本發(fā)明涉及油田動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中低流量高含水油井油水兩相流產(chǎn)出剖面生產(chǎn)測(cè)井技術(shù)。

背景技術(shù)：

我國陸上低孔隙度低滲透率油田由于長期采用注水開采手段，使得油井內(nèi)多呈低流速高含水油水兩相流生產(chǎn)狀態(tài)。高分辨地測(cè)量低流速高含水油井油水兩相流含水率對(duì)提高原油采收率及優(yōu)化油藏生產(chǎn)特性具有重要價(jià)值。

目前常規(guī)油井產(chǎn)液剖面測(cè)試技術(shù)多采用電導(dǎo)法及電容法測(cè)量含水率，電導(dǎo)法及電容法激勵(lì)信號(hào)的頻率一般在100mhz以下，受其測(cè)量方法局限，兩種測(cè)量方法對(duì)高含水(含水率大于90％)油水兩相流的含水率測(cè)量分辨率低，對(duì)正確指導(dǎo)高含水油田開發(fā)方案調(diào)整提出挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種雙平行線微波諧振腔傳感器油水兩相流高含水率測(cè)量方法。通過雙平行線微波諧振腔傳感器對(duì)微波信號(hào)的衰減值來提取含水率信息，實(shí)現(xiàn)油水兩相流含水率的高分辨率測(cè)量。技術(shù)方案如下：

一種雙平行線微波諧振腔傳感器油水兩相流高含水率測(cè)量方法，用于高含水率油水兩相流進(jìn)行含水率測(cè)量，所采用的測(cè)量裝置包括雙平行線微波諧振腔傳感器7、微波信號(hào)源5、定向耦合器6、和具有高頻鑒幅鑒相器的信號(hào)調(diào)理單元；所述的雙平行線微波諧振腔傳感器包括傳感器管道1、屏蔽層2、激勵(lì)電極3和測(cè)量電極4，屏蔽層2固定在傳感器管道1的外部，激勵(lì)電極與接收電極穿過傳感器管道1且與其保持垂直，對(duì)稱分布在傳感器管道1截面中心線的兩側(cè)，微波信號(hào)源5生成的微波信號(hào)通過定向耦合器分為兩路相同信號(hào)，一路直接接入鑒幅鑒相器一個(gè)輸入端，另一路通過連接到雙平行線微波諧振腔傳感器7的激勵(lì)電極3，雙平行線微波諧振腔傳感器7的測(cè)量電極4連接到高頻鑒幅鑒相器8的另一個(gè)輸入端；通過高頻鑒幅鑒相器8檢測(cè)相位差信號(hào)和幅值差信號(hào)；測(cè)量方法如下：

(1)利用有限元仿真的方法，獲得雙平行線微波諧振腔傳感器的最優(yōu)尺寸及激勵(lì)頻率；

(2)利用將具有最優(yōu)尺寸的雙平行線微波諧振腔傳感器固定在垂直上升的高含水油水兩相流油水兩相流管道中，通過低流速高含水油水兩相流動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，采集高頻鑒幅鑒相器檢測(cè)到的相位差信號(hào)和幅值差信號(hào)；

(3)定義混合流體的歸一化衰減值a表達(dá)式為：

a＝(vm-vo)/(vw-vo)

式中，vo、vw和vm分別是含率90％、全水和被測(cè)油水混合液流動(dòng)條件下的信號(hào)衰減值；獲得油水兩相流信號(hào)歸一化衰減測(cè)量值與實(shí)驗(yàn)標(biāo)定含水率之間實(shí)驗(yàn)相關(guān)圖版；

(4)在進(jìn)行高含水率測(cè)量時(shí)，將傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行歸一化衰減值處理，在已測(cè)量獲取總流量條件下，利用含水率之間實(shí)驗(yàn)相關(guān)圖版，計(jì)算出相應(yīng)油水兩相流含水率。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明設(shè)計(jì)的雙平行線微波諧振腔傳感器，可有效改善傳感器電極粘污、腐蝕的影響，有利于在井下長期有效的工作。

(2)本發(fā)明設(shè)計(jì)的雙平行線微波諧振腔傳感器可適用于垂直井筒內(nèi)低流速高含水油水兩相流含水率高分辨測(cè)量，分辨率高達(dá)1％每10mv。

(3)本發(fā)明設(shè)計(jì)的雙平行線微波諧振腔傳感器使用全水值和含水率90％的測(cè)量曲線作為基本值校定測(cè)量值，可明顯消除流型對(duì)含水率測(cè)量結(jié)果影響。

附圖說明

圖1是雙平行線微波諧振腔傳感器結(jié)構(gòu)圖。

圖2是雙平行線微波諧振腔傳感器局部結(jié)構(gòu)圖。

圖3是雙平行線微波諧振腔傳感器含水率測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖4是油水兩相流三種流型對(duì)應(yīng)的雙平行線微波諧振腔傳感器測(cè)量電壓信號(hào)，(a)(b)(c)分別為水包油段塞流、水包油泡狀流、水包油細(xì)小泡狀流。

圖5是雙平行線微波諧振腔傳感器測(cè)量高含水油水兩相流的衰減信號(hào)歸一化測(cè)量值與實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的含水率及油水兩相流總流量之間的實(shí)驗(yàn)圖版。

附圖標(biāo)號(hào)說明：

1傳感器管道；2屏蔽層；3激勵(lì)電極；4測(cè)量電極；5、微波信號(hào)源；6、定向耦合器；7、雙平行線微波諧振腔傳感器；8、高頻鑒幅鑒相器；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。該發(fā)明涉及的雙平行線微波諧振腔傳感器油水兩相流測(cè)量方法主要包括以下步驟：

本發(fā)明旨在突破目前電導(dǎo)法及電容法測(cè)量高含水油井油水兩相流的含水率局限，提出了一種雙平行線微波諧振腔傳感器測(cè)量高含水油水兩相流含水率新方法。測(cè)量時(shí)，激勵(lì)頻率選擇為1.3ghz，當(dāng)油水混合液含水率變化時(shí)，傳感器諧振腔內(nèi)的諧振頻率會(huì)發(fā)生較大變化，進(jìn)而傳感器傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)衰減也會(huì)隨之發(fā)生變化，通過測(cè)量微波信號(hào)的衰減來計(jì)算油水混合液的含水率。微波傳感器管壁使用聚四氟乙烯制成，具有良好的抗粘污及抗腐蝕性，激勵(lì)電極與接收電極穿過測(cè)試段管道且與其保持垂直，對(duì)稱分布在測(cè)試管道截面中心線兩側(cè)。激勵(lì)電極及測(cè)量電極外涂有特氟龍以防止電極粘污或腐蝕。整個(gè)測(cè)量裝置由銅皮包裹以避免雜散電磁波的干擾。

由于微波信號(hào)的頻率極高，其激勵(lì)電路、檢測(cè)電路及傳感器設(shè)計(jì)都與低頻的電導(dǎo)及電容傳感器有較大不同。采用高頻電磁場(chǎng)有限元分析方法對(duì)傳感器電極幾何尺寸(電極的間距、電極直徑)和工作頻率進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)低流速高含水油井兩相流含水率的高分辨測(cè)量。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的雙平行線傳感器是一個(gè)雙端口微波器件，信號(hào)調(diào)理單元核心為鑒幅鑒相器(圖3)。為了避免信號(hào)源的相位噪聲及幅值漂移對(duì)測(cè)量的影響，信號(hào)源輸出的微波信號(hào)通過定向耦合器分為兩路完全相同信號(hào)，一路直接接入鑒幅鑒相器，另一路通過傳感器衰減后再接入鑒幅鑒相器。

雙平行線微波諧振腔傳感器的整體結(jié)構(gòu)包括測(cè)試段管道1、屏蔽層2、垂直于測(cè)試段管道插入安裝的激勵(lì)電極3、測(cè)量電極4。激勵(lì)電極與測(cè)量電極間距為d，電極半徑為r。微波信號(hào)源5的輸出端連接到定向耦合器6的輸入端，定向耦合器6的輸出端連接到雙平行線微波諧振腔傳感器7的激勵(lì)電極，雙平行線微波諧振腔傳感器7的輸出連接到高頻鑒幅鑒相器8的一個(gè)輸入端。定向耦合器6的耦合輸出端連接到高頻鑒幅鑒相器8的第二個(gè)輸入端。高頻鑒幅鑒相器8的輸出9、10連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

將具有最優(yōu)尺寸的雙平行線微波諧振腔傳感器安裝在垂直上升小管徑油水兩相流實(shí)驗(yàn)裝置中，當(dāng)高含水油水兩相流流體流經(jīng)傳感器測(cè)量區(qū)域時(shí)，對(duì)雙平行線微波諧振腔傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理及采集。數(shù)據(jù)處理過程中，將不同流動(dòng)工況下傳感器電壓信號(hào)進(jìn)行歸一化衰減值處理，在已測(cè)量獲取總流量條件下，利用含水率動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)量圖版(圖5)，即可計(jì)算出相應(yīng)油水兩相流含水率。

下面結(jié)合附圖說明雙平行線微波諧振腔傳感器油水兩相流測(cè)量方法具體實(shí)施過程：

(1)本發(fā)明中，雙平行線微波諧振腔傳感器電極間距d，電極半徑r采用有限元方法進(jìn)行優(yōu)化，通過仿真軟件hfss建立弧形對(duì)壁微波傳感器三維仿真模型，如圖3所示。設(shè)置垂直上升管道內(nèi)徑d＝0.02m，垂直上升管道長度l＝0.2m，水相電阻率δw＝1000ω·m，油相電阻率δo＝10e20ω·m，銅電極電阻率δs＝5.8000e-8ω·m。采用自由剖分方式對(duì)仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加載荷時(shí)采用恒壓激勵(lì)。其中，激勵(lì)電極施加電壓為1v，信號(hào)特性阻抗為50歐姆。仿真過程為：在hfss軟件建模時(shí)，在模型中傳感器測(cè)量截面上放入一個(gè)絕緣小球并附以油相電阻率屬性，絕緣小球直徑為0.5mm。激勵(lì)電極的輸出電壓值跟隨小球在管道中的位置不同而改變，因此，可通過激勵(lì)電極電壓的變化幅度計(jì)算出電導(dǎo)傳感器的靈敏度。小球每變換一個(gè)坐標(biāo)，可計(jì)算得到該坐標(biāo)處的靈敏度值。將小球的坐標(biāo)遍歷弧形對(duì)壁微波傳感器檢測(cè)截面所有位置，得到該電極尺寸下的靈敏度分布。

本發(fā)明采用檢測(cè)場(chǎng)均勻性誤差參數(shù)(svp)和傳感器相對(duì)靈敏度(savg)作為檢驗(yàn)靈敏度分布的指標(biāo)。傳感器相對(duì)靈敏度(savg)的含義是指截面所有小球坐標(biāo)處對(duì)應(yīng)靈敏度的平均值，定義為：

定義測(cè)量截面的均勻性誤差參數(shù)(svp)為：

式中，sdev為測(cè)量截面上不同位置的相對(duì)靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)差，其定義為：

顯然，savg值愈大，傳感器靈敏度愈高，svp值愈小，即均勻性誤差愈小。設(shè)置不同的電極長度、圓心角、以及激勵(lì)信號(hào)頻率并計(jì)算savg與svp，再綜合傳感器的幅頻特性、相頻特性最終確定雙平行線微波諧振腔傳感器的電極間距為7mm，電極半徑為0.5mm，激勵(lì)頻率為1.3ghz。

(2)通過低流速高含水油水兩相流動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，采集雙平行線微波諧振腔傳感器輸出電壓信號(hào)，獲得油水兩相流信號(hào)歸一化衰減測(cè)量值與實(shí)驗(yàn)標(biāo)定含水率之間實(shí)驗(yàn)相關(guān)圖版(圖5)，具體方法如下：

定義混合流體的歸一化衰減值a表達(dá)式為：

a＝(vm-vo)/(vw-vo)

式中，vo、vw和vm分別是含率90％、全水和被測(cè)油水混合液流動(dòng)條件下的信號(hào)衰減值。

(3)將不同流動(dòng)工況下傳感器電壓信號(hào)進(jìn)行歸一化衰減值處理，在已測(cè)量獲取總流量前提下，利用含水率動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)量圖版(圖5)，即可計(jì)算出相應(yīng)含水率值。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果：

利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的低流速高含水油水兩相流雙平行線微波諧振腔傳感器，可得到水包油段塞流、水包油泡狀流和水包油細(xì)小泡狀流的測(cè)量信號(hào)(圖4)、歸一化衰減值與標(biāo)定含水率之間實(shí)驗(yàn)圖版(圖5)?？梢钥闯?，雙平行線微波諧振腔傳感器電壓波動(dòng)信號(hào)(歸一化衰減值)在低流量及高含水時(shí)具有很高的含水率分辨率，尤其是在含水率大于90％時(shí)，其含水率測(cè)量分辨能力是其它電導(dǎo)法及電容法所不具備的，驗(yàn)證了本發(fā)明設(shè)計(jì)的油水兩相流雙平行線微波諧振腔傳感器高分辨測(cè)量含水率的有效性。