2)基于脈沖透射式貼片形超聲傳感器響應(yīng)信號(hào)可提取油氣水三相流（泡狀流、 段塞流和混狀流）持氣率；基于帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器響應(yīng)信號(hào)，并利用 Maxwell方程可提取油氣水三相流持水率；基于插入式電導(dǎo)傳感器上下游電極測(cè)取的相關(guān) 信號(hào)，通過(guò)計(jì)算兩列相關(guān)信號(hào)互相關(guān)函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的渡越時(shí)間，根據(jù)相關(guān)電極之間的間距， 最后，可計(jì)算出油氣水三相流相關(guān)流速。
[0029] (3)在以上測(cè)取油氣水三相分相持率（持氣率、持水率、持油率）及相關(guān)流速基礎(chǔ) 上，采用三相流運(yùn)動(dòng)波傳播速度模型及漂移流動(dòng)模型，最終實(shí)現(xiàn)三相流總流量及分相流量 預(yù)測(cè)。（朱雷，油水兩相流總流量及分相流量測(cè)量方法，博士學(xué)位論文，天津大學(xué)，2014)
[0030] 下面結(jié)合【附圖說(shuō)明】該油氣水三相流流動(dòng)參數(shù)聲電傳感器組合測(cè)量方法具體實(shí)施 過(guò)程：
[0031] (1)構(gòu)建油氣水三相流聲電傳感器組合系統(tǒng)。
[0032] 油氣水三相流聲電傳感器組合系統(tǒng)中涉及的脈沖透射式貼片形超聲傳感器結(jié)構(gòu) 如圖2所示，其中，超聲換能器壓電晶片幾何參數(shù)如下：壓電晶片厚度為t = 2_，壓電晶片 直徑為Φ = 5mm，超聲波發(fā)射頻率fT= 1MHz。該脈沖式貼片形超聲傳感器采用諧振頻率 相應(yīng)的觸發(fā)電脈沖作為激勵(lì)源，由于逆壓電效應(yīng)，發(fā)射端壓電晶體把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動(dòng)， 進(jìn)而產(chǎn)生一定頻率聲波信號(hào)；由于壓電效應(yīng)，接收端壓電晶片將接收到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化成 相應(yīng)電脈沖信號(hào)，通過(guò)采集該電脈沖信號(hào)可獲得油氣水三相流持氣率信息。
[0033] 油氣水三相流聲電傳感器組合系統(tǒng)中涉及的帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感 器結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中，E表示激勵(lì)電極，R表示接收電極，S表示兩對(duì)聚焦電極正端，G表 示兩對(duì)聚焦電極負(fù)端。三對(duì)電極均光滑地內(nèi)嵌在管壁上，電極均由不銹鋼材料制成?；⌒?對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器電極結(jié)構(gòu)參數(shù)選為：電極高度均為h = 1mm，電極張角均為P = 45，電極 間距為s = 2mm〇
[0034] 油氣水三相流聲電傳感器組合系統(tǒng)中涉及的插入式電導(dǎo)傳感器陣列結(jié)構(gòu)如圖4 所示，它是由圓柱形絕緣插入體、一對(duì)上游相關(guān)測(cè)速電極及一對(duì)下游相關(guān)測(cè)速電極構(gòu)成。絕 緣插入體采用有機(jī)玻璃制成，兩對(duì)相關(guān)測(cè)速電極采用不銹鋼制成。插入式電導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu) 參數(shù)選為：絕緣插入體直徑d = 10mm，長(zhǎng)度為1 = 200mm，電極高度為1mm，電極間距S2 = 10mm，上下兩對(duì)相關(guān)電極之間距離S3= 30臟，上游相關(guān)電極至絕緣插入體前端之間距離S i =100mm〇
[0035] (2)設(shè)計(jì)的油氣水三相流聲電傳感器組合系統(tǒng)安裝在油氣水三相流待測(cè)小管道內(nèi) (內(nèi)徑20mm)，當(dāng)油氣水三相流流過(guò)待測(cè)管段時(shí)，可獲取組合測(cè)量系統(tǒng)中的各傳感器響應(yīng)信 號(hào)。
[0036] (3)提取脈沖透射式貼片形超聲傳感器的最大值時(shí)間序列：1)發(fā)射端壓電晶片T 每產(chǎn)生一個(gè)超聲脈沖，接收端壓電晶片R會(huì)收到多個(gè)電脈沖信號(hào)，記錄其中的最大脈沖峰 值，進(jìn)而基于記錄的多個(gè)最大脈沖峰值構(gòu)成最大值時(shí)間序列；2)利用泡狀流持氣率Yg模型
計(jì)算持氣率，其中，A。為全水時(shí)的超聲信號(hào)平均值，A為有分散相 存在時(shí)的超聲信號(hào)平均值，散射系數(shù)Θ = 74927,傳播距離L = 0. 02m，超聲波的波數(shù)為η =418667 ;3)將段塞流及混狀流條件下測(cè)得的超聲傳感器最大值時(shí)間序列分離為連續(xù)液 相對(duì)應(yīng)的泡狀流及氣塞（氣塊）對(duì)應(yīng)的純氣相，其中，純氣相部分持氣率視為1，泡狀流部分 利用上述模型可提取連續(xù)液相中的持氣率，連續(xù)液相及氣塞（氣塊）兩部分綜合平均可得 段塞流或混狀流的平均持氣率。
[0037] (4)根據(jù)帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器響應(yīng)信號(hào)，提取水為連續(xù)相的油氣 水三相流無(wú)量綱電導(dǎo)
其中，V"f為參考電阻兩端測(cè)量電壓，V "為傳 感器兩端的測(cè)量電壓，為純水時(shí)參考電阻兩端測(cè)量電壓，^為純水時(shí)傳感器測(cè)量電壓； 然后，利用Maxwell方程計(jì)算出油氣水三相流視持水率值。
[0038] (5)根據(jù)插入式電導(dǎo)傳感器上下游測(cè)量電極獲取的相關(guān)波動(dòng)信號(hào)，再通過(guò)兩列相 關(guān)波動(dòng)信號(hào)計(jì)算互相關(guān)函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的渡越時(shí)間，就可得到油氣水三相流相關(guān)流速。
[0039] (6)在測(cè)取上述油氣水三相流分相持率（持氣率、持水率、持油率）及相關(guān)流速基 礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)優(yōu)化方法辨識(shí)出油氣水三相流運(yùn)動(dòng)波傳播速度模型及漂移流動(dòng)模型中的流 型參數(shù)（相分布系數(shù)及泡徑指數(shù)），最后，預(yù)測(cè)油氣水三相流總流量及分相流量。
[0040] 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果：
[0041] 按照油氣水三相流流動(dòng)參數(shù)聲電傳感器組合測(cè)量方法的具體實(shí)施過(guò)程，獲得水為 連續(xù)相時(shí)的油氣水三相流泡狀流、段塞流及混狀流三種流型下的總流量及分相含率預(yù)測(cè)結(jié) 果。此處，僅給出段塞流條件下的總流量及分相含率預(yù)測(cè)結(jié)果，分別如圖5和圖6所示，其 中Qt為模擬井配比總流量，2廣為該發(fā)明油氣水三相流流動(dòng)參數(shù)聲電傳感器組合測(cè)量方法 預(yù)測(cè)的總流量，1、&及1( w分別為油氣水三相流模擬裝置配比標(biāo)定給出的含氣率、含油率及 含水率，夂f、￡廠及尤廣分別為該發(fā)明油氣水三相流流動(dòng)參數(shù)聲電傳感器組合測(cè)量方法 預(yù)測(cè)出的含氣率、含油率及含水率結(jié)果，f為平均絕對(duì)相對(duì)誤差?？梢钥闯?，該發(fā)明油氣水 三相流流動(dòng)參數(shù)聲電傳感器組合測(cè)量方法對(duì)水為連續(xù)相的油氣水三相流總流量及分相含 率均具有較好的預(yù)測(cè)精度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種油氣水三相流流動(dòng)參數(shù)聲電傳感器組合測(cè)量方法，用于在內(nèi)徑20mm的小管徑 內(nèi)的以水為連續(xù)相的油氣水三相流相關(guān)速度及分相持率的測(cè)量，采用插入式電導(dǎo)傳感器進(jìn) 行油氣水三相流相關(guān)流速測(cè)量，采用帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器進(jìn)行油氣水三相 流持水率測(cè)量，采用透射式超聲傳感器進(jìn)行油氣水三相流持氣率測(cè)量，最后實(shí)現(xiàn)總流量及 分相流量預(yù)測(cè)，方法如下： (1) 按自下而上依次順序地安裝在垂直小管道內(nèi)：脈沖透射式貼片形狀超聲傳感器， 帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器和插入式電導(dǎo)傳感器； (2) 利用透射式超聲傳感器提取油氣水三相流持氣率，其發(fā)射端和接收端均為貼片 狀，發(fā)射端面與小管道內(nèi)壁盡量保持光滑，當(dāng)油氣水三相流流過(guò)超聲傳感器時(shí)，采集超聲傳 感器輸出信號(hào)，并提取每個(gè)脈沖觸發(fā)周期內(nèi)的聲波首脈沖幅值最大值，即能量最大值作為 一次觸發(fā)采集到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)多次觸發(fā)采集，可獲取超聲傳感器接收端聲波脈沖最大值序 列； (3) 利用插入式電導(dǎo)傳感器，其包括插入體和鑲嵌在其外表面的電導(dǎo)傳感器，電導(dǎo)傳感 器包含兩組分別分布在上游和下游的電極，其中，插入體的作用是使其周圍的環(huán)形通道內(nèi) 局部流速及局部濃度非均勻分布程度得到顯著改善，進(jìn)而獲取高相似性的上游及下游測(cè)量 電極相關(guān)信號(hào)，達(dá)到三相流相關(guān)流速與實(shí)際總流速之間的有效相關(guān)；基于插入式電導(dǎo)傳感 器上下游電極測(cè)取的相關(guān)信號(hào)，通過(guò)計(jì)算兩列相關(guān)信號(hào)互相關(guān)函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的渡越時(shí)間， 根據(jù)相關(guān)電極之間的間距，計(jì)算出油氣水三相流相關(guān)流速。 (4) 基于帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器響應(yīng)信號(hào)，并利用Maxwell方程可提取 油氣水三相流持水率； (5) 實(shí)現(xiàn)三相流總流量及分相流量預(yù)測(cè)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的油氣水三相流流動(dòng)參數(shù)聲電傳感器組合測(cè)量方法，其特征在 于，在段塞流和混狀流條件下，通過(guò)獲取超聲傳感器接收端聲波脈沖最大值序列，測(cè)得的超 聲傳感器最大值序列中取值最小的部分與氣塞對(duì)應(yīng)，其余部分與液塞對(duì)應(yīng)，由此將超聲傳 感器最大值序列分離出氣塞部分對(duì)應(yīng)的聲波序列和液塞對(duì)應(yīng)的聲波序列；視氣塞部分對(duì)應(yīng) 的持氣率為100%，液塞部分對(duì)應(yīng)的持氣率可采用泡狀流持氣率計(jì)算模型提??；將氣塞部 分與液塞部分對(duì)應(yīng)的持氣率進(jìn)行綜合平均，獲得泡狀流、段塞流及混狀流三種流型下的持 氣率。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種油氣水三相流流動(dòng)參數(shù)聲電傳感器組合測(cè)量方法，方法如下：按自下而上依次順序地安裝在垂直小管道內(nèi)：脈沖透射式貼片形狀超聲傳感器，帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器和插入式電導(dǎo)傳感器；利用透射式超聲傳感器提取油氣水三相流持氣率；利用插入式電導(dǎo)傳感器獲得油氣水三相流相關(guān)流速；基于帶保護(hù)電極的弧形對(duì)壁式電導(dǎo)傳感器響應(yīng)信號(hào)，提取油氣水三相流持水率；實(shí)現(xiàn)三相流總流量及分相流量預(yù)測(cè)。本發(fā)明可對(duì)油氣水三相流進(jìn)行有效測(cè)量。
【IPC分類】E21B47/00, E21B49/08
【公開號(hào)】CN105275450
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510800312
【發(fā)明人】金寧德, 翟路生, 朱雷, 梁興賀
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開日】2016年1月27日
【申請(qǐng)日】2015年11月19日