CN114778482A - 石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器，其包括电容测量模块、电导相关测量模块、近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块和电路控制系统，电导相关测量模块设置在近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块的轴向两侧且同轴布置，并基于此提出一种测量方法，获取传感器的输出信号，依次计算融合截面持气率、流量参数和矫正持水率，获得最终多相流参数及截面气相分布特性。本发明解决了截面多相流流量、持率及气相分布特性测量困难和测量误差较大的问题，结构精巧、造价低、无可动部件且可靠性高，可在石油生产测量领域广泛推广。
Description
技术领域
本发明属于油气剖面测井技术领域，具体涉及一种石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器及测量方法。
背景技术
在石油生产井多相流体上升过程中，随着流体压力逐渐减小，气体随之析出，致使管道内流型、流态多变。而对此开展多相流多参数测量可及时了解和掌握各产层渗出液状况，对调整油井生产方案、提高产能具有重要意义。
电导测量技术与电容测量技术相较于微波技术、超声技术和雷达技术等因其具有结构简单、成本低廉、响应速度快和测量精度高等特点而被广泛应用于多相流含水率测量领域。近红外技术因其对不同含氢基团具有不同的特征吸收谱带使得该技术开始被引入气液两相流含气率检测领域。相比于电导法、电容法、伽马射线法、微波法和超声法等方法，近红外吸收法具有穿透性强、传输距离远、高效环保、高分辨率、检测过程无损无污染和快速响应等优势特点。相关流量测量技术基于测量管道轴向相距为L的上下游管截面流动夹带介质的“记忆效应”，获取上下游输出信号进行互相关计算获取混合流速参数，相较于涡轮法与电磁法，相关流量测量方法具有简单、高效等特点并被广泛应用于流量测量领域。上述方法虽然应用广泛，但仅能获取多相流单一参数而无法获取多相流综合参数；此外，当前组合技术主要是通过将各个传感器分别封装，然后再进行结构连接和电气连接，该方法技术简单、易实现、可操作性强，但是结构复杂、故障率高、维修困难、造价高，且本质上并没有实现真正意义上的多传感器一体化融合设计。
因此，为满足石油生产多相流多参数测量需要，设计一种针对垂直上升管的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器及测量方法是十分必要且又相当迫切的。
发明内容
针对以上情况，本发明提供一种石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器，其包括电容测量模块、电导相关测量模块、近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块和电路控制系统，电导相关测量模块设置在近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块的轴向两侧且同轴布置，并基于此提出一种测量方法，获取传感器的输出信号，依次计算融合截面持气率、流量参数和矫正持水率，获得最终多相流参数及截面气相分布特性。本发明解决了截面多相流流量、持率及气相分布特性测量困难和测量误差较大的问题，结构精巧、造价低、无可动部件且可靠性高，可在石油生产测量领域广泛推广。
本发明提供一种石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器，其包括电容测量模块、电导相关测量模块、近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块和电路控制系统，所述电导相关测量模块和近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块设置在所述电容测量模块内部，所述电导相关测量模块设置在所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块的轴向两侧且同轴布置，所述电容测量模块包括外壳、外电极、内绝缘层、内电极和测量管道，所述外壳设置在所述内绝缘层外侧且同轴布置，所述外壳内侧安装有所述外电极，所述内绝缘层外侧安装有所述内电极，所述外壳外侧和所述内绝缘层内侧均安装有所述测量管道，所述电导相关测量模块位于所述内绝缘层上；
所述电导相关测量模块包括激励电极E1、激励地电极E2、第一测量电极H1、第二测量电极H2、第三测量电极M1、第四测量电极M2、第五测量电极M3、第六测量电极M4，所述第四测量电极M2与第五测量电极M3之间放置所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块；
所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块包括上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块，所述上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块均设有若干近红外吸收式光纤传感器，所述近红外吸收式光纤传感器包括近红外接收装置和近红外发射装置，所述近红外发射装置和近红外接收装置分别与所述内绝缘层或外壳通过螺纹密封连接，相邻所述近红外吸收式光纤传感器的所述近红外发射装置和近红外接收装置的安装位置在所述内绝缘层和外壳中进行对调；
所述电路控制系统包括多通道程控开关、电容测量模块电路、电导相关测量模块电路、近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块电路、电源模块、存储模块、AD采集模块和主控制器模块，所述多通道程控开关分别连接所述红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块、电导相关测量模块和电容测量模块，所述电容测量模块电路包括电容激励模块和电容信号处理模块；所述电导相关测量模块包括电导激励模块、电导信号处理模块、上游信号处理电路和下游信号处理电路，所述电导信号处理模块包括信号调理电路、压频转换电路和信号整形电路，所述上游信号处理电路和下游信号处理电路均包括反向滤波放大电路模块、同相放大电路模块和限幅电路模块；所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块电路包括光发射模块、光接收模块和信号处理模块，所述AD采集模块采集传感器输出信号，所述电源模块为所述近红外吸收式光纤传感器提供电能，所述存储模块对所述近红外吸收式光纤传感器输出电压信号进行本地存储。
进一步，所述第一测量电极H1、第二测量电极H2组成相含率测量电极，所述第三测量电极M1和第四测量电极M2组成下游测量电极，所述第五测量电极M3和第六测量电极M4组成上游测量电极，所述上游测量电极和下游测量电极分别连接至所述上游信号处理电路和下游信号处理电路。
可优选的，所述上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块中的若干所述近红外吸收式光纤传感器呈*形、环状均匀分布且位于同一截面上；每个所述近红外吸收式光纤传感器均仅含有1个所述近红外发射装置和1个所述近红外接收装置且二者连线的延长线均过截面圆心，所有所述近红外发射装置和近红外接收装置内外交错对应分布且位于同一截面上。
可优选的，与所述外壳连接的所述近红外发射装置或近红外接收装置伸出所述外电极部分与所述测量管道相接触，与所述内绝缘层连接的所述近红外发射装置或近红外接收装置伸出所述内绝缘层部分与所述测量管道相接触。
可优选的，所述上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块均设有n(n≥1,n∈N*)个相同的近红外吸收式光纤传感器，且其中所述近红外发射装置和近红外接收装置的安装位置对应相同。
可优选的，所述近红外发射装置在光源前方加载透镜进行聚光，所述近红外接收装置接收端适当外扩以便更好接收光线。
本发明的另一方面，提供一种利用前述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器的测量方法，其包括以下步骤：
S1、获取所有近红外吸收式光纤传感器的输出信号；
S2、借助朗伯比尔吸收定律和吸光度线性叠加定律，计算融合截面持气率；
S21、基于上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块输出的电压信号，通过采用朗伯比尔吸收定律及吸光度线性叠加定律，获取上游径向持气率ug1,ug2,…,ugn和下游径向持气率dg1,dg2,…,dgn；
S22、采用加权融合方法，获取上游截面持气率信息ug和下游截面持气率信息dg：
其中，α1,α2,…,αn表示对应于ug1,ug2,…,ugn的权重系数且均为常实数；β1,β2,…,βn表示对应于dg1,dg2,…,dgn的权重系数且均为常实数；
S23、计算融合截面持气率g：
g＝(ug+dg)/2 (3)；
S3、将上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块的近红外吸收式光纤传感器进行插值，增加至2n个，基于插值点数据估计规则对插值点数据进行估计，并通过基于广义最小残差迭代的超声层析成像重建算法进行成像；
S4、基于电导相关测量模块和近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块，借助互相关运算，计算流量参数f；
S41、基于近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块中的上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块输出的电压信号，进行互相关运算获取近红外流量参数of；
S42、基于电导相关测量模块中的上游测量电极和下游测量电极输出的电压信号，通过互相关运算获取电导流量参数cf；
S43、综合近红外流量参数of和电导流量参数cf，获取流量参数f：
f＝(of+cf)/2 (4)；
S5、基于电容测量模块和电导相关测量模块，计算矫正持水率w；
S51、基于电容测量模块输出频率信号，获取电容持水率ew：
其中，Fco表示当电容传感器置于全油相环境时的输出频率；Fcw表示当电容传感器置于全水相环境中时的输出频率；Fc当电容传感器置于待测油水两相流体中时的输出频率；
S52、基于电导相关测量模块中的相含率测量电极输出电压信号，通过利用Maxwell方程获取电导持水率cw：
其中，σm表示混合相的电导率；σw表示水的电导率；Fm表示混相时传感器输出频率；Fw表示全水时传感器输出频率；Gm表示第一测量电极H1、第二测量电极H2在油水混相时的电导；Gw表示第一测量电极H1、第二测量电极H2在全水时的电导；
S53、基于融合处理后进一步获取融合持水率fw：
fw＝(cw+ew)/2 (8)；
S54、通过持水率矫正模型获取矫正持水率w：
w＝fw/(g+1) (9)；
S6、获得最终多相流参数，所述多相流参数包括流量参数f、融合截面持气率g、矫正持水率w及截面气相分布特性。
进一步，所述步骤S41和步骤S42中的所述互相关运算Rxy(τ)为：
其中，τ表示上游传感器与下游传感器获取的信号的相似波形的时间间隔，是依据实际信号获取得到的；x(t)表示上游传感器获取的信号；y(t+τ)表示下游传感器获取的信号；T表示信号周期；
所述互相关运算的峰值代表着两路流动噪声信号的最大相似，其所对应的时间τ0为流体流动噪声信号由上游到下游所经历的时间，设为渡越时间；
所述步骤S41中的所述近红外流量参数of为：
of＝(L/τ0)*apo (11)
其中，L表示上下游距离；apo表示红外吸收式环形多探测点光纤相关测量传感器管道的横截面积；
所述步骤S42中的所述电导流量参数cf为：
cf＝(L/τ0)*apc (12)
其中，apc表示电导相关流量监测传感器管道的横截面积。
可优选的，所述步骤S3中所述插值点数据估计规则为多近邻插值：
Zi＝α1Z1+α2Z2 (13)
其中，Zi、Z1、Z2分别表示靠近插值点距离最近的实际测量点的电压信号。
本发明的特点和有益效果是：
1、本发明提供的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器，解决了截面多相流流量、持率及气相分布特性测量困难和测量误差较大的问题，同时具有结构精巧、造价低、无可动部件和可靠性高等特点，可在石油生产测量领域广泛推广。
2、本发明提供的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器的测量方法，能够快速、准确地获取垂直上升管内多相流流量、持率及气相分布特性，实用性好。
附图说明
图1为本发明石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器结构示意图；
图2是本发明石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器轴截面结构示意图；
图3是本发明石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器俯视图；
图4是本发明石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器电路系统终端示意图；
图5是本发明石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器的测量方法流程图。
图中：
1-外壳；2-外电极；3-测量管道；4-上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块；5-下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块；6-内绝缘层；7-内电极；8-激励电极；9-第一测量电极；10-第三测量电极；11-第四测量电极；12-第五测量电极；13-第六测量电极；14-第二测量电极；15-激励地电极；RD-下游近红外接收装置；RU-上游近红外接收装置；SD-下游近红外发射装置；SU-上游近红外发射装置。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
本发明提供的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器，如图1～图3所示，其包括电容测量模块、电导相关测量模块、近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块和电路控制系统，电导相关测量模块和近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块设置在电容测量模块内部，电导相关测量模块设置在近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块的轴向两侧且同轴布置。
电容测量模块包括外壳1、外电极2、内绝缘层6、内电极7和测量管道3，外壳1设置在内绝缘层6外侧且同轴布置，外壳1内侧安装有外电极2，内绝缘层6外侧安装有内电极7，外壳1外侧和内绝缘层6内侧均安装有测量管道3，电导相关测量模块位于内绝缘层6上。
电导相关测量模块包括激励电极8E1、激励地电极15E2、第一测量电极9H1、第二测量电极14H2、第三测量电极10M1、第四测量电极11M2、第五测量电极12M3、第六测量电极13M4，第四测量电极11M2与第五测量电极12M3之间放置近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块；第一测量电极9H1、第二测量电极14H2组成相含率测量电极，第三测量电极10M1和第四测量电极11M2组成下游测量电极，第五测量电极12M3和第六测量电极13M4组成上游测量电极，上游测量电极和下游测量电极分别连接至上游信号处理电路和下游信号处理电路。
近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块包括上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块4和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块5，上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块4和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块5均设有呈*形、环状均匀分布且位于同一截面上的n(n≥1,n∈N*)个相同的近红外吸收式光纤传感器，每个近红外吸收式光纤传感器均仅含有1个近红外发射装置和1个近红外接收装置且二者连线的延长线均过截面圆心，所有近红外发射装置和近红外接收装置内外交错对应分布且位于同一截面上。
近红外发射装置和近红外接收装置分别与内绝缘层或外壳通过螺纹密封连接，与外壳连接的近红外发射装置或近红外接收装置伸出外电极部分与测量管道3相接触，与内绝缘层连接的近红外发射装置或近红外接收装置伸出内绝缘层部分与测量管道3相接触。
相邻近红外吸收式光纤传感器的近红外发射装置和近红外接收装置的安装位置在内绝缘层和外壳中进行对调，上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块4和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块5的近红外发射装置和近红外接收装置的安装位置对应相同。
在一个具体实施例中，n取6，此时，上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块4中内层有3个上游近红外接收装置[RU1,RU3,RU5]和3个上游近红外发射装置[SU2,SU4,SU6]交错布置，外层有3个上游近红外接收装置[RU2,RU4,RU6]和3个上游近红外发射装置[SU1,SU3,SU5]交错布置且与内层交错布置；下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块5中近红外发射装置和近红外接收装置的数量和安装位置与上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块4中的对应相同。
近红外发射装置在光源前方加载透镜进行聚光，近红外接收装置接收端适当外扩以便更好接收光线。
如图4所示，电路控制系统包括多通道程控开关、电容测量模块电路、电导相关测量模块电路、近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块电路、电源模块、存储模块、AD采集模块和主控制器模块。
多通道程控开关分别连接红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块、电导相关测量模块和电容测量模块。
电容测量模块电路包括电容激励模块和电容信号处理模块。电容激励模块由振荡电路产生激励源对电容测量模块进行激励，电容信号处理模块用于对电容测量模块的信号进行处理；其中电容激励模块一方面对电容传感器的电容大小进行测量，另一方面直接输出能够反应电容传感器电容大小的频率信号，电容信号处理模块只进行信号整形和滤波，电容传感器的测量整个过程没有电压信号，激励模块直接输出的就是频率信号，所以主控制器模块处理的电容信号也是频率信号，频率的高低反应电容传感器电容量的大小。
电导相关测量模块包括电导激励模块、电导信号处理模块、上游信号处理电路和下游信号处理电路。
电导激励模块用于对电导相关测量模块中的激励电极8E1、激励地电极15E2激励，为电导相关测量模块提供幅值恒定的交变电流，在管道中建立电流场。
电导信号处理模块包括信号调理电路、压频转换电路和信号整形电路，用于对电导相关测量模块中的第一测量电极9H1、第二测量电极14H2的电压信号进行调理、压频转换、脉宽调制等处理，输出反应持水率信息的频率信号。
上游信号处理电路和下游信号处理电路均包括反向滤波放大电路模块、同相放大电路模块和限幅电路模块。当油水两相流体从集成传感器内流过时，流体阻抗的随机变化对作用在上游检测电极和下游检测电极上的交变恒定电流产生随机调制作用，上游检测电极和下游检测电极的输出会随着调制作用产生相应的变化，分别由游信号处理电路和下游信号处理电路进行相应的放大、检波、滤波等操作，解调出流体流动噪声信号x(t)和y(t)，噪声信号用于计算近红外流量参数of和电导流量参数cf。
近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块电路包括光发射模块、光接收模块和信号处理模块，光发射模块由驱动电路和近红外光源组成，主要用于将驱动电能转化为出射光线；光接收模块包括近红外接收探头和光电转化电路，用于为探测器将返回光能转化可反映持气率信息的电压信号；信号处理模块包括差分和功率放大电路、模数转化电路，将接收到的电信号进行差分、功率放大、模数转化等操作，输出反映持气率信息的电压信号。
AD采集模块采集传感器输出信号，电源模块为近红外吸收式光纤传感器提供电能，存储模块对近红外吸收式光纤传感器输出电压信号进行本地存储。
主控制器模块用于对石油生产多相流多参数测量光电一体式传感器输出信号进行数据处理，依据近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块获取的电压信号进一步获取截面持气率信息、截面气相分布信息及近红外流量信息。根据电容信号处理模块处理后的频率信号计算电容持水率；依据电导输出频率信号同时获取电导流量与电导持水率信息。最后综合处理获取矫正持水率、截面持气率、气相分布及融合流量等参数。
在工作时，利用近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块进行截面持气率、气相分布及近红外流量测量，测量管道3中多相流流动时，记录光强信号为Ig(入射光束强度)；当测量管道3只有液相流体流动时，记录该光强信号为Il(透射液相后的光束强度)。令近红外发射探头输出近红外光经测量管道3液相浓度为β1的两相流吸收后，近红外吸收光强为I’，则I’可表示为：
I'＝Ig exp{-d[μg(1-βl)+μlβl]} (14)
其中，d表示光程/通过被测介质厚度；μg表示待测气相摩尔吸光系数；μl表示待测液相摩尔吸光系数。
则测量管道3界面液相浓度βl可表示为：
由式(14)与(15)可知，近红外接收装置收集的光强信号变化实际反映了近红外光强信号穿过待测液体后入射光强吸收衰减情况，且光强信号大小与被测液相浓度βl有关；其中，k和b为常实数。
本发明的另一方面，提供一种利用前述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器的测量方法，如图5所示，其包括以下步骤：
S1、获取所有近红外吸收式光纤传感器的输出信号。
S2、借助朗伯比尔吸收定律和吸光度线性叠加定律，计算融合截面持气率。
S21、基于上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块输出的电压信号，通过采用朗伯比尔吸收定律及吸光度线性叠加定律，获取上游径向持气率ug1,ug2,…,ugn和下游径向持气率dg1,dg2,…,dgn。
S22、采用加权融合方法，获取上游截面持气率信息ug和下游截面持气率信息dg：
其中，α1,α2,…,αn表示对应于ug1,ug2,…,ugn的权重系数且均为常实数；β1,β2,…,βn表示对应于dg1,dg2,…,dgn的权重系数且均为常实数。
S23、计算融合截面持气率g：
g＝(ug+dg)/2 (3)。
S3、将上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块的近红外吸收式光纤传感器进行插值，增加至2n个，基于插值点数据估计规则对插值点数据进行估计，并通过基于广义最小残差(generalized minimalresidual，GMRES)迭代的超声层析成像重建算法进行成像。
插值点数据估计规则为多近邻插值：
Zi＝α1Z1+α2Z2 (13)
其中，Zi、Z1、Z2分别表示靠近插值点距离最近的实际测量点的电压信号。
S4、基于电导相关测量模块和近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块，借助互相关运算，计算流量参数f。
S41、基于近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块中的上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块输出的电压信号，进行互相关运算获取近红外流量参数of。
互相关运算Rxy(τ)为：
其中，τ表示上游传感器与下游传感器获取的信号的相似波形的时间间隔，是依据实际信号获取得到的；x(t)表示上游传感器获取的信号；y(t+τ)表示下游传感器获取的信号；T表示信号周期。
互相关运算的峰值代表着两路流动噪声信号的最大相似，其所对应的时间τ0为流体流动噪声信号由上游到下游所经历的时间，设为渡越时间。
步骤S41中的近红外流量参数of为：
of＝(L/τ0)*apo (11)
其中，L表示上下游距离；apo表示红外吸收式环形多探测点光纤相关测量传感器管道的横截面积。
S42、基于电导相关测量模块中的上游测量电极和下游测量电极输出的电压信号，通过互相关运算获取电导流量参数cf：
cf＝(L/τ0)*apc (12)
其中，apc表示电导相关流量监测传感器管道的横截面积。
S43、综合近红外流量参数of和电导流量参数cf，获取流量参数f：
f＝(of+cf)/2 (4)。
S5、基于电容测量模块和电导相关测量模块，计算矫正持水率w。
S51、基于电容测量模块输出频率信号，获取电容持水率ew：
其中，Fco表示当电容传感器置于全油相环境时的输出频率；Fcw表示当电容传感器置于全水相环境中时的输出频率；Fc当电容传感器置于待测油水两相流体中时的输出频率。
电容传感器模块测量部分的原理是将油水比例与电容量建立关系表达式(5)从而得到持水率信息。电容激励模块开启，产生电容激励源，确保电容传感器正常工作；电容信号处理模块对其频率信号进行滤波等处理。
S52、基于电导相关测量模块中的相含率测量电极输出电压信号，当电导相关测量模块处于工作状态时，对油水两相流全水相进行标定，即对电导持水率监测传感器进行标定，在水为连续相条件下，第一测量电极9H1、第二测量电极14H2间的电压幅度与经过电导持水率监测传感器流体的电导率成反比。
通过利用Maxwell方程获取电导持水率cw：
其中，σm表示混合相的电导率；σw表示水的电导率；Fm表示混相时传感器输出频率；Fw表示全水时传感器输出频率；Gm表示第一测量电极9H1、第二测量电极14H2在油水混相时的电导(混相值)；Gw表示第一测量电极9H1、第二测量电极14H2在全水时的电导(全水值)。
电导持水率是指井筒某处水相所占的体积百分比，式(6)中的全水值与混相值之比称为仪器相对响应，混相值在油水两相流体流过传感器时测得，全水值可通过传感器下接一取样器待油水两相分离后获得。
S53、基于融合处理后进一步获取融合持水率fw：
fw＝(cw+ew)/2 (8)。
S54、通过持水率矫正模型获取矫正持水率w：
w＝fw/(g+1) (9)。
S6、获得最终多相流参数，多相流参数包括流量参数f、融合截面持气率g、矫正持水率w及截面气相分布特性。
本发明提供的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器，解决了截面多相流流量、持率及气相分布特性测量困难和测量误差较大的问题，同时具有结构精巧、造价低、无可动部件和可靠性高的特点，可在石油生产测量领域广泛推广；所提供的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器的测量方法，能够快速、准确地获取垂直上升管内多相流流量、持率及气相分布特性，实用性好。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器，其特征在于，其包括电容测量模块、电导相关测量模块、近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块和电路控制系统，所述电导相关测量模块和近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块设置在所述电容测量模块内部，所述电导相关测量模块设置在所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块的轴向两侧且同轴布置，
所述电容测量模块包括外壳、外电极、内绝缘层、内电极和测量管道，所述外壳设置在所述内绝缘层外侧且同轴布置，所述外壳内侧安装有所述外电极，所述内绝缘层外侧安装有所述内电极，所述外壳外侧和所述内绝缘层内侧均安装有所述测量管道，所述电导相关测量模块位于所述内绝缘层上；
所述电导相关测量模块包括激励电极E1、激励地电极E2、第一测量电极H1、第二测量电极H2、第三测量电极M1、第四测量电极M2、第五测量电极M3、第六测量电极M4，所述第四测量电极M2与第五测量电极M3之间放置所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块；
所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块包括上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块，所述上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块均设有若干近红外吸收式光纤传感器，所述近红外吸收式光纤传感器包括近红外接收装置和近红外发射装置，所述近红外发射装置和近红外接收装置分别与所述内绝缘层或外壳通过螺纹密封连接，相邻所述近红外吸收式光纤传感器的所述近红外发射装置和近红外接收装置的安装位置在所述内绝缘层和外壳中进行对调；
所述电路控制系统包括多通道程控开关、电容测量模块电路、电导相关测量模块电路、近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块电路、电源模块、存储模块、AD采集模块和主控制器模块，所述多通道程控开关分别连接所述红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块、电导相关测量模块和电容测量模块，所述电容测量模块电路包括电容激励模块和电容信号处理模块；所述电导相关测量模块包括电导激励模块、电导信号处理模块、上游信号处理电路和下游信号处理电路，所述电导信号处理模块包括信号调理电路、压频转换电路和信号整形电路，所述上游信号处理电路和下游信号处理电路均包括反向滤波放大电路模块、同相放大电路模块和限幅电路模块；所述近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块电路包括光发射模块、光接收模块和信号处理模块，所述AD采集模块采集传感器输出信号，所述电源模块为所述近红外吸收式光纤传感器提供电能，所述存储模块对所述近红外吸收式光纤传感器输出电压信号进行本地存储。
2.根据权利要求1所述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器，其特征在于，所述第一测量电极H1、第二测量电极H2组成相含率测量电极，所述第三测量电极M1和第四测量电极M2组成下游测量电极，所述第五测量电极M3和第六测量电极M4组成上游测量电极，所述上游测量电极和下游测量电极分别连接至所述上游信号处理电路和下游信号处理电路。
3.根据权利要求1所述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器，其特征在于，所述上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块中的若干所述近红外吸收式光纤传感器呈*形、环状均匀分布且位于同一截面上；每个所述近红外吸收式光纤传感器均仅含有1个所述近红外发射装置和1个所述近红外接收装置且二者连线的延长线均过截面圆心，所有所述近红外发射装置和近红外接收装置内外交错对应分布且位于同一截面上。
4.根据权利要求1所述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器，其特征在于，与所述外壳连接的所述近红外发射装置或近红外接收装置伸出所述外电极部分与所述测量管道相接触，与所述内绝缘层连接的所述近红外发射装置或近红外接收装置伸出所述内绝缘层部分与所述测量管道相接触。
5.根据权利要求1所述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器，其特征在于，所述上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块均设有n(n≥1,n∈N*)个相同的近红外吸收式光纤传感器，且其中所述近红外发射装置和近红外接收装置的安装位置对应相同。
6.根据权利要求1所述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器，其特征在于，所述近红外发射装置在光源前方加载透镜进行聚光，所述近红外接收装置接收端适当外扩以便更好接收光线。
7.一种利用权利要求1至6之一所述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器的测量方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、获取所有近红外吸收式光纤传感器的输出信号；
S2、借助朗伯比尔吸收定律和吸光度线性叠加定律，计算融合截面持气率；
S21、基于上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块输出的电压信号，通过采用朗伯比尔吸收定律及吸光度线性叠加定律，获取上游径向持气率ug1,ug2,…,ugn和下游径向持气率dg1,dg2,…,dgn；
S22、采用加权融合方法，获取上游截面持气率信息ug和下游截面持气率信息dg：
其中，α1,α2,…,αn表示对应于ug1,ug2,…,ugn的权重系数且均为常实数；β1,β2,…,βn表示对应于dg1,dg2,…,dgn的权重系数且均为常实数；
S23、计算融合截面持气率g：
g＝(ug+dg)/2 (3)；
S3、将上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块的近红外吸收式光纤传感器进行插值，增加至2n个，基于插值点数据估计规则对插值点数据进行估计，并通过基于广义最小残差迭代的超声层析成像重建算法进行成像；
S4、基于电导相关测量模块和近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块，借助互相关运算，计算流量参数f；
S41、基于近红外吸收式环形多探测点光纤相关测量模块中的上游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块和下游近红外吸收式环形多探测点光纤测量子模块输出的电压信号，进行互相关运算获取近红外流量参数of；
S42、基于电导相关测量模块中的上游测量电极和下游测量电极输出的电压信号，通过互相关运算获取电导流量参数cf；
S43、综合近红外流量参数of和电导流量参数cf，获取流量参数f：
f＝(of+cf)/2 (4)；
S5、基于电容测量模块和电导相关测量模块，计算矫正持水率w；
S51、基于电容测量模块输出频率信号，获取电容持水率ew：
其中，Fco表示当电容传感器置于全油相环境时的输出频率；Fcw表示当电容传感器置于全水相环境中时的输出频率；Fc当电容传感器置于待测油水两相流体中时的输出频率；
S52、基于电导相关测量模块中的相含率测量电极输出电压信号，通过利用Maxwell方程获取电导持水率cw：
其中，σm表示混合相的电导率；σw表示水的电导率；Fm表示混相时传感器输出频率；Fw表示全水时传感器输出频率；Gm表示第一测量电极H1、第二测量电极H2在油水混相时的电导；Gw表示第一测量电极H1、第二测量电极H2在全水时的电导；
S53、基于融合处理后进一步获取融合持水率fw：
fw＝(cw+ew)/2 (8)；
S54、通过持水率矫正模型获取矫正持水率w：
w＝fw/(g+1) (9)；
S6、获得最终多相流参数，所述多相流参数包括流量参数f、融合截面持气率g、矫正持水率w及截面气相分布特性。
8.根据权利要求7所述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器的测量方法，其特征在于，所述步骤S41和步骤S42中的所述互相关运算Rxy(τ)为：
其中，τ表示上游传感器与下游传感器获取的信号的相似波形的时间间隔，是依据实际信号获取得到的；x(t)表示上游传感器获取的信号；y(t+τ)表示下游传感器获取的信号；T表示信号周期；
所述互相关运算的峰值代表着两路流动噪声信号的最大相似，其所对应的时间τ0为流体流动噪声信号由上游到下游所经历的时间，设为渡越时间；
所述步骤S41中的所述近红外流量参数of为：
of＝(L/τ0)*apo (11)
其中，L表示上下游距离；apo表示红外吸收式环形多探测点光纤相关测量传感器管道的横截面积；
所述步骤S42中的所述电导流量参数cf为：
cf＝(L/τ0)*apc (12)
其中，apc表示电导相关流量监测传感器管道的横截面积。
9.根据权利要求7所述的石油生产多参数测量同轴光电一体式传感器的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中所述插值点数据估计规则为多近邻插值：
Zi＝α1Z1+α2Z2 (13)
其中，Zi、Z1、Z2分别表示靠近插值点距离最近的实际测量点的电压信号。
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