流体密度及持水率测量

1、第三章液体密度及持水率测量液体密度及持水率测量主要作用：主要作用： 用于确定多相流体中油、气、水的含量及沿井筒的分布规律。2.2.测量原理：测量原理： 放射性密度计采用Cs137Cs137作伽马源，射线强度为：LeII0LIKLILIlnlnln0流体密度测井示意图流体密度测井示意图 1.1.仪器结构仪器结构：（见右图）一、仪器结构及测量原一、仪器结构及测量原理理1.1.利用密度曲线读值计算井筒中的持水率值：利用密度曲线读值计算井筒中的持水率值：2.2.图图b b为密度特征响应曲线：为密度特征响应曲线： 注意注意：密度计主要适用于气液两相流动。密度计主要适用于气液两相流动。owomwya. a

2、. 密度测井曲线密度测井曲线 b.b.放射性密度计校正放射性密度计校正 二、应用二、应用压差密度计压差密度计 波纹管波纹管a a）平膜片）平膜片 b b）波纹膜片）波纹膜片 c c）膜盒）膜盒 d d）膜盒组）膜盒组 一、仪器结构一、仪器结构 压差式密度计测量的是上、下波纹管间的压差，根据伯努力方程可得： 实际应用时，通常采用实验图版。右图是斯伦贝谢公司压差密度计摩擦校正图版。 dZdVVDVfgdZdPmmmmmmm22)1 (FKmGrDVfFmm22dZdVVKmm式中：速度变化引起的压差速度变化引起的压差摩擦引起的损失摩擦引起的损失压差密度计摩擦校正图版压差密度计摩擦校正图版 二、测量

3、原理二、测量原理三相流动中的密度梯压测试情况 产液井压差密度计测井 三、应用实例（三、应用实例（A）裸眼井完井高含水井生产裸眼井完井高含水井生产测井曲线测井曲线 产液井中的封隔器与压差密度计曲线产液井中的封隔器与压差密度计曲线 三、应用实例（三、应用实例（B） 电容法是目前测量生产井产液持水率的一种主要方法，按测量方法可分为连续型和取样型两种。 连续型：连续型：用于连续测量或点测，取样式用于点测。 取样型：取样型：连续型在高水率时失去分辨能力，此时可采用取样方法进行测量。（一）测量仪器（见右图）（二）测量原理：柱状电容器的电容量为 （a）为了求C，应先求U。根据高斯定理，有设绝缘层中的电场强度

4、为E1，取样室中的电场强度为E2，则 UQC101012rrLDE1RLr2022rLE21RLRQDdssLD2电容器结构示意图电容器结构示意图 因此，内外电极之间的电势差为 （b）211221RRRrRrdLEdLEduu)ln1ln1(2122210RRrRHQrr所以，总电容为：12112210lnln2RRrRHCrrrr真空中的介电常数真空中的介电常数0（1）对于油水混合物，介电常数可表示为：特别地，当 时， 油水混合介电常数； 、 水、油的介电常数； 油水分布状态系数。 oiwwwryy)1 (2)1 (2wwyoiywrwoi02r（2）对于淡水=80，考虑矿化度及温度影响约在

5、68左右。=24。 电容量与持水率之间关系曲线如图 电容量与状态系数、持电容量与状态系数、持水率的关系水率的关系 实际测量时实际测量时，将取样室的电容通过LC振荡电路转换成荡频率输出 L振荡电路的电感； C持水率计中油水混合物 产生的电容； f振荡频率。LCf21电场方向示意图电场方向示意图 由静电场理论可知，外电场大小为水的极化电荷产生的电场为迭加后的电场强度为LE02LErr2022) 1(LLLEEErrr20202022) 1(2rRHCr110ln2电容量电容量为：（一）理论公式：（一）理论公式： 水柱部分的电容为 ： 油柱部分的电容由绝缘层、油柱两部分电容串联而成： 由于二者并联，

6、取样室中总的电容值为：rRHCrw110ln2121110lnln)(2RRrRHHCroiwoirowoCCC又由持水率定义可得： 取样室中全充满油时 的电容； 取样室中全充满水时 的电容。 持水率 说明电容与持水率（或水柱高度）呈线性关系（图a） wohwohyCCCC)(ohCwCwya.a.取样式传感器的刻度曲线取样式传感器的刻度曲线 b.b.测量时间与持水率的实验曲线测量时间与持水率的实验曲线 （二）实际测量（二）实际测量 实际上取样室的结构不可能满足以上条件，取样筒的有效长度为23厘米左右，取样器下部有球形阀作筒底，有上单流阀作筒盖，电极棒在结构上没有插到筒底，这都会使电场发生畸变

7、（如图a）使测量的持水率偏高。 如果流体中有砂、气或其它物质，取样筒流体可分离为三或四层，（总的电容等效电路如图b所示），总的电容为： 式中 、 、 、 分别为气、油、水、砂粒或其它物质产生的电容 swogCCCCCgCoCwCsCa.a.电场电位移矢量电场电位移矢量D D的的分布示意图分布示意图 b.b.总电容等效电路总电容等效电路传导电流传导电流: :由电子或离子相对于导体移动所形成的电流称为传导 电流位移电流位移电流: :等于电场中通过一定截面电位移通量的时间变化率。 把油水流体看作均匀介质，把电场强度看作是时间的 正弦函数，即：则传导电流可以表示为:位移电流表示为:位移电流与传导电流的

8、比值R为:tEEsin0tEtEiDcos0tEEimmsin0tctgRtctgiiRmmDE-为电场强度; -电场强度极大值; -角频率， -混合电导率 -混合物的介电常数 -R的最大值 oEmmR 电流流过导线时存在着分布电阻、分布电感、分布电容、分布电导，因此可以把同轴传输看作集总参数电路根据电工学中的吉尔霍夫定律可知： 传输线的电流和电压表示为: 微波持水率计相应的分布参数表示为：zttziLtzRitzutzzu),(),(),(),(zttzuCtzGutzitzzi),(),(),(),()(Re),(jwtezutzu)(Re),(jwtezItzi同轴线的等效图同轴线的等效

9、图 分布电阻 分布电感 分布电容 分布电导rrrRlCrrrr11110lnln25 .010)4)(11(fbaRd21)ln(0abLdabCrdln120abGmdln2测量实例（测量实例（ 表示含水率）表示含水率） 电位差与含水率关系电位差与含水率关系 cw（1 1）基本原理）基本原理：低能源持水率计是利用低能光子穿过油气水混合物时油水的质量吸收系数不同而进行持水率测量的。（见图a）a.a.质量吸收系数质量吸收系数 （2 2）公式：）公式： 假定油气水三相流体混合均匀，则可用油气水三相层状分布计算伽马射线的减弱强度（如图b）。当伽马射线垂直通过该层状介质时，穿透前后射线的强度 和 的关

10、系为： 当伽马射线能量大于60Kev时， 对于能量小于30Kev的光子 b.b.油气水呈层状分布油气水呈层状分布 )(0ooowwwgggLLLeIIwgoLLLLIILmm0ln1LLIIywowmow)(ln00II 发生K层电子俘获，写成核子反应方程则为：整个核转变过程来说，就是从 转变为 ， 并发射出能量分别为22.2Kev和88Kev的两组辐射（见右图）。可以利用能量较低的一组射线测定混合流体中的持水率，用能量高的另一组射线测量混合流体密度，有了这两个参数就可以求持油率和持气率： 100111nePQAgeCdm109470110948gomoowgyy)()1 (wgoyyy110

11、948Cd10947Ag10948Cd10947Ag 的能谱的能谱（经（经6 6厘米水层吸收）厘米水层吸收） 10948Cd10948Cd（1 1）主要原理：主要原理：电导法含水率计是利用油水电导 率的差别测量井筒持水率的。（2 2）测量公式：测量公式：根据电导率分布模型可以得出油 水混合物与持水率的关系：5.05.1)2(32wwwwwwmyyyy油呈椭球状油呈泡滴状在均匀油气水混合介质中忽略位移电流时，麦克斯韦方程的形式是：对该方程求解，可以得了接收线圈中相位差与持水率的关系：将上述结合，可以得出如右图所示的刻度曲线。 EjEHrotrmHjErot0Ediv0Hdiv42m相位差与相位差

12、与 的关系的关系 m（一）仪器结构（一）仪器结构（如图1）（二）测量原理（二）测量原理：如果流动是非乳状流（雾状）且泡的尺寸大于探头，则可从探头的二进制输出中得到持水率和泡的计数率。持水率是由探头的导电时间确定的，根据平均输出频率可以计算出泡的计算率。 每个探头处的局部持率：式中 探头i处的局部持水率； 探头处i水的导电时间； 探头处i油的导电时间。 ioiwiwiwttty2.2.探头工作原理探头工作原理 1.1.流动成像仪结构示意图流动成像仪结构示意图 iwyiwtiot每个探头所记录的油气泡的泡计数率为：式中 第i个探头处的油气泡的泡计数率 一定时间内到达探头i的泡数见右图见右图 与电缆

13、速度的交会图与电缆速度的交会图 利用零流量层的刻度线斜率，结合泡记数率资料，同时在两个探头间内插，可以得出油相（气相）的速度图像分布：式中 为第个探头的油速度 斜率 电缆速度ioiwibicttnBibnicBlicinVkBVinVklVicB例题：例题：求解步骤：(1)根据图版a可以得T=250 、P=7100psi条件下水相条件下的校正量为-127Hz，因此井底条件下水的频率响应CPSw=10500-127=10373Hz。 已知地表温度和压力下仪器在油相中的读值为 CPS10=11700Hz，在水中的读数CPS1w=10500Hz，井底温度=250 ,井底压力=7100psi，测井读值为11000Hz，试求该类仪器在井底条件下油水频率响应，及计数率CPS=11000Hz时的持水率值。 对含水率计在水中测量值进行对含水率计在水中测量值进行压力的温度校正压力的温度校正(2)从图b中可以得出井底条件下仪器在油中的频率响应校正量为-76Hz，因此井底条件油的频率响应为：CPS0=11700-76=11624HzCPS