CN102375024B - 一种两相流分相含率的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种两相流分相含率的测试方法，在测量管道内壁上镶嵌有线圈系，线圈系由两组发射线圈和一组接收线圈组成，两组发射线圈串联后连接瞬变信号产生电路，接收线圈连接瞬态信号采集和预处理电路，瞬态信号采集和预处理电路和计算机相连，当混合流体流过测量管道时，发射线圈通脉冲电流，当发射电流突然降为零时，在发射线圈周围产生急剧变化的磁场和电场；在脉冲关断期间，通过接收线圈接收测量管道内油水两相流产生的二次感应电动势，接收线圈的响应经过瞬态信号采集和预处理电路输入到计算机进行计算；本发明在两相流无论连续相为导电相还是不导电相的情况下都可以测量，并能去除一次场的影响。

Description

一种两相流分相含率的测试方法

技术领域

本发明涉及油气领域的测量技术领域，特别涉及一种用于测量油水或者气水两相流分相含率的测试方法。

背景技术

油水和气水两相流在石油工业中普遍存在，而气水或者油水两相流检测已经成为生产测井的一大难题，准确测量油、气、水的比例对于确定分层产量，调整开采策略和控制方案具有非常重要的意义。目前油、气、水三相流的测量方法主要有：射线法、电容法、层析成像法、电导法、声波法等。

射线法计数统计误差较大，取样范围小，使用过程中存在安全问题。电抗法，包括电容法、电导法、层析成像法，能够适用的油水比例范围较窄，如电容法和ECT不适用于多相流中导电介质为连续相的情况，电导法和ERT不适用于不导电介质为连续相的情况。因此在实际生产中，为了适应流型的变化，通常将电导法和电容法结合使用，造成了生产过程中测量设备和控制程序的繁琐。

为了解决上述问题，国内外学者也在探索新的多相流测量方法。Abdullah A.Kendoush等人也采用自耦变压器，施加高频谐波信号测量油水两相流中的相含率。作者也曾在2009年尝试采用感应线圈系进行多相流中含水率的测量。但上述测量系统均采用谐波发射信号，测量过程易受到直耦信号的影响，使得测量信号的后续处理和校正过程比较复杂。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种两相流分相含率的测试方法，是一种能克服感应线圈一次场影响同时能克服电导法和电 容法缺陷的两相流相含率测试装置及计算方法，其在两相流无论连续相为导电相还是不导电相的情况下都可以测量，同时从时间上可以很好的去除一次场的影响。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种两相流分相含率的测试装置，包括一测量管道1，测量管道1内壁上镶嵌有线圈系2，线圈系2由两组发射线圈3和一组接收线圈4组成，接收线圈4位于两组发射线圈3之间，两组发射线圈3串联后连接瞬变信号产生电路5，接收线圈4连接瞬态信号采集和预处理电路6，瞬态信号采集和预处理电路6和计算机7相连。

测量管道1的管壁为非金属绝缘材料。

所述线圈系2为三线圈系，所述接收线圈4居中设置，所述发射线圈3包括两个线圈，对称间隔设置在接收线圈4的外两侧。

所述的瞬变信号包括单极性和双极性方波、梯形波、半正弦形波或三角形波。

一种两相流分相含率的测试方法，包括以下步骤：

步骤一、当油水两相流的混合流体流过测量管道1时，发射线圈3的线圈T1和线圈T2通以脉冲电流，当发射电流突然降为零时，在发射线圈3周围的油水两相流中将产生急剧变化的磁场和电场；在脉冲关断期间，通过接收线圈4接收测量管道内油水两相流产生的二次感应电动势，接收线圈4上的响应经过瞬态信号采集和预处理电路6进行放大、滤波、数据采集输入到计算机7进行计算；

步骤二：计算接收线圈4上的差分响应ΔEMF:

ΔEMF＝EMF(α_o＝x)-EMF(α_w＝100) (1)

式中EMF为接收线圈4的感应电动势，α_o为含油率的百分比，α_w为含水率的百分比，x为任意值(x为实际场合的含油率)。

步骤三：计算差分响应ΔEMF的二磁场有效信息值S_EMF:

$S_{\mathrm{EMF}}={\∫}_{t_1}^{t_2}\mathrm{\ΔEMF}\·\mathrm{dt}---\left(2\right)$

式中，t₁、t₂分别为瞬态信号的开始和结束时刻。

步骤四：计算两相流中的分相含率：含油率α_o，含水率α_w。

α_w＝a₁·(S_EMF)³+b₁·(S_EMF)²+c₁·S_EMF+d₁ (3)

α_o＝a₂·(S_EMF)³+b₂·(S_EMF)²+c₂·S_EMF+d₂ (4)

式中的a₁、b₁、c₁、d₁和a₂、b₂、c₂、d₂为标定系数，通常在实际测量之前，通过标定实验确定。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明可对油水两相流、气水两相流、油气两相流进行相含率测量，不受流体中各相比例及流型的影响。

2、本发明采用瞬变信号作为发射信号，可从时间上去除直耦信号的影响，后续的信号处理和校正程序相对简单。

3、本发明所提供的测试装置可与输油管道直接相连，其接收信号经过采集和预处理后由计算机处理和显示，可实现在线测量。

附图说明

图1是本发明的测量管段结构示意图。

图2是本发明的相含率测试装置示意图。

图3是本发明的仿真曲线。

图4是本发明的实验曲线。

图5是本发明的标定实验曲线；其中图5a为含水率的标定实验曲线，图5b为含油率的标定实验曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细叙述。

如图1、图2所示，一种两相流分相含率的测试装置，包括一测量管道1，测量管道1内壁上镶嵌有线圈系2，保证了测量管道1内壁的平整，对测 量管道内两相流的流型不会产生影响，线圈系2由两组发射线圈3和一组接收线圈4组成，接收线圈4位于两组发射线圈3之间，两组发射线圈3连接发射信号的瞬变信号产生电路5，接收线圈4连接处理线圈系接收的包含两相流体电导率信号的瞬态信号采集和预处理电路6，瞬态信号采集和预处理电路6和计算两相流分相相含率的计算机7相连。测量管道1的管壁为非金属绝缘材料，用于隔离线圈系2的电信号。

本发明的线圈系2由3组单独的间隔分布的线圈T1、线圈T2和线圈R组成，其中线圈R为接收线圈4，位于整个线圈系2的居中位置。线圈T1和线圈T2对称分布于接收线圈4两侧构成了发射线圈3，线圈T1和线圈T2串联连接，用于发射瞬变信号发生电路5产生的激励信号，本发明中设计两个发射线圈T1和T2，且对称位于接收线圈4的两侧，一是用于增强接收线圈4的接收信号，二是使接收线圈4敏感的管内两相流体的区域增大，接收信号中包含的流体信息更多。线圈系2的各个线圈之间相隔一定的距离，在本实施例中，测量管段内径为50mm，发射线圈11的两线圈T1、T2的中心位置相距380mm，匝数都为700匝。接收线圈居中，匝数为1100匝。各线圈之间的距离和匝数根据测量管道管径的不同，间隔的距离和匝数也不相同，在实际应用中根据具体的管径数据设置各线圈之间的间距、匝数，并通过试验加以调整，以达到最佳的效果。

如图2所示，本发明测量两相流相含率的机理是瞬变电磁法。瞬变电磁法是在发射线圈上施加一恒定电流，持续一段时间后关断发射电流，此时测量接收线圈上的响应。本实施例中瞬变信号产生电路5用于产生双极性矩形瞬变信号，作为发射线圈3的发射信号。当油水两相流的混合流体流过测量管道时，发射线圈3的的线圈T1和线圈T2通以脉冲电流，当发射电流突然降为零时，在发射线圈3周围的油水两相流中将产生急剧变化的磁场和电场。在脉冲关断期间，通过接收线圈4接收测量管道内油水两相流产生的二次感应电动势。接收线圈4上的响应经过瞬态信号采集和预处理电路6进行 放大、滤波、数据采集等，输入到计算机7进行处理。计算机7根据接收线圈上的响应，计算出测量管道内油水两相流中的含油率和含水率。瞬变信号产生电路5和瞬态信号采集和预处理电路6为本领域的成熟技术，在此不再详述。

本发明的测试理论如下：

根据麦克斯韦方程组可求出管内流体中产生的频域磁场强度：

$H_{z_1}\left(\mathrm{j\ω}\right)=-\frac{1}{{2\mathrm{\π}}^2{\mathrm{j\ω\μ}}_1}{\∫}_0^{\∞}{x_1}^2[{\mathrm{j\ω\μ}}_{1}m{K}_0\left(x_{1}r\right)+{\mathrm{aI}}_0\left(x_{1}r\right)]\cos \mathrm{\λ}(z-z_0)\mathrm{d\λ}$

瞬变电磁场是脉冲电流通电或断电之后形成的过渡过程电磁场，设发射电流

$I\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}I,t<0\\ 0,t\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

根据Gaver–Stehfest逆拉普拉斯变换法，可得到时间域磁场强度表达式：

$H\left(t\right)=-\frac{\ln }{t}\underset{n=1}{\overset{12}{\mathrm{\&Sigma;}}}{k}_n\&CenterDot;\frac{H\left(s_n\right)}{s_n}$

可求出接收线圈上的感应电动势为：

$\begin{array}{c}U\left(t\right)=-N_R\underset{S}{\&Integral;}{\mathrm{\&mu;}}_1{H}_{z1}\&CenterDot;\mathrm{dS}\\ =-\frac{N_R{S}_R\&CenterDot;\ln 2}{{2\mathrm{\&pi;}}^{2}t}\underset{n=1}{\overset{12}{\mathrm{\&Sigma;}}}{k}_n\&CenterDot;{\&Integral;}_0^{\&infin;}{x_1}^2[{\mathrm{\&mu;}}_{1}m{K}_0\left(x_{1}r\right)+\frac{a}{s_n}{I}_0\left(x_{1}r\right)]\cos \mathrm{\&lambda;}(z-z_0)\mathrm{d\&lambda;}\end{array}$

式中，a为由边界条件确定的系数，I₀(x_jr)、I₁(x_jr)、K₀(x_jr)、K₁(x_jr)为修正贝塞尔函数，k_n为Gaver–Stehfest变换系数，s_n＝nln2/t， μ₁、ε₁、σ₁分别为管内两相流的磁导率、介电常数、电导率。

从理论表达式可以看出，接收线圈上的感应电动势能够反映管内流体的电磁参数信息，而管内流体的各相比例不同决定了管内两相流的综合参数信 息不同，因而通过测试接收线圈的响应可以得出管内流体的分布比例信息。

如图3所示，对本发明设计的两相流相含率测试装置进行了有限元仿真。在不同含油率下，接收线圈上的差分响应曲线如图3所示。设接收线圈的差分响应为：ΔEMF₃＝EMF(α＝x)-EMF(α＝0)，式中EMF为接收线圈的感应电动势，α为含油率。

从图3可以看出，当油管参数不变时，在管内两相流含油率分别为α＝0.4％、α＝0.8％、α＝5％条件下，接收线圈上的差分响应ΔEMF₃曲线趋势基本相同；而在不同含油率下，差分响应曲线的峰值幅度不同，含油率越高峰值越高；不同含油率下，差分响应曲线峰值的下降时间不同，含油率越高，峰值下降时间越长。由仿真结果可知，通过检测接收线圈感应电动势的峰值幅度和下降时间，可以识别不同相含率的油水两相流。

如图4所示，应用本发明设计的两相流相含率测试装置进行了实验。接收线圈上的测试曲线如图4所示。试验过程中，将油管内分别盛满不同比例的油水混合流体，发射线圈上施加双极性矩形脉冲，在接收线圈上测量瞬变电磁响应。从图4可以看出，在三种不同比例的油水混合流体下，接收线圈的响应曲线在幅度上具有明显差异，可以作为区分出不同比例的流体。

下面说明本发明接收到瞬态感应电压信号后计算两相流分相含率的方法：

步骤一：计算接收线圈上的差分响应ΔEMF。

ΔEMF＝EMF(α_o＝x)-EMF(α_w＝100) (1)

式中EMF为接收线圈的感应电动势，α_o为含油率的百分比，α_w为含水率的百分比，x为实际场合的含油率。

步骤二：计算差分响应ΔEMF的二磁场有效信息值S_EMF。

$S_{\mathrm{EMF}}={\&Integral;}_{t_1}^{t_2}\mathrm{\&Delta;EMF}\&CenterDot;\mathrm{dt}---\left(2\right)$

式中，t₁、t₂分别为瞬态信号的开始和结束时刻。

步骤三：计算两相流中的分相含率：含油率α_o，含水率α_w。

α_w＝a₁·(S_EMF)³+b₁·(S_EMF)²+c₁·S_EMF+d₁ (3)

α_o＝a₂·(S_EMF)³+b₂·(S_EMF)²+c₂·S_EMF+d₂ (4)

式中的a₁、b₁、c₁、d₁和a₂、b₂、c₂、d₂为标定系数，通常在实际测量之前，通过标定实验确定。

由式(3)、式(4)即可计算出油水两相流中的含油率α_o，含水率α_w。

对本发明设计的两相流相含率测试装置进行了标定实验，测试曲线如图5所示。标定实验的过程如下：将油管内分别盛满不同已知比例的油水混合流体；发射线圈上施加双极性矩形脉冲，在接收线圈上测量瞬变电磁响应；根据本发明计算两相流分相含率的方法步骤二、步骤三计算出差分响应ΔEMF的二磁场有效信息值S_EMF；分别画出含油率和S_EMF以及含水率和S_EMF的曲线。在本发明的实验条件下(工业白油、自来水、常温、常压等)，由标定曲线图5作曲线拟合可得出：含油率和S_EMF以及含水率和S_EMF分别满足3次曲线关系α_w＝-125.8286·(S_EMF)³+117.6154·(S_EMF)²-34.3557·S_EMF+3.9854，α_o＝125.8286·(S_EMF)³-117.6154·(S_EMF)²+34.3557·S_EMF-2.9854。在不同的实验条件下，本发明需要先进行标定实验确定标定系数之后再进行测试。这一原则也是所有现场仪器的共同特点。

综上可知，本发明通过测量油水两相流经过测量管道时，接收线圈的响应信号，利用相应的计算方法即可得到油水两相流中的含油率α_o，含水率α_w。本发明通过计算机处理和显示，可实现在线测量。本发明可应用于油水两相流中分相含率的测量，或者气水、油气两相流等其他的电导率有差异的两相流分相含率的测量。

Claims (1)

1.一种两相流分相含率的测试方法，基于的测试装置包括一测量管道(1)，测量管道(1)内壁上镶嵌有线圈系(2)，线圈系(2)由两组发射线圈(3)和一组接收线圈(4)组成，接收线圈(4)位于两组发射线圈(3)之间，两组发射线圈(3)串联后连接瞬变信号产生电路(5)，接收线圈(4)连接瞬态信号采集和预处理电路(6)，瞬态信号采集和预处理电路(6)和计算机(7)相连，其特征在于，方法包括以下步骤：

步骤一、当油水两相流的混合流体流过测量管道(1)时，发射线圈(3)的线圈T1和线圈T2通以脉冲电流，当发射电流突然降为零时，在发射线圈(3)周围的油水两相流中将产生急剧变化的磁场和电场；在脉冲关断期间，通过接收线圈(4)接收测量管道内油水两相流产生的二次感应电动势，接收线圈(4)上的响应经过瞬态信号采集和预处理电路(6)进行放大、滤波、数据采集输入到计算机(7)进行计算；

步骤二：计算接收线圈(4)上的差分响应ΔEMF：

ΔEMF＝EMF(α_o＝x)-EMF(α_w＝100) (1)

式中EMF为接收线圈(4)的感应电动势，α_o为含油率的百分比，α_w为含水率的百分比，x为实际场合的含油率；

步骤三：计算差分响应ΔEMF的二磁场有效信息值S_EMF：

$S_{\mathrm{EMF}}={\&Integral;}_{t_1}^{t_2}\mathrm{\&Delta;EMF}\&CenterDot;\mathrm{dt}---\left(2\right)$

式中，t₁、t₂分别为瞬态信号的开始和结束时刻；

步骤四：计算两相流中的分相含率：含油率α_o，含水率α_w：

α_w＝a₁·(S_EMF)³+b₁·(S_EMF)²+c₁·S_EMF+d₁ (3)

α_o＝a₂·(S_EMF)³+b₂·(S_EMF)²+c₂·S_EMF+d₂ (4)

式中的a₁、b₁、c₁、d₁和a₂、b₂、c₂、d₂为标定系数，通常在实际测量之前，通过标定实验确定。