專利名稱：一種油田稠油開采過程中出砂量的檢測方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及油田開采檢測方法及裝置，特別是關于一種油田稠油開采過程中 出砂量的檢測方法及裝置。
背景技術：
油氣田開采過程中的出砂問題十分普遍，出砂已成為影響油氣井壽命的重要 因素，出砂不僅造成各種機械設備的損壞，對安全生產(chǎn)帶來重大隱患，同時也嚴 重地影響了生產(chǎn)效率。特別是稠油的開采過程中，油層出砂問題已成為制約開發(fā) 效果的主要因素之一，若不能及早控制出砂量，可能會造成油氣層砂埋、油管砂 堵、地面管匯積砂的嚴重后果，對油氣田生產(chǎn)影響極大。因此防砂、治砂是油氣 田生產(chǎn)的普遍需求，但防砂、治砂效果及出砂量的實時監(jiān)測則是多年來國內外的 技術難題，尤其是稠油黏度大，流動性差，地層中的砂粒包含在稠油中，這為監(jiān) 測稠油出砂量帶來了更大的難度。
在現(xiàn)有技術中，國內的研究主要是針對河流含泥沙量的測量，所釆用的方法 有(1)超聲波測量法，即利用水介質中固體微粒對超聲波的掃射和折射現(xiàn)象確 定河流中的泥沙含量；(2)射線測量法，利用x射線或Y射線穿過混合介質后的射 線衰減量來確定泥沙含量；(3)光電法，這種方法取決于光與沙粒的相互作用， 當光通過挾沙水流時，由于泥沙的吸光或散射作用，使透過光的強度減弱，依據(jù) 光的衰減情況就可確定泥沙含量；(4)其他方法，包括紅外法、激光法等。
國外采用過油氣井出砂量檢測方法主要有以下幾種(1)射線法。采用三種 不同能量的放射源，測量包含砂粒在內的多相流體的密度，從而確定出砂量。這 種方法主要適合于出砂量較大的油井，但系統(tǒng)比較復雜，放射源數(shù)目較多，相應 的檢測電路復雜；(2)聲波法，即通過監(jiān)測砂粒與管壁碰撞所產(chǎn)生的聲信號，判 斷流體中的含砂量。該方法主要是將檢測探頭垂直于管壁插入到油管內部，以檢 測砂粒碰撞探頭所產(chǎn)生的聲信號，或者檢測碰撞所引起的探頭的金屬缺損量，從 而確定多相流中的含砂量。另外，國外采用上述兩種方法主要是針對非稠油的， 對于稠油含砂量的檢測裝置目前還未見報道。

發(fā)明內容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種對稠油井瞬時出砂、持續(xù)出砂和災 難性出砂狀況進行實時監(jiān)測的油田稠油開采過程中出砂量的檢測方法及裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案 一種油田稠油開采過程中出砂
量的檢測方法，它是在輸油管道上設置一套稀釋劑注入裝置，將原稠油濃度稀釋
至低于lOOmPa *S，在連接所述稀釋劑注入裝置的輸油管道下游彎道外壁處纏繞有
一超聲波傳感器，通過測量稀釋劑注入流量仏和稀釋后流經(jīng)超聲波傳感器的總流
量0，并通過超聲波傳感器測得的固相砂碰撞管壁引起的電壓變化，計算出管道 中砂子的體積流量込，進而得出原稠油中砂子的體積流量百分比含量，其表達式
為
<formula>formula see original document page 6</formula> (1)。
對表達式(1)的進一步推導過程為
1 )測量并計算Af時間內超聲波傳感器的平均電壓值S ; 2)建立平均電壓值S與撞擊管壁的砂子動能的關系
5^K附,v2 (2) 其中，K為比例常數(shù)， 一定S值對應一定的K值；m,表示單位時間內撞擊管壁的
砂子質量，也就是砂子的質量流量，克/秒，v表示撞擊管壁的砂子的速度，米/
秒，w,、 v可分別用如下公式表示
w( = !=(3)
v = & (4)
其中，^為撞擊管壁的砂子質量濃度，克/立方米，0為管道的體積流量，米3/ 秒，可通過計量泵測量，A為管道的橫截面積，米2，可測量， 將(3)、 (4)式帶入(2)式，得
S &42
附一 =
脅3 鄉(xiāng)3
因為(5)式中S、 A、 K、 0均為已知量，因此可以求得/^;
3) 將(5)式帶入到(3)式可得
m, = = S乂 ， (6 );
粗2
4) 由關系式
込=附》砂 (7)
(5)可求得管道中砂子的體積流量込，其中，A》為砂子的質量密度，克/立方米，為 已知的常量。
5)通過l)、 2)、 3)、 4)可知，表達式(1)進一步表述為
<formula>formula see original document page 7</formula>
設置有稀釋劑注入裝置的輸油管道可以為一并聯(lián)在輸油主體管道的一段分支 管道，所述稀釋劑注入裝置設置在分支管道的上游，所述超聲波傳感器設置在所 述分支管道下游的彎管道處。所述稀釋劑注入裝置中設置有一計量泵，所述輸油 管道的含有稀釋后流體的管段處設置有另一計量泵。
一種實現(xiàn)所述方法的油田稠油開采過程中出砂量的檢測裝置，它包括一上游 設置有稀釋劑注入裝置、下游彎管道處設置一超聲波傳感器的輸油管道，所述稀 釋劑注入裝置包括一與所述輸油管道連通的稀釋劑注入管，所述稀釋劑注入管上 設置有開關閥和計量泵，與所述稀釋劑注入管匯接之后的所述輸油管道上設置有 另一計量泵，所述超聲波傳感器正負極分別引出正、負兩個電極端子，正、負兩 個電極端子連接到出砂量檢測電路的信號輸入端，所述負極端子接地。
所述輸油管道為一并聯(lián)在輸油主管道上的一段分支管道。
與所述稀釋劑注入管匯接之后的所述輸油管道上連接有一段文丘里管，所述 超聲波傳感器設置在所述文丘里管之后的輸油管道上。
所述超聲波傳感器呈36(T纏繞在所述輸油管道的彎管道外壁處，所述超聲波 傳感器為壓電薄膜超聲波傳感器。
本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明利用壓電薄膜超 聲波傳感器的特性，將撞擊傳感器的力信號轉變?yōu)殡娦盘枺瑥亩鴮Τ碛椭泄腆w砂 的含量進行測量，此方法不僅靈敏度高，而且可滿足環(huán)狀傳感器的設計要求，相 比于一點或多點以及其他外置傳感器測量方法，精度得到較大提高。2、本發(fā)明方 法優(yōu)先采用對原稠油進行稀釋后再進行測量，這樣可使稠油中的各相充分分離， 更加精確地測量其中固體砂的含量。3、本發(fā)明提供的檢測裝置，只需要現(xiàn)有技術 的各部件優(yōu)化組合就可完成測量，該裝置結構簡單，成本低。4、本發(fā)明裝置采用 分流管道進行稀釋，這樣可大大節(jié)省稀釋劑的用量?？蓮V泛應用于油田尤其是稠 油生產(chǎn)中。


圖1是本發(fā)明的檢測裝置的一個實施例示意圖
圖2是壓電薄膜超聲波傳感器示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
如圖1所示，本發(fā)明裝置包括稠油稀釋和出砂量檢測兩部分。由于稠油具有 較大的黏性，稠油中包裹著砂子，常規(guī)的含砂檢測裝置難以對稠油的含砂情況進 行監(jiān)測，因此本發(fā)明首先對稠油進行稀釋，目的是減少原油的黏度，把流體的多 相分離開來，以便對含砂情況進行監(jiān)測。稠油的稀釋方法有多種，比如在開采過 程中注入蒸汽，或者在稠油中添加稀釋劑和催化劑等。本發(fā)明裝置中為了減少稀 釋劑的用量，采用了分流法將稠油進行稀釋，即從輸油主管道1中分離出一分支 管道2來，并將分支管道2出油端再連接回輸油主管道1。在分支管道2的上游管 段處連通一稀釋劑注入管3，稀釋劑注入管3上設置有開關閥4和計量泵5，計量 泵5的另一端通過稀釋劑引流管6連接到稀釋劑儲存池7。在分支管道2內部原油 與稀釋劑相匯流的地方，設置有一攪拌器8，目的是很好地將原油與稀釋劑攪拌均 勻。計量泵5不但可以將稀釋劑泵入到分支管道2中，還可以計量所泵入的稀釋 劑流量。當稠油達到稀釋的要求后，關閉安裝在稀釋劑注入管3上的開關閥4，即 可切斷稀釋劑的輸入通路。
本發(fā)明中，為了不改變稠油的成份，不浪費稀釋劑，降低成本，優(yōu)先采用了 加入汽油作為稀釋劑的方法，當稠油稀釋到粘度低于或等于100mPa s時，就能 可靠地測量出含砂情況。這樣做可以在稀釋原油的同時不影響原油的成分，所加 入的稀釋劑還可以回收利用。
分支管道2的上游管段連接稀釋劑注入管3之后，接下來連接的是出砂量檢 測部分。出砂量檢測部分包括文丘里管9，另一計量泵10，壓電薄膜超聲波傳感 器ll，正、負兩個電極端子12、 12，，含砂量檢測電路13，保護套14。文丘里管 9連接在稀釋后的分支管道2上，為一中間細兩端粗的管道，它的兩端均連接在分 支管道2上，在文丘里管9上設置有另一計量泵10。在文丘里管9下游的分支管 道2的彎管道處，緊貼分支管道2的外壁，呈360°纏繞一壓電薄膜超聲波傳感器 11。值得說明的是，文丘里管9并不是必須的設置部件，它只是使得稀釋后的流 體經(jīng)過文丘里管9后，流體的各相混合更加均勻，且流速增大，保證流體中攜帶 的砂子盡可能多的打在管壁上。另一計量泵10也不是必須設置在文丘里管9上， 它還可以設置在文丘里管9的前端或后端，還可以設置在電薄膜超聲波傳感器11
8的前端或后端。但是無論另一計量泵10設置在上述的哪一段，另一計量泵10均
應設置在分支管道2與稀釋劑注入管3匯接之后的管路上卻是必須的，因為它要 測量稀釋后流體的流量。計量泵5和另一計量泵10最好選用防爆的工業(yè)泵。
如圖2所示，從壓電薄膜超聲波傳感器ll的兩極分別引出正、負兩個電極端 子12、 12'，引出方法可以采用導電膠或鉚接方法。如圖1所示，正極端子12直 接連接到檢測電路13的信號輸入端。負極端子12' —端與管壁緊貼目的是保持接 地，另一端也連接到檢測電路13的信號輸入端。在壓電薄膜超聲波傳感器11的 表面，利用保護套14把電極端子和壓電薄膜超聲波傳感器保護起來，防止摩擦造 成壓電薄膜的表面電極層脫落。
一種利用本發(fā)明裝置進行測量的油田稠油開采過程中出砂量的檢測方法是 首先將稠油濃度稀釋至低于100mPa ，S，然后在稀釋劑注入管道上和稀釋后的輸油 管道上分別設置計量泵，在稀釋后的彎管道上設置一超聲波傳感器，通過測量稀 釋劑的流體流量和稀釋后的流體流量，以及利用超聲波傳感器具有能將沖擊產(chǎn)生 的隨機振動信號轉化為電脈沖信號，并將某一時域內的電脈沖信號平滑出一個平 均的電壓值的特性，得出原稠油中砂子的體積流量百分比含量。由于壓電薄膜超 聲波傳感器的信號頻率在650KHz 800KHz之間，可濾除流體流動和管道本身振動 引起的信號，測量的準確率非常高，所以優(yōu)先選用壓電薄膜超聲波傳感器。超聲 波傳感器測量含砂量的具體推導過程如下
1、 測量并計算"時間內壓電薄膜超聲波傳感器的平均電壓值S;
2、 建立平均電壓值S與撞擊管壁的砂子動能的關系
S =《w,v2 (i)
其中，K為比例常數(shù)， 一定S值對應一定的K值；m,表示單位時間內撞擊管壁的 砂子質量，也就是砂子的質量流量，克/秒；v表示撞擊管壁的砂子的速度，米/ 秒。m,、 v可分別用如下公式表示
m, =:^ = wcgi (2)
v = i (3) 爿
其中，^為撞擊管壁的砂子質量濃度，克/立方米；^為管道的體積流量，米3/ 秒，可通過計量泵測量；A為管道的橫截面積，米2 ，可測量。將(2)、 (3)式 帶入(1)式，得W=^T = ^T (4)
脅3 贈
因為(4)式中S、 A、 K、 ^均為已知量，因此可以求得mc。
3、 將(4)式帶入到(2)式可得
附，=附〃0， = " , ( 5 )
"1《
4、 由關系式
込=附,// 砂 (6) 可求得管道中砂子的體積流量込。其中，/^為砂子的質量密度，克/立方米，為 己知的常量。
5、 對于體積流量^來講，它是由原稠油的流量込加稀釋劑流量a得到的， 又因為稀釋劑流量込可以通過計量泵得到，因此，原稠油中的砂子的體積百分比
含量為
5% = 1乂100%
込
s-仏
xl00%
附,/ A* , 〃砂xl00%
0-"
SA2
xl00% (7)
上述方法中，為了節(jié)省成本，減少稀釋劑的注入量， 一般采取分流法測量， 即將主管道中的稠油分流為兩部分，其中， 一小部分進入分支管道中，其流量設 定為込；然后對分支管道中的稠油進行稀釋，注入的稀釋劑量為仏；混合后的總 量為a。 Q、込可通過計量泵測量，因此分支管道中的流量込可得知，進而可 求原稠油中的砂含量。
10
權利要求
1、一種油田稠油開采過程中出砂量的檢測方法，它是在輸油管道上設置一套稀釋劑注入裝置，將原稠油濃度稀釋至低于100mPa·S，在連接所述稀釋劑注入裝置的輸油管道下游彎道外壁處纏繞有一超聲波傳感器，通過測量稀釋劑注入流量Q4和稀釋后流經(jīng)超聲波傳感器的總流量Q1，并通過超聲波傳感器測得的固相砂碰撞管壁引起的電壓變化，計算出管道中砂子的體積流量Q2，進而得出原稠油中砂子的體積流量百分比含量，其表達式為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>S</mi><mo>%</mo><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>Q</mi><mn>2</mn> </msub> <mrow><msub> <mi>Q</mi> <mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>Q</mi> <mn>4</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>&times;</mo><mn>100</mn><mo>%</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>.</mo> </mrow>]]></math></maths>
2、 如權利要求l所述的一種油田稠油開采過程中出砂量的檢測方法，其特征 在于對表達式(1)的推導過程如下1) 測量并計算&時間內超聲波傳感器的平均電壓值S;2) 建立平均電壓值S與撞擊管壁的砂子動能的關系<formula>formula see original document page 2</formula> (2)其中，K為比例常數(shù)， 一定S值對應一定的K值；m,表示單位時間內撞擊管壁的 砂子質量，也就是砂子的質量流量，克/秒，v表示撞擊管壁的砂子的速度，米/ 秒，m,、 v可分別用如下公式表示<formula>formula see original document page 2</formula> ( 3 )<formula>formula see original document page 2</formula>(4) 其中，m。為撞擊管壁的砂子質量濃度，克/立方米，2,為管道的體積流量，米" 秒，可通過計量泵測量，A為管道的橫截面積，米2，可測量， 將(3)、 (4)式帶入(2)式，得<formula>formula see original document page 2</formula> (5 ) 因為(5)式中S、 A、 K、 ^均為已知量，因此可以求得mc;3) 將(5)式帶入到(3)式可得<formula>formula see original document page 2</formula>， (6);4) 由關系式込二VP砂 (7) 可求得管道中砂子的體積流量込，其中，/^、為砂子的質量密度，克/立方米，為 已知的常量；5) 通過l)、 2)、 3)、 4)可知，表達式(1)進一步表述為<formula>formula see original document page 3</formula>
3、 如權利要求l所述的一種油田稠油開采過程中出砂量的檢測方法，其特征 在于設置有稀釋劑注入裝置的輸油管道為一并聯(lián)在輸油主體管道的一段分支管 道，所述稀釋劑注入裝置設置在分支管道的上游，所述超聲波傳感器設置在所述 分支管道下游的彎管道處。
4、 如權利要求2所述的一種油田稠油開采過程中出砂量的檢測方法，其特征 在于設置有稀釋劑注入裝置的輸油管道為一并聯(lián)在輸油主體管道的一段分支管 道，所述稀釋劑注入裝置設置在分支管道的上游，所述超聲波傳感器設置在所述 分支管道下游的彎管道處。
5、 如權利要求1或2或3或4所述的一種油田稠油開采過程中出砂量的檢測方法，其特征在于所述稀釋劑注入裝置中設置有一計量泵，所述輸油管道的含有稀釋后流體的管段處設置有另一計量泵。
6、 一種實現(xiàn)權利要求1 5所述方法的油田稠油開采過程中出砂量的檢測裝 置，其特征在于它包括一上游設置有稀釋劑注入裝置、下游彎管道處設置一超聲波傳感器的輸油管道，所述稀釋劑注入裝置包括一與所述輸油管道連通的稀釋 劑注入管，所述稀釋劑注入管上設置有開關閥和計量泵，與所述稀釋劑注入管匯 接之后的所述輸油管道上設置有另一計量泵，所述超聲波傳感器正負極分別引出 正、負兩個電極端子，正、負兩個電極端子連接到出砂量檢測電路的信號輸入端， 所述負極端子接地。
7、 如權利要求6所述的一種油田稠油開采過程中出砂量的檢測裝置，其特征在于所述輸油管道為一并聯(lián)在輸油主管道上的一段分支管道。
8、 如權利要求6或7所述的一種油田稠油開采過程中出砂量的檢測裝置，其 特征在于與所述稀釋劑注入管匯接之后的所述輸油管道上連接有一段文丘里管，所述超聲波傳感器設置在所述文丘里管之后的輸油管道上。
9、 如權利要求6或7所述的一種油田稠油開采過程中出砂量的檢測裝置，其 特征在于所述超聲波傳感器呈360°纏繞在所述輸油管道的彎管道外壁處，所述 超聲波傳感器為壓電薄膜超聲波傳感器。
10、 如權利要求8所述的一種油田稠油開采過程中出砂量的檢測裝置，其特 征在于所述超聲波傳感器呈360°纏繞在所述輸油管道的彎管道外壁處，所述超 聲波傳感器為壓電薄膜超聲波傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種油田稠油開采過程中出砂量的檢測方法及裝置，它是在輸油管道上設置一套稀釋劑注入裝置，將原稠油濃度稀釋至低于100mPa·S，在連接所述稀釋劑注入裝置的輸油管道下游彎道外壁處纏繞有一超聲波傳感器，所述超聲波傳感器正負極分別引出正、負兩個電極端子，正、負兩個電極端子連接到出砂量檢測電路的信號輸入端，所述負極端子接地。通過測量稀釋劑注入流量Q₄和稀釋后流經(jīng)超聲波傳感器的總流量Q₁，并通過超聲波傳感器測得的固相砂碰撞管壁引起的電壓變化，計算出管道中砂子的體積流量Q₂，進而得出原稠油中砂子的體積流量百分比含量。本發(fā)明利用稀釋劑注入裝置和超聲波傳感器有效地解決了稠油的出砂量檢測問題，是一種有效的測量方法和裝置。
文檔編號E21B47/12GK101514625SQ20091008087
公開日2009年8月26日 申請日期2009年3月26日 優(yōu)先權日2009年3月26日
發(fā)明者何保生, 黨瑞榮, 偉 姜, 李利品, 李漢興, 高國旺 申請人:中國海洋石油總公司;中海石油研究中心