基于多截面阻抗式双差压长腰内锥的多相流测量方法

摘要

本发明属于流体测量技术领域，涉及基于多截面阻抗式双差压长腰内锥的多相流测量方法，采用的传感器包括锥体节流件、收缩压降差压变送器、永久压损差压变送器，电学敏感传感器，该测量方法包括下列步骤：采集由锥体节流件产生的两对差压信号；利用电学敏感传感器采集电信号；按照单节流件的双差压模型，计算总质量流量、各相质量流量及各相质量含率；根据差压信号和电信号测量数据，利用支持向量机实现流型的分类、识别与预判，测混合流体介电常数采用电容模型，测混合流体电导率采用电导率模型，计算油气水三相流的过程参数。本发明不受多相流连续相是否导电的影响，具有测量精度高、可靠性高、可获取测量信息多等特点。

主权项

1.一种基于多截面阻抗式双差压长腰内锥的多相流测量方法，采用的传感器包括锥体节流件、收缩压降差压变送器、永久压损差压变送器，电学敏感传感器，所述的锥体节流件为一种长腰内锥节流装置，由前段圆锥体、作为锥体腰部的中段柱状体、后段圆锥体三段构成，通过支架同轴固定于管道中心，与管道的管壁形成环形流通空间；所述的收缩压降差压变送器的两个取压孔，一个设置在锥体节流件上游处，另一个设置在环形流通空间处或锥体尾部；所述的永久压损差压变送器的两取压孔分别设置在锥体节流件上游和下游压力恢复处；所述的电学敏感传感器包括四组分布在环形流通空间不同截面上的电极，该四组电极中有两组电极的结构和空间排列方式均相同，用于检测多相流的电导率，称为电阻电极对，另外两组电极的结构和空间排列方式均相同，用于检测多相流的介电常数，称为电容电极对；每组电极由一个或一个以上的内电极和一个或一个以上的外电极构成，内电极固定在锥体腰部表面，外电极固定在管道内壁；测量时一次选通位于同一个截面上的一个内电极和其对应的外电极分别作为激励/测量电极与接地电极，该测量方法包括下列步骤：1)采集由锥体节流件产生的两对差压信号：收缩压降差压信号Δp和永久压损差压信号δp；2)利用电学敏感传感器采集电信号；3)按照下面的单节流件的双差压模型，得到总质量流量、各相质量流量、各相质量含率与相含率之间的关系式：a.根据公式$W_{\mathrm{mtp}1}=\frac{ϵC_1{A}_0}{\sqrt{1-{\beta }^4}}\sqrt{2\mathrm{\Delta p}{\rho }_g}$和$W_{\mathrm{mtp}2}=\frac{{\mathrm{ϵC}}_{2}A}{\sqrt{1-{\beta }^4}}\sqrt{2\mathrm{\delta p}{\rho }_g},$计算出等效质量流量W_mtp1、W_mtp2，式中，ε为可膨胀性系数，C₁为以收缩压降差压信号Δp为差压信号标定出的流出系数、C₂为以永久压损差压信号δp为差压信号标定出的流出系数，A₀为环形流通空间的流通面积，A为管道流通面积，β为流通截面的等效直径比，ρ_g为气相密度；b.将公式相比，计算L-M参数χ，式中，为两相流乘子，W_mg为气相质量流量，a₁，b₁，a₂，b₂为标定试验参数；c.根据公式得到气相质量含率x、液相质量含率1-x与截面含油率α_o、截面含水率α_w、截面含气率α_g之间的关系式，式中，为两相流乘子，ρ_g为气相密度，ρ_l为液相密度，α_o为截面含油率、α_w为截面含水率、α_g为截面含气率，ρ_o为油相密度，ρ_w为水相密度；d.根据公式$\begin{array}{c}{W}_{\mathrm{mg}}=\frac{ϵC_1{A}_0}{\sqrt{1-{\beta }^4}}·\frac{\sqrt{2\mathrm{\Delta p}{\rho }_g}}{a_1\frac{1-x}{x}\sqrt{{\rho }_g/{\rho }_l}+b_1}\\ W_{\mathrm{ml}}=\frac{ϵC_1{A}_0}{\sqrt{1-{\beta }^4}}·\frac{\sqrt{2\mathrm{\Delta p}{\rho }_g}}{{\alpha }_1\sqrt{{\rho }_g/{\rho }_l}+b_1\frac{x}{1-x}}\\ W_m=\frac{ϵC_1{A}_0}{\sqrt{1-{\beta }^4}}·\frac{\sqrt{2\mathrm{\Delta p}{\rho }_g}}{{\alpha }_1(1-x)\sqrt{{\rho }_g/{\rho }_l}+b_{1}x}\end{array}$得到气相质量流量W_mg、液相质量流量W_ml、总质量流量W_m与截面含油率α_o、截面含水率α_w、截面含气率α_g之间的关系式；4)根据差压信号和电信号测量数据，进行流型的分类、识别与判断，判断出流体中连续相是导电相还是非导电相；5)根据连续相是否是导电相，采用不同的计算模型计算油气水三相流的过程参数，如果连续相是非导电相，采用的计算模型如下：a.根据电容电极对采集的电压信号，计算混合流体的介电常数ε_m；b.已知油相介电常数ε_o、水相介电常数ε_w及气相介电常数ε_g，根据公式$\sqrt{{ϵ}_m}={\phi }_g\sqrt{{ϵ}_g}+(1-{\phi }_g)({\phi }_w\sqrt{{ϵ}_w}+{\phi }_o\sqrt{{ϵ}_o}),{\alpha }_o{\rho }_o+{\alpha }_w{\rho }_w+{\alpha }_g{\rho }_g=\frac{W_m^2(1-{\beta }^4)}{2{(ϵ·C_1{A}_0)}^2\mathrm{\Delta p}},$$\begin{array}{c}{\phi }_g=\frac{1}{1+(1-{\alpha }_g)·V_w/{\alpha }_g{V}_g}\\ {\phi }_o=\frac{1}{1+(1-{\alpha }_o)·V_w/{\alpha }_o{V}_o}\end{array}$和α_o+α_w+α_g＝1计算出截面含油率α_o、截面含水率α_w和截面含气率α_g，式中ε_m为混合流体的介电常数，ρ_o、ρ_w、ρ_g为油相密度、水相密度、气相密度，φ_o、φ_w、φ_g分别为油相、水相、气相的体积含率；c.将上一步求出的各相截面含率代入步骤3)的c步和d步所确定的两个关系式，计算总质量流量、各相质量流量及各相质量含率；d.根据公式计算出混合流体的总体积流量Q_v，式中，ρ_m为流体混合密度；e.根据公式$\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{vo}}={\phi }_o{Q}_v\\ Q_{\mathrm{vw}}={\phi }_w{Q}_v\\ Q_{\mathrm{vg}}={\phi }_g{Q}_v\end{array}$计算油相体积流量Q_vo、水相体积流量Q_vw和气相体积流量Q_vg；f.根据公式$\begin{array}{c}{V}_o=\frac{Q_{\mathrm{vo}}}{{\alpha }_o{A}_0}\\ V_w=\frac{Q_{\mathrm{vw}}}{{\alpha }_w{A}_0}\\ V_g=\frac{Q_{\mathrm{vg}}}{{\alpha }_g{A}_0}\end{array}$计算油相流速V_o、水相流速V_w和气相流速V_g，式中，A₀为环形流通空间的流通面积，α_o为截面含油率，α_w为截面含水率，α_g为截面含气率；若连续相为导电相，采用的计算模型如下：a.根据电阻电极对采集的电压信号，计算混合流体的电导率σ_m；b.已知水相电导率σ_w，根据公式${\alpha }_o{\rho }_o+{\alpha }_w{\rho }_w+{\alpha }_g{\rho }_g=\frac{W_m^2(1-{\beta }^4)}{2{(ϵ·C_1{A}_0)}^2\mathrm{\Delta p}},$α_l+α_g=1和计算出截面含油率α_o、截面含水率α_w和截面含气率α_g，式中，σ_m为油水气混合电导率；c.将上一步求出的各相截面含率代入步骤3)的c步和d步所确定的两个关系式，计算出总质量流量、各相质量流量及各相质量含率；d.根据公式计算出混合流体的总体积流量Q_v，式中，ρ_m为流体混合密度；e.根据公式$\begin{array}{c}{Q}_{\mathrm{vo}}={\phi }_o{Q}_v\\ Q_{\mathrm{vw}}={\phi }_w{Q}_v\\ Q_{\mathrm{vg}}={\phi }_g{Q}_v\end{array}$计算油相体积流量Q_vo、水相体积流量Q_vw和气相体积流量Q_vg；f.根据公式$\begin{array}{c}{V}_o=\frac{Q_{\mathrm{vo}}}{{\alpha }_o{A}_0}\\ V_w=\frac{Q_{\mathrm{vw}}}{{\alpha }_w{A}_0}\\ V_g=\frac{Q_{\mathrm{vg}}}{{\alpha }_g{A}_0}\end{array}$计算油相流速V_o、水相流速V_w和气相流速V_g。