CN116297823A - 一种基于超声波测量的多相流体含量预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波测量的多相流体含量预测方法，包括：通过自发自收换能器向管道发送超声波并接收反射波，获得反射波的时域数据和幅值数据，对所述时域数据和幅值数据进行计算分析，得到气相和油相的高度数据，通过对所述高度数据进行计算分析，得到三相高度数据，基于所述三相高度数据获取三相分界线数据，通过对不同位置的自发自收换能器所获取的三相分界线数据进行分析结合，得到三相体积的预测数据。本发明所述技术方案能够实现油水气三相的体积的快速测量，同时保证了油水气三相体积的测量准确性，提高了操作的安全性，对油水气三相的测量具有非常的重要意义。

Description

一种基于超声波测量的多相流体含量预测方法
技术领域
本发明属于工业测量领域，特别是涉及一种基于超声波测量的多相流体含量预测方法。
背景技术
油气水三相是石油化工行业中一种典型的多相流。在油田开采过程中，溶解在油井深储藏区的天然气随原油向上流动，当压力低于泡点压力后，气体逐渐析出，加上油层中存在着的大量地层水，导致在油井的开采过程形成油气水三相流。对多相流的本质物性理解、基本规律探究、物理模型建立以及相关机理研究等，都需要预先准确获取多相流中各相的体积。因此，多相流体积含量问题的研究具有重要的理论价值，对安全高效地开采石油和天然气有着重要意义。
目前，国内外对于多相流中单相体积的研究比较多，针对气相的光学多普勒-反射波法、光纤探针法和x射线技术等；针对水相的电导探针法、阻抗法等；针对油相的质量流量计、压差法等。在测量油气水三相时主要采用光纤电导组合法，但是目前的光纤和电导组合方法(参见申请号为CN201910592048.9的专利)测量过程繁琐，原理复杂，在工业应用中有很大限制。亟需一种相较而言更加简单、便捷，具有较好的工业应用前景的超声测量方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超声波测量的多相流体含量预测方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于超声波测量的多相流体含量预测方法，包括以下步骤：
通过自发自收换能器向管道发送超声波并接收反射波，获得反射波的时域数据和幅值数据，对所述时域数据和幅值数据进行计算分析，得到气相和油相的高度数据，通过对所述高度数据进行计算分析，得到三相高度数据，基于所述三相高度数据获取三相分界线数据，通过对不同位置的自发自收换能器所获取的三相分界线数据进行分析结合，得到三相体积的预测数据。
可选的，获取气相高度数据的过程包括：
获取超声波传播速度数据c，对超声波传播速度数据c和反射波的时域数据t进行分析计算，得到液相高度数据H液：
Figure BDA0004143244880000021
获取管道直径数据D，基于所述液相高度数据H液和所述管道直径数据D获取气相高度数据H气：
H气＝D-H液。
可选的，获取油相高度数据X的过程包括：
获取超声波的声压数据P和发射幅值数据V0，对幅值数据V和发射幅值数据V0进行分析计算得到超声波的衰减系数数据α：
Figure BDA0004143244880000022
基于超声波的衰减系数数据α和声压数据P进行反推，得到油相高度数据X：
P＝P0e-αx。
可选的，通过管道内径数据减去气相和油相的高度数据得到水相高度数据；
其中，气相和油相的高度数据以及所述水相高度数据即为三相高度数据。
可选的，基于所述三相高度数据，得到三相分界线数据，通过连接两个不同位置的自发自收换能器所获取的三相分界线数据，得到两个不同位置之间的三相分布数据。
可选的，获取管道的截面数据，基于扇形面积定理，对所述截面数据和所述三相分布数据进行分析计算，得到三相体积的预测数据。
本发明的技术效果为：
本发明与传统测量方法相比，在明显减小结构复杂性与装备造价的同时，利用超声阻抗和超声衰减的原理，实现了油水气三相的体积的快速测量，保证了油水气三相体积的测量准确性，同时，由于减去了复杂的装备，显著减少了操作复杂性，进而提高了操作的安全性，对油水气三相的测量具有非常的重要意义。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的系统结构示意图；
图2为本发明实施例中的油相含量不同的液相中衰减情况示意图；
图3为本发明实施例中的油相含量变化对衰减系数的影响示意图；
图4为本发明实施例中的气相高度的获取过程图；
图5为本发明实施例中的三相体积的确定过程图；
图6为本发明实施例中的分析流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
如图1-6所示，本实施例中提供了一种基于超声波测量的多相流体含量预测方法，包括以下步骤：
通过自发自收换能器向管道发送超声波并接收反射波，获得反射波的时域数据和幅值数据，对所述时域数据和幅值数据进行计算分析，得到气相和油相的高度数据，通过对所述高度数据进行计算分析，得到三相高度数据，基于所述三相高度数据获取三相分界线数据，通过对不同位置的自发自收换能器所获取的三相分界线数据进行分析结合，得到三相体积的预测数据。
本实施例中的双通道脉冲信号发生器用于控制两个自发自收换能器发射并接收脉冲信号，其中两自发自收换能器分别布置在圆形管道的上下游。两束脉冲信号分别穿过管道壁面进入水相，而后进入油相，并在遇到气相后被反射回来，反射回去的信号被自发自收换能器接收到，并经由信号采集卡采集到上位机软件，通过分析接收信号的时域和幅值信息确定三相的体积含量。基本原理在于：油水两相物性参数十分接近，因此超声在油水两相(统称为液相)的界面并无明显反射现象，但是由于超声在油水两相中的衰减特性不同，因此可以通过回波信号的幅值确定油相的高度；由于油气两相的声阻抗差异较大，超声在穿越油相遇到气相后会在油气界面发生反射，不同的气相高度对应着不同的反射时间，因而可以根据反射信号的时域信息确定气体体积。
实现该测量方法的测量系统主要由自发自收换能器A和B、圆形管道、双通道脉冲信号发生器、信号采集卡及计算机组成，参见图1。
利用两只自发自收换能器分别发射并接收油气水分层流中两不同位置处的超声波，基于超声波在声阻抗差别较大的两个介质截面会发生反射的原理确定气相高度，再基于超声在油相含量不同的油水两相流中衰减系数不同的原理确定油相高度。换能器A和B在两不同位置处分别会获得两组气油和油水相分界点，最终就可以确定气油两相和油水两相的分界面连线，进而预测油气水分层流中三相体积含量。
双通道脉冲信号发生器用于产生强度、周期、占空比可变的脉冲信号，其两个通道分别控制两个自发自收换能器发射一定强度的超声进入直径为D的圆形管道；超声在管道中分别通过油水两相，并在油气界面发生发射，反射回去的信号被自发自收换能器接收到，并经由信号采集卡采集到上位机软件。
实现本实施例的基础原理有两个，一是超声阻抗；
声阻抗定义为介质密度和声速的乘积，差异较大的介质分界面会发生反射。油水两相的声阻抗十分接近如表1所示，其中，表1为本实施例中油气水三相的密度、声速及声阻抗息；
表1
- 密度(kg/m3) 声速(m/s) 声阻抗(103kg/m2.s)
油 860 1424 1224.64
水 998 1496.6 1493.61
空气 1.29 346 0.45
因此超声在油水两相(统称为液相)的界面并无明显反射现象，而油相和气相的声阻抗差异很大，超声在油气两相界面发生反射，反射的比例R可达：
R＝(Zo-Zg)/(Zo+Zg)＝(1224.64-0.45)/(1224.64+0.45)＝99.93％
其中，Z代表声阻抗，下标o，g分别表示油和气。
二是超声在油水两相的衰减不同，由于油相更为粘稠，超声在其中传播的粘滞系数更大，引起的能量损失也更大，对应到声学中，即超声在油相中传播的衰减系数要比在水中大得多，参见图2。这里解释衰减系数：声波在理想介质传播时并不会发生耗散，因为理想介质和声波间没有相互作用。但在实际情况下，不存在理想介质，因而声波在介质中传播时会与介质发生作用，使得声波强度随距离的增加而不断减小，这种现象就叫做声衰减。声衰减用声衰减系数(α)来表征。对于沿着X方向传播的平面波来说，其声压P随油相高度数据x的变化可以用声衰减系数进行表征
P＝P0e-αx
在具体实施例中，首先要探究出衰减系数随油水两相中油相含量变化的关系。超声在油水两相中的传播速度十分接近，因此很难从时域上进行区分，而由于油相更加粘稠，超声在其中传播的阻力要比在水中大的多，因而衰减大得多，这就导致超声在油相含量不同的液相中传播时对应的衰减系数不同。通过实施例探究，确定液相中油相含量变化对衰减系数的影响，参见图3。
本实施例的第二步在于管道中气相高度的确定。气体的体积含量不同，对应的油气界面高度就是不同的，自发自收换能器接收到来自油气界面的反射时间就是不同的，根据反射时间与声速的乘积即可确定液相的高度，进而推出气相高度。具体说明图参见图4。
Figure BDA0004143244880000061
H气＝D-H液
其中，c表示超声在液相中的传播速度，t表示接收到反射信号的时域信息，H液为液相高度，H气为气相高度，D表示圆形管道的直径。
本实施例的第三步在于获取液相中油相的高度。在探究衰减系数随液相中油相含量的变化关系之后，就可以通过发射信号、反射信号及液相高度计算出衰减系数，进而反推出液相中的油相含量百分比。
Figure BDA0004143244880000062
其中，α表示衰减系数，V表示接收到反射信号的幅值，V0为发射信号的幅值。
本实施例的第四步在于三相体积的确定。在前面的步骤分别确定了油气两相的高度后，水相高度可以进而被确定。在圆形管道中，气相和水相的体积可由两对应扇形面积减去三角形面积后，乘以圆形管道的高度确定。油相体积由圆形管道截面积减去气相和水相面积后，再乘以管道长度得到，参见图5。这样，油气水三相在管道中的对应高度均可获得，利用圆形管道扇形求面积定理即可最终确定三相的体积含量。
图6为本实施例具体的分析过程，以更清楚展现本实施例的思路。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于超声波测量的多相流体含量预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过自发自收换能器向管道发送超声波并接收反射波，获得反射波的时域数据和幅值数据，对所述时域数据和幅值数据进行计算分析，得到气相和油相的高度数据，通过对所述高度数据进行计算分析，得到三相高度数据，基于所述三相高度数据获取三相分界线数据，通过对不同位置的自发自收换能器所获取的三相分界线数据进行分析结合，得到三相体积的预测数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波测量的多相流体含量预测方法，其特征在于，
获取气相高度数据的过程包括：获取超声波传播速度数据c，对超声波传播速度数据c和反射波的时域数据t进行分析计算，得到液相高度数据H液：
Figure FDA0004143244870000011
获取管道直径数据D，基于所述液相高度数据H液和所述管道直径数据D获取气相高度数据H气：
H气＝D-H液。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波测量的多相流体含量预测方法，其特征在于，
获取油相高度数据X的过程包括：
获取超声波的声压数据P和发射幅值数据V0，对幅值数据V和发射幅值数据V0进行分析计算得到超声波的衰减系数数据α：
Figure FDA0004143244870000012
基于超声波的衰减系数数据α和声压数据P进行反推，得到油相高度数据X：
P＝P0e-αx。
4.根据权利要求3所述的一种基于超声波测量的多相流体含量预测方法，其特征在于，
通过管道内径数据减去气相和油相的高度数据得到水相高度数据；
其中，气相和油相的高度数据以及所述水相高度数据即为三相高度数据。
5.根据权利要求4所述的一种基于超声波测量的多相流体含量预测方法，其特征在于，
基于所述三相高度数据，得到三相分界线数据，通过连接两个不同位置的自发自收换能器所获取的三相分界线数据，得到两个不同位置之间的三相分布数据。
6.根据权利要求5所述的一种基于超声波测量的多相流体含量预测方法，其特征在于，
获取管道的截面数据，基于扇形面积定理，对所述截面数据和所述三相分布数据进行分析计算，得到三相体积的预测数据。
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