陣列電導(dǎo)探針流體成像儀在油水兩相下的實(shí)驗(yàn)

胡金海 劉興斌 劉繼新,2 孫躍義 柴金剛

（1.大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶)（2.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 黑龍江 大慶）

0 引言

Schlumberger、Sondex（已被GE公司收購）和Computalog公司研發(fā)并投入應(yīng)用了多種陣列探針式流體成像測井技術(shù)，目前SPE文獻(xiàn)報道的應(yīng)用較好的主要有Flowview Plus、GHOST、MAPS、RAT和CAT等陣列傳感器組合儀器和相應(yīng)的解釋和成像軟件，這些技術(shù)主要應(yīng)用于大流量的油井中[1、2]。國內(nèi)一些院校，比如浙江大學(xué)、天津大學(xué)、中國石油大學(xué)（北京）等在流體成像方面持續(xù)開展了多年研究工作，但截至目前只有中國石油大學(xué)吳錫令老師帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)開展了針對產(chǎn)液剖面測井的儀器開發(fā)工作[3][4]。大慶油田測試分公司與中國石油大學(xué)和北京航空航天大學(xué)于2009年聯(lián)合開展了針對水平井產(chǎn)液剖面測量的流體成像測井儀器的開發(fā)工作，特別是在基于陣列電導(dǎo)探針的流體成像技術(shù)上取得了進(jìn)展，形成了樣機(jī)，并對樣機(jī)在多相流模擬實(shí)驗(yàn)裝置上油水兩相流水平和垂直條件下分別進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為理想。

1 儀器的測量原理及設(shè)計

1.1 測量原理及傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

電導(dǎo)探針進(jìn)行串聯(lián)，對電阻和電導(dǎo)探針施加交流正弦激勵信號，電導(dǎo)探針測量原理及分布示意圖如圖1所示，由于電導(dǎo)探針處在油相和水相中電導(dǎo)值會有明顯的差距，采集電導(dǎo)探針分得的電壓值也會有明顯的不同，通過與設(shè)定的閾值電壓比較，即可以判斷電導(dǎo)探針?biāo)幍挠退疇顟B(tài)。測量電極排布于支撐臂上，并且分布在兩個不同的同心圓上，支撐臂和支撐軸均與測量電極電絕緣。測量電極遍布于整個測量截面，以確定油水兩相流各相組分在整個管道或管道橫截面上的局部分布信息。電導(dǎo)成像儀傳感器結(jié)構(gòu)圖見圖1（b），24個電導(dǎo)探針分成2層排布，均勻固定在12個支撐臂上，覆蓋井筒的剖面。

圖1 電導(dǎo)探針測量原理及分布示意圖

1.2 儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

電導(dǎo)探針成像儀結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該儀器由上、下兩個扶正器和電路及探針短接構(gòu)成，通過上下兩個扶正器保證儀器在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時居中水平放置。

圖2 儀器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 儀器電路設(shè)計

儀器電路的總體設(shè)計示意框圖如圖3所示。井下電路將信號采集模塊、數(shù)字濾波模塊、HDB3編碼模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊及相應(yīng)接口控制模塊集成在同一片F(xiàn)PGA目標(biāo)芯片中，配合外接相應(yīng)的模擬電路單元，實(shí)現(xiàn)了雙極性的HDB3碼的輸出，通過單芯電纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，地面電路首先設(shè)計極性轉(zhuǎn)換電路，將雙極性的HDB3碼轉(zhuǎn)換成單極性的HDB3碼，將轉(zhuǎn)換后的碼制連接到地面FPGA端口，F(xiàn)PGA芯片完成對HDB3碼時鐘的恢復(fù)、數(shù)據(jù)的解碼，并且通過RS-232串行接口實(shí)現(xiàn)同PC機(jī)的通訊，在PC機(jī)端設(shè)計應(yīng)用軟件，對串口發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以恢復(fù)出井下油水流動圖像，實(shí)現(xiàn)油井流動成像的目的。

圖3 硬件整體示意框圖

2 兩相流下的實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 垂直條件下的實(shí)驗(yàn)及分析

當(dāng)流量為100m3/d含水30%時上位機(jī)瞬時截圖如圖4所示，圖中右側(cè)部分24個坐標(biāo)軸為24個電導(dǎo)探針在10秒內(nèi)采集到油泡個數(shù)圖像，單個坐標(biāo)軸中每個紅色方波脈沖表示為單個探針采集到的油泡，脈沖個數(shù)為油泡的個數(shù)，通過上位機(jī)的存儲功能可以將一定時間內(nèi)的油泡個數(shù)進(jìn)行存儲。分析上位機(jī)在每個流量點(diǎn)不同含水率下存儲的5000組數(shù)據(jù)，當(dāng)垂直井段流量在10m3/d、20m3/d、30m3/d、50m3/d、80m3/d、100m3/d、150m3/d、200m3/d，含水率為10%、30%、50%、70%、90%測得的不同流量下含水率與油泡個數(shù)曲線圖如圖5所示，從圖（a）、（b）、（c）中可以看出，相同流量下，隨著含水率的增加，油泡個數(shù)呈遞減趨勢。圖5（b）為圖5（a）中50%以上含水部分曲線放大，可以看出該儀器在含水率50%～90%范圍內(nèi)對油泡數(shù)仍有較好的分辨率。圖5c為圖5（a）的重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖5（a）和圖5（c）進(jìn)行對比可以看出，兩次實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性很好，經(jīng)統(tǒng)計相同條件下采集到的油泡個數(shù)相差不超10%。

圖4 流量為100m3/d含水30%上位機(jī)瞬時截圖

圖5 電導(dǎo)成像儀在垂直條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 水平條件下的實(shí)驗(yàn)及分析

水平井段分別在流量點(diǎn)為50m3/d、70m3/d、100 m3/d、150m3/d、200m3/d，含水率為10%、30%、50%、70%、90%進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在相同條件下做了重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。根據(jù)水平井電導(dǎo)探針成像原理可知，電導(dǎo)探針?biāo)幍挠退疇顟B(tài)對成像分層界面起著絕對性的作用，通過模擬井井筒照片與上位機(jī)軟件截圖圖片進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)不同流量點(diǎn)不同含水率情況下模擬井筒內(nèi)電導(dǎo)探針?biāo)幵诘挠退疇顟B(tài)，與上位機(jī)軟件顯示的探針?biāo)帬顟B(tài)完全相同，但是由于探針的個數(shù)和機(jī)械分布的原因，上位機(jī)軟件的油水界面與實(shí)際界面有一定的誤差，這種誤差主要是由探針的分布決定，可以通過完善探針的機(jī)械分布進(jìn)行改進(jìn)。例為流量為50 m3/d含水率為10%條件下模擬井井筒照片與上位機(jī)截圖的對比圖如圖6所示，從模擬井井筒照片可以清楚的看到24個電導(dǎo)探針?biāo)幍挠退疇顟B(tài)，也可以看出油水的分界面，上位機(jī)截圖中綠色部分表示為油，黑色部分表示為水，上位機(jī)軟件中可以清楚的判斷24個電導(dǎo)探針?biāo)幍挠退疇顟B(tài)及分層位置。

圖6 水平條件下儀器在流量50 m3/d、幾種含水率時成像結(jié)果圖

3 結(jié)論

本文研究應(yīng)用油水兩相流電導(dǎo)成像樣機(jī)進(jìn)行了模擬井的動態(tài)實(shí)驗(yàn)，在垂直井和水平井的不同流量不同含水率下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，又分別作了重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，得到了較為詳實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但是在動態(tài)實(shí)驗(yàn)過程中還是出現(xiàn)了一些問題，在垂直井實(shí)驗(yàn)中，由于沒有設(shè)計背光，導(dǎo)致在高速攝像情況下不能很好的觀察油泡通過探針的情況；在水平井實(shí)驗(yàn)時，由于成像儀器的質(zhì)量較大，導(dǎo)致扶正器不能將儀器完全支起，在采取人工處理后，才得以保障實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

對動態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，在垂直井，繪制出油泡統(tǒng)計個數(shù)與油水流量和含水率之間的圖板，得出了油水流量與油泡統(tǒng)計個數(shù)以及含水率與油泡個數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。在水平井，針對不用流量下不同含水的油水分層情況做了圖片的對照，結(jié)果顯示實(shí)拍分層照片與軟件顯示分層結(jié)果是一致的。

[1]羅未平.國外水平井生產(chǎn)測井技術(shù)[J].測井技術(shù)，1997，21（6）

[2]郭洪志，李冬梅.Flagship在中高含水期水平井中的應(yīng)用研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報，2009，32（1）

[3]趙 亮，吳錫令.流動成像測量與流動成像測井技術(shù)研究進(jìn)展[J].測井技術(shù)，2002，26（2）

[4]別 靜，吳錫令，繆志偉.油井流動圖像重建算法研究[J].石油天然氣學(xué)報，2011，33（7）