一种用于油气水三相流液膜电导率测量的电导传感器

1.本发明涉及一种油气水三相流液膜分散相电导率测量的传感器，此种传感器可用于实现注水开发油田中混合流体液膜范围内的油气水三相流混合液相持率的测量。


背景技术：

2.由于储层供液能力差油井内流压普遍偏低，导致油层近井地带原油脱气。随着油气田开采进入中晚期阶段，中国陆上油气储集层内油气水分布将发生很大变化。另一方面，油井在油藏中构造高点或断层附近也会出现产气现象，这些因素无疑造成油井内油气水三相流流动现象。为了解油井生产动态特性及优化油藏管理，需要实时动态监测油井持水率参数。目前，电导法是获取持水率的常规测量手段。对于低油量垂直上升油气水三相流，分散油相通常以小油滴的形式均匀存在于连续水相中，与连续水相形成近似乳化液的油水混合液。垂直上升油气水三相流通常视为由气相和油水混合液构成的混合流体，流型划分与气液两相流相同。准确测量油水混合液中持油率，是实现油气水三相流持率测量的必要参数之一，监测液膜中电导率变化对提高油气水三相流分相持率测量精度具有重要实际意义。
3.电导法以其响应速度快，性能稳定及易于实现等优点而被广泛应用于多相流的持率测量中。中国专利cn 2015103172555给出了一种八电极旋转电场式电导传感器持气率测量方法。但此种传感器在测量过程中依赖混合液体呈均匀分布，无法聚焦于获取液膜中分散相的电导率，导致测量结果产生严重偏差。且该发明专利只针对气液两相流的测量，无法实现对于油气水三相流的持气率测量。目前来看，基于电导法的油气水三相流液膜分散相电导率测量传感器很少。本发明提出一种新的基于电导法的油气水三相流持率测量传感器。通过在管道边壁安装油水混合液电导率传感器获取油和水混合液的电导率，定义归一化电导率并建立持气率模型，实现油气水三相流分散相持率测量。


技术实现要素：

4.本发明根据maxwell方程组设计一种分布式同轴双环形电导传感器，实现混合流体液膜范围内的油气水三相流混合液相持油率的测量。基于对气液两相流中气相分布特性的研究，分散气相极少出现在混合流体液膜范围内。因此，本发明设计一种分布式同轴双环形电导传感器，通过分布在管壁附近的灵敏场实现油水混合液电导率的测量。技术方案如下：
5.一种用于油气水三相流液膜电导率测量的电导传感器，所述的电导传感器布置在测量管道内管壁，其特征在于，所述的电导传感器被称之为分布式同轴双环形电导传感器，包含分布在同一个管道截面上的多个同轴双环形电导传感器，每个同轴双环形电导传感器为同心三电极结构，包括位于截面中心的圆形接收电极a1，环形激励电极a和环形接收电极a2；环形激励电极a为信号激励电极，圆形接收电极a1和环形接收电极a2为信号接收电极；每个同轴双环形电导传感器与流体接触的测量面为弧面，其曲率与测量管道内管壁相同，
确保同轴双环形电导传感器测量面光滑内嵌在管道内壁上，用于捕获管壁处的无气相干扰的液相区域的液相混合电导率信息。
6.进一步地，在环形激励电极a和电极圆形接收电极a1之间以及环形激励电极a和环形接收电极a2之间均设置有屏蔽层。
7.进一步地，所述的分布式同轴双环形电导传感器，包含均匀分布在同一个管道截面上的四个同轴双环形电导传感器。
8.进一步地，测量管道内径d＝20mm，所述的分布式同轴双环形电导传感器的优化尺寸为：圆形接收电极a1的半径r1为1mm，环形激励电极a的厚度r2为1mm，环形接收电极 a2的厚度r3为1mm；设定圆形接收电极a1与环形激励电极a之间的间距l1为1mm，环形激励电极a与环形接收电极a2之间的间距l2为1mm。
9.本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：
10.(1)本发明的用于油气水三相流液膜电导率测量的电导传感器，经过尺寸优化，再辅以经过特定设计的测量电路后可实现油气水三相流混合液相持率的测量，具有精度高，易于实现，响应速度快，性能稳定，无放射性等一系列优点。
11.(2)本发明的用于油气水三相流液膜电导率测量的电导传感器安装于管道边壁处，并采用具有较小探测深度的内电极进行测量，可获得不受气相影响的油水混合液电导率。采用四个同轴双环形电导传感器进行分布式测量并做平均，可获得较为准确的油水混合液电导率信息。
12.(3)本发明设计的传感器适用于油水、油气水多相流动状态，其分散相电导率测量输出响应不受上述多相流流型、分相体积浓度及分相表观流速等流动参数影响。
附图说明
13.图1是分布式同轴双环形电导传感器安装在管道上的整体结构图。
14.图2是分布式同轴双环形电导传感器结构图。
15.图3(a)是传感器安装在管道上的俯视图，图3(b)是分布式同轴双环形电导传感器的电极详细结构图。
16.图4是整个分布式同轴双环形电导传感器测量系统。
17.图5是采用了本发明的传感器的油气水三相流动态测量装置示意图。
18.图6是分布式同轴双环形电导传感器在油气水三相泡状流中波动信号图。
19.图7是四个电极对在泡状流和全水条件下的输出信号图。
20.图8是不同工况下油水混合液中的持油率图。
21.图9是旋转电场式电导传感器测量信号图。
22.图10是垂直上升油气水三相流持油率图。
23.图11是快关阀法和分布式同轴双环形电导传感器测量的持油率对比图。
24.附图标号说明
25.1、测量管道；2、分布式同轴双环形电导传感器；3、环形激励电极a；4、圆形接收电极a1；5、环形接收电极a2；6、管道壁面；7、油水混合液膜；8、环形激励电极a与圆形接收电极a1和环形接收电极a2之间的绝缘层；9、反相放大器；10、解调模块；11、分布式同轴双环形电导传感器；12、旋转电场式电导传感器；13、上下游快关阀。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
27.本实施例的特点在于通过采用内层环形电极作为激励电极的方式，减小传感器沿管径方向的有效探测深度，同时扩大传感器沿管道周向的探测范围，从而可以实现对垂直上升油气水三相流油水混合液相电导率的测量。
28.下面结合附图说明本发明的用于油气水三相流液膜电导率测量的电导传感器。
29.本发明的用于油气水三相流液膜电导率测量的电导传感器，被称之为分布式同轴双环形电导传感器，采用了本发明的电导传感器的整体测量装置由分布式同轴双环形电导传感器、旋转电场式电导传感器和上下游快关阀组成。为了更好地说明本发明的电导传感器的工作原理，本实施例对整个测量装置进行介绍。
30.测量装置结构如图5所示，包括分布式同轴双环形电导传感器11，旋转电场式电导传感器12以及上下游快关阀13。本实施例的分布式同轴双环形电导传感器11包括四个单元，每个单位可以被称之为一个同轴双环形电导传感器，四个同轴双环形电导传感器光滑内嵌在同一管截面的内壁上，其之间的夹角θ1＝90
°
。旋转电场式电导传感器的电极张角θ＝22.5
°
，电极轴向高度h＝4mm，电极径向厚度t＝1mm。单个同轴双环形电导传感器如图2～图4所示，包括3为环形激励电极a，4为圆形接收电极a1，5为环形接收电极a2， 8为环形激励电极a与圆形接收电极a1和环形接收电极a2之间的绝缘层。三个电极以同心的结构形式光滑内嵌在内径d＝20mm管道内壁。本发明设定位于截面中心的圆形接收电极a1半径为r1，环形激励电极a的厚度为r2，环形接收电极a2的厚度为r3。同时，圆形接收电极a1与环形激励电极a之间的间距为l1，环形激励电极a与环形接收电极a2之间的间距为l2。实验过程中激励电极与激励频率为20khz的激励源连接。
31.(2)本发明采用有限元方法对电极结构尺寸进行优化。需要优化的参数有：圆形接收电极a1的半径r1，环形激励电极a的厚度r2，环形接收电极a2的厚度r3，圆形接收电极 a1与环形激励电极a之间的间距l1，环形激励电极a与环形接收电极a2之间的间距l2。由于分布式同轴双环形电导传感器是用于测量液膜中混合流体的持油率，因此电极对的测量范围(即电场灵敏区范围)是该传感器的设计重点。本发明选用多物理场建模与仿真软件 comsol对电极对的结构尺寸进行优化设计。在有限元仿真软件中设定水的相对电阻率为ρw＝1000ωm。选取每一组电极对其中环形激励电极a作为激励电极，定义其为5v的恒压激励源，选取另外圆形接收电极a1和环形接收电极a2作为接收电极，定义其电势为0v。电极和流体以外的区域设置为绝缘，由电流守恒对流体和传感器的电场进行仿真。
32.通过仿真得到管道径向截面的电势分布(v)和电场强度分布(v/m)，从而对传感器电极尺寸进行优化。采用单因素轮换方法进行优化设计，即只变化其中一个因素，其余固定，然后进行逐步搭配实验比较，获得最优的搭配方案。经有限元仿真对比，最终确定：设定圆形接收电极a1的半径r1为1mm，环形激励电极a的厚度r2为1mm，环形接收电极a2的厚度r3为1mm。同时，设定圆形接收电极a1与环形激励电极a之间的间距l1为1mm，环形激励电极a与环形接收电极a2之间的间距l2为1mm。此时传感器的灵敏场沿管道周向范围尽量大，能够准确反映持率信息，不受气塞或变形大气泡的影响，均匀性误差最小。
33.(3)设油气水三相流体流经传感器测量区域时，设分布式同轴双环形电导传感器某一组电极信号输出为vm，单相水流经传感器测量区域时，分布式同轴双环形电导传感器
某一组电极信号输出为vw。可以得出某一组电极的归一化电导率的表达式为：
[0034][0035]
分布式同轴双环形电导传感器能够实现垂直上升油气水三相流混合流体液膜区电导率的测量，且混合流体靠近管壁部分的连续液相可以视为混合均匀的油水混合液。因此，可以通过maxwell公式得到油气水三相流中油水混合液的局部持水率油水混合液电导率σm和水相电导率σw之间的关系：
[0036][0037]
联立公式(1)和(2)，可得到分布式同轴双环形电导传感器某一组电极测量的油气水三相流液膜区域的局部持水率和液膜区域局部持油率的计算公式：
[0038][0039][0040]
设油气水三相流中持水率为yw，持油率为yo，持气率为yg。对于垂直上升油气水三相流，复杂的相间相互作用使混合流体分散相的分布具有非对称性和非均匀性。因此，为了保证传感器测量值能够反映混合流体平均持率参数，定义垂直上升油气水三相流中的油水混合液中的持油率为油水混合液中的持水率为
[0041][0042][0043]
通过分布式同轴双环形电导传感器可以测得油水混合液中的持油率为：
[0044][0045]
其中，和分别为分布式同轴双环形电导传感器a组环形接收电极，b 组环形接收电极，c组环形接收电极和d组环形接收电极所测的油水混合液局部持油率。
[0046]
在油气水三相流中旋转电场式电导传感器根据maxwell公式可以测量得出油气水三相流中的持水率yw。对于垂直上升油气水三相流，持水率yw，持气率yg和油水混合液中的持油率的关系可以表示为：
[0047][0048]
在公式(8)中，持水率yw可由旋转电场式电导传感器测量得到，油水混合液持油率可以由分布式同轴双环形电导传感器测量得到。因此，根据持气率yg可以表示为：
[0049][0050]
在已知持水率yw和持气率yg后，油气水三相流中的持油率yo可以通过公式(10)计算得到：
[0051]yo
＝1-y
w-ygꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0052]
综上所述，即可通过采用了分布式同轴双环形电导传感器的测量系统计算出油气水三相流中的持气率yg，持水率yw和持油率yo。
[0053]
(4)实验验证与结果：
[0054]
图6为分布式同轴双环形电导传感器四个圆形接收电极在垂直上升油气水泡状流两种工况下的直流电压输出响应。横坐标表示时间，纵坐标表示电极输出电压。图中虚线对应含油率fo为0.05时的输出信号，其中实线对应含油率fo为0.2时的输出信号。对于泡状流，传感器输出信号波动频率较高，幅值变化较小。在传感器测量敏感区范围内，连续水相中的小油泡引起测量信号的波动，偶尔有气泡(gas bubble)进入传感器测量区，引发信号较大幅度的波动(如图6中a所示)。由图可知，传感器输出电压值随着含油率从0.05增加到 0.2而降低。这说明油气水三相流中油水混合液电导率随着含油率的增加而降低。当气相表观流速增加，传感器输出电压没有明显变化，这说明含气率的增加没有影响传感器的测量特性，传感器输出信号能够较好的反映油水混合液相的电导率。
[0055]
图7为分布式同轴双环形电导传感器分别在泡状流工况下和全水工况下的四组八路输出信号。由图4的传感器测量系统图可知，分布式同轴双环形电导传感器的每一组电极对应两个输出信号。并根据归一化电导率的定义，计算每一组电极测量得到的平均归一化电导率值(和)。图中黑色实线表示圆形接收电极(a1，b1，c1和d1)的测量信号，图中细虚线表示环形接收电极(a2，b2，c2和d2)的测量信号，图中粗虚线为对应电极在全水工况下的输出信号。圆形接收电极(a1，b1，c1和d1)和环形接收电极(a2， b2，c2和d2)输出信号的波动情况相似，都能够很好的反映油水混合液的流动特点。四组电极对的测量值具有一致性，但由于混合流体复杂的相间相互作用，导致油水混合液中油相分布仍然具有一定的非均匀性。因此，通过分布式同轴双环形电导传感器同时测量管道周向不同位置上油水混合液的局部持油率，对表征油水混合液平均持率信息具有重要意义。
[0056]
图8为不同工况下油气水三相流中油水混合液的持油率图。横坐标表示液相表观流速 u
sl
，纵坐标表示油水混合液持油率每一种图例表示一种含油率。图中从下到上分别表示气相表观流速u
sg
从0.055m/s增加到0.092m/s时，不同液相表观流速和含油率下，油水混合液持油率的图版。在总流速一定的情况下(u
sg
和u
sl
一定)，随着含油率的增加，油水混合液持油率呈现台阶性变化。但含油率越高，台阶性变化越不明显。这是由于含油率的增加导致油水两相滑脱现象严重，持油率与含油率值差距越大。对于低含油油气水三相流，通常将油水混合液认为是混合均匀的连续液相，油水混合液持油率主要反映含油率的变化。由图可知，传感器测量得到的油水混合液持油率能够较好的反映含油率的变化。
[0057]
图9为旋转电场式电导传感器在泡状流不同工况下的信号波动图，一共分为4路信号。当液相表观流速u
sl
为1.176m/s，气相流速u
sg
为0.055m/s，含油率fo为0.05时，油相以小油滴的形式较为均匀的分布在水相中，气相被连续液相击碎为尺寸较小的气泡，随机分布在连续液相中。对应电导传感器输出信号为较高频率的随机波动信号，当气泡流过传感器测量区域，传感器输出电压跳变为低电平。当含油率fo增加到0.15，低电压持续时间增加，信号波动频率有所降低。这说明，在油相的介入下，小气泡更容易聚并成较大的气泡。当气相表观流速增加到0.083m/s，信号波动幅度变大且低电平持续时间增加。这说明，当气相表
观流速增加，分散气相以较大气泡的形式在连续液相中向上流动。
[0058]
根据分布式同轴双环形电导传感器持油率计算公式(10)，以含油率fo＝0.1为例，绘制如图10所示的垂直上升油气水三相流持油率图。横坐标u
sl
表示液相表观流速，纵坐标yo表示持油率，每一个线型表示一个气相表观流速u
sg
。由图可知，当气相表观流速一定时，持油率随三相流液相表观流速u
sl
的增加而增加。当液相表观流速u
sw
一定时，持油率随气相表观流速的增加而减小。可以看出，分布式同轴双环形电导传感器能够较为准确的反映垂直上升油气水三相流持油率随入口分相流速配比的变化。
[0059]
图11为通过快关阀法和分布式同轴双环形电导传感器组合测量法测量得到的持油率结果对比图。横坐标表示快关阀法测量得到的垂直上升油气水三相流持油率值纵坐标为基于分布式同轴双环形电导传感器测量得到的垂直上升油气水三相流持油率值yo。由图可知，当含油率fo为0.05时，平均绝对误差aad最小，这说明传感器在该含油率下测量精度最高。在如图所示四种含油率下的泡状流，通过电导组合测量方法得到三相流持油率的平均绝对误差为0.007。因此，基于分布式同轴双环形电导传感器的电导组合测量方法对低流速高含水的油气水三相流具有较好的测量效果。
[0060]
综上所述，通过快关阀法验证了该测量系统对垂直上升油气水三相流持油率测量的可靠性。本发明设计的分布式同轴双环形电导传感器可以有效提供三相流中油水混合液的电导率，由此可知，该传感器易与其他电导传感器配合实现油气水三相流分相持率测量。