[发明专利]一种用于油田注水井井下分层注水量的测量方法

说明书

技术领域：本发明属于电子仪器技术领域。

技术背景

油田采油期间，要向储油地层注入大量清水，增加地层压力。把原油驱替出来。因为大部分油田地下有多个含油地层。注水井也要向多个油层注水。要了解井下各地层吸水量，需在井下各层深度进行流量测量。由于井內有油管和套管存在，地层和井眼被隔离开。常规流量仪(涡轮流量计等)不能用来测量地层吸水量。几十年来，国内外油田井下地层吸水量测量一直采用放射性物质示踪测量法。即把含有放射γ射线的同位素B_a¹³¹或I¹³¹的固体微球(直径0.1～1㎜)随水注入井下。进入地层后，滤积在地层表面。然后用γ射线仪器测量各地层γ射线强度确定吸水量。此方法虽然解决了油管隔离测量问题，但存在以下方面缺点。一是γ射线源是对人体有害物质，对施工人员健康不利。二是对固体微球制造要求严格，其密度与水差异＜±1％。否则在水中会上浮或下沉，造成测量误差。三是地层空隙大小不一，大到毫米以上，小到微米以下。微球直径很难适应各种地层，经常造成微球进入地层深处，测不到γ射线，不能确定地层吸水量。后来国外发展了用高能快中子源活化水中氧原子，使它释放γ射线，然后用时差法测量水流速度的方法，虽然克服了上述问题。但由于仪器造价昂贵，一套要三百多万元。而且活化氧寿命只有六秒多。测量小流量不准确。仪器关键部件中子发生器寿命短，国产只有六十小时。施工成本高，测量范围小，不易大量推广。

发明内容

针对上述问题，本发明专利采用了超声波多谱勒效应测量物质运动速度的原理。因为超声波可穿透弹性固体和液体，所以可用于井下地层吸水量测量。

本发明要解决的问题是油田注水井油管内部测量管外水的流速。测量方法如图1所示。超声波发射探头和接收探头贴靠在油管内壁，两探头轴线与油管轴线的夹角分别为α和β。发射探头发射频率为f₀的超声波，波束穿过油管壁进入流速为V的水流中。水中微小颗粒杂质(几微米左右)对声波产生散射。部分散射声波被接收探头接收。根据声波的多谱勒理论。接收到的流体散射声波的频率f与水流速度有关。

可写为：

其中：f₀—超声波发射频率；f—超声波接收频率；f_d—频率偏差

C—超声波在水中传播速度；±V—水流速度和方向

在(2)式中，f₀、α、β、C是测量装置的已知量。因此，只要能测量f的数值，即可计算水流速V。

图1是本发明的测量原理图；

图2是井下测量装置结构图；

图3是信号处理电路流程图。

技术实现：

图2是本发明井下测量装置结构图。由于是在圆型油管内进行测量，所以本装置也加工成圆柱状，直径小于油管内径。图2中从上至下①为装置不锈钢外壳；②为电子线路室，通过电插头与电缆链接；③⑤为驱动探头总成贴靠管壁的弹簧片；④为收发探头总成；⑥为驱动弹簧片的柱塞；⑦为驱动柱塞的热膨胀液。

测量装置通过一根铠装电缆送入井下预定地层深度。通过电缆送电，给热液⑦加热，液体升温膨胀，推动活塞上行，带动弹簧片③⑤变形，把探头④贴靠在油管内壁上。

装置电路工作流程如图3所示；装置供电后首先由频率震荡电路①产生频率为f₀的正弦电压，经功率放大器②放大后激励发射探头③发射频率f0的超声波。接收探头④接收水流频率f的散射声波并转换为同频率电压，经放大电路⑤放大后与①中的频率为f0的正弦电压一起送入⑥。在⑥中进行差频转换。再经选频率电路⑦选出差频电压，放大后经电缆送到地面。地面装置用f_d计算出水流速和流量。测量完成后经装置断电，热液降温收缩，探头收回,通过上提或下放电缆改变装置深度，进行下一地层测量。

应用前景

全国油田注水井在十万口以上，每年用于测量的费用在十亿元以上。目前90％以上用放射微球示踪法测量，其余用快中子氧活化法测量。如推广使用超声多谱勒法测量不仅可提高测量精度还可降低成本，估计新方法比放射性新踪法降低成本30％。比快中子氧活化降低十倍成本。而且避免了放射性带来的环境污染和人身伤害。