一种基于环状流转换的双电磁油水两相流测量装置及方法

本发明涉及油水两相流测量，尤其涉及一种基于环状流转换的双电磁油水两相流测量装置及方法。

背景技术：

1、实现单井在线监测油水两相流流量和含水率可对工艺过程进行实时精细优化调整，对提升高含水石油开采效率与输运安全性具有重要意义。但由于高含水油水两相流具有流动状态随机多变、速度滑移显著和高产液下油滴细小分散等特点，对其参数的准确在线测量仍面临巨大困难和挑战。

2、电磁流量法因具有非侵入性、可靠性高和不受流体密度、压力、粘度等物理参数影响等优点，在两相流在线测量领域中具有重大潜力。然而，由于两相流具有时空分布不均匀性，非导电相的位置、形状、大小在两相流动过程中不断变化，使得权重函数的分布随之动态变化，电磁流量传感器响应复杂，难以对电磁感应电动势进行精确建模。

3、因此，针对油水两相流测量的需求和电磁流量法流体测量的优势，本领域的技术人员致力于开发一种利用电磁流量法对油水两相流进行有效测量的装置及方法，从而为实现油田的精细化控制和管理提供技术支撑，这对于将油井剩余资源在高含水甚至特高含水阶段进行高效开采和安全输运具有重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是油水两相流时空分布不均匀、流型多样、相间滑移等特性造成的油水两相流准确在线测量难题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于环状流转换的双电磁油水两相流测量装置，包括测量管道、环状流转换装置、变相分布装置，其中，所述测量管道上依次设置所述环状流转换装置、第一电磁流量传感器、第一电导率测量传感器、所述变相分布装置、第二电磁流量传感器、第二电导率测量传感器；

3、所述环状流转换装置设置于所述测量管道的进口处，用于将进口油水两相流转换为相分布和速度分布轴对称的油芯-水环流；所述变相分布装置用于改变油芯-水环流中油芯和水环的尺寸；

4、所述第一电磁流量传感器、所述第一电导率测量传感器和所述第二电磁流量传感器、所述第二电导率测量传感器上均安装有信号接收处理装置，用于接收和处理所述第一电磁流量传感器、所述第一电导率测量传感器和所述第二电磁流量传感器、所述第二电导率测量传感器的输出信号，获得油水各相流量及含水率。

5、进一步地，所述第一电导率测量传感器和所述第二电导率测量传感器为多电极电导传感器。

6、进一步地，所述环状流转换装置的环状流转换方法为基于流体物性差异，对流体施加一定外力，并使得产生作用于油相和水相的力大小或方向不同，进而使得油相集中到管道中心，水相汇聚到环域处，从而将进口油水两相流转换为相分布和速度分布轴对称的油水环状流；所述外力包括离心力、电磁力或静电力。

7、进一步地，所述变相分布装置为利用渐扩管、渐缩管或中心插入同心圆柱的方法来实现改变油芯-水环流中油芯和水环尺寸的目的。

8、一种基于环状流转换的双电磁油水两相流测量方法，所述方法包括：

9、步骤1、油水两相流在所述测量管道中流经所述环状流转换装置，使得油水两相流从不同进口流型转变为第一油芯-水环流，具体状态为管道中心分布第一油芯，管道环域分布第一水环；

10、步骤2、所述第一油芯-水环流流经所述第一电磁流量传感器、所述第一电导率测量传感器，由所述第一电磁流量传感器获得与油水流速信息相关信号，利用所述第一电导率测量传感器的信号获得所述第一油芯的直径d71，所述第一油芯和所述第一水环的电导率σ71和σ81；

11、步骤3、所述第一油芯-水环流流入所述变相分布装置，得到第二油芯-水环流，具体状态为管道中心分布第二油芯，管道环域分布第二水环；

12、步骤4、所述第二油芯-水环流流经所述第二电磁流量传感器、所述第二电导率测量传感器，由所述第二电磁流量传感器获得改变后的油水流速信息相关信号，所述第二电导率测量传感器的信号获得所述第二油芯的直径d72，所述第二油芯和所述第二水环的电导率σ72和σ82；

13、步骤5、通过所述信号接收处理装置获得油水各相流量和含水率参数。

14、进一步地，所述步骤5还包括：

15、当油芯和水环的电导率在流入所述变相分布装置前后不发生改变，即σ7＝σ71＝σ72，σ8＝σ81＝σ82时，所述第一电磁流量传感器和所述第二电磁流量传感器的信号与油芯和水环的流速关系为：

16、

17、

18、式中b为磁感应强度，q油芯为油芯流量，q水环为水环流量，u61为所述第一电磁流量传感器的感应电动势信号，u62为所述第二电磁流量传感器的感应电动势信号，d1和d2分别为所述变相分布装置的上下游管道直径，为所述第一油芯的平均权函数，为所述第一水环的平均权函数，为所述第二油芯的平均权函数，为所述第二水环的平均权函数；

19、油芯和水环的含水率β7、β8由油芯和水环的电导率σ7和σ8计算获得；

20、油水两相流进口的各相流量qo和qw、进口流体总含水率β与油芯流量、水环流量和油芯与水环的含水率关系为：

21、qo＝q油芯×(1-β7)+q水环×(1-β8)  (3)

22、qw＝q油芯×β7+q水环β8  (4)

23、

24、联立式(1)～式(5)得出油水各相流量和含水率。

25、进一步地，所述步骤5还包括：

26、当油芯和水环的电导率在流入所述变相分布装置前后发生改变时，即σ71≠σ72，σ81≠σ82时，所述第一电磁流量传感器和所述第二电磁流量传感器的信号与油芯和水环的流速关系为：

27、

28、

29、式中b为磁感应强度，q油芯1为所述第一油芯的流量，q油芯2为所述第二油芯的流量；q水环1为所述第一水环的流量，q水环2为所述第二水环的流量；

30、油水两相的各相流量qo和qw、含水率β与油芯流量、水环流量和油芯与水环的含水率关系为：

31、qo＝q油芯1×(1-β71)+q水环1×(1-β81)＝q油芯2×(1-β72)+q水环2×(1-β82)  (8)

32、qw＝q油芯1×β71+q水环1×β81＝q油芯2×β72+q水环2β82  (9)

33、

34、联立式(6)～式(10)得出油水各相流量和含水率；

35、油芯和水环含水率β71、β72、β81、β82由下式计算：

36、

37、式中，σw为水中不含油时的电导率。

38、进一步地，由数值模拟方法获得。

39、进一步地，当所述变相分布装置为利用渐扩管和渐缩管来实现改变油芯-水环流中油芯和水环尺寸的目的时，由下式确定：

40、

41、

42、

43、

44、进一步地，当所述变相分布装置为利用渐扩管和渐缩管来实现改变油芯-水环流中油芯和水环尺寸的目的时，由下式确定：

45、

46、

47、

48、

49、和现有技术相比较，本发明可同时在线、连续测量油井产出液中油水各相流量以及含水率，测量精度高，有利于实现油田的精细化控制和管理，以及将油井剩余资源在高含水甚至特高含水阶段进行高效开采和安全输运，具有以下有利的技术效果：

50、1、利用环状流转换装置将随机分布的非导电相油滴集中到中心，从而避免了电磁流量计权重函数分布的随机性和不确定性，形成的轴对称相分布和速度分布油芯-水环流可有效提高电磁流量传感器的测量特性；

51、2、在电磁流量测量中利用“环域权重函数模型”，即利用油芯域与水环域的平均权重函数计算油芯与水环各自平均流速对感应电动势的贡献，因此该油水两相流测量方法不受油芯与水环滑移的影响；

52、3、利用环状流转换装置与“环域权重函数模型”，并结合双电磁流量传感器，发明了一种基于环状流转换的双电磁油水两相流测量装置及方法，旨在突破由于油水两相流时空分布不均匀、流型多样、相间滑移等特性造成的油水两相流准确在线测量技术瓶颈。

53、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。