CN113933385A - 基于超声波融合技术的石油天然气份额测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油气两相流检测技术领域，具体涉及一种基于超声波融合技术的石油天然气份额测量装置及方法。本发明通过超声波收发一体换能器对油膜回波信号进行采集，实时监测油膜厚度；同时四种频率超声波换能器发射接收超声波信号，对油气两相流种超声传播特性信号进行分析，实现流型识别；根据识别后的流型，高速采集分析单片机选择该流型适用的频率，对相应的超声波换能器信号进行分析计算；不同流型对应不同的理论计算模型，对油气两相流份额进行计算与反演算。本发明结构简单，价格低廉，数据采集准确方便，可应用工业方面多，研究工况范围广。
Description
技术领域
本发明属于油气两相流检测技术领域，具体涉及一种基于超声波融合技术的石油天然气份额测量装置及方法。
背景技术
目前深海油气是全世界油气田储量接替的主要区域和科技创新的前沿区，深水多相流流型与相体积份额监、检测方向技术是深海油气开发工程面临的关键挑战。深海油气想要保持高效率开采，需要保持一定范围的油气份额比，油气份额变化会影响到油气开采运输的经济性。同时，油气份额变化会造成运输管道管壁积污形成固相沉积，严重会造成管道腐蚀与堵塞，威胁到深海油气开采运输的安全性。深海油气开采运输管道中天然气易转化为水合物，并且油气混合物会对管道造成积污，导致管道伴有堵塞、泄露和内壁损伤等问题，极易造成油气开采过程停产、设备废弃、甚至重大工程事故。因此，需要一种实时对管道内两相流流型进行监测和石油天然气两相份额进行动态在线测量的装备。深水油田开发趋势更深、更远，对于高压低温多相流体管道所处环境，目前传统测量仪表难以长时间工作。超声波法具有不易受干扰、使用方便、不会对管道内的流场产生影响、能够实时在线测量、设备尺寸小、响应快、适用范围广、对生态危害小，造价低等优势，与其他技术相比更适用于深海中高压低温环境。因此对适用于深海条件的油气在线测量实时监控装备研究十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超声波融合技术的石油天然气份额测量装置。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括密闭油气传输管道和四种不同频率的超声波收发一体换能器；所述的密闭油气传输管道的前后两端设有管道连接法兰；所述的四种不同频率的超声波收发一体换能器包括四台100kHz超声波收发一体式换能器、四台200kHz超声波收发一体式换能器、四台1MHz超声波收发一体式换能器、一台5MHz超声波收发一体式换能器；所述的5MHz超声波收发一体式换能器布置在密闭油气传输管道的顶面；所述的四台100kHz超声波收发一体式换能器分别布置在密闭油气传输管道的上下左右四侧，布置在密闭油气传输管道上下两侧、左右两侧的两台100kHz超声波收发一体式换能器采用对射式布置；所述的四台200kHz超声波收发一体式换能器、四台1MHz超声波收发一体式换能器的布置方式与四台100kHz超声波收发一体式换能器相同；四种不同频率的超声波收发一体换能器分别与超声波发生器和数据采集分析系统连接。
进一步的，由于高频超声波在空气中衰减系数大，需要将的1MHz超声波收发一体式换能器、5MHz超声波收发一体式换能器与密闭油气传输管道密封贴合处理，使用高密度油脂作为超声波换能器耦合剂，使用激光焊接方式进行密闭处理。
进一步的，所述的密闭油气传输管道使用双层保温钢管结构，由内至外依次为不锈钢管道、聚氨酯泡沫保温层、不锈钢管道、防腐防爆层，管道最内层设置用于超声波收发一体换能器安装的不锈钢卡槽，不锈钢卡槽使用不锈钢法兰封闭；超声波收发一体换能器的数据传输线安置于密闭油气传输管道的保温层中。
基于所述的测量装置。本发明提供了一种基于超声波融合技术的石油天然气份额测量方法，包括以下步骤：
步骤1：将基于超声波融合技术的石油天然气份额测量装置安装于海底油气运输管道中，密闭油气传输管道前后两端通过管道连接法兰与海底油气运输管道连接；
步骤2：开启超声波发生器和数据采集分析系统，四种不同频率的超声波收发一体换能器同时发射超声波脉冲信号；除5MHz超声波收发一体式换能器外，每台超声波收发一体换能器接收来自于对射式布置的另一台超声波收发一体换能器的对射信号，并接收自身的回波信号；5MHz超声波收发一体式换能器仅接收自身的回波信号；
步骤3：判断流型；
若四台1MHz超声波收发一体式换能器均未接收到对射信号，5MHz超声波收发一体式换能器接收到的回波信号显示为气体，100kHz超声波收发一体式换能器、200kHz超声波收发一体式换能器可以接收到对射信号，则判断流型为雾状流；
若四台100kHz超声波收发一体式换能器、四台200kHz超声波收发一体式换能器、四台 1MHz超声波收发一体式换能器接收到的信号中存在对射信号，且5MHz超声波收发一体式换能器接收到的回波信号显示为液体，则判断流型为泡状流；
若四台100kHz超声波收发一体式换能器、四台200kHz超声波收发一体式换能器、四台 1MHz超声波收发一体式换能器接收到的信号中存在间断对射信号，且5MHz超声波收发一体式换能器接收到的回波信号显示为液体，则判断流型为弹状流；
若四台100kHz超声波收发一体式换能器、四台200kHz超声波收发一体式换能器、四台 1MHz超声波收发一体式换能器接收到的信号中存在间断对射信号，且5MHz超声波收发一体式换能器接收到的回波信号显示为气体液体交替，则判断流型为段塞流；
若5MHz超声波收发一体式换能器接收到的回波信号显示为气体，位于密闭油气传输管道下方的超声波收发一体式换能器接收到的对射信号消失、回波信号显示为液体，则判断流型为层状流；
若四台100kHz超声波收发一体式换能器、四台200kHz超声波收发一体式换能器、四台 1MHz超声波收发一体式换能器均未接收到对射信号，位于密闭油气传输管道上方的超声波收发一体式换能器均能接收到幅值不稳定的回波信号，且5MHz超声波收发一体式换能器接收到的回波信号显示为气体，则判断流型为波状流；
步骤4：若流型为雾状流，则采用McClements模型进行两相份额的测量计算；若流型为泡状流，则采用Medwin模型进行两相份额的测量计算；若流型为弹状流、段塞流、层状流、波状流中的一种，则采用时差声速模型进行两相份额的测量计算。
本发明的有益效果在于：
本发明通过超声波收发一体换能器对油膜回波信号进行采集，实时监测油膜厚度；同时四种频率超声波换能器发射接收超声波信号，对油气两相流种超声传播特性信号进行分析，实现流型识别；根据识别后的流型，高速采集分析单片机选择该流型适用的频率，对相应的超声波换能器信号进行分析计算；不同流型对应不同的理论计算模型，对油气两相流份额进行计算与反演算。本发明结构简单，价格低廉，数据采集准确方便，可应用工业方面多，研究工况范围广。
附图说明
图1为本发明中测量装置的结构示意图。
图2为本发明中测量装置的正面剖视图。
图3为本发明中测量装置的侧面剖视图。
图4为同频率的四台超声波收发一体式换能器的对射式安置示意图。
图5为本发明中密闭油气传输管道的结构示意图；
图6为本发明中密闭油气传输管道的不锈钢卡槽的结构示意图。
图7为本发明中不锈钢卡槽封闭法兰的结构示意图。
图8为深海信号传输示意图。
图9为本发明中测量装置的三维视图。
图10为本发明中测量方法的流程图。
图11本发明中不同流型特征信号识别表。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明涉及一种可在线监测管道流型与油气两相份额的一体式石油天然气份额测量装置，应用于深海油田油气开采领域，主要涉及油气运输工程、深海油气安全工程、油气两相流检测、超声波测量等相关技术领域。
一种基于超声波融合技术的石油天然气份额测量装置，包括密闭油气传输管道和四种不同频率的超声波收发一体换能器；所述的密闭油气传输管道的前后两端设有管道连接法兰；所述的四种不同频率的超声波收发一体换能器包括四台100kHz超声波收发一体式换能器、四台200kHz超声波收发一体式换能器、四台1MHz超声波收发一体式换能器、一台5MHz 超声波收发一体式换能器；所述的5MHz超声波收发一体式换能器布置在密闭油气传输管道的顶面；所述的四台100kHz超声波收发一体式换能器分别布置在密闭油气传输管道的上下左右四侧，布置在密闭油气传输管道上下两侧、左右两侧的两台100kHz超声波收发一体式换能器采用对射式布置；所述的四台200kHz超声波收发一体式换能器、四台1MHz超声波收发一体式换能器的布置方式与四台100kHz超声波收发一体式换能器相同；四种不同频率的超声波收发一体换能器分别与超声波发生器和数据采集分析系统连接。
数据采集分析系统由高频数据采集板块和单片机组成，可以实现超声波降噪信号处理与计算功能，与体积份额反演算功能；可以将数据通过无线信号传播，使陆地上的系统可以实时接收海底的管道测量结果。
本发明选取使用4种不同频率收发一体超声波换能器。除5MHz超声波收发一体式换能器外，每种超声波换能器使用数量为4个，分别布置在油气测量管道的前后左右四个方向，可以实现对油气两相流多方位进行测量，同时根据4个换能器接收到的回波信号，可以对弹状流中大气泡进行体积测量以及层状流、波状流液位进行测量。
图1展示了本发明的一种基于超声波融合技术的石油天然气份额测量装置的结构组成，本发明包括管路连接法兰1、100kHz超声波收发一体式换能器2、200kHz超声波收发一体式换能器3、1MHz超声波收发一体式换能器4，5MHz超声波收发一体式换能器5、无线信号发射器6、高功率超声波发生装置7、高速采集分析单片机8、密闭油气传输管道9，以及连接导线、隔热层、耦合剂。图9所述装置三维视图，油气测量管道上有7组对射式布置的超声波换能器，分别布置在油气测量管道的前后左右四个方向。可以实现对油气两相流多方位进行测量，同时根据换能器接收到的回波信号，可以对弹状流中大气泡进行体积测量以及层状流、波状流液位进行测量。
如图4，同种频率超声波收发一体换能器，两两对应采取对射式布置，两对换能器布置位置相差20cm，防止两对超声波换能器之间发生信号干扰。对于1MHz与5MHz超声波换能器，由于高频超声波在空气中衰减系数大，因此需要将换能器与油气两相流测量管道密封贴合处理。使用高密度油脂作为超声波换能器耦合剂，对超声波换能器进行密封贴合处理，超声波换能器选择耐高压类型适应深海300m深，使用激光焊接方式对换能器进行密闭处理。
如图5，管道主体使用双层保温钢管结构，由内至外依次为不锈钢管道、聚氨酯泡沫保温层、不锈钢管、防腐防爆层。
如图6，管道最内层设置超声波换能器安装不锈钢卡槽，穿透保温层直至最外层。
如图7，不锈钢卡槽使用不锈钢法兰封闭，超声波换能器传输线安置于保温层与超声波信号发生装置、无线信号传输装置、高速采集分析单片机相连接。
如图8，为了解决深远海油信号传输距离长、干扰多、信号传输工程造价高的问题，在一体式石油天然气份额测量装置中，安装无线信号传输装置。通过无线传输装置将信号发射至北斗卫星，再由北斗卫星传输回陆地油气流型份额监测系统中，对油气运输管道中油气流型与份额进行在线实时监测，实现对深远海油绿色高效开采。整体装置供电由水下远距离配电脐带提供。
如图10和图11所示，根据换能器频率以及计算模型的不同，对于每个装置上两对超声波换能器发出的脉冲信号、与接收的脉冲信号特点对流型进行识别。根据不同频率超声波衰减系数不同可知，在雾状流工况下，高频超声波会很快衰减，而中低频超声波只会造成部分能量损失，声速近似于气相中声速，回波信号相位差基本无变化；在泡状流流工况下，回波信号会由于和气泡接触造成反射，出现明显的回波信号相位差，声速处于液相中声速范围，超声波换能器均会出现不同程度的衰减；在层状流与弹状流中，回波信号会由于和气液两相交界面接触造成反射，出现明显的回波信号相位差，高频超声波信号在气相中基本完全衰减或断续性出现，中低频超声波信号则会出现部分衰减，根据多种频率超声波衰减后特征信号分析可以对流型进行识别。根据识别后的流型，高速采集分析单片机选择该流型适用的频率，对相应的超声波换能器信号进行分析计算。不同流型条件下，运用现阶段已有的超声波法两相流份额测量模型可以对两相流体积份额进行测量。应用不同的理论计算模型，可以对油气两相流份额进行计算与反演算。最终通过无线信号传输至北斗系统，由北斗系统将信号发射至陆地的流型份额测量系统中，实现对深远海油的流型在线识别与体积份额实时监测。
一种基于超声波融合技术的石油天然气份额测量方法，包括以下步骤：
步骤1：将基于超声波融合技术的石油天然气份额测量装置安装于海底油气运输管道中，密闭油气传输管道前后两端通过管道连接法兰与海底油气运输管道连接；
步骤2：开启超声波发生器和数据采集分析系统，四种不同频率的超声波收发一体换能器同时发射超声波脉冲信号；除5MHz超声波收发一体式换能器外，每台超声波收发一体换能器接收来自于对射式布置的另一台超声波收发一体换能器的对射信号，并接收自身的回波信号；5MHz超声波收发一体式换能器仅接收自身的回波信号；
步骤3：判断流型；
若四台1MHz超声波收发一体式换能器均未接收到对射信号，5MHz超声波收发一体式换能器接收到的回波信号显示为气体，100kHz超声波收发一体式换能器、200kHz超声波收发一体式换能器可以接收到对射信号，则判断流型为雾状流；
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若四台100kHz超声波收发一体式换能器、四台200kHz超声波收发一体式换能器、四台 1MHz超声波收发一体式换能器均未接收到对射信号，位于密闭油气传输管道上方的超声波收发一体式换能器均能接收到幅值不稳定的回波信号，且5MHz超声波收发一体式换能器接收到的回波信号显示为气体，则判断流型为波状流；
步骤4：若流型为雾状流，则采用McClements模型进行两相份额的测量计算；若流型为泡状流，则采用Medwin模型进行两相份额的测量计算；若流型为弹状流、段塞流、层状流、波状流中的一种，则采用时差声速模型进行两相份额的测量计算。
在深海油气运输管道处于复杂的海底环境，海床的坡度变化大，会使管道内油气混合物产生温度、压力变化，从而出现多种流型，如气泡流、弹状流、分层流、波状流、雾状流等。针对管道中复杂的流型变化情况，采用超声波能量损失法、声速时差法，超声波回波信号法的融合技术，可以对超声波流型进行识别。单一流型中油气两相流的份额变化会直接影响超声波的能量损失系数、声速以及回波信号相位，可以用下式表明：
1、能量损失法
F为声波的接收幅值，F0为声波的初始幅值，a为衰减系数，L为超声波单声程
2、声速时差法
c为平均声速，t为时间差，L为超声往返声程
3、回波信号时差法
l＝Δt×c (3)
相位差Δt，c为单相声速，l为反射位置
4、McClements模型：
ECAH(Epstein-Carhart-Allegra-Hawley)模型以流动的连续介质中各向同性的球形颗粒为对象，全面地考虑了散射衰减与吸收衰减中的热衰减与粘性衰减，认为平面压缩波入射颗粒后，对应产生了压缩波、热波、剪切波，并在球控制体的内外分别产生，其振幅关联，将波动方程带入边界方程，对一确定的颗粒或气泡半径，可由半径、气液两相流物性参数得到一个系数An，
将气液两相流中的复波数表示为
其中，a为颗粒或气泡半径；β为复波数，β＝ω/c(f)+iα(f)；kc为连续介质中的波数； f为声波频率；
为颗粒或气泡体积浓度；α为衰减系数；c为声速。
衰减率可表示为
ECAH模型针对三种占主要影响的声衰减机制，在广阔的范围内给出了准确模拟结果，被广泛的运用为颗粒与气泡测量基础理论，但是它要求了颗粒与连续介质中许多物性参数，并且有很高的求解难度。并且ECAH模型没有考虑颗粒间相互作用而产生的衰减，对于高浓度体系，必须对ECAH加入扩展与修正，对于长波长区(超声波波长大于气泡粒径)的计算， ECAH模型可以进行简化运算以降低求解难度。
在长波长情况(超声波波长大于气泡粒径)下David J McClements对ECAH模型进行了简化，在ka＜＜1(k为超声波的波数，a为气泡半径)时，认为An的第一项和第二项起主导作用。
其中，T为绝对温度；cp为定压比热容；β0为热膨胀系数；c为连续相声速；τ为导热系数；δυ为黏性集肤深度；δt为热集肤深度；
H＝{1/(1-iz)-τ/τ′·tan(z′)/[tan(z′)-z′]}-1
z＝(1+i)·R/δt (9)
已有的研究表明McClements模型在低粒径(粒径小于超声波波长)条件下有优秀的精度，并且计算相比于ECAH模型有极大的简化，模拟结果与实际情况和ECAH模型很好吻合。
5、Medwin气泡模型
Medwin认为ka＜＜1时气泡处于全向散射，并综合考虑热导率和剪切粘度对气泡共振产生的影响，建立了共振估计法，将由粘性和热导性产生的声学阻尼使用集总参数法描述为机械阻尼，总阻尼系数δ为
δ＝δr+δt+δv＝ka+(d/b)(fR/f)2+4μ/(ρAωa2) (10)
δr＝ka (11)
其中，k为波数；a为气泡半径；X、d/b、b、β为物性参数有关的参数。
ρg＝1.29×10-3×(1+2×τ/(pA×a)) (17)
其中，ρg为气泡气密度；pA为环境压力；Cpg为气泡气恒压比热；Kg为气泡气热导率；γ为气泡气比热比；τ为空气水界面处的表面张力。
使用消声截面来描述气泡造成的额外的声波衰减。
假设每单位体积内半径为a的气泡有n(a)个，由于假设气泡的分离度足够大，因此可以视作没有相互作用的影响，则单位体积中由气泡造成的额外衰减系数为
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)本发明使用对射式布置在测量管道的前后左右位置，实现对油气工质多方位测量。2)本发明将超声波液膜测量技术、超声波声速法测量技术、超声波能量损失法测量技术、超声波回波信号测量技术融合使用，同时具有油膜测量、油气两相流流型识别与两相份额测量功能，且适用于深海中复杂恶劣的环境。3)本发明使用深海耐压超声波换能器，可以克服传统仪器仪表面临的问题，具有可以在线实时对管道内变化流型进行判断、不干扰流场、不破坏管道完整性等优点。4)本发明可将监测数据通过无线信号通过北斗系统传输至陆地，减少了信号传输成本，提高了油气运输工程的经济性。5)本发明可以实现深海中油气运输管道中油气两相流流型在线、快速识别功能。6)本发明根据对管道中流型识别结果，可以进行超声信号后处理并对不同流型条件下油气份额进行测量。
本发明通过超声波收发一体换能器对油膜回波信号进行采集，实时监测油膜厚度。同时四种频率超声波换能器发射接收超声波信号，对油气两相流种超声传播特性信号进行分析，实现流型识别。根据识别后的流型，高速采集分析单片机选择该流型适用的频率，对相应的超声波换能器信号进行分析计算。不同流型对应不同的理论计算模型，对油气两相流份额进行计算与反演算。最终通过无线信号传输至北斗系统，由北斗系统将信号发射至陆地的流型份额测量系统中，实现对深远海油的流型在线识别与体积份额实时监测。本发明结构简单，价格低廉，数据采集准确方便，可应用工业方面多，研究工况范围广。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于超声波融合技术的石油天然气份额测量装置，其特征在于；包括密闭油气传输管道和四种不同频率的超声波收发一体换能器；所述的密闭油气传输管道的前后两端设有管道连接法兰；所述的四种不同频率的超声波收发一体换能器包括四台100kHz超声波收发一体式换能器、四台200kHz超声波收发一体式换能器、四台1MHz超声波收发一体式换能器、一台5MHz超声波收发一体式换能器；所述的5MHz超声波收发一体式换能器布置在密闭油气传输管道的顶面；所述的四台100kHz超声波收发一体式换能器分别布置在密闭油气传输管道的上下左右四侧，布置在密闭油气传输管道上下两侧、左右两侧的两台100kHz超声波收发一体式换能器采用对射式布置；所述的四台200kHz超声波收发一体式换能器、四台1MHz超声波收发一体式换能器的布置方式与四台100kHz超声波收发一体式换能器相同；四种不同频率的超声波收发一体换能器分别与超声波发生器和数据采集分析系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波融合技术的石油天然气份额测量装置，其特征在于；由于高频超声波在空气中衰减系数大，需要将的1MHz超声波收发一体式换能器、5MHz超声波收发一体式换能器与密闭油气传输管道密封贴合处理，使用高密度油脂作为超声波换能器耦合剂，使用激光焊接方式进行密闭处理。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于超声波融合技术的石油天然气份额测量装置，其特征在于；所述的密闭油气传输管道使用双层保温钢管结构，由内至外依次为不锈钢管道、聚氨酯泡沫保温层、不锈钢管道、防腐防爆层，管道最内层设置用于超声波收发一体换能器安装的不锈钢卡槽，不锈钢卡槽使用不锈钢法兰封闭；超声波收发一体换能器的数据传输线安置于密闭油气传输管道的保温层中。
4.基于权利要求1的一种基于超声波融合技术的石油天然气份额测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将基于超声波融合技术的石油天然气份额测量装置安装于海底油气运输管道中，密闭油气传输管道前后两端通过管道连接法兰与海底油气运输管道连接；
步骤2：开启超声波发生器和数据采集分析系统，四种不同频率的超声波收发一体换能器同时发射超声波脉冲信号；除5MHz超声波收发一体式换能器外，每台超声波收发一体换能器接收来自于对射式布置的另一台超声波收发一体换能器的对射信号，并接收自身的回波信号；5MHz超声波收发一体式换能器仅接收自身的回波信号；
步骤3：判断流型；
若四台1MHz超声波收发一体式换能器均未接收到对射信号，5MHz超声波收发一体式换能器接收到的回波信号显示为气体，100kHz超声波收发一体式换能器、200kHz超声波收发一体式换能器可以接收到对射信号，则判断流型为雾状流；
若四台100kHz超声波收发一体式换能器、四台200kHz超声波收发一体式换能器、四台1MHz超声波收发一体式换能器接收到的信号中存在对射信号，且5MHz超声波收发一体式换能器接收到的回波信号显示为液体，则判断流型为泡状流；
若四台100kHz超声波收发一体式换能器、四台200kHz超声波收发一体式换能器、四台1MHz超声波收发一体式换能器接收到的信号中存在间断对射信号，且5MHz超声波收发一体式换能器接收到的回波信号显示为液体，则判断流型为弹状流；
若四台100kHz超声波收发一体式换能器、四台200kHz超声波收发一体式换能器、四台1MHz超声波收发一体式换能器接收到的信号中存在间断对射信号，且5MHz超声波收发一体式换能器接收到的回波信号显示为气体液体交替，则判断流型为段塞流；
若5MHz超声波收发一体式换能器接收到的回波信号显示为气体，位于密闭油气传输管道下方的超声波收发一体式换能器接收到的对射信号消失、回波信号显示为液体，则判断流型为层状流；
若四台100kHz超声波收发一体式换能器、四台200kHz超声波收发一体式换能器、四台1MHz超声波收发一体式换能器均未接收到对射信号，位于密闭油气传输管道上方的超声波收发一体式换能器均能接收到幅值不稳定的回波信号，且5MHz超声波收发一体式换能器接收到的回波信号显示为气体，则判断流型为波状流；
步骤4：若流型为雾状流，则采用McClements模型进行两相份额的测量计算；若流型为泡状流，则采用Medwin模型进行两相份额的测量计算；若流型为弹状流、段塞流、层状流、波状流中的一种，则采用时差声速模型进行两相份额的测量计算。
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