（检测技术与自动化装置专业论文）阵列电导式测井传感器优化及电导波动信号分析.pdf

中文摘要 在纵向多极阵列电导式传感器优化的理论研究基础上，针对测井中油水两 相流参数测量的实际问题，对阵列电导式测井传感器进行了几何结构参数的优 化。首先采用有限元方法对传感器内部的电场进行了计算，利用轴向均匀度和径 向均匀度概念定量考察了管道内电场分布，确定了各个电极的高度和厚度以及激 励电极的间距。在此基础上；利用灵敏度概念，在固定激励电极间距不变情况下， 不断改变相含率及相关测速测量电极间距，计算得到了相含率及相关测速电极测 量区域内灵敏度分布特性，在保证测量区域内具有均匀灵敏度的前提下，初步确 定所研究传感器的结构尺寸。利用“总体信息量 、“有效信息量、“有效信息比 及“最优结构尺寸评判指标”对相含率测量电极之间的距离进行了详细考察，最 终确定了阵列电导式测井传感器几何尺寸优化结果。 基于大庆油田研制的电导传感器，在天津大学油气水三相流实验装置上采集 了集流后过流通道内电导波动信号。应用小波变换和混沌递归分析方法对集流管 道内非定常的气液两相流流型进行了表征分析，从多尺度及非线性信号分析的 角度研究了集流通道内非定常气液两相流流型的动力学特性。得到了各个尺度 下的混沌递归非线性分析结果，研究结果表明：采用多尺度非线性分析方法，气 液两相流电导波动信号能够较好地反映从低频段到高频段的气液两相流流动 特性，低频段具有较好的递归特性，表现为比较发育的线条纹理结构，而在高频 段又能反映各自的递归特性。 关键词：两相流，电导传感器优化，流型判别，小波分析，多尺度分析，递归 分析 a b s t r a c t a i m i n ga tt h em e a s u r e m e n tp r o b l e m so ft h eo i l w a t e rt w o p h a s ef l o wi nt h ew e l l l o g g i n g , t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fa nc o n d u c t a n c ep r o b ew e l ll o g g i n gs e n s o ra r e o p t i m i z e do nt h eb a s eo ft h et h e o r ys t u d yo fac o n d u c t a n c ep r o b ew i t hv e r t i c a l m u l t i e l e c t r o d ea r r a y ( v m e a ) f i r s t l y , t h ep a p e ru s e st h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t oc a l c u l a t et h ee l e c t r i cf i e l di n s i d et h es e n s o r t h ec o n c e p t i o no f a x i a lu n i f o r m d e g r e ea n dr a d i a lu n i f o r md e g r e ea r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h ed i s t r i b u t i o no ft h ee l e c t r i c f i e l di n s i d et h ep i p e l i n ea n dt h e nd e t e r m i n e st h eh e i g h ta n dt h i c k n e s so fe v e r y e l e c t r o d ea n dt h es p a c eb e t w e e nt h ee x c i t i n ge l e c t r o d e s b yi n t r o d u c i n gt h ec o n c e p to f s e n s i t i v i t y , t h es e n s i t i v i t yd i s t r i b u t i o no ft h ep h a s ev o l u m ef r a c t i o na n dm i x t u r e v e l o c i t ym e a s u r i n ge l e c t r o d e si n s i d et h ep i p e l i n ei sc a l c u l a t e db yf i x i n gt h es p a c e b e t w e e nt h ee x c i t i n ge l e c t r o d e sa n dc h a n g i n gt h es p a c eb e t w e e nt h eo t h e rt w o e l e c t r o d e s c o n t i n u o u s l y t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s o ft h es e n s o ra r eo b t a i n e d p r e l i m i n a r i l ya c c o r d i n gt o t h em e a s u r i n gs e n s o rh a st h ee v e ns e n s i t i v i t yi nt h e m e a s u r i n ga r e a s e c o n d l y , t h ec o n c e p t s o ft o t a li n f o r m a t i o nv o l u m e ，e f f e c t i v e i n f o r m a t i o nv o l u m e ，c o n c e n t r a t i o no fe f f e c t i v ei n f o r m a t i o na n di n t e g r a t i v ee v a l u a t i n g i n d i c a t o r sa r ea p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h es p a c eo ft h ep h a s ev o l u m ef r a c t i o ne l e c t r o d e f i n a l l yt h eo p t i m i z e ds t r u c t u r a 1p a r a m e t e r so ft h ec o n d u c t a n c ep r o b ew e l ll o g g i n g s e n s o ra r eo b t a i n e d 、t h ec o n d u c t a n c ef l u c t u a t i n gs i g n a l si nt h ec o n c e n t r a t i n gf l o wc h a n n e l sa r e a c q u i s i t e di nt h eo i l g a s w a t e rt h r e e - p h a s ee x p e r i m e n td e v i c eo ft i a n j i nu n i v e r s i t yb y u s i n gd a q i n gc o n d u c t a n c et y p el o g g i n gt 0 0 1 t h ef l o wt y p eo fu n s t e a d yg a s l i q u i d t w o p h a s ei nt h ec o n c e n t r a t i n gf l o wc h a n n e l si sc h a r a c t e r i z e db ya p p l y i n gt h ew a v e l e t t r a n s f o r ma n dc h a o t i cr e c u r r e n c ea n a l y s i sm e t h o d t h ed y n a m i cc h a r a c t e ro fu n s t e a d y g a s l i q u i dt w o - p h a s ei nt h ec o n c e n t r a t i n gf l o wc h a n n e l si si n v e s t i g a t e di nt h e v i e wo f m u l t i - s c a l ea n dn o n l i n e a ra n a l y s i sa n do b t a i n st h er e s u l t so fc h a o sr e c u r r e n c ea n a l y s i s i ne a c hs c a l e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h eg a s l i q u i dt w o - p h a s ec o n d u c t a n c e f l u c t u a t i n gs i g n a l sc o u l dr e f l e c tt h et w o - p h a s ef l o wc h a r a c t e r so fg a s l i q u i df r o ml o w f r e q u e n c yt oh i g hf r e q u e n c yb yu s i n gt h em u l t i s c a l en o n l i n e a ra n a l y s i sm e t h o d t h e a l lf l o wp a t t e r n st a k eo nt h eg o o dr e c u r r e n c ef e a t u r ea n dr e c u r r e n c ep l o t sb e h a v et h e d e v e l o p m e n tl i n et e x t u r es t r u c t u r ei nl o wf f e q u e n c y w h i l et h ed i f f e r e n tf l o wp a u e m s r e p r e s e n td i f f e r e n tf e a t u r e si nh i g hf r e q u e n c yr e c u r r e n c ep l o t s k e yw o r d s ：t w o p h a s ef l o w , o p t i m i z a t i o no fc o n d u c t a n c es e n s o r , f l o w p a t t e ni d e n t i f i c a t i o n ，w a v e l e ta n a l y s i s ，m u l t i s c a l ea n a l y s i s ，r e c u r r e n c ea n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：关乞彳磊 签字日期： 内年多月，知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存j 汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：昊亏伯 导师签名： 签字日期：叮年多, e l 加e l 金亨像 签字日期：叼年f 月如日 第一章绪论 1 1 两相流检测意义 第一章绪论 多相流流动体系在石油、化工、原子能、管道运输、冶金及医学等工业领域 中均具有十分重要的研究价值，其参数的测量对国民经济和工业生产都具有非常 重要的意义。同时多相流动体系是一个复杂的非线性动态系统，由于相间存在着 相对速度和界面效应，导致多相流参数检测的难度比较大，当今在国内外，也是 一个急待发展的探索研究领域。多相流动体系，一般是由两种连续介质和若干种 不连续的介质组成，其中连续介质被称为连续相，不连续的介质如水泡、气泡、 油滴及固体颗粒等称为分散相( 或非连续相) 。根据流体中包括物质数目的不同 多相流一般可以分为两相和三相流。根据多相流中介质的类型再划分，一般两相 流分为气液、气固、液固、液液( 如油水) 两相流；三相流分为气液 液、气液固三相流等。 两相流流动体系是自然界和工业中最普遍的一种现象，例如自然界的大漠扬 砂，江河中的泥砂俱下，以及空气中烟尘弥漫、雨雹交浸都是和人类生活相关的 两相流现象。两相流由两种组分构成，各组分之间存在着密度、粘度、电导率等 物理性质上的差异，在重力、压力、温度、各相流量及管道形状等诸多因素的作 用下两相流的各组分之间会产生滑脱及随机可变的相界面效应，因此其物理特性 和数学描述都比单相流检测复杂得多并且其参数的检测难度较大。要认清两相流 动体系的复杂现象，揭示两相流运动的机理，建立两相流动模型并对其流动过程 进行预测和控制，首先要解决的就是两相流检测技术的问题 1 - 3 1 。随着海洋石油 开采和海洋高技术的发展，尤其是混相增压和混相计量技术的需求，加之工业生 产过程中计量、节能和控制精度的提高，对于两相流参数检测的要求越来越迫切， 并且两相流参数检测技术还能为流体力学工作者提供强有力的试验手段，促进两 相流体力学理论的发展，为两相流动过程工艺设计提供理论依据【4 】。 1 2 两相流检测技术现状和趋势【5 1 随着工业生产规模的不断扩大，对提高产品质量，降低生产成本等提出了更 高的要求，同时对与工业生产密切相关的两相流参数测量问题的要求也日益提 第一章绪论 高，两相流流动参数的检测是一个难度较大、国内外都有待研究和探索的领域， 其发展现状可归纳为以下几个方面： 1 传统的两相流参数检测方法1 6 9 j ： 在对各类两相流的不同流型进行测量时，由于传统的单相流测量仪表工作可 靠，被许多应用者所熟悉，再根据被测对象工况配以合适的测量模型，能在一定 范围内解决许多两相流参数的测量问题。例如对于差压式流量计、涡轮流量计、 涡街流量计、电磁流量计以及科里奥利力流量计等，分别提出和建立了两相流量 模型，用于平均流量、分相流量、相含率等方面的测量。 2 基于新型传感技术的两相流动参数检测【胁1 2 】： 在近几十年来的两相流参数测试研究中，人们为了更准确的测量多相流管截 面上的相含率、局部相含率的轴向和径向分布、波动频率、各相速度和结构尺寸、 分相界面以及组分浓度及分布等信息，实现非接触、无扰方式的信息采集，将许 多新型传感技术和现代信号处理技术应用到两相流测量中。应用于两相流参数测 量的具体新型传感技术有：辐射线技术、静电技术、激光技术、光纤技术、核磁 共振技术、超声波技术、微波技术、光谱技术、新型示踪技术、相关技术、过程 层析成像技术、微电容测量技术、电导纵向多极阵列测量技术等。 3 应用软测量技术的软测量方法【1 3 - 1 5 】： 传统的建立在传感器等硬件基础上的各种现有测试手段，目前在多相领域还 未能获得令人十分满意的结果。因此从事多相流测试技术的工作者们开始探索， 拟把将成为二十一世纪研究热点的软测量技术引入多相流参数测试领域中来。所 谓软测量是利用较易在线测量的辅助过程变量和离线分析信息去估计不可测和 难测的过程参数的在线估计的方法。它通常建立在成熟的硬件传感器基础上，以 计算机技术为核心，通过建立模型运算处理而完成的。软测量技术在两相流中的 应用主要是将模糊数学、状态估计、过程参数辨识、人工神经网络、小波变换、 模式识别、近代谱估计、非线性科学等理论引入两相流参数测试领域中来，解决 具有复杂性、不确定性、且很难用数学模型精确描述的两相流系统的测试问题。 综上所述，多相流测试技术的发展趋势可归纳为以下几个主要方面【5 】： 1 将成熟的单相流参数测试方法与测量仪表相结合用于多相流参数检测。 2 借助于各种新技术( 激光技术、光谱技术、静电技术、微波技术、核磁 共振技术、全息技术、新型示踪技术等) 的发展，研制高灵敏度、准确度和高可 靠性的多相流传感器和参数检测仪表。 3 随着计算机技术和图象处理技术的发展，应用过程层析成像技术，对多 相流局部空间区域进行微观和瞬态的测量。 4 对目前已有相当基础的相关法和激光多普勒法等测试技术的应用进行完 2 第一章绪论 善和推广。 5 随着随机过程理论和信号处理技术的不断完善和发展，把应用数理统计、 过程辨识、参数估计和模式识别等理论和技术应用于多相流参数估计是一个很有 前途的研究方向。 6 对多相流动过程中参数测量系统的建模、特征参数的选取、对时变性的 自适应功能和动态跟踪能力等基础理论研究以及多相流参数校验标定手段和误 差分析等的基础方法研究正逐步发展起来。 1 3 两相流中主要参数 在两相流动体系中，由于相间存在物理性质的不同，在运动中分别呈现出不 同的运动状态和运动速度，致使相间存在相对速度和界面效应，两相流流动参数 在管内任一位置上都随时间变化，另外流动参数在管截面上分布也不均匀，因此 描述两相流的参数比单相流体复杂。 1 3 1 两相流流量参数 两相流体系中的流量参数分为两类，一种是两相质量流量即单位时间内流经 某一截面的两相流体的总质量，用表示： m m = 必+ ( 1 - 1 ) 其中尥为轻质相质量流量，m b 为重质相质量流量，为总质量流量；另外一种 是体积流量即单位时间内流经某一截面的两相流体的总体积，用表示： = 圪+ 圪 ( 1 2 ) 式中，圪为轻质相体积流量，圪为重质相体积流量，为总体积流量。 1 3 2 两相流速度参数 在两相流动体系中，不同相之间存在着相对运动，所以除了两相流混合流动 速度外，还有各个分相的实际速度、表观速度以及表征分相速度差异的相对速度、 分相实际速度比。 单位时间内通过管道截面的两相流体的总体积与管截面积的比值称为混合 速度： 矿 = 导 ( 1 - 3 ) 以 式中表示混合速度，a 表示管截面积。 单位时间内管道截面上通过的某一相的体积与其所占的管截面积之比为分 第一章绪论 相速度： 吃2 乏v ，= 毒 两相流的分相速度比之称为滑速比： s ：量 屹 滑脱速度是分相速度之差，即： 。 嘭= 艺一场 1 3 3 两相流浓度参数 ( 1 - 4 ) ( 1 5 ) ( 1 - 6 ) 两相流中两相之间不仅存在着速度的不同，在浓度方面也存在着差别，浓度 方面的参数主要有：截面相含率( 持率) 、容积相含率( 含率) 和质量相含率( 干 度) 。持率表示两相混合物中，在管道内的某一流动截面上，某相所占的截面积 与管截面面积的比值，如轻质相持率为： 胪焘( 1 - 7 ) 式中4 表示轻质相所占的管截面积，4 表示重质相所占的管截面积。含率表示 某相体积流量与两相混合物体积流量的比值即： 七：l( 】8 ) 4 r e + 虼 式中吒为轻质相含率，圪为轻质相体积流量，圪为重质相体积流量。干度，指单 位时间内流过管道截面的两相流总质量中轻质相所占的份额，可用z 表示如下： z = 丽m o ( 1 - 9 ) 式中心表示轻质相质量流量，表示重质相质量流量。 1 4 两相流流型 流型即两相流动介质的分布状况，其对诱相流动参数的准确测量、流动系统 的运动特征、两相流动的压力损失和传热传质等特性有着很大的影响，因此对两 相流型进行区分有着很大的意义，下面以气液两相管流为例介绍一下其典型流 型。 在垂直上升的管道中，典型流型可分为： 1 泡状流( b u b b l yf l o w ) ：气泡以不同尺寸的小气泡形式随机离散分布在 向上流动的液体中。显然，此时气体为离散相，而液体为连续相，随着气相速度 4 第一章绪论 的增加，气泡尺寸会不断增大。 2 段塞流( s l u gf l o w ) ：当气泡的浓度增高时，气泡聚合为直径接近于管 内径的塞状大气泡，气泡前端部分呈现为抛物线形状。这些塞状气泡之间可带有 小气泡状的液团，当大气泡快速上升时，液体在气泡与管内壁的间隙中流动。 3 混状流( c h u mf l o w ) ：当气泡速度进一步增大时，段塞流中的气泡速 度也随之增加并产生破裂、碰撞、聚合和变形，与液体混合成为一种不稳定的上 下翻滚的湍动混合物，此时气液两相均为离散相。 4 环状流( a n n u l a rf l o w ) ：液流沿着管道的内壁形成一层液体薄膜，而气 流则在管道中央流动。这样，气液两相都变成了连续相。在这种情况下，管道中 央的气体通常还夹带着一些液滴一起流动。 5 液丝环状流( w i s p y a n n u l a rf l o w ) ：当液体流动速度增加时，环状流中 气体内夹带的液滴浓度逐渐增大，最终聚合成一个个离散的团状液滴束，在中心 部分气核中呈现出不规则的长纤维形状。 它们的流型特点如图1 1 所示。 ( a ) 泡状流( b ) 段塞流( c ) 混状流 ( d ) 环状流( c ) 液丝环状流 图1 1 垂直上升气液两相流流型分类 目前，在工程上主要依靠流型图( f l o wp a t t e mm a p ) 确定流型。流型图是 通过流型实验或通过流型计算所取得的流型及其转变与各种参数的坐标关系。流 型图上的区域可以分别表示相应的流型，图中的分界线，是两种流型的转变区。 把这些分界线用流型图中的坐标参数拟和，则得到描述分界线的函数式，也称为 流型判别式。h e w i t t - r o b e r t s 2 】在1 9 6 9 年指出，垂直上升管中气液两相流的流 型可按图l 一2 所示的流型图来判定，其中横轴表示气相表面动量通量，纵轴代表 液相表面动量通量。 5 第一章绪论 ： ： 一 鲁 o 气 尽 h o h o _ 、 乜 1 01 0 21 0 31 0 1 0 5 1 0 厂4 丁0 1 1 0 1 1 04 1 1 0 f 0 _ 1 0 。1 l 。 l 。 p l t b ( 2 f t ) 图1 2h e w i t t - r o b e r t s 的垂直上升管中气液两相流的流型斟2 】 众多研究者对流型识别做出了很深入的研究，但是由于两相流动的情况比较 复杂，所以还存在着一些问题，比如：对流型的认识主要建立在主观的观察上； 对流型定义在目前还没有统一；对流型判别还停留在定性的判断上，定量的判定 还有待进一步的研究。 1 5 本课题主要研究内容及创新点 1 5 1 研究内容 对于测井工业中实际应用的电导测量方法来说，测量信号的准确性由电场的 分布特性来决定，同时电导式传感器的几何结构对电场的影响非常大，因此本课 题对电导式传感器的几何结构尺寸的优化方法进行了重点研究，拟采用有限元方 法对传感器进行建模并对管道内部电场进行定量分析，以使得阵列电导式测井传 感器对管道内测量区域有着较高的灵敏度和有效信息比。同时利用电导式传感器 优化的一个综合性能指标，对相含率电极的间距进行详细优化，通过对比两次优 化的结果，得到一种优化电导式传感器结构相对简单的方法。 本实验室2 0 0 6 年利用大庆油田电导式测井仪器在天津大学油气水三相流实 验室进行了集流管道内气液两相流动态实验，目的是考察集流型电导传感器与 涡轮流量计组合测量气液两相流的可行性。由于集流通道内两相流流型是在测量 6 o 旷 一o m 。 一m 第一章绪论 通道不足够长的情况下形成的，故气液两相流不能充分发展，此时的流态具有 非稳态性，属于非定常流型，且气液两相流集流后进入测量通道的流型无法目 测，故本文对测量的电导波动信号进行小波变换和各个尺度上的混沌递归分析， 以考察测量管道内部非稳态流型的特点。 1 5 2 创新点 1 针对测井工业中油水两相流参数测量的实际问题，利用最优结构尺寸 评判指标确定了阵列电导式测井传感器的最佳几何结构。 2 对目前大庆油田使用的电导式测井仪，在气液两相流动态实验的基础上， 采用多尺度非线性分析方法，对集流后过流通道内非定常气液两相流流型进行了 分析，研究结果表明：利用气液两相流电导波动信号可以有效地分析管道内非 定常流型演化特性。 7 第二章阵列电导式测井传感器优化 第二章阵列电导式测井传感器优化 本章优化了一种实用的阵列电导式测井传感器，优化目的是要找出电导式传 感器的最佳结构参数，并为下一步井下阵列电导式传感器设计奠定理论研究基 础。 2 1 电导法测量两相流的现状 电导法测量是一种基于电学特性的两相流测量方法，此方法的测量特点主要 是其测量对象中导电介质必须为连续相的两相混合流体。基于电导测量方法的研 究，在国内外许多研究割1 6 l7 】都进行了深入的研究和设计，对该方法的研究已经 达到了比较成熟的阶段。两相流的电导测量方法包括很多种，主要有探针法【1 8 1 、 平板电极法f 1 9 】、半圆环电极法【2 0 】、截面多电极法洲和纵向环形电极法【2 2 】等。 1 9 8 5 年a s a l i 2 3 】等人利用环形电极对垂直气液环状管流的液膜厚度和相界 面阻力进行了研究，第一次将环形电极应用在流体测量中；2 0 0 0 年l u c a s 摊5 1 研 究了六电极微型电导探棒传感器对液固两相流中的固体流速和固体粒度同时 进行了测量；2 0 0 2 年哈工大的刘兴斌【2 6 】在此基础上研究了一种可同时测量油 水两相流流量和含水率的电导式传感器的结构，这种传感器由六个圆形不锈钢电 极镶嵌在绝缘的管道内壁上构成，通过对传感器内上下游检测电极对所检测到的 流体流动噪声互相关运算来获取流量信息，含水率是通过油水混相的电导与其 中水相的电导相比来获得的。2 0 0 3 年本实验室研究人员提出了纵向八电极阵列 电导式两相流测量方法，并对该结构的传感器进行了详细的优化【l 们，在优化过程 中利用了灵敏度概念并提出了信息量概念和评判传感器最佳结构的综合指标，该 传感器是在管径为1 2 5 m m 的有机玻璃管的内壁上内嵌八个不锈钢圆形导电环， 其中一对为激励电极，一对为相含率测量电极，另外两对为相关测速电极。 本章在前人研究的理论基础上对一种用于井下的阵列电导式测井传感器进 行优化，该传感器应用于内径为1 2 5 m m 的管道内，传感器直径为2 8 m m ，八个 电极环依次镶嵌在聚四氟乙烯材质的绝缘棒上，应用时将其放置到管道内部，由 上下扶正器固定，可同时实现相含率和流量的测量。 8 第二章阵列电导式测井传感器优化 2 2 阵列电导式测井传感器的结构 由于在优化之前无法确定每个电极的参数，为此根据前人经验，大致确定了 一个比较合理的位置，通过有限元分析软件对其进行建模求解，其外形结构参数 示意图如图2 1 所示： 图2 - 1 阵列电导式测井传感器结构参数示意图 在图2 1 中，乙为激励电极之间的距离，z 西为相含率电极之间的距离，z c c 为两组相关测速电极之间的距离，d c c 为每对相关测速电极之间的距离，h e 为电 极的高度，给定管道内径d ，= 1 2 5 m m ，绝缘棒直径伤= 2 8 m m 。 2 3 传感器优化的主要步骤 文中对于传感器的优化主要分为以下几个部分： 1 利用有限元分析软件进行建模，考察不同的电极厚度对电场内电流密度 轴向分量的影响，并依此确定电极的厚度。 2 对管道内部的电场分布进行考察和分析，确定激励电极之间均匀段的长 度，再利用王俊【l o 】提出的轴向均匀度和纵向均匀度概念对电场分布进行详细的 考察，然后确定激励电极的高度及距离。 3 基于l u c a s 2 4 】提出的灵敏度的定义对电极阵列的相含率测量电极的空间灵 敏度分布进行了详细的优化，这在下文中将要介绍，并根据王俊【l o 】提出的三个 9 第二章阵列电导式测井传感器优化 指标；总体信息量、有效信息量及有效信息比对传感器进行进一步的研究，初步 确定相含率测量电极之间的距离。 4 利用传感器的综合性能评判指标计算出相舍率电极的最佳尺寸，井和第 三步确定的相含率测量电极之间的距离进行了比较。 5 根据第三步中的儿个指标对相关测速电极进行计算和优化。 2 4 激励电极的优化 两激励电扳施加电压之后，在电极的表面和流体的接触面上会产生表面电势 分布，上游激励电极表面电势为，下游激励电极表面电势为一西，并在管道内 产生敏感场，电场内部的电势分布采用l a p i a c e 方程进行描述。根据激励电极的 结构参数，确定l a 口l a c e 方程的边界条件为： 知，= 半华一丁hf ：t s z sz , + ：h , 。一半一半： 鲁= q导；( 2 - 1 ) u = 互手一t z + h ； u = 也， 一互手一一生手， 其中d 伪管道内径：伪为插入式传感器绝缘棒的直径：z e 为激励电极间距； 日为管道模型长度；f k 为激励电极的高度；r 为管道的径向坐标：为管道的轴 向坐标。由于模型非常复杂无法求出其解析解，所以下文中采用有限元仿真进 行计算。 本节所优化的参数主要有电极的厚度、高度，以及激励电极之间的距离。通 过a n s y s 通用有限元分析软件建立传感器的模型，剖分单元后，在激励电极上分 别施加+ i o v 和i o v 的电压( 本文在下游激励电极施自n - - i o v ，上游激励电极施 加+ i o v ) ，并对其进行求解，求出管道内各点的电压和电流密度值，再利用 m a t l a b 进行编程分析。 2 4 i 激励电极厚度的确定 对于激励电极的厚度的研究主要考察的指标主要有：两激励电极之间电流密 度轴向分量分布的均匀程度，仿真结果如图2 - 2 所示： 第二章阵列电导式测井传虐器优化 a ) 3 m mc o ) s t o r e ( c ) t m m 圈2 - 2 不同电极厚度的轴向电流密度分布 由图2 - 2 可见激励电极厚度越小，电流密度轴向分量均匀程度就越好，为此 在后继的仿真中选择了屯极的厚度为3 m m 。 2 4 2 激励电极高度的确定 在对激励电极的高度进行优化之前先考察一下在激励电极的作用下管道内 部电场的分布情况。这时只需考虑激励电极的作用，故不用对相含率测量电极和 相关测速电板进行建模，只对激励电极和管道建立模型。在这个过程中，采用= 维建模的方式建立模型由于该模型为轴对称模型，故在分析时只需选右半部分 实体进行建模。所建模型以及剖分后的图形如图2 - 3 ，该模型中激励电极之间的 距离预先选择1 8 0 m m ，图巾的面按照材料属性的不同进行编码，其中a 2 为激励 电极，其材料为不锈钢。电导率为5 0 0 s m m ；a 3 为管道内的液体，本文假定为 水，电导率为i s r a m ；a 1 为绝缘棒，其材料为聚四氟己烯，电导率为 0 0 0 0 0 0 ls m m 。 第二章阵列电导式测井传感器优化 图2 - 3 考察激励电极产生的电场分布所建的二维模型及剖分囤 经过a n s y s 进行计算得到模型内部各个点的电压值以及剖分后各个单元上 的电流密度值，利用m a t l a b 编程将以上数据以图形的形式进行表达，就得到了 管道内部电势分布图、电流密度轴向分量以及径向分量分布图。分别如图2 - 4 ， 2 - 5 2 - 6 所示： 图2 - 4 激励电极内部电势分布 2 - 5 激励电极内部电流密度轴向分量分布 圈2 - 6 激励电极内部电流密度径向分量分布_ 第= 章阵列电导式测井传感器优化 由图2 - 4 可以看出在一对撒励电极位置也就是z - - - - 9 0 n u n 和z = + 9 0 r a m 处 附近分布不均匀，分别出现r 两个峰值，分别为上游+ l o v 下游一i o v ，而在激 励电极内部区域近似呈线性均匀变化，激励电极外部区域则基本上变化不大，趋 于一平面；图2 5 中的电流密度轴向分量的分布图在激励电极位置附近出现了两 个突变，而在激励电极之间则存在一段变化不大的平稳区域，这个区域大概从z = 一8 0 m m 到z = + 8 0 r a m ，电极之外则趋向于零；图2 - 6 所示，电流密度径向分 量在电极位置附近亦发生突变但在其他区域q 接近于零，由此可以看出传感器 内部电流密度轴向分量的分布比较有规律，但由于管道直径较大，电流密度轴向 分量分布在管道内部场的条件下分布不均匀。这样的结果与王俊分析的内流式纵 向阵列传感器优化得到的管道内的电场分布规律非常相似，由此说明管道内电场 的大致分布规律与内流式还是外流式的模型关系不大，另外从以上三个图中也可 以初步确定下一步各个电极的结构参数的优化范围。 下面介绍一下激励电极高度的优化过程，主要有两个衡量指标：轴向均匀度 、径向均匀度置m 其定义式分别如下； 轴向均匀度： k = 1 0 0 ( 2 - 2 ) 镰 如= 躁排m 。 协” 其中曲图2 - 6 中激励电极之间电流密度均匀段的轴向长度，其相对误差用 下面的公式表示： = 二x 1 0 0 ( 2 1 4 ) j w 为轴向坐标z = o m m ，径向坐标r 靠近管道中心部放嚣的绝缘棒处的电流密度 轴向分量，文中取为r = 2 0 m m ；j a 为轴向坐标z = o ，径向坐标f 靠近管道内壁 赴的电流密度轴向分量，文中取为r = 6 0 m m 。 根据以上两个指标对激励电极的高度进行优化，分别将激励电极的高度取为 i m m 、3 m m 、5 m m 、7 m m 、l o m m 的情况下进行仿真计算，得到的结果如图2 - 7 及2 8 所示： 第二章阵列电导式测井传感器优化 图2 7 激励电极高度h e 对电流密度的影响图2 - 8 激励电极高度h e 对径向均匀度的影响 由图2 7 可以看出随着激励电极高度的增加，不管靠近内部绝缘棒处还是靠 近管道内壁的电流密度轴向分量都呈现递增的趋势，且a = l 时电流密度轴向分 量比a = o 5 时的电流密度轴向分量的值大，这是因为当流体的电导率增加时，激 励电极之间的流体等价的电阻值变小；在图2 - 8 中，径向均匀度随着电极高度的 增加呈现递减的趋势，从图中可以看出当h e = 5 7 m m 时变化比较平稳，据此确 定激励电极的高度为h e = 5 m m 。 2 4 3 激励电极之间距离的优化 激励电极之间距离的评价指标与电极高度的评价指标一样，由于乙过小时 会造成轴向电流密度分布的不均匀，但电流密度比较大，相反历过大时，情况 正好相反，于是取乃 6 0 r a m ，8 0 r a m ，l o o m m ，1 2 0 r a m ，1 4 0 r a m ，1 5 0 r a m ， h e = 5 m m 分别进行仿真比较，计算结果如图2 - 9 ，2 - 1 0 ，2 1 1 ，2 1 2 所示： 1 0 01 2 01 4 01 6 0 z a ( m m ) 图2 - 9 激励电极间距对电流密度的影响 1 4 1 0 01 2 01 4 01 6 0 压( 啊呻 图2 1 0 激励电极间距对轴向均匀度的影响 叮 弭 舵 n n n n n n n n lv)群隹嚣掣 第二章阵列电导式测井传感器优化 a 图2 - i i 激励电极间距对径向均匀度的影响 a 2 - 1 2 撇励电极间距对电场均匀段长度的影响 从图2 - 9 可以看出随着激励电极之间距离历的增加，电流密度随之减小， 这是因为当磊增加时，激励电极之间流体体积也随之增加，其等效电阻也相应 的增大，所以流过流体的电流会随之减小；而从图2 1 0 ，2 - i i ，2 1 2 可以看出， 压的增加使电场的均匀度得到了明显的改善。在比较激励电极间距对电场分布 影响的同时，也考察了流体的电导率变化对电场分布的影响，当流体的电导率增 加时，场内的电流密度会随之增加，均匀度以及均匀段的长度也随电导率的增加 而增加。但是从图2 - 1 i 中可以看出电导率的变化对电场径向均匀度x u d 的影响 不大，以上说明基于电场和流体电学特性的传感器在测量时不仅要受到流体流型 的影响，也要受到流体本身电学特性的影响。 由以上分析可以得知，当激励电极间距增加时，轴向均匀度以及径向均匀度 都得到了明显的改善，但是电流密度却呈现下降趋势，为了得到对阵列电导式测 并传感器的最优化结果，需要进一步考察电极对电场的灵敏度分布及信息量分 布。 2 5 相含率测量电极的优化 仅根据传感器内部电场的分布以及均匀度等概念还不能够确定阵列电导式 测井传感器的最佳结构尺寸，本节对相含率测量电极分两方面进行了研究，一方 面考察了相含率测量电极的空间灵敏度分布；另一方面考察了相含率测量电极从 流场中获得信息的能力。 2 5 1 相含率测量电极的灵敏度考察 衡量相古率电极优化的一个指标为电极的灵敏度1 婶“z h 其定义式如下 夕一户一 第一章阵列电导式测井传感器优化 y ( r ，z ) ：i o o a u ( r , z ) ( 2 5 ) 一一 u ( r ，z ) 1 帐 式( 2 - 5 ) 中，a u ( r ，z ) 为管道内任意轴向剖面中在坐标为( z ) 的位置放置一个绝 缘体后相含率测量电极输出的电压差的变化值。【a u ( r ，= ) 一为电压差a u ( r ，z ) 的最大值。 由于在相含率测量电极优化的过程中要在电场中放置一个不导电的小球，这 样就会导致整个模型的不对称性，故必须通l 业a n s y s 分析软件建立一个三维的传 感器模型，如图2 1 3 所示，此时的材料属性设置如下：各个电极，电导率为 5 0 0 s m m ：管道内的液体为水包油油水泡状两相流电导率为o5 s n u n ；绝缘 棒，电导率为0 0 0 0 0 0 1 s r m n 。通过a n s y s 分析计算得到电场内不放小球时相含率 测量电极之间的电压差为a u l ，然后在管道里放置一个绝缘小球，再得到此时相 含率测量电极之间的电压差u 2 ，由此可以得到a u ( r ，z ) = a 址叽再通过式 ( 2 - 5 ) 可以得到各个位置的灵敏度值， ： 丑 】= 0 习瓤二e 二：i 2 1 3 阵列电导式测井传感器模型 优化的目的就是使相含率测量电极之间的灵敏度尽量的高，并且各个位置的 灵敏度分布比较均匀，而使相台率电极之外的灵敏度尽可能低，本文所采用的方 法是固定一对激励电极距离，不断改变相含率电极之间的距离，分别得到不同 距离对相含率电极的灵敏度的影响，分别取盈= 1 0 0 时，z h = 6 0 ，8 0 ；z e = 1 2 0 时，动= s o ，9 0 ，1 0 0 1 ；z e = 1 5 0 时，z h = 8 0 ，9 0 ，1 0 0 ，1 1 0 - 1 2 0 ；z e - 1 8 0 时劫= f 8 0 ，9 0 ，1 0 0 ，1 1 0 ，1 2 0 ，1 4 0 ，l s o ：z e = - 2 0 0 时，动= 8 0 ，9 0 ，1 0 0 ， 1 1 0 ，1 2 0 ，1 4 0 ，1 5 0 ，1 8 0 j ；( 以上单位均为m m ) 进行相含率测量电极灵敏度 的训算并利用m a t l a b 作出相应的图形如图2 1 4 ，2 - 1 5 ，2 一1 6 ，2 - 1 7 ，2 一1 8 。 第一章阵列电导式测井倍感器优化 2 15 激励电极间距为1 2 0 r a m 时的灵敏度分布圈 第二璋阵列电导式测井传感器优化 。j m 1孱 4 1 l 髓囊妙弋 ” 。秀淬再话斋 ：j属1名 。j。j 刭馏多一i 1 _ 眵 薯：中而驴再万* 笱冲t f i i i 百了f 帆c ( l 日 扣1 印1 m ”j ：叁 ；l 一 鹜： f 巧磊f 而m 第一章阵列电导式测井传感器优化 女9 m 4 彳受蠡 酶毒，。 w 1叁 艇。 9 1孱 j 崎 笔电 万j 了而，。 第章阵列电导式测井传孵器优化 1 恍口瑚 2 1 8 激励电极间距为2 0 0 n n 时的灵敏度分柿圄 由于相含率测量电极沿轴向对称地放置，故在建模的过程中只考虑了小球放 置在一半区域时的情况。从每个图中都可以看到在相含率测量电极位置的附近 l i 现一个峰值，这个峰值随着相含率测量电极之间的距离的增加而增加，靠近电极 位置的灵敏度很高而远离电极的区域的灵敏度相对较低；同时，不同的相含率 测量电极拇距导致不同的灵敏度分布。在上述图中可以看到当盈= 1 2 0 m m tz h = 8 0 n u n ：z e = l5 0 m m z h 。9 0 r n m ：z e = 1 8 0 n u n ，拍- l o o m m ；z e = 2 0 0 m m ，2 h = 1 5 0 m m 和z h = 1 8 0 m m 时，相含率测量电极对管道内不同位置的灵敏度的差异很大，而 其他的尺寸则表现出比较均匀的变化。 工程实际测量中不仅要求相含率测量电极对不同的区域的灵敏度较高且均 匀分布，还要求测鼍电极输出的信号仅包含比较高的有用信息。为了进一步考察， 引用了特征灵敏度的概念，通过改变西和劢的值，得出特征灵敏度帆( l 0 ) 第二章阵列电导式测井传感器优化 随r 轴的变化规律图，如图2 1 9 ： # 图2 - 1 9 相含率测量电极