兩相流環(huán)形空間集總傳感系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種兩相流環(huán)形空間集總傳感系統(tǒng)，用于測量豎直管道自下而上流過的兩相流，包括變徑絕緣插入體(2)，分布式圓形電導(dǎo)陣列探針(1)，鑲嵌在插入體上的相關(guān)測速電極(3，4)，變徑絕緣插入體自下而上依次為細徑段(8)，過渡段(9)及粗徑段(10)構(gòu)成；在細徑段(8)內(nèi)部固定有4個環(huán)形的相關(guān)測速電極，兩個相關(guān)測速電極分布在上游，另外兩個相關(guān)測速電極分布在下游；分布式圓形電導(dǎo)陣列探針(1)由兩個或兩個以上的局部探針構(gòu)成，各個局部探針均勻排布在所述豎直管道的同一截面上，均固定在所述豎直管道的管壁內(nèi)側(cè)。本發(fā)明有響應(yīng)速度快，安裝簡便，測量較為準確的優(yōu)點。
【專利說明】兩相流環(huán)形空間集總傳感系統(tǒng) 所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種兩相流環(huán)形空間集總傳感系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 中國油田儲集層中多為陸相碎屑巖沉積，其儲集層無論是縱向還是橫向非均質(zhì)性 都比國外海相沉積為主的儲集層要復(fù)雜得多。從新投入開發(fā)的油田狀況來看，新探明儲量 品味降低，低滲、特低滲油田儲量所占比重較大。從已開發(fā)油田現(xiàn)狀看，總體上已進入高含 水、高采出程度階段，主力老油田大多數(shù)已進入或是接近特高含水的開發(fā)后期，其油井低滲 低產(chǎn)及高含水生產(chǎn)特性尤為顯著。
[0003] 對于井內(nèi)局部流速及局部濃度分布非均勻流動條件，國外開始采用多個局部流量 及含水率傳感器，并分布在流動截面不同位置，通過分布式測量方法獲取油水分相流量。然 而，國外油井產(chǎn)出剖面測試技術(shù)是以非集流連續(xù)測量為主，儀器直徑通常較大，僅適用于高 產(chǎn)液自噴井，但在國內(nèi)大多機械采油井中難以推廣使用。國內(nèi)油井產(chǎn)液剖面測試技術(shù)主要 采用集流型渦輪流量計與電容或電導(dǎo)傳感器組合測量方法及電導(dǎo)相關(guān)流量測量方法，通過 組合儀在油水兩相流模擬井動態(tài)試驗響應(yīng)特性，建立總流量及分相流量測井解釋圖版。
[0004] 然而，由于低流速高含水油水相間滑脫效應(yīng)非常嚴重，其分散相呈非均勻分布及 隨機運動特征，致使目前環(huán)形電導(dǎo)式傳感器或過流式電容傳感器對含水分辨非常有限，遠 沒有達對低流速稀相含率測量的精度要求，尚需對傳感器類型及其電極幾何特性進行全新 優(yōu)化設(shè)計，以保證傳感器對測量場域內(nèi)的油泡存在有較高測量分辨率。
[0005] 要了解低產(chǎn)液高含水油井各層生產(chǎn)狀況，目前油井動態(tài)監(jiān)測產(chǎn)出剖面測井儀器尚 未達到產(chǎn)出剖面測試精度要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種兩相流環(huán)形空間集總傳感系統(tǒng)。本發(fā)明 的集總傳感系統(tǒng)基于電學(xué)敏感原理設(shè)計，針對垂直管內(nèi)兩相流非均勻分布及隨機運動特 征，旨在利用環(huán)形空間內(nèi)分布式圓形電導(dǎo)陣列探針可實現(xiàn)復(fù)雜流動條件下的分相含率（即 分相體積流量與總體積流量之比）測量，利用環(huán)形空間內(nèi)上下游相關(guān)測速電極可實現(xiàn)兩相 流相關(guān)速度測量。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種兩相流環(huán)形空間集總傳感系統(tǒng)，用于測量堅直管道自下而上流過的兩相流， 包括變徑絕緣插入體（2)，分布式圓形電導(dǎo)陣列探針（1)，鑲嵌在插入體上的相關(guān)測速電極 (3,4)，其中，變徑絕緣插入體（2)由三段構(gòu)成，自下而上依次為細徑段（8)，過渡段（9)及粗 徑段（10)構(gòu)成；
[0008] 在細徑段（8)內(nèi)部固定有4個環(huán)形的相關(guān)測速電極，兩個相關(guān)測速電極分布在上 游，另外兩個相關(guān)測速電極分布在下游，Ei和E 2分別表示上游和下游激勵電極，Mi和M2分 別表示上游和下游測量電極；
[0009] 分布式圓形電導(dǎo)陣列探針（1)由兩個或兩個以上的局部探針構(gòu)成，各個局部探針 均勻排布在所述堅直管道的同一截面上，均固定在所述堅直管道的管壁內(nèi)側(cè)，分別用于各 自所處位置附近流體的分相含率信息檢測；
[0010] 每個局部探針包括外部筒狀激勵電極（11)、內(nèi)部柱狀測量電極（12)及中間絕緣 介質(zhì)組成，局部探針與管壁接合處采用弧形設(shè)計，貼合在管壁上。
[0011] 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：
[0012] (1)本發(fā)明涉及的兩相流集總傳感系統(tǒng)基于電學(xué)敏感原理設(shè)計，具有響應(yīng)速度快， 安裝簡便的優(yōu)點。
[0013] (2)本發(fā)明中兩相流流體可被導(dǎo)流到變徑環(huán)形空間，使流體運動速度加快，從而降 低油水相間滑脫效應(yīng)，提高兩相流分相含率的測量精度；另外，變徑絕緣插入體鑲嵌有上游 和下游環(huán)形電導(dǎo)相關(guān)測速電極，可實現(xiàn)環(huán)形空間內(nèi)兩相流相關(guān)速度測量。
[0014] (3)本發(fā)明圓形電導(dǎo)探針幾何尺寸小，可有效提高其對分散油滴的空間分辨能力， 從而提高低流速稀相含率測試精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是圓形電導(dǎo)陣列探針、相關(guān)測速電極、變徑絕緣插入體在管道上的三維排布 圖
[0016] 圖2是圖1的二維視圖
[0017] 圖3是絕緣插入體的三維視圖
[0018] 圖4是圓形電導(dǎo)探針的三維視圖
[0019] 圖5是圓形電導(dǎo)探針的正視圖及其待優(yōu)化幾何尺寸
[0020] 圖6是相關(guān)測速電極三維視圖
[0021] 圖7是ANSYS有限元分析軟件中待掃掠剖分流體的源面剖分圖
[0022] 圖8是圓形電導(dǎo)陣列探針及流體的三維有限元剖分圖
[0023] 圖9是管內(nèi)流體的三維映射網(wǎng)格剖分圖
[0024] 圖10是靈敏度計算中待考察流體截面的三維映射網(wǎng)格剖分圖
[0025] 圖11是靈敏度計算中待考察流體截面的各單元編號
[0026] 圖12是圓形電導(dǎo)探針的靈敏度分布圖
[0027] 圖13是圓形電導(dǎo)探針結(jié)構(gòu)優(yōu)化中測量電極直徑對有效信息量的影響
[0028] 圖14是圓形電導(dǎo)探針結(jié)構(gòu)優(yōu)化中絕緣層厚度對有效信息量的影響
[0029] 圖15是圓形電導(dǎo)探針結(jié)構(gòu)優(yōu)化中激勵電極厚度對有效信息量的影響
[0030] 圖16是圓形電導(dǎo)探針及上下游相關(guān)測速電極的信號調(diào)理及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
[0031] 圖17的4個圖分別是圓形電導(dǎo)陣列各個的探針對相含率的測量響應(yīng)特性
[0032] 圖18是圓形電導(dǎo)陣列探針對相含率的平均測量響應(yīng)特性
[0033] 圖19是相關(guān)測速電極的測量響應(yīng)波形圖
[0034] 圖20是相關(guān)測速電極測量響應(yīng)的互相關(guān)函數(shù)波形
[0035] 圖中標號說明：
[0036] 1圓形電導(dǎo)探針；2變徑絕緣插入體；3下游相關(guān)測量電極；4上游相關(guān)測量電極； 5固定支架；6固定及引線支架；7有機玻璃管道；8插入體的細徑段；9插入體的過渡段；10 插入體的粗徑段；11圓形電導(dǎo)探針的激勵電極；12圓形電導(dǎo)探針的測量電極；13激勵電極 引出的導(dǎo)線；14測量電極引出的導(dǎo)線；15用于計算傳感器靈敏度的流體截面；16圓形電導(dǎo) 探針的正對扇形區(qū)域

【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的進行詳細的描述。本發(fā)明包括
[0038] (1)兩相流環(huán)形空間集總傳感系統(tǒng)由變徑絕緣插入體，分布式圓形電導(dǎo)陣列探針， 鑲嵌在插入體上的相關(guān)測速電極構(gòu)成，如圖1所示。絕緣插入體分為三部分，即細徑段，過 渡段及粗徑段，如圖3所示。每個局部探針均由外部筒狀激勵電極、內(nèi)部柱狀測量電極及中 間絕緣介質(zhì)組成，如圖4所示，其中E表示激勵電極，連接20kHz正弦電壓激勵信號，Μ表示 測量電極，連接信號調(diào)理電路。導(dǎo)電電極均由不銹鋼材料制成。各局部圓形電導(dǎo)探針在管 道上均勻排布，分別用于各自所處位置附近流體的相含率信息檢測。為保障分布式圓形電 導(dǎo)陣列探針不干擾管內(nèi)流體流動特性，局部探針與管壁接合處采用弧形設(shè)計，如圖4所示。 相關(guān)測速電極如圖6所示，Ei和Ε 2分別表示上游和下游激勵電極，Mi和Μ2分別表示上游和 下游測量電極。
[0039] (2)兩相流局部圓形電導(dǎo)探針采用外部電極激勵、內(nèi)部電極接收的測量模式，可有 效擴大每個局部探針的有效檢測區(qū)域，同時避免每個局部探針的檢測場串擾問題。
[0040] (3)采用基于映射網(wǎng)格剖分的有限元方法，將傳感器有效信息量作為優(yōu)化指標，確 定最優(yōu)的局部圓形電導(dǎo)探針陣列的幾何尺寸，待優(yōu)化參數(shù)包括圖5所示的測量電極直徑d， 絕緣層厚度h，激勵電極厚度t 2。
[0041] 下面結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】該局部圓形電導(dǎo)探針幾何優(yōu)化方法的實施過程：
[0042] 兩相流相含率測量的有效性主要依賴于傳感器獲取流體有效分布信息的能力，這 種能力取決于傳感器空間靈敏度分布。在分布式圓形電導(dǎo)陣列探針靈敏場的計算中，首先 建立兩相流局部圓形電導(dǎo)探針陣列的有限元模型，并設(shè)置各實體的材料屬性及單元屬性， 包括水相電阻率1000Ω ·πι，油相電阻率1015Ω ·Π1，金屬電極電阻率1·724_8Ω ·Π1，單元屬 性設(shè)置為S0LID231 (即3維20節(jié)點電場實體）；然后，將管道內(nèi)流體的二維截面進行規(guī)則剖 分，形成圖7所示四邊形結(jié)構(gòu)，其中四邊形個數(shù)為300,采用映射剖分法將軸向長度為10cm 的三維流體剖分規(guī)則六面體單元，沿軸向方向剖分單元個數(shù)為39 ;隨后，采用自由剖分方 式對將其余實體剖分，最終剖分結(jié)果如圖8所示，其中流體的有限元剖分結(jié)構(gòu)如圖9所示； 設(shè)置每個局部探針激勵電極載荷為直流電流〇. 1mA，測量電極載荷為直流電流-0. 1mA，測 量電極邊界電壓設(shè)置為0V，通過對電場求解，提取純水情況下激勵電極的電壓Uw。
[0043] 圖9中15指示的位置為圓形電導(dǎo)探針陣列所處截面。圖10為提取的該截面的剖 分單元。圖11為上述單元的編號示意圖，其中編號最小值為320,最大值為11981，且呈等 差數(shù)列分布，編號間隔為39,單元個數(shù)為300。
[0044] 通過改變圖11所示截面中第k個單元的電阻率，即由水相電阻率1000 Ω ·πι改為 油相電阻率1015Ω ·πι，可計算此時激勵電極的電壓U(k)。由于檢測區(qū)域內(nèi)某位置處油相的 出現(xiàn)引起的激勵電極上電壓的變化可表示為：AU(k) = U(k)_Uw
[0045] 圓形電導(dǎo)陣列探針的單元靈敏度S(k)定義為

【權(quán)利要求】
1. 一種兩相流環(huán)形空間集總傳感系統(tǒng)，用于測量堅直管道自下而上流過的兩相流，包 括變徑絕緣插入體（2)，分布式圓形電導(dǎo)陣列探針（1)，鑲嵌在插入體上的相關(guān)測速電極 (3,4)，其中，變徑絕緣插入體（2)由三段構(gòu)成，自下而上依次為細徑段（8)，過渡段（9)及粗 徑段（10)構(gòu)成； 在細徑段（8)內(nèi)部固定有4個環(huán)形的相關(guān)測速電極，兩個相關(guān)測速電極分布在上游，另 外兩個相關(guān)測速電極分布在下游，Ei和E2分別表示上游和下游激勵電極，Mi和M2分別表示 上游和下游測量電極； 分布式圓形電導(dǎo)陣列探針（1)由兩個或兩個以上的局部探針構(gòu)成，各個局部探針均勻 排布在所述堅直管道的同一截面上，均固定在所述堅直管道的管壁內(nèi)側(cè)，分別用于各自所 處位置附近流體的分相含率信息檢測； 每個局部探針包括外部筒狀激勵電極（11)、內(nèi)部柱狀測量電極（12)及中間絕緣介質(zhì) 組成，局部探針與管壁接合處采用弧形設(shè)計，貼合在管壁上。
【文檔編號】E21B49/00GK104100260SQ201410322877
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】翟路生, 金寧德, 邊鵬, 張夢璘 申請人:天津大學(xué)