一种配注水井管外流量超声多普勒测量仪

摘要

本发明公开了一种配注水井管外流量超声多普勒测量仪，涉及油田测井领域。该测量仪从上至下依次包括固定连接的固定机构、探头仓和驱动机构，所述探头仓内设置有超声探头、支撑体、上支撑弹片和下支撑弹片，所述超声探头、支撑体、上支撑弹片和下支撑弹片均可穿过所述开口朝向油管内壁运动，所述上支撑弹片和所述下支撑弹片朝向油管内壁弹开时，所述超声探头的所述发射面和所述接收面均与所述油管内壁紧贴。本发明实施例提供的配注水井管外流量超声多普勒测量仪，实现了采用超声多普勒方法测量配注井油管与套管之间的水流量的目的，使配注水井的注入剖面测量过程既避免了环境污染，又降低了成本。

说明书

技术领域

本发明涉及油田测井领域，尤其涉及一种配注水井管外流量超声多普勒测量仪。

背景技术

随着油田精细开发的不断发展，注水井的配注方式也发展了更精细的分层配注，在实现分层配注的过程中，需要精确的测量油管与套管之间的流体流量。

目前，在配注水井的注入剖面测量中，能够实现在油管内定量测量管外分层注水量的方法主要包括：同位素吸水剖面技术、放射性示踪相关技术和中子氧活化能谱水流技术。其中，同位素吸水剖面技术和放射性示踪相关技术均对施工人员和仪器维修人员具有放射性伤害，同时，对环境也具有放射性污染。尽管氧活化能谱水流技术只有在地面仪器调试时才存在放射性污染，但高价的中子管及其有限的使用寿命，导致其成本过高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种配注水井管外流量超声多普勒测量仪，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种配注水井管外流量超声多普勒测量仪，从上至下依次包括固定连接的固定机构1、探头仓2和驱动机构3，探头仓4内设置有超声探头5、支撑体6、上支撑弹片7和下支撑弹片8；

超声探头4包括：发射压电片8、接收压电片9、发射面10和接收面11，发射压电片8与发射面10信号连接，接收压电片9与接收面11信号连接；发射面10位于超声探头4的轴向上端，接收面11位于超声探头4的轴向下端，发射面10和接收面11均为弧面楔形，且发射面10和接收面11与超声探头4轴向的夹角均为45度；

探头仓2的侧壁上设置有开口，超声探头4、支撑体5、上支撑弹片6和下支撑弹片7均可穿过开口朝向油管内壁运动，上支撑弹片6和下支撑弹片7朝向油管内壁弹开时，超声探头4的发射面10和接收面11均与油管内壁紧贴；

驱动机构3包括驱动杆14和驱动套15，驱动杆14与探头仓2的外壁固定连接，驱动套15可沿驱动杆14的轴向滑动并定位；超声探头4镶嵌在支撑体5上，上支撑弹片6的上端与固定机构1连接，上支撑弹片6的下端与支撑体5的上端连接；下支撑弹片7的上端与支撑体5的下端连接，下支撑弹片7的下端与驱动套15连接。

优选地，固定机构1、探头仓2和驱动机构3的外径均相同且为38-40mm。

优选地，超声探头4的发射频率为2兆赫兹。

优选地，上支撑弹片6和下支撑弹片7均采用弹簧钢制造而成。

其中，上支撑弹片6的上端与固定机构1连接，具体为，上支撑弹片6的上端与固定机构1铰接。

其中，下支撑弹片7的下端与驱动套15连接，具体为，下支撑弹片7的下端与驱动套15铰接。

优选地，驱动杆14的上部设置有限位块，驱动套15可卡接在限位块上。

优选地，固定结构1中设置有第一超声信号处理装置，地面上设置有第二超声信号处理装置，第一超声信号处理装置与超声探头4电连接，第一超声信号处理装置与第二超声信号处理装置电连接。

优选地，第一超声信号处理装置按照信号的第一传输方向依次包括：接收匹配电路、前置放大器、混频器、滤波器和压频转换器，所述第一超声信号处理装置按照信号的第二传输方向还包括：发射匹配电路、驱动放大器和信号源，所述信号源与所述混频器信号连接。

优选地，所述第二超声信号处理装置按照信号的传输方向依次包括：信号接收设备、信号放大整形设备、频压转换器和计算机。

本发明的有益效果是：本发明实施例提供的配注水井管外流量超声多普勒测量仪，实现了采用超声多普勒方法测量配注井油管与套管之间的水流量的目的，使配注水井的注入剖面测量过程既避免了环境污染，又降低了成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的配注水井管外流量超声多普勒测量仪的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的超声探头的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的信号传输过程流程示意图；

图4是本发明实施例提供的信号分析过程流程示意图。

图中，各符号的含义如下：

1固定机构，2探头仓，3驱动机构，4超声探头，5支撑体，6上支撑弹片，7下支撑弹片，8发射压电片，9接收压电片，10发射面，11接收面，12油管，13套管，14驱动杆，15驱动套。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种配注水井管外流量超声多普勒测量仪，从上至下依次包括固定连接的固定机构1、探头仓2和驱动机构3，探头仓4内设置有超声探头5、支撑体6、上支撑弹片7和下支撑弹片8；

超声探头4包括：发射压电片8、接收压电片9、发射面10和接收面11，发射压电片8与发射面10信号连接，接收压电片9与接收面11信号连接；发射面10位于超声探头4的轴向上端，接收面11位于超声探头4的轴向下端，发射面10和接收面11均为弧面楔形，且发射面10和接收面11与超声探头4轴向的夹角均为45度；

探头仓2的侧壁上设置有开口，超声探头4、支撑体5、上支撑弹片6和下支撑弹片7均可穿过开口朝向油管内壁运动，上支撑弹片6和下支撑弹片7朝向油管内壁弹开时，超声探头4的发射面10和接收面11均与油管内壁紧贴；

驱动机构3包括驱动杆14和驱动套15，驱动杆14与探头仓2的外壁固定连接，驱动套15可沿驱动杆14的轴向滑动并定位；超声探头4镶嵌在支撑体5上，上支撑弹片6的上端与固定机构1连接，上支撑弹片6的下端与支撑体5的上端连接；下支撑弹片7的上端与支撑体5的下端连接，下支撑弹片7的下端与驱动套15连接。

上述结构的配注水井管外流量超声多普勒测量仪，工作过程可以为：

将测量仪下放到两个配注层之间，在下放的过程中，测量仪的所有部件处于非工作状态，驱动套位于驱动杆的下部，上支撑弹片和下支撑弹片处于竖直状态，超声探头和支撑体在上支撑弹片和下支撑弹片的支撑作用下，与上支撑弹片和下支撑弹片处于相同的竖直面上，且由于上支撑弹片和下支撑弹片分别与固定机构和驱动机构连接，所以，上支撑弹片和下支撑弹片位于探头仓内，进而，超声探头、支撑体、上支撑弹片和下支撑弹片均位于探头仓内；

测量仪下放到两个配注层之间的检测点后，驱动机构开始工作，驱动套在动力作用下，沿着驱动杆向上滑动至限位块停止滑动，在驱动套向上滑动的过程中，会向上推动挤压下支撑弹片，使下支撑弹片发生朝向油管内壁的弯曲，带动支撑体向油管内壁移动；同时，下支撑弹片受到的驱动套的推动挤压作用，会通过支撑体传递给上支撑弹片，上支撑弹片在驱动套的推动挤压的作用下，发生朝向油管内壁的弯曲，带动支撑体向油管内壁移动；支撑体在上支撑弹片和下支撑弹片的共同作用下，移动至油管内壁，并与油管内壁紧密接触，从而镶嵌在支撑体上的超声探头的发射面与接收面紧贴在油管内壁上，完成测点的固定工作。

完成测点的固定工作后，超声探头连续发射超声波，声波透过油管壁透射到油管和套管之间，声波遇到水中的杂质时将会产生反射，反射声波透过油管被超声探头接收。接收的超声信号经过电路处理，转化为只与水流速相关的电压信号，将此信号转化为频率信号，通过电缆传输到地面。传输到地面的频率信号重新转化为电压信号，通过对电压信号进行频谱分析，寻得主频，则该频率即是与水流速对应的测量值。至此完成一个测点的测量工作。

其中，利用声波的多普勒效应测量水流量原理为：

当油管与套管之间随水流动的杂质流经超声探头所发射的声束区域时，声波在杂质表面形成发射，反射波的频率较发射波的频率发生偏移，偏移量与杂质的速度有关，杂质与水同速，测量频率偏移量即可测得水流速度，由于油管与套管之间的截面积固定，进而可以测得水流量。

设C是声波在水中的传播速度，f₀是声波发射频率，Δf是反射声波与发射声波的频率差，θ是声波发射角，则据多普勒效应，流体流速是：

$>v=\frac{c}{{2f}_0\cos \left(\theta \right)}\mathrm{\Delta f}$>

设S1是套管内径截面积，S2是油管外径截面积，则流体流量是：

Q＝v·(S₁-S₂)

采用本实施例提供的测量仪，不仅实现了采用超声多普勒方法测量配注井油管与套管之间的水流量的目的，使超声多普勒方法测量配注井油管与套管之间的水流量从理论研究阶段进入了实践测量阶段，使配注水井的注入剖面测量过程既避免了环境污染，又降低了成本，而且本实施例提供的上述结构的测量仪中可伸缩的上支撑弹片、支撑体、超声探头和下支撑弹片，既可以保证测量仪能够顺利的下放至油管内的检测点，不会由于配注层之间狭小的空间受到影响，又可以保证超声探头的接收面和发射面能够紧贴在油管内壁上，使经由发射面发射的超声波能够顺利的透过油管壁，从油管进入油管12与套管13之间，同时，可以使杂质反射的超声波能够透过油管壁，从油管与套管之间进入油管，由超声探头的接收面接收，从而完成超声波的发射和反射波的接收，进而在油管内完成油管外的水流量及水流速的测量。

本发明实施例中，固定机构1、探头仓2和驱动机构3的外径均相同且为38-40mm。

采用这样的结构，可以保证测量仪能够较顺利的从地面下放到两个配注层之间的油管内的检测点。

本发明实施例中，超声探头4的发射频率为2兆赫兹。

本发明实施例中，由于超声探头的发射面和接收面均能够与油管内壁紧贴，所以，超声波比较容易透过油管，所以，超声探头的发射频率采用为2兆赫兹，能够满足超声波透过油管的需求，使超声多普勒法从油管内测量油管外流量的理论得以实践。

本发明实施例中，上支撑弹片6和下支撑弹片7均采用弹簧钢制造而成。

弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢，具有优良的冶金质量(高的纯洁度和均匀性)、良好的表面质量(严格控制表面缺陷和脱碳)、精确的外形和尺寸。使用弹簧钢制造而成的上支撑弹片和下支撑弹片具有高的抗拉强度、弹性极限、高的疲劳强度，有利于提高测量仪的使用寿命及其使用性能。

本发明实施例中，上支撑弹片6的上端与固定机构1连接，具体为，上支撑弹片6的上端与固定机构1铰接。

采用上述结构，可以使上支撑弹片朝向油管内壁弯曲时，上支撑弹片能够相对于固定机构发生转动，使上支撑弹片与固定机构的连接处受到的扭力较小，使上支撑弹片不会由于连接处的扭力发生断裂，从而延长上支撑弹片的使用寿命。

本发明实施例中，下支撑弹片7的下端与驱动套15连接，具体为，下支撑弹片7的下端与驱动套15铰接。

采用上述结构，可以使下支撑弹片朝向油管内壁弯曲时，下支撑弹片能够相对于驱动套发生转动，使下支撑弹片与驱动套的连接处受到的扭力较小，使下支撑弹片不会由于连接处的扭力发生断裂，从而延长下支撑弹片的使用寿命。

本发明实施例中，驱动杆14的上部设置有限位块，驱动套15可卡接在限位块上。

在测量仪使用过程中，驱动套沿着驱动杆向上滑动，会带动上支撑弹片和下支撑弹片发生弯曲弹性变形，朝向油管内壁移动，进而带动支撑体和超声探头向油管内壁移动，随着驱动套沿着驱动杆不断向上滑动，上支撑弹片和下支撑弹片不断的弯曲变形，当超声探头的接收面和发射面均与油管内壁紧贴时，则上支撑弹片和下支撑弹片需停止弯曲变形，且保持该弯曲变形的状态，则驱动套需停止向上滑动，且保持在驱动杆的该位置，本实施例中，通过在驱动杆上设置限位块，可以使驱动套保持在驱动杆的该位置，使超声探头的接收面和发射面均与油管内壁紧贴。

本发明实施例中，固定结构1中设置有第一超声信号处理装置，地面上设置有第二超声信号处理装置，第一超声信号处理装置与超声探头4电连接，第一超声信号处理装置与第二超声信号处理装置电连接。

通过采用上述结构，可以实现井下与地面上超声信号的传输以及地面对井下的超声信号的控制。

在实际工作过程中，第一超声信号处理装置向超声探头发送超声信号之后，超声探头发射超声波，超声波透过油管进入油管与套管之间，超声波在油管与套管之间遇到杂质后，会产生反射波，反射波透过油管，再由超声探头接收，并传输给第一超声信号处理装置，第一超声信号处理装置接收到反射波之后，再经电缆线传输至地面的第二超声信号处理装置，完成井下超声信号的地面采集。

本发明实施例中，第一超声信号处理装置按照信号的第一传输方向依次包括：接收匹配电路、前置放大器、混频器、滤波器和压频转换器，所述第一超声信号处理装置按照信号的第二传输方向还包括：发射匹配电路、驱动放大器和信号源，所述信号源与所述混频器信号连接。

如图3所示，上述结构的实际工作过程为：

信号源提供的高频信号经驱动放大后，通过发射匹配电路加载到发射压电片。接收压电片产生的电压信号经由接收匹配电路后，进行前置放大，然后与信号源信号进行混频，再经过滤波和压频转换。

本发明实施例中，所述第二超声信号处理装置按照信号的传输方向依次包括：信号接收设备、信号放大整形设备、频压转换器和计算机。

第一超声信号处理装置经由电缆线将信号传输到地面，地面接收的信号经过放大整形、频压转换后，由计算机完成采集。

如图4所示，由计算机采集后的数据可以按照如下步骤进行频谱分析：1)确定所采集数据的总个数；2)设定采样频率、窗函数的类型(窗函数是起平滑作用)及分段数据的长度；3)用采集数据的总个数除以分段数据的长度获得数据分段数；4)由于所采集的数据存在直流分量，对数据进行平均值计算，消除直流分量；5)将上述数据代入窗函数，生成窗函数数据；6)将消除过直流分量的数据乘以窗函数数据，获得加窗序列数据；7)求加窗序列数据的FFT，获得频率谱。针对每一个测点，得到主频率，该主频率即对应该测点的流体流速。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明实施例提供的配注水井管外流量超声多普勒测量仪，实现了采用超声多普勒方法测量配注井油管与套管之间的水流量的目的，使配注水井的注入剖面测量过程既避免了环境污染，又降低了成本。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域人员应该理解的是，上述实施例提供的方法步骤的时序可根据实际情况进行适应性调整，也可根据实际情况并发进行。

上述实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，例如：个人计算机、服务器、网络设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，例如：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。