CN103334735A - 超声与浮子组合式三相流分相流量测量方法 - Google Patents

Abstract

一种超声与浮子组合式三相流分相流量测量方法。主要解决现有的油井内流体油、气、水三相并存而影响分相流量结果的问题。其特征在于包括以下步骤：a、通过测量装置使水相与油气分离，并通过集流密封伞布将套管内的截面空间封闭，使水相出口与集流密封伞布之间为相对静止的水相；b、通过装置内的超声探头向下发出超声波，超声波在油泡和气泡表面发生反射，可实现泡体速度测量；c、进入集流通道的水相在向上流动过程中，流动压力使浮子产生位移，水相流量转化为浮子位移量，从而完成水相分相流量测量。该方法采用超声波实现油相与气相的流量测量，采用浮子流量计实现水相的流量测量，从而完成三相分离流量测量，测量结果准确。

Description

超声与浮子组合式三相流分相流量测量方法

技术领域

本发明涉及油田生产测井领域，具体的说是一种用于产出剖面测量的超声与浮子组合式三相流分相流量测量方法。

背景技术

油井产出剖面测量的目标是确定油井产层的油、气、水三相的各自产量，传统的测量方法是通过测量混相条件下各相的含率和总流量，然后计算出各分相流量。由于油、气、水三相的物性存在显著差异，混相条件下各相的含率变化剧烈，测量极不稳定，而目前还没有适用于油、气、水三相混相条件下的总流量测量的流量计，因此对于油、气、水三相并存的油井，其产出剖面测量依然是一个急待解决的问题。目前尽管有一些新的技术，比如超声波多普勒、光纤探针等方法，超声波多普勒方式利用超声波在不同物质中传播速度及超声反射频率的不同直接测试油井内流体油、气、水三相混相中的油相与气相，不同水相流速会直接影响油相与气相的速度，对油相与气相测量存在较大干扰；光纤探针利用光对气体与液体反射率的不同来区分气液两相，通过单位时间内光纤探针记录到的气泡个数达到测试气相的目的，目前技术还不成熟，且测量时很难克服污染的影响，还未能得到实际应用。

发明内容

为了克服现有的油井内流体油、气、水三相并存而影响分相流量结果的不足，本发明提供一种超声与浮子组合式三相流分相流量测量方法，该方法可使水相与油气分离，采用超声波实现油相与气相的流量测量，采用浮子流量计实现水相的流量测量，从而完成三相分离流量测量，测量结果准确。

本发明的技术方案是：一种超声与浮子组合式三相流分相流量测量方法，包括以下步骤：

a、通过测量装置使水相与油气分离，并通过集流密封伞布将套管内的截面空间封闭，使水相出口与集流密封伞布之间为相对静止的水相，溢出的油泡和气泡在相当于静止的水相中向上漂流；

b、通过装置内的超声探头向下发出超声波，超声波在油泡和气泡表面发生反射，部分反射波被探头接收，设探头向下发出的超声波频率为f₀，泡体以速度u向上运动，超声波在泡体面发生反射，反射回来的超声波频率发生偏移，记为f’，则偏移量△f为：

$\mathrm{\Δf}=f_0-f^{\′}=2{f_0}^{u\left(\cos \mathrm{\θ}\right)}/c---\left(1\right)$

其中，c是声波在水中的传播速度；θ是发射波与泡体运动方向的夹角，表达式（1）将反射波频率偏移量与泡体的速度建立关系，可实现泡体速度测量；

将声波反射信号转化为电压信号，记为v，该电压信号是油泡和气泡反射信号的叠加，即油相和气相的分相流量可以用表达式（2）表示：

$\begin{array}{c}{Q}_o=k_o{\∫}_{f_2}^{f_1}{v}_o\left(f_o\right)\\ Q_g=k_g\∫v_o\left(f_g\right)\end{array}---\left(2\right)$

上式中Q_o是油相的流量，Q_g是气相的流量，k_o代表油相流量转换系数，k_g代表气相流量转换系数；

c、进入集流通道的水相在向上流动过程中，流动压力使浮子产生位移，水相流量转化为浮子位移量，从而完成水相分相流量测量。

本发明具有如下有益效果：由于采取上述方案，采用该方法，使水相与油气分离，通过建立静水区，由溢出口溢出的油泡和气泡沿井眼外周以漂流速度流动，气相和油相存在明显速度差，利用超声波的反射特性和多普勒效应，在套管空间，采用超声探头实现油相与气相的流量测量，在装置集流空间，采用浮子流量计实现水相的流量测量，最终实现油-气-水三相分相流量测量，并且测量结果准确。

附图说明

图1是本发明所采用的仪器的结构示意图；

图2是反射波信号频谱曲线形态

图3是集流密封伞布的主视图；

图4是集流密封伞布的俯视图；

图5是沿图1中A-A的剖面图；

图6是沿图1中B-B的剖面图。

图中1-超声探头，2-透声窗，3-超声波束，4-水相出口，5-浮子流量计，6-油气泡，7-外溢出口，8-内溢出口，9-集流密封伞布，10-水相入口，11-集流伞筋，12-滑套，13-集流器驱动器，14-套管。

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6所示，一种超声与浮子组合式三相流分相流量测量方法，该方法采用特定的仪器，使水相与油气分离，通过建立静水区，根据静水中油泡和气泡漂流速度的差异，利用超声波的反射特性和多普勒效应，采用超声探头实现油相与气相的流量测量，采用浮子流量计实现水相的流量测量，通过超声与浮子的组合，完成三相分相流量测量。该仪器的结构如图1所示，仪器主体内部上方固定有超声探头1，超声探头1所对应的主体侧壁上开有透声窗2，透声窗2的水平位置如图5所示，超声探头1发射的超声波束3通过透声窗2射向仪器外部的油气泡6。仪器主体侧壁上还开有水相出口4，其水平位置如图6所示，仪器内部的超声探头1下方固定有浮子流量计5，可进行流量测量。仪器主体中和套管14之间连接有集流伞筋11，集流伞筋11之间连接有集流密封伞布9，集流密封伞布9下方的仪器主体侧壁上开有水相入口10。集流伞筋11的下部固定在滑套12上，而滑套12与集流器驱动器13相连。

集流密封伞布9的结构如图3、4所示，集流密封伞布的形状为“M”型，集流密封伞布9上开有沿圆周方向布置的外溢出口7和内溢出口8，俯视图显示了外溢出口7和内溢出口8的位置，外溢出口7所在圆周的直径大于内溢出口8所在圆周直径，即外溢出口7在内溢出口8的外部。由于伞布的特定结构，在垂直方向上，外溢出口7和内溢出口8存在高度差。在本发明所提出的三相流分相流量测量方法中，集流密封伞布通过集流，完成水与油-气的分离和静水区的建立，并控制油泡、气泡趋于井眼外周流动。由于超声探头1向流体发出的超声波是扇形，因此同样体积的泡体越靠近井眼中心，反射强度越大，并通过阻挡使其后面的泡体无法被探测到，测量信号的随机性加大，因此要求油泡和气泡尽量趋于井眼外周流动，这样一方面可以使得每个泡体对扇形发射的超声波束具有相近的反射能力，另一方面可使每个泡体被探测到的几率增大。“M”型的集流密封伞布的顶端外沿上设置溢出口便可控制油泡、气泡趋于井眼外周流动。

集流密封伞布的集流作用，使水相出口4和集流密封伞布9之间成为静水区，水相的流速可以忽略，油泡和气泡分别以各自的漂移速度向上流动，由此可以保证油相和气相反射波的中心频率相对稳定，测量状况稳定。但当水相由水相出口4流出时，流出的水相会改变其流经区域的静水状态，因此必须使超声波的测量区域和水相的流经区域进行隔离，此项工作通过确定透声窗2和水相出口4的径向位置来完成。如图5、图6所示，仪器主体上开有两个透声窗2，超声波束3由此向下发出，在透声窗2的相背位置设计一个狭长的水相出口4，由于上部为低压区，由水相出口4流出的水相直接向上流动，这样的结构设计使得超声波的测量区域和水相的流经区域得到有效隔离。

目前油井的采油多采用抽油机，抽油机的周期运动会引起井下流体的流速周期性变化，在没有对流体进行控制的情况下，油、气、水三相的速度变化会相互影响，变化的水相速度叠加到油相和气相速度上，在一定流量范围内，油相和气相速度会接近，以及各自在较大范围内变化，图2中的油相和气相的频带位置会周期性变化，甚至会重合，使油相与气相的分离变得困难。因此必须对流体加以控制，消除水相流速的影响，消除抽油机对油相和气相流速的影响，保证信号谱分析曲线上油相和气相的中心频率相对稳定，而集流密封伞布9则完成了对流体的控制。

工作时，集流密封伞布9通过集流，在水相入口10、水相出口4、外溢出口7和内溢出口8的共同作用下，实现水相与油-气相分离，并在集流密封伞布9和水相出口4之间建立静水区。超声探头通过测量由外溢出口7和内溢出口8溢出的油泡和气泡，实现油相与气相的流量测量。浮子流量计5通过测量集流空间内的水相，实现水相的流量测量。

具体包括以下步骤：

a、装置到达测量位置后，在集流器驱动13的作用下，滑套12上移，集流器伞筋11撑起，带动集流密封伞布9，使套管内的截面空间被封闭，由于密度差异，向上流动的油、气泡在集流伞封闭腔内汇聚，气相趋于上，油相次之。气相趋于外溢出口7溢出，油相趋于内溢出口8溢出，由于集流器的集流作用，在水相出口4和集流密封伞布9之间为相对静止的水相，因此溢出的油泡和气泡相当于在静止的水相中向上漂流，从而使水相与油气分离。

b、超声探头1发出的超声波束3由透声窗2向下发射，当超声波束3遇到向上漂流的油泡和气泡时，在油泡和气泡表面发生反射，部分反射波被探头接收。超声波测量油-气分相流量的测量原理是基于超声波的反射特性和多普勒效应。当声波遇到尺寸大于其波长的物体时，声波会在物体表面产生有效反射，物体尺寸越大，反射强度越大，因此可利用声波这一特性对油泡和气泡的体积量进行测量。当固定频率的超声波遇到与其方向存在相对速度的移动物体时，声波在物体表面的发射波频率会发生偏移，偏移量与物体的运动速度存在对应关系，此效应称多普勒效应，利用此效应可对漂流的油泡和气泡的移动速度进行测量。

设探头向下发出的超声波频率为f0，泡体以速度u向上运动，超声波在泡体面发生反射，由于多普勒效应，反射回来的超声波频率发生偏移，记为f’，则偏移量△f为：

$\mathrm{\Δf}=f_0-f^{\′}=2{f_0}^{u\left(\cos \mathrm{\θ}\right)}/c---\left(1\right)$

其中，c是声波在水中的传播速度；θ是发射波与泡体运动方向的夹角，表达式（1）将反射波频率偏移量与泡体的速度建立关系，可实现泡体速度测量；由于泡体表面是球面，因此θ在一定范围内变化，导致△f在一定范围内变化，即与泡体速度对应的偏移频率是一个频带。

由于气相密度远小于油相密度，因此同体积的气泡在水中的漂移速度明显高于油泡在水中的漂移速度，即气相反射信号与油相反射信号处于不同的频带，形成图2所示的分别代表气相和油相的中心频率和信号强度的信号谱分析曲线，通过频带划分，将油相和气相加以分离。中心频带代表了泡体的速度分布，有效强度代表了泡体的数量，其面积即代表了流量。将声波反射信号转化为电压信号，记为v，该电压信号是油泡和气泡反射信号的叠加，即油相和气相的分相流量可以用表达式（2）表示：

$\begin{array}{c}{Q}_o=k_o{\∫}_{f_2}^{f_1}{v}_o\left(f_o\right)\\ Q_g=k_g\∫v_o\left(f_g\right)\end{array}---\left(2\right)$

上式中Q_o是油相的流量，Q_g是气相的流量，k_o代表油相流量转换系数，k_g代表气相流量转换系数；

c、进入集流通道的水相在向上流动过程中，流动压力使浮子流量计5的浮子产生位移，水相流量转化为浮子位移量，从而完成水相分相流量测量。浮子的位移范围处于水相出口4轴向长度范围内，浮子初始位于水相出口4下沿，浮子向上移动过程中，水相出口4有效面积增加，流动水相的流通截面积逐渐增加，直至浮子达到平衡位置，浮子处于不同平衡位置对应不同水相出口有效面积，不同水相出口有效面积对应不同流体流量，由此完成水相分相流量测量。

Claims (1)

1.一种超声与浮子组合式三相流分相流量测量方法，其特征在于包括以下步骤：

a、通过测量装置使水相与油气分离，并通过集流密封伞布将套管内的截面空间封闭，使水相出口与集流密封伞布之间为相对静止的水相，溢出的油泡和气泡在相当于静止的水相中向上漂流；

b、通过装置内的超声探头向下发出超声波，超声波在油泡和气泡表面发生反射，部分反射波被探头接收，设探头向下发出的超声波频率为f₀，泡体以速度u向上运动，超声波在泡体面发生反射，反射回来的超声波频率发生偏移，记为f’，则偏移量△f为：

$\mathrm{\Δf}=f_0-f^{\′}=2{f_0}^{u\left(\cos \mathrm{\θ}\right)}/c---\left(1\right)$

其中，c是声波在水中的传播速度；θ是发射波与泡体运动方向的夹角，表达式（1）将反射波频率偏移量与泡体的速度建立关系，可实现泡体速度测量；

将声波反射信号转化为电压信号，记为v，该电压信号是油泡和气泡反射信号的叠加，即油相和气相的分相流量可以用表达式（2）表示：

$\begin{array}{c}{Q}_o=k_o{\∫}_{f_2}^{f_1}{v}_o\left(f_o\right)\\ Q_g=k_g\∫v_o\left(f_g\right)\end{array}---\left(2\right)$

上式中Q_o是油相的流量，Q_g是气相的流量，k_o代表油相流量转换系数，k_g代表气相流量转换系数；

c、进入集流通道的水相在向上流动过程中，流动压力使浮子产生位移，水相流量转化为浮子位移量，从而完成水相分相流量测量。

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