一種基於共面微帶傳輸線法井下原油含水率檢測裝置製造方法
2023-06-01 21:42:21
一種基於共面微帶傳輸線法井下原油含水率檢測裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於共面微帶傳輸線法井下原油含水率檢測裝置，屬於測量【技術領域】。它包括儀器外殼，所述儀器外殼內設有傳感器，所述儀器外殼一端開有進液孔，所述儀器外殼兩側分別開有出液孔，所述傳感器設置在儀器外殼內的所述進液孔至出液孔的流道上，所述傳感器包括矩形敷銅板，所述矩形敷銅板上設有呈S型布置的共面微帶傳輸線，所述共面微帶傳輸線的始端和終端分別通過射頻同軸電纜與高頻相位差檢測電路連接，所述高頻相位差檢測電路與含水率計算電路連接，所述含水率計算電路通過數據傳輸系統與計算機連接。本發明採用的是共面微帶型傳輸線傳感器測量原油含水率，由於共面微帶型傳輸線體積小，結構簡單，耐高溫高壓。
【專利說明】一種基於共面微帶傳輸線法井下原油含水率檢測裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於測量【技術領域】，具體涉及一種基於共面微帶傳輸線法井下原油含水率檢測裝置。
【背景技術】
[0002]在石油開採的過程中，為了了解注採井網中每個小層的產出情況，就需要將檢測儀器放置在井下對應的層位進行含水率測量。井下原油含水率資料可了解注採井網中採油生產井各個產層的產出情況，包含產出流體的種類和產出量信息，了解是否發生注入水突進或氣體突進，注入是否起到了驅油效果等等，由此可以調整井下射孔層的封堵，提高油氣產量。因此，井下原油含水率在線實時檢測能夠迅速準確地反應出油井的工作狀態，是評價一個油井開採價值及制定合理的開採方案的重要依據。現有測量原油含水率主要是通過電容法、電導法、密度法、射線法、電磁波法等原油在線連續測量儀器。
[0003]電容法含水率檢測是建立在油水介電常數差異較大的基礎上的，當含水原油在電容器極板間流過，原油作為電容器的介質，其介電常數隨含水率的不同而發生變化，電極間介質的介電常數變化，導致電容值發生改變。但是電容法的量程範圍小，可調性差，容易受周圍環境影響，設計時需要考慮寄生電容的幹擾，同時要進行溫度補償，礦化度影響修正。因此，電容探頭一般適用於恆溫、不含氣原油、含水率〈30%的情況。
[0004]電導法是一種根據油、水兩相電導率的差異測量含水率的方法，又稱阻抗法。電導法適合於水為連續相情況下工作，當被測流體中的水為非連續相時，儀器無法正常工作。因此，一般認為含水率的測量範圍為50%?100%，精度在±3%左右。
[0005]密度法的原理是利用油與水密度不同，將油與水看作不相容的兩種液體，當油與水按不同比例混合時，得到的混合物密度也不同。根據油和水的混合密度進而推算出原油含水率。目前常用的密度計主要有差壓式密度計和Cor1lis流量計。差壓法受兩相的流型及混合黏度的影響，使得該方法的測量效果並不理想。由於Cor1lis流量計中振動管結構複雜，導致其中流動特性複雜，很小的氣體也可能使得振動信號異常，因此受含氣的影響較大。
[0006]射線法含水率計主要應用於油田計量站間的計量，但是由於射線法含有輻射源，且存在生物防護和放射源管理問題，使用和維護費用昂貴等缺點。從現場應用情況來看，前期精確度較高，但後期缺乏專業維護，應用情況不是很理想。另外，由於溫度對射線法測量精度影響較大，大多數射線法均用於地面原油管道中含水率的在線測量，受到井下高溫和空間的限制，未見將該方法應用於生產測井的報導。
[0007]電磁波的方法可用來來檢測原油含水率，根據電磁波頻率的高低，可分為:短波法、傳輸線法和微波法。短波是指頻率為3?30MHz的無線電波，短波法含水率測量範圍O?100%。由於短波天線探頭製作複雜，成本高，使用和維護困難，在現場調試工序也比較繁瑣，鑑於上述原因，短波法在近幾年內實際使用較少。微波是指頻率在300MHz?3000GHz的無線電波，微波最大的優點就是穿透能力強，可以通過空間輻射的方式穿過介質的內部，具有作用速度快、時間短、效率高等顯著優點，非常適合在線檢測，但是由於微波法比較複雜，成本和維修費用高，對使用和維護造成了困難，實際使用較少。由於傳輸線內的電磁場是規則的，因此適合於接觸式含水率測量。傳輸線的形式很多，常用的傳輸線傳感器分為波導式、同軸式、帶狀線式和微帶式等。對於傳輸線法而言，提高電磁波的頻率可以減小甚至消除礦化度對測量誤差的影響，然而將電磁波的頻率提高到微波段(> 300MHz)，將帶來儀器結構複雜，成本高等一系列問題。折中考慮儀器工程化實際需求以及減小礦化度誤差的影響，通常採用的電磁波激發頻率介於短波與微波之間，即30?300MHz之間。
[0008]綜上所述，通過上述方法在油田的開採到了中後期，原油的含水率普遍偏高的條件下，檢測原油的含水率並不是特別有效。就電容法和電導法來說，含水率測量範圍分別為〈30%和50%?100%，不滿足全範圍檢測的要求，而密度法雖然能夠在全範圍內進行檢測，但是原油中少量的氣和砂對測量結果影響較大，因此也不適合用於井下測量；射線法存在射線輻射安全問題，短波法結構複雜，設備昂貴，二者共同的問題是造價較高，使用和維修困難，因此已經逐漸被市場淘汰；對於微波法而言，探測器尺寸較大，不滿足生產測井中過環空測井的尺寸的要求；傳輸線法尺寸較小，結構簡單，在高含水率條件下具有良好的解析度。
【發明內容】
[0009]本發明的目的就是針對現有技術的缺陷，提供一種結構簡捷、能夠在全範圍內正常工作、且在高含水率條件下具有良好的解析度的基於共面微帶傳輸線法井下原油含水率檢測裝置。
[0010]本發明採用的技術方案是:包括儀器外殼，所述儀器外殼內設有傳感器，所述儀器外殼一端開有進液孔，所述儀器外殼兩側分別開有出液孔，所述傳感器設置在儀器外殼內的所述進液孔至出液孔的流道上，所述傳感器包括矩形敷銅板，所述矩形敷銅板上設有呈S型布置的共面微帶傳輸線，所述共面微帶傳輸線的始端和終端分別通過射頻同軸電纜與高頻相位差檢測電路連接，所述高頻相位差檢測電路與含水率計算電路連接，所述含水率計算電路通過數據傳輸系統與計算機連接。
[0011]上述方案中，共面微帶傳輸線的等效長度決定其測量的解析度，故在微小測量空間基片面積有限的情況下，可將共面微帶傳輸線的形狀設計成首尾相連的S型，並通過增加S型共面微帶傳輸線的等效長度提高解析度。
[0012]進一步優選的結構，所述共面微帶傳輸線包括介質基片，所述介質基片上設有凸起於介質基片的中心導體帶，所述中心導體帶兩側設有與中心導體帶平行的凸起於介質基片的導體平板，所述中心導體帶與導體平板之間設有間距。
[0013]上述方案中，由於共面微帶傳輸線的中心導體帶與導體平板位於同一平面內，因此，其結構具有設計靈活，易於集成、容易安裝、方便焊接、方便共面波導TEM波傳播，沒有截止頻率的特點。
[0014]進一步優選的結構，所述傳感器的矩形敷銅板上設有信號連接埠，所述共面微帶傳輸線的始端和終端分別通過信號連接埠與射頻同軸電纜連接。
[0015]進一步優選的結構，所述微帶傳輸線與射頻同軸電纜連接的信號連接埠外設有密封防水裝置。
[0016]進一步優選的結構，所述儀器外殼為圓柱形鈦鋼鋼管。
[0017]本發明採用的是共面微帶型傳輸線傳感器測量原油含水率，由於共面微帶型傳輸線體積小，結構簡單，耐高溫高壓，因此非常適合應用於井下溫度高、空間小的測量環境中。在有限的傳感器面積上，通過將共面微帶傳輸線設計成多段首尾相連的S型形狀，能夠有效地提高單位面積上的等效長度，進而提高含水率的解析度。共面微帶型傳輸線傳感器能夠在原油含水率從0%至100%全範圍內正常工作，且在高含水率條件下達到1%的解析度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明結構示意圖；
[0019]圖2為本發明傳感器結構示意圖；
[0020]圖3為本發明利用傳感器測量原油含水率原理圖；
[0021]圖4為本發明共面微帶傳輸線結構俯視圖；
[0022]圖5為本發明共面微帶傳輸線結構側視圖
[0023]圖6為本發明共面微帶傳輸線始端和終端電磁波信號波形圖。
[0024]圖中，I一儀器外殼；2 —傳感器(2.1—矩形敷銅板；2.2—共面微帶傳輸線；2.21—介質基片；2.22—中心導體帶；2.23—導體平板；2.3—信號連接埠 ；2.4—密封防水裝置)；3—射頻同軸電纜；4一聞頻相位差檢測電路；5—含水率計算電路；6—數據傳輸系統；7—計算機；8—進液孔；9一出液孔。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明，便於清楚地了解本發明，但它們不對本發明構成限定。
[0026]如圖1、圖2所示，本發明包括儀器外殼I，所述儀器外殼I內設有傳感器2，所述儀器外殼I 一端開有進液孔8，所述儀器外殼I兩側分別開有出液孔9，所述傳感器2設置在儀器外殼I內的所述進液孔8至出液孔9的流道上，所述傳感器2包括矩形敷銅板2.1，所述矩形敷銅板2.1上設有呈S型布置的共面微帶傳輸線2.2，所述共面微帶傳輸線2.2的始端和終端分別通過射頻同軸電纜3與高頻相位差檢測電路4連接，所述高頻相位差檢測電路4與含水率計算電路5連接，所述含水率計算電路5通過數據傳輸系統6與計算機7連接。
[0027]如圖2、圖4、圖5所示,所述共面微帶傳輸線2.2包括介質基片2.21，所述介質基片2.21上設有凸起於介質基片2.21的中心導體帶2.22，所述中心導體帶2.22兩側設有與中心導體帶2.22平行的凸起於介質基片2.21的導體平板2.23，所述中心導體帶2.22與導體平板2.23之間設有間距。所述傳感器2的矩形敷銅板2.1上設有信號連接埠 2.3，所述共面微帶傳輸線2.2的始端和終端分別通過信號連接埠 2.3與射頻同軸電纜3連接。所述微帶傳輸線2.2與射頻同軸電纜3連接的信號連接埠 2.3外設有密封防水裝置2.4。
[0028]所述儀器外殼I可為直徑為21_的圓柱形鈦鋼鋼管。
[0029]所述共面微帶傳輸線2.2表面塗覆一層介電常數大，電導率小的絕緣介質，能夠有效地克服地層水礦化度對含水率測量結果的影響。
[0030]為了減少共面微帶傳輸線2.2與射頻同軸電纜3之間因阻抗不匹配而產生的多次反射，在空氣中時，宜將共面微帶傳輸線的特性阻抗設計成接近50Ω。
[0031]高頻相位差檢測電路4採用混頻器，通過混頻的方法將高頻條件下難以測準的時間差進行放大，並搬移到中頻段測量，能夠顯著提高測量精度。高頻相位差檢測電路4包含一種頻率為120MHz，幅度為800mV的高頻正弦信號源。
[0032]本發明儀器外殼I用於將傳感器2與高頻相位差檢測電路4有機地固定在一起，並形成一定的流體通道，讓原油液體流經傳感器2，傳感器2與高頻相位差檢測電路4之間有密封裝置2.4，防止原油液體流入到測量電路中。
[0033]本發明的工作原理:基於原油的含水率與其等效介電常數呈單調遞增的關係，根據共面微帶傳輸線導體之間介質的介電常數會引起傳輸線傳輸特性變化的原理，當含水原油流經共面微帶傳輸線時，不同含水率的原油導致傳輸線傳輸特性的變化，進而引起傳輸線上傳播的電磁波相位發生偏移，因此通過測量微帶傳輸線輸入和輸出兩端電磁波相位差可準確地檢測原油含水率。
[0034]本發明的工作過程:結合圖3所示，由高頻相位差檢測電路4信號源提供高頻電磁波激勵信號，經過射頻同軸電纜3至共面微帶傳輸線2.2的始端，電磁波信號經過共面微帶傳輸線2.2，當不同含水率原油液體流經該傳感器2時(圖中箭頭方向為原油液體流動方向)，引起共面微帶傳輸線2.2的傳輸特性發生變化，電磁波在共面微帶傳輸線2.2上以TEM波形式傳輸並發生相位偏移，通過射頻同軸電纜3將共面微帶傳輸線2.2終端信號引出至高頻相位差檢測電路4，高頻相位差檢測電路4計算出共面微帶傳輸線2.2始端與終端高頻信號的相位偏移值，相位偏移結果送至含水率計算電路5，並經過數據傳輸系統6至計算機7，計算機7完成最終含水率結果顯示與存儲。在射頻同軸電纜3的輸入端^(0和輸出端VJt)，形成如圖6所示的波形，波形間的相位偏移值P與含水率呈單調遞增關係。
[0035]本發明使用方法是:通過滑輪組和鎧裝電纜吊裝，裝置經油管與套管之間的環形空間下放至井下待測層位最底端。操作人員在地面操作纜車，將該裝置以不大於600米/小時的速度勻速上提。裝置通過流體通道獲得當前深度的原油含水率信息，並將該信息調製成雙極性曼徹斯特碼，通過幾千米長度的鎧裝電纜傳輸至地面解調系統，最終由地面計算機記錄並顯示當前深度的原油含水率信息。裝置的結構簡單，在高含水率條件下具有良好的解析度，為產出剖面測井提供了一種有效的原油含水率檢測手段。
[0036]本發明在含水率O %?80 %範圍內測量精度為3 %，含水率80 %?100 %範圍內測量精度為I %。
[0037]本發明也可以用於以下場合:1、地面原油管道含水率在線測量。2、當某種液體的介電常數與水存在較大差異時，可用於該液體與水混合物的含水率測量。3、當某種固體的介電常數與水存在較大差異時，可用於該固體的含水率測量。
[0038]本說明書未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。
【權利要求】
1.一種基於共面微帶傳輸線法井下原油含水率檢測裝置，包括儀器外殼(1)，其特徵在於:所述儀器外殼(I)內設有傳感器(2)，所述儀器外殼(I) 一端開有進液孔(8)，所述儀器外殼(I)兩側分別開有出液孔(9)，所述傳感器(2)設置在儀器外殼(I)內的所述進液孔(8)至出液孔(9)的流道上，所述傳感器(2)包括矩形敷銅板(2.1)，所述矩形敷銅板(2.1)上設有呈S型布置的共面微帶傳輸線(2.2)，所述共面微帶傳輸線(2.2)的始端和終端分別通過射頻同軸電纜(3)與高頻相位差檢測電路(4)連接，所述高頻相位差檢測電路(4)與含水率計算電路(5)連接，所述含水率計算電路(5)通過數據傳輸系統(6)與計算機(7)連接。
2.根據權利要求1所述的一種基於共面微帶傳輸線法井下原油含水率檢測裝置，其特徵在於:所述共面微帶傳輸線(2.2)包括介質基片(2.21)，所述介質基片(2.21)上設有凸起於介質基片(2.21)的中心導體帶(2.22)，所述中心導體帶(2.22)兩側設有與中心導體帶(2.22)平行的凸起於介質基片(2.21)的導體平板(2.23)，所述中心導體帶(2.22)與導體平板(2.23)之間設有間距。
3.根據權利要求1所述的一種基於共面微帶傳輸線法井下原油含水率檢測裝置，其特徵在於:所述傳感器(2)的矩形敷銅板(2.1)上設有信號連接埠(2.3)，所述共面微帶傳輸線(2.2)的始端和終端分別通過信號連接埠(2.3)與射頻同軸電纜(3)連接。
4.根據權利要求3所述的一種基於共面微帶傳輸線法井下原油含水率檢測裝置，其特徵在於:所述微帶傳輸線(2.2)與射頻同軸電纜(3)連接的信號連接埠(2.3)外設有密封防水裝置(2.4)。
5.根據權利要求1所述的一種基於共面微帶傳輸線法井下原油含水率檢測裝置，其特徵在於:所述儀器外殼(I)為圓柱形鈦鋼鋼管。
【文檔編號】E21B49/08GK104141491SQ201410327533
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月10日 優先權日:2014年7月10日
【發明者】魏勇, 餘厚全, 劉國權, 陳強, 周永乾, 楊旭輝, 鄒驍, 胡凱利, 魏呈霖, 孟麗傑 申請人:長江大學