一种石油井下流量测量装置及测量方法.pdf

本发明公开了一种石油井下流量测量装置及测量方法，包括地面测井车，及通过电缆相连的设于井下套管套接油管中的仪器串，所述仪器串包括相互连接的马龙头、扶正器、磁定位短节、扶正器、压差密度仪、流量测井仪、扶正器和堵头；所述流量测井仪内装有电路系统控制电机或液压驱动臂，控制电机或液压驱动臂和压差密度仪中分别设有静压力采样口，控制电机或液压驱动臂张开或闭合动作，实现石油井下流量测量。该流量测井仪调节臂与套管之间的最小环形截面积，使流量测井仪的适用多种尺寸口径的油井。减少了施工工艺过程，节约了作业成本和缩短作业时间。该流量测井仪适用于竖井和大斜度井流量测量，测量精度高。

1.  一种石油井下流量测量装置，包括地面测井车(10)，及通过电缆(7)相连的设于井下套管(9)套接油管(8)中的仪器串，其特征在于，所述仪器串包括自上而下依次连接的马龙头(6)、扶正器(2)、磁定位短节(5)、扶正器(2)、压差密度仪(4)、流量测井仪(3)、扶正器(2)和堵头(1)，实现上提施工作业；
所述流量测井仪(3)内装有电路系统控制电机或液压驱动臂(11)，控制电机或液压驱动臂(11)和压差密度仪(4)中分别设有静压力采样口，控制电机或液压驱动臂(11)张开或闭合动作，实现石油井下流量测量。

2.  根据权利要求1所述的石油井下流量测量装置，其特征在于，所述仪器串包括自上而下依次连接的马龙头(6)、扶正器(2)、磁定位短节(5)、扶正器(2)、流量测井仪(3)、压差密度仪(4)、扶正器(2)和堵头(1)，实现下放施工作业。

3.  根据权利要求1所述的石油井下流量测量装置，其特征在于，所述仪器串包括自上而下依次连接的马龙头(6)、扶正器(2)、磁定位短节(5)、扶正器(2)、流量测井仪(3)、扶正器(2)和堵头(1)，实现油井注水施工作业。

4.  根据权利要求1-3任一项所述的石油井下流量测量装置，其特征在于，所述流量测井仪(3)中的控制电机或液压驱动臂(11)中部设置有P₄静压力采样口B，P₄静压力采样口B设置在套管(9)与控制电机或液压驱动臂(11)外径之间的环形截面积最小处；所述控制电机或液压驱动臂(11)的上下两端分别对称设置有P₃静压力采样口C和P₅静压力采样口A。

5.  根据权利要求4所述的石油井下流量测量装置，其特征在于，所述对称设置的P₃静压力采样口C和P₅静压力采样口A相对于控制电机或液压驱动臂(11)的上下端距离相等且相对于流量测井仪(3)管壁同方向布置。

6.  根据权利要求1所述的石油井下流量测量装置，其特征在于，所述流量测井仪(3)上端连接压差密度仪(4)，在压差密度仪(4)上的一定高度差Δh处分别设置有P₁静压力取样口E和P₂静压力取样口D，测出在井深H处的密度 ρ；其中Δh≠0。

7.  一种基于权利要求1所述装置的石油井下流量测量方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
1)仪器串的地面测井车(10)通过电缆(7)发送指令到流量测井仪(3)内的控制电机或液压驱动臂(11)张开动作至设定大小；
2)控制电机或液压驱动臂(11)与套管(9)之间形成最小环形通道，其最小截面为S；
3)当所述仪器串在井H深处时，当井液通过最小环形通道时，会导致井液的流动速度由V_O增加到V；同时，井液的静压力由P₃降低到P₄，且P₄静压力采样口B点的压力采样口在最小环形通道最小截面S处；仪器串上提测井作业时，井液的流动方向由下至上流动，仪器匀速上提运动，得到：
P₃>P₄          ①
S₀>S          ②
V₀<V           ③
其中，S₀为流量测井仪上C点与套管之间的环形截面积；S为P₄静压力采样口B点与套管之间的环形截面积；V₀为通过C点时，井液的流动速度；V为通过B点时，井液的流动速度；
4)压差密度仪(4)在井深H处的截面处测得密度ρ，设P₁静压力采样口E和P₂静压力采样口D点压力采样口的静压力差ΔP＝P₂-P₁，则：
ρ=P2-P1Δh×g=ΔPΔh×g]]>             ④
其中：P₁、P₂和Δh分别是压差密度仪(4)在井深H处P₁静压力采样口E和P₂静压力采样口D点的压力采样口的静压力和高度差，g是重量加速度；
5)当流量测井仪(3)中的控制电机或液压驱动臂(11)最小环形截面P₄ 静压力采样口B点，运动到井深H截面处时，此时，通过该截面处井液的流量为Q，则
Q＝S₀×V₀＝S×V         ⑤
P3-P4=ρ2(V2-V02)]]>             ⑥
其中：P₄、P₃分别是流量测井仪(3)在井深H处时，P₄静压力采样口B和P₃静压力采样口C点的压力采样口的静压力；S₀、V₀分别是流量测井仪(3)在井深H处时，P₃静压力采样口C点的环形截面积和井液流动速度；S、V分别是流量测井仪(3)在井深H处时，P₄静压力采样口B点的环形截面积和井液流动速度；
6)将上述⑥代入⑤式，得：
Q=S02(P3-P4)ρ((S0S)2-1)=S2(P3-P4)ρ(1-(SS0)2)]]>              ⑦；
7)将上述④代入⑦式，流量测井仪(3)在得出在井深H处，测得的井液流量Q值：
Q=S02Δh(P3-P4)gΔP((S0S)2-1)=S2Δh(P3-P4)gΔP(1-(SS0)2)]]>         ⑧。

8.  根据权利要求7所述的石油井下流量测量方法，其特征在于，所述上提施工作业时，流量测井仪(3)位于压差密度仪(4)下方，测量在井深H处P₃静压力采样口C、P₄静压力采样口B、P₂静压力取样口D和P₁静压力采样口E处的静压力。

9.  根据权利要求7所述的石油井下流量测量方法，其特征在于，所述下放施工作业时，流量测井仪(3)位于压差密度仪(4)上方，测量在井深H处P₅静压力采样口A、P₄静压力采样口B、P₂静压力采样口D和P₁静压力采样口E处的静压力；
下放施工作业时，得到的井液流量Q值：
Q=S02Δh(P5-P4)gΔP((S0S)2-1)=S2Δh(P5-P4)gΔP(1-(SS0)2).]]>

10.  根据权利要求7所述的石油井下流量测量方法，其特征在于，所述注水施工作业时，流量测井仪(3)测量在井深H处P₃静压力采样口C和P₄静压力采样口B处的静压力，其中，P₃静压力采样口C处的静压力的测量得到的井液流量Q值：
Q=S02Δh(P3-P4)gΔP((S0S)2-1)=S2Δh(P3-P4)gΔP(1-(SS0)2).]]>

一种石油井下流量测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于石油行业计量技术类，它具体涉及一种石油井下流量测量装置及测量方法，本发明所涉及一种石油井下流量测量方法及装置特别适用于竖井和大斜度井。
背景技术
随着石油行业的高速发展，油田的开发和生产管理逐渐的向智能化管理发展，并得到了广发的推广和应用。井下流量控制技术是油田技术不可缺少的重要部分，它主要是通过在油井中下放流量控制器来完成作业。
常规石油井流量计测量装置主要有集流式流量计、涡轮流量计等。其主要工作原理是在涡轮轴的装有传感器，通过计量涡轮转动圈数方式进行计量油井内井液的流量测量方法。这种流量计技术相对成熟，计量精度较高，但其主要缺点是作业周期长，辅助设备复杂、投资大，易受油井井况影响测量精度。且适用于单井流量测量，在多井转场测量、变径套管井测量时，则存在明显不足，且需要较长时间才能达到稳定进行计量。
井下流量控制技术主要是解决油井开发中对井下流量数据的实时采集、监测和处理的问题，从而达到快速修改采油工艺，优化产层的产量，提高采收率的目的。现有的设备技术还不能满足实际生产的需要。
发明内容
为克服现有技术的不足之处，本发明的目的是提供一种井下流量测量方法，以及利用这种方法制造出来的流量测量装置——流量测井仪，其具有结构简单、工作范围宽、测量精度高、性能稳定、能够实时采集井下流量数据，可实现定点、连续测量的特点。
按照如上构思，本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的。
一种石油井下流量测量装置，包括地面测井车，及通过电缆相连的设于井下套管套接油管中的仪器串，所述仪器串包括自上而下依次连接的马龙头、扶正器、磁定位短节、扶正器、压差密度仪、流量测井仪、扶正器和堵头实现上提施工作业；
所述流量测井仪内装有电路系统控制电机或液压驱动臂，控制电机或液压驱动臂和压差密度仪中分别设有静压力采样口，控制电机或液压驱动臂张开或闭合动作，实现石油井下流量测量。
进一步地，所述仪器串包括自上而下依次连接的马龙头、扶正器、磁定位短节、扶正器、流量测井仪、压差密度仪、扶正器和堵头实现下放施工作业。
进一步地，所述仪器串包括自上而下依次连接的马龙头、扶正器、磁定位短节、扶正器、流量测井仪、扶正器和堵头实现油井注水施工作业。
进一步地，所述流量测井仪中的控制电机或液压驱动臂中部设置有P₄静压力采样口B，P₄静压力采样口B设置在在套管与控制电机或液压驱动臂外径之间的环形截面积最小处；所述控制电机或液压驱动臂的上下两端对称设置有P₃静压力采样口C和P₅静压力采样口A。
进一步地，所述对称设置的P₃静压力采样口C和P₅静压力采样口A相对于控制电机或液压驱动臂的上下端距离相等且同方向布置。
进一步地，所述流量测井仪上端连接压差密度仪，在压差密度仪上的一定高度差Δh处分别设置有P₁静压力取样口E和P₂静压力取样口D，测出在井深H处的密度ρ；其中Δh≠0。
相应地，本发明给出了一种基于上述装置的石油井下流量测量方法，包括下述步骤：
1)仪器串的地面测井车通过电缆发送指令到流量测井仪内的控制电机或液压驱动臂张开动作至设定大小；
2)控制电机或液压驱动臂与套管之间形成最小环形通道，其最小截面为S；
3)当所述仪器串在井H深处时，当井液通过最小环形通道时，会导致井液的流动速度由V_O增加到V；同时，井液的静压力由P₃降低到P₄，且P₄静压力采样口B点的压力采样口在最小环形通道最小截面S处；设仪器串上提测井作业时，井液的流动方向由下至上流动，仪器匀速上提运动，得到：
P₃>P₄  ①
S₀>S  ②
V₀<V  ③；
其中，S₀为流量测井仪上C点与套管之间的环形截面积；S为P₄静压力采样口B点与套管之间的环形截面积；V₀为通过C点时，井液的流动速度；V为通过B点时，井液的流动速度；
4)压差密度仪在井深H处的截面处测得密度ρ，设P₁静压力采样口E和P₂静压力采样口D点压力采样口的静压力差ΔP＝P₂-P₁，则：
ρ=P2-P1Δh×g=ΔPΔh×g]]>  ④
其中：P₁、P₂和Δh分别是压差密度仪在井深H处P₁静压力采样口E和P₂静压力采样口D点的压力采样口的静压力和高度差，g是重量加速度；ρ为井深H处的密度；
5)当流量测井仪中的控制电机或液压驱动臂最小环形截面P₄静压力采样口B点，运动到井深H截面处时，此时，通过该截面处井液的流量为Q，则
Q＝S₀×V₀＝S×V  ⑤
P3-P4=ρ2(V2-V02)]]>  ⑥
其中：P₄、P₃分别是流量测井仪在井深H处时，P₄静压力采样口B和P₃静压力采样口C点的压力采样口的静压力；S₀、V₀分别是流量测井仪在井深H处 时，P₃静压力采样口C点的环形截面积和井液流动速度；S、V分别是流量测井仪在井深H处时，P₄静压力采样口B点的环形截面积和井液流动速度；
6)将上述⑥代入⑤式，得：
Q=S02(P3-P4)ρ((S0S)2-1)=S2(P3-P4)ρ(1-(SS0)2)]]>  ⑦
7)将上述④代入⑦式，流量测井仪在得出在井深H处，测得的井液流量Q值：
Q=S02Δh(P3-P4)gΔP((S0S)2-1)=S2Δh(P3-P4)gΔP(1-(SS0)2)]]>  ⑧。
进一步地，所述上提施工作业时，流量测井仪位于压差密度仪下方，测量在井深H处P₃静压力采样口C、P₄静压力采样口B、P₂静压力采样口D和P₁静压力采样口E处的静压力。
进一步地，所述下放施工作业时，流量测井仪位于压差密度仪上方，测量在井深H处P₅静压力采样口A、P₄静压力采样口B、P₂静压力采样口D和P₁静压力采样口E处的静压力；
下放施工作业时，得到的井液流量Q值：
Q=S02Δh(P5-P4)gΔP((S0S)2-1)=S2Δh(P5-P4)gΔP(1-(SS0)2).]]>
进一步地，所述注水施工作业时，流量测井仪测量在井深H处P₃静压力采样口C和P₄静压力采样口B处的静压力，其中，P₃静压力采样口C处的静压力的测量得到的井液流量Q值：
Q=S02Δh(P3-P4)gΔP((S0S)2-1)=S2Δh(P3-P4)gΔP(1-(SS0)2).]]>
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、流量测井仪的臂是采用电路系统控制电机/液压的方式驱动，进行调节臂与套管之间的最小环形截面积，使流量测井仪的适用多种尺寸口径的油井。
2、流量测井仪的臂可以闭合至仪器最大外径尺寸，是可以不经过起吊出油管，可直接将流量测井仪下放到待测位置进行测量。减少了施工工艺过程，大大的节约了作业成本和缩短作业时间。
3、流量测井仪与油井套管之间形成环形过流截面积S，可进行通径/变径套管油井的连续/定点测量。
4、该流量测井仪适用于竖井和大斜度井流量测量。
5、该流量测井仪测量精度高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
附图1为本发明通过油管时的作业示意图。
附图2为本发明在油井测井上提时施工作业示意图。
附图3为本发明通过油管后，在图2的n-n断面示意图。
附图4为本发明流量测井仪的控制电机或液压驱动臂张开一定尺寸后，在图2的m-m断面示意图。
附图5为本发明在油井测井下放时施工作业示意图。
附图6为本发明油井注水测量注油量的施工作业示意图。
图中：1、堵头；2、扶正器；3、流量测井仪；4、压差密度仪；5、磁定位短节；6、马龙头；7、电缆；8、油管；9、套管；10、地面测井车；11、控制电机或液压驱动臂；A、P₅静压力采样口；B、P₄静压力采样口；C、P₃静压力采样口；D、P₂静压力采样口；E、P₁静压力采样口；S₀、流量测井仪上A/C点 与套管之间的环形截面积；V₀、通过A/C点时，井液的流动速度；P₅/P₃、通过A/C点时，井液的静压力；S、P₄静压力采样口B点与套管之间的环形截面积；V、通过B点时，井液的流动速度；P₄、通过B点时，井液的静压力。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参阅附图1所示，本发明一种石油井下流量测量装置，包括地面测井车10，及通过电缆7相连的设于井下套管9套接油管8中的仪器串，上提施工作业时，仪器串包括自上而下依次连接的马龙头6、扶正器2、磁定位短节5、扶正器2、压差密度仪4、流量测井仪3、扶正器2和堵头1，实现上提施工作业；
流量测井仪3内装有电路系统控制电机或液压驱动臂11，控制电机或液压驱动臂11和压差密度仪4中分别设有静压力采样口，控制电机或液压驱动臂11张开或闭合动作，实现石油井下流量测量。
本发明石油井下流量测量装置，包括流量测井仪3，流量测井仪3内装有电路系统控制电机或液压驱动臂11实现张开或闭合动作。所述流量测井仪3的控制电机或液压驱动臂11与待测油井套管9之间形成环形过流截面积S，其环形截面积S的大小是可由流量测井仪3内置的控制电机或液压驱动臂11进行调节，且在控制电机或液压驱动臂11中间处设置有P₄静压力采样口B，即P₄静压力采样口B设置在环形截面积(S)的最小处，并且控制电机或液压驱动臂11的两端相等且同方向位置处设置有P₃静压力采样口C和P₅静压力采样口A。
所述流量测井仪3上端连接压差密度仪4，在压差密度仪4上的一定高度差Δh处分别设置有P₁静压力采样口E和P₂静压力采样口D，其中Δh≠0。测出在井深H处的密度ρ。
使用本发明制造出来的流量测量装置—流量测井仪3连接的仪器串通过油管作业。用电缆7将地面测井车10和马龙头6连接起来，输送仪器串到待测油井中，马龙头6、扶正器2、磁定位短节5、压差密度仪4、流量测井仪3、堵头1之间均通过螺纹连接。在过油管作业时，流量测井仪3的控制电机或液压驱动臂11闭合至仪器最大外径，顺利的通过油管进入套管中进行测井作业。其中，扶正器2采用滚轮式扶持仪器串在油管/套管内居中，且能在油井内平稳运行。磁定位短节5记录仪器串的下井深度；压差密度仪4记录仪器串在井下深H处的密度ρ。
参阅附图2所示，使用本发明制造出来的流量测井装置—流量测井仪3连接的仪器串，在油井测井内上提时施工作业。
具体步骤如下：
1)仪器串的地面测井车10通过电缆7发送指令到流量测井仪3内的电路系统控制电机/液压驱动流量测井仪3的控制电机或液压驱动臂11张开动作至设定大小；
2)则控制电机或液压驱动臂11与套管9之间形成最小环形通道，其最小截面积为S；
3)当所述仪器串在井H深处时，根据流体力学、流体连续性方程和流体机械能守恒定律建立文丘里效应数学模型，当井液通过最小环形通道时，会导致井液的流动速度由V_O增加到V，同时，井液的静压力由P₃降低到P₄，且B点的压力采样口在最小环形通道截面处。假设：所述仪器串上提测井作业时，井液的流动方向由下至上流动，仪器匀速上提运动。即得到如下数据：
P₃>P₄  ①
S₀>S  ②
V₀<V  ③；
其中，S₀为流量测井仪上C点与套管之间的环形截面积；S为P₄静压力采样口B点与套管之间的环形截面积；V₀为通过C点时，井液的流动速度；V为通过B点时，井液的流动速度；
4)压差密度仪4在井深H处的截面处测得密度ρ，设E和D点压力采样口的静压力差ΔP＝P₂-P₁，则：
ρ=P2-P1Δh×g=ΔPΔh×g]]>  ④
其中：P₁、P₂和Δh分别是压差密度仪4在井深H处，E和D点的压力采样口的静压力和高度差，g是重量加速度；
地面测井车10在采集流量测井仪3和压差密度仪4数据时，采用时间延时的方式进行采集数据；
5)当流量测井仪3的控制电机或液压驱动臂11最小环形截面B点，运动到井深H截面处时，此时，通过该截面处井液的流量为Q，则
Q＝S₀×V₀＝S×V  ⑤
P3-P4=ρ2(V2-V02)]]>  ⑥
其中：P₄、P₃分别是流量测井仪3在井深H处时，B和C点的压力采样口的静压力；S₀、V₀分别是流量测井仪3在井深H处时，C点的环形界面截面积和井液流动速度；S、V分别是流量测井仪3在井深H处时，B点的环形界面截面积和井液流动速度；
将上述⑥代入⑤式，得：
Q=S02(P3-P4)ρ((S0S)2-1)=S2(P3-P4)ρ(1-(SS0)2)]]>  ⑦；
将上述④代入⑦式，所述流量测井仪(3)在得出在井深H处，测得的井液 流量Q值：
Q=S02Δh(P3-P4)gΔP((S0S)2-1)=S2Δh(P3-P4)gΔP(1-(SS0)2)]]>  ⑧。
图3为本发明流量测井仪3通过油管9后，在图2的n-n断面示意图。
图4为本发明流量测井仪3的控制电机或液压驱动臂11张开一定尺寸后，在图2的m-m断面示意图。
依据本发明制造出来的流量测井装置—流量测井仪3，还可衍生出若干其他的施工工艺。在此列举其中二种。
第一种，下放测井施工作业。
参阅附图5所示，用本发明的一种石油井下流量测井方法制造出来的流量测量装置—流量测井仪3在油井下放测井时的施工作业。在测井施工中仪器串的连接自上而下为地面测井车10、电缆7、马龙头6、扶正器2、磁定位短节5、扶正器2、流量测井仪3、压差密度仪4、扶正器2和堵头1连接方式。
在测井中分析处理的数据点是：所述流量测井仪3的静压力取样点分别是A、B、D和E，其他，参阅上提测井作业时的施工工艺过程，即可得出在井深H处的流量Q的值。
其中，步骤3)中，
仪器串下放测井作业时，井液的流动方向由下至上流动，仪器匀速下放运动，得到：
P₅>P₄  ①
S₀>S  ②
V₀<V  ③；
其中，S₀为流量测井仪上A点与套管之间的环形截面积；S为P₄静压力采 样口B点与套管之间的环形截面积；V₀为通过A点时，井液的流动速度；V为通过B点时，井液的流动速度；P₅为通过A点时，井液的静压力；
下放施工作业时，得到的井液流量Q值：
Q=S02Δh(P5-P4)gΔP((S0S)2-1)=S2Δh(P5-P4)gΔP(1-(SS0)2).]]>
第二种，油井注水时，测量注水流量Q的施工作业。
参阅附图6所示，用本发明的一种井下流量测井方法制造出来的流量测量装置—流量测井仪3在油井注水时的测井施工作业。测井施工中仪器的串连接自上而下为地面测井车10、电缆7、马龙头6、扶正器2、磁定位短节5、扶正器2、流量测井仪3、扶正器2和堵头1连接方式。同上提或下放施工作业时，压力取样方法相同。这里没有压差密度仪4，因为水的密封是已知的，是常数。
在测井中分析处理的数据点是：所述流量测井仪3的静压力取样点分别是C和B，其他，参阅上提测井作业时的施工工艺过程，即可得出在井深H处的流量Q的值。其中，P₃静压力采样口C处的静压力的测量，
得到的井液流量Q值：
Q=S02Δh(P3-P4)gΔP((S0S)2-1)=S2Δh(P3-P4)gΔP(1-(SS0)2).]]>
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。