CN107345482A - 一种油水两相流水包油乳状液持水率差压测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种油水两相流水包油乳状液持水率差压测量方法，采用场聚焦弧形对壁式电导传感器与差压传感器组合测量方式，场聚焦弧形对壁式电导传感器用于测得混合流体的持水率信息；差压传感器用于测得混合流体压降信息。将不同流动工况下场聚焦弧形对壁式电导传感器电压信号进行归一化处理，分析其含水率测量特性并提取持水率参数；结合所测持水率与差压传感器所测水包油乳状液压降，得到不同流动工况下水包油乳状液摩阻系数；最后，将所得摩阻系数与混合流体雷诺数的拟合关系与差压传感器所测混合流体压降相结合，进行水包油乳状液持水率参数预测。
Description
技术领域
本发明涉及油田动态监测领域表面活性剂作用下的油井内油水两相流水包油乳状液持水率测量方法。
背景技术
我国陆上低产低渗油田开采已进入以低产量高含水为主要特征的中晚期开采阶段。为提高原油采收率，向油层注入表面活性剂在三次采油技术中得到了广泛应用。其中，准确测量表面活性剂作用下的油井内油水两相流水包油乳状液持水率参数，可为三次采油开发方案调整及优化油藏生产特性提供科学依据。
向地层注入表面活性剂水溶液会极大降低储层油水相间界面张力，可显著改变油水两相流流变学特性，致使油水乳状液微观流动机制、湍流结构及减阻特性十分复杂，尤其是分散相局部流动参数分布及相间滑脱效应与常规油水两相流有很大差别，实现其水包油乳状液持水率参数测量难度很大。
油水两相流差压法是获取持水率的重要方法之一，该方法关键是获取两相流摩阻系数，而摩阻系数与两相流雷诺数密切相关，其中，持水率又是获取雷诺数必不可少的关键参数。快关阀法是获取油水两相流持水率的实验室途径，但是，在油水两相流水包油乳状液流动条件下，由于油相与水相难以实现重力分离，无法采用快关阀法在实验室直接获取持水率参数。
油水乳状液摩阻系数依赖于混合流体持水率参数，有学者将含水率值近似等效于持水率值，以研究摩阻系数与混合流体雷诺数的关系，如2016年A.Abubakar等发表在《Experimental Thermal and Fluid Science》(实验热与流体科学)，第79卷，第275-282页，题为“Empirical correlation for predicting pressure gradients of oil-waterflow with drag-reducing polymer”(利用经验公式预测聚合物作用下的油水两相流压力梯度)的文章。但是，由于油水乳状液存在明显的相间滑脱效应，其持水率值随混合流速及含水率参数变化较大，采用将含水率值近似等效于持水率值的思路具有很大局限性。前期研究中，我们报导了利用快关阀方法获取油水两相流持水率参数，并将该参数引入油水两相流摩阻系数的研究中，如2016年Y.F.Han等发表在《Experimental Thermal and FluidScience》(实验热与流体科学)，第72卷，第197-209页，题为“Differential pressuremethod for measuring water holdup of oil-water two-phase flow with lowvelocity and high water-cut”(低流速高含水油水两相流持水率差压测量法)的文章。但是，在表面活性剂分子的作用下，油水乳状液中油相乳化较为充分，实现油相与水相的完全分离具有较大难度，传统快关阀方法已不能满足持水率参数的准确测量。
通常水包油乳状液中油泡直径多为微米级，环形电极电导传感器受限于其灵敏场空间分布不均匀性及电场边缘效应，对油水乳状液分散相分布变化的响应灵敏度较低，直接获取持水率的分辨率较低。场聚焦弧形对壁式电导传感器敏感于管截面分散相分布的微小变化，可实现水包油乳状液持水率高分辨率测量，进而可以显著提高持水率测量精度。
发明内容
本发明提出一种可以预测水包油乳状液持水率差压测量方法。本发明将差压传感器所测水包油乳状液压降参数与场聚焦弧形对壁式电导传感器测量响应相结合，得到不同流动工况下水包油乳状液摩阻系数，将所得摩阻系数与混合流体雷诺数的拟合关系与差压传感器所测压降相结合，实现预测水包油乳状液持水率参数测量。技术方案如下：
一种油水两相流水包油乳状液持水率差压测量方法，采用场聚焦弧形对壁式电导传感器与差压传感器组合测量方式，所采用的场聚焦弧形对壁式电导传感器为：在集流后的垂直上升小管径测量管道内壁固定空间位置相对的弧形激励电极与弧形中心测量电极，在中心测量电极两侧分别等距放置相同尺寸的边缘保护电极，中心测量电极的轴向高度与由激励电极及其两侧的边缘保护电极组合形成的整体轴向高度相匹配，用于测得混合流体的持水率信息；差压传感器用于测得混合流体压降信息。当表面活性剂作用下的水包油乳状液流经差压传感器及场聚焦弧形对壁式电导传感器区域时，分别采集差压传感器及场聚焦弧形对壁式电导传感器输出电压信号，数据处理过程中，将不同流动工况下场聚焦弧形对壁式电导传感器电压信号进行归一化处理，分析其含水率测量特性并提取持水率参数；结合所测持水率与差压传感器所测水包油乳状液压降，得到不同流动工况下水包油乳状液摩阻系数；最后，将所得摩阻系数与混合流体雷诺数的拟合关系与差压传感器所测混合流体压降相结合，进行水包油乳状液持水率参数预测。
优选地，在设计弧形对壁式电导传感器时，采用有限元分析法对中心测量电极与边缘保护电极轴向高度h，中心测量电极与边缘保护电极间距l和电极圆心角α进行优化。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)本发明提出的场聚焦弧形对壁式电导传感器，对水包油乳状液持水率具有较高的测量分辨率。
(2)本发明提出的差压传感器与场聚焦弧形对壁式电导传感器的组合测量方法，根据差压传感器所测水包油乳状液压降信息与场聚焦弧形对壁式电导传感器所测持水率，可提取水包油乳状液两相流摩阻系数。将所得摩阻系数与混合流体雷诺数的拟合关系与差压传感器所测水包油乳状液压降信息相结合，可获得较高精度的水包油乳状液持水率参数预测结果。
(3)本发明提出的差压传感器与场聚焦弧形对壁式电导传感器均属于非插入式测量方法，具有对流体无扰动及易于安装的特点，可适用于垂直井筒内表面活性作用下的水包油乳状液摩阻系数及持水率参数测量。
附图说明
图1是场聚焦弧形对壁式电导传感器结构示意图。
图2是场聚焦弧形对壁式电导传感器几何结构参数。
图3是差压传感器与场聚焦弧形对壁式电导传感器组合测量系统。
图4是表面活性剂作用下水包油乳状液场聚焦弧形对壁式电导传感器测量电压信号。
图5是场聚焦弧形对壁式电导传感器与环形电极电导传感器水包油乳状液相含率测量特性。(a)场聚焦弧形对壁式电导传感器；(b)环形电极电导传感器。
图6是水包油乳状液摩阻系数与混合流体雷诺数的关系。
图7是差压传感器所测持水率与混合流速及含水率间的关系。
图8是差压传感器所测持水率与场聚焦弧形对壁式电导传感器所测持水率比较结果。
附图标号说明：
1外管；2激励电极；3边缘保护电极；4中心测量电极
具体实施方式
为实现表面活性剂作用下的水包油乳状液持水率差压测量方法，本发明提出了一种场聚焦弧形对壁式电导传感器与差压传感器组合测量方法。其中，场聚焦弧形对壁式电导传感器通过在小管径测量通道内壁构造空间径向位置相对的激励电极与中心测量电极。与中心测量电极两侧距离相等的位置处分别放置相同尺寸的边缘保护电极。中心测量电极与边缘保护电极施加同种载荷，根据电学敏感原理，该方法可显著增强中心电极处电场强度，提高持水率测量灵敏度，并有效抑制电场边缘效应影响。利用场聚焦弧形对壁式电导传感器所测持水率，可提取不同流动工况下水包油乳状液摩阻系数与混合流体雷诺数的拟合函数关系。结合所得函数关系与差压传感器所测混合流体压降信息，实现水包油乳状液持水率差压测量方法。
本发明采用的场聚焦式弧形对壁式电导传感器的整体结构包括外管1、光滑内嵌在管道内壁的激励电极2、边缘保护电极3和中心测量电极4。测量电极与保护电极轴向高度为h，测量电极与保护电极轴向间距为l，电极张角为α。
将差压传感器及场聚焦弧形对壁式电导传感器安装在垂直上升小管径水包油乳状液流动环装置中，当表面活性剂作用下的水包油乳状液流经差压传感器及场聚焦弧形对壁式电导传感器区域时，分别采集差压传感器及场聚焦弧形对壁式电导传感器输出电压信号。数据处理过程中，将不同流动工况下场聚焦弧形对壁式电导传感器电压信号进行归一化处理，分析其含水率测量特性并提取持水率参数；结合所测持水率与差压传感器所测水包油乳状液压降，得到不同流动工况下水包油乳状液摩阻系数；最后，将所得摩阻系数与混合流体雷诺数的拟合关系与差压传感器所测混合流体压降相结合，进行水包油乳状液持水率参数预测。
下面结合附图说明表面活性剂作用下的水包油乳状液差压传感器与场聚焦弧形对壁式电导传感器组合的乳状液持水率测量方法具体实施过程：
(1)本发明中，场聚焦弧形对壁式电导传感器中心测量电极与边缘保护电极轴向高度h＝1mm，中心测量电极与边缘保护电极间距l＝2mm，电极张角α＝130°。实验过程中激励电极与激励频率为20kHz的激励源连接，中心测量电极与边缘保护电极接地。所采用差压传感器供电电源采用+24V直流电，其测量量程及精度分别为0-1000Pa和0.01％FS。
(2)通过表面活性剂作用下的水包油乳状液动态实验，对场聚焦弧形对壁式电导传感器输出电压信号进行采集，获得表面活性剂作用下油水两相流归一化电导测量值与混合流速及实验标定含水率之间实验相关图版，具体方法如下：
定义混合流体归一化电导率Ge为混合相电导率σm与全水电导率σw的比值：
式中，Vref和Vm分别是测量电路中参考电阻两端测量电压和传感器激励端与测量端接收直流电压，和分别是全水时参考电阻两端测量电压和传感器激励端与测量端接收直流电压。
根据Maxwell理论，场聚焦弧形对壁式电导传感器所测持水率Yw与混合流体归一化电导率Ge的函数关系为：
(3)通过表面活性剂作用下的水包油乳状液流动态实验，对差压传感器输出信号进行采集。垂直上升管中差压传感器所测压降ΔP的简化表达式为：
ΔP＝ΔPh-ΔPf＝(ρy-ρm)gh-ΔPf
式中，ΔPh和ΔPf分别为重力压降和摩擦阻力压降，ρy及ρm为引压液密度和混合流体密度，混合流体密度计算公式为：
ρm＝Ywρs+(1-Yw)ρo
式中，ρo和ρs分别代表油相密度及表面活性剂水溶液密度，ρo＝801kg/m3，ρs＝1002.5kg/m3。本次实验中引压液为质量分数0.25％的表面活性剂水溶液，其密度与ρs相等。根据不同流动工况下差压传感器所测压降ΔP以及场聚焦弧形对壁式电导传感器所测水包油乳状液持水率Yw，即可得到摩擦阻力压降ΔPf。水包油乳状液摩阻系数ftp计算公式为：
式中，vm分别代表水包油乳状液混合流速。h，θ以及D分别表示取压孔间距，管道与垂直方向的夹角及管道内径。由于本发明研究对象为垂直上升管水包油乳状液，其与垂直方向的夹角θ始终为0，h＝0.125m，D＝0.02m。
根据图6所示水包油乳状液摩阻系数ftp与混合流体雷诺数Rem间的拟合函数关系式为：
ftp＝f(Rem)＝1.4exp(-Rem/150.45)+0.002
(4)将上式所得水包油乳状液摩阻系数ftp与混合流体雷诺数Rem间的拟合函数关系式与差压传感器所测混合流体压降信息相结合，可实现利用差压传感器与电导传感器组合测量方法预测水包油乳状液持水率参数。其预测持水率参数的计算公式为：
式中，ftp＝f(Rem)可通过公式(10)代入，μm，μs，μo分别为水包油乳状液混合黏度，表面活性剂水溶液黏度以及油相黏度。这里μs＝1.03mPa·s，μo＝5.4mPa·s。
为定量考察利用差压法所测持水率与场聚焦弧形对壁式电导传感器所测持水率的偏差，此处引入“绝对平均相对误差”(AAPD)以及“绝对平均误差”(AAD)两个统计学指标，其计算公式分别为：
式中，n表示实验数据点总数，和分别表示第i个实验工况点差压法所测持水率以及场聚焦弧形对壁式电导传感器所测持水率。
实验验证与结果：
利用本发明中的场聚焦弧形对壁式电导传感器，可得到图4所示水包油乳状液细小泡状流的测量信号及图5(a)所示归一化电导与混合流速及标定含水率之间关系的实验图版。可以看出，在极高含水率条件下(Kw≥90％)，场聚焦弧形对壁式电导传感器输出信号敏感于不同含水率下水包油乳状液分散相分布特性的差异；通过比较场聚焦弧形对壁式电导传感器与环形电极电导传感器归一化电导实验图版(图5(a)及图5(b))，发现场聚焦弧形对壁式电导传感器对水包油含水率变化表现出较高的分辨能力；此外，图7所示差压传感器所测持水率与混合流速及含水率间的关系，与图5(a)所示场聚焦弧形对壁式电导传感器与混合流速及含水率间的关系表现出良好的一致性；通过分析图8所示差压传感器所测持水率与场聚焦弧形对壁式电导传感器所测持水率参数比较结果，可以看出，利用差压传感器与场聚焦弧形对壁式电导传感器组合测量方法可实现水包油乳状液持水率高精度预测。
Claims (2)
1.一种油水两相流水包油乳状液持水率差压测量方法，采用场聚焦弧形对壁式电导传感器与差压传感器组合测量方式，所采用的场聚焦弧形对壁式电导传感器为：在集流后的垂直上升小管径测量管道内壁固定空间位置相对的弧形激励电极与弧形中心测量电极，在中心测量电极两侧分别等距放置相同尺寸的边缘保护电极，中心测量电极的轴向高度与由激励电极及其两侧的边缘保护电极组合形成的整体轴向高度相匹配，用于测得混合流体的持水率信息；差压传感器用于测得混合流体压降信息。当表面活性剂作用下的水包油乳状液流经差压传感器及场聚焦弧形对壁式电导传感器区域时，分别采集差压传感器及场聚焦弧形对壁式电导传感器输出电压信号，数据处理过程中，将不同流动工况下场聚焦弧形对壁式电导传感器电压信号进行归一化处理，分析其含水率测量特性并提取持水率参数；结合所测持水率与差压传感器所测水包油乳状液压降，得到不同流动工况下水包油乳状液摩阻系数；最后，将所得摩阻系数与混合流体雷诺数的拟合关系与差压传感器所测混合流体压降相结合，进行水包油乳状液持水率参数预测。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在设计弧形对壁式电导传感器时，采用有限元分析法对中心测量电极与边缘保护电极轴向高度h，中心测量电极与边缘保护电极间距l和电极圆心角α进行优化。
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