一种陆面井口油气水三相含水率测量装置的制作方法

本发明涉及石油井口参数测量技术领域，特别是涉及一种陆面井口油气水三相含水率测量装置。

背景技术：

在石油生产中，油井开采出来的是一种含有石油、气、水和各种杂质的混合流体，其中水相含率是石油生产测井剖面评价测量的重要参数，对于提高油气产量，提高油气开采效率有着至关重要的作用。目前绝大部分陆面井口参数测量依靠人工定期取样化验，而该传统方法往往存在工作强度大、效率低、实时性差、测试数据不连续、影响因素多等弊端。

目前国外产品测量精度高，适用范围广，但是测量技术复杂，体积大，造价高。国内的陆面井口参数测量装置主要有兰州海默公司的气液分离式油水气三相计量装置和兰州海默公司的多相流量计。国内设备研制多以国外技术为蓝本，测量准确度、可靠性不及国外产品，部分产品仍处于发展研制阶段。

因此，本领域亟需一种结构简单、成本低、体积小的测量装置能够对陆面井口含水率进行实时测量。

技术实现要素：

针对上述技术的不足，本发明的目的是提供一种陆面井口油气水三相含水率测量装置，能够对陆面井口含水率进行实时测量，且装置结构简单、成本低、体积小。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种陆面井口油气水三相含水率测量装置，包括：套管、排气管、测量管和控制系统；

所述套管的侧壁连通有入口管，所述套管内设置有所述测量管，所述测量管和所述套管之间形成密闭的环形空腔，待测流体经所述入口管进入所述环形空腔内；所述环形空腔和所述排气管连通，所述排气管内设置有排气阀，所述排气阀用于将所述环形空腔内的气体排出；

所述测量管包括混相测量管和全水测量管，所述混相测量管和所述全水测量管连通；

所述全水测量管底部侧壁设置有进水孔，所述环形空腔内的水通过所述进水孔进入所述全水测量管内，所述全水测量管上设置有第一电导传感器，所述第一电导传感器和所述控制系统电连接，所述控制系统对所述第一电导传感器的输出电压进行采集，获得第一电压；

所述混相测量管底部侧壁设置有进液孔，所述环形空腔内的混相液体通过所述进液孔进入所述混相测量管内，所述混相测量管上设置有第二电导传感器，所述第二电导传感器和所述控制系统电连接，所述控制系统对所述第二电导传感器的输出电压进行采集，获得第二电压；

所述控制系统根据所述第一电压和所述第二电压确定待测流体的含水率。

可选的，所述装置还包括出口管，所述环形空腔和所述出口管通过所述排气管连通，排出的气体进入所述出口管；

所述混相测量管和所述出口管连通，所述混相测量管内的混相液体通过所述出口管流出。

可选的，所述装置还包括单向阀，所述单向阀设置在所述排气管内，所述排气阀排出的气体经所述单向阀进入所述出口管。

可选的，所述装置还包括井管，所述井管内设置有第一阀门，所述井管侧壁设置有出液口和进液口，所述出液口和所述进液口设置于所述第一阀门两侧，所述井管依次经所述出液口和第二阀门与所述入口管连通，所述出口管依次经第三阀门和所述进液口与所述井管连通。

可选的，所述第一电导传感器和所述第二电导传感器均包括绝缘管以及安装在所述绝缘管内壁上的环形测量电极和环形激励电极。

可选的，所述控制系统包括传感激励模块、信号处理模块和定时工作模块，所述传感激励模块用于产生激励恒流源，并将所述激励恒流源作用于所述激励电极，所述信号处理模块用于对测量电极的电压信号进行处理；所述定时工作模块用于对所述第一电导传感器和所述第二电导传感器进行定时供电。

可选的，所述入口管内设置有多孔管，所述多孔管用于滤除待测流体内的杂质。

可选的，所述第二电导传感器至少为一个。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1、本发明通过第一电导传感器测量全水测量区的第一电压，通过第二电导传感器测量油水混相区的第二电压，控制系统根据采集到的电压数据确定待测流体的含水率。本发明装置结构简单、造价成本低、体积小，能够实现陆面井口含水率的实时测量。

2、本发明通过排气阀将待测液体中的气体排出，使含水率测量在油水两相条件下进行，提高含水率测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种陆面井口油气水三相含水率测量装置原理示意图；

图2为本发明实施例一种陆面井口油气水三相含水率测量装置的三维立体图；

图3为本发明实施例一种陆面井口油气水三相含水率测量装置的左视图；

图4为本发明实施例一种陆面井口油气水三相含水率测量装置的后视图；

图5为本发明实施例测量管的三维立体图；

图6为本发明实施例电导传感器的三维立体图；

图7为本发明实施例控制系统的结构示意图。

1入口管，2套管，301全水测量管，302混相测量管，4排气管，5排气阀，6进水孔，7第一电导传感器，8进液孔，9第二电导传感器，10出口管，11单向阀，12井管，13第一阀门，14第二阀门，15第三阀门，16控制系统，17引线器，18上位机、19多孔管，20第一法兰，21第二法兰，22第三法兰，23底座，24第一引线口，25绝缘管，26测量电极，27第二引线口，28激励电极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种陆面井口油气水三相含水率测量装置，能够对陆面井口含水率进行实时测量，且装置结构简单、成本低、体积小。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例一种陆面井口油气水三相含水率测量装置原理示意图，图2为本发明实施例一种陆面井口油气水三相含水率测量装置的三维立体图，图3为本发明实施例一种陆面井口油气水三相含水率测量装置的左视图，图4为本发明实施例一种陆面井口油气水三相含水率测量装置的后视图。

参见图1-图4，一种陆面井口油气水三相含水率测量装置，包括：套管2、排气管4、测量管和控制系统16；所述套管2的侧壁连通有入口管1，所述套管2内设置有所述测量管，所述测量管和所述套管2之间形成密闭的环形空腔，待测流体经所述入口管1进入所述环形空腔内；所述环形空腔和所述排气管4连通，所述排气管4内设置有排气阀5，所述排气阀5用于将所述环形空腔内的气体排出。

所述测量管包括混相测量管302和全水测量管301，所述混相测量管302和所述全水测量管301连通。

所述全水测量管301底部侧壁设置有进水孔6，所述环形空腔内的水通过所述进水孔6进入所述全水测量管301内，所述全水测量管301上设置有第一电导传感器7，所述第一电导传感器7和所述控制系统16电连接，所述控制系统16对所述第一电导传感器7的输出电压进行采集，获得第一电压。

所述混相测量管302底部侧壁设置有进液孔8，所述环形空腔内的混相液体通过所述进液孔8进入所述混相测量管302内，所述混相测量管302上设置有第二电导传感器9，所述第二电导传感器9和所述控制系统16电连接，所述控制系统16对所述第二电导传感器9的输出电压进行采集，获得第二电压。

所述控制系统16根据所述第一电压和所述第二电压确定待测流体的含水率。

具体的，图5为本发明实施例测量管的三维立体图，如图5所示，本发明实施例含水率实时测量主要在测量管内进行，测量管包括全水测量部分和混相测量部分，在混相测量管302下部侧壁开设有进液孔8，进液孔8以下为全水测量部分，以上为混相测量部分，来实时同步进行混相和全水测量，全水测量管301设置有第一电导传感器7，混相测量管302设置有两个第二电导传感器9以及在侧壁设置有第一引线口24，第一电导传感器7和第二电导传感器9的线通过第一引线口24和引线器17与控制系统16连接，所述第一电导传感器7和所述第二电导传感器9与测量管均采用螺纹固定。

作为本发明一种实施方式，所述装置还包括：

出口管10，所述环形空腔和所述出口管10通过所述排气管4连通，排出的气体进入所述出口管10；所述混相测量管302和所述出口管10连通，所述混相测量管302内的混相液体通过所述出口管10流出。

具体的，入口管1一端和套管2侧壁焊接，套管2下端焊接在底座23上，套管2上端通过第二法兰21和出口管10连接，第二法兰21上安装有排气阀5和引线器17，均采用密封螺纹连接，排气管4和出口管10焊接，排气阀5将环形空腔内油气水混合流体中的气体排出，气体经排气管4进入出口管10，环形空腔和测量管均为流体提供流动通道，测量管分为两部分：全水测量管301和混相测量管302，全水测量管301底部与底座23承接式连接，混相测量管302上部与第二法兰21焊接，并与出口管10连通，混相测量管302底部侧壁开有进液孔8，所述进液孔8用来联通套管2和混相测量管302；全水测量管301下部侧壁开有圆形进水孔6，用来保证全水测量区的水相更新。

作为本发明一种实施方式，所述装置还包括：

单向阀11，所述单向阀11设置在所述排气管4内，所述排气阀5排出的气体经所述单向阀11进入所述出口管10。

具体的，排气阀5、单向阀11和排气管4采用螺纹连接，单向阀11能阻止出口管10内的流体流入环形空腔内。

作为本发明一种实施方式，所述装置还包括：

井管12，所述井管12内设置有第一阀门13，所述井管12侧壁设置有出液口和进液口，所述出液口和所述进液口设置于所述第一阀门13两侧，所述井管12依次经所述出液口和第二阀门14与所述入口管1连通，所述出口管10依次经第三阀门15和所述进液口与所述井管12连通。

具体的，入口管1另一端和第一法兰20焊接，通过第一法兰20和井管12的出液口连通，出口管10另一端和第三法兰22焊接，通过第三法兰22和井管12的进液口连通。

优选的，所述第一电导传感器7和所述第二电导传感器9均包括绝缘管25以及安装在所述绝缘管25内壁上的环形测量电极26和环形激励电极28。

图6为本发明实施例电导传感器的三维立体图，如图6所示，每个电导传感器包括带有两个第二引线口27的绝缘管25以及安装在所述绝缘管25内壁的四个环状金属电极，绝缘管25的材质为有机玻璃，目的是防止金属电极与测量管的不锈钢管壁接触，造成短路，四个环状金属电极镶嵌在绝缘管25的管壁内部，通过第二引线口27中的导线将四个环状金属电极和控制系统16连接，四个环状金属电极包括第一激励电极、第二激励电极、第一测量电极和第二测量电极，第一激励电极和第二激励电极用于建立敏感电流场，第一测量电极和第二测量电极用于获取内部流体流场信息，本发明实施例中电导传感器采用了四个环状金属电极，但不局限于四个环状金属电极，还能采用其它数量和其它形状的电极。

优选的，所述控制系统16包括传感激励模块、信号处理模块和定时工作模块，所述传感激励模块用于产生激励恒流源，并将所述激励恒流源作用于所述激励电极28，所述信号处理模块用于对测量电极26的电压信号进行处理；所述定时工作模块用于对所述第一电导传感器7和所述第二电导传感器9进行定时供电。

图7为本发明实施例控制系统16的结构示意图，如图7所示，控制系统16包括：传感器激励模块、信号处理模块和定时工作模块，传感器激励模块利用波形发生器和运放产生20khz的交流恒流源，使激励电极28建立敏感电流场；信号处理模块包括信号调理电路、压频转换电路和脉宽调制电路，信号处理模块对测量电极26的电压信号进行调理、压频转换、脉宽调制等处理；定时工作模块利用stm8主控制器对电导传感器进行定时供电。

控制系统16还包括无线传输模块，无线传输模块采用zigbee自组网进行参数传输，将stm8主控制器中的数据发送给上位机18，本实施例中上位机18为电脑。

优选的，所述入口管1内设置有多孔管19，所述多孔管19用于滤除待测流体内的杂质。具体的，多孔管19与入口管1承接，多孔管19用于阻隔杂质，防止杂质打散油气水混合流体。

优选的，所述第二电导传感器9至少为一个。

本发明实施例采用重力分离法进行气液分离，油气水混合流体在环形空腔内，由于气体液体的密度差异，气体向上浮动，排气阀5将环形空腔内的气体排出；气体经排气管4进入出口管10，单向阀11阻止出口管10内的流体流入环形空腔；气体不经过含水率测量传感器，使含水率测量在油水两相条件下进行，消除气体对含水率测量的影响，提高含水率测量精度。

工作原理：

当需要进行含水率测量时，关闭井管12的第一阀门13，打开入口管1的第二阀门14以及出口管10的第三阀门15，井管12内的油气水混合流体由入口管1流入环形空腔内，在环形空腔内，由于液气密度差异，气体会向上浮动，排气阀5将环形空腔内的气体排出，气体经排气管4进入出口管10，单向阀11阻止出口管10内的流体流入环形空腔，在环形空腔内由于油水密度的差异，水会逐渐向下分离，油水混合液体由混相测量管302侧壁的进液孔8进入混相测量管302内部，水由全水测量管301的进水孔6进入全水测量管301内部，全水测量管301的水位不断上升，当全水测量管301全是水相后，控制系统16的传感器激励模块开启，信号处理模块对测量电极26的电压信号进行调理、压频转换、脉宽调制等处理，第一电导传感器7的输出电压为vw(vw在全水测量部分待油水两相分离后，在全水条件下由第一电导传感器测得)，此时混相测量区第二电导传感器9的输出电压为vm(vm在混相测量部分油水两相流体流过第二电导传感器时测得)，由电导法测量原理可知，在水为连续相条件下，电导传感器两测量电极26间输出电压幅度与传感器内部流体的电导率成反比，则有：

其中，σm为混合相电导率，σw为连续水相电导率。

由maxwell公式可知：

即

其中，β为两相流中连续导电相的体积分数，在油水两相流中为持水率，持水率是指井筒某处流体中水相所占的体积分数，持水率能通过流量计获取的流量校正为含水率，采用zigbee自组网将实时β值传输给上位机18，上位机18根据流量计获取的流量数据将β值校正为含水率，从而得到油气水三相的含水率。

本发明实施例提出的含水率测量装置造价成本低、结构简单、体积小，能够满足陆面井口含水率实时测量的需要，适合大范围推广且可以实现集数据采集、数据分析、远程监控及管理于一体的数字化油田组网工程。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。