一种基于声学技术的管道内水蒸气干度测量方法及系统

本发明涉及到油田的蒸汽注采领域，尤其涉及一种基于声学技术的管道内水蒸气干度测量方法。

背景技术：

1、我国存在大量油田需要应用蒸汽注采法开采，即向油井中注入高温、高压的水蒸汽，使稠油的粘度降低且易于流动再进行开采。在注入过程中，水蒸汽的干度是判断油层分布的重要参数，同时也是合理利用水蒸汽资源的重要参考依据，及时掌握水蒸汽干度可以为油田高效开采提供有力的保障。

2、水蒸气干度的测量方法主要分为热力学方法和非热力学方法，热力学法往往需要对气相或液相水的热力学参数进行测量，由于工艺水平和测量环境的影响，这类方法往往存在测量精度不足及无法实时测量等问题。非热力学方法主要有电容法、电导率法、光学法等，这些方法存在着设备复杂，测量耗时长、准确度低等缺点。目前油田大部分采用注汽井示踪法取样，但是井下作业时一次只能采集一个位置点的干度，不能连续测量，并且多个点的下井操作施工成本也会越来越高。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于声学技术的管道内水蒸气干度测量方法，解决了现有技术的管道内水蒸气干度测量设备复杂、准确度低、成本高的问题。

3、技术方案：

4、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于声学技术的管道内水蒸气干度测量方法，该方法包括如下步骤：

5、步骤1：依据水蒸气干度的定义，利用wood公式，得出理论水蒸气干度x和理论混合声速amix的关系式；

6、步骤2：根据lapws-if97标准并结合工业现场，设定多个工况条件，即设定工况温度t；

7、步骤3：在设定的工况条件下，根据lapws-if97标准，计算不同干度x对应的饱和水蒸气中液态水蒸气密度ρ1、气态水蒸气密度ρ2、液态水蒸气声速a1和气态水蒸气声速a2；

8、步骤4：利用步骤3中得到的密度、声速和干度数据，结合步骤1中水蒸气干度值x和混合声速amix的关系式，计算设定的工况条件下的混合声速amix；

9、步骤5：绘制不同工况条件下对应的水蒸气干度x和混合声速amix曲线图；

10、步骤6：结合工业现场工况，确定管道温度测量点，测量该点的实际温度值t*和实际混合声速

11、步骤7：利用步骤6中得到的实际温度值t*和实际混合声速结合步骤5中绘制的水蒸气干度x和混合声速amix曲线图，确定实际水蒸气干度x*。

12、进一步的，步骤1中水蒸气干度x的定义为：

13、

14、

15、

16、

17、水蒸气的干度x与气态水蒸气所占的体积n关系为：

18、

19、式中：x是水蒸汽的干度，m1是水蒸汽中液态的质量，m2是水蒸汽中气态的质量，ρ1为饱和水蒸气液态密度，ρ2为饱和水蒸汽气态密度，v1为饱和水蒸气液态体积，v2为饱和水蒸汽气态体积；n是气态水蒸汽所占的体积分数。

20、进一步的，水蒸气干度x和声速amix的关系通过wood公式可得：

21、

22、ρmix＝nρ2+(1-n)ρ1

23、式中：ρmix为水蒸汽的混合密度，amix为水蒸汽的混合声速，ρ1为液态水蒸汽的密度，a1为液态水蒸汽声速，ρ2为气态水蒸汽的密度，a2为气态水蒸汽声速，n为气态水蒸汽所占的体积分数。

24、进一步的，步骤1中对水蒸气干度x的分析以iapws-if97标准中的4区水蒸汽饱和线为基础。

25、进一步的，步骤4中的4区水蒸气饱和线方程是一个隐式二次方程，应用该方程对水蒸汽的饱和压力ps及饱和温度ts直接求解，此方程为：

26、β2θ2+n1β2θ+n2β2+n3βθ2+n4βθ+n5β+n6θ2+n7θ+n8＝0

27、β＝(ps/p*)0.25

28、

29、式中：p*＝1mpa，t*＝1k，n1～n10为常数系数；

30、由于4区饱和线上的饱和压力ps与饱和温度ts存在对应关系，具体的计算过程如下：

31、

32、a＝θ2+n1θ+n2

33、b＝n3θ2+n4θ+n5

34、b＝n3θ2+n4θ+n5

35、式中p*＝1mpa，调用上式θ值(由饱和温度ts值求得)，带入表达式可求解出饱和压力ps值，：

36、

37、

38、e＝β2+n3β+n6

39、f＝n1β2+n4β+n7

40、式中t*＝1k，调用上式β值(由饱和压力ps值求得)，带入表达式求解出对于饱和温度ts值，。

41、进一步的，应用的工况温度0℃≤t≤300℃。

42、进一步的，至少包括8种工况温度，分别为0℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃和350℃。

43、有益效果：

44、本发明提供的一种基于声学的管道内水蒸气干度测量方法，基于iapws-if97模型分析气态水蒸汽密度、液态水蒸气密度和声速随工况的温度和压力变化趋势，绘制水蒸气干度和声速曲线，该模型精度高、耗时少，在工业现场设置混合声速测量点，结合工况温度，即可求解出水蒸气干度值，设备简单，节约了成本，准确率高、效率高。

技术特征：

1.一种基于声学技术的管道内水蒸气干度测量方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于声学技术的管道内水蒸气干度测量方法，其特征在于：步骤1中水蒸气干度x的定义为：

3.如权利要求2所述的一种基于声学技术的管道内水蒸气干度测量方法，其特征在于：水蒸气干度x和声速amix的关系通过wood公式可得：

4.如权利要求1所述的一种基于声学技术的管道内水蒸气干度测量方法，其特征在于：所述步骤1中对水蒸气干度x的分析以iapws-if97标准中的4区水蒸汽饱和线为基础。

5.如权利要求4所述的一种基于声学的管道内水蒸气干度测量方法，其特征在于：所述步骤4中的4区水蒸气饱和线方程是一个隐式二次方程，应用该方程对水蒸汽的饱和压力ps及饱和温度ts直接求解，此方程为：

6.如权利要求1所述的一种基于声学技术的管道内水蒸气干度测量方法，其特征在于：所述方法应用的工况温度0℃≤t≤300℃。

7.如权利要求6所述的一种基于管道声波模型的水蒸气干度测量方法，其特征在于：至少设定7种工况温度，所述7种工况温度分别为0℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃和300℃。

8.一种基于声学的管道内水蒸气干度测量系统，其特征在于：所述系统采用权利要求1-7的任意一种方法测量管道内水蒸气干度。

技术总结
本发明提供的一种基于声学技术的管道内水蒸气干度测量方法，首先研究了水蒸汽干度定义的计算过程，干度和蒸汽焓值的关系；然后分析了IAPWS‑IF97模型下气、液态水蒸汽密度、声速随工况温度、压力变化的趋势曲线，声学法测量水蒸汽干度的工况适用范围；构建了管道一维声波的信号模型，实现水蒸汽混合声速的计算，进而求出水蒸汽的干度值。

技术研发人员：裴锐,贾丹平
受保护的技术使用者：沈阳工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16