CN116717242A - 电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统及方法，其系统包括信号发射装置、电压强度检测装置及地面主机；信号发射装置用于嵌设于上油管与下油管之间，并用于依次选择不同电容与油管连接、对应发送具有相同频率的低频交流电流信号；电压强度检测装置用于设于油管上，与所述信号发射装置通信连接，并用于检测不同电容与油管连接时对应产生的不同电压强度信号；地面主机用于设于地面上，与所述信号发射装置及所述电压强度检测装置均通信连接，并用于具有相同频率的接收低频交流电流信号及不同电容与油管连接时电压强度检测装置所检测的不同电压强度信号，计算油井油水界面距井口高度；因此解决了常规测距方式中仅能识别井下气液界面而无法识别实际油水界面的问题。

Description

电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统及方法

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，具体是涉及一种电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统及方法。

背景技术

我国油田目前处于开发中后期，在开发过程中逐渐出现了产量下降、含水量增加以及开采成本上升等问题，为最大限度的提高油井产量，降低开采成本，需要对油井井下液位进行实时监测。井下液位是指油井油套环空中的液面距离井口的高度，是反应地层供液能力的关键指标。目前大部分油井主要采用抽油机进行抽油作业，抽油泵的下沉深度需要根据油水界面的高度进行调整，下沉深度过小或过大，会影响抽油机的机械性能，同时还会造成能源的浪费，导致开采成本过高。因此对油井井下油水界面进行实时监测，能够调整作业，对于提高油井的生产效率，降低开采成本具有重要意义。

在目前相关技术中，一种基于声波的油井动液面深度测量装置，主要向井内发射次声波，利用波的反射来测量油井井下液位，但是该方法所测深度为井内液体的液位深度，无法得到实际油水界面的深度，而且声波在油井井下恶劣环境中容易衰减，测量精度不高。

因此针对上述问题，如何解决常规测距方式中仅能识别井下气液界面而无法识别实际油水界面的问题，是亟待解决。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统及方法，解决常规测距方式中仅能识别井下气液界面而无法识别实际油水界面的问题。

第一方面，提供一种电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统，与所述管道结构连接，所述管道结构包括均用于连通地面与油井的套管及油管，油管设于套管的空腔中，所述油管包括对齐设置的上油管及下油管；包括：

信号发射装置，用于嵌设于上油管与下油管之间，并用于依次选择不同电容与油管连接、对应发送具有相同频率的低频交流电流信号；

电压强度检测装置，用于设于油管上，与所述信号发射装置通信连接，并用于检测不同电容与油管连接时对应产生的不同电压强度信号；以及，

地面主机，用于设于地面上，与所述信号发射装置及所述电压强度检测装置均通信连接，并用于接收具有相同频率的低频交流电流信号及不同电容与油管连接时电压强度检测装置所检测的不同电压强度信号，计算油井油水界面距井口高度。

一些实施例中，所述电压强度检测装置设于所述下油管上，且设于所述信号发射装置的下方。

一些实施例中，所述地面主机用于，

获取低频交流电流信号的相同频率值；

选取不同电压强度信号中的最小电压值对应的目标电容；

根据所述相同频率值及所述目标电容，计算油井油水界面距井口高度。

一些实施例中，所述地面主机用于计算油井油水界面距井口高度h的公式如下：

式中，f为相同频率值；μ_r为油井井下环空中气体的相对磁导率；μ₀为真空磁导率；r₁为油管外径值；r₂为套管外径值；C_min为不同电压强度信号中的最小电压值对应的目标电容值。

第二方面，提供一种电容梯级投切型油井油水界面实时测量方法，应用于如上述所述的电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统，包括以下步骤：

信号发射装置依次选择不同电容与油管连接、对应发送具有相同频率的不同低频交流电流信号；

电压强度检测装置检测不同电容与油管连接时对应产生的不同电压强度信号；

地面主机接收具有相同频率的低频交流电流信号及不同电容与油管连接时电压强度检测装置所检测的不同电压强度信号，计算油井油水界面距井口高度。

一些实施例中，所述接收具有相同频率的低频交流电流信号及不同电压强度信号，计算油井油水界面距井口高度步骤，包括以下步骤：

获取低频交流电流信号的相同频率值；

选取不同电压强度信号中的最小电压值对应的目标电容；

根据所述相同频率值及所述目标电容，计算油井油水界面距井口高度。

一些实施例中，所述根据所述相同频率值及所述目标电容，计算油井油水界面距井口高度步骤，包括以下步骤：

计算油井油水界面距井口高度h的公式如下：

式中，f为相同频率值；μ_r为油井井下环空中气体的相对磁导率；μ₀为真空磁导率；r₁为油管外径值；r₂为套管外径值；C_min为不同电压强度信号中的最小电压值对应的目标电容值。

与现有技术相比，本发明提供的电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统，能够识别油井井下油水界面高度，其采用的所述信号发射装置、所述电压强度检测装置及所述地面主机，通过根据具有相同频率的低频交流电流信号及不同电压强度信号来计算油井油水界面距井口高度，解决常规测距方式中仅能识别井下气液界面而无法识别实际油水界面的问题。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统的结构示意图；

图2是本发明的套管、油管、地层构成的回路连接不同电容时对应的井下回路总阻抗变化图；

图3是本发明一实施例提供的电容梯级投切型油井油水界面实时测量方法的流程示意图；

附图标号：

1、信号发射装置；2、电压强度检测装置；3、地面主机；4、套管；5、油管；6、地层；7、油；8、油水界面；9、水。

具体实施方式

现在将详细参照本发明的具体实施例，在附图中例示了本发明的例子。尽管将结合具体实施例描述本发明，但将理解，不是想要将本发明限于所述的实施例。相反，想要覆盖由所附权利要求限定的在本发明的精神和范围内包括的变更、修改和等价物。应注意，这里描述的方法步骤都可以由任何功能块或功能布置来实现，且任何功能块或功能布置可被实现为物理实体或逻辑实体、或者两者的组合。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

注意：接下来要介绍的示例仅是一个具体的例子，而不作为限制本发明的实施例必须为如下具体的步骤、数值、条件、数据、顺序等等。本领域技术人员可以通过阅读本说明书来运用本发明的构思来构造本说明书中未提到的更多实施例。

参见图1所示，本发明实施例提供一种电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统，与所述管道结构连接，所述管道结构包括均用于连通地面与油井的套管4及油管5，油管5设于套管4的空腔中，所述油管5包括对齐设置的上油管及下油管；包括：

信号发射装置1，用于嵌设于上油管与下油管之间，并用于依次选择不同电容与油管5连接、对应发送具有相同频率的低频交流电流信号；

电压强度检测装置2，用于设于油管5上，与所述信号发射装置1通信连接，并用于检测不同电容与油管5连接时对应产生的不同电压强度信号；

地面主机3，用于设于地面上，与所述信号发射装置1及所述电压强度检测装置2均通信连接，并用于接收具有相同频率的低频交流电流信号及不同电容与油管连接时电压强度检测装置所检测的不同电压强度信号，计算油井油水界面距井口高度。

可选的，所述电压强度检测装置2设于所述下油管上，且设于所述信号发射装置1的下方。

具体的，本实施例中，套管4为多层连续管道，从油井井口插入到井底，用于封隔上部不稳定的松软、易塌、易漏地层6和水9，建立一条油气通道。油管5也为多层连续管道，从油井井口套管内插入油井产层，用于将地层中的油气抽取至地面。

信号发射装置1进行了绝缘处理，其输出端分别连接绝缘端面上下部分油管，用于将交流电流信号直接注入到油管5上。电压强度检测装置2用于测量信号发射装置1绝缘端面上下部分油管处的电位变化，检测油管5上产生的不同强度的电压信号；所述信号发射装置1与电压强度检测装置2均位于油水界面8最大高度以上。

信号发射装置1利用单片机数字信号控制不同电容通道输入电压，实现电容选择，且所选电容[C₁ C₂ C₃…C_m]远大于油管、套管与地层之间形成的分布电容c，电容[C₁ C₂C₃…C_m]满足C_n-C_n-1＝ΔC(n＝1,2,3...m)，ΔC与m的取值取决于油井几何尺寸等基本参数以及要求测量精度，按照所设置顺序依次选择不同电容后发射相同频率f的低频交流电流信号，油管5、套管4与地层6构成的回路中会产生的电压信号强度会随着所选电容的变化而变化。

电压强度检测装置2检测油管串并联不同电容[C₁ C₂ C₃…C_m]时产生的不同电压强度信号[U₁ U₂ U₃…U_m]，并发送至地面主机3。

最后地面主机3接收并比较不同电容与油管连接时对应产生的电压强度[U₁ U₂U₃…U_m]，计算油井油水界面距井口高度。

因此，与现有技术相比，常规声波测距以及激光测距方法仅能测量井下液位，无法识别液体中的油水界面，本发明提供的一种电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统，能够识别油井井下油水界面高度，其采用的所述信号发射装置、所述电压强度检测装置及所述地面主机，通过根据具有相同频率的低频交流电流信号及不同电压强度信号来计算油井油水界面距井口高度，解决常规测距方式中仅能识别井下气液界面而无法识别实际油水界面的问题。

可选的，所述地面主机3用于，

获取低频交流电流信号的相同频率值；

选取不同电压强度信号中的最小电压值对应的目标电容；

根据所述相同频率值及所述目标电容，计算油井油水界面距井口高度。

具体的，本实施例中，在相关技术中，一种使用电信号对储气库油水界面高度进行实时测量的方法，但是由于井下阻抗分布复杂，导致稳定输出高频信号存在困难等问题。

本发明通过在油井井下回路中串并联不同电容，检测不同油水界面高度时油井井下回路电感变化，比较不同电压强度信号[U₁ U₂ U₃…U_m]，得到电压强度最小时对应目标电容值来计算油水界面距井口高度，同时信号发射装置可以使用低频交流信号，解决了传统信号发射装置受井下恶劣环境影响难以稳定输出高频信号的难题。

可选的，所述地面主机用于计算油井油水界面距井口高度h的公式如下：

式中，f为相同频率值；μ_r为油井井下环空中气体的相对磁导率；μ₀为真空磁导率；r₁为油管外径值；r₂为套管外径值；C_min为不同电压强度信号中的最小电压值对应的目标电容值。

具体的，本实施例中，电压强度信号U与套管、油管、地层构成的回路等效阻抗Z有关，信号发射装置发射相同频率为f，幅值为I的交流电流信号，回路等效阻抗为：

电压强度检测装置检测的电压强度信号为：

其中，油管、套管与地层构成回路的电阻为：

ρ为管道电阻率，S₁、S₂为分别为油管、套管的管道截面积，h为油水界面距离井口高度。

油管、套管与地层构成回路的电感L与油水界面距井口高度h有关，具体为：

其中，μ_r为油井井下环空中气体的相对磁导率；μ₀为真空中气体的相对磁导率；r₁为油管外径值；r₂为套管外径值；

油管、套管与地层构成的回路电容c远小于信号发射装置输出端所选电容C，可以忽略其影响，近似认为所述回路电容为信号发射装置输出端所选电容C。

信号发射装置采用恒电流输出，电压强度检测装置所测电压强度U大小与回路阻抗Z有关，当信号发射装置所选电容值与井下阻抗匹配时，井下回路处于谐振状态，此时回路阻抗Z最小，即时，U最小，此时得到电压强度最小时对应目标电容值C_min。

此时频率为：

对应油井油水界面距井口高度h的计算公式如下：

为了使本发明更易理解，如下表(一)为油井油水界面距井口高度测量的数值模拟相关参数；

根据表1所示参数，并带入上述公式，可以计算得到当油井油水界面距井口高度为800m时，井下回路阻抗分布参数为电阻R＝0.0425Ω，电感L＝0.0551H。信号发射装置的电容组[C₁ C₂ C₃…C_m]设置为：m＝20，C₀＝10μF，C₂₀＝200μF。回路串并联不同电容时对应的回路总阻抗变化如图2所示，当电容值为C₅＝50μF时，井下总阻抗Z最小，对应电压强度检测装置检测的结果[U₁ U₂ U₃…U_m]中，U_min＝U₅。

故当实际现场试验时，通过测量[U₁ U₂ U₃…U_m]中的最小值U_min，可以确定与井下回路阻抗匹配的电容值C_min，从而计算出油井油水界面距井口高度h。

表(一)

参见图3所示，本发明实施例提供了一种电容梯级投切型油井油水界面实时测量方法，应用于如上述所述的电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统，包括以下步骤：

S100，信号发射装置依次选择不同电容与油管连接、对应发送具有相同频率的不同低频交流电流信号；

S200，电压强度检测装置检测不同电容与油管连接时对应产生的不同电压强度信号；

S300，地面主机接收具有相同频率的低频交流电流信号及不同电容与油管连接时电压强度检测装置所检测的不同电压强度信号，计算油井油水界面距井口高度。

可选的，所述S300，接收具有相同频率的不同低频交流电流信号及不同电压强度信号，计算油井油水界面距井口高度步骤，包括以下步骤：

S310，获取低频交流电流信号的相同频率值；

S320，选取不同电压强度信号中的最小电压值对应的目标电容；

S330，根据所述相同频率值及所述目标电容，计算油井油水界面距井口高度。

可选的，所述S330，根据所述相同频率值及所述目标电容，计算油井油水界面距井口高度步骤，包括以下步骤：

计算油井油水界面距井口高度h的公式如下：

式中，f为相同频率值；μ_r为油井井下环空中气体的相对磁导率；μ₀为真空磁导率；r₁为油管外径值；r₂为套管外径值；C_min为不同电压强度信号中的最小电压值对应的目标电容值。

因此，与现有技术相比，常规声波测距以及激光测距方法仅能测量井下液位，无法识别液体中的油水界面，本发明提供的一种电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统，能够识别油井井下油水界面高度，其采用的所述信号发射装置、所述电压强度检测装置及所述地面主机，通过根据具有相同频率的低频交流电流信号及不同电压强度信号来计算油井油水界面距井口高度，解决常规测距方式中仅能识别井下气液界面而无法识别实际油水界面的问题。同时信号发射装置可以使用低频交流信号，解决了传统信号发射装置受井下恶劣环境影响难以稳定输出高频信号的难题。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的所有方法步骤或部分方法步骤。

本发明实现上述方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器上储存有在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法中的所有方法步骤或部分方法步骤。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，C PU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integra ted Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器是计算机装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机装置的各个部分。

存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现计算机装置的各种功能。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(例如声音播放功能、图像播放功能等)；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(例如音频数据、视频数据等)。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、服务器或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、服务器和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统，与所述管道结构连接，所述管道结构包括均用于连通地面与油井的套管及油管，油管设于套管的空腔中，所述油管包括对齐设置的上油管及下油管；其特征在于，包括：

信号发射装置，用于嵌设于上油管与下油管之间，并用于依次选择不同电容与油管连接、对应发送具有相同频率的低频交流电流信号；

电压强度检测装置，用于设于油管上，与所述信号发射装置通信连接，并用于检测不同电容与油管连接时对应产生的不同电压强度信号；以及，

地面主机，用于设于地面上，与所述信号发射装置及所述电压强度检测装置均通信连接，并用于接收具有相同频率的低频交流电流信号及不同电容与油管连接时电压强度检测装置所检测的不同电压强度信号，计算油井油水界面距井口高度。

2.如权利要求1所述的电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统，其特征在于，所述电压强度检测装置设于所述下油管上，且设于所述信号发射装置的下方。

3.如权利要求1所述的电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统，其特征在于，所述地面主机用于，

获取低频交流电流信号的相同频率值；

选取不同电压强度信号中的最小电压值对应的目标电容；

根据所述相同频率值及所述目标电容，计算油井油水界面距井口高度。

4.如权利要求1所述的电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统，其特征在于，所述地面主机用于计算油井油水界面距井口高度h的公式如下：

式中，f为相同频率值；μ_r为油井井下环空中气体的相对磁导率；μ₀为真空磁导率；r₁为油管外径值；r₂为套管外径值；C_min为不同电压强度信号中的最小电压值对应的目标电容值。

5.一种电容梯级投切型油井油水界面实时测量方法，应用于如上述权利要求1-4任一项所述的电容梯级投切型油井油水界面实时测量系统，其特征在于，包括以下步骤：

信号发射装置依次选择不同电容与油管连接、对应发送具有相同频率的低频交流电流信号；

电压强度检测装置检测不同电容与油管连接时对应产生的不同电压强度信号；

地面主机接收具有相同频率的低频交流电流信号及不同电容与油管连接时电压强度检测装置所检测的不同电压强度信号，计算油井油水界面距井口高度。

6.如权利要求5所述的电容梯级投切型油井油水界面实时测量方法，其特征在于，所述接收具有相同频率的不同低频交流电流信号及不同电压强度信号，计算油井油水界面距井口高度步骤，包括以下步骤：

获取低频交流电流信号的相同频率值；

选取不同电压强度信号中的最小电压值对应的目标电容；

根据所述相同频率值及所述目标电容，计算油井油水界面距井口高度。

7.如权利要求6所述的电容梯级投切型油井油水界面实时测量方法，其特征在于，所述根据所述相同频率值及所述目标电容，计算油井油水界面距井口高度步骤，包括以下步骤：

计算油井油水界面距井口高度h的公式如下：

式中，f为相同频率值；μ_r为油井井下环空中气体的相对磁导率；μ₀为真空磁导率；r₁为油管外径值；r₂为套管外径值；C_min为不同电压强度信号中的最小电压值对应的目标电容值。