一种水包油乳状液持油率分布电学成像测量方法与流程

本发明涉及油田动态监测领域表面活性剂作用下的水包油乳状液局部持油率测量方法。

背景技术：

由于长期采用注水开采手段，陆上油田开采已进入以低流速高含水为主要特征的中晚期开采阶段。为提高原油采收率，以表面活性剂驱为主的化学驱采油技术在油田中得到广泛应用。实现表面活性剂作用下的水包油乳状液局部持油率的准确测量对油井动态监测及优化井下产液剖面生产测井相含率传感器具有重要意义。

表面活性剂的加入会极大改变混合流体的流变学特性，形成油相与表面活性剂溶液间复杂的混相流动现象，对油水相间滑脱效应以及管截面持油率分布行为产生显著影响，增加了局部持油率测量的难度。迄今，对于乳状液的研究多集中于分散相粒径分布的研究，缺乏对乳状液管流持油率测量手段的报导。由于表面活性剂会极大降低油水相间界面张力，致使油水乳状液油泡尺寸通常为微米级，同样给水包油乳状液局部持油率测量带来极大挑战。此外，传统的径向可移动式(阵列式)电导探针测量方法只能实现管道中单一方向的局部持油率测量，其测量盲区较大，且乳状液分散相持率分布多表现为非均匀特性，因此传统径向电导探针阵列传感器无法满足实时捕获管道截面局部持油率分布的要求。采用分布式电导探针测量方法可有效测量管道截面持油率的非均匀分布特性。

技术实现要素：

本发明提出一种表面活性剂作用下水包油乳状液持油率分布式电导探针测量方法。通过计算分布式电导探针所测管截面十六个不同位置处持油率值，并利用三次样条插值算法实现乳状液持油率在管道截面的分布行为。技术方案如下：

一种水包油乳状液持油率分布电学成像测量方法，所采用的传感器包括分布式放置在集流后小管径测量管道内的多个同心环位置处的多路电导探针传感器，每路电导探针传感器包括激励源探针和接收源金属套筒，其中，第1环包含1路电导探针传感器，位于每个同心环上的电导探针传感器都是均匀分布的；在进行测量时，对各路电导探针传感器的输出信号进行采集，利用自调整双阈值方法将原始测量信号转化为对应方波信号，以该方波信号为待处理信号，计算得到局部持油率，之后再利用三次样条插值算法对管道截面持油率分布进行三维成像，重构表面活性剂作用下水包油乳状液持油率在管道截面上分布行为。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明设计的截面分布式几何结构，测量管截面上不同位置的持油率参数，可实现水包油乳状液管截面持油率的非均匀分布测量。

(2)本发明设计的十六路探针在管道内4环分布的测量模式，减少探针在管道截面上的测量盲区，提高乳状液持油率的测量准确度。

附图说明

图1是分布式电导探针传感器几何位置图。

图2是分布式电导探针传感器结构图。

图3是表面活性剂作用下水包油乳状液对应的分布式电导探针传感器测量电压信号：(a)总流量0.5m³/day及含水率88％；(b)总流量4m³/day及含水率88％；(c)总流量7m³/day及含水率88％。

图4是根据分布式电导探针传感器所测持油率及利用三次样条曲线进行插值计算得到的管截面持油率三维成像图：(a)总流量0.5m³/day及含水率88％；(b)总流量4m³/day及含水率88％；(c)总流量7m³/day及含水率88％。

附图标号说明：

1单电导探针传感器；2不锈钢套筒；3外管；4导线

具体实施方式

为考察表面活性剂作用下水包油乳状液持油率在管道截面的分布行为，本发明创新思路是通过采用分布式电导探针测量法以突破径向探针在单一方向上的测量模式，并提出可适用于捕获水包油乳状液微米级尺寸液滴的探针测量手段。在测量方式上，在集流后小管径测量管道内放置十六路单电导探针传感器，十六路探针在管道分为4环，其中第1环只包含1路探针，第2环由3路探针组成，第3环由6路探针组成，第4环由6路探针组成。通过几何结构对每一环的探针位置进行合理放置，进而可以较为全面的实现管道截面局部持油率的同时测量。根据十六探针所测持油率，利用三次样条插值算法对管道截面持油率分布进行三维成像，重构表面活性剂作用下水包油乳状液持油率在管道截面上分布行为。

本发明采用的分布式电导探针传感器包括十六路相同的单电导探针传感器1、不锈钢套筒2、外管3和导线4。每一路电导探针传感器包括激励源探针和接收源金属套筒。

将设计的分布式电导探针传感器安装在垂直上升油水两相流实验装置中，当表面活性剂溶液和油相混合流体流经传感器时，经信号调理电路对分布式电导探针传感器输出信号进行采集。数据处理时，首先计算每一路探针传感器所测对应管截面位置处持油率，然后对没有测量到的点进行三次样条插值，最后对水包油乳状液持油率管截面分布进行三维成像。

下面结合附图说明表面活性剂作用下的水包油乳状液分布式电导探针测量方法具体实施过程：

(1)本发明中，垂直上升测量管道内径d＝0.02m，每一路电导探针传感器中金属套筒外径d1＝1.4mm，探针针体直径d2＝0.16mm，探针针尖直径d3＝0.02mm，探针探出金属套筒外长度l1＝3mm，每一路探针在管道中的位置如图1所示，十六路探针传感器在管道分为4环，第1环只包含第1路探针，第2环由第2、3、4路共3路探针组成，第3环由5、6、7、8、9、10路共6路探针组成第4环由11、12、13、14、15、16路共6路探针组成。第2环的3路探针恰好组成正三角形，第3环的6路探针恰好组成正六边形，第4环的6路探针同样恰好组成正六边形。第1环的金属套筒到第2环的金属套筒的距离，与第2环的金属套筒到第3环的金属套筒的距离，与第3环的金属套筒到第4环的金属套筒的距离，与第4环的金属套筒到管道内壁的距离都相等。因此可得出这16路探针中心位置的具体坐标值。

(2)通过实施表面活性剂作用下水包油乳状液动态实验，对分布式电导探针传感器输出信号进行采集，利用自调整双阈值方法将原始测量信号转化为对应方波信号，以该方波信号为待处理信号，计算得到局部持油率，并利用三次样条插值算法对其在管截面分布进行三维成像。具体方法如下：

首先定义两个具有初始值的最大值αmax和最小值αmin。对于第n个采样点信号αn，将其与第n-1个采样点信号值αn-1相比较。如果αn大于αn-1，则最大值αmax被αn替换；如果αn等于αn-1，最大值和最小值没有变化；如果αn小于αn-1，则最小值αmin被αn替换。

然后，设置一个与信号噪声相关的阈值x，通过判断式(2)和式(3)的真值情况，将探针原始信号转换为只含有0和1的二进制信号。

局部持油率α计算公式为：

式中，∑ti和t分别是探针针尖触碰油相总时间和采样时间，no和n分别是实验所测油相采样点总个数和实验得到的采样点的总个数，f为采样频率。

局部持油率三次样条插值数学原理如下：

定义节点a＝x0<x1<….<xn-1<xn＝b，若函数s(x)∈c²[a,b]在每个小区间[xi,xi+1]上是三次多项式，则称其为三次样条函数。若在每个小区间[xi,xi+1]上同时满足si(xi)＝f(xi)＝yi，si+1(xi+1)＝f(xi+1)＝yi+1。则称s(x)为f(x)在区间[a,b]上的三次样条函数。

设s(x)在各个节点处的二次导数值为s″(xj)＝mj。考虑在区间[xi-1,xi]上s(x)＝sj(x)为三次多项式，故s"j(x)为线性函数。利用线性插值公式，可得s"j(x)的数学表达式：

将上式积分两次，即可得到函数sj(x)的表达式为：

将插值条件sj(xj-1)＝f(xj-1)＝yi-1，sj(xj)＝f(xj)＝yi，代入式(7)即可确定积分常数c1和c2。sj(x)的最终表达式为：

由于s(x)在各个节点处存在一阶导数，即有s'j(xj)＝s'j+1(xj)。对sj(x)取一阶导数，并根据s(x)在各个节点处存在一阶导数的条件，可得：

整理后得到关于mj-1，mj和mj+1的三弯矩方程：

μjmj-1+2mj+λjmj+1＝dj

其中：

根据自然边界条件s″(x0)＝m0＝s″(xn)＝mn＝0，三弯矩方程可展开为如下所示的n-1阶线性方程组：

上式所示系数矩阵严格对角占优，方程组存在唯一解。这样，即可求得不同小区间内三次样条插值函数sj(x)的数学表达式。

实验验证与结果：

利用本发明设计的表面活性剂作用下水包油乳状液分布式电导探针传感器，可以得到图3所示的测量信号、图4所示持油率在管道截面上分布的三维成像图。可以看出，分布式电导探针传感器输出电压信号可良好反映不同流动工况下管道截面上混合流体流动结构的差异；通过持油率在管道截面上三维成像图(图4)可以有效分析距离管道中心不同位置的持油率非均匀分布情况，验证了本发明设计的表面活性剂作用下水包油乳状液分布式电导探针测量方法的可适用性。