截面電導相關流量計在低流量下的響應特性

劉曉磊,胡金海,黃春輝,杜佳楠,王延軍,李屹威

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司, 黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

低產液井具有間歇出液和產液量低等特點,在對油水總量和含水率的測量中,需要對傳統測量技術進行更新,以適應低產液井的測量。電導相關流量測井儀[1]是針對油田高含水開發期研制的應用于井下油水兩相流流量測井儀,具有無可動部件和阻流元件[2-3]、儀表常數穩定等優點,已經應用于現場,并取得了良好的應用效果[4-5]。但電導相關流量測井儀測量低流量效果不佳,主要因為傳感器結構并非針對低流量設計。

截面相關流量計是在電導相關流量測井儀的基礎上,對原傳感器的結構進行了優化設計,采用插入式測量方式降低油水相間滑脫及相分布影響,以提高油水兩相流總流量相關測量的有效性[6-7],改善在低流量范圍的測量效果。在多相流模擬裝置上,本文采用油水兩相流開展室內動態實驗,研究截面相關流量計在低流量(0.5～10 m3/d)范圍內的響應規律,為該儀器應用到低流量情況下的生產測井中提供借鑒。

1 儀器結構與工作原理

1.1 傳感器結構

截面相關流量計儀器傳感器的結構如圖1所示,由下至上依次為集流傘、傳感器及電路筒。其中,絕緣筒的內側壁上分別鑲嵌下游地電極和上游地電極,下游地電極和上游地電極均為環狀金屬電極,下游地電極與下游測量電極處于同一水平面上,形成一對下測量電極對;上游地電極與上游測量電極處于同一水平面上,形成一對上測量電極對。

圖1 截面相關流量計傳感器結構示意圖

1.2 儀器測量原理

當油水兩相流體從傳感器內流過時,流體阻抗的隨機變化對作用在上下游傳感器上的交變恒定電流產生隨機調制作用,上下游傳感器的輸出會隨著調制作用產生相應的變化,由各自的信號處理電路解調出隨機流動噪聲信號x(t)和y(t)。2個傳感器中的輸出信號一致,只是其中一路信號在時間上延遲了τ0,把2路流動噪聲信號進行互相關運算,互相關函數表達式為

(1)

利用

x(t)=y(t+τ)

(2)

可將互相關表達式改寫

(3)

當τ=τ0時,Rxx(τ)取到最大值1時,即x(t)和y(t)波形一致,這個時候的τ值就是流體從上游流至下游對應的渡越時間。在理想狀態下,流速的表達式為

V=L/τ0

(4)

即為所求的時間。

儀器工作時,在上下游測量電極加20 kHz頻率的正弦波激勵信號,得到的噪聲信號在放大、解調及濾波后,上傳至地面相關信號處理系統。

儀器傳感器絕緣筒內徑設計為16 mm,絕緣棒外徑設計為5 mm,根據經驗,上下游電極距L選擇為絕緣筒內徑d的0.5到2倍為宜[8],這里選取L的長度為10 mm。傳感器截面積設為S,流速v與渡越時間t成反比關系,通過流量QV與流速v的關系QV=86400vS,可得到圖2所示的曲線圖。由圖2可以看出,當流量小于10 m3/d,傳感器的響應比較理想。

圖2 理想渡越時間與流量關系曲線

2 模擬井實驗方案

實驗在多相流模擬井上完成,以柴油和水作為實驗介質。實驗流量選擇從0.5～10 m3/d,流量點依次為0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9 m3/d與10 m3/d,含水率選取50%、70%、90%等3個點(因模擬井調節下限的限制,0.5 m3/d僅采集了含水率50%的數據)。每次含水率或者流量調整后,等待模擬井筒內的油水兩相流配比穩定后進行數據記錄,記錄時間一般為10 min。使用地面數據采集單元進行上下游2路流體流動噪聲信號采集及相關流速、流量的處理。

3 實驗結果分析與處理

如圖3所示,選取流量為5 m3/d、含水率分別為50%與90%的上下游曲線進行分析。從圖3中可以看出,不同含水率下,測得的上下游曲線中,對應響應波形的時間差是相等的。但是低含水率下,響應頻率比較高,高含水率下,響應頻率比較低,這就說明,這種傳感器獲取的流量信息只與時間有關,而與含水率的多少無關。

圖3 流量5 m3/d時含水率50%與90%上下游響應曲線比較

圖4為流量為0.5、5 m3/d和10 m3/d時上下游響應相關系數與渡越時間的關系圖。為了避免因流量增加渡越時間縮短而引發的采樣率不足造成信息丟失,流量0.5 m3/d時采樣頻率為2 kHz,采樣點數為4 096點,流量為5 m3/d和10 m3/d時采樣頻率為8 kHz,采樣點數為8 192點。

相同時間內,流量越大,獲取的波形頻率越高,渡越時間越短。圖4(a)中的渡越時間為1 382 ms,圖4(b)中的渡越時間為41.4 ms,圖4(c)中的渡越時間為23.9 ms。

根據渡越時間與流量關系,將測得渡越時間換算為流量數據,得到表1。從表1中可以看出,各個含水率下的測量數據與標準數據之間的差別不大,含水率的影響可以忽略不計,第1次測量數據和第2次測量數據之間吻合比較好。對表1中的數據進行分析,得到圖5。圖5(a)對含水率50%的各個流量數據進行了擬合,得到了擬合曲線和方程,在0.5～10 m3/d的線性度良好,能達到0.99,圖5(b)對不同含水率下的各個流量點進行重疊,可以看出在不同含水率下,各個流量點的測量數據與復測數據吻合,具有很好的重復性和穩定性。

圖4 不同流量的上下游相關系數與渡越時間關系圖

圖5 儀器線性與穩定性曲線

表1 不同含水率下的流量數據

根據實驗測量結果可以得出,儀器在流量不大于10 m3/d、含水率20%～95%時均可以正常工作,并且儀器受含水率影響不大,線性度和穩定度十分良好,測量結果具有很好的重復性,可以應用在低流量的測量環境中。

4 結 論

(1)這一結構尺寸的截面電導相關流量測井儀在油水兩相流中的適用范圍為(0.5～10) m3/d,在這個區間內,儀器具有很好的響應特性。

(2)通過多次實驗及復測,記錄數據表明,該儀器具有良好的線性度、穩定性與重復性,為低流量流量測量提供一種新的方法。