CN115573697A - 多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测预警装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测预警装置及方法，该系统包括信号感受单元、信号采集单元和信号处理单元，所述信号感受单元包括可测量所述多相流管道壁面厚度变化的防爆主动超声传感器、可测量所述管道内泥砂颗粒含量的超声振动传感器；所述信号采集单元用于所述信号感受单元测量的超声振动信号；所述信号处理单元对所述超声信号进行分析，以判断所述管道的冲蚀量，对所述振动信号进行分析，以判断所述多相流的泥砂颗粒含量，进一步地，冲蚀量与泥砂颗粒含量相互校正，提高泥砂颗粒含量与冲蚀监测的精度。本发明的多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测预警装置具有较高的管道泥砂含量与冲蚀量的监测精度。
Description
技术领域
本发明涉及海上和陆地油气田开发和地面集输的出砂综合管理领域，具体涉及多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测预警装置及其分析方法。
背景技术
油气井出砂问题是困扰疏松砂岩油藏安全高效开发的重大难题之一，出砂危害往往给油气水多相流的生产带来挑战，特别是连续砂粒撞击会造成井下、地面设备冲蚀受损，乃至关井停产，带来经济损失。出砂过程中，砂粒往往伴随产出的油气水多相流举升至井口地面管道，砂粒常对管道弯头造成冲蚀伤害。实时掌握管道泥砂颗粒含量和冲蚀状况，可以确定可接受出砂量的最高水平，以制定有效的携砂生产策略，最大限度的保障产能。如何从复杂的油气水多相流动噪声中有效的辨识微细砂粒碰撞管壁激励的声振响应特征，是决定多相流管道砂粒含量和冲蚀量监测是否准确的关键。
鉴于上述多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测难题，CN111198231A公开了一种油气管道出砂量监测实验装置，包括信号感受单元、信号采集单元和信号处理单元，所述信号感受单元包括可利用声信号汇聚原理聚集管道发出的声信号的声信号感受组件，压力测量组件，流速测量组件，以及温度测量组件；所述信号采集单元用于采集所述信号感受单元测量的声信号、压力信号、流速信号和温度信号；所述信号处理单元对所述声信号、压力信号、流速信号和温度信号进行分析，以判断所述油气管道内的出砂量。该发明专利还无法实现监测冲蚀量，也不能通过冲蚀量与泥砂颗粒含量的监测结果相互验证，难以实现监测精度的在线提升。
专利CN111720108A公开了一种油气井出砂冲蚀预警及监测装置，其包括仪表法兰、传压杆和监测头，传压杆的上端密封固定安装在仪表法兰下端内侧，传压杆的下端与监测头的上部固定安装在一起，在传压杆内设置有与仪表法兰内孔连通的传压中心孔，在监测头上设置有与传压中心孔连通的传压通道。该发明结构合理而紧凑，使用方便，实现对高压高产油气井出砂冲蚀现象的及时预警及监测功能，然后该专利，主要是一种侵入式的冲蚀监测方法，尚不能满足冲蚀量和泥砂含量的非植入式监测。
本发明的目的在于提供一种能够适用于油气生产过程中砂粒和管壁冲蚀情况的在线检测系统，特别是地面多相流输运管道中含砂和冲蚀的在线定量监测，提供一种多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测预警装置及方法。
发明内容
本发明针对上述多相流管道砂粒和冲蚀监测系统及方法，无法实现冲蚀量与泥砂颗粒含量非植入式监测及提高监测精度的问题，提供一种多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测装置及方法，具有较高的监测精度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测预警装置，包括：
信号感受单元：包括可利用lamb波测量所述多相流管道壁厚变化的防爆主动超声传感器组件；可检测所述管道中泥砂颗粒含量和多相流流速的超声振动组件；所述超声振动组件包括可测量管道中泥砂颗粒冲击管壁振动信号的防爆振动传感器，及可发射超声信号的防爆主动超声传感器；
信号采集单元：用于采集所述信号感受单元测量的超声信号和振动信号；所述信号采集单元与分别与所述超声信号收发组件及振动信号感受组件电性连接；进一步包括可限制所述信号采集单元接收的能量在安全范围内的安全栅模块；所述安全栅模块可在信号感受单元与信号处理单元间双向传递电信号；
信号处理单元：包括与所述信号采集单元电性连接的流速分析与优化模块、冲蚀量分析模块、泥砂颗粒含量分析模块及含砂量与冲蚀预警模块；所述流速分析与优化模块可对所述阵列信号进行分析以得到多相流实时流速；所述冲蚀量分析模块可对所述超声信号进行分析，以判断所述多相流管道的冲蚀量并优选冲蚀模型；所述泥砂颗粒含量分析模块可对所述振动信号进行分析，以判断所述多相流管道中的泥砂颗粒含量；所属含砂量与冲蚀预警模块可判断所述冲蚀量分析结果及所述泥砂颗粒含砂量分析结果是否超过警戒值。
作为优选，所述防爆主动超声传感器组件包括分别固定安装于所述管道弯头上、下游2倍弯头曲率半径处的一组超声收发传感器；所述安装于管道上游的超声信号传感器可发射沿弯管壁面传播的超声信号，并被所述安装于管道下游的超声信号传感器接收；相似地，所述下游超声信号传感器可发射超声信号，并被所述上游超声信号传感器接收。
作为优选，所述超声信号发射组件固定安装于所述管道弯头45°的内侧；所述超声信号发射组件超声信号发射频率为1次/分钟；进一步地，所述振动信号感受组件测量所述管道内多相流体冲击管壁信号发生突变时，所述超声信号发射组件也发射超声信号；所述超声振动收发组合组件，能够测量多相流流速。
作为优选，所述振动信号感受组件固定安装于所述管道弯头45°的外侧；所述振动信号感受组件的采样频率为200kHz，测量所述管道内砂粒冲击信号的频率为12次/秒；进一步地，所述超声信号发射组件发射超声信号时，所述振动信号感受组件接收所述超声信号；所述信号采集单元能够将阵列信号转化为4-20mA的电信号。
作为优选，所述信号处理单元包括：
初始化自检模块：用于完成所述多相流管道泥砂颗粒含量与冲击监测装置的参数初始化和自检；
参数设定模块：用于设置多相流管道参数、多相流参数、监测场景、报警参数等；所述多相流管道参数包括所述管道的直径、壁厚、管材、曲率半径等；所述多相流参数包括气速、液速、气液比等；所述监测场景指生产井的现场工况，如气井、油井、产水气井、产气油井等；所述报警参数包括壁厚、金属损失量、出砂率、出砂率等。
流速分析与优化模块：用于对所述多相流管道的阵列信号进行流型判断、扫频收发特征分析、与流量计数据对比校准，以判断所述多相流管道内流体的实时流速。
冲蚀量分析模块：用于对所述主动超声波信号进行解析，优选超声信号的发射频率，分析超声信号传播特征、超声信号接收特征及最优信噪比范围，以判断管道平均壁厚变化与冲蚀量，进一步优选冲蚀量模型。
泥砂颗粒含量分析模块：用于对所述振动信号进行变分模态分解，进一步进行RMS特征分析、峭度特征分析、赫斯特指数特征分析、能量熵特征分析，以建立含砂量计算模型，进一步分析砂粒信号的最优信噪比，以判断所述管道内的泥砂颗粒含量。
含砂量与冲蚀预警模块：用于判断所述冲蚀量分析结果及所述泥砂颗粒含砂量分析结果是否超过警戒值，若超过警戒值，发出警报。
一种多相流管道泥砂颗粒含量及冲蚀预警方法，利用前述的多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测装置进行监测与预警，包括以下步骤：
S1：对所述多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测装置进行初始化，并设置管道参数、多相流参数、监测场景参数及报警参数；
S2：对所述防爆主动超声传感器组及防爆振动传感器进行自检；
S3：发射超声信号，采集超声信号收发组件测量的管道壁厚变化超声信号及砂粒振动信号，并判断系统是否处于正常工作状态，若是，则执行步骤S4，若不是，则重复步骤S3；
S4：基于多相流量计测量流速与多相流型特征图版，以判断多相流流型；对所述阵列信号进行正弦扫频收发特征分析，以获取多相流流速，基于所述管道多相流量计测量结果，对实时流速的有效性进行判断，若有效，则获得实时流速，并执行步骤S5；若无效，则重复步骤S4；
S5：基于主动超声发射频率优选分析、超声波传播特征分析、超声波接收特征分析判断管道平均壁厚变化；
S6：调整超声信号发射频率，多次重复步骤S5，以寻求最优信噪比；
S7：基于砂粒振动信号的变分模态分解，进行RMS特征分析、峭度特征分析、赫斯特指数特征分析、能量熵特征分析，以建立颗粒含量计算模型；
S8：调整变分模态分解分析尺度，多次重复步骤S7，以寻求最优信噪比；
S9：基于颗粒含量计算模型与最优砂粒特征信号计算泥砂颗粒含量，以获取实时颗粒含量；
S10：基于颗粒含量、速度及管道材料常数，应用DNVGL-RP-O501侵蚀响应模型、Tulsa冲蚀模型、Salama冲蚀模型、API 14冲蚀模型计算所述管道金属损失量，并优选冲蚀模型；
S11：基于最优冲蚀模型，反演计算实时颗粒含量，判断反演结果与颗粒含量计算模型结果的一致性，若一致，则得实时颗粒含量，执行步骤S12，若不一致，则重复步骤S9-S11；
S12：对冲蚀量及实时颗粒含量进行判断，若壁厚、金属损失量、出砂量超过设定值则发出警报；若不超过，则重复步骤S3-S12。
作为优选，步骤S4中，对所述阵列信号扫频特征分析得到的流速与多相流量计读取的流速进行对比，若两者误差小于或者等于5％，则认为实时流速分析结果有效，否则，认为时流速分析结果无效。
作为优选，步骤S6中，将多次信噪比分析结果的最大值对应的发射频率作为超声信号最优发射频率，以获取最优主动超声波分析参数；步骤S8中，将多次信噪比的最大值对应的信号分析尺度作为变分模态分解的分析尺度，以获取振动信号分析参数。
作为优选，步骤S7中，含砂量计算模型考虑多相流粘度、流速、相含率等参数；步骤S11中，将冲蚀模型反演的实时颗粒含量与颗粒含量计算模型计算的实时颗粒含量进行比较，若两者误差小于或者等于5％，则认为二者一致，否则，认为实时颗粒含量无效。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1、本发明的多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测装置，其通过设置可测量所述管道壁厚变化的超声信号收发组件与可监测所述多相流中泥砂颗粒含量的振动传感器，与现有技术中管道冲蚀监测装置与出砂监测装置相比，实现了多相流管道泥砂颗粒含砂量与冲蚀监测预警，进一步地，冲蚀超声监测与泥砂颗粒含量振动监测能够相互校正，提高了泥砂颗粒含量与冲蚀监测的精度；
2、本发明的多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测装置，其通过设置一组可收发振动信号的防爆主动超声传感器，利用其发射的沿壁面传播的lamb波测量所述管道壁厚变化，与现有技术中的植入式侵蚀监测装置相比，非植入式超声测量装置安装便捷，适用范围广，进一步地，一组收发传感器能够相互校正，进一步提高了冲蚀监测的监测精度；
3、本发明的多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测装置，其通过设置泥砂颗粒含量监测与超声流速装置，与现有技术中的出砂信号感受装置中单一振动信号感受组件相比，能够测量多相流流速，进而在含砂量计算模型中考虑了流体参数对泥砂颗粒信号的影响，进一步提高了泥砂颗粒含量的监测精度；
4、本发明的多相流管道泥砂颗粒含量及冲蚀预警方法，其通过设置超声振动收发组合，通过分析流速振动信号，应用扫频收发特征分析与多相流量计校准，以获取所述管道多相流的实时流速；其通过优选超声信号的发射频率，进一步分析超声信号传播特征、接收特征、最优信噪比范围，以判断管道平均壁厚变化与冲蚀量，进一步优选冲蚀量模型；其通过优选变分模态分解的分析尺度，获取最优泥砂颗粒信号信噪比，进一步提高了出砂量监测精度；其通过校准、反演所述管道的冲蚀量与实时颗粒含量，进而进一步提高了管道泥砂含量与冲蚀量的监测精度。
附图说明
图1为本发明多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测装置的结构示意图；
图2为本发多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测装置的结构框图；
图3为本发明多相流管道泥砂颗粒含量及冲蚀预警方法的流程图。
以上各图中，1、初始化与自检模块；2、参数设定模块、3信号感受单元；31-33、防爆主动超声传感器模块；34、防爆振动传感器模块；4、地面多相流输运管道；5、信号采集单元；51、超声信号发射与采集模块；52、振动信号采集模块；53、安全栅模块；6、信号处理单元：61、流速分析与优化模块；62、冲蚀量分析模块；63、泥砂颗粒含量分析模块；64、含砂量与冲蚀预警模块。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，从管道测量采集的振动信号包括非碰撞振动信号，以及管道多相流体碰撞管壁产生的碰撞信号；碰撞信号包括流体碰撞管壁产生的流体信号，以及砂粒碰撞管壁产生的出砂特征信号；从管道振动传感器接收的超声传感器发射信号，包括流体流速信号与颗粒流速信号；术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本发明提出一种多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测装置，包括信号感受单元3；防爆主动超声传感器模块31-33；防爆振动传感器模块34；信号采集单元5；信号处理单元6；流速分析与优化模块61；冲蚀量分析模块62；泥砂颗粒含量分析模块63；含砂量与冲蚀预警模块64。所述主动超声传感器31-32用于测量所述管道4的壁厚变化；所述主动超声传感器33用于发生超声信号；所述振动传感器34用于测量泥砂颗粒冲击管壁振动信号以监测所述管道4内的泥砂颗粒含量，同时，接受超声传感器33发出的超声信号以测量多相流流速。具体地，依据图中所示流体流向，所述主动超声传感器模块31-33包括安装于管道弯头上游2倍曲率半径处的超声收发传感器31、管道弯头下游2倍曲率半径处的超声收发传感器32、管道弯头45°内侧的超声发射传感器33；所述振动传感器模块包括安装于管道弯头45°外侧的振动传感器34。所述信号采集单元5用于采集所述传感器模块31-34测量的超声信号与振动信号，所述信号采集单元6分别与所述主动超声传感器模块31-33及振动传感器模块34电性连接，将阵列信号转化为4-20mA的电信号，进一步地，将信号能量限制在安全范围内，并在信号采集单元与信号处理单元间双向传递电信号。
本发明的多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测装置，其通过设置可测量所述管道壁厚变化的超声信号收发组件31-32与可监测所述多相流中泥砂颗粒含量的振动传感器34，与现有技术中管道冲蚀监测装置与出砂监测装置相比，实现了多相流管道泥砂颗粒含砂量与冲蚀监测预警，进一步地，冲蚀超声监测与泥砂颗粒含量振动监测能够相互校正，提高了泥砂颗粒含量与冲蚀监测的精度；其通过设置可收发振动信号的防爆主动超声传感器31-32，利用其发射的沿壁面传播的lamb波测量所述管道壁厚变化，与现有技术中的植入式侵蚀监测装置相比，非植入式超声测量装置安装便捷，适用范围广，进一步地，一组收发传感器能够相互校正，进一步提高了冲蚀监测的监测精度；其通过设置可检测所述多相流管道中泥砂颗粒的超声信号发射组件33与可接收超声信号并测量泥砂颗粒振动信号的信号感受组件34，与现有技术中的出砂信号感受装置中单一信号感受组件相比，能够测量多相流流速，进而在含砂量计算模型中考虑了流体参数对泥砂颗粒信号的影响，进一步提高了泥砂颗粒含量的监测精度。
需要说明的是，为了进一步提高泥砂颗粒含量与冲蚀量监测装置，本发明所述信号采集模块5能够实现信号感受单元31-34与信号处理单元6间的双向传输，将信号感受单元测量的超声信号与振动信号传输至信号处理单元，以监测泥砂颗粒含量与冲蚀量；同时，应用泥砂颗粒含量与冲蚀量的分析结果，更新超声信号发射频率、信号采集参数等，进而提高泥砂颗粒含量与冲蚀量监测精度。
继续参见图1，所述信号处理单元6与信号采集单元5电性连接；所述流速分析与优化模块61能够分析判断所述多相流管道4内流体的实时流速；所述冲蚀量分析模块62能够判断管道平均壁厚变化与冲蚀量，并选冲蚀量模型；所述泥砂颗粒含量分析模块63能够判断所述管道内的泥砂颗粒含量；所述含砂量与冲蚀预警模块64能够判断所述冲蚀量分析结果及所述泥砂颗粒含砂量分析结果是否超过警戒值，若超过警戒值，发出警报。
参见图2，所述相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测装置包括初始化与自检模块1：该模块用于完成所述多相流管道泥砂颗粒含量与冲击监测装置的参数初始化和自检；参数设定模块2：用于设置多相流管道参数、多相流参数、监测场景、报警参数等，所述多相流管道参数包括所述管道的直径、壁厚、管材、曲率半径等，所述多相流参数包括气速、液速、气液比等，所述监测场景指生产井的现场工况，如气井、油井、产水气井、产气油井等，所述报警参数包括壁厚、金属损失量、出砂率、出砂率等；防爆主动超声传感器组模块31-33：该模块包括可测量所述多相流管道4壁厚变化的超声信号收发组件31-32，可检测所述管道中多相流流速的超声信号发射组件33；防爆振动传感器模块34：该模块用于测量管道中泥砂颗粒冲击管壁振动信号，并接受所述超声信号发射组件33发出的超声信号；超声信号发射与采集模块51：该模块用于采集所述防爆主动超声传感器31-32测量的沿所述管道4壁面传播的超声信号；振动信号采集模块52：该模块用于采集所述防爆振动传感器34测量的泥砂颗粒冲击管壁的振动信号及用于测量所述管道4内多相流流速的防爆主动超声传感器33发出的超声信号；安全栅模块63：该模块用于将信号能量限制在安全范围内，并在信号采集单元与信号处理单元间双向传递电信号；流速分析与优化模块61：该模块用于对所述多相流管道7的阵列信号进行流型判断、扫频收发特征分析、与流量计数据对比校准，以判断所述多相流管道内流体的实时流速；冲蚀量分析模块62：该模块用于对所述主动超声波信号进行解析，优选超声信号的发射频率，分析超声信号传播特征、接收特征、最优信噪比范围，以判断管道平均壁厚变化与冲蚀量，进一步优选冲蚀量模型；泥砂颗粒含量分析模块63：该模块用于对所述振动信号进行RMS特征分析、峭度特征分析、赫斯特指数特征分析、能量熵特征分析，以建立含砂量计算模型，进一步分析砂粒信号的最优信噪比，以判断所述管道内的泥砂颗粒含量；含砂量与冲蚀预警模块64：该模块用于判断所述冲蚀量分析结果及所述泥砂颗粒含砂量分析结果是否超过警戒值，若超过警戒值，发出警报。
参见图3，本发明提出一种多相流管道泥砂颗粒含量及冲蚀预警方法，该方法集成在所述流速分析与优化模块61、冲蚀量分析模块62、泥砂颗粒含量分析模块63及含砂量与冲蚀预警模块64中，利用前述的多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测装置得到的超声信号与振动信号，进行泥砂颗粒含量与冲蚀量监测，具体为：
S1：通过所述初始化自检模块1对所述多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测装置进行初始化，并在所述参数设定模块2设置管道参数、多相流参数、监测场景参数及报警参数；
S2：对所述防爆主动超声传感器组模块31-33及防爆振动传感器模块34进行自检；
S3：分别通过所述超声信号发射与采集模块51设置主动超声传感器31-33的超声信号发射频率，并测量沿管道4壁面传播的超声信号，进一步采集超声信号；通过所述振动传感器模块34测量砂粒振动信号及多相流模块，应用所述振动信号采集模块52采集振动信号；根据超声信号采集模块接受信号的时间同步性，若是，判断系统是否处于正常工作状态，则执行步骤S4，若不是，则重复步骤S3；若是，则执行步骤S3，若不是，则重复步骤S1-S2；
信号感受组件时域响应特征一致性判断：
式中，Ui(t)为传感器接受模块i在时刻t检测信号的电压信号；
S4：通过所述流速分析与优化模块61将上述阵列信号进行分析，基于多相流量计测量流速与多相流型特征图版，以判断多相流流型；对所述阵列信号进行正弦扫频收发特征分析，以获取多相流流速，基于所述管道多相流量计测量结果，对实时流速的有效性进行判断，若两者误差小于或者等于5％，则认为实时流速分析结果有效，则获得实时流速，并执行步骤S5；否则，认为时流速分析结果无效则重复步骤S4；
S5：通过所述冲蚀量分析模块62对超声信号进行分析，基于主动超声发射频率优选分析、超声波传播特征分析、超声波接收特征分析判断管道平均壁厚变化；
S6：分别采用快速扫频、离散扫频和差值扫频方法，应用所述超声信号发射及采集模块51调整超声信号发射频率，多次重复步骤S5，以寻求最优信噪比，将多次信噪比分析结果的最大值对应的发射频率作为超声信号最优发射频率，以获取最优主动超声波分析参数；
扫频频率：
fmain＝max(f(Umax))
式中，f表示扫频频率矩阵，U为接受信号的电压值
S7：通过所述泥砂颗粒含量分析模块63对上述振动信号进行变分模态分解，基于RMS特征分析、峭度特征分析、赫斯特指数特征分析、能量熵特征分析，考虑多相流粘度、流速、相含率等参数，建立颗粒含量计算模型；
颗粒含量计算模型：
m＝Af(dp)×[ω·g(vp)]v
式中，m为颗粒含量，A为修正系数，dp为颗粒粒径，vp为颗粒速度，v为多相流粘度，ω为颗粒振动信号时域特征值。
S8：调整变分模态分解分析尺度，多次重复步骤S7，以寻求最优信噪比；将多次信噪比的最大值对应的信号分析尺度作为变分模态分解的分析尺度，以获取振动信号分析参数；
S9：基于上述颗粒含量计算模型与最优砂粒特征信号计算泥砂颗粒含量，以获取实时颗粒含量；
S10：基于颗粒含量、速度及管道材料常数，应用DNVGL-RP-O501侵蚀响应模型、Tulsa冲蚀模型、Salama冲蚀模型、API14冲蚀模型计算所述管道金属损失量，并优选冲蚀模型；
S11：基于最优冲蚀模型，反演计算实时颗粒含量，判断反演结果与颗粒含量计算模型结果的一致性，若两者误差小于或者等于5％，则认为二者一致，则得实时颗粒含量，执行步骤S12，否则，认为实时颗粒含量无效，则重复步骤S9-S11；
基于冲蚀量的颗粒含量反演计算方法：
a∫mpvpdt＝V
式中：m为颗粒质量流量，vp为颗粒速度，V为冲蚀速率，α为冲蚀系数。
S12：对冲蚀量及实时颗粒含量进行判断，若壁厚、金属损失量、出砂量超过设定值则发出警报；若不超过，则重复步骤S3-S12。
本发明的多相流管道泥砂颗粒含量及冲蚀预警方法，其通过设置超声振动收发组合，通过分析流速振动信号，应用扫频收发特征分析与多相流量计校准，以获取所述管道多相流的实时流速；其通过优选超声信号的发射频率，进一步分析超声信号传播特征、接收特征、最优信噪比范围，以判断管道平均壁厚变化与冲蚀量，进一步优选冲蚀量模型；其通过优选变分模态分解的分析尺度，获取最优泥砂颗粒信号信噪比，进一步提高了出砂量监测精度；其通过校准、反演所述管道的冲蚀量与实时颗粒含量，进而进一步提高了管道泥砂含量与冲蚀量的监测精度。
Claims (9)
1.一种多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测预警装置，其特征在于：包括：
信号感受单元：包括可利用lamb波测量所述多相流管道壁厚变化的防爆主动超声传感器组件；可检测所述管道中泥砂颗粒含量和多相流流速的超声振动组件；所述超声振动组件包括可测量管道中泥砂颗粒冲击管壁振动信号的防爆振动传感器，及可发射超声信号的防爆主动超声传感器；
信号采集单元：用于采集所述信号感受单元测量的超声信号和振动信号；所述信号采集单元与分别与所述超声信号收发组件及振动信号感受组件电性连接；进一步包括可限制所述信号采集单元接收的能量在安全范围内的安全栅模块；所述安全栅模块可在信号感受单元与信号处理单元间双向传递电信号；
信号处理单元：包括与所述信号采集单元电性连接的流速分析与优化模块、冲蚀量分析模块、泥砂颗粒含量分析模块及含砂量与冲蚀预警模块；所述流速分析与优化模块可对所述阵列信号进行分析以得到多相流实时流速；所述冲蚀量分析模块可对所述超声信号进行分析，以判断所述多相流管道的冲蚀量并优选冲蚀模型；所述泥砂颗粒含量分析模块可对所述振动信号进行分析，以判断所述多相流管道中的泥砂颗粒含量；所属含砂量与冲蚀预警模块可判断所述冲蚀量分析结果及所述泥砂颗粒含砂量分析结果是否超过警戒值。
2.根据权利要求1所述的多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测预警装置，其特征在于：所述防爆主动超声传感器组件包括分别固定安装于所述管道弯头上、下游2倍弯头曲率半径处的一组超声收发传感器；所述安装于管道上游的超声信号传感器可发射沿弯管壁面传播的超声信号，并被所述安装于管道下游的超声信号传感器接收；相似地，所述下游超声信号传感器可发射超声信号，并被所述上游超声信号传感器接收。
3.根据权利要求1所述的多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测预警装置，其特征在于：所述超声信号发射组件固定安装于所述管道弯头45°的内侧；所述超声信号发射组件超声信号发射频率为1次/分钟；进一步地，所述振动信号感受组件测量所述管道内多相流体冲击管壁信号发生突变时，所述超声信号发射组件也发射超声信号；所述超声振动收发组合组件，能够测量多相流流速。
4.根据权利要求2所述的多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测预警装置，其特征在于：所述振动信号感受组件固定安装于所述管道弯头45°的外侧；所述振动信号感受组件的采样频率为200kHz，所述管道内砂粒冲击信号的测量频次为12次/秒；进一步地，所述超声信号发射组件发射超声信号时，所述振动信号感受组件接收所述超声信号；所述信号采集单元能够将阵列信号转化为4-20mA的电流信号。
5.根据权利要求1所述的多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测预警装置，其特征在于：所述信号处理单元包括：
初始化自检模块：用于完成所述多相流管道泥砂颗粒含量与冲击监测装置的参数初始化和自检；
参数设定模块：用于设置多相流管道参数、多相流参数、监测场景、报警参数等；所述多相流管道参数包括所述管道的直径、壁厚、管材、曲率半径等；所述多相流参数包括气速、液速、气液比等；所述监测场景指生产井的现场工况，如气井、油井、产水气井、产气油井等；所述报警参数包括壁厚、金属损失量、出砂率、出砂率等；
流速分析与优化模块：用于对所述多相流管道的阵列信号进行流型判断、扫频收发特征分析、与流量计数据对比校准，以判断所述多相流管道内流体的实时流速；
冲蚀量分析模块：用于对所述主动超声波信号进行解析，优选超声信号的发射频率，分析超声信号传播特征、超声信号接收特征及最优信噪比范围，以判断管道平均壁厚变化与冲蚀量，进一步优选冲蚀量模型；
泥砂颗粒含量分析模块：用于对所述振动信号进行变分模态分解，进一步进行RMS特征分析、峭度特征分析、赫斯特指数特征分析、能量熵特征分析，以建立含砂量计算模型，进一步分析砂粒信号的最优信噪比，以判断所述管道内的泥砂颗粒含量；
含砂量与冲蚀预警模块：用于判断所述冲蚀量分析结果及所述泥砂颗粒含砂量分析结果是否超过警戒值，若超过警戒值，发出警报。
6.一种多相流管道泥砂颗粒含量及冲蚀预警方法，利用如权利要求书1-7任一项所述的多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测装置，其特征在于：包括以下步骤：
S1：对所述多相流管道泥砂颗粒含量与冲蚀监测装置进行初始化，并设置管道参数、多相流参数、监测场景参数及报警参数；
S2：对所述防爆主动超声传感器组及防爆振动传感器进行自检；
S3：发射超声信号，采集超声信号收发组件测量的管道壁厚变化超声信号及砂粒振动信号，并判断系统是否处于正常工作状态，若是，则执行步骤S4，若不是，则重复步骤S3；
S4：基于多相流量计测量流速与多相流型特征图版，以判断多相流流型；对所述阵列信号进行正弦扫频收发特征分析，以获取多相流流速，基于所述管道多相流量计测量结果，对实时流速的有效性进行判断，若有效，则获得实时流速，并执行步骤S5；若无效，则重复步骤S4；
S5：基于主动超声发射频率优选分析、超声波传播特征分析、超声波接收特征分析判断管道平均壁厚变化；
S6：调整超声信号发射频率，多次重复步骤S5，以寻求最优信噪比；
S7：基于砂粒振动信号的变分模态分解，进行RMS特征分析、峭度特征分析、赫斯特指数特征分析、能量熵特征分析，以建立颗粒含量计算模型；
S8：调整变分模态分解分析尺度，多次重复步骤S7，以寻求最优信噪比；
S9：基于颗粒含量计算模型与最优砂粒特征信号计算泥砂颗粒含量，以获取实时颗粒含量；
S10：基于颗粒含量、速度及管道材料常数，应用DNVGL-RP-O501侵蚀响应模型、Tulsa冲蚀模型、Salama冲蚀模型、API 14冲蚀模型计算所述管道金属损失量，相互验证并优选冲蚀量计算模型；
S11：基于最优冲蚀模型，反演计算实时颗粒含量，判断反演结果与颗粒含量计算模型结果的一致性，若一致，则得实时颗粒含量，执行步骤S12，若不一致，则重复步骤S9-S11；
S12：对冲蚀量及实时颗粒含量进行判断，若壁厚、金属损失量、出砂量超过设定值则发出警报；若不超过，则重复步骤S3-S12。
7.根据权利要求8所述的多相流管道泥砂颗粒含量及冲蚀预警方法，其特征在于：步骤S4中，对所述阵列信号扫频特征分析得到的流速与多相流量计读取的流速进行对比，若两者误差小于或者等于5％，则认为实时流速分析结果有效，否则，认为时流速分析结果无效。
8.根据权利要求8所述的多相流管道泥砂颗粒含量及冲蚀预警方法，其特征在于：步骤S6中，将多次信噪比分析结果的最大值对应的发射频率作为超声信号最优发射频率，以获取最优主动超声波分析参数；步骤S8中，将多次信噪比的最大值对应的信号分析尺度作为变分模态分解的分析尺度，以获取振动信号分析参数。
9.根据权利要求8所述的多相流管道泥砂颗粒含量及冲蚀预警方法，其特征在于：步骤S7中，含砂量计算模型考虑多相流粘度、流速、相含率等参数；步骤S11中，将冲蚀模型反演的实时颗粒含量与颗粒含量计算模型计算的实时颗粒含量进行比较，若两者误差小于或者等于5％，则认为二者一致，否则，认为实时颗粒含量无效。
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