专利名称：超声多普勒井下流量计的制作方法
技术领域：
本发明属于流体流量测量领域，具体涉及一种用于在井下测量多产出层油气井不同地层流体产量的超声多普勒井下流量计。
背景技术：
油田最常用的油井井下流量测量装置是涡轮流量计，利用井下流体推动涡轮旋转，以转速值推算出流量值。涡轮流量计的特点是后续的电子线路简单，用于单相流体的注水井和多相流体的产出井(油井)。然而，由于油井下的环境复杂，有的地层中的细沙和原油混在一起流过涡轮，造成涡轮卡死，因而测井成功率较低，在一些出沙严重的油井中，涡轮流量计无法使用。此外涡轮的机械转动轴承易磨损，维护工作量大，使用寿命较短。名称为《钳型多普勒超声波流量计》的发明专利申请(专利申请号200410095629.5)公开了一种地面型的多普勒超声流量计，并不适用于井下。
井下多普勒流量计与地面工作的多普勒流量计相比，由于工作环境差别有以下的不同特点①地面多普勒流量计一般都在水平的管道段测量，不存在多相流体因密度、比重不同而引起的流速不同。井下流量计通常只能在垂直的井筒中测量。多相流体之间存在“滑移速度”，只有尽量提高流体的整体速度，才能减少相间“滑移速度”带来的测量误差。
②地面多普勒流量计的超声探头通常都设置在流体管道的外部，它不减少流体通过的截面，也不增加流动的阻力。对于环空测井的井下流量计，由于仪器上、下井是通过套管和油管间狭小的环形空间实现的，要求仪器的最大直径小(一般为φ26mm)，不仅超声探头必须小型化，超声探头的安装位置也只能选择在流体管道的内部。
③地面多普勒流量计测量段的流道通径一般和流体输运系统其他部分的通径相近。由于仪器最大外径的限制，井下多普勒流量计的中心流道内径比油井井径小得多，流通面积通常仅为井径面积的1/50。因而流量计设计中必须尽量设法减少测量段的流阻。
目前，油田使用的井下超声流量计是利用超声波在流体中正、反向传输速度差原理构成的，可用于单相流体的注水井测量。名称为《注水井超声波流量测试仪》的实用新型专利申请(专利申请号200420007110.2)提供了一种注水井用流量计，只适用于单相流体测量，不能用于测量存在油、气多相流体的油井。
发明内容
本发明的目的是提供一种无机械运动部件、能抵抗原油中泥沙影响、提高测井成功率的用于井下测量多产出层油气井不同地层的产量的超声多普勒井下流量计。本发明的超声多普勒井下流量计可减少维护工作量，延长使用寿命。
本发明是这样实现的本发明的超声多普勒井下流量计的整体结构为一细长的圆柱形。本发明的计量计包括流体集流装置、中心流道部分及测量电路部分，其特点是，流量计的下部设置有集流装置，中部为中心流道部分，上部为进行数据测量、处理、传输的测量电路部分；中心流道部分为一中空的圆柱形管，中心流道部分圆柱形管下端的管壁上的圆周方向上设置有进液口，进液口上部的管壁上圆周方向设置有出液口；在中心流道部分中固定设置有换能片和信号传输线构成的超声发射探头和超声接收探头，超声发射探头的端面上含有朝向流体方向的发射换能片，超声接收探头的端面上含有朝向流体方向的接收换能片；集流装置包括集流伞和驱动电机；测量电路部分含有发射驱动电路、超声接收放大电路、多普勒频率检出和处理电路及数据传输电路，并依次连接。
本发明的超声多普勒型井下流量计的中心流道部分中固定设置的超声发射探头和超声接收探头设计为一圆柱形的一体式探头，圆柱形的一体式探头固定在中心流道部分中出液口的上方，一体式探头的超声发射探头的下端面上含有发射换能片，超声接收探头的下端面上含有接收换能片，发射换能片与接收换能片的设置形成“八”字形，发射换能片和接收换能片分别与构成一体式探头的圆柱的中轴线之间有一角度为70°～88°的倾斜角。一体式探头的圆柱形外径与中心流道部分的圆柱形管的内径相匹配，一体式探头的两侧开有凹槽，便于使连接仪器上、下部分的电缆通过。超声换能片及接收换能片的形状采用圆形片。为了加大换能片的工作面积，也可加大换能片圆片的直径，切去一部分面积，成为割圆形的超声换能片。
本发明的超声多普勒井下流量计，还可将中心流道部分中的探头设置为分离式的结构，中心流道部分的进液口和出液口之间设置有由换能片和信号传输线构成的分离式的超声发射探头和超声接收探头，还设置有聚流环；分离式的超声发射探头的外形由两个相交的大半径圆柱面和小半径圆柱面以及一个平面端面构成，超声接收探头与超声发射探头的结构相同。分离式的超声发射探头和超声接收探头相对应设置在中心流道部分的圆柱形管的内壁上，超声发射探头和超声接收探头的平面端面上分别设置有超声发射换能片和超声接收换能片；聚流环设置在中心流道部分的分离式的超声发射探头和超声接收探头的下方与进液口上方之间的管壁上。构成分离式的超声发射探头的两个相交的圆柱面轴线的夹角为5°～45°，构成分离式的超声接收探头的两个相交的圆柱面轴线的夹角同样为5°～45°。构成分离式的超声发射探头和超声接收探头中的大半径圆柱面与中心流道部分的管壁的内圆柱面的曲率相匹配，小半径圆柱面的轴线与分离式探头的平面端面垂直。聚流环外径与中心流道部分的管壁的内径相匹配。
本发明的超声多普勒井下流量计的中心流道部分的管壁上设置的进液口和出液口分别为2～8个。为减小流体进出中心流道的阻力，进液口和出液口的总面积设计为中心流道面积的2倍以上。
本发明的超声多普勒井下流量计上端经电缆与地面测井系统相连，或在井下与其它测井仪器组合成多参数测井仪。
本发明的超声多普勒井下流量计设置集流装置是为了提高被测流体的流速。集流后，中心流道内流速为井筒中流体上升速度的数十倍。流速的提高可增加多谱勒频率偏移量，提高测量灵敏度。此外，提高流体速度还可减小油粒、气泡在水中上浮(滑移速度)对整体流速测量带来的附加误差。集流装置还同时使仪器扶正，使仪器处在井筒的中心位置。集流装置在仪器下井和上提时收拢，在流量测量时打开，使井内流体经仪器的中心流道流过。本发明的超声多普勒井下流量计中的集流装置可以采用由电机驱动的集流伞结构，也可以采用液压等其它方式工作的集流结构。
本发明的中心流道部分设置有超声发射探头和超声接收探头，探头由超声换能片和信号传输线构成，探头是流量计的传感器部分。超声发射探头送出的超声波在流道中遇到油粒和气泡，在油水界面、气水界面产生反射，反射波频率受流体运动速度的影响产生和流速成正比例的多普勒频率偏移量。超声接收探头用于获得超声波的反射信号，送到测量电路作进一步的处理。
本发明的测量电路部分位于流量计上部，完成多普勒频率偏移量测量、数据处理、数据传输的功能。它包括超声发射驱动电路、超声接收信号放大电路、多普勒频率偏移量检出和处理电路，向地面或井下组合仪器的数据传输电路。
本发明的超声多普勒流量计不需设置机械旋转部分，因而不会因原油中泥沙导致流量计产生故障，测井成功率高，在出沙量大的油井中也能使用。由于油田采用注聚合物来增加地层原油的采出率，不少采油井在原油采出的同时，也有聚合物流出，使得井下流体粘度增大，本发明超声多普勒流量计能适应含聚合物的粘度大的多相流体测量。仪器的结构简单维护方便，使用寿命长。本发明的超声多普勒流量计可在含油、气1％至99％的多相流体中工作，并能组合在小直径的多参数测井仪器中，满足“环空测井”要求，测量多产出层油气井不同地层的流体产量。
下面根据附图和实施例对本发明超声多普勒井下流量计作进一步详细描述
图1为本发明的超声多普勒井下流量计整体结构示意2为本发明的超声多普勒井下流量计实施例1的中心流道部分的剖面示意3a为本发明的超声多普勒井下流量计实施例1的中心流道部分的一体式探头结构示意3b为本发明的超声多普勒井下流量计实施例1的中心流道部分的一体式探头仰视4a为本发明的超声多普勒井下流量计实施例2的中心流道部分的剖面示意4b为本发明的超声多普勒井下流量计实施例2的中心流道部分的结构中A-A剖面示意5a为本发明的超声多普勒井下流量计实施例2的中心流道部分的分离式探头的结构示意5b为本发明的超声多普勒井下流量计实施例2的中心流道部分的分离式探头仰视6为本发明的超声多普勒井下流量计实施例3的中心流道部分的分离式探头的结构示意7为本发明的超声多普勒井下流量计的测量电路部分的电路工作原理方框中1.集流伞2.中心流道部分3.测量电路部分4.一体式探头超声发射换能片(5、25)超声接收换能片(45、35)6.管壁进液口(7、17)出液口(8、18)9.超声发射探头10.小半径圆柱面11.大半径圆柱面12.聚流环13.超声发射驱动电路14.超声接收放大电路15.多普勒频率检出和处理电路16.数据传输电路19.超声接收探头凹槽(20、22)21.驱动电机具体实施方式
实施例1在图1～图3、图7中，本发明的超声多普勒井下流量计的整体结构为一细长的圆柱形。包括流体集流装置、中心流道部分2及测量电路部分3，流量计的下部设置有集流装置，中部为中心流道部分2，上部为进行数据测量、处理、传输的测量电路部分3；中心流道部分2为一中空的圆柱形管，下端延至集流装置，中心流道部分2圆柱形管下端的管壁6上的圆周方向上设置有轴向拉长的进液口7，进液口7的上部的管壁6上的圆周方向设置有轴向拉长的出液口8，进液口和出液口分别设置为2个；图中为2在中心流道部分2中固定设置有由换能片和信号传输线构成的超声发射探头和超声接收探头，超声发射探头的端面上含有朝向流体方向的超声发射换能片，超声接收探头的端面上含有朝向流体方向的超声接收换能片。其中，集流装置包括集流伞1和驱动电机21，测量电路部分3含有超声发射驱动电路13、超声接收放大电路14、多普勒频率检出和处理电路15及数据传输电路16，并依次连接。在本实施例中，本发明的超声多普勒型井下流量计的中心流道部分2的顶端固定设置的超声发射探头和超声接收探头为一圆柱形的一体式探头4，圆柱形的一体式探头4固定在中心流道部分2中出液口8的上方，紧靠出液口8的上边沿。一体式探头4的超声发射探头的下端面上含有超声发射换能片5，超声接收探头的下端面上含有超声接收换能片45，超声发射换能片5和超声接收换能片45分别与构成一体式探头4的圆柱的中轴线之间有一角度为80°的倾斜角，超声发射换能片5与超声接收换能片45的设置形成“八”字形。一体式探头4的圆柱形外径与中心流道部分2的圆柱形管的内径相匹配，两侧开有凹槽20，便于使连接仪器上、下部分的电缆通过。超声发射换能片5及超声接收换能片45的形状为截取部分面积的割圆形，割线部位处在一体式探头端面中心区。为减小流体进、出中心流道的阻力，进液口和出液口的总面积设计为中心流道面积的2倍以上。
图1为本发明的超声多普勒井下流量计的整体结构示意图及井下工作状态示意图。井下测量工作时，下部的集流装置中的集流伞1展开，油井井筒中的流体经进液口7流入中心流道部分2，由出液口8流出。位于中心流道部分2中的超声探头将流体多普勒频率偏移信号引至测量电路部分3，该信号经测量电路处理后，测量数据传送至地面仪器或井下多参数组合仪器。
本实施例的流量计在中心流道的顶端设置探头，不影响流体的流动，流阻小，适合大采出量油井的流量测量。
实施例2在图1、图4、图5、图7中，本发明的超声多普勒井下流量计的整体结构为一细长的圆柱形。包括流体集流装置、中心流道部分2及测量电路部分3，流量计的下部设置有集流装置，中部为中心流道部分2，上部为进行数据测量、处理、传输的测量电路部分3；中心流道部分2为一中空的圆柱形管，中心流道部分2圆柱形管下端的管壁6上的圆周方向上设置有轴向拉长的进液口17，进液口17上部的管壁6上圆周方向设置有轴向拉长的出液口18；在中心流道部分2中固定设置有由换能片和信号传输线构成的探头，探头的端面上分别设置有朝向流体方向的换能片。集流装置包括集流伞1和驱动电机21；测量电路部分3含有超声发射驱动电路13、超声接收放大电路14、多普勒频率检出和处理电路15及数据传输电路16，并依次连接。本实施例中设置的超声发射探头和超声接收探头为分离式探头结构，即超声发射探头与接收探头为各自独立的探头。在中心流道部分2的进液口17和出液口18之间设置有分离式探头超声发射探头9和超声接收探头19，还设置有聚流环12；分离式的超声发射探头9由两个相交的大半径圆柱面11和小半径圆柱面10以及一个平面端面构成，超声接收探头19与超声发射探头9的结构相同，超声发射探头9和超声接收探头19的直径均小于中心流道孔径的。分离式的超声发射探头9和超声接收探头19相对应设置在中心流道部分2的圆柱形管的内壁6上，超声发射探头9的平面端面上含有超声发射换能片25，超声接收探头19的平面端面上含有超声接收换能片35；聚流环12设置在中心流道部分2的分离式的超声发射探头和超声接收探头的下方与进液口17上方之间的管壁6上。构成分离式的超声发射探头9的两个相交的圆柱面轴线间的夹角为30°，超声接收探头19的两个相交的圆柱面轴线间的夹角也为30°。分离式超声发射探头9中的大半径圆柱面11与中心流道部分2的管壁6的内圆柱面的曲率相匹配，小半径圆柱面10的轴线与分离式探头的平面端面垂直。同样，超声接收探头19中的大半径圆柱面与中心流道部分2的管壁6的内圆柱面的曲率相匹配，小半径圆柱面的轴线与探头的平面端面垂直。聚流环12的外径与中心流道部分2的管壁6的内径相匹配。中心流道部分2的管壁6上设置的进液口和出液口分别为2个。为减小流体进、出中心流道的阻力，进液口和出液口的总面积设计为中心流道面积的2倍以上。具体安装时，将分离式探头超声发射探头9和超声接收探头19的大半径圆柱面分别紧贴在中心流道部分2的出液口18下方的内壁上。两个探头相对，其平面端都向下，朝向流体来的方向，如两个探头的平面端同时向上，也可工作。
本实施例中，由于两个探头安装在中心流道的中部，此处的流道截面积变小，比较适合于小采出量油井的流量测量。为了进一步提高对小流量测量的灵敏度，在两个探头换能片相对的多普勒作用区装有一个聚流环12。聚流环12的外径和中心流道的内径一致。聚流环12的外侧开有凹槽22，便于连接仪器上、下段的电缆通过。聚流环12的上、下端面设计为锥心朝向环内的圆锥面，以减小对流体的阻力。聚流环的中心通流面积与安装探头处的通流面积相同或稍小。聚流环12壁厚使多普勒作用区的流道截面减小，加快了多普勒作用区的流体流速，提高了流量计的多项技术性能。
实施例3图1、图4、图6、图7中，本发明的超声多普勒井下流量计，其基本结构与实施例2相同，同样是在中心流道部分中设置分离式的探头，不同之处是在中心流道部分中设置的分离式探头的外形结构与实施例2中的分离式探头的外形略有差异，在本实施例中，是将实施例2中的构成分离式探头的大半径圆柱面与小半径圆柱面相交部分截取部分体积，成为一平面，从而由两个相交的圆柱面和两个平面构成新的分离式探头。
本发明的实施例2和实施例3所述的流量计的井下工作状态与实施例1相同，实施例1、实施例2和实施例3中的测量电路部分均采用图6所示的电路工作原理，实施例中的超声换能片均为市售产品。
权利要求
1.一种超声多普勒井下流量计，为一细长的圆柱形结构，包括流体集流装置、中心流道部分及测量电路部分，集流装置包括集流伞(1)和驱动电机(21)；测量电路部分(3)含有发射驱动电路(13)、超声接收放大电路(14)、多普勒频率检出和处理电路(15)及数据传输电路(16)，并依次连接；其特征在于流量计的下部设置有集流装置，中部为中心流道部分(2)，上部为进行数据测量、处理、传输的测量电路部分(3)；中心流道部分(2)为一中空的圆柱形管，中心流道部分(2)圆柱形管下端的管壁(6)的圆周方向上设置有进液口，进液口上部的管壁(6)的圆周方向上设置有出液口；在中心流道部分(2)中固定设置有由超声换能片和信号传输线构成的超声发射探头和超声接收探头，超声发射探头的端面上含有超声发射换能片，超声接收探头的端面上含有超声接收换能片。
2.根据权利要求1所述的超声多普勒井下流量计，其特征在于所述的中心流道部分(2)中固定设置有一体式探头(4)，一体式探头(4)为圆柱形结构，固定设置在中心流道部分(2)中的出液口(8)的上方；一体式探头(4)的超声发射探头下端面上含有超声发射换能片(5)，超声接收探头的下端面上含有超声接收换能片(45)，超声发射换能片(5)和超声接收换能片(45)分别与一体式探头(4)的圆柱中轴线之间有一倾斜角；一体式探头(4)的圆柱形的外径与中心流道部分(2)的圆柱形管的内径相匹配。
3.根据权利要求2所述的超声多普勒井下流量计，其特征在于所述的发射换能片(5)、接收换能片(45)与一体式探头(4)的圆柱中轴线之间的倾斜角均为70°～88°。
4.根据权利要求2所述的超声多普勒井下流量计，其特征在于所述的超声发射换能片(5)及超声接收换能片(45)的形状为圆形或截取部分面积的割圆形。
5.根据权利要求1所述的超声多普勒井下流量计，其特征在于所述的中心流道部分(2)的进液口(17)和出液口(18)之间设置有分离式的超声发射探头(9)和超声接收探头(19)，还设置有聚流环(12)；分离式的超声发射探头(9)由两个相交的大半径圆柱面(11)和小半径圆柱面(10)以及一个平面端面构成，超声接收探头(19)与超声发射探头(9)的结构相同；分离式的超声发射探头(9)和超声接收探头(19)对应设置在中心流道部分(2)的圆柱形管的内壁(6)上，超声发射探头(9)的平面端面上含有超声发射换能片(25)，超声接收探头(19)的平面端面上含有超声接收换能片(35)；聚流环(12)设置在中心流道部分(2)的分离式的超声发射探头(9)和超声接收探头(19)的下方与进液口(17)上方之间的管壁(6)上；分离式的超声发射探头(9)和超声接收探头(19)中的大半径圆柱面均与中心流道部分(2)的管壁(6)的内圆柱面的曲率相匹配，小半径圆柱面的轴线与分离式探头的平面端面垂直；聚流环(12)外径与中心流道部分(2)的管壁(6)的内径相匹配。
6.根据权利要求5所述的超声多普勒井下流量计，其特征在于所述的构成分离式的超声发射探头(9)的两个相交的圆柱面轴线间的夹角为5°～45°，构成分离式的超声接收探头(19)的两个相交的圆柱面轴线间的夹角也为5°～45°。
7.根据权利要求1所述的超声多普勒井下流量计，其特征在于所述的中心流道部分(2)的管壁(6)上设置的进液口和出液口分别为2～8个。
全文摘要
本发明公开了一种用于测量井下油、水、气多相流的超声多普勒井下流量计。本发明的流量计包括集流装置、中心流道和测量电路部分，在中心流道中设置一对超声发射探头和超声接收探头，利用超声波在流动油、水、气界面的反射波多普勒频率偏移量测出油粒、气泡的运动速度，计算流体的流量。本发明的超声多普勒井下流量计可适应油、气含量在1％至99％之间的流体流量测量，并能组合在小直径的多参数测井仪器中，满足“环空测井”要求。本发明的超声多普勒井下流量计结构简单，维护方便，测井成功率高。
文档编号G01F1/66GK1847801SQ200610020720
公开日2006年10月18日 申请日期2006年4月14日 优先权日2006年4月14日
发明者岑大刚, 殷绍忠, 李红波, 刘黄莹, 辛宇亮, 秦犀, 力军, 陈军, 刘发富, 高明武 申请人:四川省科学城久利电子有限责任公司