一种油气两相流中整体含气率的测定方法与流程

本发明涉及油气两相流测量，特别是涉及一种油气两相流中整体含气率的测定方法。

背景技术：

两相流系统普遍存在于石油、化工、能源和动力等工业过程中。在原油开采过程中，为了制定油气开发时的运输和处理等策略，需考虑油气两相在管道中的流量比情况。并且由于两相流系统的复杂性，上述参数的在线测量十分困难。

油气两相在管道中的流量比，即管道中的整体含气率或者整体含液率，和油气两相流的流型息息相关。而流型与环境的温度、压力、流体物理性质、管道材料和管道尺寸等多种因素密切相关，故流型种类非常复杂。目前测量多相流相含率的方法主要有快关阀门法、射线法、光学测量法和微波法等。这些方法造价不菲，易被污染，受流型干扰严重，且只能测量局部相含率。而在油田的实际开发中，一般只关心某一段时间内的连续若干管道内的整体含气率情况，而不考虑某一时刻的某一段管道内的局部含气率。

在多相流检测领域中，电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)是一种能对管道空间中介质分布进行可视化的新型监测技术。ECT的基本原理是在工业管道周围安置电容传感器阵列，从而测量电容传感器两两电极之间的电容值。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种油气两相流中整体含气率的测定方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种油气两相流中整体含气率的测定方法，包括以下步骤：

S1、针对至少一类工况中的多个不同种工况，用ECT传感器测量在某一段时间内的多个时间点的电容数据，并用气体流量计和油相流量计测量气油两相各自的流量，其中所述一类工况中的多个不同种工况是指油相流量相同而气相流量不同的工况；

S2、对于每个不同种工况，将采集到的电容数据按时间序列展开为一系列尖角波，并获取每种工况的含一个振幅超过预定阈值的尖角波的数据集；

S3、对每种工况的电容数据进行归一化处理；

S4、对每种工况归一化后的电容数据求功率谱密度(Power Spectral Density，PSD)，形成每种工况与相应功率谱密度一对一的映射关系；

S5、提取各功率谱密度中的一个累计特征，形成每种工况与相应累计特征值之间的映射关系；

S6、根据每种工况与累计特征值之间的映射关系，形成反映工况与累计特征值之间对应关系的表格；

S7、实际测量时，利用ECT传感器采集的电容数据确定某种工况下的累计特征值，通过查表，确定该工况下的含气率范围。

进一步地：

还包括以下步骤：

S8、利用所述表格，使用线性拟合的方法确定累计特征值与含气率的拟合曲线，实际测量时，根据拟合曲线确定该工况下的含气率的具体值。

步骤S1中，所述至少一类工况为多个不同类工况，所述不同类工况是指油相流量不同的工况。

步骤S2中，将由ECT传感器的对称电极在每一时间点测得的电容数据的均值作为该时间点的实际电容值。

步骤S3中，按照下式进行归一化处理：

式中：C_n为归一化的电容值，C_m为实际测得的电容值，C_g为管道中充满气相时的静态电容值，C_o为管道中充满油相时的静态电容值。

步骤S1中，根据测量油气两相各自的流量，通过下式计算出每种工况的含气率：

式中：GVF表示含气率，Q_g为气相流量，Q_o为油相流量。

步骤S4中，通过以下式子来确定每种工况与相应功率谱密度一对一的映射关系：

电容信号在一个有限间隔[0,T]内的PSD为：

式中：C(t)和C(t’)分别是在t时刻和t’时刻的电容值，E表示期望值，C^*(t)为C(t)的共轭复数，S(w)为电容信号的PSD。

步骤S5中，所述累计特征值是根据各工况下的功率谱密度最大峰的峰值来确定。

本发明的有益效果：

本发明提供一种油气两相流中整体含气率的测定方法，该方法先对各种工况下的油气实验结果与功率谱密度的累计特征值进行关联，形成一张工况—累计特征值之间的表格。根据这张表格，利用查表和拟合的思想，可快速获取管道中的整体含气率。本发明直接将ECT传感器测得的信号与不同工况下的油气二相流中整体含气率进行关联，可测量多个管道在某一段时间内的整体含气率，是一种同时兼顾准确率和时间累积尺度的测定方法。相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1.通过引入电容信号的PSD图，使得对含气率在时间累积尺度上的判定有了更多的参考和依据。

2.对各种工况下的油气实验结果与PSD累计特征值进行关联，可形成一张工况—累计特征值之间的一张表格。根据这张表格，利用查表的思想，可快速获取管道中的含气率。

附图说明

图1是本发明的测定方法实施例所用的实验装置示意图；

图2是一种ECT传感器示意图；

图3是某一种工况下原始电容表征值时间序列图；

图4是某一种工况下归一化后的电容表征值时间序列图；

图5是某一类工况下的PSD图；

图6是某一类工况下的含气率与累计特征值之间的关联图；

图7是本发明的测定方法实施例的流程图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1至图7，在一种实施例中，一种油气两相流中整体含气率的测定方法，包括以下步骤：

S1、针对至少一类工况中的多个不同种工况，用ECT传感器测量在某一段时间内的多个时间点的电容数据，并用气体流量计和油相流量计测量气油两相各自的流量，其中所述一类工况中的多个不同种工况是指油相流量相同而气相流量不同的工况；

S2、对于每个不同种工况，将采集到的电容数据按时间序列展开为一系列尖角波，并获取每种工况的第一个含振幅超过预定阈值的尖角波的数据集；

S3、对每种工况的电容数据进行归一化处理；

S4、对每种工况归一化后的电容数据求功率谱密度，形成每种工况与相应功率谱密度一对一的映射关系；

S5、提取各功率谱密度中的一个累计特征，形成每种工况与相应累计特征值之间的映射关系；

S6、根据每种工况与累计特征值之间的映射关系，形成反映工况与累计特征值之间对应关系的表格；

S7、实际测量时，利用ECT传感器采集的电容数据确定某种工况下的累计特征值，通过查表，确定该工况下的含气率范围。

在一种具体实施例中，所用的实验装置如图1所示。该实验装置包括空气压缩机101、空气罐102、阀门103、气体流量计104、油罐105、离心油泵106、油相流量计107、油气混合器108、ECT传感器109和分离罐110。其中，ECT传感器109的结构示意图如图2所示。ECT传感器109包括金属电极201、不锈钢管道202和绝缘屏蔽层203。

在实验中，除了记录下ECT传感器109测得的不同时刻下的电容值之外，还记录下104气体流量计和107油相流量计测得气油两相各自的流量，具体检测方法如下。

步骤一：将相同油相流量和相同气相流量下的某一段时间内的一组实验视为同一种工况，将相同油相流量不同气相流量的几组实验视为同一类的不同种工况。将不同油相流量的实验视为不同类的工况。实验过程中先固定油相流量，改变气相流量，分别测量并记录下每一类工况中不同种工况在某一段时间内的油气两相各自的流量和ECT传感器测得的电容值。其中根据油气两相各自的流量计算出每种工况的含气率。

式中：GVF表示含气率，Q_g为气相流量，Q_o为油相流量。

ECT传感器测得的每一帧电容值的数目和传感器本身的电极数目有关：

M＝N·(N-1)/2 (2)

式中：M表示每一帧电容值的数目，N为ECT传感器的电极数目。本实验用到的109ECT传感器是由8个电极组成，故每一帧电容值的数目为28个。

步骤二：从采集的电容值中先计算得到每帧的实际电容数据，接着选取后处理需要的数据。

如图2所示的ECT传感器采集的每一帧电容数据的数目一共有28个，包括相邻电极，“隔一”电极，“隔二”电极和对称电极测得的电容数据。由于气泡在管道中的形状是不规则的，根据电学测量原理，由对称电极测得的电容数据更能直观反映油气二相流的分布情况。故优选将每一帧中由对称电极测得的电容数据的均值作为该帧的实际电容数据。如图2所示的ECT传感器的对称电极数目为4对。

选取后处理数据的具体方法如下：将一种工况下(不妨设为工况a)采集到的电容数据先按时间序列展开，接着寻找第一个含大振幅尖角波(指振幅超过预定阈值)所在的数据集，记此数据集的起点和终点在时间序列中的位置分别为t_1a和t_2a。同理，得到第二个含大振幅尖角波所在数据集的起点和终点的位置分别为t_3a和t_4a。图3是某一种工况下原始电容表征值时间序列图。由于109ECT传感器在实际中测量的是电压信号，为了表意清晰，将电压信号经过简单的变量转换后变为电容表征值来表示电容信号。由图3可得，t₁和t₂分别是第一个含大振幅尖角波的起点和终点，t₃和t₄分别是第二个含大振幅尖角波的起点和终点。

同理，可得各工况下的第一个和第二个大振幅尖角波所在的时间序列位置。定义t_s和t_e分别是选取的电容数据在所有工况下的统一起始点和终点的位置。t_s和t_e分别表示为：

t_s＝min(t_1a，t_1b…t_1g) (3)

t_e＝max(t_3a，t_3b…t_3g) (4)

式中：a,b,…g为各工况。在实验中为了计算方便，可人为的将t_s变为一个小值，t_e变为一个大值。本方案中，取t_s为0和t_e为5000。

根据统一起始点t_s和终点t_e，就可以较方便快速地获取各种工况的第一个含振幅超过预定阈值(即大振幅)的尖角波的数据集。

步骤三：对各工况下的电容数据进行归一化处理。

式中：C_n为归一化的电容值，C_m为每一帧实际电容值，C_g为管道中充满气相时的静态电容值，C_o为管道中充满油相时的静态电容值。图4是在图3工况下归一化后的电容表征值时间序列图。

步骤四：对归一化后的电容数据求功率谱密度(Power Spectral Density，PSD)。由于每种工况条件不同，对应的功率谱密度也存在差异，这就形成了一对一的映射关系。图5是某一类工况下的PSD图。由于实验条件限制，无法得知油气二相流在管道中运动时的真实频率范围。故采用一个“假想频率”范围来代替真实频率范围，从而得到频率和PSD的变化关系。这里的“假想频率”即为图5横坐标的频率表征值，优选的频率表征值范围为0-255Hz。

电容信号在一个有限间隔[0,T]内的PSD可表示为：

式中：C(t)和C(t’)分别是在t时刻和t’时刻的电容值，E表示期望值，C^*(t)为C(t)的共轭复数，S(w)为电容信号的PSD。

步骤五：为了简化工况—PSD图的映射关系，提取PSD图中的一个累计特征，形成工况—累计特征值之间的映射关系。图6是图5工况下的含气率与累计特征值之间的关联图。其中图6的累计特征值是利用图5中的各工况下的最大峰的峰值来表示。因为实验条件的限制，本方法提供的含气率的测量范围限定在30-80％之间，但如果实验条件允许的话，可将含气率的测量范围提高到0-100％。

步骤六：根据工况—累计特征值之间的关联，最终形成一张工况—累计特征值之间的一张表格。

步骤七：实际测量时，利用ECT传感器采集的电容数据确定某种工况下的累计特征值，通过查表，就可以确定该工况下的含气率范围。

进一步地，还可以利用线性拟合的方法给出该工况下的参考含气率的具体值。拟合效果可由图6看出。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。