[发明专利]一种井下超声波多普勒流量测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种油田井流量测量装置及测量方法，特别是关于一种井下超声波多普勒流量测量装置及测量方法。

背景技术

在油气田的开发过程中，油气井中的产液成分主要包括油、气、水三相。目前，利用结构复杂、体积庞大的井上多相分离计量技术，计量多相流的流速、离散相密度、体积流量和质量流量等生产过程参数，尤其是其中的流体流速和总体积流量，对生产过程的计量、管理和控制等具有重大意义。但是，随着石油工业的发展区域逐渐向沙漠、海洋和环境条件恶劣的极地等地区转移，伴随而来的是，诸如平台面积小、安装空间有限、投资成本低等方面的限制，使得传统的多相分离计量失去了自身的优势。

针对原油粘度大、易吸附、杂质含量高和含有抗凝剂等特性，以及开采系统在设计、安装、运行、维护和检修方面存在的问题，当前使用频率较高的测量仪器包括：容积式流量计、涡轮流量计和电磁流量计等。其中容积式流量计是通过内部转子的转动，被测流体通过计量室排出的次数作为依据进行计量的。由于存在机械转子、轴、轴承和齿轮等机械转动部件，计量表容易磨损，导致维护量较大，特别是对于含杂质较多的油浆，过滤网容易堵塞，造成计量表无法准确计量。涡轮流量计尽管具有结构简单、压力损失小、涡轮转速与流量之间有很好的线性关系等优势，但是涡轮流量计的仪器常数易受长期工作及维修的影响，使得测量精度降低，而且涡轮流量计同样存在易被杂质堵塞而无法测量的问题。电磁流量计只能测量导电的液体，而加入原油中的抗凝剂的导电性较弱或不具有导电性，因此无法应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种方便、快捷，并能够准确地对流量进行测量的井下超声波多普勒流量测量装置及测量方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种井下超声波多普勒流量测量装置，其特征在于：它包括超声波发射单元、超声波接收单元、信号处理单元和数据存储单元；所述超声波发射单元包括一驱动单元和一发射探头，所述超声波接收单元为一超声反射波接收探头，所述发射探头和接收探头对称设置在油管外壁上，所述发射探头和接收探头分别包括一外壳，两所述外壳内分别倾斜设置有一支撑隔板，两所述支撑隔板上分别粘贴有一压电元件；所述信号处理单元包括模拟信号处理单元和数据处理单元，所述模拟信号处理单元包括带通滤波与解调放大器、低通滤波器、信号放大器和光电耦合器；所述带通滤波与解调放大器对反射超声波进行滤波、放大，并解调出反射超声波信号与预置的激励信号之间的一频偏信号，所述频偏信号依次经所述低通滤波器进行高频噪声滤除、所述输入信号放大器放大和所述光电耦合器进行电-光-电转换后，输入所述数据处理单元；所述数据处理单元包括中央处理器、外围电路、电流/电压变换器件和外围接口；所述中央处理器包括A/D采样模块、定时中断服务程序、数据缓存区和CPU；所述A/D采样模块对频偏信号进行采样并转换成数字信号，经定时中断服务程序和数据缓冲区进入所述CPU，所述CPU内预置有仪表参数和管道体积流量的计算公式，经计算得到的流体多相流的瞬时流速、累计流量类数据量，输入所述数据存储单元中。

采用上述装置的一种井下超声波多普勒流量测量方法，其包括以下步骤：1)设置包括超声波发射单元、超声波接收单元、信号处理单元和数据存储单元的测量装置；2)驱动超声波发射单元向油管中流动的流体发射超声波，且发射超声波的波束面与油管中流体的流向呈一夹角；3)超声波波束被油管中运动的悬浮粒子反射后会产生反射超声波，反射超声波被超声波接收单元接收并输入信号处理单元；4)信号处理单元中的模拟信号处理单元将输入的反射超声波信号进行滤波、放大和解调处理，解调出反射超声波信号与预置的激励信号之间的一频偏信号，并输入信号处理单元中的数据处理单元；5)数据处理单元根据频偏信号和预置的发射超声波波束与油管中流体的流向所呈的夹角，计算得到油管中多相流的瞬时流速、累计流量数据量，并存储到数据存储单元中。

通过外围电路中的D/A转换器接收CPU中的多相流的瞬时流速、累计流量类数据量，并将CPU处理后的数字信号转换成对应的模拟信号，直接或通过RAM进行暂存后，由终端显示器显示瞬时流速或累计流量的实时变化曲线，观察并评估多相流量特征。