本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生表示在井中流動(dòng)的流體的局部相組成的信號(hào)的探針、探測(cè)儀和方法。本發(fā)明涉及通過(guò)局部測(cè)量來(lái)識(shí)別在井中流動(dòng)的流體的相和電性質(zhì)特征。特別地，本發(fā)明可以應(yīng)用于通過(guò)局部測(cè)量來(lái)識(shí)別在油氣井中流動(dòng)的包含水的多相流體的相，還可以應(yīng)用于注入井的背景，其中，在井中流動(dòng)的流體包括注入的淡水和源自地下的鹽水。

背景技術(shù)：

在油氣井中的多相流非常難以評(píng)估和測(cè)量，這是因?yàn)楦鶕?jù)流體性質(zhì)、保持率、速率，多相流會(huì)遭遇復(fù)雜的流態(tài)(例如氣泡、段塞、霧或分離流)。因?yàn)橛蜌饩ǔＪ切本袝r(shí)高度傾斜乃至呈水平，所以構(gòu)成在井中流動(dòng)的流體的相(油、氣體、水)的比例跨越井的給定區(qū)段并不均勻并且希望跨越該區(qū)段進(jìn)行繪制。

為了繪制井區(qū)段，需要局部傳感器以進(jìn)行流體識(shí)別，即，評(píng)估井區(qū)段的每個(gè)位置處的相濃度。

現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)了一種電阻率傳感器，其用于確定在油氣井中流動(dòng)的流體內(nèi)的局部相濃度。

文獻(xiàn)US 3,792,347公開(kāi)了使用多個(gè)針狀感測(cè)尖電極。該文件描述了一種用于測(cè)量井內(nèi)油/水混合物中油的百分比的工具。多個(gè)電極以大體共同延伸的陣列布置在產(chǎn)生的混合物的流動(dòng)路徑中的不同水平高度處。提供電極布置方案，因而可以基于接通/非接通集成有對(duì)給定時(shí)刻浸入在油中的電極數(shù)目的統(tǒng)計(jì)分析，電極在處于油中時(shí)絕緣或者在處于水中接地傳導(dǎo)。被油滴如此絕緣的電極的數(shù)目被轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。因水中的電阻和電流偏移電壓變化導(dǎo)致的錯(cuò)誤得到補(bǔ)償。

文獻(xiàn)US 5,661,237公開(kāi)了一種包括多個(gè)局部電阻率探針的測(cè)量探測(cè)儀。該文獻(xiàn)描述了用于在油氣井中產(chǎn)生表示多相流體的局部流參數(shù)的信號(hào)的方法，該方法包括將至少一個(gè)局部傳感器放置在流體中的步驟和產(chǎn)生信號(hào)的步驟，其中，所述信號(hào)的級(jí)表征傳感器浸入其中的相，在峰值處產(chǎn)生信號(hào)，所述峰值的曲率半徑小于100微米。該方法可以用于確定流體的不同相的保持率。

文獻(xiàn)US 5,661,237中公開(kāi)的電探針具有同軸結(jié)構(gòu)。在圖1a、1b、1c和1d中示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的這種探針。探針1由外部金屬管2和中心金屬電極4構(gòu)成，外部金屬管和中心金屬電極由絕緣體3分隔開(kāi)。探針1的末端5成形為圓錐形，以便形成尖端從而有助于流體10界面穿刺。通過(guò)測(cè)量外部電極2(接地電極)和中心電極4之間的阻抗進(jìn)行測(cè)量，所述阻抗與流體10的電阻率、電容率和探針幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖1a是這種電極的外部視圖。測(cè)量結(jié)果使得能夠檢測(cè)在油氣井中流動(dòng)的多相流體10中的水。圖1b是針對(duì)這種電極的末端5構(gòu)造的橫截面圖。圖1c是示出了從探針末端大量延伸的電流線6的橫截面圖，探針末端對(duì)氣泡/液滴尺寸和連續(xù)介質(zhì)性質(zhì)有較大敏感度。圖1d示出了針對(duì)這種電探針(實(shí)線u1)和針對(duì)具有延伸的接地針的替代電探針(虛線u2)的運(yùn)動(dòng)流體界面的探針響應(yīng)u(t)。運(yùn)動(dòng)流體界面對(duì)應(yīng)于電極穿入水中的油滴。不同流體界面Fla(在穿入之前)、Flb(在末端端部處穿入)、Flc(末端穿入一半)和Fld(末端全部穿入)處的探針響應(yīng)u(t)。

以下是這種探針結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)：

·敏感度從探針末端向遠(yuǎn)延伸，從而導(dǎo)致多相條件中的不穩(wěn)定測(cè)量。特別地，從水到油或氣體的連續(xù)介質(zhì)的變化對(duì)測(cè)量造成較大影響。

·測(cè)量取決于電極電阻率和金屬與其浸入其中的流體之間的接觸電阻。在高鹽度鹽水中，流體電阻率對(duì)信號(hào)的貢獻(xiàn)會(huì)變得較小，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

·外部電場(chǎng)能夠在探針的外部管中產(chǎn)生寄生電流。特別地，在測(cè)量探測(cè)儀中產(chǎn)生的接地電流難以與探針的外部管隔離，并且在測(cè)量中產(chǎn)生噪音。

·由于上述限制，不能準(zhǔn)確地測(cè)量流體的電性質(zhì)。特別地，這種探針用于從油和氣體中區(qū)分出水，從而給出數(shù)字類信號(hào)。特別地，其不能解釋水鹽度。

·化學(xué)和機(jī)電效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致金屬表面處的絕緣層增長(zhǎng)，從而降低探針的機(jī)械完整性并且改變測(cè)量結(jié)果。

·響應(yīng)較慢，這是因?yàn)檫^(guò)渡需要探針完全浸入水中直到外部管金屬接觸以便限定電流的返電路徑。

·探針的金屬末端面向流，并且在其尖端處具有最大流速。因此，在高流量條件下，傳感器的敏感元件因固體顆粒(例如流攜帶的砂礫)而受到磨損，從而導(dǎo)致隨時(shí)間場(chǎng)中探針退化和信號(hào)改變。

·油或水滴會(huì)粘附在探針的末端，特別是粘附在絕緣體－金屬界面處。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于產(chǎn)生表示在管道中流動(dòng)的流體的局部相組成的信號(hào)的探針和/或探測(cè)儀和/或方法，該探針和/或探測(cè)儀和/或方法客服了現(xiàn)有方法和/或設(shè)備的限制中的一個(gè)或多個(gè)。

根據(jù)一個(gè)方面，提供一種探針，其用于產(chǎn)生表示在井中流動(dòng)的流體的局部相組成的信號(hào)，所述探針包括：電絕緣材料的本體，所述本體具有適于與流體接觸的末端；至少兩個(gè)導(dǎo)電材料的電極，所述電極相對(duì)于本體的中心軸線位于所述本體中的相對(duì)兩側(cè)上并且相互絕緣，所述電極具有端部，所述端部暴露于位于所述末端的任一側(cè)上的流體。

探針可以包括同時(shí)作為激勵(lì)電極和檢測(cè)電極的兩個(gè)電極，所述電極適于連接到測(cè)量電路，所述測(cè)量電路包括與測(cè)量模塊并聯(lián)的激勵(lì)模塊，由測(cè)量模塊測(cè)量的電極中的信號(hào)與表示接觸末端的流體的局部相組成的電參數(shù)有關(guān)。

探針可以包括第一對(duì)電極和第二對(duì)電極，所述第一對(duì)電極是激勵(lì)電極并且位于第一平面中，所述第一平面與本體的中心軸線相交，所述第二對(duì)電極是檢測(cè)電極并且位于第二平面中，所述第二平面與本體的中心軸線相交并且相對(duì)于第一平面成一角度，所述第一對(duì)電極適于連接到激勵(lì)模塊，所述第二對(duì)電極適于連接到測(cè)量模塊。

激勵(lì)模塊可以包括通過(guò)第一分流電阻器連接到第一電極的第一交流電壓發(fā)生器，和通過(guò)第二分流電阻器連接到第二電極的第二交流電壓發(fā)生器，所述第一和第二交流電壓發(fā)生器產(chǎn)生反相的激勵(lì)信號(hào)。

探針可以包括金屬管，所述金屬管包圍所述本體并且作為護(hù)罩。

每個(gè)電極可以具有絕緣材料的護(hù)套。

本體的末端可以呈圓錐形以便限定末端圓錐表面，暴露于流體的電極端部從本體露出在末端圓錐表面中、在末端端點(diǎn)的側(cè)部。

本體的末端可以包括兩個(gè)平表面，所述兩個(gè)平表面相對(duì)于本體的中心軸線成不同角度，暴露于流體的電極端部從本體露出在平表面中、在末端端部線的側(cè)部。

探針可以包括光學(xué)元件，所述光學(xué)元件位于本體的中心部分中，所述光學(xué)元件的端部部分形成探針末端的端部。

探針可以包括電子板，所述電子板連接到本體并且與測(cè)量電路和處理模塊集成，以便在輸出電纜上輸送數(shù)字測(cè)量結(jié)果。

根據(jù)另一方面，提供一種測(cè)量探測(cè)儀，所述測(cè)量探測(cè)儀適于沿著井并在井中移位，所述測(cè)量探測(cè)儀包括多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的探針，所述探針相對(duì)于測(cè)量探測(cè)儀的中心軸線位于成角度分布的位置處。

井是油氣井，并且測(cè)量探測(cè)儀承載定中器，多個(gè)探針固定到定中器。

根據(jù)另一方面，提供一種用于產(chǎn)生表示在井中流動(dòng)的流體的局部相組成的信號(hào)的方法，該方法包括以下步驟：

-將探針插入在井中，所述探針包括：電絕緣材料的本體，所述本體具有末端，所述末端適于與流體接觸；至少兩個(gè)導(dǎo)電材料的電極，所述電極相對(duì)于本體的中心軸線位于所述本體中的相對(duì)兩側(cè)上并且相互絕緣，所述電極具有端部，所述端部暴露于位于所述末端的任一側(cè)上的流體；

-將激勵(lì)信號(hào)施加在兩個(gè)電極上，所述電極是激勵(lì)電極；

-測(cè)量與表示接觸兩個(gè)電極上的末端的流體的局部相組成的電參數(shù)有關(guān)的檢測(cè)信號(hào)，所述電極是檢測(cè)電極。

根據(jù)另一方面，提供一種根據(jù)本發(fā)明的方法的應(yīng)用，其用于產(chǎn)生表示在油氣井中流動(dòng)的多相流體的局部相組成的信號(hào)。

利用本發(fā)明，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量流體的電性質(zhì)，即從油和氣體區(qū)分出水、解釋水鹽度，提高空間分辨，減小測(cè)量信號(hào)干擾等。相較于現(xiàn)有技術(shù)的探針，本發(fā)明的探針因其設(shè)計(jì)具有更高的機(jī)械完整性以及對(duì)流體的化學(xué)、機(jī)電和腐蝕效應(yīng)更高的抵抗。這導(dǎo)致更高的準(zhǔn)確度和更長(zhǎng)的使用壽命。

通過(guò)本發(fā)明的下文描述，其它優(yōu)勢(shì)將變得顯而易見(jiàn)。

附圖說(shuō)明

通過(guò)示例闡釋了本發(fā)明并且本發(fā)明并不局限于附圖，在附圖中相同的附圖標(biāo)記表示類似的元件，附圖中：

圖1a、1b、1c和1d示出了現(xiàn)有技術(shù)的電探針；

圖2a、2b和2c是分別示出根據(jù)本發(fā)明的探針的第一和第二實(shí)施例的透視圖和橫截面圖；

圖3a、3b、3c和3d示出了適于聯(lián)接到圖2a和2b的探針的測(cè)量電路(作為等效電子電路)的多種實(shí)施例；

圖4a、4b和4c示出了通過(guò)圖2的探針產(chǎn)生的信號(hào)的示例；

圖5示出了探針的末端的改變的幾何結(jié)構(gòu)，所述末端具有傾斜表面；

圖6是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的探針的第二實(shí)施例的透視圖，所述探針具有高壓引線以便集成在測(cè)井工具中；

圖7a、7b和7c示意性地示出了測(cè)量探測(cè)儀，該測(cè)量探測(cè)儀包括根據(jù)上述實(shí)施例中的一個(gè)所述的探針；。

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的探針的第三實(shí)施例，所述探針具有光學(xué)傳感器；

圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的探針(右上方)和根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的探針(左上方)，并且示出了針對(duì)所述探針的油/水前緣傳播和典型的探針響應(yīng)(下方)；和

圖10是示意性地示出了用于集成在生產(chǎn)測(cè)井工具的測(cè)量探測(cè)儀中的智能探針的透視圖。

具體實(shí)施方式

通過(guò)參照附圖作出的后文描述將理解本發(fā)明。

根據(jù)圖2a、2b和2c的實(shí)施例，探針11包括兩個(gè)(圖2a)或四個(gè)(圖2b)導(dǎo)電材料的絲狀電極14a、14b、14c、14d，所述絲狀電極位于電絕緣材料的細(xì)長(zhǎng)本體13中、例如絕緣管13中。所述電極14a、14b、14c、14d(以成對(duì)電極)相對(duì)于細(xì)長(zhǎng)本體13的中心軸線XX’位于細(xì)長(zhǎng)本體13中的相對(duì)兩側(cè)上，以便彼此絕緣。

探針11的細(xì)長(zhǎng)本體13具有末端15，該末端呈針狀、例如圓錐狀。末端15的端部17具有接觸流體、更精確地具有刺穿流體10的功能。在油田工業(yè)的特殊背景中，該特征有有助于使末端15穿入到在水中流動(dòng)的油或氣泡中。

探針11包括外部金屬管12，該外部金屬管在本體的總長(zhǎng)的至少一部分上包圍本體13。金屬管13用于機(jī)械地保護(hù)敏感元件并且電屏蔽信號(hào)，從而導(dǎo)致更加穩(wěn)固和穩(wěn)定的測(cè)量。能夠適當(dāng)?shù)厥褂美玢t鎳鐵合金的高強(qiáng)度高耐化學(xué)性金屬而沒(méi)有涉及低導(dǎo)電性的問(wèn)題。

在末端15處從本體13露出的電極14a、14b、14c、14d的端部限定電極接觸表面。電極接觸表面定位在流體10掃掠的末端表面16上，即絕緣管13的末端15的斜坡上。此外，電極接觸表面定位成遠(yuǎn)離腐蝕區(qū)域，即末端15的端點(diǎn)17。因此，暴露于流體10的電極14a、14b、14c、14d端部從本體13露出在末端表面16中、在末端端點(diǎn)17的側(cè)部。這分別確保了快速的響應(yīng)時(shí)間和提高的耐腐蝕性。

根據(jù)圖2a所示的兩絲狀電極實(shí)施例，兩個(gè)絲狀電極14a、14c定位在與本體的中心軸線XX’相交的第一平面P1中。這兩個(gè)電極同時(shí)是激勵(lì)電極和檢測(cè)電極。

根據(jù)圖2b所示的四絲狀電極實(shí)施例，第一對(duì)絲狀電極14a、14c定位在與本體的中心軸線XX’相交的第一平面P1中，第二對(duì)絲狀電極14b、14d定位在也與本體的中心軸線XX’相交并相對(duì)于第一平面P1成一角度的第二平面P2中。在所示非限制性示例中，第一平面P1和第二平面P2互相垂直。

使用多通道陶瓷管(形成呈絕緣管13形狀的細(xì)長(zhǎng)本體)制造探針，由耐腐蝕金屬(例如，鉻鎳鐵合金)制成的金屬絲(形成電極14a、14b、14c、14d)插入到所述探針中。陶瓷管安裝在金屬管12內(nèi)部，所述金屬管也由例如鉻鎳鐵合金的高電阻金屬制成。金屬管內(nèi)的金屬絲段覆蓋有絕緣材料，例如聚四氟乙烯。通過(guò)膠合或釬焊制成探針組件。然后，將陶瓷管磨削成針狀并拋光。密封件30(在圖6最佳可見(jiàn))安裝在所述管的基部，從而確保與承載探針的測(cè)量探測(cè)儀50(在圖7a最佳可見(jiàn))壓緊相聯(lián)并且允許金屬絲連接到電子板80(在圖10最佳可見(jiàn))。密封件30可以焊接到管12或使用圓錐形套管31(例如由Swagelok或Parker公司商業(yè)化的圓錐形套管)卷曲(在圖10最佳可見(jiàn))。金屬絲可以在其基部處覆蓋有金或銅的薄膜，以便有助于焊接到電子板。可以使用電解方法進(jìn)行沉淀。密封件30還可以裝配有O型環(huán)32(在圖6最佳可見(jiàn))，以便與測(cè)量探測(cè)儀50防水連接。

圖2c是示出了探針11的橫截面圖，其中電流線18位于探針末端15。這種探針即使在多相流條件下也允許準(zhǔn)確地測(cè)量水的電阻率。此外，相較于現(xiàn)有技術(shù)的探針，該探針以更快的響應(yīng)時(shí)間工作以便有更好的水保持率解釋。

圖10示出了用于集成在生產(chǎn)測(cè)井工具中的智能探針11。探針包括基于圓錐形套管的高壓金屬-金屬密封連接件31(與圓錐形密封元件34相聯(lián)的螺釘33，所述圓錐形密封元件聯(lián)接到外部金屬管12)和電子板80。電子板80還可以由防護(hù)殼體81保護(hù)。電子板80與測(cè)量電路20和處理模塊82集成，所述處理模塊在輸出電纜83上輸送數(shù)字信號(hào)。這種探針11以高數(shù)據(jù)速率輸送完全校準(zhǔn)的導(dǎo)電率測(cè)量結(jié)果。處理模塊82可以是微型控制器，該微型控制器實(shí)時(shí)計(jì)算氣泡計(jì)數(shù)、氣泡尺寸分布、保持率并且用戶可編程以便調(diào)整增益、激勵(lì)頻率和幅度等。所有這些計(jì)算數(shù)據(jù)均可作為輸出電纜83上的數(shù)字信號(hào)用于后續(xù)處理。將在下文詳細(xì)描述測(cè)量電路20。

探針管的典型尺寸為外徑1/16”(43mm)、長(zhǎng)10英寸(254mm)。探針末端的典型角度α為30°至90°。探針的典型直徑為約1mm，電極的典型直徑為100至300μm。

根據(jù)圖3a所示的第一實(shí)施例，適于包括四個(gè)電極14a、14b、14c、14d的探針的測(cè)量電路20a包括交流電流發(fā)生器21。形成激勵(lì)模塊的交流電流發(fā)生器21以數(shù)千赫茲至數(shù)兆赫茲的頻率操作，并且驅(qū)動(dòng)數(shù)微安至數(shù)毫安的正弦電流i(t)。交流電流發(fā)生器21連接到激勵(lì)電極14a、14d。形成測(cè)量模塊的電壓表22連接到檢測(cè)電極14b、14d并且測(cè)量產(chǎn)生的電壓u(t)。在所示示例中，外部管12接地23。測(cè)量模塊可以包括放大部件，例如運(yùn)算放大器(未示出)。

根據(jù)圖3b所示的第二實(shí)施例，適于包括四個(gè)電極14a、14b、14c、14d的探針的測(cè)量電路20b包括兩個(gè)交流電壓發(fā)生器24a、24b。交流電壓發(fā)生器24a、24b以反相操作u2(t)＝-u1(t)。交流電壓發(fā)生器24a、24b分別通過(guò)分流電阻器25a、25b連接到探針電極14a、14c，并且形成激勵(lì)模塊21。形成測(cè)量模塊的電壓表22連接到檢測(cè)電極14b、14d并且測(cè)量產(chǎn)生的電壓u(t)。檢測(cè)電極14b、14d可以連接到放大器和解調(diào)電路(未示出)。根據(jù)第二實(shí)施例，探針電極14b、14d上的平均電壓因而在時(shí)間和空間上被抵消。反相驅(qū)動(dòng)激勵(lì)電極產(chǎn)生偶極子，該偶極子抵消了與探針末端相距較近距離處的電場(chǎng)。

根據(jù)探針設(shè)計(jì)、水導(dǎo)電率以及來(lái)自測(cè)量電路的驅(qū)動(dòng)電流，測(cè)量到的典型電壓在數(shù)微伏至數(shù)伏的范圍內(nèi)

雖然附圖示出了連接到電路接地23的外部管12，但是替代地，外部管可以從電路接地浮動(dòng)，以便避免電流通過(guò)其返回。

隨后，使用同步檢測(cè)電路或通過(guò)數(shù)字化后直接計(jì)算來(lái)解調(diào)高頻信號(hào)u(t)(解調(diào)用于移除信號(hào)中的高頻部分)。

圖4a示出了在四個(gè)電極探針14a、14b、14c、14d和根據(jù)第二實(shí)施例的測(cè)量電路20b(圖3b)的情況下觀察到的信號(hào)u(t)。

在圖4a中，信號(hào)Vee1(短虛線)表示施加在激勵(lì)電極14a上的電壓，所述激勵(lì)電極通過(guò)分流電阻器25a連接到交流電壓u1(t)發(fā)生器24a。信號(hào)Vee2(實(shí)線)代表施加在激勵(lì)電極14c上的電壓，所述激勵(lì)電極通過(guò)分流電阻器25b連接到交流電壓u2(t)發(fā)生器24b。交流電壓u2(t)是交流電壓u1(t)的反向電壓，以便抵消遠(yuǎn)離末端的電場(chǎng)。信號(hào)Ved1(點(diǎn)線)和Ved2(交替長(zhǎng)－雙短虛線)分別表示施加在檢測(cè)電極14b和14d上的電壓。

圖2a、3c和3d的實(shí)施例涉及僅包括兩個(gè)絲狀電極14a、14c而非圖2b的實(shí)施例中的四個(gè)絲狀電極的探針11。涉及圖2b的探針的結(jié)構(gòu)的描述也能適用。這個(gè)情況下的電路有所不同：不存在單獨(dú)的電壓檢測(cè)電路。如在上述四金屬絲實(shí)施例中的，測(cè)量電路可以包括反相的兩個(gè)交流電壓發(fā)生器，所述兩個(gè)交流電壓發(fā)生器通過(guò)分流電阻器連接到探針電極。兩個(gè)電極同時(shí)具有激勵(lì)電極和檢測(cè)電極的角色。基于流經(jīng)電極的電流的測(cè)量結(jié)果確定流體電阻率。

根據(jù)圖3c所示的第三實(shí)施例，適于包括兩個(gè)電極14a、14c的探針的測(cè)量電路20c包括交流電流發(fā)生器21。交流電流發(fā)生器21以數(shù)千赫茲至數(shù)兆赫茲的頻率操作，并且驅(qū)動(dòng)數(shù)微安至數(shù)毫安的正弦電流i(t)。交流電流發(fā)生器21連接到電極14a、14c。電壓表22連接到電極14a、14c并且測(cè)量產(chǎn)生的電壓u(t)。

根據(jù)圖3d所示的第四實(shí)施例，適于包括兩個(gè)電極14a、14c的探針的測(cè)量電路20d包括兩個(gè)交流電壓發(fā)生器24a、24b。交流電壓發(fā)生器24a、24b以反相操作u2(t)＝-u1(t)。交流電壓發(fā)生器24a、24b分別通過(guò)分流電阻器25a、25b連接到電極14a、14c。電壓表22連接到電極14a、14c并且測(cè)量產(chǎn)生的電壓u(t).

圖4b示出了在兩個(gè)電極探針14a、14b和根據(jù)第四實(shí)施例的測(cè)量電路20b的情況下觀察到的信號(hào)u(t)。

信號(hào)u1(短虛線)代表施加在承擔(dān)激勵(lì)電極角色的電極14a上的激勵(lì)電壓，所述電極連接到交流電壓u1(t)發(fā)生器24a。信號(hào)u2(實(shí)線)代表施加在承擔(dān)激勵(lì)電極角色的電極14b上的電壓，所述電極連接到交流電壓u2(t)發(fā)生器24b。信號(hào)Ve1(點(diǎn)線)代表施加在承擔(dān)檢測(cè)電極角色的電極14a上的電壓。信號(hào)Ve2(交替長(zhǎng)－雙短虛線)代表施加在承擔(dān)檢測(cè)電極角色的電極14b上的電壓。信號(hào)Vout(交替長(zhǎng)－短虛線)代表解調(diào)后的測(cè)量電路輸出。

測(cè)量原理是對(duì)探針末端處的流體的電參數(shù)的進(jìn)行局部測(cè)量。測(cè)量信號(hào)在低頻處與導(dǎo)電率有關(guān)，在高頻處與電阻率有關(guān)。通常，水是導(dǎo)體而油/氣體是絕緣體。因此，分析測(cè)量信號(hào)使得能夠從代表油/氣體的信號(hào)中區(qū)分出代表水的信號(hào)。

圖4c示出了在電極14a和14c上的前述信號(hào)Ve1和Ve2以及在多相流動(dòng)條件下的測(cè)量電路輸出Vout。值約為1V的測(cè)量輸出電壓Vout被解釋為水流W(小的信號(hào)幅度是高導(dǎo)電性或低電阻流體、即水的特征)。在特定時(shí)間段(平穩(wěn)區(qū)段)內(nèi)值約為1.2V的測(cè)量輸出電壓Vout的突然增加被解釋為氣體或油O泡經(jīng)過(guò)(大的信號(hào)幅度是低導(dǎo)電性或高電阻流體、即油或氣體的特征)。因此，測(cè)量的信號(hào)示出了從水W到氣體或油O的過(guò)渡。基于這種局部測(cè)量信號(hào)，微型控制器能夠計(jì)算與在管道中流動(dòng)的流體有關(guān)的多種參數(shù)、即保持率(通過(guò)計(jì)算在限定的時(shí)間間隔內(nèi)代表水的信號(hào)的持續(xù)時(shí)間vs代表氣體/油的信號(hào)的持續(xù)時(shí)間)、氣泡計(jì)數(shù)(通過(guò)計(jì)算在限定的時(shí)間間隔內(nèi)平穩(wěn)區(qū)段的數(shù)目)。

圖5示出了具有非對(duì)稱幾何結(jié)構(gòu)的末端15的另一實(shí)施例。末端15由平表面16a、16b構(gòu)成，所述平表面將末端端部限定為末端端部線17a，所述表面相對(duì)于探針11的中心軸線XX’形成不同的角度β、θ。例如，角度β為30°，角度θ為45°。暴露于流體10的電極14a、14c端部從本體13露出在平表面16a、16b中、在末端端部線17a的側(cè)部。

圖7a、7b和7c分別是適于在油氣生產(chǎn)井51中操作的測(cè)量探測(cè)儀50和測(cè)量探測(cè)儀50a、50c串的示意圖。更確切地，圖7a是示意性地示出了安裝在測(cè)量探測(cè)儀50中的探針11的橫截面圖，所述測(cè)量探測(cè)儀形成用于油氣井的生產(chǎn)評(píng)估的線纜工具。圖7b是示意性地示出了用于油氣井的生產(chǎn)評(píng)估的線纜工具的透視圖，所述線纜工具除了例如壓力、溫度和流量傳感器之外還包括若干探針11。每個(gè)探測(cè)儀50、50a、50b具有中心抗壓剛性殼體52。探測(cè)儀50、50a、50b承載外部定中器53，該外部定中器適于與井51的生產(chǎn)管壁54接觸。如上所述的多個(gè)探針11固定在定中器53的內(nèi)表面上。探針11可以相對(duì)于測(cè)量探測(cè)儀50的中心軸線YY’位于成角度分布的位置處。這種分布的探針布置方案解決了非均質(zhì)流體流中的測(cè)量代表性問(wèn)題，這是因?yàn)椋啥鄠€(gè)局部探針測(cè)量的多個(gè)測(cè)量結(jié)果代表流入井51的管道中的總流體。每個(gè)探針11可以通過(guò)壓力引線55連接到位于探測(cè)儀50、50a、50b的殼體52內(nèi)的電子電路56。

圖7c是示意性地示出了組裝成串的兩個(gè)測(cè)量探測(cè)儀50a、50b的透視圖。使用至少兩個(gè)探測(cè)儀允許對(duì)流體保持率進(jìn)行互相關(guān)測(cè)量。油氣井生產(chǎn)隨時(shí)間發(fā)生波動(dòng)，從而產(chǎn)生沿著井傳播的液滴或氣泡的段塞和/或云狀物。使用安裝在至少兩個(gè)測(cè)量探測(cè)儀中的本發(fā)明的探針測(cè)量這些對(duì)應(yīng)的變化允許推導(dǎo)出分散相速度并解釋關(guān)鍵的生產(chǎn)參數(shù)，例如進(jìn)入特定井區(qū)段的水、油、氣體。

圖7b和圖7c所示的探測(cè)儀可以兩端首尾相接地連接到承載其它類型的流體傳感器的其它探測(cè)儀區(qū)段，所述流體傳感器例如是壓力傳感器57、溫度傳感器58、流率傳感器59和成像儀60。

圖8示出了多電極探針11與光學(xué)元件70集成為一體的另一實(shí)施例。藍(lán)寶石桿70適當(dāng)?shù)夭迦胩沾晒?3的中心部分中并且連接到光纖(未示出)。藍(lán)寶石桿70的末端17處的光反射與流體10的折射率有關(guān)。通常，氣體的折射率根據(jù)成分、溫度和壓力在1至1.2之間，氣體的折射率與液體的折射率不同，液體的折射率在1.3至1.5之間。因此，光學(xué)元件能夠用于折射率和/或光譜測(cè)量。這種設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠在單個(gè)探針上同時(shí)檢測(cè)氣相和水，從而實(shí)現(xiàn)在單個(gè)探針上的真正的三相油-水-氣體檢測(cè)。從沒(méi)有檢測(cè)出水和氣體的情況下推斷油相檢測(cè)。

圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的探針(右上方)與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的探針(左上方)相比的油/水前緣的傳播(交替長(zhǎng)－短虛線)和典型的探針響應(yīng)u(t)(下方)。針對(duì)不同時(shí)刻t1、t2、t3、t4、t5和t6分別示出相對(duì)于探針1的末端5和探針11的末端15的油/水前緣的傳播。時(shí)刻t0對(duì)應(yīng)于穿入之前的油/水前緣。時(shí)刻t0對(duì)應(yīng)于末端端部處的油/水前緣。時(shí)刻t1對(duì)應(yīng)于末端端部處的油/水前緣。時(shí)刻t2至t4對(duì)應(yīng)于位于末端端部和末端穿入一半之間的油/水前緣。時(shí)刻t5和t6對(duì)應(yīng)于末端完全穿入處的油/水前緣。信號(hào)PA(虛線)對(duì)應(yīng)于用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的探針1測(cè)量的信號(hào)。信號(hào)INV(實(shí)線)對(duì)應(yīng)于用根據(jù)本發(fā)明的探針11測(cè)量的信號(hào)。

對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的探針1，當(dāng)水相完全覆蓋探針接地從而提供用于電流返回的最大表面時(shí)(即，t高于t3、優(yōu)選地在t4附近或更高)達(dá)到最大信號(hào)。這導(dǎo)致緩慢的響應(yīng)和不穩(wěn)定的級(jí)，這是因?yàn)槠淙Q于流體和流動(dòng)條件(遠(yuǎn)離探針的流體分布)。這導(dǎo)致在多相環(huán)境中對(duì)水導(dǎo)電率的不正確測(cè)量。為了改進(jìn)從碳?xì)浠衔锏剿倪^(guò)渡時(shí)間，現(xiàn)有技術(shù)的探針信號(hào)被放大，從而導(dǎo)致導(dǎo)電流體和數(shù)字類信號(hào)飽和。結(jié)果，不能對(duì)水性質(zhì)進(jìn)行解釋，至少難以對(duì)水性質(zhì)進(jìn)行解釋。此外，相保持率解釋對(duì)檢測(cè)閾值的選擇十分敏感。在實(shí)踐中，這是十分精細(xì)的事情，這是因?yàn)樘结樒扑饺Q于受多種不可控參數(shù)(例如，溫度、探針材料老化、工具室內(nèi)的濕度、電子漂移等)影響的電子偏壓和電容耦合。不適當(dāng)?shù)拈撝翟O(shè)定將導(dǎo)致錯(cuò)誤的相解釋。信號(hào)AS(點(diǎn)線)對(duì)應(yīng)于放大的信號(hào)，閾值tTAS在t3和t4之間。

相反，根據(jù)本發(fā)明的探針11在末端的端部在時(shí)刻t1和t2之間穿入油/水前緣時(shí)立即提供令人滿意的測(cè)量信號(hào)。因此，根據(jù)本發(fā)明的探針11在這種條件下具有快速且穩(wěn)定的響應(yīng)，因而即使在分散的多相條件下也允許精確的流體識(shí)別和水導(dǎo)電率測(cè)量。

前述附圖及其描述闡釋而非限制了本發(fā)明。

應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實(shí)施例不局限于(離岸和陸上)油氣井，這是因?yàn)楸竟_(kāi)的測(cè)量方法/探針/探測(cè)儀可以應(yīng)用在研究多相流體性質(zhì)的多種工業(yè)領(lǐng)域中，例如化學(xué)工業(yè)、航空工業(yè)等。此外，盡管一些實(shí)施例具有示出水平井眼的視圖，所述實(shí)施例還可以應(yīng)用于豎直或傾斜井眼。在油田工業(yè)的框架下，本發(fā)明的所有實(shí)施例可以同等地應(yīng)用于套管井和無(wú)套管井(裸井)，以及流體可以流動(dòng)的其它類管道或設(shè)備(例如泵)。在其它類工業(yè)領(lǐng)域中，本發(fā)明的所有實(shí)施例可以直接地實(shí)施在流體介質(zhì)中(即，不受管道的限制)。

權(quán)利要求書(shū)(按照條約第19條的修改)

1.一種用于產(chǎn)生信號(hào)的探針(11)，所述信號(hào)(u(t))表示在井(51)中流動(dòng)的流體(10)的局部相組成(O，W)，其包括：電絕緣材料的本體(13)，所述本體具有末端(15)，所述末端適于與所述流體(10)接觸；至少兩個(gè)導(dǎo)電材料的電極(14a，14b，14c，14d)，所述電極相對(duì)于所述本體(13)的中心軸線(XX’)位于所述本體(13)中的相對(duì)兩側(cè)上并且相互絕緣，所述電極(14a，14b，14c，14d)具有端部，所述端部暴露于位于所述末端(15)的任一側(cè)上的流體(10)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針(11)，其包括兩個(gè)電極(14a，14c)，所述兩個(gè)電極同時(shí)是激勵(lì)電極和檢測(cè)電極，所述電極(14a，14c)布置成連接到測(cè)量電路(20，20c，20d)，所述測(cè)量電路包括與測(cè)量模塊(22)并聯(lián)的激勵(lì)模塊(21)，由所述測(cè)量模塊(22)測(cè)量的所述電極中的信號(hào)(u(t))與表示接觸所述末端(15)的流體(10)的局部相組成(O，W)的電參數(shù)有關(guān)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針(11)，其包括第一對(duì)電極(14a，14c)和第二對(duì)電極(14b，14d)，所述第一對(duì)電極作為激勵(lì)電極操作并且位于第一平面(P1)中，所述第一平面與所述本體(13)的所述中心軸線(XX’)相交，所述第二對(duì)電極作為檢測(cè)電極操作并且位于第二平面(P2)中，所述第二平面與所述本體的所述中心軸線(XX’)相交并且相對(duì)于所述第一平面(P1)成一角度，所述第一對(duì)電極(14a，14c)布置成連接到激勵(lì)模塊(21)，所述第二對(duì)電極(14b，14d)布置成連接到測(cè)量模塊(22)。

4.根據(jù)權(quán)利要求2和3中的任意一項(xiàng)所述的探針(11)，其中，所述激勵(lì)模塊(21)包括通過(guò)第一分流電阻器(25a)連接到第一電極(14a)的第一交流電壓發(fā)生器(24a)，和通過(guò)第二分流電阻器(25b)連接到第二電極(14d)的第二交流電壓發(fā)生器(24b)，所述第一交流電壓發(fā)生器(24a)和所述第二交流電壓發(fā)生器(24b)產(chǎn)生反相的激勵(lì)信號(hào)(u1(t)，u2(t))。

5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任意一項(xiàng)所述的探針(11)，其還包括金屬管(12)，所述金屬管包圍所述本體(13)并且作為護(hù)罩。

6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任意一項(xiàng)所述的探針(11)，其中，每個(gè)電極(14a，14b，14c，14d)具有絕緣材料的護(hù)套。

7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任意一項(xiàng)所述的探針(11)，其中，所述本體(13)的所述末端(15)呈圓錐形以便限定末端圓錐表面(16)，暴露于所述流體(10)的所述電極(14a，14b，14c，14d)的端部從所述本體(13)露出在所述末端圓錐表面(16)中、在末端端點(diǎn)(17)的側(cè)部。

8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任意一項(xiàng)所述的探針，其中，所述本體(13)的所述末端(14)包括兩個(gè)平表面(16a，16b)，所述兩個(gè)平表面相對(duì)于所述本體(13)的所述中心軸線(XX’)成不同角度(β,θ)，暴露于所述流體(10)的所述電極(14a，14c)的端部從所述本體(13)露出在所述平表面(16a，16b)中、在末端端部線(17a)的側(cè)部。

9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任意一項(xiàng)所述的探針(11)，其還包括光學(xué)元件(70)，所述光學(xué)元件位于所述本體(13)的中心部分中，所述光學(xué)元件(70)的端部部分形成所述探針的所述末端(15)的端部(17)。

10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任意一項(xiàng)所述的探針(11)，其還包括電子板(80)，所述電子板連接到所述本體(13)并且與所述測(cè)量電路(20，20a，20b，20c，20d)和處理模塊(82)集成，以便在輸出電纜(83)上輸送數(shù)字測(cè)量結(jié)果。

11.一種適于沿著井(51)并在井內(nèi)移位的測(cè)量探測(cè)儀(50，50a，50b)，其包括多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任意一項(xiàng)所述的探針(11)，所述探針相對(duì)于所述測(cè)量探測(cè)儀(50，50a，50b)的中心軸線(YY’)位于成角度地分布的位置處。

12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的測(cè)量探測(cè)儀(50，50a，50b)，其中，所述井(51)是油氣井，并且其中，所述測(cè)量探測(cè)儀(50，50a，50b)承載定中器(53)，所述多個(gè)探針(11)固定到所述定中器(53)。

13.一種信號(hào)產(chǎn)生方法，所述信號(hào)(u(t))表示在井(51)中流動(dòng)的流體(10)的局部相組成(O，W)，所述方法包括以下步驟：

-將探針(11)插入在所述井(51)中，所述探針包括：電絕緣材料的本體(13)，所述本體具有末端(15)，所述末端適于與所述流體(10)接觸；至少兩個(gè)導(dǎo)電材料的電極(14a，14b，14c，14d)，所述電極相對(duì)于所述本體(13)的中心軸線(XX’)位于所述本體(13)中的相對(duì)兩側(cè)上并且相互絕緣，所述電極(14a，14b，14c，14d)具有端部，所述端部暴露于位于所述末端(15)的任一側(cè)上的流體(10)；

-將激勵(lì)信號(hào)(i(t))施加在兩個(gè)電極(14a，14b，14c，14d)上，所述電極是激勵(lì)電極；

-測(cè)量與表示接觸兩個(gè)電極(14a，14b，14c，14d)上的末端(15)的流體(10)的局部相組成的電參數(shù)有關(guān)的檢測(cè)信號(hào)(u(t))，所述電極是檢測(cè)電極。

14.一種根據(jù)權(quán)利要求13所述的信號(hào)產(chǎn)生方法的應(yīng)用，其用于產(chǎn)生表示在油氣井中流動(dòng)的多相流體(10)的局部相組成(O，W)的信號(hào)(u(t))。