CN105756676A - 油气水三相流透射式超声传感器持气率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油气水三相流透射式超声传感器持气率测量方法，包括：采用透射式超声传感器；将透射式超声传感器安装在垂直上升油气水三相流小管道内，当油气水三相流流过超声传感器时，采集超声传感器输出信号，并提取每个脉冲触发周期内的声波首脉冲幅值最大值，获取超声传感器接收端声波脉冲最大值序列；在段塞流和混状流条件下，测得的超声传感器最大值序列中取值最小的部分与气塞对应，其余部分与液塞对应，由此将超声传感器最大值序列分离出气塞部分对应的声波序列和液塞对应的声波序列；视气塞部分对应的持气率为100％，液塞部分对应的持气率可采用泡状流持气率计算模型提取。本发明可对油气水三相流进行有效测量。

Description

油气水三相流透射式超声传感器持气率测量方法

所属技术领域

本发明涉及一种脉冲透射式贴片形油气水三相流超声传感器持气率测量方法。

背景技术

随着油气田开采进入中晚期阶段，我国陆上油气储集层和油井内油气水分布将发生很大变化。一方面，大多数注水开发油田进入了高含水生产期，油井自喷转抽后，未动用的剩余油薄差层及表外储层大多与周围水井连通性差，地层供液能力差(油井产量低)，井内流压较低，普遍存在油层近井地带原油脱气现象；另一方面，油井在油藏中构造高点或断层附近也会出现产气现象，这些无疑造成油井内低产液高含水油气水三相流流动状态。为了及时掌握油气储集层及油井生产动态变化，油田开发地质部门要求测试系统提供准确的各油气生产层生产状况，即通过电缆测井作业提供油井内油气水分相流量沿井深油气储集层剖面变化规律(产出剖面)，以便合理调整与优化油气田开发方案，最终达到提高原油采收率目的。

油井油气水三相流流动存在两个相间界面随机可变的分散相(气泡、油泡)，且相间界面相互作用随着三相流流动参数发生复杂变化。目前，国内多数油井为机械采油井，测井仪器仅能通过油管和套管之间的环形空间起下，仪器内径不超过20mm，一般要求仪器外径不超过28mm。如此苛刻的井下仪器起下条件使地面上应用成熟的流量和流体组分测量技术难以直接推广到井下，给井下仪器的传感器及测量系统设计带来极大困难。如何在井眼环境下高分辨测量油气水三相流分相流量，对油气水三相流产出剖面测井技术提出了巨大挑战。迄今，仍难以直接从数学物理模型实现对其流动参数的准确控制与预测。

油井油气水三相流产出剖面测井目的是确定油气储集层分相流量(产量)。为此，在实现策略上除了测量总流量外，还要测量分相持率(持水率、持气率、持油率，即按分相体积配比的含率，也称分相体积浓度)，在此基础上，通过油气水三相流流动模型完成从分相持率到分相含率(含水率、含气率、含油率，即按分相流量配比的含率，也称分相流量含率)的数学转化，最终，通过总流量计算得到分相流量。可以看出，持气率是实现油气水三相流分相流量测量的关键参数之一。

常规的持气率测量方法有阻抗法、电容法、放射性密度法、压差密度法、超声法等。由于气相与水相之间具有显著导电特性差异，采用电学敏感传感器可实现气液两相流持气率测量。但是，在油气水三相流中存在两个分散相(气相及油相)，且气相与油相之间导电特性差异很小，故难以用电学敏感传感器直接测量油气水三相流持气率。由于气相与液相(水或油)之间具有显著的声阻抗差异，故基于超声波在被测介质中反射、透射、衰减等物理特性差异可实现对持气率(气相体积浓度)有效测量。此外，由于超声传感器不受流体矿化度及导电特性影响，其在三相流持气率(气相体积浓度)测量中具有潜在应用优势。

发明内容

针对上述问题，本发明目的是提供一种油气水三相流超声传感器持气率测量方法。该方法可对水连续相油气水三相流泡状流、段塞流及混状流时的持气率进行有效测量。本发明的技术方案如下：

一种油气水三相流透射式超声传感器持气率测量方法，包括：

(1)采用透射式超声传感器，发射端和接收端均为贴片状，以电脉冲作为激励源，发射端的压电晶体把电能转变成机械振动，进而产生一定频率的声波信号；由于压电效应，接收端压电晶片将接收到的声波信号转化成相应的电脉冲信号。

(2)将透射式超声传感器安装在垂直上升油气水三相流小管道内，小管道的直径为20mm，超声传感器发射端面与小管道内壁尽量保持光滑，当油气水三相流流过超声传感器时，采集超声传感器输出信号，并提取每个脉冲触发周期内的声波首脉冲幅值最大值，即能量最大值作为一次触发采集到的信号，经过多次触发采集，可获取超声传感器接收端声波脉冲最大值序列。

(3)在段塞流和混状流条件下，测得的超声传感器最大值序列中取值最小的部分与气塞对应，其余部分与液塞对应，由此将超声传感器最大值序列分离出气塞部分对应的声波序列和液塞对应的声波序列；视气塞部分对应的持气率为100％，液塞部分对应的持气率可采用泡状流持气率计算模型提取；将气塞部分与液塞部分对应的持气率进行综合平均，便可获得泡状流、段塞流及混状流三种流型下的平均持气率。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明涉及的透射式超声传感具有结构简单、响应速度快、稳定性高与便于井下仪器安装等优点。

(2)本发明的持气率测量法可适用于小管径内垂直上升小管径内(20mm)油气水三相流泡状流、段塞流、混状流条件下的持气率效测量。

附图说明

图1是脉冲透射式贴片形超声传感器几何参数结构图：(a)示意图；(b)截面图

图2的各图是油气水三相流泡状流、段塞流及混状流三种流型的超声传感器接收端脉冲最大值序列信号图。

图3是油气水三相流段塞流及混状流流型的超声传感器接收端最大值序列分离出的液塞部分最大值序列信号。

图4是利用油气水三相流泡状流测量数据拟合确定超声传播散射系数过程示意图。

图5是油气水三相流泡状流、段塞流及混状流条件下的持气率测量结果与三相流试验装置标定的含气率结果对比图。值得说明的是，由于气液相间滑脱效应影响，一般持气率与含气率不相等，可以看出，图5所示的持气率与含气率之间存在较大差异，尤其在段塞流及混状流条件下。

图中标号说明：

1有机玻璃管道；2超声传感器声波发射端压电晶片；3超声传感器声波接收端压电晶片

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。本发明油气水三相流脉冲式超声传感器持气率测量方法包括以下步骤：

(1)设计一个脉冲透射式贴片形状超声传感器，所述脉冲透射式贴片形状超声传感器以电脉冲作为激励源，由于逆压电效应，发射端的压电晶体把电能转变成机械振动，进而产生一定频率的声波信号；由于压电效应，接收端压电晶片将接收到的声波信号转化成相应的电脉冲信号。

(2)将设计的脉冲透射式贴片形状超声传感器安装在垂直上升油气水三相流小管道内，超声传感器发射端面与小管道内壁尽量保持光滑。当油气水三相流流过超声传感器时，采集超声传感器输出信号，并提取每个脉冲触发周期内的声波首脉冲幅值最大值，即能量最大值作为一次触发采集到的信号，经过多次触发采集，可获取超声传感器接收端声波脉冲最大值序列。

(3)在段塞流和混状流条件下，测得的超声传感器最大值序列中取值最小的部分与气塞对应，其余部分与液塞对应，由此将超声传感器最大值序列分离出气塞部分对应的声波序列和液塞对应的声波序列；视气塞部分对应的持气率为100％，液塞部分对应的持气率可采用泡状流持气率计算模型提取；将气塞部分与液塞部分对应的持气率进行综合平均，便可获得三种流型下(泡状流、段塞流及混状流)下的平均持气率。

结合附图说明该脉冲透射式贴片形超声传感器持气率测量方法具体实施过程：

油气水三相流流动管道内径，本发明涉及脉冲透射式贴片形状超声传感器如图1所示。超声传感器发射端为T，超声传感器接收端为R。超声换能器压电晶片几何参数如下：压电晶片厚度为，压电晶片直径为Φ＝5mm，超声波发射频率。

实验测得的典型三种流型(泡状流、段塞流、混状流)下的超声传感器最大值序列如图2所示，其中为混合流体的总流量，为气相流量，为含油率(油相体积流量与油水混合流体总体积流量之比值)。

图3是从油气水三相流段塞流与混状流最大值序列中分离出的液塞部分对应的信号，可以看出，图3中所示序列波动特点与图2中泡状流接收信号相类似，分别代表了段塞流和混状流中液塞部分(类似泡状流)对应的最大值序列。

超声波在传播距离等于管道直径，即L＝0.02m，超声波的波数为n＝418667。考虑实验中三相流泡状流流速较高，其相间滑脱效应较小，故可视持气率值与含气率值相接近。按图4所示方法对泡状流条件下的超声测量信号进行回归，即将Y_g作为横坐标，-ln(A/A₀)作为纵坐标，图4中拟合直线斜率，从而得到超声传感器在三相流中传播时的散射系数。

对于油气水泡状流条件下测得的超声传感器最大值序列，可直接利用公式(6)提取持气率；对于段塞流和混状流，将图3所示的液塞部分对应的声波序列带入公式(6)，就可以确定液塞部分声波序列对应的持气率平均值，由于段塞流和混状流中气塞序列每个采样点对应的持气率均为100％(超声传播至接收端发生完全衰减)，最后，通过计算段塞流和混状流中的液塞部分对应序列和气塞部分对应序列持气率平均值，最终可折算出段塞流和混状流的平均持气率。

图5为超声传感器测量的持气率与流动装置标定的含气率对比图。可以看出：由于泡状流时流速较高，其持气率与含气率接近；对于段塞流及混状流，由于相间滑脱效应，其持气率与含气率有较大差别。

利用本发明涉及的油气水三相流脉冲透射式贴片形超声传感器持气率测量方法，可得到图5所示的油气水三相流三种流型下的持气率计算结果，可以看出，三种流型下计算得到的持气率随含气率的增加呈现规则地增长趋势，且两种之间的差异大小变化符合油气水三相流的基本运动规律。实验结果说明了本发明涉及的油气水三相流脉冲透射式贴片形超声传感器持气率测量方法有效性。

Claims (1)

1.一种油气水三相流透射式超声传感器持气率测量方法，包括：

(1)采用透射式超声传感器，发射端和接收端均为贴片状，以电脉冲作为激励源，发射端的压电晶体把电能转变成机械振动，进而产生一定频率的声波信号；由于压电效应，接收端压电晶片将接收到的声波信号转化成相应的电脉冲信号。

(2)将透射式超声传感器安装在垂直上升油气水三相流小管道内，小管道的直径为20mm，超声传感器发射端面与小管道内壁尽量保持光滑，当油气水三相流流过超声传感器时，采集超声传感器输出信号，并提取每个脉冲触发周期内的声波首脉冲幅值最大值，即能量最大值作为一次触发采集到的信号，经过多次触发采集，可获取超声传感器接收端声波脉冲最大值序列；

(3)在段塞流和混状流条件下，测得的超声传感器最大值序列中取值最小的部分与气塞对应，其余部分与液塞对应，由此将超声传感器最大值序列分离出气塞部分对应的声波序列和液塞对应的声波序列；视气塞部分对应的持气率为100％，液塞部分对应的持气率可采用泡状流持气率计算模型提取；将气塞部分与液塞部分对应的持气率进行综合平均，便可获得泡状流、段塞流及混状流三种流型下的平均持气率。