用于水平井油气水多相流流量测量的电磁阵列相关传感器及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及油田油井计量技术领域，特别涉及一种用于水平井油气水多相流流量 测量的电磁阵列相关传感器及系统，主要用于水平井生产测井狭小空间内含不同浓度的油 气等非导电物质、铁镍等导磁物质以及不同矿化度水相的油气水多相流层状流的流量测 量。
【背景技术】
[0002] 电磁流量计由于具有非侵入性、内部光滑、无阻流元件等特点，且不受温度、压力、 流体密度及粘度等诸多因素影响，近年来已经逐步开始应用于两相流以及多相流流体测量 中，尤其在高含水油田注水井、注聚井的注入剖面测井中得到广泛应用。然而，传统电磁流 量计在测量非高含水的油气水多相流流体流量时，由于如油气等非导电物质、铁镍等导磁 物质以及不同矿化度水相都会使得传感器输出信号产生较大的波动，严重影响其测量结 果，导致产生较大误差。
[0003] 燕山大学的专利CN201210012146. 9 (电磁相关法流量计传感器）提出了电磁流量 测量理论和相关法流量测量技术相结合的电磁相关法流量计传感器结构模型。根据相关法 流量测量原理可知，当流体中含有水为连续相以及其它非导电物质时，油水两相流或油气 水多相流流体中存在的非导电物质对测量信号造成的波动性在电磁相关法流量计流量测 量中并不存在明显的影响，因此电磁相关法流量计可以测量含有非导电物质的两相流或多 相流流量。同时电磁相关法流量计作为一种新型的流量测量仪器仪表，在实际应用中不仅 可以测量非导电物质含量较低的两相流或多相流流量，而且可以测量非导电物质含量较高 的两相流或多相流流量。
[0004] 由于水平井生产测井中油气水多相流流体流型流态受重力影响，较垂直井更加复 杂多变，尤其在低产液、低流速、高含水的水平井油气水多相流层状流（即上层为气相、中 间层为油相或油水混合相、下层为水相）的各相间存在滑脱，局部流速及相含率沿管径方 向存在复杂分布的实际情况，致使其流量测量较垂直井更加困难。电磁相关法流量计传感 器上下游的每个横截面只有一对检测电极，在测量层状流流体流量时，单对检测电极只能 测量处于流体层状流中气层、油层或水层的某一层流体的流量信息，而当传感器上下游每 个横截面安装N对检测电极可以将处于层状流的气层、油层和水层的流体流量信息全部覆 盖，同时结合互相关运算、多源信息融合处理，从而达到水平井油气水多相流层状流的流速 和流量测量。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种用于水平井油气水多相流流量测量的电 磁阵列相关传感器及系统，以克服现有技术中无法实现水平井油气水多相流层状流的流量 测量。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明一方面提供了一种用于水平井油气水多相流流量 测量的电磁阵列相关传感器，包括传感器内流测量管、励磁组件、电极固定座、检测电极组 件和衬里；所述传感器内流测量管为两端开口且内径一致的圆柱形壳体；所述衬里黏贴在 所述传感器内流测量管的内管壁上；所述传感器内流测量管的两端管壁较薄且中间段管壁 较厚，在其中间段较厚管壁外侧对称平行安装有励磁组件；所述的励磁组件包括励磁线圈、 磁芯、励磁线圈固定件和励磁结构固定架；所述的励磁线圈为马鞍形结构且与所述传感器 内流测量管的中间段外壁平行，通过励磁线圈固定件将所述的励磁线圈固定在励磁结构固 定架上，在所述励磁线圈的中心位置镶嵌有磁芯，所述磁芯为所述励磁线圈的绕线骨架；所 述励磁线圈固定件通过励磁结构固定架固定在所述传感器内流测量管的中间段管壁上；所 述电极固定座为圆环结构，所述电极固定座安装固定在所述励磁组件产生的较均匀磁场区 域的所述传感器内流测量管中间管段上，在所述电极固定座上和对应的所述传感器内流测 量管的两个横截面的管壁上各沿圆周方向均匀设有N对结构相同的检测电极组件安装孔， 在所述检测电极组件安装孔内安装有检测电极组件，N为大于等于2的自然数；所述检测电 极组件是由外插式电极和电极绝缘套组成，外插式电极为中间内径大、两端内径小的圆柱 形壳体，在所述外插式电极设有圆柱体凹槽的一端连接引线，其另一端穿过传感器内流测 量管的管壁镶嵌在衬里上，且其端部与衬里内壁取平；在所述外插式电极的外侧套有两端 开口的电极绝缘套，所述电极绝缘套密封隔离所述外插式电极和所述传感器内流测量管的 管壁；在所述传感器内流测量管上、下游的两个横截面的距离为L，D/2 < L < 2D，D为传感 器内流测量管的内径。
[0007] 另一方面，本发明提供一种用于水平井油气水多相流流量测量系统，包括用于水 平井油气水多相流流量测量的电磁阵列相关传感器，还包括电磁阵列相关法流量测量驱动 电路系统、位于电磁阵列相关传感器和电磁阵列相关法流量测量驱动电路系统之间的多路 程控开关电路；所述的电磁阵列相关法流量测量驱动电路系统连接信号采集系统；所述电 磁阵列相关法流量测量驱动电路系统包括励磁驱动电路、电源供电电路、信号处理电路及 频率复合电路；所述信号处理电路包括上游信号处理电路和下游信号处理电路；所述上游 信号处理电路包括上游前置放大电路、上游主放大电路、上游滤波放大及反相电路、上游采 样保持电路和上游压频转换电路；所述下游信号处理电路包括下游前置放大电路、下游主 放大电路、下游滤波放大及反相电路、下游采样保持电路和下游压频转换电路；所述多路程 控开关电路由嵌入式主控制器和模拟开关组成，构成上游双路N通道程控开关和下游双路 N通道程控开关，分别负责循环定时接通电磁阵列相关传感器上、下游的N对检测电极组件 和电磁阵列相关法流量测量驱动电路系统对应的上、下游信号处理电路。
[0008] 本发明提出的一种用于水平井油气水多相流流量测量的电磁阵列相关传感器及 系统，改变了传统电磁流量计传感器和电磁相关法流量计传感器，由阵列检测电极取代了 传感器结构中一对检测电极或两对检测电极，在传感器内流测量管上下游相距为L的两个 横截面的管壁上各沿圆周方向均匀安装有N对结构相同的检测电极，分别称为上游截面阵 列检测电极和下游截面阵列检测电极；根据法拉第电磁感应定律可知，上游截面阵列检测 电极的N对检测电极可获取反映上游被测流体状况的感应电动势信号分别为Ix 1 (t) I (i = 1，2,…Ν)}，下游截面阵列检测电极的N对检测电极可获取反映下游被测流体状况的感应电 动势信号分别为Iy 1 (t) I (i = 1，2,…Ν)}。由于此上下游阵列检测信号是在同一励磁组件产 生较均匀磁场且相距为L的测量管内获取的，则获取对应的上下游检测信号X1 (t)和yi (t) 具有相关性，因此可对上下游阵列检测信号Ix1 (t) I (i = 1，2,…N)}和{yi (t) I (i = 1，2,… N)}分别对应作互相关运算，其互相关函数
，通 过互相关运算将可获取流体从上游检测电极到下游检测电极的渡越时间{ τ Jt) I (i = 1，2,…Ν)}，进而获得对应的相关流速Iv1 (t) =L/T1 (t) I (i = 1，2,…Ν)}，其中L为上、下 游对应检测电极对之间的距离。
[0009] 本发明拟引入自适应加权融合估计的数据融合处理方法可获取多相流流体 相对较为准确的平均流速估计F .，通过相关流速Vi⑴计算得出
，其中
;其中of为相关流速V1 (t)的采样信号样本序列 vlk(i = 1，2,…N;k= 1，2,…M)的方差，这里M为自然数，它表示相关流速Vl(t)的采样信 号样本序列的长度，
为相关流速V1⑴的采样信号序列Vlk的平均值，
综合测量传感器内流测量管内横截面积S = π D2/4,即可获取较为准确的平 均流体流量估计值5 = ,其中D为传感器内流测量管的内径。
[0010] 本发明提供一种用于水平井油气水多相流流量测量的电磁阵列相关传感器及系 统，采用电磁阵列相关传感器与驱动电路系统相结合，其优势在于能够按照一定顺序分时 获取电磁阵列相关传感器上、下游多角度、多位置分布的N对检测电极测量弦端流场信息， 经互相关运算和多源信息融合处理，可有效实现较高精度的水平井生产测井狭小空间内含 不同浓度的油气等非导电物质、铁镍等导磁物质以及不同矿化度水相的油气水多相流层状 流的相关流速及流量测量。
【附图说明】
[0011] 图1为本发明实施例用于水平井油气水多相流流量测量的电磁阵列相关传感器 结构示意图；
[0012] 图2为本发明实施例用于水平井油气水多相流流量测量的电磁阵列相关传感器 励磁组件中心轴向剖面示意图；
[0013] 图3为本发明实施例用于水平井油气水多相流流量测量的电磁阵列相关传感器 检测电极组件轴向剖面示意图；
[0014] 图4为本发明实施例用于水平井油气水多相流流量测量的电磁阵列相关传感器 某一截面阵列检测电极组件径向剖面示意图；
[0015] 图5为本发明实施例用于水平井油气水多相流流量测量的电磁阵列相关传感器 检测电极组件装配示意图；
[0016] 图6为本发明实施例用于水平井油气水多相流流量测量的电磁阵列相关传感器 电极固定座装配示意图；
[0017] 图7为本发明实施例用于水平井油气水多相流流量测量的电磁阵列相关传感器 各个部件装配示意图。
[0018] 图8为本发明实施例用于水平井油气水多相流流量测量系统结构示意图。
[0019] 图中1 一传感器内流测量管，2-励磁线圈，3-磁芯，4一励磁线