CN116046072A - 基于管内相分隔的油水两相流超声测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于管内相分隔的油水两相流超声测量装置包括测量管道，油水两相流流经所述测量管道；相分隔组件，设置在所述测量管道上；超声测量组件，设置在所述测量管道，包括超声信号发射接收器，以及与所述超声信号发射接收器电连接的至少一个超声波探头，其中，所述超声波探头设置在所述测量管道上。本发明还提供了一种基于上述超声测量装置的超声测量方法。本发明可以实现油水两相流多参数同步测量。

Description

基于管内相分隔的油水两相流超声测量装置及方法

技术领域

本发明涉及流体测量技术领域，尤其涉及一种基于管内相分隔的油水两相流超声测量装置及测量方法。

背景技术

石油储量及生产能力一直是世界能源发展所关注的焦点问题，因长期注水开采，我国80％油田已经进入高含水期，这对于高含水油田中后期的测量带来了巨大困难。因此研究高含水油水两相流参数在线测量方法对于原油开采、油井产量、油藏管理等都具有重要意义。

对于相含率、油水流量测量的主要方法有大罐量油法、人工取样测量法及在线测量方法。其中前两种方法人为因素大且效率过低，无法实现实时测量。目前很多研究者对油水两相流的在线测量方法做了研究，传统的在线测量方法大多是采用单相流流量计或多个流量计组合进行测量，如椭圆齿轮流量计与文丘里流量计结合的方法，但这种方法一般会受到测量范围或流型种类的影响，测量精度不高。而如今广泛使用的在线测量方法有电学法、差压法、超声法等，电学法分为电导法和电容法，电容法因短路效应无法在连续相为导电相的两相流中进行测量，电导法虽适用于连续相为导电相的两相流，但仍无法保证在高含水情况下的测量精度；差压法可以用来测量低速高含水油水两相流，但摩擦系数严重依赖于流型；超声法具有响应快速、结构简单、高透性、无辐射等优势，且无电导率影响，可通过分析超声波经衍射、反射、折射或透射作用的超声信号来检测两相流流动参数，但超声法对分散油滴的大小和浓度变化较为敏感，存在响应非线性问题。因此，超声法测量的范围和准确度往往无法保证。

因此，本发明致力于开发一种基于管内相分隔的油水两相流超声测量装置及方法，将管内相分隔和超声测量相结合，可以有效解决不同相含率、离散相油滴大小及位置等对超声测量的影响，实现油水两相流多参数同步测量。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种基于管内相分隔的油水两相流超声测量装置及测量方法，该装置主要包括相分隔组件与超声波测量组件，相分隔组件由多级旋流结构组成，分别安装在测量管道上游及超声测量组件下游，超声波测量组件由超声波探头、超声发射接收器组成，超声波探头固定在测量管道的轴向同侧或两侧布置。将管内相分隔与超声测量相结合，通过管内相分隔使不同进口流型转换成类似“油水环状流”流型，将原本分散的油滴，全部聚集到了管道中心，可以有效解决高含水油水两相流分散油滴对超声测量的干扰问题。该测量方法基于管内相分隔，结合超声衰减法与超声多普勒法对油水两相流相分隔后流体进行测量，可实现相含率、混合速度、流速分布及流量等多参数同步测量。主要分为以下步骤：一是管内相分隔与超声衰减法相结合，实现油水两相流分相截面含率的测量；二是管内相分隔与连续波超声多普勒法相结合，实现油水两相流混合流速的测量；三是管内相分隔与脉冲波超声多普勒法相结合，实现油水两相流流速分布的测量；四是基于上述计算得到的参数信息，可进一步计算获得油水两相流分相体积流量及总体积流量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于管内相分隔的油水两相流超声测量装置，包括：

测量管道，油水两相流流经所述测量管道；

相分隔组件，设置在所述测量管道上；

超声测量组件，设置在所述测量管道上；

其中，所述相分隔组件包括至少一级旋流结构；

所述超声测量组件包括超声信号发射接收器，以及与所述超声信号发射接收器电连接的至少一个超声波探头，其中，所述超声波探头设置在所述测量管道上。

进一步地，所述至少一级旋流结构包括叶片式旋流器，所述叶片式旋流器位于所述超声测量组件的上游；或者

所述至少一级旋流结构包括孔板和叶片式旋流器，所述孔板和所述叶片式旋流器依次串联设置在所述超声测量组件的上游；

所述至少一级旋流结构包括孔板和两个叶片式旋流器，所述孔板和所述两个叶片式旋流器依次串联设置在所述超声测量组件的上游，或者所述孔板和一个所述叶片式旋流器依次串联设置在所述超声测量组件的上游，另一个所述叶片式旋流器设置在所述超声测量组件的下游。

进一步地，所述叶片式旋流器的结构选自以下五种结构中的任意一种：

结构一，所述叶片式旋流器由四个旋流叶片与轮毂单元组成，每个所述旋流叶片的形状为半椭圆形，所述四个旋流叶片均匀周向布置，叶片高度与所述测量管道内径一致，叶片厚度为1毫米，紧贴管道内壁；所述轮毂单元一端呈半球状，另一端呈圆锥体，高度为所述叶片高度的1.5倍，位于所述叶片式旋流器的中心，叶片曲面的法向速度与所述轮毂单元轴向呈45°；

结构二，所述叶片式旋流器由四个旋流叶片与轮毂单元组成，所述四个旋流叶片均匀周向布置，每个所述旋流叶片的形状呈螺旋状，叶片高度为所述测量管道的内径的1.5倍，叶片厚度为1毫米，紧贴管道内壁；所述轮毂单元一端呈半球状，另一端呈圆锥体，高度为所述叶片高度的1.5倍，位于所述叶片式旋流器的中心，叶片曲面的法向速度与所述轮毂单元的轴向呈45°；

结构三，所述叶片式旋流器由四个旋流叶片与轮毂单元组成，每个所述旋流叶片的形状呈螺旋形，所述四个旋流叶片均匀周向布置，叶片高度为所述测量管道的内径的1.5倍，叶片厚度为1毫米，紧贴管道内壁；所述轮毂单元一端呈半球状，另一端呈圆锥体，高度为叶片高度的1.5倍，位于所述叶片式旋流器的中心，叶片曲面的法向速度与所述轮毂单元轴向由90°渐变至45°；

结构四，所述叶片式旋流器由四个旋流叶片组成，每个所述旋流叶片的形状为半椭圆形，所述四个旋流叶片均匀周向布置，叶片高度与所述测量管道的内径一致，叶片厚度为1毫米，紧贴管道内壁；叶片曲面的法向速度与所述叶片式旋流器的轴向呈45°；

结构五，所述叶片式旋流器由四个旋流叶片组成，每个所述旋流叶片的形状呈机翼状，所述四个旋流叶片均匀周向布置，叶片高度为所述测量管道的内径的2.5倍，叶片厚度为1毫米，紧贴管道内壁；在所述叶片高度的1/2处，叶片曲面的法向速度与所述叶片式旋流器的轴向由90°渐变至30°。

进一步地，其中，所述超声波探头从以下五种布置方式中任选一种：

第一布置方式：所述超声波探头包括在所述测量管道轴向对侧布置的一组一发一收的单晶探头；

第二布置方式：所述超声波探头包括在所述测量管道轴向同侧紧贴布置且位于所述测量管道下游的一组一发一收的楔块探头；

第三布置方式：所述超声波探头包括在所述测量管道轴向一侧布置且位于所述测量管道下游的单个自发自收的楔块探头；

第四布置方式：所述超声波探头包括在所述测量管道轴向对侧布置的一组一发一收的单晶探头以及在所述测量管道轴向同侧紧贴布置且位于所述管道下游的一组一发一收的楔块探头；

第五布置方式：所述超声波探头包括在所述测量管道轴向对侧布置的一组一发一收的单晶探头以及在所述测量管道轴向一侧布置且位于所述测量管道下游的单个自发自收的楔块探头。

本发明还提供了一种使用如上述的基于管内相分隔的油水两相流超声测量装置的超声测量方法，包括：

步骤一：将流经测量管道内的油水两相流进行管内相分隔；

步骤二：利用设置在所述测量管道上第一超声波探头发射和接收超声信号，通过提取发射端与接收端超声信号幅值V_t与V_r，结合发射与接收端的距离l得到超声衰减系数K；根据超声衰减系数K与油相截面含率α_o的特定关系K＝F(α_o)可以得到油相截面含率α_o，进一步计算水相截面含率α_w，与管道截面积A计算获得油水分相截面积A_o和A_w；所述第一超声波探头包括布置在所述测量管道的轴向对侧的一组一发一收的单晶探头；

步骤三：利用设置在所述测量管道上第二超声波探头发射和接收超声信号，通过提取发射端与接收端超声信号幅值V_t与V_r，结合发射与接收端的距离

得到超声衰减系数K；根据超声衰减系数K与油相截面含率α_o的特定关系可以得到油相截面含率α_o，进一步计算水相截面含率α_w，与管道截面积A计算获得油水分相截面积A_o和A_w；所述第二超声波探头包括在所述测量管道的轴向同侧布置的一组一发一收的楔块探头或者在所述测量管道的轴向一侧布置的单个自发自收的楔块探头；

步骤四：利用设置在所述测量管道上第三超声波探头发射和接收超声信号，对接收端的超声信号进行频谱分析获得平均多普勒频移

结合油水两相混合声速c_m，得到油水两相混合速度u_m；结合步骤二或步骤三所述油水分相截面积和截面含率，实现两相流总体积流量和分相体积流量的测量；所述第三超声波探头包括在所述测量管道的轴向同侧布置的一组一发一收的楔块探头；

步骤五：利用设置在所述测量管道上第四超声波探头发射和接收超声信号，提取发射信号和反射信号之间的脉冲波多普勒频移，根据步骤二或步骤三所述油相截面积，获得水环厚度，结合油水两相的声速c_o和c_w，实现油水分相流速分布、分相体积流量和两相流总体积流量的测量；所述第四超声波探头包括在所述测量管道的轴向一侧布置的单个自发自收的楔块探头；

其中，所述步骤二、所述步骤三、所述步骤四及所述步骤五分别单独实施，或者任选步骤二和步骤三中的一个与所述步骤四或所述步骤五两两组合实施，或者一起实施。

进一步地，所述步骤二中，所述第一超声波探头发射的超声信号与所述油水两相流的流动方向垂直，所述超声衰减系数K根据公式1得到：

其中，l为所述发射端和接收端的距离，V_t为超声发射信号幅值，V_r为超声接收信号幅值；

根据所述超声衰减系数K与所述油相截面含率α_o的关系K＝F(α_o)可以得到α_o；

利用公式α_w＝1-α_o、A_o＝Aα_o、A_w＝Aα_w，计算获得所述水相截面含率α_w、所述油相截面积A_o及所述水相截面积A_w。

进一步地，在超声波发射频率为0.5MHz、所述测量管道内径50mm的情形下，在含油率5％～30％的油水环状流中，所述超声衰减系数K与所述油相截面含率α_o存在线性关系K＝0.288α_o+4.648。

进一步地，所述步骤三中，所述第二发射和接收的超声信号与所述油水两相流的流体方向夹角为θ，所述超声衰减系数K根据公式2得到：

其中，

为所述发射端和接收端的距离，D表示所述测量管道的内径；

根据所述超声衰减系数K与所述油相截面含率α_o的关系K＝F(α_o)可以得到；

利用公式α_w＝1-α_o、A_o＝Aα_o、A_w＝Aα_w，计算得到所述水相截面含率α_w、所述油相截面积A_o、所述水相截面积A_w。

进一步地，所述步骤四中，所述第三超声波探头发射和接收的超声信号与所述流体方向的夹角为θ，结合平均多普勒频移

与油水两相混合声速c_m获得所述油水两相混合速度u_m，u_m通过公式3计算：

其中，c_m为所述油水两相混合声速，

为所述平均多普勒频移，f₀为所述超声发射中心频率；

结合所述测量管道所述截面积A，通过公式4计算得到所述两相流总体积流量Q：

Q＝Au_m                                 公式4

结合所述油水两相流截面相含率α_o和α_w，通过公式5和公式6分别计算得到所述油水两相分相体积流量Q_o和Q_w：

Q_o＝Q·α_o                                  公式5

Q_w＝Q·α_w                                  公式6

进一步地，所述步骤五中，所述第四超声波探头发射和接收的超声信号与所述流体方向的夹角为θ；结合所述油相截面积A_o与测量管道内径D，根据公式7得到水环厚度δ为：d

依据脉冲波多普勒法，由所述第四超声波探头分时地发射超声信号，并在两个相邻的脉冲之间的时间间隔内接收反射的超声信号，根据公式8、公式9和公式10获得所述油水两相流相对所述测量管道管壁的位置信息x：

其中，τ表示超声接收信号相对发射信号的时间延迟，c_w表示水相中声速，c_o表示油相中声速；

提取接收的所述超声信号相对发射的所述超声信号的多普勒频移f_dx，根据公式11和公式12得到油水两相的分相流速分布：

根据公式13、公式14、公式15计算获得所述油相体积流量Q_o、所述水相体积流量Q_w及所述两相流总体积流量Q：

Q＝Q_o+Q_w                            公式15。

本发明提供的一种基于管内相分隔的油水两相流超声测量装置及方法具有以下有利的技术效果：

1、本发明的一种基于管内相分隔的油水两相流超声测量装置及方法中将管内相分隔与超声测量相结合，通过管内相分隔使不同进口流型转换成油柱-水膜流型，可以有效解决不同相含率、离散相粒径大小及位置等流型问题带来的测量难度，通过超声波探头不同布置方式解决油水两相流多参数同步测量问题。

2、本发明的一种基于管内相分隔的油水两相流超声测量装置中采用多级相分隔组件，一级旋流结构中叶片式旋流器是相分隔组件的核心，将油水两相流的六种不同流型经相分隔后，离散相液滴形成连续的中心油柱，而水相则形成连续的水环围绕在油柱周围，高粘度油滴容易黏在壁面上，一旦黏在壁面上不易脱落，会贴于壁面旋转前进，可基本实现管内相分隔状态，但油水界面相对模糊；二级旋流结构中增加孔板作为过滤件，将油水两相流中大油泡变小或分解为小液滴进入旋流器，可增加旋流后油柱的稳定形态段的长度，但水环中仍存在许多油滴；三级旋流结构提高了经上游孔板和旋流器相分隔后的油水两相流的上游压力，形成了更加稳定形态的油芯，还起到了整流的作用，有助于提高超声测量装置进行多参数测量的精确度。可任意选择一、二、三级旋流结构，满足多种使用需求，具有普遍适用性。

3、本发明的一种基于管内相分隔的油水两相流超声测量方法是基于管内相分隔，结合两种超声测量方法，在超声衰减法得到相含率的基础上，有效运用超声多普勒法，实现相含率、混合流速、流速分布及流量等多参数同步测量。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的超声测量装置结构示意图；

图2是叶片式旋流器的结构示意图；

图3是超声测量组件的结构示意图；

图4是超声测量组件的第一种安装方式示意图；

图5是超声测量组件的第二种安装方式示意图；

图6是高含水油水环状流仿真模拟及结果图；

图7是油水两相流超声测量方法流程图。

其中，10-测量管道，11-平面，12-方形耦合块，20-相分隔组件，21-旋流器，22-孔板，30-超声测量组件，31-超声信号发射接收器，32-单晶探头，33-一发一收的楔块探头，34-自发自收的楔块探头，40-油水两相流。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当扩大了部件的厚度。

如图1所示，本发明提供的油水两相流超声测量装置，包括测量管道10、相分隔组件20和超声测量组件30。测量管道10内流入油水两相流40，相分隔组件20设置在测量管道10上，将油水两相流40进行管内相分隔，超声测量组件30设置在测量管道10上，利用超声测量法实现油水两相流多参数同步测量。相分隔组件20由旋流结构组成，在测量管道10上游及超声测量组件30的上游处设置有至少一级旋流结构，在一些实施方式中，在超声测量组件30的下游处也可以设置旋流结构。

本发明的相分隔组件20，根据实际需求不同，可以设置一级或多级旋流结构，亦可以根据不同需求选用不同的旋流结构。具体如下：

在一些实施方式中，如图1(a)所示，相分隔组件20包括一级旋流结构，该一级旋流结构由一个叶片式旋流器21构成，安装在测量管道10上游，且位于超声测量组件30上游。油水两相流经过叶片式旋流器21之后，相分布发生变化，油相在离心力的作用下聚集在管道中心处，形成连续的油柱，水形成连续的水环，包绕在油柱周围。

在一些实施方式中，如图1(b)所示，相分隔组件20包括二级旋流结构，具体地，包括孔板22和叶片式旋流器21。孔板22和叶片式旋流器21沿着流动方向依次安装在测量管道10上，且都位于测量管道10上游和超声测量组件30上游。油水两相流中存在不规则大油泡等，流经孔板22时迅速变小或破裂形成小油滴进入旋流器21。

在一些实施方式中，如图1(c)所示，相分隔组件20包括三级旋流结构，具体地，包括孔板22和两个叶片式旋流器21，沿着流动方向串联安装在测量管道10上，且均位于测量管道10上游和超声测量组件30上游。油相经孔板变小或分解后形成小油滴，随着水相进入两个串联的旋流器21，经离心力的作用汇聚于中心处，形成油柱-水环流型。

在一些实施方式中，如图1(d)所示，相分隔组件20包括三级旋流结构，具体地，包括孔板22和两个叶片式旋流器21，沿着流动方向串联安装在测量管道10上，其中，孔板22和一个叶片式旋流器21位于测量管道10上游和超声测量组件30上游，另一个叶片式旋流器21位于超声测量组件30下游。经上游孔板和旋流器相分隔后的油水两相流在下游旋流器的作用下提高了上游压力，形成了更加稳定形态的油芯。

叶片式旋流器21可以采用多种结构，如图2所示，分别显示了五种不同的结构。应当理解，本发明的叶片式旋流器21不仅局限于该五种结构，其他可实现油水两相分隔的结构亦可应用在本发明中。

如图2(a)所示，第一种结构由四个叶片与轮毂单元组成，每个旋流叶片的形状为半椭圆形，四个旋流叶片均匀周向布置，叶片高度与测量管道10内径一致，叶片厚度为1毫米，紧贴管道内壁。轮毂单元一端呈半球状，一端呈圆锥体，高度为叶片高度的1.5倍，位于旋流装置的中心，叶片曲面的法向速度与轮毂单元轴向呈45°。

如图2(b)所示，第二种结构由四个叶片与轮毂单元组成，四个旋流叶片均匀周向布置，每个旋流叶片的形状呈螺旋状，叶片高度为1.5倍的测量管道10内径，叶片厚度为1毫米，紧贴管道内壁。轮毂单元一端呈半球状，一端呈圆锥体，高度为叶片高度的1.5倍，位于旋流装置的中心，叶片曲面的法向速度与轮毂单元轴向呈45°。

如图2(c)所示，第三种结构由四个叶片与轮毂单元组成，每个旋流叶片的形状呈螺旋形，四个旋流叶片均匀周向布置，叶片高度为1.5倍的测量管道10内径，叶片厚度为1毫米，紧贴管道内壁。轮毂单元一端呈半球状，一端呈圆锥体，高度为叶片高度的1.5倍，位于旋流装置的中心，叶片曲面的法向速度与轮毂单元轴向由90°渐变至45°。

如图2(d)所示，第四种结构由四个叶片组成，每个旋流叶片的形状为半椭圆形，四个旋流叶片均匀周向布置，叶片高度与测量管道10内径一致，叶片厚度为1毫米，紧贴管道内壁。叶片曲面的法向速度与旋流器21轴向呈45°。

如图2(e)所示，第五种结构由四个叶片组成，每个旋流叶片的形状类似机翼叶片，四个旋流叶片均匀周向布置，叶片高度为2.5倍的测量管道10内径，叶片厚度为1毫米，紧贴管道内壁。在叶片高度的1/2处，叶片曲面的法向速度与旋流器21轴向由90°渐变至30°。

如图3所示，超声测量组件包括超声信号发射接收器31以及与之电连接的至少一个超声波探头。超声波探头设置在测量管道10的侧壁上。超声波探头有一发一收的探头、自发自收的探头等类型。其中，一发一收的探头一般需要一组，一个探头用于发射超声波信号，另一个探头用于接收超声波信号。对于一组一发一收的探头，可以将两个探头在测量管道轴向同侧安装，即这两个探头沿测量管道轴向依次布置；也可以将两个探头在测量管道轴向对侧安装，即这两个探头分别位于测量管道相对的两侧布置。根据具体的需求，可以选用不同类型的超声波探头和布置方式。如图3所示，本发明提供了五种布置方式：

第一布置方式，如图3(a)所示，包括一组一发一收的单晶探头32其中，两个单晶探头32分别位于测量管道10轴向对侧布置。

第二布置方式，如图3(b)所示，包括一组一发一收的楔块探头33，两个楔块探头33分别位于测量管道10的轴向同侧，且两个楔块探头33沿该轴向紧贴在一起。

第三布置方式，如图3(c)所示，包括一个自发自收的楔块探头34，该楔块探头34位于测量管道10上单独布置。

第四布置方式，如图3(d)所示，包括一组一发一收的单晶探头32，其布置方式与图3(a)相同，以及一组一发一收的楔块探头33，其布置方式与图3(b)相同。

第五布置方式，如图3(e)所示，包括一组一发一收的单晶探头32，其布置方式与图3(a)相同，以及一个自发自收的楔块探头34，其布置方式与图3(c)相同。

超声波探头的安装方式有多种，例如，如图4所示，对相分隔组件20下游测量管道10一侧表面做平整化处理形成平面11，然后在该平面11上安装固定探头。这种安装方式使探头可以紧贴平整管壁安装，避免了圆管安装带来的测量误差。如图5所示，在相分隔组件20下游的测量管道10上加装方形耦合块12，用紧固件固定在管道上，然后将探头安装固定在方形耦合块12上。通过方形耦合块12连接探头与管壁，同样可以避免圆管安装带来的测量误差。应当理解，其他能够有效降低超声测量误差的安装方式也能够应用在本发明中。

本发明还提供了一种使用上述超声测量装置对油水两相流进行超声测量的方法。该测量方法基于管内相分隔，结合超声衰减法与超声多普勒法对油水两相流相分隔后流体进行测量，可实现相含率、混合速度、流速分布及流量等多参数同步测量。主要分为以下步骤：

步骤一：将测量管道10内的油水两相流40进行管内相分隔；

步骤二：基于超声衰减法，利用测量管道10上第一布置方式中超声波探头发射和接收超声信号，实现油水两相分相截面含率的计算，进而得到油水两相分相截面积；

步骤三：基于超声衰减法，利用测量管道10上第二或第三布置方式中超声波探头发射和接收超声信号，实现油水两相分相截面含率的计算，进而得到油水两相分相截面积；

步骤四：基于连续波超声多普勒法，利用测量管道10上第二或第四布置方式中超声波探头发射和接收超声信号，经频谱分析获得平均多普勒频移来计算油水两相混合速度，并结合步骤二或步骤三所述测量管道10油水分相截面积和截面含率，实现两相流总体积流量和分相体积流量的测量；

步骤五：基于脉冲波超声多普勒法，利用测量管道10上第三或第五布置方式中超声波探头发射和接收超声信号，提取发射与反射信号之间的脉冲波多普勒频移，结合步骤二或步骤三所述测量管道10油相截面积获得水环厚度，实现油水两相流分相流速分布、分相体积流量和两相流总体积流量的测量；

其中，超声衰减法可以基于一组一发一收的单晶探头32(其发射的超声波信号垂直流动方向)、一组一发一收的楔块探头33(发射的超声波信号与流体方向夹角为θ)和单个自发自收的楔块探头34(发射的超声波信号与流体方向夹角为θ)的任意一种实现。连续波超声多普勒法可以基于一发一收的楔块探头33实现。脉冲波超声多普勒法可以基于单个自发自收的楔块探头34实现。在实际应用时，可以根据实际需求选用不同的探头类型(一组一发一收的单晶探头32、一组一发一收的楔块探头33、单个自发自收的楔块探头34)的组合来实现超声衰减法、脉冲波超声多普勒法和连续波超声多普勒法。根据选用的探头种类不同，以上步骤二、步骤三、步骤四、步骤五可以每个步骤单独实施，或者任选步骤二和步骤三其中一个与步骤四、步骤五两两组合实施，或者一起实施。

以下列举本发明的几种实施方式，进一步说明本发明的原理。

第一种方式：

超声波探头第一布置方式如图3(a)所示，包括一组一发一收的单晶探头32。两个单晶探头32分别安装在测量管道10轴向对侧，超声信号垂直发射，一侧的单晶探头32发射超声波信号，对侧的单晶探头32接收超声波信号。

依据超声衰减法，超声波发射端发出一定频率和强度的超声波，在油水两相流中穿过，经过油水两相的吸收、散射和反射等衰减机制，到达超声波信号接收端。提取超声发射信号幅值V_t和接收信号幅值V_r，结合发射与接收端的距离l，根据公式1得到超声衰减系数K

根据超声衰减系数K与油相截面含率α_o的特定关系K＝F(α_o)可以得到α_o，由此可以根据公式α_w＝1-α_o得到水相截面含率α_w。结合油水分相截面含率α_o、α_w与管道截面积A，计算得到油相截面积A_o和水相截面积A_w,计算公式为A_o＝Aα_o、A_w＝Aα_w。其中，超声衰减系数K与油相截面含率α_o的特定关系K＝F(α_o)可以通过实验标定或仿真模拟得到。例如，在高含水油水环状流的仿真模拟中，测量管道内径50mm，在管道截面中心用圆形模拟油相分布，控制圆形的面积得到不同的截面含油率。采用单发单收的超声测量模式，超声波探头的发射频率为0.5MHz，该仿真模拟采用黏滞模型模拟含油率5％～30％的高含水油水环状流，最终得到超声衰减系数K与油相截面含率α_o的线性关系K＝0.288α_o+4.648，具体仿真结构模型及结果如图6所示。

第二种方式：

超声波探头第二布置方式如图3(b)所示，包括一组一发一收的楔块探头33。其中，两个楔块探头33，一个发射超声信号，另一个接收超声信号，超声信号的入射声波与测量管道的流体流动方向的夹角为θ。依据超声衰减法，提取发射端与接收端超声信号幅值V_t与V_r，结合发射与接收端的距离

根据公式2得到超声衰减系数K

根据超声衰减系数K与油相截面含率α_o的特定关系K＝F(α_o)可以得到α_o，K＝F(α_o)可以通过实验标定或仿真模拟得到。由此可以根据公式α_w＝1-α_o得到水相截面含率α_w。结合油水分相截面含率α_o、α_w与管道截面积A，计算得到油相截面积A_o和水相截面积A_w,计算公式为A_o＝Aα_o、A_w＝Aα_w。

依据连续波超声多普勒法，经楔块探头33接收油水两相流中油滴与水滴反射的带有多普勒频移信息的超声信号，测量空间包括探头侧整个管道截面。通过对接收端的超声信号频谱分析后获得平均多普勒频移

结合油水两相混合声速c_m,可以得到油水两相混合速度u_m,根据公式3计算：

结合管道截面积A，根据公式4计算得到两相流总体积流量Q：

Q＝Au_m           公式4

结合油水两相流分相截面含率α_o和α_w，通过公式5和公式6分别得到油水两相流分相体积流量Q_o和Q_w：

Q_o＝Q·α_o           公式5

Q_w＝Q·α_w           公式6

第三种方式：

超声波探头第三布置方式如图3(c)所示，包括单个自发自收的楔块探头34，安装在测量管道上，楔块探头34分时地发射超声波信号，并在两个相邻脉冲之间的时间间隔内接收经水中油滴和油中水滴的反射信号，测量空间呈圆柱形，超声信号的入射声波与测量管道流体流动方向的夹角为θ。依据超声衰减法，根据公式2得到超声衰减系数K

提取超声发射信号幅值V_t和接收信号幅值V_r，结合发射端与接收端的距离

得到超声衰减系数K。根据超声衰减系数K与油相截面含率α_o的特定关系K＝F(α_o)可以得到α_o，K＝F(α_o)可以通过实验标定或仿真模拟得到。由此可以根据公式α_w＝1-α_o得到水相截面含率α_w。结合油水分相截面含率α_o、α_w与管道截面积A，计算得到油相截面积A_o和水相截面积A_w,计算公式为A_o＝Aα_o、A_w＝Aα_w。结合油相截面积A_o，根据公式7得到水环厚度δ

依据脉冲波多普勒法，由自发自收的楔块探头34分时地发射超声信号，并在两个相邻脉冲之间的时间间隔内接收反射的超声信号，根据公式8、9、10获得油水两相流相对测量管道10管壁的位置信息x：

其中，τ表示超声接收信号相对发射信号的时间延迟；c_w表示水相中声速；c_o表示油相中声速。

提取超声接收信号相对发射信号的多普勒频移f_dx，根据公式11和12得到油水两相的分相流速分布：

根据公式13、14和15实现油相分相体积流量Q_o、水相分相体积流量Q_w及两相流总体积流量Q的测量：

Q＝Q_o+Q_w                        公式15。

第四种方式：

超声波探头第四布置方式如图3(d)所示，包括一组一发一收的单晶探头32和一组一发一收的楔块探头33。两个单晶探头32分别安装在测量管道轴向对侧，超声信号垂直发射，一侧单晶探头32发射超声波信号，对侧单晶探头32接收超声波信号。两个楔块探头33一个发射超声信号，另一个接收超声信号，超声信号的入射声波与测量管道的流体流动方向的夹角为θ，测量空间包含探头侧整个管道截面。依据超声衰减法，超声波发射端发出一定频率和强度的超声波，在油水两相流中穿过，经过油水两相的吸收、散射和反射等衰减机制，到达超声波信号接收端。根据公式1得到超声衰减系数K

提取超声发射信号幅值V_t和接收信号幅值V_r，结合发射端与接收端的距离l得到超声衰减系数K。根据超声衰减系数K与油相截面含率α_o的特定关系K＝F(α_o)可以得到α_o，由此可以根据公式α_w＝1-α_o得到水相截面含率α_w。结合油水分相截面含率α_o、α_w与管道截面积A，计算得到油相截面积A_o和水相截面积A_w,计算公式为A_o＝Aα_o、A_w＝Aα_w。其中，K＝F(α_o)可以通过实验标定或仿真模拟得到。例如，在高含水油水环状流的仿真模拟中，测量管道内径50mm，在管道截面中心用圆形模拟油相分布，控制圆形的面积得到不同的截面含油率。采用单发单收的超声测量模式，超声波探头的发射频率为0.5MHz，该仿真模拟采用黏滞模型模拟含油率5％～30％的高含水油水环状流，最终得到超声衰减系数K与油相截面含率α_o的线性关系K＝0.288α_o+4.648，具体仿真结构模型及结果如图6所示。

依据连续波超声多普勒法，经楔块探头33接收油水两相流中油滴与水滴反射的带有多普勒频移信息的超声信号，测量空间包括探头侧整个管道截面。通过对接收端的超声信号频谱分析后获得平均多普勒频移

结合油水两相混合声速c_m,可以得到油水两相混合速度u_m,根据公式3计算

结合管道截面积A，根据公式4计算得到两相流总体积流量Q：

Q＝Au_m                 公式4

结合油水两相流分相截面含率α_o和α_w，通过公式5和公式6分别得到油水两相分相体积流量Q_o和Q_w：

Q_o＝Q·α_o                 公式5

Q_w＝Q·α_w                公式6

第五种方式：

超声波探头第五布置方式如图3(e)所示，包括一组一发一收的单晶探头32和一个自发自收的楔块探头34。两个单晶探头32分别安装在测量管道轴向对侧，一侧的单晶探头32发射超声波信号，对侧的单晶探头32接收超声信号。楔块探头34安装在测量管道轴向一侧，楔块探头34发射超声信号并接收超声信号，超声信号的入射声波与测量管道的流体流动方向的夹角为θ。依据超声衰减法，超声发射端发出一定频率和强度的超声波，在油水两相流中穿过，经过油水两相的吸收、散射和反射等衰减机制，到达超声信号接收端。根据公式1得到超声衰减系数K

提取超声发射信号幅值V_t和接收信号幅值V_r，结合发射端与接收端的距离l得到超声衰减系数K。根据超声衰减系数K与油相截面含率α_o的特定关系K＝F(α_o)可以得到α_o，由此可以根据公式α_w＝1-α_o得到水相截面含率α_w。结合油水分相截面含率α_o、α_w与管道截面积A，计算得到油相截面积A_o和水相截面积A_w,计算公式为A_o＝Aα_o、A_w＝Aα_w。其中，K＝F(α_o)可以通过实验标定或仿真模拟得到。例如，在高含水油水环状流的仿真模拟中，测量管道内径50mm，在管道截面中心用圆形模拟油相分布，控制圆形的面积得到不同的截面含油率。采用单发单收的超声测量模式，超声波探头的发射频率为0.5MHz，该仿真模拟采用黏滞模型模拟含油率5％～30％的高含水油水环状流，最终得到超声衰减系数K与油相截面含率α_o的线性关系K＝0.288α_o+4.648，具体仿真结构模型及结果如图6所示。结合油相截面积A_o，根据公式7得到水环厚度δ:

依据脉冲波多普勒法，由自发自收的楔块探头34分时地发射超声信号，并在两个相邻脉冲之间的时间间隔内接收反射的超声信号，根据公式8、公式9和公式10获得油水两相流相对测量管道10管壁的位置信息x：

提取超声接收信号相对发射信号的多普勒频移f_dx，根据公式11和公式12得到油水两相的分相流速分布：

根据公式13、公式14、公式15实现油相分相体积流量Q_o、水相分相体积流量Q_w及两相流总体积流量Q的测量：

Q＝Q_o+Q_w            公式15

以上介绍了五种实施方式，其中：

第一种实施方式，采用一组一发一收的单晶探头+超声衰减法，得出油水两相流分相截面含率和截面积；

第二种实施方式，采用一发一收的楔块探头+超声衰减法，得出油水两相流分相截面含率和截面积，利用连续波超声多普勒法计算油水两相混合流速和两相流总体积流量，结合油水分相截面含率获得分相体积流量；

第三种实施方式，采用自发自收楔块探头+超声衰减法，得出油水两相流分相截面含率、分相截面积及水环厚度，利用脉冲波超声多普勒法计算油水分相流速分布，并结合油水分相截面积获得分相体积流量和两相流总体积流量；

第四种实施方式，采用一组一发一收的单晶探头+超声衰减法，得出油水两相流分相截面含率和截面积；利用一组一发一收的楔块探头+连续波超声多普勒法，获得油水两相混合流速和两相流总体积流量，并结合油水分相截面含率实现两相流分相体积流量的测量；

第五种实施方式，采用一组一发一收的单晶探头+超声衰减法，得出油水两相流分相截面含率、分相截面积及水环厚度；利用自发自收楔块探头+脉冲波超声多普勒法计算油水分相流速分布，并结合油水分相截面积获得分相体积流量和两相流总体积流量。

应当理解，本发明的实施方式不局限于以上五种方式，还包括其他组合方式，例如：一发一收的楔块探头+超声衰减法；一发一收的楔块探头+连续波超声多普勒法；自发自收楔块探头+超声衰减法；自发自收楔块探头+脉冲波超声多普勒法。可以根据实际需要测量的参数，如油水两相流分相截面含率、分相截面积、分相流速分布、分相体积流量、混合流速、总体积流量等，选择合适的组合方式，从而实现各参数的测量及多参数的同步测量。

一组一发一收的单晶探头、一组一发一收的楔块探头、单个自发自收的楔块探头这三种探头可以任选其中一种、两种进行组合，也可以三种都选择进行测量。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于管内相分隔的油水两相流超声测量装置，其特征在于，包括：

测量管道，油水两相流流经所述测量管道；

相分隔组件，设置在所述测量管道上；

超声测量组件，设置在所述测量管道上；

其中，所述相分隔组件包括至少一级旋流结构；

所述超声测量组件包括超声信号发射接收器，以及与所述超声信号发射接收器电连接的至少一个超声波探头，其中，所述超声波探头设置在所述测量管道上。

2.如权利要求1所述的超声测量装置，其特征在于，所述至少一级旋流结构包括叶片式旋流器，所述叶片式旋流器位于所述超声测量组件的上游；或者

所述至少一级旋流结构包括孔板和叶片式旋流器，所述孔板和所述叶片式旋流器依次串联设置在所述超声测量组件的上游；或者

所述至少一级旋流结构包括孔板和两个叶片式旋流器，所述孔板和所述两个叶片式旋流器依次串联设置在所述超声测量组件的上游，或者所述孔板和一个所述叶片式旋流器依次串联设置在所述超声测量组件的上游，另一个所述叶片式旋流器设置在所述超声测量组件的下游。

3.如权利要求2所述的超声测量装置，其特征在于：所述叶片式旋流器的结构选自以下五种结构中的任意一种：

结构一，所述叶片式旋流器由四个旋流叶片与轮毂单元组成，每个所述旋流叶片的形状为半椭圆形，所述四个旋流叶片均匀周向布置，叶片高度与所述测量管道内径一致，叶片厚度为1毫米，紧贴管道内壁；所述轮毂单元一端呈半球状，另一端呈圆锥体，高度为所述叶片高度的1.5倍，位于所述叶片式旋流器的中心，叶片曲面的法向速度与所述轮毂单元轴向呈45°；

结构二，所述叶片式旋流器由四个旋流叶片与轮毂单元组成，所述四个旋流叶片均匀周向布置，每个所述旋流叶片的形状呈螺旋状，叶片高度为所述测量管道的内径的1.5倍，叶片厚度为1毫米，紧贴管道内壁；所述轮毂单元一端呈半球状，另一端呈圆锥体，高度为所述叶片高度的1.5倍，位于所述叶片式旋流器的中心，叶片曲面的法向速度与所述轮毂单元的轴向呈45°；

结构三，所述叶片式旋流器由四个旋流叶片与轮毂单元组成，每个所述旋流叶片的形状呈螺旋形，所述四个旋流叶片均匀周向布置，叶片高度为所述测量管道的内径的1.5倍，叶片厚度为1毫米，紧贴管道内壁；所述轮毂单元一端呈半球状，另一端呈圆锥体，高度为叶片高度的1.5倍，位于所述叶片式旋流器的中心，叶片曲面的法向速度与所述轮毂单元轴向由90°渐变至45°；

结构四，所述叶片式旋流器由四个旋流叶片组成，每个所述旋流叶片的形状为半椭圆形，所述四个旋流叶片均匀周向布置，叶片高度与所述测量管道的内径一致，叶片厚度为1毫米，紧贴管道内壁；叶片曲面的法向速度与所述叶片式旋流器的轴向呈45°；

结构五，所述叶片式旋流器由四个旋流叶片组成，每个所述旋流叶片的形状呈机翼状，所述四个旋流叶片均匀周向布置，叶片高度为所述测量管道的内径的2.5倍，叶片厚度为1毫米，紧贴管道内壁；在所述叶片高度的1/2处，叶片曲面的法向速度与所述叶片式旋流器的轴向由90°渐变至30°。

4.如权利要求1所述的超声测量装置，其特征在于，所述超声波探头从以下五种布置方式中任选一种：

第一布置方式：所述超声波探头包括在所述测量管道轴向对侧布置的一组一发一收的单晶探头；

第二布置方式：所述超声波探头包括在所述测量管道轴向同侧紧贴布置且位于所述测量管道下游的一组一发一收的楔块探头；

第三布置方式：所述超声波探头包括在所述测量管道轴向一侧布置且位于所述测量管道下游的单个自发自收的楔块探头；

第四布置方式：所述超声波探头包括在所述测量管道轴向对侧布置的一组一发一收的单晶探头以及在所述测量管道轴向同侧紧贴布置且位于所述管道下游的一组一发一收的楔块探头；

第五布置方式：所述超声波探头包括在所述测量管道轴向对侧布置的一组一发一收的单晶探头以及在所述测量管道轴向一侧布置且位于所述测量管道下游的单个自发自收的楔块探头。

5.一种使用如权利要求1-4任一项所述的基于管内相分隔的油水两相流超声测量装置的超声测量方法，其特征在于，包括：

步骤一：将流经测量管道内的油水两相流进行管内相分隔；

步骤二：利用设置在所述测量管道上第一超声波探头发射和接收超声信号，通过提取发射端与接收端超声信号幅值V_t与V_r，结合发射与接收端的距离l得到超声衰减系数K；根据超声衰减系数K与油相截面含率α_o的特定关系K＝F(α_o)可以得到油相截面含率α_o，进一步计算水相截面含率α_w，与管道截面积A计算获得油水分相截面积A_o和A_w；所述第一超声波探头包括布置在所述测量管道的轴向对侧的一组一发一收的单晶探头；

步骤三：利用设置在所述测量管道上第二超声波探头发射和接收超声信号，通过提取发射端与接收端超声信号幅值V_t与V_r，结合发射与接收端的距离

得到超声衰减系数K；根据超声衰减系数K与油相截面含率α_o的特定关系可以得到油相截面含率α_o，进一步计算水相截面含率α_w，与管道截面积A计算获得油水分相截面积A_o和A_w；所述第二超声波探头包括在所述测量管道的轴向同侧布置的一组一发一收的楔块探头或者在所述测量管道的轴向一侧布置的单个自发自收的楔块探头；

步骤四：利用设置在所述测量管道上第三超声波探头发射和接收超声信号，对接收端的超声信号进行频谱分析获得平均多普勒频移

结合油水两相混合声速c_m，得到油水两相混合速度u_m；结合步骤二或步骤三所述油水分相截面积和截面含率，实现两相流总体积流量和分相体积流量的测量；所述第三超声波探头包括在所述测量管道的轴向同侧布置的一组一发一收的楔块探头；

步骤五：利用设置在所述测量管道上第四超声波探头发射和接收超声信号，提取发射信号和反射信号之间的脉冲波多普勒频移，根据步骤二或步骤三所述油相截面积，获得水环厚度，结合油水两相的声速c_o和c_w，实现油水分相流速分布、分相体积流量和两相流总体积流量的测量；所述第四超声波探头包括在所述测量管道的轴向一侧布置的单个自发自收的楔块探头；

其中，所述步骤二、所述步骤三、所述步骤四及所述步骤五分别单独实施，或者任选步骤二和步骤三中的一个与所述步骤四或所述步骤五两两组合实施，或者一起实施。

6.如权利要求5所述的超声测量方法，其特征在于，所述步骤二中，所述第一超声波探头发射的超声信号与所述油水两相流的流动方向垂直，所述超声衰减系数K根据公式1得到：

其中，l为所述发射端和接收端的距离，V_t为超声发射信号幅值，V_r为超声接收信号幅值；

根据所述超声衰减系数K与所述油相截面含率α_o的关系K＝F(α_o)可以得到α_o；

利用公式α_w＝1-α_o、A_o＝Aα_o、A_w＝Aα_w，计算获得所述水相截面含率α_w、所述油相截面积A_o及所述水相截面积A_w。

7.如权利要求6所述的超声测量方法，其特征在于，在超声波发射频率为0.5MHz、所述测量管道内径50mm的情形下，在含油率5％～30％的油水环状流中，所述超声衰减系数K与所述油相截面含率α_o存在线性关系K＝0.288α_o+4.648。

8.如权利要求5所述的超声测量方法，其特征在于，所述步骤三中，所述第二超声波探头发射和接收的超声信号与所述油水两相流的流体方向夹角为θ，所述超声衰减系数K根据公式2得到：

其中，

为所述发射端和接收端的距离，D表示所述测量管道的内径；

根据所述超声衰减系数K与所述油相截面含率α_o的关系K＝F(α_o)可以得到；

利用公式α_w＝1-α_o、A_o＝Aα_o、A_w＝Aα_w，计算得到所述水相截面含率α_w、所述油相截面积A_o、所述水相截面积A_w。

9.如权利要求5所述的超声测量方法，其特征在于，所述步骤四中，所述第三超声波探头发射和接收的超声信号与所述流体方向的夹角为θ，结合平均多普勒频移

与油水两相混合声速c_m获得所述油水两相混合速度u_m，u_m通过公式3计算：

其中，c_m为所述油水两相混合声速，

为所述平均多普勒频移，f₀为所述超声发射中心频率；

结合所述测量管道所述截面积A，通过公式4计算得到所述两相流总体积流量Q：

Q＝Au_m                                 公式4

结合所述油水两相流截面相含率α_o和α_w，通过公式5和公式6分别计算得到所述油水两相分相体积流量Q_o和Q_w：

Q_o＝Q·α_o                                  公式5

Q_w＝Q·α_w                             公式6。

10.如权利要求5所述的超声测量方法，其特征在于，所述步骤五中，所述第四超声波探头发射和接收的超声信号与所述流体方向的夹角为θ；结合所述油相截面积A_o与测量管道内径D，根据公式7得到水环厚度δ为：d

依据脉冲波多普勒法，由所述第四超声波探头分时地发射超声信号，并在两个相邻的脉冲之间的时间间隔内接收反射的超声信号，根据公式8、公式9和公式10获得所述油水两相流相对所述测量管道管壁的位置信息x：

其中，τ表示超声接收信号相对发射信号的时间延迟，c_w表示水相中声速，c_o表示油相中声速；

提取接收的所述超声信号相对发射的所述超声信号的多普勒频移f_dx，根据公式11和公式12得到油水两相的分相流速分布：

根据公式13、公式14、公式15计算获得所述油相体积流量Q_o、所述水相体积流量Q_w及所述两相流总体积流量Q：

Q＝Q_o+Q_w               公式15。

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