CN106979762A - 径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了径向/轴向360°的沿程井筒结蜡量测量成像装置，包括超声波探测仪测量单元和测量数据成像处理单元；超声波探测仪测量单元包括旋转电机、升降电机、旋转机构、旋转测试杆、位移传感器和超声波探测仪；测量数据成像处理单元包括测量数据处理系统和360°成像处理系统。其评价方法：超声波探测仪发射时间；超声波探测仪反射波接收时间；计算柱坐标系测试管段结蜡厚度值；其成像方法：将测试管段内结蜡厚度值由柱坐标系变换至直角坐标系；结蜡厚度值做归一化处理；生成二维直角坐标系彩色结蜡厚度效果图；变换成可360°旋转的彩色柱状三维结蜡厚度成像图。本发明可实现测试管段内沿程井筒径向及轴向结蜡厚度的分布及沿程结蜡剖面曲线的分布。

Description

径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置及方法

技术领域

本发明涉及井筒结蜡量测量及评价，特别涉及一种径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置及其评价方法和成像方法。

背景技术

在海上稠油/高凝油油藏开发过程中，井筒内结蜡现象是普遍存在的。井筒结蜡将直接导致井筒内有效过流面积减小，流体沿程摩阻增加，单井产能下降，修井作业频次增加。结蜡严重会堵塞井筒导致开发井停产，严重响生产井的开发效果。结蜡问题是井筒安全、平稳及经济运行的重要因素，也是海上稠油/高凝油油藏开发重点关注的问题。而沿程井筒结蜡量是最为关键的技术参数，掌握沿程井筒径向及轴向结蜡厚度的分布情况，可有针对性的开展井筒蜡的防蜡和清蜡有效措施手段。

目前对于开发井井筒结蜡厚度的获取方法主要有两种：①基于石蜡沉积理论推导并建立结蜡剖面预测模型，预测不同温度、压力下沿井筒石蜡沉积速度和沉积厚度。该方法可计算不同深度蜡沉积厚度和沿程结蜡剖面，但该方法不确定参数较多，导致计算结果与实际情况偏差较大，一般工程上仅将该计算结果作为参考选用。②现场主要通过钢丝通井作业，打捞出结蜡蜡样，反推结蜡厚度，该方法是否将全部蜡样打捞至地面直接影响预测精度。

要解决以上技术问题，一种方法是通过开发井下在线监测装置、实现结蜡厚度的实时监测，但该方法存在诸多技术难点，截止目前尚未出现相关成熟技术。另一种方法是通过室内评价实验模拟井筒压力/温度分布，通过一定测定方法得到结蜡厚度。目前井筒单相管流的结蜡量测定方法有直接法、压降测量法、传热测量法、在线LD-LD法和其他方法。①直接法是将目标管段中沉积蜡“取出”来进行称重确定结蜡厚度，该方法直接简单，可进行表观检查和蜡成分分析，但该方法耗时长，可操作性差。②压降测量法是基于水力学相关理论，并假设蜡沉积厚度均匀，通过测定对比测试段和参比段压降值的差别，计算出平均结蜡厚度值，计算结果与实际井筒结蜡情况有一定偏差，计算精度不高。因此，这种方法对这些流型下蜡沉积的研究并无实际意义。③传热测量法是基于结蜡层热传导和环境的热阻不同，推导出结蜡厚度与新增加热阻的关系式，通过测量结蜡层管段相关热参数便可求得结蜡厚度。若要用传热法较准确地测量沉积层厚度，需准确计算对流换热系数和预测蜡沉积层的导热系数。但目前多相传热预测理论上不成熟，直接影响测试精度。且该方法不适用于因高流速而导致温差较小的情况。当流型为分层流时，测试段蜡沉积厚度分布不均匀。因此该方法得到的蜡沉积层厚度不能反映管道的真实蜡沉积厚度。④在线LD-LD法即在线测量高压多相管流蜡沉积层厚度的方法，该方法可对水平、近水平和垂直管道中多相流动时所产生的蜡沉积进行轴向厚度分布和环向分布的测量，其测量是在垂直管段中进行的。但该方法操作流程复杂，测试过程中影响因素过多，结果准确度很难把控。以上方法测量的物理量均为目标管段的结蜡厚度平均值，不能得到测试管段内沿程井筒径向及轴向结蜡厚度的分布情况。该方法应用于单相管流蜡沉积测量精度较高，对高压单相流和多相流不能提供精确的结蜡量数据。近年来也发展了新型测试方法，一种是利用超声波定位技术可实现在结蜡厚度不均匀分布情况下的在线测量，但该方法测试的自动化程度、测试后的数据处理方式和成像显示处于起步阶段，该方法上部成熟。另一种是利用孔内表面检查仪对拆卸后的测试管段内的蜡沉积物进行拍照，并且能够测量局部的蜡沉积物厚度，但该方法的准确性主要取决于沉积物的特性，例如硬度和含油量，该方法适用范围较窄，不宜推广应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置及其评价方法和成像方法，采用本发明装置和方法可测得室内井筒析蜡评价装置测试管段内沿程径向及轴向结蜡厚度的分布情况。

本发明所采用的技术方案是：一种径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置，包括超声波探测仪测量单元和测量数据成像处理单元；所述超声波探测仪测量单元包括伸入待测试油管内的旋转测试杆，设置在所述旋转测试杆下端的超声波探测仪，以及设置在所述旋转测试杆上端、用于控制所述旋转测试杆的旋转速度、旋转间隔时间、旋转角度和上移定位距离的旋转机构，所述旋转机构设置有沿待测试油管高度方向布置、用于测量旋转测试杆位移的位移传感器；所述旋转测试杆通过所述旋转机构连接有旋转电机和升降电机；所述测量数据成像处理单元包括与所述超声波探测仪相连接、用于计算柱坐标系测试管段结蜡厚度值的测量数据处理系统，和与所述测量数据处理系统相连接、用于将结蜡厚度值转换为像素值并生成能360°旋转的彩色柱状三维结蜡厚度成像图的360°成像处理系统。

所述旋转机构还设置有用于将所述超声波探测仪和所述旋转测试管位置归零的旋转定位器。

所述旋转电机连接至旋转电机控制器并接受所述旋转电机控制器的控制；所述升降电机连接至升降电机控制器并接受所述升降电机控制器的控制。

一种基于上述径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置的结蜡量评价方法，包括以下步骤：

步骤一：将测试管段安装带有自动旋转定位的超声波探测仪上；

步骤二：将测试管段中注耦合剂；

步骤三：将超声波探测仪下放至测试管段最底层位置；

步骤四：设定超声波探测仪旋转速度v、旋转间隔时间Δt、旋转角度Δφ和上移定位距离Δh，并启动旋转定位器；

步骤五：记录超声波探测仪发射时间t₁；

步骤六：记录超声波探测仪反射波接收时间t₂；

步骤七：将超声波探测仪上移至步骤四中所设定的上移定位距离Δh；

步骤八：重复步骤五至步骤七，直至测试管段沿井筒测试完毕；

步骤九：根据上述步骤五的超声波探测仪发射时间t₁、步骤六的超声波探测仪反射波接收时间t₂，利用测量数据处理系统计算柱坐标系测试管段结蜡厚度值H(θ，y)。

步骤九中，柱坐标系测试管段结蜡厚度值H(θ，y)通过下述公式计算获得：

其中，R为测试管段半径，单位为mm；t₁为超声波探测仪发射时间；t₂为超声波探测仪反射波接收时间；v为超声波在水中传播速度，单位为m/s。

一种基于上述径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置的沿程井筒结蜡量径向/轴向360°成像方法，在360°成像处理系统内完成，包括以下步骤：

步骤(1)：将柱坐标系测试管段结蜡厚度值H(θ,y)变换至直角坐标系展开图对应的测试管段内结蜡厚度值H(x，y)；

步骤(2)：将测试管段内结蜡厚度值H(x，y)在直角坐标系中值做归一化处理，获得归一化的测试管段内结蜡厚度值H^*(x，y)；

步骤(3)：利用RGB模型对归一化的测试管段内结蜡厚度值H^*(x，y)进行图像成像处理，生成二维直角坐标系彩色结蜡厚度效果图；

步骤(4)：将二维直角坐标系下彩色结蜡厚度效果图变换成能360°旋转的彩色柱状三维结蜡厚度成像图。

步骤(1)中，将柱坐标系测试管段结蜡厚度值H(θ，y)变换至直角坐标系展开图对应的测试管段内结蜡厚度值H(x，y)，通过下述公式计算获得：

其中：θ为测试管段平面圆周角度，单位为°；y为测试管段高度，单位为m；R为测试管段半径，单位为mm；H(x，y)为测试管段内结蜡厚度值，单位为mm。

步骤(2)中，将测试管段内结蜡厚度值H(x，y)在直角坐标系中值做归一化处理，通过下述公式获得：

其中：min[H(x，y)]为测试管段内结蜡厚度最小值，单位为mm；max[H(x，y)]为测试管段内结蜡厚度最大值，单位为mm；H^*(x，y)为测试管段内结蜡厚度值在直角坐标系中值做归一化值，无量纲。

步骤(3)中，利用RGB模型对归一化的测试管段内结蜡厚度值H^*(x，y)进行图像成像处理，通过下述公式获得：

RGB＝[P_R(H^*(x，y))，P_G(H^*(x，y))，P_B(H^*(x，y))]

其中，P_R，G，B(H^*(x，y))为将结蜡厚度值H^*(x，y)变换为RGB颜色的映射函数。

步骤(4)中，将二维直角坐标系下彩色结蜡厚度效果图变换成能360°旋转的彩色柱状三维结蜡厚度成像图，通过下述公式计算获得：

本发明的有益效果是：

1、本发明中，超声波探测仪测量单元配有旋转电机和升降电机，本发明装置可实现沿程井筒结蜡量360°全自动成像；

2、本发明中，超声波探测仪旋转速度、旋转间隔时间、旋转角度和上移定位距离可根据实验自身实际需求而设定，参数设定过程简单容易，实操性强；

3、本发明中，超声波探测仪测量单元配有旋转定位器，该装置可将每次实验测试前将超声波探测仪和旋转测试杆位置归零，以确保每次测试沿程井筒结蜡360°成像且起始位置具有一致性；

4、本发明中，超声波探测仪测量单元配有位移传感器，该装置可测量旋转测试杆向上运移位移，以精确控制旋转测试杆的运移过程；

5、本发明中，测量数据成像处理单元配有测量数据处理系统，该系统根据超声波探测仪发射时间和反射波接收时间计算柱坐标系测试管段的结蜡厚度值，计算精度可满足现场技术要求；

6、本发明中，测量数据成像处理单元配有360°成像处理系统，该系统将结蜡厚度值转换为像素值，并生成可360°旋转的彩色柱状三维结蜡厚度成像图，三维成像图显示结果直观、可视化效果好；

7、本发明中，径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置具有信号发射、信号处理、结果输出、图像处理和存档备份功能，自动化程度较高。

附图说明

图1：本发明径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置结构示意图；

图2：本发明测量成像装置中超声波探测仪测量原理示意图；

图3：本发明测量成像装置的工作流程图(本发明径向/轴向360°沿程井筒结蜡量评价方法及成像方法流程图)；

图4：本发明测量成像装置中测量数据成像处理单元的工作流程图。

附图标注：1-超声波探测仪测量单元；2-测量数据成像处理单元；3-超声波探测仪；4-旋转测试杆；5-油管；6-管壁蜡沉积层；7-位移传感器；8-旋转定位器；9-旋转机构；10-旋转电机；11-旋转电机控制器；12-升降电机；13-升降电机控制器；14-测量数据处理系统；15-360°成像处理系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如附图1所示，一种径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置，包括超声波探测仪测量单元1和测量数据成像处理单元2，用于测量井筒内油管5管壁蜡沉积层6的沿程径向及轴向结蜡厚度的分布情况。

所述超声波探测仪测量单元1包括伸入待测试油管5内的旋转测试杆4，设置在所述旋转测试杆4下端超声波探测仪3，以及设置在所述旋转测试杆4上端的旋转机构9；所述超声波探测仪3用于测定超声波发射时间t₁和反射波接收时间t₂，使得测量数据成像处理单元2中的测量数据处理系统14基于超声波在水中传播速度确定柱坐标系测试管段的结蜡厚度值H(θ，y)，其测量原理如图2所示；所述的旋转机构9用于控制旋转测试杆4的旋转速度v、旋转间隔时间Δt、旋转角度Δφ和上移定位距离Δh。所述旋转机构9设置有旋转定位器6，以及沿待测试油管5高度方向布置的位移传感器7；所述旋转定位器6用于将所述超声波探测仪3和所述旋转测试杆4位置归零，以确保每次测试沿程井筒结蜡360°成像且起始位置具有一致性；所述位移传感器7可测量旋转测试杆4向上运移位移，以精确控制旋转测试杆4的运移过程。所述旋转测试杆4通过所述旋转机构9连接有旋转电机10和升降电机12；所述旋转电机10连接至旋转电机控制器11并接受所述旋转电机控制器11的控制，所述升降电机12连接至升降电机控制器13并接受所述升降电机控制器13的控制。

所述测量数据成像处理单元2具有信号发射、信号处理、结果输出、图像处理和存档备份功能，其工作流程如图4所示。所述测量数据成像处理单元2包括相互连接的测量数据处理系统14和360°成像处理系统15；所述测量数据处理系统14与所述超声波探测仪3相连接，用测定的超声波发射时间t₁和反射波接收时间t₁计算柱坐标系测试管段的结蜡厚度值H(θ，y)；所述的360°成像处理系统15用于将结蜡厚度值转换为像素值，生成可360°旋转的彩色柱状三维结蜡厚度成像图，并在PC机上对存档备份。其中，所述测量数据处理系统14和所述360°成像处理系统15为软件程序，通过安装包的形式安装在PC电脑上。

基于上述径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置的结蜡量评价方法及成像方法，如图3所示，包括以下步骤：

S101：将测试管段安装带有自动旋转定位的超声波探测仪3上，将其下放至测试管段最深位置，并将测试管段中注耦合剂(选取水做为耦合剂)。

S102：设定超声波探测仪3旋转速度v(推荐值为72s/周)、旋转间隔时间Δt(推荐值为1s)、旋转角度Δφ(推荐值5°)和上移定位距离Δh(推荐值5mm)，并启动旋转定位器6。

S103：记录超声波探测仪3发射时间t₁和反射波接收时间t₂。

S104：将超声波探测仪3上移至S102中所设定的上移定位距离Δh；

S105：重复S103至S104，直至测试管段沿井筒测试完毕；根据S103记录的所有超声波探测仪3发射时间t₁和反射波接收时间t₂，利用测量数据处理系统14计算柱坐标系测试管段结蜡厚度值H(θ，y)，如图2所示。所述的柱坐标系测试管段结蜡厚度值H(θ，y)通过下述公式(1)计算获得：

其中，R为测试管段半径，单位为mm；t₁为超声波探测仪3发射时间；t₂为超声波探测仪3反射波接收时间；v为超声波在水中传播速度，单位为m/s。

S106：将S105中获得的柱坐标系测试管段结蜡厚度值H(θ，y)变换至直角坐标系展开图对应的测试管段内结蜡厚度值H(x，y)，并将测试管段内结蜡厚度值H(x，y)在直角坐标系中值做归一化处理，获得归一化的测试管段内结蜡厚度值H^*(x，y)。

H(x，y)通过下述公式(2)计算获得：

其中：θ为测试管段平面圆周角度，单位为°；y为测试管段高度，单位为m；R为测试管段半径，单位为mm；H(x，y)为测试管段内结蜡厚度值，单位为mm。

H^*(x，y)通过下述公式(3)计算获得：

其中：min[H(x，y)]为测试管段内结蜡厚度最小值，单位为mm；max[H(x，y)]为测试管段内结蜡厚度最大值，单位为mm；H^*(x，y)为测试管段内结蜡厚度值在直角坐标系中值做归一化值，无量纲。

S107：利用RGB模型对归一化的测试管段内结蜡厚度值H^*(x，y)进行图像成像处理，生成二维直角坐标系彩色结蜡厚度效果图。所述的成像处理通过下述公式(4)计算获得：

RGB＝[P_R(H^*(x，y))，P_G(H^*(x，y))，P_B(H^*(x，y))]

(4)

其中，P_R，G，B(H^*(x，y))为将结蜡厚度值H^*(x，y)变换为RGB颜色的映射函数。

S108：将二维直角坐标系下彩色结蜡厚度效果图变换成能360°旋转的彩色柱状三维结蜡厚度成像图。所述的三维结蜡厚度成像图通过下述公式(5)计算获得：

其中，上述S106至S108均在本发明360°成像处理系统15内完成。

本发明的工作原理：通过获取超声波在介质中发射和接收的时间差计算测试管段结蜡厚度值，应用计算机图形学将柱坐标系统中结蜡厚度值转化为360°可旋转的彩色柱状三维结蜡厚度成像图。

Claims (10)

1.一种径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置，其特征在于，包括超声波探测仪测量单元和测量数据成像处理单元；所述超声波探测仪测量单元包括伸入待测试油管内的旋转测试杆，设置在所述旋转测试杆下端的超声波探测仪，以及设置在所述旋转测试杆上端、用于控制所述旋转测试杆的旋转速度、旋转间隔时间、旋转角度和上移定位距离的旋转机构，所述旋转机构设置有沿待测试油管高度方向布置、用于测量旋转测试杆位移的位移传感器；所述旋转测试杆通过所述旋转机构连接有旋转电机和升降电机；所述测量数据成像处理单元包括与所述超声波探测仪相连接、用于计算柱坐标系测试管段结蜡厚度值的测量数据处理系统，和与所述测量数据处理系统相连接、用于将结蜡厚度值转换为像素值并生成能360°旋转的彩色柱状三维结蜡厚度成像图的360°成像处理系统。

2.根据权利要求1所述的径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置，其特征在于，所述旋转机构还设置有用于将所述超声波探测仪和所述旋转测试管位置归零的旋转定位器。

3.根据权利要求1所述的径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置，其特征在于，所述旋转电机连接至旋转电机控制器并接受所述旋转电机控制器的控制；所述升降电机连接至升降电机控制器并接受所述升降电机控制器的控制。

4.一种基于上述权利要求1-3任意一项所述的径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置的结蜡量评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将测试管段安装带有自动旋转定位的超声波探测仪上；

步骤二：将测试管段中注耦合剂；

步骤三：将超声波探测仪下放至测试管段最底层位置；

步骤四：设定超声波探测仪旋转速度v、旋转间隔时间Δt、旋转角度Δφ和上移定位距离Δh，并启动旋转定位器；

步骤五：记录超声波探测仪发射时间t₁；

步骤六：记录超声波探测仪反射波接收时间t₂；

步骤七：将超声波探测仪上移至步骤四中所设定的上移定位距离Δh；

步骤八：重复步骤五至步骤七，直至测试管段沿井筒测试完毕；

步骤九：根据上述步骤五的超声波探测仪发射时间t₁、步骤六的超声波探测仪反射波接收时间t₂，利用测量数据处理系统计算柱坐标系测试管段结蜡厚度值H(θ，y)。

5.根据权利要求4所述的径向/轴向360°沿程井筒结蜡量评价方法，其特征在于，步骤九中，柱坐标系测试管段结蜡厚度值H(θ，y)通过下述公式计算获得：

$H(\mathrm{\θ},y)=R-\frac{t_2-t_1}{2}\×v$

其中，R为测试管段半径，单位为mm；t₁为超声波探测仪发射时间；t₂为超声波探测仪反射波接收时间；v为超声波在水中传播速度，单位为m/s。

6.一种基于上述权利要求1-3任意一项所述的径向/轴向360°沿程井筒结蜡量测量成像装置的结蜡量径向/轴向360°成像方法，其特征在于，在360°成像处理系统内完成，包括以下步骤：

步骤(1)：将柱坐标系测试管段结蜡厚度值H(θ，y)变换至直角坐标系展开图对应的测试管段内结蜡厚度值H(x，y)；

步骤(2)：将测试管段内结蜡厚度值H(x，y)在直角坐标系中值做归一化处理，获得归一化的测试管段内结蜡厚度值H^*(x，y)；

步骤(3)：利用RGB模型对归一化的测试管段内结蜡厚度值H^*(x，y)进行图像成像处理，生成二维直角坐标系彩色结蜡厚度效果图；

步骤(4)：将二维直角坐标系下彩色结蜡厚度效果图变换成能360°旋转的彩色柱状三维结蜡厚度成像图。

7.根据权利要求6所述的沿程井筒结蜡量径向/轴向360°成像方法，其特征在于，步骤(1)中，将柱坐标系测试管段结蜡厚度值H(θ，y)变换至直角坐标系展开图对应的测试管段内结蜡厚度值H(x，y)，通过下述公式计算获得：

$H(x,y)=H(\frac{\mathrm{\π}R\mathrm{\θ}}{180},y)$

其中：θ为测试管段平面圆周角度，单位为°；y为测试管段高度，单位为m；R为测试管段半径，单位为mm；H(x，y)为测试管段内结蜡厚度值，单位为mm。

8.根据权利要求6所述的沿程井筒结蜡量径向/轴向360°成像方法，其特征在于，步骤(2)中，将测试管段内结蜡厚度值H(x，y)在直角坐标系中值做归一化处理，通过下述公式获得：

$H^{*}(x,y)=\frac{H(x,y)-\min \[H(x,y)\]}{\max \[H(x,y)\]-\min \[H(x,y)\]}$

其中：min[H(x，y)]为测试管段内结蜡厚度最小值，单位为mm；max[H(x，y)]为测试管段内结蜡厚度最大值，单位为mm；H^*(x，y)为测试管段内结蜡厚度值在直角坐标系中值做归一化值，无量纲。

9.根据权利要求6所述的沿程井筒结蜡量径向/轴向360°成像方法，其特征在于，步骤(3)中，利用RGB模型对归一化的测试管段内结蜡厚度值H^*(x，y)进行图像成像处理，通过下述公式获得：

RGB＝[P_R(H^*(x，y))，P_G(H^*(x，y))，P_B(H^*(x，y))]

其中，P_R，G，B(H^*(x，y))为将结蜡厚度值H^*(x，y)变换为RGB颜色的映射函数。

10.根据权利要求6所述的沿程井筒结蜡量径向/轴向360°成像方法，其特征在于，步骤(4)中，将二维直角坐标系下彩色结蜡厚度效果图变换成能360°旋转的彩色柱状三维结蜡厚度成像图，通过下述公式计算获得：

$\begin{array}{c}RGB=\[P_R\left(H^{*}\right(\mathrm{\θ},y\left)\right),P_G\left(H^{*}\right(\mathrm{\θ},y\left)\right),P_B\left(H^{*}\right(\mathrm{\θ},y\left)\right)\]\\ =\[P_R\left(H^{*}\right(\frac{180x}{\mathrm{\π}R},y\left)\right),P_G\left(H^{*}\right(\frac{180x}{\mathrm{\π}R},y\left)\right),P_B\left(H^{*}\right(\frac{180x}{\mathrm{\π}R},y\left)\right)\].\end{array}$