CN109708564B - 气液/油气水多相流液膜厚度分布式电导测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同心三电极液膜测量传感器，包括位于圆形中心的圆形激励电极E，位于内圈的环形接收电极A和位于外圈的环形接收电极B，三个电极以同心的结构形式光滑内嵌在测量管道内壁的同一个截面上。本发明还给出所述传感器的双接收电极输出比值与液膜厚度的关系的标定方法，并一种气液/油气水多相流液膜厚度分布式电导测量方法。

Description

气液/油气水多相流液膜厚度分布式电导测量方法

技术领域

本发明涉及石油工业领域中气液/油气水多相流液膜厚度分布式电导测量方法。

背景技术

液膜广泛存在于气水/油气水多相流流动过程中，其段塞流及混状流液膜厚度一直是持气率测量中广泛关注的科学问题。基于不同物理原理的测量方法，如电学法，声波法，光学法及核辐射法等已应用于液膜厚度测量。对于剧烈波动的液膜，如气水/油气水多相流中的段塞流及混状流，其气塞周围液膜测量有很大难度。光学法因受其井下测量环境复杂苛刻等影响，难以直接应用到油井现场实时测量。核辐射法由于采用放射性物质，存在严重的安全防护问题。

电学法以其响应速度快，性能稳定及易于实现等优点而被广泛应用于液膜测量中，又以电导法应用最为广泛。然而，基于电导法的液膜测量传感器严重依赖于液相(水相)的导电性，对于气液两相流，当水中的矿化度及温度变化时，会导致水的电导率发生变化，从而对基于电导法的液膜测量产生严重的影响。对于油气水三相流，液膜中油水混合液含油率的变化也会改变混合液电导率，对液膜测量带来影响。

发明内容

本发明的目的是提供用于水电导率及含油率变化情况下的气液/油气水多相流体液膜厚度的分布式电导测量方法。该方法实现基于电导法的不受液相电导率变化影响的液膜测量，消除了水的温度和矿化度及液膜中的含油率变化对测量的影响，且可以克服单一传感器只能测量局部液膜厚度的局限性。技术方案如下：

一种同心三电极液膜测量传感器，包括位于圆形中心的圆形激励电极E，位于内圈的环形接收电极A和位于外圈的环形接收电极B，三个电极以同心的结构形式光滑内嵌在测量管道内壁的同一个截面上。

优选地，测量管道的内径为20mm。激励电极E半径r₁＝2mm，环形接收电极A与B的宽度d₂＝d₄＝0.75mm，激励电极E与接收电极A间距d₁＝2mm，接收电极A和接收电极B间距d₃＝0.5mm。

所述传感器的双接收电极输出比值与液膜厚度的关系的标定方法，其特征在于，将不同直径的绝缘圆柱有机玻璃棒放置于测量管道的中心，通过在形成的环形空间内注入不同水相电导率及液相含油率溶液来模拟对应厚度的液膜，从而获得在不同水相电导率及液相含油率情况下的环形接收电极A的输出，环形接收电极B的输出及环形接收电极B的输出与环形接收电极A的输出的比值与液膜厚度的关系。

本发明同时给出一种气液/油气水多相流液膜厚度分布式电导测量方法，采用多个所述的同心三电极液膜测量传感器，各个传感器光滑镶嵌于同一管道截面的内管壁上的不同位置，利用权利要求3的方法建立传感器的双接收电极输出比值与液膜厚度的关系，实现不受水相电导率及液相含油率变化影响的液膜厚度分布式测量，再将各个传感器所测的液膜厚度做平均，得到多相流液膜厚度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明的测量系统基于电导法，具有精度高，易于实现，响应速度快，性能稳定，无放射性等一系列优点。

(2)采用中心电极激励，外环两个电极接收的测量模式，通过对测量电极输出进行比值，消除了电导率变化对测量的影响。可实现不受水相矿化度，温度及液相含油率影响的液膜厚度测量。

(3)本发明的测量方法对液膜厚度有较高的分辨率，测量范围较大。采用分布式测量结构，可较为全面的获取液膜厚度信息。

附图说明

图1为三个同心三电极液膜传感器分布式测量的组合结构图。图1(a)为直视图，图1(b)为俯视图。

图2为同心三电极结构尺寸图。

图3为分布式液膜传感器电场分布图。

图4为单个同心三电极液膜传感器信号调理系统结构图。

图5为通过不同外径的圆柱体绝缘有机玻璃棒对三个同心三电极液膜传感器进行静态标定的实物图。其中图5(a)为静态标定实物图，图5(b)为标定所用的不同外径的圆柱体绝缘有机玻璃棒。

图6为传感器1在不同电导率σ水溶液下接收电极A及B的输出V_A及V_B随液膜变化的静态标定结果。其中图6(a)为A电极的标定结果，其中图6(b)为B电极的标定结果。

图7为传感器1在不同液相含油率f_o下接收电极A及B的输出V_A及V_B随液膜变化的静态标定结果。其中图7(a)为A电极的标定结果，其中图7(b)为B电极的标定结果。

图8为不同电导率及液相含油率水溶液下B电极输出电压与A电极输出电压的比值v与液膜厚度δ之间的关系。图8(a)为传感器1的标定关系，图8(b)为传感器2的标定关系，图8(c)为传感器3的标定关系。

图9为B电极输出电压与A电极输出电压的比值v与液膜厚度δ之间的拟合函数曲线。图9(a)为传感器1的拟合函数曲线，图9(b)为传感器2的拟合函数曲线，图9(c)为传感器3的拟合函数曲线。

图10(a)(b)(c)为在气液两相段塞流流动过程中，当水的电导率为1000μS/cm时，传感器1，2，3的A，B两电极输出，电极输出比值及液膜平均厚度信息。

图11(a)(b)(c)为在气液两相段塞流流动过程中，当水的电导率为4000μS/cm时，传感器1，2，3的A，B两电极输出，电极输出比值及液膜平均厚度信息。

图12(a)(b)(c)为在气液两相段塞流流动过程中，当水的电导率为8000μS/cm时，传感器1，2，3的A，B两电极输出，电极输出比值及液膜平均厚度信息。

图13(a)(b)(c)为在油气水三相段塞流流动过程中，当水的电导率为4000μS/cm，液相含油率f_o为0.05时，传感器1，2，3的A，B两电极输出，电极输出比值及液膜平均厚度信息。

图14(a)(b)(c)为在油气水三相段塞流流动过程中，当水的电导率为4000μS/cm，液相含油率f_o为0.1时，传感器1，2，3的A，B两电极输出，电极输出比值及液膜平均厚度信息。

图15(a)(b)(c)为在油气水三相段塞流流动过程中，当水的电导率为4000μS/cm，液相含油率f_o为0.2时，传感器1，2，3的A，B两电极输出，电极输出比值及液膜平均厚度信息。

图16(a)(b)(c)为在气液两相流动过程中，当水的电导率为1000μS/cm，4000μS/cm及8000μS/cm时，传感器1，2，3在不同工况下测量的液膜厚度的平均值。

图17(a)(b)(c)(d)为在油气水三相流动过程中，当水的电导率为4000μS/cm，液相含油率f_o为0.05,0.1,0.15及0.2时，传感器1，2，3在不同工况下测量的液膜厚度的平均值。

附图标号说明：

1、传感器管道；2、同心三电极液膜传感器；3、激励电极E；4、接收电极A；5、接收电极B；6、电极E与A间绝缘层；7、电极A与B间绝缘层；8、激励源信号；9、I/V转换电路；10、反相放大器；11、解调与调理模块。

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。

本发明的特点在于通过设计基于电导法的同心三电极液膜传感器，对两路测量电极输出进行比值，从而消除了电导率变化对测量的影响，可实现不受矿化度，温度及液相含油率影响的液膜厚度测量。通过在同一管截面放置三个同心三电极电导传感器对液膜厚度进行分布式测量，从而全面获取管截面上液膜厚度的分布信息。本发明具体细节如下：

(1)同心三电极液膜传感器分布式测量组合结构如图1所示，包括传感器管道1，三个同心三电极液膜传感器2，三个传感器在管截面周向分布，光滑的嵌到管道内壁，三个电极间的夹角θ＝120°。同心三电极结构尺寸如图2所示，激励电极3的半径为r₁，接收电极A的宽度为d₂，接收电极B的宽度为d₄，内绝缘层6宽度d₁，外绝缘层7宽度d₃。为了获得适用于液膜测量的传感器尺寸，对电极的结构尺寸进行了有限元分析与优化。由图3可以看出，当r₁＝2mm，d₂＝d₄＝0.75mm，d₁＝2mm，d₃＝0.5mm时，传感器有满足测量范围的最优的结构尺寸。

(2)由于三个液膜传感器的结构及测量系统相同，本发明只给出并详细分析液膜传感器1，其他两个传感器的测量系统与其一致。传感器1的测量系统如图4所示，信号源采用20kHz，峰峰值为4V的正弦电压交流信号，对于A电极输出，假设两电极间的等效电阻为R_A，激励信号的有效值为V_s，则系统的响应函数为：

又由于：

其中ρ为液膜的电阻率，σ为溶液电导率，S(x)为激励电极E到接收电极A之间的电阻等效横截面积微元，l(x)为等效长度微元，则电极间的电导G_A：

由于

可以表示成液膜厚度的函数，即：

故对于A电极，其系统响应函数最终可以写成：

同理，B电极的系统响应函数最终可以写成：

电路参数设定为

且为定值，由上式可以看出，单电极的输出不仅与液膜的厚度δ有关，而且受到液膜电导率σ变化的影响。液膜的水相矿化度，温度以及液相含油率的变化均会对液膜厚度的测量造成影响。

为此，我们将B路输出V_B与A路输出V_A进行比值计算得到v：

可以看到，通过比值法，消除了液膜电导率σ变化对液膜厚度测量的影响，使比值v仅与液膜厚度有关。通过静态标定，建立传感器1的v与液膜厚度δ之间函数关系f₁：

δ＝f₁(v)

标定传感器1的同时，可静态标定出传感器2及3的v与液膜厚度δ之间函数关系f₂及f₃。在动态测量中，通过测量得到三个传感器的v便可得到各自测量区域的液膜厚度信息δ₁，δ₂，及δ₃，将三者求平均即可得到平均液膜厚度

(3)如图5所示，通过在管道中心插入直径为10mm～19.5mm的绝缘有机玻璃棒，并且在管道环形空间内注入不同电导率的水，来模拟不同厚度的液膜，进而对传感器进行静态标定。图6为水相电导率为1000μS/cm，4000μS/cm，8000μS/cm时，不同液膜厚度下的A，B两电极的输出。可以看出，在相同液膜厚度下，水的电导率越高，传感器的输出越大。水相电导率一定时，液膜厚度越厚，输出电压越大。当液膜厚度大于2mm时，电极A的输出已经饱和，但传感器B仍有较好的上升趋势，直至液膜厚度接近5mm时，上升趋势变平缓，传感器失去对液膜厚度的分辨率。图7为在不同直径绝缘有机玻璃棒与管道形成的环形空间内注入不同液相含油率f_o的油水混合液时，不同液膜厚度下的传感器A，B两电极的输出。可以看出，在相同液膜下，f_o越大，电极的输出值越小，说明液相含油率的变化相当于改变了水的导电性，当油相较为均匀地分布在水相时，其液膜测量机理等同于气液两相流。图8为不同水相电导率及液相含油率下，不同液膜厚度下的B电极输出与A电极输出的比值。可以看出，二者的比值v与液膜的厚度δ存在函数关系，而与水相电导率及液相含油率都无关，说明通过双电极比值法可以消除引起电导率变化的因素(水相电导率及液相含油率)的影响，且与理论分析较为一致。通过拟合双电极比值v与液膜厚度δ之间的函数关系，便可以在实际测量中通过双电极比值v获得液膜厚度信息，三个液膜传感器的拟合曲线及函数关系f₁，f₂及f₃如图9所示。

(4)实验验证与结果：

图10(a)(b)(c)为气相表观速度U_sg为0.1472m/s，水相表观速度U_sw为0.2944m/s，气液两相段塞流流动过程中，当水的电导率为1000μS/cm时，传感器1，2，3的A，B两电极输出，电极输出比值及液膜厚度信息。三个传感器的A，B两个电极的输出在液塞经过时为高电平，当液膜结构经过时为低电平，电极A由于探测厚度较浅，因此，当超过其探测厚度的液膜部分及液塞部分，其表现为高电平，电极B由于探测厚度较厚，其电压输出可以很好的体现出液膜的波动情况，但在液塞部分也是为高电平。通过将电极B的输出与电极A的输出作比值得到v，再分别带入到各自的v与液膜厚度δ之间的函数关系，得到液膜及液塞整体的厚度波动情况。采用合适的阈值将液膜部分提取出来，并求取测量时间内的液膜平均厚度信息。可以看到，三个电极的测量结果有一定的差别，这也说明了液膜在管壁的厚度分布是非均匀的，也印证了采用三个传感器进行分布式测量的必要性。图11(a)(b)(c)及图12(a)(b)(c)为上述段塞流流动工况下，水的电导率为4000μS/cm及8000μS/cm时，传感器1，2，3的A，B两电极输出，电极输出比值及液膜厚度信息。可以看到，由于电导率的增加，三个传感器的A，B两电极的输出均增大，说明电导率变化会严重影响单电极测液膜的测量结果，将电极B的输出与电极A的输出作比值得到v，可以看到，二者的比值结果与电导率为1000μS/cm时接近，即通过比值法，可以消除电导率变化的影响，使比值输出仅与液膜厚度有关，通过将比值代入到各自的v与液膜厚度δ之间的函数关系，采用合适的阈值将液膜部分提取出来，并求取测量时间内的液膜平均厚度信息。不同电导率水溶液下的液膜厚度测量结果接近，说明双电极比值法可以消除水电导率变化对液膜测量的影响。

对于油气水三相流，由于气相的搅拌作用，使油相较为均匀的分布于水相当中，形成油水混合物的液膜，在油水混合均匀的前提下，其液相含油率对液膜测量的影响等同于水电导率变化对液膜测量的影响，因此，也可以采用双电极比值法来测量油水混合液的液膜厚度。图13(a)(b)(c)为在油气水三相流动过程中，气相表观速度U_sg为0.1472m/s，液相表观速度U_sl为0.2944m/s，液相含油率f_o为0.05时，传感器1，2，3的A，B两电极输出，电极输出比值及液膜厚度信息。图14(a)(b)(c)为上述油气水三相流段塞流流动工况下，当液相含油率f_o为0.1时，传感器1，2，3的A，B两电极输出，电极输出比值及液膜厚度信息。图15(a)(b)(c)为上述油气水三相流段塞流流动工况下，当液相含油率f_o为0.2时，传感器1，2，3的A，B两电极输出，电极输出比值及液膜厚度信息。可以看到，随着液相含油率的增加，A，B两电极的输出在减小，比值后的值均与图10-图12的接近，且相同工况下的液膜平均厚度信息也接近，说明在油相较为均匀分布于水相中时，双电极比值法可以消除液相含油率对液膜厚度测量的影响，可获得较为准确的液膜厚度信息。

图16为水的电导率σ为1000μS/cm，4000μS/cm及8000μS/cm时，不同工况下的三个传感器液膜厚度测量的平均结果

可以看到，不同水相电导率下，测量图版接近，说明采用该方法可以消除水电导率变化对液膜厚度测量的影响。图17为液相含油率f_o为0.05，0.1，0.15及0.2时，不同工况下的三个传感器液膜厚度测量的平均结果

可以看到，不同液相含油率下，测量图版接近，说明采用该方法可以消除液相含油率变化对液膜厚度测量的影响。因此，该方法可以实现基于电导法的在水相电导率及含油率变化情况下的多相流体液膜厚度的分布式测量。

Claims (2)

1.一种气液/油气水多相流液膜厚度分布式电导测量方法，采用多个同心三电极液膜测量传感器，每个同心三电极液膜测量传感器，包括位于圆形中心的圆形激励电极E，位于内圈的环形接收电极A和位于外圈的环形接收电极B，三个电极以同心的结构形式光滑内嵌在测量管道内壁的同一个截面上；各个同心三电极液膜测量传感器光滑镶嵌于同一管道截面的内管壁上的不同位置，首先建立传感器的双接收电极输出比值与液膜厚度的关系，实现不受水相电导率及液相含油率变化影响的液膜厚度分布式测量，再将各个传感器所测的液膜厚度做平均，得到多相流液膜厚度；建立传感器的双接收电极输出比值与液膜厚度的关系的方法为：将不同直径的绝缘圆柱有机玻璃棒放置于测量管道的中心，通过在形成的环形空间内注入不同水相电导率及液相含油率溶液来模拟对应厚度的液膜，从而获得在不同水相电导率及液相含油率情况下的环形接收电极A的输出，环形接收电极B的输出及环形接收电极B的输出与环形接收电极A的输出的比值与液膜厚度的关系。

2.根据权利要求1所述的气液/油气水多相流液膜厚度分布式电导测量方法，其特征在于，所述的同心三电极液膜测量传感器，测量管道的内径为20 mm；激励电极E半径r ₁=2 mm，环形接收电极A与B的宽度d ₂=d ₄=0.75 mm，激励电极E与接收电极A间距d ₁=2 mm，接收电极A和接收电极B间距d ₃=0.5 mm。

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