CN103104255A - 一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置及方法，电机及减速器机组通过传动轴和联轴器相连接，联轴器与收伞杯连接，传动轴的上端用过线板固定，过线板固定在集流架上，集流架上固定有集流伞，集流伞的上部从下到上依次设置有涡轮流量计、电容传感器、温度压力传感器和马龙头；集流伞与井中套筒之间有缝隙，采用分流式流量测量方法，用涡轮流量计测到的产液量值除以分流系数，即得到产液量；避免了常规方法集流伞和套管贴合不紧密等造成的损失，提高了精确度；电容传感器进行持水率的测量，将与绝缘电介质材料和传感器外壳接触的油水两相流中的水体作为传感器的阴极，简化了传感器结构，提高了敏感度，且持水率的测量范围可达到0-100％。

Description

一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置及方法

技术领域

本发明涉及井下测量技术领域，特别涉及一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置及方法。

背景技术

目前测量油井产液剖面的产量和持水率的仪器种类很多，使用最广的是集流伞过环空下井找水仪。它主要由集流伞、流量计和持水率计三部分组成。

集流伞的作用是封闭仪器和套管的环形空间，使套管内的流体尽可能全部从集流通道内流过。这种集流测井方法，一方面可以提高流经涡轮流量计的流速，另一方面可以保持流态的稳定，减少流态对持水率测量的影响。尤其是在低产液油井测量中，集流伞的密封集流效果对仪器的测量精度起到了至关重要的作用。但是，因套管表面不光滑以及集流伞与套管之间是硬接触等，在测井过程中，集流伞被磨破、剐破和剐变形等情况时有发生，导致集流伞和套管之间密封不严造成一部分产液的漏失，造成较大的测量误差。

很多专利诸如CN200949466Y、CN2906062Y、CN201857963U、CN2556365Y等针对集流伞和套管之间密封不严提出了几种改善方法，力图减少产液漏失量。但是当仪器需要间歇性地移动以进行定点测试时，由于套筒的不光滑性，依然无法完全阻挡渗漏现象的发生。此外，当产液量较大时，为了防止因集流通道流速过大将集流伞布冲垮，在下井之前还需要人为在伞布上戳孔，这样就会进一步加大产液的漏失量，造成更大的测量误差；另一方面由于仪器要经过环空下井，直径都非常小（一般小于26mm），涡轮流量计的直径也很小，当全部集流时容易冲坏涡轮流量计。

在产液剖面测量中，除测量流量外，还必须同时测量持水率。目前测量持水率常用方法有密度法、电容法、电导法、微波衰减法和电磁波法等。传统的电容法是由表面覆盖绝缘层的柱状电极和同轴金属外电极组成，其工作原理是：由于油和水的介电常数的差异，其混合物的介电常数与持水率密切相关，当流体从两个电极之间的环形空间流过时，将引起传感器的电容值变化，通过测量电容值确定持水率。但是在高含水超过50％的情况下，传统电容传感器的灵敏度大幅下降，甚至完全失效，导致无法准确测出持水率的大小。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出了一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置及方法，采用分流式方法测量抽油井产液剖面产量，改善了测量流量的方法，减小了测量误差；采用新型过流式电容法测量持水率，简化了测量结构，提高了灵敏度，持水率的测量范围可达到0-100％。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置，包括电机及减速器机组1，电机及减速器机组1通过传动轴2和联轴器3相连接，联轴器3与收伞杯5连接，传动轴2的上端用过线板6固定，过线板6固定在集流架4上，集流架4上固定有集流伞7，集流伞7的上部从下到上依次设置有涡轮流量计8、电容传感器9、温度压力传感器10和马龙头11。

所述的集流架4与上承压管15连接，上承压管15与下承压管12通过螺纹和O型圈进行连接和密封，下承压管12设置在电机及减速器机组1的外部，轴承座13与上承压管15螺纹连接，止推轴承14嵌在传动轴2与轴承座13之间。

所述集流伞7包括伞筋和伞布，伞筋的作用是用来固定和支撑伞布，它是由12根长条形、高弹性的薄金属条组成，金属条用不锈钢螺钉与集流架4固定，均匀分布在集流架4的环形四周，收伞杯5的中心孔的内螺纹和联轴器3上的外螺纹形成螺纹副，收伞杯5与集流架4活动连接，其两者之间具有环形间隙，间隙的厚度略大于集流伞7的厚度。

所述的集流伞7的优化结构为：集流伞7外部设置有扶正器28。

所述收拢好的集流伞的外径小于仪器最大外径。

所述的一种电容传感器9包括金属棒22，金属棒22中心设置有过线孔23，金属棒22表面设置有绝缘材料21，密封圈20将传感器外壳19和金属棒22隔开，传感器外壳19与绝缘材料21之间设置有供流体流通的狭小腔体24。

所述的另一种电容传感器9包括传感器阳极26，传感器阳极26采用“六角海星”样式，其外表面设置有绝缘材料21，传感器阳极26外部设置有外壳25，传感器外壳25轴向均匀向内突起六个长条薄翅片27，翅片27均匀分散在传感器阳极26的六个突起中间。

一种测量井下产液剖面流量和持水率的方法，基于上述装置，包括以下步骤：

步骤一：将一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置与地面仪器用单芯电缆连接，采用曼特斯特编码传输进行通信，将本发明装置通过环空下井至套管18中，为了防止下井时集流伞7被剐变形，下井之前先将集流伞7收拢在收伞杯5里，具体操作如下：卸掉传动轴2和联轴器3之间固定的螺钉，用外力逆时针拨动联轴器3底端均匀布置的盲孔，使收伞杯5在联轴器3的作用下沿着集流架4向上滑动，直至将集流伞7上的所有伞筋完全嵌进收伞杯5和集流架4之间的环形间隙里，再用螺钉紧固好传动轴2和联轴器3。

步骤二：当本发明装置下井到达指定产液层后，开始给本发明装置通电，此时电机及减速器机组1旋转带动集流伞7打开，集流伞7的打开执行以下动作：电机及减速器机组1正转带动传动轴2和联轴器3顺时针旋转，收伞杯5在联轴器3的作用下沿着集流架4向下滑动，使集流伞7上的伞筋从收伞杯5中脱出，此时开始集流测量。

步骤三：集流开始时，集流伞7的张开面积约占套管18横截面积的90％，集流伞7和套管18之间的环形小缝隙可供部分流体旁路流过，其余流体仍流进集流伞7，然后经过集流通道16加速后流过涡轮流量计8测得分流后的流量。涡轮流量计8测得的分流量除以分流系数K即为该产液层总流量。经实验和数值模拟计算证明，当套筒18和集流伞7的张开尺寸确定时，在测量范围内分流系数保持为一个常数，分流系数K定义为：

K=V₁/V₂，其中V₁—涡轮流量计测得的流量，V₂—某产液层的产量。

步骤四：当采用内含金属棒22结构的电容传感器9时，位于传感器中心的空心金属棒22作为传感器的阳极，与绝缘材料21以及电容传感器外壳19接触的油水两相流中的水体担任传感器的阴极，流过涡轮流量计8的流体经流体出口17流出后与旁路流体混合，尔后经过传感器外壳19进入狭小腔体24，当油水混合物流体掠过电容传感器表面的绝缘材料21时，因含水率不同,阴极面积就不同，从而引起电容值的变化。利用方波振荡电路将电容信号转化为频率信号，而后将频率信号转换为周期信号，周期信号与电容值成线性关系，从而实现对持水率的测量。

当采用“六角海星”样式结构的电容传感器9时，流体出口17设置在电容传感器9之上，部分集流的油水两相流体测完流量后直接流经传感器阳极26的六个突起和翅片27之间的区域进行持水率的测量，测量原理与采用内含金属棒22结构的电容传感器9时相同，测量完持水率的流体经流体出口17流出。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、提出一种新型测量井下产液量的方式，采用地面上成熟的分流技术，部分集流油水两相流体，这种方法在保证达到涡轮流量计的启动流量和保持流态稳定的前提下，还可以减小因混合流体从因集流伞和套管之间密封不严或伞布破坏所造成的漏缝中泄漏引起的误差，同时可以保证仪器在井下自由移动，另外，分流技术可以避免全部集流时将涡轮流量计冲坏，也可以使仪器的直径更小，有利于过环空下井。

2、持水率测量采用过流式电容法，将与绝缘材料21和电容传感器外壳19接触的油水两相流中的水体作为传感器的阴极，大大提高了测量灵敏度，减小了流型对持水率测量的影响，避免了传统电容传感器在高含水时的失效，使持水率的测量范围可达到0-100％。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是部分集流效果示意图。

图3是一种电容传感器结构样式示意图，其中图3A是剖视图，图3B是3A中A-A截面图。

图4是另一种电容传感器结构样式示意图，其中图4A是电容传感器安装位置图，图4B是4A中B-B截面图。

图5是集流伞加扶正器保护示意图。

图6是电容传感器输出周期信号与电容值的线性关系示意图。

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。

参照图1，一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置，包括电机及减速器机组1，电机及减速器机组1通过传动轴2和联轴器3相连接，联轴器3与收伞杯5连接，传动轴2的上端用过线板6固定，过线板6固定在集流架4上，集流架4上固定有集流伞7，集流伞7的上部从下到上依次设置有涡轮流量计8、电容传感器9、温度压力传感器10和马龙头11。

参照图2，所述的集流架4与上承压管15连接，上承压管15与下承压管12通过螺纹和O型圈进行连接和密封，下承压管12设置在电机及减速器机组1的外部，轴承座13与上承压管15螺纹连接，止推轴承14嵌在传动轴2与轴承座13之间。

所述集流伞7包括伞筋和伞布，伞筋的作用是用来固定和支撑伞布，它是由12根长条形、高弹性的薄金属条组成，金属条用不锈钢螺钉与集流架4固定，均匀分布在集流架4的环形四周，收伞杯5的中心孔的内螺纹和联轴器3上的外螺纹形成螺纹副，收伞杯5与集流架4活动连接，其两者之间具有环形间隙，间隙的厚度略大于集流伞7的厚度。

所述的集流伞7的优化结构为：集流伞7外部设置有扶正器28。

所述收拢好的集流伞的外径小于仪器最大外径。

参照图3，所述的一种电容传感器9包括金属棒22，金属棒22中心设置有过线孔23，金属棒22表面设置有绝缘材料21，密封圈20将传感器外壳19和金属棒22隔开，传感器外壳19与绝缘材料21之间设置有供流体流通的狭小腔体24。

参照图4，所述的另一种电容传感器9包括传感器阳极26，传感器阳极26采用“六角海星”样式，其外表面设置有绝缘材料21，传感器阳极26外部设置有外壳25，传感器外壳25轴向均匀向内突起六个长条薄翅片27，翅片27均匀分散在传感器阳极26的六个突起中间。

所述绝缘材料21均具有良好的耐高温、耐腐蚀、绝缘、不沾水、耐磨等性能。

为了使流体流过集流伞7时能最大限度地撑开集流伞布，以及在套筒内移动时保护伞布不被剐破，伞布设在集流伞7的内侧或设计为双层伞布，伞筋内外侧各有一层。

一种测量井下产液剖面流量和持水率的方法，基于上述装置，包括以下步骤：

步骤一：将一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置与地面仪器用单芯电缆连接，采用曼特斯特编码传输进行通信，将本发明装置环空下井至套管18中，为了防止下井时集流伞7被剐变形，下井之前先将集流伞7收拢在收伞杯5里，具体操作如下：卸掉传动轴2和联轴器3之间固定的螺钉，用外力逆时针拨动联轴器3底端均匀布置的盲孔，使收伞杯5在联轴器3的作用下沿着集流架4向上滑动，直至将集流伞7上的所有伞筋完全嵌进收伞杯5和集流架4之间的环形间隙里，再用螺钉紧固好传动轴2和联轴器3。

步骤二：当本发明装置下井到达指定产液层后，开始给本发明装置通电，此时电机及减速器机组1旋转带动集流伞7打开，集流伞7的打开执行以下动作：电机及减速器机组1正转带动传动轴2和联轴器3顺时针旋转，收伞杯5在联轴器3的作用下沿着集流架4向下滑动，使集流伞7上的伞筋从收伞杯5中脱出，此时开始集流进行测量。

步骤三：集流开始时，集流伞7的张开面积约占套管18横截面积的90％，集流伞7和套管18之间的环形小缝隙可供部分流体旁路流过，其余流体仍流进集流伞7，然后经过集流通道16加速后流过涡轮流量计8测得分流后流量，涡轮流量计8测得的流量除以分流系数K即为该产液层总流量。经试验和模拟可知，当套筒18和集流伞7张开面积确定时，在测量范围内分流系数保持为一个常数。分流系数K定义为：

K=V₁/V₂，其中V₁—涡轮流量计测得的流量，V₂—某产液层的流量。

步骤四：当采用内含金属棒22结构的电容传感器9时，位于传感器中心的空心金属棒22作为传感器的阳极，与绝缘材料21以及电容传感器外壳19接触的油水两相流中的水体担任传感器的阴极。流过涡轮流量计8的流体经流体出口17流出后与旁路流体混合，尔后经过传感器外壳19进入狭小腔体24，当油水混合物流体掠过电容传感器表面的绝缘材料21时，因含水率不同,阴极面积就不同，从而引起电容值的变化。利用方波振荡电路将电容信号转化为频率信号，而后将频率信号转换为周期信号，周期信号与电容值成线性关系，从而实现对持水率的测量。

当采用“六角海星”样式结构的电容传感器9时，流体出口17设置在电容传感器9之上，部分集流的油水两相流体测完流量后直接流经传感器阳极26的六个突起和翅片27之间的区域进行持水率的测量，测量原理与采用内含金属棒22结构的电容传感器9时相同，测量完持水率的流体经流体出口17流出。

分流系数的标定可采取模拟仿真和实验结合的方法。经过模拟和实验，得到不同情况下的分流系数如下表所示。

表1为套筒62mm，产液量为30m³/d，流体介质为1330mPa.s的稠油时，集流伞张开尺寸不同所对应的不同分流系数表：

表1相同产液量下，不同集流面积对应的集流系数

表2为套管和集流伞张开尺寸确定，流体介质为自来水，产液量分别为10m³/d、15m³/d、30m³/d时所对应的不同分流系数表：

表2相同集流面积下，不同产液量对应的集流系数

从上两表中可以看出，在同一种流体介质下，当产液量相同时，集流伞7张开的尺寸对分流系数的影响较大；而当在集流伞7张开尺寸相同时，不同产液量所对应的分流系数几乎不变。因此，可认为当集流伞7的张开大小确定后，分流系数接近为一个常数。

图6为输出的周期信号与电容值的线性关系图。

Claims (8)

1.一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置，其特征在于，包括电机及减速器机组（1），电机及减速器机组（1）通过传动轴（2）和联轴器（3）相连接，联轴器（3）与收伞杯（5）连接，传动轴（2）的上端用过线板（6）固定，过线板（6）用沉头螺钉固定在集流架（4）上，集流架（4）上固定有集流伞（7），集流伞（7）的上部从下到上依次设置有涡轮流量计（8）、电容传感器（9）、温度压力传感器（10）和马龙头（11）。

2.根据权利要求1所述的一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置，其特征在于，所述的集流架（4）与上承压管（15）连接，上承压管（15）与下承压管（12）通过螺纹和O型圈连接和密封，下承压管（12）设置在电机及减速器机组（1）的外部，轴承座（13）与上承压管（15）螺纹连接，止推轴承（14）嵌在传动轴（2）与轴承座（13）之间。

3.根据权利要求1所述的一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置，其特征在于，所述集流伞7包括伞筋和伞布，伞筋是由12根长条形、高弹性的薄金属条组成，金属条用不锈钢螺钉与集流架（4）固定，均匀分布在集流架（4）的环形四周，收伞杯（5）的中心孔内螺纹和联轴器（3）上的外螺纹形成螺纹副，收伞杯（5）与集流架（4）活动连接，其两者之间具有环形间隙，间隙的厚度大于集流伞（7）的厚度。

4.根据权利要求1所述的一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置，其特征在于，所述的一种电容传感器（9）包括金属棒(22)，金属棒(22)中心设置有过线孔(23)，金属棒(22)表面设置有绝缘材料（21），密封圈20将传感器外壳(19)和金属棒（22）隔开，传感器外壳（19）与绝缘材料（21）之间设置有供流体流通的狭小腔体(24)。

5.根据权利要求1所述的一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置，其特征在于，所述的电容传感器（9）包括传感器阳极（26），传感器阳极（26）采用“六角海星”样式，其外表面设置有绝缘材料（21），传感器阳极（26）外部设置有外壳（25），传感器外壳（25）轴向均匀向内突起六个长条薄翅片（27），翅片（27）均匀分散在传感器阳极（26）的六个突起中间。

6.根据权利要求1所述的一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置，其特征在于，所述的集流伞（7）外部设置有扶正器（28）。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的装置测量井下产液剖面流量和持水率的方法，包括以下步骤：

步骤一：将一种测量井下产液剖面流量和持水率的装置与地面仪器用单芯电缆连接，采用曼特斯特编码传输进行通信，将本发明装置环空下井至套管（18）中，为了防止下井时集流伞（7）被剐变形，下井之前先将集流伞（7）收拢在收伞杯(5)里，具体操作如下：卸掉传动轴(2)和联轴器(3)之间固定的螺钉，用外力逆时针拨动联轴器（3）底端均匀布置的盲孔，使收伞杯（5）在联轴器（3）的作用下沿着集流架（4）向上滑动，直至将集流伞（7）上的所有伞筋完全嵌进收伞杯（5）和集流架（4）之间的环形间隙里，再用螺钉紧固好传动轴（2）和联轴器（3）；

步骤二：当本发明装置下井到达指定产液层后，开始给本发明装置通电，此时电机及减速器机组（1）旋转带动集流伞（7）打开，集流伞（7）的打开执行以下动作：电机及减速器机组（1）正转带动传动轴（2）和联轴器（3）顺时针旋转，收伞杯（5）在联轴器（3）的作用下沿着集流架（4）向下滑动，使集流伞（7）上的伞筋从收伞杯(5)中脱出，此时开始集流进行测量；

步骤三：集流开始时，集流伞（7）的张开面积约占套管（18）横截面积的90％，集流伞（7）和套管（18）之间的环形小缝隙可供部分流体旁路流过，其余流体仍流进集流伞（7），然后经过集流通道（16）加速后流过涡轮流量计（8）测得分流后流量，涡轮流量计（8）测得的流量除以分流系数K即为该产液层总流量，经试验和模拟可知，当套筒（18）和集流伞（7）的张开面积确定时，在测量范围内分流系数保持为一个常数，分流系数K定义为：

K＝V₁/V₂，其中V₁—涡轮流量计测得的流量，V₂—产液层总流量；

步骤四：当采用内含金属棒（22）结构的电容传感器（9）时，位于传感器中心的空心金属棒（22）作为传感器的阳极，与绝缘材料（21）以及电容传感器外壳（19）接触的油水两相流中的水体担任传感器的阴极，流过涡轮流量计（8）的流体经流体出口（17）流出后与旁路流体混合，然后经过传感器外壳（19）进入狭小腔体（24），当油水混合物流体掠过电容传感器表面的绝缘材料（21）时，因含水率不同,阴极面积就不同，从而引起电容值的变化，利用方波振荡电路将电容信号转化为频率信号，而后将频率信号转换为周期信号，周期信号与电容值成线性关系，从而实现对持水率的测量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当采用“六角海星”样式结构的电容传感器（9）时，流体出口（17）设置在电容传感器（9）之上，部分集流的油水两相流体测完流量后直接流经传感器阳极（26）的六个突起和翅片（27）之间的区域进行持水率的测量，测量原理与采用内含金属棒（22）结构的电容传感器（9）时相同。

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