CN111289579B - 一种基于陆面气液分离集成传感器及持水率矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于陆面气液分离集成传感器及持水率矫正方法，所述集成传感器包括同轴设置的电导式传感器模块、电容传感器模块和阵列光纤传感器模块；所述电容传感器模块由外到内分别为金属外壳、外绝缘筒、金属层和内绝缘筒；所述电容传感器模块中心设置绝缘杆，所述电导式传感器模块位于所述绝缘杆一端，所述电导式传感器模块包括六个电极环；所述阵列光纤传感器模块固定于所述绝缘杆的另一端，所述阵列光纤传感器模块包括阵列式光纤探针，所有所述光纤探针的测量点均位于同一个截面，所述截面为所述电容传感器模块的径向截面。本发明的技术方案解决了现有的陆面气液分离持水率监测模式中气相分离不彻底，误差大等技术问题。

Description

一种基于陆面气液分离集成传感器及持水率矫正方法

技术领域

本发明涉及油井监测技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于陆面气液分离集成传感器及持水率矫正方法。

背景技术

当前多相流领域内，对陆面油田参数监测的方式主要分为三种，包括两相分离三组分测量、三相分离测量、不分离测量。由于我国油田计量作业区相隔较远，油田油井野外分布零散且杂乱，数量规模庞大。三相分离测量因其体积庞大、操作复杂；不分离测量模式虽然具有体积小、重量轻的特点，但是技术成本极为昂贵，所以均不适合国内油井监测的大规模推广。相对于所述的三组分测量与不分离测量，气液分离式组分监测技术因其技术原理简单、体积相对较小、成本低廉等优良特性，是当前陆面油田参数监测模式的主要监测手段。

电学法因其结构简单、造价低廉、响应速度快被广泛应用于油水两相流监测领域。电学法主要包括电导法和电容法，因油水两相电导率及介电特性存在明显差异，使得电容及电导传感技术在油水两相流相含率测量中取得了较好的的应用。光纤探针技术因其只对气相敏感的特性，被广泛应用于气液两相流持气率监测中。但是光纤探针技术具有参数测量单一且界面覆盖率低等局限性，而陆面油井电导电容相含率监测方法虽然广泛应用于油水两相流领域内的参数监测，但其均忽略了油水两相流流体中游离气的对监测准确度的影响，其测量精确度出现误差。

由此可见，为满足油田生产的实际要求，迫切需要研究一种能够在石油生产测井中准确进行相含率监测及矫正的新设备和新方法。

发明内容

根据上述提出现有的陆面气液分离持水率监测模式中气相分离不彻底，误差大等技术问题，而提供一种基于陆面气液分离集成传感器及持水率矫正方法。本发明能够实现在陆面气液分离式持水率监测技术中，气液分离不彻底情况下，准确实时的测量持水率。

本发明采用的技术手段如下：

本发明提供了一种基于陆面气液分离集成传感器，其特征在于，包括同轴设置的电导式传感器模块、电容传感器模块和阵列光纤传感器模块；

所述电容传感器模块由外到内分别为金属外壳、外绝缘筒、金属层和内绝缘筒；

所述电容传感器模块中心设置绝缘杆，所述电导式传感器模块位于所述绝缘杆一端，所述电导式传感器模块包括六个电极环；

所述阵列光纤传感器模块固定于所述绝缘杆的另一端，所述阵列光纤传感器模块包括阵列式光纤探针，所述阵列式光纤探针位于所述绝缘杆与所述内绝缘筒之间的空隙中，所述阵列式光纤探针包括若干个光纤探针，所有所述光纤探针的测量点均位于同一个截面，所述截面为所述电容传感器模块的径向截面；

所述绝缘杆与所述内绝缘筒之间的空隙划分为n层环状空间，以所述截面中心为基点将所述截面划分为圆心角为360/m的m个扇形区域，所述光纤探针的测量点均位于扇形区域的分隔线上，且每层环状空间内有m/2个所述光纤探针的测量点，同一层环状空间内的相邻两个所述光纤探针的测量点与所述截面的中心构成的夹角为180/m，相邻的两层环状空间内所述光纤探针的测量点的总数为m个；所述光纤探针的总数为(m/2)×n；其中n≥1,n∈N^*；m≥1,m∈N^*。

本发明还提出了一种基于陆面气液分离的低气量油水持水率矫正方法，采用了上述集成传感器，包括如下过程：

采用所述电容传感器模块对气液分离处理后的含有微量气相的油水两相流进行持水率测量，根据电容信号获取电容持水率h_c；

采用所述电导式传感器模块对气液分离处理后的含有微量气相的油水两相流进行监测，根据电导式信号获取电导持水率h_i和流量f；

采用所述阵列光纤传感器模块对气液分离处理后的含有微量气相的油水两相流进行监测，采用图像处理方法获取截面持气率h_g估计值；

将电容持水率h_c与电导持水率h_i作为信息源，通过数据融合获取融合持水率h_m；

将融合持水率h_m和截面持气率h_g作为特征参数，构建持水率矫正模型

h_w表示矫正后的持水率。

进一步地，所述阵列式光纤传感器模块采用的获取截面持气率h_g估计值的方法具体包括以下步骤：

步骤S1：所述绝缘杆与所述内绝缘筒之间的空隙划分为n层环状空间；

步骤S2：将每层环状空间中的所述光纤探针的测量点进行插值增加至m个，插值增加的测量点为插值点；

步骤S3：采用多近邻插值方法对插值点进行虚拟数据估计，虚拟数据估计依据近邻点加权进行，将近邻点个数设置为m个，近邻点选取规则为：靠近插值点距离最近的实际测量点，且近邻点位于插值点所在环状空间的邻近层，每层环状空间内只选取一个近邻点；插值点的多近邻插值规则为Z_i＝α₁Z₁+α₂Z₂+α₃Z₃+α₄Z₄，其中Zi、Z1、Z2、Z3、Z4分别代表实际测量点的电压信号；权重α₁,α₂,α₃,α₄根据所述电导式传感器模块获取的流量f选取；

步骤S4：对实际测量点和插值点的响应信号进行成像；

步骤S5：对成像的气相分布图形进行区域识别，获取截面持气率估计信息。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的基于陆面气液分离集成传感器及持水率矫正方法，所述集成传感器包含电容监测模块、电导监测模块、光纤监测模块，整体呈现同轴圆筒状；持水率矫正方法依据融合持水率特征、流量特征、持气率特征建立持水率矫正模型；克服了陆面气液分离持水率监测模式中气相分离不彻底，误差大等缺陷。

综上，应用本发明的技术方案能够实现在陆面气液分离式持水率监测技术中，气液分离不彻底情况下，准确实时的测量持水率。因此，本发明的技术方案解决了现有的陆面气液分离持水率监测模式中气相分离不彻底，误差大等问题。

基于上述理由本发明可在油井监测等领域广泛推广。

附图说明

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述集成传感器示意图。

图2是本发明所述集成传感器剖面示意图。

图3是本发明所述集成传感器截面示意图。

图4是本发明所述基于气液分离的集成传感器电路系统模块示意图。

图5是本发明所述基于陆面气液分离式持水率测量系统。

图6是本发明所述持水率矫正方法流程图。

图7是本发明所述阵列式光纤探针截面持气率监测流程图。

图中：1、井口管道；2、一号电磁阀；3、二号电磁阀；4、三号电磁阀；5、入口管道；6、气液分离罐；7、排气设备；8、集成传感器；9、出口管道；10、内绝缘层；11、金属层；12、外绝缘层；13、金属外壳；14、下游固定支架；15、阵列光纤传感器模块；16、电导式传感器模块；17、上游固定支架；18、绝缘杆；161、激励E2电极环；162、测量M4电极环；163、测量M3电极环；164、测量M2电极环；165、测量M1电极环；166、激励E1电极环。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-3所示，本发明提供了一种基于陆面气液分离集成传感器，能够实现在陆面气液分离式持水率监测技术中，气液分离不彻底情况下，准确实时的测量持水率，包括同轴设置的电导式传感器模块16、电容传感器模块和阵列光纤传感器模块15；

所述电容传感器模块16由外到内分别为金属外壳13、外绝缘层12、金属层11和内绝缘层10；

所述电容传感器模块中心设置绝缘杆18，所述电导式传感器模块16位于所述绝缘杆18一端，所述电导式传感器模块16包括六个电极环；

所述阵列光纤传感器模块15固定于所述绝缘杆18的另一端，所述阵列光纤传感器模块15包括阵列式光纤探针，所述阵列式光纤探针位于所述绝缘杆18与所述内绝缘层10之间的空隙中，所述阵列式光纤探针包括若干个光纤探针，所有所述光纤探针的测量点均位于同一个截面，所述截面为所述电容传感器模块的径向截面；

所述绝缘杆18与所述内绝缘筒10之间的空隙划分为n层环状空间，以所述截面中心为基点将所述截面划分为圆心角为360/m的m个扇形区域，所述光纤探针的测量点均位于扇形区域的分隔线上，且每层环状空间内有m/2个所述光纤探针的测量点，同一层环状空间内的相邻两个所述光纤探针的测量点与所述截面的中心构成的夹角为180/m，相邻的两层环状空间内所述光纤探针的测量点的总数为m个；所述光纤探针的总数为(m/2)×n；其中n≥1,n∈N^*；m≥1,m∈N^*。

进一步地，所述绝缘杆通过下游固定支架14和上游固定支架17固定于所述内绝缘层10，所述绝缘杆18、所述下游固定支架14和所述上游固定支架17均采用绝缘耐腐蚀材料。

进一步地，所述电导式传感器模块16包括激励E2电极环161、测量M4电极环162、测量M3电极环163、测量M2电极环164、测量M1电极环165和激励E1电极环166。

进一步地，所述绝缘杆18外壁具有六个等间距布置的凹陷的环形槽，所述电导式传感器模块16的六个电极环分别嵌入式设置于所述环形槽内。

进一步地，工作时，所述金属层11与电容激励源连接，所述金属外壳13与地连接。

优选地，在本实施例中，所述绝缘杆18与所述内绝缘筒10之间的空隙划分为4层环状空间，以所述截面中心为基点将所述截面划分为圆心角为45°的8个扇形区域，所述光纤探针的测量点均位于扇形区域的分隔线上，且每层环状空间内有4个所述光纤探针的测量点，同一层环状空间内，同一层环状空间内的相邻两个所述光纤探针的测量点与所述截面的中心构成的夹角为90°，相邻的两层环状空间内所述光纤探针的测量点的总数为8个；所述光纤探针的总数为(m/2)×n；其中n≥1,n∈N^*；m≥1,m∈N^*。

如图4表示所述基于陆面气液分离的集成传感器的工作电路原理图，所述电导式传感器模块16包括电导式传感器电路子系统，所述电容传感器模块包括电容传感器电路子系统，所述阵列光纤传感器模块15包括阵列式光纤探传感器电路子系统；所述集成传感器还包括电源模块和主控制模块。

所述电导式传感器模块16具有两种工作模式，分别为电导相关流量监测传感器和电导持水率监测传感器，通过所述主控制模块控制所述电导式传感器模块16的工作状态且两种工作模式不能同时进行；

所述电导相关流量监测传感器包括：

电导相关激励模块，用于对激励E2电极环161、激励E1电极环166激励，为所述电导相关流量监测电路模块提供幅值恒定的交变电流，在管道中建立电流场；

由测量M3电极环163和测量M4电极环162组成的下游检测电极；

以及，由测量M1电极环165和测量M2电极环164组成的上游检测电极；

上游检测电极和下游检测电极分别连接至上游信号处理电路和下游信号处理电路，上游信号处理电路和下游信号处理电路均包括反向滤波放大电路模块、同相放大电路模块和限幅电路模块；当油水两相流体从所述集成传感器内流过时，流体阻抗的随机变化对作用在上游检测电极和下游检测电极上的交变恒定电流产生随机调制作用，上游检测电极和下游检测电极的输出会随着调制作用产生相应的变化，分别由游信号处理电路和下游信号处理电路进行相应的放大、检波、滤波等操作，解调出流体流动噪声信号x(t)和y(t)，噪声信号用于计算流量f；

所述电导持水率监测传感器包括：

电导激励模块，利用波形发生器产生20KHz的激励恒流源，用于对激励E2电极环161、激励E1电极环166进行激励；

电导信号处理模块，包括信号调理电路、压频转换电路和信号整形电路，用于对测量M3电极环163、测量M2电极环164的电压信号进行调理、压频转换、脉宽调制等处理，输出反应持水率信息的频率信号。

所述电容传感器电路子系统包括电容激励模块与电容信号处理模块，电容激励模块由振荡电路产生激励源对所述电容传感器模块进行激励，电容信号处理模块用于对所述电容传感器模块的信号进行处理；其中电容激励模块一方面对电容传感器的电容大小进行测量，另一方面直接输出能够反应电容传感器电容大小的频率信号，电容信号处理模块只进行信号整形和滤波，电容传感器的测量整个过程没有电压信号，激励模块直接输出的就是频率信号，所以主控制器模块处理的电容信号也是频率信号，频率的高低反应电容传感器电容量的大小。

所述阵列式光纤探传感器电路子系统包括光发射模块、光接收模块、信号处理模块，光发射模块用于为红外光源提供驱动电能，使红外光源发射光线；光接收模块用于为探测器将返回光能转化为电能；信号处理模块将接收到的电信号进行差分、功率放大、模数转化等操作，输出反映持气率信息的电压信号；

所述电源模块用于对所述集成传感器进行供电；

所述主控制器控制模块用于控制所述电导式传感器模块16的工作方式，依据频率信号同时获取流量与持水率信息；根据电容信号处理模块处理后的频率信号计算持水率；依据阵列式光纤探针的电压信号成像，并计算截面持气率。

在工作时，经过气液分离后，进行油水两相流持水率测量，首先将电导式传感器模块16调节成电导持水率监测传感器工作模式，对油水两相流全水相进行标定，即对电导持水率监测传感器进行标定，在水为连续相条件下，测量电极M2、M3间的电压幅度与经过电导持水率监测传感器流体的电导率成反比。设测量电极M2、M3的电导在油水混相时为G_m，全水时为G_w，混合相的电导率为σ_m，水的电导率为σ_w，混相时传感器输出频率为F_m(混相值)，全水值为F_w(全水值)，则

σ_m与σ_w之比由Maxwell公式给出：

式中，β为两相流中连续导电相的体积分数，在油水两相流中即为电导持水率h_i。

持水率是指井筒某处水相所占的体积百分比，式(2)中的全水值与混相值之比称为仪器相对响应，混相值在油水两相流体流过传感器时测得，全水值可通过传感器下接一取样器待油水两相分离后获得。

然后将电导式传感器模块16调节成电导相关流量监测传感器工作模式，把两路流动噪声信号进行互相关运算，互相关函数表达式为：

τ指的是上游传感器与下游传感器获取的信号的相似波形的时间间隔，是依据实际信号获取得到的；互相关函数的峰值代表着两路流动噪声信号的最大相似，它所对应的时间τ₀是流体流动噪声信号由上游到下游所经历的时间，称为渡越时间。

流量f为：

f＝(L/τ₀)*a_p (4)

式(4)中L为上下游距离，即电极M1、M2之间的中心到电极M3、M4之间的中心距离，a_p为电导相关流量监测传感器管道的横截面积。

所述电容传感器模块测量部分的原理是将油水比例与电容量建立关系表达式(5)从而得到持水率信息。电容激励模块开启，产生电容激励源，确保电容传感器正常工作；电容信号处理模块对其频率信号进行滤波等处理；当电容传感器置于全油相环境时输出频率为F_co；当电容传感器置于全水相环境中时输出频率为F_cw；当电容传感器置于待测油水两相流体中时，输出频率为F_c，设定电容传感器的内绝缘层的半径为R₀，金属层内径R₁，外绝缘层内径R₃，金属外壳内径R₂，绝缘材料的相对介电常数为ε_r1，金属层与金属外壳的电介质的相对介电常数为ε_r2，油相的相对介电常数为ε_oil，水相的相对介电常数为ε_water，真空的介电常数为ε₀；

通过流体电容确定流体持水率为：

其中，上式中y_w即表示油水两相流中的电容持水率h_c。

所述阵列式光纤传感器模块15，经过含有微量气相的油水两相流流体时，阵列式光纤探针检测到气相介质时，输出高电平电压信号；当对液相介质检测时，输出低电平电压信号；依据气液相不同响应，采用图像处理方法获取截面持气率h_g估计值。

如图5所示为应用上述基于陆面气液分离的集成传感器的持水率测量系统，包括井口管道1、一号电磁阀2、二号电磁阀3、三号电磁阀4、入口管道5、气液分离罐6、排气设备7、集成传感器8和出口管道9；

所述入口管道5和所述出口管道9分别连通至所述井口管道1，所述井口管道1上位于所述入口管道5和所述出口管道9的连接孔之间的位置设置所述一号电磁阀2，所述入口管道和所述出口管道上分别设置所述二号电磁阀3和所述三号电磁阀4；所述入口管道5连通至所述气液分离罐6，所述集成传感器8设置于所述气液分离罐6内部，所述集成传感器8与所述出口管道相连通，所述气液分离罐6顶部设置于所述出口管道9相连通的所述排气设备7；

当所述持水率测量系统不工作时，所述二号电磁阀3与所述三号电磁阀4关闭，所述一号电磁阀2打开；当所述持水率测量系统开始工作时，所述二号电磁阀3与所述三号电磁阀4打开，所述一号电磁阀2关闭，油气水三相流经由入口管道进入所述气液分离罐6，绝大部分气体由所述排气设备7排放到所述出口管道9中，含有微量气相的油水两相流由所述气液分离罐6进入所述集成传感器8中进行持水率测量。

如图6-7所示，本发明还提供了一种基于陆面气液分离的低气量油水持水率矫正方法，采用了上述集成传感器，包括如下过程：

采用所述电容传感器模块对气液分离处理后的含有微量气相的油水两相流进行持水率测量，根据电容信号获取电容持水率h_c；

采用所述电导式传感器模块对气液分离处理后的含有微量气相的油水两相流进行监测，根据电导式信号获取电导持水率h_i和流量f；

采用所述阵列光纤传感器模块对气液分离处理后的含有微量气相的油水两相流进行监测，采用图像处理方法获取截面持气率h_g估计值；具体的，结合了多近邻插值成像方法与区域识别图像处理方法获取截面持气率h_g估计值；

将电容持水率h_c与电导持水率h_i作为信息源，通过数据融合获取融合持水率h_m；

将融合持水率h_m和截面持气率h_g作为特征参数，构建持水率矫正模型

h_w表示矫正后的持水率。

进一步地，所述阵列式光纤传感器模块采用的获取截面持气率h_g估计值的方法具体包括以下步骤：

步骤S1：所述绝缘杆与所述内绝缘筒之间的空隙划分为n层环状空间；

步骤S2：将每层环状空间中的所述光纤探针的测量点进行插值增加至m个，插值增加的测量点为插值点；

步骤S3：采用多近邻插值方法对插值点进行虚拟数据估计，虚拟数据估计依据近邻点加权进行，数据估计的结果依据近邻点进行插值点的响应数据进行估算；将近邻点个数设置为m个，近邻点选取规则为：靠近插值点距离最近的实际测量点，且近邻点位于插值点所在环状空间的邻近层，每层环状空间内只选取一个近邻点；插值点的多近邻插值规则为Z_i＝α₁Z₁+α₂Z₂+α₃Z₃+α₄Z₄，其中Zi、Z1、Z2、Z3、Z4分别代表实际测量点的电压信号；权重α₁,α₂,α₃,α₄根据所述电导式传感器模块获取的流量f选取，在管道中流量不同，气体在管道中的分布有差别，依据这种差别确定权重大小；

步骤S4：对实际测量点和插值点的响应信号进行成像；

步骤S5：对成像的气相分布图形进行区域识别，获取截面持气率估计信息。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种基于陆面气液分离的低气量油水持水率矫正方法，其特征在于，包括如下过程：

采用电容传感器模块对气液分离处理后的含有微量气相的油水两相流进行持水率测量，根据电容信号获取电容持水率h_c；

采用电导式传感器模块对气液分离处理后的含有微量气相的油水两相流进行监测，根据电导式信号获取电导持水率h_i和流量f；

采用阵列光纤传感器模块对气液分离处理后的含有微量气相的油水两相流进行监测，采用图像处理方法获取截面持气率h_g估计值；

将电容持水率h_c与电导持水率h_i作为信息源，通过数据融合获取融合持水率h_m；

将融合持水率h_m和截面持气率h_g作为特征参数，构建持水率矫正模型

h_w表示矫正后的持水率；

采用的基于陆面气液分离集成传感器，包括同轴设置的电导式传感器模块、电容传感器模块和阵列光纤传感器模块；

所述电容传感器模块由外到内分别为金属外壳、外绝缘筒、金属层和内绝缘筒；

所述电容传感器模块中心设置绝缘杆，所述电导式传感器模块位于所述绝缘杆一端，所述电导式传感器模块包括六个电极环；

所述阵列光纤传感器模块固定于所述绝缘杆的另一端，所述阵列光纤传感器模块包括阵列式光纤探针，所述阵列式光纤探针位于所述绝缘杆与所述内绝缘筒之间的空隙中，所述阵列式光纤探针包括若干个光纤探针，所有所述光纤探针的测量点均位于同一个截面，所述截面为所述电容传感器模块的径向截面；

所述绝缘杆与所述内绝缘筒之间的空隙划分为n层环状空间，以所述截面中心为基点将所述截面划分为圆心角为360/m的m个扇形区域，所述光纤探针的测量点均位于扇形区域的分隔线上，且每层环状空间内有m/2个所述光纤探针的测量点，同一层环状空间内的相邻两个所述光纤探针的测量点与所述截面的中心构成的夹角为180/m，相邻的两层环状空间内所述光纤探针的测量点的总数为m个；所述光纤探针的总数为(m/2)×n；其中n≥1,n∈N^*；m≥1,m∈N^*。

2.根据权利要求1所述的基于陆面气液分离的低气量油水持水率矫正方法，所述阵列式光纤传感器模块采用的获取截面持气率h_g估计值的方法具体包括以下步骤：

步骤S1：所述绝缘杆与所述内绝缘筒之间的空隙划分为n层环状空间；

步骤S2：将每层环状空间中的所述光纤探针的测量点进行插值增加至m个，插值增加的测量点为插值点；

步骤S3：采用多近邻插值方法对插值点进行虚拟数据估计，虚拟数据估计依据近邻点加权进行，将近邻点个数设置为m个，近邻点选取规则为：靠近插值点距离最近的实际测量点，且近邻点位于插值点所在环状空间的邻近层，每层环状空间内只选取一个近邻点；插值点的多近邻插值规则为Z_i＝α₁Z₁+α₂Z₂+α₃Z₃+α₄Z₄，其中Zi、Z1、Z2、Z3、Z4分别代表实际测量点的电压信号；权重α₁,α₂,α₃,α₄根据所述电导式传感器模块获取的流量f选取；

步骤S4：对实际测量点和插值点的响应信号进行成像；

步骤S5：对成像的气相分布图形进行区域识别，获取截面持气率估计信息。

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