CN112083043A - 油气水三相流电导传感器持气率组合测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合式油气水三相流电导传感器，包括设置在管道上的八电极旋转电场式电导传感器和嵌在管道边壁的至少三个油水混合液电导率传感器，各个油水混合液电导率传感器分布在同一个管道截面上，每个油水混合液电导率传感器为同心三电极结构，包括圆形激励电极E，位于内圈的环形接收电极A，位于外圈的环形接收电极B及所述的两个电极间的屏蔽层；油水混合液电导率传感器与流体接触的测量面为弧面，其曲率与内管壁相同，保证油水混合液电导率传感器测量面光滑内嵌在管道内壁上，用于捕获管壁处的无气相干扰的液相区域的液相混合电导率信息。本发明同时还提供一种采用此种传感器实现对垂直上升管中的油气水三相流的持气率测量。

Description

油气水三相流电导传感器持气率组合测量方法

技术领域

本发明涉及石油工业领域中基于电导传感器组合测量的油气水三相流持气率测量方法。

背景技术

油气水三相流广泛存在于油气田开采开发过程中，其持气率动态监测对理解油井生产特性及优化油气储集层管理具有重要实际意义。持气率通常采用直接敏感于气相的传感方式进行测量，如超声法(Ultrasonic method for measuring the gas holdup ofgas-liquid bubbly flow in a small-diameter pipe,Korean Journal of ChemicalEngineering,2016,33(4):1170-1180)及光纤探针法(基于光纤传感器的油气水三相流持气率测井仪,电子技术,2010,2:74-76)等。超声法基于超声声压衰减原理进行测量，超声法会受到周围环境如温度、压力等因素的影响。光纤探针法测量局部持气率来推测整体持气率，存在一定的局限性，且需要考虑针尖的磨损问题。

电导法以其响应速度快，性能稳定及易于实现等优点而被广泛应用于多相流的持率测量中。中国专利CN 2015103172555给出了一种八电极旋转电场式电导传感器持气率测量方法。但此种传感器在测量过程中依赖于混合液及水相电导率测量结果，实际测量时，当水的温度及矿化度随着测量环境发生变化时，八电极旋转电场式电导传感器无法实时获取水的电导率，导致测量结果产生严重偏差。且该发明专利只针对气液两相流的测量，无法实现对于油气水三相流的持气率测量。目前来看，基于电导法的油气水三相流持气率测量方法几乎空白。本发明提出一种新的基于电导法的油气水三相流持气率组合测量方法。通过采用八电极旋转电场式电导传感器获取三相混合液电导率，通过在管道边壁安装油水混合液电导率传感器获取油和水混合液的电导率，定义归一化电导率并建立持气率模型，实现不受矿化度影响的油气水三相流持气率测量。

发明内容

本发明在一种新的组合式油气水三相流电导传感器的基础上，提供油气水三相流持气率测量方法。通过采用八电极旋转电场式电导传感器获取油气水三相混合液电导率，利用在管道边壁安装的油水混合液电导率传感器来获取油和水混合液的电导率。通过将八电极旋转电场式电导传感器及油水混合液电导率传感器组合测量来同时获取三相混合液电导率及油水混合液电导率信息，进而定义归一化电导率。建立基于流动结构的归一化电导率与持气率的有效关系模型，实现基于电导法的不受矿化度影响的油气水三相流持气率测量。技术方案如下：

一种组合式油气水三相流电导传感器，用于对垂直上升管中的油气水三相流的持气率测量。其特征在于，包括设置在管道上的八电极旋转电场式电导传感器和嵌在管道边壁的至少三个油水混合液电导率传感器，各个油水混合液电导率传感器分布在同一个管道截面上，每个油水混合液电导率传感器为同心三电极结构，包括圆形激励电极E，位于内圈的环形接收电极A，位于外圈的环形接收电极B及所述的两个电极间的屏蔽层；油水混合液电导率传感器与流体接触的测量面为弧面，其曲率与内管壁相同，保证油水混合液电导率传感器测量面光滑内嵌在管道内壁上，用于捕获管壁处的无气相干扰的液相区域的液相混合电导率信息。

本发明同时还提供采用上述的传感器实现的油气水三相流电导传感器持气率组合测量方法，包括如下的步骤：

(1)利用八电极旋转电场式电导传感器，通过其四通道输出获得四通道对应的油气水三相混合液电导率信息σ^A，σ^B，σ^C及σ^D，四通道作平均作为油气水三相混合液电导率σ_m；

(2)利用至少三个油水混合液电导率传感器进行分布式测量，获得各个位置的油水混合液电导率，求平均后作为油水混合液电导率σ_l；

(3)定义与持气率有关的归一化电导率

为油气水三相混合液电导率与油水混合液电导率的比值，即

建立基于流动结构的归一化电导率与持气率间的有效测量模型，实现基于电导法的油气水三相流持气率测量。

本发明由于采取以上技术方案，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)油水混合液电导率传感器安装于管道边壁处，并采用具有较小探测深度的内电极进行测量，可获得不受气相影响的油水混合液电导率。采用三个油水混合液电导率传感器进行分布式测量并做平均，可获得较为准确的油水混合液电导率信息。

(3)将油水混合液电导率传感器与八电极旋转电场式电导传感器进行组合测量，定义归一化电导率并建立持气率模型，实现了基于电导法的油气水三相流持气率测量。

附图说明

图1为三个油水混合液电导率传感器与八电极旋转电场式电导传感器的组合测量结构。

图2为油水混合液电导率传感器结构尺寸图。

图3为油水混合液电导率传感器信号调理系统结构图。

图4为不同水电导率下油水混合液电导率传感器的输出V_A。

图5(a)为不同水电导率σ_w下，段塞流流动过程中的油水混合液电导率传感器的输出V_A，图5(b)为同一水的电导率，不同含油率f_o下，段塞流流动过程中的油水混合液电导率传感器的输出V_A。

图6为不同水电导率及液相含油率下，油水混合液电导率传感器测得的段塞流、混状流和泡状流的混合液电导率σ₁。

图7为将油水混合液电导率传感器与八电极旋转电场式电导传感器组合测量，并基于建立的持气率模型的持气率预测结果。

附图标号说明：

1、油水混合液电导率传感器；2、八电极旋转电场式电导传感器；3、测量管道；4、激励电极E；5、接收电极A；6、接收电极B；7、电极E与A和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

本发明的特点在于通过设计基于电导法的油水混合液电导率传感器获取油水混合液电导率信息，并通过与八电极旋转电场式电导传感器组合，并建立持气率测量模型，首次实现基于电导法的不受矿化度影响的持气率测量。

下面结合附图和实施例说明该发明的具体实施过程：

(1)三个油水混合液电导率传感器与八电极旋转电场式电导传感器的组合测量结构如图1所示，包括油水混合液电导率传感器1，八电极旋转电场式电导传感器2及管道3。三个油水混合液电导率传感器光滑内嵌在同一管截面的内壁上，其之间的夹角θ₁＝120°，八电极旋转电场式电导传感器的电极张角θ＝22.5°，电极轴向高度H＝4mm，电极径向厚度T＝1mm。油水混合液电导率传感器结构如图2所示，包括圆形中心激励电极4，环形接收电极5，环形接收电极6及电极间的绝缘层7。三个电极以同心的结构形式光滑内嵌在内径D＝20mm管道内壁。激励电极4的半径为r₁＝2mm，接收电极A与B的宽度w＝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d₂＝0.5mm。

(2)由于三个油水混合液电导率传感器的结构及测量系统相同，且本发明只使用内电极A进行测量，因此只分析A通道的输出V_A。油水混合液电导率传感器的测量系统如图3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，σ为溶液电导率，k为电极常数，因此A电极的输出最终可以写成：

电路参数设定为

及电极常数k为定值，固输出V_A与电导率σ呈线性关系。图4为油水混合液电导率传感器的静态标定结果，与理论分析一致，通过拟合可得到具体的函数关系式。采用同样的方法，其他两个油水混合液电导率传感器的函数关系也可以标定得到。测量中，三个油水混合液电导率传感器获得的电导率为σ_l1，σ_l2，及σ_l3，将三者求平均即可得到平均电导率σ_l。

σ_l＝(σ_l1+σ_l2+σ_l3)/3

(3)由八电极旋转电场式电导传感器的四通道输出获得四通道对应的油气水三相混合液电导率信息σ^A，σ^B，σ^C及σ^D，四通道作平均作为油气水三相混合液电导率σ_m，油水混合液电导率为σ_l，则定义归一化电导率

为：

最后建立基于流动结构的持气率模型：

对于泡状流，直接采用上述的公式进行计算，对于段塞流和混状流，需选取最优的阈值，将段塞流及混状流的归一化电导率

信号分成高电导率结构部分及低电导率结构部分，高电导率部分的占比为a＝N_h/N，即为高电导率结构部分的采样点数N_h与总计算点数N的比值；低电导率部分的占比为b＝N_l/N，即为低电导率结构部分的采样点数N_l与总计算点数N的比值。通过上述持气率模型，可以实现基于电导法的不受矿化度影响的持气率准确测量。

实验验证与结果：

图5(a)为气液两相段塞流时，水电导率变化时，油水混合液电导率传感器的A通道的输出V_A。可以看到，V_A均围绕着一个最大的基值在向下波动，在基值处，即传感器处于全水中时，电压值最大，受到气相的干扰时，电压值减小。基值较为稳定，且随着水的电导率的增加，基值在增加，且增加的倍数与水电导率增加倍数相同，这与图4标定得到的规律是一致的。图5(b)为油气水三相段塞流时，水电导率固定为4000μS/cm，油水混合液电导率传感器的A通道的输出V_A随液相含油率f_o的变化。可以看到，V_A均围绕着一个最大的基值在向下波动，在基值处，即油水混合液电导率传感器处于油水混合液中时，电压值最大，受到气相的干扰时，电压值减小。基值较为稳定，且随着含油率的增加，基值在减小，即含油率的增加使油水混合液的电导率减小，因此电压输出减小。图5可以说明，用油水混合液电导率传感器A通道的基值来获取液相的电导率信息是可靠的。

我们获得三个油水混合液电导率传感器的A通道输出最大值V_Amax作为基值，并带入各自的电导率与电压输出值的关系中，得到各自测得的液相电导率，并将三者做平均，作为最终测得的液相电导率σ_l。图6为测量结果，可以看到，当液相含油率为0时，该方法对水电导率的变化有很好的测量能力。当液相含油率变化时，该方法对液相含油率的变化也具有较好的测量能力。综上，该方法对液相电导率的变化具有较好的测量能力。泡状流的液相电导率测量结果要稍小于段塞流及混状流，可以归因于本次测量工况下的泡状流的气泡含量较高，导致油水混合液电导率传感器的探测场受到气泡的干扰较大，使得测得的混合液的电导率稍小。

图7为水的电导率为1000μS/cm，含油率f_o＝0；水的电导率为4000μS/cm，含油率f_o＝0，0.05，0.1及0.2；水的电导率为8000μS/cm，含油率f_o＝0时的计算结果。可以看到，采用该组合测量方法并基于提出的新的持气率测量模型，可以在水电导率变化及液相含油率变化的条件下实现基于电导法的持气率测量，且整体测量精度令人满意。值得注意的是，泡状流的计算结果有明显偏小的趋势，且误差较大。这主要可以归因于泡状流液相电导率的测量结果偏小，进而导致持气率计算结果有偏小趋势。

Claims (4)

1.一种组合式油气水三相流电导传感器，用于对垂直上升管中的油气水三相流的持气率测量。其特征在于，包括设置在管道上的八电极旋转电场式电导传感器和嵌在管道边壁的至少三个油水混合液电导率传感器，各个油水混合液电导率传感器分布在同一个管道截面上，每个油水混合液电导率传感器为同心三电极结构，包括圆形激励电极E，位于内圈的环形接收电极A，位于外圈的环形接收电极B及所述的两个电极间的屏蔽层；油水混合液电导率传感器与流体接触的测量面为弧面，其曲率与内管壁相同，保证油水混合液电导率传感器测量面光滑内嵌在管道内壁上，用于捕获管壁处的无气相干扰的液相区域的液相混合电导率信息。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，油水混合液电导率传感器的圆形激励电极E的半径为r1＝2mm，环形接收电极B的宽度w＝0.75mm，圆形激励电极E与环形接收电极A间距d1＝2mm，环形接收电极A和环形接收电极B间距d2＝0.5mm。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，八电极旋转电场式电导传感器的电极张角θ＝22.5°，电极轴向高度H＝4mm，电极径向厚度T＝1mm。

4.采用权利要求1所述的传感器实现的油气水三相流电导传感器持气率组合测量方法，包括如下的步骤：

(1)利用八电极旋转电场式电导传感器，通过其四通道输出获得四通道对应的油气水三相混合液电导率信息σ^A，σ^B，σ^C及σ^D，四通道作平均作为油气水三相混合液电导率σ_m；

(2)利用至少三个油水混合液电导率传感器进行分布式测量，获得各个位置的油水混合液电导率，求平均后作为油水混合液电导率σ_l；

(3)定义与持气率有关的归一化电导率

为油气水三相混合液电导率与油水混合液电导率的比值，即

建立基于流动结构的归一化电导率与持气率间的有效测量模型，实现基于电导法的油气水三相流持气率测量。

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