CN102758610A - 气液分离式低产液三相流测量方法 - Google Patents

Abstract

一种气液分离式低产液三相流测量方法，主要解决现有的低产液井油、气、水三相流量测量结果不准确的问题。其特征在于包括以下步骤：a、通过三相流测井仪进行气液分离；b、采用超声波流量计测量通过气相流道流出的气相流量Q_g；c、测量油相流量Q_o；d、测量水相流量Q_w；e、气相PVT校正。该方法通过气液分离，对物性显著差异的气相和液相分别测量，并根据测量过程各参数的相互关系，得到准确的油、气、水各分相流量。

Description

气液分离式低产液三相流测量方法

技术领域

本发明涉及油田生产测井领域，尤其是一种气液分离式低产液三相流测量方法。

背景技术

国内三类油藏的油井均为低产液油井，单井产液一般介于1～5m3/d，含水50％左右或更低，并且普遍伴有脱气现象，因此油井内是油、气、水相并存，同时低产液井的另一特征是各相的产液不稳定，甚至是间歇产液，因此，产液量经常达不到用来测量产液量的涡轮流量计的启动流量，而使测量结果不准确；而且该类井产液中常伴有出沙现象，以涡轮流量计为代表的具有转动部件的流量计常出现沙卡现象，使流量计损坏、不能测量。对于低产液井的流体状态，传统的采用单一流量计及含水等的测量方法不能实现对油、气、水三相的正确测量，目前尽管有一些新的技术方法，比如超声波多普勒、光纤探针等方法，其中超声多普勒法用于三相流测量，是基于油泡和气泡在水中的滑脱速度差异进行油气区分，但由于超声波束与泡体表面的反射角度在一个较大范围内变化，波束在油泡表面和气泡表面的反射波频率是一个较宽的频带，并且二则存在较大重叠，因此该方法不能对油和气做出清晰区分，从而导致测量结果不准确。光纤探针法是依据气相与油水相的密度差异实现对气相区分，但光纤探针法是基于可见光条件，井下原油粘度、成分复杂，探针被原油粘附后便失去工作能力。因此上述方法还未能得到实际应用。

发明内容

为了克服现有的低产液井油、气、水三相流量测量结果不准确的不足，本发明提供一种气液分离式低产液三相流测量方法，该方法通过气液分离，对物性显著差异的气相和液相分别测量，并根据测量过程各参数的相互关系，得到准确的油、气、水各分相流量。

本发明的技术方案是：一种气液分离式低产液三相流测量方法，其特征在于包括以下步骤：

a、通过三相流测井仪进行气液分离；

b、采用超声波流量计测量通过气相流道流出的气相流量Q_g；

c、测量油相流量Q_o：集流器中心筒上设置若干个环形油-水界面测量电极，当油相在集流伞下方汇聚量逐渐增多时，油-水界面将下行，当油-水界面下行至阵列电极的第一个电极时，信号处理电路作一次时间标识，当油-水界面下行至阵列电极的第二个电极时，信号处理电路作第二次时间标识，阵列电极的电极之间的距离L、截面积S是确定的，通过时间T计算即可得到油相流量Q₀；

d、测量水相流量Q_w；

e、气相PVT校正。

所述的步骤b中的气相流量Q_g的测量方法为:在气相出口上端设置一个超声探头，探头向下发出频率为f₀的超声波，当气相流道内没有气体时，超声波在仪器壁及环形空间底部发生反射，探头接收的反射波的频率保持为f₀，当气相控制阀打开后，气相以速度u向上运动时，超声波在气-水界面发生反射，由气-水界面发生反射回来的超声波频率发生偏移，记为f’,f’是与气相流速相关联量，根据多普勒效应其关系可表述为：

Δf=f₀-f'=2f₀u(cosθ)/c        (1)

其中，c是声波在水中的传播速度；θ是发射波与气-水界面的轴向夹角；

Δf是一个频带，将频带为Δf的测量信号的强度转化为电压V,并做单位时间积分，则可得到信号功率，从而将气体流量与测量信号功率建立对应关系，实现气体流量测量，其表述为：

$Q_g={\∫}_0^T\mathrm{\λVdt}---\left(2\right)$

其中，λ是与气相流速相关的修正系数。

所述的步骤d测量水相流量Q_w，水相流量测量是建立在油相流量测量基础上，由多探针含水率计完成，假定油相由边长为l_o的小正方体单元组成，设流道截面积为S，油相流量为V₀，水相流量为V_w，则油相流速是：

$U=\frac{V_0+V_w}{S}---\left(3\right)$

某一轴线上边长为l_o的油相单元的数量：

$n=\frac{V_o}{{\mathrm{Sl}}_o}---\left(4\right)$

单位时间测量探针的通断频率： $f=\frac{U}{n}=l_o\frac{V_o+V_w}{V_o}=l_o(1+V_w/V_o)---\left(5\right)$

考虑到油相泡径的非均匀及模型建立的理想性，加入校正因子，则测量探针的通断频率是：

f=k(1+V_w/V_o)            (6)

k是一与泡体粒径相关联的修正因子，油相体积流量确定后，测量探针的通断频率与水相体积流量成线性关系，并且油相流量越高，其分辨率越低。

本发明具有如下有益效果：由于采取上述方案，气液分离式低产液三相流测量方法通过设计气、液两个不同流道，控制气相累计和释放过程，完成各参数的测量，通过测得参数的关系换算，最终实现油、气、水三相的各自流量测量，并且测量结果准确。对于低产液井，产液中常伴有出沙等现象，由于气液分离式低产液三相流测量方法中的各个测量传感器均为非可动部件，避免了类似涡轮等的沙卡问题，因此，该方法尤其适合低产液井。

附图说明

图1是本发明所用的油井三相流测井仪的结构示意图；

图2是超声波气体流量计测量原理图；

图3是多探针含水率计测量原理图；

图4是气相流量测量实验结果；

图5是油流量测量标定结果；

图6是水流量测量标定结果。

图中1-电路筒，2-定位计，3-液相出口，4-多探针含水率计，5-气相出口，6-气相流道，7-超声波气体流量计，8-气相入口，9-气相控制阀，10-集流伞，11-阵列电极，12-气液分离腔，13-液相流道，14-液相入口，15-集流伞驱动器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1至图3所示，一种气液分离式低产液三相流测量方法，包括以下步骤：

a、通过三相流测井仪进行气液分离；

b、采用超声波流量计测量通过气相流道流出的气相流量Qg：

超声波气体流量计用于测量通过气相流道流出的气相流量。其测量原理如图2，在气相出口内部上端设置一个环形超声探头，由于集流器和重力分离的共同作用，超声探头浸在静止的水相中，探头向下发出频率为f0的超声波，当气相流道内没有气体时，超声波在仪器壁及环形空间底部发生反射，探头接收的反射波的频率保持为f0。当气相控制阀打开后，气相以速度u向上运动时，超声波在气-水界面发生反射，由于多普勒效应，由气-水界面发生反射回来的超声波频率发生偏移，记为f’,f’是与气相流速相关联量，根据多普勒效应其关系可表述为：

Δf＝f₀-f'＝2f₀u(cosθ)/c            (1)

其中，c是声波在水中的传播速度；θ是发射波与气-水界面的轴向夹角。

此时探头接收的是频率为f₀和f’两种频率的反射波，将反射波和发射波做混频后，得到仅与气相流动相关联的频率为Δf的测量信号。尽管由于θ的差异，Δf是一个频带，但由于探头处于静止的水中，气相的速度u相对稳定，对于每个特定的频率f’的声波，其频率f’与气相流速的关系也就相对稳定，即Δf频带内的不同频率的声波与气相的速度u的关系相对稳定。气量越大，由气-水界面反射回来的波量越大，频带为Δf的测量信号的强度越大，将信号的强度转化为电压V,并做单位时间积分，则可得到信号功率，从而将气体流量与测量信号功率建立对应关系，实现气体流量测量，其表述为：

$Q_g={\∫}_0^T\mathrm{\λVdt}---\left(2\right)$

其中，λ是与气相流速相关的修正系数。

c、测量油相流量Q_o：油相流量测量是通过探测油-水界面运行时间而完成的。当油相在集流伞下方汇聚量逐渐增多时，油-水界面将下行，当油-水界面下行至阵列电极的第一个电极时，信号处理电路作一次时间标识，当油-水界面下行至阵列电极的第二个电极时，信号处理电路作第二次时间标识，阵列电极的电极之间的距离L、截面积S是确定的，通过时间T计算即可得到油相流量。由于井下不同产层的产油量不同，油-界面下行的速度差异较大，因此在集流器中心筒上设置了多个环形油-水界面测量电极，每个电极都有特定的标识，高流量时，选下端距离较远两电极，低流量时，选上端距离较近两电极。在气相控制阀常开情况下，气相持续由气相流道流出，油相的测量结果不包括气相；在气相控制阀间歇开关情况下，气相控制阀关闭时，气相体积累计量会转化为油相体积流量，油相测量结果中包括气相流量。

d、测量水相流量Qw：

水相流量测量是建立在油相流量测量基础上，由多探针含水率计完成。多探针含水率计的测量原理如图3所示，每个金属探针通过电绝缘层与金属外壳固定，金属外壳与仪器地电位电连接。探针与金属外壳之间为水相时，相当于电导通，如图3A所示，探针与金属外壳之间为油相时，相当于电截至，如图3B所示。探针含水率计的每个探针测量结果反应的是流道截面固定点是油相还是水相，当油相体积流量固定，并且油水两相具有明确边界时，油相通过该点的频率便反应了油相的流速，而油相的流速又反映了水相的流速，因此通过测量探针的通断频率可以测量水相流量。为便于问题分析，根据流量定义（单位时间通过固定截面的流体体积），假定油相由边长为l_o的小正方体单元组成，设流道截面积为S，油相流量为V₀，水相流量为V_w，则油相流速是：

$U=\frac{V_0+V_w}{S}---\left(3\right)$

某一轴线上边长为l_o的油相单元的数量：

$n=\frac{V_o}{{\mathrm{Sl}}_o}---\left(4\right)$

单位时间测量探针的通断频率： $f=\frac{U}{n}=l_o\frac{V_o+V_w}{V_o}=l_o(1+V_w/V_o)---\left(5\right)$

考虑到油相泡径的非均匀及模型建立的理想性，加入校正因子，则测量探针的通断频率是：

f＝k(1+V_w/V₀)                (6)

k是一与泡体粒径相关联的修正因子。油相体积流量确定后，测量探针的通断频率与水相体积流量成线性关系，并且油相流量越高，其分辨率越低。

e、油、气、水三相流量测量表述及气相PVT校正:

油井产出剖面测量的目的是测得各产层油、气、水体积流量。对于气相而言，同一质量气相体积是随温度和压力而变化，由于某测点的流体是其深度下方流体的汇总，因此某测点的气相体积流量到达其上方测点时需进行PVT校正。

气相流量（Q_g）：超声波气体流量计直接测得；

气相控制阀常开

油相流量（Q_o）:

Q_o=LS/T                (7)

气相控制阀间歇开关

油相流量（Q_o）:

Q_o=LS/T-Q_g             (8)

水相流量（Q_w）:

Q_w=Q_q-Q_o              （9）

温度、压力短接完成气相PVT校正。同一质量的气相由测点1到达测点2的体积流量校正公式如下：

$Q_{g2}=\frac{P_1{T}_2}{P_2{T}_1}{Q}_{g1}---\left(10\right).$

该方法采用如图1所示的三相流测井仪进行气液分离，该三相流测井仪包括电路筒1、用于温度-压力-磁定位的定位计2、液相出口3、多探针含水率计4、气相出口5、气相流道6、超声波气体流量计7、气相入口8、气相控制阀9、集流伞10、阵列电极11、气液分离腔12、液相流道13、液相入口14、集流伞驱动器15，其中在气液分离腔12内实现气液重力分离；气相控制阀9保证了气相不能进入液相流道，同时液相也不能进入气相流道，完成气相与液相的完全分离；气相入口8、气相出口5和气相流道6提供了气相流通通道；液相入口14、液相流道13和液相出口3提供了液相流通通道；气体流量计7完成气相流量测量；阵列电极11完成油相流量测量，与阵列电极11配合，多探针含水率计4完成水相流量测量；集流器驱动15为集流伞提供动力。

仪器到达测量位置后，在集流伞驱动器15的作用下，集流伞10撑起，套管内的截面空间被封闭，向上流动的油、气、水三相在集流伞下方气液分离腔12内汇聚，由于气相的漂移作用，气相在上方汇聚，液相处于下方。气相控制阀的作用是保证只有气相才能通过气相入口进入气相流道，然后由气相出口流出。在气量较低时，气相控制阀9关闭，气体在气液分离腔12内汇聚，当气体汇聚到一定量后，气相控制阀9打开，气相开始释放，气相通过气相入口8进入气相流道6，然后由气相出口5流出。当气液分离腔12内汇聚的气相减小到一定量时，气相控制阀9关闭，气相停止释放；在气量较高时，气相控制阀9将处于常开状态，气相持续释放。液相由液相入口进入，流经多探针含水率计后，由液相出口流出。

实施例：采用Φ28mm的低产液三相流测井仪进行测量，仪器外径28mm，长度2000mm，耐温125℃，耐压40MPm，气相流量测量范围0.5—8m3/d，测量分辨率0.5m3/d，测量精度5%。油相流量测量范围：0.2--8m3/d，流量测量精度：3%，液相流量测量范围：5--80m3/d，图4是气相流量测量实验结果曲线，曲线具有良好的单调关系；图5是油相流量测量实验结果曲线；图6是油相不同流量下多探头含水率计测得的水流量曲线。

Claims (3)

1.一种气液分离式低产液三相流测量方法，其特征在于包括以下步骤：

a、通过三相流测井仪进行气液分离；

b、采用超声波流量计测量通过气相流道流出的气相流量Q_g；

c、测量油相流量Q_o：集流器中心筒上设置若干个环形油-水界面测量电极，当油相在集流伞下方汇聚量逐渐增多时，油-水界面将下行，当油-水界面下行至阵列电极的第一个电极时，信号处理电路作一次时间标识，当油-水界面下行至阵列电极的第二个电极时，信号处理电路作第二次时间标识，阵列电极的电极之间的距离L、截面积S是确定的，通过时间T计算即可得到油相流量Q₀；

d、测量水相流量Q_w；

e、气相PVT校正。

2.根据权利要求1所述的气液分离式低产液三相流测量方法，其特征在于：

所述的步骤b中的气相流量Q_g的测量方法为:在气相出口上端设置一个超声探头，探头向下发出频率为f₀的超声波，当气相流道内没有气体时，超声波在仪器壁及环形空间底部发生反射，探头接收的反射波的频率保持为f₀，当气相控制阀打开后，气相以速度u向上运动时，超声波在气-水界面发生反射，由气-水界面发生反射回来的超声波频率发生偏移，记为f’,f’是与气相流速相关联量，根据多普勒效应其关系可表述为：

Δf＝f₀-f'＝2f₀u(cosθ)/c            (1)

其中，c是声波在水中的传播速度；θ是发射波与气-水界面的轴向夹角；

Δf是一个频带，将频带为Δf的测量信号的强度转化为电压V,并做单位时间积分，则可得到信号功率，从而将气体流量与测量信号功率建立对应关系，实现气体流量测量，其表述为：

$Q_g={\∫}_0^T\mathrm{\λVdt}---\left(2\right)$

其中，λ是与气相流速相关的修正系数。

3.根据权利要求1或2所述的气液分离式低产液三相流测量方法，其特征在于：

所述的步骤d测量水相流量Q_w，水相流量测量是建立在油相流量测量基础上，由多探针含水率计完成，假定油相由边长为l_o的小正方体单元组成，设流道截面积为S，油相流量为V₀，水相流量为V_w,则油相流速是：

$U=\frac{V_0+V_w}{S}---\left(3\right)$

某一轴线上边长为l_o的油相单元的数量：

$n=\frac{V_o}{{\mathrm{Sl}}_o}---\left(4\right)$

单位时间测量探针的通断频率：

$f=\frac{U}{n}=l_o\frac{V_o+V_w}{V_o}=l_o(1+V_w/V_o)---\left(5\right)$

考虑到油相泡径的非均匀及模型建立的理想性，加入校正因子，则测量探针的通断频率是：

f＝k(1+V_w/V₀)                (6)

k是一与泡体粒径相关联的修正因子，油相体积流量确定后，测量探针的通断频率与水相体积流量成线性关系，并且油相流量越高，其分辨率越低。

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