CN215375193U - 一种基于热扩散原理的注蒸汽井干度测井装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及油田开发过程中生产测井领域所用的测井仪器，尤其是一种基于热扩散原理的注蒸汽井干度测井装置。所述装置包括电路筒、集流伞驱动装置、集流伞、测量传感器筒、传感器；电路筒连接集流伞驱动装置，集流伞驱动装置控制集流伞的扩张和回收；集流伞下端连接传感器测量筒，传感器测量筒安装有传感器；集流伞驱动装置下端设有进汽口，传感器测量筒的下端设有出汽口。本实用新型装置采用的是集流测量方式，汽液两相流在流过测量传感器时满足均相流动模型，减少了复杂多变流型对干度测量的影响，由于集流后提高了流过测量传感器的流体流速，从而实现稠油注蒸汽油井井下蒸汽干度的准确测量。

Description

一种基于热扩散原理的注蒸汽井干度测井装置

技术领域

本实用新型涉及油田开发过程中生产测井领域所用的测井仪器，具体涉及一种基于热扩散原理的注蒸汽井干度测井装置。

背景技术

对于稠油热采注蒸汽吞吐采油的油井，需要测量自井口到井下注汽层位之上井筒中沿程不同深度处的蒸汽干度，以评价注汽效果是否达到开发方案设计要求。油井注蒸汽管柱中注入的蒸汽大多为饱和湿蒸汽，是液态水和汽态共存的汽液两相流，蒸汽干度易受环境温度、压力以及复杂流型等因素的影响而不能直接测定，其准确测量始终为一国际难题。

中国专利申请CN107389749A公开了一种井下蒸汽干度测量装置，所述装置包括：蒸汽水分离单元；所述蒸汽水分离单元包括圆柱形腔室、以及位于圆柱形腔室内且同轴设置的圆柱形测量室；所述圆柱形腔室在所述圆柱形测量室外形成分离环空；水电极电容传感器探头；所述水电极电容传感器探头包括圆柱形金属芯、以及在所述圆柱形金属芯外侧的绝缘层；所述圆柱形测量室在所述水电极电容传感器探头外形成测量环空；所述分离环空的上端连通所述测量环空的上端；所述分离环空的下端连通所述测量环空的下端；所述水电极电容传感器探头能与所述测量环空内的流体形成一等效电容传感器；用于测量所述等效电容传感器电容的电容仪。本发明提供的井下蒸汽干度测量装置能够实现干度的在线实时测量。

中国实用新型专利CN205484157U公开了一种蒸汽干度流量测量装置，包括主管路、温度传感器一、流量计、均相器、采样器、阻力元件、回流管路、流量调节阀、采样流量测量模块、温度传感器二、绝热垫片一、加热模块、绝热垫片二、温度传感器三、功率调节模块、PLC、保温层；该装置采用热力学原理实现对管道内湿热蒸汽的干度流量的测量。

中国专利申请CN105588919A公开了一种注热蒸汽干度测试装置及其干度值计算方法，该装置包括冷凝器，注汽管道连接在冷凝器汽入口，冷凝器汽出口连接排汽管道，冷凝器冷水进口连接有冷却水进口管道，冷凝器热水出口连接有冷却水出口管道，管道上分别流量调节阀、流量计、温度计、压力计等。通过测试冷凝器的进出口管路上的各物性参数值，分析计算得到进口注热蒸汽的干度值。

在已经公开的国内外专利中，蒸汽干度的测量方法主要有电容法、热学法、中子密度法、放射性示踪法、声学法、以及微波法等；根据申请者对国内主要稠油开发油田的调研，油田现场目前用于稠油注蒸汽油井井下蒸汽干度测量的方法主要是采用井下取样地面化验的方法，该方法的测井效率和成功率低、干度测量精度低；目前尚无满足现场测井应用需求的蒸汽干度测井仪器及方法。

发明内容

为了解决稠油注蒸汽油井井下蒸汽干度沿程在线测量问题，本实用新型提供

一种基于热扩散原理的注蒸汽井干度测井装置。所述装置采用的是集流测量方式，汽液两相流在流过传感器时满足均相流动模型，减少了复杂多变流型对干度测量的影响，由于集流后提高了流过传感器的流体流速，从而实现稠油注蒸汽油井井下蒸汽干度的准确测量。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于热扩散原理的注蒸汽井干度测井装置，其包括电路筒、集流伞驱动装置、集流伞、传感器测量筒、传感器；电路筒连接集流伞驱动装置，集流伞驱动装置控制集流伞的扩张和回收；集流伞下端连接传感器测量筒，传感器测量筒安装有传感器；集流伞驱动装置下端设有进汽口，传感器测量筒的下端设有出汽口。

优选地，所述装置外径为40mm，内径为28mm；电路筒中安装有专用电路，用于给传感器和集流伞驱动装置供电。

优选地，所述集流伞为金属集流伞。金属集流伞的作用是在仪器进行蒸汽干度测量时扩张封闭仪器和注蒸汽管柱之间的环形空间，迫使汽液两相流自进汽口进入金属集流伞下端连接的传感器测量筒。

优选地，传感器测量筒中自上而下安装有两组传感器。

进一步优选地，两组传感器之间的距离为10cm。

进一步优选地，第一组传感器为PT1000铠装圆柱体铂电阻温度传感器，用于测量混合蒸汽流体的温度。

进一步优选地，第二组传感器包括陶瓷基片、PT1000铂电阻片、PT40铂电阻片和测量电路。

PT1000铂电阻片镶嵌在陶瓷基片中心位置，PT40铂电阻片镶嵌在PT1000 铂电阻片表面，并将PT1000铂电阻片完全覆盖且PT40铂电阻片裸露在流动的蒸汽中，并与蒸汽流动方向保持平行。加热电阻PT40裸露在流体中实现快速热交换，达到热平衡状态。PT40完全覆盖PT1000测温电阻，两组电阻片紧密贴合，提高PT1000对PT40温度变化的响应灵敏度，进而提高蒸汽干度的测量分辨率和精度。测量电路和第一组PT1000(测量流体基础温度)、第二组 PT1000(测量PT40温度变化)配合作用，校正注蒸汽管柱不同深度处汽液两相流流体温度对蒸汽干度测量的影响。

优选地，所述陶瓷基片为长方体Al₂O₃陶瓷基片。

本发明还提供利用以上所述装置进行蒸汽干度测量的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述装置采用钢丝连接下井；电路筒中的集流伞驱动装置开始工作，使集流伞扩张后停止工作，扩张的集流伞将完全封闭测井仪器和注蒸汽管柱之间的环形流动空间，迫使汽液两相流进入进汽口向下流动，流过传感器测量筒内部安装的传感器，最后由传感器测量筒下端的出汽口流回注蒸汽管柱；传感器开始工作，输出蒸汽干度；测量完成后，集流伞驱动装置再次开始工作使金属集流伞回收，集流伞回收完毕后，停止工作。

优选地，传感器工作时，测量电路为第二组传感器PT40铂电阻提供20W 恒定加热功率，同时测量电路将测量第一组传感器的PT1000铂电阻和第二组传感器的PT1000铂电阻之间的温差，将该温差通过电路变换以频率形式进行输出保存，输出频率就表征了蒸汽干度。

本发明所述装置根据热扩散原理，利用汽液两相流与发热部件的热交换量的关系进行蒸汽干度测量，具体测量原理为：注蒸汽管柱中注入的饱和湿蒸汽，是液态水和汽态共存的汽液两相流，由于采用的是集流测量方式，汽液两相流在流过传感器时满足均相流动模型，假设为混合流体提供恒定加热功率W，蒸汽和液相水的体积流量分别为Q_g和Q_w，蒸汽和液相水的密度分别为ρ_g和ρ_w，蒸汽和液相水的定压比热容分别为C_pg和C_pw，混合流体温升为ΔT，蒸汽干度为χ，根据热传递原理，在一定时间内PT40释放的热量，等于混合流体带走的热量：

由公式(1)可得到蒸汽干度为：

由于注蒸汽管柱中总的质量流量不变，蒸汽的体积流量和液相水的体积流量变化与蒸汽干度相关，蒸汽的体积流量和液相水的体积流量变化时PT40的热扩散程度不同，PT40的热扩散变化可以通过测量其温度变化表征。因此，只要测量出PT40的温升变化就可以间接测量蒸汽干度。

由于常规的测井电缆耐温上限为175℃，无法在稠油注蒸汽油井中使用，而本发明所述测量方式不需要通过测井电缆供电，在测井仪器的电路筒里面安装有大容量高温电池模组，用于对测井仪器进行供电，在测井仪器下入井筒中进行测量之前，已经在地面对电路预先进行了设计，比如在t1时刻集流伞打开、t2时刻传感器测量干度、t3时刻集流伞回收。在对稠油注蒸汽油井测量干度时，只需要利用钢丝将测井仪器下入预定的测量深度即可。由于稠油注蒸汽油井井下环境温度超过大部分电子元器件耐温上限150℃，因此仪器的电路筒部分设计有保温瓶，确保电路在外部环境高温条件下可以正常工作(采用保温瓶是设计耐高温测井仪器的常规做法)。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明装置采用集流伞集流测量方式，汽液两相流在流过传感器时满足均相流动模型，减少了复杂多变流型对干度测量的影响，由于集流后提高了流过传感器的流体流速，进一步解决了低注入量井的干度测量难题。

本发明所述装置测量范围广，灵敏度高，蒸汽干度范围为0～98.0％，测量精度可达±3％。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一具体实施例所述基于热扩散原理的蒸汽干度测井仪器示意图；

图2为本发明一具体实施例所述传感器示意图；

图3为本发明一具体实施例所述蒸汽干度测井仪器标定图版。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。

实施例1

所述基于热扩散原理的注蒸汽井干度测井装置包括：电路筒、金属集流伞驱动装置、金属集流伞、传感器测量筒、传感器；电路筒连接金属集流伞驱动装置，金属集流伞驱动装置控制金属集流伞的扩张和回收；金属集流伞下端连接传感器测量筒，传感器测量筒安装有两组传感器；金属集流伞驱动装置下端设有进汽口，传感器测量筒5的下端设有出汽口。

所述装置外径为40mm，内径为28mm；电路筒中安装有专用电路，用于给传感器和集流伞驱动装置供电。

两组传感器之间的距离为10cm。

第一组传感器为PT1000铠装圆柱体铂电阻温度传感器，用于测量混合蒸汽流体的温度。第二组传感器包括长方体Al₂O₃陶瓷基片、PT1000铂电阻片、 PT40铂电阻片和测量电路；PT1000铂电阻片镶嵌在陶瓷基片中心位置，PT40 铂电阻片镶嵌在PT1000铂电阻片表面，并将PT1000铂电阻片完全覆盖且PT40 铂电阻片两端裸露在流动的蒸汽中，并与蒸汽流动方向保持平行。

实施例2

如图1所示，所述基于热扩散原理的注蒸汽井干度测井装置包括：包括电路筒1，电路筒1下连接有金属集流伞驱动装置2，金属集流伞驱动装置2控制金属集流伞4的扩张和回收，金属集流伞驱动装置2的下端为进汽口3，金属集流伞4的作用是在装置进行蒸汽干度测量时扩张封闭仪器和注蒸汽管柱之间的环形空间，迫使汽液两相流自进汽口3进入金属集流伞4下端连接的传感器测量筒5，传感器测量筒5中自上而下安装有两组传感器：第一组传感器6 和第二组传感器7，第一组传感器6为PT1000铠装圆柱体铂电阻温度传感器，用于测量混合蒸汽流体的温度，圆柱体壁厚为4mm，可以承受40MPa压力；第二组传感器7距离第一组传感器6的距离为10cm，如图2所示，该组传感器采用长度为6mm、宽度为10mm、厚度为4mm的长方体耐高温Al₂O₃陶瓷基片，在长方体陶瓷基座表面中心位置首先嵌上长度为2mm、宽高为2mm、厚度为1mm的PT1000铂电阻片(测温电阻，测量PT40铂电阻的温变)；然后在PT1000的外表面嵌上长度为3mm、宽高为3mm、厚度为1mm的PT40 铂电阻片(发热电阻)，PT40将完全覆盖PT1000，PT40在测量管道中裸露在流动的蒸汽中(这种设计方式可以保证PT40产生的热量与流动蒸汽的快速交换，提高传感器的测量灵敏度)，并与蒸汽流动方向保持平行，在传感器测量筒5的下端为出汽口8。

所述装置外径为40mm，内径为28mm。

实施例3

利用实施例2所述装置进行蒸汽干度测量方法：

(1)所述装置通过钢丝下入注蒸汽管柱中预定深度；

(2)t1时刻，电路筒1中的金属集流伞驱动装置2的驱动电路开始工作，金属集流伞驱动装置2将使金属集流伞4扩张；金属集流伞4将完全封闭测井仪器和注蒸汽管柱之间的环形流动空间，迫使汽液两相流进入进汽口3向下流动，流过传感器测量筒5内部安装的两组传感器，最后由传感器测量筒5下端的出汽口8流回注蒸汽管柱，金属集流伞扩张完毕后电路筒1中的金属集流伞驱动装置2的驱动电路停止工作。

(3)t2时刻，传感器的测量电路开始工作，测量电路为第二组传感器7 的PT40铂电阻提供20W恒定加热功率，同时测量电路将测量第一组传感器6 的PT1000铂电阻和第二组传感器7的PT1000铂电阻之间的温差，将该温差通过电路变换以频率形式进行输出保存，输出频率就表征了蒸汽干度。

(4)t3时刻，金属集流伞驱动装置2的驱动电路再次开始工作，金属集流伞驱动装置2将使金属集流伞4回收，一直到金属集流伞4回收完毕，金属集流伞驱动装置2的驱动电路停止工作。

实施例3完成了一个预定深度处的蒸汽干度测量；如果在一口井中有多个深度需要测量蒸汽干度，只要在仪器下井前预先对电路进行设计，使集流伞在多个时刻重复打开和回收，使传感器的测量电路也进行多次测量即可。

在现场注蒸汽模拟井中进行了实际标定，该井注入速率为192.00t/d，锅炉出口干度在0～98.0％范围内调节，采用实施例2所述装置在注蒸汽管柱中距离井口20m深度处进行实测标定，标定图版如图3所示，所述装置可以对蒸汽干度在0～98.0％范围内测量，干度测量精度为±3％。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于热扩散原理的注蒸汽井干度测井装置，其特征在于，其包括电路筒、集流伞驱动装置、集流伞、传感器测量筒、传感器；

电路筒连接集流伞驱动装置，集流伞驱动装置控制集流伞的扩张和回收；集流伞下端连接传感器测量筒，传感器测量筒安装有传感器；

集流伞驱动装置下端设有进汽口，传感器测量筒的下端设有出汽口。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述装置外径为40mm，内径为28mm；电路筒中安装有专用电路，用于给传感器和集流伞驱动装置供电。

3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述集流伞为金属集流伞。

4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，传感器测量筒中自上而下安装有两组传感器。

5.根据权利要求4所述装置，其特征在于，两组传感器之间的距离为10cm。

6.根据权利要求4或5所述装置，其特征在于，第一组传感器为PT1000铠装圆柱体铂电阻温度传感器，用于测量混合蒸汽流体的温度。

7.根据权利要求4或5所述装置，其特征在于，第二组传感器包括陶瓷基片、PT1000铂电阻片、PT40铂电阻片；

PT1000铂电阻片镶嵌在陶瓷基片中心位置，PT40铂电阻片镶嵌在PT1000铂电阻片表面，并将PT1000铂电阻片完全覆盖且PT40铂电阻片两端裸露在流动的蒸汽中，并与蒸汽流动方向保持平行。

8.根据权利要求7所述装置，其特征在于，所述陶瓷基片为长方体Al₂O₃陶瓷基片。

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