（检测技术与自动化装置专业论文）水平井产出剖面测井电导传感器几何结构优化.pdf

摘要 相持率是描述和分析油水两相流流动特性的基本参数。由于水平油水两相流 流型的多态性，传统应用于垂直井筒中的电导传感器已经不能适应对水平油水两 相流相持率的测量，有必要对电导传感器几何结构参数进行优化。 首先使用有限元方法对电导传感器模型内部的电场进行了计算，然后利用定 义的均匀度、传感器对称截面上电压相对误差等性能指标考察传感器内部电场分 布，并确定了激励电极的高度和厚度以及激励电极间距的考察范围。在此基础上， 利用灵敏度概念考察了不同激励电极间距和测量电极间距结构参数组合下的灵 敏度分布，随后利用“总体信息量”、“有效信息量”和“有效信息比”等性能指 标初步确定了传感器的结构参数。 为了进一步考察不同结构参数下的传感器在不同流型下的响应，利用有限元 仿真软件对水平油水两相流下的d o w 流型、d o w & w 流型、s t 流型和s t & m i 流型进行建模分析，并把仿真结果与前人提出过的理论模型进行了对比。结果表 明，仿真结果基本都在预测曲线附近，传感器结构参数对仿真结果影响较小。 针对水平井筒内油水两相流测量得到的电导波动信号，本文采用混沌吸引子 形态特征方法和w v d 方法对水平井筒内油水两相流的电导波动信号进行了分 析。通过在混沌吸引子域中放置参考截面方法，考察了混沌吸引子形态特征量与 水平油水两相流流型转变之间的关系，发现采用4 阶吸引子矩特征量可以区分层 状流型和分散流型。表明电导波动信号的吸引子形态分析方法对识别水平油水两 相流具有较好的应用性。 关键词：油水两相流，流型，相持率，电导传感器，几何优化 a b s t r a c t t h eh o l d u pi sa ne s s e n t i a lp a r a m e t e rt 0d e s c r i b ea n d锄a l y z et h ef l o w c h a r a c t e r i s t i cf o ro i l w a t e rt 、v op h a s en o w d u et ot h ep o l y m o 印h i s mo fo i l - w a t e r t w o - p h a s en o wp a t t e m ，n l e 仃j 甜i t i o n a lc o n d u c t a n c ep r o b ea p p l i e di nv e r t i c a lw e l li s u n s u i t a b l ef o rm e a s u r i n gh o l d - u po fo i l - w a t e r 饥，o p h a s ef l o wi nh o r 泣o n t a lp i p e i ti s n e c e s s a qt oo p t i m i z et h eg e o m e t 巧s t r u c t u r ep a r a m e t e r so fc o n d u c 诅n c ep r o b e t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i su s e dt 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 e t h es e n s o rm o d e l t h e nt h ec o n c e p t so fu n i f o m ld e g r e e ，r e l a t i v ee r r o ro fv o l t a g ei nt h e s y m m e t r i c a ls e c t i o no fp r o b 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 r o b ea n dd e t e m l i n et h eh e i 曲t 卸dt h i c l ( n e s so fe x c i t a t i o ne l e c t r o d e s ， t h es p a c e r a n g eb e t w e e ne x c i t a t i o ne 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 ni sc a l c u l a t e dd u r i n gv a r i o u ss p a c e so fe x c i t a _ t i o n e l e c t r o d e sa n dm e a s u r i n ge l e c 仃o d e s s u b s e q u e n t l y ，t l l ec o n c e p t so ft o t a li n f o m a t i o n v o l u m e ，e a e c t i v ei n f o r m a t i o nv o l u m e ，c o n c e n 仃a t i o no fe f r e c t i v ei n f o r n l a t i o n 孤e 印p l i e dt od e t e m i n et h es 臼m c t u r ep a r a m e t e r so fp r o b ep r e l i m i n a r i l y af u r t h e rs t u d yo nt h er e s p o n s e so f p r o b eh a v i n gv a r i o u ss t r u c t u r ep a r a m e t e r si s d o n eu n d e rd o w ，d o w & w s ta n ds t & m io i l - w a t e r 锕o - p h a s en o w p a 仕e m s t 1 1 e s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eb e e nc o m p a r e dw i t ha v a i l a b l et h e o r e t i c a lm o d e l s t h er e s u l t s s h o w st h a ts i m u l a t i o nr e s u l t sa r en e a rt h ep r e d i c t i o nc u n ，e s ，a n dt h es t m c t u r e p a r a m e t e r sc o n 仃i b u t el e s st ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s t ba n a l y z en o wc h a r a c t e r i s t i c so fo i l - w a t e rt w o p h a s ef l o wi nh o r i z o n t a lw e l l b o r e ，t h em e t h o d so fc h a r a c t e r i s t i c so fa t t r a c t o rm o 印h o l o g ya n dw i g n e 卜l l e d i s 仃i b u t i o na r e 印p l i e dt oc o n d u c t a n c en u c t u a t i o ns i g n a l s b yp l a c i n gr e f e r e n c e s e c t i o ni nt h e6 e l do fc h a o t i ca _ t t r a c t o r ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc h a r a c t e r i s t i c so f a t t r a c t o rm o 叩h o l o g ya n dt r a n s i t i o no ff l o wp a t t e mi no i l - w a t e rt w o - p h a s ef l o w r e v e a l st h a tt h es t r a t i f i e df l o wp a t t e ma n dd i s p e r s i o nf l o wp a n e mc a nb ed i s t i n g u i s h e d u s i n g f o u r _ o r d e rc h a r a c t e r i s t i co fa t t m c t o r m o 印h 0 1 0 9 y i ts h o w st h a tt h e c h a r a c t e r i s t i co fa t t r a c t o r m o r p h 0 1 0 9 y m e t h o d c o m b i n i n g w i mc o n d u c t a n c e f l u c t u a t i o ns i g n a l sw o r k sw e l lf o ri d e n t i 矽i n go i l w a t e rt w o p h a s ef l o wp a t t e m k e yw o r d s ：o i l 一w 乱e rt w o p h a s ef l o w ，f l o wp a 仳m ，h o l d u p ，c o n d u c t a n c e p r o b e ，g e o m e t 拶o p t i m i z a t i o n 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，也不包含为获得叁注叁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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：尹左太 签字日期： 2 0 口3 年6 月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞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、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：尹在足 导师签名： 签字日期j 二3 年占月易日 藉知 签字日期：妇年6 月6 日签字日期：渊年b 月。日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水平井产出剖面测试技术研究背景及意义 随着油田的勘探开发，油气藏开发难度日益增加，开发成本越来越高。为了 提高单井油气产量，降低开发综合成本，从2 0 世纪8 0 年代开始，国内外掀起了 水平井热潮。 水平井是垂直或倾斜地钻达油层后，井眼轨迹接近于水平，以与油层保持平 行，得以长井段的在油层中钻进直到完井。这样的油井穿过油层井段上百米以至 二千余米，最大限度增加油层裸露面积，有利于多采油，油层中流体流入井中的 流动阻力减小，生产能力比普通直井、斜井生产能力提高几倍。 资料显示，水平井投资成本为常规直井的2 3 倍，而产量则是直井的4 8 倍。水平井可以动用直井无法开发的区块，单井产量高，而且可以大大缩短钻井 施工周期，减少钻前作业，降低钻机需求，提高油层的钻遇率和油气的采收率。 此外，水平井还可以减少地面设施，减少生产占地，降低环境污染，规避部分地 面风险。 水平井的高经济效益推动了水平井技术的迅速发展和推广应用。国内大多数 油藏正逐渐采用这项技术，随着这项技术的深入研究，更多的油藏类型将会应用 水平井技术。目前国内外水平井应用的主要油藏类型和环境有：具有底水和气 顶油藏；低渗透油藏；砂岩油藏；老区开采剩余油；稠油藏：裂缝性 油藏；薄储层油藏；海上油剃1 3 1 。 水平井的迅速发展和广泛应用，对相关技术提出了更高的要求，特别是水平 井产出剖面测试技术。水平井产出剖面测试是一项特殊的测井工艺。其特殊性在 于测试作业条件复杂，测试仪器复杂，作业工艺复杂。作业时将有关井下测试仪 器连在爬行器上，由爬行器拖拉送入油井水平段井底。测试参数包括温度、压力、 流量、持水率、持气率、流体密度等。在测试过程中，通过电缆将仪器信号编码 送到地面，经由地面计算机处理后，绘图输出测试连续曲线，再经过专家分析与 综合解释，得出最后的测试结果报告。 水平井产出剖面测试技术的意义在于可以显示水平井各层段对该井产出水 平的贡献程度，对以后水平井段的钻井设计、地质设计具有重要指导意义，对某 个单井实施井下堵水作业能够提供可靠依据，对整个油田稳油控水能够起到很好 的技术参考作用。 第一章绪论 1 2 水平油水两相流基本参数及生产测井技术 1 2 1 水平油水两相流基本参数 油水两相流动中，由于两相之间物理特性的差异，致使两相在流动时产生相 间滑脱及相界面可变的特性，使得描述两相流的参数较多且复杂。 油水两相体积流量是指在单位时间内流经某一截面的两相流体总体积，用 9 表示： g = q + q w ( 卜1 ) 式中，q 0 表示油相体积流量，q w 表示水相体积流量，g 表示总体积流量。 油水两相质量流量即单位时间内流经某一截面的两相流体总质量，用m ，表 示： m r = m 。+ m 。( 卜2 ) 式中，m 。表示油相质量流量，m 。表示水相质量流量，m r 表示总质量流量。 分相截面相含率，又称持率，表示在管道上的某一流动截面上，某相所占的 截面积与总流通面积的比值，如用儿表示油相截面相含率，其表达式为： 彳 胪煮 o 。3 ) 式中，4 为油相所占管道截面积，4 。为水相所占的管道截面积。有的文献中也 将持油率定义为在某一长度的管段内油流相体积与该管道容积的百分比。 分相容积相含率，又称含率，表示某相体积流量与两相混合物总体积流量的 比值，如用颤表示油相容积含率，其表达式为： 乞2 赢 卜4 u + u 式中，q o 为油相体积流量，瓯为水相体积流量。 由于相间滑脱现象的存在，油相和水相的速度是不相同的，因此持油率和含 油率在数值上的表现也是不相同的。如果油相和水相的平均速度知道的话，可以 推导出持油率和含油率的关系。 1 2 2 水平井生产测井技术 水平井、斜井由于井深倾斜以及井筒周围空间的非对称性使井下流动状态与 垂直井极不相刚4 1 。当井下流体为多相流时，因重力作用水平井、斜井中普遍存 在重质相与轻质相分离的层流流型，导致常规流量计、持水率计的响应结果具有 一定的纵向偏面性1 5 】。 为了正确评价水平井生产动态，必须对传统的测井仪器进行改进。在测量流 第一章绪论 量时，有集流和非集流两种情况。目前，国内在全集流情况下用于水平产出井测 量的流量计仅有涡轮流量计和电导式相关流量计1 6 j 。 韩易龙等人【5 j 建议在经裸眼、水泥固井后射孔和衬管加管外封隔器的方式完 井的水平井中采用集流式涡轮流量计和在线式涡轮流量计或全井眼涡轮流量计 并测。测量时，油水必须通过金属集流伞，然后进入集流通道，所以涡轮测得的 l 冲s 值反映了油水总的流动情况，在线式涡轮流量计或全井眼涡轮流量计作为补 充。在割缝衬管完井的水平井中，不推荐使用集流式流量计，主要原因是流体会 通过环形空间旁通。 在非集流情况下对流量测量的方法有示踪法、超声波法等【7 】。对于超声波流 量计，它由发射器和接收器组成。发射器发射的超声信号被声速通道中的散射体 反射，散射体对发射器的相对速度导致反射信号的频率偏移( 多普勒偏移) ，此偏 移与散射体速度成正比。超声多普勒测量结果既可用脉冲也可用连续超声波测 得，对于脉冲超声波，可用一个简单的超声探头发射超声脉冲并接收反射声波， 通过在声波脉冲之后的不同时间点取样，其测量结果就可以推演出来。 在井下环境下，超声波将在相界面( 如油水滴、气泡、砂粒、粉砂或涡流) 发生散射。实际经验表明【7 j ：即使井眼流体很“纯”，其中也会含有很多散射物。 对水平井下相持率的测量有电视法峭j 、电容组合法、电导法等。井下电视显 示了水平井内液体的流动状态是如何沿井筒轨迹变化的，在套管接箍处摄取图象 容易对准井筒中心。对于层状流型，通过测量横截套管接箍的液面边缘相对于井 筒中心的弧度角，就可计算出持液率。 电容组合法【9 j 使用了多个对周围流体的介电常数敏感的微电容传感器，这些 传感器配置在仪器的触臂上，臂由电动机根据地面命令作出张开和收拢的动作， 因此可以对井下传感器的分布形式进行调整选择。 电导法早在上个世纪八十年代就用来测量水平管道中气液两相流泡状流型、 环状流型和层状流型下的相持率。与水相比，气体和油的导电特性相似，因此电 导法测量水平气液相持率的许多理论可以直接用在测量水平井中油水两相流的 相持率上。电导法测量两相流相持率具有响应快、精度高、结构简单等优点，本 文采用电导法测量油水两相流相持率。由于电导法测量两相流相持率受流体流型 影响较大，有必要对水平油水两相流的流型进行研究。 1 3 水平油水两相流流型 在单相流体力学中，为研究其流动性质，常用层流和紊流来描述介质的流动 方式，它们呈现了完全不同的水动力学特性和传热性质。与单相流不同，两相流 第一章绪论 的两个相之间存在一个易受流动影响的界面。这个界面具有很多形状，而且这些 形状与流动状况密切相关，不同的流动状况反映了不同的水动力学特性。因此， 仅用层流和紊流来描述两相流的流动结构，已不足以反映流体的流变特性。 在两相流中，人们用流型来描述流体的流动特性。所谓流型，是指当油水混 合物在管线中流动时，两相介质受操作工况( 压力、流速、入口相含率等) 、介质 物性( 密度差、粘度比、界面张力等) 、管线性质( 几何形状、管壁润湿性、管道安 装方式等) 等的影响所形成的分布状况。 目前，气液两相流的流型研究已经比较成熟，但油水两相流的流型研究还不 完善。这是因为油水两相流动和气液两相流动有着很大的差异【1o 】：首先，油水两 相的密度差和界面自由能均比气液两相小得多，而粘度比和界面动量传递能力却 比气液大得多。其次，油水混合物中常含有沥青胶质、环烷酸、脂肪酸等多种天 然乳化剂，在流动过程中容易形成油水乳化液。再者，油水两相流流型的发展段 相对较长，而且与管道入口处的初始结构状态有一定的关系。 在早期研究中o 蓟e s b y l l lj 总结了1 4 种水平油水两相流流型，而r u s s e le ta 1 和m a l i n o w s k y 【1 3 】只描述了三四种流型。9 0 年以后，通过更加先进的测量技术和 仪器，不同的流型参数的测量结果更加准确，流型的分析研究也更加客观。 t r a l l e r o l 悼1 5 】划分的几种流犁如图1 - 1 所示： 图1 1油水两相流流型( t r a l l e r o ，1 9 9 5 ) 共分为两大类： ( 1 ) 分层流型 l 、界面未混杂层状流( s t ) 2 、界面有混杂层状流( s t & m i ) ( 2 ) 分散流型 l 、水为连续相分散流型：水包油分散流型( d o w ) 上层为水包油下层为 游离水( d o w & w ) 2 、油为连续相分散流型：油包水分散流型( d w o ) 上层为油包水下层为 4 第一章绪论 水包油( d w 图1 - 21 h l l e r o 水平油水流型图 ( 管道直径d = 5 0 l c m ，粘度比p 。仙。= 2 9 6 0 ，密度比p 。p 。= 0 8 5 ，界面张力 俨3 6 d y n e s c m ，油相含率c 。= 0 0 7 3 ) t r a l l e r o 还给出了用于判断水平油水两相流流型的流型图，如图1 2 。 通过与1 、r a l l e r o 的流型比较，n 甜l e ra n d m e w e s l l 6 j 发现了一种新的流型：上层 为油包水中间为水包油下层为游离水( d w o & d o w & w ) 。由于油的动力粘度低于 3 5 m p a s ，在实验中没有观测到油水的环状流型。 a n g e l ia n dh e w i t t l l 7 】用不同材料的管道做油水实验，观察不同的流型，发现 管道材料的粗糙程度和亲水性对流型有一定影响。 陈杰等【lo 】在直径2 5 4 c m 的不锈钢管道上，进行了油水两相流流型研究实验， 尽管没有发现d w o & d o w 流型，但发现了上层为油包水，下层为水( d w o & w ) 的流型。 此外，徐孝轩【1 8 】在其发表的论文中提到m u ( 2 0 0 1 ) 等用重质原油做了水平油 水流型实验，实验结果与t r a l l e r oa n db r i l l 【1 5 】的结果有所不同，如图1 3 。其中， c o m p r e h e n s i v es t 流型是上层为油包水，中间为水包油，下面为水的层状流。 图1 3 重质油水模型( m u ，2 0 0 1 ) 第一章绪论 姚海元，宫敬【1 9 】也用重质原油做了相关实验，他们利用目测法、局部取样法 和差压信号数据相结合的方法对直径2 5 7 c m 的水平不锈钢管内油水两相流流型 进行识别，并根据不同流型的在线流动结构及其所表现出的压降特征，把流型图 划分为4 大区域： ( 1 ) 油为连续相流型区( 图中由a 表示) 油相下面有油包水分散流( o & d w o ) ；环壁面为油包水分散流，管中间 为水包油段塞流( d w 佑a n n u l u sd o wp l u g ) ； 环壁面为油包水分散流，管中间 为水包油分散流( d w oa n n u l u sd o wc o r e ) ；w o 分散流型( d w o ) ( 2 ) 水为连续相流型区( 图中由b 表示) 壁面为水相的紊流，管中间为油包水分散流( w a t e ra r u l u l u sd w oc o r e ) ； 环壁面为水包油分散流，管中间为油包水分散流( d o wa n n u l u s & d w oc o r e ) ； o w 分散流型( d o w ) ( 3 ) 间歇流型区( 图中由c 表示) 壁面形成不完全的水环，中上部为油包水分散流( w a t e rs e m i a n n u l u s & d w oc o r e ) ；壁面形成不完全的水环，间有“水段塞”流过，伴有油包水分 散流( i n t e m i t t e n tw a t e rs e m i a n n u l u s & d w oc o r e ) ；壁面形成不完全的油包水 环，间有“油包水段塞”流过，伴有水包油分散流( i n t e n n i t t e n td w os e m i a n n u l u s d o ，w c o r e 、 ( 4 ) 油水混合分层流型区( 图中由d 表示) 复杂的3 层流动形态：管截面上层为油相，底层为游离水， 中间较薄层 为油包水分散体系( o & d w o & w ) ；水相上面为水包油分散流( d w o & w ) 1 4 一 1 2 k 至 害o 8 石 孚o - 6 墼 重o 4 富o 2 x ：口口一厶厶 x 口凸一_ a x ：口口廿a 一 x - 口- i _ x ：一- - 一 x 簟。，- - 一 x ：+ 移。- 钿i x ：c + o x - ：二+ oo - ：一。一- 双- n 一 一。 o o 2 o 4 o 6o 8 i l l p l i l w m 盯自峨j o n 图1 _ 4 姚海元，宫敬5 0 0 c 时水平油水流型图 o & d w o ；d 、v o 猢u j u s & d o w ，c o r e ；+ d w o 锄u l u s & d o wp l u g ；d w o ：d o w ： o & d w o & w ：1 w a t e r 锄u l u s & d w oc o r e ；i i l t e r n l i t t e n td w os e m i 蛐u l u s & d o wc o r e ； + w a t e rs e m i - a 加u l u s & d w oc o r e ：口d o wa 皿u l u s & d w oc o r e 6 x x x x x x x x x x x 第一章绪论 1 4 本课题研究内容及创新点 持油率是描述和分析油水两相流的基本参数。电导法在测量持油率时具有响 应快、精度高、结构简单、经济等优点。本文的主要内容为对测量油相持率的电 导传感器进行优化和对v m e a 传感器测量的数据进行信息处理与分析。 本文采用t s o c h a _ t z i d i a 【2 0 】和l u c a s 【2 1 】提出的灵敏度定义对传感器的几何结构 参数进行了优化。随后对不同流型下不同几何结构参数组合的传感器的响应做了 考察，使用a n d r e u s s i 【2 2 j 提出的无量纲电导概念对仿真结果做了归一化处理，并 与相关理论进行了对比。 在对v m e a 传感器测量数据的信息处理和分析时，采用提取吸引子形态特 征量方法和w v d 方法进行了考察，取得了良好的效果。 7 第二章两相流电导式传感器测量方法 第二章两相流电导式传感器测量方法 由于两相流各相之间常具有不同的电学特性，人们设计出了大量基于电学敏 感特性的电阻抗测量传感器用于对流体进行测量。电阻抗测量传感器分为电容 传感器和电导传感器。电容传感器一般为非侵入式的，电导传感器包括侵入式和 非侵入式。侵入式电导传感器通常用于测量流体的局部特性，如分散泡状流的局 部分散相含率、泡状流体的分散相泡径尺寸以及流体速度等；非侵入式电导传感 器常用于测量流体的空间平均分布特性，如流体的空隙率等【2 引。本章主要介绍非 侵入式电导传感器。 2 1 两相流电导测量法现状 早在上世纪五、六十年代，各国学者就开始应用电导法测量液膜厚度。所谓 液膜厚度在这里是指附在固体壁面上的一层液体的厚度。为了用电导法测量平面 壁面上的液膜厚度，在紧贴壁面处装上一对平面电极，然后测量电极间的电导。 对同一对电极而言，液膜越薄，电极间的电导值就越小。通过测得的电导值就可 以求出液膜的厚度。这里把这种方法叫做平面电极法，如图2 1 ( a ) 。c o n e y 【2 4 】在 其论文中指出，w i c k s ( 1 9 6 5 ) 、v a nr o s s u m ( 1 9 5 9 ) 、t e l l e sa n dd u k l e r ( 1 9 7 0 ) 和 w 曲b ( 1 9 7 0 ) 都使用的这种结构的电导传感器。 e l t c t r 0 6 e s ( a ) ：r 峙u l 盛a r ( b ) 图2 1 平面电极法测量液膜厚度示意图 在图2 1 ( a ) 这种传感器结构中，电极两端位置处容易产生边缘效应，影响测 8 第二章两相流电导式传感器测量方法 量精度，为此c o n e y 【2 4 j 把其中一个电极用很薄绝缘条划分成三段，只使用中间小 段，外侧两小段用作保护电极。 刘文庆、吕砚山i z 5 j 制作了双d 形电阻抗传感器，如图2 2 ，依据不同的被测 介质可切换电导电容开关，选择电导或电容处理系统。由于测试中流体的电导 率和介电常数随温度和组分不同而经常变化，为了提高测量精度，他们提出了归 一化和三电极传感器的补偿方法，把传感器输出阻抗与最大输出阻抗相除，以消 除电性质的变化对传感器性能的影响。 图2 2 双d 形电阻抗传感器结构图 为了避免在测量液膜厚度的时候需要测量液体的电导率，以及解决电极的表 面状况及电化学引起的液体和电极间的接触电阻问题，张小章【2 6 】对图2 1 ( a ) 结构 进行了改进，如图2 3 所示， 图2 3 采用修正电极的电导传感器示意图 在其中一个主电极旁再装上一个小电极，它们之间距离很近。因此，一定厚 度的液膜对于这一距离而言可看作很厚，这时，修正电极与主电极之间的电导与 9 第二章两相流电导式传感器测量方法 液膜厚度无关，只决定于其它因素( 包括液体的电导率、电极形状和电扳与液体 的接触条件) 。通过实验证明修正后大大减小了测量误差，并且利用修正电极得 到归化后的结果曲线。 上述电导传感器只能测量平面上的液膜厚度常用于方形管道内的流体测 量。为了测量圆形管道内的液膜厚度，并且为解决实验过程中由于薄膜厚度过小 而难以测量和存在的薄膜厚度分布不均匀的问题而采用求薄膜厚度平均值的办 法。a s “i 等人口”首次利用圆环形电极对垂直气液环状流的液膜厚度进行了研究。 如图2 4 所示，两个环形电极齐平地镶嵌在管道的内管壁上。 图2 4 双电极环电导话感器示意图 随后，a n d r e u s s i 等人口利用图2 _ 4 所示结构电极测量气液两相流分层流f 层 状流、对称和非对称的环状流) 和泡状流的相持率。他们建议用气液两相流混合 物的电导值与管道内全液体时的电导值的比值作为相持率的函数，这样不仅消除 了由于澳l 量电导率带来的误差，而且还可以使数据归一化。 在测量水平气液两相流时，为了提高传感器的线性度和空间分辨率，f d e v j a mf o s s a “”对图2 - 4 所示结构的传感器进行了改进，如图2 5 所示为改进后的结 构示意图： 圈2 5f d e v - a mf o s 蛆改进后的环形电导传感器结构示意图 一陬_ 、j 厂l 、 第二章两相流电导式传感器测量方法 改进后的传感器两个电极之间的距离随着管道水平高度的不同而变化，在管 道顶部和底部距离晟大，在管道中间高度距离最小。除了在管道顶部和底部附近 以外，两个电极之间水平截面的面积随管道高度变化不大。f d e v l a m f o s s a 口s 】 通过实验证明，改进后的电导传感器在测量气液两相流层状流和分散流的空隙率 时能够有效改善线性度指标。 以上各电导传感器大都采用双电极结构，这种结构中激励电极同时也作为测 量电极。传感器中电场分布不均匀，测量结果受非连续相( 分散流) 及流型影响严 重。为此，有人采用四电极结构两个测量电极在两个激励电极中间。如图 2 6 所示： 测量电板 f 激励电极 圈2 石四电极电导传感器 哈尔滨工业大学的刘兴斌就是采用图2 _ 6 所示结构的电导传感器，利用 1 n c h a 也j d i s 御惜出的环形电极测量理论实现了对轴向环形四电极局部持水率计 的优化设计，通过计算发现若激励电极之间间距达到一定程度，在它们之间会产 生一段分布均匀的场分布区域，刘兴斌得出的结论：当测量电极分布在此均匀段 内时即可获得较好的测量结果。 本实验室采用的v m e a ( v e r t i c a l m u l t i p l e e l e c t r o d ea i l r y ) 传感 器m 3 “，如图2 7 所示； 口r n 、b 心= ，n 0 1 ”“。c = = ，l i ： s p h $ o r c 重 埘c ：c ：= ， ( ，c ：= c ，i l - = ，b _ ! _ ：= 图2 7 v m e 传感器 第二章两相流电导式传感器测量方法 其中，互和巨为激励电极，c l 和c 2 为上游相关流速测量电极，c 3 和c 3 为下 游相关流速测量电极，q 和皿为相含率测量电极。该传感器可以同时测量相关 速度和相含率两组参数。 在电导传感器的实际应用中，由于各种原因，电流的渗漏现象不可避免，为 此燕山大学的李英伟等人3 2 1 提出在四电极的基础上再增加两个保护电极。如图 2 8 ： 图2 - 8 带保护电极的环形六电极电导传感器示意图 在上图中，激励电极和保护电极都为传感器提供电流，因此它们都是供应电 极。在巨和丘之间建立一个已知电流后，为了使g 1 和g 2 上压降( 分别用“。，和 “g ：表示) 分别接近巨和马上压降( 分别用“。和“。：表示) ，在g l 和g 2 分别施加电流 ，和：。由于g l 和g 2 的作用是减小轴向电流的渗漏，所以它们也叫作保护电 极。 另外，在圆柱形管道上除了采用环形电极测量两相流外，有人还采用对壁半 圆环式的电极进行测量。如图2 9 所示： 图2 9 对壁式电导传感器 1 2 手 第二章两相流电导式抟感器测量方 击 在图2 9 ( a ) 中，中间一对半圆环电极为测量电极，同时也作为激励电极。两 边两对半圆环电极为保护电极，用来保证测量电极的测量区域内电场分布的均匀 性，以便有效抑制边界效应，提高测量精度。图2 9 ( b ) 为沿管道轴向观看到的传 感器。传感器主要参数为电极高度s ，电极的圆心角芦，保护电极间距口。m a 等人口“曾用这种结构电导传感器测量空隙率。牛顿大学的g c o m i g a n p b w h a 】j e y p 4 j 也使用类似结构电导传感器实现对垂直管道中弹状流流型识别。 fd e v i a mf o s 靖口8 1 也对这种结构的传感嚣进行了改进，如图2 1 0 ： ( a ) ( b ) 图2 - 1 0f d e v l a m f 0 s 口改进后的对壁式电导传感器结构示意圈 这种结构的改进主要基于被液体打湿的测量电极的面积的增加与液相持率 增长呈比例关系的考虑。通过实验对比。发现在层状流时改进后的传感器结构能 够较好的改善结果曲线的线性度。 1 dk a m p a r i b i o s & m a r j ap a p a f a 例指出在对壁式电导传感器中，传感器上电 流密度分布不均匀。在两个对壁屯极两端处，由于两电极距离较近，电流密度较 大：而在对壁电极的中间部位，由于相距较远，电流密度较小。这就造成了测量 结果反映的是流体的局部特性而不是整体特性。fd “i a mf o s s a 在对对壁式 传感器和圆环式传感器比较后认为后者具有更高的空间分辨率。 2 2 两相流电导测量相关理论 水平油水两相流大体上分为分散流型和分层流型，本节分别阐述针对分散流 型和分层流型的相关理论。 2 2 1 分散流测量相关理论 电导法油水两相流相持率的测量是基于对分散油水两相流的有效电导率的 测量。我们知道，水一般是导电的，油是不导电的。当油水混合后持水率越高则 混合液越容易导电，反之越不容易导电。有效电导率表征了混合溶液的导电能 力，通过测量有效电导率，我们可以得到相持率，进而求得相古率。 盘i 第二章两相流电导式传感器测量方法 m a x w e l l 3 6 1 第一个研究了分散两相流的有效电导率问题并得出了理论关系， 他考虑均匀大小的球体作为离散相，这些球体规则地放在彼此互不影响的位置。 得出如下关系式 三2 二盟：口。三墨，-( 2 1 1 ) + 2 钆5 吒+ 2 吒 、7 o m + z o w o s + 三o w 其中，哎是分散相体积相含率，盯。和吒分别是连续相( 水) 和离散相的电导 率，吒为离散两相流的有效电导率。由于各球体之间相距较远，因此公式适用 于离散相的相含率较低时的情况。在实际应用中仃，= 0 ，公式简化为 立：兰! ! 二塑 ( 2 a r w 2 + 哎 n a s r - e 1 d i n 等人m 和d el ar u e & t o b i a s 删阐述了许多科研工作者得到的理 论关系和m a x w e l l 【3 6 1 的结果相一致。另外，包括t u m e r 在内的许多研究人员通 过实验数据也证明了m a x w e l l 【3 6 1 关系式的在一定范围内的可靠性。 尽管m a x w e l l 【3 6 1 理论关系式能够很好的反映离散相相含率与有效电导率与连 续相电导率之间的关系，但由于前提条件的局限性，在口。较大或者离散相分布 均匀程度很差时，关系式就不再适用。为此b m g g e m a n 提出了基于球的大小和 位置分布随机的关系式，为此可以应用在离散相体积相含率口。接近1 时的情景。 b m g g e m a n 【4 0 1 关系表达式为： ，rj ( 一吒) ( 迎) 3 = ( 1 一吒) ( a r w 一吒) u w 对于仃。= 0 时，公式简化为 ，r 三 卫= ( 1 一吒) 2 ( 2 1 3 ) 仃 ， d el ar u e & t o b i a s 【3 8 1 认为当离散相体积相含率大于0 2 5 时，m a x w e l l 关于 球体之间不受影响的假设就不成立了。他们通过实验测试不导电的球体、随机颗 粒，得出下面经验公式 边= ( 1 一t ) ”( 2 1 4 ) 盯w 当0 4 5 吒0 7 5 时，m 取0 1 5 ，此时与b r u g g e m a n 【4 0 】关系式一致。 l e m l i c h 研究了干燥的多面体形状泡沫，得出口。取值较大时与有效电导率 的关系式为： 丘：生 ( 2 1 5 ) 吼 3 f e i t o s a 等人【4 2 】通过实验验证了( 2 1 2 ) 和( 2 1 5 ) 式两个极端情况，并进一步提 炼出经验公式来描述口。从0 变化到1 时与有效电导率的关系，f e i t o s a 关系式为： 第二章两相流电导式传感器测量方法 号啦c 而拦篝b ， p ，卸 a n a t o s 等人通过对电导率的测量利用离散的扭曲度善来估计相含率，他 们提出下列关系式： 五：! 丝 f 2 1 7 ) a 。 芎 上述公式中扭曲度f = 厶l ，而三表示测量电极之间导电路径的长度。他 们利用已有描述相同大小的球体、位置分布随机的扭曲度模型： 善= 1 0 5 l n ( 1 一哎) ( 2 1 8 ) 上式表明，扭曲度是相含率的函数，不依赖于球体大小，但其前提描述的是 相同大小的球体，故采用( 2 1 8 ) 式的( 2 1 7 ) 式，其应用具有一定的局限性。 2 2 2 分层流测量相关理论 尽管平面电极法测量液膜厚度早在上个世纪五、六十年代就得到应用，但其 理论直到19 7 3 年才由c o n e y 【2 4 】提出。理论分析是基于图2 1 ( a ) 这种传感器结构 的。当然，分析过程中假定不存在边缘效应，因此，图2 - l ( b ) 这种结构更接近理 论分析结果。 如图2 1 ( a ) ，假设两个电极宽度相等为s ，两块电极间距见，有效电极长度， 液膜具有的均匀厚度为五，其电导率为仃，被测电极的实际电导为g ，定义无 量纲电导g ：为： g ：= g e 甜 ( 2 2 一1 ) 通过公式推导可以得到如下关系： g 丝盟( 2 2 2 ) 一 k ( 1 一聊) 聊：! ! 些：堕丝2( 2 2 3 ) ，”= 一 i 二一z jj s i n h2 ( 万0 + 口) 2 五) 、 其中，所为电极的几何结构尺寸参数，k ( 聊) 为第一类完全椭圆积分： k ( m ) ：r 腔( 1 一聊s i n 2 矽) 一l ，2 d 秒 k ( m ) = 【 ( 1 一聊s i n 2 矽) 叫“d 秒 利用k ( 聊) 的多项式就可以预测液膜高度五和测量电导的关系。下面为两个 极限条件下的情况： 随着五的增加，是递增的，当 j 佃时，取到一个最大值。，这时 s 2 m = o 0 + d ，) 2 第二章两相流电导式传感器测量方法 而当l z 寸。时，k ( m ) 一詈，k ( 1 一m ) 寸2 i n2 + 万矗，此时g 三一( 詈+ 昙1 n 2 ) 一。 特别是当 很小的时候，啼昙。 c o n e v 【2 4 】指出，其理论结果可以扩展到安装在柱形管道表面的传感器。此时， 用薄膜的等价厚度j i z ，代替薄膜的实际厚度 ： k 一鲁l n ( 1 2 寺 ( 2 2 - 4 ) 然后再应用( 2 2 1 ) ( 2 2 3 ) 式预测电极之间的电导。 从( 2 2 4 ) 式我们可以看出，当矗一等时，k 一悯，a n d r e u s s i 2 2 1 认为此时通 过( 2 2 4 ) 式，薄膜实际厚度得不到很好修正，为此，提出了矗新的修正方法： = 警 ( 2 - 2 _ 5 ) ，k5 2 。二 l z 。z 。) j _ 式中，彳为管道横截面积，为液相持率，置为液相接触到的电极的长度。用k 代替i i z ，用只代替电极长度，后，新修正后的( 2 2 - 1 ) ( 2 2 3 ) 式可以应用在环状 流和层状流。 然而，( 2 2 5 ) 式适用在两个电极之间的间距不能太大的条件下。为此， a n d r e u s s i 【2 2 1 在对气液两相流液相持率问题的研究中做了一些理论推导。在假定 电极间距d ，相对于液膜厚度j i z 大的多的前提条件下，通过理论推导，得出环状 流条件下电极间电导与液膜厚度的关系： q ：仃譬 ( 2 - 2 6 ) u e 其中，仃为液相电导率，五为液膜厚度。a n d r e u s s i 指出在忍 d 时，a s a l i 【2 7 】 的结果能很好地遵循上述公式。 a n d r e u s s i 【2