CN114636448A - 一种油气水三相流流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油气水三相流流量测量方法，包括如下的步骤：利用旋转电场式八电极电导传感器进行测量，获得归一化的油气水三相混合液电导率；分流型计算持气率；根据全水条件下电磁流量计输出电压与标定混合流速间拟合函数关系，获得不同流动工况下电磁流量计仪表因子与持水率之间的关系图版；利用两种电导传感器及电磁流量计所测分散相持率与水相流速参数，建立油气水三相流的漂移模型，实现分相表观流速预测。

Description

一种油气水三相流流量测量方法

技术领域

本发明涉及石油工业领域中一种油气水三相流流量测量方法。

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。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。油气水三相流的分散相持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。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

本发明在一种新的组合式油气水三相流电导传感器结合电磁流量计的基础上，提供油气水三相流分散相持率和流量测量方法。通过采用旋转电场式八电极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分布式同轴双环形电导传感器来获取油和水混合液的电导率。通过将旋转电场式八电极电导传感器及分布式同轴双环形电导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率的有效关系模型，实现基于电导法油气水三相流分散相持率测量。同时，采用电磁流量计仪表因子模型预测的水相表观流速，结合三种流型的漂移模型实现了各分散相流速的高精度预测。技术方案如下：

一种油气水三相流流量测量方法，所采用的流量测量装置，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和电磁流量计；分布式同轴双环形电导传感器包含分布在同一个管道截面上的多个同轴双环形电导传感器，每个同轴双环形电导传感器为同心三电极结构，包括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；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；同轴双环形电导传感器与流体接触的测量面为弧面，其曲率与内管壁相同，保证同轴双环形电导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；电导传感器测量电路包括分别加载在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的两个交流信号源，两种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；电磁流量计的测量电路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，油气水三相流测量方法，包括如下的步骤：

(1)利用旋转电场式八电极电导传感器进行测量，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，通过这四个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，将四通道的数据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：

(2)分流型计算持气率

对于泡状流，持气率

对于段塞流和混状流，选取最优阈值，将段塞流及混状流的归一化电导率

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

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；持气率

(3)根据全水条件下电磁流量计输出电压与标定混合流速间拟合函数关系，获得不同流动工况下电磁流量计仪表因子与持水率之间的关系图版；利用两种电导传感器及电磁流量计所测分散相持率与水相流速参数，建立油气水三相流的漂移模型，实现分相表观流速预测。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

(1)本发明提出的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与电磁流量计组合的测量方式，对油气水三相流分相持率具有较高的测量分辨率，采用电磁流量计测量水相流速具有不受流体温度及压力影响优势，其测量结果可用于构建油气水三相流漂移流动模型，即完成油气水相流分相流量预测。

(2)分布式同轴双环形电导传感器安装于管道边壁处，并采用具有较小探测深度的圆形接收电极进行测量，可获得不受气相影响的油水混合液电导率。采用四个子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)将分布式同轴双环形电导传感器与旋转电场式八电极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分相持率的测量。

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：(a)是分布式同轴双环形电导传感器的构成图，(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,(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传感器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，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是电磁流量计在段塞流(Slug flow)、混状流(Churn flow)、泡状流(Bubbleflow) 下仪表因子ε与持水率Y_w的关系图版。

图7(a)是段塞流(Slug flow)下相分布系数C₀₁与

的关系图版，图7(b)是段塞流(Slug flow)下相分布系数C₀₂与

的关系图版。

图8(a)是混状流(Churn flow)下相分布系数C₀₁与

的关系图版，图8(b)是混状流(Churn flow)下相分布系数C₀₂与

的关系图版。

图9(a)是泡状流(Bubble flow)下相分布系数C₀₁与

的关系图版，图9(b)是泡状流(Bubble flow)下相分布系数C₀₂与

的关系图版。

图10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11的(a)(b)分别是含油率f_o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12的(a)(b)分别是含油率f_o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13是电磁流量计在段塞流(Slug flow)、混状流(Churn flow)、泡状流(Bubbleflow) 时，测量得出水相表观流速预测值

与参考值

之间关系的图版。

图14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)、泡状流(Bubble flow)时，漂移模型预测气相表观流速预测值

与参考值

之间关系的图版。

图15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)、泡状流(Bubble flow)时，漂移模型预测油相表观流速预测值

与参考值

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

本发明提出了一种基于电磁流量计和电导传感器相结合测量水为连续相油气水三相流持率和分散相流速的新方法。该方法包括组合电导传感器的使用和三相流中电磁流量计仪表因子模型的建立。采用旋转电场式八电极电导传感器获取气液混合流体的电导率，并提出了一种检测液膜电导率的分布式同轴双环形电导传感器。基于气液混合流体和水相的实测电导率，建立了基于流型结构的持率模型。此外通过三相流中电磁流量计的仪表因子模型，测量三相流中水相表观流速。最终通过建立油气水三相流漂移通量模型，实现了各分散相的表观流速的测量。

下面结合附图说明一种基于电磁流量计和电导传感器相结合测量油气水三相流持率和流速方法的具体实施过程：

(1)由旋转电场式八电极电导传感器、分布式同轴双环形电导传感器和电磁流量计组合而成的测量装置结构如图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，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，环形激励电极A(8)与圆形接收电极A1(7)和环形接收电极A2(9)之间的绝缘层10。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，环形激励电极A(8) 与激励频率为20kHz的激励源连接。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，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)由旋转电场式八电极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，需根据具体的应用场景和实验数据选取最优的阈值，将段塞流及混状流的归一化电导率

信号中高于阈值的部分定义为高电导率结构部分，将低于阈值的部分定义为低电导率结构部分，从而将电导率

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。

(3)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。

对于圆形接收电极A1的输出，假设电极间的等效电阻为R_ref，激励信号的有效值为V_s，则系统的响应函数为：

电路参数设定为

及电极常数k为定值，固输出V_A1与电导率σ呈线性关系。测量中，四个分布式同轴双环形电导传感器获得的电导率为σ_l1，σ_l2，σ_l3及σ_l4，将四路电导率求平均即可得到平均电导率σ_l。

σ_l＝(σ_l1+σ_l2+σ_l3+σ_l4)/4

对于三相流中液相持水率和持油率的求算，主要使用分布式同轴双环形电导传感器的输出信号进行计算。假设油水混合液相中持水率为

持油率为

根据Maxwell公式可知油水混合液相持水率为

油水混合液电导率σ_o+w和水相电导率σ_w之间的关系：

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

为：

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：

和

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率值。联立得到油水混合液相中持水率

的计算模型：

根据可以计算得到三相混合液中实际持水率Y_w与持油率Y_o计算的模型：

Y_o＝1-Y_w-Y_g

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，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)在不考虑截面速度分布和电导率分布，气液相滑脱，不区分流体流型的前提下，提出电磁流量计在均匀两相流的输出电压ΔV_DP和持气率Y_g的关系：

其中U_sw代表水相表观流速，ΔV_SP为单相水条件下仅由水相流量产生的电压。此时电磁流量计的信号响应如图5所示。观察到电磁流量计的响应电压与水相表观流速有着良好的线性关系。符合电磁流量计的高精度的特性。由电磁流量计的输出电压公式，令k＝Bd则单相流中输出电压与水相表观流速线性的关系如下:

ΔV_sp＝kU_sw+b

将图5中水相表观速度与电磁流量计的响应电压进行线性拟合，得到斜率k和截距b分别为0.1659和1.0154：

ΔV_sp＝0.1659U_sw+1.0154

本发明提出在油气水三相流中电磁流量计的仪表因子，仪表因子ε表达式为:

结合计算得到的油气水三相流电磁流量计仪表因子ε，绘制如图6所示的电磁流量计仪表因子ε与持水率Y_w的关系图。由图6可知，在油气水三相流的三种流型中电磁流量计的仪表因子ε会随着持水率增大而减小，并呈现较好的规律性。图6中虚线表示电磁流量计的仪表因子为1。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油气水三相流漂移模型。在油气水三相流中存在分散气相和分散油相两个分散相。因此，油气水三相流中漂移通量模型的表达式为：

其中，C₀₁和C₀₂分别表示分散气相和分散油相的相分布系数。两个分散相的泡径指数分别为n,m,p,q。相分布系数和泡径指数都是与混合流速和分相持率相关的参数。U_g∞表示单个气泡在静止水中极限上升速度。U_o∞表示单个油滴在静止水中极限上升速度。在垂直上升油气水三相流中，不同流型的分散相分布情况和分散相泡径尺寸都有明显差异。因此，根据实验数据，对段塞流，混状流和泡状流三种典型流型分别进行漂移模型的参数项拟合。将相关参数代入以上公式，持气率Y_g和持油率Y_o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组合系统测量得到。可以分别绘制出图7、图8和图9所示段塞流(Slugflow)、混状流(Churn flow)和泡状流(Bubble flow)下相分布系数C₀₁与

的关系图版。

根据图7、图8和图9可以看出，在三种典型流型下曲线的拟合程度都很接近于1。说明非线性拟合有着很好的效果，拟合得出的公式可以很好的反映参数之间的关系。将计算得到的相分布系数，泡径指数等参数以及由电导传感器测量得到的持率信息代入模型，即可得出基于不同流型的油气水三相流漂移通量模型，从而测量出油气水三相流分相体积流速。

(5)实验验证与结果

图10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11所示的不同含油率f_o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7可知，当含油率f_o和液相表观流速U_sl一定时，传感器测量得到的持气率随着气相表观流速U_sg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11(a)和图11(b)，可以看出随着含油率f_o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12所示的不同含油率工况下持水率测量结果图。图中，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12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13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，AAPD和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14和图15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，平均误差AAD分别为5.9484％，0.00668m/s。

综上，本发明将漂移模型从两相流应用推广至更为复杂的油气水三相流，用于预测混合流速和三相流中各分散项的表观流速。采用电磁流量计仪表因子模型预测的水相表观流速，结合三种典型流型的漂移模型实现了各分散相的流速预测。结果显示，该测量方法及模型具有良好的性能，水相表观流速、气相表观流速及油相表观流速平均相对误差(AAPD)分别为 3.55％，4.33％及5.95％，在预测精度上有着令人满意的效果。

Claims (1)

1.一种油气水三相流流量测量方法，所采用的流量测量装置，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和电磁流量计；分布式同轴双环形电导传感器包含分布在同一个管道截面上的多个同轴双环形电导传感器，每个同轴双环形电导传感器为同心三电极结构，包括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；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；同轴双环形电导传感器与流体接触的测量面为弧面，其曲率与内管壁相同，保证同轴双环形电导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；电导传感器测量电路包括分别加载在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的两个交流信号源，两种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；电磁流量计的测量电路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，油气水三相流测量方法，包括如下的步骤：

(1)利用旋转电场式八电极电导传感器进行测量，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，通过这四个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，将四通道的数据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：

(2)分流型计算持气率

对于泡状流，持气率

对于段塞流和混状流，选取最优阈值，将段塞流及混状流的归一化电导率

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

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；持气率

(3)根据全水条件下电磁流量计输出电压与标定混合流速间拟合函数关系，获得不同流动工况下电磁流量计仪表因子与持水率之间的关系图版；利用两种电导传感器及电磁流量计所测分散相持率与水相流速参数，建立油气水三相流的漂移模型，实现分相表观流速预测。

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