CN113803006B - 一种基于多相流密度实时监测恒节流压力调节的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多相流密度实时监测恒节流压力调节的装置与方法，包括：前部射线发生器、后部射线发生器、前部放射性探测器、后部放射性探测器、前部射线发生器保护罩、后部射线发生器保护罩、前部放射性探测器保护罩、后部放射性探测器保护罩、系统电源和信号采集处理数字电路；利用安装在传感器测量短节上的节流管线流体密度测量模块进行监测，并通过计算得到的节流管线内多相流流体类流型、流量、流速等参数，为节流阀开度的调节提供实时数据支持，可以保持节流压力的恒定。

Description

一种基于多相流密度实时监测恒节流压力调节的装置与方法

技术领域

本发明涉及钻井井控期间的节流控制技术领域，尤其涉及一种可以调节并稳定多相流在节流阀中流动时引起的节流压力波动的装置和方法。

背景技术

石油资源的勘探开发一直都备受世界各国的关注，我国的石油工业经过近几十年来的不断发展，石油开采技术逐渐接近发达国家的技术水平。而现阶段石油资源开发过程中最大的问题是如何在不断提高石油开采技术的同时保证在开采过程中的安全生产问题。在石油天然气钻井中，节流管汇的节流压力控制是保证钻井安全、保护自然环境及地下资源的重要技术课题。在油气开发过程中，如果是节流压力控制不当就会引起井底压力失衡，就可能发生重大的安全事故，如溢流、井涌、井喷等。这些问题会导致现场井控设备的损坏、油气井的废弃、并引发一系列的环境污染等问题。

节流管汇是控制井口回压和井内流体，实施油气井压力控制的可靠且必要的设备。在油气钻井过程中，当井筒中的钻井液被地层流体污染时﹐就会破坏钻井液静液柱压力和地层压力之间的平衡关系﹐从而导致溢流。发生事故后，在循环出被污染的钻井液和泵入高密度钻井液重新建立井内压力平衡关系的过程中，可以利用节流阀控制井口回压维持一定的井底压力，避免地层流体更进一步侵入，减少事故带来的损失。节流管汇除了约束流体流动的管道外，还包括各种控制流体流动的阀门，主要有平板阀和节流阀。平板阀只有“通流”或“断流”两个状态，在节流管汇中起到了选择不同流通路径的作用。节流阀是节流管汇的核心控制部件。在压井过程中，在泥浆的排量保持不变的情况下﹐必须保证井底压力始终大于地层压力。井底压力等于井筒内液柱压力和井口压力之和，当井底压力小于要求的压力时就需要依靠手动或液动节流阀调节节流管汇的流道面积大小，以实现对节流压力的控制，进而保证井底压力在一定的范围内变化﹐保持压力平衡。

根据在不同含气率下节流性能实验及模拟研究发现，在多相流体系中节流压力随着开度的减少呈螺旋上升趋势，多相流中的含气率随着开度的减少而减少。随着节流压力的增加，造成气体收缩，体积含量逐渐降低。在多相节流条件下，由于含气率的不同，会引起不同程度的节流压力波动，会破坏压力平衡，导致井下溢流情况的发生，严重时有可能会发生重大的安全事故。在多相节流条件下，对节流压力波动进行数值模拟分析得出，含气率较低时，多相流流型为泡状流，气体以小气泡的形式在管中运移，小气泡在流经节流区域时，由于快速流出，引起的节流压力波动有限；含气率增大时，节流管线内的多相流流型为泡状流向段塞流转变阶段，管内大气泡增多，而当这些大气泡流经节流区域时，引起的节流压力会有较大的波动；含气率继续增大时，节流管线内的多相流流型变为搅拌流，气体夹带着液体流经节流区域，引起节流压力发生有规律的大幅度波动；含气率继续增大，节流管线内的多相流流型发展为环雾流，当顶替前置液相时，节流压力发生断崖式下跌，随后又随着气液体积变化而持续波动，当大部分液相被顶替完成时，节流管线内形成雾状流节流状态，节流压力降低到较低水平，并在较小范围内持续波动。总结分析可知，在节流管线内的多相流动中，流型为泡状流的情况下，节流压力波动幅度有限，节流压力损失小；流型为搅拌流及段塞流的情况下，节流压力波动幅度较大，节流压力损失较大；流型为环状流的情况下，节流压力波动幅度较小，但是节流压力损失较大。

为避免因节流管线内的多相流流型而导致的节流压力波动，造成的节流压力损失，甚至引起安全事故。有必要提出一种基于多相流动情况下的恒节流压力调节装置及方法，可以实时监测节流管线中多相流的流动情况，并通过计算得到的节流管线内的流体(油、气、水)的类型、流量、流速等参数，为恒节流压力调节提供数据支持。

目前的恒节流压力调节方法主要是通过观察安装在节流阀外部的节流压力示数表来手动调节节流阀开度的大小，实现节流压力的恒定。这种观察压力示数表的方法有很大的延迟性，对于多相流在节流阀处造成的节流压力波动大的情况无法完成及时有效的调节，从而会引发井筒压力失衡，造成钻井事故的发生。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于多相流密度实时监测来进行恒节流压力调节的装置和方法，用于在钻井井控节流期间对节流压力进行稳定调节，使得节流压力波动调整在较小的范围，减少节流压力损失，保持井内压力平衡，避免安全事故的发生。

本发明可以在节流管线内的多相流流体未进入节流阀时进行提前实现预警和判断计算，可以预测节流压力发生波动的时间并提前做好调节节流阀开度的准备和计算好开度的调节范围。

术语解释：

单源单向低强度射线发生器，属于伽马射线发生器的一种，是由一个射线发射源向一个固定方向发射伽马射线。

本发明的技术方案为：

一种基于多相流密度实时监测恒节流压力调节的装置，所述装置安装在节流阀与井筒之间的节流管线上的放射性密度传感器上，

该装置具体包括：前部射线发生器、后部射线发生器、前部放射性探测器、后部放射性探测器、前部射线发生器保护罩、后部射线发生器保护罩、前部放射性探测器保护罩、后部放射性探测器保护罩、系统电源和信号采集处理数字电路；

所述前部射线发生器、后部射线发生器、前部放射性探测器、后部放射性探测器按节流管线径向分布，均由夹具固定在放射性密度传感器的测量位置处，所述前部射线发生器、后部射线发生器设置在所述节流管线的一侧，所述前部放射性探测器、后部放射性探测器设置在所述节流管线的另一侧；

所述前部射线发生器设置在所述前部射线发生器保护罩与所述放射性密度传感器的偏置测量短节形成的空间内；所述后部射线发生器设置在所述后部射线发生器保护罩与所述放射性密度传感器的偏置测量短节形成的空间内；所述前部放射性探测器设置在所述前部放射性探测器保护罩与所述放射性密度传感器的偏置测量短节形成的空间内；所述后部放射性探测器设置在所述后部放射性探测器保护罩与所述放射性密度传感器的偏置测量短节形成的空间内；

前部放射性探测器、后部放射性探测器均连接信号采集处理数字电路，所述信号采集处理数字电路连接所述系统电源；

所述系统电源和信号采集处理数字电路安装于传感器的偏置测量短节形成的空间内，由系统电源提供能量，经传感器变换成电信号，经过信号采集数字电路进行记录、存储并分析上传数据。

根据本发明优选的，所述前部射线发生器及所述后部射线发生器均为单源单向低强度射线发生器，单源单向低强度射线发生器中的射线是伽马射线；

所述前部放射性探测器及所述后部放射性探测器均为伽马射线检测计。

根据本发明优选的，所述前部射线发生器与所述前部放射性探测器为一组，所述前部射线发生器发射伽马射线穿过节流管线中的流体，由固定在对面的所述前部放射性探测器接收，节流管线中的流体流经所述前部射线发生器与所述前部放射性探测器所在的空间时，流体密度变化被所述前部放射性探测器检测，上传分析得到前部的放射性密度传感器的测量位置处的密度信号；

所述后部射线发生器与所述后部放射性探测器为一组，所述后部射线发生器发射伽马射线穿过节流管线中的流体，由固定在对面的所述后部放射性探测器接收，节流管线中的流体流经所述后部射线发生器与所述后部放射性探测器所在的空间时，流体密度变化被所述后部放射性探测器检测，上传分析得到后部的放射性密度传感器的测量位置处的密度信号。

根据本发明优选的，所述前部放射性探测器包括前部放射性探测器反射脉冲外罩、前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件、前部放射性探测器反射脉冲高压变流器、前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件，均设置在所述前部放射性探测器保护罩内部；前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件、前部放射性探测器反射脉冲高压变流器、前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件沿节流管线依次径向分布，并均设置在所述前部放射性探测器反射脉冲外罩的内部；

前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件接收前部射线发生器发射的伽马射线，经前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件将接收的脉冲信号转变为电信号，再经前部放射性探测器反射脉冲高压变流器将电信号传输给信号采集处理数字电路；

所述后部放射性探测器包括后部放射性探测器发射脉冲外罩、后部放射性探测器发射脉冲闪烁组件、后部放射性探测器发射脉冲高压变流器、后部放射性探测器发射脉冲信号分析组件，均设置在所述后部放射性探测器保护罩内部；后部放射性探测器反射脉冲闪烁组件、后部放射性探测器反射脉冲高压变流器、后部放射性探测器反射脉冲信号分析组件沿节流管线依次径向分布，并均设置在所述后部放射性探测器反射脉冲外罩的内部；

后部放射性探测器反射脉冲闪烁组件接收后部射线发生器发射的伽马射线，经后部放射性探测器反射脉冲信号分析组件将接收的脉冲信号转变为电信号，再经后部放射性探测器反射脉冲高压变流器将电信号传输给信号采集处理数字电路。

根据本发明优选的，所述前部射线发生器与后部射线发生器之间，以及前部放射性探测器与后部放射性探测器之间的间隔均为1-3米；

进一步优选的，所述前部射线发生器与后部射线发生器之间，以及前部放射性探测器与后部放射性探测器之间的间隔均为2米。

一种基于多相流密度实时监测来进行恒节流压力调节的方法，通过上述基于多相流密度实时监测恒节流压力调节的装置实现，具体实现步骤如下：

(1)将获取的前部的放射性密度传感器的测量位置处的密度信号和后部的放射性密度传感器的测量位置处的密度信号整合在一起，形成节流管线中流体密度监测曲线；

通过相关性分析得到，发生密度变化的环空内的流体在前部密度监测传感器和后部密度监测传感器间的运移时间t₂-t₁，t₁是指前部密度监测传感器监测到节流管线内流体密度发生突变的时刻，t₂是指后部密度监测传感器监测到环空内流体密度发生突变的时刻，单位均是s；前部密度监测传感器包括前部射线发生器和前部反射性探测器，后部密度监测传感器包括后部射线发生器和后部反射性探测器；再结合前部密度监测传感器和后部密度监测传感器的测量位置处的间距L₁，得到地层流体在井筒内的混相速度v_mix，其计算公式如式(Ⅰ)所示：

(2)由得到的地层流体在井筒内的混相速度v_mix，后部密度监测传感器与节流阀之间的距离L₂，得到气体由后部的放射性密度传感器的测量位置处进入节流阀孔喉处所需的时间T，即为操作人员提供节流阀开度的调整时间T，其计算公式如式(II)所示：

(3)保持节流压力P的恒定，就是要维持节流管线内流体的流量、密度和节流阀的节流面积三者的动态平衡，流体的密度ρ由前部密度监测传感器或后部密度监测传感器监测得到，即监测到流体密度突变稳定后的较小密度值，流体的流量Q由公式(Ⅰ)和公式(Ⅳ)综合计算得出：

Q＝v_mix·A(Ⅳ)

ΔP是指节流压力的波动值，Pa；A是指节流管线的横截面积，m²；

在某一时刻，前部密度监测传感器或后部密度监测传感器测出流体的密度ρ和计算所得的流体流量Q是确定的，结合公式(Ⅲ)就计算出维持节流压力P不变时所需节流阀的节流面积A_r，从而根据节流阀的结构尺寸数据，折算出此时所需的节流阀开度的范围；

(4)在公式(II)计算出的延迟时间内，根据步骤(3)计算出的节流阀开度的范围，对节流阀开度进行调节，使得节流压力维持恒定。

本发明的有益效果为：

1、本发明实时监测节流管线内流体的多相流的密度变化，利用安装在传感器测量短节上的前部密度监测传感器和后部密度监测传感器进行监测，并通过计算得到的节流管线内多相流流体类流型、流量、流速等参数，为节流阀开度的调节提供实时数据支持，可以保持节流压力的恒定。

2、本发明所使用的单源单向低强度射线发生器发射的射线是γ射线，放射源产生的γ射线穿过节流管线内流经的流体，再被放射性探测器所接收，从而测试γ射线密度。其基本原理是根据γ射线穿透物质能力与物质密度成反比来测量物质密度。在测量流体一侧安放γ射线源，另一侧装γ射线检测计，γ射线穿过流体后部分被吸收，剩下部分到达检测计测出其强度从而量出流体密度。γ射线密度计的测量是非接触式的，不受被测介质的化学性质和温度、压力、黏度等物理性质的影响。

3、本发明安装时无需在被测设备上开孔、打眼或进行改造，只需用夹具固定在管道两侧即可，安装十分方便。

4、由于测量探头不与被测介质接触，投入使用以后，本发明基本不需要维护。特别适用于高温、高压、强腐蚀、高黏度、剧毒、深冷、含大量悬浮颗粒的液体密度测量，而在这些恶劣条件下，常规测量仪表是难以胜任的。

附图说明

图1是本发明节流阀传感器测量短节剖视图；

图2是本发明前部放射性探测器剖视图；

图3是本发明后部放射性探测器剖视图；

图4是本发明多相流密度实时监测恒节流压力压力调节示意图；

图5是本发明前后传感器测量处密度信号相关性曲线示意图。

001、前部射线发生器；002、前部放射性探测器；0021、前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件；0022、前部放射性探测器反射脉冲高压变流器；0023、前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件；0024、前部放射性探测器反射脉冲外罩；003、后部射线发生器；004、后部放射性探测器；0041、后部放射性探测器反射脉冲闪烁组件；0042、后部放射性探测器反射脉冲高压变流器；0043、后部放射性探测器反射脉冲信号分析组件；0044、后部放射性探测器反射脉冲外罩；005前部射线发生器保护罩；006、前部放射性探测器保护罩；007、后部射线发生器保护罩；008、后部放射性探测器保护罩；009、系统电源；010、信号采集处理数字电路；011、节流阀。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更充分更清楚地了解本发明的细节。以下所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；在此描述的本发明的具体实施方式，仅作解释目的，而不以任何方式构成对本发明的限制。在本发明的基础上，技术人员可以在没有做出创造性劳动的前提下构想基于本发明的可能变形或获得其他实施例，应一体视作本发明的范畴。

在不另作定义的前提下，本发明使用的科学和技术术语与本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

实施例1

利用井口回压控制井底压力是控制压力钻井技术控制压力的主要手段之一，井口回压大小的改变是通过调节节流阀011开度大小来实现的。通过节流阀011开度的调节，维持一定的节流压力，使得井底压力稳定，避免井下溢流等事故的发生。在节流管线中纯液相的流动不会造成节流压力的过度波动，进而损失的节流压力小，不会对井底压力的平衡产生较大的影响。而在多相流体系中，液相、气相等混合进入节流管线，当混合的流体经过节流阀011的孔喉处时，由于各相的密度不同，产生的瞬时节流压力也不同，并且气相在经过节流阀011的孔喉处时产生的节流压力几乎为零。在多相流体系中，节流压力随开度的减小而增加的趋势没有变，随排量增加而增加的规律也没有改变，但是由于多相流节流过程中，节流压力受到瞬时含气率影响十分显著，因此平均含气率在描述节流压力波动时，无实际意义。由于不同含气率下，管内流型差别较大，通过实验研究和数值模拟可知：在泡状流条件下，节流压力波动幅度有限,但节流压力损失小；在搅拌流及段塞流条件下，节流压力波动幅度较大；在环状流条件下，节流压力波动幅度较小，但节流压力损失大。综上，多相流中各相体积分数不均匀性是引起节流阀011压力波动的主要原因。本发明的装置是基于多相流条件下，测量节流管线的流体密度的变化及该变化的传播速度，从而定量的表征流体在节流管线中的运移过程，并通过计算及时的调节节流阀011开度的大小，保证节流压力的稳定。

一种基于多相流密度实时监测恒节流压力调节的装置，如图4所示，主体是节流阀011传感器测量短节，如图1所示，装置安装在节流阀011与井筒之间的节流管线上的放射性密度传感器上，该装置安装在靠近节流阀011一侧，方便于将密度监测信号及时反馈处理，并通过计算得到的节流管线内流体(油、气、水)的流型、流量、流速等参数，给节流阀011的调节提供准确的数据支持。该装置具体包括：前部射线发生器001、后部射线发生器003、前部放射性探测器002、后部放射性探测器004、前部射线发生器保护罩005、后部射线发生器保护罩007、前部放射性探测器保护罩006、后部放射性探测器保护罩008、系统电源009和信号采集处理数字电路010。

前部射线发生器001、后部射线发生器003、前部放射性探测器002、后部放射性探测器004按节流管线径向分布，均由夹具固定在放射性密度传感器的测量位置处，前部射线发生器001、后部射线发生器003设置在节流管线的一侧，前部放射性探测器002、后部放射性探测器004设置在节流管线的另一侧。

前部射线发生器001设置在前部射线发生器保护罩005与放射性密度传感器的偏置测量短节形成的空间内；后部射线发生器003设置在后部射线发生器保护罩007与放射性密度传感器的偏置测量短节形成的空间内；前部放射性探测器002设置在前部放射性探测器保护罩006与放射性密度传感器的偏置测量短节形成的空间内；后部放射性探测器004设置在后部放射性探测器保护罩008与放射性密度传感器的偏置测量短节形成的空间内；

前部放射性探测器002、后部放射性探测器004均连接信号采集处理数字电路010，信号采集处理数字电路010连接系统电源009；

系统电源009和信号采集处理数字电路010安装于传感器的偏置测量短节形成的空间内，节流管线内流体密度及变化信号等数据由系统电源009提供能量，经传感器变换成电信号，经过信号采集数字电路010进行记录、存储并分析上传数据。

本发明的装置是提供一种基于多相流密度实时监测来进行恒节流压力调节，该装置测量节流管线内流体的密度变化及该变化的传播速度，从而定量化表征节流管线内多相流流动情况，并依据测量数据实时调节节流阀011的开度，使得节流压力始终保持在一定范围内，实现恒节流压力调节。

前部射线发生器001及后部射线发生器003均为单源单向低强度射线发生器，单源单向低强度射线发生器中的射线是伽马射线；

前部放射性探测器002及后部放射性探测器004均为伽马射线检测计。

前部射线发生器001与前部放射性探测器002为一组，前部射线发生器001发射伽马射线穿过节流管线中的流体，由固定在对面的前部放射性探测器002接收，节流管线中的流体流经前部射线发生器001与前部放射性探测器002所在的空间时，流体密度变化被前部放射性探测器002检测，上传分析得到前部的放射性密度传感器的测量位置处的密度信号；

后部射线发生器003与后部放射性探测器004为一组，后部射线发生器003发射伽马射线穿过节流管线中的流体，由固定在对面的后部放射性探测器004接收，节流管线中的流体流经后部射线发生器003与后部放射性探测器004所在的空间时，流体密度变化被后部放射性探测器004检测，上传分析得到后部的放射性密度传感器的测量位置处的密度信号。

如图2所示，前部放射性探测器002包括前部放射性探测器反射脉冲外罩0024、前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件0021、前部放射性探测器反射脉冲高压变流器0022、前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件0023，均设置在前部放射性探测器保护罩006内部；前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件0021、前部放射性探测器反射脉冲高压变流器0022、前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件0023沿节流管线依次径向分布，并均设置在前部放射性探测器反射脉冲外罩0024的内部；

前部放射性探测器反射脉冲闪烁组件0021接收前部射线发生器001发射的伽马射线，经前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件0023将接收的脉冲信号转变为电信号，再经前部放射性探测器反射脉冲高压变流器0022将电信号传输给信号采集处理数字电路010；

如图3所示，后部放射性探测器004包括后部放射性探测器发射脉冲外罩0044、后部放射性探测器发射脉冲闪烁组件0041、后部放射性探测器发射脉冲高压变流器0042、后部放射性探测器发射脉冲信号分析组件0043，均设置在后部放射性探测器保护罩008内部；后部放射性探测器反射脉冲闪烁组件0041、后部放射性探测器反射脉冲高压变流器0042、后部放射性探测器反射脉冲信号分析组件0043沿节流管线依次径向分布，并均设置在后部放射性探测器反射脉冲外罩0044的内部；

后部放射性探测器反射脉冲闪烁组件0041接收后部射线发生器003发射的伽马射线，经后部放射性探测器反射脉冲信号分析组件0043将接收的脉冲信号转变为电信号，再经后部放射性探测器反射脉冲高压变流器0042将电信号传输给信号采集处理数字电路010。

单源单向低强度射线发生器是采用137Cs放射源，前部放射性探测器002及后部放射性探测器004采用的是闪烁探测器，前部放射性探测器反射脉冲信号分析组件0023及后部放射性探测器反射脉冲信号分析组件0043采用微处理器电路，包括中央处理器、输入通道和输出通道等部分，主要功能是对密度信号进行放大、运算处理和电流输出，对闪烁探测器提供稳定的电压，对仪器进行故障诊断、报警并提示故障排除方法，还可进行简单化的标定。

在安装前部和后部测量传感器时，应保证放射源出射孔和探测器入射窗口之间的准直对中，放射源和探测器的安装必须由夹具紧固，避免产生振动。

前部射线发生器001与后部射线发生器003之间，以及前部放射性探测器002与后部放射性探测器004之间的间隔均为2米。

通过该装置得到的节流管线内流体密度及变化信号等数据经传感器变换成电信号，经过信号采集处理数字电路010进行记录、存储并分析上传数据，通过对数据的分析可以得到实时节流管线内含气率的变化，从而对节流阀011的开度进行调节，达到保持节流压力恒定不变的效果。

本发明装置所涉及到的前部射线发生器001和后部射线发生器003，及前部放射性探测器002和后部放射性探测器004要求监测精确，在使用前需要校准。

本发明装置所涉及到的传感器校准采用实物校准，需要零点校准和量程校准。首先，零点校准，先将被测管道中注满水，根据水在现温度下的密度调校仪表的零点；然后，量程校准，由于伽马射线密度测量的严重非线性，量程校准至少需要选取3个点以上，量程校准需在工况稳定的情况下进行，且每个点需要重复取样三次，用手工分析法测定样品的密度值，最后，取其平均值调校仪表的示值。

实施例2

实施例1所述的基于多相流密度实时监测来进行恒节流压力调节的方法，首先计算气相由传感器测量处进入节流阀011的时间，从而为调整节流阀011提供操作时间，再通过传感器测量的多相流混合密度等数据，根据节流压力表征模型计算出对应维持恒定的节流压力所需的节流面积，最后根据计算所得的节流面积调节节流阀011的开度，使得节流压力维持恒定。通过上述基于多相流密度实时监测恒节流压力调节的装置实现，具体实现步骤如下：

(1)将获取的前部的放射性密度传感器的测量位置处的密度信号和后部的放射性密度传感器的测量位置处的密度信号整合在一起，形成节流管线中流体密度监测曲线；

前部放射性密度传感器测量形成的密度信号经数据处理得到实时监测的流体密度值，进而形成前部密度监测曲线，后部放射性密度传感器测量形成的密度信号经数据处理得到实时监测的流体密度值，进而形成的后部密度监测曲线，将前部密度监测曲线和后部密度监测曲线整理到一个坐标轴下，从而形成节流管线中流体密度监测曲线；如图5所示，其中a曲线表示前部放射性密度传感器测量密度信号；b曲线表示后部放射性密度传感器测量密度信号。

通过相关性分析得到，发生密度变化的环空内的流体在前部密度监测传感器和后部密度监测传感器间的运移时间t₂-t₁，t₁是指前部密度监测传感器监测到节流管线内流体密度发生突变的时刻，t₂是指后部密度监测传感器监测到环空内流体密度发生突变的时刻，单位均是s；前部密度监测传感器包括前部射线发生器001和前部反射性探测器002，后部密度监测传感器包括后部射线发生器003和后部反射性探测器004；再结合前部密度监测传感器和后部密度监测传感器的测量位置处的间距L₁，得到地层流体在井筒内的混相速度v_mix，其计算公式如式(Ⅰ)所示：

(2)由得到的地层流体在井筒内的混相速度v_mix，后部密度监测传感器与节流阀011之间的距离L₂，得到气体由后部密度监测传感器的测量位置处进入节流阀011孔喉处所需的时间T，即为操作人员提供节流阀011开度的调整时间T，其计算公式如式(II)所示：

(3)根据节流压力表征模型公式可知，节流压力与流体的流量、密度和节流阀011的节流面积有关，保持节流压力P的恒定，就是要维持节流管线内流体的流量、密度和节流阀011的节流面积三者的动态平衡。其中，流体的密度ρ由前部密度监测传感器或后部密度监测传感器监测得到，即监测到流体密度突变稳定后的较小密度值，流体的流量Q由公式(Ⅰ)和公式(Ⅳ)综合计算得出：

Q＝v_mix·A(Ⅳ)

ΔP是指节流压力的波动值，Pa；A是指节流管线的横截面积，m²；

在某一时刻，前部密度监测传感器或后部密度监测传感器测出流体的密度ρ和计算所得的流体流量Q是确定的，结合公式(Ⅲ)就计算出维持节流压力P不变时所需节流阀011的节流面积A_r，从而根据节流阀011的结构尺寸数据，折算出此时所需的节流阀011开度的范围；根据筒型、针型等不同节流阀011通径处的内部结构尺寸不同，可以通过几何尺寸计算出不同开度下的节流面积。在本发明中是根据公式(Ⅲ)计算出维持节流压力恒定所需的节流面积，从而推算出所需要调节的开度大小；

(4)在公式(II)计算出的延迟时间内，根据步骤(3)计算出的节流阀011开度的范围，对节流阀011开度进行调节，使得节流压力维持恒定。

上述实施方式只为说发明的技术构思和特点及实施方式，其目的在于让本领域内的技术人员了解本发明的内容并加以应用，并不能对本发明作出限制。

Claims (7)

1.一种基于多相流密度实时监测恒节流压力调节的装置，其特征在于，所述装置安装在节流阀与井筒之间的节流管线上的放射性密度传感器上，该装置具体包括：前部射线发生器、后部射线发生器、前部放射性探测器、后部放射性探测器、前部射线发生器保护罩、后部射线发生器保护罩、前部放射性探测器保护罩、后部放射性探测器保护罩、系统电源和信号采集处理数字电路；

所述前部射线发生器、后部射线发生器、前部放射性探测器、后部放射性探测器按节流管线径向分布，均由夹具固定在放射性密度传感器的测量位置处，所述前部射线发生器、后部射线发生器设置在所述节流管线的一侧，所述前部放射性探测器、后部放射性探测器设置在所述节流管线的另一侧；

所述前部射线发生器设置在所述前部射线发生器保护罩与所述放射性密度传感器的偏置测量短节形成的空间内；所述后部射线发生器设置在所述后部射线发生器保护罩与所述放射性密度传感器的偏置测量短节形成的空间内；所述前部放射性探测器设置在所述前部放射性探测器保护罩与所述放射性密度传感器的偏置测量短节形成的空间内；所述后部放射性探测器设置在所述后部放射性探测器保护罩与所述放射性密度传感器的偏置测量短节形成的空间内；

前部放射性探测器、后部放射性探测器均连接信号采集处理数字电路，所述信号采集处理数字电路连接所述系统电源；

所述系统电源和信号采集处理数字电路安装于传感器的偏置测量短节形成的空间内，由系统电源提供能量，经传感器变换成电信号，经过信号采集数字电路进行记录、存储并分析上传数据，具体地，

(1)将获取的前部的放射性密度传感器的测量位置处的密度信号和后部的放射性密度传感器的测量位置处的密度信号整合在一起，形成节流管线中流体密度监测曲线；

通过相关性分析得到，发生密度变化的环空内的流体在前部的放射性密度传感器和后部的放射性密度传感器间的运移时间t₂-t₁，t₁是指前部的放射性密度传感器监测到节流管线内流体密度发生突变的时刻， t₂是指后部的放射性密度传感器监测到环空内流体密度发生突变的时刻，单位均是s；前部的放射性密度传感器包括前部射线发生器和前部放射性探测器，后部的放射性密度传感器包括后部射线发生器和后部放射性探测器；再结合前部的放射性密度传感器和后部的放射性密度传感器的测量位置处的间距L₁，得到地层流体在井筒内的混相速度v_mix，其计算公式如式(Ⅰ)所示：

(2)由得到的地层流体在井筒内的混相速度v_mix，后部的放射性密度传感器与节流阀之间的距离L₂，得到气体由后部的放射性密度传感器的测量位置处进入节流阀孔喉处所需的时间T，即为操作人员提供节流阀开度的调整时间T，其计算公式如式(II)所示：

(3)保持节流压力P的恒定，就是要维持节流管线内流体的流量、密度和节流阀的节流面积三者的动态平衡，流体的密度ρ由前部的放射性密度传感器或后部的放射性密度传感器监测得到，即监测到流体密度突变稳定后的较小密度值，流体的流量Q由公式(Ⅰ)和公式(Ⅳ)综合计算得出：

Q＝v_mix·A (Ⅳ)

ΔP是指节流压力的波动值，Pa；A是指节流管线的横截面积，m²；

在某一时刻，前部的放射性密度传感器或后部的放射性密度传感器测出流体的密度ρ和计算所得的流体流量Q是确定的，结合公式(Ⅲ)就计算出维持节流压力P不变时所需节流阀的节流面积A_r，从而根据节流阀的结构尺寸数据，折算出此时所需的节流阀开度的范围；

(4)在公式(II)计算出的调整时间内，根据步骤(3)计算出的节流阀开度的范围，对节流阀开度进行调节，使得节流压力维持恒定。

2.根据权利要求1所述的一种基于多相流密度实时监测恒节流压力调节的装置，其特征在于，所述前部射线发生器及所述后部射线发生器均为单源单向低强度射线发生器，单源单向低强度射线发生器中的射线是伽马射线；所述前部放射性探测器及所述后部放射性探测器均为伽马射线检测计。

3.根据权利要求1所述的一种基于多相流密度实时监测恒节流压力调节的装置，其特征在于，所述前部射线发生器与所述前部放射性探测器为一组，所述前部射线发生器发射伽马射线穿过节流管线中的流体，由固定在对面的所述前部放射性探测器接收，节流管线中的流体流经所述前部射线发生器与所述前部放射性探测器所在的空间时，流体密度变化被所述前部放射性探测器检测，上传分析得到前部的放射性密度传感器的测量位置处的密度信号；

所述后部射线发生器与所述后部放射性探测器为一组，所述后部射线发生器发射伽马射线穿过节流管线中的流体，由固定在对面的所述后部放射性探测器接收，节流管线中的流体流经所述后部射线发生器与所述后部放射性探测器所在的空间时，流体密度变化被所述后部放射性探测器检测， 上传分析得到后部的放射性密度传感器的测量位置处的密度信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于多相流密度实时监测恒节流压力调节的装置，其特征在于，所述前部放射性探测器包括前部放射性探测器发射脉冲外罩、前部放射性探测器发射脉冲闪烁组件、前部放射性探测器发射脉冲高压变流器、前部放射性探测器发射脉冲信号分析组件，均设置在所述前部放射性探测器保护罩内部；前部放射性探测器发射脉冲闪烁组件、前部放射性探测器发射脉冲高压变流器、前部放射性探测器发射脉冲信号分析组件沿节流管线依次径向分布，并均设置在所述前部放射性探测器发射脉冲外罩的内部；

前部放射性探测器发射脉冲闪烁组件接收前部射线发生器发射的伽马射线，经前部放射性探测器发射脉冲信号分析组件将接收的脉冲信号转变为电信号，再经前部放射性探测器发射脉冲高压变流器将电信号传输给信号采集处理数字电路；

所述后部放射性探测器包括后部放射性探测器发射脉冲外罩、后部放射性探测器发射脉冲闪烁组件、后部放射性探测器发射脉冲高压变流器、后部放射性探测器发射脉冲信号分析组件，均设置在所述后部放射性探测器保护罩内部；后部放射性探测器发射脉冲闪烁组件、后部放射性探测器发射脉冲高压变流器、后部放射性探测器发射脉冲信号分析组件沿节流管线依次径向分布，并均设置在所述后部放射性探测器发射脉冲外罩的内部；

后部放射性探测器发射脉冲闪烁组件接收后部射线发生器发射的伽马射线，经后部放射性探测器发射脉冲信号分析组件将接收的脉冲信号转变为电信号，再经后部放射性探测器发射脉冲高压变流器将电信号传输给信号采集处理数字电路。

5.根据权利要求1所述的一种基于多相流密度实时监测恒节流压力调节的装置，其特征在于，所述前部射线发生器与后部射线发生器之间，以及前部放射性探测器与后部放射性探测器之间的间隔均为1-3米。

6.根据权利要求1所述的一种基于多相流密度实时监测恒节流压力调节的装置，其特征在于，所述前部射线发生器与后部射线发生器之间，以及前部放射性探测器与后部放射性探测器之间的间隔均为2米。

7.一种基于多相流密度实时监测来进行恒节流压力调节的方法，通过权利要求1-6任一所述的基于多相流密度实时监测恒节流压力调节的装置实现，其特征在于，具体实现步骤如下：

(1)将获取的前部的放射性密度传感器的测量位置处的密度信号和后部的放射性密度传感器的测量位置处的密度信号整合在一起，形成节流管线中流体密度监测曲线；

通过相关性分析得到，发生密度变化的环空内的流体在前部的放射性密度传感器和后部的放射性密度传感器间的运移时间t₂-t₁，t₁是指前部的放射性密度传感器监测到节流管线内流体密度发生突变的时刻， t₂是指后部的放射性密度传感器监测到环空内流体密度发生突变的时刻，单位均是s；前部的放射性密度传感器包括前部射线发生器和前部放射性探测器，后部的放射性密度传感器包括后部射线发生器和后部放射性探测器；再结合前部的放射性密度传感器和后部的放射性密度传感器的测量位置处的间距L₁，得到地层流体在井筒内的混相速度v_mix，其计算公式如式(Ⅰ)所示：

(2)由得到的地层流体在井筒内的混相速度v_mix，后部的放射性密度传感器与节流阀之间的距离L₂，得到气体由后部的放射性密度传感器的测量位置处进入节流阀孔喉处所需的时间T，即为操作人员提供节流阀开度的调整时间T，其计算公式如式(II)所示：

(3)保持节流压力P的恒定，就是要维持节流管线内流体的流量、密度和节流阀的节流面积三者的动态平衡，流体的密度ρ由前部的放射性密度传感器或后部的放射性密度传感器监测得到，即监测到流体密度突变稳定后的较小密度值，流体的流量Q由公式(Ⅰ)和公式(Ⅳ)综合计算得出：

Q＝v_mix·A (Ⅳ)

ΔP是指节流压力的波动值，Pa；A是指节流管线的横截面积，m²；

在某一时刻，前部的放射性密度传感器或后部的放射性密度传感器测出流体的密度ρ和计算所得的流体流量Q是确定的，结合公式(Ⅲ)就计算出维持节流压力P不变时所需节流阀的节流面积A_r，从而根据节流阀的结构尺寸数据，折算出此时所需的节流阀开度的范围；

(4)在公式(II)计算出的调整时间内，根据步骤(3)计算出的节流阀开度的范围，对节流阀开度进行调节，使得节流压力维持恒定。

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