CN112985503B - 一种油水两相流持率和流速在线测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油工程技术领域，具体涉及一种油水两相流持率和流速在线测量装置及测量方法，装置包括计量罐、出液管电导传感器阵列、进液管电导传感器阵列、旁通管和数据采集处理器；方法为：1、打开进液控制阀，电导传感器检测进液管中流体，当检测到油水两相流信号时，开始信号计时；2、控制阀门使得油水分层逐渐充满计量罐，当出液管电导传感器检测到水相时，完成水相持率与流速测量；当出液管电导传感器检测到油相时，完成油相持率与流速测量；3、对油水测量信号进行测量异常值预处理，建立油水两相流相态转换点识别模型识别油水两相流相态转换点；4、采用标定法标定油相测量装置体积和水相测量体积，建立油水两相流流速和持率测量模型。

Description

一种油水两相流持率和流速在线测量装置及测量方法

技术领域：

本发明属于石油工程技术领域，具体涉及一种油水两相流持率和流速在线测量装置及测量方法。

背景技术：

油水两相流是一种常见的混合流体，随着现代工业的发展及油水两相流在工业中应用越来越广泛，对生产过程中油水两相流的计量、控制要求越来越高。目前油水两相流流量与持率测量中，有分离法和非分离法两种方法。分离法存在体积较大的缺点；非分离法往往采用传感器直接测量流量与持率，这就对传感器的精度提出了更高的要求。由于油相与水相相互耦合，分离法和非分离法都难以实现在线测量。

针对上述问题，提出了基于相态调控的流量与持率在线测量方法，通过相态调控将油水两相流调节成按时序流动的油水单相流，该方法的关键是出口端油水两相流不同相态的识别。

发明内容：

本发明的目的是克服现有油水两相流流速与持率分离法测量装置过大、非分离法对传感器精度依赖过高的问题，提供一种油水两相流持率和流速在线测量装置及测量方法。

本发明采用的技术方案为：一种油水两相流持率和流速在线测量装置，所述测量装置包括：计量罐、出液管电导传感器阵列、进液管电导传感器阵列、旁通管和数据采集处理器；所述计量罐的顶端、底端和侧面分别设有上出液管、下出液管和进液管，下出液管通过旁通管与出液汇管连通，出液汇管底端与上出液管连通，上出液管、下出液管和进液管上分别安装有上控制阀、下控制阀和进液控制阀；所述出液管电导传感器阵列和进液管电导传感器阵列分别设置于出液汇管和进液管内；所述数据采集处理器设置于旁通管上。

进一步地，一种使用在线测量装置测量油水两相流持率和流速的在线测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

步骤一：打开进液控制阀，进液管电导传感器阵列检测进液管中流体，当检测到油水两相流信号时，开始信号计时；

进液管处检测到油水两相流信号时并开始信号计时的方法如下：

进液管处最初为空气，电导信号为高电平，当油水两相流到达时，电导信号由高迅速变为低，将信号突变的时刻计为0；

步骤二：油水两相流自进液管流入计量罐，油水两相流中密度不同的油相和水相经重力作用和时间累积，在计量罐内形成油层-水层的流动结构，控制上控制阀和下控制阀使得油水分层逐渐充满计量罐，当出液汇管内的出液管电导传感器阵列检测到水相时，完成水相持率与流速测量；于此同时，调控上控制阀和下控制阀使得流体从旁通管流出出液口，当出液管电导传感器阵列检测到油相时，完成油相持率与流速测量；

油相和水相的调控方法如下：

打开进液控制阀，关闭下控制阀，打开上控制阀，油水多相流入计量罐内分层累积，且油层在上，水层在下，油水多相流从上出液管流到出液汇管(3)内，出液管电导传感器阵列信号从高变为低的时候，此为油相累积时间T_o，此时完成油相计量；在T_o时刻，关闭上控制阀，打开下控制阀，油水多相流从下出液管经旁通管流到出液汇汇管内，出液管电导传感器阵列信号从低变为高的时候，此为水相累积时间T_w，此时完成水相计量；

步骤三：对出液管电导传感器阵列油水测量信号进行测量异常值预处理，建立油水两相流相态转换点识别模型识别油水两相流相态转换点；

油水测量信号进行测量异常值预处理方法和油水两相流相态转换点识别模型如下：

由于油污附着在电导探针上、油水存在波动等因素都使得电导油水测量信号中存在测量异常值，为此需要进行异常值的识别与修正。第i个电导传感器第t个采样点采集到的油水两相流信号为x_i×t，由于电导传感器数量不多于15个且电导信号不符合正态分布，故无法采用莱以特法则处理测量异常值，本方法采用灰色系统理论处理电导油水测量信号中存在测量异常值，具体如下：

第i个电导传感器第t个采样点采集到的油水两相流信号为x_i×t，如果第i个电导传感器第t个采样点的灰预测值

满足

则认为x_i×t为异常值，此处修正值用

代替，ξ为电导传感器灰识别系数，S为第t个采样点x_i×t与

所构成的残差序列的方差；油水两相流信号x_i×t的预测值

的表达式为：

式中，α为油水预测发展系数，μ为油水预测灰色作用量；

电导传感器灰识别系数ξ表达式可表述如下：

式中，n为电导传感器的个数，||x_i×t||₂为x_i×t的2范数；

对处理掉异常值后的n个同一时刻的油水两相流信号求平均值后获得的油水两相流信号记为Y＝[y₁,y₂,…,y_t，…,y_l]，其中，y_t表示处理掉异常值后第t个采样点的油水两相流信号平均值，l为采样点的总数量；

灰色系统理论在预测曲线发展趋势方面有广泛的应用，但是GM(1,1)模型、DGM(1,1)模型、NDGM(1,1)模型中单一模型无法模拟预测油水两相流电导信号，因此本方法联合三种模型建立了如下灰预测模型；

联合GM(1,1)模型、DGM(1,1)模型、NDGM(1,1)三种模型建立了如下灰预测模型：

式中，

为y_t的联合灰预测模型的预测值，γ为油水两相流电导信号NDGM(1,1)模型的权值，β为油水两相流电导信号DGM(1,1)模型的权值，

为油水两相流电导信号NDGM(1,1)模型预测值，

为油水两相流电导信号DGM(1,1)模型预测值，

为油水两相流电导信号GM(1,1)模型预测值；

γ和β的求解方法如下：以前z个y_t值为建模数据和预测数据为数据对，建立含有权值γ、β无约束优化求解模型如下：

式中，q为γ和β参数求解中间变量，其值范围从1到z，通过求导获得建模权值γ和β；

油水两相流相态转换点识别模型如下：

式中，η为油水两相流相态转换点灰识别系数；

由以上可获得水两相流相态转换点y_t，故水相测量时间T_w＝tΔ,油相测量时间T_o＝(l-t)Δ，Δ为采样间隔；

步骤四、采用标定法标定油相测量装置体积和水相测量体积，建立油水两相流流速和持率测量模型；

采用的体积标定方法和流体的持率、流速计算方法如下：

打开进液控制阀，关闭下控制阀，打开上控制阀，此时测量装置内为空气，在多相流模拟井上通入已知流量的水，进液管电导传感器阵列信号发生突变时，将入口电导传感器信号发生突变时间记为Tca_b，当出液管电导传感器阵列电导信号发生突变时，发生突变时间记为Tca_o，水相计量体积V_w可表述为：

V_w＝(Tca_o-Tca_b)Q_w

式中，Q_w为每秒流入测量装置的水量，是一个在多相流模拟井设定的已知量；

打开进液控制阀，关闭上控制阀，打开下控制阀，此时测量装置内为空气，在多相流模拟井上通入已知流量油水两相流，进液管电导传感器阵列信号发生突变时，将入口电导传感器信号发生突变时间记为Tca_c，当出液管电导传感器阵列电导信号发生突变时，将出口电导传感器信号发生突变时间记为Tca_d，油相计量体积V_o可表述为：

V_o＝(Tca_d-Tca_c)Q_o

式中，Q_o为每秒流入测量装置的油量，是一个在多相流模拟井设定的已知量；

油油相流速VC_o和水相流速VC_w的计算方法如下：

油相持率h_o和水相持率h_w的计算方法如下：

本发明的有益效果：克服了现有油水两相流流速与持率分离法测量装置过大、非分离法对传感器精度依赖过高的问题，提供一种油水两相流持率和流速在线测量装置及测量方法。其主要优点如下：

(1)、提出了一种油水多相流流速和持率在线测量装置及测量方法，依据该方法制作的测量设备体积小、简单可靠；

(2)、提出了一种油水两相流测量异常值处理方法，避免了异常值对测量结果的影响，提高了测量精度；

(3)、建立油水两相流相态转换点识别模型，准确识别了油水两相流相态拐点，实现流速和持率的精确在线测量；

(4)、本方法电导传感器只测量液面，降低了测量队传感器精度的要求。

附图说明：

图1是实施例一中在线测量装置的结构示意图；

图2是实施例二中含有异常值的油水两相流信号图；

图3实施例二中消除测量异常值的油水两相流信号图；

图4是实施例二中采用方法识别的油水两相流相态转换点识别图；

图5是实施例二中采用本方法获得的油相流速测量结果图；

图6是实施例二中采用本方法获得的水相流速测量结果图；

图7实施例二中采用本方法获得的持水率测量结果图。

具体实施方式：

实施例一

参照图1，一种油水两相流持率和流速在线测量装置，所述测量装置包括：计量罐8、出液管电导传感器阵列1、进液管电导传感器阵列9、旁通管12和数据采集处理器4；所述计量罐8的顶端、底端和侧面分别设有上出液管6、下出液管11和进液管2，下出液管11通过旁通管12与出液汇管3连通，出液汇管3底端与上出液管6连通，上出液管6、下出液管11和进液管2上分别安装有上控制阀5、下控制阀10和进液控制阀7；所述出液管电导传感器阵列1和进液管电导传感器阵列9分别设置于出液汇管3和进液管2内；所述数据采集处理器4设置于旁通管12上。

进液控制阀安装在进液管上，用来控制流入计量罐的液体通断；进液管为中空圆柱形，长度为100mm，进液口为圆形，直径为30mm，进液管通过进液口与计量罐相连接，进液口位于计量罐中间；计量罐分为三部分，中间段为中空高1000mm、内径600mm圆柱体，两端为中空冠高150mm球冠结构；上出液口内直径30mm，长度为100mm；下出液口内直径30mm，长度为100mm；出液汇合段内直径30mm，长度为100mm；旁路管内直径30mm，长度为1300mm；上控制阀安装在上出液汇管上，下控制阀安装在下出液管上。

实施例二

参照图2-图7，一种使用在线测量装置测量油水两相流持率和流速的在线测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

步骤一：打开进液控制阀7，进液管电导传感器阵列9检测进液管中流体，当检测到油水两相流信号时，开始信号计时；

进液管处检测到油水两相流信号时并开始信号计时的方法如下：

进液管处最初为空气，电导信号为高电平，当油水两相流到达时，电导信号由高迅速变为低，将信号突变的时刻计为0；

步骤二：油水两相流自进液管2流入计量罐8，油水两相流中密度不同的油相和水相经重力作用和时间累积，在计量罐8内形成油层-水层的流动结构，控制上控制阀5和下控制阀10使得油水分层逐渐充满计量罐8，当出液汇管3内的出液管电导传感器阵列1检测到水相时，完成水相持率与流速测量；于此同时，调控上控制阀5和下控制阀10使得流体从旁通管12流出出液口，当出液管电导传感器阵列1检测到油相时，完成油相持率与流速测量；

油相和水相的调控方法如下：

打开进液控制阀7，关闭下控制阀10，打开上控制阀5，油水多相流入计量罐8内分层累积，且油层在上，水层在下，油水多相流从上出液管6流到出液汇管3内，出液管电导传感器阵列1信号从高变为低的时候，此为油相累积时间T_o，此时完成油相计量；在T_o时刻，关闭上控制阀5，打开下控制阀10，油水多相流从下出液管11经旁通管12流到出液汇汇管3内，出液管电导传感器阵列1信号从低变为高的时候，此为水相累积时间T_w，此时完成水相计量；

步骤三：对出液管电导传感器阵列1油水测量信号进行测量异常值预处理，建立油水两相流相态转换点识别模型识别油水两相流相态转换点；

油水测量信号进行测量异常值预处理方法和油水两相流相态转换点识别模型如下：

第i个电导传感器第t个采样点采集到的油水两相流信号为x_i×t，如果第i个电导传感器第t个采样点的灰预测值

满足

则认为x_i×t为异常值，此处修正值用

代替，ξ为电导传感器灰识别系数，S为第t个采样点x_i×t与

所构成的残差序列的方差；油水两相流信号x_i×t的预测值

的表达式为：

式中，α为油水预测发展系数，μ为油水预测灰色作用量；

电导传感器灰识别系数ξ表达式可表述如下：

式中，n为电导传感器的个数，||x_i×t||₂为x_i×t的2范数；

对处理掉异常值后的n个同一时刻的油水两相流信号求平均值后获得的油水两相流信号记为Y＝[y₁,y₂,…,y_t，…,y_l]，其中，y_t表示处理掉异常值后第t个采样点的油水两相流信号平均值，l为采样点的总数量；

联合GM(1,1)模型、DGM(1,1)模型、NDGM(1,1)三种模型建立了如下灰预测模型：

式中，

为y_t的联合灰预测模型的预测值，γ为油水两相流电导信号NDGM(1,1)模型的权值，β为油水两相流电导信号DGM(1,1)模型的权值，

为油水两相流电导信号NDGM(1,1)模型预测值，

为油水两相流电导信号DGM(1,1)模型预测值，

为油水两相流电导信号GM(1,1)模型预测值；

γ和β的求解方法如下：以前z个y_t值为建模数据和预测数据为数据对，建立含有权值γ、β无约束优化求解模型如下：

式中，q为γ和β参数求解中间变量，其值范围从1到z，通过求导获得建模权值γ和β；

油水两相流相态转换点识别模型如下：

式中，η为油水两相流相态转换点灰识别系数，其值可以取为2.7；

由以上可获得水两相流相态转换点y_t，故水相测量时间T_w＝tΔ,油相测量时间T_o＝(l-t)Δ，Δ为采样间隔；

步骤四、采用标定法标定油相测量装置体积和水相测量体积，建立油水两相流流速和持率测量模型；

采用的体积标定方法和流体的持率、流速计算方法如下：

打开进液控制阀7，关闭下控制阀10，打开上控制阀5，此时测量装置内为空气，在多相流模拟井上通入已知流量的水，进液管电导传感器阵列9信号发生突变时，将入口电导传感器信号发生突变时间记为Tca_b，当出液管电导传感器阵列1电导信号发生突变时，发生突变时间记为Tca_o，水相计量体积V_w可表述为：

V_w＝(Tca_o-Tca_b)Q_w

式中，Q_w为每秒流入测量装置的水量，是一个在多相流模拟井设定的已知量；

打开进液控制阀7，关闭上控制阀5，打开下控制阀10，此时测量装置内为空气，在多相流模拟井上通入已知流量油水两相流，进液管电导传感器阵列9信号发生突变时，将入口电导传感器信号发生突变时间记为Tca_c，当出液管电导传感器阵列1电导信号发生突变时，将出口电导传感器信号发生突变时间记为Tca_d，油相计量体积V_o可表述为：

V_o＝(Tca_d-Tca_c)Q_o

式中，Q_o为每秒流入测量装置的油量，是一个在多相流模拟井设定的已知量；

油相流速VC_o和水相流速VC_w的计算方法如下：

油相持率h_o和水相持率h_w的计算方法如下：

获得的含有测量异常值的油水两相流信号如图2所示，采用本方法提出的测量异常值修正方法获得油水两相流信号如图3所示，直接采用图2信号来计算流速和持率由于异常值的存在，油相流速误差为87.1％、水相流速误差为81.3％、持水率为78.2％，已经出现了明显的错误，而采用本方法修正后的图3信号，油相流速误差为5.1％、水相流速误差为4.3％、持水率为3.2％，故本发明有效。

采用本方法提出的油水相态识别点模型获得的油水识别图如4所示，经计算油相流速误差为4.7％、水相流速误差为5.1％、持水率为2.8％。为验证本方法的正确性进行了多组实验，图5为油相测量误差，图6为水相测量误差，图7为持水率测量误差。由图5、图6、图7可知，油相最大测量误差为3.8％、水相最大测量误差为3.7％、持水率测量误差最大为3.2％，故本方法测量精度高于现有测量精度。本方法克服了测量异常值带来的测量不准确问题，实现油水两相流流速和持率的在线准确测量，为油田开发提供了可靠的流速与持率参数。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明只局限于上述具体实施。在不脱离本发明整体思路和权利要求所保护的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种油水两相流持率和流速在线测量方法，其特征在于：所述在线测量方法使用的测量装置包括：计量罐(8)、出液管电导传感器阵列(1)、进液管电导传感器阵列(9)、旁通管(12)和数据采集处理器(4)；所述计量罐(8)的顶端、底端和侧面分别设有上出液管(6)、下出液管(11)和进液管(2)，下出液管(11)通过旁通管(12)与出液汇管(3)连通，出液汇管(3)底端与上出液管(6)连通，上出液管(6)、下出液管(11)和进液管(2)上分别安装有上控制阀(5)、下控制阀(10)和进液控制阀(7)；所述出液管电导传感器阵列(1)和进液管电导传感器阵列(9)分别设置于出液汇管(3)和进液管(2)内；所述数据采集处理器(4)设置于旁通管(12)上

所述测量方法包括以下步骤：

步骤一：打开进液控制阀(7)，进液管电导传感器阵列(9)检测进液管中流体，当检测到油水两相流信号时，此时测量开始时间；

步骤二：油水两相流自进液管(2)流入计量罐(8)，油水两相流中密度不同的油相和水相经重力作用和时间累积，在计量罐(8)内形成油层-水层的流动结构，控制上控制阀(5)和下控制阀(10)使得油水分层逐渐充满计量罐(8)，当出液汇管(3)内的出液管电导传感器阵列(1)检测到水相时，完成水相持率与流速测量；于此同时，调控上控制阀(5)和下控制阀(10)使得流体从旁通管(12)流出出液口，当出液管电导传感器阵列(1)检测到油相时，完成油相持率与流速测量；

油相和水相的调控方法如下：

打开进液控制阀(7)，关闭下控制阀(10)，打开上控制阀(5)，油水多相流入计量罐(8)内分层累积，且油层在上，水层在下，油水多相流从上出液管(6)流到出液汇管(3)内，出液管电导传感器阵列(1)信号从高变为低的时候，此为油相累积时间T_o，此时完成油相计量；在T_o时刻，关闭上控制阀(5)，打开下控制阀(10)，油水多相流从下出液管(11)经旁通管(12)流到出液汇管(3)内，出液管电导传感器阵列(1)信号从低变为高的时候，此为水相累积时间T_w，此时完成水相计量；

步骤三：对出液管电导传感器阵列(1)油水测量信号进行测量异常值预处理；

第i个电导传感器第t个采样点采集到的油水两相流信号为x_i×t，如果第i个电导传感器第t个采样点的灰预测值

满足

则认为x_i×t为异常值，此处修正值用

代替，ξ为电导传感器灰识别系数，S为第t个采样点x_i×t与

所构成的残差序列的方差；油水两相流信号x_i×t的预测值

的表达式为：

式中，α为油水预测发展系数，μ为油水预测灰色作用量；

电导传感器灰识别系数ξ表达式可表述如下：

式中，n为电导传感器的个数，||x_i×t||₂为x_i×t的2范数；

步骤四：建立油水两相流相态转换点识别模型识别油水两相流相态转换点，确定水相测量时间T_w和油相测量时间T_o；

对处理掉异常值后的n个同一时刻的油水两相流信号求平均值后获得的油水两相流信号记为Y＝[y₁,y₂,…,y_t，…,y_l]，其中，y_t表示处理掉异常值后第t个采样点的油水两相流信号平均值，l为采样点的总数量；

联合GM(1,1)模型、DGM(1,1)模型、NDGM(1,1)三种模型建立了如下灰预测模型：

式中，

为y_t的联合灰预测模型的预测值，γ为油水两相流电导信号NDGM(1,1)模型的权值，β为油水两相流电导信号DGM(1,1)模型的权值，

为油水两相流电导信号NDGM(1,1)模型预测值，

为油水两相流电导信号DGM(1,1)模型预测值，

为油水两相流电导信号GM(1,1)模型预测值；

γ和β的求解方法如下：以前z个y_t值为建模数据和预测数据为数据对，建立含有权值γ、β无约束优化求解模型如下：

式中，q为γ和β参数求解中间变量，其值范围从1到z，通过求导获得建模权值γ和β；

油水两相流相态转换点识别模型如下：

式中，η为油水两相流相态转换点灰识别系数；

由以上可获得水两相流相态转换点y_t，故水相测量时间T_w＝tΔ,油相测量时间T_o＝(l-t)Δ，Δ为采样间隔；

步骤五、采用体积标定法确定油相测量装置体积和水相测量体积，建立油水两相流流速和持率测量模型；

打开进液控制阀(7)，关闭下控制阀(10)，打开上控制阀(5)，此时测量装置内为空气，在多相流模拟井上通入已知流量的水，进液管电导传感器阵列(9)信号发生突变时，将入口电导传感器信号发生突变时间记为Tca_b，当出液管电导传感器阵列(1)电导信号发生突变时，发生突变时间记为Tca_o，水相计量体积V_w可表述为：

V_w＝(Tca_o-Tca_b)Q_W

式中，Q_w为每秒流入测量装置的水量，为在多相流模拟井设定的已知量；

打开进液控制阀(7)，关闭上控制阀(5)，打开下控制阀(10)，此时测量装置内为空气，在多相流模拟井上通入已知流量油水两相流，进液管电导传感器阵列(9)信号发生突变时，将入口电导传感器信号发生突变时间记为Tca_c，当出液管电导传感器阵列(1)电导信号发生突变时，将出口电导传感器信号发生突变时间记为Tca_d，油相计量体积V_o可表述为：

V_o＝(Tca_d-Tca_c)Q_o

式中，Q_o为每秒流入测量装置的油量，为在多相流模拟井设定的已知量；

油相流速VC_o和水相流速VC_w的计算方法如下：

油相持率h_o和水相持率h_w的计算方法如下：

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