CN104100260A - 两相流环形空间集总传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两相流环形空间集总传感系统，用于测量竖直管道自下而上流过的两相流，包括变径绝缘插入体(2)，分布式圆形电导阵列探针(1)，镶嵌在插入体上的相关测速电极(3，4)，变径绝缘插入体自下而上依次为细径段(8)，过渡段(9)及粗径段(10)构成；在细径段(8)内部固定有4个环形的相关测速电极，两个相关测速电极分布在上游，另外两个相关测速电极分布在下游；分布式圆形电导阵列探针(1)由两个或两个以上的局部探针构成，各个局部探针均匀排布在所述竖直管道的同一截面上，均固定在所述竖直管道的管壁内侧。本发明有响应速度快，安装简便，测量较为准确的优点。

Description

两相流环形空间集总传感系统

所属技术领域

本发明涉及一种两相流环形空间集总传感系统。

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。

对于井内局部流速及局部浓度分布非均匀流动条件，国外开始采用多个局部流量及含水率传感器，并分布在流动截面不同位置，通过分布式测量方法获取油水分相流量。然而，国外油井产出剖面测试技术是以非集流连续测量为主，仪器直径通常较大，仅适用于高产液自喷井，但在国内大多机械采油井中难以推广使用。国内油井产液剖面测试技术主要采用集流型涡轮流量计与电容或电导传感器组合测量方法及电导相关流量测量方法，通过组合仪在油水两相流模拟井动态试验响应特性，建立总流量及分相流量测井解释图版。

然而，由于低流速高含水油水相间滑脱效应非常严重，其分散相呈非均匀分布及随机运动特征，致使目前环形电导式传感器或过流式电容传感器对含水分辨非常有限，远没有达对低流速稀相含率测量的精度要求，尚需对传感器类型及其电极几何特性进行全新优化设计，以保证传感器对测量场域内的油泡存在有较高测量分辨率。

要了解低产液高含水油井各层生产状况，目前油井动态监测产出剖面测井仪器尚未达到产出剖面测试精度要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种两相流环形空间集总传感系统。本发明的集总传感系统基于电学敏感原理设计，针对垂直管内两相流非均匀分布及随机运动特征，旨在利用环形空间内分布式圆形电导阵列探针可实现复杂流动条件下的分相含率(即分相体积流量与总体积流量之比)测量，利用环形空间内上下游相关测速电极可实现两相流相关速度测量。本发明的技术方案如下：

一种两相流环形空间集总传感系统，用于测量竖直管道自下而上流过的两相流，包括变径绝缘插入体(2)，分布式圆形电导阵列探针(1)，镶嵌在插入体上的相关测速电极(3，4)，其中，变径绝缘插入体(2)由三段构成，自下而上依次为细径段(8)，过渡段(9)及粗径段(10)构成；

在细径段(8)内部固定有4个环形的相关测速电极，两个相关测速电极分布在上游，另外两个相关测速电极分布在下游，E₁和E₂分别表示上游和下游激励电极，M₁和M₂分别表示上游和下游测量电极；

分布式圆形电导阵列探针(1)由两个或两个以上的局部探针构成，各个局部探针均匀排布在所述竖直管道的同一截面上，均固定在所述竖直管道的管壁内侧，分别用于各自所处位置附近流体的分相含率信息检测；

每个局部探针包括外部筒状激励电极(11)、内部柱状测量电极(12)及中间绝缘介质组成，局部探针与管壁接合处采用弧形设计，贴合在管壁上。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明涉及的两相流集总传感系统基于电学敏感原理设计，具有响应速度快，安装简便的优点。

(2)本发明中两相流流体可被导流到变径环形空间，使流体运动速度加快，从而降低油水相间滑脱效应，提高两相流分相含率的测量精度；另外，变径绝缘插入体镶嵌有上游和下游环形电导相关测速电极，可实现环形空间内两相流相关速度测量。

(3)本发明圆形电导探针几何尺寸小，可有效提高其对分散油滴的空间分辨能力，从而提高低流速稀相含率测试精度。

附图说明

图1是圆形电导阵列探针、相关测速电极、变径绝缘插入体在管道上的三维排布图

图2是图1的二维视图

图3是绝缘插入体的三维视图

图4是圆形电导探针的三维视图

图5是圆形电导探针的正视图及其待优化几何尺寸

图6是相关测速电极三维视图

图7是ANSYS有限元分析软件中待扫掠剖分流体的源面剖分图

图8是圆形电导阵列探针及流体的三维有限元剖分图

图9是管内流体的三维映射网格剖分图

图10是灵敏度计算中待考察流体截面的三维映射网格剖分图

图11是灵敏度计算中待考察流体截面的各单元编号

图12是圆形电导探针的灵敏度分布图

图13是圆形电导探针结构优化中测量电极直径对有效信息量的影响

图14是圆形电导探针结构优化中绝缘层厚度对有效信息量的影响

图15是圆形电导探针结构优化中激励电极厚度对有效信息量的影响

图16是圆形电导探针及上下游相关测速电极的信号调理及数据采集系统

图17的4个图分别是圆形电导阵列各个的探针对相含率的测量响应特性

图18是圆形电导阵列探针对相含率的平均测量响应特性

图19是相关测速电极的测量响应波形图

图20是相关测速电极测量响应的互相关函数波形

图中标号说明：

1圆形电导探针；2变径绝缘插入体；3下游相关测量电极；4上游相关测量电极；5固定支架；6固定及引线支架；7有机玻璃管道；8插入体的细径段；9插入体的过渡段；10插入体的粗径段；11圆形电导探针的激励电极；12圆形电导探针的测量电极；13激励电极引出的导线；14测量电极引出的导线；15用于计算传感器灵敏度的流体截面；16圆形电导探针的正对扇形区域

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。本发明包括

(1)两相流环形空间集总传感系统由变径绝缘插入体，分布式圆形电导阵列探针，镶嵌在插入体上的相关测速电极构成，如图1所示。绝缘插入体分为三部分，即细径段，过渡段及粗径段，如图3所示。每个局部探针均由外部筒状激励电极、内部柱状测量电极及中间绝缘介质组成，如图4所示，其中E表示激励电极，连接20kHz正弦电压激励信号，M表示测量电极，连接信号调理电路。导电电极均由不锈钢材料制成。各局部圆形电导探针在管道上均匀排布，分别用于各自所处位置附近流体的相含率信息检测。为保障分布式圆形电导阵列探针不干扰管内流体流动特性，局部探针与管壁接合处采用弧形设计，如图4所示。相关测速电极如图6所示，E₁和E₂分别表示上游和下游激励电极，M₁和M₂分别表示上游和下游测量电极。

(2)两相流局部圆形电导探针采用外部电极激励、内部电极接收的测量模式，可有效扩大每个局部探针的有效检测区域，同时避免每个局部探针的检测场串扰问题。

(3)采用基于映射网格剖分的有限元方法，将传感器有效信息量作为优化指标，确定最优的局部圆形电导探针阵列的几何尺寸，待优化参数包括图5所示的测量电极直径d，绝缘层厚度t₁，激励电极厚度t₂。

下面结合附图说明该局部圆形电导探针几何优化方法的实施过程：

两相流相含率测量的有效性主要依赖于传感器获取流体有效分布信息的能力，这种能力取决于传感器空间灵敏度分布。在分布式圆形电导阵列探针灵敏场的计算中，首先建立两相流局部圆形电导探针阵列的有限元模型，并设置各实体的材料属性及单元属性，包括水相电阻率1000Ω·m，油相电阻率10¹⁵Ω·m，金属电极电阻率1.724^-8Ω·m，单元属性设置为SOLID231(即3维20节点电场实体)；然后，将管道内流体的二维截面进行规则剖分，形成图7所示四边形结构，其中四边形个数为300，采用映射剖分法将轴向长度为10cm的三维流体剖分规则六面体单元，沿轴向方向剖分单元个数为39；随后，采用自由剖分方式对将其余实体剖分，最终剖分结果如图8所示，其中流体的有限元剖分结构如图9所示；设置每个局部探针激励电极载荷为直流电流0.1mA，测量电极载荷为直流电流-0.1mA，测量电极边界电压设置为0V，通过对电场求解，提取纯水情况下激励电极的电压U_w。

图9中15指示的位置为圆形电导探针阵列所处截面。图10为提取的该截面的剖分单元。图11为上述单元的编号示意图，其中编号最小值为320，最大值为11981，且呈等差数列分布，编号间隔为39，单元个数为300。

通过改变图11所示截面中第k个单元的电阻率，即由水相电阻率1000Ω·m改为油相电阻率10¹⁵Ω·m，可计算此时激励电极的电压U(k)。由于检测区域内某位置处油相的出现引起的激励电极上电压的变化ΔU_k可表示为：ΔU(k)＝U(k)-U_w

圆形电导阵列探针的单元灵敏度S(k)定义为：

其中[ΔU(k)]_max为电势差变化的最大值，u_k为第k个六面体单元的体积补偿因子，可表示为：其中V(k)为第k个单元的体积，V_min为图10所示单元中的最小体积。

由于ΔU(k)与该六面体单元的中心坐标位置有关，因此，当陆续改变检测区域内不同单元的材料属性后，可获得局部圆形电导探针的灵敏场分布图，如图12所示。对局部圆形电导探针所处截面的单元灵敏度S(k)求和，可得总灵敏度值S，表示为k＝1…N，其中N为图10中剖分单元的总数。

对每个局部探针的正对扇形区域内(如图12所示)的单元灵敏度S(k)求和，可得有效灵敏度值S_e，表示为：k＝1…n，其中n为每个局部探针正对扇形区域内的单元数。

对每个局部探针而言，有效信息量I可表示为该发明将有效信息量I作为优化指标，寻找不同圆形电导阵列探针几何尺寸下有效信息量I的最大值，最大有效信息量对应的圆形电导阵列探针几何尺寸为最优。在管道内径为20mm的条件下，根据图13、图14和图15的计算结果，最终确定圆形电导探针最优尺寸为：测量电极直径d＝4mm，绝缘层厚度t₁＝0.6mm，激励电极厚度t₂＝0.7mm。

(4)圆形电导阵列探针的电极采用不锈钢材料加工制成，绝缘层选用尼龙材料。激励电极外侧加工螺纹，使其方便与垂直管道稳固接合。

(5)圆形电导阵列探针的四个激励电极均与20kHz正弦电压信号相连，如图16所示，正弦电压信号作为载波信号被流体相含率信息所调制，四个测量电极接参考地，参考电阻及电极间电压信号经差分放大后，依次进行相敏解调、低通滤波、放大、调零处理后，输出表征油水两相流相含率的电压信号V_o及参考电压信号V_ref。

(6)每个局部圆形电导探针输出的相含率电压信号按下式计算，得到局部无量纲电导值其中V_ref及分别表示油水混合液及纯水条件下的平均参考电压值，V_m及分别表示油水混合液及纯水条件下的平均相含率电压值。平均无量纲电导值可表示为其中Ge₁，Ge₂，Ge₃和Ge₄分别表示四个局部圆形电导探针的无量纲电导值，则油相含率K_o可通过Maxwell方程获得，可表示为：

(7)流体流经间距L＝3cm的上下游相关测速电极时，传感器会输出反映流体信息的两列波形x(t)和y(t)，对两列波形进行互相关运算可以得到互相关函数R_xy(τ)，互相关函数计算方法如下：其中T表示两列波形的数据点数。互相关函数的峰值所对应的时间τ记为渡越时间τ₀，则相关速度

实验验证与结果：

通过开展低流速高含水垂直上升油水两相流流动环实验，测得不同流动工况下优化后的圆形电导阵列探针对含油率的响应特性，如图17所示。通过计算平均无量纲电导值可得到图18所示结果，发现总流量Q_t∈[2m³/day，7m³/day]，含油率(即油相体积流量Q_o与总体积流量Q_t之比)K_o∈[0.02，0.2]时，该发明涉及的圆形电导阵列探针对低流速高含水油水两相流相含率有较好的分辨特性。

图19为本发明两相流环形空间集总传感系统中相关测速电极的响应波形图。可以看出，上游信号x(t)和下游信号y(t)表现出较高的相似性；另外，通过计算互相关函数R_xy(τ)，发现其相关峰明显，从而表明该发明中的相关测速电极工作性能良好。

Claims (1)

1.一种两相流环形空间集总传感系统，用于测量竖直管道自下而上流过的两相流，包括变径绝缘插入体(2)，分布式圆形电导阵列探针(1)，镶嵌在插入体上的相关测速电极(3，4)，其中，变径绝缘插入体(2)由三段构成，自下而上依次为细径段(8)，过渡段(9)及粗径段(10)构成；

在细径段(8)内部固定有4个环形的相关测速电极，两个相关测速电极分布在上游，另外两个相关测速电极分布在下游，E₁和E₂分别表示上游和下游激励电极，M₁和M₂分别表示上游和下游测量电极；

分布式圆形电导阵列探针(1)由两个或两个以上的局部探针构成，各个局部探针均匀排布在所述竖直管道的同一截面上，均固定在所述竖直管道的管壁内侧，分别用于各自所处位置附近流体的分相含率信息检测；

每个局部探针包括外部筒状激励电极(11)、内部柱状测量电极(12)及中间绝缘介质组成，局部探针与管壁接合处采用弧形设计，贴合在管壁上。