CN111946324B - 一种含可动部件的油气水多相流参数测井仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含可动部件的油气水多相流参数测井仪。该含可动部件的油气水多相流参数测井仪包括：控制系统和与控制系统电连接的多相流参数测量传感器；多相流参数测量传感器用于采集多相流参数测量传感器内部流体的光纤信号、涡轮信号、电容信号和阻抗信号；控制系统用于根据光纤信号、涡轮信号、电容信号和阻抗信号计算流量、动态持水率、持气率、静态持水率、流体持水率和持油率；多相流参数测量传感器包括电容测量模块、阻抗测量模块、涡轮测量模块和光纤探针测量模块。本发明能实现油气水多相流参数的高稳定性实时测量。

Description

一种含可动部件的油气水多相流参数测井仪

技术领域

本发明涉及石油生产井监测领域，特别是涉及一种含可动部件的油气水多相流参数测井仪。

背景技术

油气水多相流参数测量一直是石油、纺织、化工、水利等领域研究的重点和难点。数字化油田建设是我国油田生产井地面智能化监测发展的主要趋势，因此，井口油气水多相流参数测量成为油田生产井智能化监测的重要发展方向。

油气水多相流参数主要包括流体的流量、各相含率、压力和温度等，油气水多相流流量和相含率的实时准确测量是目前该领域工程和科研人员研究的重点和难点。目前流量监测主要有涡轮法、电磁法、相关法、差压法、超声法等，涡轮法因其结构和原理简单、响应速度快、测量准确、造价低等优势被广泛应用在油井流量监测领域。相含率测量方法主要有电学法(含水率)、光纤探针法(含气率)、电磁波检测法、密度法、短波法、微波法、γ射线衰减法等，而光纤探针法因其受环境及流体中杂质影响较小、不受电磁干扰、体积小、造价低等优势被广泛用于持气率测量；含水率测量主要有电容法和电导法，根据油水两相电导率及介电特性的差异进行含水率的测量，该方法因其结构简单、原理简单、造价低、易加工等优势在含水率测量方面得到极为广泛的应用。

为实现油气水多相流参数的综合测量和分析，常用的方法是对多种传感器进行组合，目前的组合方式通常采用短接式，即将各个传感器封装在不锈钢外壳做的短接内，短接之间通过螺纹进行连接固定和密封，该方法易于实现，应用广泛，但是各短接的电气连接复杂、故障率高、仪器稳定性差、维修困难。

因此，为解决上述问题，亟待一种能够对油气水多相流多参数进行综合测量的设备及方法，以满足油田生产的实际要求。

发明内容

基于此，有必要提供一种含可动部件的油气水多相流参数测井仪，以实现油气水多相流参数的高稳定性实时测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种含可动部件的油气水多相流参数测井仪，包括：控制系统和与所述控制系统连接的多相流参数测量传感器；所述多相流参数测量传感器用于获取所述多相流参数测量传感器内部流体的光纤信号、涡轮信号、电容信号和阻抗信号；所述控制系统用于根据所述光纤信号、所述涡轮信号、所述电容信号和所述阻抗信号计算流量、动态持水率、持气率、静态持水率、流体持水率和持油率；

所述多相流参数测量传感器呈筒状结构；所述多相流参数测量传感器包括电容阻抗测量模块、涡轮测量模块和光纤探针测量模块；所述电容阻抗测量模块包括电容测量模块与阻抗测量模块，所述电容测量模块包括呈筒状结构的绝缘层和嵌入在所述绝缘层内的金属层，所述阻抗测量模块包括沿径向设置在所述金属层对应的流体通道内的电极环组，所述电极环组内的各电极环均嵌入在所述金属层内侧的绝缘层内；所述涡轮测量模块包括沿径向设置在所述流体通道内的导流叶片组；各所述导流叶片的两端均嵌入在所述绝缘层内；所述光纤探针测量模块固定在所述涡轮测量模块上；所述流体依次流过所述光纤探针测量模块、所述涡轮测量模块和所述电容阻抗测量模块；

所述含可动部件的油气水多相流参数测井仪的控制系统内置有分相流量测量程序；所述分相流量测量程序用于实现油气水多相流参数的测量；所述分相流量测量程序的实现步骤为：

当所述多相流参数测量传感器内部的流体处于运动状态时，控制所述电容测量模块关闭，所述阻抗测量模块、所述涡轮测量模块和所述光纤探针测量模块打开，并获取所述阻抗测量模块测得的阻抗信号、所述光纤探针测量模块测得的光纤信号和所述涡轮测量模块测得的涡轮信号；

由所述阻抗信号计算动态持水率；

由所述光纤信号计算持气率；

由所述涡轮信号计算流量；

当所述多相流参数测量传感器内部的流体处于静置分层状态时，控制所述电容测量模块打开，所述阻抗测量模块、所述涡轮测量模块和所述光纤探针测量模块关闭，并获取所述电容测量模块测得的电容信号；

由所述电容信号计算静态持水率；

由所述动态持水率和所述持气率计算阻抗矫正持水率，由所述持气率和所述静态持水率计算电容矫正持水率；

将所述阻抗矫正持水率和所述电容矫正持水率融合，得到流体持水率；

由所述流体持水率和所述持气率计算持油率。

可选的，所述涡轮测量模块还包括叶轮叶片、前导流件轮毂、转轴、磁电感应转换器和后导流件轮毂；所述叶轮叶片设置在所述转轴上；所述转轴的一端连接所述前导流件轮毂，另一端连接所述磁电感应转换器的一端；所述磁电感应转换器的另一端连接所述后导流件轮毂；所述前导流件轮毂上设置所述导流叶片组中的前导流件叶片；所述后导流件轮毂上设置所述导流叶片组中的后导流件叶片；所述前导流件轮毂的中轴线处设置所述光纤探针测量模块；所述流体依次流过所述光纤探针测量模块、所述前导流件叶片、所述叶轮叶片和所述后导流件叶片。

可选的，所述电极环组包括沿流体流向依次设置的激励一号电极环、测量电极环和激励二号电极环。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种含可动部件的油气水多相流参数测井仪，所述含可动部件的油气水多相流参数测井仪包括：控制系统和与控制系统电连接的多相流参数测量传感器；多相流参数测量传感器用于采集多相流参数测量传感器内部流体的光纤信号、涡轮信号、电容信号和阻抗信号；控制系统用于根据光纤信号、涡轮信号、电容信号和阻抗信号计算流量、动态持水率、持气率、静态持水率、流体持水率和持油率；多相流参数测量传感器包括电容测量模块、阻抗测量模块、涡轮测量模块和光纤探针测量模块。本发明能实现油气水多相流参数(流量和分相含率)的高稳定性实时测量，并且还具有一体化程度高、无需组装、易更换、测量准确等优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的含可动部件的油气水多相流参数测井仪的结构图；

图2为本发明实施例提供的多相流参数测量传感器的俯视图；

图3为本发明实施例提供的控制系统的硬件整体结构框图；

图4本发明实施例提供的含可动部件的油气水多相流参数的测量方法的流程图；

图5是本发明实施例提供的含可动部件的油气水多相流参数测井仪的井口安装示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的含可动部件的油气水多相流参数测井仪的结构图。

参见图1，本实施例的含可动部件的油气水多相流参数测井仪，包括：控制系统和与所述控制系统电连接的多相流参数测量传感器；所述多相流参数测量传感器用于采集所述多相流参数测量传感器内部流体的光纤信号、涡轮信号、电容信号和阻抗信号；所述控制系统用于根据所述光纤信号、所述涡轮信号、所述电容信号和所述阻抗信号计算流量、动态持水率、持气率、静态持水率、流体持水率和持油率。

所述多相流参数测量传感器呈筒状结构；所述多相流参数测量传感器包括电容阻抗测量模块、涡轮测量模块2和光纤探针测量模块1；所述电容阻抗测量模块包括电容测量模块3与阻抗测量模块4；所述电容测量模块3包括呈筒状结构的绝缘层13和嵌入在所述绝缘层13内的金属层14；所述绝缘层13构成流体通道18；所述阻抗测量模块4包括沿径向设置在所述金属层14对应的流体通道18内的电极环组；所述电极环组内的各电极环的两端均嵌入在所述金属层14内侧的绝缘层13内，且均不与所述电容测量模块3的金属层14连接；所述电极环组暴露在所述流体通道18内，与流体通道18内的流体接触；所述涡轮测量模块2包括沿径向设置在所述流体通道18内的导流叶片组；所述电极环组内的各导流叶片的两端均嵌入在所述绝缘层13内；所述光纤探针测量模块1固定在所述涡轮测量模块2上；所述流体依次流过所述光纤探针测量模块1、所述涡轮测量模块2和所述电容阻抗测量模块，即所述光纤探针测量模块1、所述涡轮测量模块2、所述阻抗阻抗测量模块4/所述电容测量模块3从上游到下游依次分布。

所述涡轮测量模块2还包括叶轮叶片8、前导流件轮毂7、转轴9、磁电感应转换器10和后导流件轮毂12；所述叶轮叶片8设置在所述转轴9上；所述转轴9的一端连接所述前导流件轮毂7，另一端连接所述磁电感应转换器10的一端；所述磁电感应转换器10的另一端连接所述后导流件轮毂12；所述前导流件轮毂7上设置所述导流叶片组中的前导流件叶片6；所述后导流件轮毂12上设置所述导流叶片组中的后导流件叶片11；所述前导流件轮毂7的中轴线处设置所述光纤探针测量模块1；所述流体依次流过所述光纤探针测量模块1、所述前导流件叶片6、所述叶轮叶片8和所述后导流件叶片11。其中，所述叶轮叶片8为可转动部件，且有强磁。

所述电极环组包括沿流体流向依次设置的激励一号电极环15、测量电极环16和激励二号电极环17。激励一号电极环15、测量电极环16、激励二号电极环17均嵌入至绝缘层13中。

所述光纤探针测量模块1为光纤探针；所述光纤探针设置在所述前导流件轮毂7的中轴线处。

如图3所示，所述控制系统包括阻抗信号处理模块、电容信号处理模块、AD采集模块、光纤信号处理模块、涡轮信号处理模块、阻抗激励信号生成电路模块、电容激励信号生成电路模块、电源模块以及控制器。

阻抗激励信号生成电路模块产生20KHz的激励恒流源作用在激励一号电极环15及激励二号电极环17上；阻抗信号处理模块对测量电极环16的电压信号进行调理、压频转换、脉宽调制等处理，输出表示测量电极环16处流体电导率的频率信号。

电容激励信号生成电路模块产生激励电压，激励电压作用在金属层14上。电容信号处理模块对获取的信号进行滤波、整形等处理，最后输出反映金属层14长度区间内流体液面高度信息的频率信号。

光纤探针测量模块1由电源模块提供驱动电压，光纤信号处理模块对获取的电压信号进行差分放大、模数转换后，最后输出反映接触流体介质折射率的电压信号。

电源模块提供的驱动电压作用在涡轮测量模块2的磁电感应转换器10上，涡轮信号处理模块对获取的电压信号进行放大、压频转换、整形等处理后，最后输出反映流体流过叶轮时，流体流量的频率信号。

AD采集模块的功能是将经过处理后的阻抗信号、涡轮信号和光纤信号采集到控制器模块进行统一分析及处理并经电缆进行传输。

电源模块用于对所述油气水多相流参数一体化测量传感器和控制系统进行供电。

电容测量模块3、阻抗测量模块4、涡轮测量模块2的金属件之间的空隙用绝缘材料填充，可使用但不限于工程塑料进行一体化注塑的工艺进行加工，以增强传感器的整体性，方便安装和更换。

控制器内写入分相流量测量方法程序，控制所述多相流参数测量传感器的工作状态，即当所述所述多相流参数测量传感器的内部流体处于运动状态时，电容测量模块3关闭，涡轮测量模块2、阻抗测量模块4和光纤探针测量模块1打开，分别对流体进行动态持水率测量、流量测量和持气率测量；当所述所述多相流参数测量传感器的内部流体处于静置分层状态时，电容测量模块3打开，涡轮测量模块2、阻抗测量模块4及光纤探针测量模块1关闭，对静态持水率进行测量。

具体的，控制器接收阻抗信号处理模块输出的频率信号，该频率信号表示测量电极环16处流体的电导率，通过计算，得出测量电极环16处流体的持水率，即动态持水率(阻抗持水率)；控制器接收光纤信号处理模块的电压信号，该电压信号表示接触介质的折射率，通过阈值法可以计算出流过传感器流体的持气率；控制器接收涡轮信号处理模块输出的频率信号，该频率信号表示流过叶轮的流体流量，通过计算，获得流过叶轮的流体流量；控制器接收电容信号处理模块输出的频率信号，该频率信号表示金属层14长度区间内不同液面高度流体的电容，计算得到内绝缘层13中流体的持水率，即静态持水率(电容持水率)。

本发明还提供了一种含可动部件的油气水多相流参数测量方法，所述测量方法用于上述所述的含可动部件的油气水多相流参数测井仪。

参见图4，所述测量方法，包括：

(1)当多相流参数测量传感器内部的流体处于运动状态时，控制电容测量模块3关闭，阻抗测量模块4、涡轮测量模块2和光纤探针测量模块1打开，并获取所述阻抗测量模块4测得的阻抗信号、所述光纤探针测量模块1测得的光纤信号和所述涡轮测量模块2测得的涡轮信号。具体的，通过指令解析开启涡轮测量模块2、阻抗测量模块4、光纤探针测量模块1，获取涡轮测量模块2响应频率信号f_t并计算流体流速U_m与流量Q_t，通过阻抗测量模块4获取电压信号V_i，获得动态持水率Y_iw，通过光纤探针测量模块1获取电压信号V_f，进而计算流体持气率Y_g。

(2)由所述阻抗信号计算动态持水率。具体包括：

在水为连续相条件下，测量电极环16间的电压幅度与经过阻抗测量模块4流体的电导率成反比。设测量电极环16的电导在油水混相时为G_m，全水时为G_w，混合相的电导率为σ_m，水的电导率为σ_w，多相流参数测量传感器内部的油水两相流体处于运动状态时，阻抗测量模块4测得的阻抗信号(输出频率)为F_m(混相值)，多相流参数测量传感器内部的全水流体处于静置分层状态时，阻抗测量模块4测得的阻抗信号(输出频率)为F_w(全水值)，则由所述阻抗信号确定混合相的导电率和水的导电率的比值

σ_m与σ_w之比由Maxwell公式给出：

其中，β为两相流中连续导电相的体积分数。因此，由所述比值即可确定两相流中连续导电相的体积分数。其中，全水值是在关闭电容测量模块3之后，进行动态测量之前，立即采用阻抗测量模块4测量得到的。

在油水两相流中，两相流中连续导电相的体积分数即为动态持水率，持水率是指井筒某处水相所占的体积百分比。因此，将所述两相流中连续导电相的体积分数确定为动态持水率。

(3)由所述光纤信号计算持气率。具体为：由所述光纤信号确定所述流体的气液相介质类型；由所述气液相介质类型，采用阈值法计算持气率。所述光纤探针测量模块1，经过油气水三相流流体时，光纤探针检测到气相介质时，输出高电平电压信号V_f→1；当对液相介质检测时，输出低电平电压信号V_f→0；依据气液相不同响应，依据阈值法计算流体的持气率。

(4)由所述涡轮信号计算流量。流体在某一流量范围和一定流体沾度范围内，涡轮测量模块2输出的信号频率f_t与通过涡轮流量计的体积流量Q_t成正比。因此可得：

f＝KQ；

其中，f为涡轮信号，K表示涡轮测量模块的仪表系数(1/L或1/m³)，Q表示流量。流体流速U_m依据频率信号f_t同理可以得到。

(5)当多相流参数测量传感器内部的流体处于静置分层状态时，控制所述电容测量模块3打开，所述阻抗测量模块4、所述涡轮测量模块2和所述光纤探针测量模块1关闭，并获取所述电容测量模块3测得的电容信号。

(6)由所述电容信号计算静态持水率。所述电容测量模块3测量部分的原理是将油水比例与电容量建立关系表达式F_c＝F_co+Y_cw(F_cw-F_co)，从而得到静态持水率Y_cw信息。电容激励模块开启，产生电容激励源，确保电容传感器正常工作。由此可得，静态持水率的计算如下：

其中，Y_cw为静态持水率；F_co为电容测量模块置于全油相环境时测得的电容信号(输出频率)；F_cw为电容测量模块置于全水相环境中时测得的电容信号(输出频率)；F_c为电容测量模块置于待测油水两相流体中时测得的电容信号(输出频率)。

(7)由所述动态持水率和所述持气率计算阻抗矫正持水率，由所述持气率和所述静态持水率计算电容矫正持水率。具体为：

其中，Y_icw为阻抗矫正持水率，Y_iw为动态持水率，Y_g为持气率，Y_ccw为电容矫正持水率，Y_cw为静态持水率。

(8)将所述阻抗矫正持水率和所述电容矫正持水率融合，得到流体持水率。具体为：

设置静态权重因子W_cw与动态权重因子W_iw，融合电容矫正持水率Y_ccw和阻抗矫正持水率Y_icw，计算得到流体持水率Y_w＝W_cwY_ccw+W_iwY_icw。

(9)由所述流体持水率和所述持气率计算持油率。具体为：

Y_o＝1-Y_g-Y_w；

其中，Y_o为持油率，Y_g为持气率，Y_w为流体持水率。

本实施例还提供了含可动部件的油气水多相流参数测井仪的井口安装装置。参见图5，该装置包括井口管道、1号电磁阀、2号电磁阀、3号电磁阀、法兰和多相流参数测量传感器；该装置用于控制多相流参数测量传感器内部流体状态(运动状态和静置分层状态)，当关闭1号电磁阀，打开2号电磁阀与3号电磁阀时，装置内部流体处于运动状态，所述多相流参数测量传感器中的阻抗测量模块4、光纤探针测量模块1及涡轮测量模块2开始工作；当关闭2号电磁阀、3号电磁阀，打开1号电磁阀时，装置内部流体处于静置分层状态，多相流参数测量传感器中的电容测量模块3开始工作。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种含可动部件的油气水多相流参数测井仪，其特征在于，包括：控制系统和与所述控制系统连接的多相流参数测量传感器；所述多相流参数测量传感器用于获取所述多相流参数测量传感器内部流体的光纤信号、涡轮信号、电容信号和阻抗信号；所述控制系统用于根据所述光纤信号、所述涡轮信号、所述电容信号和所述阻抗信号计算流量、动态持水率、持气率、静态持水率、流体持水率和持油率；

所述多相流参数测量传感器呈筒状结构；所述多相流参数测量传感器包括电容阻抗测量模块、涡轮测量模块和光纤探针测量模块；所述电容阻抗测量模块包括电容测量模块与阻抗测量模块，所述电容测量模块包括呈筒状结构的绝缘层和嵌入在所述绝缘层内的金属层，所述阻抗测量模块包括沿径向设置在所述金属层对应的流体通道内的电极环组，所述电极环组内的各电极环均嵌入在所述金属层内侧的绝缘层内；所述涡轮测量模块包括沿径向设置在所述流体通道内的导流叶片组；各所述导流叶片组的两端均嵌入在所述绝缘层内；所述光纤探针测量模块固定在所述涡轮测量模块上；所述流体依次流过所述光纤探针测量模块、所述涡轮测量模块和所述电容阻抗测量模块；

所述含可动部件的油气水多相流参数测井仪的控制系统内置有分相流量测量程序；所述分相流量测量程序用于实现油气水多相流参数的测量；所述分相流量测量程序的实现步骤为：

当所述多相流参数测量传感器内部的流体处于运动状态时，控制所述电容测量模块关闭，所述阻抗测量模块、所述涡轮测量模块和所述光纤探针测量模块打开，并获取所述阻抗测量模块测得的阻抗信号、所述光纤探针测量模块测得的光纤信号和所述涡轮测量模块测得的涡轮信号；

由所述阻抗信号计算动态持水率；

由所述光纤信号计算持气率；

由所述涡轮信号计算流量；

当所述多相流参数测量传感器内部的流体处于静置分层状态时，控制所述电容测量模块打开，所述阻抗测量模块、所述涡轮测量模块和所述光纤探针测量模块关闭，并获取所述电容测量模块测得的电容信号；

由所述电容信号计算静态持水率；

由所述动态持水率和所述持气率计算阻抗矫正持水率，由所述持气率和所述静态持水率计算电容矫正持水率；

将所述阻抗矫正持水率和所述电容矫正持水率融合，得到流体持水率；

由所述流体持水率和所述持气率计算持油率。

2.根据权利要求1所述的一种含可动部件的油气水多相流参数测井仪，其特征在于，所述涡轮测量模块还包括叶轮叶片、前导流件轮毂、转轴、磁电感应转换器和后导流件轮毂；所述叶轮叶片设置在所述转轴上；所述转轴的一端连接所述前导流件轮毂，另一端连接所述磁电感应转换器的一端；所述磁电感应转换器的另一端连接所述后导流件轮毂；所述前导流件轮毂上设置所述导流叶片组中的前导流件叶片；所述后导流件轮毂上设置所述导流叶片组中的后导流件叶片；所述前导流件轮毂的中轴线处设置所述光纤探针测量模块；所述流体依次流过所述光纤探针测量模块、所述前导流件叶片、所述叶轮叶片和所述后导流件叶片。

3.根据权利要求1所述的一种含可动部件的油气水多相流参数测井仪，其特征在于，所述电极环组包括沿流体流向依次设置的激励一号电极环、测量电极环和激励二号电极环。

Images