CN101614701B - 多相流含水率测试装置及其计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多相流含水率测试装置及其计算方法，该测试装置包括：一测量管道，所述测量管道的内壁涂有绝缘层，一线圈系紧贴所述绝缘层，设置在所述测量管道中，所述线圈系连接一激励信号产生电路，一信号处理电路和计算机；所述线圈系包括用于接收流体信息的主接收线圈，消除直耦信号对接收信号影响的屏蔽接收线圈，以及发射激励信号的发射线圈，且所述屏蔽接收线圈的绕线方向与所述主接收线圈的绕线方向相反；所述激励信号产生电路产生的高频正弦信号输入所述发射线圈，所述主接收线圈和屏蔽接收线圈串联连接，将接收到的流体信息送入所述信号处理电路，经所述信号处理电路处理后输入所述计算机进行计算。本发明可对油气水多相流体进行测量，不受流体中含水、含气、含油的比例影响。

Description

多相流含水率测试装置及其计算方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量油、气、水等多相流体含水率的多相流含水率测试装置及其计算方法。

背景技术

在油田开采中，通常需要对含有油、气、水多相的原油进行各相计量，作为监测、控制油井和油藏动态特性的主要依据，主要用于统计油井的产量和分配、监测油井的产油和输送状态。而油、气、水三相中，通常需要快速准确的测量原油中的含水率，以准确快速的了解储层的开采信息，注水信息等，因此多相流体中含水率的测量非常重要。

目前，测量多相流中含水率的方法主要有：射线法、电容法、电导法等。

射线法测量含水率的基本原理是射线源发出的射线经过多相流体时部分射线被流体吸收，吸收的程度与多相流中的含水率有关。常用的射线有γ射线、β射线和x射线等。射线法需要解决射线穿过管壁产生的衰减问题，并且需要一个稳定的放射源，具有维护成本高，使用过程中存在一定的安全问题的不足，使得该方法的应用范围受到一定限制。

电容法是利用被测多相流体的分相介质具有不同的介电常数特性，进行含水率的测量。这种方法适用于多相流中的连续相不导电介质。而电导法是通过测量多相流体的电导率来确定含水率。多相流体流经测量管道时，通过测量传感器极板间的电导或阻抗的变化，获得含水率的信息。这种方法适用于多相流体的连续相导电，并且离散相和连续相的导电率有明显差别。因此在实际生产中，为了测量多相流体中的含水率，通常两种方法都要使用才能满足生产的需要，造成生产过程中测量程序繁琐。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种能克服电导法和电容法的缺陷的多相流含水率测试装置及其计算方法，其在多相流无论连续相为导电相还是不导电相的情况下都可以测量含水率。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多相流含水率测试装置，其特征在于包括：一测量管道，所述测量管道的内壁涂有绝缘层，一线圈系紧贴所述绝缘层，设置在所述测量管道中，所述线圈系连接一激励信号产生电路，一信号处理电路和计算机；所述线圈系包括用于接收流体信息的主接收线圈，消除直耦信号对接收信号影响的屏蔽接收线圈，以及发射激励信号的发射线圈，且所述屏蔽接收线圈的绕线方向与所述主接收线圈的绕线方向相反；所述激励信号产生电路产生的高频正弦信号输入所述发射线圈，所述主接收线圈和屏蔽接收线圈串联连接，将接收到的流体信息送入所述信号处理电路，经所述信号处理电路处理后输入所述计算机进行计算。

所述线圈系为五线圈系，所述主接收线圈居中设置，所述屏蔽接收线圈包括两个线圈，对称间隔设置在所述主接收线圈两侧，所述发射线圈包括两个线圈，对称间隔设置在所述屏蔽接收线圈外两侧。

所述屏蔽接收线圈的两个线圈与所述主接收线圈依次以串联方式连接，用于接收包含流体信息的信号，并将接收到的流体信息送入所述信号处理电路。

所述发射线圈的两个线圈以串联方式连接，连接所述激励信号产生电路，以发射所述激励信号产生电路产生的高频正弦激励信号。

所述屏蔽接收线圈的匝数小于所述主接收线圈的匝数。

所述高频正弦信号的频率大于1GHz。

所述测量管道的外壁采用对发射信号具有很好的屏蔽作用的碳钢材料制成。

如上所述多相流含水率测试装置的计算方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：计算流过测量管道的多相流体的电导率σ_m：

根据线圈感应理论可知，第i个发射线圈和第j个接收线圈组成的双线圈系测试的流体电导率为：

${\mathrm{\σ}}_{m_{\mathrm{ij}}}=\frac{-2i}{{{\mathrm{\ω\μL}}_{\mathrm{ij}}}^2}[(1-{\mathrm{ikL}}_{\mathrm{ij}})e^{{\mathrm{ikL}}_{\mathrm{ij}}}-1]---\left(1\right)$

由此可得到本发明测试装置的五线圈系测试的流过测量管道的多相流体的电导率σ_m为：

${\mathrm{\σ}}_m=\frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{M_{\mathrm{Ti}}{N}_{\mathrm{Rj}}}{L_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mij}}}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{N_{\mathrm{Ti}}{N}_{\mathrm{Rj}}}{L_{\mathrm{ij}}}}---\left(2\right)$

上述两式中，ω为发射信号的角频率，k为线圈系常数，μ为被测流体的相对磁导率，L_ij为第i发射线圈与第j个接收线圈之间的距离；N、M分别表示发射线圈、接收线圈的个数；N_Ti为发射线圈的匝数；N_Ri为接收线圈的匝数，接收线圈中绕向与主接收线圈一致的规定N_Ri为正，反之为负；

步骤二：计算多相混合流体中的含水率α_w：

由Maxwell电阻率近似理论可知，油、气、水混合流体的等效电导率与全水时电导率之比为：

$\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_w}=\frac{{2\mathrm{\α}}_w}{3-{\mathrm{\α}}_w}---\left(3\right)$

其中，α_w为油、气、水多相流的含水率；σ_m和σ_w分别为油、气、水多相混合流体的电导率和全水时电导率；

设油、气、水混合流体的电导为G_m，全水时电导为G_w；油、气、水混合流体经过测量管道时，接收线圈的输出信号幅值为F_m，全水时为F_w，则可得：

$\frac{F_w}{F_m}=\frac{G_m}{G_w}=\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_w}---\left(4\right)$

由式(3)和式(4)得到油、气、水多相流体中的含水率计算式为：

${\mathrm{\α}}_w=\frac{{3F}_w}{{2F}_m+F_w}---\left(5\right)$

由(5)式计算出多相混合流体中的含水率α_w。

采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明所提供的测试装置可与输油管道直接相连，其接收的信号经过信号处理电路处理后由计算机处理和显示，可实现在线测量。

2、本发明可对油气水多相流体进行测量，不受流体中含水、含气、含油的比例影响。

3、本发明还可用于其它的气液两相流或多相流中含水率的测量。

附图说明

图1是本发明的线圈系结构示意图

图2是本发明的含水率测试装置示意图

具体实施方式

现举以下实施例并结合附图对本发明的结构及功效进行详细说明。

如图1、图2所示，本发明所提供的多相流含水率测试装置包括一测量管道3，一设置在测量管道3中用于测试多相流电导率的线圈系10，一产生线圈系发射激励信号的激励信号产生电路20，一处理线圈系接收的包含多相流体电导率信号的信号处理电路30和一能够快速计算出多相流体含水率的计算机40。

如图1所示，测量管道3的外层为采用碳钢材料制成的外管壁1，使测量管道3能具有比较强的耐压强度，测量管道3的内壁涂有绝缘层2，线圈系10则紧贴着绝缘层2设置，在测量管道3上设有开孔4、5，以将线圈系10的引线引出，线圈系10的引线和开孔4、5处的空隙则用环氧树脂密封。

如图1、图2所示，本发明的线圈系10为由5组单独的间隔分布的线圈T1、B1、R、B2和T2组成的五线圈系，其中线圈R为主接收线圈11，位于整个线圈系10的居中位置。对称分布于主接收线圈11两侧的线圈B1和B2构成屏蔽接收线圈12。屏蔽接收线圈12的线圈B1、主接收线圈11和屏蔽接收线圈12的线圈B2依次以串联方式连接，用于接收包含流体信息的信号，并将接收到的流体信息送入信号处理电路30。且，屏蔽接收线圈12的线圈B1、B2的绕线方向与主接收线圈11的绕线方向相反。其中屏蔽接收线圈12的作用是消除直耦信号对接收信号的影响。线圈T1和T2组成发射线圈13，线圈T1、T2对称分布于屏蔽接收线圈12的线圈B1、B2外侧，以串联方式连接，用于发射激励信号产生电路20产生的激励信号。

线圈系10的各个线圈之间相隔一定的距离，在本实施例中，测量管段内径为62mm，发射线圈13的两线圈T1、T2的中心位置相距420mm，屏蔽接收线圈12的两个线圈B1、B2的中心位置相距160mm。各线圈之间的距离根据测量管道管径的不同，间隔的距离也不相同，在实际应用中根据具体的管径数据设置各线圈之间的间距，并通过试验加以调整，以达到最佳的效果。

线圈系10中两个发射线圈13的匝数都为50匝，两个屏蔽接收线圈12的匝数都为12，主接收线圈11的匝数为70。屏蔽接收线圈12的匝数小于主接收线圈11的匝数，各线圈的匝数要在实验中校正、调整，与测量管道管径粗细有关。

如图2所示，激励信号产生电路20用于产生高频的正弦信号，作为发射线圈13的发射信号。当原油等多相混合流体流过测量管道时，发射线圈13的线圈T1和T2通上正弦交流发射信号，在主接收线圈11、屏蔽接收线圈12的线圈B1、B2中将产生感应信号。主接收线圈11和屏蔽接收线圈12将接收到的感应电压信号输入信号处理电路30进行放大、滤波及A/D转换后，输入计算机40进行处理。由计算机40经过计算可得到主接收线圈11和屏蔽接收线圈12中接收到的感应电动势与测量管道3内的被测流体的电导率关系，进而可根据被测流体的电导率和其含水率之间的关系计算出被测流体中的含水率。激励信号产生电路20和信号处理电路30为本领域的成熟技术，在此不再详述。

本发明的测量原理如下：

根据电磁场理论，当发射线圈13的线圈T1和T2通上正弦交流发射信号后，该交变的电流信号将在主接收线圈11、屏蔽接收线圈12的线圈B 1、B2中产生感应电动势。此外该发射信号在测量管道3外围的地层和管内介质中产生交变电磁场，此交变电磁场感应出环形涡流，该涡流所建立的二次交变电磁场将在主接收线圈R、屏蔽接收线圈B1、B2中产生感应电动势。

从以上的分析可知，仅二次交变电磁场产生的感应电动势与测量管道3内流体的电导率有关。因此要去除一次场的影响(即直耦信号的影响)，本发明采用屏蔽接收线圈12和主接收线圈11的绕向相反来消除直耦信号的影响。去除直耦信号后的接收信号仅含有二次场的信息，它不仅与测量管道3内流体的电导率有关，而且还与测量管道3外围地层的电导率有关。因此为了消除测量管道3外围地层的电导率对接收信号的影响。本发明采用将线圈系10紧贴着测量管道3内的绝缘层2设置的方式，同时发射电流信号采用大于1GHz的高频信号，测量管道3外层的碳钢材料对发射信号具有很好的屏蔽作用，可忽略测量管道3外围地层感应的涡流，仅考虑发射电流信号在管内介质中感应的涡流，该涡流与管内流体的电导率有关。

下面说明本发明接收到感应电压信号后计算多相流含水率的方法。

步骤一：计算流过测量管道的多相流体的电导率σ_m：

根据线圈感应理论可知，第i个发射线圈和第j个接收线圈组成的双线圈系测试的流体电导率为：

${\mathrm{\σ}}_{m_{\mathrm{ij}}}=\frac{-2i}{{{\mathrm{\ω\μL}}_{\mathrm{ij}}}^2}[(1-{\mathrm{ikL}}_{\mathrm{ij}})e^{{\mathrm{ikL}}_{\mathrm{ij}}}-1]---\left(1\right)$

由此可得到本发明的测试装置的五线圈系测试的流过测量管道的多相流体的电导率σ_m为：

${\mathrm{\σ}}_m=\frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{N_{\mathrm{Ti}}{N}_{\mathrm{Rj}}}{L_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mij}}}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{N_{\mathrm{Ti}}{N}_{\mathrm{Rj}}}{L_{\mathrm{ij}}}}---\left(2\right)$

上述两式中，ω为发射信号的角频率，k为线圈系常数(可由实验标定求出)，μ为被测流体的相对磁导率(可通过计算得出)，L_ij为第i发射线圈与第j个接收线圈之间的距离；N、M分别表示发射线圈、接收线圈的个数；N_Ti为发射线圈的匝数；N_Ri为接收线圈的匝数，接收线圈中绕向与主接收线圈一致的规定N_Ri为正，反之为负。本发明中N＝2，M＝3。

步骤二：计算多相混合流体中的含水率α_w：

由Maxwell电阻率近似理论可知，油、气、水混合流体的等效电导率与全水时电导率之比为：

$\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_w}=\frac{{2\mathrm{\α}}_w}{3-{\mathrm{\α}}_w}---\left(3\right)$

其中，α_w为油、气、水多相流的含水率；σ_m和σ_w分别为油、气、水多相混合流体的电导率和全水时电导率。

设油、气、水混合流体的电导为G_m，全水时电导为G_w；油、气、水混合流体经过测量管道时，接收线圈的输出信号幅值为F_m，全水时为F_w，则可得：

$\frac{F_w}{F_m}=\frac{G_m}{G_w}=\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_w}---\left(4\right)$

由式(3)和式(4)可得油、气、水多相流体中的含水率为：

${\mathrm{\α}}_w=\frac{{3F}_w}{{2F}_m+F_w}---\left(5\right)$

由(5)式即可计算出多相混合流体中的含水率α_w。

综上可知，本发明通过测量油、气、水混合流体经过测量管道时，接收线圈的输出信号幅值，即可得到油、气、水多相混合流体中的含水率α_w，本发明通过计算机处理和显示，可实现在线测量。本发明可应用于油、气、水多相流体的含水率，或者其他的气液两相流或者多相流的含水率测量。

Claims (6)

1.一种多相流含水率测试装置，其特征在于包括：一测量管道，所述测量管道的内壁涂有绝缘层，一线圈系紧贴所述绝缘层，设置在所述测量管道中，所述线圈系连接一激励信号产生电路，一信号处理电路和计算机；

所述线圈系包括用于接收流体信息的主接收线圈，消除直耦信号对接收信号影响的屏蔽接收线圈，以及发射激励信号的发射线圈，且所述屏蔽接收线圈的绕线方向与所述主接收线圈的绕线方向相反；所述主接收线圈居中设置，所述屏蔽接收线圈包括两个线圈，对称间隔设置在所述主接收线圈两侧，且所述屏蔽接收线圈的两个线圈与所述主接收线圈依次以串联方式连接，用于接收包含流体信息的信号，并将接收到的流体信息送入所述信号处理电路；所述发射线圈包括两个线圈，对称间隔设置在所述屏蔽接收线圈外两侧，所述发射线圈的两个线圈以串联方式连接，连接所述激励信号产生电路，以发射所述激励信号产生电路产生的高频正弦激励信号；

所述激励信号产生电路产生的高频正弦信号输入所述发射线圈，所述主接收线圈和屏蔽接收线圈串联连接，将接收到的流体信息送入所述信号处理电路，经所述信号处理电路处理后输入所述计算机进行计算。

2.如权利要求1所述的多相流含水率测试装置，其特征在于：所述屏蔽接收线圈的匝数小于所述主接收线圈的匝数。

3.如权利要求1所述的多相流含水率测试装置，其特征在于：所述高频正弦信号的频率大于1GHz。

4.如权利要求2所述的多相流含水率测试装置，其特征在于：所述高频正弦信号的频率大于1GHz。

5.如权利要求1所述的多相流含水率测试装置，其特征在于：所述测量管道的外壁采用对发射信号具有很好的屏蔽作用的碳钢材料制成。

6.如权利要求1至5中任一项所述的多相流含水率测试装置的计算方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：计算流过测量管道的多相流体的电导率σ_m：

根据线圈感应理论可知，第i个发射线圈和第j个接收线圈组成的双线圈系测试的流体电导率为：

${\mathrm{\σ}}_{m_{\mathrm{ij}}}=\frac{-2i}{\mathrm{\ω\μ}{L_{\mathrm{ij}}}^2}[(1-\mathrm{ik}{L}_{\mathrm{ij}})e^{{\mathrm{ikL}}_{\mathrm{ij}}}-1]---\left(1\right)$

由此可得到该测试装置的五线圈系测试的流过测量管道的多相流体的电导率σ_m为：

${\mathrm{\σ}}_m=\frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{N_{\mathrm{Ti}}{N}_{\mathrm{Rj}}}{L_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mij}}}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{N_{\mathrm{Ti}}{N}_{\mathrm{Rj}}}{L_{\mathrm{ij}}}}---\left(2\right)$

上述两式中，ω为发射信号的角频率，k为线圈系常数，μ为被测流体的相对磁导率，L_ij为第i发射线圈与第j个接收线圈之间的距离；N、M分别表示发射线圈、接收线圈的个数；N_Ti为发射线圈的匝数；N_Rj为接收线圈的匝数，接收线圈中绕向与主接收线圈一致的规定N_Rj为正，反之为负；

步骤二：计算多相混合流体中的含水率α_w：

由Maxwell电阻率近似理论可知，油、气、水混合流体的等效电导率与全水时电导率之比为：

$\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_w}=\frac{2{\mathrm{\α}}_w}{3-{\mathrm{\α}}_w}---\left(3\right)$

其中，α_w为油、气、水多相流的含水率；σ_m和σ_w分别为油、气、水多相混合流体的电导率和全水时电导率；

设油、气、水混合流体的电导为G_m，全水时电导为G_w；油、气、水混合流体经过测量管道时，接收线圈的输出信号幅值为F_m，全水时为F_w，则可得：

$\frac{F_w}{F_m}=\frac{G_m}{G_w}=\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_w}---\left(4\right)$

由式(3)和式(4)得到油、气、水多相流体中的含水率计算式为：

${\mathrm{\α}}_w=\frac{3F_w}{2F_m+F_w}---\left(5\right)$

由(5)式计算出多相混合流体中的含水率α_w。

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