油氣水三相流流動參數(shù)聲電傳感器組合測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種油氣水三相流流動參數(shù)聲電傳感器組合測量方法
【背景技術】
[0002] 隨著陸上油田逐漸進入高含水期開采階段，由開采厚層、好層到開采薄層、差層， 地下地質(zhì)情況越來越復雜，油井多呈低產(chǎn)液生產(chǎn)狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計，大慶油田小于20方/天的 油井占33% ;遼河油田小于15方/天的油井占88. 5% ;新疆油田小于10方/天的油井占 87. 2%。如果再考慮地層原油脫氣或產(chǎn)氣諸多因素，油井動態(tài)監(jiān)測勢必面臨嚴峻的低產(chǎn)液 高含水油氣水三相流生產(chǎn)條件。從多相流體力學角度分析，低產(chǎn)液意味著三相流相間存在 強烈的相間相對運動（滑脫速度），其水連續(xù)相中的分散相局部流速及局部濃度分布剖面 呈嚴重非均勻分布，致使油井低產(chǎn)液高含水油氣水三相流流量測量非常困難。
[0003] 油井多相流測試始終是伴隨油田開發(fā)的一項重要配套技術，隨著陸上油田逐漸進 入三次采油階段，對油井三相流產(chǎn)出剖面動態(tài)監(jiān)測需求更為突出。因此，研究具有可靠性、 重復性及較高測量精度油井低產(chǎn)液高含水油氣水三相流產(chǎn)出剖面測井方法，對優(yōu)化油井生 產(chǎn)動態(tài)特性及指導油氣田開發(fā)調(diào)整具有極為重要意義。
[0004] 針對油井油氣水三相流產(chǎn)出剖面測井難題，已有的集流型放射性低能源油氣水三 相流流量測量方法遇到困難：①.放射性低能源密度及持水率測量模型假設條件是三相流 為均相流動，但是，低產(chǎn)液高含水三相流流動特性難以滿足此苛刻測量流動條件；②.由于 集流型渦輪流量計總流量測量受流體混合密度及流體非均勻分布影響，致使渦輪葉片轉速 與流體總流速之間呈非線性響應特性，總流量測量產(chǎn)生較大誤差；③.由于放射性低能源 法存在自身放射性統(tǒng)計漲落及測量響應速度慢等不利因素，致使對油水相間密度差較小的 持水率或持油率測量精度較低；④.放射源Cd-109是一種加速器生產(chǎn)的放射性核素（半衰 期為453天），在安全生產(chǎn)、儀器成本及環(huán)境保護方面也有較大局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對油井低產(chǎn)液高含水油氣水三相流流量測量技術難題，本發(fā)明提出一種油氣水 三相流聲電傳感器組合測量方法，旨在為水為連續(xù)相的低產(chǎn)油高含水油氣水三相流產(chǎn)出剖 面測井提供新途徑。本發(fā)明的技術方案如下：
[0006] -種油氣水三相流流動參數(shù)聲電傳感器組合測量方法，用于在內(nèi)徑20mm的小管 徑內(nèi)的以水為連續(xù)相的油氣水三相流相關速度及分相持率的測量，采用插入式電導傳感器 進行油氣水三相流相關流速測量，采用帶保護電極的弧形對壁式電導傳感器進行油氣水三 相流持水率測量，采用透射式超聲傳感器進行油氣水三相流持氣率測量，最后實現(xiàn)總流量 及分相流量預測，方法如下：
[0007] (1)按自下而上依次順序地安裝在垂直小管道內(nèi)：脈沖透射式貼片形狀超聲傳感 器，帶保護電極的弧形對壁式電導傳感器和插入式電導傳感器；
[0008] (2)利用透射式超聲傳感器提取油氣水三相流持氣率，其發(fā)射端和接收端均為貼 片狀，發(fā)射端面與小管道內(nèi)壁盡量保持光滑，當油氣水三相流流過超聲傳感器時，采集超聲 傳感器輸出信號，并提取每個脈沖觸發(fā)周期內(nèi)的聲波首脈沖幅值最大值，即能量最大值作 為一次觸發(fā)采集到的信號，經(jīng)過多次觸發(fā)采集，可獲取超聲傳感器接收端聲波脈沖最大值 序列；
[0009] (3)利用插入式電導傳感器，其包括插入體和鑲嵌在其外表面的電導傳感器，電導 傳感器包含兩組分別分布在上游和下游的電極，其中，插入體的作用是使其周圍的環(huán)形通 道內(nèi)局部流速及局部濃度非均勻分布程度得到顯著改善，進而獲取高相似性的上游及下游 測量電極相關信號，達到三相流相關流速與實際總流速之間的有效相關；基于插入式電導 傳感器上下游電極測取的相關信號，通過計算兩列相關信號互相關函數(shù)峰值對應的渡越時 間，根據(jù)相關電極之間的間距，計算出油氣水三相流相關流速。
[0010] (4)基于帶保護電極的弧形對壁式電導傳感器響應信號，并利用Maxwell方程可 提取油氣水三相流持水率；
[0011] (5)實現(xiàn)三相流總流量及分相流量預測。
[0012] 其中的（2)，在段塞流和混狀流條件下，通過獲取超聲傳感器接收端聲波脈沖最 大值序列，測得的超聲傳感器最大值序列中取值最小的部分與氣塞對應，其余部分與液塞 對應，由此將超聲傳感器最大值序列分離出氣塞部分對應的聲波序列和液塞對應的聲波序 列；視氣塞部分對應的持氣率為100%，液塞部分對應的持氣率可采用泡狀流持氣率計算 模型提??；將氣塞部分與液塞部分對應的持氣率進行綜合平均，獲得泡狀流、段塞流及混狀 流三種流型下的持氣率。
[0013] 本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：
[0014] (1)本發(fā)明提出一種插入式電導傳感器油氣水三相流相關流速測量方法。該方法 可顯著改善小管徑測量通道內(nèi)局部流速及局部濃度非均勻分布程度，使插入體周圍的環(huán)形 通道內(nèi)具有較穩(wěn)定流動結構，進而可獲取高可靠性及重復性的上游及下游電導傳感器相關 信號。采用油氣水三相流相關測速與總流速、相間滑脫速度、相分布系數(shù)之間的物理模型， 可對油氣水三相流總流量進行有效測量。
[0015] (2)本發(fā)明提出一種帶保護電極的弧形對壁式電導傳感器持水率測量方法。由于 低流速高含水時油泡或氣泡直徑較小，優(yōu)化后的電導傳感器可對水連續(xù)相油氣水三相流持 水率進行有效測量。
[0016] (3)本發(fā)明提出一種單發(fā)單收脈沖透射式貼片形超聲傳感器持氣率測量方法。該 方法可消除連續(xù)波發(fā)射時產(chǎn)生駐波不良影響。測量時，首先提取超聲脈沖接收信號首波幅 值序列，然后，在三相流流動裝置上通過動態(tài)測試，建立超聲傳感器首波幅值序列平均值與 三相流持氣率之間實驗關系，進而確定超聲傳感器持氣率測量儀表因子。該傳感器可對三 相流泡狀流、段塞流及混狀流的三相流持氣率進行有效測量。
【附圖說明】
[0017] 圖1是用于油氣水三相流流動參數(shù)（總流量及分相流量）測量的聲電傳感器組合 結構示意圖。
[0018] 圖2是脈沖透射式貼片形超聲傳感器結構圖：(a)示意圖；(b)截面圖。
[0019] 圖3是帶保護電極的弧形對壁式電導傳感器結構示意圖：（a)示意圖；(b)截面圖
[0020] 圖4是插入式電導傳感器結構示意圖。
[0021] 圖5是聲電傳感器組合測量方法預測的油氣水三相流段塞流總流速結果。
[0022] 圖6是聲電傳感器組合測量方法預測的油氣水三相流段塞流分相含率（含氣率、 含油率、含水率）預測結果。
[0023] 附圖標號說明：
[0024] 1有機玻璃管道；2插入式電導傳感器；3帶保護電極的弧形對壁式電導傳感器；4 脈沖透射式貼片形超聲傳感器；5絕緣插入體；6上游一對環(huán)形相關測量電極（電導式）；7 下游一對環(huán)形相關測量電極（電導式）；8脈沖透射式貼片形超聲傳感器聲波發(fā)射端壓電晶 片（用T表示）；9脈沖透射式貼片形超聲傳感器接收端壓電晶片（用R表示）
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細描述。該發(fā)明涉及的油氣水三相流流動 參數(shù)聲電傳感器組合測量方法主要包括以下步驟：
[0026] (1)設計一個油氣水三相流聲電傳感器組合測量系統(tǒng)，用于水為連續(xù)相的油氣水 三相流相關速度及分相持率（持氣率、持水率、持油率）測量，其聲電傳感器組合結構如圖 1所示?？紤]到井下集流型產(chǎn)出剖面生產(chǎn)測井儀器測量通道內(nèi)徑多為20_，故本發(fā)明聲電 傳感器組合按自下而上依次順序地安裝在垂直小管道內(nèi)（內(nèi)徑20mm):脈沖透射式貼片形 狀超聲傳感器，帶保護電極的弧形對壁式電導傳感器，插入式電導傳感器。
[0027] 該發(fā)明涉及的油氣水三相流流動參數(shù)聲電傳感器組合是針對復雜被測對象（油 氣水三相流）的導電特性及超聲傳播特性設計的。由于水相和油相介質(zhì)的聲阻抗較為接 近，且遠低于氣相介質(zhì)的聲阻抗，因此，該發(fā)明中脈沖透射式貼片形超聲傳感器用于油氣水 三相流持氣率測量；由于氣相和油相介質(zhì)的電導率基本相同，且遠低于水相介質(zhì)的電導率， 因此，該發(fā)明中帶保護電極的弧形對壁式電導傳感器用于油氣水三相流持水率測量；插入 式電導傳感器用于與總流速有關的油氣水三相流相關流速測量，其中，插入體（電導傳感 器鑲嵌在其外表面）作用是使其周圍的環(huán)形通道內(nèi)局部流速及局部濃度非均勻分布程度 得到顯著改善，進而獲取高相似性的上游及下游測量電極相關信號，達到三相流相關流速 與實際總流速之間的有效實驗相關。
[0028] (