专利名称：基于分流法的高分辨率电导含水率计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种油田上进行含水率测量的仪器，具体的说是涉及一种应用电导传 感器进行含水率测量的仪器。
背景技术：
随着大庆油田的持续开发，大庆油田综合含水率逐年增长。目前，大庆主力油田 的综合含水率已达87%以上，很多油井处于高含水阶段，因此，准确测量高含水油井的含水 率，对油田采取有效措施具有重要意义。电导式过环空产液剖面测井仪已在油田产出剖面 测井中得到广泛应用，它能够实时反应井下含水率的变化，具有实时性好、响应速度快等特 点。但是，经过近几年的应用，发现这种仪器存在以下局限性由于仪器中的电导含水率计 在特高含水的情况下测量分辨率不高，从而导致该种仪器不能广泛应用在高含水油区。
发明内容
为了解决背景技术中提到的现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于分流法 的高分辨率电导含水率计，该种含水率计应用后能够准确的测量高含水油井中的含水率， 为油田开发提供更准确可靠的动态监测资料，具有测量效果稳定、适用于特高含水产出井 中进行测量等特点。本发明的技术方案是该种基于分流法的高分辨率电导含水率计，包括信号处理 电路、中空的仪器筒、伞形集流器以及集流器总承等一些常规结构，其中，所述仪器筒内置 有用于含水率测量的电导传感器以及用于流量测量的涡轮传感器。其作出改进之处在于 所述仪器筒的筒壁上由下而上依次开有下进液口、上进液口以及出液口，所述下进液口与 上进液口位于伞形集流器的顶端集流区间内；所述仪器筒内居中置有一根由绝缘材料制成 的分流管，所述分流管的端部有锁定凸台，在锁定凸台与仪器筒之间形成的环形空间内通 过顶针固定有密封圈；所述下进液口与上进液口分别位于密封圈的下、上侧；所述分流管 的下端位于下进液口以下位置，其上端则位于电导传感器以上和涡轮传感器以下位置；所 述分流管的截面积与仪器筒内总流动面积的比值范围限于20% 40%之间。本发明具有如下有益效果采取上述方案的电导含水率计依据电导传感器的测量 原理，在电导传感器内增加了一个居中位于传感器内由绝缘材质构成的分流管并改进了进 液口，从而带来了以下变化首先，使得分流管与电导传感器之间的环形通道成为了电导传 感器测量电导率的测量通道；其次，在高含水情况下，一部分水流量通过分流管内分流，不 流过传感器的环形测量通道，使流过电导传感器的油水混合物的含水率在其允许的应用范 围内，之后，在得到精确的含油量后，再由后置的涡轮流量传感器测得真实的全部流量，得出 最后的含水率，从而实现了提高电导式过环空产液剖面测井仪含水率测量分辨率的功能。
图1是本发明中所涉及的基于分流法的高分辨率电导含水率计结构示意图。
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图2是本发明中所涉及的基于分流法的高分辨率电导含水率计中伞式集流器与 分流管部分装配后的机械结构剖视图。图3为含水率98%到96%不同分流比的分辨率。图4为含水率96%到94%不同分流比的分辨率。图5为含水率94%到92%不同分流比的分辨率。图6为应用本发明实现分流40%时环形空间含水率。图7为应用本发明实现分流30%时环形空间含水率。图8为应用本发明实现分流20%时环形空间含水率。图9是涡轮流量传感器在不同油水配比下的检测结果。图10为实验样机在模拟井上的标定建立的仪器响应与标准含水率校正图版。图中1-信号处理电路，2-出液口，3-涡轮传感器，4-电导传感器，5-分流管，6_伞 形集流器，7-油水混合物层，8-水层，9-下进液口，10-密封圈，11-上进液口，12-集流器总 承，12a-传动总承，12b-驱动总承，13-仪器筒，14-锁定凸台，15-顶针，I-油井产出液流 出通道，II-油水混合物流入通道，III-水流入通道。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明
本发明是基于电导测量原理，如图1所示，所采用的电导传感器是由安装在绝缘的仪 器筒壁上，按一定距离排列的四个圆环不锈钢电极组成。外面一对作激励电极，中间一对作 为测量电极，给激励电极提供一定频率的交变恒定电流，当流体从传感器的环形通道内流 过时，由于测量电极间阻抗的存在，根据电学原理可知，测量电极间产生电压，电压幅度与 流过传感器的流体的电导率成反比，在水的电导率为已知的情况下，得出油水混合物的电 导率即可得出混合液中油的含量和水的含量。本发明的具体方案构成如下
本种基于分流法的高分辨率电导含水率计，包括信号处理电路1、中空的仪器筒13、伞 形集流器6以及集流器总承12，所述仪器筒13内置有用于含水率测量的电导传感器4以及 用于流量测量的涡轮传感器3，前述结构均为常规结构。其中，信号处理电路主要由激励源、信号放大电路、AC/DC电路、V/F转换电路以及 功率放大电路等部分构成。一般来说，激励源信号为交变恒定电流源，恒定电流源输入端信 号由波形发生器ICL8038提供，ICL8038为高度集成的波形发生器，它能够提供幅度、频率 高度稳定的正弦波信号，其频率范围可调，根据理论分析及实验验证，井下电路激励源频率 应在15KHz 23KHz范围内，恒定电流源采用典型微变电流源电路，它能够提供高度恒定的 微电流源，其所带负载变化范围宽，适用于井下含水率波动变化情况。信号放大电路可以采 用仪用差动放大器AD620，使得两端输入阻抗相匹配。AC/DC电路可以采用AD637进行全波 整流，以提高仪器分辨率。V/F转换电路可以采用AD537进行电压信号的压频转换。功率放 大电路可以采用LM386，对压频转换后的频率信号进行功率放大，然后传输给地面的数据采 集系统。本发明作出改进之处在于以下如图1结合图2所示，所述仪器筒13的筒壁上由 下而上依次开有下进液口 9、上进液口 11以及出液口 2，所述下进液口 9与上进液口 11位
4于伞形集流器6的顶端集流区间内。所述仪器筒13内居中置有一根由绝缘材料制成的分 流管5，所述分流管5的端部有锁定凸台14，在锁定凸台14与仪器筒13之间形成的环形空 间内通过顶针15固定有密封圈10 ；所述下进液口 9与上进液口 11分别位于密封圈10的 下、上侧；所述分流管5的下端位于下进液口 9以下位置，其上端则位于电导传感器4以上 和涡轮传感器3以下位置；所述分流管5的截面积与仪器筒13内总流动面积的比值范围限 于20% 40%之间。在本方案中，可以说分流结构的设计是本发明的关键技术，正是为了提高电导传 感器在高含水情况下的测量分辨率，如图所示，在电导传感器内置入了一个分流管。机械设 计图如图2所示。分流管为绝缘材料，居中位于电导传感器内，分流管壁厚为1mm，根据不同 的分流比，即分流管的截面积与总流动截面积的比值，来确定分流管的内径。至少，分流管 的下端需要延伸至下进液口以下IOmm的位置，这样可以有效地防止油相从下进液口流入 分流管。分流管的上端位于电导传感器以上，涡轮传感器以下，这样，从分流管内流动的流 体，既保证了不被电导传感器检测到，又可以通过涡轮传感器检测流量。分流比是指分流管截面积与仪器内总流体流动面积的比值，分流比的大小反映了 从分流管分流出去的流体的流量占总流量的多少。如果分流比过大，则从分流管内分流出 去的流体就会很多，而且，轻质相的油也会大量的分流出去；如果分流比太小，又不能很好 的起到分流的效果。所以确定一个合适的分流比结构非常重要。为了评价仪器的响应特性， 定义了适用于阻抗图版的分辨率，定义为分辨率=(A-B) /(a%_b%)，式中a、b分别代表两 种含水率值，A、B则分别代表两个含水率下测得的仪器响应值。该定义式反映了仪器响应 图版的任意两个含水率下的响应曲线的拉开程度，分辨率值越高、曲线拉开程度越大、两条 曲线中间能够进行更多数据的插值运算、更多的插值运算数据则代表了仪器解释图版能够 分辨的数据更加细化，即提高了仪器对于含水率的分辨率。结合阻抗传感器的结构尺寸设 计了三种尺寸的分流管，分别代表分流比为20%、30%、40%。对三种分流比结构的仪器分别 在模拟井上进行了标定实验，含水率范围为90%-100%。分别对三种分流比仪器的标定图版 进行了分辨率计算，其结果如图3到图5所示，图3为含水率98%到96%不同分流比的分辨 率，图4为含水率96%到94%不同分流比的分辨率，图5为含水率94%到92%不同分流比的 分辨率
模拟井标定的计算结果表明分流比30%的分辨率明显优于20%和40%，更加适合该含 水率计应用于高含水及特高含水测量的设计。综合以上分析确定分流管的分流比为30%。此 外，为了从理论上确定合适的分流效果，利用FLUENT有限元仿真软件进行了传感器内的流 场仿真。针对三种不同分流比20%、30%和40%，分别进行了流场仿真。仿真软件可以给出不 同工况下传感器环形空间内含水率。图6、图7和图8分别为分流比为40%、30%和20%时， 不同流量不同含水率配比时环形空间含水率图版。图6为分流40%时环形空间含水率，图 7为分流30%时环形空间含水率，图8为分流20%时环形空间含水率。仿真结果表明三 种分流比下环形空间内计算的含水率皆小于标准配比含水率，说明在一定程度上都起到了 分流效果；但对比结果表明，分流比30%时，在相同流量和含水率情况下环形空间的含水率 相对于分流40%和20%的仪器要小，所以分流比为30%的结构比分流为40%和20%的结构 分流效果明显。30%为最佳分流比。在具体实施时，集流伞总承采用外径为28mm的伞式集流器，将仪器下到井下某一深度位置后，将集流伞撑开，进行集流测量。集流伞伞布下方有进液口，井下流体通过进液 口流入测量通道进行流量及含水率的测量。集流伞设计及分流管组合结构的机械图如图2 所示。包括伞的驱动总承12b、伞传动总承12a、集流伞布、上进液口、下进液口以及分流管 等组成。其中伞驱动总承和伞传动总承采用购置的成熟部件，可以说，集流伞进液口的设计 为本发明的关键技术之一。下面进行详细描述目前原有产液剖面通用的集流器为伞式集 流器，集流伞的上进液口和下进液口之间相互连通，井筒内的油水混合物经集流伞集流后， 从上、下进液口同时流入测量通道内进行含水率的测量。新设计的集流伞进液口结构与原 结构完全不同，上、下进液口中间通过同时起分隔和固定作用的密封塞作为分隔器隔开，相 互之间不再连通。井下油水混合流体经集流伞集流后，大部分油水混合物从上进液口流入 电导传感器的环形测量通道，进行含水率的测量。电导传感器只能测量环形空间内的流体 的含水率。由于油水之间的密度差异，轻质相的油要比水流的快，油向上漂并在集流器顶端 处堆积，当油堆积到进液口处时从上进液口流入传感器测量通道。流体中的一部分水则从 下进液口流入分流管，从分流管内流出，没有被电导传感器检测到，起到了特高含水情况下 水分流的效果，从而可提高仪器的分辨率。流量测量传感器采用过环空产出剖面测井仪中的涡轮传感器。涡轮传感器位于电 导传感器的上方，用于检测从分流管中及电导传感器环形空间内流出的流体流量。在涡轮 传感器的外壁需要增加四个走线槽，用于通过电导传感器及集流伞的信号线。本发明把涡 轮流量传感器的位置从传统结构中的集流伞的顶端附近变化到电导传感器上方，出液口下 方附近。这样，油水混合物经过阻抗传感器、分流管后，再流经涡轮流量传感器进行流量的 测量。由于井筒内的流体是先经过阻抗传感器后再到达涡轮传感器，油水混合物经过传感 器段的混合运移，得到了充分发展，使油水混合更加均勻，减小了涡轮流量计受流体混合不 均勻的影响。针对新的仪器结构，已制做了实验样机。在大庆油田测井试井检测实验中心多相 流模拟井上对实验样机进行了标定。油水混合流体的流量设置为5m3/d，7 m3/d, 10 m3/d, 15 m3/d, 20 m3/d,40 m3/d，60 m3/d，80 m3/d ；不同的油水配比即含水率设置为90%、70%、80%。标 定过程中，在固定某一总流量的情况下，调节不同的含水率，即改变该流量下油水的比例， 然后记录涡轮响应频率值。标定结果如图9所示，图9是涡轮流量传感器在不同油水配比 下的检测结果。图中横坐标为标准流量，纵坐标为涡轮响应频率。标定结果表明不同油水 比例下的实验结果完全一致，涡轮响应频率受含水率的影响很小，涡轮频率与标准流量具 有很好的线性关系，线性拟合系数可以达到0. 9997。新的涡轮传感器位置的调整可以进一 步提高涡轮稳定性，减小了涡轮受油水混合不均勻的影响。本发明在具体使用时，在含水率标定的过程中，需要按所设计的实验点的含水率 的大小准确调节配比的油流量和水流量。油水混合流体经集流器分流后，一部分水流量从 分流管分流，而大部分油水混合物则流入阻抗传感器的环形空间进行含水率的测量。首先测量的是油水混合物时的阻抗传感器的输出，称为混相值；然后将集流伞关 闭，对流过传感器内的流体进行取样，待油水重力分离，阻抗传感器完全浸没在纯水中时的 传感器输出，称为全水值。全水值与混相值的比值称为仪器响应。仪器响应反映了环形空 间流道内油相的体积含量。仪器响应还不是要测量的混合流体的含水率，而是需要通过校 正图版，建立仪器响应与标准含水率之间的关系图版。图10为实验样机在模拟井上的标定建立的仪器响应与标准含水率校正图版。图中横坐标为标准流量，纵坐标为仪器响应，每一 条曲线代表一个含水率。 实际测井时，得到某一流量下的仪器响应响应，然后在图版上利用插值计算的 方法计算出该点的标准含水率。如果某一点测得的流量为9_，仪器响应为F_。判断FJi 于哪两条含水率曲线之间。如果的数值位于含水率90%和80%两条曲线之间，则在图版 上查出流量点在垂直方向与90%和80%两条含水率曲线相交叉的纵坐标值=F9cw和F8mo 利用下面的公式可求得Y值，Y即为实际测量的含水率Y =80%+(FSJ -F80%)*10%/ (F90%-F80%)。
权利要求
一种基于分流法的高分辨率电导含水率计，包括信号处理电路(1)、中空的仪器筒(13)、伞形集流器(6)以及集流器总承(12)，所述仪器筒(13)内置有用于含水率测量的电导传感器(4)以及用于流量测量的涡轮传感器(3)，其特征在于所述仪器筒(13)的筒壁上由下而上依次开有下进液口(9)、上进液口(11)以及出液口(2)，所述下进液口(9)与上进液口(11)位于伞形集流器(6)的顶端集流区间内；所述仪器筒(13)内居中置有一根由绝缘材料制成的分流管(5)，所述分流管(5)的端部有锁定凸台(14)，在锁定凸台(14)与仪器筒(13)之间形成的环形空间内通过顶针(15)固定有密封圈(10)；所述下进液口(9)与上进液口(11)分别位于密封圈(10)的下、上侧；所述分流管(5)的下端位于下进液口(9)以下位置，其上端则位于电导传感器(4)以上和涡轮传感器(3)以下位置；所述分流管(5)的截面积与仪器筒(13)内总流动面积的比值范围限于20%～40%之间。
2.根据权利要求1所述的基于分流法的高分辨率电导含水率计，其特征在于所述分 流管(5)的截面积与仪器筒(13)内总流动面积的比值为3/10。
全文摘要
一种基于分流法的高分辨率电导含水率计。主要解决现有电导含水率计在高含水井中测量不准确的问题。其特征在于仪器筒的筒壁上由下而上依次开有下进液口、上进液口以及出液口，下进液口与上进液口位于伞形集流器的顶端集流区间内；所述仪器筒内居中置有一根由绝缘材料制成的分流管，所述分流管的端部有锁定凸台，在锁定凸台与仪器筒之间形成的环形空间内通过顶丝固定有密封圈；所述下进液口与上进液口分别位于密封圈的下、上侧；所述分流管的下端位于下进液口以下位置，其上端则位于电导传感器以上和涡轮传感器以下位置；所述分流管的截面积与仪器筒内总流动面积的比值范围限于20%～40%之间。具有测量效果稳定、适用于特高含水井中的特点。
文档编号E21B47/00GK101967969SQ20101051654
公开日2011年2月9日 申请日期2010年10月22日 优先权日2010年10月22日
发明者丁庆荣, 于勇波, 于向江, 刘兴斌, 胡金海, 黄春辉 申请人:大庆油田有限责任公司