CN103994793A - 基于双持气率计的多相流量测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双持气率计的多相流量测量方法及测量装置，该方法包括以下步骤：1)在流体流动的封闭管道内部设置两个相距距离是L的流通截面；流通截面的设置方向与流体在封闭管道内部流动方向相垂直；2)获取流体流经两流通截面所需的传递时间；3)根据步骤2)所确定的传递时间获取流体在两个流通截面内的流体流速；4)根据流体流速及封闭管道的管径计算得到流体的体积流量。本发明提供了一种可用于测量同时流动的油、气和水混合物中各组分的流速，而不需要分离各组分的基于双持气率计的多相流量测量装置及测量方法。

Description

基于双持气率计的多相流量测量方法及测量装置

技术领域

本发明属于井下开采石油检测技术领域，涉及一种流量测量装置及测量方法，尤其涉及一种基于双持气率计的多相流量测量方法及测量装置。

背景技术

油气水三相流动现象广泛存在于石油和天然气工业中，在石油开采中，天然气和地层水常与原油同时采出。这些油气水混合物在井筒和集输管道中的流动过程一般都属于油气水三相流动。为确定各油井的原油和天然气产量或观测地层中油、气含量的变化，需要在线测量管线中油气水三相流的流量，这对于评价产层特性是非常重要的。

目前，在产出剖面测井中广泛应用涡轮流量计。涡轮型仪表的优点是结构简单、线性好、频率信号易于处理；但涡轮流量计也存在着缺点：由于存在可动部件，仪表常数易受长期工作造成的涡轮轴承磨损，以及维修安装等人为因素影响；在测井过程中常因井内出砂或其他异物造成涡轮被卡住、卡死，有时严重影响测井成功率；测量受流体粘度和流动状态影响。通常涡轮流量计在单相流条件下进行标定，在两相流条件下，其输入—输出关系与单相流有所不同。这些因素都会影响流量计的精度和可靠性。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可用于测量同时流动的油、气和水混合物中各组分的流速，而不需要分离各组分的基于双持气率计的多相流量测量装置及测量方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种基于双持气率计的多相流量测量方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

1)在流体流动的封闭管道内部设置两个相距距离是L的流通截面；所述流通截面的设置方向与流体在封闭管道内部流动方向相垂直；

2)获取流体流经两流通截面所需的传递时间；

3)根据步骤2)所确定的传递时间获取流体在两个流通截面内的流体流速；

4)根据流体流速及封闭管道的管径计算得到流体的体积流量。

上述步骤2)的具体实现方式是：

2.1)在步骤1)所设置的两个流通截面处布置上光纤传感器以及下光纤传感器；

2.2)流体流经上光纤传感器后产生输入随机信号Sx(t)；流体继续流至下光纤传感器后产生输出随机信号Sy(t)；

2.3)将步骤2.2)所产生得到的输入随机信号Sx(t)以及输出随机信号Sy(t)分别进行解调、放大以及滤波处理，分别得到输入随机流动噪声信号x(t)和输出随机流动噪声信号y(t)；

2.4)将步骤2.3)所得到的输入随机流动噪声信号x(t)和输出随机流动噪声信号y(t)进行互相关运算，得到相关函数的图形；所述相关函数的图形的峰值所对应的时间位移就是流体流经两流通截面所需的传递时间；

所述相关函数的表达式是：

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{L}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

其中：

x(t)是输入随机流动噪声信号；

y(t)是输出随机流动噪声信号；

R_xy(τ)的峰值所对应的时间延迟；

τ₀是流体从上光纤传感器流至下光纤传感器所需的时间；

L是上光纤传感器至下光纤传感器之间的距离，亦是流通截面之间的距离；

T是流体流动L距离所用的时间。

一种用于实现如上所述的基于双持气率计的多相流量测量方法的测量装置，其特殊之处在于：所述装置包括光源、分光器、光纤耦合器、信号采集及处理单元以及探头；所述分光器、光纤耦合器以及探头依次设置在光源的出射光路上；所述信号采集及处理与探头相连；所述探头包括第一通信光纤以及第二通信光纤。

上述信号采集及处理单元包括光电探测器、偏置放大电路、A/D采集电路以及PC机；所述光电探测器依次通过偏置放大电路和A/D采集电路接入PC机；所述光电探测器接入探头。

上述第一通信光纤以及第二通信光纤均是直径为62.5μm的通信光纤。

上述第一通信光纤与第二通信光纤之间的距离是0.9mm。

本发明具有以下优点：

本发明在持气率计的基础上，提出了基于双持气率计测量多项流量的新测量方法及装置。室内实验证明，基于双持气率计测量多项流量具有较好的重复性及一致性，精度能达到5％，并具有以下主要优点：①测量范围宽，可覆盖1～100m³/d范围，量程比可达100；②无阻流元件，对流动无干扰，不受井产砂和井内其他异物影响，适用于涡轮流量计所无法应用的环境；③由于无可动部件，仪表常数稳定，可避免频繁标定。

1】光纤具有高速率、大容量传输能力，还能搭载其他井下仪器信号。

2】光纤传感器可以高精度地测量井筒和井场环境参数，而且此技术轻巧易行，对电磁干扰不敏感而且能承受井下极端条件。

3】光纤传感器用于测量同时流动的油、气和水混合物中各组分的流速，而不需要分离各组分。

4】机械结构方面，结构新颖、简单，维护方便，外形美观、精致。各个部位设计有扳手口位置或者滚花，方便拆卸。螺纹扣型选用梯形扣(埃克姆螺纹)。

5】机械结构便于安全及维护，测量范围广、精度和分辨率高。

附图说明

图1是本发明所提供方法的测量原理图；

图2单只光纤探针持气率计结构图；

图3光纤探针传感器驱动电路框图。

具体操作方式

本发明在测井时，先要进行标定工作。将仪器放入标定筒中，然后给仪器供电，打开集流伞，分别将仪器置于空气和水中，记录其各自的计数，完成对仪器的标定工作。然后，将仪器和其它短节相连，当整串仪器下井测量时，测井速度不得大于548米/小时。

参见图1，本发明的测量原理是：流体在封闭管道内的流动，与流体流动方向垂直的沿管道轴线方向相距距离L的2个流通截面。当流体流动时，如果不考虑流体内部存在的阻力及管道内壁对流体的摩擦作用，则可以简单地认为截面上各处的流体是以液体的体积平均流速V_a流动。由传感器、测量管道及被测流体所组成的系统称为一个信号系统，将上游传感器产生的随机信号作为该系统的输入，下游传感器产生的信号作为该系统的输出，那么确定流体在两截面之间所需时间长短的问题就归结为一随机信号通过给定系统所需时间的问题。由相关理论可知，将该系统的输入、输出信号做互相关运算，得到相关函数的图形，该图形峰值所对应的时间位移就是随机信号在该系统中的传递时间。在理想流动状态下，即管道横截面上各点处流体的速度都相等时，被测流体的体积流速V_a可用相关速度V_c表示。被测流体的体积流量Q可表示为Q＝V_aA。

1、系统构成

井下仪器依次由电路筒、两个光纤传感器和集流器构成。测量时，集流器张开，使全部的流体流经传感器，提高了流体流速，保证了测量的灵敏度。同时由于流体流速提高，减小了低流量时油水滑脱效应的影响，提高了流量测量精度。测井时，将仪器定位于指定测点，在地面供电驱动使集流器张开，进行测量。

参见图2、图3，双持气率计测量多项流量的系统硬件主要由光源、分光器、光纤耦合器、光探测器、偏置放大电路、A/D采集板和PC机以及探头几部分组成。光源为连续式红外激光光源，探头由两根直径为62.5μm的通信光纤构成。综合考虑信号相关性和对采样速度以及存储空间的要求，确定探针的间距为0.9mm较为合适。

由光源发出的单束光经分光器分成两束光，经光纤耦合器进入光纤，在光纤尖端发生反射，当探头位于气相和液相时反射回的光信号强度不同，将这一光强信号通过光探测器转换成电信号，再经放大电路进行放大处理得到标准电压信号，用计算机进行A/D采样得到原始信号，将原始信号进行数学处理后即得所需的气泡行为参数。

2、仪器工作原理

首先考虑流体在封闭管道内的流动。与流体流动方向垂直的沿管道轴线方向相距距离L的2个流通截面。当流体流动时，如果不考虑流体内部存在的阻力及管道内壁对流体的摩擦作用，则可以简单地认为截面上各处的流体是以液体的体积平均流速V_a流动，即

$V_a=\frac{L}{T}$

因此，流速测量问题转化为时间间隔的测量问题。其测量原理如图1所示。

在这2个截面上分别安装通道特性相同的光纤传感器，即上游光纤传感器和下游光纤传感器。两个传感器向被测流体发出能量束。当在管道中的流体发生随机噪声现象和离散相颗粒的尺寸发生变化以及多组份流体中各组分的局部浓度的随机变化等，都会影响这个能量束。传感器则可检测到这个变化，通过转换，产生相应的信号传递出去。上、下游光纤传感器将分别输出随机信号Sx(t)、Sy(t)，两路信号经解调、放大和滤波等处理后，就可检测出两路流动噪声信号x(t)和y(t)。

当被测流体在管道内作稳定流动时，随机流动噪声信号x(t)和y(t)可以分别看作是来自各态历经的平稳随机过程x_k(t)和y_k(t)的两个样本函数。为使问题简化，假设流体的流动满足“凝固”模型，即多相流体通过上、下游光纤传感器时，分布于连续相中的离散相的颗粒尺寸和空间分布没有发生变化。由于扩散效应的存在，“凝固”模型一般是不会被满足的。但当两个传感器相距较近时(例如在几倍管径范围之内)，可以认为该模型得到近似满足。在此条件下，两传感器的输出信号波形是相似的，下游光纤传感器输出的随机噪声信号较上游传感器的信号在时间上延迟了τ₀。将两信号进行相关处理，则可得到以时间延迟τ为变量的相关函数R_xy(τ)。

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{L}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

当流体流动满足“凝固”模型时，R_xy(τ)的峰值所对应的时间延迟τ₀即为流体从一个传感器流到另一传感器的时间，称为渡越时间。此时，可认为相关流速V_c等于被测流体的平均流速V_a，即

$V_a=V_c=\frac{L}{{\mathrm{\τ}}_0}$

但由于流动的扩散效应、管道截面上不同位置流速不同等原因，实际流体一般不满足“凝固”模型，流动噪声信号一般也不是等权重地来自于管道截面上各流体质点的贡献，因此要引入仪表常数k对所测的相关流速进行修正。

$V_a=V_c=\frac{L}{{\mathrm{\τ}}_0}$

k与流体的离散相分布、流动廓形、敏感场的形状及灵敏度空间分布等诸多因素有关，其值大小需根据实验来确定。

设管道的横截面积为A，则被测流体的流量为

Q＝V_aA

通常，两相流体各相空间分布的不均匀性将会给大多数流量计，如涡轮流量计等造成测量误差，但此方法则不同，它恰恰利用了流体内部的随机扰动，因此这种方法更适合于多相流体的测量。

Claims (6)

1.一种基于双持气率计的多相流量测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)在流体流动的封闭管道内部设置两个相距距离是L的流通截面；所述流通截面的设置方向与流体在封闭管道内部流动方向相垂直；

2)获取流体流经两流通截面所需的传递时间；

3)根据步骤2)所确定的传递时间获取流体在两个流通截面内的流体流速；

4)根据流体流速及封闭管道的管径计算得到流体的体积流量。

2.根据权利要求1所述的基于双持气率计的多相流量测量方法，其特征在于：所述步骤2)的具体实现方式是：

2.1)在步骤1)所设置的两个流通截面处布置上光纤传感器以及下光纤传感器；

2.2)流体流经上光纤传感器后产生输入随机信号Sx(t)；流体继续流至下光纤传感器后产生输出随机信号Sy(t)；

2.3)将步骤2.2)所产生得到的输入随机信号Sx(t)以及输出随机信号Sy(t)分别进行解调、放大以及滤波处理，分别得到输入随机流动噪声信号x(t)和输出随机流动噪声信号y(t)；

2.4)将步骤2.3)所得到的输入随机流动噪声信号x(t)和输出随机流动噪声信号y(t)进行互相关运算，得到相关函数的图形；所述相关函数的图形的峰值所对应的时间位移就是流体流经两流通截面所需的传递时间；

所述相关函数的表达式是：

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\∞}{\lim }\frac{L}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

其中：

x(t)是输入随机流动噪声信号；

y(t)是输出随机流动噪声信号；

R_xy(τ)的峰值所对应的时间延迟；

τ₀是流体从上光纤传感器流至下光纤传感器所需的时间；

L是上光纤传感器至下光纤传感器之间的距离，亦是流通截面之间的距离；

T是流体流动L距离所用的时间。

3.一种用于实现权利要求2所述的基于双持气率计的多相流量测量方法的测量装置，其特征在于：所述装置包括光源、分光器、光纤耦合器、信号采集及处理单元以及探头；所述分光器、光纤耦合器以及探头依次设置在光源的出射光路上；所述信号采集及处理与探头相连；所述探头包括第一通信光纤以及第二通信光纤。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述信号采集及处理单元包括光电探测器、偏置放大电路、A/D采集电路以及PC机；所述光电探测器依次通过偏置放大电路和A/D采集电路接入PC机；所述光电探测器接入探头。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于：所述第一通信光纤以及第二通信光纤均是直径为62.5μm的通信光纤。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述第一通信光纤与第二通信光纤之间的距离是0.9mm。