测量含水率的探针检测微结构单元、传感器、装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种测量含水率的探针检测微结构单元、传感器、装置及方法。其中，所述探针检测微结构单元包括绝缘外壳；以及位于所述绝缘外壳内用于测量电阻率的探针。其中，所述绝缘外壳具有相对的两个开口，使得液体或气体通过其中一个开口流入所述绝缘外壳、流经所述探针，并且经由另一个开口从所述绝缘外壳中流出。所述含水率传感器包括多个探针检测微结构单元；且所述含水率测量装置包括所述含水率传感器、多个电阻率检测电路和控制设备。本发明提供的含水率传感器既易于液体流通，又不改变油井中油、气、水的自然分布状态；本发明符合高含水状态下产层的油水随机分布特点，可以快速实时地检测产层的含水率，并能准确判断出产层的含水率。
【专利说明】
测量含水率的探针检测微结构单元、传感器、装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及油田井下监测领域，具体地，涉及用于测量含水率，尤其是测量油水非均匀混合状态下的含水率的探针检测微结构单元、含水率传感器、含水率测量装置和测量方法。
【背景技术】
[0002]在油田开采过程中，随着开发时间的延长，原油的产量会不断下降。由于绝大多数油井采用注水或者注聚合物等的方式进行开采，因此会使得油井产液的含水率很高。经过长期开采，地层中的产液已非油水混合均匀的液体，而是泡状或者段塞状的油水混合液体，同时原油已经无连续相可言。
[0003]不论是在两相流还是在三相流的状况下，以均匀混合模型为基础的常规含水率测量方法(如电容法、阻抗式含水率测量法或者高频电磁波测量法)得到的含水率参数都无法反映真实结果，造成含水率测量的误差过大，从而使判断失误，导致堵水效果不明显甚至失败。因此，测量与判断产液含水率的准确性以及测量方法的可信度至关重要。
【发明内容】
[0004]为解决现有的含水率测量方法的缺陷，根据本发明的一个实施例，提供一种探针检测微结构单元，包括绝缘外壳和位于所述绝缘外壳内的探针，该探针用于测量电阻率。其中，所述绝缘外壳具有相对的两个开口，使得液体或气体通过其中一个开口流入所述绝缘外壳、流经所述探针，并且经由另一个开口从所述绝缘外壳中流出。
[0005]可选的，所述绝缘外壳是立方体结构的外壳。
[0006]可选的，所述绝缘外壳的边长小于预定阈值，使得在通过探针进行一次电阻率测量所用的时段内，流经探针的物体是单一成份的物体。
[0007]可选的，所述探针的一端固定在所述绝缘外壳的内侧。
[0008]根据本发明的一个实施例，还提供一种含水率传感器，包括:管状外壳，其两端分别用于与油管相接；及多个探针检测微结构单元，位于所述管状外壳内并且排列在所述管状外壳的截面上。其中，液体或气体通过所述管状外壳的一端流入所述管状外壳、流经所述多个探针检测微结构单元的探针，并且经由所述管状外壳的另一端从所述管状外壳中流出。
[0009]可选的，所述多个探针检测微结构单元以阵列的形式排列在所述管状外壳的截面上。
[0010]根据本发明的一个实施例，还提供一种含水率测量装置，包括:
[0011]含水率传感器；多个电阻率检测电路，其中每个电阻率检测电路与所述含水率传感器中对应的一个探针检测微结构单元相连，用于通过该探针检测微结构单元的探针测量电阻率；以及控制设备，用于根据检测的电阻率信息计算含水率。
[0012]可选的，所述控制设备包括:
[0013]可编程逻辑电路，与所述多个电阻率检测电路相连，用于将每个探针检测微结构单元测量的电阻率信息传输给单片机；以及单片机，与所述可编程逻辑电路相连，用于根据每个探针检测微结构单元测量的电阻率信息计算含水率。
[0014]可选的，所述单片机用于根据一段时间内每个探针检测微结构单元测量电阻率得到的测量值，得到每个测量值对应的物理属性；并且将测得结果为水的次数与测量的总次数的比例，作为该时间段内的含水率。
[0015]根据本发明的一个实施例，还提供一种采用上述含水率测量装置的含水率测量方法，包括:
[0016]步骤I)、在一段时间内，对流经每个探针检测微结构单元的流体多次测量电阻率;
[0017]步骤2)、单片机根据每个探针检测微结构单元的测量值，得到流经每个探针检测微结构单元的流体的物理属性，
[0018]步骤3)、将在所述时间段内由探针检测微结构单元测得的结果为水的次数与测量的总次数的比例作为该时间段内的流体的含水率。
[0019]本发明提供的含水率传感器由按阵列式排列的多个探针检测微结构单元构成，在每个探针检测微结构单元中用探针检测该单元内的油、气、水三相流性质，从而获得样本的含水率。本发明提供的探针检测微结构单元、含水率传感器、含水率测量装置以及测量方法能够有效地检测和识别高含水状态下的油水比例，避免了由于高含水状态下的油水非均匀性与不连续性所产生的测量误差，保证了测量结果的可信度与真实性，达到了提高测量精度的目的。此外，数据处理过程简单，适用于在井下进行实时的采集处理。
【附图说明】
[0020]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图与结构原理获得其它的附图与系统。
[0021]图1是根据本发明一个实施例的探针检测微结构单元的透视图；
[0022]图2是根据本发明一个实施例的含水率传感器的截面图；
[0023]图3是根据本发明一个实施例的含水率测量装置及探针检测微结构单元的框图；以及
[0024]图4是根据本发明一个实施例的包括含水率传感器和含水率测量装置的室内测量系统的示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026]根据本发明的一个实施例，提供一种用于测量含水率的探针检测微结构单元。
[0027]图1示出了探针检测微结构单元2的透视图，该探针检测微结构单元2呈长方体结构，其具有一个长方体外壳和一个探针3。其中，长方体外壳的六个面中的相对两面开口，其余四面中的每一面为由绝缘材料构成的绝缘壁4(即该长方体外壳上具有相对的两个开口)。探针3位于外壳内，且其一端固定在其中一个绝缘壁4上，探针3用于测量电阻率。因此，液体(或气体)可通过外壳上的一个开口流经探针3，并且从外壳上的另一个开口流出。
[0028]在一个实施例中，探针3可经由电缆或其他介质与位于探针检测微结构单元2外部的电阻率检测电路相连接，以便进行电阻率的测量。
[0029]在一个实施例中，长方体外壳的边长均小于8mm(例如，该外壳为长宽高分别为7毫米的正方体)，使得在一次测量(即通过探针3和外部的电阻率检测电路测量电阻率)所用的时间期间内，在探针检测微结构单元2中流经探针3的物体是单一成份。也就是说，在一次测量时，流经探针3的物体是纯油或者纯气或者纯水的状态。因此，通过测量电阻率并将测量得到的值与油或气或水对应的阈值范围进行比较，就能够非常容易地识别出通过探针检测微结构单元2的探针3的物体的物理性质，判断出该物体的成份。
[0030]以上示意性地描述了探针检测微结构单元2的一种结构示例，本领域技术人员应理解，该探针检测微结构单元2也可以呈柱状结构或者其他结构。例如，探针检测微结构单元的外壳是两端开口的管状绝缘体，探针位于外壳内且其一端固定在管状外壳的内壁上。
[0031]在上述探针检测微结构单元2的基础上，根据本发明的一个实施例，还提供一种含水率传感器。
[0032]图2示出了含水率传感器I的截面图，其中该含水率传感器I呈柱状结构，截面为圆形。含水率传感器I具有两端开口的管状外壳，其两端可分别与油管相接且同时接地。管状外壳内可具有多个探针检测微结构单元2，这些探针检测微结构单元2以阵列的形式排列在含水率传感器I的管状外壳内的一个截面上，并且液体(或气体)在每个探针检测微结构单元2的外壳中流动的方向与液体(或气体)在含水率传感器I的外壳中的流动方向一致。因此，液体可从与含水率传感器I的外壳的一端相接的油管通过该端的开口流入含水率传感器I，经过含水率传感器I中的每个探针检测微结构单元2 (即流经每个探针检测微结构单元2的探针3)，通过含水率传感器I的外壳的另一端开口流出到与该端相接的油管。该含水率传感器I既易于液体(或气体)流通，又不改变井下液体中油、气、水的自然分布状态。
[0033]具体而言，当井下液体通过该含水率传感器I时，由于该液体处于油水非均匀混合状态，其中的每个探针检测微结构单元2中可能会有不同的液体(油/水)或者气体流过。这样，当原油或气体不论以泡状还是段塞状的形式通过含水率传感器1，很可能会被其中的某个探针3通过检测电阻率来检测得到。这样，根据同一时间段内多次测量得到的油、气、水的比例就可以很容易地得到产层的含水率，从而保证了测量结果的可信度。
[0034]其中，该含水率传感器I的管状外壳用于替代一截油管，并且内部采用阵列式结构(优选地，使用正方体结构的探针检测微结构单元2)的探针检测微结构单元2，这是为了让探针检测微结构单元2能够尽可能多地占据含水率传感器I的截面面积，保证在立体空间上尽可能多的与被测物体的每一种微组份(如小的油珠、气泡)相接触，从而能够有效地测量与识别通过该含水率传感器I的、呈随机状态分布的原油或气体。
[0035]含水率传感器I可与外部设备相接，以便测量通过该含水率传感器I的液体的含水率。因此，根据本发明的一个实施例，还提供一种含水率测量装置。该含水率测量装置包括含水率传感器1、电阻率检测电路5、可编程逻辑电路6以及单片机7。图3示出了该含水率测量装置的示意图。
[0036]其中，电阻率检测电路5的个数与含水率传感器I中的探针检测微结构单元2的个数相同，每个电阻率检测电路5(例如通过电缆或其他介质)连接到对应的一个探针检测微结构单元2，用于通过该探针检测微结构单元2实时地测量电阻率值。可编程逻辑电路(FPGA) 6与所有电阻率检测电路5相连接，用于对探针检测微结构单元2的测量值的采集顺序进行排序，以及负责信号输入单片机7之前的并/串转换。单片机7用于负责对于每个探针检测微结构单元2的测量值的采集、进行过程控制和结果计算，并且负责其与计算机的数据通讯。
[0037]在一个时间段内，单片机7根据通过可编程逻辑电路6采集的每个探针检测微结构单元2的测量值，将测量值与预存的油、气和水的刻度值进行比较，从而识别每个测量值对应的物理属性(即判断是油或气或水)，得到该时间段内测量得到油、气、水的次数。根据测得水的次数占总测量次数的比例，得到该时间段内采集样本的含水率。在一个实施例中，可以循环地执行在一个时间段内的测量和识别，这个时间段可以是几秒、几分钟、几个小时或者几天，在每个时间段内，每个检测微结构单元2可以不断地进行测量，或者以一定的周期同时进行测量。
[0038]根据本发明的一个实施例，还提供一种基于上述含水率测量装置的含水率测量方法。
[0039]概括而言，该方法根据同一时间段内检测到的油、气、水的次数的比例来计算产层的含水率值，包括:
[0040]1.在预定的时间段(如一天)内，单片机7通过电阻率检测电路5和可编程逻辑电路6，控制含水率传感器I中的每个探针检测微结构单元2多次同时进行电阻率测量，得到每次测量返回的测量值；
[0041]2.根据预存的油、气、水的刻度值(或称预定的阈值)，单片机7判断每个测量值对应的物理属性(油、气、水)。例如，得到测得结果为油的次数以及测得结果为气的次数。
[0042]3.根据总的测量次数以及测得结果为水的次数，得到含水率；也可以根据测得结果为油以及测得结果为气的次数，得到含水率。
[0043]例如，假设S = Σ W1，为一个时间段内的总测量次数;Μ = Σ Hi1，为该时间段内测得结果为油的次数；G =Σ gl，为该时间段内测得结果为气体的次数；则Km = Μ/S为含油率，Kg = G/S为含气率；因此，含水率Kw如下式所示:
[0044]Kw = 1-Km-Kg (I)
[0045]为验证本发明提供的含水率传感器、含水率测量装置和方法的有效性，发明人使用图4所示的室内测量系统进行了实验。
[0046]如图4所示，上水箱8的体积为120升，用来盛装试验用油和水；下水箱11的体积为120升，用来盛接从水管道14流出的液体；含水率传感器I包括22个探针检测微结构单元2，该含水率传感器I被串接在水管道14的中间；水管道是内径为63毫米的油管；含水率测量装置的部分12包括电阻率检测电路5、可编程逻辑电路6和单片机7 ;在单片机7中设定采样间隔为I秒钟采集处理一次；由计算机13负责将测量的结果实时地显示在屏幕上；由电缆15将含水率传感器I连接到含水率测量装置的部分12，且含水率测量装置的部分12与计算机13之间由电缆16相连接。
[0047]实验中，将上述系统按照图示连接好之后，在上水箱8注入95升水、5升柴油，即按照95 %含水率的比例来配备，然后用搅拌器9随机搅拌10次，打开流量控制阀10使其保证在5分钟内完全流入下水箱11中，也就是相当于日产量为28.8吨油井的平均流速，重复测量6次。计算机显示的含水率测量结果分别为:94.3%、96.5%、93.4%、97.2%、93.6%和95.8%o而将含水率传感器I换成阻抗式环空测井仪器得到6次的含水率测量结果分别为:100 %、100 %、100 %、63.8 %、100 %、10 %，可见，在95 %的高含水率情况下，两者的误差是非常悬殊的。
[0048]通过上述实验对比充分证明了本发明的优越性，相比现有技术，本发明更适合于非均匀分布、高含水率与随机分布状态下的含水率测量。
[0049]应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。
[0050]附图标记列表
[0051]1-含水率传感器；
[0052]2-探针检测微结构单元；
[0053]3-探针；
[0054]4-绝缘壁；
[0055]5-电阻率检测电路；
[0056]6-可编程逻辑电路；
[0057]7-单片机；
[0058]8-上水箱；
[0059]9-搅拌器；
[0060]I O-流量控制阀；
[0061]11-下水箱；
[0062]12-含水率测量装置的部分；
[0063]13-计算机；
[0064]14-水管道；
[0065]15，16-电缆。
【主权项】
1.一种探针检测微结构单元(2)，包括: 绝缘外壳；以及 位于所述绝缘外壳内的探针(3)，用于测量电阻率； 其中，所述绝缘外壳具有相对的两个开口，使得液体或气体通过其中一个开口流入所述绝缘外壳、流经所述探针(3)，并且经由另一个开口从所述绝缘外壳中流出。2.根据权利要求1所述的探针检测微结构单元(2)，其中，所述绝缘外壳是立方体结构的外壳。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述绝缘外壳的边长小于预定阈值，使得在通过探针(3)进行一次电阻率测量所用的时段内，流经探针(3)的物体是单一成份的物体。4.根据权利要求1-3中任何一个所述的探针检测微结构单元(2)，其中，所述探针(3)的一端固定在所述绝缘外壳的内侧。5.一种含水率传感器(I)，包括: 管状外壳，其两端分别用于与油管相接；以及 多个如权利要求1-4中任何一个所述的探针检测微结构单元(2)，位于所述管状外壳内并且排列在所述管状外壳的截面上； 其中，液体或气体通过所述管状外壳的一端流入所述管状外壳、流经所述多个探针检测微结构单元(2)的探针(3)，并且经由所述管状外壳的另一端从所述管状外壳中流出。6.根据权利要求5所述的含水率传感器(I)，其中，所述多个探针检测微结构单元(2)以阵列的形式排列在所述管状外壳的截面上。7.一种含水率测量装置，包括: 如权利要求5或6所述的含水率传感器(I)； 多个电阻率检测电路(5)，其中每个电阻率检测电路(5)与所述含水率传感器(I)中对应的一个探针检测微结构单元(2)相连，用于通过该探针检测微结构单元(2)的探针(3)测量电阻率； 控制设备，用于根据检测的电阻率信息计算含水率。8.根据权利要求7所述的含水率测量装置，其中，所述控制设备包括: 可编程逻辑电路(6)，与所述多个电阻率检测电路(5)相连，用于将每个探针检测微结构单元(2)测量的电阻率信息传输给单片机(7); 单片机(7)，与所述可编程逻辑电路(6)相连，用于根据每个探针检测微结构单元(2)测量的电阻率信息计算含水率。9.根据权利要求8所述的含水率测量装置，其中，所述单片机(7)用于根据一段时间内每个探针检测微结构单元(2)测量电阻率得到的测量值，得到每个测量值对应的物理属性；并且将测得结果为水的次数与测量的总次数的比例，作为该时间段内的含水率。10.一种采用权利要求7-9中任何一个所述的含水率测量装置的含水率测量方法，包括: 步骤I)、在一段时间内，对流经每个探针检测微结构单元(2)的流体多次测量电阻率； 步骤2)、单片机(7)根据每个探针检测微结构单元(2)的测量值，得到流经每个探针检测微结构单元(2)的流体的物理属性， 步骤3)、将在所述时间段内由探针检测微结构单元(2)测得的结果为水的次数与测量的总次数的比例作为该时间段内的流体的含水率。
【文档编号】G01N27/08GK105987936SQ201510048336
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月30日
【发明人】姚希维, 韩召财
【申请人】姚希维, 韩召财