CN103760612A - 一种油田井下持水率可视化测量方法 - Google Patents

一种油田井下持水率可视化测量方法 Download PDF

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Abstract

一种油田井下持水率可视化测量方法，所述方法首先在待测量井下油水混合截面处布置ERT传感器阵列，并测量ERT传感器阵列中相邻电极之间的电压，然后依据ERT图像重建算法获得井下油水分布的实时图像，最后依据此图像计算出该层位的持水率。本发明采用电阻层析成像技术实现油田井下持水率的可视化测量，所述方法消除了油水两相流流型变化对测量精度的影响，大大提高了油水混合物持水率的测量精度，特别适用于高含水油田井下持水率测量。

Description

一种油田井下持水率可视化测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于电阻层析成像（ERT）技术的油田井下含水率可视化测量方法，属测量技术领域。 
背景技术
石油生产中产出的流体具有不同的含水比率，对已进入中、高含水开发时期的油田而言，为减水增油，合理安排不同油层的采出量，需要精确测量井下不同层位的持水率。 
常见的持水率测量仪器有以下几种： 
（1）电容式持水率测量仪，这种测量仪只适用于测量持水率较低的油井，在持水率高于40%时灵敏度较低，难以适应持水率大于60%的中、高含水油井；
（2）微波式持水率测量仪，其原理为利用高频电磁波的谐振状态来测量原油中的水分，但受油膜、出砂、结蜡、稠油、滑脱速度等参数的影响，仪器的重复性、稳定性、一致性及标准化较差，难以推广应用；
（3）阻抗式持水率测量仪，它由安装在绝缘管壁上按一定距离排列的4个圆环不锈钢电极组成，外面一对为激励电极、中间一对为测量电板，通过测量流体的电导率间接测量井下油水两相流的含水率；
（4）探针式持水率测量仪，它由分布在界面上的多个金属探针探测进行油水介质判断，进而进行统计处理。
上述持水率测量仪器只能测量单点或测量空间的平均持水率，而油水混合持水率测量属于气液两相流测量，流型变化将影响测量精度，因此现有的持水率测量仪器均无法保证油水混合持水率的测量精度。 
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种油田井下持水率可视化测量方法，以提高油水混合持水率的测量精度。 
本发明所述问题是以下述技术方案实现的： 
一种油田井下持水率可视化测量方法，所述方法首先在待测量井下油水混合截面处布置ERT传感器阵列，并测量ERT传感器阵列中相邻电极之间的电压，然后依据ERT图像重建算法获得井下油水分布的实时图像，最后依据此图像计算出该层位的持水率，所述方法包括如下步骤：
a. 利用扶正支撑器将8～32之间的偶数个ERT电极固定在井壁上并使它们沿同一水平圆周均匀分布；
b. 在相邻两电极间加激励电流I，测量其它相邻电极之间的电压差；
c. 采用ERT图像重建算法获得油水分布图像：
对于ERT传感器敏感场域，可用下式描述：
Figure 121665DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 708504DEST_PATH_IMAGE002
为场域内电导率分布函数，
Figure 462833DEST_PATH_IMAGE003
为场域内电势分布函数，
其边界条件为：
Figure 199845DEST_PATH_IMAGE004
 ，
式中，n为边界外法线向量，s为激励电极边界，
Landweber迭代算法表达如下：
Figure 192072DEST_PATH_IMAGE005
 ，
式中，为第k步迭代的图像灰度值，
Figure 863542DEST_PATH_IMAGE007
为图像灰度初始值，
Figure 138665DEST_PATH_IMAGE008
为迭代因子，其值可由下式得到
Figure 375611DEST_PATH_IMAGE009
，
其中，
Figure 710778DEST_PATH_IMAGE010
为方阵
Figure 439699DEST_PATH_IMAGE011
的最大特征值；
d. 利用所得重建图像计算持水率
Figure 987355DEST_PATH_IMAGE012
：
重建图像为截面油水电导率分布图像，其灰度值为0-1之间的数，其中，灰度0代表油，1代表水；持水率按下式计算：
Figure 485333DEST_PATH_IMAGE013
 ，
式中，
Figure 256980DEST_PATH_IMAGE014
和 分别为第i个像素的灰度及面积，为截面面积， M是成像单元数。
上述油田井下持水率可视化测量方法，所述ERT电极为长方形钛电极。 
上述油田井下持水率可视化测量方法，所述扶正支撑器包含与电极数量相同的8～32根弹簧片，电极固定在弹簧片上，所述8～32根弹簧片在下到井下之前为一圆柱体结构，井下工作时，控制所述弹簧片发生变形，逐渐变径到与井下管道直径相同，将电极定位到井壁上。 
本发明采用电阻层析成像技术实现油田井下持水率的可视化测量，所述方法消除了油水两相流流型变化对测量精度的影响，大大提高了油水混合物持水率的测量精度，特别适用于高含水油田井下持水率测量。 
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。 
图1为本发明所采用的油田井下持水率测量系统的结构原理图； 
图2为ERT传感器的整体结构及工作状态图；
图3为ERT电极的排列图；
图4为ERT数据采集系统原理图。
图中各标号清单为：1、计算机，2、数据采集系统，3、井壁套管，4、ERT传感器，5、扶正支撑器，6、ERT电极，7、机电控制段，8、井下成像区域。 
文中各符号清单为： I、激励电流，
Figure 567241DEST_PATH_IMAGE002
、场域内电导率分布函数，
Figure 509790DEST_PATH_IMAGE003
、场域内电势分布函数，n、边界外法线向量，s、激励电极边界，
Figure 947724DEST_PATH_IMAGE006
、第k步迭代的图像灰度值，
Figure 430658DEST_PATH_IMAGE007
、图像灰度初始值，
Figure 496703DEST_PATH_IMAGE008
、迭代因子，
Figure 610153DEST_PATH_IMAGE010
、方阵
Figure 535383DEST_PATH_IMAGE011
的最大特征值，
Figure 228533DEST_PATH_IMAGE012
、持水率，
Figure 290030DEST_PATH_IMAGE014
、第i个像素的灰度，
Figure 574381DEST_PATH_IMAGE015
、第i个像素的面积，
Figure 580383DEST_PATH_IMAGE016
、截面面积。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。 
本发明包括以下步骤： 
（1） 测量相邻电极之间的电压；
（2） 采用ERT图像重建算法进行运算；
（3） 重建油水混合截面电导率分布图像；
（4） 根据重建图像计算持水率。
在上述步骤（3）中： 
ERT实质上是实现电磁场的分析和求逆问题，其研究的是一个具有特殊边界条件的电场，对于图3所示传感器敏感场域，可用式（1）描述：
           
Figure 608382DEST_PATH_IMAGE001
            （1）
式中，
Figure 789964DEST_PATH_IMAGE002
为场域内电导率分布，
Figure 448479DEST_PATH_IMAGE003
为场域内电势分布函数。
其边界条件为： 
            
Figure 348301DEST_PATH_IMAGE004
           （2）
式中，n为边界外法线向量，s为激励电极边界，I为激励电流大小。
Landweber迭代算法可由式（3）表达如下： 
                              （3）
式中，
Figure 809556DEST_PATH_IMAGE006
为第k步迭代的图像灰度值，
Figure 170130DEST_PATH_IMAGE007
为图像灰度初始值，
Figure 557249DEST_PATH_IMAGE008
为迭代因子，其值可由式（4）得到
                （4）
其中，
Figure 286488DEST_PATH_IMAGE010
为方阵
Figure 83542DEST_PATH_IMAGE011
的最大特征值。
上述步骤（4）具体包括： 
重建图像为截面油水电导率分布图像，其灰度值为0-1之间的数，其中，灰度0代表油，1代表水，持水率按公式（5）计算：
             
Figure 471065DEST_PATH_IMAGE013
            （5）
式中，
Figure 481746DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 918543DEST_PATH_IMAGE015
 分别为第i个像素的灰度及面积，
Figure 14675DEST_PATH_IMAGE016
为截面面积， M是成像单元数。
油田井下持水率测量系统结构图如图1和图2所示，该系统由井下ERT传感器、扶正支撑器、机电控制段、井上数据采集系统及成像计算机构成。井下部分整体工作前的结构及工作状态图如图2所示，扶正支撑器包含与电极数量相同的8～32根弹簧片，电极固定在弹簧片上，扶正支撑器需电气绝缘，仪器在下到井下之前为一圆柱体结构，在井下工作时，控制弹簧片发生变形，逐渐变径到与井下管道直径相同，从而将电极固定到井壁上。ERT阵列电极结构如图3所示，电极数为8～32之间的偶数，电极材料为钛。 
数据采集系统原理图如图4所示，极板间电压值的测量采用相邻电极电流激励，相邻电极测量的方式，正弦电压发生器产生频率为200kHz，峰峰值为10mA的正弦激励电流，通过开关元件选择两个相邻电极作为激励电极，并依次选择其他相邻电极作为测量电极，通过电阻测量电路得到电压信号，由于图像重建需要的是一个动态信号，因此必须将空场电阻对应的电压值从所测信号中平衡对消，本系统中补偿信号由一个12位数模转换器（D/A）产生。各自独立的并行电阻测量电路产生的直流测量信号经多路开关选择后同上述直流补偿信号一并进入差分运放。直流可编程增益放大器（DC PGA）满足不同电阻变化量的测量要求。通过A/D转换后数据传送给计算机，计算机将采集到的电压数据转化为一定的投影数据，由ERT图像重建算法获得井下油水分布的实时图像，并依此计算持水率。 
数据采集系统中A/D、D/A及控制功能由数据采集卡完成，PC机选择工业PC机，以保证其稳定性。  

Claims (3)

1.一种油田井下持水率可视化测量方法，其特征是，所述方法首先在待测量井下油水混合截面处布置ERT传感器阵列，并测量ERT传感器阵列中相邻电极之间的电压，然后依据ERT图像重建算法获得井下油水分布的实时图像，最后依据此图像计算出该层位的持水率，所述方法包括如下步骤：
a. 利用扶正支撑器（5）将8～32之间的偶数个ERT电极固定在井壁上并使它们沿同一水平圆周均匀分布；
b. 在相邻两电极间加激励电流I，测量其它相邻电极之间的电压差；
c. 采用ERT图像重建算法获得油水分布图像：
对于ERT传感器敏感场域，可用下式描述：
Figure 38459DEST_PATH_IMAGE001
，
式中，
Figure 562981DEST_PATH_IMAGE002
为场域内电导率分布函数，
Figure 317310DEST_PATH_IMAGE003
为场域内电势分布函数，
其边界条件为：
Figure 54322DEST_PATH_IMAGE004
 ，
式中，n为边界外法线向量，s为激励电极边界，
Landweber迭代算法表达如下：
Figure 577707DEST_PATH_IMAGE005
 ，
式中，
Figure 414076DEST_PATH_IMAGE006
为第k步迭代的图像灰度值，
Figure 655702DEST_PATH_IMAGE007
为图像灰度初始值，
Figure 930825DEST_PATH_IMAGE008
为迭代因子，其值可由下式得到
Figure 105455DEST_PATH_IMAGE009
，
其中，
Figure 440621DEST_PATH_IMAGE010
为方阵
Figure 169543DEST_PATH_IMAGE011
的最大特征值；
d. 利用所得重建图像计算持水率
Figure 904149DEST_PATH_IMAGE012
：
重建图像为截面油水电导率分布图像，其灰度值为0-1之间的数，其中，灰度0代表油，1代表水；持水率按下式计算：
Figure 402127DEST_PATH_IMAGE013
 ，
式中，
Figure 173774DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 655571DEST_PATH_IMAGE015
 分别为第i个像素的灰度及面积，
Figure 538076DEST_PATH_IMAGE016
为截面面积， M是成像单元数。
2.根据权利要求1所述的油田井下持水率可视化测量方法，其特征是，所述ERT电极为长方形钛电极。
3.根据权利要求1或2所述的油田井下持水率可视化测量方法，其特征是，所述扶正支撑器包含与电极数量相同的8～32根弹簧片，电极固定在弹簧片上，所述8～32根弹簧片在下到井下之前为一圆柱体结构，井下工作时，控制所述弹簧片发生变形，逐渐变径到与井下管道直径相同，将电极定位到井壁上。
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