油气水三相塞状分散流流速测量方法与流程

本发明属于流体测量技术领域，涉及一种超声传感器的测量方法，用于油气水三相塞状分散流流速的无扰动式测量。

技术背景

多相流广泛存在于日常生活与工业生产过程中，例如食品加工，生物工程，化工产业，冶金工业和石油产业等行业，主要表现形式包括两相流、三相流或四相流等。其中，油气水三相流是石油开采和输送环节中最为常见的流动形式。与单相流或两相流相比，三相流的流动状态更为复杂，因此三相流在线过程参数检测一直是科研和工业产业界关注的重点。油气水三相流含水率和流速的测量对油井产量估计、流动状态监测、工况生产安全等方面具有重大意义。然而，油气水三相流因其流动结构复杂，流动状态多变，难以实现流动过程参数的无扰动式测量。

水平管道油气水三相流，根据油、水的相含率可总体分为“油基”和“水基”两种基本流动状态。在这两种基本流动状态下，又根据具体相分布形态进一步细分为不同的流型。当液相流量较高而气相流量较低时，其流动状态呈现为典型塞状分散流。即长气泡和细小气泡聚集在管道顶部，离散的液相以液滴的形式夹杂在连续液相中。目前，针对油气水三相流流速(流量)测量的研究主要以质量流量计和互相关流量计为主。科里奥利流量计在质量流量计中最具有代表性，常用于多相流流量测量，但当流体中含有气相时，由于气体不随管道共同振动，往往导致测量精度受到较大影响；此外，多相流中各相混合不均匀也会影响流量的测量结果。基于不同敏感原理的互相关流量计同样被广泛研究和使用，通常包括超声法、电学法、光学法和射线法等。互相关流量计需要被测流体中出现明显的流动噪声，即明显的瞬时含率或流速的波动，较为平稳的流动状态通常会降低相关计算的成功率；同时，上下游传感器间距与传感器响应频率共同决定了基本的测试误差，且误差随流速变化。因此，在油气水三相塞状分散流这类随机性很强的流体测速时具有一定局限性。

相比以上测量方式，超声多普勒方法具有非侵入、结构简单、原理明确、价格低廉等优势。首先，超声场不会对流体自身的流动状态造成任何干扰。其次，基于连续波的超声多普勒流速测量方法是通过声波在流体中散射体(气泡和液滴)上形成的多普勒效应获取散射体的流动速度，因此其所测速度的物理意义明确，即测量空间内所有散射体的平均真实速度。油气水三相塞状分散流中，离散的气泡、液滴和连续相共同构成了混合流体。因此，根据超声多普勒原理，所测流速就是气泡和离散相液滴的平均真实速度。为避免不同相之间流动速度的滑动现象引入误差，在双流体模型的基础上建立了专门的三相流测量模型；结合相含率测量装置(如超声、射线、电学相含率测量装置)所获取的相含率信息，计算得到三相的真实流速，最终获得油气水三相塞状分散流流分相流速和总表观流速。

技术实现要素：

本发明的目的是在现有技术的基础上，提出一种利用超声多普勒传感器准确测量管道内油气水三相塞状分散流分相流速的方法。本发明的技术方案如下：

一种油气水三相塞状分散流分相流速测量方法，采用的设备包括双压电陶瓷晶片的超声换能器和相含率测量装置，超声换能器的测量空间能够覆盖整个管道截面；相含率测量装置提供各相含率信息；所述超声换能器安装于管道底侧，换能器内部双晶片均被倾斜安装于声耦合材料上，以保证晶片的法线方向与水平流动方向夹角为α；所述双晶片超声换能器用来发射和接收超声波，其中，换能器一侧晶片负责发射超声波，另一侧晶片负责接收超声波，且在上述两晶片之间放置隔音材料以抑制干扰。该测试方法包含如下步骤：

1)利用相含率测量装置得到各相含率信息，其中含水率为hw，含油率ho，含气率hg；

2)根据相含率判断三相塞状分散流的连续相和分散相：计算油水比若r＞2.3，则流型为油基塞状分散流，此时连续相为油，离散液相为水，则连续相密度；若r≤2.3，则流型为水基塞状分散流，此时连续相为水，离散液相为油；

3)通过对超声换能器所获取的接收信号进行解调，得到多普勒频移信号：设功率谱为sd(f)，f为频率组分，则平均多普勒频移计算得到测量空间内所有离散相的平均真实流速f0为发射声波的频率，c为声波在固体声耦合材料中的传播速度，离散相的平均真实流速与每一离散相的真实速度关系为：ug和ud为气相和离散液相的真实流动速度，hd为离散液相的相含率；

4)计算连续相与离散气相之间的曳力fgdrag：对于离散气相，曳力ρc为连续相的密度，uc为连续相的真实流动速度，气相的索特平均直径d为管道内径；cdg为气相的拖曳系数，对于不同流动状态下，连续相和气相间的相对雷诺数μc是连续相动态黏度；

5)计算连续相与离散液相之间的曳力fddrag：对于离散液相，曳力hd为离散液相的相含率，cdd为离散液相的拖曳系数，对于不同流动状态下，连续相和离散液相间的相对雷诺数dd是离散液相的索特平均直径，其计算方法为σ为离散液相与连续向之间界面张力，fc为连续相的穆迪摩擦因子，其取值为ε是管内壁的相对粗糙度，连续相雷诺数

6)计算管壁对连续液相的剪切力

7)当三相流流动状态稳定时，，有其中为三相流在长度l上的压力梯度，将fgdrag，fddrag，dg，cdg，dd，cdd代入式中，并与步骤3)中离散相的平均真实流速的关系式连立关于uc，ug，ud的三元非线性方程组：

8)利用数值迭代类算法求解步骤7)中的方程组，获得uc，ug，ud的最优估计；

9)三相流分相表观流速计算：连续相表观流速：jc＝uchc，hc为连续相的相含率；气相表观流速：jg＝ughg；离散液相表观流速：jd＝udhd；总表观流速j＝jc+jd+jg。

本发明的实质性特点是：利用双晶超声多普勒探头获取测量空间内离散相的平均真实流速，利用相含率测量装置(如超声、射线、电学相含率测量装置)获取三相流的分相含率。通过三相流模型，带入所测得的离散相平均真实流速与三相流分相含率，计算得到三相流分相的真实流速。最终结合三相流的分相含率与分相真实流速，实现分相表观流速的测量。本发明的有益效果及优点如下：

1)该方法为无扰动的测量手段，不会对流体产生任何的扰动；

2)测量方便，速度快，成本低，能够准确地测量管道内三相流的分相流速和总表观流速。

附图说明

以下附图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性附图而非穷举或限制性，其中：

图1本发明的测量方法中超声多普勒传感器示意图；

图2本发明的测量方法中超声多普勒测量空间示意图；

图3本发明的测量方法中双晶超声换能器结构示意图；

图4本发明的测量方法流速计算步骤。

具体实施方式

下面结合说明书附图详细说明本发明的计算方法。

图1本发明的测量方法中超声多普勒传感器示意图；双晶探头1被安装管道2底部。

图2为本发明的测量方法中超声多普勒测量空间示意图；双晶探头被安装管道底部，镶嵌在4管壁中。连续波多普勒测量空间的定义为发射声波和接收声波的声场重叠区域。在管道5区域内部，两部分声场重合区域为阴影区域3，即测量空间。流经此区域流体中离散相的速度信息可以被超声多普勒传感器获取。该空间在管道轴向剖面的投影为三角形，该三角形覆盖整个管道截面。

图3为本发明的测量方法中双晶超声换能器结构示意图。本发明专利所用双晶超声换能器包括一个接收压电陶瓷晶片7a和一个发射压电陶瓷晶片7b，两晶片均倾斜附着在切割成固定几何形状的声耦合材料8a和8b上。在两部分之间，放置隔音材料9以防止声波的互相干扰。晶片7a和7b的倾斜角度需保证晶片所在平面的法线方向与来流方向0的夹角为α。最外侧安装有金属外壳10以保护整体双晶换能器。线路接口11a和11b分别用于传导压电晶片转化的电信号，包括激励信号和接收信号。

图4为本发明的超声多普勒传感器测速方法计算流程图。下面以油气水三相流为例，对本发明的三相流分相流速测量方法进行说明，该方法也可用于如气液固三相流等其他三相流测量中，三相流分相流速测量方法计算步骤如下：

步骤1：利用相含率测量装置(如超声、射线、电学相含率测量装置)测量各相含率信息，其中含水率为hw，含油率ho，含气率hg；

步骤2：根据相含率判断三相塞状分散流的连续相和分散相。

计算油水比若r＞2.3，则流型为油基塞状分散流，此时连续相为油，离散液相为水，则连续相密度；若r≤2.3，则流型为水基塞状分散流，此时连续相为水，离散液相为油。

步骤3：利用多普勒传感器，获取测量空间6内离散相的真实流速。

通过对超声换能器所获取的接收信号进行解调，得到多普勒频移信号，利用傅里叶变换方法计算其功率谱为sd(f)，f为频率组分。因为多普勒频移是超声波经测量空间3中分散的多离散相散射而形成，造成其频谱具有多峰的性质，因此计算其平均频移：

测量空间内所有离散相的平均真实流速u为：

其中，f0为超声发射晶片7b的激励频率，c为声波在固体声耦合材料中的传播速度。

此时离散相的平均真实流速与每一离散相的真实速度关系为：

其中，ug和ud为气相和离散液相的真实流动速度，hd为离散液相的相含率。

步骤4：以双流体模型为基础，在气相、离散液相和连续相分别处于受力平衡的状态的前提下，建立三相流模型，并得到分相流速计算方程组。

1)计算连续相与离散气相之间的曳力fgdrag。

首先计算气相的索特平均直径d为管道内径，uc为连续相的真实流动速度；然后计算气相的拖曳系数其中连续相和气相间的相对雷诺数μc是连续相动态黏度。连续相与离散气相之间的曳力fgdrag可表示为：

其中ρc为连续相的密度。

2)计算连续相与离散气相之间的曳力fddrag。

首先计算离散液相的索特平均直径其中σ为离散液相与连续向之间界面张力，fc为连续相的穆迪摩擦因子，其取值为其中ε是管内壁的相对粗糙度，连续相雷诺数然后计算离散液相的拖曳系数其中连续相和离散液相间的相对雷诺数连续相与离散液相之间的曳力fgdrag可表示为：

其中hd为离散液相的相含率

3)计算管壁对连续相的剪切力τc：

4)以双流体模型为基础，当三相流流动状态稳定时，气相、离散液相和连续相分别处于受力平衡的状态，双流体模型可发展为三相流模型：

其中为三相流在长度l上的压力梯度。

5)将式(4)(5)(6)带入式(7)，整理后与式(3)联立，可得到三相流分相流速计算方程组：

步骤5：利用以信赖域算法，求解式(8)，将uc，ug，ud的初值设置为与u相等，首先计算recg，redg，rec的取值，以确定cdg，cdd和fc的取值，然后求解得到uc，ug，ud。

结合步骤1中得到的三相流相含率，计算分相流速。连续相表观流速：

jc＝uchc(9)

其中hc为连续相的相含率。

气相表观流速：

jg＝ughg(10)

离散液相表观流速：

jd＝udhd(11)

总表观流速：

j＝jc+jd+jg(12)。