油氣水三相流流動(dòng)參數(shù)聲電傳感器組合測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種油氣水三相流流動(dòng)參數(shù)聲電傳感器組合測(cè)量方法
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著陸上油田逐漸進(jìn)入高含水期開采階段，由開采厚層、好層到開采薄層、差層， 地下地質(zhì)情況越來越復(fù)雜，油井多呈低產(chǎn)液生產(chǎn)狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大慶油田小于20方/天的 油井占33% ;遼河油田小于15方/天的油井占88. 5% ;新疆油田小于10方/天的油井占 87. 2%。如果再考慮地層原油脫氣或產(chǎn)氣諸多因素，油井動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)勢(shì)必面臨嚴(yán)峻的低產(chǎn)液 高含水油氣水三相流生產(chǎn)條件。從多相流體力學(xué)角度分析，低產(chǎn)液意味著三相流相間存在 強(qiáng)烈的相間相對(duì)運(yùn)動(dòng)（滑脫速度），其水連續(xù)相中的分散相局部流速及局部濃度分布剖面 呈嚴(yán)重非均勻分布，致使油井低產(chǎn)液高含水油氣水三相流流量測(cè)量非常困難。
[0003] 油井多相流測(cè)試始終是伴隨油田開發(fā)的一項(xiàng)重要配套技術(shù)，隨著陸上油田逐漸進(jìn) 入三次采油階段，對(duì)油井三相流產(chǎn)出剖面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)需求更為突出。因此，研究具有可靠性、 重復(fù)性及較高測(cè)量精度油井低產(chǎn)液高含水油氣水三相流產(chǎn)出剖面測(cè)井方法，對(duì)優(yōu)化油井生 產(chǎn)動(dòng)態(tài)特性及指導(dǎo)油氣田開發(fā)調(diào)整具有極為重要意義。
[0004] 針對(duì)油井油氣水三相流產(chǎn)出剖面測(cè)井難題，已有的集流型放射性低能源油氣水三 相流流量測(cè)量方法遇到困難：①.放射性低能源密度及持水率測(cè)量模型假設(shè)條件是三相流 為均相流動(dòng)，但是，低產(chǎn)液高含水三相流流動(dòng)特性難以滿足此苛刻測(cè)量流動(dòng)條件；②.由于 集流型渦輪流量計(jì)總流量測(cè)量受流體混合密度及流體非均勻分布影響，致使渦輪葉片轉(zhuǎn)速 與流體總流速之間呈非線性響應(yīng)特性，總流量測(cè)量產(chǎn)生較大誤差；③.由于放射性低能源 法存在自身放射性統(tǒng)計(jì)漲落及測(cè)量響應(yīng)速度慢等不利因素，致使對(duì)油水相間密度差較小的 持水率或持油率測(cè)量精度較低；④.放射源Cd-109是一種加速器生產(chǎn)的放射性核素（半衰 期為453天），在安全生產(chǎn)、儀器成本及環(huán)境保護(hù)方面也有較大局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)油井低產(chǎn)液高含水油氣水三相流流量測(cè)量技術(shù)難題，本發(fā)明提出一種油氣水 三相流聲電傳感器組合測(cè)量方法，旨在為水為連續(xù)相的低產(chǎn)油高含水油氣水三相流產(chǎn)出剖 面測(cè)井提供新途徑。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種油氣水三相流流動(dòng)參數(shù)聲電傳感器組合測(cè)量方法，用于在內(nèi)徑20mm的小管 徑內(nèi)的以水為連續(xù)相的油氣水三相流相關(guān)速度及分相持率的測(cè)量，采用插入式電導(dǎo)傳感器 進(jìn)行油氣水三相流相關(guān)流速測(cè)量，采用帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器進(jìn)行油氣水三 相流持水率測(cè)量，采用透射式超聲傳感器進(jìn)行油氣水三相流持氣率測(cè)量，最后實(shí)現(xiàn)總流量 及分相流量預(yù)測(cè)，方法如下：
[0007] (1)按自下而上依次順序地安裝在垂直小管道內(nèi)：脈沖透射式貼片形狀超聲傳感 器，帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器和插入式電導(dǎo)傳感器；
[0008] (2)利用透射式超聲傳感器提取油氣水三相流持氣率，其發(fā)射端和接收端均為貼 片狀，發(fā)射端面與小管道內(nèi)壁盡量保持光滑，當(dāng)油氣水三相流流過超聲傳感器時(shí)，采集超聲 傳感器輸出信號(hào)，并提取每個(gè)脈沖觸發(fā)周期內(nèi)的聲波首脈沖幅值最大值，即能量最大值作 為一次觸發(fā)采集到的信號(hào)，經(jīng)過多次觸發(fā)采集，可獲取超聲傳感器接收端聲波脈沖最大值 序列；
[0009] (3)利用插入式電導(dǎo)傳感器，其包括插入體和鑲嵌在其外表面的電導(dǎo)傳感器，電導(dǎo) 傳感器包含兩組分別分布在上游和下游的電極，其中，插入體的作用是使其周圍的環(huán)形通 道內(nèi)局部流速及局部濃度非均勻分布程度得到顯著改善，進(jìn)而獲取高相似性的上游及下游 測(cè)量電極相關(guān)信號(hào)，達(dá)到三相流相關(guān)流速與實(shí)際總流速之間的有效相關(guān)；基于插入式電導(dǎo) 傳感器上下游電極測(cè)取的相關(guān)信號(hào)，通過計(jì)算兩列相關(guān)信號(hào)互相關(guān)函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的渡越時(shí) 間，根據(jù)相關(guān)電極之間的間距，計(jì)算出油氣水三相流相關(guān)流速。
[0010] (4)基于帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器響應(yīng)信號(hào)，并利用Maxwell方程可 提取油氣水三相流持水率；
[0011] (5)實(shí)現(xiàn)三相流總流量及分相流量預(yù)測(cè)。
[0012] 其中的（2)，在段塞流和混狀流條件下，通過獲取超聲傳感器接收端聲波脈沖最 大值序列，測(cè)得的超聲傳感器最大值序列中取值最小的部分與氣塞對(duì)應(yīng)，其余部分與液塞 對(duì)應(yīng)，由此將超聲傳感器最大值序列分離出氣塞部分對(duì)應(yīng)的聲波序列和液塞對(duì)應(yīng)的聲波序 列；視氣塞部分對(duì)應(yīng)的持氣率為100%，液塞部分對(duì)應(yīng)的持氣率可采用泡狀流持氣率計(jì)算 模型提?。粚馊糠峙c液塞部分對(duì)應(yīng)的持氣率進(jìn)行綜合平均，獲得泡狀流、段塞流及混狀 流三種流型下的持氣率。
[0013] 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0014] (1)本發(fā)明提出一種插入式電導(dǎo)傳感器油氣水三相流相關(guān)流速測(cè)量方法。該方法 可顯著改善小管徑測(cè)量通道內(nèi)局部流速及局部濃度非均勻分布程度，使插入體周圍的環(huán)形 通道內(nèi)具有較穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可獲取高可靠性及重復(fù)性的上游及下游電導(dǎo)傳感器相關(guān) 信號(hào)。采用油氣水三相流相關(guān)測(cè)速與總流速、相間滑脫速度、相分布系數(shù)之間的物理模型， 可對(duì)油氣水三相流總流量進(jìn)行有效測(cè)量。
[0015] (2)本發(fā)明提出一種帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器持水率測(cè)量方法。由于 低流速高含水時(shí)油泡或氣泡直徑較小，優(yōu)化后的電導(dǎo)傳感器可對(duì)水連續(xù)相油氣水三相流持 水率進(jìn)行有效測(cè)量。
[0016] (3)本發(fā)明提出一種單發(fā)單收脈沖透射式貼片形超聲傳感器持氣率測(cè)量方法。該 方法可消除連續(xù)波發(fā)射時(shí)產(chǎn)生駐波不良影響。測(cè)量時(shí)，首先提取超聲脈沖接收信號(hào)首波幅 值序列，然后，在三相流流動(dòng)裝置上通過動(dòng)態(tài)測(cè)試，建立超聲傳感器首波幅值序列平均值與 三相流持氣率之間實(shí)驗(yàn)關(guān)系，進(jìn)而確定超聲傳感器持氣率測(cè)量?jī)x表因子。該傳感器可對(duì)三 相流泡狀流、段塞流及混狀流的三相流持氣率進(jìn)行有效測(cè)量。
【附圖說明】
[0017] 圖1是用于油氣水三相流流動(dòng)參數(shù)（總流量及分相流量）測(cè)量的聲電傳感器組合 結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2是脈沖透射式貼片形超聲傳感器結(jié)構(gòu)圖：(a)示意圖；(b)截面圖。
[0019] 圖3是帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖：（a)示意圖；(b)截面圖
[0020] 圖4是插入式電導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖5是聲電傳感器組合測(cè)量方法預(yù)測(cè)的油氣水三相流段塞流總流速結(jié)果。
[0022] 圖6是聲電傳感器組合測(cè)量方法預(yù)測(cè)的油氣水三相流段塞流分相含率（含氣率、 含油率、含水率）預(yù)測(cè)結(jié)果。
[0023] 附圖標(biāo)號(hào)說明：
[0024] 1有機(jī)玻璃管道；2插入式電導(dǎo)傳感器；3帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器；4 脈沖透射式貼片形超聲傳感器；5絕緣插入體；6上游一對(duì)環(huán)形相關(guān)測(cè)量電極（電導(dǎo)式）；7 下游一對(duì)環(huán)形相關(guān)測(cè)量電極（電導(dǎo)式）；8脈沖透射式貼片形超聲傳感器聲波發(fā)射端壓電晶 片（用T表示）；9脈沖透射式貼片形超聲傳感器接收端壓電晶片（用R表示）
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。該發(fā)明涉及的油氣水三相流流動(dòng) 參數(shù)聲電傳感器組合測(cè)量方法主要包括以下步驟：
[0026] (1)設(shè)計(jì)一個(gè)油氣水三相流聲電傳感器組合測(cè)量系統(tǒng)，用于水為連續(xù)相的油氣水 三相流相關(guān)速度及分相持率（持氣率、持水率、持油率）測(cè)量，其聲電傳感器組合結(jié)構(gòu)如圖 1所示?？紤]到井下集流型產(chǎn)出剖面生產(chǎn)測(cè)井儀器測(cè)量通道內(nèi)徑多為20_，故本發(fā)明聲電 傳感器組合按自下而上依次順序地安裝在垂直小管道內(nèi)（內(nèi)徑20mm):脈沖透射式貼片形 狀超聲傳感器，帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器，插入式電導(dǎo)傳感器。
[0027] 該發(fā)明涉及的油氣水三相流流動(dòng)參數(shù)聲電傳感器組合是針對(duì)復(fù)雜被測(cè)對(duì)象（油 氣水三相流）的導(dǎo)電特性及超聲傳播特性設(shè)計(jì)的。由于水相和油相介質(zhì)的聲阻抗較為接 近，且遠(yuǎn)低于氣相介質(zhì)的聲阻抗，因此，該發(fā)明中脈沖透射式貼片形超聲傳感器用于油氣水 三相流持氣率測(cè)量；由于氣相和油相介質(zhì)的電導(dǎo)率基本相同，且遠(yuǎn)低于水相介質(zhì)的電導(dǎo)率， 因此，該發(fā)明中帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器用于油氣水三相流持水率測(cè)量；插入 式電導(dǎo)傳感器用于與總流速有關(guān)的油氣水三相流相關(guān)流速測(cè)量，其中，插入體（電導(dǎo)傳感 器鑲嵌在其外表面）作用是使其周圍的環(huán)形通道內(nèi)局部流速及局部濃度非均勻分布程度 得到顯著改善，進(jìn)而獲取高相似性的上游及下游測(cè)量電極相關(guān)信號(hào)，達(dá)到三相流相關(guān)流速 與實(shí)際總流速之間的有效實(shí)驗(yàn)相關(guān)。
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