[发明专利]分布式二维流体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及石油和天然气工业中的流体测量技术，尤其但不仅限于涉及用于测量管道中如井筒和管线中存在的运动流体混合物中的混合流体组成成分及其流速的测量系统和方法。

背景技术

石油和天然气工业非常依赖井筒测量技术来提供井筒深处正在发生的实际情况的信息。在生产石油和天然气之前会进行许多调查，包括地震、岩石孔隙度、含水量和微震。但是，在井筒整个长度上给出关于井行为的宽泛测量值的数据，尤其在井筒进行生产时的数据，这样的方法却很少。

自1940年代起，点压力和温度传感器便投入了常规应用；现在，通常还会用上生产测井工具。在石油和天然气工业中，非常常见的是，运行测量含水率和井筒电阻率的测井工具，以及在油井中运行光学分布式温度传感系统，以测量井筒全长上的温度曲线。

点式传感器仅提供传感器所在位置上所发生状况的提示。测井工具在井筒全长上进行测量，但采用在井筒中来回移动同时进行测量的单一传感器。这并不是对全井筒的实时测量，且仅能周期运行。当井筒中有泵时，测井工具的运行也十分困难。分布式温度测量则受到限制，因为虽然诠释温度曲线能获取井筒其他行为的信息，但是，原始状态的温度信息并不能马上用于所生产（或注入的）流体的测量，或用于更重要的流体流速的测量。

石油和天然气工业都面临着提高效率和增加产率的压力，而这些都要求增进对储油层和生产行为的了解，这就形成了对储油层行为进行更多二维和三维测量的需求。

现有技术系统采用运动流体对加热电缆的冷却作用，来进行井筒中的流量测量。授权给贝克休斯公司（Baker Hughes Inc）的WO00/11317 （EP 1109990 和US2003/0122535）提供一种加热器电缆，可以布置在井筒中，以将井筒的温度提升至超过周围流体和地层的温度。所述加热器电缆中包括或载有一根或多根光纤线。将载有光纤的该加热器电缆沿井筒中的所需长度放置。至少一根光纤线在多个间隔位置上测量所述加热器电缆的温度。另一根线可以用于确定所述井筒的温度。该发明的一个方面中，该加热器电缆加热至超过井筒温度。从地层流向井筒的流体在流入口处降低该电缆的温度。该光纤线沿所述加热器电缆提供测量。流体流量从光纤传感器提供的加热器电缆温度分布来确定。

该基础技术的主要问题和缺陷在于，油田生产井通常含有超过一种流体，且更通常是多相的，含有水、油和气。油、水和气的导热性是不同的，由此对加热传感器电缆造成的冷却作用不仅取决于流速，也取决于加热电缆处的特定流体混合物，以及每根光纤传感器在测量时刻的定位。由于现有技术无法区分这些不同的流体类型，因此，该装置仅能提供在假定仅存在单一流体类型的前提下计算平均流速，或估计任一位置的流体混合物。

该技术的又一缺点在于，要求井筒温度必须提升至超过周围流体和地层。这要求加热器电缆使用大量能源，而这在取样长度长的情况下是不实际的，而在高流速下，尤其是在水流中，一般是无法达到的。

美国雪佛龙公司（Chevron USA Inc）的专利WO2011/044023提出了一种系统，用于探测不同的流体类型。该文件公开了一种系统，该系统包括脉冲发生器、探测器和处理器，所述脉冲发生器用于生成沿井筒朝流体表面传播的电磁能脉冲，所述探测器用于探测自流体表面反射并沿井筒朝所述探测器传播的部分所述电磁能脉冲。所述处理器用于分析所测得的信号，以测量所述流体表面的水平。该技术利用已知的传输线原理，通过测量传输线之间发生的介电性质变化，测量流体间的界面。

WO2011/044023的一个主要缺点在于，其仅能用于测量静止、不流动的井筒中的流体水平。其又一缺点在于多余反射的存在数量，而所述多余反射造成错误读数。这些反射发生在井筒中任一介质面上，且由于传输线优选为由套管和位于套管中充当中央导体的管道共同构成，因此，所有连接点，例如套管接箍，都将产生多余反射。

为了克服这一缺点，该系统提供了在已知深度产生反射的标记，以协助测量流体表面的真实反射。这可以采取同轴扼流圈或刮臂的形式，其可局部降低所述标记在其覆盖的长度上的介电性能。不幸的是，所述标记无法工作。这是因为当所述脉冲到达所述标记时，以及所述脉冲由于该标记所造成的介电性质变化而离开该标记时，会发生反射。在标记所在的短短长度上，每个反射会形成与该反射精确相反的倒相响应，且所述响应将会彼此相互抵消。