.传感器Ⅰ16.传感器Ⅱ17.扰动结构Ⅲ18.扰动结构Ⅳ19.气阀Ⅰ 20.气阀Ⅱ21.气阀Ⅲ22.气阀Ⅳ23.上孔Ⅳ24.上孔Ⅱ25.吸附块Ⅰ26.下孔Ⅰ 27.吸附块Ⅱ28.主体Ⅱ29.上孔Ⅰ30.上孔Ⅲ31.上孔Ⅴ32.排气管Ⅰ33.气阀Ⅵ 34.主体Ⅲ35.下孔Ⅱ36.气阀Ⅶ37.排气管Ⅱ38.上孔Ⅵ39.主体Ⅳ40.分离隔板 41.气液分离网42.分离室底板43.中心孔44.环形孔阵列Ⅰ45.环形孔阵列Ⅱ46.环 形孔阵列Ⅲ47.圆孔e-圆孔直径h-环形孔阵列Ⅰ的圆半径h₁-环形孔阵列Ⅱ的圆半径 h₂-环形孔阵列Ⅲ的圆半径

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施过程及方式做进一步说明。

本发明全长330mm，外壁直径最大处为90mm，包括检测室组A、气阀组B、吸附室C、减 压储气室D、气液分离室E、气阀Ⅴ1、减压阀2，其中检测室组A由检测室Ⅰ3、检测室Ⅱ4、 检测室Ⅲ5、检测室Ⅳ6组成，检测室Ⅰ3、检测室Ⅱ4、检测室Ⅲ5、检测室Ⅳ6的结构完全相 同，均由主体Ⅰ7、上扰动结构组8、传感器阵列9、下扰动结构组10、导气管11、惰性气体 阀12组成，其中主体Ⅰ7为圆筒状，主体Ⅰ7外壁直径为26mm，内孔直径为20mm，高度为 63mm，导气管11设于主体Ⅰ7的下部侧壁，内孔直径为6mm，壁厚为3mm，用于通入惰性气 体，并将检测室Ⅰ3、检测室Ⅱ4、检测室Ⅲ5、检测室Ⅳ6内已完成检测的烃类气体排走，达 到清洗检测室组A的目的。

惰性气体阀12置于主体Ⅰ7与导气管11的连接处；主体Ⅰ7的上口至与导气管11的连 接处之间自上而下顺序固接上扰动结构组8、传感器阵列9、下扰动结构组10，以便使扰动 后的气流与传感器充分接触，达到提高检测精度的目的。

传感器排列方式采用非对称原则，用于实现多模态融合检测，具体为：在四个检测室中 取任意一个检测室并将两个气敏传感器对称安装于此检测室，在与上述已安装好的检测室径 向对应的另一个检测室内将一个气敏传感器和一个红外传感器对称安装于其中，再从剩余的 两个检测室中任取一个并将两个红外传感器对称安装于其中，余下的一个气敏传感器和一个 红外传感器对称安装于剩余的检测室内。

上扰动结构组8由扰动结构Ⅰ13和扰动结构Ⅱ14组成、传感器阵列9由传感器Ⅰ15和 传感器Ⅱ16组成、下扰动结构组10由扰动结构Ⅲ17和扰动结构Ⅳ18组成，沿径向方向上在 检测室Ⅳ6出口处以其内部轴线为对称线，布置扰动结构Ⅰ13和扰动结构Ⅱ14，并在距上扰 动结构组8正下方39mm处再布置扰动结构Ⅲ17和扰动结构Ⅳ18。

扰动结构Ⅰ13、扰动结构Ⅱ14、扰动结构Ⅲ17、扰动结构Ⅳ18大小结构均相同， 在检测室Ⅳ6内整体呈三角棱块状，棱长为19.6mm，在竖直方向截面上呈等腰三角形，与检 测室Ⅳ6内壁接触的部分呈圆弧状，沿检测室Ⅳ6径向的最大高度为8mm，与检测室Ⅳ6内壁 接触的竖直方向厚度为12mm。

气阀组B由气阀Ⅰ19、气阀Ⅱ20、气阀Ⅲ21、气阀Ⅳ22组成，且呈正方形排列。

吸附室C由上孔Ⅳ23、上孔Ⅱ24、吸附块Ⅰ25、下孔Ⅰ26、吸附块Ⅱ27、主体Ⅱ28、上 孔Ⅰ29、上孔Ⅲ30组成，其中主体Ⅱ28为圆筒状，高为80mm，外壁直径为90mm，壁厚为5mm， 上孔Ⅰ29、上孔Ⅱ24、上孔Ⅲ30、上孔Ⅳ23设于主体Ⅱ28顶部，以吸附室C回转中心线为轴 线，分布直径为40mm，均匀分布在吸附室C上端外层壳体上，孔径大小均为20mm，下孔Ⅰ26 设于主体Ⅱ28底部，孔径大小为20mm。

吸附块Ⅰ25和吸附块Ⅱ27固接于主体Ⅱ28内壁两侧，用于在适当压力下吸附或释放混 合气体。检测室组A中检测室Ⅰ3的下端经气阀组B的气阀Ⅰ19与吸附室C的上孔Ⅰ29连接， 检测室组A中检测室Ⅱ4的下端经气阀组B的气阀Ⅱ20与吸附室C的上孔Ⅱ24连接，检测室 组A中检测室Ⅲ5的下端经气阀组B的气阀Ⅲ21与吸附室C的上孔Ⅲ30连接，检测室组A中 检测室Ⅳ6的下端经气阀组B的气阀Ⅳ22与吸附室C的上孔Ⅳ23连接。

减压储气室D由上孔Ⅴ31、排气管I32、气阀Ⅵ33、主体Ⅲ34、下孔Ⅱ35、气阀Ⅶ36、 排气管II37组成，其中主体Ⅲ34为圆筒状，高为87mm，外壁直径为66mm，壁厚为3mm，排 气管I32和排气管II37对称设于主体Ⅲ34的上部侧壁，管口内部直径为6mm，气阀Ⅵ33置 于主体Ⅲ34与排气管I32的连接处，气阀Ⅶ36置于主体Ⅲ34与排气管II37的连接处，上孔 Ⅴ31设于主体Ⅲ34顶部，下孔Ⅱ35设于主体Ⅲ34底部，上孔Ⅴ31与下孔Ⅱ35直径均为20mm。

吸附室C的下孔Ⅰ26经气阀Ⅴ1与减压储气室D的上孔Ⅴ31连接，气阀Ⅴ1起到控制气 体进入吸附室C的作用。

减压储气室D的下孔Ⅱ35经减压阀2与气液分离室E的上孔Ⅵ38连接，减压阀2起到限 制进入减压储气室D的气体压力和控制气体进出的作用。

气液分离室E为圆台状，总高为76mm，外壁直径为70mm，壁厚为5mm，由上孔Ⅵ38、主 体Ⅳ39、分离隔板40、气液分离网41、分离室底板42组成，上孔Ⅵ38设于主体Ⅳ39顶部， 孔径大小为20mm，分离隔板40设于主体Ⅳ39的下部，分离室底板42固接于主体Ⅳ39底部， 气液分离网41置于分离隔板40、主体Ⅳ39及分离室底板42所围空间中。

分离隔板40和分离室底板42上所设圆孔47、圆孔的直径e和排布完全相同，均包括中 心孔43、环形孔阵列I44、环形孔阵列II45和环形孔阵列III46；环形孔阵列I44、环形孔 阵列II45和环形孔阵列Ⅲ46与中心孔43为同心圆，其中环形孔阵列I44以半径h为8mm的 圆周上均布4个圆孔47；环形孔阵列II45以半径h₁为16mm的圆周上均布8个圆孔47；环形 孔阵列Ⅲ46以半径h₂为24mm的圆周上均布12个圆孔47；圆孔直径e为6mm。