截面电导相关流量计在低流量下的响应特性

2019-05-13刘晓磊胡金海黄春辉杜佳楠王延军李屹威

测井技术 2019年1期

刘晓磊,胡金海,黄春辉,杜佳楠,王延军,李屹威

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司, 黑龙江大庆 163453)

0 引言

低产液井具有间歇出液和产液量低等特点,在对油水总量和含水率的测量中,需要对传统测量技术进行更新,以适应低产液井的测量。电导相关流量测井仪[1]是针对油田高含水开发期研制的应用于井下油水两相流流量测井仪,具有无可动部件和阻流元件[2-3]、仪表常数稳定等优点,已经应用于现场,并取得了良好的应用效果[4-5]。但电导相关流量测井仪测量低流量效果不佳,主要因为传感器结构并非针对低流量设计。

截面相关流量计是在电导相关流量测井仪的基础上,对原传感器的结构进行了优化设计,采用插入式测量方式降低油水相间滑脱及相分布影响,以提高油水两相流总流量相关测量的有效性[6-7],改善在低流量范围的测量效果。在多相流模拟装置上,本文采用油水两相流开展室内动态实验,研究截面相关流量计在低流量(0.5～10 m3/d)范围内的响应规律,为该仪器应用到低流量情况下的生产测井中提供借鉴。

1 仪器结构与工作原理

1.1 传感器结构

截面相关流量计仪器传感器的结构如图1所示,由下至上依次为集流伞、传感器及电路筒。其中,绝缘筒的内侧壁上分别镶嵌下游地电极和上游地电极,下游地电极和上游地电极均为环状金属电极,下游地电极与下游测量电极处于同一水平面上,形成一对下测量电极对;上游地电极与上游测量电极处于同一水平面上,形成一对上测量电极对。

图1 截面相关流量计传感器结构示意图

1.2 仪器测量原理

当油水两相流体从传感器内流过时,流体阻抗的随机变化对作用在上下游传感器上的交变恒定电流产生随机调制作用,上下游传感器的输出会随着调制作用产生相应的变化,由各自的信号处理电路解调出随机流动噪声信号x(t)和y(t)。2个传感器中的输出信号一致,只是其中一路信号在时间上延迟了τ0,把2路流动噪声信号进行互相关运算,互相关函数表达式为

(1)

利用

x(t)=y(t+τ)

(2)

可将互相关表达式改写

(3)

当τ=τ0时,Rxx(τ)取到最大值1时,即x(t)和y(t)波形一致,这个时候的τ值就是流体从上游流至下游对应的渡越时间。在理想状态下,流速的表达式为

V=L/τ0

(4)

即为所求的时间。

仪器工作时,在上下游测量电极加20 kHz频率的正弦波激励信号,得到的噪声信号在放大、解调及滤波后,上传至地面相关信号处理系统。

仪器传感器绝缘筒内径设计为16 mm,绝缘棒外径设计为5 mm,根据经验,上下游电极距L选择为绝缘筒内径d的0.5到2倍为宜[8],这里选取L的长度为10 mm。传感器截面积设为S,流速v与渡越时间t成反比关系,通过流量QV与流速v的关系QV=86400vS,可得到图2所示的曲线图。由图2可以看出,当流量小于10 m3/d,传感器的响应比较理想。

图2 理想渡越时间与流量关系曲线

2 模拟井实验方案

实验在多相流模拟井上完成,以柴油和水作为实验介质。实验流量选择从0.5～10 m3/d,流量点依次为0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9 m3/d与10 m3/d,含水率选取50%、70%、90%等3个点(因模拟井调节下限的限制,0.5 m3/d仅采集了含水率50%的数据)。每次含水率或者流量调整后,等待模拟井筒内的油水两相流配比稳定后进行数据记录,记录时间一般为10 min。使用地面数据采集单元进行上下游2路流体流动噪声信号采集及相关流速、流量的处理。

3 实验结果分析与处理

如图3所示,选取流量为5 m3/d、含水率分别为50%与90%的上下游曲线进行分析。从图3中可以看出,不同含水率下,测得的上下游曲线中,对应响应波形的时间差是相等的。但是低含水率下,响应频率比较高,高含水率下,响应频率比较低,这就说明,这种传感器获取的流量信息只与时间有关,而与含水率的多少无关。

图3 流量5 m3/d时含水率50%与90%上下游响应曲线比较

图4为流量为0.5、5 m3/d和10 m3/d时上下游响应相关系数与渡越时间的关系图。为了避免因流量增加渡越时间缩短而引发的采样率不足造成信息丢失,流量0.5 m3/d时采样频率为2 kHz,采样点数为4 096点,流量为5 m3/d和10 m3/d时采样频率为8 kHz,采样点数为8 192点。

相同时间内,流量越大,获取的波形频率越高,渡越时间越短。图4(a)中的渡越时间为1 382 ms,图4(b)中的渡越时间为41.4 ms,图4(c)中的渡越时间为23.9 ms。

根据渡越时间与流量关系,将测得渡越时间换算为流量数据,得到表1。从表1中可以看出,各个含水率下的测量数据与标准数据之间的差别不大,含水率的影响可以忽略不计,第1次测量数据和第2次测量数据之间吻合比较好。对表1中的数据进行分析,得到图5。图5(a)对含水率50%的各个流量数据进行了拟合,得到了拟合曲线和方程,在0.5～10 m3/d的线性度良好,能达到0.99,图5(b)对不同含水率下的各个流量点进行重叠,可以看出在不同含水率下,各个流量点的测量数据与复测数据吻合,具有很好的重复性和稳定性。