專利名稱：多相流含水率測試裝置及其計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量油、氣、水等多相流體含水率的多相流含水率測試 裝置及其計算方法。
背景技術(shù)：
在油田開采中，通常需要對含有油、氣、水多相的原油進行各相計量，作為 監(jiān)測、控制油井和油藏動態(tài)特性的主要依據(jù)，主要用于統(tǒng)計油井的產(chǎn)量和分配、 監(jiān)測油井的產(chǎn)油和輸送狀態(tài)。而油、氣、水三相中，通常需要快速準確的測量原 油中的含水率，以準確快速的了解儲層的開采信息，注水信息等，因此多相流體 中含水率的測量非常重要。
目前，測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，并且需要一個穩(wěn)定 的放射源，具有維護成本高，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。
電容法是利用被測多相流體的分相介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)特性，進行含水 率的測量。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)法是通過測量 多相流體的電導(dǎo)率來確定含水率。多相流體流經(jīng)測量管道時，通過測量傳感器極 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。因此在實際生產(chǎn)中，為了測 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) 過程中測量程序繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，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試裝置及其計算方法，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量含水率。
為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案 一種多相流含水率測試裝置， 其特征在于包括 一測量管道，所述測量管道的內(nèi)壁涂有絕緣層， 一線圈系緊貼所述絕緣層，設(shè)置在所述測量管道中，所述線圈系連接一激勵信號產(chǎn)生電路，一 信號處理電路和計算機；所述線圈系包括用于接收流體信息的主接收線圈，消除 直耦信號對接收信號影響的屏蔽接收線圈，以及發(fā)射激勵信號的發(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；所述激勵信號產(chǎn) 生電路產(chǎn)生的高頻正弦信號輸入所述發(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處理電路，經(jīng)所述信號處理電路處 理后輸入所述計算機進行計算。
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 兩個線圈，對稱間隔設(shè)置在所述主接收線圈兩側(cè)，所述發(fā)射線圈包括兩個線圈， 對稱間隔設(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，并將接收到的流體信息送入所述信號處理電路。
所述發(fā)射線圈的兩個線圈以串聯(lián)方式連接，連接所述激勵信號產(chǎn)生電路，以 發(fā)射所述激勵信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高頻正弦激勵信號。
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)。
所述高頻正弦信號的頻率大于lGHz。
所述測量管道的外壁采用對發(fā)射信號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試裝置的計算方法，其特征在于包括以下步驟 步驟一計算流過測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'個發(fā)射線圈和第7個接收線圈組成的雙線圈系測 試的流體電導(dǎo)率為
<formula>formula see original document page 5</formula>
由此可得到本發(fā)明測試裝置的五線圈系測試的流過測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)射信號的角頻率，k為線圈系常數(shù)，^為被測流體的相對 磁導(dǎo)率，^為第z'發(fā)射線圈與第/個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； 步驟二計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)率和全水時電導(dǎo)率；
設(shè)油、氣、水混合流體的電導(dǎo)為G 全水時電導(dǎo)為G"油、氣、水混合流體
經(jīng)過測量管道時，接收線圈的輸出信號幅值為&，全水時為^，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算式為
3F
"w = w (5) 2Fm + Fw
由(5)式計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
1、 本發(fā)明所提供的測試裝置可與輸油管道直接相連，其接收的信號經(jīng)過信號 處理電路處理后由計算機處理和顯示，可實現(xiàn)在線測量。
2、 本發(fā)明可對油氣水多相流體進行測量，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)明的含水率測試裝置示意圖
具體實施例方式
現(xiàn)舉以下實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及功效進行詳細說明。 如圖1、圖2所示，本發(fā)明所提供的多相流含水率測試裝置包括一測量管道3， 一設(shè)置在測量管道3中用于測試多相流電導(dǎo)率的線圈系10， 一產(chǎn)生線圈系發(fā)射激 勵信號的激勵信號產(chǎn)生電路20， 一處理線圈系接收的包含多相流體電導(dǎo)率信號的 信號處理電路30和一能夠快速計算出多相流體含水率的計算機40。
如圖1所示，測量管道3的外層為采用碳鋼材料制成的外管壁1，使測量管道3能具有比較強的耐壓強度，測量管道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，位于整個線圈 系10的居中位置。對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，并將接收到的流體信息 送入信號處理電路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對接收信 號的影響。線圈T1和T2組成發(fā)射線圈13，線圈T1、 T2對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)射激勵信號產(chǎn)生電路20產(chǎn) 生的激勵信號。
線圈系IO的各個線圈之間相隔一定的距離，在本實施例中，測量管段內(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 的兩個線圈B1、 B2的中心位置相距160mm。各線圈之間的距離根據(jù)測量管道管 徑的不同，間隔的距離也不相同，在實際應(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，并通過試驗加以調(diào)整，以達到最佳的效果。
線圈系10中兩個發(fā)射線圈13的匝數(shù)都為50匝，兩個屏蔽接收線圈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)要在實驗中校正、調(diào)整，與測量管道管徑粗細有關(guān)。
如圖2所示，激勵信號產(chǎn)生電路20用于產(chǎn)生高頻的正弦信號，作為發(fā)射線圈 13的發(fā)射信號。當(dāng)原油等多相混合流體流過測量管道時，發(fā)射線圈13的線圈T1 和T2通上正弦交流發(fā)射信號，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。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 號輸入信號處理電路30進行放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換后，輸入計算機40進行處理。 由計算機40經(jīng)過計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 動勢與測量管道3內(nèi)的被測流體的電導(dǎo)率關(guān)系，進而可根據(jù)被測流體的電導(dǎo)率和 其含水率之間的關(guān)系計算出被測流體中的含水率。激勵信號產(chǎn)生電路20和信號處 理電路30為本領(lǐng)域的成熟技術(shù)，在此不再詳述。
本發(fā)明的測量原理如下
根據(jù)電磁場理論，當(dāng)發(fā)射線圈13的線圈Tl和T2通上正弦交流發(fā)射信號后，
7該交變的電流信號將在主接收線圈11、屏蔽接收線圈12的線圈Bl、 B2中產(chǎn)生感 應(yīng)電動勢。此外該發(fā)射信號在測量管道3外圍的地層和管內(nèi)介質(zhì)中產(chǎn)生交變電磁 場，此交變電磁場感應(yīng)出環(huán)形渦流，該渦流所建立的二次交變電磁場將在主接收 線圈R、屏蔽接收線圈B1、 B2中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。
從以上的分析可知，僅二次交變電磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與測量管道3內(nèi)流 體的電導(dǎo)率有關(guān)。因此要去除一次場的影響(即直耦信號的影響)，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的影響。去除直耦信 號后的接收信號僅含有二次場的信息，它不僅與測量管道3內(nèi)流體的電導(dǎo)率有關(guān)， 而且還與測量管道3外圍地層的電導(dǎo)率有關(guān)。因此為了消除測量管道3外圍地層 的電導(dǎo)率對接收信號的影響。本發(fā)明采用將線圈系10緊貼著測量管道3內(nèi)的絕緣 層2設(shè)置的方式，同時發(fā)射電流信號采用大于lGHz的高頻信號，測量管道3外 層的碳鋼材料對發(fā)射信號具有很好的屏蔽作用，可忽略測量管道3外圍地層感應(yīng) 的渦流，僅考慮發(fā)射電流信號在管內(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)電壓信號后計算多相流含水率的方法。 步驟一計算流過測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'個發(fā)射線圈和第7'個接收線圈組成的雙線圈系測 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)明的測試裝置的五線圈系測試的流過測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)射信號的角頻率，k為線圈系常數(shù)(可由實驗標定求出)， ^為被測流體的相對磁導(dǎo)率(可通過計算得出)，^為第z'發(fā)射線圈與第7個接收 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。本發(fā)明中N:2， M = 3。
步驟二計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)率和全水時電導(dǎo)率。
設(shè)油、氣、水混合流體的電導(dǎo)為G"全水時電導(dǎo)為G、油、氣、水混合流體
經(jīng)過測量管道時，接收線圈的輸出信號幅值為&，全水時為&，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)式即可計算出多相混合流體中的含水率"、
綜上可知，本發(fā)明通過測量油、氣、水混合流體經(jīng)過測量管道時，接收線圈 的輸出信號幅值，即可得到油、氣、水多相混合流體中的含水率"、本發(fā)明通過 計算機處理和顯示，可實現(xiàn)在線測量。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量。
9
權(quán)利要求
1、一種多相流含水率測試裝置，其特征在于包括一測量管道，所述測量管道的內(nèi)壁涂有絕緣層，一線圈系緊貼所述絕緣層，設(shè)置在所述測量管道中，所述線圈系連接一激勵信號產(chǎn)生電路，一信號處理電路和計算機；所述線圈系包括用于接收流體信息的主接收線圈，消除直耦信號對接收信號影響的屏蔽接收線圈，以及發(fā)射激勵信號的發(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；所述激勵信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高頻正弦信號輸入所述發(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處理電路，經(jīng)所述信號處理電路處理后輸入所述計算機進行計算。
2、 如權(quán)利要求1所述的多相流含水率測試裝置，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線圈，對稱間 隔設(shè)置在所述主接收線圈兩側(cè)，所述發(fā)射線圈包括兩個線圈，對稱間隔設(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試裝置，其特征在于所述屏蔽接收 線圈的兩個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，并將接收到的流體信息送入所述信號處理電路。
4、 如權(quán)利要求2所述的多相流含水率測試裝置，其特征在于所述發(fā)射線圈 的兩個線圈以串聯(lián)方式連接，連接所述激勵信號產(chǎn)生電路，以發(fā)射所述激勵信號 產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高頻正弦激勵信號。
5、 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的多相流含水率測試裝置，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試裝置，其特征在于 所述高頻正弦信號的頻率大于lGHz。
7、 如權(quán)利要求5所述的多相流含水率測試裝置，其特征在于所述高頻正弦 信號的頻率大于lGHz。
8、 如權(quán)利要求1所述的多相流含水率測試裝置，其特征在于所述測量管道的外壁采用對發(fā)射信號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試裝置的計算方法，其特征在于包括以下步驟 步驟一計算流過測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'個發(fā)射線圈和第J個接收線圈組成的雙線圈系測試的流體電導(dǎo)率為(1)年丄〃由此可得到該測試裝置的五線圈系測試的流過測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)射信號的角頻率，k為線圈系常數(shù)，^為被測流體的相對磁導(dǎo)率，^為第/發(fā)射線圈與第7個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； 步驟二計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)率和全水時電導(dǎo)率；設(shè)油、氣、水混合流體的電導(dǎo)為G"全水時電導(dǎo)為^w;油、氣、水混合流體 經(jīng)過測量管道時，接收線圈的輸出信號幅值為&，全水時為&，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算式為 "w = w (5)由(5)式計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試裝置及其計算方法，該測試裝置包括一測量管道，所述測量管道的內(nèi)壁涂有絕緣層，一線圈系緊貼所述絕緣層，設(shè)置在所述測量管道中，所述線圈系連接一激勵信號產(chǎn)生電路，一信號處理電路和計算機；所述線圈系包括用于接收流體信息的主接收線圈，消除直耦信號對接收信號影響的屏蔽接收線圈，以及發(fā)射激勵信號的發(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；所述激勵信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高頻正弦信號輸入所述發(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處理電路，經(jīng)所述信號處理電路處理后輸入所述計算機進行計算。本發(fā)明可對油氣水多相流體進行測量，不受流體中含水、含氣、含油的比例影響。
文檔編號G01N27/74GK101614701SQ20091008997
公開日2009年12月30日 申請日期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 申請人:中國海洋石油總公司;中海石油研究中心