專利名稱：兩相流體中分散相流量測量方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于流量測量技術領域，是一種利用電場式相濃度傳感器測量兩相流體中分散相流速、相流量，特別是測量油井內油水兩相流體中分散相流速、相流量的方法及相應的裝置。在管子中流動的兩相流體中，如果測出分散相的相流速、相濃度，而管子的內截面已知，就可以計算出分散相的相流量，本發明就是以這種方式計算流量的。
生產測井是油田提高產量、節能、提高采收率的基礎工作。油井中油水兩相流體中分散相通常為油相。井下分層油相流速、流量的測量是生產測井中的最重要內容之一，它用于確定井下的工作狀況。但目前在油井的生產測井中還只能使用誤差較大的間接方法來估算油相流速和流量，這是因為在現有的測兩相流體中分散相流速、流量的測量方法中，主要由于結構方面的原因，還沒有一種方法能用于油井中。例如公知的相關流速、流量測量方法(《相關流量測量技術》，徐苓安著，天津大學出版社，1988·7)，它是利用兩個相濃度傳感器輸出信號波形之間的相似性以確定分散相流過這兩個傳感器之間距離所需的時間進而確定分散相的流速，它需要兩個獨立的、性能一致的相濃度傳感器及相應的輸出通道，所需引線多，特別是下邊傳感器的引線需跨越過上邊的傳感器，這在井下很困難，這使得相關法在目前還沒有用于油井中油相流速、流量的測量。
本發明的目的是要提供一種用一個傳感器測量兩相流體中分散相相流速、相濃度、相流量的方法和相應的裝置。使它能適用于多種使用環境、特別是能在油井中使用。
本發明的目的是這樣實現的在被測流體中沿流體流動方向放置一個相濃度傳感器，它的輸出信號幅值直接反映了兩相流體中分散相的相濃度大小。傳感器測量探頭檢測空間內沿流體流動方向上依次設置一到數個敏感區，每個敏感區兩邊為非敏感區。在兩相流體中一個分散相流體單元的流體位于測量探頭的敏感區時，傳感器的輸出信號值與該流體單元位于測量探頭的非敏感區時的輸出信號值不一樣。因此每當一個分散相單元從非敏感區經過敏感區時，傳感器輸出信號值也相應改變，輸出波形中出現一個對應的脈動，也只有當分散相單元越過敏感區時，傳感器輸出信號波形中才有這樣的脈動信號出現。若測量探頭上有M個敏感區，則當分散相單元經過測量探頭時，輸出信號波形中就會出現M個相關的脈動，我們把由同一個分散相單元經過M個敏感區所產生的M個脈動稱為相關的脈動，每一個分散相單元經過測量探頭就會產生一組相關的脈動，這樣當含有許多分散相單元的兩相流體從測量探頭上流過時，傳感器輸出信號波形中就有許多組相關的脈動穿插地混在一起。在每一組相關的脈動中，相鄰的脈動在時間坐標軸上之間的間隔就是分散相單元通過對應的相鄰敏感區之間距離所需的時間;波形中單個脈動在時間坐標軸上的寬度就是分散相界面通過測量探頭上對應敏感區所需的時間。由于測量探頭敏感區的寬度及相鄰敏感區之間的距離是確定的，因此由單個脈動就可以計算出分散相界面通過測量探頭的速度，由每組相關脈動中相鄰脈動的間隔就可以計算出分散相單元通過測量探頭的速度，這兩種速度在實際使用上是一樣的。由此就得到了流過測量探頭的兩相流體中分散相的相流速、相濃度及相流量。
由于只有相關脈動中相鄰脈動的間隔才反映分散相單元流過測量探頭的速度，因此要從傳感器輸出信號波形混在一起的脈動中區別出一組組相關的脈動。因為測量探頭敏感區的排列是固定的，所以相關脈動中各個脈動的間隔之比等于測量探頭各個敏感區的間距之比，由此就可以從輸出信號波形中找出一組組相關的脈動從而計算出流過測量探頭分散相的相速度，為此傳感器測量探頭至少需要三個敏感區。
如果傳感器測量探頭的敏感區是等距排列的，也可以不用找出一組組相關的脈動而直接找相關脈動中相鄰脈動的間隔。因為在傳感器輸出信號波形中所有的任意兩個脈動之間的、大小不同的間隔中，出現次數最多的間隔就是分散相單元經過測量探頭相鄰敏感區之間距離所需的時間，也就是相關脈動中相鄰脈動的間隔，因此只要從傳感器一段時間內輸出信號波形中所有的任意兩個脈動之間的間隔中找到這個出現概率最高的間隔，就可以得到流過測量探頭分散相的相速度，為此傳感器測量探頭至少需要兩個敏感區。
依據本發明提供的測量方法所設計的相應的測量裝置，由地面部分和井下部分組成，地面部分由地面電路單元、A/D轉換板、計算機等構成;井下部分由傳感器和測量探頭以及測井電纜構成。測量探頭相濃度檢測空間中沿流體流動方向有一到數個敏感區，每個敏感區的兩邊為非敏感區，測量探頭軸向的結構尺寸或介質特性的不均勻構成了測量探頭的敏感區與非敏感區，用測量探頭內電極上一到數個垂直于內電極軸的突出圓盤或緊靠內電極的介質套上槽里的導體就構成了敏感區，敏感區的寬度小于所測兩相流體中分散相單元的大小以提高流速測量精度。所用的相濃度傳感器是國內各油田廣泛使用的短波型含水傳感器。
本發明因為只用一個相濃度傳感器及測量探頭，不需要跨線，引線少，沒有可動機械部件，結構和電路簡明，傳感器和測量探頭采用成熟、簡便、可靠的工藝制成一體，體積小，整個裝置可靠性高，適用性廣，能用于一般環境，特別是能用在數千米深、空間狹小、高溫、高壓的油井中。
依據本發明所提出的具體測量裝置由以下的實施例及其附圖給出。
圖1是本發明提出的分散相流量測量方法所用的具體測量裝置中測量探頭部分的剖面圖;
圖2是整個測量裝置的系統框圖;
圖3是地面電路單元的功能框圖;
圖4是傳感器輸出信號幅值隨時間變化的波形示意圖;
圖5是計算流速的計算機程序框圖;
圖6是用于深井的測量探頭剖面圖;
圖7是只有一個敏感區的測量探頭的剖面圖。
下面結合實施例和附圖詳細說明依據本發明提出的具體測量裝置中測量探頭的細節和整個裝置的工作情況及工作過程。
實施例1是用于測量油井中油管下面油水兩相流體中油相的相濃度即持油率、相速度進而得到相流量的生產測井裝置，所用的相濃度傳感器是已在國內各大油田廣泛使用的短波型含水傳感器，已由中國專利(8720552.1)所公開。
圖1中包括含水傳感器1，傳感器1接有測量探頭，它主要有內電極2、介質套3、護套4組成。護套4是一個直徑25mm的金屬管，上面開有流體的入口和出口，含水傳感器和測量探頭除護套外的其它部件都裝在護套內，測量探頭的敏感區在護套的入口和出口之間，護套與傳感器的外殼相連，它除了起保護儀器、提供流體測量通道的作用外，還是測量探頭的外電極。環氧樹脂5填充在內電極和介質套之間，這樣測量探頭的制造工藝比較簡單。介質套3既有絕緣作用，也起保護內電極2的作用。內電極2上有三個等距排列的突出圓盤6，這使得圓盤附近的電場較其它地方強，故稱為敏感區7、8、9，敏感區7、8、9的兩邊為非敏感區10、11、12、13，圓盤的厚度很薄，只有1mm，而圓盤的間距有10mm，這使得敏感區的寬度相對它們的間距很小，這樣傳感器輸出信號波形中脈動重迭的機會少，有利于提高流速測量精度。
圖2中14是傳感器和測量探頭;15用于測井時是由幾千米長的測井電纜組成的傳輸通道，它把傳感器與地面電路單元16連接起來;地面電路單元16為傳感器提供12V的工作電源，并對傳感器的輸出信號進行初步處理，再把信號送至A/D板17，經過A/D轉換送入計算機18中處理。
圖3是地面電路單元的功能框圖，地面電路單元由工作電源19和信號處理部分組成。根據現場被測流速范圍是1cm/s到50cm/s的情況，傳感器的輸出信號先經過截止頻率為500Hz的低通濾波20，以濾掉干擾信號，然后分成二路，一路直接作為含水信號輸出至A/D采樣;另一路經過截止頻率為3Hz的高通濾波21再放大22后作為流速信號輸出。這兩路信號送到A/D板采樣，采樣頻率為1000Hz。
在測井時，首先把傳感器和測量探頭用測井電纜送下井，穿過油管與套管之間的環形空間，停在測試層位的上方便可開始測量，這時油井正常工作。在每次測試時，用計算機顯示、記錄、貯存傳感器的輸出信號波形待測井結束后再計算處理。
在井下當流入護套的油水兩相流體中一個分散相單元即油珠從敏感區7右邊的非敏感區10流經敏感區7時，含水傳感器1的輸出信號值改變，上升或者下降;當這個油珠流過敏感區7進入其左邊的非敏感區11時，含水傳感器1的輸出值向原來的方向恢復，即下降或上升，這樣傳感器1輸出信號波形(圖4)中出現一個脈動23，即波峰或波谷，這兩者之間無本質差別，故以下把脈動都說成是波峰。當該油珠接著流過后面的兩個敏感區8、9時，傳感器1輸出信號波形中同樣也會出現兩個對應的波峰，24、25、23、24、25這三個波峰就是一組相關的波峰。由于同一時刻在探頭的探測空間內經常有許多油珠，因此在傳感器的輸出信號波形中有許多不同組相關的波峰穿插地混在一起的，若兩個波峰23、26不相關，即它們是由兩個不同的油珠所產生的波峰，則它們之間的間隔并不反映油珠的速度，只有相關波峰中的相鄰波峰之間的時間間隔，如波峰23與24和波峰24與25之間的時間間隔才是油珠通過相鄰敏感區之間的間距所用的時間，如敏感區7與8和敏感區8與9之間的間距所用的時間。要從輸出信號波形中找到相關波峰中相鄰波峰的間隔，可利用以下特性，首先對于在輸出信號波形中由一個油珠產生的一組三個的相關波峰，中間一個波峰與它前后兩個波峰的間隔是相同的;其次相關波峰中兩個相鄰波峰之間的間隔，相對于其它任何兩個波峰的間隔，在輸出信號波形出現的概率要大。計算機根據這些特性可判斷出相關波峰中相鄰波峰的間隔進而計算出油珠流過測量探頭的速度。
圖5是根據上段所述方法計算油珠速度的程序框圖，首先打開貯存輸出信號波形的數據文件，讀出一小段時間的輸出信號波形，從中確定各個波峰的位置，再利用上段所述的方法確定相關波峰中相鄰波峰的間隔，然后再讀一小段時間的輸出信號波形進行同樣的處理，如此循環直至處理完全部的輸出信號波形，把每一小段的結果進行平均，得到整個測試期間相關波峰中相鄰波峰間隔的平均值，進而得到油珠流過測量探頭的平均速度V。
油水兩相流體中油相的相濃度即持油率可以從傳感器輸出信號的幅值得到，把整個測試期間輸出信號值進行平均得到平均值，然后利用持油率與傳感器輸出信號幅值關系的標定曲線就可以得到整個測試期間的平均持油率q。
油水兩相流體中油相的流量Q由下式計算Q＝A·C·q·V式中A為油水兩相流體在套管中的凈流動截面積，在使用中是已知的C是考慮到油珠流過測量探頭的速度并不等于油相在整個流動截面上的平均速度所引入的修正系數，這個系數的標定，既可以在模型井上進行，也可在井下現場測試時進行，在井下油管下面所有出液層位的上面位置所測的油相流量應與地面井口用其它裝置所測的油相流量一致，以此可標定C。
圖6是用于深井測試的測量探頭，由于深井井溫高，圖1中測量探頭中的環氧樹脂5不耐高溫。圖6中的測量探頭不用環氧樹脂，在內電極上先套一個聚酰亞胺的介質套27，介質套27上有三圈槽，槽中繞有導線28，然后再套上聚酰亞胺介質套3，測量探頭的敏感區是利用導線28與內電極的電容耦合形成的。
實施例2所用的裝置及測量過程與實施例1中所述的基本一樣(圖7)，不同的只是測量探頭結構和流速計算方法。油珠通過測量探頭敏感區產生的波峰的寬度就是油水界面通過測量探頭的敏感區所需的時間，本實施例據此計算油相的流速。用此法求流速只涉及到單個波峰，不涉及相關波峰中相鄰波峰的間隔，所用測量探頭的敏感區可以象實施例1中那樣有幾個，也可以只有一個，敏感區少有利于降低波峰重迭所引起的誤差。
圖7中測量探頭中內電極32頭上有一個突出的圓盤35，接地套30與傳感器的外殼電氣上相連，它屏蔽了內電極的大部分以使測量探頭只有一個敏感區29，敏感區的兩邊是非敏感區34，四氟片31用于內電極頭上圓盤與接地套的絕緣，內電極與接地套之間33可以填充介質，也可以在內電極上有套上絕緣套，整個外面再套上聚酰亞胺的介質套3。這種結構使敏感區的寬度與油珠的大小相當，這樣降低了油珠重迭即波峰重迭的機會，提高了流速測量精度。
權利要求
1.一種兩相流體中分散相流量測量方法，在被測兩相流體中沿流體流動方向放置的分散相濃度傳感器的輸出作為檢測信號，傳感器輸出信號經數據采集后用計算機處理以求得分散相流量，分散相的相濃度可從傳感器輸出信號幅值直接得到，其特征是只用一個傳感器測量兩相流體中分散相的相濃度、相流速；傳感器測量探頭的檢測空間內沿流體流動方向上依次間隔排列著非敏感區和敏感區；在兩相流體中分散相流過傳感器測量探頭敏感區時在傳感器輸出信號波形中產生的許多脈動中，找到相關脈動中相鄰脈動的間隔進而得到分散相的流速；還可以利用傳感器輸出信號波形中分散相界面經過測量探頭敏感區時產生脈動的寬度來確定分散相界面通過該敏感區所需時間以得到分散相的流速。
2.按照權利要求1所述的測量方法，其特征是利用相關脈動之間的間隔之比正比于測量探頭上相應敏感區的間距之比這個條件，從輸出信號波形的脈動中區分出一組組相關的脈動進而確定相關脈動中相鄰脈動的間隔。
3.按照權利要求1所述的測量方法，其特征是利用下述條件求得相關脈動中相鄰脈動的間隔，即對于敏感區等距排列的測量探頭，其傳感器輸出信號波形中任何兩個脈動之間的時間間隔中，出現概率最高的間隔，就是相關脈動中相鄰脈動的間隔。
4.一種兩相流體中分散相流量測量裝置，由測量探頭、相濃度傳感器、地面電路單元、A/D轉換器、計算機等組成，其特征是利用在測量探頭相濃度檢測空間處測量探頭軸向的結構尺寸或介質特性的不均勻來構成測量探頭的敏感區與非敏感區。
5.按照權利要求4所述的一種測量裝置，其特征是用測量探頭內電極上突出的圓盤(6)形成敏感區。
6.按照權利要求4所述的一種測量裝置，其特征是用測量探頭中緊靠內電極外介質套(27)上槽里的導體(28)形成敏感區。
7.按照權利要求4所述的一種測量裝置，其特征是用測量探頭中接地套(30)屏蔽住內電極(32)的大部分使之只露出頭上的圓盤(35)以形成單個敏感區(29)，敏感區的寬度小于所測兩相流體中分散相單元的大小。
全文摘要
本發明涉及一種兩相流體中分散相流量測量方法及裝置。為解決在油井中測量環境空間狹小的問題，本發明在井下只用一個相濃度傳感器，其測量探頭檢測空間內沿流體流動方向交替分布著非敏感區和敏感區，傳感器輸出信號幅值反映了分散相相濃度的大小，利用其輸出信號波形中由于敏感區而產生的脈動，可得到分散相的流速。測量裝置適用性廣，特別可用于測量油井內分層油相的流量。
文檔編號G01F1/56GK1099131SQ9311280
公開日1995年2月22日 申請日期1993年12月23日 優先權日1993年12月23日
發明者陳世廉, 殷曉星, 沈躍, 黃正華, 李正清 申請人:石油大學(華東)