（检测技术与自动化装置专业论文）基于微波透射法测量油水两相流分相含率的实验研究.pdf

摘要 油水两相流在石油工业中广泛存在，其分相含率是一个重要检测参数。该参 数的测量对于石油的开采、脱水和集输等具有重要的意义。但由于油水两相流流 动体系极为复杂，致使分相含率测量难度较大。油水两相流分相含率的实时准确 测量成为油田亟待解决的问题。 在参阅国内外相关文献和比较各种原油含水率 9 1 | i 量技术优缺点的基础上，本 文选择微波透射法来测量原油含水率。微波技术具有实时性好、测量精度高、可 靠性好、抗干扰能力强和易操作使用等优点，应用前景广阔。基于微波透射原理， 本文设计了适合测量中高含水率的传感器和相应的选频放大器、相敏检波电路， 研制了一套原油含水率测量系统。使用该测量系统对2 0 7 5 含水率的油水混合 物进行测量，实验效果较好。 本文主要工作如下： l 设计了测量油水两相流含水率的微波传感器。与传统的微波透射法所使 用的传感器不同，本文设计的传感器使用小口径喇叭天线，减少了边缘效应；将 天线与管道直接粘合，大大减少反射干扰：天线增益高且相距近，可测量对微波 衰减大的中高含水率油水两相流。 2 基于微波透射法研制了一套油水两相流含水率测量系统。依据油水混合 物的介电特性，通过理论分析，最佳工作频率选择在x 波段( 9 4 g h z ) 。测量系统 采用了微波信号源、低噪声放大器和微波检波器等组成微波电路单元。设计了选 择性好、增益可调的选频放大器和动态范围大、调试简单的相敏检波电路。这两 部分电路能将微弱交流低频信号转换成数据采集卡输入端所需要的直流信号。 3 采用研制的油水两相流含水率测量系统进行了实验研究。不同于传统的 含水率测量方法( 不将含水率进行区间划分) ，本文将中高含水率分成2 0 6 0 含水 率和6 0 7 5 含水率两个区间，分别在水平管和垂直管两种情况下进行静态实验。 初步实验结果表明含水率测量绝对误差低于4 。 关键词：油水两相流，分相含率，微波，传感器，测量 a b s t r a c t t h eo i l - w a t e rt w o - p h a s ef l o wh a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si np e t r o l e u m i n d u s t r y t h ew a t e rh o l d u pi sak e yp a r a m e t e ro ft h eo i l - - w a t e rt w o - - p h a s ef l o wf o r p r o d u c t i o n ，d e h y d r a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n h o w e v e r , i ti sd i f f i c u l tt om e a s u r et h e w a t e rh o l d u po w i n gt ot h ei n h e r e n tc o m p l e x i t yo ft h et w o - p h a s ef l o w s ot h eo n - l i n e a n da c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h ew a t e rh o l d u po fo i l w a t e rt w o - p h a s ef l o wi sa n i m m i n e n td e m a n df o rp e t r o l e u mi n d u s t r y t h em i c r o w a v et r a n s m i s s i o nm e t h o di ss e l e c t e dt om e a s u r et h ew a t e rh o l d u po f t h eo i l - w a t e rt w o - p h a s ef l o wb a s e do n al o to fw a t e rh o l d u pm e a s u r e m e n tl i t e r a t u r e s a n dt h ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n tm e a s u r em e t h o d s t h em i c r o w a v em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yh a saw i d er a n go fa p p l i c a t i o np r o s p e c td u et oi t sr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e r e l i a b i l i t y , a n ds i m p l ei m p l e m e n t a t i o n t h i sw o r kf o c u s e so nt h ew a t e rh o l d u p m e a s u r e m e n to ft h eo i l - w a t e rt w o p h a s ef l o ww i mh i g h m e d i u mw a t e rh o l d u pu s i n g t h em i c r o w a v et r a n s m i s s i o nm e t h o dat r a n s d u c e rt h a ts u i t e df o rm e a s u r i n gt h e o i l - w a t e rt w o - p h a s ef l o ww i t hh i g h m e d i u mw a t e rh o l d u pi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l eo ft h em i c r o w a v et r a n s m i s s i o n f r e q u e n c ys e l e c t i v ea m p l i f i e r 谢t l lh i 曲 s e l e c t i v i t ya n dp h a s es e n s i t i v ed e t e c t o rw i t hl a r g ed y n a m i cr a n g ei sd e s i g n e dt o c o n v e r tt h ew e a ka cs i g n a li n t od cs i g n a lt h a tt h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dr e q u i r e d e x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tu s i n gt h ed e v e l o p e dm e a s u r e m e n ts y s t e mt ol f i e a s n r et h e w a t e rh o l d u pw i t h i n2 0 7 5 ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tw a gs a t i s f a c t o r y t h em a i nw o r k so f t h i sp a p e ri n c l u d e ： 1 at r a n s d u c e rf o rm e a s u r i n gt h ew a t e rh o l d u po fo i l - w a t e rt w o - p h a s ef l o wi s d e s i g n e d i no r d e rt or e d u c ee d g ee f f e c t ，m i n o ra p e r t u r eh o r na n t e n n ai su s e d i nt h et r a n s d u c e r t h er e f l e c t i o ni n t e r f e r e n c ei sg r e a t l ym i n i m i z e db yd i r e c t l y m o u n t i n gt h ea n t e n n at ot h ep i p e t h i st r a n s d u c e ri ss u i t e dt om e a s u r et h e o i l - w a t e rt w o - p h a s ef l o ww i t hh i g h m e d i u mw a t e rh o l d u po w i n gt ot h eh i 曲 g a i na n ds h o r tr a n g eo f t h ea n t e n n a i i 2 b a s e do nt h em i c r o w a v et r a n s m i s s i o nm e t h o d ，as e to fm e a s u r e m e n ts y s t e m i sd e s i g n e dt om e a s u r et h ew a t e rh o l d u po f t h eo i l w a t e rt w o - p h a s ef l o w t h e b e s tw o r k i n gf r e q u e n c yo ft h i ss y s t e mi s 9 4g h z ，w h i c hi ss e l e c t e db y t h e o r e t i c a la n a l y s i s t h em i c r o w a v ec i r c u i tu n i ti sc o m p o s e do fm i c r o w a v e s i g n a lr e s o u r c e ，l o wn o i s ea m p l i f i e ra n dm i c r o w a v ed e t e c t o r f r e q u e n c y s e l e c t i v ea m p l i f i e ri su s e dt oe l i m i n a t en o i s e p h a s es e n s i t i v ed e t e c t o ri s d e s i g n e dt oc o n v e r tt h ew e a ka cs i g n a li n t od cs i g n a lt h a ti sn e c e s s a r yf o r t h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d 3 t h es t a t i ce x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tu s i n gt h ed e v e l o p e dm e a s u r e m e n t s y s t e mt om e a s u r et h ew a t e l h o l d u pw i t h i n2 0 - 7 5 i nt h i sw o r k t h e o i l w a t e rt w o p h a s ef l o wi si n v e s t i g a t e di nt w os e c t i o n sw i t hd i f f e r e n tw a t e r h o l d u p ( 2 0 6 0 a n d6 0 7 0 】，w h i l et h et r a d i t i o n a ls t u d y i sl i m i t e dt o c o n t i n u o u sw a t e rh o l d u p t h es t a t i ce x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti nt h e h o r i z o n t a lp i p ea n dt h ev e r t i c a lp i p e ，a n dt h ei n i t i a le x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ea b s o l u t em e a s u r e m e n te r r o ri sl e s s 廿l a n4 k e y w o r d s ：o i l w a t e rt w o - p h a s ef l o w , w a t e rh o l d u p ，m i c r o w a v e ，t r a n s d u c e r , m e a s u r e m e n t i i i 浙江太学硕士学位论文 第一章绪论 摘要 本章主要介绍所研究课题的意义；两相流的定义、分类及两相流 的主要检测参数；分析两相流参数检测的研究方法和发展趋势；最后 阐述本文的研究内容。 本章主要内容 研究课题的意义 两相流概述 两相流参数检测技术 本文主要工作 1 1 概述 由于多相流动体系在自然界和工业过程中涉及范围的广泛性和应用的重要 性，特别是二十世纪后半叶，原子能核电站及航天工业的迅速发展、动力工业及 石化工业高参数的引入、以及对环境保护的日益重视，促使多相流领域研究工作 迅速发展，目前已成为国内外给予极大关注的前沿学科【l j 。 多相流动体系中又以两相流动体系最为普遍。两相流动体系广泛存在于自然 界和工业生产中。例如，自然界的大漠扬沙，江河中的泥沙俱下，以及空中烟尘 弥散、雨雹交浸都是与人类生活有关的两相流现象。在化工、石油、冶金、动力 及原子能等工业中，两相流动更是普遍存在。大量实例所反映的两相流涉及范围 的广泛性及其应用的重要性促使了两相流领域研究工作的迅速发展【2 。但基于两 相流体系情况极为复杂，要认清现象，获得概念，建立模型并进行过程的预测、 设计和控制，首先要解决的就是两相流的检测技术问题。不少情况下，多相流参 数测量已成为目前多相流研究中的一个制约性的控制因素1 1 。 两相流或多相流的流动特性比单向流动复杂的多，而且两相流或多相流相间 存在着界面效应和相对速度，致使其参数检测难度较大。为此世界各工业发达国 家均做了大量研究工作。研究了较多涉及新技术的测量方法：如辐射线技术、激 光多普勒技术、核磁共振技术、超声波技术、微波技术、光纤技术、脉冲中子活 性示踪技术、相关技术、流动成像技术等等，也有较多研究工作是应用传统的单 相流仪表和两相流模型进行多参数组合辨识而检测的。这些两相流参数的检测技 术和方法大都还处于实验室应用研究阶段，已商品化的工业仪表为数还很少。可 以说，两相流参数检测在国际上尚属一个亟待发展的探索研究领域 2 1 。 油水两相流的分相含率测量一直是人们关注的热点。随着油田的多年开采， 油井的高压注水使原油输油管线中含水率增高，原油含水率直接影响原油的开 采、脱水、集输、计量、销售、冶炼等，若含水率检测不准，将直接影响油井及 油层动态分析，破坏电脱水器中电场，降低脱水效果，给原油集输造成很大能源 浪费，在原油炼制过程中原油含水率超标易引起突沸等恶性事故的发生，因此原 油含水在线检测非常重要。而含水率的精确测量十分困难，因此迫切需要研制宽 范围含水率计量仪表，实现原油含水率的在线精确测量。这对于确定出水、出油 2 浙江大学硕士学位论文 层位，估计产量和预测油井的开发寿命以及油田的产量质量控制、油井状态检测、 减少能耗、降低成本和采油管理自动化都有重要的意义和实用价值3 。准确实 时地测量出输油管中的原油含水量已成为当今油田亟待解决的问题。 1 2 两相流简述 1 , 2 1 两相流的定义和分类 相的概念是指某一系统中相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质成分， 各相之间有明显可分的界面i 饥。从普通意义上来分，可以把自然物质分为三类： 气相、液相和固相。如果某种物质只以一种相的形式存在就叫单相。单相物质的 流动叫单相流。所谓两相流就是同时存在两种不同相的物质的流动。 工业上常见的两相流主要有以下几种： ( 1 ) 气液两相流 在热交换器、锅炉、水轮机等设备单元，石油、天然气、低沸点液体的传输 过程，以及传热传质设备大量的分离和反应过程中，气液两相形式存在的流动相 当普遍。 ( 2 ) 气固两相流 在干燥塔等气流干燥单元，如煤粉，水泥等的生产利用和输送过程，以及煤 的沸腾燃烧、石油的催化裂化，矿物的流态化培烧，发动机排气过程应用中等， 气固两相流的实例比比皆是。 ( 3 1 液固两相流 在煤炭、化工、污水处理等行业中，矿浆、纸浆、泥浆等浆液流动，残渣的 水力输送，生活污水的分离和循环等，都有液固两相流的存在实例。 ( 4 ) 液液两相流 在化工过程的萃取塔等分离设备中和实验室普遍用到的萃取方法，油田采油 及油品输送管道里的流体等，大都属于液液两相流系统。 髓相流体的流动比单相流体的流动特性复杂得多，和单相流动比较有以下特 点：流型复杂多变；两相间存在较强的相互作用；两相物性变化较大；流动能耗 变化；存在界面扰动；存在电磁效应；数学描述困难。两相流的这些固有物性， 浙江大学硕士学位论文 使得对两相流体参数的分析和测量变得十分复杂和困难。 1 2 2 两相流主要检测参数 两相流和单相流比较，多出一个相和相间的界面。对于工程上的两相流动问 题，主要是研究其流动特性和传热特性。流动特性包括流速与流量、流动参数及 其相关性、流道及绕流体的阻力( 压降) 、相分布和相份额、流动的稳定性、极限 流动( 临界流) 等等。而传热特性包括沸腾与气泡发生的规律、蒸发与凝结、平衡 与不平衡传热、沸腾临界状况与临界后传热、流道及流阻件对传热的影响等等。 两相流的研究到目前还是以实验为主。由于现象复杂、影响因素较多，许多 问题很难通过解析分析得出结论。近年来计算数学和计算工具的发展，促进了两 相流的解析分析研究。虽然解析分析可以考虑更多的因素；可以取得流场的局部 特性，更以确切地反映实际情况，但是解析分析所取得的往往是离散的数据，还 需要进行相关的机理分析和数据拟合处理，才能得到参数的关联，取得描述过程 机理的关联式来描述现象的规律。 两相流动中，由于存在着一个形状和分布在时间和空间里均是随机可变的相 界面，而相间实际又存在着一个不可忽略的相对速度，致使流经管道的分相流量 比和分相所占的管截面比并不相等。因此，描述两相流动的参数除描述单相流动 的参数，如速度、压力降、流量、温度等，还有别的参数。其主要参数如下： ( 1 ) 流型 又称流态，即流体流动的形式或结构。两相间存在的随机可变的相界面使两 相流动形式多种多样，十分复杂。流型是影响两相流压力损失和传热特性的重要 因素之一，而且对两相流其它参数的准确测量也往往依赖于对流体流型的了解。 ( 2 ) 分相含率 分相含率在气相流中又称空隙率或含气率，在气固两相流中又称浓度。测知 分相含率就可求出两相流体中各分相组分的含量。 ( 3 ) 速度 两相流动中不同相之间存在相对运动速度，除了以混合流体的平均速度描述 外，还必须采用分相流速来表示。两个分相的流速可以用与平均速度的差值表示 相对速度，也可用两个分相流速之比表示速度滑移比。 4 浙江大学硕士学位论文 f 4 】流量 采用不同的单位制，可分别用容积流量或质量流量表示。对于两相流的各相 流量，可用分相容积流量和分相质量流量来描述。对于两相混合物的流量，可用 平均容积流量和平均质量流量进行描述。 ( 5 ) 压力降 压力降也是两相流动中的基本参数之一。在混合物的两相流压力降l j 各分相 压力降间已建立了很多可供工程应用的理论的、实验的和半实验的关联式。 ( 6 ) 密度 混合物的平均密度也是两相流中的一个常用参数，它可以由各相密度和分相 含率计算求得。 分散在两相流中的气泡、液滴、颗粒的尺寸及分布、环状流中的液膜流率、 液膜厚度以及壁剪切力等也是描述两相流动的一些特征参数。温度、传熟传质系 数、临界热通量等也是两相流参数。 1 。3 两相流参数检测技术现状和发展趋势 两相流学科在国民经济发展中具有重要地位，两相流参数检测技术在两相流 研究中重要意义，国内外从事两相流检测技术研究的同行们做了大量工作，采用 的技术路线大体可分为三大类【l j ： ( 1 ) 采用传统的单相流仪表和两相流检测模型相结合的测量方法 把成熟的单相流仪表应用到两相流检测中去多年来都是受到普遍重视的研 究方向之一。据报道的大量研究工作表明：将差压式流量计、涡轮流量计、靶式 流量计、容积式流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计、科里奥利流 量计等多种单相流量计应用于两相流量的检测，取得了重大进展。传统的光学、 电学、热学等单相流探头和传感器，经过改造已广泛地应用到两相流测试系统中。 采用双传感器组合，进行双( 多) 参数组合测量确定流量或干度等也获得了较多 的成功应用，这类组合测量多数为组分浓度仪表、速度仪表和流体流动的动量通 量仪表的交叉排列组合应用。 ( 2 ) 应用近代新技术 两相流参数检测的测量方法中较多涉及近代新技术：如辐射线技术、激光技 两相流参数检测的测量方法中较多涉及近代新技术：如辐射线技术、激光技 5 浙江大学硕士学位论丈 术、光纤技术、核磁共振技术、超声波、微波、光谱、新型示踪技术、相关技术、 过程层析成像技术等。 如基于辐射线吸收或散射原理的y 射线、卢射线、x 射线和中子射线仪表是 两相流组分浓度的重要测试手段。国外在此领域的技术较成熟，已有商品化的工 业型仪表，其中又以y 射线密度计应用最多。激光多普勒测速技术进入两相流测 试领域已有二十多年，由于其具有非接触测量方式、空问分辨率高、动态响应快、 方向性好和测速范围宽等特点，得到了很大发展。特别是相位多普勒技术不仅能 测量颗粒相( 气泡、液滴、颗粒) 速度，还能得到颗粒尺寸和流量信息，应用更 为广泛。但其装置复杂、价格昂贵、使用时技术要求较高，主要仍限于实验研究 中应用。 微波技术在测试领域得到了广泛的应用，在两相流或广义两相物性测量中的 研究十分活跃。在石油油水混合物中含水率的测量、在氧氧气和有机液有机蒸 汽两相流中含气率的测量、在食油和水组成的脂肪化合物中含水率的测量以及纸 张含水率的测量等中，都采用了微波技术。另外，用于在线测量谷物湿度及传送 带上煤含水量的微波仪表也己出现。 ( 3 ) 在硬件技术基础上，以计算机技术为平台，应用基于软测量技术的软测 量方法。 传统的建立在传感器等硬件基础上的各种现有检测手段，目前在两相流领域 还未能得到十分满意的结果。因此人们开始探索，拟把研究热点的软测量技术( 如 状态估计、过程参数辨识、人工神经网络、模式识别) 引入到两相流参数检测领 域中来。通过软测量方法，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检测问题。如应用统计模式识别技术进行气液两相流流型的 识别；应用参数估计法测量两相流流速；应用人工神经网络技术测量气固两相流 的固相质量流量及油井多相流分相含率；应用辨识技术对气固两相流中固相质量 流量进行辨识估计等。 鉴于以上分析，国内外都急待研究和探索的两相流参数检测领域，其发展趋 势和今后研究方向可归纳为以下几个方面【l 】： ( 1 ) 将成熟的单相流参数测试技术与测量仪表应用于两相流测试仍是需要重 视的一个重要研究方向。 6 ( 2 ) 借助于各种新技术( 激光技术、光谱技术、微波技术、核磁共振技术、 全息技术和新型示踪技术等) ，研制高灵敏度，高准确度和高可靠性的两相流传 感器和参数测试仪表。 f 3 ) 应用计算机技术和图像处理技术，获取两相流体系二维- - 维时空分布信 息，应用过程层析成像技术，对两相流局部空间区域进行微观和瞬态测量。 ( 4 ) 改进和完善己有相当基础的相关法和激光多普勒法等测试技术的应用。 ( 5 ) 两相流动过程是一个复杂的多变量随机过程。应用随机过程理论和信息 处理技术，使用传统的单相流检测仪表，采用新的信号检测和处理方法( 如噪声 检测理论、模糊评判理论和谱分析技术等) 进行两相流流动状态的辨识及参数估 计的软测量方法作为一个很重要的研究方向。 ( 6 ) 加强关注两相流动过程中参数测量系统的建模、特征参数提取、对时变 性的自适应能力和动态跟踪能力等的基础理论研究以及两相流参数校验标定手 段和误差分析等的基础方法研究。 在上述的两相流检测技术研究发展的几个主要趋势中，用各种新技术实现两 相流参数检测的研究是一个引人注目的发展方向。如微波技术检测两相流参数已 成学者们热点研究技术之一。微波技术能够在不破坏或干扰两相流流体流动的情 况下测量两相流体流经管道或装置的各相组分含率。微波技术具有速度快、非侵 入、低成本、安全等特点，同时微波技术还具有适应范围广的优点，可广泛应用 于各种工业生产过程中的两相流参数检测。目前的研究已显示出该技术在解决两 相流参数检测问题中的巨大潜力和广阔的工业应用前景。因此，完善和发展微波 技术是一项很有意义的研究工作。 1 4 研究任务和主要内容 油水两相流分相含率测量是一项基础性的工作，在油田的开发、原油的生产、 集输、脱水等过程中都需要准确知道油水两相流的分相含率。 目前在现场使用的原油含水分析仪中主要有射频法、微波法、电容法和射 线法四种。据不完全了解，国外在测量含水率较低时，主要采用电容法和微波法 原理的含水分析仪【3 1 ，这两类仪表分辨率较高，并具有较高的测量稳定性，通过 内置的温度传感器可实现实时温度补偿。在含水率较高时，则采用微波法原理的 浙江大学硕士学位论天 含水分析仪。国内在原油含水分析仪应用方面：测量低含水率采用电容法、射频 法和射线法含水分析仪；测量高含水率采用射线法和短波吸收法的含水分析仪 郾 。国内应用微波法测量油水两相流的仪表还较少，而国外应用微波法测量油 水两相流分相含率主要集中在低含水率和高含水率。 本文着重研究了微波透射法测量中高含水率的油水两相流。在比较国内外各 种常用原油含水率测量技术、方法以及应用范围的基础上，选择了近年来研究较 多的微波法来测量原油含水率。从微波技术测量原油含水率的原理性出发，对微 波透射法测量原油含水率将面临的各种问题进行分析后，构建了基于微波透射法 测量原油含水率的实验装嚣。该装置采用x 波段信号作为微波源，针对应用范 围和实际情况，设计了适合测量中高含水率的传感器，同时进行了实验测量，得 到数据结果，对影响测量的因素进行了分析。 本文的主要内容如下： 第一章绪论。简述了研究课题的意义，对两相流的定义、分类及两相流的 主要检测参数等作了简要的概述，分析了当前两相流参数检测的研究方法和发展 趋势，阐述了本文的研究内容。 第二章文献综述。首先介绍了基于不同原理的测量油水两相流含水率的各 种技术，并指出了各种技术的适用性和局限性。介绍了基于微波物理性质的各种 微波测量方法，并结合实际情况比较优劣，选择了透射法测量原油含水率。最后 简述了目前应用于现场的各种原油含水率测量仪表，简述了未来的发展趋势。 第三章基于微波透射法测量原油含水率系统整体设计。介绍了系统设计的 频率选择、整体结构等。基于微波透射法研制了一套原油含水率测量装置，该装 置主要包括微波信号源，传感器和检波器等。 第四章静态实验研究。介绍了实验装置以及实验方案。用研制的测量装置 对油水混合物进行实验测量。把含水率分成2 0 6 0 和6 0 7 5 两个区间在水平管 和垂直管状态下进行测量。 第五章结论。基于微波透射法原油含水率的测量装置在常温常压实验室状 况下能较好地测量中高含水率的油水两相流，测量绝对误差低于4 。 8 浙江走学项士学位论文 摘要 第二章文献综述 本章主要介绍油水两相流分相含率的各种测量方法乖应用中存 在的问题。简要介绍了微波的物理性质、检测原理、检测特点；详细 介绍了微波透射法和微波谐振法的检测原理、应用方法。最后介绍了 油水两相流分相含率测量仪表的应用现状。 本章主要内容 油水两相流分相含率测量背景 油水两相流分相含率各种测量方法 微波测量方法 油水两相流分相含率仪表应用现状 浙江大学硕士学位论文 油水两相流属液液两相流范畴，它的研究进展远远落后于气液两相流，气固 两相流及液固两相流( 在国内尚未见有关液液两相流研究的专著) 。石油大学，西 安交通大学都在进行这方面的研究。9 0 年代后期，美国、英国、挪威、以色列、 法国和德国等西方发达国家都开展了油水两相流的研究工作，主要围绕流型检 测、流型及其转换机理和压降预测模型研究三个方面掀起了油水两相流研究的高 潮。由于两相流系统中的流量测量往往离不开对各组分分相含率的检测，因而两 相流分相含率测量一直是两相流研究的一个重要方向。 2 1 油水两相流分相含率测量方法 检测油水两相流分相含率的方法很多。传统的方法有定时取样蒸馏化验的人 工方法，这种检测方法取样时间长，取样随机性大，无法进行在线测量，不能满 足油田生产自动化管理的要求；密度计法经多年的现场应用，有易受结垢、含沙、 含气、频率漂移等干扰因素的影响，检测精度无法保证等缺点【6 】。可用于在线测 量的方法主要有射线法、电容法、短波法、微波法掣5 7 1 。 2 1 1 射线法 射线法 8 - 1 2 主要利用了，射线透射的有关性质及厚度不同的介质其衰减程度 不同的原理【”】。，射线源产生射线，射线穿过介质时，将与介质原子发生光电效 应、康普顿效应和电子效应【1 4 】。油和水对y 光子的吸收率不同，利用油水这两种 介质对同一射线的线性吸收系数的差别计算出油水混合物的含水率。 射线法检测电路工作过程为；射线与介质原子问发生碰撞后，偏离原来的入 射方向，一部分射线被介质吸收，一部分射线穿透介质。穿透介质的射线，连接 到射线探测器上。射线探测器由碘化钠闪烁体、光电倍增管及附属电路等组成。 当射线与碘化钠闪烁体作用时，产生物理作用，导致闪烁体发光。这种光都很微 弱并且持续时间很短，所以通常要用光电倍增管把光信号放大并转换成电脉冲。 然后由前置放大器对电脉冲进行放大，配以外围电路，电脉冲测量放大。输入到 微机系统中，转化为计数值。用得到的计数值，并根据介质厚度体积的各方面关 系，计算出原油中的含水率。 当一束初始强度为眠的射线穿过厚度为z 的介质时，其衰减后强度满足 1 0 浙江大学硕士学位论文 指数衰减规律，即： = n o e 一“ ( 2 1 ) u 称为介质对y 射线的吸收系数，是反映介质对y 射线吸收能力的一个物理 常数，它与射线的能量和介质的成分有关。u 值越大，表示介质对射线的吸收越 强，反之，则弱。 核物理试验验证：含水原油的样品，无论是处于混合状态，还是完全分离状 态，对y 射线的吸收效果是完全一样。其公式表达如下所示： 1 1 0 x i j x i - i o x o i 1 wx 憎 图2 1 混合状态图2 2 完全分离状态处理 图2 1 为水油混和状态，= n o e h f 2 2 1 图2 2 为水油完全分离状态，= n o e - ( f 2 3 1 比较上述两式可得：吒j = “。+ “。 ( 2 4 ) 式中1 4 ，为水和油对y 射线的混合吸收系数：“。为水对y 射线的吸收系数；”。 为油对y 射线的吸收系数；k 为水油完全分离状态下，y 射线穿过的水的厚度； t 为水油完全分离状态下，y 射线穿过的油的厚度。 如果用叩表示含水油样的体积含水率，即玎2 彳+ ) ，根据理论推导， 则它的吸收系数由式( 2 4 ) 得： “。= “。- i 玎( “。一“。) ( 2 5 ) 根据式( 2 3 ) 和式( 2 5 ) ，含水率刁可由下式表示： 式中x 为含水原油样品的总厚度。 f 2 6 1 警 = 叩 浙江大学硕士学位论叉 式( 2 6 ) 中，器皿厚度x 、水对射线的吸收系数“。和油对射线的吸收系数都 是常数，只要得到射线的初始强度n 和衰减后的强度，就得到可原油含水率 叩。而射线的初始强度0 和衰减后的强度，可以转化为电脉冲信号的计数值 来表示。实际应用中，将盛有含水率样品的油样装置，做成固定厚度的器皿，因 此工的数值为一个常数。空器皿时，得到的电脉冲信号计数值，就相当于射线的 初始强度值n 。而衰减后的强度值，就相当于器皿中放上原油样品时，获得 的脉冲计数值。因此获得脉冲计数值，就可通过( 2 6 ) 式计算得到原油含水率叩。 2 1 2 电容法 电容法 1 5 - 2 3 1 是利用原油乳化液的介电常数的微小变化与原油中水的含量多 少有关的原理来实现原油含水率测量的。检测介电常数的微小变化多采用电容式 传感器，其敏感探头的结构各式各样。最常见的是采用适合测量液态物系含水率 的同轴筒形电容传感器 1 5 , 1 6 】。 许多电容传感器的测量电路都是基于阻抗测量法【2 2 0 3 1 ，如交流电桥法和l c 振荡法。交流电桥法尽管很精确，但通常需在多谐激励源下工作。许多工业传感 器通常在低于1 0 0 k h z 的频率下工作，尽管高频工作状态是可以实现的，但设计 复杂程度加大，成本较高。基于l c 振荡法的传感器虽然能在高频下工作，但测 量稳定性差，不适于在无须校准的场合下长期在线测量。 安装在输油管道内的传感器电容变化量很小，一般在几十到几百p f 范围， 因此，电容测量电路要求具有o i pf 的分辨率，且要求有良好的零点和长期工作 稳定性。基于充放电法 1 5 - 2 1 的电容传感器可工作在1 0 0 k 5 m i i z 的频率下，电荷 转移法的电容转换电路的特点是漂移小、测量准确度高、稳定性好，并且几乎不 受并联漏电阻的影响”9 1 ，可满足测量要求。下面介绍基于充放电法的电容传感器 的工作原理。 基于充放电法差动电荷转移法的基本原理，其传感器测量电路如图2 3 ( a ) 所 示。主测量回路由运算放大器4 及其反馈阻抗r ，、c ，组成，构成电荷检测计。 参考回路由运算放大器4 及其反馈阻抗r ，、c ，组成，构成电荷检测计。c ，是 被测电容( 探头电容) ，c ，是参考电容，被测电容的导电分量用一个并联电阻r 。表 示。s 和是是同步控制电子开关，受时钟脉冲c p 控制，其通断情况见图2 3 ( b ) 。 1 2 c e p s 1 s ： ( a ) 测量电路原理圈 ( b ) 1 - 作状悫 图2 3 差动电荷转移法测量电路图 基本工作过程为：被测电容与参考电容同时充电到己知电压矿，然后分别对 各自的积分器放电。当时钟信号为高电平时，未知电容e 与参考电容e 通过 c m o s 开关s 与低阻抗的电压源相连并充电到屹，完成充电过程；当时钟信号 为低电平时，s 关断，s 闭合使电容放电到电荷检测计的输入端，完成放电过 程。交替地驱动电子开关充放电过程以频率，重复进行。 放电过程中，运算放大器负输入端的虚地特性提供了一个“短路”状态的放 电回路。当电容与运算放大器接通时，这一“短路”状态回路使电容放电在很短 时间内完成，因此其并联电阻上几乎无泄漏电流，对电容的放电无影响【1 8 】。在放 电回路中由e 、c ，转移到电荷检测计中的电荷分别为 q = 以e ( 2 7 ) q ，= 圪e ( 2 8 ) 检测计通过反馈网络r ，、c ，后的平均放电电流为： = v o e f ( 2 9 ) 平均放电电流被转换成电压，通过c 平滑，得到测量放大器和参考放大器的 输出电压分别为： 浙江大学硕士学位论文 v o = 一r r g o c x f ( 2 1 0 ) 9 0 2 = 一r ，v o c ，f ( 2 1 1 ) 从主测量回路中减去参考回路的输出，可导出输出电压与输入电容的关系： g o = 一k r ，( e c r ) ( 2 1 2 ) 传感器的灵敏度可表示为： d v o 们，= 一丹k 1 0 “v p f ( 2 1 3 ) 由上式可见，灵敏度的大小与，、r ，和k 有关，通过选择合适的参数，则 可获得较大的灵敏度。 电荷检测计实际上是一个电流积分放大器。对主测量回路来说，包括一个运 算放大器4 及其反馈电阻r ，与c ，。其积分时间常数通常取值较大，用来消除开 关频率的影响，产生一个正比于连续放电电流直流分量的输出电压。因为运算放 大器的输出阻抗有一个很大的动态值，故流经它的放电电流脉冲会在其输入端产 生一个瞬态电压尖峰信号。如果在放电过程结束以前没有被滤除掉，将会带来测 量误差。因此，在运放的输入端和地之间接一个大电容c ( c c ，) ，以消除电压 尖峰信号。 2 1 3 短波吸收法 短波吸收法 4 , 2 4 - 2 7 1 是将电能以电磁波的形式辐射到以乳化状态存在的油水介 质中，根据油、水对短波吸收能力的不同来检测油水乳化液中的含水量。 根据电磁波的物理特性：电磁波在通过液体介质时或多或少地被介质所吸 收。不同频率的电磁波在通过同一介质，或同一频率的电磁波通过不同的介质时， 介质所吸收的能量是不同的，吸收多少服从朗伯一贝尔定律 i = l o e 一“ ( 2 1 4 ) 式中，为穿透能量；l 为入射能量； 为吸收系数；c 为介质系数；，为介质厚度。 将公式( 2 1 4 ) 导成如下形式： 厶= i e “( 2 1 5 ) 对于混合介质，则有如下形式： i o = j 矿t c l l t + q 。! “”1 ( 2 1 6 ) 式中“，、c 】、和如、c 2 、，2 ，分别代表着两种不同介质的吸收系数，介质浓度 1 4 浙江大学硕士学位论五 及介质厚度。当混合介质为油和水时，发射器发射一定频率( 如4 m h z ) 的电磁波， 油对这个频率的电磁波能量的吸收系数吖：很小，近似为零，则式( 2 1 6 ) 导成如下 形式： i o = 尼” ( 2 1 7 ) 从式( 2 1 7 ) 中可知，当，为恒定值时，探测器发射能量，只随介质浓度( 在这 里为水1 变化而变化，呈非线性曲线特性。发射器发射功率变化将引起发射器内 部振荡源电流值，变化，将变化了的电流反馈输出给控制器，经过调零、放大整 形后，再经过线性化处理，就可实现水中含油的测定。 2 1 4 微波法 上述测量原油含水率的三种方法在测量范围、精度等方面各有差异。虽然在 有现场应用，但都还有一定的局限性 5 , 2 9 1 。 射线法含水分析仪测量原理主要与介质的密度有关，与介质的状态没有太大 的关系，其调试过程相对比较简单，一般需要两个测量点就可以完成测量系统的 调试。测量精度较高，能够满足高低含水在线检测要求，还可以对介质中的含气 量进行测量。缺点是价格过高、内含放射源、管理难度大。 电容法属于接触式测量，传感器电极易受原油的腐蚀、结垢、结蜡等因素影 响，致使长期工作运行的稳定可靠性差，也无法消除环境变化( 如温度) 对含水 率测量带来的零点漂移，高含水率情况下不能测量。 短波吸收法在进行含水测量时，可以对瞬时含水率进行测量，但是这种方法 不适合介质中含气较高的测量条件。而且用此种测量原理的测试仪表在现场调试 时也比较麻烦，需要进行取样化验对比的含水取样点比较多。可以测量高低含水 率情况。 微波非电量的测量技术属于低功率微波能的应用范畴，其基本原理是以微波 作为信息传递的媒介，根据待测物料对微波有辐射、反射、透射、散射、干涉、 衍射、谐振和多普勒效应等物理特性，利用对非电量有敏感响应的微波传感器将 待测物件的非电量转换成微波电参量的变化进行测量【2 剐。近来的研究中，许多学 者致力于从微波的角度对两相流分相含率进行研究，并就此作了不少的工作，也 取得了不少成果。微波法测量含水率属于非接触式测量方法，可以较好地解决含 1 5 浙江大学硕士学位论文 垢、含蜡、温度和压力变化、流态变化及超大管径输送等不利工况对测量的影响， 测量量程宽；测量系统牢固，小巧；对人体辐射危害也不大。该技术在测量精度、 运行稳定性、安装方式等方面处于领先的地位。但是由于两相流系统是一复杂的 非线性时变系统，微波和流体介质特性的关系有待进一步研究，而且微波本身对 电子线路和环境干扰等条件要求较高，因而在实际研究工作中仍存在不少困难。 2 2 微波检测原理、特点和方法 近年来，国外利用微波频段电磁波的特性，研制生产了大量用于非电参量的 检测和无损伤探测方面的微波传感器，工作十分引人注目。微波传感器具有不接 触、无损伤、连续、实时、远距离、无毒害、不污染环境、易于维护、成本较低 等一系列优点，在许多场合十分有用。长期以来，传感器的电检测技术基本上局 限于低频和光频两个频段并从集总电路参数和电压、电流的观点来研究各种传惑 器的性能，很少使用它们之间的微波频段并从电磁波的角度来研究传感器。随着 微波检测这一领域的开拓和发展，不仅为两相流参数检测增加了新的检测方法， 而且为微波半导体器件和微波集成电路开辟了新的应用前景。 2 2 1 微波物理特性、检测原理及特点 微波是频率很高的电磁波，它的低端频率为3 0 0 m h z ，高端可达3 0 0 g h z 。微 波的主要物理特性有似光性和近声性。当波长远小于反射体时，微波和几何光学 特性近似，即具有反射、折射、衍射及行程可逆等特性；当波长与反射体具有相 同数量级时，微波又近似声学特性【3 0 】。微波的这一系列物理特性，很适合用来进 行非电量的无损检测。 首先，微波具有似光性。例如，微波具有良好的定向辐射性能，在自由空间 沿直线传播且速度等于光速，在反射、折射、绕射、散射、干涉时遵循与光同样 的物理定律。微波测距就是利用了微波的这一物性。 其次，微波能够穿透大多数非金属材料，包括许多对光波来说是不透明的材 料。并且与这些材料的分子相互作用。从内部不均匀处产生反射、散射。利用这 一性质，可用微波对非金属复合材料薄片厚度和对非金属复合材料均匀性进行检 1 6 浙江大学硕士学住论文 测；对多层粘合材料的脱粘检测；对复合材料中的裂纹、裂缝和气泡等缺陷的检 测等。 第三，微波遇到良导体时几乎全部反射，良导体在微波频率的