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一種井下超聲波多普勒流量測量裝置的制作方法

文檔序號:5410673閱讀:170來源:國知局
專利名稱:一種井下超聲波多普勒流量測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本實用新型涉及一種油田井流量測量裝置,特別是關(guān)于一種井下超聲波多普勒流
量測量裝置。
背景技術(shù)
在油氣田的開發(fā)過程中,油氣井中的產(chǎn)液成分主要包括油、氣、水三相。目前,利用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大的井上多相分離計量技術(shù),計量多相流的流速、離散相密度、體積流量和質(zhì)量流量等生產(chǎn)過程參數(shù),尤其是其中的流體流速和總體積流量,對生產(chǎn)過程的計量、管理和控制等具有重大意義。但是,隨著石油工業(yè)的發(fā)展區(qū)域逐漸向沙漠、海洋和環(huán)境條件惡劣的極地等地區(qū)轉(zhuǎn)移,伴隨而來的是,諸如平臺面積小、安裝空間有限、投資成本低等方面的限制,使得傳統(tǒng)的多相分離計量失去了自身的優(yōu)勢。針對原油粘度大、易吸附、雜質(zhì)含量高和含有抗凝劑等特性,以及開采系統(tǒng)在設(shè)計、安裝、運行、維護和檢修方面存在的問題,當(dāng)前使用頻率較高的測量儀器包括容積式流量計、渦輪流量計和電磁流量計等。其中容積式流量計是通過內(nèi)部轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動,被測流體通過計量室排出的次數(shù)作為依據(jù)進行計量的。由于存在機械轉(zhuǎn)子、軸、軸承和齒輪等機械轉(zhuǎn)動部件,計量表容易磨損,導(dǎo)致維護量較大,特別是對于含雜質(zhì)較多的油漿,過濾網(wǎng)容易堵塞, 造成計量表無法準(zhǔn)確計量。渦輪流量計盡管具有結(jié)構(gòu)簡單、壓力損失小、渦輪轉(zhuǎn)速與流量之間有很好的線性關(guān)系等優(yōu)勢,但是渦輪流量計的儀器常數(shù)易受長期工作及維修的影響,使得測量精度降低,而且渦輪流量計同樣存在易被雜質(zhì)堵塞而無法測量的問題。電磁流量計只能測量導(dǎo)電的液體,而加入原油中的抗凝劑的導(dǎo)電性較弱或不具有導(dǎo)電性,因此無法應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容針對上述問題,本實用新型的目的是提供一種方便、快捷,并能夠準(zhǔn)確地對流量進行測量的井下超聲波多普勒流量測量裝置。為實現(xiàn)上述目的,本實用新型采取以下技術(shù)方案一種井下超聲波多普勒流量測量裝置,其特征在于它包括超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元、信號處理單元和數(shù)據(jù)存儲單元;所述超聲波發(fā)射單元包括一驅(qū)動單元和一發(fā)射探頭,所述超聲波接收單元為一反射探頭,所述發(fā)射探頭和反射探頭對稱設(shè)置在油管外壁上,所述發(fā)射探頭和反射探頭分別包括一外殼,兩所述外殼內(nèi)分別傾斜設(shè)置有一支撐隔板,兩所述支撐隔板上分別粘貼有一壓電元件;所述信號處理單元包括模擬信號處理單元和數(shù)據(jù)處理單元,所述模擬信號處理單元包括帶通濾波與解調(diào)放大器、低通濾波器、信號放大器和光電耦合器;所述帶通濾波與解調(diào)放大器對反射超聲波進行濾波、放大,并解調(diào)出反射超聲波信號與預(yù)置的激勵信號之間的一頻偏信號,所述頻偏信號依次經(jīng)所述低通濾波器進行高頻噪聲濾除、所述輸入信號放大器放大和所述光電耦合器進行電-光-電轉(zhuǎn)換后,輸入所述數(shù)據(jù)處理單元;所述數(shù)據(jù)處理單元包括中央處理器、外圍電路、電流/電壓變換器件和外圍接口 ;所述中央處理器包括
3A/D采樣模塊、定時中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)緩存區(qū)和CPU;所述A/D采樣模塊對頻偏信號進行采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,經(jīng)定時中斷服務(wù)程序和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進入所述CPU,所述CPU內(nèi)預(yù)置有儀表參數(shù)和管道體積流量的計算公式,經(jīng)計算得到的流體多相流的瞬時流速、累計流量類數(shù)據(jù)量,輸入所述數(shù)據(jù)存儲單元中。本實用新型由于采取以上技術(shù)方案,其具有以下優(yōu)點1、本實用新型由于采用超聲波多普勒流量測量方式對井下多相流進行測量,因此與常規(guī)計量油井產(chǎn)液量的流量計相比,不但體積小不占用管道通徑,不對流體產(chǎn)生附加阻力,而且精度高,是一種理想的節(jié)能型流量計。2、本實用新型測量裝置不受被測油體的溫度、壓力、粘度、密度的影響,具有較好的時間穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性和抗腐蝕性,可長期應(yīng)用于井下多相流的流量監(jiān)測。3、本實用新型裝置的換能器發(fā)出的聲波不致引起被測流體流場形態(tài)的改變,同時又有足夠的強度和穩(wěn)定性,使接收到的載有流量信息的聲信號有最大的信噪比,可以獲得最大的多普勒頻移,以方便計算油管中的瞬時流速、累積流量。4、本實用新型裝置功率小,體積輕巧,分辨率高,對流速變化響應(yīng)快,如果測試條件不變時儀表的重復(fù)性好。5、本實用新型由于采用井下安裝方式,因此可以實時獲取多相數(shù)據(jù)量,不受測量時間限制,有效地降低了因測量而造成的產(chǎn)量損失,進而達到了節(jié)省油田投資、運行和維護的費用,便于油田管理的目的。本實用新型適用于油氣田開發(fā)中生產(chǎn)井井下多相流量的實時測量。

圖1是本實用新型結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實用新型發(fā)射探頭和接收探頭安裝示意圖。圖3是本實用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實用新型數(shù)據(jù)信號處理單元中數(shù)據(jù)處理單元框圖。圖5是本實用新型數(shù)據(jù)信號處理單元中外圍電路框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進行詳細的描述。如圖1所示,本實用新型的測量裝置包括一超聲波發(fā)射單元1、一超聲波接收單元 2、一信號處理單元3和一數(shù)據(jù)存儲單元4。如圖1、圖2所示,本實用新型的超聲波發(fā)射單元1向油管5中流動的流體發(fā)射超聲波,且發(fā)射超聲波的波束面與油管5中流體的流向呈一夾角。超聲波波束被油管5中運動的懸浮粒子反射后會產(chǎn)生反射超聲波,反射超聲波被超聲波接收單元2接收并輸入信號處理單元3。根據(jù)多普勒效應(yīng),反射超聲波相對于發(fā)射超聲波,勢必會產(chǎn)生一頻率偏差,信號處理單元3根據(jù)發(fā)射超聲波與反射超聲波之間的頻率偏差可以得到一個頻偏量。根據(jù)頻偏量和發(fā)射超聲波波束與油管5中流體的流向所呈的夾角,可以計算得到油管5中多相流的瞬時流速、累計流量等所需要的數(shù)據(jù)量,并存儲到數(shù)據(jù)存儲單元4中。測量結(jié)束后,使用臺式電腦、筆記本電腦或?qū)S玫孛鎯x,可以將存儲在數(shù)據(jù)存儲單元4中的瞬時流速、累計流量等所需要的數(shù)據(jù)進行回放和打印。如圖3、圖4所示,本實用新型超聲波發(fā)射單元1包括一驅(qū)動單元6和一發(fā)射探頭 7,發(fā)射探頭包括一外殼71,外殼71內(nèi)傾斜設(shè)置有一支撐隔板72,支撐隔板72的表面上粘
4接有一壓電元件73。壓電元件73可以采用陶瓷晶片,也可以采用壓電換能器晶片等。支撐隔板72與油管5中流體的流向之間的夾角范圍為0 90°,優(yōu)選為45°。撐隔板72將外殼71分割成大、小兩個空間,壓電元件73位于較小的空間內(nèi),較大的空間即背襯中填充有超聲波吸聲材料74,比如硅膠等高阻抗、高衰減的吸聲材料,以吸收壓電元件背面輻射的超聲波并將其轉(zhuǎn)換為熱能,以及隔絕外界噪聲干擾。驅(qū)動單元6向發(fā)射探頭7發(fā)射頻率范圍為150KHZ IMHZ的激勵信號,其中以頻率為650KHZ的激勵信號激勵效果最佳。驅(qū)動單元 6可以采用一單獨設(shè)置的激勵電路,也可以采用本領(lǐng)域公知的具有相同功能的器件。本實用新型超聲波接收單元2為一接收探頭8,接收探頭8中外殼、支撐隔板82 和壓電元件83的結(jié)構(gòu)與發(fā)射探頭7的結(jié)構(gòu)相同,其中支撐隔板82和壓電元件83的設(shè)置方向與發(fā)射探頭7中的支撐隔板72和壓電元件73呈對稱設(shè)置,這樣發(fā)射探頭7上的壓電元件73受激勵后產(chǎn)生的超聲波信號,可以沿一定角度射入油管5內(nèi)的流體中,再通過油管中運動的懸浮粒子反射到反射探頭8的壓電元件83上,反射探頭8再將反射超聲波信號送入信號處理單元3。為了將發(fā)射探頭7的外殼71和接收探頭8的外殼81安裝在油管5外壁上,在油管5外壁上對稱開設(shè)有兩個與外殼71、81相匹配的卡槽9,發(fā)射探頭7和接收探頭 8分別固定在卡槽9中。如圖3所示,本實用新型的信號處理單元3包括一模擬信號處理單元10和一數(shù)據(jù)處理單元11。信號處理單元3中的模擬信號處理單元10包括一帶通濾波與解調(diào)放大器12、 一低通濾波器13、一信號放大器14和一光電耦合器15。帶通濾波與解調(diào)放大器12中預(yù)置有驅(qū)動單元6發(fā)射出的激勵信號頻率,帶通濾波與解調(diào)放大器12對超聲波接收單元2輸出的反射超聲波,進行濾波、放大和解調(diào)處理,解調(diào)出反射超聲波信號與預(yù)置的驅(qū)動單元6發(fā)射出的激勵信號之間的一頻偏信號,并將得到的頻偏信號輸入低通濾波器13 ;低通濾波器 13將頻偏信號進行高頻噪聲濾除處理后,輸入信號放大器14進行信號放大,被放大后的頻偏信號被送入光電耦合器15 ;在光電耦合器15中將對放大后的頻偏信號進行電-光-電轉(zhuǎn)換,隔離輸入、輸出頻偏信號,并將隔離后輸出頻偏信號進行線性放大后輸出,以提高頻偏信號的抗干擾性。如圖3、圖4所示,本實用新型信號處理單元3中的數(shù)據(jù)處理單元11包括中央處理器16、外圍電路17、電流/電壓變換器件18和外圍接口 19。中央處理器17包括一 A/D采樣模塊20、一定時中斷服務(wù)程序21、一數(shù)據(jù)緩存區(qū)22和一 CPU(中央處理器)。A/D采樣模塊20對模擬信號處理單元10中光電耦合器15輸出的頻偏信號進行采樣,并將采集到的頻偏信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,輸入定時中斷服務(wù)程序21。定時中斷服務(wù)程序21將輸入的頻偏信號通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)22送入CPU。CPU中預(yù)置有儀表參數(shù)和管道5的體積流量的計算公式,儀表參數(shù)具體包括管道5的橫截面積S、超聲波束與流體流向之間夾角θ和超聲波的發(fā)射頻率f1; CPU根據(jù)接收到的頻偏信號,結(jié)合預(yù)置的儀表參數(shù)和管道5的體積流量的計算公式, 計算得到管道5中流體的流量,即多相流的瞬時流速、累計流量等所需要的數(shù)據(jù)量,存儲到數(shù)據(jù)存儲單元4存儲。也可以將得到的數(shù)據(jù)量通過外圍電路17輸送給電流/電壓變換器件18,電流/電壓變換器件18將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成4 20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號,以備數(shù)據(jù)傳輸、采集、存儲。上述CPU計算管道5中流體的體積流量的原理如下根據(jù)多普勒流量測量原理,當(dāng)超聲多普勒流量計的發(fā)射探頭7以一定的角度向油管5管道中的流體發(fā)射頻率為的連續(xù)超聲波時,設(shè)收到的超聲波頻率為f2,超聲波在被測流體中的傳播速度為c,油管5管道中的顆?;驓馀蓦S流體以速度u運動,超聲波束與流體流向之間夾角為θ,則多普勒頻移Af 為
權(quán)利要求1. 一種井下超聲波多普勒流量測量裝置,其特征在于它包括超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元、信號處理單元和數(shù)據(jù)存儲單元;所述超聲波發(fā)射單元包括一驅(qū)動單元和一發(fā)射探頭,所述超聲波接收單元為一反射探頭,所述發(fā)射探頭和反射探頭對稱設(shè)置在油管外壁上,所述發(fā)射探頭和反射探頭分別包括一外殼,兩所述外殼內(nèi)分別傾斜設(shè)置有一支撐隔板,兩所述支撐隔板上分別粘貼有一壓電元件;所述信號處理單元包括模擬信號處理單元和數(shù)據(jù)處理單元,所述模擬信號處理單元包括帶通濾波與解調(diào)放大器、低通濾波器、信號放大器和光電耦合器;所述帶通濾波與解調(diào)放大器對反射超聲波進行濾波、放大,并解調(diào)出反射超聲波信號與預(yù)置的激勵信號之間的一頻偏信號,所述頻偏信號依次經(jīng)所述低通濾波器進行高頻噪聲濾除、所述輸入信號放大器放大和所述光電耦合器進行電-光-電轉(zhuǎn)換后,輸入所述數(shù)據(jù)處理單元;所述數(shù)據(jù)處理單元包括中央處理器、外圍電路、電流/電壓變換器件和外圍接口 ;所述中央處理器包括A/D采樣模塊、數(shù)據(jù)緩存區(qū)和CPU ;所述A/D采樣模塊對頻偏信號進行采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,經(jīng)定時中斷服務(wù)程序和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進入所述CPU。
專利摘要本實用新型涉及一種井下超聲波多普勒流量測量裝置,其特征在于它包括超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元、信號處理單元和數(shù)據(jù)存儲單元;所述超聲波發(fā)射單元包括一驅(qū)動單元和一發(fā)射探頭,所述超聲波接收單元為一超聲反射波接收探頭,所述發(fā)射探頭和接收探頭對稱設(shè)置在油管外壁上,所述信號處理單元包括模擬信號處理單元和數(shù)據(jù)處理單元,所述模擬信號處理單元包括帶通濾波與解調(diào)放大器、低通濾波器、信號放大器和光電耦合器;所述數(shù)據(jù)處理單元包括中央處理器、外圍電路、電流/電壓變換器件和外圍接口;所述中央處理器包括A/D采樣模塊、定時中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)緩存區(qū)和CPU。本實用新型可以對流體多相流的瞬時流速、累計流量等數(shù)據(jù)量進行測量并輸入數(shù)據(jù)存儲單元中儲存,還可以通過顯示器對實時測量結(jié)果進行顯示。
文檔編號E21B47/107GK202194645SQ20112000603
公開日2012年4月18日 申請日期2011年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月10日
發(fā)明者周建良, 張培芬, 盛磊祥, 蔣世全, 許亮斌, 陳紅新 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油研究中心
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