CN102102511B - 一种井下超声波多普勒流量测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下超声波多普勒流量测量装置及测量方法，其特征在于：它包括超声波发射单元、超声波接收单元、信号处理单元和数据存储单元；所述超声波发射单元包括一驱动单元和一发射探头，所述超声波接收单元为一超声反射波接收探头，所述发射探头和接收探头对称设置在油管外壁上，所述信号处理单元包括模拟信号处理单元和数据处理单元，所述模拟信号处理单元包括带通滤波与解调放大器、低通滤波器、信号放大器和光电耦合器；所述数据处理单元包括中央处理器、外围电路、电流/电压变换器件和外围接口；所述中央处理器包括A/D采样模块、定时中断服务程序、数据缓存区和CPU。本发明可以对流体多相流的瞬时流速、累计流量等数据量进行测量并输入所述数据存储单元中储存，还可以通过显示器对实时测量结果进行显示。

Description

一种井下超声波多普勒流量测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种油田井流量测量装置及测量方法，特别是关于一种井下超声波多普勒流量测量装置及测量方法。

背景技术

在油气田的开发过程中，油气井中的产液成分主要包括油、气、水三相。目前，利用结构复杂、体积庞大的井上多相分离计量技术，计量多相流的流速、离散相密度、体积流量和质量流量等生产过程参数，尤其是其中的流体流速和总体积流量，对生产过程的计量、管理和控制等具有重大意义。但是，随着石油工业的发展区域逐渐向沙漠、海洋和环境条件恶劣的极地等地区转移，伴随而来的是，诸如平台面积小、安装空间有限、投资成本低等方面的限制，使得传统的多相分离计量失去了自身的优势。

针对原油粘度大、易吸附、杂质含量高和含有抗凝剂等特性，以及开采系统在设计、安装、运行、维护和检修方面存在的问题，当前使用频率较高的测量仪器包括：容积式流量计、涡轮流量计和电磁流量计等。其中容积式流量计是通过内部转子的转动，被测流体通过计量室排出的次数作为依据进行计量的。由于存在机械转子、轴、轴承和齿轮等机械转动部件，计量表容易磨损，导致维护量较大，特别是对于含杂质较多的油浆，过滤网容易堵塞，造成计量表无法准确计量。涡轮流量计尽管具有结构简单、压力损失小、涡轮转速与流量之间有很好的线性关系等优势，但是涡轮流量计的仪器常数易受长期工作及维修的影响，使得测量精度降低，而且涡轮流量计同样存在易被杂质堵塞而无法测量的问题。电磁流量计只能测量导电的液体，而加入原油中的抗凝剂的导电性较弱或不具有导电性，因此无法应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种方便、快捷，并能够准确地对流量进行测量的井下超声波多普勒流量测量装置及测量方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种井下超声波多普勒流量测量装置，其特征在于：它包括超声波发射单元、超声波接收单元、信号处理单元和数据存储单元；所述超声波发射单元包括一驱动单元和一发射探头，所述超声波接收单元为一超声反射波接收探头，所述发射探头和接收探头对称设置在油管外壁上，所述发射探头和接收探头分别包括一外壳，两所述外壳内分别倾斜设置有一支撑隔板，两所述支撑隔板上分别粘贴有一压电元件；所述信号处理单元包括模拟信号处理单元和数据处理单元，所述模拟信号处理单元包括带通滤波与解调放大器、低通滤波器、信号放大器和光电耦合器；所述带通滤波与解调放大器对反射超声波进行滤波、放大，并解调出反射超声波信号与预置的激励信号之间的一频偏信号，所述频偏信号依次经所述低通滤波器进行高频噪声滤除、所述输入信号放大器放大和所述光电耦合器进行电-光-电转换后，输入所述数据处理单元；所述数据处理单元包括中间处理器、外围电路、电流/电压变换器件和外围接口；所述中间处理器包括A/D采样模块、定时中断服务程序、数据缓存区和CPU；所述A/D采样模块对频偏信号进行采样并转换成数字信号，经定时中断服务程序和数据缓冲区进入所述CPU，所述CPU内预置有仪表参数和管道体积流量的计算公式，经计算得到的流体多相流的瞬时流速、累计流量类数据量，输入所述数据存储单元中。

采用上述装置的一种井下超声波多普勒流量测量方法，其包括以下步骤：1）设置包括超声波发射单元、超声波接收单元、信号处理单元和数据存储单元的测量装置；2）驱动超声波发射单元向油管中流动的流体发射超声波，且发射超声波的波束面与油管中流体的流向呈一夹角；3）超声波波束被油管中运动的悬浮粒子反射后会产生反射超声波，反射超声波被超声波接收单元接收并输入信号处理单元；4）信号处理单元中的模拟信号处理单元将输入的反射超声波信号进行滤波、放大和解调处理，解调出反射超声波信号与预置的激励信号之间的一频偏信号，并输入信号处理单元中的数据处理单元；5）数据处理单元根据频偏信号和预置的发射超声波波束与油管中流体的流向所呈的夹角，计算得到油管中多相流的瞬时流速、累计流量数据量，并存储到数据存储单元中。

通过外围电路中的D/A转换器接收CPU中的多相流的瞬时流速、累计流量类数据量，并将CPU处理后的数字信号转换成对应的模拟信号，直接或通过RAM进行暂存后，由终端显示器显示瞬时流速或累计流量的实时变化曲线，观察并评估多相流量特征。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用超声波多普勒流量测量方式对井下多相流进行测量，因此与常规计量油井产液量的流量计相比，不但体积小不占用管道通径，不对流体产生附加阻力，而且精度高，是一种理想的节能型流量计。2、本发明测量装置不受被测油体的温度、压力、粘度、密度的影响，具有较好的时间稳定性、温度稳定性和抗腐蚀性，可长期应用于井下多相流的流量监测。3、本发明装置的换能器发出的声波不致引起被测流体流场形态的改变，同时又有足够的强度和稳定性，使接收到的载有流量信息的声信号有最大的信噪比，可以获得最大的多普勒频移，以方便计算油管中的瞬时流速、累积流量。4、本发明装置功率小，体积轻巧，分辨率高，对流速变化响应快，如果测试条件不变时仪表的重复性好。5、本发明由于采用井下安装方式，因此可以实时获取多相数据量，不受测量时间限制，有效地降低了因测量而造成的产量损失，进而达到了节省油田投资、运行和维护的费用，便于油田管理的目的。本发明适用于油气田开发中生产井井下多相流量的实时测量。

附图说明

图1是本发明结构框图

图2是本发明发射探头和接收探头安装示意图

图3是本发明整体结构示意图

图4是本发明数据信号处理单元中数据处理单元框图

图5是本发明数据信号处理单元中外围电路框图

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，本发明的测量装置包括一超声波发射单元1、一超声波接收单元2、一信号处理单元3和一数据存储单元4。

如图1、图2所示，本发明的超声波发射单元1向油管5中流动的流体发射超声波，且发射超声波的波束面与油管5中流体的流向呈一夹角。超声波波束被油管5中运动的悬浮粒子反射后会产生反射超声波，反射超声波被超声波接收单元2接收并输入信号处理单元3。根据多普勒效应，反射超声波相对于发射超声波，势必会产生一频率偏差，信号处理单元3根据发射超声波与反射超声波之间的频率偏差可以得到一个频偏量。根据频偏量和发射超声波波束与油管5中流体的流向所呈的夹角，可以计算得到油管5中多相流的瞬时流速、累计流量等所需要的数据量，并存储到数据存储单元4中。测量结束后，使用台式电脑、笔记本电脑或专用地面仪，可以将存储在数据存储单元4中的瞬时流速、累计流量等所需要的数据进行回放和打印。

如图3、图4所示，本发明超声波发射单元1包括一驱动单元6和一发射探头7，发射探头包括一外壳71，外壳71内倾斜设置有一支撑隔板72，支撑隔板72的表面上粘接有一压电元件73。压电元件73可以采用陶瓷晶片，也可以采用压电换能器晶片等。支撑隔板72与油管5中流体的流向之间的夹角范围为0～90°，优选为45°。撑隔板72将外壳71分割成大、小两个空间，压电元件73位于较小的空间内，较大的空间即背衬中填充有超声波吸声材料74，比如硅胶等高阻抗、高衰减的吸声材料，以吸收压电元件背面辐射的超声波并将其转换为热能，以及隔绝外界噪声干扰。驱动单元6向发射探头7发射频率范围为150KHZ～1MHZ的激励信号，其中以频率为650KHZ的激励信号激励效果最佳。驱动单元6可以采用一单独设置的激励电路，也可以采用本领域公知的具有相同功能的器件。

本发明超声波接收单元2为一超声反射波接收探头8，接收探头8中外壳、支撑隔板82和压电元件83的结构与发射探头7的结构相同，其中支撑隔板82和压电元件83的设置方向与发射探头7中的支撑隔板72和压电元件73呈对称设置，这样发射探头7上的压电元件73受激励后产生的超声波信号，可以沿一定角度射入油管5内的流体中，再通过油管中运动的悬浮粒子反射到接收探头8的压电元件83上，接收探头8再将反射超声波信号送入信号处理单元3。为了将发射探头7的外壳71和接收探头8的外壳81安装在油管5外壁上，在油管5外壁上对称开设有两个与外壳71、81相匹配的卡槽9，发射探头7和接收探头8分别固定在卡槽9中。

如图3所示，本发明的信号处理单元3包括一模拟信号处理单元10和一数据处理单元11。信号处理单元3中的模拟信号处理单元10包括一带通滤波与解调放大器12、一低通滤波器13、一信号放大器14和一光电耦合器15。带通滤波与解调放大器12中预置有驱动单元6发射出的激励信号频率，带通滤波与解调放大器12对超声波接收单元2输出的反射超声波，进行滤波、放大和解调处理，解调出反射超声波信号与预置的驱动单元6发射出的激励信号之间的一频偏信号，并将得到的频偏信号输入低通滤波器13；低通滤波器13将频偏信号进行高频噪声滤除处理后，输入信号放大器14进行信号放大，被放大后的频偏信号被送入光电耦合器15；在光电耦合器15中将对放大后的频偏信号进行电-光-电转换，隔离输入、输出频偏信号，并将隔离后输出频偏信号进行线性放大后输出，以提高频偏信号的抗干扰性。

如图3、图4所示，本发明信号处理单元3中的数据处理单元11包括中间处理器16、外围电路17、电流/电压变换器件18和外围接口19。中间处理器16包括一A/D采样模块20、一定时中断服务程序21、一数据缓存区22和一CPU（中央处理器）。A/D采样模块20对模拟信号处理单元10中光电耦合器15输出的频偏信号进行采样，并将采集到的频偏信号转换成数字信号，输入定时中断服务程序21。定时中断服务程序21将输入的频偏信号通过数据缓冲区22送入CPU。CPU中预置有仪表参数和管道5的体积流量的计算公式，仪表参数具体包括管道5的横截面积s、超声波束与流体流向之间夹角θ和超声波的发射频率f₁，CPU根据接收到的频偏信号，结合预置的仪表参数和管道5的体积流量的计算公式，计算得到管道5中流体的流量，即多相流的瞬时流速、累计流量等所需要的数据量，存储到数据存储单元4存储。也可以将得到的数据量通过外围电路17输送给电流/电压变换器件18，电流/电压变换器件18将输入的电压信号转换成4～20mA的标准电流信号，以备数据传输、采集、存储。

上述CPU计算管道5中流体的体积流量的原理如下：根据多普勒流量测量原理，当超声多普勒流量计的发射探头7以一定的角度向油管5管道中的流体发射频率为f₁的连续超声波时，设收到的超声波频率为f₂，超声波在被测流体中的传播速度为c，油管5管道中的颗粒或气泡随流体以速度u运动，超声波束与流体流向之间夹角为θ，则多普勒频移Δf为：

$\mathrm{\Δf}=f_2-f_1=\frac{2u\cos \mathrm{\θ}}{c}{f}_1---\left(1\right)$

油管5管道中的流体的流速为：

$u=\frac{c}{2f_1\cos \mathrm{\θ}}\mathrm{\Δf}---\left(2\right)$

设油管5管道的横截面积为s，则管道5中流体的体积流量Q为：

$Q=u\×s=\frac{s\×c}{2f_1\cos \mathrm{\θ}}\mathrm{\Δf}---\left(3\right)$

由（3）式可知，超声波在被测流体中的传播速度为c、管道5的横截面积s、超声波束与流体流向之间夹角θ、超声波的发射频率f1，测量出多普勒频移Δf，就可以计算得到流体体积流量Q。

如图5所示，本发明信号处理单元3中的外围接口19包括一JTAG接口和一RS485接口。JTAG接口是4线，分别是模式选择TMS、时钟TCK、数据输入TDI、数据输出TDO，主要用于中间处理器16内部测试及对系统进行仿真、调试。

上述信号处理单元3中的外围电路17如果仅作为传输电路，其可以采用常规电路，如果除传输之外，需要实时观测数据量的变化曲线，可以通过外围电路D/A转换器、外部RAM和显示器实现。其中D/A转换器接收CPU多相流的瞬时流速、累计流量等所需要的数据量，并将处理后的数字信号转换成模拟信号，如果数据量较大通过RAM进行暂存，终端显示器显示模拟信号形成的曲线。

上述实施例中，“电-光-电转换”指的是：以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器15，实现电信号-光-电信号转换。

上述各实施例中，带通滤波与解调放大器12可以采用窄带陶瓷滤波器；低通滤波器13可以采用低通滤波器TLC14；信号放大器14可以采用信号放大器AD623；光电耦合器15可以采用达林顿型光耦合器（如4N30），中间处理器16可以采用型号为TMS32OF28335的芯片，电流/电压变换器件18可以采用AD694芯片，D/A转换器可以是可编程12位D/A转换器DAC7625。但均不限于此。

由上述对本发明测量装置的描述可知，本发明测量方法包括以下步骤：

1、驱动单元11向发射探头12发射一激励信号，发射探头12被输入的激励信号激励后，产生一连续且与激励信号频率一致的超声波信号，发射探头12将超声波信号以一定的角度通过油管5管壁射入流体；

2、超声波信号被油管5管道中运动的悬浮粒子反射，产生一反射超声波，并产生频偏，超声波接收单元2接收穿过油管5管壁的反射超声波，并输入信号处理单元3的模拟信号处理单元10；

3、模拟信号处理单元10将输入的反射超声波进行滤波和放大后，解调出反射超声波与驱动单元6发射出的激励信号之间的一频偏信号，并将该频偏信号滤波、放大后，输入信号处理单元3的数据处理单元11；

4、数据处理单元11根据输入的频偏信号和预置在CPU中的仪表参数和管道5的体积流量的计算公式，计算得到油管5中多相流的瞬时流速、累计流量等所需要的数据量，存储到数据存储单元4中。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种采用井下超声波多普勒流量测量装置的井下超声波多普勒流量测量方法，其特征在于：所述井下超声波多普勒流量测量装置包括超声波发射单元、超声波接收单元、信号处理单元和数据存储单元；

所述超声波发射单元包括一驱动单元和一发射探头，所述超声波接收单元为一超声反射波接收探头，所述发射探头和接收探头对称设置在油管外壁上，所述发射探头和接收探头分别包括一外壳，两所述外壳内分别倾斜设置有一支撑隔板，两所述支撑隔板上分别粘贴有一压电元件；

所述信号处理单元包括模拟信号处理单元和数据处理单元，所述模拟信号处理单元包括带通滤波与解调放大器、低通滤波器、信号放大器和光电耦合器；所述带通滤波与解调放大器对反射超声波进行滤波、放大，并解调出反射超声波信号与预置的激励信号之间的一频偏信号，所述频偏信号依次经所述低通滤波器进行高频噪声滤除、输入所述信号放大器进行放大和所述光电耦合器进行电-光-电转换后，输入所述数据处理单元；

所述数据处理单元包括中间处理器、外围电路、电流/电压变换器件和外围接口；所述中间处理器包括A/D采样模块、定时中断服务程序、数据缓存区和CPU；所述A/D采样模块对频偏信号进行采样并转换成数字信号，经定时中断服务程序和数据缓冲区进入所述CPU，所述CPU内预置有仪表参数和管道体积流量的计算公式，经计算得到的流体多相流的瞬时流速、累计流量数据量，输入所述数据存储单元中；

所述井下超声波多普勒流量测量方法包括以下步骤：

1）设置包括超声波发射单元、超声波接收单元、信号处理单元和数据存储单元的测量装置；

2）驱动超声波发射单元向油管中流动的流体发射超声波，且发射超声波的波束面与油管中流体的流向呈一夹角；

3）超声波波束被油管中运动的悬浮粒子反射后会产生反射超声波，反射超声波被超声波接收单元接收并输入信号处理单元；

4）信号处理单元中的模拟信号处理单元将输入的反射超声波信号进行滤波、放大和解调处理，解调出反射超声波信号与预置的激励信号之间的一频偏信号，并输入信号处理单元中的数据处理单元；

5）数据处理单元根据频偏信号和预置的发射超声波的波束面与油管中流体的流向所呈的夹角，计算得到油管中多相流的瞬时流速、累计流量数据量，并存储到数据存储单元中。

2.如权利要求1所述的一种井下超声波多普勒流量测量方法，其特征在于：通过外围电路中的D/A转换器接收CPU中的多相流的瞬时流速、累计流量数据量，并将CPU处理后的数字信号转换成对应的模拟信号，直接或通过RAM进行暂存后，由终端显示器显示瞬时流速或累计流量的实时变化曲线，观察并评估多相流量特征。

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