CN100404787C - 确定井中流动的多相流体流量的方法和设备 - Google Patents

Abstract

为了采集诸如生产的油气井(12)，特别是井的一倾斜或水平部分中流动的流体的各相流量的数据，在平行于井的轴线不彼此对齐的至少井的两个不同区域的每一个中，既要确定流体局部速度，也要确定各相的比例。进行测定的各区域当井为倾斜或水平时优选地是分布在包含井的轴线的铅直平面之内。

Description

确定井中流动的多相流体流量的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种设计成能用于在生产的油气井的数据采集方法和设备。

更为准确地说，本发明的方法和设备设计成能确保油气井中的各生产参数得以监控，并能够在发生事故时作出诊断。

背景技术

为了确保生产中的油气井的监测和诊断功能，必须采集一定数量的数据，主要是物理数据。数据基本上涉及流动在井中的多相流体(流量、各相的比例、温度、压力，等等)。这也可能涉及井本身的某些特征(椭圆度、井斜度，等等)。

对于操作者来说特别重要的数据是平均流量和出现在多相流体之中的每一相的比例。

为采集所述数据，并一如文件FR-A-2,732,068具体所述，一种传统的解决办法在于，首先，借助于一安放在井轴上的转子流量计进行井中流动流体速度的全面测定，以及其次，进行能使要被测量的井的某一区域中流体各相的比例得以确定的局部测定。速度测定和一些局部测定是在不同井深处进行的。一些局部测定是借助于一些局部传感器进行的，后者可以是电阻率传感器、光学传感器，等等。

文件FR-A-2,761,111提出一项对于该类型设备的改进，其中流体速度的全面测定和各相比例的确定基本上是在同一井深处从事的。这样一种设备比传统设备较为轻便并可避免由于各测定点之间的不重合而造成的某些误差或不精确性。

为确定在井中流动流体各相的流量，通过井的截面的流体流量可以根据由所述已有各种设备所取得的测量结果以以下方式计算出来，即在井的中心处测得的总体速度乘以从事所述测定的位置处的井的截面。由各局部传感器确定的所考查相的比例然后应用于所述总体流量。

同样已知，在一油井中流动流体各相的分布由于井是铅直的、倾斜的或水平的而有所改变。由于流体各相的密度不同，所述各相随着井斜的不断增大而逐步变得更加成层化。因而，在一包含水、油和气的一种三相流体的情况下，当井是水平的或大为倾斜时此三相趋向于彼此分出上下地流动的。

考虑到这种现象，并一如在文件GB-A-2,294,074和GB-A-2,313,196之中具体所述，已经提出一些数据采集设备，其配有一定量的局部传感器，当钻具被送到一倾斜或水平井中的作业位置上时它们分布在井的铅直中面内。

这些文件中提出的局部传感器的配置能使倾斜或水平井中各相的成层化予以考虑，以便以比较可靠的方式确定各相的比例。不过，用以确定每一相流量的技术仍然不变并且是基于确定井中流体的总体流量。

文件GB-A-2,307,047提出了一种数据采集设备，旨在用于水平或大斜度井，井中液相与较大的气相一起流动。这种设备具有多种位于气相之中的传感器和一些位于(各)液相之中的传感器。此外，它可以分别地测定气和液相的速度。它还通过一电容系统从事一种井深(level measurement)测定，以便确定气和液各相的比例。

此种设备只能用在与水平或大斜度井中。换句话说，它不能用在铅直或小斜度井中。此外，所采用的井深测定技术并不确定流体各相的真实比例。在气体与液体混杂的地方一般存在一个中间区域，从而导致所进行的井深测定极为不准。其次，经常存在两个液相-诸如水和油的这种情况未加以考虑。

发明内容

本发明的目的是提供一种数据采集方法和设备，其使得能够以比现有各种设备更为精确和更为可靠的方式确定油井中流动的流体各相的流量，特别是在油井为倾斜或水平的时候。

本发明基于以下观测，即在一倾斜或水平井中，流体任何一相的流量不等于流体整体(或平均)速度与井的截面以及在流动流体中所述相的比例的乘积，而是所考查的那一相的速度乘以截面和乘以所述相的比例的乘积。

因而，本发明提供一种一种确定井中流动的多相流体的流量的方法，包括在井的第一区域内测量如下的第一对参数：(i)井的第一位置中的流动流体的局部速度；以及(ii)井的第二位置中的流动流体的局部比例；使得所述第一和第二位置在平行于井轴的直线上彼此对齐；该方法包括在井的第二区域内同时测量第二对的所述局部速度和局部比例，其中，第一区域和第二区域在包含井轴的相同平面内。

更为准确地说，所述各区域优选地是穿过井的整个宽度而分布的。

为了确保倾斜或水平井中测定的有效性，各测定区域所在的平面优选地是取向在一基本上铅直的方向上。

所述各区域之一因而优选地是位于井的一条顶部母线附近。

井的一截面元素(Δs_i)优选地是设定于所述各区域的每一个，而所述各相的每一相的整体流量Q由以下关系式予以确定：

$Q=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{q}_i\frac{\mathrm{\Δ}{s}_i}{S}$

其中：S是井的总铅直截面和

q₁是截面元素Δs₁中所述相的流量，

同时q₁＝v₁·h₁

其中v_i是截面元素Δs_i中所述相的局部速度

而h₁是截面元素Δs_i中所述相的局部比例。

本发明还提供了一种用于确定井中流动的多相流体的流量的设备，包括：(i)定位在井中的工具体；(ii)第一对的如下装置：a.安装在工具体上的传感器装置，用于测量在井的第一位置中的流动流体的局部速度；以及b.安装在工具体上的传感器装置，用于测量在井的第二位置内的流动流体的局部比例；其中，所述速度和比例传感器装置布置成所述第一位置和第二位置在平行于井轴的直线上彼此对齐，其特征在于，所述设备还包括至少第二对所述速度和比例传感器装置，以便所述第一和第二对装置位于包含井轴的相同平面内。

在本发明的优选实施例中，此设备包括一主体，其能够依靠重力坐靠井的一底部母线；以及至少一个可展开的臂杆，其在一端处由主体支承并能够被用以顶靠井的顶部母线，其中至少某种用于确定流体局部速度的装置和至少某种用于确定各相局部比例的装置是由可展开的臂杆予以支承的。

在本发明的另一优选实施例中，此设备包括一主体，其能够由一对中装置使之围绕井轴而对中，此对中装置包含至少两个由主体支承的可展开的臂杆，并且该臂杆能够分别被用以顶住井的底部母线和顶部母线，此设备中至少某种用于确定流体局部速度的装置和至少某种用于确定各相局部比例的装置是由各可展开的臂杆予以支承的。

视情况而定，用于确定流体局部速度的装置和用于确定各相局部比例的装置可以或是被包含在多传感器组件之内或是可以与之分离开来。在分离开来时，在每一测定区域中，用于确定流体局部速度装置和用于确定各相局部比例的装置基本上都彼此对正在一条平行于井轴的直线上。

附图说明

本发明的各项实施例以下作为非限制性范例并参照所附各图予以说明，各图中：

图1是一纵向剖面图，以简图方式示出构成一大斜度井中本发明第一实施例的数据采集设备；

图2是图1直线II-II上的一剖面简图；

图3是类似于图1的视图，示出本发明的另一实施例；以及

图4是类似于图1的剖面视图，示出第一实施例的一种改型。

具体实施方式

图1非常简略地表明安放在生产的油气井12中的数据采集设备10的一部分。更为准确地说，设备10位于其中的井的这部分是倾斜的，以致在其中流动的多相石油流体至少是部分成层化的。本发明的数据采集设备10经由一电缆或一挠性长杆联接于一地面设施(未画出)。设备10中采集的数据通过电缆或挠性长杆、依靠遥测技术被以实时传送给地面设施。

在未示出并且不是本发明组成部分的各模块中，数据采集设备10包括一定数量的传感器，诸如压力或温度传感器。它还包括一遥测系统。

在示于图1之中的部分中，数据采集设备10包括一圆柱主体14，其直径显著地小于井12的内径。主体14支承一可展开的机构16，该机构能够在包含所述主体纵轴的平面之内展开。

在示于图1之中的实施例中，机构16包括一臂杆18，臂杆18具有一铰连在主体14上的下端，以及一臂杆20，其夹置在臂杆18另一端与靠近地面的一部分主体14之间。臂杆20的这一端能够由一马达22使之平行于主体纵轴在主体14里面移动。启动马达22就能使机构16在设备的工作位置和非工作位置之间移动，其中在工作位置所述机构以图1所示的方式被展开，而在非工作位置，机构16被收回在主体14里面。

在一变动的实施例(未画出)中，机构16可以由一弹簧机构构成，后者当设备嵌装在井中时自动展开。马达22因而可以免除。

在图1的实施例中，当设备10嵌装在一倾斜或水平井中时，主体14自动地保持在井的底部上，亦即顶靠井的底部母线。当机构16展开时，则该机构自动地占有井的整个直径。于是，构成机构16的臂杆18和20在一包含井12纵轴的铅直平面内自动地设置在主体14上方。

在一变型中，有可能给设备的主体14装配上一磁性装置。此装置协同衬贴井12内侧的金属管筒一起来保证主体14在上述铅直平面内正确取向。

在井12的至少两个不同区域的每一个中，数据采集设备10包括用于确定井中流动的多相流体的局部速度的装置，以及用于确定所述流体各相的局部比例的装置。在其中从事测定的多个区域并不平行于井的纵轴而彼此对正。

更为准确地说，在示于图1和2之中的实施例中，设备10配装有5个多传感器组件24，各自包含用于确定流体局部速度的装置，以及用于确定所述流体各相的局部比例的装置。所述多传感器组件24之一安装在设备10的主体14之中而其他四个多传感器组件24安装在机构16的臂杆18上以便横过井12的整个宽度均匀地分布在包含所述井的纵轴的铅直平面之内。

安装在臂杆18上的多传感器组件24之一安放在其铰连于臂杆20的一端上，于是，所述多传感器组件24当机构16展开时位于井的顶部母线的紧邻附近。

图2是一简图，表明多传感器组件24在包含井的纵轴的平面内、沿着井12的整个宽度的几何分布。

实际上，包含在多传感器组件24之内的每一用于确定流体局部速度的装置都是由一微小转子流量计(未示出)构成的。多传感器组件24安装在机构16的臂杆18上，以致各转子流量计的轴线都在机构16展开时基本上平行于井12的纵轴而取向。这一点可以通过经由可变形的平行四边形连杆或类似的部件把各组件24安装在臂杆18上而轻易获得。

此外，用于确定流体各相局部比例并配装于每一多传感器组件24的每一装置可以由能够实现此功能的任何已知的装置构成。例如，这种已知的装置具体地包括比如文件EP-A-0,733,780之中所述的电阻率传感器，文件FR-A-2,749,080之中所述的光学传感器，或者包含两或三个光学传感器的多个传感器，或者一个光学传感器和一个电阻率传感器。

在图1和2的实施例中，用于确定各相局部比例的装置具体地可以安放在用以测定流体局部速度的微小转子流量计的中心。

采用上述配置，在由多传感器组件24所占有的每一局部区域之中可以得到流体局部速度的测定结果和代表各相局部比例的数据。在多传感器组件24所在的每一区域中，组成在井的所述区域中流通的石油流体的、各相中的每一相的流量数值因此可以精确地计算出来。对于每一相的总的流量随后可以通过将对于所有区域的先前计算出来的各流量数值加在一起确定。

由此获得的所述各流量的测定结果，显著地比采用先前技术设备所获得的测定结果更精确，无论井是否为铅直或者它是否为倾斜或水平的。

确定整体流量的方法基于以下实验观测，即，由于在一倾斜或水平的井中，各相在井的铅直截面上沿着基本上水平的分离直线成层化，因而，井的总截面可以划分为许多具有水平边的截面元素Δs。多传感器组件24关联于每一所述截面元素Δs。在此基础上，任一给定相的整体或总流量等于在所有截面元素Δs上计算出来的所述相的各流量之和。换句话说，在采用三个多传感器组件24关联于三个分别的截面元素Δs₁、Δs₂和Δs₃的情况下，整体流量Q由以下关系式给出：

$Q=q_1\·\frac{\mathrm{\Δ}{s}_1}{S}+q_2\·\frac{\mathrm{\Δ}{s}_2}{S}+q_3\·\frac{\mathrm{\Δ}{s}_3}{S}$

其中S表示井的总的铅直截面，而q₁、q₂和q₃表示在每一相应的截面元素Δs₁、Δs₂和Δs₃中所考查相的流量，每一所述流量等于所考查一相的局部速度v₁、v₂和v₃乘以所述相的局部比例h₁、h₂和h₃的乘积。

图3是一简图，示出本发明的设备10的另一实施例。

在此情况下，数据采集设备10的主体14经由位于关于主体14纵轴径向对置的位置上的、至少两个臂杆18′和20′而关于井12的纵轴对中。如上所述，臂杆18′和20′可以是借助于一安装在主体14之内的马达予以铰连、展开或折起的臂杆，或者它们可以是形成一如图3之中所示弹簧的臂杆。

在此第二实施例中，臂杆18′和20′安装在设备10的主体14上，比如借助于能够使所述各臂杆自动地取向的机构以便当井是倾斜或水平的时候处在包含井12纵轴的铅直平面之内。这样一种机构(未画出)具体地可以包括一带有一铅垂重物的变阻器，该铅垂重物可提供代表铅直方向的信号。对所述信号敏感的马达可把所需的取向给予臂杆18′和20′。

在图3之中的实施例中，多传感器组件24安装在主体14之内和每一臂杆18′和20′上面，以便在井的不同区域中进行测定，它们都均匀地分布在包含井的纵轴的、单一的铅直取向的平面内的、井的整个宽度上。

在图3的具体情况下，多传感器组件24安装在设备10的主体14之内，而两个多传感器组件24安装在每一臂杆18′和20′上面。更为准确地说，每一臂杆18′和20′在井12的井壁紧邻附近，即，井的顶部和底部母线紧邻附近，支承多传感器组件。每一臂杆18′和20′还在一个位置处支承多传感器组件24，以致它被径向设置在基本上在设备的主体14与井的底部和顶部母线之间的中点上。

在一变型中，安装在设备10的主体14之中的多传感器组件24可以去掉而代之以对称地安装在每一臂杆18′和20′上面、紧靠主体14附近的两个多传感器组件24。

图4是一简图，示出本发明第一实施例的一种变型。

此变型与先前参照图1和2所述的实施例的不同之处主要在于，用于确定流体局部速度的装置和用于确定各相局部比例的装置处在不同的位置，而不是被包含在多传感器组件之内。

更为准确地说，构成用于确定流体局部速度的装置的各微型转子流量计26安装在主体14上和臂杆18上，而构成用于确定所述流体各相局部比例的装置的各局部传感器28则安装在主体14上和臂杆20上。在此情况下，一微型转子流量计26和一局部传感器28安装在设备10的主体14上，而三个微型转子流量计26和三个局部传感器28则安装在机构16的臂杆18和20上。

如上所述，微型转子流量计26和局部传感器28是成对地归组，以致由微型转子流量计26和由局部传感器28构成的每一组件在平行于井12的纵轴彼此对齐的各位置处，即，在井中流动的流体的同一测定区域中，进行测定。此外，如上所述，由局部微型转子流量计26和局部传感器28构成的各种组件所进行的测定是在不同区域内的，即不是平行于井12的轴线彼此对正的。

如前述各实施例之中那样，进行测定的各区域在井的整个宽度上是均匀分布的并大致位于包含井的轴线的同一平面之内，并无论井是倾斜或水平的都取向在基本上铅直的方向上。

图4的改型实施例示出与参照图1至3所述的两个实施例一样的各项优点。此外，它能使设备通过把各微型转子流量计和各局部传感器安装在与设备本身不同的各位置处而得以简化。

当然，本发明并不限于以上通过范例所述的各实施例。因而，尤其是可以理解，如图4所示的将用于确定流体局部速度的装置和用于确定各相局部比例的装置安装在不同位置，也可以适用于如图3所示的第二实施例。

Claims (14)

1.一种确定井中流动的多相流体的流量的方法，包括在井的第一区域内测量如下的第一对参数：

(i)井的第一位置中的流动流体的局部速度；以及

(ii)井的第二位置中的流动流体的局部比例；使得所述第一和第二位置在平行于井轴的直线上彼此对齐；

其特征在于，该方法包括在井的第二区域内同时测量第二对的所述局部速度和局部比例，其中，第一区域和第二区域在包含井轴的相同平面内。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二区域横跨井的整个宽度分布。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其中，所述包含井轴的平面是竖直的。

4.按照权利要求3所述的方法，其中，所述井与垂直方向倾斜，该方法包括在位于井竖直平面底部的第一区域内测量流动流体的第一对局部速度和局部比例，以及在竖直平面内的横过井的整个宽度而分布的第二区域内，测量流动流体的第二对局部速度和局部比例。

5.按照权利要求1所述的方法，其中，井的截面元素(Δs_i)设定于所述第一和第二区域的每一个，而每相的整体流量由以下关系式确定：

$Q=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{q}_i\·\frac{\mathrm{\Δ}{s}_i}{S}$

其中S是井的总竖直截面，

而q₁是每一相在截面元素Δs₁上的流量，

同时：q₁＝v_i·h₁

其中v_i是在截面元素Δs_i中每一相的局部速度

而h₁是在截面元素Δs_i中每一相的局部比例。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二位置在每一第一和第二区域内的相同点处。

7.一种用于确定井中流动的多相流体的流量的设备，包括：

(i)定位在井中的工具体；

(ii)第一对的如下装置：

a.安装在工具体上的传感器装置，用于测量在井的第一位置中的流动流体的局部速度；以及

b.安装在工具体上的传感器装置，用于测量在井的第二位置内的流动流体的局部比例；

其中，所述速度和比例传感器装置布置成所述第一位置和第二位置在平行于井轴的直线上彼此对齐，

其特征在于，所述设备还包括至少第二对所述速度和比例传感器装置，以便所述第一和第二对装置位于包含井轴的相同平面内。

8.如权利要求7所述的设备，其中，在使用中，所述对速度和比例传感器装置横跨井的整个宽度分布。

9.如权利要求8所述的设备，其中，当井与竖直方向倾斜时，包含所述井轴的所述平面是竖直的，并且第一对速度和比例传感器装置位于所述竖直平面的底部。

10.如权利要求9所述的设备，还包括一对速度和比例传感器装置，它位于井的竖直平面顶部。

11.如权利要求9或10所述的设备，还包括用于定向工具体的装置，以使传感器装置横跨井的整个宽度位于竖直平面内。

12.如权利要求7所述的设备，其中，在使用时，工具体在重力的作用下抵靠井(12)的底部定位，并包括至少一个可展开的臂杆(18、20)，该臂杆在一端被工具体(14)支承，并能够伸展到井的顶部，其中至少一些速度传感器装置(26)和至少一些比例传感器装置(28)安装在可展开的臂杆(18、20)上。

13.如权利要求7所述的设备，其中，在使用时，工具体(14)借助于对中装置而关于井的轴线对中，该对中装置包括至少两个可展开的臂杆(18′、20′)，它们安装在工具体(14)上并能够分别伸展到井的底部和顶部，其中，至少一些速度传感器装置(26)和至少一些比例传感器装置(28)安装在可展开的臂杆(18′、20′)上。

14.如权利要求7所述的设备，其中，每对速度传感器装置(26)和比例传感器装置(28)包含在多传感器组件(24)中。

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