多相流段塞流及混状流液膜厚度分布式超声测量装置的制作方法

本发明涉及油井气水/油气水多相流段塞流及混状流超声传感器持气率测量方法。

背景技术：

气水/油气水多相流流普遍存在于油气开采过程中，为了提高原油采收率，准确实现油井产出剖面动态监测对油藏管理及优化油井生产动态具有重要意义。在水为连续相的油井气水/油气水多相流流动过程中，当含气率较高时，混合流体中的气泡逐渐聚并为体积较大的气塞，由于气相与液相之间的滑脱效应显著，气塞周围形成脱落的液膜，为确定此时持气率，需准确测得气塞周围液膜厚度。传统液膜厚度测量主要针对环状流时流体流动过程中气芯周围的液膜(theuseofwireprobesforthemeasurementofliquidfilmthicknessinannulargas-liquidflows.canadianjournalofchemicalengineering,2010,56(6):754-757)，由于段塞流及混状流呈现为气塞与液塞交替出现的拟周期运动，伴随气塞运动会形成不稳定的液膜运动。目前，少有的对段塞流液膜厚度测量的装置(experimentalstudyofthefallingfilmofliquidaroundataylorbubble.internationaljournalofmultiphaseflow,2017,88:133-141.)，也仅仅监测了单一位置处气塞周围液膜厚度的变化，尤其是，对于极不稳定的混状流流动结构气塞周围液膜厚度测量装置未见公开报导。众所周知，气水/油气水多相流段塞流及混状流气塞周围液膜厚度在周向方向呈非均匀分布，单一位置处的测量结果不足以反映液膜的平均厚度信息。

技术实现要素：

本发明提出一种分布式超声传感器气水/油气水多相流段塞流及混状流液膜厚度测量装置。通过每个超声传感器超声反射回波时间提取液膜厚度信息，实现多相流液膜厚度分布式平均测量。

本发明提供了一种气水/油气水多相流段塞流及混状流液膜厚度的分布式超声测量装置，具有测量精度高、适用范围广、成本较低等优点，可实现液膜厚度的实时动态监测。技术方案如下：

一种多相流段塞流及混状流液膜厚度分布式超声测量装置，所采用的分布式超声传感器，在集流后小管径测量管壁内开设三个相互之间成120°夹角，深度为2.5mm，直径为6mm的超声探头安装孔，用于放置三路双晶超声探头，将安装孔前方的管壁打穿，形成深度为h＝2.5mm，直径r＝6mm的测量拓延区，以提高气液界面超声反射时间测量的准确性；测量电路包括脉冲激励模块、高速采集模块、信号调理模块、网络传输模块与fpga控制模块，在fpga的控制下，脉冲激励模块以频率为1khz的高压脉冲激励超声探头，在超声脉冲发射后，超声探头将接收到的回波信号转换为电信号，经调理模块进行放大后，利用高速采集模块以40mhz的频率对超声回波信号进行单元采样，最后在fpga的控制下通过千兆网络传输到上位机。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明设计的分布式超声传感可减小液膜周向非均匀性对平均液膜厚度测量的影响，提高液膜厚度测量准确度。

(2)本发明设计的液膜厚度测量装置适用于小管径内(20mm)气水/油气水多相流段塞流及混状流条件下液膜厚度的有效测量。

(3)本发明设计的分布式超声传感系统采用单元采样方式，在不丢失有效信息的前提下，缩减了传输数据量，降低了数据传输成本。

(4)本发明设计的分布式超声传感系统可实现井下液膜厚度的实时在线测量，具有精度高、响应速度快、适用范围广等优点。

附图说明

图1是分布式超声传感器几何参数结构图：(a)装置图；(b)截面图。

图2是分布式超声传感器系统结构图。

图3是气液两相流不同流体结构流经测量区域时的超声传感器的回波信号。

图4是气液两相流段塞流及混状流流型时根据超声回波信号提取的单个超声探头位置处瞬时液膜厚度随时间的变化。

图5是气液两相流段塞流及混状流流型时根据分布式超声传感器回波信号计算得出的周向平均液膜厚度。

图6是静态条件下分布式超声传感器测量的由不同介质构造的液膜厚度。

图7是油气水三相流不同流体结构流经测量区域时的超声传感器的回波信号。

图8是油气水三相流段塞流及混状流流型时单个超声探头根据超声回波信号提取的单个超声探头位置处瞬时液膜厚度随时间的变化。

图9是油气水三相流段塞流及混状流流型时根据分布式超声传感器回波信号计算得出的周向平均液膜厚度。

图中标号说明：

1有机玻璃管道；2、3、4双晶超声探头；5超声探头声波脉冲发射晶体；6超声探头声波脉冲接收射晶体；7隔音棉；8脉冲激励源；9信号调理模块；10高速ad采集模块；11网络传输模块；12网络连接线；13脉冲激励源控制信号。

具体实施方式

为实现气水/油气水多相流段塞流及混状流气塞周围周向液膜厚度的准确测量，本发明采用分布式超声传感器测量气塞周围液膜在周向方向的平均厚度。在测量方式上，在集流型测井仪器小管径(内径20mm)测量管道管壁内嵌入三个相互之间成120夹角的双晶超声探头，可实时测得不同位置处的液膜厚度。在传感器几何结构优化设计上，以提高超声传感器灵敏度为主线，综合考虑传感器工作环境与装置成本，优化了超声探头的频率与尺寸，最终实现气水/油气水多相流中液膜厚度的高精度测量。

本发明的特点在于设计分布式超声传感器获取气水/油气水多相段塞流流动过程中气塞周围液膜周向的平均厚度，将优化设计后的三路超声探头嵌于管壁中，通过测量超声脉冲波的反射回波时间得到液膜厚度信息。

结合附图说明该分布式超声传感器液膜厚度测量方法具体实施过程：

多相流流动管道内径d＝20mm，本发明涉及的分布式超声传感器如图1所示。三个超声发射/接收探头均匀分布在管道同一截面上，相互之间成α＝120°夹角，由于液膜厚度过小时，回波信号与发射波信号重叠，且回波信号能量较低，受噪声影响严重，为了提高测量准确性，将超声探头镶嵌于管壁上，且在探头前方留有深度为h＝2.5mm的测量拓延区，超声探头为双晶探头，两晶体间加有隔音棉减弱相互的影响，可以实现单一探头同时接受与发生超声波。双晶超声探头几何参数如下：探头直径为d＝6mm，超声波发射频率ft＝5mhz。

本发明的分布式超声传感器系统如图2所示，由超声发射/接收探头、激励信号发生器和调理模块、fpga控制模块与上位机组成。超声探头为双晶探头，两晶体间加有隔音棉减弱相互的影响，直径为6mm，频率为5mhz。脉冲激励源在fpga(altrea，ep4ce6e22c8)的控制下产生幅值为100v频率为1khz的高压电脉冲激励超声探头的发射晶体，产生频率为5mhz的脉冲超声波；超声脉冲在气液界面发生反射，探头将接收到的超声回波转变为电信号，通过信号调理模块进行放大后，利用采样频率为40mhz的高速ad采集模块转换为数字信号并传送到fpga中，fpga通过千兆位以太网将信号传输到上位机，上位机通过下式计算出液膜厚度δ：

式中，t为超声脉冲的回波时间，cl为水中的声速，h为测量拖延区深度。为了方便数据的传输与计算，采集每次激励信号后的40微秒内超声探头接收到的回波信号，称之为测量单元。在不丢失任何有效信息的同时的，又极大地降低了硬件的需求标准。

以上述方式测取每路超声探头位置处的实时液膜厚度，对其进行平均后获得周向方向液膜平均厚度δavg：

式中，δ1、δ2、δ3分别为不同位置处超声探头测得的液膜厚度。

实验验证与结果：

图3(a)～(c)是气液两相流流动过程中不同流体结构对应的超声传感器的回波信号。图3(a)为测量区域为纯水时40微秒测量单元内的超声信号，图3(b)为段塞流液塞流经测量区域时一个测量单元内的超声信号，此时超声回波是从管壁处反射得到的，图3(c)为段塞流气塞流经测量区域时一个测量单元内的超声信号，超声回波是从气液分界面反射得到的，不难看出，段塞流气塞经过测量区域时超声反射波的回波时间远小于液塞时的回波时间，可根据回波时间计算出瞬时液膜厚度。

图4(a)～(i)是气液两相流流型为段塞流及混状流流型时，通过测量每个测量单元内的超声回波时间，得到的单个超声探头处混合流体的液膜厚度随时间的变化，图4(a)～(f)中混合流体呈现气塞与液塞交替上升的结构，此时为典型段塞流流型，当液塞流经测量区域时，主要的回波是从管壁处反射得到的，此时液膜厚度值大都为管道内径d＝20mm，当气塞通过测量区域时，液膜厚度降低，超声回波是从气液分界面反射得到的，随着液相表观流速usl增大，段塞流中的气塞产生破裂、碰撞、聚合与变形,，演变为形状不规则的气块，流型过渡为混状流，如图4(g)～(i)所示，此时液膜的测量受气泡的影响较为严重，无法准确区分出混合流体中气块与连续水相，虽然存在以上问题，但超声回波信号依然能测得液膜结构，通过设置合适阈值，可提取混状流时混合流体的平均液膜厚度。可以看出，分布式超声传感器可以实时监测气液两相流混合流体流动过程中的液膜厚度变化。

图5为计算出每个超声探头位置处液膜厚度随时间的变化曲线后，提取每个工况下平均液膜厚度，当气相表观流速增大时，混合流体内的持气率增加，但对流体的湍动能量影响较小，流型结构变化不明显，所以平均液膜厚度随气相表观流速增大无显著变化，当液相表观流速增大时，流体的湍动能量逐渐增强，混合流体的持水率增多，气塞结构逐渐不稳定，周围脱落的液膜逐渐变厚，结果表明，分布式超声传感器可以准确测得不同流动工况下液膜平均厚度。

图6为分布式超声传感器在静态条件下对由不同液相含油率的油水混合液构造的液膜的测量结果，其中根据回波时间计算液膜厚度时，声速采用纯水时的声速，由于超声在油水混合液中的传播速度略小于纯水中速度，所以当液膜厚度较厚时，含油的液膜厚度测量结果与真实值有明显偏差，但当液膜厚度较小时，由于超声脉冲在液膜中的传播时间短，由声速造成的误差可忽略，三相流段塞流及混状流中液膜厚度较小，且含油率较低，根据静态测量结果，可忽略液膜中油相对声速的影响。

图7(a)～(c)为油气水三相流流动过程中不同流体结构对应的超声传感器的回波信号，其中图7(a)为段塞流液塞通过测量区域时一个测量单元内的超声回波信号，由于混合流体中存在两种分散相，增大了超声波在穿过流体时发生的散射效应，造成超声波的严重衰减，故此时无回波信号；图7(b)为段塞流气塞经过测量区域时，超声波的回波信号；图7(c)为高含油率时气塞经过测量区域时，超声波的回波信号。

图8(a)～(i)为油气水三相流流型为段塞流及混状流流型时，通过测量每个测量单元内的超声回波时间，得到的单个超声探头处混合流体的液膜厚度随时间的变化，此时结果与气液两相流类似，可以看出，分布式超声传感器可以实时监测油气水相流混合流体流动过程中的液膜厚度变化。

在获得油气水三相流时每个超声探头位置处液膜厚度随时间的变化曲线后，提取每个工况下平均液膜厚度。图9(a)～(d)为不同工况下液相含油率fo分别为5％、10％、15％、20％时液膜的平均厚度，不难看出，不同液相含油率时液膜的平均厚度差异不大，表明分布式超声传感器可以准确测得油气水三相流不同流动工况下液膜平均厚度。