專利名稱：多相流含水率測(cè)試裝置及其計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量油、氣、水等多相流體含水率的多相流含水率測(cè)試 裝置及其計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
在油田開采中，通常需要對(duì)含有油、氣、水多相的原油進(jìn)行各相計(jì)量，作為 監(jiān)測(cè)、控制油井和油藏動(dòng)態(tài)特性的主要依據(jù)，主要用于統(tǒng)計(jì)油井的產(chǎn)量和分配、 監(jiān)測(cè)油井的產(chǎn)油和輸送狀態(tài)。而油、氣、水三相中，通常需要快速準(zhǔn)確的測(cè)量原 油中的含水率，以準(zhǔn)確快速的了解儲(chǔ)層的開采信息，注水信息等，因此多相流體 中含水率的測(cè)量非常重要。
目前，測(cè)量多相流中含水率的方法主要有射線法、電容法、電導(dǎo)法等。
射線法測(cè)量含水率的基本原理是射線源發(fā)出的射線經(jīng)過多相流體時(shí)部分射線 被流體吸收，吸收的程度與多相流中的含水率有關(guān)。常用的射線有Z射線、"射線 和X射線等。射線法需要解決射線穿過管壁產(chǎn)生的衰減問題，并且需要一個(gè)穩(wěn)定 的放射源，具有維護(hù)成本高，使用過程中存在一定的安全問題的不足，使得該方 法的應(yīng)用范圍受到一定限制。
電容法是利用被測(cè)多相流體的分相介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)特性，進(jìn)行含水 率的測(cè)量。這種方法適用于多相流中的連續(xù)相不導(dǎo)電介質(zhì)。而電導(dǎo)法是通過測(cè)量 多相流體的電導(dǎo)率來確定含水率。多相流體流經(jīng)測(cè)量管道時(shí)，通過測(cè)量傳感器極 板間的電導(dǎo)或阻抗的變化，獲得含水率的信息。這種方法適用于多相流體的連續(xù) 相導(dǎo)電，并且離散相和連續(xù)相的導(dǎo)電率有明顯差別。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，為了測(cè) 量多相流體中的含水率，通常兩種方法都要使用才能滿足生產(chǎn)的需要，造成生產(chǎn) 過程中測(cè)量程序繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種能克服電導(dǎo)法和電容法的缺 陷的多相流含水率測(cè)試裝置及其計(jì)算方法，其在多相流無論連續(xù)相為導(dǎo)電相還是 不導(dǎo)電相的情況下都可以測(cè)量含水率。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案 一種多相流含水率測(cè)試裝置， 其特征在于包括 一測(cè)量管道，所述測(cè)量管道的內(nèi)壁涂有絕緣層， 一線圈系緊貼所述絕緣層，設(shè)置在所述測(cè)量管道中，所述線圈系連接一激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路，一 信號(hào)處理電路和計(jì)算機(jī)；所述線圈系包括用于接收流體信息的主接收線圈，消除 直耦信號(hào)對(duì)接收信號(hào)影響的屏蔽接收線圈，以及發(fā)射激勵(lì)信號(hào)的發(fā)射線圈，且所 述屏蔽接收線圈的繞線方向與所述主接收線圈的繞線方向相反；所述激勵(lì)信號(hào)產(chǎn) 生電路產(chǎn)生的高頻正弦信號(hào)輸入所述發(fā)射線圈，所述主接收線圈和屏蔽接收線圈 串聯(lián)連接，將接收到的流體信息送入所述信號(hào)處理電路，經(jīng)所述信號(hào)處理電路處 理后輸入所述計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。
所述線圈系為五線圈系，所述主接收線圈居中設(shè)置，所述屏蔽接收線圈包括 兩個(gè)線圈，對(duì)稱間隔設(shè)置在所述主接收線圈兩側(cè)，所述發(fā)射線圈包括兩個(gè)線圈， 對(duì)稱間隔設(shè)置在所述屏蔽接收線圈外兩側(cè)。
所述屏蔽接收線圈的兩個(gè)線圈與所述主接收線圈依次以串聯(lián)方式連接，用于 接收包含流體信息的信號(hào)，并將接收到的流體信息送入所述信號(hào)處理電路。
所述發(fā)射線圈的兩個(gè)線圈以串聯(lián)方式連接，連接所述激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路，以 發(fā)射所述激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高頻正弦激勵(lì)信號(hào)。
所述屏蔽接收線圈的匝數(shù)小于所述主接收線圈的匝數(shù)。
所述高頻正弦信號(hào)的頻率大于lGHz。
所述測(cè)量管道的外壁采用對(duì)發(fā)射信號(hào)具有很好的屏蔽作用的碳鋼材料制成。 如上所述多相流含水率測(cè)試裝置的計(jì)算方法，其特征在于包括以下步驟 步驟一計(jì)算流過測(cè)量管道的多相流體的電導(dǎo)率"m:
根據(jù)線圈感應(yīng)理論可知，第z'個(gè)發(fā)射線圈和第7個(gè)接收線圈組成的雙線圈系測(cè) 試的流體電導(dǎo)率為
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由此可得到本發(fā)明測(cè)試裝置的五線圈系測(cè)試的流過測(cè)量管道的多相流體的電 導(dǎo)率~為
<formula>formula see original document page 5</formula>
上述兩式中，"為發(fā)射信號(hào)的角頻率，k為線圈系常數(shù)，^為被測(cè)流體的相對(duì) 磁導(dǎo)率，^為第z'發(fā)射線圈與第/個(gè)接收線圈之間的距離；N、 M分別表示發(fā)射線 圈、接收線圈的個(gè)數(shù)；^"為發(fā)射線圈的匝數(shù)；^w'為接收線圈的匝數(shù)，接收線圈中繞向與主接收線圈一致的規(guī)定^ '為正，反之為負(fù)； 步驟二計(jì)算多相混合流體中的含水率""
由Maxwell電阻率近似理論可知，油、氣、水混合流體的等效電導(dǎo)率與全水 時(shí)電導(dǎo)率之比為
IX (3) 3 — aw
其中，^為油、氣、水多相流的含水率； 和 分別為油、氣、水多相混
合流體的電導(dǎo)率和全水時(shí)電導(dǎo)率；
設(shè)油、氣、水混合流體的電導(dǎo)為G 全水時(shí)電導(dǎo)為G"油、氣、水混合流體
經(jīng)過測(cè)量管道時(shí)，接收線圈的輸出信號(hào)幅值為&，全水時(shí)為^，則可得
F',,G ct
(4)
&Gw
由式(3)和式(4)得到油、氣、水多相流體中的含水率計(jì)算式為
3F
"w = w (5) 2Fm + Fw
由(5)式計(jì)算出多相混合流體中的含水率 。 采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明所提供的測(cè)試裝置可與輸油管道直接相連，其接收的信號(hào)經(jīng)過信號(hào) 處理電路處理后由計(jì)算機(jī)處理和顯示，可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。
2、 本發(fā)明可對(duì)油氣水多相流體進(jìn)行測(cè)量，不受流體中含水、含氣、含油的比 例影響。
3、 本發(fā)明還可用于其它的氣液兩相流或多相流中含水率的測(cè)量。


圖1是本發(fā)明的線圈系結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是本發(fā)明的含水率測(cè)試裝置示意圖
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)舉以下實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及功效進(jìn)行詳細(xì)說明。 如圖1、圖2所示，本發(fā)明所提供的多相流含水率測(cè)試裝置包括一測(cè)量管道3， 一設(shè)置在測(cè)量管道3中用于測(cè)試多相流電導(dǎo)率的線圈系10， 一產(chǎn)生線圈系發(fā)射激 勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路20， 一處理線圈系接收的包含多相流體電導(dǎo)率信號(hào)的 信號(hào)處理電路30和一能夠快速計(jì)算出多相流體含水率的計(jì)算機(jī)40。
如圖1所示，測(cè)量管道3的外層為采用碳鋼材料制成的外管壁1，使測(cè)量管道3能具有比較強(qiáng)的耐壓強(qiáng)度，測(cè)量管道3的內(nèi)壁涂有絕緣層2，線圈系IO則緊貼 著絕緣層2設(shè)置，在測(cè)量管道3上設(shè)有開孔4、 5，以將線圈系IO的引線引出，線 圈系10的引線和開孔4、 5處的空隙則用環(huán)氧樹脂密封。
如圖l、圖2所示，本發(fā)明的線圈系10為由5組單獨(dú)的間隔分布的線圈T1、 Bl、 R、 B2和T2組成的五線圈系，其中線圈R為主接收線圈11，位于整個(gè)線圈 系10的居中位置。對(duì)稱分布于主接收線圈11兩側(cè)的線圈Bl和B2構(gòu)成屏蔽接收 線圈12。屏蔽接收線圈12的線圈B1、主接收線圈11和屏蔽接收線圈12的線圈 B2依次以串聯(lián)方式連接，用于接收包含流體信息的信號(hào)，并將接收到的流體信息 送入信號(hào)處理電路30。且，屏蔽接收線圈12的線圈B1、 B2的繞線方向與主接收 線圈11的繞線方向相反。其中屏蔽接收線圈12的作用是消除直耦信號(hào)對(duì)接收信 號(hào)的影響。線圈T1和T2組成發(fā)射線圈13，線圈T1、 T2對(duì)稱分布于屏蔽接收線 圈12的線圈B1、 B2夕卜側(cè)，以串聯(lián)方式連接，用于發(fā)射激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路20產(chǎn) 生的激勵(lì)信號(hào)。
線圈系IO的各個(gè)線圈之間相隔一定的距離，在本實(shí)施例中，測(cè)量管段內(nèi)徑為 62mm，發(fā)射線圈13的兩線圈Tl、 T2的中心位置相距420mm，屏蔽接收線圈12 的兩個(gè)線圈B1、 B2的中心位置相距160mm。各線圈之間的距離根據(jù)測(cè)量管道管 徑的不同，間隔的距離也不相同，在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)具體的管徑數(shù)據(jù)設(shè)置各線圈 之間的間距，并通過試驗(yàn)加以調(diào)整，以達(dá)到最佳的效果。
線圈系10中兩個(gè)發(fā)射線圈13的匝數(shù)都為50匝，兩個(gè)屏蔽接收線圈12的匝 數(shù)都為12，主接收線圈11的匝數(shù)為70。屏蔽接收線圈12的匝數(shù)小于主接收線圈 11的匝數(shù)，各線圈的匝數(shù)要在實(shí)驗(yàn)中校正、調(diào)整，與測(cè)量管道管徑粗細(xì)有關(guān)。
如圖2所示，激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路20用于產(chǎn)生高頻的正弦信號(hào)，作為發(fā)射線圈 13的發(fā)射信號(hào)。當(dāng)原油等多相混合流體流過測(cè)量管道時(shí)，發(fā)射線圈13的線圈T1 和T2通上正弦交流發(fā)射信號(hào)，在主接收線圈11、屏蔽接收線圈12的線圈Bl、 B2中將產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。主接收線圈11和屏蔽接收線圈12將接收到的感應(yīng)電壓信 號(hào)輸入信號(hào)處理電路30進(jìn)行放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換后，輸入計(jì)算機(jī)40進(jìn)行處理。 由計(jì)算機(jī)40經(jīng)過計(jì)算可得到主接收線圈11和屏蔽接收線圈12中接收到的感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì)與測(cè)量管道3內(nèi)的被測(cè)流體的電導(dǎo)率關(guān)系，進(jìn)而可根據(jù)被測(cè)流體的電導(dǎo)率和 其含水率之間的關(guān)系計(jì)算出被測(cè)流體中的含水率。激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路20和信號(hào)處 理電路30為本領(lǐng)域的成熟技術(shù)，在此不再詳述。
本發(fā)明的測(cè)量原理如下
根據(jù)電磁場(chǎng)理論，當(dāng)發(fā)射線圈13的線圈Tl和T2通上正弦交流發(fā)射信號(hào)后，
7該交變的電流信號(hào)將在主接收線圈11、屏蔽接收線圈12的線圈Bl、 B2中產(chǎn)生感 應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此外該發(fā)射信號(hào)在測(cè)量管道3外圍的地層和管內(nèi)介質(zhì)中產(chǎn)生交變電磁 場(chǎng)，此交變電磁場(chǎng)感應(yīng)出環(huán)形渦流，該渦流所建立的二次交變電磁場(chǎng)將在主接收 線圈R、屏蔽接收線圈B1、 B2中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
從以上的分析可知，僅二次交變電磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與測(cè)量管道3內(nèi)流 體的電導(dǎo)率有關(guān)。因此要去除一次場(chǎng)的影響(即直耦信號(hào)的影響)，本發(fā)明采用屏 蔽接收線圈12和主接收線圈11的繞向相反來消除直耦信號(hào)的影響。去除直耦信 號(hào)后的接收信號(hào)僅含有二次場(chǎng)的信息，它不僅與測(cè)量管道3內(nèi)流體的電導(dǎo)率有關(guān)， 而且還與測(cè)量管道3外圍地層的電導(dǎo)率有關(guān)。因此為了消除測(cè)量管道3外圍地層 的電導(dǎo)率對(duì)接收信號(hào)的影響。本發(fā)明采用將線圈系10緊貼著測(cè)量管道3內(nèi)的絕緣 層2設(shè)置的方式，同時(shí)發(fā)射電流信號(hào)采用大于lGHz的高頻信號(hào)，測(cè)量管道3外 層的碳鋼材料對(duì)發(fā)射信號(hào)具有很好的屏蔽作用，可忽略測(cè)量管道3外圍地層感應(yīng) 的渦流，僅考慮發(fā)射電流信號(hào)在管內(nèi)介質(zhì)中感應(yīng)的渦流，該渦流與管內(nèi)流體的電 導(dǎo)率有關(guān)。
下面說明本發(fā)明接收到感應(yīng)電壓信號(hào)后計(jì)算多相流含水率的方法。 步驟一計(jì)算流過測(cè)量管道的多相流體的電導(dǎo)率"m:
根據(jù)線圈感應(yīng)理論可知，第z'個(gè)發(fā)射線圈和第7'個(gè)接收線圈組成的雙線圈系測(cè) 試的流體電導(dǎo)率為
<formula>formula see original document page 8</formula>
由此可得到本發(fā)明的測(cè)試裝置的五線圈系測(cè)試的流過測(cè)量管道的多相流體的
電導(dǎo)率 為
<formula>formula see original document page 8</formula>
上述兩式中，"為發(fā)射信號(hào)的角頻率，k為線圈系常數(shù)(可由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定求出)， ^為被測(cè)流體的相對(duì)磁導(dǎo)率(可通過計(jì)算得出)，^為第z'發(fā)射線圈與第7個(gè)接收 線圈之間的距離；N、 M分別表示發(fā)射線圈、接收線圈的個(gè)數(shù)；^"為發(fā)射線圈 的匝數(shù)；^"'為接收線圈的匝數(shù)，接收線圈中繞向與主接收線圈一致的規(guī)定^"'為 正，反之為負(fù)。本發(fā)明中N:2， M = 3。
步驟二計(jì)算多相混合流體中的含水率""由Maxwell電阻率近似理論可知，油、氣、水混合流體的等效電導(dǎo)率與全水 時(shí)電導(dǎo)率之比為-
cr 2",,,
cr ,3 — or,.
(3)
其中，^為油、氣、水多相流的含水率；^和 分別為油、氣、水多相混 合流體的電導(dǎo)率和全水時(shí)電導(dǎo)率。
設(shè)油、氣、水混合流體的電導(dǎo)為G"全水時(shí)電導(dǎo)為G、油、氣、水混合流體
經(jīng)過測(cè)量管道時(shí)，接收線圈的輸出信號(hào)幅值為&，全水時(shí)為&，則可得
F..,G— cr
(4)
&Gw ^
由式(3)和式(4)可得油、氣、水多相流體中的含水率為 "w = w (5)
由(5)式即可計(jì)算出多相混合流體中的含水率"、
綜上可知，本發(fā)明通過測(cè)量油、氣、水混合流體經(jīng)過測(cè)量管道時(shí)，接收線圈 的輸出信號(hào)幅值，即可得到油、氣、水多相混合流體中的含水率"、本發(fā)明通過 計(jì)算機(jī)處理和顯示，可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。本發(fā)明可應(yīng)用于油、氣、水多相流體的含 水率，或者其他的氣液兩相流或者多相流的含水率測(cè)量。
9
權(quán)利要求
1、一種多相流含水率測(cè)試裝置，其特征在于包括一測(cè)量管道，所述測(cè)量管道的內(nèi)壁涂有絕緣層，一線圈系緊貼所述絕緣層，設(shè)置在所述測(cè)量管道中，所述線圈系連接一激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路，一信號(hào)處理電路和計(jì)算機(jī)；所述線圈系包括用于接收流體信息的主接收線圈，消除直耦信號(hào)對(duì)接收信號(hào)影響的屏蔽接收線圈，以及發(fā)射激勵(lì)信號(hào)的發(fā)射線圈，且所述屏蔽接收線圈的繞線方向與所述主接收線圈的繞線方向相反；所述激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高頻正弦信號(hào)輸入所述發(fā)射線圈，所述主接收線圈和屏蔽接收線圈串聯(lián)連接，將接收到的流體信息送入所述信號(hào)處理電路，經(jīng)所述信號(hào)處理電路處理后輸入所述計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。
2、 如權(quán)利要求1所述的多相流含水率測(cè)試裝置，其特征在于所述線圈系為 五線圈系，所述主接收線圈居中設(shè)置，所述屏蔽接收線圈包括兩個(gè)線圈，對(duì)稱間 隔設(shè)置在所述主接收線圈兩側(cè)，所述發(fā)射線圈包括兩個(gè)線圈，對(duì)稱間隔設(shè)置在所 述屏蔽接收線圈外兩側(cè)。
3、 如權(quán)利要求2所述的多相流含水率測(cè)試裝置，其特征在于所述屏蔽接收 線圈的兩個(gè)線圈與所述主接收線圈依次以串聯(lián)方式連接，用于接收包含流體信息 的信號(hào)，并將接收到的流體信息送入所述信號(hào)處理電路。
4、 如權(quán)利要求2所述的多相流含水率測(cè)試裝置，其特征在于所述發(fā)射線圈 的兩個(gè)線圈以串聯(lián)方式連接，連接所述激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路，以發(fā)射所述激勵(lì)信號(hào) 產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高頻正弦激勵(lì)信號(hào)。
5、 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的多相流含水率測(cè)試裝置，其特征在于所述屏蔽接收線圈的匝數(shù)小于所述主接收線圈的匝數(shù)。
6、 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的多相流含水率測(cè)試裝置，其特征在于 所述高頻正弦信號(hào)的頻率大于lGHz。
7、 如權(quán)利要求5所述的多相流含水率測(cè)試裝置，其特征在于所述高頻正弦 信號(hào)的頻率大于lGHz。
8、 如權(quán)利要求1所述的多相流含水率測(cè)試裝置，其特征在于所述測(cè)量管道的外壁采用對(duì)發(fā)射信號(hào)具有很好的屏蔽作用的碳鋼材料制成。
9、 如上所述多相流含水率測(cè)試裝置的計(jì)算方法，其特征在于包括以下步驟 步驟一計(jì)算流過測(cè)量管道的多相流體的電導(dǎo)率"m:根據(jù)線圈感應(yīng)理論可知，第Z'個(gè)發(fā)射線圈和第J個(gè)接收線圈組成的雙線圈系測(cè)試的流體電導(dǎo)率為(1)年丄〃由此可得到該測(cè)試裝置的五線圈系測(cè)試的流過測(cè)量管道的多相流體的電導(dǎo)率 為￡》CT 二二 7=1 ;=' _ (2)m — ~m n ;V yv 、 J上述兩式中，"為發(fā)射信號(hào)的角頻率，k為線圈系常數(shù)，^為被測(cè)流體的相對(duì)磁導(dǎo)率，^為第/發(fā)射線圈與第7個(gè)接收線圈之間的距離；N、 M分別表示發(fā)射線圈、接收線圈的個(gè)數(shù)；^"為發(fā)射線圈的匝數(shù)；W"'為接收線圈的匝數(shù)，接收線圈 中繞向與主接收線圈一致的規(guī)定W"為正，反之為負(fù)； 步驟二計(jì)算多相混合流體中的含水率""由Maxwell電阻率近似理論可知，油、氣、水混合流體的等效電導(dǎo)率與全水 時(shí)電導(dǎo)率之比為H (3)ctw 3 - 其中，"w為油、氣、水多相流的含水率； 和 分別為油、氣、水多相混 合流體的電導(dǎo)率和全水時(shí)電導(dǎo)率；設(shè)油、氣、水混合流體的電導(dǎo)為G"全水時(shí)電導(dǎo)為^w;油、氣、水混合流體 經(jīng)過測(cè)量管道時(shí)，接收線圈的輸出信號(hào)幅值為&，全水時(shí)為&，則可得U = ~ (4) &Gw o"w由式(3)和式(4)得到油、氣、水多相流體中的含水率計(jì)算式為 "w = w (5)由(5)式計(jì)算出多相混合流體中的含水率"w。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多相流含水率測(cè)試裝置及其計(jì)算方法，該測(cè)試裝置包括一測(cè)量管道，所述測(cè)量管道的內(nèi)壁涂有絕緣層，一線圈系緊貼所述絕緣層，設(shè)置在所述測(cè)量管道中，所述線圈系連接一激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路，一信號(hào)處理電路和計(jì)算機(jī)；所述線圈系包括用于接收流體信息的主接收線圈，消除直耦信號(hào)對(duì)接收信號(hào)影響的屏蔽接收線圈，以及發(fā)射激勵(lì)信號(hào)的發(fā)射線圈，且所述屏蔽接收線圈的繞線方向與所述主接收線圈的繞線方向相反；所述激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高頻正弦信號(hào)輸入所述發(fā)射線圈，所述主接收線圈和屏蔽接收線圈串聯(lián)連接，將接收到的流體信息送入所述信號(hào)處理電路，經(jīng)所述信號(hào)處理電路處理后輸入所述計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。本發(fā)明可對(duì)油氣水多相流體進(jìn)行測(cè)量，不受流體中含水、含氣、含油的比例影響。
文檔編號(hào)G01N27/74GK101614701SQ20091008997
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2009年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月30日
發(fā)明者黨瑞榮, 偉 姜, 李利品, 蔣世全, 許亮斌 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋石油總公司;中海石油研究中心