两相流环形空间集总传感系统的制作方法
两相流环形空间集总传感系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种两相流环形空间集总传感系统，用于测量竖直管道自下而上流过的两相流，包括变径绝缘插入体(2)，分布式圆形电导阵列探针(1)，镶嵌在插入体上的相关测速电极(3，4)，变径绝缘插入体自下而上依次为细径段(8)，过渡段(9)及粗径段(10)构成；在细径段(8)内部固定有4个环形的相关测速电极，两个相关测速电极分布在上游，另外两个相关测速电极分布在下游；分布式圆形电导阵列探针(1)由两个或两个以上的局部探针构成，各个局部探针均匀排布在所述竖直管道的同一截面上，均固定在所述竖直管道的管壁内侧。本发明有响应速度快，安装简便，测量较为准确的优点。
【专利说明】两相流环形空间集总传感系统 所属【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种两相流环形空间集总传感系统。
【背景技术】
[0002] 中国油田储集层中多为陆相碎屑岩沉积，其储集层无论是纵向还是横向非均质性 都比国外海相沉积为主的储集层要复杂得多。从新投入开发的油田状况来看，新探明储量 品味降低，低渗、特低渗油田储量所占比重较大。从已开发油田现状看，总体上已进入高含 水、高采出程度阶段，主力老油田大多数已进入或是接近特高含水的开发后期，其油井低渗 低产及高含水生产特性尤为显著。
[0003] 对于井内局部流速及局部浓度分布非均匀流动条件，国外开始采用多个局部流量 及含水率传感器，并分布在流动截面不同位置，通过分布式测量方法获取油水分相流量。然 而，国外油井产出剖面测试技术是以非集流连续测量为主，仪器直径通常较大，仅适用于高 产液自喷井，但在国内大多机械采油井中难以推广使用。国内油井产液剖面测试技术主要 采用集流型涡轮流量计与电容或电导传感器组合测量方法及电导相关流量测量方法，通过 组合仪在油水两相流模拟井动态试验响应特性，建立总流量及分相流量测井解释图版。
[0004] 然而，由于低流速高含水油水相间滑脱效应非常严重，其分散相呈非均匀分布及 随机运动特征，致使目前环形电导式传感器或过流式电容传感器对含水分辨非常有限，远 没有达对低流速稀相含率测量的精度要求，尚需对传感器类型及其电极几何特性进行全新 优化设计，以保证传感器对测量场域内的油泡存在有较高测量分辨率。
[0005] 要了解低产液高含水油井各层生产状况，目前油井动态监测产出剖面测井仪器尚 未达到产出剖面测试精度要求。
【发明内容】
[0006] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种两相流环形空间集总传感系统。本发明 的集总传感系统基于电学敏感原理设计，针对垂直管内两相流非均匀分布及随机运动特 征，旨在利用环形空间内分布式圆形电导阵列探针可实现复杂流动条件下的分相含率（即 分相体积流量与总体积流量之比）测量，利用环形空间内上下游相关测速电极可实现两相 流相关速度测量。本发明的技术方案如下：
[0007] -种两相流环形空间集总传感系统，用于测量坚直管道自下而上流过的两相流， 包括变径绝缘插入体（2)，分布式圆形电导阵列探针（1)，镶嵌在插入体上的相关测速电极 (3,4)，其中，变径绝缘插入体（2)由三段构成，自下而上依次为细径段（8)，过渡段（9)及粗 径段（10)构成；
[0008] 在细径段（8)内部固定有4个环形的相关测速电极，两个相关测速电极分布在上 游，另外两个相关测速电极分布在下游，Ei和E 2分别表示上游和下游激励电极，Mi和M2分 别表示上游和下游测量电极；
[0009] 分布式圆形电导阵列探针（1)由两个或两个以上的局部探针构成，各个局部探针 均匀排布在所述坚直管道的同一截面上，均固定在所述坚直管道的管壁内侧，分别用于各 自所处位置附近流体的分相含率信息检测；
[0010] 每个局部探针包括外部筒状激励电极（11)、内部柱状测量电极（12)及中间绝缘 介质组成，局部探针与管壁接合处采用弧形设计，贴合在管壁上。
[0011] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0012] (1)本发明涉及的两相流集总传感系统基于电学敏感原理设计，具有响应速度快， 安装简便的优点。
[0013] (2)本发明中两相流流体可被导流到变径环形空间，使流体运动速度加快，从而降 低油水相间滑脱效应，提高两相流分相含率的测量精度；另外，变径绝缘插入体镶嵌有上游 和下游环形电导相关测速电极，可实现环形空间内两相流相关速度测量。
[0014] (3)本发明圆形电导探针几何尺寸小，可有效提高其对分散油滴的空间分辨能力， 从而提高低流速稀相含率测试精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是圆形电导阵列探针、相关测速电极、变径绝缘插入体在管道上的三维排布 图
[0016] 图2是图1的二维视图
[0017] 图3是绝缘插入体的三维视图
[0018] 图4是圆形电导探针的三维视图
[0019] 图5是圆形电导探针的正视图及其待优化几何尺寸
[0020] 图6是相关测速电极三维视图
[0021] 图7是ANSYS有限元分析软件中待扫掠剖分流体的源面剖分图
[0022] 图8是圆形电导阵列探针及流体的三维有限元剖分图
[0023] 图9是管内流体的三维映射网格剖分图
[0024] 图10是灵敏度计算中待考察流体截面的三维映射网格剖分图
[0025] 图11是灵敏度计算中待考察流体截面的各单元编号
[0026] 图12是圆形电导探针的灵敏度分布图
[0027] 图13是圆形电导探针结构优化中测量电极直径对有效信息量的影响
[0028] 图14是圆形电导探针结构优化中绝缘层厚度对有效信息量的影响
[0029] 图15是圆形电导探针结构优化中激励电极厚度对有效信息量的影响
[0030] 图16是圆形电导探针及上下游相关测速电极的信号调理及数据采集系统
[0031] 图17的4个图分别是圆形电导阵列各个的探针对相含率的测量响应特性
[0032] 图18是圆形电导阵列探针对相含率的平均测量响应特性
[0033] 图19是相关测速电极的测量响应波形图
[0034] 图20是相关测速电极测量响应的互相关函数波形
[0035] 图中标号说明：
[0036] 1圆形电导探针；2变径绝缘插入体；3下游相关测量电极；4上游相关测量电极； 5固定支架；6固定及引线支架；7有机玻璃管道；8插入体的细径段；9插入体的过渡段；10 插入体的粗径段；11圆形电导探针的激励电极；12圆形电导探针的测量电极；13激励电极 引出的导线；14测量电极引出的导线；15用于计算传感器灵敏度的流体截面；16圆形电导 探针的正对扇形区域
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。本发明包括
[0038] (1)两相流环形空间集总传感系统由变径绝缘插入体，分布式圆形电导阵列探针， 镶嵌在插入体上的相关测速电极构成，如图1所示。绝缘插入体分为三部分，即细径段，过 渡段及粗径段，如图3所示。每个局部探针均由外部筒状激励电极、内部柱状测量电极及中 间绝缘介质组成，如图4所示，其中E表示激励电极，连接20kHz正弦电压激励信号，Μ表示 测量电极，连接信号调理电路。导电电极均由不锈钢材料制成。各局部圆形电导探针在管 道上均匀排布，分别用于各自所处位置附近流体的相含率信息检测。为保障分布式圆形电 导阵列探针不干扰管内流体流动特性，局部探针与管壁接合处采用弧形设计，如图4所示。 相关测速电极如图6所示，Ei和Ε 2分别表示上游和下游激励电极，Mi和Μ2分别表示上游和 下游测量电极。
[0039] (2)两相流局部圆形电导探针采用外部电极激励、内部电极接收的测量模式，可有 效扩大每个局部探针的有效检测区域，同时避免每个局部探针的检测场串扰问题。
[0040] (3)采用基于映射网格剖分的有限元方法，将传感器有效信息量作为优化指标，确 定最优的局部圆形电导探针阵列的几何尺寸，待优化参数包括图5所示的测量电极直径d， 绝缘层厚度h，激励电极厚度t 2。
[0041] 下面结合【专利附图】
【附图说明】该局部圆形电导探针几何优化方法的实施过程：
[0042] 两相流相含率测量的有效性主要依赖于传感器获取流体有效分布信息的能力，这 种能力取决于传感器空间灵敏度分布。在分布式圆形电导阵列探针灵敏场的计算中，首先 建立两相流局部圆形电导探针阵列的有限元模型，并设置各实体的材料属性及单元属性， 包括水相电阻率1000Ω ·πι，油相电阻率1015Ω ·Π1，金属电极电阻率1·724_8Ω ·Π1，单元属 性设置为S0LID231 (即3维20节点电场实体）；然后，将管道内流体的二维截面进行规则剖 分，形成图7所示四边形结构，其中四边形个数为300,采用映射剖分法将轴向长度为10cm 的三维流体剖分规则六面体单元，沿轴向方向剖分单元个数为39 ;随后，采用自由剖分方 式对将其余实体剖分，最终剖分结果如图8所示，其中流体的有限元剖分结构如图9所示； 设置每个局部探针激励电极载荷为直流电流〇. 1mA，测量电极载荷为直流电流-0. 1mA，测 量电极边界电压设置为0V，通过对电场求解，提取纯水情况下激励电极的电压Uw。
[0043] 图9中15指示的位置为圆形电导探针阵列所处截面。图10为提取的该截面的剖 分单元。图11为上述单元的编号示意图，其中编号最小值为320,最大值为11981，且呈等 差数列分布，编号间隔为39,单元个数为300。
[0044] 通过改变图11所示截面中第k个单元的电阻率，即由水相电阻率1000 Ω ·πι改为 油相电阻率1015Ω ·πι，可计算此时激励电极的电压U(k)。由于检测区域内某位置处油相的 出现引起的激励电极上电压的变化可表示为：AU(k) = U(k)_Uw
[0045] 圆形电导阵列探针的单元灵敏度S(k)定义为
【权利要求】
1. 一种两相流环形空间集总传感系统，用于测量坚直管道自下而上流过的两相流，包 括变径绝缘插入体（2)，分布式圆形电导阵列探针（1)，镶嵌在插入体上的相关测速电极 (3,4)，其中，变径绝缘插入体（2)由三段构成，自下而上依次为细径段（8)，过渡段（9)及粗 径段（10)构成； 在细径段（8)内部固定有4个环形的相关测速电极，两个相关测速电极分布在上游，另 外两个相关测速电极分布在下游，Ei和E2分别表示上游和下游激励电极，Mi和M2分别表示 上游和下游测量电极； 分布式圆形电导阵列探针（1)由两个或两个以上的局部探针构成，各个局部探针均匀 排布在所述坚直管道的同一截面上，均固定在所述坚直管道的管壁内侧，分别用于各自所 处位置附近流体的分相含率信息检测； 每个局部探针包括外部筒状激励电极（11)、内部柱状测量电极（12)及中间绝缘介质 组成，局部探针与管壁接合处采用弧形设计，贴合在管壁上。
【文档编号】E21B49/00GK104100260SQ201410322877
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】翟路生, 金宁德, 边鹏, 张梦璘 申请人:天津大学
【专利摘要】本发明涉及一种两相流环形空间集总传感系统，用于测量竖直管道自下而上流过的两相流，包括变径绝缘插入体(2)，分布式圆形电导阵列探针(1)，镶嵌在插入体上的相关测速电极(3，4)，变径绝缘插入体自下而上依次为细径段(8)，过渡段(9)及粗径段(10)构成；在细径段(8)内部固定有4个环形的相关测速电极，两个相关测速电极分布在上游，另外两个相关测速电极分布在下游；分布式圆形电导阵列探针(1)由两个或两个以上的局部探针构成，各个局部探针均匀排布在所述竖直管道的同一截面上，均固定在所述竖直管道的管壁内侧。本发明有响应速度快，安装简便，测量较为准确的优点。
【专利说明】两相流环形空间集总传感系统 所属【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种两相流环形空间集总传感系统。
【背景技术】
[0002] 中国油田储集层中多为陆相碎屑岩沉积，其储集层无论是纵向还是横向非均质性 都比国外海相沉积为主的储集层要复杂得多。从新投入开发的油田状况来看，新探明储量 品味降低，低渗、特低渗油田储量所占比重较大。从已开发油田现状看，总体上已进入高含 水、高采出程度阶段，主力老油田大多数已进入或是接近特高含水的开发后期，其油井低渗 低产及高含水生产特性尤为显著。
[0003] 对于井内局部流速及局部浓度分布非均匀流动条件，国外开始采用多个局部流量 及含水率传感器，并分布在流动截面不同位置，通过分布式测量方法获取油水分相流量。然 而，国外油井产出剖面测试技术是以非集流连续测量为主，仪器直径通常较大，仅适用于高 产液自喷井，但在国内大多机械采油井中难以推广使用。国内油井产液剖面测试技术主要 采用集流型涡轮流量计与电容或电导传感器组合测量方法及电导相关流量测量方法，通过 组合仪在油水两相流模拟井动态试验响应特性，建立总流量及分相流量测井解释图版。
[0004] 然而，由于低流速高含水油水相间滑脱效应非常严重，其分散相呈非均匀分布及 随机运动特征，致使目前环形电导式传感器或过流式电容传感器对含水分辨非常有限，远 没有达对低流速稀相含率测量的精度要求，尚需对传感器类型及其电极几何特性进行全新 优化设计，以保证传感器对测量场域内的油泡存在有较高测量分辨率。
[0005] 要了解低产液高含水油井各层生产状况，目前油井动态监测产出剖面测井仪器尚 未达到产出剖面测试精度要求。
【发明内容】
[0006] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种两相流环形空间集总传感系统。本发明 的集总传感系统基于电学敏感原理设计，针对垂直管内两相流非均匀分布及随机运动特 征，旨在利用环形空间内分布式圆形电导阵列探针可实现复杂流动条件下的分相含率（即 分相体积流量与总体积流量之比）测量，利用环形空间内上下游相关测速电极可实现两相 流相关速度测量。本发明的技术方案如下：
[0007] -种两相流环形空间集总传感系统，用于测量坚直管道自下而上流过的两相流， 包括变径绝缘插入体（2)，分布式圆形电导阵列探针（1)，镶嵌在插入体上的相关测速电极 (3,4)，其中，变径绝缘插入体（2)由三段构成，自下而上依次为细径段（8)，过渡段（9)及粗 径段（10)构成；
[0008] 在细径段（8)内部固定有4个环形的相关测速电极，两个相关测速电极分布在上 游，另外两个相关测速电极分布在下游，Ei和E 2分别表示上游和下游激励电极，Mi和M2分 别表示上游和下游测量电极；
[0009] 分布式圆形电导阵列探针（1)由两个或两个以上的局部探针构成，各个局部探针 均匀排布在所述坚直管道的同一截面上，均固定在所述坚直管道的管壁内侧，分别用于各 自所处位置附近流体的分相含率信息检测；
[0010] 每个局部探针包括外部筒状激励电极（11)、内部柱状测量电极（12)及中间绝缘 介质组成，局部探针与管壁接合处采用弧形设计，贴合在管壁上。
[0011] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0012] (1)本发明涉及的两相流集总传感系统基于电学敏感原理设计，具有响应速度快， 安装简便的优点。
[0013] (2)本发明中两相流流体可被导流到变径环形空间，使流体运动速度加快，从而降 低油水相间滑脱效应，提高两相流分相含率的测量精度；另外，变径绝缘插入体镶嵌有上游 和下游环形电导相关测速电极，可实现环形空间内两相流相关速度测量。
[0014] (3)本发明圆形电导探针几何尺寸小，可有效提高其对分散油滴的空间分辨能力， 从而提高低流速稀相含率测试精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是圆形电导阵列探针、相关测速电极、变径绝缘插入体在管道上的三维排布 图
[0016] 图2是图1的二维视图
[0017] 图3是绝缘插入体的三维视图
[0018] 图4是圆形电导探针的三维视图
[0019] 图5是圆形电导探针的正视图及其待优化几何尺寸
[0020] 图6是相关测速电极三维视图
[0021] 图7是ANSYS有限元分析软件中待扫掠剖分流体的源面剖分图
[0022] 图8是圆形电导阵列探针及流体的三维有限元剖分图
[0023] 图9是管内流体的三维映射网格剖分图
[0024] 图10是灵敏度计算中待考察流体截面的三维映射网格剖分图
[0025] 图11是灵敏度计算中待考察流体截面的各单元编号
[0026] 图12是圆形电导探针的灵敏度分布图
[0027] 图13是圆形电导探针结构优化中测量电极直径对有效信息量的影响
[0028] 图14是圆形电导探针结构优化中绝缘层厚度对有效信息量的影响
[0029] 图15是圆形电导探针结构优化中激励电极厚度对有效信息量的影响
[0030] 图16是圆形电导探针及上下游相关测速电极的信号调理及数据采集系统
[0031] 图17的4个图分别是圆形电导阵列各个的探针对相含率的测量响应特性
[0032] 图18是圆形电导阵列探针对相含率的平均测量响应特性
[0033] 图19是相关测速电极的测量响应波形图
[0034] 图20是相关测速电极测量响应的互相关函数波形
[0035] 图中标号说明：
[0036] 1圆形电导探针；2变径绝缘插入体；3下游相关测量电极；4上游相关测量电极； 5固定支架；6固定及引线支架；7有机玻璃管道；8插入体的细径段；9插入体的过渡段；10 插入体的粗径段；11圆形电导探针的激励电极；12圆形电导探针的测量电极；13激励电极 引出的导线；14测量电极引出的导线；15用于计算传感器灵敏度的流体截面；16圆形电导 探针的正对扇形区域
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。本发明包括
[0038] (1)两相流环形空间集总传感系统由变径绝缘插入体，分布式圆形电导阵列探针， 镶嵌在插入体上的相关测速电极构成，如图1所示。绝缘插入体分为三部分，即细径段，过 渡段及粗径段，如图3所示。每个局部探针均由外部筒状激励电极、内部柱状测量电极及中 间绝缘介质组成，如图4所示，其中E表示激励电极，连接20kHz正弦电压激励信号，Μ表示 测量电极，连接信号调理电路。导电电极均由不锈钢材料制成。各局部圆形电导探针在管 道上均匀排布，分别用于各自所处位置附近流体的相含率信息检测。为保障分布式圆形电 导阵列探针不干扰管内流体流动特性，局部探针与管壁接合处采用弧形设计，如图4所示。 相关测速电极如图6所示，Ei和Ε 2分别表示上游和下游激励电极，Mi和Μ2分别表示上游和 下游测量电极。
[0039] (2)两相流局部圆形电导探针采用外部电极激励、内部电极接收的测量模式，可有 效扩大每个局部探针的有效检测区域，同时避免每个局部探针的检测场串扰问题。
[0040] (3)采用基于映射网格剖分的有限元方法，将传感器有效信息量作为优化指标，确 定最优的局部圆形电导探针阵列的几何尺寸，待优化参数包括图5所示的测量电极直径d， 绝缘层厚度h，激励电极厚度t 2。
[0041] 下面结合【专利附图】
【附图说明】该局部圆形电导探针几何优化方法的实施过程：
[0042] 两相流相含率测量的有效性主要依赖于传感器获取流体有效分布信息的能力，这 种能力取决于传感器空间灵敏度分布。在分布式圆形电导阵列探针灵敏场的计算中，首先 建立两相流局部圆形电导探针阵列的有限元模型，并设置各实体的材料属性及单元属性， 包括水相电阻率1000Ω ·πι，油相电阻率1015Ω ·Π1，金属电极电阻率1·724_8Ω ·Π1，单元属 性设置为S0LID231 (即3维20节点电场实体）；然后，将管道内流体的二维截面进行规则剖 分，形成图7所示四边形结构，其中四边形个数为300,采用映射剖分法将轴向长度为10cm 的三维流体剖分规则六面体单元，沿轴向方向剖分单元个数为39 ;随后，采用自由剖分方 式对将其余实体剖分，最终剖分结果如图8所示，其中流体的有限元剖分结构如图9所示； 设置每个局部探针激励电极载荷为直流电流〇. 1mA，测量电极载荷为直流电流-0. 1mA，测 量电极边界电压设置为0V，通过对电场求解，提取纯水情况下激励电极的电压Uw。
[0043] 图9中15指示的位置为圆形电导探针阵列所处截面。图10为提取的该截面的剖 分单元。图11为上述单元的编号示意图，其中编号最小值为320,最大值为11981，且呈等 差数列分布，编号间隔为39,单元个数为300。
[0044] 通过改变图11所示截面中第k个单元的电阻率，即由水相电阻率1000 Ω ·πι改为 油相电阻率1015Ω ·πι，可计算此时激励电极的电压U(k)。由于检测区域内某位置处油相的 出现引起的激励电极上电压的变化可表示为：AU(k) = U(k)_Uw
[0045] 圆形电导阵列探针的单元灵敏度S(k)定义为
【权利要求】
1. 一种两相流环形空间集总传感系统，用于测量坚直管道自下而上流过的两相流，包 括变径绝缘插入体（2)，分布式圆形电导阵列探针（1)，镶嵌在插入体上的相关测速电极 (3,4)，其中，变径绝缘插入体（2)由三段构成，自下而上依次为细径段（8)，过渡段（9)及粗 径段（10)构成； 在细径段（8)内部固定有4个环形的相关测速电极，两个相关测速电极分布在上游，另 外两个相关测速电极分布在下游，Ei和E2分别表示上游和下游激励电极，Mi和M2分别表示 上游和下游测量电极； 分布式圆形电导阵列探针（1)由两个或两个以上的局部探针构成，各个局部探针均匀 排布在所述坚直管道的同一截面上，均固定在所述坚直管道的管壁内侧，分别用于各自所 处位置附近流体的分相含率信息检测； 每个局部探针包括外部筒状激励电极（11)、内部柱状测量电极（12)及中间绝缘介质 组成，局部探针与管壁接合处采用弧形设计，贴合在管壁上。
【文档编号】E21B49/00GK104100260SQ201410322877
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】翟路生, 金宁德, 边鹏, 张梦璘 申请人:天津大学
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