CN103147744B

CN103147744B - 水平井流体流动参数的光谱测量装置

Info

Publication number: CN103147744B
Application number: CN201310068209.7A
Authority: CN
Inventors: 赵昆; 金武军
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2033-03-05
Also published as: CN103147744A

Abstract

本发明提出一种水平井流体流动参数的光谱测量装置，该水平井流体流动参数的光谱测量装置包括：设置在所述油管的管壁上的第一透明窗口和第二透明窗口、太赫兹波产生器、半反半透镜、第一反射镜、第一太赫兹探测器和第二太赫兹探测器、以及太赫兹分析装置。本发明可以同时实现水平井持率和流速测量，从而对水平井各层段的产液剖面实现在线监测，具有测量速度快，结果精确可靠的特点。

Description

水平井流体流动参数的光谱测量装置

技术领域

本发明涉及石油检测领域，具体涉及一种水平井流体流动参数的光谱测量装置，其主要功能为同时实现持率和流速测量。

背景技术

随着石油工业的日益发展以及石油技术的不断创新，各种新技术、新工艺在应用需要的推动下不断涌现，其中，水平井技术作为诸多新技术中的典型代表获得了很大成功，逐渐成为复杂油气藏、高成本油气藏开发中的首选。水平井的出现，给井下流体流动参数的测量带来了新的任务，同时由于水平井测量环境的改变，也增加了流动参数测量的难度。与此同时，水平井技术本身的逐渐提高，使得水平井水平段长度的记录不断被打破，也使水平层各段的产液能力的监测变得十分必要，也更重要。水平井产出剖面的诸多测量参数的测量中，持率和流速的测量显得尤为重要，因为二者的测量结果可用来精确计算油气井的油气产量。但是，目前难以实现水平井持率和流速的同时测量。

发明内容

本发明提供一种水平井流体流动参数的光谱测量装置，以解决现有技术难以同时实现水平井持率和流速测量的问题。

为此，本发明提出一种水平井流体流动参数的光谱测量装置，所述水平井流体流动参数的光谱测量装置包括：

水平井或准水平井内的油管和油管之外的套管，油管和套管之间具有环形空间；

太赫兹波产生器，设置在所述环形空间内；

用来分配太赫兹波的半反半透镜，设置在所述环形空间内，并位于所述太赫兹波产生器的下游；

用来控制太赫兹波传播方向的第一反射镜，设置在所述环形空间内，并位于所述半反半透镜的下游；

设置在所述油管的管壁上的第一透明窗口和第二透明窗口；

第一太赫兹探测器，设置在所述环形空间内，接受从所述第一透明窗口透射出的太赫兹波；

第二太赫兹探测器，设置在所述环形空间内，接受从所述第二透明窗口透射出的太赫兹波；

所述太赫兹波产生器发出的太赫兹波经过所述半反半透镜的反射，并经过所述第一透明窗口的透射，被所述第一太赫兹探测器接受；

所述太赫兹波产生器发出的太赫兹波经过所述半反半透镜的透射，并经过所述第一反射镜的反射，以及所述第二透明窗口的透射，被所述第二太赫兹探测器接受；

太赫兹分析装置，采集、处理和显示所述第一太赫兹探测器和第二太赫兹探测器接受的太赫兹波信号。

进一步地，所述半反半透镜将所述太赫兹波产生器发出的太赫兹波分为完全相同的两束太赫兹波。

进一步地，所述太赫兹波产生器发出的太赫兹波频率范围为0.1-10THz。

进一步地，通过飞秒激光器或自由电子激光器或量子级联激光器激发太赫兹波产生器发出太赫兹波。

进一步地，所述第一透明窗口和第二透明窗口由高强度塑料或陶瓷材料制成。

进一步地，所述水平井流体流动参数的光谱测量装置还包括：设置在所述环形空间内的第二反射镜和第三反射镜、以及第三太赫兹波探测器和第四太赫兹波探测器，所述第二反射镜将第一透明窗口反射的太赫兹波反射给所述第三太赫兹波探测器，所述第三反射镜将第二透明窗口反射的太赫兹波反射给所述第四太赫兹波探测器。

进一步地，从所述半反半透镜反射的太赫兹波以第一角度入射在第一透明窗口上，所述第一角度保证所述第一太赫兹波探测器和所述第三太赫兹波探测器都能接受到携带着流体信息的太赫兹信号。

进一步地，从所述第一反射镜反射的太赫兹波以第二角度入射在第二透明窗口上，所述第二角度保证所述第二太赫兹波探测器和所述第四太赫兹波探测器都能接受到携带着流体信息的太赫兹信号。

进一步地，所述油管中的流体是油或气或水中的某一单相，或是油或气或水中任意两种流体组成的两相流，或是油和气和水组成的多相流。

进一步地，当所述油管中的流体是油或气或水中任意两种流体组成的两相流，或是油和气和水组成的多相流时，所述油管中的流体的类型为水平或波状层状流，或是泡状、沫状或乳状流。

本发明用第一太赫兹探测器接受从所述第一透明窗口透射出的太赫兹波；用第二太赫兹探测器接受从所述第二透明窗口透射出的太赫兹波；然后处理分析第一太赫兹探测器和第二太赫兹探测器接受的太赫兹波，根据水平井流体对太赫兹波的吸收差异导致透射信号的强弱的不同，进行持率的计算，具体来说，以第一太赫兹探测器为例，当井下流体为油水两相流时，探测器接收到的太赫兹波可表示为：

E_samp＝E_refe^(-[α_waterφ+α_oil(1-φ)]d)，其中，^代表指数关系，即(-[α_waterφ+α_oil(1-φ)]d)位于e的指数项上，E_ref为油管中为空气或真空时，从第一透明窗口的上窗口入射的太赫兹波的光谱曲线(或函数)，E_samp为油管中为流体时，从第一透明窗口的上窗口入射的的太赫兹波的光谱曲线(或函数)，α_water为水的太赫兹吸收系数，α_oil为油的太赫兹吸收系数，φ为油水两相流的持水率，d为油管的直径(内径)，由于α_water,α_oil,d均为已知值，E_ref也为已知，因此，根据上述公式，由探测器接收到的太赫兹波便可计算得到各相持率或持率φ。油气两相流或气水两相流以及油气水三相流流体的持率和油水两相流持率的计算类似。此外，第二太赫兹探测器也可独立用来进行持率的测量，道理类似。对于流速的测量，设第一太赫兹探测器接收到的流体光谱幅值随时间的变化函数为S₁(t)，第二太赫兹探测器接收到的流体光谱幅值随时间的变化函数为S₂(t)，当水平井中的流体存在涡流或气泡时，会先后对第一和第二太赫兹探测器接收到的太赫兹光谱产生扰动，通过对随时间变化的光谱信号做互相关运算，互相关函数为：Rs为互相关函数，τ为时间延迟量，τ与T存在对应关系，当Rs为最大值时，τ与T都有确定的值，所以，通过计算，可得到最大互相关值Rs对应的时间T，该时间即为流体从第一透明窗口流动到第二透明窗口的时间，而第一透明窗口和第二透明窗口之间的距离为固定的已知值L，从而可计算出油管中流体的流速V＝L/T。因此，本发明可以同时实现水平井持率和流速测量(由于油管的内径是确定的)，从而对水平井各层段的产液剖面实现在线监测，具有测量速度快，结果精确可靠的特点。

附图说明

图1为根据本发明实施例的水平井流体流动参数的光谱测量装置的整体结构示意图；

图2为根据本发明实施例的透射式持率和流速测量的工作原理图；

图3为根据本发明实施例的第一太赫兹探测器和第二太赫兹探测器在一定的时间间隔内检测到的太赫兹光谱幅值随时间的变化图。

附图标号说明：

1、油管 2、太赫兹产生器 3、半反半透镜或分光镜 4、第一透明窗口的上窗口 5、第二反射镜 6、第三太赫兹波探测器 7、第一透明窗口的下窗口 8、第一太赫兹波探测器 9、第一反射镜 10、第二透明窗口的上窗口 11、第三反射镜12、第四太赫兹波探测器 13、第二透明窗口的下窗口 14、第二太赫兹波探测器15、流体或油管中的流体 T1：经过第一透明窗口的太赫兹波 T2：经过第二透明窗口的太赫兹波 L:第一透明窗口和第二透明窗口之间的距离 16、气泡或漩涡 50、环形空间

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，根据本发明实施例的水平井流体流动参数的光谱测量装置包括：设置在所述油管1的管壁上的第一透明窗口和第二透明窗口、太赫兹波产生器2、半反半透镜(或分光镜)3、第一反射镜9、第一太赫兹探测器8和第二太赫兹探测器14、以及太赫兹分析装置(图中未示出)。其中，除第一透明窗口和第二透明窗口外，所述其他部件可以整体集成为一个测量模块，设置在油管和套管之间的环形空间50内，例如固定在油管外壁上，该测量模块与油管封装在一起形成短节并与其他的油管连接起来构成井下输油通道。

设置在所述油管的管壁上的第一透明窗口和第二透明窗口，镶嵌在油管1管壁上，第一透明窗口包括第一透明窗口的上窗口4和第一透明窗口的下窗口7，第一透明窗口的上窗口4和第一透明窗口的下窗口7的连线贯穿油管1的径向或者第一透明窗口的上窗口4和第一透明窗口的下窗口7的连线垂直油管1的轴向；第二透明窗口包括第二透明窗口的上窗口10和第二透明窗口的下窗口13，第二透明窗口的上窗口10和第二透明窗口的下窗口13的连线贯穿油管1的径向或者第二透明窗口的上窗口10和第二透明窗口的下窗口13的连线垂直油管1的轴向；其中，第一透明窗口的上窗口4和第二透明窗口的上窗口10既起到透射入射太赫兹波的作用，还可以起到透过经流体反射回的太赫兹波的作用；第一透明窗口的下窗口7和第二透明窗口的下窗口13都只起到透射太赫兹波的作用。

太赫兹波产生器2，设置在所述环形空间50内，用于发出太赫兹波。

用来分配太赫兹波产生器2产生的太赫兹波的半反半透镜(或分光镜)3，设置在所述环形空间50内，并位于所述太赫兹波产生器2的下游，半反半透镜(或分光镜)3可以反射一部分太赫兹波，同时能够透射一部分太赫兹波，起到分流的作用。

用来控制太赫兹波传播方向的第一反射镜9，设置在所述环形空间50内，并位于所述半反半透镜3的下游，用于反射从半反半透镜(或分光镜)3透射出的太赫兹波。

第一太赫兹探测器8，设置在所述环形空间50内，接受从所述第一透明窗口的上窗口4和第一透明窗口的下窗口7透射出的太赫兹波；第二太赫兹探测器14，设置在所述环形空间内，接受第二透明窗口的上窗口10和从所述第二透明窗口的下窗口13透射出的太赫兹波；所述太赫兹波产生器发出的太赫兹波分为两路，第一路经过所述半反半透镜3的反射，并经过所述第一透明窗口的上窗口4和第一透明窗口的下窗口7的透射，被所述第一太赫兹探测器8接受；第二路经过所述半反半透镜3的透射，并经过所述第一反射镜9的反射，以及第二透明窗口的上窗口10和所述第二透明窗口的下窗口13的透射，被所述第二太赫兹探测器14接受。

太赫兹分析装置，采集、处理和显示所述第一太赫兹探测器和第二太赫兹探测器接受的太赫兹波信号。例如，可以采用数据传输、采集、处理和显示装置进行传输、采集、处理和显示，得到太赫兹光谱信息，也可以通过电缆传输到地面的工作站进行实时显示和处理分析。

本发明用第一太赫兹探测器接受从所述第一透明窗口透射出的太赫兹波；用第二太赫兹探测器接受从所述第二透明窗口透射出的太赫兹波；然后处理分析第一太赫兹探测器和第二太赫兹探测器接受的太赫兹波，根据水平井流体对太赫兹波的吸收差异导致透射信号的强弱的不同，进行持率的计算，具体来说，以第一太赫兹探测器为例，当井下流体为油水两相流时，探测器接收到的太赫兹波可表示为：E_samp＝E_ref e^(-[α_waterφ+α_oil(1-φ)]d)，其中，^代表指数关系，即(-[α_waterφ+α_oil(1-φ)]d)位于e的指数项上，其中E_ref为油管内为空气或真空时从第一透明窗口的上窗口入射的太赫兹波的光谱曲线或函数，E_samp为油管中为流体时，从第一透明窗口的上窗口入射的的太赫兹波的光谱曲线(或函数)，α_water为水的太赫兹吸收系数，α_oil为油的太赫兹吸收系数，φ为油水两相流的持水率，d为油管的直径(油管的内径)，根据上述公式，由探测器接收到的太赫兹波便可计算得到各相持率。油气两相流或气水两相流以及油气水三相流流体的持率和油水两相流持率的计算类似。此外，第二太赫兹探测器也可独立用来进行持率的测量。对于流速的测量，设第一太赫兹探测器接收到的流体光谱幅值随时间变化函数为S₁(t)，第二太赫兹探测器接收到的流体光谱幅值随时间变化函数为S₂(t)，当水平井中的流体存在涡流或气泡时，会先后对第一和第二太赫兹探测器接收到的太赫兹光谱产生扰动，通过对随时间变化的光谱信号做互相关运算，根据公式Rs为互相关函数，τ为时间延迟量，τ与T存在对应关系，当Rs为最大值时，τ与T都有确定的值，所以可得到最大互相关值对应的时间T，如图2和图3，该时间即为流体从第一透明窗口到第二透明窗口的时间，而第一透明窗口和第二透明窗口之间的距离为固定的已知值L，从而可计算出油管中流体的流速V＝L/T。因此，可以同时实现水平井持率和流速测量，从而对水平井各层段的产液剖面实现在线监测，具有测量速度快，结果精确可靠的特点。

进一步地，所述半反半透镜3将所述太赫兹波产生器发出的太赫兹波分为完全相同的两束太赫兹波，以便对比油管不同位置处的太赫兹波信号的数据或强弱。

进一步地，所述太赫兹波产生器发出的太赫兹波频率范围为0.1-10THz。这样的频率范围适合在井下透射油管内的流体，能够达到现有的波谱难以实现的效果。

进一步地，通过飞秒激光器或自由电子激光器或量子级联激光器激发太赫兹波产生器发出太赫兹波。这样，能够产生合适频率的太赫兹波。

进一步地，所述第一透明窗口和第二透明窗口由高强度塑料或陶瓷材料制成，这些对太赫兹波吸收很小，使太赫兹波的损耗小。

进一步地，如图1所示，所述水平井流体流动参数的光谱测量装置还包括：设置在所述环形空间内的第二反射镜5和第三反射镜11、以及第三太赫兹波探测器6和第四太赫兹波探测器12，图1中的虚线箭头表示反射的太赫兹波，所述第二反射镜5将第一透明窗口的上窗口14反射的太赫兹波反射给所述第三太赫兹波探测器6，所述第三反射镜11将第二透明窗口的上窗口10反射的太赫兹波反射给所述第四太赫兹波探测器12。当水平井中的流体为层状流时，第三太赫兹波探测器6和第四太赫兹波探测器12能够用来监测油气水多相流分界面的变化情况。这是因为，当分界面下降时，即分界面上部单相流体增多，而下部另一相的流体会减少，此时，由分界面反射回第三太赫兹探测器6的信号由于在上部单相流体中旅行路程的增加，会有时间延迟的增加和幅值的相应减小，而透过分界面继续传播被第一太赫兹探测器8接收的信号由于在下部另一相流体中旅行路程的减少，会有时间延迟的减小和幅度的相应增加。这样，通过第一太赫兹探测器8和第二太赫兹探测器6接收到的信号的对比便可得到流体分界面的变化情况。例如，可以评估油管中的流体是油或气或水中的某一单相，或是油或气或水中任意两种流体组成的两相流，或是油和气和水组成的多相流。

进一步地，如图1所示，从所述半反半透镜3反射的太赫兹波以第一角度入射在第一透明窗口上，所述第一角度保证所述第一太赫兹波探测器和所述第三太赫兹波探测器都能接受到携带着流体信息的太赫兹信号。进一步地，从所述第一反射镜9反射的太赫兹波以第二角度入射在第二透明窗口上，所述第二角度保证所述第二太赫兹波探测器和所述第四太赫兹波探测器都能接受到携带着流体信息的太赫兹信号。也就是说，半反半透镜3和第一反射镜9的设置，要保证透射和反射都能实现，避免只透射不反射的情况、或者只反射不透射的情况、或者透射和反射相差悬殊的情况。

进一步地，当所述油管中的流体是油或气或水中任意两种流体组成的两相流，或是油和气和水组成的多相流时，所述油管中的流体的类型为水平或波状层状流，或是泡状、沫状或乳状流。当油管中流体中存在涡流和气泡等，会导致第一太赫兹波探测器8和第二太赫兹波探测器14中探测到的太赫兹光谱信息发生改变，如图3所示，包含同一涡流或漩涡或气泡的流体先后分别经过第一太赫兹波探测器8和第二太赫兹波探测器14后，形成光谱幅值随时间变化的函数S₁(t)，S₂(t),其中，曲线S₁(t)是包含涡流或漩涡或气泡的流体经过第一太赫兹波探测器8产生的，曲线S₂(t)为流体经过第一太赫兹波探测器14后接收到的太赫兹波幅值变化曲线，根据两者之间的互相关，可用来进行流体流速的测量。

按照上述装置，本发明的水平井流体流动参数的光谱测量方法包括：

步骤A：用完全相同的两束太赫兹波透射出油管的管壁上的第一透明窗口和第二透明窗口；

步骤B：用第一太赫兹探测器接受从所述第一透明窗口透射出的太赫兹波；用第二太赫兹探测器接受从所述第二透明窗口透射出的太赫兹波；

步骤C：处理分析第一太赫兹探测器和第二太赫兹探测器接受的太赫兹波，根据水平井流体对太赫兹波的吸收差异导致透射信号的强弱的不同，进行持率的计算；同时，根据太赫兹波透射第一透明窗口和第二透明窗口时，水平井流体中的涡流或气泡对太赫兹波的光谱信息产生影响，通过对随时间变化的光谱信息做互相关运算，互相关运算公式如下：可得到最大互相关值对应的时间T，该时间即为流体从第一透明窗口到第二透明窗口的时间，而第一透明窗口和第二透明窗口之间的距离为固定的已知值L，从而可计算出油管中流体的流速V＝L/T。

其中，持率的计算是根据油气水以及其相对体积分数对太赫兹波的吸收差异导致透射信号的强弱差异来实现的。而流速则可以通过两个透射信号的互相关运算来求取。具体地，如附图2所示，流体在油管中稳定流动时，其太赫兹光谱在较小时间间隔内可认为是稳定的，当管中流体中存在涡流和气泡等，会导致两个太赫兹波探测器中探测到的太赫兹光谱信息(公式中的S₁(t)，S₂(t))发生改变，通过对随时间变化的光谱信息做互相关运算，可得到最大互相关值对应的时间T，该时间即为流体从T1流动至T2的时间，而T1，T2之间的距离为固定的已知值L，从而可计算出油管中流体的流速V＝L/T。

本发明将水平井流体流动参数的太赫兹光谱测量装置中所包含的所有器件完好的集成为一个测量模块，该测量模块与油管封装在一起形成短节并与其他的油管连接起来构成井下输油通道。油田现场作业中，将测量装置连同油管一起安置在生产水平井中，测量装置向油管中的井下流体发射太赫兹波，经井下流体反射或透射的携带流体参数信息的太赫兹波被安装在油管两侧的太赫兹波探测器接收，太赫兹波探测器接收到的太赫兹波经过模数转换器转换为数字信号经过电缆输入到地面的工作站，附图1中油管上下游的一对相同的探测器组合旨在用来实现油管内流体流量的测量。本发明可以同时实现水平井持率和流速测量，从而对水平井各层段的产液剖面实现在线监测，具有测量速度快，结果精确可靠的特点。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种水平井流体流动参数的光谱测量装置，其特征在于，所述水平井流体流动参数的光谱测量装置包括：

太赫兹波产生器，设置在所述环形空间内；

设置在所述油管的管壁上的第一透明窗口和第二透明窗口；

2.如权利要求1所述的水平井流体流动参数的光谱测量装置，其特征在于，所述半反半透镜将所述太赫兹波产生器发出的太赫兹波分为完全相同的两束太赫兹波。

3.如权利要求1所述的水平井流体流动参数的光谱测量装置，其特征在于，所述太赫兹波产生器发出的太赫兹波频率范围为0.1-10THz。

4.如权利要求1所述的水平井流体流动参数的光谱测量装置，其特征在于，通过飞秒激光器或自由电子激光器或量子级联激光器激发太赫兹波产生器发出太赫兹波。

5.如权利要求1所述的水平井流体流动参数的光谱测量装置，其特征在于，所述第一透明窗口和第二透明窗口由塑料或陶瓷材料制成。

6.如权利要求1所述的水平井流体流动参数的光谱测量装置，其特征在于，所述水平井流体流动参数的光谱测量装置还包括：设置在所述环形空间内的第二反射镜和第三反射镜、以及第三太赫兹波探测器和第四太赫兹波探测器，所述第二反射镜将第一透明窗口反射的太赫兹波反射给所述第三太赫兹波探测器，所述第三反射镜将第二透明窗口反射的太赫兹波反射给所述第四太赫兹波探测器。

7.如权利要求6所述的水平井流体流动参数的光谱测量装置，其特征在于，从所述半反半透镜反射的太赫兹波以第一角度入射在第一透明窗口上，所述第一角度保证所述第一太赫兹波探测器和所述第三太赫兹波探测器都能接受到携带着流体信息的太赫兹信号。

8.如权利要求7所述的水平井流体流动参数的光谱测量装置，其特征在于，从所述第一反射镜反射的太赫兹波以第二角度入射在第二透明窗口上，所述第二角度保证所述第二太赫兹波探测器和所述第四太赫兹波探测器都能接受到携带着流体信息的太赫兹信号。

9.如权利要求1所述的水平井流体流动参数的光谱测量装置，其特征在于，所述油管中的流体是油或气或水中的某一单相，或是油或气或水中任意两种流体组成的两相流，或是油和气和水组成的多相流。

10.如权利要求9所述的水平井流体流动参数的光谱测量装置，其特征在于，当所述油管中的流体是油或气或水中任意两种流体组成的两相流，或是油和气和水组成的多相流时，所述油管中的流体的类型为水平或波状层状流，或是泡状、沫状或乳状流。