第三章 流体密度及持水率测量

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。第三章液体密度及持水率测量1.1仪器结构及测量原理流体密度测井示意图1.仪器结构：（见右图）2.测量原理：放射性密度计采用Cs137作伽马源，射线强度为：第一节放射性流体密度计a.密度测井曲线b.放射性密度计校正1.2应用1.利用密度曲线读值计算井筒中的持水率值：2.图b为密度特征响应曲线：注意：密度计主要适用于气液两相流动。2.1仪器结构压差密度计波纹管a）平膜片b）波纹膜片c）膜盒d）膜盒组第二节压差密度计式中：—速度变化引起的压差—摩擦引起的损失压差密度计摩擦校正图版2.2测量原理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。三相流动中的密度梯压测试情况产液井压差密度计测井2.3应用实例1裸眼井完井高含水井生产测井曲线产液井中的封隔器与压差密度计曲线2.3应用实例2第三节电容法持水率计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：用于连续测量或点测，取样式用于点测。

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。电容器结构示意图

3.1电容法持水率计的基本原理1（一）测量仪器（见右图）（二）测量原理：柱状电容器的电容量为：设绝缘层中的电场强度为E1，取样室中的电场强度为E2，则为了求C，应先求U。根据高斯定理，有所以，总电容为：——真空中的介电常数3.1电容法持水率计的基本原理1因此，内外电极之间的电势差为：3.1电容法持水率计的基本原理2（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。电容量与状态系数、持水率的关系3.1电容法持水率计的基本原理2（2）对于淡水=80，考虑矿化度及温度影响约在68左右。=2~4。

电容量与持水率之间关系曲线如图

电场方向示意图3.1电容法持水率计的基本原理3

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。电容量为：3.1电容法持水率计的基本原理3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3.2取样式持水率计（1）理论公式1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，取样室中总的电容值为：a.取样式传感器的刻度曲线b.测量时间与持水率的实验曲线（1）理论公式2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）

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（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（2）实际测量a.电场电位移矢量D的分布示意图b.总电容等效电路4.1传导电流与位移电流E-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的最大值第四节微波持水率计传导电流: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: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比值R为:同轴线的等效图4.2测量原理1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：4.2测量原理2分布电阻：分布电感：分布电容：分布电导：测量实例（表示含水率）电位差与含水率关系4.3测量实例第五节低能源持水率计5.1测量原理a.质量吸收系数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）（1）基本原理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系为：

当伽马射线能量大于60Kev时，

对于能量小于30Kev的光子b.油气水呈层状分布（2）公式发生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：5.2放射源的能谱（经6厘米水层吸收）第六节电导法含水率计（1）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）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：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。相位差与的关系第六节电导法含水率计（一）仪器结构（如图）（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。探头工作原理流动成像仪结构示意图第七节流动成像仪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

—电缆速度泡计数率与电缆速度交会图第七节流动成像仪对含水率计在水中测量值进行压力的温度校正第八节应用实例例题：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。第八节应用实例含水率读数的温度和压力校正(2)从图b中可以得出井底条件下仪