CN107420089A - 一种电导传感器与电磁流量计组合的乳状液流量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电导传感器与电磁流量计组合的乳状液流量测量方法，所采用的电导传感器为聚焦式弧形对壁式电导传感器。数据处理时，将不同流动工况下场聚焦式弧形对壁式电导传感器电压信号进行归一化处理，提取其含水率测量特性；根据全水条件下电磁流量计输出电压与标定混合流速间拟合函数关系，获得不同流动工况下电磁流量计测量乳状液混合流速与标定乳状液混合流速及含水率之间的关系图版；利用场聚焦弧形对壁式电导传感器及电磁流量计所测持水率与混合流速参数，建立水包油乳状液漂移模型，实现分相表观流速预测。
Description
技术领域
本发明涉及油田动态监测领域表面活性剂驱油作用下的井筒水包油乳状液油水两相流流量测量方法。
背景技术
由于长期采用注水方式开采石油，我国陆上老油田低孔低渗油气储集层已进入低产量高含水为主要特征的中晚期开采阶段。通过向地层注入表面活性剂水溶液后形成油水乳状液体系，可显著提高原油采收率。因此，以表面活性剂驱油为主的三次采油技术在油田开采中得到了广泛应用。研究表面活性剂作用下的油水乳状液流量测量方法对化学驱采油下的油井产液剖面测井技术具有重要应用意义。
表面活性剂水溶液的注入会极大降低油水相间界面张力，进而显著改变井筒内油水两相流流变学特性，对油水两相流分散相分布行为产生显著影响，在管截面方向不仅油泡之间变得非常小(微米级)，对电学敏感传感器捕获持水率增加了很大难度。油田常用环形电导传感器受其灵敏场空间分布不均匀及电场边缘效应，实现水包油乳状液持水率测量难度很大。
场聚焦式电导传感器具有截面方向测量灵敏度高的优势，可有效提高含水率测量分辨率。同时，为实现水包油乳状液持水率的高分辨测量，其中，油水混合流速是必不可少的待测参数。本发明考虑采用电磁流量计实现水包油乳状液混合流速测量。目前，有研究报导利用阻抗成像与电磁流量计双模态测量油水两相流分相流速，如2015年Y.Faraj等发表在《Flow Measurement and Instrumentation》(流量测量与仪器)期刊，第46卷，第255-261页，题为“Measurement of vertical oil-in-water two-phase flow using dual-modality ERT-EMF system”(利用阻抗成像-电磁流量计双模态系统测量垂直上升水包油两相流流量)的文章。但是，水包油乳状液中油滴直径多为微米级，利用阻抗成像系统对水包油乳状液的微米级分散相浓度分布图像重建非常困难。迄今，尚未见到采用场聚焦式电导传感器与电磁流量计组合的水包油乳状液流动参数测量方法报导。
发明内容
本发明提出一种场聚焦式弧形对壁电导传感器与电磁流量计组合的水包油乳状液流量测量方法。通过场聚焦弧形对壁式电导传感器电压信号归一化值提取含水率信息，并利用电磁流量计响应获取水包油乳状液混合流速参数，实现表面活性剂作用下油水两相流含水率及混合流速高精度测量；结合所测持水率与混合流速参数，建立水包油乳状液漂移模型，获得高精度的分相表观流速预测结果。技术方案如下：
一种电导传感器与电磁流量计组合的乳状液流量测量方法，所采用的电导传感器为聚焦式弧形对壁式电导传感器，用于测量沿管截面方向分布的平均含水率信息，在集流后的小管径测量管道内壁固定空间位置相对的弧形激励电极与弧形中心测量电极，在中心测量电极两侧分别等距放置相同尺寸的边缘保护电极，中心测量电极的轴向高度与由激励电极及其两侧的边缘保护电极组合形成的整体轴向高度相匹配；在小管径油水两相流实验中，当表面活性剂作用下的水包油乳状液流经流量计及电导传感器测量区域时，分别对电磁流量计及场聚焦式弧形对壁式电导传感器输出电压信号进行采集，数据处理时，将不同流动工况下场聚焦式弧形对壁式电导传感器电压信号进行归一化处理，提取其含水率测量特性；根据全水条件下电磁流量计输出电压与标定混合流速间拟合函数关系，获得不同流动工况下电磁流量计测量乳状液混合流速与标定乳状液混合流速及含水率之间的关系图版；利用场聚焦弧形对壁式电导传感器及电磁流量计所测持水率与混合流速参数，建立水包油乳状液漂移模型，实现分相表观流速预测；
其中，建立水包油乳状液漂移模型，实现分相表观流速预测的方法如下：
(1)所建立的水包油乳状液漂移模型为Y＝C0X+U∞，其中， Uso为油相表观速度，Yo为持油率，Um为混合流速，C0为相分布系数，n为泡径指数，U∞为单个油泡在无限静止的水中的上升速度。
(2)对于不同流动工况下Y和X的值，通过线性拟合的方式确定C0和U∞的数值；
(3)根据实际测得的持水率与混合流速值，利用水包油乳状液漂移模型获得油相表观速度。
优选地，在设计弧形对壁式电导传感器时，采用有限元分析法对中心测量电极与边缘保护电极轴向高度h，中心测量电极与边缘保护电极间距l和电极圆心角α进行优化。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)本发明提出的场聚焦弧形对壁式电导传感器与电磁流量计组合的测量方式，对水包油乳状液分相含率具有较高的测量分辨率，采用电磁流量计测量混合流速具有不受含水率及流态分布影响优势，其混合流速测量结果可直接用于基于场聚焦式弧形对壁电导传感器的含水率测量，亦即完成乳状液油水两相流分相流量测量。
(2)本发明提出的场聚焦式弧形对壁式电导传感器与电磁流量计均不属插入式测量方法，不影响待测乳状液的流场分布，传感器响应速度快及具有易于安装特点，可适用于垂直井筒内表面活性作用下的水包油乳状液含水率及混合流速参数测量。
附图说明
图1是场聚焦式弧形对壁电导传感器结构图。
图2是场聚焦式弧形对壁电导传感器局部结构图。
图3是场聚焦式弧形对壁电导传感器及电磁流量计组合测量系统。
图4是全水条件下电磁流量计输出电压与标定的乳状液混合流速之间实验相关图版。
图5是表面活性剂作用下的水包油乳状液典型流型对应的场聚焦式弧形对壁式电导传感器测量电压信号图版。
图6是场聚焦式弧形对壁电导传感器在表面活性剂作用下的水包油乳状液归一化电导测量值与实验标定的含水率之间实验相关图版。
图7是电磁流量计在表面活性剂作用下的水包油乳状液混合流速测量值与标定的混合流速及含水率之间实验相关图版。
图8是漂移模型与的散点图图版及线性拟合结果。
图9是漂移模型预测水包油乳状液分相表观流速与蠕动泵标定分相表观流速的关系，(a)油相表观流速预测结果；(b)水相表观流速预测结果。
附图标号说明：
1外管；2激励电极；3边缘保护电极；4中心测量电极
具体实施方式
为实现表面活性剂作用下的水包油乳状液分相流量测量，本发明提出了一种场聚焦式弧形对壁式电导传感器与电磁流量计组合测量方法。其中，场聚焦式弧形对壁式电导传感器通过在集流后小管径测量通道内壁构造空间位置相对的激励电极与中心测量电极。中心测量电极两侧等距处分别放置相同尺寸的边缘保护电极。中心测量电极与边缘保护电极施加同种载荷，根据电学敏感原理，中心电极处电场强度显著增强，同时有效抑制电场边缘效应影响，从而提高测量灵敏度。此外，加入表面活性剂后的水包油乳状液油滴直径变化范围较小，采用电磁流量计测量混合流速优势显著。
本发明采用的场聚焦式弧形对壁式电导传感器的整体结构包括外管1、光滑嵌入在管道内壁的激励电极2、边缘保护电极3和中心测量电极4。测量电极与保护电极轴向高度为h，测量电极与保护电极轴向间距为l，电极张角为α。
将电磁流量计及具有最优尺寸的场聚焦式弧形对壁式电导传感器安装在垂直上升小管径油水两相流实验装置中，当表面活性剂作用下的水包油乳状液流经流量计及传感器测量区域时，分别对电磁流量计及场聚焦式弧形对壁式电导传感器输出电压信号进行采集。数据处理过程中，将不同流动工况下场聚焦式弧形对壁式电导传感器电压信号进行归一化处理，提取其含水率测量特性；根据全水条件下电磁流量计输出电压与标定混合流速间拟合函数关系，获得不同流动工况下电磁流量计测量乳状液混合流速与标定乳状液混合流速及含水率之间的关系图版。利用场聚焦弧形对壁式电导传感器及电磁流量计所测持水率与混合流速参数，建立水包油乳状液漂移模型，实现分相表观流速预测。
下面结合附图说明场聚焦式弧形对壁电导/电磁流量计在表面活性剂作用下的水包油乳状液流量测量方法具体实施过程：
(1)本发明中，场聚焦式弧形对壁电导式传感器中心测量电极与边缘保护电极轴向高度h＝1mm，中心测量电极与边缘保护电极间距l＝2mm，电极张角α＝130°。实验过程中激励电极与激励频率为20kHz的激励源连接，中心测量电极与边缘保护电极接地。所采用电磁流量计供电电源采用+24V直流电，流速测量量程为0.05m/s～15m/s，精度等级为±0.3％，输出信号为4～20mA。实验过程中，通过在电磁流量计测量回路内串联阻值300Ω的电阻，将电磁流量计输出电流信号转换为电压信号，并对该电压信号进行采集。
(2)通过表面活性剂作用下的水包油乳状液流动态实验，对场聚焦式弧形对壁式电导传感器输出电压信号进行采集，获得表面活性剂作用下油水两相流归一化电导测量值与实验标定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Ge为混合相的电导率σm与全水的电导率σw的比值，表达式为：
式中，Vref和Vm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。
对于分散相以液滴的形式弥散分布在连续相中的多相流体，根据Maxwell理论，混合流体的归一化电导率与持水率存在如下关系式：
由于在表面活性剂作用下，油相被乳化为体积极小的油滴且弥散地分布在管道中，符合Maxwell理论的假设条件，故我们可以根据上式计算不同流动工况下水包油乳状液持水率。
(3)通过表面活性剂作用下油水两相流动态实验，采集电磁流量计输出电压信号。根据全水条件下电磁流量计输出电压与标定乳状液混合流速间拟合函数关系，获得不同流动工况下电磁流量计测量乳状液混合流速与标定乳状液混合流速及含水率之间的关系图版。
(4)利用场聚焦弧形对壁式电导传感器及电磁流量计所测持水率与混合流速参数，建立水包油乳状液漂移模型，其具体表达式为：
式中，Uso为油相表观速度，Yo为持油率，Um为混合流速，C0为相分布系数，n为泡径指数，U∞为单个油泡在无限静止的水中的上升速度。
将上式两边同时除以(1-Yo)n，可得：
令 上式可改写为：
Y＝C0X+U∞
因此，只要知道不同流动工况下Y和X的值，即可通过线性拟合的方式确定C0和U∞的数值。此处持油率根据场聚焦弧形对壁式电导传感器所测持水率求出，油相表观速度和混合流速代入电磁流量计所测结果，可绘制出图8所示不同实验流动工况下Y和X关系的散点图。
由图8可以看出，当泡径指数n取3.7时，Y与X呈现出良好的线性关系。通过线性拟合方法，可得出C0和U∞的数值分别为0.88918和0.0643m/s。因此，水包油乳状液的漂移模型最终表达式为：
实验验证与结果：
利用本发明设计的水包油乳状液场聚焦式弧形对壁电导传感器，可得到图5所示水包油乳状液细小泡状流的测量信号及图6所示归一化电导与标定含水率之间实验图版。可以看出，在极高含水率条件下(Kw≥90％)，场聚焦式弧形对壁式电导传感器电压波动信号随含水率升高表现出明显的逐渐下降趋势；通过归一化电导实验图版(图6)，发现场聚焦式弧形对壁式电导传感器归一化电导值对含水率变化表现出较高的分辨能力；此外，如图7所示，在电磁流量计有效测量量程范围内，不同含水率下电磁流量计所测水包油乳状液混合流速与实验标定混合流速基本一致；利用场聚焦式弧形对壁电导传感器与电磁流量计所测水包油乳状液持水率与混合流速建立的水包油乳状液漂移模型，可获得较高精度的分相表观流速预测结果(图9)。实验验证了本发明设计的场聚焦式弧形对壁电导传感器/电磁流量计组合的乳状液流量测量方法的有效性。
Claims (2)
1.一种电导传感器与电磁流量计组合的乳状液流量测量方法，所采用的电导传感器为聚焦式弧形对壁式电导传感器，用于测量沿管截面方向分布的平均含水率信息，在集流后的小管径测量管道内壁固定空间位置相对的弧形激励电极与弧形中心测量电极，在中心测量电极两侧分别等距放置相同尺寸的边缘保护电极，中心测量电极的轴向高度与由激励电极及其两侧的边缘保护电极组合形成的整体轴向高度相匹配。在小管径油水两相流实验中，当表面活性剂作用下的水包油乳状液流经流量计及电导传感器测量区域时，分别对电磁流量计及场聚焦式弧形对壁式电导传感器输出电压信号进行采集，数据处理时，将不同流动工况下场聚焦式弧形对壁式电导传感器电压信号进行归一化处理，提取其含水率测量特性；根据全水条件下电磁流量计输出电压与标定混合流速间拟合函数关系，获得不同流动工况下电磁流量计测量乳状液混合流速与标定乳状液混合流速及含水率之间的关系图版；利用场聚焦弧形对壁式电导传感器及电磁流量计所测持水率与混合流速参数，建立水包油乳状液漂移模型，实现分相表观流速预测；
其中，建立水包油乳状液漂移模型，实现分相表观流速预测的方法如下：
(1)所建立的水包油乳状液漂移模型为Y＝C0X+U∞，其中， Uso为油相表观速度，Yo为持油率，Um为混合流速，C0为相分布系数，n为泡径指数，U∞为单个油泡在无限静止的水中的上升速度。
(2)对于不同流动工况下Y和X的值，通过线性拟合的方式确定C0和U∞的数值；
(3)根据实际测得的持水率与混合流速值，利用水包油乳状液漂移模型获得油相表观速度。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在设计弧形对壁式电导传感器时，采用有限元分析法对中心测量电极与边缘保护电极轴向高度h，中心测量电极与边缘保护电极间距l和电极圆心角α进行优化。
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