CN104089856B - 两相流流体取样器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种两相流流体取样器，包括入口段(1)，上游导流段(2)，中部取样拍摄段(3)，下游导流段(4)，出口段(5)，其中，所述的入口段(1)和出口段(5)用于与待测管道相连，所述的中部取样拍摄段(3)为扁平的长方体空间，该扁平的长方体空间的长边和宽边的尺寸远大于厚度尺寸，所述的取样器的中部取样拍摄段3由透明材质制成。本发明中，流体取样器设计旨在克服两相流中分散相的聚并、重叠等现象，为高速摄像仪捕获高清晰度两相流图像提供条件。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种两相流流体取样器。
背景技术
中国油田储集层中多为陆相碎屑岩沉积，其储集层无论是纵向还是横向非均质性都比国外海相沉积为主的储集层要复杂得多。从新投入开发的油田状况来看，新探明储量品味降低，低渗、特低渗油田储量所占比重较大。从已开发油田现状看，总体上已进入高含水、高采出程度阶段，主力老油田大多数已进入或是接近特高含水的开发后期，其油井低渗低产及高含水生产特性尤为显著。
在我国油田低渗低产开采条件下，垂直管内油水两相流呈现复杂的非均匀随机运动特征，且油水相间滑脱严重，同时，由于缺乏油水两相流微观流体结构信息，致使目前应用于我国油田的环形电导式传感器或过流式电容传感器响应物理模型建立存在较大困难。油水两相流分散相液滴粒径检测在揭示油水两相流流动特性方面有重要意义，直接影响流体流动参数测量，是建立参数测量模型的微观流体结构基础。
目前，常用于两相流液滴粒径测量的电学探针易受针头区腐蚀的影响，对于信号处理提出了较高的要求，较难达到较高的测量精度。高速摄像法对流体进行直接有效的拍摄，然后通过图像处理的方法获取液滴直径，该方法在两相流微观流体结构分析方面也开始有应用。然而，由于圆形管道内分散油滴运动随机，如果直接利用高速摄像仪对管内流体拍摄，所得图片会因油滴的重叠、油水相间及管壁处光线折射产生失真，从而导致油水两相流微观流体结构信息的大量丢失。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种两相流流体取样器。本发明中，流体取样器设计旨在克服两相流中分散相的聚并、重叠等现象，为高速摄像仪捕获高清晰度两相流图像提供条件。本发明的技术方案如下：
一种两相流流体取样器，包括入口段(1)，上游导流段(2)，中部取样拍摄段(3)，下游导流段(4)，出口段(5)，其中，所述的入口段(1)和出口段(5)用于与待测管道相连，所述的中部取样拍摄段(3)为扁平的长方体空间，该扁平的长方体空间的长边和宽边的尺寸远大于厚度尺寸，所述的取样器的中部取样拍摄段3由透明材质制成。
作为优选实施方式，所述的两相流流体取样器的中部取样拍摄段(3)的截面积与入口段(1)前端的截面积基本相等，使得流过扁平的长方体空间内的流体的平均流速与流入入口段之前的平均流速基本相等；所述的取样器的中部取样拍摄段(3)的长边具有足够的长度，以保证扁平的长方体空间内的流体可在较大空间内达到均匀分布的状态。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明中涉及的流体取样器的各个部分的尺寸可以通过计算流体力学Fluent软件优化设计获得，可将圆形管道内流体导流到扁平的长方体空间，可有效克服圆管内分散相(分散的液滴或分散的气泡)的聚并、重叠等现象，可为高速摄像仪捕获高清晰度两相流图像提供条件。
附图说明
图1是两相流流体取样器结构的正视图
图2是两相流体取样器的侧视图
图3是多尺度边缘检测算法边缘检测结果图像
图4是多尺度边缘检测算法与分水岭算法的结合方法示意图：(a)多尺度边缘检测算法边缘检测结果图像；(b)连通域提取结果；(c)连通域填充结果；(d)粘连油滴的图像；(e)不粘连油滴的图像
图5是油水两相流油滴边缘圆形拟合效果图
图6是油水两相流油滴直径的概率分布图
图中标号说明：
1流体取样器圆形入口段；2流体取样器上游导流段；3流体取样器中部取样拍摄段；4流体取样器下游导流段；5流体取样器圆形出口段；
a取样拍摄段宽度；b取样拍摄段长度；c取样拍摄段厚度；d取样器上游及下游导流段的长度；e取样器上游及下游导流段的最厚位置处的厚度
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本发明包括：
本发明提出的两相流流体取样器，其结构示意图见图1和图2，包括圆形入口段1，上游导流段2，中部取样拍摄段3，下游导流段4，圆形出口段5。该取样器用于垂直管自下而上流过的油水两相流流体取样，即将圆形管道内流体导流到扁平的长方体空间，该长方体空间的宽度、长度(也可称为高度)及厚度分别表示为a，b和c,然后将高速摄像仪正对由长边和宽边构成的二维平面，拍摄长方体空间内油水两相流图像。该流体取样器为高速摄像仪捕获清晰的油水两相流图像提供条件。
为方便高速摄像仪拍摄流体图像，取样器各部分均由透明有机玻璃制成。圆形入口段1用法兰与圆形管道连接，圆形出口段5也用法兰与圆形管道连接。
流体在垂直管道内自下而上流动时，流体首先流经取样器圆形入口段，然后由上游导流段导流到中部的取样拍摄段，中部的取样拍摄段为扁平的长方体空间，油水两相流流体在该长方体空间内的平均流速与流入圆形入口段之前的平均流速基本相等，从而使得分散的油滴在中部取样拍摄段内基本均匀分布，且很少出现油滴的重叠。
本发明设计的油水两相流取样器，可将圆形管道内流体导流到扁平的长方体空间内，使分散油滴在取样器内几乎不重叠地均匀分布，为高速摄像仪捕获高清晰度图片创造了条件；另外，本发明提出了多尺度边缘检测算法(Guo F D et al.,A novel multi-scale edge detection technique based on wavelet analysis withapplication in multiphase flows,Powder Technology,2010,202:171-177)与分水岭算法(Lau Y M et al.,Development of an image measurement technique for size distribution in dense bubbly flows,ChemicalEngineering Science,2013,94:20-29)的有效结合方法，基于多尺度边缘检测算法和分水岭算法构建液滴尺寸测量方法，最终输出高含水低流速流动条件下分散油滴直径信息。下面结合附图说明具体计算方法：
(1)在油水两相流流动管道直径D＝20mm的条件下，利用计算流体力学Fluent软件模拟了垂直上升油水两相流在流体取样器中的流体形态，在流体取样器不破坏流体流动形态的前提下，确定该取样器的几何尺寸为a＝100mm,b＝100mm,＝2mm，d＝100mm,e＝26mm,取样器所用有机玻璃厚度为3mm。
(2)利用法兰将取样器的圆形入口段及圆形出口段与圆形管道连接，高速摄像仪镜头的放置位置正对取样器的长边和宽边构成的二维平面，当油水两相流流经取样器中部取样拍摄段时，对取样器内流体进行拍摄。
(3)利用多尺度边缘检测算法提取油滴边缘，可得到图3所示结果。
(4)利用图4所示的多尺度边缘检测算法与分水岭算法的结合方法将图3中粘连油滴进行分割：首先，将图3中提取到的边缘进行处理，形成连通域(图4(b))，并填充图像中的连通域，如图4(c)所示；然后，将图4(c)分成粘连油滴的图像(图4(d))和不粘连油滴的图像(图4(e))，并利用分水岭算法对图4(d)中的粘连油滴进行分割；接着，对不粘连油滴的图像直接进行圆拟合操作，粘连油滴的图像先经过分水岭算法处理，再进行圆拟合操作拟合，将两次拟合结果整合得到图5所示油滴边缘提取结果图；最后，通过计算各个拟合圆的面积S,利用公式计算每个油滴的直径D。
实验验证与结果：
图6为总流量Qt＝3m3/day时，不同含油率Ko(即管道入口处油相的体积流量除以油水的总流量)情况下，利用本发明提出的多尺度边缘检测算法与分水岭算法的有效结合方法获得的油滴尺寸的概率分布特征。可以看出，当油水总流量Qt＝3m3/day时，分散油滴直径分布比较分散，直径为0.32cm左右的油滴依然占据了较大的比例。随着管道内油水总流量的增加，由于流体湍流动能的增加，尺寸较大的油滴被流体分散成均匀的大小，管道内部尺寸较大的油滴逐渐消失，油滴分布较均匀，油滴尺寸的一致性较好。当总流量Qt＝5m3/day时，分散油滴的尺寸基本集中于0.13cm左右。
另外，表1给出了不同的流动工况下，油滴直径计算结果的平均值、标准差、非对称系数和峭度四个概率分布指标。可以看出，随着总流量的增大，平均直径值减小，标准差也减小，表示随着总流量增加油滴直径趋于大小一致；Qt＝3m3/day时，非对称系数相对其他两个工况较大，可以看出图6中相应的概率分布曲线向直径较大方向偏移；Qt＝5m3/day时，峭度系数较大，相应的图6中的概率分布曲线较为尖峭，该工况下油泡直径集中于中值附近。
实验获得的油水两相流油滴直径概率分布图以及提取的四个概率分布指标，与油水两相流的实际物理运动规律相符，表明该发明中涉及的油水两相流取样器以及多尺度边缘检测算法与分水岭算法的结合方法的有效性。
表1 不同的流动工况下参数计算结果
Claims (3)
1.一种两相流流体取样器，包括入口段(1)，上游导流段(2)，中部取样拍摄段(3)，下游导流段(4)，出口段(5)，其中，所述的入口段(1)和出口段(5)用于与待测管道相连，所述的中部取样拍摄段(3)为扁平的长方体空间，该扁平的长方体空间的长边和宽边的尺寸远大于厚度尺寸，所述的取样器的中部取样拍摄段(3)由透明材质制成。
2.根据权利要求1所述的两相流流体取样器，其特征在于，所述取样器的中部取样拍摄段(3)的截面积与入口段(1)前端的截面积基本相等，使得流过扁平的长方体空间内的流体的平均流速与流入入口段之前的平均流速基本相等。
3.根据权利要求1所述的两相流流体取样器，其特征在于，所述的取样器的中部取样拍摄段(3)的长边具有足够的长度，以保证扁平的长方体空间内的流体可在较大空间内达到均匀分布的状态。
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