CN114543917A - 油气水三相流电磁流量计组合电导传感器流量测量装置 - Google Patents

油气水三相流电磁流量计组合电导传感器流量测量装置 Download PDF

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CN114543917A CN202210340945.2A CN202210340945A CN114543917A CN 114543917 A CN114543917 A CN 114543917A CN 202210340945 A CN202210340945 A CN 202210340945A CN 114543917 A CN114543917 A CN 114543917A
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金宁德
唐子彦
杨秋怡
白兰迪
翟路生
任英玉
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Abstract

本发明涉及一种油气水三相流电磁流量计组合电导传感器流量测量装置，包括电导传感器和相应的测量电路以及电磁流量计和相应的测量电路。电导传感器包括设置在测量管道上的旋转电场式八电极电导传感器和布置在测量管道边壁的分布式同轴双环形电导传感器；旋转电场式八电极电导传感器，用于测量气相电导率，由四对光滑嵌入均匀分布在测量管道内壁并处于同一截面的电极组成；分布式同轴双环形电导传感器，用于测量靠近管壁液膜区的油水混合液电导率，包括四组光滑内嵌在测量管道的同轴电极组。电磁流量计，用于测量导电水相的体积流量；电导传感器测量电路包括第一交流信号源第二交流信号源。

Description

油气水三相流电磁流量计组合电导传感器流量测量装置
技术领域
本发明涉及一种油气水三相流电磁流量计组合电导传感器流量测量装置。
背景技术
随着油气田开采进入中晚期阶段，中国陆上油气储集层内油气水分布将发生很大变化。尤其是，由于储层供液能力差油井内流压普遍偏低，导致油层近井地带原油脱气。另一方面，油井在油藏中构造高点或断层附近也会出现产气现象，这些因素无疑造成油井内油气水三相流流动现象。众所周知，油气水三相流流动结构复杂多变，致使其流量测量难度很大。研究油井油气水三相流流量测量难度很大。研究油气水三相流产出剖面测井方法，对优化油井生产动态特性及正确指导油气田开发方案调整具有重要意义。油井常出现油气水三相流流动状态。为油田开发方案调整及时提供油井生产动态状况，油井油气水三相流产出剖面测井非常必要。与单相流和两相流相比，油气水三相流流动结构更加复杂，其相间存在复杂的相互作用，流动结构复杂多变。尤其是，流体相间存在显著滑脱效应，截面流速及电导率呈非均匀分布，导致油气水三相流流量测量难度很大。
电导法由于其响应快，操作简单，作为多相流测量领域最广泛应用的方法之一。电导法通过不同介质导电性的差异，求取混合流体的持水率。旋转电场式八电极电导传感器在多相流混合液电导率测量时传感器电场分布均匀且灵敏度高，整体结构简单。适用于非均匀分布的多相流空隙率测量。
电磁流量计具有流量测量精度高，不干扰流体流动，流量测量适应性范围广且不受流体温度及压力变化等优点。电磁流量计在油气水三相流流量测量中具有较好的应用前景。使其广泛运用于流量测量领域。在单相流流体测量中，电磁流量计有着良好的测量特性。对于两相流，电磁流量计的仪表系数不再为定值，需要通过对电磁流量计的仪表系数进行修正才能实现水相流量的准确预测。而在以水为连续相的油气水三相流动过程中，存在油相和气相两个分散相，因此分散相间相互作用及滑脱效应异常复杂，从而导致油气水三相流中电磁流量计存在一定测量误差。因此，将两种电导传感器和电磁流量计相结合，组合测量油气水三相流各个分散相流动参数对油田开采和参数检测具有重要价值。
发明内容
本发明是一种可以测量垂直上升管道中油气水三相流分相体积流量的测量装置。具有结构简单，精度较高，可实现油气水三相流各分相流量的测量。技术方案如下：
一种油气水三相流电磁流量计组合电导传感器流量测量装置，包括电导传感器和相应的测量电路，以及电磁流量计和相应的测量电路，其中，
电导传感器包括设置在测量管道上的旋转电场式八电极电导传感器和布置在测量管道边壁的分布式同轴双环形电导传感器；
旋转电场式八电极电导传感器，用于测量气相电导率，由四对光滑嵌入均匀分布在测量管道内壁并处于同一截面的电极组成，每两个分别设置在一条直径上的电极构成一路通道，构成一对测量电极；
分布式同轴双环形电导传感器，用于测量靠近管壁液膜区的油水混合液电导率，包括四组光滑内嵌在测量管道的同轴电极组，每一组同轴电极由位于截面中心的圆形接收电极A1，环形激励电极A和环形接收电极A2组成，设圆形接收电极A1的半径为R1，环形激励电极A的厚度为R2，环形接收电极A2的厚度为R3，圆形接收电极A1与环形激励电极A之间的间距为l1，环形激励电极A与环形接收电极A2之间的间距为l2；环形激励电极A为信号激励电极，圆形接收电极A1和环形接收电极A2为信号接收电极。
电磁流量计，用于测量导电水相的体积流量；
电导传感器测量电路包括加载在旋转电场式八电极电导传感器各个测量电极上的第一交流信号源以及加载在分布式同轴双环形电导传感器的每一组同轴电极的第二交流信号源；第二交流信号源加载在每一组同轴电的环形激励电极A，圆形接收电极A1和环形接收电极A2分别获得接收信号；旋转电场式八电极电导传感器和分布式同轴双环形电导传感器输出的检测信号分别依次经过电流/电压转换和反相放大后经由解调模块处理，解调模块的输出信号被送入计算机；电磁流量计的测量电路用于将电磁流量计输出的电流信号经过电阻转化为电压信号后再经过反向放大后输出到计算机。
进一步地，测量管道内径为D＝20mm，所述的分布式同轴双环形电导传感器的优化尺寸为：每个电极的高度H为4mm，相邻电极之间张角θ为22.5°，每个电极的厚度T为1mm。
进一步地，测量管道内径为D＝20mm，所述的分布式同轴双环形电导传感器的优化尺寸为：圆形接收电极A1的半径R1为1mm，环形激励电极A的厚度R2为1mm，环形接收电极A2的厚度R3为1mm；圆形接收电极A1与环形激励电极A之间的间距l1为1mm，环形激励电极A与环形接收电极A2之间的间距l2为1mm。
进一步地，在环形激励电极A和电极圆形接收电极A1之间以及环形激励电极A和环形接收电极A2之间均设置有屏蔽层。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下测量优点：
(1)本发明的电导传感器和电磁流量计结构都不会对油气水流动产生影响，不干扰流体流动，具有非侵入性的优点。不影响待测混合液的流场分布，传感器响应速度快及具有易于安装特点。
(2)本发明的分散相持率测量传感系统基于电导法，可实现分散相持率的直接测量，具有精度高、响应速度快、性能稳定及适用多相流流型范围广等优点。
(3)本发明提出的电导传感器和电磁流量计组合的流量测量装置可适用于垂直上升管中油气水混合流体的流动状态，对油气水三相流中典型流型下分相持率具有较高的测量分辨率。
附图说明
图1是旋转电场式八电极电导传感器和分布式同轴双环形电导传感器及电磁流量计组合测量系统。
图2是分布式同轴双环形电导传感器结构图：图2(a)是分布式同轴双环形电导传感器的构成图，图2(b)是分布式同轴双环形电导传感器电极详细结构图。
图3(a)是旋转电场式八电极电导传感器整体结构图,图3(b)是旋转电场式八电极电导传感器电极结构图。
图4是分布式同轴双环形电导测量传感系统结构图。
图5是对电磁流量计进行全水下单相流电压输出标定，电磁流量计的电压信号响应，以及水相表观速度与电磁流量计的响应电压线性拟合曲线的图版。
图6的(a)，(b)，(c)和(d)分别是电磁流量计在油气水三相流段塞流(Slug flow，含水率大于60％)，段塞流(Slug flow，含水率小于60％)，泡状流(Bubble flow)和混状流(Churn flow)时的电压响应信号图。
图7是旋转电场式八电极电导传感器在油气水三相流下的四个通道电压响应信号图版。
图8的(a)(b)分别是含油率fo分别为0.05和0.2时，由电导传感器组合测量出的油气水三相流持气率测量结果图版。
图9的(a)(b)分别是含油率fo分别为0.05和0.2时，由电导传感器组合测量出的油气水三相流持水率测量结果图版。
图10是电磁流量计在段塞流(Slug flow)，混状流(Churn flow)和泡状流(Bubbleflow)时，测量得出水相表观流速预测值
Figure BDA0003579355540000041
与水相表观流速参考值
Figure BDA0003579355540000042
之间关系的图版。
图11是电磁流量计组合电导传感器流量测量装置在段塞流(Slug flow)，混状流(Churn flow)和泡状流(Bubble flow)时，预测得出的气相表观流速预测值
Figure BDA0003579355540000043
与气相表观流速参考值
Figure BDA0003579355540000044
之间关系的图版。
图12是电磁流量计组合电导传感器流量测量装置在段塞流(Slug flow)，混状流(Churn flow)和泡状流(Bubble flow)时，预测得出的油相表观流速预测值
Figure BDA0003579355540000045
与油相表观流速参考值
Figure BDA0003579355540000046
之间关系的图版。
附图标号说明
1、测量管道；2、分布式同轴双环形电导传感器；3、旋转电场式八电极电导传感器；4、电磁流量计；5、管道壁面；6、混合液膜；7、圆形接收电极A1；8、环形激励电极A；9、环形接收电极A2；10、环形激励电极A与圆形接收电极A1和环形接收电极A2之间的绝缘层；11、反相放大器；12、解调模块。
具体实施方式
本发明为实现水为连续相油气水三相流分相持率和分散相体积流速的测量，本发明提出了一种基于电磁流量计和电导传感器相结合的测量装置。将优化设计后的分布式同轴双环形电导传感器测量电极安装于测量管道的液膜环境内，通过信号调理电路将电导率信息转换成电压信号送至采集处理设备。
下面结合附图说明本发明的油气水三相流电磁流量计组合电导传感器流量测量装置。
(1)传感器测量系统组成。整体测量装置由分布式同轴双环形电导传感器、旋转电场式八电极电导传感器和电磁流量计组成，测量装置结构如图1所示，包括测量管道1、分布式同轴双环形电导传感器2，旋转电场式八电极电导传感器3以及电磁流量计4。四个分布式同轴双环形电导传感器光滑内嵌在同一管截面的内壁上，其之间的夹角θ1＝90°，旋转电场式八电极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。分布式同轴双环形电导传感器结构如图2所示，包括7为圆形接收电极A1，8为环形激励电极A，9为环形接收电极A2，10为环形激励电极A与圆形接收电极A1和环形接收电极A2之间的绝缘层。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。设定中心圆形接收电极R1为1mm，内侧环形接收电极厚度R2为1mm，外侧环形激励电极厚度R3为1mm。同时，设定圆形接收电极A1(7)与环形激励电极A(8)之间的间距l1为1mm，环形激励电极A(8)与环形接收电极A2(9)之间的间距l2为1mm。实验过程中激励电极与激励频率为20kHz的激励源连接。旋转电场式八电极电导传感器结构如图3所示，传感器由8个光滑嵌入管道内壁并处于同一截面的电极组成。这四对电极的电场强度的相位依次相差45度，使得四个方向的电场叠加合成为电场强度不变，角度为
Figure BDA0003579355540000051
的电场。所采用电磁流量计供电电源采用220V交流电源，流速测量量程为0.05m/s～15m/s，精度等级为±0.3％，输出信号为4～20mA。实验过程中，通过在电磁流量计测量回路内串联阻值250Ω的电阻，将电磁流量计输出电流信号转换为电压信号，并对该电压信号进行采集。
(2)利用旋转电场式八电极电导传感器进行持气率测量。设混合电导率为σo+w+g，油水混合液电导率为σo+w，持气率为Yg，三者之间的关系可以用Maxwell公式表示为：
Figure BDA0003579355540000061
设Vo+w+g为油气水三相混合流体流经旋转电场式八电极电导传感器时传感器的输出电压。
Figure BDA0003579355540000062
为混合流体流经旋转电场式八电极电导传感器时，油水混合液对输出电压的贡献值。
Figure BDA0003579355540000063
为单相流纯水流体流经旋转电场式八电极电导传感器时的输出电压。由于电导率与输出电压成正比，可得旋转电场式八电极电导传感器的归一化电导率
Figure BDA0003579355540000064
为：
Figure BDA0003579355540000065
对于分布式同轴双环形电导传感器，设
Figure BDA0003579355540000066
为油气水三相混合流体流经分布式同轴双环形电导传感器时，油水混合液对输出电压的贡献值(由于分布式同轴双环形电导传感器灵敏场聚焦在油水混合液所处的位置，故当油气水三相流通过时的输出电压等于
Figure BDA0003579355540000067
)。
Figure BDA0003579355540000068
为全水流经分布式同轴双环形电导传感器时的输出电压。结合旋转电场式八电极电导传感器和分布式同轴双环形电导传感器输出电压可得：
Figure BDA0003579355540000069
其中八个电极每两个分别设置在一条直径上的电极构成一路通道。
Figure BDA00035793555400000610
和
Figure BDA00035793555400000611
分别为旋转电场式八电极电导传感器四通道的归一化电导率。对于旋转电场式八电极电导传感器归一化电导率
Figure BDA00035793555400000612
为：
Figure BDA00035793555400000613
根据公式(1)，(2)和(3)，可得到电导传感器在油气水三相流工况下持气率的计算模型：
Figure BDA0003579355540000071
公式(5)中的
Figure BDA0003579355540000072
根据公式(3)可得
Figure BDA0003579355540000073
对于泡状流，持气率为
Figure BDA0003579355540000074
对于段塞流或混状流，文献(D.Y.Wang,N.D.Jin,L.S.Zhai et al.,“Salinity independent flow measurement of vertical upward gas-liquid flows ina small pipe using conductance method,”Sensors,vol.20,no.18,pp.5263,Sep.2020.)提出选取最优阈值，将段塞流及混状流的归一化电导率
Figure BDA0003579355540000075
信号中高于阈值的部分定义为高电导率结构部分，将低于最优阈值的部分定义为低电导率结构部分，从而将电导率
Figure BDA0003579355540000076
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＝Nh/N，即为高电导率结构部分的采样点数Nh与总计算点数N的比值；低电导率部分的占比为b＝Nl/N，即为低电导率结构部分的采样点数Nl与总计算点数N的比值。段塞流或混状流的持气率为：
Figure BDA0003579355540000077
(3)利用分布式同轴双环形电导传感器测量持水率和持油率。由于四个分布式同轴双环形电导传感器的结构及测量系统相同，因此只分析一组同轴电极的检测信号。为了实现油水混合液的测量，保证电压输出与电导率呈简单的线性正比关系，分布式同轴双环形电导传感器的环形激励电极A由峰峰值为4V，频率为20kHz的正弦恒压源激励，当油水混合液的电导率变化的时候，传感器电极间的电导会发生变化，圆形接收电极A1和环形接收电极A2接收到的电流大小会产生相应的变化。通过I/V转换模块将电流信号转换成电压信号，并经过反向放大模块将信号反向及放大，信号调理模块将叠加电导率信息的信号解调出来，并送至上位机进行处理。实际使用中，将A1和A2的检测信号取平均值。
下面仅对圆形接收电极A1通道的输出VA1进行分析，分布式同轴双环形电导传感器的测量系统如图4所示，对于圆形接收电极A1的输出，设电极间的等效电阻为Rref，激励信号的有效值为Vs，则系统的响应函数为：
Figure BDA0003579355540000081
电路参数设定为
Figure BDA0003579355540000082
及电极常数k为定值，故输出VA1与电导率σ呈线性关系。
设油气水三相流中持水率为Yw，持油率为Yo。油水混合液相中持水率为
Figure BDA0003579355540000083
油水混合液相中持油率为
Figure BDA0003579355540000084
已知其关系如下：
Figure BDA0003579355540000085
根据Maxwell公式可知油水混合液相持水率为
Figure BDA0003579355540000086
油水混合液电导率σo+w和水相电导率σw之间的关系：
Figure BDA0003579355540000087
已知分布式同轴双环形电导传感器的输出电压与电导率成正比，得出其归一化电导率
Figure BDA0003579355540000088
为：
Figure BDA0003579355540000089
对于分布式同轴双环形电导传感器其归一化电导率的计算公式如下：
Figure BDA00035793555400000810
公式(11)中，
Figure BDA00035793555400000811
和
Figure BDA00035793555400000812
分别为分布式同轴双环形电导传感器四个电极的归一化电导值。联立公式(9)和(10)得到油水混合液相中持水率
Figure BDA00035793555400000813
的计算模型：
Figure BDA00035793555400000814
联立公式(8)，(10)和(12)，可以计算得到持水率Yw与持油率Yo的求解模型：
Figure BDA0003579355540000091
Yo＝1-Yw-Yg (14)
根据旋转电场式八电极电导传感器与分布式同轴双环形电导传感器测量信号得到的油气水三相流持率测量计算模型，即公式(13)和(14)，可以实现基于电导法的三相流各分散相持率的准确测量。
(4)结合持率信息，建立漂移模型模型，实现水相表观流速预测。
将旋转电场式八电极电导传感器和分布式同轴双环形电导传感器给出的三相流各分散相的持率信息，结合电磁流量计测量的水相表观流速，即可建立漂移模型，从而预测出油气水三个分相的体积流速。图6所示为电磁流量计在段塞流(Slug flow)、混状流(Churn flow)和泡状流(Bubble flow)下的电压响应信号图版。在油气水三相流实验中，混合流体流过电磁流量计时切割磁感线在电极两端产生电动势。但油相与气相均是非导电流体，不产生感应电动势，只有水相流体流动时，才能产生感应电动势。当油相与气相的含率发生变化时，水相的含率也在变化，从而导致电磁流量计产生大小不同的感应电压。
(5)实验验证与结果
图7为旋转电场式八电极电导传感器在油气水三相流下的响应信号图。当为段塞流时，气塞与液塞在管道内交替通过，信号图中高电平与低电平周期性出现。且气塞通过时为低电平，液塞通过时为高电平。当为混状流时，高低电平也周期出现，但都持续时间短且不稳定。说明没有气塞结构，只出现了大气泡。且流体流速高，气泡不断聚集又破碎，信号波动较强。当为泡状流时，小气泡与油滴随机的分布在连续的液相中，对应电导传感器信号只在小幅度范围内波动。
根据旋转电场式八电极电导传感器与分布式同轴双环形电导传感器测量信号得到的油气水三相流持气率测量计算模型。绘制如图8所示的不同含油率fo时油气水三相流持气率测量结果。横坐标表示液相表观流速，纵坐标表示持气率，不同曲线表示不同气相表观流速。由图8可知，当含油率fo和液相表观流速Usl一定时，传感器测量得到的持气率随着气相表观流速Usg的增加而增加且具有较好的分辨率。在低流速时气液相间滑脱严重，传感器灵敏度易受油相影响。对比图8(a)和图8(b)，可以看出随着含油率fo的增加持气率增加，且传感器测量特性保持一致。
基于上述油气水三相流持水率计算方法，绘制图9所示的不同含油率工况下持水率测量结果图。图9中，横坐标表示液相表观流速，纵坐标表示持水率，不同线型的线表示不同气相表观流速。由图9可知，当气相表观流速一定时，电导传感器测量的持水率随液相表观流速增加而增加。当液相表观流速一定时，电导传感器测量的持水率随气相表观流速的增加而减小，说明两种电导传感器组合测量持水率具有较好的分辨率。
由图10可知，电磁流量计对垂直上升油气水三相流三种典型流型水相表观流速的预测有较好的效果和精度。对于流型为泡状流时，由于小气泡和油滴分散在连续水相中，截面电导率接近于1，仪表因子接近于1，仪表因子预测较准确。仅对泡状流水相表观流速进行预测时，平均相对误差(AAPD)和平均绝对误差(AAD)分别为3.1165％和0.03156m/s，具有很高的预测精度。段塞流由于有气塞，变形大气泡和油滴等非导电相交替出现，同时相间滑脱严重，导致截面电导率分布十分不均匀。因此，仅对混状流水相表观流速进行预测时，平均相对误差(AAPD)和平均绝对误差(AAD)分别为4.3985％和0.04101m/s。对于含水率60％以上的段塞流，混合流体为轴对称分布，使得截面电导率分布和速度剖面分布为轴对称分布，可实现水相表观流速的较为准确的预测。
由图11和图12可知，气相表观流速和油相表观流速在泡状流和混状流时具有较高预测精度，但在段塞流时预测精度均有所下降。造成段塞流预测精度低的原因主要有两个：一方面是电磁流量计测得段塞流的水相表观流速预测存在一定误差，导致联立计算后仍存在偏差；另一方面，段塞流分散相分布不均且相间滑脱严重，使得电导传感器提取的空隙率出现一定误差。总体来说，在三种典型流型下油相表观流速的预测结果的平均相对误差(AAPD)，平均绝对误差(AAD)分别为5.9484％，0.00668m/s。说明测量系统对混合流速及各分相表观速度预测具有很高的精度。

Claims (4)

1.一种油气水三相流电磁流量计组合电导传感器流量测量装置，包括电导传感器和相应的测量电路，以及电磁流量计和相应的测量电路，其中，
电导传感器包括设置在测量管道上的旋转电场式八电极电导传感器和布置在测量管道边壁的分布式同轴双环形电导传感器；
旋转电场式八电极电导传感器，用于测量气相电导率，由四对光滑嵌入均匀分布在测量管道内壁并处于同一截面的电极组成，每两个分别设置在一条直径上的电极构成一路通道，构成一对测量电极；
分布式同轴双环形电导传感器，用于测量靠近管壁液膜区的油水混合液电导率，包括四组光滑内嵌在测量管道的同轴电极组，每一组同轴电极由位于截面中心的圆形接收电极A1，环形激励电极A和环形接收电极A2组成，设圆形接收电极A1的半径为R1，环形激励电极A的厚度为R2，环形接收电极A2的厚度为R3，圆形接收电极A1与环形激励电极A之间的间距为l1，环形激励电极A与环形接收电极A2之间的间距为l2；环形激励电极A为信号激励电极，圆形接收电极A1和环形接收电极A2为信号接收电极。
电磁流量计，用于测量导电水相的体积流量；
电导传感器测量电路包括加载在旋转电场式八电极电导传感器各个测量电极上的第一交流信号源以及加载在分布式同轴双环形电导传感器的每一组同轴电极的第二交流信号源；第二交流信号源加载在每一组同轴电的环形激励电极A，圆形接收电极A1和环形接收电极A2分别获得接收信号；旋转电场式八电极电导传感器和分布式同轴双环形电导传感器输出的检测信号分别依次经过电流/电压转换和反相放大后经由解调模块处理，解调模块的输出信号被送入计算机；电磁流量计的测量电路用于将电磁流量计输出的电流信号经过电阻转化为电压信号后再经过反向放大后输出到计算机。
2.根据权利要求1所述的油气水三相流电磁流量计组合电导传感器流量测量装置，其特征在于，测量管道内径为D＝20mm，所述的分布式同轴双环形电导传感器的优化尺寸为：每个电极的高度H为4mm，相邻电极之间张角θ为22.5°，每个电极的厚度T为1mm。
3.根据权利要求1所述的油气水三相流电磁流量计组合电导传感器流量测量装置，其特征在于，测量管道内径为D＝20mm，所述的分布式同轴双环形电导传感器的优化尺寸为：圆形接收电极A1的半径R1为1mm，环形激励电极A的厚度R2为1mm，环形接收电极A2的厚度R3为1mm；圆形接收电极A1与环形激励电极A之间的间距l1为1mm，环形激励电极A与环形接收电极A2之间的间距l2为1mm。
4.根据权利要求1所述的油气水三相流电磁流量计组合电导传感器流量测量装置，其特征在于，在环形激励电极A和电极圆形接收电极A1之间以及环形激励电极A和环形接收电极A2之间均设置有屏蔽层。
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