基于光纤监测井下油水两相多参数在线测量系统及方法与流程

本发明涉及两相流流量、含水率、温度、压力的光纤监测测量，特别是涉及到一种基于光纤监测井下油水两相多参数在线测量系统及方法。

背景技术：

1、众所周知，油水两相流是油田井下流体的主要存在形式之一，对井下油水两相流的参数监测是掌握油井井下流体流动情况，改进油田生产测井技术以及资源合理开发的重要研究手段。井下产液流量、含水的测量，对于判断油田各相流体分层、分段的含量，掌握井下油水的分布情况，提高油田开采针对性具有重要意义。传统的油井产液的流量、含水测量方法均不能准确在线的测量各项流体的流量、含水等情况，因此，针对不同产层的两相流体流量和含水测量是两相流测量研究的热点与难点。

2、目前油田生产过程中，油井产液流量、含水等多参数的测量方法多采用地面油水两相流测量方法。根据国内外研究成果，地面上油水两相流测量方案可以概括为两种：一是采用匀相流模型利用常规单相流仪表测量混相流量，通过含水分析计算分相流量，二是通过两相分离器将油水分离后分别计量油量和水量。油水两相流测量的核心技术包括：一是油水分离方法，二是油水分离器结构构优化设计，三是油水分含水测量技术。elkow k.j.，kozma r.等研究了电容法、热学法等多种油气水相流流量测量方法。另外，国内外不同的学者对各种组合测量多相流的方法进行了总结分析，如采用采用电、磁或放射性的方式进行在线测量油气水三相的相密度、含水和相速度方法，从而实现油气水三相测量。随着相关研究工作的进展，多相检测的新技术不断出现。基于多传感器组合多相流测量方法可以概括为以下三类：(1)单相流量计与密度传感器(或含水率传感器)组合此法采用的流量计如：腰轮流量计、刮板流量计等容积式流量计，涡轮流量计等速度式流量计、孔板、文丘里管等差压式流量计和质量流量计等。含水采用压力差密度计、电容含水率计或射线含水率计等。(2)单相流量传感器与单相流量传感器组合此法采用两个或多个信号输出与流量和含水都有关的单相流量计进行融合。其中应用最多的就是差压传感器与差压传感器的融合。(3)双传感器相关分析与含水传感器一体化组合此法最为常用的是双射线衰减传感器相关测速，同时利用衰减信号分析含水。也有用双文丘里管进行相关和含率分析的。还有用电容相关、电导相关进行流量和含水率测量的。不同的多相流流量计适用于不同的介质条件。油、气、水三相管流的界面稳定性、压降等随着管道几何形状、流体各含水、流体压力、温度等状态的不同而变化，呈现不同的流动形态，称之为流型。不同的流型对流动参数测量的准确性影响较大，油、气、水三相流中气相变化对流型影响最大。favrat,o.zurcher.等研究人员对气液两相流及多相流流型的研究主要集中在对水平管道和垂直管道流体流型的研究上，垂直管道和水平管道中流型的。但是在油井井下狭小的空间内容，以上的方法都无法实现。这是因为，油井井下生产管柱空间一般是159mm(水平井)，76mm(直斜井)，在这样的空间内，还有各种工具和油管，可用的空间是十分有效的，地面常用的监测工具和手段都没有了用武之地。同时，各种油井由于深入地下1000-8000m，井下温度及压力可达200℃以上、100mpa以上的恶劣环境中，常规的电子传感系统无法长期有效工作。

3、一种廉价的非侵入式流量计的解决方案，称为虚拟流量计，也可用于多相流估计。虚拟流量计将来自现有传感器的压力、温度和其他过程控制数据与多相流模型相结合，以估计流体流速。然而，虚拟流量计需要广泛的参数调整和有源传感器校准。由于井下环境的复杂性和变量的千变万化，虚拟流量计的参数整定变得非常复杂。因此，虚拟流量计作为多相流量计解决方案尚未得到广泛应用。

4、光纤感应监控技术从1993年在荷兰第一次有油井引入用以测量单点的压力和温度算起已在油田中应用了20多年。现在所有海上井都装有永久式井内光纤感应系统，这在国外已成为行业规范。并且陆上井加装光纤系统的油井数量与日俱增。不同类型的光纤技术应用在不同环境的井中。从只有光纤末端的单点传感测量，到一列装在井筒的不同深度的类分布式点式传感器测量，再到一个完全分散在光纤上的传感测量。光纤测试技术利用光纤本身作为传感器进行信号采集,凭借其高密度、全井段、高效、耐高温高压等优势，成为一项重要的新兴油藏监测技术。我们可以利用光纤测试技术的优点，解决在复杂流体中的多相流体测量参数问题。

5、在申请号：cn201410468193.3的中国专利申请中，涉及到一种油气水三相流阵列式电磁相关流量测量方法，该方法采用阵列式电磁相关流量计，流量计带有一对线圈结构，在测量管道沿轴向流动方向上取距离为l的上下游两个电极截面，在每个电极截面上沿测量管道内壁圆周上等角度均匀地安装n对检测电极(2≤n≤16)。其测量方法是：上游每对检测电极之间产生感应电势差信号x i(i＝1,2,…n)，下游相应检测电极对之间产生感应电势差信号yi，利用互相关方法计算出流体经过上下游电极截面所用的时间t i，得到平均流速v i。然后采用数据融合方法获得油气水三相流平均流速的精确估计，综合测量管道横截面面积和流速信号得出油气水三相流的流量。该发明保证了油气水三相流流量测量的准确性。

6、在申请号：cn200810150257.x的中国专利申请中，涉及到多相流动测量领域，主要涉及多相流相含率的测量领域，尤其公开了一种油气水三相流相含率测量装置，它基于双螺旋电容传感器，能够对油气水三相流相含率进行精确测量。它包括：至少一个双螺旋电容传感器，信号处理电路，分别与信号处理电路连接的微弱电容测量电路和含水率测量电路；所述双螺旋电容传感器选择性地连接微弱电容测量电路或含水率测量电路；当管道中为油气时，所述双螺旋电容传感器与微弱电容测量电路连接，信号处理电路输出油的相含率，当管道中含水时，所述双螺旋电容传感器与含水率测量电路连接，信号处理处理电路输出水的相含率。

7、在申请号：cn202210294269.x的中国专利申请中，涉及到水平气液两相流近红外多探测点多参数测井仪及控制终端，属于产气剖面测井技术领域，所述测井仪包括电路仓、下游扶正器、周向设有多个进液口的进液口管道、挤压式橡胶集流器、近红外吸收式多探测点相关测量系统、上游扶正器和出液口管道；所述控制终端包括多路程控开关电路、光发射模块、光接收模块、ad数据采集模块、信号处理模块、定时器模块、电源模块和主控制器模块。该发明采用无阻式阵列近红外吸收式光纤传感器与驱动电路系统终端相结合，能够获取水平井气液两相流气相流量、含率的有效动态测量，实现了非侵入、无扰动以及快速、准确检测，解决了现有水平井气液两相流气相参数的测量问题。

8、在申请号：cn202010847323.x的中国专利申请中，涉及到一种含可动部件的油气水多相流参数测井仪。该含可动部件的油气水多相流参数测井仪包括：控制系统和与控制系统电连接的多相流参数测量传感器；多相流参数测量传感器用于采集多相流参数测量传感器内部流体的光纤信号、涡轮信号、电容信号和阻抗信号；控制系统用于根据光纤信号、涡轮信号、电容信号和阻抗信号计算流量、动态持水率、持气率、静态持水率、流体持水率和持油率；多相流参数测量传感器包括电容测量模块、阻抗测量模块、涡轮测量模块和光纤探针测量模块。本发明能实现油气水多相流参数的高稳定性实时测量。

9、以上现有技术均与本发明有较大区别，未能解决我们想要解决的技术问题，为此我们发明了一种新的基于光纤监测井下油水两相多参数在线测量方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种利用光纤测试技术的优点，解决在复杂流体中的多相流体测量参数问题的基于光纤监测井下油水两相多参数在线测量方法。

2、本发明的目的可通过如下技术措施来实现：基于光纤监测井下油水两相多参数在线测量系统，该基于光纤监测井下油水两相多参数在线测量系统包括光纤信号数据采集装置、压力测量装置、复合光纤光缆和井下油水两相多参数测试短节装置，该复合光纤光缆通过井口随该井下油水两相多参数测试短节装置下入井筒中，并下入到油层的底部，该复合光纤光缆从井筒中引出，穿越井口后分别与地面的该光纤信号数据采集装置、该压力测量装置相连，该井下油水两相多参数测试短节装置将油水两相流整流成油核-水环的基于管道轴对称的流型，并将采集到的井下温度数据通过该复合光纤光缆传输到该光纤信号数据采集装置，井下压力数据通过该复合光纤光缆传输该压力测量装置，该光纤信号数据采集装置、该压力测量装置分别将采集的温度、压力数据进行分析。

3、本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

4、该基于光纤监测井下油水两相多参数在线测量系统还包括光缆扶正器和封隔器，该复合光纤光缆通过该光缆扶正器固定在抽油泵及管柱外侧，该复合光纤光缆穿过该封隔器直至下入到油层的底部。

5、该复合光纤光缆中包括第一光纤、第二光纤和第三光纤。

6、该井下油水两相多参数测试短节装置包括油水旋流整型器、第一光纤压力传感器和径向管中心引压管，该油水旋流整型器固定在该井下油水两相多参数测试短节装置的入口段，将油水两相流整流成油核-水环的基于管道轴对称的流型，即整理成关于轴对称的均匀分散流流型，建立起径向和轴向压差测量所需的流型，该第一光纤压力传感器与该径向管中心引压管相连，该第一光纤压力传感器与该第一光纤相连，将径向中心位置的压力与温度信号通过该第一光纤传输到该光纤信号数据采集装置和该压力测量装置，该光纤信号数据采集装置可进行数据处理得到径向管中心位置的温度，该压力测量装置可进行数据处理得到径向管中心位置的压力。

7、该井下油水两相多参数测试短节装置还包括第二光纤压力传感器和下游轴向管壁引压管，该第二光纤压力传感器与该下游轴向管壁引压管相连，该第二光纤压力传感器与该第二光纤相连，将下游轴向管壁位置的压力与温度信号通过该第二光纤传输到该光纤信号数据采集装置和该压力测量装置，该光纤信号数据采集装置可进行数据处理得到下游轴向管壁位置的温度，该压力测量装置可进行数据处理得到下游轴向管壁位置的压力。

8、该井下油水两相多参数测试短节装置还包括径向引压管和第三光纤压力传感器，第三光纤压力传感器与该径向引压管相连，该第三光纤压力传感器与该第三光纤相连，将径向位置的压力与温度信号通过该第三光纤传输到该光纤信号数据采集装置和该压力测量装置，该光纤信号数据采集装置可进行数据处理得到径向位置的温度，该压力测量装置可进行数据处理得到径向位置的压力。

9、该井下油水两相多参数测试短节装置还包括第四光纤压力传感器和上游轴向管壁引压管，该第四光纤压力传感器与该上游轴向管壁引压管相连，该第四光纤压力传感器与该第三光纤相连，将上游轴向管壁位置的压力与温度信号通过该第三光纤传输到该光纤信号数据采集装置和该压力测量装置，该光纤信号数据采集装置可进行数据处理得到上游轴向管壁位置的温度，该压力测量装置可进行数据处理得到上游轴向管壁位置的压力。

10、轴向压差是由于流体流动过程中沿程摩阻产生的，而径向压差是由于流体做旋转运动时因离心加速度而产生的，径向压差表示为δpz：

11、δpz＝p4(第四光纤压力传感器的值)-p2(第二光纤压力传感器的值)

12、轴向压差表示为δpr：

13、δpr＝p1(第一光纤压力传感器的值)-p3(第三光纤压力传感器的值)

14、定义两者比为λ，公式如下：

15、

16、当油水两相混合物流经该旋流装置后，径向压差δpz和轴向压差δpr的比λ与油水两相混合物的体积含水率β存在如下关系：

17、β＝a*λx+b (2)

18、其中a，b均为常数，可以通过室内实验或者现场实验得到；

19、同时，油水混合物总流量qm与旋流径向压差，管道半径r，体积含水率β，水相密度ρw，油相密度ρo相关，

20、

21、径向流量系数αr和d为与装置结构和流体介质有关常数。

22、轴向取压点布置时，第一取压位置位于该油水旋流整型器上游2d-5d之间，第二取压位置位于该油水旋流整型器上游5d-10d之间；径向取压面布置在该油水旋流整型器下游1d-5d之间，并且轴向第二取压位置可以与径向取压壁面取压重合。

23、该该井下油水两相多参数测试短节装置固定在套管内侧，以监测套管内的压力与温度变化。

24、该该井下油水两相多参数测试短节装置固定在油管内侧，以监测油管内的压力与温度变化。

25、该油水旋流整型器包括旋流整型叶片和旋流整型叶片外管，该旋流整型叶片可采用椭圆叶片式和螺旋式两种中任意一种，椭圆叶片式角度θ为45-60°，螺旋式旋转角度θ为30-60°。

26、本发明的目的也可通过如下技术措施来实现：基于光纤监测井下油水两相多参数在线测量方法，该基于光纤监测井下油水两相多参数在线测量方法采用了基于光纤监测井下油水两相多参数在线测量系统，包括：

27、步骤1：将复合光纤光缆通过井口随井下油水两相多参数测试短节装置下入井筒中，并下入到油层的底部；

28、步骤2:将复合光纤光缆从井筒中引出，穿越井口后分别与光纤信号数据采集装置、压力测量装置相连；

29、步骤3:启动光纤信号数据采集装置和压力测量装置，开井生产；

30、步骤4:井下油水两相多参数测试短节装置将采集到的温度数据信号通过复合光纤光缆传输到光纤信号数据采集装置；将采集到的压力数据信号通过复合光纤光缆传输到压力测量装置；

31、步骤5:光纤信号数据采集装置、压力测量装置分别将采集的温度、压力信号进行分析。

32、本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

33、在步骤4，第一光纤压力传感器将径向中心位置的压力与温度信号通过第一光纤传输到光纤信号数据采集装置和压力测量装置。

34、在步骤4，第二光纤压力传感器将下游轴向管壁位置的压力与温度信号通过第二光纤传输到光纤信号数据采集装置和压力测量装置。

35、在步骤4，第三光纤压力传感器将径向位置的压力与温度信号通过第三光纤传输到光纤信号数据采集装置和压力测量装置。

36、在步骤4，第四光纤压力传感器将上游轴向管壁位置的压力与温度信号通过第三光纤传输到光纤信号数据采集装置和压力测量装置。

37、在步骤5，轴向压差δpz是通过油水混合液上游轴向中心管第四光纤压力传感器和油水混合液下游轴向第二光纤压力传感器两者的测量值计算出，压力测量装置计算径向压差δpz的公式为：δpz＝p4(第四光纤压力传感器的值)-p2(第二光纤压力传感器的值)

38、实现测量指定两截面上轴向压差的目的。

39、在指定的截面上通过油水混合液下游管壁径向第三光纤压力传感器和油水混合液径向中心管第一光纤压力传感器两者的测量值计算出径向压差δpr，压力测量装置计算径向压差δpr的公式为:δpr＝p1(第-光纤压力传感器的值)-p3(第三光纤压力传感器的值)

40、实现测量指定截面上径向压差。

41、在步骤5，定义两者比为λ，公式如下：

42、

43、当油水两相混合物流经该旋流装置后，径向压差δpz和轴向压差δpr的比λ与油水两相混合物的体积含水率β存在如下关系：

44、β＝a*λx+b (2)

45、其中a，b均为常数，可以通过室内实验或者现场实验得到；

46、同时，油水混合物总流量qm与旋流径向压差，管道半径r，体积含水率β，水相密度ρw，油相密度ρo相关，

47、

48、径向流量系数αr和d为与装置结构和流体介质有关常数。

49、本发明中的基于光纤监测井下油水两相多参数在线测量方法，利用光纤测试技术的优点，解决在复杂流体中的多相流体测量参数问题。通过室内及现场实验研究表明，当油水两相流通过整流时，在管内会形成轴对称分布的流型，这种流型下通过测量对应位置的压力及温度等参数，可以得到含水、流量等的测量方法。本发明正是基于以上特点，结合光纤传感测试技术来实现井下狭小空间内的流量、含水、温度及压力在线计量。该发明与现有技术相比，它不但具有很高的分辨能力，更主要的是，它采用的是压力、温度测量技术，而目前的光纤压力温度传感器在技术上已十分成熟，工作稳定可靠，完全能够适用于油井井下恶劣环境下的测量要求。

50、本发明突破了传统的井下流量、含水无法在线测量的问题，同时解决了油井井下狭小的空间内的传统的电子传感器无法布置的难题。同时，克服了油井井下温度高及压力高的恶劣环境下，传统的电子传感系统无法长期精准工作的难题。该发明不管是与存储式的井下流量、含水测试技术，还是基于电子的测试技术相比，它不但实现了井下产液流量、含水的在线测量，同时保证了长期恶劣环境下测试精度的稳定性。更主要的是，它采用的是压力、温度测量技术，而目前的光纤压力温度传感器在技术上已十分成熟，工作稳定可靠，完全能够适用于油井井下恶劣环境下的测量要求。