一种低流量油相体积流量和持油率测量传感器的研制

张 宇

(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

流量和含水是产出剖面动态监测的重要对象，油田开发后期，主力油田广泛存在低产液、高含水的现象[1]。目前各油田对于高含水测量已经取得了较好的效果[2], 但是日产液量小于10 m3/d、含水大于50%的油井测量难、准确度低、影响因素较多，常规的含水测井仪无法满足测试的需要。针对以上现状，提出了一种利用电导探针和阵列流道直接测量油相体积和持油率的方法。该方法利用电导探针识别油水响应速度快，抗干扰能力强[3]，与目前现有的产出剖面中低产液测井技术相比，不需要涡轮流量计，无可动部件,测量受矿化度影响小[4],采用单一传感器即可完成井下流量和持油率的测量。由于该传感器中电导探针对油水导电特性反映敏感[5]，并且阵列流道加快了液体流速，避免了油水滑脱和分层现象，因此该传感器可用于低产液和水平井的测量[6]。

1 传感器结构

1.1 总体结构

传感器由电导探针总成、阵列流道和传感器护套组成，如图1所示。电导探针总成镶嵌在阵列流道侧壁，包括两个电导探针[7]及其辅助部件，其功能是探测油水信号。阵列流道总成为流体的测量流道，井下流体集流后，流体通过阵列流道后变为柱状液体。传感器护套为探针和流道的保护外套。

图1 油相体积流量和持油率测量传感器总成

1.2 电导探针总成

电导探针总成如图2所示。由过线槽、探针底板、固定座、绝缘套和电导探针组成。探针底板、探针固定座和电导探针均采用不锈钢材质，绝缘套采用聚四氟乙烯。探针底板为中空矩形，截面设计过线槽，探针固定座焊接在探针底板上。为了提高电导探针的导电能力，在电导探针上进行了镀金处理。传感器上共设置10组电导探针总成。

图2 电导探针总成

1.3 阵列流道结构

阵列流道总成如图3所示。

图3 阵列流道结构

阵列流道总成由过线孔、流道孔、探针导向孔和底板安装槽组成。流道总成截面直径为24 mm，长度为30 mm，采用不锈钢材质。过线孔位于阵列流道总成的轴向中央，用于贯穿仪器内部走线。在阵列流道总成的圆周沿轴向均匀分布10个内径为5 mm的流道孔作为流体的通道。在每个流道孔外侧沿轴向方向分布1个底板安装槽，用于安装电导探针总成。

2 测量原理

2.1 流量测量原理

油水流量测量是由小管径流道[8-9]和电导探针实现的，原理如图4所示。图中左侧为2个电导探针，右侧为当油水混合物通过阵列流道时电导探针对应的输出波形，通过高速微控制器采集探针A和探针B对应的响应时间T1、T2和T3，由T1和T2可计算出该油泡的速度和体积流量Volumeoil。经过系统对其他阵列流道通过油泡数量的统计，可以计算出单位时间内全部流道孔通过的油相体积流量。同理利用已经算出的油泡速度V0，根据电导探针探测2个油泡出现的时间间隔(T1+T3)亦可以算出水相体积流量Volumewater，具体计算如下所示。

图4 油流量和水流量测量原理

设两个探针间距L0，小管径管道截面积S0,电路测量探针A和探针B电压上升沿时间间隔T1，探针B高电平持续时间T2，那么油泡的运移速度V0可通过式(1)计算：

V0=L0/T1

(1)

油泡经过探针B的时间为T2，则油泡的长度L1由式(2)计算：

L1=V0×T2=L0×T2/T1

(2)

由于已知流道孔面积为S0，所以通过的油泡的体积Volumeoil如式(3):

Volumeoil=S0×L1=S0×L0×T2/T1

(3)

2个油泡之间，电导探针与水接触的时间为T1+T3(T1+T2+T3-T2=T1+T3)，所以水柱的长度L2如式(4)：

L2=V0×(T1+T3)=L0×(T1+T3)/T1

(4)

则通过水的体积Volumewater如式(5):

Volumewater=S0×L2=S0×L0×(T1+T3)/T1

(5)

由公式(3)和(5)可知，S0和L0均为已知条件，那么只要对T1、T2和T3进行系统累加即可计算出流道孔内油和水的体积流量。统计全部阵列流道的累计体积流量，可以计算出传感器测量的油和水的体积流量。

2.2 持油率测量原理

持油率测量原理如图5所示。当油水两相流经单一电导探针时，经过电路处理后电导探针输出的高电平为油与探针接触的响应，低电平为水与探针接触时的响应[10]，取流道孔内的一个探针进行统计，占空比数值则为持油率[11]，对其他流道孔内测量的数据取平均值，可以算出传感器测量的整体持油率Cutoil，如式(6)所示。

Cutoil=T油/(T油+T水)×100%

(6)

图5 持油率测量原理

3 油水两相实验

3.1 测量数据

为了验证低流量油相体积流量和持油率测量传感器的测量效果，在模拟井进行了油水两相实验，总流量选为5 m3/d和10 m3/d，含水从20%调至80%，间隔10%，数据采用10路传感器测得的平均值。表1和表2为流量为5 m3/d和10 m3/d时测得的油流量值。

表1 5 m3/d 时油流量测量值

表2 10 m3/d时油流量测量值

5 m3/d时测得的油流量与标准油流量最大相差0.2 m3/d；10 m3/d时测得的油流量与标准油流量最大相差0.8 m3/d。

表3和表4为总流量为5 m3/d和10 m3/d时含水测量值。5 m3/d时测得含水值与标准含水最大相差9%，10 m3/d时测得含水值与标准含水误差较大，平均值相差达31.8%。

表3 5 m3/d时含水测量值

表4 10 m3/d时含水测量值

3.2 数据分析

由表1和表2中标准油流量和测量油流量绘制流量为5 m3/d和10 m3/d时油流量与标准流量对比曲线，如图6所示。图6(a)中，总流量为5 m3/d时，测量油流量与标准值一致性较好，最大线性误差为4%。图6(b)中，总流量为10 m3/d时，除7 m3/d以外，测量值与标准值线性一致。

图6 油流量测量值与标准值对比曲线

图7(a)和(b)为总流量为5 m3/d和10 m3/d时，含水测量值与标准值的对比曲线。从曲线可以看出，在流量为5 m3/d时，含水测量值与标准值线性理想；流量为10 m3/d时，测量值与标准值误差较大，最大值达到8%。结合图6和图7，低流量测量的油相体积流量和持油率测量传感器理想的测量范围为总流量在5 m3/d以下。

图7 测量含水与标准含水对比曲线

4 流量和持油率测量影响因素

1)总流量为5 m3/d时，流体在阵列流道内为柱状段塞流，总流量大于5 m3/d时，小孔道段塞流破坏，传感器失效，因此可以通过增加流道数量，减少单孔道流量的方式解决高流量测量问题。

2)由于采用变流道技术计算流量，流量的漏失对测量的影响较大，因此传感器应配接集流效果好的井下集流器。

3)传感器需要实时对探针信号进行采集和计算，因此采集电路的运算速度将影响测量，如将实验用的速度为10 MIPS的8位单片机改为140 MIPS的32位单片机，可大大提高传感器的测量分辨率。

4)实验数据是基于一组阵列流道进行计算的，因此流道的数量对流量和持油率的测量精度有较大的影响。

5)如果用油泡或气泡当作测量介质，迫使三相在阵列流道内形成段塞流，可直接测量油气相体积比、油水体积比或气水体积比。

5 结束语

通过低流量油相体积流量和持油率测量传感器在模拟井流量和持油率的实验，结合流量和持油率测量原理，取得下几点认识：

1)利用细管道效应，可实现低产液及特低产液剖面油水两相体积流量和持油率的测量。

2)10孔道传感器测量5 m3/d流量时，油流量最大误差为0.2 m3/d，含水最大误差为9%，若想提高测量范围，可通过增加流道数量的方式实现。

3)采用阵列流道，加大了流速，减少了油气水的滑脱和分层，因此该测量方法可应用于水平井低产液的测量。