一种测量环空管内气液两相分布参数的环形探针测量系统

1.本发明涉及油气井实时动态监测领域，具体地涉及一种测量环空管内气液两相分布参数的环形探针测量系统。


背景技术：

2.气液两相流是指在流通平行管道内物质具有气态和液态两种状态的流动现象。同时气液两相流流动现象在自然界于各行各业中广泛存在，由于不同相之间相互作用的不确定性，两相流相对于单相流有更复杂的流动和传热特性。针对两相流的复杂特性，能够准确测量高含水低流速时的空泡份额、相界面速度等两相流参数对研究气液两相流的两相结构和变化规律具有重要意义。
3.现有的检测流通平行管道的检测探针安装在平行管道后，会因平行管道内流形的影响而使检测数据偏差。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术存在的检测数据偏差的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种测量环空管内气液两相分布参数的环形探针测量系统，包括：检测模块，设置在平行管道对应位置，用于检测平行管道内液体通过时的电压；检测模块包括至少一组检测电极；检测电极包括设置在平行管道中心的内环探针和设置在平行管道外环的外环探针；检测电极用于检测液体流过时内环探针和外环探针间的电压。
6.本发明为了进一步提高检测精度和减少对流动物质的影响，对方案进行了如下进一步的设计。
7.作为本发明进一步的设计，外环探针为环形结构，内环探针设置在外环探针内，内环探针与外环探针为同心圆布置。
8.作为本发明进一步的设计，检测模块还包括：绝缘导流体和支撑杆，绝缘导流体设置在平行管道内，支撑杆穿过平行管道与平行管道内的绝缘导流体固定连接。
9.作为本发明进一步的设计，外环探针与通过橡胶法兰固定在平行管道内部，外环探针的内径与平行管道内径相同。
10.作为本发明进一步的设计，支撑杆为中空结构，支撑杆内部设置有连接线，连接线将内环探针与数据处理模块电连接。
11.作为本发明进一步的设计，橡胶法兰具有圆形插孔，圆形插孔内设置有连接线，外环探针通过连接线与数据处理模块电连接。
12.作为本发明进一步的设计，绝缘导流体为杆形结构，绝缘导流体两端具有半球凸起；绝缘导流体外具有防护套；防护套具有绝缘层。
13.作为本发明进一步的设计，绝缘导流体与内环探针外径相同。
14.作为本发明进一步的设计，测量系统还包括：信号处理模块，信号处理模块与控制
模块连接，用于对检测模块检测到的电导率值进行信号数据处理。
15.通过上述技术方案，本发明通过在平行管道内设置至少一组检测电极，并将检测电极一端设置在平行管道内壁，另一端设置在平行管道中心与外环探针同心圆位置，通过检测在有液体流过时的电压从而计算得出平行管道内的水含量。
16.本发明的外环探针内径与平行管道内径相同，可以减少检测电极对平行管道内流形的影响，使之获得更加接近真实工况的流形参数。
17.本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
19.图1为本发明实施例提供的环形探针测量系统的连接框图；
20.图2为本发明实施例提供的环形探针测量系统的信号处理电路的电路原理图；
21.图3为本发明实施例提供的环形探针测量系统的检测模块与平行管道的立体图；
22.图4为本发明实施例提供的环形探针测量系统的检测模块剖视图；
23.图5为本发明实施例提供的环形探针测量系统的橡胶法兰的结构示意图。
24.附图标记说明
25.1-外环探针，2-内环探针，3-绝缘导流体，4-平行管道，5-橡胶法兰，6-支撑杆，7-防护套，8-圆形插孔。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
27.本实施例提出了一种测量环空管内气液两相分布参数的环形探针测量系统，如图1所示，包括有检测模块，检测模块用于安装在需要检测的平行管道4位置，并安装在平行管道4内对应的位置，检测在平行管道4内有液体流动时的电导率。检测模块包括至少一组检测电极，测量电极包括外环探针1和外环探针1。通过外环探针1和内环探针2配合，测量在有液体流过时，外环探针1和内环探针2之间的电压。
28.本实施例中，外环探针1为圆环形结构，布置在待测平行管道4位置内径，内环探针2可以同样为圆环形结构，将内环探针2与外环探针1以同心圆的方式垂直于平行管道4的流通面放置。为了保证内环探针2与外环探针1能够为同心圆布置，并使内环探针2设置在平行管道4中心位置。将内环探针2套设在绝缘导流体3上，同时在平行管道4上设置有用于放置支撑杆6的缺口，缺口大小以刚好能容纳支撑杆6为宜。支撑杆6穿过平行管道4上的缺口与平行管道4中心的绝缘导流体3连接，将绝缘导流体3固定在平行管道4中心位置，确保内环探针2能悬空并准确固定在平行管道4的中心位置。为了方便平行管道4中心的内环探针2能够与数据处理模块连接，将支撑杆6设置为中空结构。支撑杆6的中空内部用于布置连接线，连接线将内部的内环探针2与数据处理模块电连接。为了确保绝缘导流体3能够更为稳定的
固定在平行管道4内的对应位置，可以在绝缘导流体3下部同时设置两根与上部相同布置的支撑杆6。
29.本实施例中，考虑到在内环探针2和外环探针1测量时，绝缘导流体3会对测量的影响，在绝缘导流体3上布置有一层防护套7，防护套7将连接内环探针2和数据处理模块的连接线包覆住，消除流体对连接线的影响。为了避免内环探针2与外环探针1在测量时，绝缘导流体3对测量的影响，在绝缘导流体3外包覆的防护套7外部涂覆有绝缘层，绝缘层应当避免对内环探针2的外部位置产生影响。
30.本实施例中，为了方便检测模块的安装，在将绝缘导流体3和内环探针2部分放置入平行管道4后，可通过橡胶法兰5将平行管道4固定连接。考虑到流体在流动时与平行管道4的接触应当平稳且流形与流至检测位置之前应当一致，将橡胶法兰5的内径与外环探针1的外径设置为大小相同，同时外环探针1的内径与平行管道4内径相同。这样即可很大程度上避免因检测模块对流体流形的影响而造成的检测偏差。通过优化探测电极的结构，极大的减少了嵌入式传感器对于流型的影响，使之获得更加接近真实工况的流型参数。
31.本实施例中，橡胶法兰5的结构如图5所示，橡胶法兰5具有至少四个安装螺栓的孔，通过螺栓将橡胶法兰5和平行管道4连接。同时在橡胶法兰5盘面沿半径位置设置有圆形插孔8，圆形插孔8用于安装连接线，将外环探针1与数据处理模块连接。外环探针1除与内环探针2对应位置外同时也涂覆有绝缘层。
32.本实施例中，为了尽可能避免内环探针2对流形的影响，使内环探针2的外径与绝缘导流体3的外径相同。应当注意内环探针2在套设在绝缘导流体3后，与套设防护套7和涂覆绝缘层的绝缘导流体3外径相同。在绝缘导流体3的两端部设置有半球形结构凸起，可减少对流形的影响。同时绝缘导流体3两端并不限于半球形结构，其他能应用于此的导流结构均可在此处使用，以尽可能减少对流形的影响。
33.本实施例中，信号处理模块与探测模块连接。由于液体流量的多少决定了电导率的大小，因此为了得到数据处理模块的输出电压与电导率之间的关系，如图2所示，首先假设rm为内环探针2与外环探针1间的等效电阻，va+与va-等于输入电压信号，测量电极上的电流im为：
[0034][0035]
根据运算放大器的特性，流过rm和rref的电流相等，rref的电压差为vref：
[0036][0037]
在同轴探针中，当差动放大器的放大倍数为n时，又因为：
[0038][0039][0040]
g为探针测量区域的电导，σ为液体的电导率，a为探针的正对面积，l为探针的轴向长度，r为外环探针1的半径，r为内环探针2的半径，故数据处理模块的输出信号vout可以写成为：
[0041][0042]
在平行探针中，当差动放大器的放大倍数为n时，由因为：
[0043][0044]
g＝σa/s
[0045]
g为探针测量区域的电导，σ为液体的电导率，a为探针的正对面积，s为探针间的轴向长度，故输出信号vout可以写成为：
[0046]vout
＝nr
ref
(2va)σa/s
[0047]
当探针的及电路确定时，与r
ref
(2va)a/s为常数，故输出电压信号的变化值理论上与溶液的电导率σ的变化值成线性正比关系。即检测模块与溶液的电导率具有较高的分辨率及线性度。
[0048]
本实施例中，可以使外环探针1为激励电极，内环探针2为测量电极。通过使外环探针1为高电压，内环探针2为低电压，检测外环探针1与内环探针2间的导电率并通过数据处理模块处理后发送至计算机，计算得出流过平行管道的水分数。导电率通过内环探针2和外环探针1间的电压计算。
[0049]
具体地原理为：在水平气液两相流中，由于重力的影响，空气在平行管道4顶部流动，而水在平行管道4底部流动，因此会产生分层现象。空气为非导电介质，因此在分层流静态校准中，测量流体的响应电压。可适用于水平管道内高含水低流速气液两相流持水率高分辨测量，在50mm管径内设计的环形同轴传感器在激励频率为20khz时具有最佳电场分布特性，在高含水时其传感器相位输出与持水率之间具有高分辨的线性关系。
[0050]
计算机通过以下方式计算出检测时的水分数。如：分层流校准的水分数hw和无量纲电压u*之间的关系可拟合为：
[0051]hw
＝u
*
[0052]
根据麦克斯韦理论，对于均匀分布的球形液滴，水含量hw和无量纲电压u*之间的关系可以表示为：
[0053][0054]
其中无量纲u*定义为
[0055]u*
＝uw/u
[0056]
式中，uw为平行管道4充满水时的电压值，u为平行管道4内气液混合物的电压值，即外环探针1与内环探针2间的电压值。气液泡状流的油水混合物，其中分散相的气泡移动是一种常见观察到的相分布，它可以通过将许多已知直径的塑料球放入平行管道4中来模拟。
[0057]
本实施例中，为环形探针测量系统配置有数据采集卡和电源，信号处理模块需要对信号放大，滤波，整流处理。数据采集卡将信号处理模块输出的模拟信号转化为数字信号传输至计算机中。可以对数据采集卡设定采集频率，以实现不同测量密度。电源用于为数据处理模块提供电能。为了进一步减少对测量系统中信号的影响，连接内环探针2和数据处理
模块、外环探针1和数据处理模块以及数据采集卡和数据处理模块之间的连接线均选用屏蔽双绞线。
[0058]
本实施例中，可以在通过一组检测电极的外环探针1和内环探针2测量流过平行管道4的液体的导电率时，另外设置一组辅助检测电极，辅助检测电极为两个外环探针1，通过测量两个外环探针1之间的电压，再测得一组导电率数据，并根据两者数据与真实持液率之间对比，得出一组检测电极测得的持液率和一组辅助检测电极测得的持液率分别与真实持液率的比值。因此可同时设置一组检测电极和辅助检测电极，包括四个外环探针1，两个内环探针2，均分别连接一个数据处理处理模块。该数据处理模块与图2所示电路结构相同。四个外环探针1水平分布，向中间的两个外环探针1上施加电流，则与其对应的内环探针2可以形成电压差，同时与施加电流的外环探针1靠近的外环探针1之间也具有电压差，通过测量外环探针1与内环探针2之间的电压。根据检测电极和辅助检测电极与真实持液率的比值，为检测电极和辅助检测电极分配不同的权重，最后综合检测电极和辅助检测电极的检测结果，得出一个更为准确的持液率。同时本实施例测得的持液率为检测到的平行管道4内的水含量。
[0059]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0060]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。