CN109403949A - 一种超声波多普勒油井产出剖面测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声波多普勒油井产出剖面测量装置，包括电动扶正器短接、多普勒三相流测井仪和加重；多普勒三相流测井仪至少包括一个超声波多普勒探头，超声波多普勒探头包括声波发射体、压帽和声波导向体；声波发射体的下部设置成圆锥体，声波导向体上部设置成圆锥式的凹槽，圆锥体与凹槽配合，其中，圆锥体的锥形夹角大于凹槽的锥形夹角，圆锥体与凹槽之间设置有折射液。采用本发明提供的的产出剖面测井仪器每个测试点在2分钟左右即可完成数据采集，且仪器串下井速度快，提升了测量操作的快捷性，同时该装置不会对井下流压和流体状况产生影响，测试结果更接近真实生产状况，构建少、维护方便，不易损毁，综合成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及油田生产测井领域，尤其涉及一种超声波多普勒油井产出剖面测量装置。
背景技术
目前国内油井生产测试一般采用的测试仪器是以过环空集流的点测技术为主，该技术存在几个方面的不足，一是集流伞改变了井下流压，会有较高故障率，且集流伞构建易损、维护困难；二是涡轮流量计无法测量具有滑脱速度的混合流体流量；三是持水率计在中高含水情况下无法识别油水，也无法分辨井下储层部位是否脱气，上述不足会导致无法给出准确的产出剖面测井结果。近几年，行业内一直不断探索和研究能够弥补上述技术不足的装置。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有技术中存在的上述不足之处。
为实现上述目的，本发明提供一种超声波多普勒油井产出剖面测量装置，包括电动扶正器短接、多普勒三相流测井仪和加重；电动扶正器短接的上端连接测井电缆头，下端连接多普勒三相流测井仪，多普勒三相流测井仪的下端与加重连接；多普勒三相流测井仪至少包括一个超声波多普勒探头，超声波多普勒探头包括声波发射体、压帽和声波导向体；声波发射体的顶端设置有圆柱形凸起装置，圆柱形凸起装置的上表面镶嵌有发射压电片，在发声体的上表面还镶嵌有圆环形的接收压电片，接收压电片环绕在圆柱形凸起装置的外侧，接收压电片通过接受片引线连接第一引线柱，发射压电片通过发射片引线连接第二引线柱；压帽的下部依次安装有第一压环和第二压环，第二压环上设置有2个密封塞，第一引线柱和第二引线柱固定在2个密封塞上，并穿过2个密封塞；声波发射体的下部设置成圆锥体，声波导向体上部设置成圆锥式的凹槽，圆锥体与凹槽配合，其中，圆锥体的锥形夹角大于凹槽的锥形夹角，圆锥体与凹槽之间设置有折射液。
优选地，所述声波发射体上还设置有卡槽，用于安装密封环，其中，所述卡槽位于所述圆柱形凸起装置和所述圆锥体之间。
优选地，所述折射液为水。
优选地，所述声波发射体的锥形夹角为120°，所述声波导向体的锥形夹角为100°。
采用本发明提供的的产出剖面测井仪器每个测试点在2分钟左右即可完成数据采集，且仪器串下井速度快，提升了测量操作的快捷性，同时该装置不会对井下流压和流体状况产生影响，测试结果更接近真实生产状况，装置的一体化构造结构确保了仪器不受油污等的因素干扰，确保了测量精度，特别是该装置构建少、维护方便，不易损毁，综合成本较低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种超声波多普勒油井产出剖面测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种电动扶正器短接的上下连接端口示意图；
图3为本发明实施例提供的一种多普勒三相流测井仪的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种加重的上连接端口示意图；
图5为本发明实施例提供的一种多超声波多普勒探头的结构示意图；
图6为图5的A-A方向的剖视图；
附图标记说明：
1-电动扶正器短接，2-多普勒三相流测井仪，3-加重，4-油井套管，21-超声波多普勒探头，2101-发射压电片，2102-接收压电片，2103-声波导向体，2104-折射液，2105-声波发射体，2106-密封环，2107-发射压电片引线，2108-接收压电片引线，2109-密封塞，2110-第一压环，2111-压帽，2112-第一引线柱，2113-钢柱体外壳，2114-卡口部位，2115-第二引线柱，2131-发射面，2132-接收面，2133-装置外壁，2134-第二压环，22-公头，31-母头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
一种超声波多普勒油井产出剖面测量装置结构如图1-2所示。装置由上到下依次为电动扶正器短接1、多普勒三相流测井仪2和加重3三部分。
电动扶正器短接1是居于油井套管4中心的测量装置，其上端连接测井电缆头连接，下端连接多普勒三相流测井仪2。其中，电动扶正器短接1与测井电缆头连接采用螺纹连接，电动扶正器短接1与多普勒三相流测井仪2的连接包括两种方式，即机械式螺纹连接和触电滑环连接。图2为电动扶正器短接1的结构示意图。
多普勒三相流测井仪2下端与加重3采用榫接方式连接，测井仪下端为公头22，加重连接端为母头31，结构如图3和图4所示。
多普勒三相流测井仪2的核心部件是超声波多普勒探头21，如图5和图6所示，超声波多普勒探头21包括声波发射体2105、压帽2111和声波导向体2113。
声波发射体2105的顶端设置有圆柱形凸起装置，圆柱形凸起装置的上表面镶嵌有圆形的发射压电片2101，在声波发射体2105的上表面还镶嵌有圆环形的接收压电片2102，接收压电片2102环绕在圆柱形凸起装置的外侧，接收压电片2102通过接收压电片引线2108连接第一引线柱2112，发射压电片2101通过发射压电片引线2107连接第二引线柱2115。
压帽2111的下部依次安装有第一压环2110和第二压环2134，第二压环2134上设置有2个密封塞，第一引线柱2112和第二引线柱2115各自固定在1个密封塞2109上，并穿过密封塞2109。
声波发射体2105的下部设置成圆锥体，声波导向体上部设置成圆锥式的凹槽，圆锥体与凹槽配合，其中，圆锥体的锥形夹角大于凹槽的锥形夹角，圆锥体与凹槽之间设置有折射液2104。
组装步骤：
(1)将发射压电片2101，压入声波发射体2105顶端的圆柱形凸起装置，其中将发射压电片2101环绕在圆柱形凸起装置的外侧。
(2)将密封环2106压入声波发射体2105的卡槽。
(3)将接收压电片引线2108和密封塞2109连接。
(4)将接收压电片2102的底端与声波发射体2105对应引线部位焊接。
(5)将声波导向体2103注入圆柱钢管密封体。
(6)将压帽2111下部与第一引线柱2112，以及第二引线柱2115连接；
(7)将第一压环2110装入压帽2111的下部
(8)将以上组合体从钢柱体开口部位放入卡口位置2114，并拧牢。
在一个示例中，钢柱体的外径28毫米，超声探头发射频率2兆赫兹，声波发射体2105的锥形夹角120°，声波导向体2103的锥面夹角100°，折射液2104是水。
1、工作原理
装置工作时，超声波多普勒探头21向斜下方发射超声波，并接收反射波，圆形的发射压电片2101位于声波发射体2105的中部，环形的接收压电片2102位于声波发射体2105的外部，声波导向体2103和声波发射体2105之间填充声波折射液2104，密封“O”环用于防止折射液2104漏出。
发射压电片2101产生的声波到达声波发射体5的发射面2131后，由于折射液2104和声波发射体2105声阻的不同，声波在发射面2131发生折射，使沿轴向传播的声波折向径向，发生折射的声波到达声波导向体2103的接收面2132后，声波方向几乎与接收面2132垂直，声波方向不发生改变，继续传播，最后由装置外壁2133发出，进入油井套管4的空间。声波遇到套管空间内在水中向上流动的油泡或气泡时，发生多普勒效应，声波反射回装置外壁2133，沿发射波的路径到达环形的接收压电片2102，得到包含流体流量信息的电信号。
2、测量原理
油井产层同时生产油、气、水三相，由于油、气、水三相的比重差异，套管内本底充满水，油井产层流入套管内的油、气两相以泡体的形式向上流动，由于气相密度远小于油相密度,气泡相对于水的滑脱速度大于油泡相对于水的滑脱速度。工作时测量装置居于油井套管中央，如图1所示，超声探头向斜下方发出超声波，声波遇到在水中向上流动的油泡或气泡时，产生反射，反射波被探头接收。
超声波多普勒探头发出的超声波可以表示为：
u0＝A0sin(2πf0t)
其中，A0为声波幅度，f0为频率。
由运动油泡和气泡反射回探头的反射波可以表示为：
u＝A1sin(2πf1t)+······+Aisin(2πfit)
其中，u是不同幅度和频率的声波总和。
第i个反射波频率与发射波频率的差值可表示为：
其中，θ是发射波与轴向夹角；vi是运动泡体的速度，c是声波在水中的传播速度。
泡体的运动速度是泡体相对于水相的滑脱速度和水相速度之和：
vi＝vs+vw
其中，vi为运动速度，vs为泡体相对于水相的滑脱速度，vw为水相速度。
其中，气泡相对于水相的滑脱速度vgws和大于油泡相对于水相的滑脱速度vows：
vgws＞vows
因此在反射波中，气相和油相处于不同的频带经电信号处理后输出为一低频电压，可表示为：
V＝A'1sin(2πf1't)+······+A'isin(2πfi't)
其中：
A'1为声波幅度1，f1'为频率幅度1，A'i为横波幅度i，fi'为频率幅度i。
fi'＝fi-f0
将此低频电压信号进行频谱划分，可分别得到油相和气相：
油相：
Vo＝Ao1sin(2πfo1t)+······+Aoisin(2πfoit)
气相：
Vg＝Ag1sin(2πfg1t)+······+Agisin(2πfgit)
其中油相幅度Ao对应油相持率Yo，气相幅度Ag对应气相持率Yg；
而水相持率Yw可表示为：
Yw＝1-Yo-Yg
水相流速vw可表示为：
vw＝vg-vgws
则油、气、水的流量分别表示为：
Qo＝Yo×vo
Qg＝Yg×vg
Qw＝(1-Yo-Yg)×(vg-vgws)
由于多普勒效应，超声波遇到运动的油泡和气泡时，反射波的频率会发生偏移，泡体速度越快，频率偏移越大，同时泡体数量越多，声波反射幅度越大，因此反射波的幅度对应相的持率，反射波的频率对应相的速度，有了相的持率和速度即可得到相的流量。因为气相速度大于油相速度，气相反射波频率大于油相反射波频率，由此将气相和油相区分开，同一系统中的水相可以由气相和水相的参数获得，最终得到油、气、水三相各自流量。
采用本装置的产出剖面测井仪器每个测试点在2分钟左右即可完成数据采集，且仪器串下井速度快，提升了测量操作的快捷性，同时该装置不会对井下流压和流体状况产生影响，测试结果更接近真实生产状况，装置的一体化构造结构确保了仪器不受油污等的因素干扰，确保了测量精度，特别是该装置构建少、维护方便，不易损毁，综合成本较低。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种超声波多普勒油井产出剖面测量装置，其特征在于，包括电动扶正器短接、多普勒三相流测井仪和加重；
所述电动扶正器短接的上端连接测井电缆头，下端连接所述多普勒三相流测井仪，所述多普勒三相流测井仪的下端与所述加重连接；
所述多普勒三相流测井仪至少包括一个超声波多普勒探头，所述超声波多普勒探头包括声波发射体、压帽和声波导向体；
所述声波发射体的顶端设置有圆柱形凸起装置，所述圆柱形凸起装置的上表面镶嵌有发射压电片，在发声体的上表面还镶嵌有圆环形的接收压电片，所述接收压电片环绕在所述圆柱形凸起装置的外侧，所述接收压电片通过接受片引线连接第一引线柱，所述发射压电片通过发射片引线连接第二引线柱；
所述压帽的下部依次安装有第一压环和第二压环，所述第二压环上设置有2个密封塞，所述第一引线柱和所述第二引线柱固定在2个密封塞上，并穿过2个密封塞；
所述声波发射体的下部设置成圆锥体，所述声波导向体上部设置成圆锥式的凹槽，所述圆锥体与所述凹槽配合，其中，所述圆锥体的锥形夹角大于所述凹槽的锥形夹角，所述圆锥体与所述凹槽之间设置有折射液。
2.根据权利要求1所述的超声波多普勒油井产出剖面测量装置，其特征在于，所述声波发射体上还设置有卡槽，用于安装密封环，其中，所述卡槽位于所述圆柱形凸起装置和所述圆锥体之间。
3.根据权利要求1所述的超声波多普勒油井产出剖面测量装置，其特征在于，所述折射液为水。
4.根据权利要求1所述的超声波多普勒油井产出剖面测量装置，其特征在于，所述声波发射体的锥形夹角为120°，所述声波导向体的锥形夹角为100°。
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