用于油?氣?水三相環(huán)流參數(shù)的測量方法及其傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于油?氣?水三相環(huán)流參數(shù)的測量方法及其傳感器，所述傳感器包括測量管和電極組；所述電極組至少為兩組，且呈相對的位置關(guān)系貼設(shè)在所述測量管的外壁，每組電極均包括一內(nèi)電極和一外電極，所述外電極環(huán)設(shè)于所述內(nèi)電極周圍，所述內(nèi)、外電極形成“回”字型結(jié)構(gòu)。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的用于油?氣?水三相環(huán)流參數(shù)的測量方法及其傳感器，通過優(yōu)化設(shè)計電容層析成像(ECT)傳感器電極結(jié)構(gòu)，控制測量的敏感場區(qū)間，可實現(xiàn)僅利用電容值，就計算出油?氣?水三相流的含水率及氣?液比。具體地，本發(fā)明傳感器的“回”字電極結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合單“回”字電極測量模式和相對電極組測量模式，可以實現(xiàn)對油?氣?水三相環(huán)狀流動關(guān)鍵參數(shù)的測量。
【專利說明】
用于油-氣-水三相環(huán)流參數(shù)的測量方法及其傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及油氣工業(yè)中油-氣-水三相流量參數(shù)的測量設(shè)備及方法的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于油-氣-水三相環(huán)流參數(shù)的測量方法及其傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]油-氣-水多相流是油氣工業(yè)中常見的流動介質(zhì)，其主要包含液態(tài)烴、天然氣以及礦化水。油-氣-水三相流量的在線實時準(zhǔn)確計量一直是油氣工業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，其對油氣藏的勘探與儲量監(jiān)測均具有重要意義。我國海上油氣工業(yè)中，長期使用傳統(tǒng)的集氣站對凝析天然氣進(jìn)行分離，再采用單相流量儀表對分離后的介質(zhì)進(jìn)行計量。這一做法雖可保證一定計量精度，但其弊端也十分明顯。分離計量站的建設(shè)不僅費用昂貴，更重要的是一個開采區(qū)塊一般僅能搭建一個分離計量站，該區(qū)塊中的眾多天然氣井的產(chǎn)量只能定期輪流進(jìn)行計量，進(jìn)而無法滿足石油公司對每一口井的產(chǎn)量信息進(jìn)行實時監(jiān)測的需求。因此，國內(nèi)外研究者一直希望研發(fā)一種能夠在非分離條件下對油-氣-水三相流量進(jìn)行準(zhǔn)確計量的工業(yè)技術(shù)。
[0003]電容層析成像(日ectrical Capacitance Tomography，ECT)是多相流測量的重要方法。其依賴布置于被測場域邊界的陣列電極獲取一系列的電容測量值，并利用電容測量值與被測場域內(nèi)介質(zhì)分布之間的關(guān)系進(jìn)行圖像的重建，得到被測場域內(nèi)介質(zhì)的分布圖像。而傳感器系統(tǒng)是ECT的硬件核心部分。目前，多數(shù)的傳感器設(shè)計只適用于兩相流的測量，或只能測量油-氣-水三相流的單個關(guān)鍵參數(shù)，如氣-液比值。而對于工程中普遍存在的油-氣-水三相環(huán)狀流動沒有適用的傳感器設(shè)計方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種用于油-氣-水三相環(huán)流參數(shù)的測量方法及其傳感器，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中沒有一種結(jié)構(gòu)簡單、適用的可以同時測量油-氣-水三相環(huán)流中各相參數(shù)傳感器及測量方法的技術(shù)問題。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是:提供一種用于油-氣-水三相環(huán)流參數(shù)測量的電容成像傳感器，所述傳感器包括測量管和電極組;所述電極組至少為兩組，且呈相對的位置關(guān)系貼設(shè)在所述測量管的外壁，每組電極均包括一內(nèi)電極和一外電極，所述外電極環(huán)設(shè)于所述內(nèi)電極周圍，所述內(nèi)、外電極形成“回”字型結(jié)構(gòu)。
[0006]根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例，所述傳感器包括8個電極組，所述8個電極組呈均勻陣列分布在所述測量管的外壁環(huán)周。
[0007]根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例，所述測量管的材質(zhì)具有絕緣密封特性。
[0008]根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例，所述測量管的材質(zhì)為聚醚醚酮。
[0009]根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例，所述電極組均采用銅箔或其它良導(dǎo)電金屬材料制作。
[0010]根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例，所述傳感器還包括支撐外殼，所述支撐外殼支撐設(shè)于所述測量管和所述電極組的外側(cè)，用于保護(hù)所述電極組，屏蔽雜散電容噪聲，以及將傳感器固定安裝于待測量管路中。
[0011]根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例，所述測量管的橫截面為圓形。
[0012]根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例，所述外電極沿測量管軸向延伸的長度與測量管內(nèi)直徑的比為1:1;所述內(nèi)電極和所述外電極的間隔距離為2mm。
[0013]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的另一個技術(shù)方案是:提供一種利用上述實施例任一項所述的傳感器測量油-氣-水三相環(huán)流參數(shù)的方法，所述方法包括:
[0014]利用單電極組測量模式獲得三相環(huán)狀流液中的油-水比參數(shù)；
[0015]利用至少一對相對設(shè)置的電極組測量模式獲得三相環(huán)狀流液中的氣-液比參數(shù)；
[0016]根據(jù)所述油-水比參數(shù)以及氣-液比參數(shù)計算得到三相環(huán)狀流液中各相含率。
[0017]根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例，所述利用單電極組測量模式獲得三相環(huán)狀流液中的油-水比參數(shù)的步驟中，采用內(nèi)電極作為激勵電極，外電極作為測量電極;所述利用至少一對相對設(shè)置的電極組測量模式獲得三相環(huán)狀流液中的氣-液比參數(shù)的步驟中，采用內(nèi)電極作為激勵電極，與其相對設(shè)置的另一電極組的內(nèi)電極作為測量電極，兩電極組的外電極分別接地。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明提供的用于油-氣-水三相環(huán)流參數(shù)的測量方法及其傳感器，通過優(yōu)化設(shè)計ECT傳感器電極結(jié)構(gòu)，控制測量的敏感場區(qū)間(sensing penetrat1n depth)，可實現(xiàn)僅利用電容值，就計算出油-氣-水三相流的含水率及氣-液比，具體地，本發(fā)明傳感器的“回”字電極結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合單“回”字電極測量模式和相對電極測量模式，可以實現(xiàn)對油-氣-水三相環(huán)狀流動關(guān)鍵參數(shù)的測量。
【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1是本發(fā)明用于油-氣-水三相環(huán)流參數(shù)測量的電容成像傳感器一優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖2是圖1實施例中傳感器帶有支撐外殼的結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0022]圖3是本發(fā)明油-氣-水三相環(huán)流參數(shù)測量方法一優(yōu)選實施例的流程示意圖；以及
[0023]圖4是圖3實施例中測量方法的具體步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。特別指出的是，以下實施例僅用于說明本發(fā)明，但不對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定。同樣的，以下實施例僅為本發(fā)明的部分實施例而非全部實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0025]請參閱圖1，圖1是本發(fā)明用于油-氣-水三相環(huán)流參數(shù)測量的電容成像傳感器一優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器包括但不限于以下結(jié)構(gòu)組成:測量管100和電極組200。
[0026]具體而言，電極組200至少為兩組，且呈相對的位置關(guān)系貼設(shè)在測量管100的外壁，每組電極均包括一內(nèi)電極210和一外電極220，外電極220環(huán)設(shè)于內(nèi)電極210周圍，內(nèi)、外電極形成“回”字型結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，內(nèi)電極210呈矩形結(jié)構(gòu)，外電極220呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)。電極組200通過信號傳輸線纜與外部ECT信號采集設(shè)備相連。
[0027]優(yōu)選地，該傳感器包括8個電極組200，且8個電極組呈均勻陣列分布在測量管100的外壁環(huán)周。電極組200優(yōu)選均采用銅箔材料制作，還可以為鈦合金箔或者鋁箔等。
[0028]調(diào)整電極組200的內(nèi)電極210、外電極220的貼放位置及貼片寬度，可以控制傳感器的探測感知深度，實現(xiàn)單“回”字電極組測量模式下僅測量環(huán)狀流液相中的油、水含率時，不受內(nèi)部氣相含量影響。進(jìn)一步優(yōu)選地，該外電極220沿測量管100軸向延伸的長度與測量管內(nèi)直徑的比為1:1;而內(nèi)電極210和外電極220的間隔距離為2mm。測量管100具體的尺寸可隨待測管路管徑的變化而設(shè)計，此處對測量管100的管徑具體值不做限定。
[0029]測量管100橫截面形狀可以為矩形、圓形以及不規(guī)則形狀等等，但是優(yōu)選為圓形。測量管100的材質(zhì)具有絕緣絕水特性，且優(yōu)選的材質(zhì)為聚醚醚酮(英文名稱POIy etherether ketone，簡稱PEEK)。當(dāng)然測量管100還可以為其他絕水絕緣材料，在本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解范圍之內(nèi)，可以自行選取，此處不再一一列舉。測量管100的壁厚可根據(jù)內(nèi)部多相流體壓力計算確定，此處亦不做具體限定。
[0030]請參閱圖2，圖2圖1實施例中傳感器帶有支撐外殼的結(jié)構(gòu)剖視圖，該傳感器還包括支撐外殼300，支撐外殼300支撐設(shè)于測量管100和電極組200的外側(cè)，用于保護(hù)電極組200，屏蔽雜散電容噪聲，以及將傳感器固定安裝于待測量管路中。圖中310為用于安裝的通孔。[0031 ]該實施例中的傳感器具有兩種測量模式:單電極組測量模式和相對電極組測量模式，兩種測量模式分別可以獲得三相環(huán)狀流液中的油-水比參數(shù)和氣-液比參數(shù)。在單電極組測量模式中，采用內(nèi)電極210作為激勵電極，外電極220作為測量電極;而相對電極組測量模式中，采用內(nèi)電極210作為激勵電極，與其相對設(shè)置的另一電極組的內(nèi)電極210作為測量電極，兩電極組的外電極220分別接地，用于增加內(nèi)電極210測量的線性度及敏感場均勻性。而具體的測量方法請參閱后續(xù)實施例的具體描述。
[0032]相較于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明提供的用于油-氣-水三相環(huán)流參數(shù)測量的電容成像傳感器，通過優(yōu)化設(shè)計E C T傳感器電極結(jié)構(gòu)，控制測量的敏感場區(qū)間(s e n s i n gpenetrat1n depth)，可實現(xiàn)僅利用電容值，就計算出油-氣_水三相流的含水率及氣-液比，具體地，本發(fā)明傳感器的“回”字電極結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合單“回”字電極測量模式和相對電極測量模式，可以實現(xiàn)對油-氣-水三相環(huán)狀流動關(guān)鍵參數(shù)的測量。
[0033]進(jìn)一步地，本發(fā)明實施例還提供一種用于油-氣-水三相環(huán)流參數(shù)的測量方法實施例，請參閱圖3，圖3是本發(fā)明油-氣-水三相環(huán)流參數(shù)測量方法一優(yōu)選實施例的流程示意圖。該方法包括但不限于以下步驟。
[0034]步驟S310，利用單電極組測量模式獲得三相環(huán)狀流液中的油-水比參數(shù)。
[0035]在步驟S310中，采用內(nèi)電極作為激勵電極，外電極作為測量電極。采用上述實施例中的8電極組結(jié)構(gòu)，可以有8個測量值，獲得油-氣-水三相環(huán)狀流動含水率關(guān)鍵參數(shù)。
[0036]步驟S320，利用至少一對相對設(shè)置的電極組測量模式獲得三相環(huán)狀流液中的氣-液比參數(shù)。
[0037]在步驟S320中，優(yōu)選采用4對電極組進(jìn)行測量(S卩8個相對內(nèi)電極)。共4個電容值，計算獲得油-氣-水三相環(huán)流的氣-液比關(guān)鍵參數(shù)。采用內(nèi)電極作為激勵電極，與其相對設(shè)置的另一電極組的內(nèi)電極作為測量電極，兩電極組的外電極分別接地，以提高內(nèi)電極的測量線性及敏感場均勻性。該步驟中，利用8組“回”字電極共計16個電極，可以測量獲得120個測量值，再經(jīng)Linear back-project1n(LBP)算法獲得油-水兩相流的定性圖像重建結(jié)果。
[0038]步驟S330，根據(jù)油-水比參數(shù)以及氣-液比參數(shù)計算得到三相環(huán)狀流液中各相含率。
[0039]請一并參閱圖4，圖4是圖3實施例中測量方法的具體步驟流程圖。該實施例中的測量方法，通過兩次測量可以獲得油-氣-水三相環(huán)狀流動關(guān)鍵參數(shù)。第一次測量采用單“回”字電極測量模式，通過內(nèi)電極激勵、外電極測量，內(nèi)電極采收電容測量值，再經(jīng)LBP算法獲得油-水兩相流的定性圖像重建結(jié)果，獲得測量環(huán)狀流液相中的油、水含率;第二次測量采用相對電極測量模式，利用8組“回”字結(jié)構(gòu)電極中一組內(nèi)電極激勵、相對組內(nèi)電極測量，外電極接地方式，結(jié)合第一次測量結(jié)果，獲得油-氣-水三相流動中各相的含率。
[0040]相較于現(xiàn)有技術(shù)，該方法利用結(jié)構(gòu)獨特的傳感器結(jié)構(gòu)，可以很容易的測量出油-氣-水三相環(huán)狀流液中各相的含率參數(shù)。具有很高的實用價值。
[0041]以上所述僅為本發(fā)明的實施方式，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種用于油-氣-水三相環(huán)流參數(shù)測量的電容成像傳感器，其特征在于，所述傳感器包括測量管和電極組;所述電極組至少為兩組，且呈相對的位置關(guān)系貼設(shè)在所述測量管的外壁，每組電極均包括一內(nèi)電極和一外電極，所述外電極環(huán)設(shè)于所述內(nèi)電極周圍，所述內(nèi)、外電極形成“回”字型結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器包括8個電極組，所述8個電極組呈均勻陣列分布在所述測量管的外壁環(huán)周。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述測量管的材質(zhì)具有絕緣密封特性。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于，所述測量管的材質(zhì)為聚醚醚酮。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述電極組均采用銅箔或其它良導(dǎo)電金屬材料制作。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器還包括支撐外殼，所述支撐外殼支撐設(shè)于所述測量管和所述電極組的外側(cè)，用于保護(hù)所述電極組，屏蔽雜散電容噪聲，以及將傳感器固定安裝于待測量管路中。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述測量管的橫截面為圓形。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述外電極沿測量管軸向延伸的長度與測量管內(nèi)直徑的比為1:1;所述內(nèi)電極和所述外電極的間隔距離為2mm。9.一種利用權(quán)利要求1-8任一項所述的傳感器測量油-氣-水三相環(huán)流參數(shù)的方法，其特征在于，所述方法包括: 利用單電極組測量模式獲得三相環(huán)狀流液中的油-水比參數(shù)； 利用至少一對相對設(shè)置的電極組測量模式獲得三相環(huán)狀流液中的氣-液比參數(shù)； 根據(jù)所述油-水比參數(shù)以及氣-液比參數(shù)計算得到三相環(huán)狀流液中各相含率。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述利用單電極組測量模式獲得三相環(huán)狀流液中的油-水比參數(shù)的步驟中，采用內(nèi)電極作為激勵電極，外電極作為測量電極;所述利用至少一對相對設(shè)置的電極組測量模式獲得三相環(huán)狀流液中的氣-液比參數(shù)的步驟中，采用內(nèi)電極作為激勵電極，與其相對設(shè)置的另一電極組的內(nèi)電極作為測量電極，兩電極組的外電極分別接地。
【文檔編號】G01F1/56GK106092225SQ201610362533
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】李軼
【申請人】清華大學(xué)深圳研究生院, 深圳市聯(lián)恒星科技有限公司