CN108397188B - 用于垂直上升管中含水相多相流水相电导率测量的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于垂直上升管中含水相多相流水相电导率测量的传感器，包括绝缘导流件、测量电极和位于绝缘导流件上方的上端导流件，其中，上端导流件底部迎水面的尺寸大于绝缘导流件顶部背水面的尺寸且其水平投影覆盖绝缘导流件顶部背水面的水平投影；在绝缘导流件的背水面和位于其上方的上端导流件的迎水面之间形成的腔体称之为全水获取区，全水获取区的高度应当保证自下而上新流入的流体能够在其内分离并与存留的流体之间产生交换。上端导流件的主体为柱状，其底部开设有环形凹槽；测量电极固定在绝缘导流件的顶部。
Description
技术领域
本发明涉及一种含水相多相流水相电导率测量的传感器，此种传感器可用于注水开发油田生产井油水/气水/油气水/多相流分相体积浓度电学测量。
背景技术
伴随着油田注水开发过程中的不同开采方式，油井中经常出现油水/气水/油气水/多相流采出混合液。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，电导法或电容法是获取持水率的常规测量手段，由于不同地区油气田地质构造差异及油田注水开发过程中不时对地层水性质的改变，导致油井采出液中的水相电导率及介电常数发生复杂变化，这会给以电学法(电导或电容)为主的持水率测量结果带来较大影响。因此，为了减小水相电导率变化对持水率测量结果影响，实时监测油井内水相电导率变化对提高持水率测量精度具有重要实际意义。
微波技术(United States Patent,Patent No.:US6831470B2,Date of Patent:Dec.14,2004)及双模态伽马射线法(Salinity independent measurement of gas volumefraction in oil/gas/water pipe flows,Applied Radiation and Isotopes,2000,53:595-601)已被用于多相流中水相电导率的监测，但这些传感器结构及其测量系统均比较复杂、装置成本高及测量方法实现难度亦较大。
发明内容
本发明是提供一种垂直上升管中含水相多相流的水相电导率测量装置，具有结构简单，精度较高，可实现水相电导率的实时动态测量的特点。技术方案如下：
一种用于垂直上升管中含水相多相流水相电导率测量的传感器，包括绝缘导流件、测量电极和位于绝缘导流件上方的上端导流件，其中，上端导流件底部迎水面的尺寸大于绝缘导流件顶部背水面的尺寸且其水平投影覆盖绝缘导流件顶部背水面的水平投影；在绝缘导流件的背水面和位于其上方的上端导流件的迎水面之间形成的腔体称之为全水获取区，全水获取区的高度应当保证自下而上新流入的流体能够在其内分离并与存留的流体之间产生交换。上端导流件的主体为柱状，其底部开设有环形凹槽；测量电极固定在绝缘导流件的顶部。
优选地，在轴向切面图中，环形凹槽的形状为两个半圆形。所述的测量电极包括圆形电极和位于圆形电极周边的环形电极。所述的绝缘导流件的主体为柱状，其迎流处为半球体。通过优化测量电极尺寸，使测量电极具有较高的水相电导率测量灵敏度及线性度。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下测量优点：
(1)本发明的绝缘导流件及全水获取区可在油水/气水/油气水/多相流动过程中动态获得全水测量环境。
(2)本发明的用于水相电导率测量的传感器基于电导法，经过尺寸优化并辅以经过特定设计的测量电路后可实现水相电导率的直接测量，具有精度高、响应速度快、性能稳定及适用多相流流型范围广等优点。
(3)本发明的传感器适用于垂直上升管中油水/气水/油气水/多相流动状态，其水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
图1是水相电导率测量传感器整体结构图。
图2是水相电导率测量传感器全水获取区及测量电极详细结构图。
图3是全水获取区上端导流件结构图，(a)为上端导流件俯视图(b)为任意轴向切面图。
图4是整个水相电导率测量传感系统结构图。
图5是采用了本发明的传感器的水相电导率动态测量装置在不同电导率水溶液时的响应输出值。
图6的(a)(b)(c)分别是在水相电导率分别为1000μs/cm，4000μs/cm，8000μs/cm时，水相电导率动态测量装置在气液两相泡状流(bubble flow)、段塞流(slug flow)、混状流(churn flow)时的全水测量响应输出。图中，Usg及Usw分别为气相及水相表观流速。
图7的(a)(b)(c)是在不同流型的气液两相流过程中，水相电导率由8000μs/cm变到1000μs/cm时，水相电导率测量装置的动态响应输出值。图中，Usg及Usw分别为气相及水相表观流速。
图8的(a)(b)(c)是在油水两相流动过程中，当水相电导率为1000μs/cm时，水相电导率动态测量装置在不同油水混合流速Um及含水率Kw时的全水测量输出值。
图9的(a)(b)(c)是当水相电导率为4000μs/cm时，水相电导率动态测量装置在不同油水混合流速Um及含水率Kw时的全水测量输出值。
图10的(a)(b)(c)是当水相电导率为8000μs/cm时，水相电导率动态测量装置在不同油水混合流速Um及含水率Kw时的全水测量输出值。
图11的(a)(b)(c)是在较低流速Um的油水两相流动过程中，当水相电导率由8000μs/cm变化到1000μs/cm时，其水相电导率动态测量装置在不同含水率Kw时的动态响应输出值。
图12的(a)(b)(c)是在较高流速Um的油水两相流动过程中，当水相电导率由8000μs/cm变化到1000μs/cm时，水相电导率动态测量装置在不同含水率Kw时的动态响应输出值。
图13的(a)(b)(c)是在油气水三相流动过程中，当水相电导率为1000μs/cm时水相电导率动态测量装置在泡状流(bubble flow)、段塞流(slug flow)、混状流(churn flow)及不同液相含油率fo时的全水测量输出值。
图14的(a)(b)(c)是在油气水三相流动过程中，当水相电导率为4000μs/cm时水相电导率动态测量装置在泡状流(bubble flow)、段塞流(slug flow)、混状流(churn flow)及不同液相含油率fo时的全水测量输出值。
图15的(a)(b)(c)是在油气水三相流动过程中，当水相电导率为8000μs/cm时水相电导率动态测量装置在泡状流(bubble flow)、段塞流(slug flow)、混状流(churn flow)及不同液相含油率fo时的全水测量输出值。图中，Usg及Usl分别为气相及油水混合液表观流速。
图16的(a)(b)(c)是在油气水三相泡状流(bubble flow)时，当水相电导率由8000μs/cm变到1000μs/cm时，水相电导率动态测量装置在不同液相含油率fo下的动态响应输出值。
图17的(a)(b)(c)是在油气水三相段塞流(slug flow)时，当水相电导率由8000μs/cm变到1000μs/cm时，水相电导率动态测量装置在不同液相含油率fo下的动态响应输出值。
图18的(a)(b)(c)是在油气水三相混状流(churn flow)时，当水相电导率由8000μs/cm变到1000μs/cm时，水相电导率动态测量装置在不同液相含油率fo下的动态响应输出值。图中，Usg及Usl分别为气相及油水混合液表观流速。
附图标号说明：
1、传感器管道；2、绝缘导流件；3、全水获取区；4、全水获取区上端导流件；5、激励电极；6、接收电极；7、激励源信号；8、I/V转换电路；9、反相放大器；10、解调模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
本发明的特点在于通过设计导流件及全水获取区来获得油水/气水/油气水三种多相流动过程中的全水测量环境，将优化设计后的水相电导率测量电极安装于全水测量环境内，通过信号调理电路将全水的电导率信息转换成电压信号送至采集处理设备。
下面结合附图说明本发明的垂直上升管中含水相多相流的水相电导率测量装置。
水电导率测量传感器整体结构图如图1所示，包括传感器管道1，绝缘导流件2，尾部全水获取区3及内部电导率测量电极，全水获取区上端导流件4。全水获取区及测量电极的详细结构如图2所示，包括不锈钢激励电极5及不锈钢接收电极6。全水获取区上端导流件详细结构如图3所示。绝缘导流件，全水获取区及上端导流件的中心与管道中心重合。传感器管道的内径D＝20mm，绝缘导流件迎流处为半球体，后端为外径D1＝10mm的圆柱体，绝缘导流件总长度H1＝70mm。全水获取区内径D2＝8mm，高度H2应高于电极的探测高度，又要保证外部流体可在全水获取区内很好的分离并与内部流体交换，针对所测流体工况，设定H2＝20mm。上端导流件的立体结构如图3(a)所示，其迎流面为半圆环形槽，后端为直径D3＝12mm的圆柱体，整体高度H3＝50mm。半圆环形槽的任意轴向切面均为两个相切的导流半圆，如图3(b)所示，导流半圆的半径D4＝3mm。全水获取区外沿距离上端导流件前端的高度H4可根据流动工况进行调整，以确保流体接触到上端导流件后返回至全水获取区内，使内部流体很好的分离与交换。对于所测气液及油水两相流，设定H4＝2mm，对于所测油气水三相流，设定H4＝8mm。电导率测量电极采用如图2所示的结构形式，圆形中心激励电极的半径为r，外环型接收电极的宽度为d，激励电极外径与接收电极内径的间距为l。
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中心激励电极的半径r，外环型接收电极的宽度d，激励电极外径与接收电极内径的间距l。在有限元仿真软件ANSYS中，设定水的相对电阻率为ρw＝1000Ωm，气的相对电阻率为ρg＝1×1020Ωm，电极电阻率ρs＝1.72×10-8Ωm。选择SOLID231作为单元类型，采用自由剖分法将模型剖分。0.1mA的恒定电流加载在激励电极5上，-0.1mA的恒定电流及0V的边界电压加载在接收电极6上。在模型中测量截面上放入一个不导电的小球，模拟不导电相的运动。小球处于不同位置时，激励电极的电压也跟随变化，因此可通过激励电极变化的电压反映电导传感器的灵敏度。
本发明采用检测场均匀性误差参数(SVP)和传感器平均相对灵敏度(Savg)作为优化目标。传感器灵敏度定义为：
其中，ΔU＝U0-U，[ΔU(x,y,z)]max是遍历坐标(x,y,z)后电压变化的最大值，U0为全水时的电压输出值，U为有绝缘小球时传感器的输出电压。
平均相对灵敏度(Savg)的含义是指截面所有位置灵敏度的平均值，定义为：
定义测量截面的均匀性误差参数(SVP)为：
式中，Sdev为测量截面上不同位置的相对灵敏度的标准差，其定义为：
显然，Savg值愈大，表示传感器灵敏度愈高，SVP值愈小，即均匀性误差愈小。
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。经仿真对比，最终确定：激励电极半径r＝0.75mm，电极间距l＝0.5mm，接收电极宽度d＝1mm。此时传感器相对灵敏度最高，均匀性误差最小。
本发明的测量传感系统如图4所示，信号源采用20kHz，峰峰值为4V的正弦电压交流信号，假设两电极间的等效电阻为Rm，激励信号有效值为Vs，则系统的响应函数为：
其中，V0为测量系统的基准输出值，又由于：
Rm＝1/G
G＝σA2/l2
G为电极间的电导，σ为溶液电导率，A2为极板正对面积，l2为极板间距，故系统的响应函数最终可以写成：
当电极及电路确定时，
V0为常数，故输出电压的变化量理论上与溶液电导率σ(μs/cm)的变化量成正比关系，因此，该系统对溶液的电导率有很高的灵敏度与线性度。图5给出了本发明水相电导率动态测量装置在不同电导率水溶液下的输出值及对应关系，可以看到，系统输出值与水的电导率呈线性关系，这与上文的理论推导也是一致的，实际测量中，只要得到水电导率测量传感器的输出，就可以根据图5的对应关系得到溶液的电导率信息。
实验验证与结果：
图6是在气液两相流动过程中，当水相电导率为1000μs/cm、4000μs/cm及8000μs/cm时，水相电导率动态测量装置在泡状流(bubble flow)、段塞流(slug flow)、混状流(churn flow)条件下及全水时的测量输出值。可以看出，在不同电导率及流型下，水电导率动态测量装置的输出都比较稳定，且都与单相全水时的输出接近，根据图5的对应关系即可得到气液两相流动过程中水相电导率信息。定义电导率测量的相对误差E＝[(σm-σ)/σ]×100，其中σm为测量得到的水的电导率，σ为实际水相电导率，可以看出，本装置具有较高的气液两相流中的水相电导率测量精度。
图7为在不同流型的气液两相流动过程中，水相电导率由8000μs/cm变到1000μs/cm时，水相电导率测量装置的动态响应。可以看出，该测量装置对三种流型的水相电导率测量装置均有很好的动态跟踪能力，对于混合流速最低的段塞流(slug flow)，其水相电导率转换时间也很短，对于较高流速的泡状流(bubble flow)及混状流(churn flow)，其水相电导率测量性能更优。综上，该测量装置可以在气液两相流动过程中动态获得水相电导率信息，且测量响应输出不受流型变化影响，测量精度高且测量范围较宽。
图8～图10是在油水两相流动过程中，当水的电导率分别为1000μs/cm、4000μs/cm及8000μs/cm时，水相电导率动态测量装置在不同液相混合流速Um，含水率Kw及全水时的测量响应输出值。可以看出，在不同电导率、液相混合流速及含水率时，水相电导率动态测量装置的测量响应输出均比较稳定，且均与单相全水时的输出接近，根据图5的对应关系即可得到油水两相流动过程中水相电导率信息，由相对误差指标可以看出，本装置具有较高的油水两相流中的水相电导率测量精度。
图11～图12为当水相电导率由8000μs/cm变到1000μs/cm时，该测量装置在较低混合流速及较高混合流速时的动态响应输出值。可以看出，该测量装置均具有较好的水相电导率测量动态跟踪能力，此外，对于较低混合流速及较低含水率的流动工况，其水相电导率动态转换时间较长些，而对于较高混合流速及较高含水率流动工况，其水相电导率动态转换性能更优。综上，该装置可在油水两相流动过程中可较好地获得水相电导率信息，且测量输出响应不受流速及含水率变化影响，测量精度高且具有较宽测量范围。
图13～图15为当水相电导率分别为1000μs/cm、4000μs/cm及8000μs/cm时，在油气水三相流动过程中，其水相电导率测量装置在三种流型(泡状流、段塞流、混状流)，不同液相含油率fo及全水时的测量响应输出值。可以看出，在不同电导率、流型及液相含油率下，水相电导率动态测量装置的测量响应输出均比较稳定，不受流型及含油率影响，且接近单相全水时的输出值。根据图5的对应关系即可得到油气水三相流动过程中水相电导率信息。可以看出，本装置具有较高的油气水三相流中的水相电导率测量精度。
图16～图18为在不同油气水三相流流型及液相含油率流动条件下，当水相电导率从8000μs/cm变化到1000μs/cm时，该测量装置的动态响应输出值。可以看出，测量装置对三种流型均具有较好的水相电导率动态跟踪能力。对于较低混合流速及较高液相含油率的段塞流，其水相电导率动态转换时间较长，降低液相含油率及增加混合流速，均可减少水相电导率动态转换时间，因此，对于较高混合流速时的泡状流及混状流，其水相电导率动态跟踪性能更优。综上，该装置可以在油气水三相流动过程中动态获得水相电导率信息，且测量响应输出不受流型及液相含油率变化影响，测量精度较高且测量范围较宽。
Claims (2)
1.一种用于垂直上升管中含水相多相流水相电导率测量的传感器，包括绝缘导流件、测量电极和位于绝缘导流件上方的上端导流件，其中，上端导流件底部迎水面的直径大于绝缘导流件顶部背水面的直径且其水平投影覆盖绝缘导流件顶部背水面的水平投影；在绝缘导流件的背水面和位于其上方的上端导流件的迎水面之间形成的腔体称之为全水获取区，全水获取区的高度应当保证自下而上新流入的流体能够在其内分离并与存留的流体之间产生交换；上端导流件的主体为柱状，其底部开设有环形凹槽；测量电极固定在绝缘导流件的顶部；所述的测量电极包括圆形电极和位于圆形电极周边的环形电极；所述的绝缘导流件的主体为柱状，其迎流处为半球体，绝缘导流件的全水获取区及上端导流件的中心与管道中心重合，全水获取区的高度高于电极的探测高度；在轴向切面图中，环形凹槽的形状为两个半圆形。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，通过优化测量电极尺寸，使测量电极具有较高的水相电导率测量灵敏度及线性度。
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