本發(fā)明涉及井筒結(jié)蠟量測量及評價(jià)，特別涉及一種徑向/軸向360°沿程井筒結(jié)蠟量測量成像裝置及其評價(jià)方法和成像方法。

背景技術(shù)：

在海上稠油/高凝油油藏開發(fā)過程中，井筒內(nèi)結(jié)蠟現(xiàn)象是普遍存在的。井筒結(jié)蠟將直接導(dǎo)致井筒內(nèi)有效過流面積減小，流體沿程摩阻增加，單井產(chǎn)能下降，修井作業(yè)頻次增加。結(jié)蠟嚴(yán)重會堵塞井筒導(dǎo)致開發(fā)井停產(chǎn)，嚴(yán)重響生產(chǎn)井的開發(fā)效果。結(jié)蠟問題是井筒安全、平穩(wěn)及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素，也是海上稠油/高凝油油藏開發(fā)重點(diǎn)關(guān)注的問題。而沿程井筒結(jié)蠟量是最為關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)，掌握沿程井筒徑向及軸向結(jié)蠟厚度的分布情況，可有針對性的開展井筒蠟的防蠟和清蠟有效措施手段。

目前對于開發(fā)井井筒結(jié)蠟厚度的獲取方法主要有兩種：①基于石蠟沉積理論推導(dǎo)并建立結(jié)蠟剖面預(yù)測模型，預(yù)測不同溫度、壓力下沿井筒石蠟沉積速度和沉積厚度。該方法可計(jì)算不同深度蠟沉積厚度和沿程結(jié)蠟剖面，但該方法不確定參數(shù)較多，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大，一般工程上僅將該計(jì)算結(jié)果作為參考選用。②現(xiàn)場主要通過鋼絲通井作業(yè)，打撈出結(jié)蠟蠟樣，反推結(jié)蠟厚度，該方法是否將全部蠟樣打撈至地面直接影響預(yù)測精度。

要解決以上技術(shù)問題，一種方法是通過開發(fā)井下在線監(jiān)測裝置、實(shí)現(xiàn)結(jié)蠟厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，但該方法存在諸多技術(shù)難點(diǎn)，截止目前尚未出現(xiàn)相關(guān)成熟技術(shù)。另一種方法是通過室內(nèi)評價(jià)實(shí)驗(yàn)?zāi)M井筒壓力/溫度分布，通過一定測定方法得到結(jié)蠟厚度。目前井筒單相管流的結(jié)蠟量測定方法有直接法、壓降測量法、傳熱測量法、在線ld-ld法和其他方法。①直接法是將目標(biāo)管段中沉積蠟“取出”來進(jìn)行稱重確定結(jié)蠟厚度，該方法直接簡單，可進(jìn)行表觀檢查和蠟成分分析，但該方法耗時(shí)長，可操作性差。②壓降測量法是基于水力學(xué)相關(guān)理論，并假設(shè)蠟沉積厚度均勻，通過測定對比測試段和參比段壓降值的差別，計(jì)算出平均結(jié)蠟厚度值，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際井筒結(jié)蠟情況有一定偏差，計(jì)算精度不高。因此，這種方法對這些流型下蠟沉積的研究并無實(shí)際意義。③傳熱測量法是基于結(jié)蠟層熱傳導(dǎo)和環(huán)境的熱阻不同，推導(dǎo)出結(jié)蠟厚度與新增加熱阻的關(guān)系式，通過測量結(jié)蠟層管段相關(guān)熱參數(shù)便可求得結(jié)蠟厚度。若要用傳熱法較準(zhǔn)確地測量沉積層厚度，需準(zhǔn)確計(jì)算對流換熱系數(shù)和預(yù)測蠟沉積層的導(dǎo)熱系數(shù)。但目前多相傳熱預(yù)測理論上不成熟，直接影響測試精度。且該方法不適用于因高流速而導(dǎo)致溫差較小的情況。當(dāng)流型為分層流時(shí)，測試段蠟沉積厚度分布不均勻。因此該方法得到的蠟沉積層厚度不能反映管道的真實(shí)蠟沉積厚度。④在線ld-ld法即在線測量高壓多相管流蠟沉積層厚度的方法，該方法可對水平、近水平和垂直管道中多相流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的蠟沉積進(jìn)行軸向厚度分布和環(huán)向分布的測量，其測量是在垂直管段中進(jìn)行的。但該方法操作流程復(fù)雜，測試過程中影響因素過多，結(jié)果準(zhǔn)確度很難把控。以上方法測量的物理量均為目標(biāo)管段的結(jié)蠟厚度平均值，不能得到測試管段內(nèi)沿程井筒徑向及軸向結(jié)蠟厚度的分布情況。該方法應(yīng)用于單相管流蠟沉積測量精度較高，對高壓單相流和多相流不能提供精確的結(jié)蠟量數(shù)據(jù)。近年來也發(fā)展了新型測試方法，一種是利用超聲波定位技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在結(jié)蠟厚度不均勻分布情況下的在線測量，但該方法測試的自動(dòng)化程度、測試后的數(shù)據(jù)處理方式和成像顯示處于起步階段，該方法上部成熟。另一種是利用孔內(nèi)表面檢查儀對拆卸后的測試管段內(nèi)的蠟沉積物進(jìn)行拍照，并且能夠測量局部的蠟沉積物厚度，但該方法的準(zhǔn)確性主要取決于沉積物的特性，例如硬度和含油量，該方法適用范圍較窄，不宜推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種徑向/軸向360°沿程井筒結(jié)蠟量測量成像裝置及其評價(jià)方法和成像方法，采用本發(fā)明裝置和方法可測得室內(nèi)井筒析蠟評價(jià)裝置測試管段內(nèi)沿程徑向及軸向結(jié)蠟厚度的分布情況。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種徑向/軸向360°沿程井筒結(jié)蠟量測量成像裝置，包括超聲波探測儀測量單元和測量數(shù)據(jù)成像處理單元；所述超聲波探測儀測量單元包括伸入待測試油管內(nèi)的旋轉(zhuǎn)測試桿，設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)測試桿下端的超聲波探測儀，以及設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)測試桿上端、用于控制所述旋轉(zhuǎn)測試桿的旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)間隔時(shí)間、旋轉(zhuǎn)角度和上移定位距離的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置有沿待測試油管高度方向布置、用于測量旋轉(zhuǎn)測試桿位移的位移傳感器；所述旋轉(zhuǎn)測試桿通過所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接有旋轉(zhuǎn)電機(jī)和升降電機(jī)；所述測量數(shù)據(jù)成像處理單元包括與所述超聲波探測儀相連接、用于計(jì)算柱坐標(biāo)系測試管段結(jié)蠟厚度值的測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，和與所述測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連接、用于將結(jié)蠟厚度值轉(zhuǎn)換為像素值并生成能360°旋轉(zhuǎn)的彩色柱狀三維結(jié)蠟厚度成像圖的360°成像處理系統(tǒng)。

所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)還設(shè)置有用于將所述超聲波探測儀和所述旋轉(zhuǎn)測試管位置歸零的旋轉(zhuǎn)定位器。

所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接至旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制器并接受所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制器的控制；所述升降電機(jī)連接至升降電機(jī)控制器并接受所述升降電機(jī)控制器的控制。

一種基于上述徑向/軸向360°沿程井筒結(jié)蠟量測量成像裝置的結(jié)蠟量評價(jià)方法，包括以下步驟：

步驟一：將測試管段安裝帶有自動(dòng)旋轉(zhuǎn)定位的超聲波探測儀上；

步驟二：將測試管段中注耦合劑；

步驟三：將超聲波探測儀下放至測試管段最底層位置；

步驟四：設(shè)定超聲波探測儀旋轉(zhuǎn)速度v、旋轉(zhuǎn)間隔時(shí)間δt、旋轉(zhuǎn)角度δφ和上移定位距離δh，并啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)定位器；

步驟五：記錄超聲波探測儀發(fā)射時(shí)間t1；

步驟六：記錄超聲波探測儀反射波接收時(shí)間t2；

步驟七：將超聲波探測儀上移至步驟四中所設(shè)定的上移定位距離δh；

步驟八：重復(fù)步驟五至步驟七，直至測試管段沿井筒測試完畢；

步驟九：根據(jù)上述步驟五的超聲波探測儀發(fā)射時(shí)間t1、步驟六的超聲波探測儀反射波接收時(shí)間t2，利用測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算柱坐標(biāo)系測試管段結(jié)蠟厚度值h(θ，y)。

步驟九中，柱坐標(biāo)系測試管段結(jié)蠟厚度值h(θ，y)通過下述公式計(jì)算獲得：

其中，r為測試管段半徑，單位為mm；t1為超聲波探測儀發(fā)射時(shí)間；t2為超聲波探測儀反射波接收時(shí)間；v為超聲波在水中傳播速度，單位為m/s。

一種基于上述徑向/軸向360°沿程井筒結(jié)蠟量測量成像裝置的沿程井筒結(jié)蠟量徑向/軸向360°成像方法，在360°成像處理系統(tǒng)內(nèi)完成，包括以下步驟：

步驟(1)：將柱坐標(biāo)系測試管段結(jié)蠟厚度值h(θ,y)變換至直角坐標(biāo)系展開圖對應(yīng)的測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度值h(x，y)；

步驟(2)：將測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度值h(x，y)在直角坐標(biāo)系中值做歸一化處理，獲得歸一化的測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度值h^*(x，y)；

步驟(3)：利用rgb模型對歸一化的測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度值h^*(x，y)進(jìn)行圖像成像處理，生成二維直角坐標(biāo)系彩色結(jié)蠟厚度效果圖；

步驟(4)：將二維直角坐標(biāo)系下彩色結(jié)蠟厚度效果圖變換成能360°旋轉(zhuǎn)的彩色柱狀三維結(jié)蠟厚度成像圖。

步驟(1)中，將柱坐標(biāo)系測試管段結(jié)蠟厚度值h(θ，y)變換至直角坐標(biāo)系展開圖對應(yīng)的測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度值h(x，y)，通過下述公式計(jì)算獲得：

其中：θ為測試管段平面圓周角度，單位為°；y為測試管段高度，單位為m；r為測試管段半徑，單位為mm；h(x，y)為測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度值，單位為mm。

步驟(2)中，將測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度值h(x，y)在直角坐標(biāo)系中值做歸一化處理，通過下述公式獲得：

其中：min[h(x，y)]為測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度最小值，單位為mm；max[h(x，y)]為測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度最大值，單位為mm；h^*(x，y)為測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度值在直角坐標(biāo)系中值做歸一化值，無量綱。

步驟(3)中，利用rgb模型對歸一化的測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度值h^*(x，y)進(jìn)行圖像成像處理，通過下述公式獲得：

rgb＝[pr(h^*(x，y))，pg(h^*(x，y))，pb(h^*(x，y))]

其中，pr，g，b(h^*(x，y))為將結(jié)蠟厚度值h^*(x，y)變換為rgb顏色的映射函數(shù)。

步驟(4)中，將二維直角坐標(biāo)系下彩色結(jié)蠟厚度效果圖變換成能360°旋轉(zhuǎn)的彩色柱狀三維結(jié)蠟厚度成像圖，通過下述公式計(jì)算獲得：

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明中，超聲波探測儀測量單元配有旋轉(zhuǎn)電機(jī)和升降電機(jī)，本發(fā)明裝置可實(shí)現(xiàn)沿程井筒結(jié)蠟量360°全自動(dòng)成像；

2、本發(fā)明中，超聲波探測儀旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)間隔時(shí)間、旋轉(zhuǎn)角度和上移定位距離可根據(jù)實(shí)驗(yàn)自身實(shí)際需求而設(shè)定，參數(shù)設(shè)定過程簡單容易，實(shí)操性強(qiáng)；

3、本發(fā)明中，超聲波探測儀測量單元配有旋轉(zhuǎn)定位器，該裝置可將每次實(shí)驗(yàn)測試前將超聲波探測儀和旋轉(zhuǎn)測試桿位置歸零，以確保每次測試沿程井筒結(jié)蠟360°成像且起始位置具有一致性；

4、本發(fā)明中，超聲波探測儀測量單元配有位移傳感器，該裝置可測量旋轉(zhuǎn)測試桿向上運(yùn)移位移，以精確控制旋轉(zhuǎn)測試桿的運(yùn)移過程；

5、本發(fā)明中，測量數(shù)據(jù)成像處理單元配有測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)超聲波探測儀發(fā)射時(shí)間和反射波接收時(shí)間計(jì)算柱坐標(biāo)系測試管段的結(jié)蠟厚度值，計(jì)算精度可滿足現(xiàn)場技術(shù)要求；

6、本發(fā)明中，測量數(shù)據(jù)成像處理單元配有360°成像處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將結(jié)蠟厚度值轉(zhuǎn)換為像素值，并生成可360°旋轉(zhuǎn)的彩色柱狀三維結(jié)蠟厚度成像圖，三維成像圖顯示結(jié)果直觀、可視化效果好；

7、本發(fā)明中，徑向/軸向360°沿程井筒結(jié)蠟量測量成像裝置具有信號發(fā)射、信號處理、結(jié)果輸出、圖像處理和存檔備份功能，自動(dòng)化程度較高。

附圖說明

圖1：本發(fā)明徑向/軸向360°沿程井筒結(jié)蠟量測量成像裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：本發(fā)明測量成像裝置中超聲波探測儀測量原理示意圖；

圖3：本發(fā)明測量成像裝置的工作流程圖(本發(fā)明徑向/軸向360°沿程井筒結(jié)蠟量評價(jià)方法及成像方法流程圖)；

圖4：本發(fā)明測量成像裝置中測量數(shù)據(jù)成像處理單元的工作流程圖。

附圖標(biāo)注：1-超聲波探測儀測量單元；2-測量數(shù)據(jù)成像處理單元；3-超聲波探測儀；4-旋轉(zhuǎn)測試桿；5-油管；6-管壁蠟沉積層；7-位移傳感器；8-旋轉(zhuǎn)定位器；9-旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；10-旋轉(zhuǎn)電機(jī)；11-旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制器；12-升降電機(jī)；13-升降電機(jī)控制器；14-測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；15-360°成像處理系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

如附圖1所示，一種徑向/軸向360°沿程井筒結(jié)蠟量測量成像裝置，包括超聲波探測儀測量單元1和測量數(shù)據(jù)成像處理單元2，用于測量井筒內(nèi)油管5管壁蠟沉積層6的沿程徑向及軸向結(jié)蠟厚度的分布情況。

所述超聲波探測儀測量單元1包括伸入待測試油管5內(nèi)的旋轉(zhuǎn)測試桿4，設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)測試桿4下端超聲波探測儀3，以及設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)測試桿4上端的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)9；所述超聲波探測儀3用于測定超聲波發(fā)射時(shí)間t1和反射波接收時(shí)間t2，使得測量數(shù)據(jù)成像處理單元2中的測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14基于超聲波在水中傳播速度確定柱坐標(biāo)系測試管段的結(jié)蠟厚度值h(θ，y)，其測量原理如圖2所示；所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)9用于控制旋轉(zhuǎn)測試桿4的旋轉(zhuǎn)速度v、旋轉(zhuǎn)間隔時(shí)間δt、旋轉(zhuǎn)角度δφ和上移定位距離δh。所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)9設(shè)置有旋轉(zhuǎn)定位器6，以及沿待測試油管5高度方向布置的位移傳感器7；所述旋轉(zhuǎn)定位器6用于將所述超聲波探測儀3和所述旋轉(zhuǎn)測試桿4位置歸零，以確保每次測試沿程井筒結(jié)蠟360°成像且起始位置具有一致性；所述位移傳感器7可測量旋轉(zhuǎn)測試桿4向上運(yùn)移位移，以精確控制旋轉(zhuǎn)測試桿4的運(yùn)移過程。所述旋轉(zhuǎn)測試桿4通過所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)9連接有旋轉(zhuǎn)電機(jī)10和升降電機(jī)12；所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)10連接至旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制器11并接受所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制器11的控制，所述升降電機(jī)12連接至升降電機(jī)控制器13并接受所述升降電機(jī)控制器13的控制。

所述測量數(shù)據(jù)成像處理單元2具有信號發(fā)射、信號處理、結(jié)果輸出、圖像處理和存檔備份功能，其工作流程如圖4所示。所述測量數(shù)據(jù)成像處理單元2包括相互連接的測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14和360°成像處理系統(tǒng)15；所述測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14與所述超聲波探測儀3相連接，用測定的超聲波發(fā)射時(shí)間t1和反射波接收時(shí)間t1計(jì)算柱坐標(biāo)系測試管段的結(jié)蠟厚度值h(θ，y)；所述的360°成像處理系統(tǒng)15用于將結(jié)蠟厚度值轉(zhuǎn)換為像素值，生成可360°旋轉(zhuǎn)的彩色柱狀三維結(jié)蠟厚度成像圖，并在pc機(jī)上對存檔備份。其中，所述測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14和所述360°成像處理系統(tǒng)15為軟件程序，通過安裝包的形式安裝在pc電腦上。

基于上述徑向/軸向360°沿程井筒結(jié)蠟量測量成像裝置的結(jié)蠟量評價(jià)方法及成像方法，如圖3所示，包括以下步驟：

s101：將測試管段安裝帶有自動(dòng)旋轉(zhuǎn)定位的超聲波探測儀3上，將其下放至測試管段最深位置，并將測試管段中注耦合劑(選取水做為耦合劑)。

s102：設(shè)定超聲波探測儀3旋轉(zhuǎn)速度v(推薦值為72s/周)、旋轉(zhuǎn)間隔時(shí)間δt(推薦值為1s)、旋轉(zhuǎn)角度δφ(推薦值5°)和上移定位距離δh(推薦值5mm)，并啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)定位器6。

s103：記錄超聲波探測儀3發(fā)射時(shí)間t1和反射波接收時(shí)間t2。

s104：將超聲波探測儀3上移至s102中所設(shè)定的上移定位距離δh；

s105：重復(fù)s103至s104，直至測試管段沿井筒測試完畢；根據(jù)s103記錄的所有超聲波探測儀3發(fā)射時(shí)間t1和反射波接收時(shí)間t2，利用測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14計(jì)算柱坐標(biāo)系測試管段結(jié)蠟厚度值h(θ，y)，如圖2所示。所述的柱坐標(biāo)系測試管段結(jié)蠟厚度值h(θ，y)通過下述公式(1)計(jì)算獲得：

其中，r為測試管段半徑，單位為mm；t1為超聲波探測儀3發(fā)射時(shí)間；t2為超聲波探測儀3反射波接收時(shí)間；v為超聲波在水中傳播速度，單位為m/s。

s106：將s105中獲得的柱坐標(biāo)系測試管段結(jié)蠟厚度值h(θ，y)變換至直角坐標(biāo)系展開圖對應(yīng)的測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度值h(x，y)，并將測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度值h(x，y)在直角坐標(biāo)系中值做歸一化處理，獲得歸一化的測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度值h^*(x，y)。

h(x，y)通過下述公式(2)計(jì)算獲得：

其中：θ為測試管段平面圓周角度，單位為°；y為測試管段高度，單位為m；r為測試管段半徑，單位為mm；h(x，y)為測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度值，單位為mm。

h^*(x，y)通過下述公式(3)計(jì)算獲得：

其中：min[h(x，y)]為測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度最小值，單位為mm；max[h(x，y)]為測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度最大值，單位為mm；h^*(x，y)為測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度值在直角坐標(biāo)系中值做歸一化值，無量綱。

s107：利用rgb模型對歸一化的測試管段內(nèi)結(jié)蠟厚度值h^*(x，y)進(jìn)行圖像成像處理，生成二維直角坐標(biāo)系彩色結(jié)蠟厚度效果圖。所述的成像處理通過下述公式(4)計(jì)算獲得：

rgb＝[pr(h^*(x，y))，pg(h^*(x，y))，pb(h^*(x，y))]

(4)

其中，pr，g，b(h^*(x，y))為將結(jié)蠟厚度值h^*(x，y)變換為rgb顏色的映射函數(shù)。

s108：將二維直角坐標(biāo)系下彩色結(jié)蠟厚度效果圖變換成能360°旋轉(zhuǎn)的彩色柱狀三維結(jié)蠟厚度成像圖。所述的三維結(jié)蠟厚度成像圖通過下述公式(5)計(jì)算獲得：

其中，上述s106至s108均在本發(fā)明360°成像處理系統(tǒng)15內(nèi)完成。

本發(fā)明的工作原理：通過獲取超聲波在介質(zhì)中發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算測試管段結(jié)蠟厚度值，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)將柱坐標(biāo)系統(tǒng)中結(jié)蠟厚度值轉(zhuǎn)化為360°可旋轉(zhuǎn)的彩色柱狀三維結(jié)蠟厚度成像圖。