CN101482522B - 一种油田稠油生产出砂量检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油田稠油生产出砂量检测方法及装置，方法是将流通过文丘里管的稀释的稠油采用伽玛源传感器检测的方法，得到其中的固相砂所占稀释后流体量的百分比，从而推算出固相砂在稠油中的含量，装置包括一输油主管道，输油主管道内部设置有一搅拌器，与搅拌器位置对应在输油主管道上连通一稀释剂输入管，稀释剂输入管上设置有开关阀和计量泵，输油主管道下游管段连接有一文丘里管，文丘里管的上游直管段安装有第一压力传感器，中间喉部安装有第二压力传感器，下游直管段的管壁对应安装有一套三能级伽玛源和伽玛探测器。本发明方法构思新颖，结构简捷，适合应用于油田尤其是稠油生产中。

Description

一种油田稠油生产出砂量检测方法及检测装置

技术领域

本发明涉及油田出砂检测技术，特别是关于一种油田稠油生产出砂量检测方法及检测装置。

背景技术

在国内外各油田开采过程中，都广泛存在着出砂问题。出砂量的多少是影响油气井寿命的重要因素，出砂不仅造成各种机械设备的损坏，对安全生产带来重大隐患，同时也严重地影响了生产效率。若不能及早地控制出砂量，可能会造成油气层砂埋、油管砂堵、地面管积砂的严重后果，大大地缩短了油气井的使用寿命，对油气田生产影响极大。因此对出砂量进行检测，可以更好地控制出砂，优化生产，延长油气井的寿命。但防砂、治砂的效果及出砂量的实时监测则是多年来国内外的技术难题。

在现有的技术中，国内的研究主要是针对河流含泥砂量的测量，还没有专门的关于油气井出砂量测量的研究，对河流含泥砂量测量所采用的方法有：(1)超声波测量法。即利用水介质中固体微粒对超声波的扫射和折射现象确定河流中的泥砂含量。(2)射线测量法。利用χ射线或γ射线穿过混合介质后的射线衰减量来确定泥砂含量。(3)光电法。这种方法取决于光与砂粒的相互作用，当光通过挟砂水流时，由于泥砂的吸光或散射作用，使透过光的强度减弱，依据光的衰减情况就可确定泥砂含量。(4)其它方法。包括红外法、激光法等。

国外用于油气井出砂量检测方法主要有以下两种：(1)射线法。此种方法采用三种不同能量的放射源，测量包含砂粒在内的多相流体的密度，从而确定出砂量。(2)声波法。即通过检测砂粒与管壁碰撞所产生的声信号，判断流体中的出砂量。该方法所采用的探头有插入式和外置式两种，插入式是将检测探头垂直于管壁插入到油管内部，以砂粒碰撞探头所产生的声信号来检测出砂量，或者通过检测碰撞所引起的探头的金属缺损量，来确定多相流中的出砂量。外置式是将声波传感器安装于油管的外壁处，在安装传感器的管道处有一个90°的拐角，这种安装方式很难用于井下，或者说，在井下难以形成90°的拐角的液体通道。

国外采用的上述两种出砂量检测方法主要是针对非稠油的，对于稠油出砂量的检测装置目前还未见报道。由于稠油具有黏度大，流动性差的特点，地层中的砂粒更容易包含在稠油中，这为检测稠油出砂量带来更大的难度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种适用于油田稠油生产中出砂量检测的方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种油田稠油生产出砂量检测方法，其特征在于：它将流通过文丘里管的稀释的稠油采用伽玛源探测的方法，得到其中的固相砂所占稀释后流体量的百分比，从而推算出固相砂在稠油中的含量，具体检测方法如下：

第一步，将稠油稀释至粘度低于100mPa·S；

第二步，采用能级为e1、e2、e3的三能级伽玛源和相应的伽玛探测器确定稀释流体中水、油、气、砂各相的体积百分比，根据伽玛探测原理有，

对于能级e1：

$I_1=I_{01}{e}^{-L({\mathrm{\μ}}_{w1}{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\μ}}_{o1}{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\α}}_o+{\mathrm{\μ}}_{s1}{\mathrm{\ρ}}_s{\mathrm{\α}}_s+{\mathrm{\μ}}_{g1}{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\α}}_g)}---\left(1\right)$

对于能级e2：

$I_2=I_{02}{e}^{-L({\mathrm{\μ}}_{w2}{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\μ}}_{o2}{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\α}}_o+{\mathrm{\μ}}_{s2}{\mathrm{\ρ}}_s{\mathrm{\α}}_s+{\mathrm{\μ}}_{g2}{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\α}}_g)}---\left(2\right)$

对于能级e3：

$I_3=I_{03}{e}^{-L({\mathrm{\μ}}_{w3}{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\μ}}_{o3}{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\α}}_o+{\mathrm{\μ}}_{s3}{\mathrm{\ρ}}_s{\mathrm{\α}}_s+{\mathrm{\μ}}_{g3}{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\α}}_g)}---\left(3\right)$

其中，I₁、I₀₁，I₂、I₀₂，I₃、I₀₃分别表示能级为e1、e2、e3的伽玛源穿过流体介质后伽玛射线的强度和穿过流体介质前伽玛射线的强度，L为伽玛射线穿过文丘里管中流体的厚度，即文丘里管的内径，

分别表示各能级伽玛射线穿过纯水、纯油、纯气、纯砂时的质量衰减系数，ρ_w、ρ_o、ρ_g、ρ_s分别表示纯水、纯油、纯气、纯砂的密度，

α_w、α_o、α_g、α_s分别表示稀释后流体中水、油、气、砂各相的体积百分比，并存在如下关系：

α_w+α_o+α_g+α_s＝1                      (4)

上述只有α_w、α_o、α_g、α_s为未知量，因此联立(1)、(2)、(3)、(4)式，可得α_w、α_o、α_g、α_s；

第三步，稀释流体混合密度的计算：由α_w、α_o、α_g、α_s和ρ_w、ρ_o、ρ_g、ρ_s，求出稀释后流体的混合密度ρ为：

ρ＝α_wρ_w+α_oρ_o+α_gρ_g+α_sρ_s         (5)

第四步，稀释流体量的测量：在具有压强变化的文丘里管道上设置两个压力传感器，两传感器测得的压强差为Δp_V，通过关系式

$Q=\mathrm{kC}\sqrt{2\frac{\mathrm{\Δ}{p}_V}{\mathrm{\ρ}}}---\left(6\right)$

可测得稀释流体的流量Q，式中ρ由(5)式已知，C是流量系数，k是结构系数；

第五步，稀释流体中含砂量的计算：根据含砂百分比α_s和稀释流体总量Q，可得稀释流体中含砂量Q_s为：

Q_s＝α_s.Q                (7)

第六步，稀释剂量和原稠油量的计算：稀释剂量通过计量泵来测量，假定为Q₂，则原稠油量Q₁表述为：

Q₁＝Q-Q₂                 (8)

第七步，稠油中实际出砂量的测量：由(7)、(8)式可知，稠油出砂体积百分比α′_s为：

α′_s＝Q_s/Q₁＝α_s·Q/(Q-Q₂)    (9)

所述稠油稀释的方法为，在稠油中加入轻质汽油为稀释剂。

一种油田稠油生产出砂量检测装置，它包括一输油主管道，所述输油主管道内部设置有一搅拌器，与所述搅拌器位置对应，在所述输油主管道上连通一稀释剂输入管，所述稀释剂输入管上设置有开关阀，所述稀释剂输入管的另一端与一计量泵的输出口相连，所述计量泵的输入口通过一稀释剂引流管连接到稀释剂储存池；所述输油主管道下游管段连接有一文丘里管，所述文丘里管的上游直管段安装有第一压力传感器，中间喉部安装有第二压力传感器，下游直管段的管壁对应安装有一套三能级伽玛源和伽玛探测器；所述计量泵、第一压力传感器、第二压力传感器、三能级伽玛源和伽玛探测器分别连接到数据处理器。

所述在文丘里管外侧设置有保护套。

所述计量泵为防爆的工业汽油泵。

所述伽玛探测器包括晶体管和光电倍增管。

所述文丘里管与所述输油主管道螺纹密封连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明先对稠油进行稀释，然后采用文丘里管、压力传感器、伽玛源相结合的方法，对流体中各相进行检测，计算出稀释流体中砂的体积百分比以及稀释流体的总量，进而求得砂的净含量。然后根据稀释流体量和所加入的稀释剂量求得原稠油的量，由砂的净含量除以原稠油的量就是稠油中的出砂量。方法简单，精度高。2、本发明根据检测方法设置的检测装置，主要涉及稀释装置和包含有文丘里管和伽玛源的检测装置，在稀释装置中利用计量泵泵入，同时利用开关阀控制，从而可以控制稀释流体的粘度。检测装置中利用三能级伽玛源检测出流体中各相的体积百分比，利用两个传感器测得文丘里管的粗细两管段的压差，各部件均为现有技术通用件，相互结合就可测出所要得到的各参数，装置简单，成本低。因此本发明的方法和装置整体构思新颖，结构简捷，适合广泛应用于油田尤其是稠油生产中。

附图说明

图1是本发明的检测装置示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明出砂量检测方法的中心思想是先将油田生产出来的稠油加入稀释剂进行稀释；然后采用文丘里管和伽玛源相结合的方法，测量并计算出稀释流体中各种相的含量百分比，其中包含固相砂的百分比；再根据稀释流体中固相砂的百分比和稀释前后流体的流量关系，推算出，固相砂在原稠油中的含量百分比。具体检测方法如下：

第一步：稠油的稀释。稠油的稀释方法有多种，比如在油田开采过程注入蒸汽加热法，或者在稠油中添加稀释剂或催化剂法等。本发明优先采用加入稀释剂的方法，这样做可以在稀释原油的同时不影响原油的成分。本发明要求加入稀释剂后稀释流体的粘度不大于100mPa·S。

第二步：稀释流体中各相体积百分比的测量。本发明采用能级为e1、e2、e3的三能级伽玛源和探测器确定稀释后流体中水、油、气、砂各相的体积百分比。根据伽玛探测原理，存在如下关系式：

对能级e1：

$I_1=I_{01}{e}^{-L({\mathrm{\μ}}_{w1}{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\μ}}_{o1}{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\α}}_o+{\mathrm{\μ}}_{s1}{\mathrm{\ρ}}_s{\mathrm{\α}}_s+{\mathrm{\μ}}_{g1}{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\α}}_g)}---\left(1\right)$

对能级e2：

$I_2=I_{02}{e}^{-L({\mathrm{\μ}}_{w2}{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\μ}}_{o2}{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\α}}_o+{\mathrm{\μ}}_{s2}{\mathrm{\ρ}}_s{\mathrm{\α}}_s+{\mathrm{\μ}}_{g2}{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\α}}_g)}---\left(2\right)$

对能级e3：

$I_3=I_{03}{e}^{-L({\mathrm{\μ}}_{w3}{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\μ}}_{o3}{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\α}}_o+{\mathrm{\μ}}_{s3}{\mathrm{\ρ}}_s{\mathrm{\α}}_s+{\mathrm{\μ}}_{g3}{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\α}}_g)}---\left(3\right)$

其中，I₁、I₀₁分别表示能级为e1的伽玛源穿过流体介质后伽玛射线的强度和穿过流体介质前伽玛射线的强度；I₂、I₀₂分别表示能级为e2的伽玛源穿过流体介质后伽玛射线的强度和穿过流体介质前伽玛射线的强度；I₃、I₀₃分别表示能级为e3的伽玛源穿过流体介质后伽玛射线的强度和穿过流体介质前伽玛射线的强度；L为伽玛射线穿过流体的厚度，如果为管状通道，则为管的内径；

分别表示三能级伽玛射线穿过纯水、纯油、纯气、纯砂时的质量衰减系数；ρ_w、ρ_o、ρ_g、ρ_s分别表示纯水、纯油、纯气、纯砂的相应密度；α_w、α_o、α_g、α_s分别表示稀释后的流体中水、油、气、砂各相的体积百分比，并存在如下关系：

α_w+α_o+α_g+α_s＝1               (4)

由于I₁、I₀₁、I₂、I₀₂、I₃、I₀₃、ρ_w、ρ_o、ρ_g、ρ_s、μ_w、μ_o、μ_g、μ_s、L均为可直接测得量或查得量，因此在(1)、(2)、(3)、(4)四个关系式中只有α_w、α_o、α_g、α_s为未知量，联立上述四个关系式，可求得α_w、α_o、α_g、α_s，即稀释后流体中的水、油、气、砂各相的体积百分比。

第三步：稀释流体混合密度的计算。由(1)、(2)、(3)、(4)式中解出的稀释后流体中的水、油、气、砂各相的体积百分比α_w、α_o、α_g、α_s和纯水、纯油、纯气、纯砂的相应密度ρ_w、ρ_o、ρ_g、ρ_s，可求出稀释后流体的混合密度ρ为：

ρ＝α_wρ_w+α_oρ_o+α_gρ_g+α_sρ_s    (5)

第四步：稀释流体量的测量。稀释流体量可以通过在具有压强变化的流通管道上设置两个压力传感器测量，具体为，设置一具有流体压强变化的管道，在压强未变段和压强变化段分别设置一压力传感器，两传感器测得的压强差为ΔpV，通过关系式

$Q=\mathrm{kC}\sqrt{2\frac{\mathrm{\Δ}{p}_V}{\mathrm{\ρ}}}---\left(6\right)$

可测得稀释流体的流量Q。其中，Δp_V是压差；ρ是稀释后流体的混合密度；C是流量系数，略小于1，可查得；k是结构系数，可查得。

第五步：稀释流体中含砂量的计算。根据含砂百分比和稀释流体总量，可得出稀释流体中含砂量为：

Q_s＝α_s.Q                (7)

第六步：稀释剂量的测量和原稠油量的计算。稀释剂量的测量可以在稀释剂注入过程中通过设置计量泵来测量。假设原稠油量为Q₁，稀释剂量为Q₂。则原稠油量可表述为：

Q₁＝Q-Q₂                 (8)

第七步：稠油中实际出砂量的测量。由(7)、(8)式可知，稠油出砂量百分比为：

α′_s＝Q_s/Q₁＝α_s·Q/(Q-Q₂)           (9)

因此由(9)式可知，只要测得稀释剂的流量Q₂、稀释后流体的流量Q和含砂百分比α_s，就可以计算出稠油中实际的含砂量α′_s。

如图1所示，根据上述检测方法的描述，一种用于实现本方法的检测装置，它包括稠油稀释和出砂量检测两部分。其中稠油稀释部分包括输油主管道1、搅拌器2、稀释剂输入管3、开关阀4、计量泵5、稀释剂引流管6、稀释剂储存池7。在输油主管道1的内部设置搅拌器2，与搅拌器2的位置相对应，在输油主管道1的管壁上外接稀释剂输入管3，稀释剂输入管3与输油主管道1相连通。稀释剂输入管3上设置有开关阀4，稀释剂输入管3的另一端与计量泵5的输出端口相连，计量泵5的输入端口通过稀释剂引流管6连接到稀释剂储存池7。计量泵5不但可以向稀释剂输入管3中泵入稀释剂，还可以计量所泵入的稀释剂流量，稀释剂通过计量泵5泵入到稀释剂输入管3后，直接进入输油主管道1，由其内的搅拌器2将稀释剂和稠油充分搅拌均匀，以达到充分稀释的目的。当稠油达到稀释的要求后，关闭安装在稀释剂输入管3上的开关阀4，即可切断稀释剂的输入通路。

本发明中所选用的稀释剂最好为轻质汽油，一方面起到稀释的目的，同时又不改变稠油的成分，可以在炼化阶段，把其分离出来。计量泵需要一个工业汽油泵，且必须防爆。

在输油主管道1的下游管段连接的是出砂量检测部分，出砂量检测部分包括文丘里管8、第一压力传感器9、第二压力传感器10、伽玛源11和伽玛探测器12。文丘里管8为一中间细两端粗的管道，文丘里管8上游直管段与输油主管道1的下游管段密封连接，比如为螺纹连接。在文丘里管8的上游直管段管壁上安装有第一压力传感器9；文丘里管8的喉部安装有第二压力传感器10；文丘里管8的下游直管段的一侧管壁上安装有三能级伽玛源11，与三能级伽玛源11位置相对应的另一侧管壁上安装有伽玛探测器12。在文丘里管外侧还设置有连接各检测部件的数据处理器和保护各设备的保护套(图中未视出)。

本发明中所选用伽玛探测器包括晶体管和光电倍增管。

Claims (10)

1.一种油田稠油生产出砂量检测方法，其特征在于：它将流通过文丘里管的稀释的稠油利用伽玛源和压力传感器检测的方法，得到其中的固相砂所占稀释流体的流量的体积百分比，从而推算出固相砂在稠油中的含量，具体检测方法如下：

第一步，将稠油稀释至粘度低于100mPa·S；

第二步，采用能级为e1、e2、e3的三能级伽玛源和相应的伽玛探测器确定稀释流体中水、油、气、砂各相的体积百分比，根据伽玛探测原理有，

对于能级e1：

对于能级e2：

对于能级e3：

其中，I₁、I₀₁，I₂、I₀₂，I₃、I₀₃分别表示能级为e1、e2、e3的伽玛源穿过稀释流体后伽玛射线的强度和穿过稀释流体前伽玛射线的强度，L为伽玛射线穿过文丘里管中稀释流体的厚度，即文丘里管的内径，

分别表示各能级伽玛射线穿过纯水、纯油、纯气、纯砂时的质量衰减系数，ρ_w、ρ_o、ρ_g、ρ_s分别表示纯水、纯油、纯气、纯砂的密度，

α_w、α_o、α_g、α_s分别表示稀释流体中水、油、气、砂各相的体积百分比，并存在如下关系：

α_w+α_o+α_g+α_s＝1                  (4)

上述只有α_w、α_o、α_g、α_s为未知量，因此联立(1)、(2)、(3)、(4)式，可得α_w、α_o、α_g、α_s；

第三步，稀释流体混合密度的计算：由α_w、α_o、α_g、α_s和ρ_w、ρ_o、ρ_g、ρ_s，求出稀释流体的混合密度ρ为：

ρ＝α_wρ_w+α_oρ_o+α_gρ_g+α_sρ_s                (5)

第四步，稀释流体的流量的测量：在具有压强变化的文丘里管道上设置两个压力传感器，两压力传感器测得的压强差为Δp_V，通过关系式

可测得稀释流体的流量Q，式中ρ由(5)式已知，C是流量系数，k是结构系数；

第五步，稀释流体中含砂量的计算：根据含砂百分比α_s和稀释流体的流量Q，可得稀释流体中含砂量Q_s为：

Q_s＝α_s·Q                                      (7)

第六步，稀释剂量和原稠油量的计算：稀释剂量通过计量泵来测量，假定为Q₂，则原稠油量Q₁表述为：

Q₁＝Q-Q₂                                        (8)

第七步，稠油中实际出砂量的测量：由(7)、(8)式可知，稠油出砂体积百分比α′_s为：

α′_s＝Q_s/Q₁＝α_s·Q/(Q-Q₂)                     (9)。

2.如权利要求1所述的一种油田稠油生产出砂量检测方法，其特征在于：所述稠油稀释的方法为，在稠油中加入轻质汽油为稀释剂。

3.一种实现权利要求1所述方法的油田稠油生产出砂量检测装置，其特征在于：它包括一输油主管道，所述输油主管道内部设置有一搅拌器，与所述搅拌器位置对应，在所述输油主管道上连通一稀释剂输入管，所述稀释剂输入管上设置有开关阀，所述稀释剂输入管的另一端与一计量泵的输出口相连，所述计量泵的输入口通过一稀释剂引流管连接到稀释剂储存池；所述输油主管道下游管段连接有一文丘里管，所述文丘里管的上游直管段安装有第一压力传感器，中间喉部安装有第二压力传感器，下游直管段的管壁对应安装有一套三能级伽玛源和伽玛探测器；所述计量泵、第一压力传感器、第二压力传感器、三能级伽玛源和伽玛探测器分别连接到数据处理器。

4.如权利要求3所述的油田稠油生产出砂量检测装置，其特征在于：所述在文丘里管外侧设置有保护套。

5.如权利要求3或4所述的油田稠油生产出砂量检测装置，其特征在于：所述计量泵为防爆的工业汽油泵。

6.如权利要求3或4所述的油田稠油生产出砂量检测装置，其特征在于：所述伽玛探测器包括晶体管和光电倍增管。

7.如权利要求5所述的油田稠油生产出砂量检测装置，其特征在于：所述伽玛探测器包括晶体管和光电倍增管。

8.如权利要求3或4或7所述的油田稠油生产出砂量检测装置，其特征在于：所述文丘里管与所述输油主管道螺纹密封连接。

9.如权利要求5所述的油田稠油生产出砂量检测装置，其特征在于：所述文 丘里管与所述输油主管道螺纹密封连接。

10.如权利要求6所述的油田稠油生产出砂量检测装置，其特征在于：所述文丘里管与所述输油主管道螺纹密封连接。