CN112362121B - 一种基于热学法的水平井油水两相流流量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油工程技术领域，具体涉及一种基于热学法的水平井油水两相流流量的测量方法。1、在水平油水管道上游安装一对电容传感器测量两相流的含水率，并通过含水率判断流体达到稳定状态；2、在流型达到稳定状态后，控制水平管道内脉冲式内热源加热油水两相流流体，产生一个持续时间短、峰值高的热脉冲；3、在油水两相流入口处固定一个温度探测器，测量流体的初始温度；热源下游管道中放置两个温度探测器阵列；采集管道中流体的温度信号；4、建立水平油水两相流的平均流速计算模型，计算水平油水两相流的流量。改善了油井出砂等问题对油水两相流流量测量所产生的影响和平均流量测量不准确的问题，更加精确的测量水平井油水两相流的流量。

Description

一种基于热学法的水平井油水两相流流量的测量方法

技术领域：

本发明属于石油工程技术领域，具体涉及一种基于热学法的水平井油水两相流流量的测量方法。

背景技术：

油水两相流的流量是目前油田开发过程中的一项重要参数。及时、准确的掌握油井流量对于掌握井下情况、制定生产计划、提高油井质量具有十分重要的意义。目前常用的流量测量方法，如涡轮流量计、超声波流量计等在遇到较高粘度流体时由于流体粘附的影响会引起很大的测量误差，甚至无法进行测量。基于热学法测量水平井油水两相流的流量，不需要可动部件，受到流体粘附的影响也比较小，在含砂油井中也能够长时间的工作。

目前的流量测量大部分使用的是涡轮流量计、超声波流量计，但这些方法存在以下两个缺点：(1)、涡轮流量计易受到油井出砂的影响；超声波流量计易受到复杂流体结构分布和环境温度的影响；(2)、目前方法多为单点求流速来代替平均流速，但是由于水平井中油水存在分层流动，导致测量误差较大。

发明内容：

为了解决油井出砂等问题对油水两相流流量测量所产生的影响和平均流量测量不准确的问题，本发明提出了一种基于热学法的水平井油水两相流流量测量方法，该方法主要是通过计算脉冲加热后的流体通过固定距离温度探测器阵列所用的渡越时间来间接的得到流体的流量。提高了水平井两相流流量测量的精度，满足了实际情况下井下流速测量的需要。

本发明采用的技术方案为：一种基于热学法的水平井油水两相流流量的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

步骤一：在水平油水管道上游安装一对电容传感器，用于测量两相流的含水率，并通过含水率判断油水两相流流动是否达到稳定状态；

水平井筒中的油水两相流流体在固定的流道内分层流动，当对两相流介质施加平行于其表面的极化电场时，水相和油相的介质相对于极化场，是一种并联状态；根据并联原理，计算两相流混合物的等效介电常数的公式，可以表示为：

ε＝β_tε_w+(1-β_t)ε_o

其中，ε表示油水两相流的介电常数，ε_w表示水的介电常数，ε_o表示油的介电常数，β_t表示t时水平油水两相流流道内的含水率，t的零时刻为热源开始通电时刻，通过检测油水两相流介电常数的变化，实现对含水率的测量，当油水两相流流动达到稳定状态，两相流的含水率也趋于稳定，即

|β_(t+Δt)-β_t)|≤δ

其中，β_(t+Δt)表示t+Δt时水平油水两相流流道内的含水率，δ表示油水两相流流体是否稳定的含水率判定阈值，Δt为流体到达稳定的时间；

步骤二：在流型达到稳定状态后，控制水平管道内脉冲式内热源加热油水两相流流体，产生一个持续时间短、峰值高的热脉冲；

温度探测器的排布和热源形状的选择如下：

初始温度探测器位于水平油水两相流体的上游，测量流体的初始温度T₀；热源处于流体流动方向上，且与初始温度探测器距离为L；温度探测器阵列1处于流体流动方向上，且与热源距离为L；温度探测器阵列2处于流体流动方向上，且与温度探测器阵列1距离为L；当油水两相流流体流过圆形测量管道中的热源发生器时，利用脉冲方式来控制电容对热源发生器放电，使电容在极短的时间内能够提供一个较大的脉冲功率给热源发生器，使热源发生器能够迅速发热，根据热传导原理热源发生器周围的运动流体同样也能得到加热，从而流体的温度迅速升高，产生热脉冲流体；

为考察相同表面积下不同热源形状的最大温升，以热源中心为原点、以垂直大地方向为Y方向、以流体流动方向为Z方向、以平行大地方向为X方向建立加热坐标系，由热对流-扩散方程可得到热源加热t时间后在空间(x,y,z)处的温度场T(x,y,z,t)为：

其中，t'表示油水两相流时间积分变量，u(t-t')表示油水两相流在(t-t')时的流速，

表示流体扩散系数，ρ是油水两相流密度，c是油水两相流热容，q(t')为热源在t'时刻释放出的热量，q(t')表达式如下：

其中P为热源的功率，t_w为加热脉冲的持续时间，ρ_s为热源中导线的密度，c_s为导线的热容，d为导线的直径，Nu为努塞尔系数，Nu的值随着流体的温度变化而变化，k为油水两相流热传导系数，l为热源的长度；

根据Kramers方程和雷诺数表达式可知，Nu可用下式计算：

其中，μ两相流流动动力黏度，D两相流流道直径，Pr为两相流普朗特数，

在此令x＝0，y＝0，z＝L，可得到下式：

选取换热面积相同的长方体，圆柱两种形状的热源，长方体型热源的长为4mm，宽为2mm，高为5mm；圆柱形热源的半径为2mm，长为4mm，流体初始温度为300K，代入上式可得距离热源60mm处在两种热源加热下的温升曲线方程：

其中，T_Cu(t)、T_Cy(t)分别为长方体热源和圆柱体热源的温升；

由以上算式可知，在相同面积情况下，长方体型热源最大温升值明显高于圆柱型热源，有利于对热脉冲信号的采集，本方法采用长方体型热源；

步骤三：在油水两相流入口处固定一个温度探测器，测量流体的初始温度；热源下游管道中放置两个温度探测器阵列，使其中一个温度探测器阵列处于热源与另外一个温度探测器阵列的中间；采集管道中流体的温度信号，计算油水两相流流体经过下游的两个温度探测器阵列所用的渡越时间；

每个温度探测器阵列由5个温度探测器构成，每个温度探头插入管径的深度不同，5个温度探测器分别测量距离管道上壁面为D/8、D/4、D/2、3D/4、7D/8处的温度，D为油水两相流管道直径，插入深度相同的温度探测器构成一对温度探测器来测量温度从而测量该深度处的流速；

温度探测器阵列1、温度探测器阵列2获得的温度信号为T_mn(t)，T_mn(t)为第m个温度探测器阵列上第n个温度探测器的序号，其中m为温度探测器阵列序号，n为温度探测器阵列上自下而上温度探测器的序号，m取值范围为1、2，n取值范围为1、2、3、4、5；

在同一流道中流动噪声具有相关性，T_2n(t)相比T_1n(t)在时间上延迟了τ_2n→1n，即：

T_2n(t)＝T_1n(t+τ_2n→1n)

求解T_2n(t)、T_1n(t+τ_2n→1n)的最大值可以获取度越时间τ_2n→1n；

步骤四：建立一种基于加权法的水平油水两相流平均流速计算模型，进而计算水平油水两相流的流量；

水平油水多相流管道中油水分层、各处流速均不相同，并且各处流速对平均速度的贡献也不相同，也就是各处权值不同，故平均速度不能简单加和处理，该基于加权法的水平油水两相流平均流速计算模型表达式如下：

u_av＝λ₁v₁+λ₂v₂+λ₃v₃+λ₄v₄+λ₅v₅

其中v₁、v₂、v₃、v₄、v₅分别为距离管道上壁面为D/8、D/4、D/2、3D/4、7D/8处的速度；λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅分别为距离管道上壁面为D/8、D/4、D/2、3D/4、7D/8处速度权值系数；

v₁、v₂、v₃、v₄、v₅的计算方法如下：

其中，i表示距离管道上壁面不同位置处的速度序号，i＝1,2,3,4,5。

λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅通过在模拟井上标定的方法求解，即给定一组已知流量、给定各处的速度，然后求解超定方程组获得；

则两相流流体的流量为：

其中Q表示流体的体积流量，S为油水两相流管道的横截面积，D为管道的直径。

进一步地，对油水两相流在水平管道内使用集流伞进行集流，在水平管道上游安装一对电容传感器，来测量两相流的含水率，通过含水率判断流型是否达到稳定状态；在流型达到稳定状态后，控制水平管道内脉冲式内热源在加热状态，形成一个持续时间短、峰值高的热脉冲；在流道入口处放置一个温度探测器，测量流体的初始温度；热源下游放置两个等距离的温度探测器阵列，在脉冲加热后进行温差信号采集；计算油水两相流流体经过下游的两个温度探测器阵列所用的渡越时间，以及油水两相流流体的平均流速，进而得到流体的流量。基于热学法对水油两相流流量的测量方法，可以更好地处理流体粘度的难题，有效提高出砂井、稠油井的流量测量的精确度。

本发明的有益效果：提出了一种基于热学法的水平井油水两相流流量测量方法，该方法主要是通过计算脉冲加热后的流体通过固定距离温度探测器阵列所用的渡越时间来间接的得到流体的流量。提高了水平井两相流流量测量的精度，满足了实际情况下井下流速测量的需要。其主要优点如下：

(1)采用电容值法判定流体稳定后再进行测量，保证了测量的正确性，提高了测量精度与可靠性；

(2)采用加权法求解油水两相流流速，平均速度计算更准确，为油田提供更为可靠的流量数据；

(3)基于热学法对水平井油水两相流流量的测量方法，可以更好地处理流体粘度的问题，有效提高出砂井、稠油井的流量测量精确度，为油井压裂、堵水、调剖等提供可靠的测量数据，为油藏动态开发与调整、剩余油评价、油藏动用状况评价等提供基础数据。

附图说明：

图1是实施例一中热学法测量油水两相流流量的示意图；

图2是实施例一中建立加热坐标系的示意图；

图3是实施例一中本方法电容法判定流体稳定后的流量精度与现有不判定流体稳定的精度对比图；

图4是实施例一中本方的法平均流速计算方法与现有方法对比图；

图5实施例一中本方法与涡轮流量计超声波流量计测量结果对比图。

具体实施方式：

实施例一

参照各图，一种基于热学法的水平井油水两相流流量的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

步骤一：在水平油水管道上游安装一对电容传感器，用于测量两相流的含水率，并通过含水率判断油水两相流流动是否达到稳定状态；

水平井筒中的油水两相流流体在固定的流道内分层流动，当对两相流介质施加平行于其表面的极化电场时，水相和油相的介质相对于极化场，是一种并联状态；根据并联原理，计算两相流混合物的等效介电常数的公式，可以表示为：

ε＝β_tε_w+(1-β_t)ε_o

其中，ε表示油水两相流的介电常数，ε_w表示水的介电常数，ε_o表示油的介电常数，β_t表示t时水平油水两相流流道内的含水率，t的零时刻为热源开始通电时刻，如图1，电容传感器通过检测油水两相流介电常数的变化，实现对含水率的测量，当油水两相流流动达到稳定状态，两相流的含水率也趋于稳定，即

|β_(t+Δt)-β_t)|≤δ

其中，β_(t+Δt)表示t+Δt时水平油水两相流流道内的含水率，δ表示油水两相流流体是否稳定的含水率判定阈值，Δt为流体到达稳定的时间；

步骤二：在流型达到稳定状态后，控制水平管道内脉冲式内热源加热油水两相流流体，产生一个持续时间短、峰值高的热脉冲；

温度探测器的排布和热源形状的选择如下：

如图1，初始温度探测器位于水平油水两相流体的上游，测量流体的初始温度T₀；热源处于流体流动方向上，且与初始温度探测器距离为L；温度探测器阵列1处于流体流动方向上，且与热源距离为L；温度探测器阵列2处于流体流动方向上，且与温度探测器阵列1距离为L；当油水两相流流体流过圆形测量管道中的热源发生器时，利用脉冲方式来控制电容对热源发生器放电，使电容在极短的时间内能够提供一个较大的脉冲功率给热源发生器，使热源发生器能够迅速发热，根据热传导原理热源发生器周围的运动流体同样也能得到加热，从而流体的温度迅速升高，产生热脉冲流体；

如图2，为考察相同表面积下不同热源形状的最大温升，以热源中心为原点、以垂直大地方向为Y方向、以流体流动方向为Z方向、以平行大地方向为X方向建立加热坐标系，由热对流-扩散方程可得到热源加热t时间后在空间(x,y,z)处的温度场T(x,y,z,t)为：

其中，t'表示油水两相流时间积分变量，u(t-t')表示油水两相流在(t-t')时的流速，

表示流体扩散系数，ρ是油水两相流密度，c是油水两相流热容，q(t')为热源在t'时刻释放出的热量，q(t')表达式如下：

其中P为热源的功率，t_w为加热脉冲的持续时间，ρ_s为热源中导线的密度，c_s为导线的热容，d为导线的直径，Nu为努塞尔系数，Nu的值随着流体的温度变化而变化，k为油水两相流热传导系数，l为热源的长度；

根据Kramers方程和雷诺数表达式可知，Nu可用下式计算：

其中，μ两相流流动动力黏度，D两相流流道直径，Pr为两相流普朗特数，

在此令x＝0，y＝0，z＝L，可得到下式：

选取换热面积相同的长方体，圆柱两种形状的热源，长方体型热源的长为4mm，宽为2mm，高为5mm；圆柱形热源的半径为2mm，长为4mm，流体初始温度为300K，代入上式可得距离热源60mm处在两种热源加热下的温升曲线方程：

其中，T_Cu(t)、T_Cy(t)分别为长方体热源和圆柱体热源的温升；

由以上算式可知，在相同面积情况下，长方体型热源最大温升值明显高于圆柱型热源，有利于对热脉冲信号的采集，本方法采用长方体型热源；

步骤三：在油水两相流入口处固定一个温度探测器，测量流体的初始温度；热源下游管道中放置两个温度探测器阵列，使其中一个温度探测器阵列处于热源与另外一个温度探测器阵列的中间；采集管道中流体的温度信号，计算油水两相流流体经过下游的两个温度探测器阵列所用的渡越时间；

每个温度探测器阵列由5个温度探测器构成，每个温度探头插入管径的深度不同，5个温度探测器分别测量距离管道上壁面为D/8、D/4、D/2、3D/4、7D/8处的温度，D为油水两相流管道直径，插入深度相同的温度探测器构成一对温度探测器来测量温度从而测量该深度处的流速；

温度探测器阵列1、温度探测器阵列2获得的温度信号为T_mn(t)，T_mn(t)为第m个温度探测器阵列上第n个温度探测器的序号，其中m为温度探测器阵列序号，n为温度探测器阵列上自下而上温度探测器的序号，m取值范围为1、2，n取值范围为1、2、3、4、5；

在同一流道中流动噪声具有相关性，T_2n(t)相比T_1n(t)在时间上延迟了τ_2n→1n，即：

T_2n(t)＝T_1n(t+τ_2n→1n)

求解T_2n(t)、T_1n(t+τ_2n→1n)的最大值可以获取度越时间τ_2n→1n；

步骤四：建立一种基于加权法的水平油水两相流平均流速计算模型，进而计算水平油水两相流的流量；

水平油水多相流管道中油水分层、各处流速均不相同，并且各处流速对平均速度的贡献也不相同，也就是各处权值不同，故平均速度不能简单加和处理，该基于加权法的水平油水两相流平均流速计算模型表达式如下：

u_av＝λ₁v₁+λ₂v₂+λ₃v₃+λ₄v₄+λ₅v₅

其中v₁、v₂、v₃、v₄、v₅分别为距离管道上壁面为D/8、D/4、D/2、3D/4、7D/8处的速度；λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅分别为距离管道上壁面为D/8、D/4、D/2、3D/4、7D/8处速度权值系数；

v₁、v₂、v₃、v₄、v₅的计算方法如下：

其中，i表示距离管道上壁面不同位置处的速度序号，i＝1,2,3,4,5。

λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅通过在模拟井上标定的方法求解，即给定一组已知流量、给定各处的速度，然后求解超定方程组获得；

则两相流流体的流量为：

其中Q表示流体的体积流量，S为油水两相流管道的横截面积。

在同一流量下采用本方法提出的电容法判定流体稳定法与现有不判定流体稳定法进行多次流量测量实验，实验结果如图3所示。由图3可知，在10次实验中，本电容法判定流体稳定法的测量结果稳定可靠，而现有不判定流体稳定法的测量结果有4次可靠，6次不可靠。

采用本发明提出的平均速度加权计算方法和现有的简单加和方法对同样持率下不同流速下的流量进行测量，测量结果如图4。由图4可知，在不同流量下本专利方法精度均高于现有方法，且本方法最大误差为3.9％，而现有方法最大误差为5.1％。

分别采用本发明与涡轮法、超声波对5-35方/天的流量进行了测量，测量结果如图5。由图5可知，本方法在各测量点误差均小于涡轮法、超声波法，本方法最大偏差为2.8％，涡轮法最大偏差为3.9％，超声法最大偏差为3.8％。

Claims (1)

1.一种基于热学法的水平井油水两相流流量的测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤：

步骤一：在水平油水管道上游安装一对电容传感器，用于测量两相流的含水率，并通过含水率判断油水两相流的流动是否达到稳定状态；

根据并联原理，计算两相流混合物的等效介电常数的公式，可以表示为：

ε＝β_tε_w+(1-β_t)ε_o

其中，ε表示油水两相流的介电常数，ε_w表示水的介电常数，ε_o表示油的介电常数，β_t表示t时水平油水两相流流道内的含水率，t的零时刻为热源开始通电时刻，通过检测油水两相流介电常数的变化，实现对含水率的测量，当油水两相流流动达到稳定状态，两相流的含水率也趋于稳定，即

|β_(t+Δt)-β_t|≤δ

其中，β_(t+Δt)表示t+Δt时水平油水两相流流道内的含水率，δ表示油水两相流流体是否稳定的含水率判定阈值，Δt为流体到达稳定的时间；

步骤二：在流型达到稳定状态后，控制水平管道内脉冲式内热源加热油水两相流流体，产生一个热脉冲；

初始温度探测器位于水平油水两相流体的上游，测量流体的初始温度T₀；热源处于流体流动方向上，且与初始温度探测器距离为L；温度探测器阵列1处于流体流动方向上，且与热源距离为L；温度探测器阵列2处于流体流动方向上，且与温度探测器阵列1距离为L；

以热源中心为原点、以垂直大地方向为Y方向、以流体流动方向为Z方向、以平行大地方向为X方向建立加热坐标系，由热对流-扩散方程可得到热源加热t时间后在空间(x,y,z)处的温度场T(x,y,z,t)为：

其中，t'表示油水两相流时间积分变量，u(t-t')表示油水两相流在(t-t')时的流速，

表示流体扩散系数，ρ是油水两相流密度，c是油水两相流热容，q(t')为热源在t'时刻释放出的热量，q(t')表达式如下：

其中P为热源的功率，t_w为加热脉冲的持续时间，ρ_s为热源中导线的密度，c_s为导线的热容，d为导线的直径，Nu为努塞尔系数，Nu的值随着流体的温度变化而变化，k为油水两相流热传导系数，l为热源的长度；

根据Kramers方程和雷诺数表达式可知，Nu可用下式计算：

其中，μ两相流流动动力黏度，D两相流流道直径，Pr为两相流普朗特数，

在此令x＝0，y＝0，z＝L，可得到下式：

选取换热面积相同的长方体，圆柱两种形状的热源，长方体型热源的长为4mm，宽为2mm，高为5mm；圆柱形热源的半径为2mm，长为4mm，流体初始温度为300K，代入上式可得距离热源60mm处在两种热源加热下的温升曲线方程：

其中，T_Cu(t)、T_Cy(t)分别为长方体热源和圆柱体热源的温升；

步骤三：在油水两相流入口处固定一个温度探测器，测量流体的初始温度；热源下游管道中放置两个温度探测器阵列，使其中一个温度探测器阵列处于热源与另外一个温度探测器阵列的中间；采集管道中流体的温度信号，计算油水两相流流体经过下游的两个温度探测器阵列所用的渡越时间；

每个温度探测器阵列由5个温度探测器构成，每个温度探头插入管径的深度不同，5个温度探测器分别测量距离管道上壁面为D/8、D/4、D/2、3D/4、7D/8处的温度，D为油水两相流管道直径，插入深度相同的温度探测器构成一对温度探测器来测量温度从而测量该深度处的流速；

温度探测器阵列1、温度探测器阵列2获得的温度信号为T_mn(t)，T_mn(t)为第m个温度探测器阵列上第n个温度探测器的序号，其中m为温度探测器阵列序号，n为温度探测器阵列上自下而上温度探测器的序号，m取值范围为1、2，n取值范围为1、2、3、4、5；

在同一流道中流动噪声具有相关性，T_2n(t)相比T_1n(t)在时间上延迟了τ_2n→1n，即：

T_2n(t)＝T_1n(t+τ_2n→1n)

求解T_2n(t)、T_1n(t+τ_2n→1n)的最大值可以获取度越时间τ_2n→1n；

步骤四：建立一种基于加权法的水平油水两相流平均流速计算模型，进而计算水平油水两相流的流量；

该基于加权法的水平油水两相流平均流速计算模型表达式如下：

u_av＝λ₁V₁+λ₂v₂+λ₃v₃+λ₄v₄+λ₅v₅

其中v₁、v₂、v₃、v₄、v₅分别为距离管道上壁面为D/8、D/4、D/2、3D/4、7D/8处的速度；λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅分别为距离管道上壁面为D/8、D/4、D/2、3D/4、7D/8处速度权值系数；

v₁、v₂、v₃、v₄、v₅的计算方法如下：

其中，i表示距离管道上壁面不同位置处的速度序号，i＝1,2,3,4,5；

λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅通过在模拟井上标定的方法求解，即给定一组已知流量、给定各处的速度，然后求解超定方程组获得；

则两相流流体的流量为：

其中Q表示流体的体积流量，S为油水两相流管道的横截面积，D为管道的直径。

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