CN115290679A

CN115290679A - 一种油水两相流阵列天线式微波持水率传感器

Info

Publication number: CN115290679A
Application number: CN202211063744.9A
Authority: CN
Inventors: 金宁德; 白兰迪; 刘传顺; 任英玉
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2022-09-01
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2022-11-04

Abstract

本发明涉及一种阵列天线式微波持水率传感器，包括测量电极、馈线和屏蔽层，其特征在于，测量电极包括四个对称分布、由结构相同的凹形极板组成的发射电极和接收电极，两个发射电极位于同侧并通过馈线相连，两个接收电极位于另一侧并通过馈线相连，形成阵列天线式微波传感器；测量电极位于测试管道外部，屏蔽层位于测量电极的外部；在测量时，当混合流体流经阵列天线式微波传感器的测量区域时，不同配比的流体相对介电常数不同，微波信号穿过时透射系数S₂₁的幅值和相位发生变化；设置固定频率的微波激励信号，利用幅值相位检测电路对阵列天线式微波传感器的相位与幅值进行测量，进而对不同矿化度对应的持水率进行求解。

Description

一种油水两相流阵列天线式微波持水率传感器

技术领域

本发明涉及工业领域中的水矿化度影响下的油水两相流持水率测量方法。

背景技术

油水两相流流动现象广泛存在于自然界和工业生产过程中，在石油领域，准确测量油井内产液剖面流动参数对于石油开采运输至关重要。对于低流速以水为连续相的油水两相流，相间滑脱效应显著且流动结构非常复杂，管道内局部浓度和局部速度分布不均匀；此外，各个地区油田地质构造不同导致石油开采会导致不同地层水溶液的矿化度有所差别，矿化度的差异使得底层水的电导率有所不同，进而影响油水混合物的介电常数，这对采用电学法测量油水两相流提出了挑战。

传统持水率测量方法一般采用低频状态下的电容法、电导法。电容传感器依据油水两相介电常数相差较大，通过检测两极板间电压的变化实现持水率的测量，往往适用于连续相不导电(油相)的持水率测量，对于高含水(含水率>90％)油水两相流，分辨率极小。而电导传感器测量持水率是基于油水电导率的不同来实现的，适用于水为连续相的油水两相流检测，但在高含水(含水率>90％)情况下，受传感器模型及电场分布的影响较大，测量分辨率较低。且两种传感器受矿化度的影响较大。

为提高电学测量法的持水率检测精度及减小矿化度影响，微波测量方法逐渐成为热点研究课题。基于微波检测技术具有测量范围宽，适用面广，测量精度高，可实现非接触，抗干扰能力强等优势，在分相含率测量及流动状态分析等方面得到了广泛的应用。现有的测量油水两相流持水率的微波传感器往往集中于高流速下均匀流体的测量，而面对低流速流动结构复杂多变的油水两相流，研发一种测量范围宽，不受矿化度影响且在复杂流动结构下依旧可测的高分辨率持水率传感器至关重要。

基此，本发明提出一种阵列天线式微波传感器持水率测量方法。首先，采用HFSS仿真软件优化设计了阵列天线式微波传感器几何尺寸，仿真分析了传感器在不同持水率下的幅频特性及相频特性。在此基础上，开展了垂直上升油水两相流动态实验，基于微波传感器输出响应信号对实验流型(泡状流、段塞流、细小泡状流、过渡流)进行了辨识，分析了不同矿化度时的阵列天线式微波传感器幅值和相位输出响应特性。结果表明，该阵列天线式微波传感器对不同流型持水率具有较高的测量分辨率。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的可抑制水矿化度影响的高分辨率油水两相流微波持水率传感器，首先优化设计一种阵列天线式微波持水率传感器，通过测量该传感器在固定频率点处随油水两相流持水率变化导致的微波幅值和相位的变化实现不同矿化度对应的油水两相流持水率测量。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种阵列天线式微波持水率传感器，包括测量电极、馈线和屏蔽层，其特征在于，测量电极包括四个对称分布、由结构相同的凹形极板组成的发射电极和接收电极，两个发射电极位于同侧并通过馈线相连，两个接收电极位于另一侧并通过馈线相连，形成阵列天线式微波传感器；测量电极位于测试管道外部，屏蔽层位于测量电极的外部；在测量时，当混合流体流经阵列天线式微波传感器的测量区域时，不同配比的流体相对介电常数不同，微波信号穿过时透射系数S₂₁的幅值和相位发生变化；设置固定频率的微波激励信号，利用幅值相位检测电路对阵列天线式微波传感器的相位与幅值进行测量，进而对不同矿化度对应的持水率进行求解。

优选地，各个凹形极板紧贴测试管道外壁，凹形极板沿测试管道方向的长度L＝10mm，沿测试管道方向两个凹形极板的间距d＝3mm，沿测试管道截面方向各极板的张角α＝80°，凹形极板的厚度m＝0.035mm。

优选地，馈电点处于连接各凹形极板的馈线的正中心位置；发射电极的激励频率为1.3GHz。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

(1)本发明旨在利用微波原理对油水两相流持水率进行测量，灵敏度高，响应速度快，且设计采用非接触形式，可实现无污染无扰动的实时高分辨率测量。

(2)本发明在所选的工作频率下，阵列天线式微波传感器对不同流型的持水率测量均有较好的分辨率且对矿化度有较好的抑制作用。

(3)通过动态实验发现，所测的幅值相位信号在测量工况范围内可以有效识别流型信息，针对不同流动结构对应的幅值、相位信号，可识别出：泡状流、段塞流、细小泡状流、过渡流。

附图说明

图1是阵列天线式微波传感器结构示意图。

图2是阵列天线式微波传感器结构俯视图。

图3是阵列天线式微波传感器结构侧视图。

图4是不同持水率条件下透射系数的幅频、相频特性曲线。

图5是传感器的幅值与相位随持水率变化曲线。

图6是动态实验的传感器测量示意图。

图7是泡状流结构部分不同持水率的扫频结果：(a)幅值衰减；(b)相位移动。

图8是1.3GHz激励频率下，泡状流结构部分幅值衰减和相位移动与持水率的关系：(a)幅值与持水率的关系；(b)相位与持水率的关系

图9是段塞结构部分不同持水率的扫频结果：(a)幅值衰减；(b)相位移动。

图10是1.3GHz激励频率下，段塞结构部分幅值衰减和相位移动与持水率的关系：(a)幅值衰减与持水率的关系；(b)相位移动与持水率的关系。

图11是阵列天线微波传感器幅值相位波动信号图：(a)段塞流；(b)泡状流；(c)细小泡状流；(d)过渡流。

图12是内径20mm垂直上升管中低流速油水两相流流型图。

图13是阵列天线式微波传感器相位波动信号：(a)矿化度为180ppm；(b)矿化度为1500ppm；(c)矿化度为3500ppm。

图14是矿化度为180ppm对应的幅值与相位归一化持率测量结果。

图15是矿化度为1800ppm对应的幅值与相位归一化持率测量结果。

图16是矿化度为3500ppm对应的幅值与相位归一化持率测量结果。

附图标号说明：

1、微波传感器发射极板；2、微波传感器接收极板；3、发射极板馈线；4、接收极板馈线；5、屏蔽层；6、管道内流体；7、玻璃管道；L、极板长度；d、沿管道方向极板间距；α、极板张角；R、管道外半径；r、管道内半径。

具体实施方式

本发明旨在设计阵列天线式微波传感器测量油水两相流的持水率，通过检测微波的幅值和相位信息，进而获得不同矿化度下的持水率。下面结合附图说明方法具体实施过程：

(1)阵列天线式微波传感器的结构如图1-3所示。该传感器由测量电极、馈线、屏蔽层组成。其中测量电极包含激励电极1，用于信号发射，接收电极2，用于信号接收。分别由四个对称分布的凹形极板组成，极板的材质为覆铜的柔性PCB。馈线3、4用于传输微波信号。该传感器放置在测试管道外壁，测试管道是由内层涂抹特氟龙绝缘材料的有机玻璃7构成，可以较为有效地减少混合流体中油滴的附着。管道的内半径r为10mm，外部半径R为15mm。传感器紧贴外管壁放置，不与待测流体相接触，从而对持水率的测量不再受管道中颗粒物结垢、油滴附着和环境温度等影响。屏蔽层5放在测量电极外部，以防止电场向边缘扩散及受外加电场影响，屏蔽层的材质为铜，厚度为0.5mm。为使传感器在管道测量区域的流体6中激发的电磁场均匀且场强较强，采用HFSS软件对阵列天线式微波传感器的重要几何尺寸进行了优化，最终确认：凹形极板沿管道方向的长度L＝10mm，沿管道方向两个极板的间距d＝3mm，沿管截面方向各极板的张角α＝80°，柔性PCB的厚度m＝0.035mm；连接各凹形极板的馈线宽度n＝0.508mm对应PCB线宽20mil，馈电点处于连接各凹形极板的馈线的正中心位置。

(2)本发明设计的阵列天线式微波传感器持水率测量原理为：油水混合物的介电常数取决于各组分的介电常数，其中水分子为极性，这使得复介电常数模型的实部比油分子的实部大得多。油是非极性的，其介电常数与密度有关。一般来说，水的介电常数约为81，油的介电常数为3.2。因此，水连续混合物的介电常数由含水量决定。Bruggeman公式可以高精度地表示真实的油水混合物。对于水为连续相的油水两相流，Bruggeman公式为：

式中，ε_o，ε_w，ε_mix分别表示油、水和混合物的介电常数，α_w表示持水率。

为了提高混合介质介电常数的测量精度，需要了解水和油的介电特性。水具有服从Debye关系的频率依赖性：

其中f为频率，ε_wr为水的介电常数，ε′_ws为静态介电常数，ε′_w∞为无限频率介电常数，τ是弛豫时间，ε′_wd为水介电常数的实部，ε″_wd为水介电常数的虚部。当水含盐时，式(2)可表示为：

式中，σ为电导率，ε₀为真空的介电常数。很明显，当水含有盐时，混合物介电常数的虚部对最终的含水率有很大的影响。

油的介电常数可以表示为：

ε_or＝ε′_or-jε″_or (4)

其中ε_or为油的介电常数，ε′_or为油介电常数的实部，ε″_or为介电常数的虚部。

理论上，由于水分子是极性的，混合物的介电常数不能用简单的线性加权和表示。油水混合物的介电常数可以表示为：

ε_mr＝q(α_wε_wr+(1-α_w)ε_or)+(1-q)ε_wrε_or(α_wε_or+(1-α_w)ε_wr)^-1 (5)

其中q是平行系数，ε_mr为油水混合物的介电常数。

在介质中传播的平面电磁波的电场描述为：

E＝E₀e^-jkx＝E₀e^{-j(k′-jk″)x}＝E₀e^-jk′x·e^-k″x (7)

其中x是传播距离，k是波矢量，e为欧拉数，E₀为复振幅矢量。很明显，k的实部k"决定波的相位，虚部k′决定波的衰减。

k与混合物的介电常数密切相关，其关系式为：

ΔA＝20log₁₀exp(-k″x)＝-8.68k″x (9)

Δθ＝k′x (10)

其中ΔA为幅值衰减，单位为dB，Δθ为相位偏移，c为光速。

由上述推导可知，微波测量持水率的原理是当油水两相流的配比改变时，对应的混合介电常数会发生变化，进而引起微波场在传输中波矢量的改变。由上述公式可知，油水混合介电常数的变化不仅影响幅值、相位，同样与工作频率有关，本文选择固定工作频率，利用微波透射法进行持水率测量。为了使天线的尺寸能够满足其发射的电磁波较好的覆盖测量区域，且方便后期高频电路的设计，以及电缆对信号的传输，本文初步选取微波的L波段(1-2GHz)的1.3GHz作为工作频率点。通过测量该传感器在不同工况下的透射系数S₂₁变化进而获得持水率信息。

(3)为进一步考察该传感器对变持水率条件下的S₂₁幅值相位的变化情况，利用HFSS建立优化后的阵列天线式微波传感器模型，获得不同持水率下油水混合物的幅频、相频特性曲线。设定扫描频率范围为1.28GHz～1.32GHz，持水率变化范围为0.5～0.96，得到不同持水率条件下S₂₁参数的幅频、相频特性曲线如图4所示。从图4中可以看出，在持水率变化范围0.5～0.95内，随着持水率的减小，传感器S₂₁参数的幅值逐渐降低，相位逐渐增大，将各个持水率下工作频率1.3GHz对应的幅值、相位提取出来，得到持水率与幅值、相位的变化规律如图5所示。从图中可以看到，在持水率0.5～0.95范围，幅值呈非线性多次函数的形式上升，随着含水率的增加，曲线变化率逐渐增大，表明该传感器在高含水条件下分辨率较高。相位的变化趋势在整体上呈线性递减趋势。

(4)本发明的阵列天线式微波传感器静态实验采用矢量网络分析仪，将传感器通过两个SMA接头(即发射端及接收端)与矢量网络分析仪连接，在管道内部注入油水混合物，测量静态下传感器的幅值、相位衰减频率点。动态实验的传感器测量示意图如图6所示，激励信号源发送信号，由发射极板所连馈线与阵列天线式微波传感器相连接，随后将传感器输出信号与信号源激发的原始信号送至幅值相位检测模块，进而将幅值、相位信号转为电压信号，随后由PXI4472采集卡进行幅值、相位的采集。采集到的电压值与幅值A、相位Phas的关系为：

V_mag(V)＝30mV/dB×A(dB)+900mV (11)

V_phs(V)＝-10mV/°×(|Phas(°)|-90°)+900mV (12)

其中V_mag(V)为S₂₁幅值衰减对应的电压输出，V_phs(V)为S₂₁相位对应的电压输出。

实验验证与结果：

通过静态实验研究阵列天线式微波传感器在不同流动结构下的测量性能，并确定激励信号频率。对于以水为连续相的垂直上升油水两相流而言，主要流型有段塞流、泡状流以及细小泡状流。在静态实验中通过油水乳浊液以及玻璃棒模拟油塞分别对均匀细小泡状流以及段塞流进行了分析。首先分析油水乳状液的传感器响应分析。水相采用180ppm的常温水溶液，油相为No.3工业白油，被苏丹红染色以便观察油相分布。图7为通过矢量网络分析仪扫频(1.28GHz-1.32GHz)后不同持水率对应的油水混合液的幅值衰减和相位移动结果。由图7(a)可知，当管道内全部为水时，微波信号的幅值最小，且随着持水率的减小，微波信号的幅值逐渐变大，当管道内为全油时，微波信号的幅值达到最大值。且持水率变化范围内不同持水率对应的幅值均在全油工况与全水工况之间。油水混合物的相位移动如图7(b)所示，由图可知，在工作频率上，随着持水率的减小，相移度数逐渐增加，全油时达到最大值。且与幅值相似，持水率变化范围内的不同持水率对应的相位值均在全油工况与全水工况之间。另外，由扫频范围内的幅频和相频曲线特性可知，随激励频率的增加，幅值随持水率变化的分辨率逐渐增加，相位参数对持水率的分辨率基本保持不变但当相位进一步增加时出现了相位翻转，因此综合考虑幅值和相位的同步测量，激励频率选择1.3GHz是可行的。此时幅值和相位参数随持水率变化关系如图8所示。由图可以看出，在持水率扫描范围内，整体上二者均随持水率的变化呈单调的关系，且关系接近线性，其中相位的变化更好，适合用于泡状流下的持水率参数测量。由图8可以看出，与仿真结果相比，在持水率70％～96％范围内，幅值的静态测量结果与仿真结果变化趋势一致，但幅值略有差异，而相位测量，在静态测量中处于相位翻转后的负相位区间内，但与持水率的变化同样呈单调关系，可用于持水率测量。这种差异是由于实际配比的高含水乳状液的分散相分布不均匀导致的。

其次采用不同直径的有机玻璃棒来模拟油塞结构，分析阵列天线式微波传感器的输出特性。图9为利用矢量网络分析仪获得的不同持水率下传感器的幅值衰减和相位移动结果。随着持水率的增加，信号的幅值逐渐减小，全水时达到最小。随着持水率的减小，相移的度数逐渐负向增加。对于段塞流结构部分，随激励频率的增加，幅值与相位参数随持水率变化的分辨率基本保持不变，因此激励频率选择1.3GHz依旧可测。此时幅值和相位参数随持水率变化关系如图10所示。由图可以看出，由于持水率扫描范围拓宽，幅值和相位随持水率的变化整体呈单调的关系，但关系已是非线性的，其中幅值随持水率的变化增加变化率呈减小趋势，而相位随持水率的增加变化率先减小后增大，这也说明与泡状流相比，段塞流中油水两相的非均匀分布导致持水率参数测量更加复杂。

将阵列天线式微波传感器应用于油水两相流动态实验中，考察其动态测量性能。动态实验在天津大学多相流环路装置和传感器系统中进行。实验共测取不同矿化度情况下总计312组实验数据，其中选取油水两相流总流量变化范围为：2m³/d-9m³/d，对应总流速为：0.073m/s-0.332m/s，含水率变化范围为：50％-100％。在传感器检测中，由于油水两相的介电常数不同，因此当不同流动工况下的油水两相流进入检测管段时，微波传感器的输出响应电压值不同，因此面对不同的流动结构，微波传感器采集的幅值、相位信号的波动与输出电压值有明显的区别，基此可将垂直上升油水两相流的流型划分为：过渡流、段塞流、泡状流以及细小泡状流。不同流型对应的阵列天线微波传感器幅值相位波动信号如图11所示。由图11(a)可以看出当混合流速较低时，对应油水两相流流型为D OS/W。此时管道中体积较小的油泡容易发生聚并形成体积较大的油塞，且这种现象在管道中心区域最为显著。由于油塞体积较大，其流经微波传感器需要较长时间。因此，在阵列天线微波传感器幅值相位波动信号中，持续时间较长的低电平与油塞相对应。随着混合流体流速的增加，混合流体的湍流动能逐渐增大，油水两相流流型由D OS/W转变为D O/W如图11(b)所示。此时管道中体积较大的油塞被击碎为体积较小的油泡，这些油泡流经微波传感器所需时间较短。此外，油塞破碎引起管道中油泡数量逐渐增多，图11(b)所示微波信号波动频率均呈现逐渐上升趋势。随着混合流速的进一步增加，极高含水率条件下油泡被进一步击碎为体积极小的油滴，油水两相流流型演化为VFD O/W。由图11(c)可以看出，与D O/W相比，VFD O/W流型中阵列天线微波传感器幅值相位信号波动频率相对更高。产生该结果的原因可归结为混合流速和含水率的上升，油相的减少致使管道中大油泡数量逐渐降低，油泡被进一步击碎为体积更小的油滴。因此，VFD O/W所对应微波传感器信号的特征可描述为在较高电压下信号高频率波动但波动幅值较小。当含水率不大于60％时，在某些混合流速下油水两相流流型表现为TF，此时对应的传感器幅值、相位信号如图11(d)。可以发现由于含水率的下降，此时相位和幅值的电压输出均较低，由于油为连续相和水为连续相交替出现的特征，使得输出信号展现出低电平中出现高电平脉冲，以及高电平中出现低电平脉冲的现象。根据阵列天线微波传感器幅值相位波动信号，绘制油水两相流实验流型图如图12所示，其中横轴和纵轴分别表示混合流速和含水率。可以看出，D OS/W基本位于低混合流速区域。当含水率超过70％时，随混合流速的增加，油水两相流流型逐渐向D O/W演化。VFD O/W出现在高混合流速和极高含水率条件下。当含水率小于65％时，在某些混合流速下油水两相流流型为TF。

在地层油田开采中，水中往往含有一定的矿化度，因此在动态实验中考察了阵列天线微波传感器对不同矿化度下油水两相流的持水率测量特性，如图13所示，对应矿化度分别为180ppm；1500ppm以及3500ppm。观察可知，当流速一定时，当流速较低时，由于油水两相流的湍流动能较小，使小油泡聚并为较大的油泡，因此当较大油泡流经传感器时，微波传感器输出信号跳变较大，在高含水时，油泡较少，因此输出信号呈间歇性小跳变趋势，且随着含水率的降低，油水两相流的滑脱变大，油泡聚并更明显，间歇跳变趋势更加明显。水相矿化度的改变对输出信号的电压幅值有一定影响。相比于180ppm，对于同一工况，1500ppm对应的传感器输出信号电压幅值降低，且跳变的幅度减小，这是由于随着矿化度的增加，水相的导电率逐渐增加，对微波信号能量的衰减能力降低。随着矿化度的进一步增加，当矿化度为3500ppm时，传感器输出信号的电压幅值以及跳变幅度均进一步减小，但相比于1500ppm，减弱程度并不显著，且在高流速下随着含水率的减小，输出电压幅值的阶梯性依旧明显，表明该传感器在高矿化度下依旧有较好的持水率测量分辨率特性。

图14-图16分别给出了矿化度为180ppm、1800ppm、3500ppm时不同流速下微波传感器持水率与含水率之间的关系。从图中可以看到，在高含水的测量范围内，微波传感器幅值和相位均有较好的持水率测量效果。由图可见，随着含水率的减小，微波传感器的分辨率会有所降低，在含水率80％至98％变化范围之间分辨率较高。低流速时，由于油水两相间存在着严重的滑脱现象，持水率的测量分辨率相对较低，随着总流速的增加，曲线的变化规律趋于稳定。随着矿化度的增加，微波传感器的测量分辨率会有所降低，但在高矿化度下，传感器的输出特性仍能保持着一定的测量灵敏度，并且具有较为稳定的测量规律，由此可见，阵列天线式微波传感器在一定程度上克服了传统电容电导法在持水率测量上的弊端，减小了受矿化度的影响。当含水率在90％至98％范围内变化时，管道内的油泡体积过小，且数量多，传感器对于小油泡的响应明显，分辨率较高，体现了传感器在高含水下的测量灵敏度。含水率在50％至70％范围内变化时，含水率相对较低，油泡体积较大，容易聚并成油塞周期性的通过微波传感器，虽然分辨率有所降低，但仍能对不同含水率的工况进行区分。

在低流速高含水流动条件下，由于管道中呈现间歇性大油泡的流型结构，油泡分布不均，且油水相间存在着严重的滑脱效应，持水率测量分辨率较低；随着流速的增加，油相被击碎为泡径很小的油泡，近似均匀地分布在管道空间中，此时传感器具有较高的持水率测量分辨率。此外，矿化度为180ppm时，微波传感器的幅值和相位测量都有较高分辨率。矿化度为1800ppm时，微波传感器的幅值测量分辨率降低，但相位测量持水率分辨率仍然很高。矿化度为3500ppm时，微波传感器的幅值和相位测量分辨率相对较低，但对不同含水率仍有明显区分。

Claims

1.一种阵列天线式微波持水率传感器，包括测量电极、馈线和屏蔽层，其特征在于，测量电极包括四个对称分布、由结构相同的凹形极板组成的发射电极和接收电极，两个发射电极位于同侧并通过馈线相连，两个接收电极位于另一侧并通过馈线相连，形成阵列天线式微波传感器；测量电极位于测试管道外部，屏蔽层位于测量电极的外部；在测量时，当混合流体流经阵列天线式微波传感器的测量区域时，不同配比的流体相对介电常数不同，微波信号穿过时透射系数S₂₁的幅值和相位发生变化；设置固定频率的微波激励信号，利用幅值相位检测电路对阵列天线式微波传感器的相位与幅值进行测量，进而对不同矿化度对应的持水率进行求解。

2.根据权利要求1所述的阵列天线式微波持水率传感器，其特征在于，各个凹形极板紧贴测试管道外壁，凹形极板沿测试管道方向的长度L＝10mm，沿测试管道方向两个凹形极板的间距d＝3mm，沿测试管道截面方向各极板的张角α＝80°，凹形极板的厚度m＝0.035mm。

3.根据权利要求1所述的阵列天线式微波持水率传感器，其特征在于，馈电点处于连接各凹形极板的馈线的正中心位置；发射电极的激励频率为1.3GHz。