一種低流量油相體積流量和持油率測(cè)量傳感器的研制

張 宇

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

流量和含水是產(chǎn)出剖面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重要對(duì)象，油田開發(fā)后期，主力油田廣泛存在低產(chǎn)液、高含水的現(xiàn)象[1]。目前各油田對(duì)于高含水測(cè)量已經(jīng)取得了較好的效果[2], 但是日產(chǎn)液量小于10 m3/d、含水大于50%的油井測(cè)量難、準(zhǔn)確度低、影響因素較多，常規(guī)的含水測(cè)井儀無(wú)法滿足測(cè)試的需要。針對(duì)以上現(xiàn)狀，提出了一種利用電導(dǎo)探針和陣列流道直接測(cè)量油相體積和持油率的方法。該方法利用電導(dǎo)探針識(shí)別油水響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)[3]，與目前現(xiàn)有的產(chǎn)出剖面中低產(chǎn)液測(cè)井技術(shù)相比，不需要渦輪流量計(jì)，無(wú)可動(dòng)部件,測(cè)量受礦化度影響小[4],采用單一傳感器即可完成井下流量和持油率的測(cè)量。由于該傳感器中電導(dǎo)探針對(duì)油水導(dǎo)電特性反映敏感[5]，并且陣列流道加快了液體流速，避免了油水滑脫和分層現(xiàn)象，因此該傳感器可用于低產(chǎn)液和水平井的測(cè)量[6]。

1 傳感器結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

傳感器由電導(dǎo)探針總成、陣列流道和傳感器護(hù)套組成，如圖1所示。電導(dǎo)探針總成鑲嵌在陣列流道側(cè)壁，包括兩個(gè)電導(dǎo)探針[7]及其輔助部件，其功能是探測(cè)油水信號(hào)。陣列流道總成為流體的測(cè)量流道，井下流體集流后，流體通過陣列流道后變?yōu)橹鶢钜后w。傳感器護(hù)套為探針和流道的保護(hù)外套。

圖1 油相體積流量和持油率測(cè)量傳感器總成

1.2 電導(dǎo)探針總成

電導(dǎo)探針總成如圖2所示。由過線槽、探針底板、固定座、絕緣套和電導(dǎo)探針組成。探針底板、探針固定座和電導(dǎo)探針均采用不銹鋼材質(zhì)，絕緣套采用聚四氟乙烯。探針底板為中空矩形，截面設(shè)計(jì)過線槽，探針固定座焊接在探針底板上。為了提高電導(dǎo)探針的導(dǎo)電能力，在電導(dǎo)探針上進(jìn)行了鍍金處理。傳感器上共設(shè)置10組電導(dǎo)探針總成。

圖2 電導(dǎo)探針總成

1.3 陣列流道結(jié)構(gòu)

陣列流道總成如圖3所示。

圖3 陣列流道結(jié)構(gòu)

陣列流道總成由過線孔、流道孔、探針導(dǎo)向孔和底板安裝槽組成。流道總成截面直徑為24 mm，長(zhǎng)度為30 mm，采用不銹鋼材質(zhì)。過線孔位于陣列流道總成的軸向中央，用于貫穿儀器內(nèi)部走線。在陣列流道總成的圓周沿軸向均勻分布10個(gè)內(nèi)徑為5 mm的流道孔作為流體的通道。在每個(gè)流道孔外側(cè)沿軸向方向分布1個(gè)底板安裝槽，用于安裝電導(dǎo)探針總成。

2 測(cè)量原理

2.1 流量測(cè)量原理

油水流量測(cè)量是由小管徑流道[8-9]和電導(dǎo)探針實(shí)現(xiàn)的，原理如圖4所示。圖中左側(cè)為2個(gè)電導(dǎo)探針，右側(cè)為當(dāng)油水混合物通過陣列流道時(shí)電導(dǎo)探針對(duì)應(yīng)的輸出波形，通過高速微控制器采集探針A和探針B對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間T1、T2和T3，由T1和T2可計(jì)算出該油泡的速度和體積流量Volumeoil。經(jīng)過系統(tǒng)對(duì)其他陣列流道通過油泡數(shù)量的統(tǒng)計(jì)，可以計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)全部流道孔通過的油相體積流量。同理利用已經(jīng)算出的油泡速度V0，根據(jù)電導(dǎo)探針探測(cè)2個(gè)油泡出現(xiàn)的時(shí)間間隔(T1+T3)亦可以算出水相體積流量Volumewater，具體計(jì)算如下所示。

圖4 油流量和水流量測(cè)量原理

設(shè)兩個(gè)探針間距L0，小管徑管道截面積S0,電路測(cè)量探針A和探針B電壓上升沿時(shí)間間隔T1，探針B高電平持續(xù)時(shí)間T2，那么油泡的運(yùn)移速度V0可通過式(1)計(jì)算：

V0=L0/T1

(1)

油泡經(jīng)過探針B的時(shí)間為T2，則油泡的長(zhǎng)度L1由式(2)計(jì)算：

L1=V0×T2=L0×T2/T1

(2)

由于已知流道孔面積為S0，所以通過的油泡的體積Volumeoil如式(3):

Volumeoil=S0×L1=S0×L0×T2/T1

(3)

2個(gè)油泡之間，電導(dǎo)探針與水接觸的時(shí)間為T1+T3(T1+T2+T3-T2=T1+T3)，所以水柱的長(zhǎng)度L2如式(4)：

L2=V0×(T1+T3)=L0×(T1+T3)/T1

(4)

則通過水的體積Volumewater如式(5):

Volumewater=S0×L2=S0×L0×(T1+T3)/T1

(5)

由公式(3)和(5)可知，S0和L0均為已知條件，那么只要對(duì)T1、T2和T3進(jìn)行系統(tǒng)累加即可計(jì)算出流道孔內(nèi)油和水的體積流量。統(tǒng)計(jì)全部陣列流道的累計(jì)體積流量，可以計(jì)算出傳感器測(cè)量的油和水的體積流量。

2.2 持油率測(cè)量原理

持油率測(cè)量原理如圖5所示。當(dāng)油水兩相流經(jīng)單一電導(dǎo)探針時(shí)，經(jīng)過電路處理后電導(dǎo)探針輸出的高電平為油與探針接觸的響應(yīng)，低電平為水與探針接觸時(shí)的響應(yīng)[10]，取流道孔內(nèi)的一個(gè)探針進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，占空比數(shù)值則為持油率[11]，對(duì)其他流道孔內(nèi)測(cè)量的數(shù)據(jù)取平均值，可以算出傳感器測(cè)量的整體持油率Cutoil，如式(6)所示。

Cutoil=T油/(T油+T水)×100%

(6)

圖5 持油率測(cè)量原理

3 油水兩相實(shí)驗(yàn)

3.1 測(cè)量數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證低流量油相體積流量和持油率測(cè)量傳感器的測(cè)量效果，在模擬井進(jìn)行了油水兩相實(shí)驗(yàn)，總流量選為5 m3/d和10 m3/d，含水從20%調(diào)至80%，間隔10%，數(shù)據(jù)采用10路傳感器測(cè)得的平均值。表1和表2為流量為5 m3/d和10 m3/d時(shí)測(cè)得的油流量值。

表1 5 m3/d 時(shí)油流量測(cè)量值

表2 10 m3/d時(shí)油流量測(cè)量值

5 m3/d時(shí)測(cè)得的油流量與標(biāo)準(zhǔn)油流量最大相差0.2 m3/d；10 m3/d時(shí)測(cè)得的油流量與標(biāo)準(zhǔn)油流量最大相差0.8 m3/d。

表3和表4為總流量為5 m3/d和10 m3/d時(shí)含水測(cè)量值。5 m3/d時(shí)測(cè)得含水值與標(biāo)準(zhǔn)含水最大相差9%，10 m3/d時(shí)測(cè)得含水值與標(biāo)準(zhǔn)含水誤差較大，平均值相差達(dá)31.8%。

表3 5 m3/d時(shí)含水測(cè)量值

表4 10 m3/d時(shí)含水測(cè)量值

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1和表2中標(biāo)準(zhǔn)油流量和測(cè)量油流量繪制流量為5 m3/d和10 m3/d時(shí)油流量與標(biāo)準(zhǔn)流量對(duì)比曲線，如圖6所示。圖6(a)中，總流量為5 m3/d時(shí)，測(cè)量油流量與標(biāo)準(zhǔn)值一致性較好，最大線性誤差為4%。圖6(b)中，總流量為10 m3/d時(shí)，除7 m3/d以外，測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值線性一致。

圖6 油流量測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比曲線

圖7(a)和(b)為總流量為5 m3/d和10 m3/d時(shí)，含水測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比曲線。從曲線可以看出，在流量為5 m3/d時(shí)，含水測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值線性理想；流量為10 m3/d時(shí)，測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值誤差較大，最大值達(dá)到8%。結(jié)合圖6和圖7，低流量測(cè)量的油相體積流量和持油率測(cè)量傳感器理想的測(cè)量范圍為總流量在5 m3/d以下。

圖7 測(cè)量含水與標(biāo)準(zhǔn)含水對(duì)比曲線

4 流量和持油率測(cè)量影響因素

1)總流量為5 m3/d時(shí)，流體在陣列流道內(nèi)為柱狀段塞流，總流量大于5 m3/d時(shí)，小孔道段塞流破壞，傳感器失效，因此可以通過增加流道數(shù)量，減少單孔道流量的方式解決高流量測(cè)量問題。

2)由于采用變流道技術(shù)計(jì)算流量，流量的漏失對(duì)測(cè)量的影響較大，因此傳感器應(yīng)配接集流效果好的井下集流器。

3)傳感器需要實(shí)時(shí)對(duì)探針信號(hào)進(jìn)行采集和計(jì)算，因此采集電路的運(yùn)算速度將影響測(cè)量，如將實(shí)驗(yàn)用的速度為10 MIPS的8位單片機(jī)改為140 MIPS的32位單片機(jī)，可大大提高傳感器的測(cè)量分辨率。

4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是基于一組陣列流道進(jìn)行計(jì)算的，因此流道的數(shù)量對(duì)流量和持油率的測(cè)量精度有較大的影響。

5)如果用油泡或氣泡當(dāng)作測(cè)量介質(zhì)，迫使三相在陣列流道內(nèi)形成段塞流，可直接測(cè)量油氣相體積比、油水體積比或氣水體積比。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過低流量油相體積流量和持油率測(cè)量傳感器在模擬井流量和持油率的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合流量和持油率測(cè)量原理，取得下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1)利用細(xì)管道效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)低產(chǎn)液及特低產(chǎn)液剖面油水兩相體積流量和持油率的測(cè)量。

2)10孔道傳感器測(cè)量5 m3/d流量時(shí)，油流量最大誤差為0.2 m3/d，含水最大誤差為9%，若想提高測(cè)量范圍，可通過增加流道數(shù)量的方式實(shí)現(xiàn)。

3)采用陣列流道，加大了流速，減少了油氣水的滑脫和分層，因此該測(cè)量方法可應(yīng)用于水平井低產(chǎn)液的測(cè)量。