專利名稱：超聲多普勒井下流量計的制作方法
技術領域：
本發明屬于流體流量測量領域，具體涉及一種用于在井下測量多產出層油氣井不同地層流體產量的超聲多普勒井下流量計。
背景技術：
油田最常用的油井井下流量測量裝置是渦輪流量計，利用井下流體推動渦輪旋轉，以轉速值推算出流量值。渦輪流量計的特點是后續的電子線路簡單，用于單相流體的注水井和多相流體的產出井(油井)。然而，由于油井下的環境復雜，有的地層中的細沙和原油混在一起流過渦輪，造成渦輪卡死，因而測井成功率較低，在一些出沙嚴重的油井中，渦輪流量計無法使用。此外渦輪的機械轉動軸承易磨損，維護工作量大，使用壽命較短。名稱為《鉗型多普勒超聲波流量計》的發明專利申請(專利申請號200410095629.5)公開了一種地面型的多普勒超聲流量計，并不適用于井下。
井下多普勒流量計與地面工作的多普勒流量計相比，由于工作環境差別有以下的不同特點①地面多普勒流量計一般都在水平的管道段測量，不存在多相流體因密度、比重不同而引起的流速不同。井下流量計通常只能在垂直的井筒中測量。多相流體之間存在“滑移速度”，只有盡量提高流體的整體速度，才能減少相間“滑移速度”帶來的測量誤差。
②地面多普勒流量計的超聲探頭通常都設置在流體管道的外部，它不減少流體通過的截面，也不增加流動的阻力。對于環空測井的井下流量計，由于儀器上、下井是通過套管和油管間狹小的環形空間實現的，要求儀器的最大直徑小(一般為φ26mm)，不僅超聲探頭必須小型化，超聲探頭的安裝位置也只能選擇在流體管道的內部。
③地面多普勒流量計測量段的流道通徑一般和流體輸運系統其他部分的通徑相近。由于儀器最大外徑的限制，井下多普勒流量計的中心流道內徑比油井井徑小得多，流通面積通常僅為井徑面積的1/50。因而流量計設計中必須盡量設法減少測量段的流阻。
目前，油田使用的井下超聲流量計是利用超聲波在流體中正、反向傳輸速度差原理構成的，可用于單相流體的注水井測量。名稱為《注水井超聲波流量測試儀》的實用新型專利申請(專利申請號200420007110.2)提供了一種注水井用流量計，只適用于單相流體測量，不能用于測量存在油、氣多相流體的油井。

發明內容
本發明的目的是提供一種無機械運動部件、能抵抗原油中泥沙影響、提高測井成功率的用于井下測量多產出層油氣井不同地層的產量的超聲多普勒井下流量計。本發明的超聲多普勒井下流量計可減少維護工作量，延長使用壽命。
本發明是這樣實現的本發明的超聲多普勒井下流量計的整體結構為一細長的圓柱形。本發明的計量計包括流體集流裝置、中心流道部分及測量電路部分，其特點是，流量計的下部設置有集流裝置，中部為中心流道部分，上部為進行數據測量、處理、傳輸的測量電路部分；中心流道部分為一中空的圓柱形管，中心流道部分圓柱形管下端的管壁上的圓周方向上設置有進液口，進液口上部的管壁上圓周方向設置有出液口；在中心流道部分中固定設置有換能片和信號傳輸線構成的超聲發射探頭和超聲接收探頭，超聲發射探頭的端面上含有朝向流體方向的發射換能片，超聲接收探頭的端面上含有朝向流體方向的接收換能片；集流裝置包括集流傘和驅動電機；測量電路部分含有發射驅動電路、超聲接收放大電路、多普勒頻率檢出和處理電路及數據傳輸電路，并依次連接。
本發明的超聲多普勒型井下流量計的中心流道部分中固定設置的超聲發射探頭和超聲接收探頭設計為一圓柱形的一體式探頭，圓柱形的一體式探頭固定在中心流道部分中出液口的上方，一體式探頭的超聲發射探頭的下端面上含有發射換能片，超聲接收探頭的下端面上含有接收換能片，發射換能片與接收換能片的設置形成“八”字形，發射換能片和接收換能片分別與構成一體式探頭的圓柱的中軸線之間有一角度為70°～88°的傾斜角。一體式探頭的圓柱形外徑與中心流道部分的圓柱形管的內徑相匹配，一體式探頭的兩側開有凹槽，便于使連接儀器上、下部分的電纜通過。超聲換能片及接收換能片的形狀采用圓形片。為了加大換能片的工作面積，也可加大換能片圓片的直徑，切去一部分面積，成為割圓形的超聲換能片。
本發明的超聲多普勒井下流量計，還可將中心流道部分中的探頭設置為分離式的結構，中心流道部分的進液口和出液口之間設置有由換能片和信號傳輸線構成的分離式的超聲發射探頭和超聲接收探頭，還設置有聚流環；分離式的超聲發射探頭的外形由兩個相交的大半徑圓柱面和小半徑圓柱面以及一個平面端面構成，超聲接收探頭與超聲發射探頭的結構相同。分離式的超聲發射探頭和超聲接收探頭相對應設置在中心流道部分的圓柱形管的內壁上，超聲發射探頭和超聲接收探頭的平面端面上分別設置有超聲發射換能片和超聲接收換能片；聚流環設置在中心流道部分的分離式的超聲發射探頭和超聲接收探頭的下方與進液口上方之間的管壁上。構成分離式的超聲發射探頭的兩個相交的圓柱面軸線的夾角為5°～45°，構成分離式的超聲接收探頭的兩個相交的圓柱面軸線的夾角同樣為5°～45°。構成分離式的超聲發射探頭和超聲接收探頭中的大半徑圓柱面與中心流道部分的管壁的內圓柱面的曲率相匹配，小半徑圓柱面的軸線與分離式探頭的平面端面垂直。聚流環外徑與中心流道部分的管壁的內徑相匹配。
本發明的超聲多普勒井下流量計的中心流道部分的管壁上設置的進液口和出液口分別為2～8個。為減小流體進出中心流道的阻力，進液口和出液口的總面積設計為中心流道面積的2倍以上。
本發明的超聲多普勒井下流量計上端經電纜與地面測井系統相連，或在井下與其它測井儀器組合成多參數測井儀。
本發明的超聲多普勒井下流量計設置集流裝置是為了提高被測流體的流速。集流后，中心流道內流速為井筒中流體上升速度的數十倍。流速的提高可增加多譜勒頻率偏移量，提高測量靈敏度。此外，提高流體速度還可減小油粒、氣泡在水中上浮(滑移速度)對整體流速測量帶來的附加誤差。集流裝置還同時使儀器扶正，使儀器處在井筒的中心位置。集流裝置在儀器下井和上提時收攏，在流量測量時打開，使井內流體經儀器的中心流道流過。本發明的超聲多普勒井下流量計中的集流裝置可以采用由電機驅動的集流傘結構，也可以采用液壓等其它方式工作的集流結構。
本發明的中心流道部分設置有超聲發射探頭和超聲接收探頭，探頭由超聲換能片和信號傳輸線構成，探頭是流量計的傳感器部分。超聲發射探頭送出的超聲波在流道中遇到油粒和氣泡，在油水界面、氣水界面產生反射，反射波頻率受流體運動速度的影響產生和流速成正比例的多普勒頻率偏移量。超聲接收探頭用于獲得超聲波的反射信號，送到測量電路作進一步的處理。
本發明的測量電路部分位于流量計上部，完成多普勒頻率偏移量測量、數據處理、數據傳輸的功能。它包括超聲發射驅動電路、超聲接收信號放大電路、多普勒頻率偏移量檢出和處理電路，向地面或井下組合儀器的數據傳輸電路。
本發明的超聲多普勒流量計不需設置機械旋轉部分，因而不會因原油中泥沙導致流量計產生故障，測井成功率高，在出沙量大的油井中也能使用。由于油田采用注聚合物來增加地層原油的采出率，不少采油井在原油采出的同時，也有聚合物流出，使得井下流體粘度增大，本發明超聲多普勒流量計能適應含聚合物的粘度大的多相流體測量。儀器的結構簡單維護方便，使用壽命長。本發明的超聲多普勒流量計可在含油、氣1％至99％的多相流體中工作，并能組合在小直徑的多參數測井儀器中，滿足“環空測井”要求，測量多產出層油氣井不同地層的流體產量。
下面根據附圖和實施例對本發明超聲多普勒井下流量計作進一步詳細描述


圖1為本發明的超聲多普勒井下流量計整體結構示意2為本發明的超聲多普勒井下流量計實施例1的中心流道部分的剖面示意3a為本發明的超聲多普勒井下流量計實施例1的中心流道部分的一體式探頭結構示意3b為本發明的超聲多普勒井下流量計實施例1的中心流道部分的一體式探頭仰視4a為本發明的超聲多普勒井下流量計實施例2的中心流道部分的剖面示意4b為本發明的超聲多普勒井下流量計實施例2的中心流道部分的結構中A-A剖面示意5a為本發明的超聲多普勒井下流量計實施例2的中心流道部分的分離式探頭的結構示意5b為本發明的超聲多普勒井下流量計實施例2的中心流道部分的分離式探頭仰視6為本發明的超聲多普勒井下流量計實施例3的中心流道部分的分離式探頭的結構示意7為本發明的超聲多普勒井下流量計的測量電路部分的電路工作原理方框中1.集流傘2.中心流道部分3.測量電路部分4.一體式探頭超聲發射換能片(5、25)超聲接收換能片(45、35)6.管壁進液口(7、17)出液口(8、18)9.超聲發射探頭10.小半徑圓柱面11.大半徑圓柱面12.聚流環13.超聲發射驅動電路14.超聲接收放大電路15.多普勒頻率檢出和處理電路16.數據傳輸電路19.超聲接收探頭凹槽(20、22)21.驅動電機具體實施方式
實施例1在圖1～圖3、圖7中，本發明的超聲多普勒井下流量計的整體結構為一細長的圓柱形。包括流體集流裝置、中心流道部分2及測量電路部分3，流量計的下部設置有集流裝置，中部為中心流道部分2，上部為進行數據測量、處理、傳輸的測量電路部分3；中心流道部分2為一中空的圓柱形管，下端延至集流裝置，中心流道部分2圓柱形管下端的管壁6上的圓周方向上設置有軸向拉長的進液口7，進液口7的上部的管壁6上的圓周方向設置有軸向拉長的出液口8，進液口和出液口分別設置為2個；圖中為2在中心流道部分2中固定設置有由換能片和信號傳輸線構成的超聲發射探頭和超聲接收探頭，超聲發射探頭的端面上含有朝向流體方向的超聲發射換能片，超聲接收探頭的端面上含有朝向流體方向的超聲接收換能片。其中，集流裝置包括集流傘1和驅動電機21，測量電路部分3含有超聲發射驅動電路13、超聲接收放大電路14、多普勒頻率檢出和處理電路15及數據傳輸電路16，并依次連接。在本實施例中，本發明的超聲多普勒型井下流量計的中心流道部分2的頂端固定設置的超聲發射探頭和超聲接收探頭為一圓柱形的一體式探頭4，圓柱形的一體式探頭4固定在中心流道部分2中出液口8的上方，緊靠出液口8的上邊沿。一體式探頭4的超聲發射探頭的下端面上含有超聲發射換能片5，超聲接收探頭的下端面上含有超聲接收換能片45，超聲發射換能片5和超聲接收換能片45分別與構成一體式探頭4的圓柱的中軸線之間有一角度為80°的傾斜角，超聲發射換能片5與超聲接收換能片45的設置形成“八”字形。一體式探頭4的圓柱形外徑與中心流道部分2的圓柱形管的內徑相匹配，兩側開有凹槽20，便于使連接儀器上、下部分的電纜通過。超聲發射換能片5及超聲接收換能片45的形狀為截取部分面積的割圓形，割線部位處在一體式探頭端面中心區。為減小流體進、出中心流道的阻力，進液口和出液口的總面積設計為中心流道面積的2倍以上。
圖1為本發明的超聲多普勒井下流量計的整體結構示意圖及井下工作狀態示意圖。井下測量工作時，下部的集流裝置中的集流傘1展開，油井井筒中的流體經進液口7流入中心流道部分2，由出液口8流出。位于中心流道部分2中的超聲探頭將流體多普勒頻率偏移信號引至測量電路部分3，該信號經測量電路處理后，測量數據傳送至地面儀器或井下多參數組合儀器。
本實施例的流量計在中心流道的頂端設置探頭，不影響流體的流動，流阻小，適合大采出量油井的流量測量。
實施例2在圖1、圖4、圖5、圖7中，本發明的超聲多普勒井下流量計的整體結構為一細長的圓柱形。包括流體集流裝置、中心流道部分2及測量電路部分3，流量計的下部設置有集流裝置，中部為中心流道部分2，上部為進行數據測量、處理、傳輸的測量電路部分3；中心流道部分2為一中空的圓柱形管，中心流道部分2圓柱形管下端的管壁6上的圓周方向上設置有軸向拉長的進液口17，進液口17上部的管壁6上圓周方向設置有軸向拉長的出液口18；在中心流道部分2中固定設置有由換能片和信號傳輸線構成的探頭，探頭的端面上分別設置有朝向流體方向的換能片。集流裝置包括集流傘1和驅動電機21；測量電路部分3含有超聲發射驅動電路13、超聲接收放大電路14、多普勒頻率檢出和處理電路15及數據傳輸電路16，并依次連接。本實施例中設置的超聲發射探頭和超聲接收探頭為分離式探頭結構，即超聲發射探頭與接收探頭為各自獨立的探頭。在中心流道部分2的進液口17和出液口18之間設置有分離式探頭超聲發射探頭9和超聲接收探頭19，還設置有聚流環12；分離式的超聲發射探頭9由兩個相交的大半徑圓柱面11和小半徑圓柱面10以及一個平面端面構成，超聲接收探頭19與超聲發射探頭9的結構相同，超聲發射探頭9和超聲接收探頭19的直徑均小于中心流道孔徑的。分離式的超聲發射探頭9和超聲接收探頭19相對應設置在中心流道部分2的圓柱形管的內壁6上，超聲發射探頭9的平面端面上含有超聲發射換能片25，超聲接收探頭19的平面端面上含有超聲接收換能片35；聚流環12設置在中心流道部分2的分離式的超聲發射探頭和超聲接收探頭的下方與進液口17上方之間的管壁6上。構成分離式的超聲發射探頭9的兩個相交的圓柱面軸線間的夾角為30°，超聲接收探頭19的兩個相交的圓柱面軸線間的夾角也為30°。分離式超聲發射探頭9中的大半徑圓柱面11與中心流道部分2的管壁6的內圓柱面的曲率相匹配，小半徑圓柱面10的軸線與分離式探頭的平面端面垂直。同樣，超聲接收探頭19中的大半徑圓柱面與中心流道部分2的管壁6的內圓柱面的曲率相匹配，小半徑圓柱面的軸線與探頭的平面端面垂直。聚流環12的外徑與中心流道部分2的管壁6的內徑相匹配。中心流道部分2的管壁6上設置的進液口和出液口分別為2個。為減小流體進、出中心流道的阻力，進液口和出液口的總面積設計為中心流道面積的2倍以上。具體安裝時，將分離式探頭超聲發射探頭9和超聲接收探頭19的大半徑圓柱面分別緊貼在中心流道部分2的出液口18下方的內壁上。兩個探頭相對，其平面端都向下，朝向流體來的方向，如兩個探頭的平面端同時向上，也可工作。
本實施例中，由于兩個探頭安裝在中心流道的中部，此處的流道截面積變小，比較適合于小采出量油井的流量測量。為了進一步提高對小流量測量的靈敏度，在兩個探頭換能片相對的多普勒作用區裝有一個聚流環12。聚流環12的外徑和中心流道的內徑一致。聚流環12的外側開有凹槽22，便于連接儀器上、下段的電纜通過。聚流環12的上、下端面設計為錐心朝向環內的圓錐面，以減小對流體的阻力。聚流環的中心通流面積與安裝探頭處的通流面積相同或稍小。聚流環12壁厚使多普勒作用區的流道截面減小，加快了多普勒作用區的流體流速，提高了流量計的多項技術性能。
實施例3圖1、圖4、圖6、圖7中，本發明的超聲多普勒井下流量計，其基本結構與實施例2相同，同樣是在中心流道部分中設置分離式的探頭，不同之處是在中心流道部分中設置的分離式探頭的外形結構與實施例2中的分離式探頭的外形略有差異，在本實施例中，是將實施例2中的構成分離式探頭的大半徑圓柱面與小半徑圓柱面相交部分截取部分體積，成為一平面，從而由兩個相交的圓柱面和兩個平面構成新的分離式探頭。
本發明的實施例2和實施例3所述的流量計的井下工作狀態與實施例1相同，實施例1、實施例2和實施例3中的測量電路部分均采用圖6所示的電路工作原理，實施例中的超聲換能片均為市售產品。
權利要求
1.一種超聲多普勒井下流量計，為一細長的圓柱形結構，包括流體集流裝置、中心流道部分及測量電路部分，集流裝置包括集流傘(1)和驅動電機(21)；測量電路部分(3)含有發射驅動電路(13)、超聲接收放大電路(14)、多普勒頻率檢出和處理電路(15)及數據傳輸電路(16)，并依次連接；其特征在于流量計的下部設置有集流裝置，中部為中心流道部分(2)，上部為進行數據測量、處理、傳輸的測量電路部分(3)；中心流道部分(2)為一中空的圓柱形管，中心流道部分(2)圓柱形管下端的管壁(6)的圓周方向上設置有進液口，進液口上部的管壁(6)的圓周方向上設置有出液口；在中心流道部分(2)中固定設置有由超聲換能片和信號傳輸線構成的超聲發射探頭和超聲接收探頭，超聲發射探頭的端面上含有超聲發射換能片，超聲接收探頭的端面上含有超聲接收換能片。
2.根據權利要求1所述的超聲多普勒井下流量計，其特征在于所述的中心流道部分(2)中固定設置有一體式探頭(4)，一體式探頭(4)為圓柱形結構，固定設置在中心流道部分(2)中的出液口(8)的上方；一體式探頭(4)的超聲發射探頭下端面上含有超聲發射換能片(5)，超聲接收探頭的下端面上含有超聲接收換能片(45)，超聲發射換能片(5)和超聲接收換能片(45)分別與一體式探頭(4)的圓柱中軸線之間有一傾斜角；一體式探頭(4)的圓柱形的外徑與中心流道部分(2)的圓柱形管的內徑相匹配。
3.根據權利要求2所述的超聲多普勒井下流量計，其特征在于所述的發射換能片(5)、接收換能片(45)與一體式探頭(4)的圓柱中軸線之間的傾斜角均為70°～88°。
4.根據權利要求2所述的超聲多普勒井下流量計，其特征在于所述的超聲發射換能片(5)及超聲接收換能片(45)的形狀為圓形或截取部分面積的割圓形。
5.根據權利要求1所述的超聲多普勒井下流量計，其特征在于所述的中心流道部分(2)的進液口(17)和出液口(18)之間設置有分離式的超聲發射探頭(9)和超聲接收探頭(19)，還設置有聚流環(12)；分離式的超聲發射探頭(9)由兩個相交的大半徑圓柱面(11)和小半徑圓柱面(10)以及一個平面端面構成，超聲接收探頭(19)與超聲發射探頭(9)的結構相同；分離式的超聲發射探頭(9)和超聲接收探頭(19)對應設置在中心流道部分(2)的圓柱形管的內壁(6)上，超聲發射探頭(9)的平面端面上含有超聲發射換能片(25)，超聲接收探頭(19)的平面端面上含有超聲接收換能片(35)；聚流環(12)設置在中心流道部分(2)的分離式的超聲發射探頭(9)和超聲接收探頭(19)的下方與進液口(17)上方之間的管壁(6)上；分離式的超聲發射探頭(9)和超聲接收探頭(19)中的大半徑圓柱面均與中心流道部分(2)的管壁(6)的內圓柱面的曲率相匹配，小半徑圓柱面的軸線與分離式探頭的平面端面垂直；聚流環(12)外徑與中心流道部分(2)的管壁(6)的內徑相匹配。
6.根據權利要求5所述的超聲多普勒井下流量計，其特征在于所述的構成分離式的超聲發射探頭(9)的兩個相交的圓柱面軸線間的夾角為5°～45°，構成分離式的超聲接收探頭(19)的兩個相交的圓柱面軸線間的夾角也為5°～45°。
7.根據權利要求1所述的超聲多普勒井下流量計，其特征在于所述的中心流道部分(2)的管壁(6)上設置的進液口和出液口分別為2～8個。
全文摘要
本發明公開了一種用于測量井下油、水、氣多相流的超聲多普勒井下流量計。本發明的流量計包括集流裝置、中心流道和測量電路部分，在中心流道中設置一對超聲發射探頭和超聲接收探頭，利用超聲波在流動油、水、氣界面的反射波多普勒頻率偏移量測出油粒、氣泡的運動速度，計算流體的流量。本發明的超聲多普勒井下流量計可適應油、氣含量在1％至99％之間的流體流量測量，并能組合在小直徑的多參數測井儀器中，滿足“環空測井”要求。本發明的超聲多普勒井下流量計結構簡單，維護方便，測井成功率高。
文檔編號G01F1/66GK1847801SQ200610020720
公開日2006年10月18日 申請日期2006年4月14日 優先權日2006年4月14日
發明者岑大剛, 殷紹忠, 李紅波, 劉黃瑩, 辛宇亮, 秦犀, 力軍, 陳軍, 劉發富, 高明武 申請人:四川省科學城久利電子有限責任公司