CN105004763A - 油水两相流插入式四扇区弧形对壁电导传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油水两相流插入式四扇区弧形对壁电导传感器，包括插入体(2)，用于固定插入体的支架(3)，插入体包括导流段和测量段，导流段为锥形，从端部较细；测量段为柱状，其截面由(4)个向内凹的圆弧形组成。传感器包括两组分别分布在测量段上下游两个不同截面上的电极，每组电极对包括均匀布置的四对弧形对壁电极(4)，每对电极包括激励电极和接收电极；激励电极均光滑嵌入在插入体的外表面，接收电极均固定在测量管道(1)内壁相对应的位置，每个激励电极的圆心均位于与其的接收电极的中部，用于每个扇区局部相关流速测量。本发明具有测量较为准确，结构简单的优点。

Description

油水两相流插入式四扇区弧形对壁电导传感器

所属技术领域

本发明涉及油田测试领域所用的油井高含水油水两相流含水率及流量测量传感器。

背景技术

随着油田开采进入中晚期阶段，大多数油田长期注水开发，油田采出液含水率大幅上升，进入高含水或者接近特高含水生产期，从指导油田开发方案角度，准确确定储集层油水生产特性对油田稳油控水及提高石油采收率具有重要意义。

进入高含水期的油井产液剖面测井面临极大挑战，主要是高含水油水两相流分散相局部浓度及局部流速沿管截面方向呈非均匀分布，且分散相泡径大小亦随油相及水相流速发生较大变化，特别是分散相泡径大小对分散相浓度(持水率)测量灵敏度有较大影响。目前油井动态监测普遍使用的环形电导式传感器(ZL98250643.2；ZL201320294984.X；ZL201120500694.7)主要响应于测量电极之间分散相平均浓度特性，该类电导传感器结构相对简单，传感器响应稳定，且对流型无扰动，可完成对油水两相流含水率测量。但是，上述环形电导式传感器灵敏场分布不甚均匀，在高含水油水两相流分散相局部浓度及局部流速非均匀流动条件下，含水率测量灵敏度及分辨率存在较大局限性。

发明内容

本发明提出一种适用于高含水的油水两相流插入式四扇区弧形对壁电导传感器，通过四扇区弧形对壁电导式传感器上下游相关电极测量提取油水两相流总流速信息。本发明的技术方案如下：

一种油水两相流插入式四扇区弧形对壁电导传感器，包括插入体(2)，用于将插入体(2)固定在测量管道(1)内的支架(3)，插入体包括导流段和测量段，导流段为锥形，从端部较细；测量段为柱状，其截面由四个向内凹的圆弧形组成。所述的电导传感器包括两组分别分布在测量段上下游两个不同截面上的电极，每组电极对包括均匀布置的四对弧形对壁电极(4)，每对电极包括激励电极和接收电极；激励电极均光滑嵌入在插入体的外表面，接收电极均固定在测量管道(1)内壁相对应的位置，每个激励电极的圆心均位于与其的接收电极的中部，位于上下游的每个扇区弧形对壁电极对结构相同，用于每个扇区局部相关流速测量。

作为优选实施方式，所述的电导传感器，激励电极圆心角α＝90°，接收电极圆心角β＝45°。电极轴向高度h＝1.5mm。

本发明为了提高高含水油水两相流含水率测量分辨率，将环形电导式传感器纵向平均测量模式改为沿管截面方向分布式平均测量模式。在测量方式上，在集流后小直径测量通道内加装插入体，其插入体上加工出四个扇区弧面，每个扇区弧面与其相对的管道内壁表面分别光滑镶嵌弧形电导传感器，构建出插入式四扇区弧形对壁电导传感器分布式测量模式。插入体的作用是改善插入体与小管道内壁环形空间的流动结构稳定性。在设计弧形对壁电导传感器时，采用电场有限元分析方法对传感器电极几何尺寸(电极高度、电极角度)进行优化，以达到增强分布式电导传感器敏感场强度及提高高含水油水两相流含水率测量灵敏度之目的。具有以下优点：

(1)本发明设计的插入式四扇区弧形对壁电导传感器集流作用明显，在改善流场内油水两相流局部浓度及局部流速非均匀流动特性前提下，可显著提高分散相(油滴)体积浓度测量分辨率，同时利用四扇区上下游电导传感器波动信号可实现油水两相流总流速有效测量。

(2)本发明设计的插入体前置段导流效果显著，对弧形对壁电导传感器测量段的流场扰动小，有利于在高含水情况下获取稳定的电导传感器测量信号。

(3)本发明设计的插入式四扇区弧形对壁电导传感器可适用于垂直油井内低流速高含水油水两相流流动参数(流量及含水率)高分辨测量。

附图说明

图1是插入式四扇区弧形对壁电导传感器结构图。

图2是插入式四扇区弧形对壁电导传感器局部结构图。

图3是插入式四扇区弧形对壁电导传感器弧形对壁电极部分截面图。

图4是插入体示意图：(a)立体图；(b)正视图；(c)俯视图。

图5是插入体前置段截面图。

图6是插入式四扇区弧形对壁电导传感器有限元剖分结构图。

图7是高含水油水两相流两种流型四扇区测量信号，(a)和(b)分别为泡状流、细小泡状流。

图8是插入式四扇区弧形对壁电导传感器某扇区泡状流及细小泡状流时上下游相关信号及其对应的互相关函数，(a)典型泡状流的上下游测量信号；(b)图(a)所示信号的互相关函数；(c)典型细小泡状流的上下游测量信号；(d)图(c)所示信号的互相关函数；

图9是插入式四扇区弧形对壁电导传感器在高含水油水两相流时归一化电导测量值与实验标定的总流量及含水率之间实验相关图版。

附图标记说明：

1测量管道；2插入体；3用于固定插入体的支架；4弧形对壁测量电极

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。该发明涉及的高含水油水两相流插入式四扇区对壁弧形电导传感器如下所述：

参见图1和2，本发明设计一个插入式四扇区弧形对壁电导传感器，包括测量管道1、插入体2、用于固定插入体的支架3和光滑嵌入在管内壁及插入体上下游的八对弧形对壁电极4。每对电极包括激励电极和接收电极，分别光滑嵌入在插入体弧面和管内壁上。激励电极圆心角为α，接收电极圆心角为β。激励电极光滑嵌入插入体弧面，接收电极光滑嵌入管内壁面。上下游的每个扇区弧形对壁电极对结构完全相同，用于每个扇区局部相关流速测量。

将设计的插入式四扇区弧形对壁电导传感器安装在垂直上升油水两相流小管道上，当高含水油水两相流流经传感器时，采集插入式弧形对壁电导传感器各扇区输出信号。在数据处理时，首先，将下游每个扇区测量的混合流体电压数据处理为归一化电导值，然后，将四个扇区的归一化电导值进行平均，最后，按照实验图版提取出相应的含水率值，其中，实验图版中的总流量可通过每个扇区上下游局部相关流速融合计算获得。

下面结合附图说明该油水两相流插入式四扇区弧形对壁电导传感器测量方法具体实施过程：

(1)本发明涉及的插入体几何尺寸：a＝327.35mm，b＝123mm，c＝82mm，s＝14.14mm，d＝3mm，r₁＝5.07mm，r₂＝6.07mm；上下游传感器间距几何尺寸：L＝30mm。传感器电极结构尺寸采用有限元方法进行优化，通过仿真软件ANSYS建立插入式四扇区弧形对壁电导传感器模型，如图6所示。建模时，设定垂直上升管道内径D＝0.02m，垂直上升管道长度L＝0.2m，电极径向厚度t＝r₂-r₁＝1mm，电极轴向高度h，激励电极圆心角α，接收电极圆心角为β，水相电阻率δ_w＝1000Ω·m，电极电阻率δ_s＝1.7241e-8Ω·m。采用自由剖分方式进行网格划分，施加载荷时采用恒流激励。仿真方法为：在ANSYS建模时，在模型中测量截面上放入一个直径0.5mm的绝缘小球，模拟油泡运动。小球处于不同位置时，激励电极的电压也跟随变化，因此可通过激励电极变化的电压反映电导传感器的灵敏度。小球每变换一个坐标，可计算得到在该坐标的灵敏度值。将小球的坐标遍历垂直上升管道截面所有位置，得到该对电极的灵敏度分布。

本发明采用检测场均匀性误差参数(SVP)和传感器相对灵敏度(S_avg)作为优化目标。传感器相对灵敏度(S_avg)的含义是指截面所有位置相对灵敏度的平均值，定义为：

$S_{avg}=\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{S}_j$

定义测量截面的均匀性误差参数(SVP)为：

$SVP=\frac{S_{dev}}{S_{avg}}\×100\%$

式中，S_dev为测量截面上不同位置的相对灵敏度的标准差，其定义为：

$S_{dev}={\left(\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{(S_j-S_{avg})}^2\right)}^{1/2}$

显然，S_avg值愈大，传感器灵敏度愈高，SVP值愈小，即均匀性误差愈小。

采用单因素轮换方法进行优化电极轴向高度h、激励电极圆心角α以及接收电极圆心角为β，即变化其中一个因素，其余固定，然后进行逐步搭配实验比较，获得好的搭配方案。如下表所示，即不同参数下获得的均匀性误差参数(SVP)和传感器相对灵敏度(S_avg)。可以看出，当轴向高度h＝1.5mm，激励电极圆心角α＝90°，接收电极圆心角β＝45°时，灵敏度场的分布特性最好。

(2)将传感器四扇区分别定义为A区、B区、C区、D区，如图3所示。通过油水两相流动态实验，对插入式弧形对壁电导传感器各扇区输出信号进行采集，获得油水两相流归一化电导测量值与实验标定总流量及含水率之间实验相关图版，具体方法如下：

定义混合流体的归一化电导率G_e为混合相的电导率σ_m与全水的电导率σ_w的比值，表达式为：

$G_e=\frac{{\mathrm{\σ}}_m}{{\mathrm{\σ}}_w}=\frac{V_{ref}/V_m}{V_{ref}^w/V_m^w}$

式中，V_ref和V_m分别是测量电路中参考电阻两端测量电压和传感器测量端的接收电压，和分别是全水时参考电阻两端测量电压和传感器测量端的接收电压，插入式四扇区弧形对壁电导传感器归一化电导定义为各扇区归一化电导的平均值，表达式为：

$G_e^{*}=\frac{1}{4}(G_e^A+G_e^B+G_e^C+G_e^D)$

式中，分别是A区、B区、C区、D区电极的归一化电导值。

(3)提取上下游传感器相关信号，进行互相关运算可获得互相关函数R_xy(τ)，表达式为：

$R_{xy}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})dt$

式中，T为积分时间，互相关函数峰值位置所对应的时间位移τ₀称之为渡越时间。然后，根据上下游传感器之间距离，可获得各个扇区的局部相关流速，将四扇区局部相关流速平均可获得油水两相流总相关流速，通过必要的流型校正因子将总相关流速转化为油水两相流总流量。

实验验证与结果：

利用本发明设计的油水两相流插入式四扇区弧形对壁电导传感器，可得到图7、图8和图9所示的泡状流和细小泡状流的测量信号、上下游传感器相关信号、互相关函数、归一化电导与标定总流量及含水率之间实验图版。可以看出，同一时刻四扇区所获得测量信号存在差异，这是由于分散相局部浓度及局部流速非均匀分布引起的；上下游传感器相关流速测量效果较好，可获得清晰的互相关函数峰值；此外，通过实验图版(图9)，可以看出四扇区传感器归一化电导平均值对含水率变化具有较高的分辨能力，验证了本发明设计的高含水油水两相流插入式四扇区弧形对壁电导传感器的有效性。

Claims (3)

1.一种油水两相流插入式四扇区弧形对壁电导传感器，包括插入体(2)，用于将插入体(2)固定在测量管道(1)内的支架(3)，其特征在于，插入体包括导流段和测量段，导流段为锥形，从端部较细；测量段为柱状，其截面由四个向内凹的圆弧形组成。所述的电导传感器包括两组分别分布在测量段上下游两个不同截面上的电极，每组电极对包括均匀布置的四对弧形对壁电极(4)，每对电极包括激励电极和接收电极；激励电极均光滑嵌入在插入体的外表面，接收电极均固定在测量管道(1)内壁相对应的位置，每个激励电极的圆心均位于与其的接收电极的中部，位于上下游的每个扇区弧形对壁电极对结构相同，用于每个扇区局部相关流速测量。

2.根据权利要求1所述的电导传感器，其特征在于，激励电极圆心角α＝90°，接收电极圆心角β＝45°。

3.根据权利要求1所述的电导传感器，其特征在于，电极轴向高度h＝1.5mm。