CN101514625A - 一种油田稠油开采过程中出砂量的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油田稠油开采过程中出砂量的检测方法及装置，它是在输油管道上设置一套稀释剂注入装置，将原稠油浓度稀释至低于100mPa·S，在连接所述稀释剂注入装置的输油管道下游弯道外壁处缠绕有一超声波传感器，所述超声波传感器正负极分别引出正、负两个电极端子，正、负两个电极端子连接到出砂量检测电路的信号输入端，所述负极端子接地。通过测量稀释剂注入流量Q₄和稀释后流经超声波传感器的总流量Q₁，并通过超声波传感器测得的固相砂碰撞管壁引起的电压变化，计算出管道中砂子的体积流量Q₂，进而得出原稠油中砂子的体积流量百分比含量。本发明利用稀释剂注入装置和超声波传感器有效地解决了稠油的出砂量检测问题，是一种有效的测量方法和装置。

Description

一种油田稠油开采过程中出砂量的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及油田开采检测方法及装置，特别是关于一种油田稠油开采过程中出砂量的检测方法及装置。

背景技术

油气田开采过程中的出砂问题十分普遍，出砂已成为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。特别是稠油的开采过程中，油层出砂问题已成为制约开发效果的主要因素之一，若不能及早控制出砂量，可能会造成油气层砂埋、油管砂堵、地面管汇积砂的严重后果，对油气田生产影响极大。因此防砂、治砂是油气田生产的普遍需求，但防砂、治砂效果及出砂量的实时监测则是多年来国内外的技术难题，尤其是稠油黏度大，流动性差，地层中的砂粒包含在稠油中，这为监测稠油出砂量带来了更大的难度。

在现有技术中，国内的研究主要是针对河流含泥沙量的测量，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沙含量；(2)射线测量法，利用x射线或γ射线穿过混合介质后的射线衰减量来确定泥沙含量；(3)光电法，这种方法取决于光与沙粒的相互作用，当光通过挟沙水流时，由于泥沙的吸光或散射作用，使透过光的强度减弱，依据光的衰减情况就可确定泥沙含量；(4)其他方法，包括红外法、激光法等。

国外采用过油气井出砂量检测方法主要有以下几种：(1)射线法。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。这种方法主要适合于出砂量较大的油井，但系统比较复杂，放射源数目较多，相应的检测电路复杂；(2)声波法，即通过监测砂粒与管壁碰撞所产生的声信号，判断流体中的含砂量。该方法主要是将检测探头垂直于管壁插入到油管内部，以检测砂粒碰撞探头所产生的声信号，或者检测碰撞所引起的探头的金属缺损量，从而确定多相流中的含砂量。另外，国外采用上述两种方法主要是针对非稠油的，对于稠油含砂量的检测装置目前还未见报道。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种对稠油井瞬时出砂、持续出砂和灾难性出砂状况进行实时监测的油田稠油开采过程中出砂量的检测方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种油田稠油开采过程中出砂量的检测方法，它是在输油管道上设置一套稀释剂注入装置，将原稠油浓度稀释至低于100mPa·S，在连接所述稀释剂注入装置的输油管道下游弯道外壁处缠绕有一超声波传感器，通过测量稀释剂注入流量Q₄和稀释后流经超声波传感器的总流量Q₁，并通过超声波传感器测得的固相砂碰撞管壁引起的电压变化，计算出管道中砂子的体积流量Q₂，进而得出原稠油中砂子的体积流量百分比含量，其表达式为：

$S\%=\frac{Q_2}{Q_1-Q_4}\×100\%---\left(1\right).$

对表达式(1)的进一步推导过程为：

1)测量并计算Δt时间内超声波传感器的平均电压值S；

2)建立平均电压值S与撞击管壁的砂子动能的关系：

S＝Km_tv²    (2)

其中，K为比例常数，一定S值对应一定的K值；m_t表示单位时间内撞击管壁的砂子质量，也就是砂子的质量流量，克/秒，v表示撞击管壁的砂子的速度，米/秒，m_t、v可分别用如下公式表示：

$m_t=\frac{M}{\mathrm{\Δt}}=m_c{Q}_1---\left(3\right)$

$v=\frac{Q_1}{A}---\left(4\right)$

其中，m_c为撞击管壁的砂子质量浓度，克/立方米，Q₁为管道的体积流量，米³/秒，可通过计量泵测量，A为管道的横截面积，米²，可测量，

将(3)、(4)式带入(2)式，得：

$m_c=\frac{S}{\mathrm{KA}{v}^3}=\frac{{\mathrm{SA}}^2}{K{Q}_1^3}---\left(5\right)$

因为(5)式中S、A、K、Q₁均为已知量，因此可以求得m_c；

3)将(5)式带入到(3)式可得：

$m_t=m_c{Q}_1=\frac{{\mathrm{SA}}^2}{K{Q_1}^2}---\left(6\right);$

4)由关系式：

Q₂＝m_t/ρ_砂    (7)

可求得管道中砂子的体积流量Q₂，其中，ρ_砂为砂子的质量密度，克/立方米，为已知的常量。

5)通过1)、2)、3)、4)可知，表达式(1)进一步表述为：

$S\%=\frac{Q_2}{Q_1-Q_4}\×100\%$

设置有稀释剂注入装置的输油管道可以为一并联在输油主体管道的一段分支管道，所述稀释剂注入装置设置在分支管道的上游，所述超声波传感器设置在所述分支管道下游的弯管道处。所述稀释剂注入装置中设置有一计量泵，所述输油管道的含有稀释后流体的管段处设置有另一计量泵。

一种实现所述方法的油田稠油开采过程中出砂量的检测装置，它包括一上游设置有稀释剂注入装置、下游弯管道处设置一超声波传感器的输油管道，所述稀释剂注入装置包括一与所述输油管道连通的稀释剂注入管，所述稀释剂注入管上设置有开关阀和计量泵，与所述稀释剂注入管汇接之后的所述输油管道上设置有另一计量泵，所述超声波传感器正负极分别引出正、负两个电极端子，正、负两个电极端子连接到出砂量检测电路的信号输入端，所述负极端子接地。

所述输油管道为一并联在输油主管道上的一段分支管道。

与所述稀释剂注入管汇接之后的所述输油管道上连接有一段文丘里管，所述超声波传感器设置在所述文丘里管之后的输油管道上。

所述超声波传感器呈360°缠绕在所述输油管道的弯管道外壁处，所述超声波传感器为压电薄膜超声波传感器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明利用压电薄膜超声波传感器的特性，将撞击传感器的力信号转变为电信号，从而对稠油中固体砂的含量进行测量，此方法不仅灵敏度高，而且可满足环状传感器的设计要求，相比于一点或多点以及其他外置传感器测量方法，精度得到较大提高。2、本发明方法优先采用对原稠油进行稀释后再进行测量，这样可使稠油中的各相充分分离，更加精确地测量其中固体砂的含量。3、本发明提供的检测装置，只需要现有技术的各部件优化组合就可完成测量，该装置结构简单，成本低。4、本发明装置采用分流管道进行稀释，这样可大大节省稀释剂的用量。可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的一个实施例示意图

图2是压电薄膜超声波传感器示意图

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。

如图1所示，本发明装置包括稠油稀释和出砂量检测两部分。由于稠油具有较大的黏性，稠油中包裹着砂子，常规的含砂检测装置难以对稠油的含砂情况进行监测，因此本发明首先对稠油进行稀释，目的是减少原油的黏度，把流体的多相分离开来，以便对含砂情况进行监测。稠油的稀释方法有多种，比如在开采过程中注入蒸汽，或者在稠油中添加稀释剂和催化剂等。本发明装置中为了减少稀释剂的用量，采用了分流法将稠油进行稀释，即从输油主管道1中分离出一分支管道2来，并将分支管道2出油端再连接回输油主管道1。在分支管道2的上游管段处连通一稀释剂注入管3，稀释剂注入管3上设置有开关阀4和计量泵5，计量泵5的另一端通过稀释剂引流管6连接到稀释剂储存池7。在分支管道2内部原油与稀释剂相汇流的地方，设置有一搅拌器8，目的是很好地将原油与稀释剂搅拌均匀。计量泵5不但可以将稀释剂泵入到分支管道2中，还可以计量所泵入的稀释剂流量。当稠油达到稀释的要求后，关闭安装在稀释剂注入管3上的开关阀4，即可切断稀释剂的输入通路。

本发明中，为了不改变稠油的成份，不浪费稀释剂，降低成本，优先采用了加入汽油作为稀释剂的方法，当稠油稀释到粘度低于或等于100mPa·s时，就能可靠地测量出含砂情况。这样做可以在稀释原油的同时不影响原油的成分，所加入的稀释剂还可以回收利用。

分支管道2的上游管段连接稀释剂注入管3之后，接下来连接的是出砂量检测部分。出砂量检测部分包括文丘里管9，另一计量泵10，压电薄膜超声波传感器11，正、负两个电极端子12、12’，含砂量检测电路13，保护套14。文丘里管9连接在稀释后的分支管道2上，为一中间细两端粗的管道，它的两端均连接在分支管道2上，在文丘里管9上设置有另一计量泵10。在文丘里管9下游的分支管道2的弯管道处，紧贴分支管道2的外壁，呈360°缠绕一压电薄膜超声波传感器11。值得说明的是，文丘里管9并不是必须的设置部件，它只是使得稀释后的流体经过文丘里管9后，流体的各相混合更加均匀，且流速增大，保证流体中携带的砂子尽可能多的打在管壁上。另一计量泵10也不是必须设置在文丘里管9上，它还可以设置在文丘里管9的前端或后端，还可以设置在电薄膜超声波传感器11的前端或后端。但是无论另一计量泵10设置在上述的哪一段，另一计量泵10均应设置在分支管道2与稀释剂注入管3汇接之后的管路上却是必须的，因为它要测量稀释后流体的流量。计量泵5和另一计量泵10最好选用防爆的工业泵。

如图2所示，从压电薄膜超声波传感器11的两极分别引出正、负两个电极端子12、12’，引出方法可以采用导电胶或铆接方法。如图1所示，正极端子12直接连接到检测电路13的信号输入端。负极端子12’一端与管壁紧贴目的是保持接地，另一端也连接到检测电路13的信号输入端。在压电薄膜超声波传感器11的表面，利用保护套14把电极端子和压电薄膜超声波传感器保护起来，防止摩擦造成压电薄膜的表面电极层脱落。

一种利用本发明装置进行测量的油田稠油开采过程中出砂量的检测方法是：首先将稠油浓度稀释至低于100mPa·S，然后在稀释剂注入管道上和稀释后的输油管道上分别设置计量泵，在稀释后的弯管道上设置一超声波传感器，通过测量稀释剂的流体流量和稀释后的流体流量，以及利用超声波传感器具有能将冲击产生的随机振动信号转化为电脉冲信号，并将某一时域内的电脉冲信号平滑出一个平均的电压值的特性，得出原稠油中砂子的体积流量百分比含量。由于压电薄膜超声波传感器的信号频率在650KHz～800KHz之间，可滤除流体流动和管道本身振动引起的信号，测量的准确率非常高，所以优先选用压电薄膜超声波传感器。超声波传感器测量含砂量的具体推导过程如下：

1、测量并计算Δt时间内压电薄膜超声波传感器的平均电压值S；

2、建立平均电压值S与撞击管壁的砂子动能的关系：

S＝Km_tv²    (1)

其中，K为比例常数，一定S值对应一定的K值；m_t表示单位时间内撞击管壁的砂子质量，也就是砂子的质量流量，克/秒；v表示撞击管壁的砂子的速度，米/秒。m_t、v可分别用如下公式表示：

$m_t=\frac{M}{\mathrm{\Δt}}=m_c{Q}_1---\left(2\right)$

$v=\frac{Q_1}{A}---\left(3\right)$

其中，m_c为撞击管壁的砂子质量浓度，克/立方米；Q₁为管道的体积流量，米³/秒，可通过计量泵测量；A为管道的横截面积，米²，可测量。将(2)、(3)式带入(1)式，得：

$m_c=\frac{S}{\mathrm{KA}{v}^3}=\frac{{\mathrm{SA}}^2}{{\mathrm{KQ}}_1^3}---\left(4\right)$

因为(4)式中S、A、K、Q₁均为已知量，因此可以求得m_c。

3、将(4)式带入到(2)式可得：

$m_t=m_c{Q}_1=\frac{{\mathrm{SA}}^2}{{{\mathrm{KQ}}_1}^2}---\left(5\right)$

4、由关系式：

Q₂＝m_t/ρ_砂    (6)

可求得管道中砂子的体积流量Q₂。其中，ρ_砂为砂子的质量密度，克/立方米，为已知的常量。

5、对于体积流量Q₁来讲，它是由原稠油的流量Q₃加稀释剂流量Q₄得到的，又因为稀释剂流量Q₄可以通过计量泵得到，因此，原稠油中的砂子的体积百分比含量为：

$S\%=\frac{Q_2}{Q_3}\×100\%$

$=\frac{Q_2}{Q_1-Q_4}\×100\%$

上述方法中，为了节省成本，减少稀释剂的注入量，一般采取分流法测量，即将主管道中的稠油分流为两部分，其中，一小部分进入分支管道中，其流量设定为Q₃；然后对分支管道中的稠油进行稀释，注入的稀释剂量为Q₄；混合后的总量为Q₁。Q₁、Q₄可通过计量泵测量，因此分支管道中的流量Q₃可得知，进而可求原稠油中的砂含量。

Claims (10)

1、一种油田稠油开采过程中出砂量的检测方法，它是在输油管道上设置一套稀释剂注入装置，将原稠油浓度稀释至低于100mPa·S，在连接所述稀释剂注入装置的输油管道下游弯道外壁处缠绕有一超声波传感器，通过测量稀释剂注入流量Q₄和稀释后流经超声波传感器的总流量Q₁，并通过超声波传感器测得的固相砂碰撞管壁引起的电压变化，计算出管道中砂子的体积流量Q₂，进而得出原稠油中砂子的体积流量百分比含量，其表达式为：

$S\%=\frac{Q_2}{Q_1-Q_4}\×100\%---\left(1\right).$

2、如权利要求1所述的一种油田稠油开采过程中出砂量的检测方法，其特征在于：对表达式(1)的推导过程如下：

1)测量并计算Δt时间内超声波传感器的平均电压值S；

2)建立平均电压值S与撞击管壁的砂子动能的关系：

    S＝Km_tv²    (2)

其中，K为比例常数，一定S值对应一定的K值；m_t表示单位时间内撞击管壁的砂子质量，也就是砂子的质量流量，克/秒，v表示撞击管壁的砂子的速度，米/秒，m_t、v可分别用如下公式表示：

$m_t=\frac{M}{\mathrm{\Δt}}=m_c{Q}_1---\left(3\right)$

$v=\frac{Q_1}{A}---\left(4\right)$

其中，m_c为撞击管壁的砂子质量浓度，克/立方米，Q₁为管道的体积流量，米³/秒，可通过计量泵测量，A为管道的横截面积，米²，可测量，

将(3)、(4)式带入(2)式，得：

$m_c=\frac{S}{{\mathrm{KAv}}^3}=\frac{{\mathrm{SA}}^2}{{\mathrm{KQ}}_1^3}---\left(5\right)$

因为(5)式中S、A、K、Q₁均为已知量，因此可以求得m_c；

3)将(5)式带入到(3)式可得：

$m_t=m_c{Q}_1=\frac{{\mathrm{SA}}^2}{K{Q_1}^2}---\left(6\right);$

4)由关系式：

Q₂＝m_t/ρ_砂    (7)

可求得管道中砂子的体积流量Q₂，其中，ρ_砂为砂子的质量密度，克/立方米，为已知的常量；

5)通过1)、2)、3)、4)可知，表达式(1)进一步表述为：

$S\%=\frac{Q_2}{Q_1-Q_4}\×100\%$

3、如权利要求1所述的一种油田稠油开采过程中出砂量的检测方法，其特征在于：设置有稀释剂注入装置的输油管道为一并联在输油主体管道的一段分支管道，所述稀释剂注入装置设置在分支管道的上游，所述超声波传感器设置在所述分支管道下游的弯管道处。

4、如权利要求2所述的一种油田稠油开采过程中出砂量的检测方法，其特征在于：设置有稀释剂注入装置的输油管道为一并联在输油主体管道的一段分支管道，所述稀释剂注入装置设置在分支管道的上游，所述超声波传感器设置在所述分支管道下游的弯管道处。

5、如权利要求1或2或3或4所述的一种油田稠油开采过程中出砂量的检测方法，其特征在于：所述稀释剂注入装置中设置有一计量泵，所述输油管道的含有稀释后流体的管段处设置有另一计量泵。

6、一种实现权利要求1～5所述方法的油田稠油开采过程中出砂量的检测装置，其特征在于：它包括一上游设置有稀释剂注入装置、下游弯管道处设置一超声波传感器的输油管道，所述稀释剂注入装置包括一与所述输油管道连通的稀释剂注入管，所述稀释剂注入管上设置有开关阀和计量泵，与所述稀释剂注入管汇接之后的所述输油管道上设置有另一计量泵，所述超声波传感器正负极分别引出正、负两个电极端子，正、负两个电极端子连接到出砂量检测电路的信号输入端，所述负极端子接地。

7、如权利要求6所述的一种油田稠油开采过程中出砂量的检测装置，其特征在于：所述输油管道为一并联在输油主管道上的一段分支管道。

8、如权利要求6或7所述的一种油田稠油开采过程中出砂量的检测装置，其特征在于：与所述稀释剂注入管汇接之后的所述输油管道上连接有一段文丘里管，所述超声波传感器设置在所述文丘里管之后的输油管道上。

9、如权利要求6或7所述的一种油田稠油开采过程中出砂量的检测装置，其特征在于：所述超声波传感器呈360°缠绕在所述输油管道的弯管道外壁处，所述超声波传感器为压电薄膜超声波传感器。

10、如权利要求8所述的一种油田稠油开采过程中出砂量的检测装置，其特征在于：所述超声波传感器呈360°缠绕在所述输油管道的弯管道外壁处，所述超声波传感器为压电薄膜超声波传感器。

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