一种集成仿生一体式半透膜脱气器的制作方法

本发明属油气勘探技术领域，具体涉及一种集成仿生一体式半透膜脱气器。

背景技术：

目前录井过程中脱气工作主要是靠气动或电动脱气器进行油气分离，半透膜脱气方式还很少见，尤其对半透膜脱气装置的结构设计更是少之又少，这种脱气方式相对于传统的电动或气动脱气器具有受影响因素少、能定量评价油气含量的优点。

现有的基于半透膜的油气分离装置通过改变内部结构从而改变流场的设计较少，输气效率低，被测气体容易在集气腔内滞留从而不能及时输出至检测装置，这样会影响检测的精度及准确性，不能充分发挥半透膜脱气的优势。

在井上录井工作中，通常脱气和检测两个过程分别在不同的装置中完成，较为繁琐且成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种集成仿生一体式半透膜脱气器，通过该装置特殊的腔体结构，能使分离出的被测气体快速流畅的通过腔体到达传感器，大大减少被测气体在集气腔的滞留，提高气测录井的精度及准确性，并实现脱气、输气、检测一体化，减小装置尺寸，降低成本。

地下鼠是一类高度特化的动物，鼢鼠作为一种地下鼠为适应黑暗、低氧、声波不易传播的环境，进化出了极为发达的嗅觉系统，其中鼻甲能调节吸入鼻腔的空气并提供嗅觉，其特殊的鼻甲结构能使进气更加均匀、流场更稳定，为整流板的设计提供仿生参考。

近几十年来，仿生减阻研究取得了极大的进展，通过改变表面形态能取得减阻效果，本发明受扇贝表面凹坑结构能减少水流阻力以及蚯蚓体表环节状非光滑结构能降低其在土壤中行进阻力的启发，将仿生微结构应用到半透膜脱气器的设计中，起到减小气流阻力，最终提高检测精度的作用。

本发明由脱气层A、集气段B、仿生整流板C、输气段D、传感器阵列E、排气嘴1和导线2组成，其中脱气层A固接于集气段B的前端；仿生整流板C的6个长板14镶嵌于集气段B的6个横槽8中，仿生整流板C后端由输气段D限位；输气段D前端与集气段B后端螺纹连接；输气段D后端与排气嘴1入口螺纹连接。

传感器阵列E由传感器Ⅰ19、传感器Ⅱ20和传感器Ⅲ21组成，传感器Ⅰ19、传感器Ⅱ20和传感器Ⅲ21均布于输气段D的环形槽18中，导线2经通孔17与传感器Ⅰ19、传感器Ⅱ20和传感器Ⅲ21连接。

所述的脱气层A由半透膜6和支撑网5组成，半透膜6附着于支撑网5上。

所述的集气段B为回转体，集气段B轴向截面外轮廓由直线a-b、直线b-c、直线c-d、圆弧线d-e和直线e-f顺序连接而成，其中直线a-b与直线b-c的夹角₁为75°，直线b-c长度为20mm，直线c-d长度为15mm，直线e-f长度为10mm，直线c-d与直线b-c的夹角₂为90；圆弧线d-e是以半径r₁＝60-65mm、圆心角α₁为85°形成的圆弧；集气段B轴向截面内轮廓由圆弧线i-j和直线j-k连接而成，其中圆弧线i-j是以半径r₂＝75-80mm、圆心角α₂为65°形成的圆弧，直线j-k长度为10mm；集气段B中a-b段和c-d段壁厚与b-c段壁厚t₁相同，t₁为3mm。

集气段B前端最大直径d₁为185-195mm，集气段脱气口直径d₂为150-160mm，集气段B后端外径d₃为36mm。

集气段B后端直线j-k段内圈设有内螺纹，直线j-k段前设有凹槽G，凹槽轴向长度l₁为20-25mm，凹槽G上设有6个周向均布的横槽8，横槽宽t₂为2mm，集气段B后端横截面中对应横槽8的最大直径d₇为32mm、最小直径d₅为24mm。

集气段B的内壁设有凹坑状仿生微结构10，凹坑状仿生微结构10的凹坑是表面直径d’为0.9-1.8mm，深度h为0.3-0.6mm的浅球形，二相邻凹坑的中心距t为2-2.5mm。

6个载气入口7均布于集气段B的最大直径处后缘，沿直径d₆为166-176mm的圆均匀排列，载气入口7的外径d₄为10-12mm，壁厚为3mm。

所述的输气段D为圆管状，输气段长度L为80-85mm,输气段内径d₁₃为26mm,输气段壁厚t₄为5mm，输气段D前端设有外螺纹，外螺纹长度l₂为10mm，输气段D末端设有内螺纹，内螺纹长度l₄为10mm。

输气段D末端内螺纹前的内圈设有环形槽18,环形槽宽度l₃为20-25mm,环形槽直径d₁₄为32mm,环形槽18上设有通孔17。

输气段D中环形槽18前的内壁设有环状仿生微结构16，环状仿生微结构16的截面是半径r₃为0.4-0.6mm的半圆，且半圆沿内壁轴向紧密排列。

所述的仿生整流板C的横截面呈放射状，由6个单元体F和中心圆筒11组成，其中单元体F由短板Ⅰ12、圆弧板13、长板14和短板Ⅱ15组成，短板Ⅰ12和短板Ⅱ15经圆弧板13对称固接于长板14两边，短板Ⅰ12与长板14的夹角α₃和短板Ⅱ15与长板14的夹角α₄相等，均为20°；长板14內端固接于中心圆筒11的外圆。

6个单元体F均布于直径d₁₁为32mm的圆内，圆弧板13位于直径d₈为16mm的圆周上，短板Ⅰ12和短板Ⅱ15位于直径d₁₀和直径d₁₂的圆之间，其中直径d₁₀为20mm，直径d₁₂为12mm。

短板Ⅰ12、短板Ⅱ15和长板14的纵轴线的延长线均相交于中心圆筒11的中心，中心圆筒11的外径d₉为6mm。

长板14的壁厚t₃为2mm，中心圆筒11、短板Ⅰ12、圆弧板13和短板Ⅱ15的壁厚均为1mm。

仿生整流板C的轴向长度与集气段B的凹槽轴向长度l₁相等，为20-25mm。

本发明的工作过程如下：整个装置在工作时，由于抽气泵造成的负压，使载气沿集气段B边缘均匀进入集气腔4，对脱气层A半透膜6有一定的冲刷作用，同时由于排气口负压的存在，使气流在集气腔4中呈漏斗状，能够使半透膜6分离出的被测气体及时的通过集气腔4被带走，在经过壳体喉部仿生整流板C时，被测气体与载气能够更充分的混合从而气体浓度分布更加均匀，同时仿生整流板C起到整流作用，使进入到输气腔3的流场更均匀稳定，集气段B及输气段D内壁的仿生微结构能降低气体流动阻力，进一步使被测气体快速流畅的到达检测装置，传感器在输气段末端环形阵列，对通过的气体进行全面检测。

本发明的有益效果在于：

1.载气从半透膜周围进入，能充分地混合分离出的被测气体并使气体快速流畅的通过腔体到达传感器，大大减少被测气体在集气腔的滞留。

2.壳体内壁的仿生微结构能降低气体流动阻力，使流场更稳定。

3.仿生整流板起到整流和混合的作用，使被测气体和载气充分混合从而使气体浓度分布更加均匀，同时能改善上游来流的不稳定性，使进气更加均匀。

总之，本发明可用于油气田勘探与开发过程中气层的检测与识别，且能显著提高气测录井的精度及准确性，同时能实现井上录井工作的脱气、输气、检测一体化，减小装置尺寸，降低成本。

附图说明

图1为集成仿生一体式半透膜脱气器的立体图

图2为集成仿生一体式半透膜脱气器的主视图

图3为集气段的结构示意图

图4为集气段的右视图

图5为凹坑状仿生微结构的俯视图

图6为仿生整流板的结构示意图

图7为输气段的结构示意图

图8为传感器阵列的结构示意图

其中：A.脱气层 B.集气段 C.仿生整流板 D.输气段 E.传感器阵列 F.单元体 G.凹槽 1.排气嘴 2.导线 3.输气腔 4.集气腔 5.支撑网 6.半透膜 7.载气入口 8.横槽 9.集气段壳体 10.凹坑状仿生微结构 11.中心圆筒 12.短板Ⅰ 13.圆弧板 14.长板 15.短板Ⅱ 16.环状仿生微结构 17.通孔 18.环形槽 19.传感器Ⅰ 20.传感器Ⅱ 21.传感器Ⅲ

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步分析。

如图1、图2、图8所示，本发明由脱气层A、集气段B、仿生整流板C、输气段D、传感器阵列E、排气嘴1和导线2组成，其中:脱气层A固接于集气段B的前端；仿生整流板C的6个长板14镶嵌于集气段B的6个横槽8中，仿生整流板C后端由输气段D限位；输气段D前端与集气段B后端螺纹连接；输气段D后端与排气嘴1入口螺纹连接。传感器阵列E由传感器Ⅰ19、传感器Ⅱ20和传感器Ⅲ21组成，传感器Ⅰ19、传感器Ⅱ20和传感器Ⅲ21均布于输气段D的环形槽18中，导线2经通孔17与传感器Ⅰ19、传感器Ⅱ20和传感器Ⅲ21连接。

如图2所示，脱气层A由半透膜6和支撑网5组成，半透膜6材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料，半透膜6附着于支撑网5上。

如图3所示，集气段B为回转体，集气段B轴向截面外轮廓由直线a-b、直线b-c、直线c-d、圆弧线d-e和直线e-f顺序连接而成，其中直线a-b与直线b-c的夹角θ₁为75°,直线b-c长度为20mm，直线c-d长度为15mm，直线e-f长度为10mm，直线c-d与直线b-c的夹角θ₂为90；圆弧线d-e是以半径r₁＝60-65mm、圆心角α₁为85°形成的圆弧；集气段B轴向截面内轮廓由圆弧线i-j和直线j-k连接而成，其中圆弧线i-j是以半径r₂＝75-80mm、圆心角α₂为65°形成的圆弧，直线j-k长度为10mm；集气段B中a-b段和c-d段壁厚与b-c段壁厚t₁相同，t₁为3mm。集气段B前端最大直径d₁为185-195mm，集气段脱气口直径d₂为150-160mm，集气段B后端外径d₃为36mm。

如图3、图4所示，集气段B后端直线j-k段内圈设有内螺纹，直线j-k段前设有凹槽G，凹槽轴向长度l₁为20-25mm，凹槽G上设有6个周向均布的横槽8，横槽宽t₂为2mm，集气段B后端横截面中对应横槽8的最大直径d₇为32mm、最小直径d₅为24mm；

如图3、图5所示，集气段B的内壁设有凹坑状仿生微结构10，凹坑状仿生微结构10的凹坑是表面直径d’为0.9-1.8mm，深度h为0.3-0.6mm的浅球形，二相邻凹坑的中心距t为2-2.5mm。

如图4所示，6个载气入口7均布于集气段B的最大直径处后缘，沿直径d₆为166-176mm的圆均匀排列，载气入口7的外径d₄为10-12mm，壁厚为3mm。

如图7所示，输气段D为圆管状，输气段长度L为80-85mm，输气段内径d₁₃为26mm输气段壁厚t₄为5mm，输气段D前端设有外螺纹，外螺纹长度l₂为10mm，输气段D末端设有内螺纹，内螺纹长度l₄为10mm，输气段D末端内螺纹前的内圈设有环形槽18，环形槽宽度l₃为20-25mm，环形槽直径d₁₄为32mm，环形槽18上设有通孔17；输气段D中环形槽18前的内壁设有环状仿生微结构16，环状仿生微结构16的截面是半径r₃为0.4-0.6mm的半圆，且半圆沿内壁轴向紧密排列。

如图6所示，仿生整流板C的横截面呈放射状，由6个单元体F和中心圆筒11组成，其中单元体F由短板Ⅰ12、圆弧板13、长板14和短板Ⅱ15组成，短板Ⅰ12和短板Ⅱ15经圆弧板13对称固接于长板14两边，短板Ⅰ12与长板14的夹角α₃和短板Ⅱ15与长板14的夹角α₄相等，均为20°；长板14內端固接于中心圆筒11的外圆，6个单元体F均布于直径d₁₁为32mm的圆内，圆弧板13位于直径d₈为16mm的圆周上，短板Ⅰ12和短板Ⅱ15位于直径d₁₀和直径d₁₂的圆之间，其中直径d₁₀为20mm，直径d₁₂为12mm；

短板Ⅰ12、短板Ⅱ15和长板14的纵轴线的延长线均相交于中心圆筒11的中心；中心圆筒11的外径d₉为6mm；长板14的壁厚t₃为2mm，中心圆筒11、短板Ⅰ12、圆弧板13和短板Ⅱ15的壁厚均为1mm；仿生整流板C的轴向长度与集气段B的凹槽轴向长度l₁相等，为20-25mm。