一种两相流分层界面几何形状测量方法与流程

本发明涉及一种用于两相流分层界面形态测量的平行线阵列传感系统

背景技术：

随着油井的长期开发，我国路上油田大多已经进入低产液阶段。产液剖面测井技术是水平井开采的重要配套环节，准确地对产液剖面资料进行解释是对油田产出能量评价的前提，也是优化开采方案，对油井进行压裂与堵水作业的重要指导资料。然而，在低产液产出条件下，水平井内出现特有的油水两相流非均匀分层流动结构，给水平井产出剖面测井资料解释带来极大困难和挑战。

考虑通过建立流体物理运动模型实现两相流流动参数预测，成为复杂两相流动态过程监测的一条重要途径。一维标准双流体模型是进行流体分层流动参数预测的有效物理模型。为提高模型预测的准确度，有学者提出了修正的双流体模型，模型修正主要有两大方向：(1)剪切应力的修正；(2)两相界面运动形态的修正。其中，两相界面运动形态也是剪切应力计算过程中的关键因素。分层流是水平油水两相流中最常见的流型，由于水平油水两相流相间界面往往同时具有径向弯曲和轴向波动两种特征，准确测量水平油水分层流界面形态，然后对标准双流体模型进行修正，对提高模型预测准确度有重要意义。因此，对水平油水分层流界面形状的准确测量成为油水两相流流动模型研究中的关键问题。

目前，尚未见有效的两相流分层流动界面形态测量方法。edomwonyi-out和angeli曾试图利用双环形电导传感器测量管壁处油水分层高度，同时利用平行线传感器测量管道中心处水层高度，从而实现油水分层界面形态的组合测量(pressuredropandholduppredictionsinhorizontaloil-waterflowsforcurvedandwavyinterfaces,chemicalengineeringresearchanddesign,2015,93:55-65)。然而，由于两种传感器分别位于管道的两个不同径向截面，同时油水分层界面在轴向上存在波动，利用两种传感器的测量响应来估计油水分层界面形态误差较大；另外，双环形电导传感器的敏感区域不仅局限于管壁附近，管道内油水两相运动也会引起双环形电导传感器的响应波动，从而造成无法预测的测量误差。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种用于两相流分层界面形态测量的阵列传感系统，本发明中，安装在同一管道径向截面的多个平行线传感器构成阵列结构，用于测量同一管道截面不同位置处两相流分层界面的高度，最终实现两相流复杂分层界面形态的动态监测。技术方案如下：

一种两相流分层界面几何形状测量方法，用于测量具有电导率差异的两相流的分层界面形态，所采用的传感器系统包括水平测量管道、固定件和平行线阵列传感器，其特征在于，固定件与水平测量管道固定连接，平行线阵列传感器包括两组平行线电极，一组分布在上游的同一个管道横截面上，均作为激励电极，另一组分布在下游的同一个管道横截面上，均作为接收电极，位置相对的激励电极和接收电极构成一对线电极，各个电极固定在固定件上并穿过水平测量管道，测量方法包括下列步骤：

(1)在平行线阵列传感器不破坏油水分层界面形态的前提下，确定该平行线阵列传感器的几何尺寸；

(2)当管道内存在油水分层界面时，每次选通一对线电极，生成正弦电压信号vi，vi经过参考电阻rref加载到激励电极上，设激励信号为vex，接收电极与参考地连接；参考电阻rref两端、激励电极与接收电极之间的电压进行差分放大后，输入信号调理模块，信号调理模块分别向数据采集模块输出参考电压vref和测量信号vm；先后完成各个线电极对的测量，可采集到一帧测量数据；

(3)利用静置在水平测量管道内的分层气水两相分布对平行线阵列传感器的测量响应进行标定，方法如下：

计算气水两相分层条件下第i对平行线电极测量电导值ge(i)；每对平行线电极所在位置处的水层高度已知，可得第i对平行线电极测量电导值ge(i)与电极所在位置处两相分层界面高度h(i)的标定关系式；利用所测得的某一帧数据，计算第i对平行线电极测量的其所在位置处的油水电导率；得到管道内径向截面第i对平行线电极位置处的油水分层界面高度；根据各对平行线电极位置处油水分层界面高度，获得两相流分层界面几何形状。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明中涉及的平行线阵列传感器由安装在同一管道径向截面的平行导电细线构成，可测量同一管道径向截面上两相流的分层界面形态，测量结果不受分层界面轴向波动的影响。

(2)该平行线阵列传感器采用侵入式电极结构，可获得局部分层界面的高分辨、高灵敏度测量。同时，通过优选平行线阵列传感器的电极尺寸，可有效避免传感器对两相流流动结构的扰动。

(3)平行线阵列传感器的测量系统对各平行导线循环激励，可使每对平行导线仅对所处位置的水层高度有响应，不受其他位置处分层界面高度变化的影响。

(4)平行线阵列传感器的各平行导线采用快速循环激励模式，可保证两相流分层界面形态的实时动态成像。

附图说明

图1是本发明涉及的安装在水平管道上的平行线阵列传感器三维结构图

图2是平行线阵列传感器的二维结构图：(a)平行线阵列传感器的主视图；(b)平行线阵列传感器的a-a’剖面视图

图3是本发明涉及的平行线阵列传感器的测量系统示意图

图4是两种不同油水流动条件下的测量信号图：(a)水相表观速度usw＝0.45m/s，油相表观速度uso＝0.3m/s；(b)usw＝0.45m/s，uso＝0.432m/s

图5usw＝0.45m/s，uso＝0.432m/s时测得的油水分层界面形态结果：(a)利用第50帧数据获得的油水分层界面；(b)利用第88帧数据获得的油水分层界面；(c)利用第125帧数据获得的油水分层界面；(d)利用采样时间内所有帧数据获得的平均油水分层界面

图6当uso＝0.15m/s时，随水相流量的增加，平行线阵列传感器测得的油水分层界面形态变化图：(a)usw＝0.052m/s；(b)usw＝0.166m/s；(c)usw＝0.563m/s；(d)usw＝0.62m/s

图7当uso＝0.15m/s时，随水相流量的增加，利用高速摄像机拍摄的油水分层界面形态变化图：(a)usw＝0.052m/s；(b)usw＝0.166m/s；(c)usw＝0.563m/s；(d)usw＝0.62m/s

图中标号说明：

1有机玻璃管；2平行线阵列传感器电极；3法兰；4平行线阵列传感器的激励电极；5平行线阵列传感器的接收电极；6电极固定件；7平行线阵列传感器电极的接线端子

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本发明的平行线阵列传感器，用于测量具有电导率差异的两相流的分层界面形态，其结构见图1和图2。该平行线阵列传感器由多对平行线金属电极构成，以8对平行线电极为例，其中e1、e2、e3、e4、e5、e6、e7和e8为传感器的激励电极，r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7和r8为传感器的接收电极。各电极按图2所示位置安装在有机玻璃制成的固定件上(见标号6)，激励电极安装在上游，接收电极安装在下游。电极固定件两端和圆形的有机玻璃管道连接。各线电极的直径表示为d，上(下)游线电极之间的中心距表示为g，上游和下游线电极之间的距离表示为s。

测量系统采用循环激励测量模式：当t1时刻，激励电极e1与正弦电压激励信号vex连接，其余激励电极悬空，接收电极r1与参考地连接；激励电极e1与接收电极r1之间的电压降vm1可反映两个电极之间的分层界面高度h1。当t2时刻，激励电极e2与正弦电压激励信号连接，其余激励电极悬空，接收电极r2与参考地连接；激励电极e2与接收电极r2之间的电压降vm2可反映两个电极之间的分层界面高度h2。依次循环，采用同样的激励和接收方式，当t8时刻，激励电极e8与接收电极r8之间的电压降vm8可反映两个电极之间的分层界面高度h8。

(3)利用静置在圆形管道内的分层气液两相分布对平行线阵列传感器的测量响应进行标定。测量径向界面不同位置处激励电极和接收电极间的电压降vm1，vm2，vm3，vm4，vm5，vm6，vm7和vm8(以8对平行线电极为例)；同时，记录气液分层界面不同位置处的高度h1，h2，h3，h4，h5，h6，h7和h8；对标定实验数据拟合分析确定两者之间的相关关系。

(4)通过优选上游激励电极与下游接收电极的间距，避免两相流分层界面在管道轴向上的波动对界面高度测量结果的影响。

下面结合附图说明该用于两相流分层界面形态测量的平行线阵列传感器的实施过程：

(1)在油水两相流流动管道直径d为20mm的条件下，按图1和图2安装平行线阵列传感器。该平行线阵列传感器由8对平行线电极构成，电极材料为不锈钢丝。利用计算流体力学fluent软件模拟了油水两相流经过平行线阵列传感器的流动形态，在平行线阵列传感器不破坏油水分层界面形态的前提下，确定该平行线阵列传感器的几何尺寸为：线电极的直径d＝0.1mm，上(下)游线电极之间的中心距g＝2mm，上游和下游线电极之间的距离s＝1mm。

(2)设计图3所示的平行线阵列传感器的测量系统。控制器(单片机avrmega16)控制直接数字信号发生器(ddsad9831)产生正弦电压信号vi，vi经过参考电阻rref与模拟开关相连，参考电阻rref与模拟开关连接端正弦电压信号为激励信号vex，激励信号频率为20khz。上游激励线电极e1、e2、e3、e4、e5、e6、e7、e8可通过模拟开关k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8与正弦电压激励信号vex连接，下游接收线电极r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8可通过模拟开关k1’、k2’、k3’、k4’、k5’、k6’、k7’、k8’与参考地连接。模拟开关阵列选用芯片mt8816。控制器控制所有模拟开关的导通或断开。控制器同时输出标记信号vl。参考电阻rref两端、激励电极与接收电极之间的电压进行差分放大后，输入信号调理模块，信号调理模块分别输出参考电压vref和测量信号vm。vl，vref和vm分别与数据采集模块(nipxi6221)的第0通道(ch0)，第1通道(ch1)和第2通道(ch2)连接。

(3)当管道内存在油水分层界面时，平行线阵列传感器测量系统的工作过程可分为以下步骤：

第一步：运行数据采集模块，采集ch0，ch1和ch2三个通道的电压信号，即vl，vref和vm。

第二步：控制器控制所有模拟开关断开。

第三步：控制器控制模拟开关k1和k1’闭合。此时，激励电极e1与激励信号vex连接，接收电极r1与参考地连接；对参考电阻rref两端、激励电极e1与接收电极r1之间的电压进行差分放大后，输入信号调理模块，信号调理模块分别输出参考电压vref1和测量信号vm1。同时，控制器输出高电平标记信号。

第四步：经过时间后，控制器输出低电平标记信号。

第五步：再经过时间后，控制器控制模拟开关k1和k1’断开，k2和k2’闭合。此时，激励电极e2与激励信号vex连接，接收电极r2与参考地连接；对参考电阻rref两端、激励电极e2与接收电极r2之间的电压进行差分放大后，输入信号调理模块，信号调理模块分别输出参考电压vref2和测量信号vm2。同时，控制器输出高电平标记信号。

第六步：依次对平行线阵列传感器的其他6个激励电极进行激励，测量系统依次输出对应的测量信号vm，vref以及标记信号vl。先后完成8个激励电极激励后，可采集到一帧测量数据。

第七步：返回第二步，循环往复。其间数据采集模块一直处于工作状态。当数据采集时间达到30秒时，数据采集模块停止工作，并关闭测量系统。

图4给出两种不同油水流动条件下的测量信号图，a图中水相表观速度usw＝0.45m/s，油相表观速度uso＝0.3m/s；b图中usw＝0.45m/s，uso＝0.432m/s。图4中实线所示方波信号为控制器产生的标记信号vl，虚线为测量信号vm，点划线为参考信号vref。

(4)利用静置在圆形管道内的分层气水两相分布对平行线阵列传感器的测量响应进行标定。首先，利用公式(1)计算气水两相分层条件下第i对平行线电极测量电导值ge(i)：

其中和分别为管道内充满导电水时第i对平行线电极的参考信号和测量信号；和分别为管道内水气呈分层状态时第i对平行线电极的参考信号和测量信号。

由于标定过程中，每对平行线电极所在位置处的水层高度已知，则可得第i对平行线电极测量电导值ge(i)与电极所在位置处两相分层界面高度h(i)的标定关系式：

h(i)＝aige(i)+bi,i＝1,2,3,…8(2)

其中ai和bi为标定系数。

(5)利用油水两相流实验中测得的某一帧数据，按公式(3)计算第i对平行线电极测量的其所在位置处的油水电导率ge(i)

其中和分别为管道内充满导电水时第i对平行线电极的参考信号和测量信号；和分别为管道内油水呈分层流动状态时第i对平行线电极的参考信号和测量信号。

(6)将每对平行线电极测量的油水电导率带入公式(2)，可得到管道内径向截面8个不同位置处的油水分层界面高度。图5给出usw＝0.45m/s，uso＝0.432m/s时测得的油水分层界面形态结果：(a)利用第50帧数据获得的油水分层界面；(b)利用第88帧数据获得的油水分层界面；(c)利用第125帧数据获得的油水分层界面；(d)利用采样时间内所有帧数据获得的平均油水分层界面。

实验验证与结果：

图6给出当uso＝0.15m/s时，随水相流量的增加，平行线阵列传感器测得的油水分层界面形态变化图，其中(a)usw＝0.052m/s；(b)usw＝0.166m/s；(c)usw＝0.563m/s；(d)usw＝0.62m/s。可以看出，油水分层界面呈现凹面形态，且随水相流量的增加，油水分层界面呈现升高区域。平行线阵列传感器的测量结果与图7所示的高速摄像机拍摄的油水分层界面形态一致。值得指出的是，与高速摄像机记录的油水分层图像对比而言，平行线阵列传感器的测量结果可有效指示管道内部的油水界面形态，优势明显。