插入式三扇区弧形对壁电导传感器含水率测量方法与流程

本发明涉及油井动态监测领域油水两相流中高含水率测量方法。

背景技术：

我国陆上老油田开发总体上已进入中高含水阶段，为了实现稳油控水及提高原油采收率，准确实现油井产出剖面动态监测对油藏管理及优化油井生产动态具有重要意义。

进入中高含水期的油井产液剖面测井面临极大挑战，其油井含水率测量难点在于不同流量及含水率范围内油水两相流分散相(油泡)泡径变化十分复杂，传统电导传感器对油泡泡径变化时的含水率测量分辨率有限，尤其在设计传感器几何尺寸时难以兼顾中高含水油泡泡径变化情况的含水率测量精度。此外，中高含水时油水两相流分散相局部浓度及局部流速沿管截面方向呈非均匀分布，传统的环形单对电极电导测量法难以精确捕获管截面相含率，多扇区分布式传感器信息获取及融合是克服流型非均匀分布的有效途径。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可以较为精确地捕获截面相含率的油井油水两相流中高含水率测量方法。技术方案如下：

一种插入式三扇区弧形对壁电导传感器含水率测量方法，采用插入式三扇区分布式弧形对壁电导传感器，在集流后小直径过流通道的中心固定插入体，此插入体固定电导传感器位置处呈中心对称，包含三个弧形扇区，在每个扇区的外壁上固定有弧形电极，在管道上与各个弧形电极相对位置也固定有弧形电极，从而构成三对弧形电极，每对电极包括激励电极和接收电极，用以获取管道不同扇区位置的局部含水率测量信息，方法如下：通过油水两相流动态实验，采集插入式弧形对壁电导传感器各扇区输出信号，在数据处理时，将每个扇区测量的混合流体电压数据处理为归一化电导值，再将三个扇区的归一化电导值进行平均，获得油水两相流归一化电导测量值与实验标定含水率之间实验相关图版，进而实现油水两相流含水率测量。

优选地，每对电极分别光滑嵌入在插入体外壁弧面和过流通道内壁上。基于有限元分析法，以提高电导传感器灵敏度为主线，优化扇区电极张角、电极高度和电极厚度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明设计的插入式导流结构，提高局部空间流动结构稳定性，减小油水两相相间滑脱对含水率测量影响，提高含水率测量精度。

(2)本发明设计的管道截面扇区分布式阵列测量模式，减小局部浓度和局部流速非均匀特性对整体含水率测量影响，提高含水率测量精度。

(3)本发明设计的弧形对壁电导传感器和面向灵敏场的传感结构优化方法，提高局部测量灵敏度，在保持中含水测量精度前提下，改善高含水测量精度。

附图说明

图1是插入式三扇区弧形对壁电导传感器结构图。

图2是插入式三扇区弧形对壁电导传感器局部结构图。

图3是插入式三扇区弧形对壁电导传感器弧形对壁电极部分截面图。

图4是插入体示意图：(a)立体图；(b)俯视图；(c)正视图。

图5是插入体前置段图。

图6是插入式三扇区弧形对壁电导传感器有限元剖分结构图。

图7是中高含水油水两相流两种流型(泡状流、细小泡状流)三扇区测量信号。

图7的(a)(c)分别是含水率为90％的油水泡状流和细小泡状流对应的三扇区测量信号。

图7的(b)(d)分别是含水率为95％的油水泡状流和细小泡状流对应的三扇区测量信号。

图8是插入式三扇区弧形对壁电导传感器在中高含水油水两相流时归一化电导测量值与实验标定的含水率之间实验相关图版。

附图标号说明：

1外管；2插入体；3用于固定插入体的支架；4弧形对壁测量电极

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

本发明的中高含水插入式三扇区对壁弧形电导传感器，包括外管1、插入体2、用于固定插入体的支架3和光滑嵌入在管内壁及插入体的三对弧形对壁电极4。每对电极包括激励电极和接收电极，分别光滑嵌入在插入体弧面和管内壁上。激励电极圆心角为α，接收电极圆心角为β。激励电极光滑嵌入插入体弧面，接收电极光滑嵌入管内壁面。

将设计的插入式三扇区弧形对壁电导传感器安装在垂直上升油水两相流小管道上，当中高含水油水两相流流经传感器时，采集插入式弧形对壁电导传感器各扇区输出信号。在数据处理时，首先，将每个扇区测量的混合流体电压数据处理为归一化电导值，然后，将三个扇区的归一化电导值进行平均，最后，按照实验图版提取出相应的含水率值。

下面结合附图说明插入式三扇区弧形对壁电导传感器测量方法具体实施过程：

(1)本发明涉及的插入体几何尺寸：a＝330.15mm，b＝123mm，c＝115.25mm，s＝14.14mm，d＝3mm，r1＝5.07mm，r2＝6.07mm。传感器电极结构几何尺寸：电极径向厚度t、电极轴向高度h，激励电极圆心角α，接收电极圆心角为β。为了尽量减少测量死区，将激励电极圆心角设为α＝60°，电极径向厚度t＝r2-r1＝1mm。电极轴向高度h和接收电极圆心角为β采用有限元方法进行优化，，通过仿真软件ansys建立插入式三扇区弧形对壁电导传感器模型，如图6所示。建模时，设定垂直上升管道内径d＝0.02m，垂直上升管道长度l＝0.2m，水相电阻率δw＝1000ω·m，电极电阻率δs＝1.7241e-8ω·m。采用自由剖分方式进行网格划分，施加载荷时采用恒流激励。仿真方法为：在ansys建模时，在模型中测量截面上放入一个绝缘小球，绝缘小球的直径分别为0.5mm和2mm，模拟不同工况下油泡的运动。小球处于不同位置时，激励电极的电压也跟随变化，因此可通过激励电极变化的电压反映电导传感器的灵敏度。小球每变换一个坐标，可计算得到在该坐标的灵敏度值。将小球的坐标遍历垂直上升管道截面所有位置，得到该对电极的灵敏度分布。

本发明采用检测场均匀性误差参数(svp)和传感器相对灵敏度(savg)作为优化目标。传感器相对灵敏度(savg)的含义是指截面所有位置相对灵敏度的平均值，定义为：

定义测量截面的均匀性误差参数(svp)为：

式中，sdev为测量截面上不同位置的相对灵敏度的标准差，其定义为：

显然，savg值愈大，传感器灵敏度愈高，svp值愈小，即均匀性误差愈小。

采用单因素轮换方法进行优化电极轴向高度h以及接收电极圆心角为β，即变化其中一个因素，其余固定，然后进行逐步搭配实验比较，获得好的搭配方案。如下表所示，即不同参数下获得的均匀性误差参数(svp)和传感器相对灵敏度(savg)。可以看出，对于0.5mm和2mm这两种直径的油泡，当轴向高度h＝1.5mm，接收电极圆心角β＝50°时，灵敏度场的分布特性最好。

(2)将传感器三扇区分别定义为a区、b区、c区，如图3所示。通过油水两相流动态实验，对插入式弧形对壁电导传感器各扇区输出信号进行采集，获得油水两相流归一化电导测量值与实验标定含水率值之间的实验相关图版，具体方法如下：

定义混合流体的归一化电导率ge为混合相的电导率σm与全水的电导率σw的比值，表达式为：

式中，vref和vm分别是测量电路中参考电阻两端测量电压和传感器测量端的接收电压，和分别是全水时参考电阻两端测量电压和传感器测量端的接收电压，插入式三扇区弧形对壁电导传感器归一化电导定义为各扇区归一化电导的平均值，表达式为：

式中，分别是a区、b区、c区电极的归一化电导值。

实验验证与结果：

利用本发明设计的插入式三扇区弧形对壁电导传感器中高含水率测量方法，可得到图7和图8所示的泡状流和细小泡状流的测量信号、归一化电导与标定含水率之间实验图版。可以看出，同一时刻三扇区所获得测量信号存在差异，这是由于分散相局部浓度及局部流速非均匀分布引起的；通过实验图版(图8)，可以看出三扇区传感器归一化电导平均值对含水率变化具有较高的分辨能力，验证了本发明设计的中高含水油水两相流插入式三扇区弧形对壁电导传感器的含水率测量有效性。