试论频率解析法用于两相流体的流量测量.doc

频率分析法用于两相流体的流量测量测井技术WELL LOGGING TECHNOLOGY1999年第23卷第3期VoL.23No.31999 - 沈跃陈世廉摘要沈跃，陈世廉频率分析法用于两相流体的流量测量测井技术，1999，23（3）：168172叙述了利用两相流体的混合不均匀性来测量流体流量的频率分析法。基于流体分散相的含水扰动信号中含有流体密度信息和流速信息，通过对扰动信号的高频分量进行相应的数据处理，将流速信息取出，使单一的含水传感器具有一定的流量测量能力。通过室内模拟井试验证实了这种方法的可行性。对模拟井的流量实验数据进行了分析。主题词：频率分析两相流动流体流量测量滑脱速度实验数据ABSTRACTShen Yue， Chen ShilianMeasurement of Two-phase Flowrate by Using Frequency Analysis MethodWLT， 1999， 23（3）： 168172A frequency analysis method is presented in this paper for measuring the flowrate of oil-water two-phase liquid mixturesPerturbation signal at the output of a water-cut transducer placed in a well contains information about fluid density and fluid velocityData processing is made to the high frequency component of the perturbation signal to acquire fluid velocity， thus， making the water-cut transducer able to measure the fluid flowrateThe feasibility of this method is proved by the indoor simulation experiments And the experiment data of flowrate from model wells is analysedSubject Terms： frequency analysis two-phase flow fluid flow measuring slippage velocity experimental data引言由于油井内液体多为汽液相及非均匀分布的油水混合液，这种流体的含水信号是一种分散相介质的调制信号，其中含有反映平均持水率的油水密度信息和处于分散相的油珠流速信息。通过对含水信号的脉动分量进行频率分析可以将这种流速信息取出，并换算成流体的流量。随着井下含水传感器工艺和数据处理方法的进一步完善，这种频率分析处理方法将使目前井下持水率计具有一定的流量测量能力。含水传感器的探头结构CDB型井下找水仪传感器主要用于井下高持水率的测量，它的检测探头是一根长金属棒，金属棒外部覆盖有一层非金属材料绝缘层，整体呈圆柱型。为了使含水信号中的扰动信号更加明显，在长圆柱形探头上设置有若干个等间距排放的敏感缝，形成测量敏感区；敏感区暴露在油水介质中(见图1)。为了保护天线探头、束流及屏蔽电磁波不外泄，在与探头相距一定距离处同轴加有一个金属保护罩，金属保护罩接地。油水混合液在检测探头和保护罩之间流动，形成一个可变介质电容。当油水液中处于分散相的油珠经过敏感区时，会显著改变介质电容的电容量，从而在传感器的信号输出端得到一系列的扰动电压脉冲，且油相运动速度越快，脉冲频率越高。 图1含水传感器探头结构流量计算1流体特性设油水混合液是水基的，即水呈连续相，油呈分散相。根据油珠在水中的受力分析，当油珠受力平衡后，其相对于水相的滑脱速度为匀速。在水温20时，水的动力粘性系数为10.0510-4 Nm2.s。经过计算得到该温度下油珠的滑脱速度为（1）式中，d为油珠直径，单位为m。由于水中油珠直径是随机变化的，故油珠的滑脱速度也是随机的。当许多油珠相对于水相作相对运动时，由于直径的不同，使各油珠的运动状态处于不同的阻力系数区，遵循不同的滑脱速度公式，使得油珠的运动状态在微观上变得十分复杂，因此我们只能在宏观上找出描述其滑脱速度的方法。2含水信号的扰动频率由于滑脱速度vo是油珠相对于水流的运动速度，其绝对流速应为（2）由此可以解出单个油珠经过含水传感器敏感区时产生的扰动脉冲频率为（3）式中Q油水混合液流体流量；S井筒截面积；L探头敏感区长度；N敏感缝数；t油珠经过敏感区所用时间；T传感器信号周期。由于vo是一个随油珠直径变化的随机变量，故(N1)voL是频率f的随机分量。在众多油珠依次经过传感器探头敏感区时，某段时间内传感器输出信号的扰动脉冲平均频率为（4）式中ntM时间内M个油珠产生的有效脉冲数；ti单个油珠经过敏感区所用时间；fi单个油珠经过敏感区时产生的扰动脉冲频率。将式(3)代入式(4)，并且令经整理得到tM时间内M个油珠依次经过传感器敏感区时产生的扰动脉冲平均频率为（5）由于ki、ti与voi皆为随机变量，故ki，voiki与f*在M值趋于一个较大数时，会向一个平均真值逼近。令则式(5)转变为（6）式中fMtM时间内M个油珠依次经过含水传感器敏感区产生的平均脉冲频率；voi油珠相对于水相的滑脱速度；Q油水混合液流体流量；S井筒截面积；L探头敏感区长度；N传感器的敏感缝数(N2)；K1、K1、f*统计平均值。从以上各式可以看出，K1，K1，f*均与流量有着一定的对应关系，在水的运动粘性系数一定时，K1、K1、f*都是流量的函数。当流量固定时，K1、K1、f*是一个常量，因此，混合液的流体流量与扰动信号的平均频率呈一定的函数关系。这种函数关系不是线性的，但却是单调变化的。这种函数关系建立于统计平均的基础之上，它要求采集到的脉冲数目越多越好，但这会使采样时间与处理时间过长，从而对测量不利。因此在保证测量精度和响应速度的条件下，应把采样脉冲数限制在一定范围之内。由于油珠不可能全部依次经过探头敏感区，而是随机通过，可以认为在M个油珠中有M个是依次通过的，MM个是随机插入，同样可以得到tM时间内M个油珠经过含水传感器敏感区时产生的扰动脉冲频率为（7）式中，由于MM，因此ki比无随机插入时增大，故K2K1，K2K1、f*f*。这导致信号频率的升高，同时M是个不确定的值，在流量不变时，f不再固定不变，这使得f*M 的值会发生波动，从而影响频率测量的重复性。因此可以认为影响频率重复性的主要原因是油珠的随机插入，且插入数量相对于总数量越大，数据的波动越剧烈。为了减小油珠的这种随机插入作用，可以将传感器探头的敏感区长度适当缩短，同时相应减少敏感缝的数量。含水传感器探头的设计应使得传感器只能检测到靠近探头敏感区的油珠。对于径向远离油珠产生的影响必须大大消弱，最后通过程序处理加以消除。信号与数据处理1信号的电路处理由含水传感器接收到的电压信号是一种脉动的低频幅值较大的混合信号，其中高值低频分量代表平均含水率值，高频脉动分量代表反映流量信息的油珠速度信号，因此必须对这一混合信号进行分离处理。含水传感器的脉动含水信号首先经过线性衰减，隔离放大，然后一路信号经过高阶低通滤波，将高于3.3Hz的信号滤除，形成含水率平均值输出。另一路信号通过一个带宽为14 Hz（614Hz）的带通滤波器，将原始信号的高频分量放大后送入一个锐截止的低通滤波器，滤除50 Hz以上的工频干扰，形成仅反映流量信息的油珠速度信号。这两路模拟信号分别馈入计算机数据采集系统进行数据处理。2数据处理经过计算机的采样、判断、计算和补偿，最后得到有效平均频率值。由式(6)和式(7)看出，测量含水脉动信号的有效频率可以反映出油水混合液的流量变化。图2为计算机采样处理程序框图。 图2计算机采样处理程序框图程序中，采样周期由软件控制，采样频率400Hz。由于AD转换时间很短，故平均含水率通道与油珠流速通道的数据采样几乎是同时进行的，平均含水率信号经过平滑处理变为某一时间段的含水平均值。反映油珠流速的脉动信号经过波峰检测、脉冲真伪识别、脉冲信号的脱落补偿、有效脉冲计数及脉冲间隔计时累加，最后换算为有效频率显示及打印，并通过DA口将频率值变为模拟电压量输出。实验数据分析室内模拟实验井由垂直井筒、油水管道、油水泵、标准蜗轮流量计、油水混合液分离装置等组成。泵入的油量和水量数据分别输入计算机数据采集系统进行液体总流量和含水率的计算，用于与测量值的数据对比。实验时将油泵和水泵的泵量比控制在含水率90%左右范围，用于模拟实际井下工作情况。1重复性实验油水泵量固定，油水比19，测取一组10个数据列入表1；然后仍保持油水比不变，逐渐提高泵入液体总量，同样测取每组10个数据列入表2和表3。2流量分辨率实验固定油泵排量0.6Lmin，使水泵排量由2 Lmin开始逐渐分段加大到24 Lmin；测出各流量对应的频率值曲线(见图3)。 图3流量与频率对应曲线由表1、表2和表3看出，流量测量的重复性在低流量时较好，因为排量增大时测量重复性有所降低，因为排量增大时水流速度过快，油相在模拟井喷嘴处受到过快水流的剪切作用，较大的油珠被击碎形成大量小油珠，使油珠的随机插入机会增大，造成频率数据的波动。图3中，测量曲线呈单调上升的非线性状，与式(7)的分析相符。中小流量时测量分辨率较高，排量增大时，较大的油珠被水流击碎后，其滑脱速度大幅度下降，同时引起含水脉动分量的信号幅度大幅度降低，使得处理程序将幅度较小的脉动信号当作伪信号剔除。因此排量超过20 Lmin后测量分辨率大幅度下降。由于环空测井的需要，实验仪器外径为25mm，流体在探头金属护罩之间的流动空间较小，对油珠有一定的阻碍作用，排量增大时产生阻力更大，影响到油珠的自然流动状态，降低了测量数据的重复性和分辨率。表1油水总排量4 Lmin时测量数据 测量次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 有效频率值fMHz 843 857 859 879 866 850 888 855 848 891 频率平均值MHz 864 频率偏差fMHz 021 007 005 015 002 014 024 009 016 027 标准偏差Hz 017 表2油水总排量8 Lmin时测量数据 测量次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 有效频率值fMHz 1059 1087 1112 1109 1041 1091 1063 1051 1074 1079 频率平均值MHz 1077 频率偏差fMHz 018 010 035 032 036 014 014 026 003 002 标准偏差Hz 024 表3油水总排量16 Lmin时测量数据 测量次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 有效频率值fMHz 1294 1266 1341 1320 1312 1302 1251 1292 1236 1270 频率平均值MHz 1288 频率偏差fMHz 006 022 053 032 024 014 037 004 052 018 标准偏差Hz 033 结论本实验中所用模拟装置较小，且油、水泵均为开环控制，其泵量会随油水混合液的各种阻力和电源的波动而变化。如果通过加入流量反馈对整个实验系统实行闭环控制，同时改进并适当加长实验井筒，使油水混合液体处于良好流动状态，相信流量测量的重复性和分辨率会有提高。通常室内实验是在20液体温度下进行，而实际油井的井温在100左右。该温度下水的动力粘性系数为2.84104Nm2.s，比20水温时大大下降，因此流体的运动状态会较液温20时好。相对于井筒截面积来讲，环空测井仪器的截面积太小，影响到油珠的捕捉机会，油珠不易进入传感器。解决的方法是采用扶正器， 同时去掉作为外导体的金属屏蔽罩，直接将金属屏蔽罩套在探头绝缘层上，在屏蔽罩上开出一系列等间距的窗口形成测量敏感区，电磁波从窗口辐射出用于检测油珠，这样既可以保证油珠的自然流动状态，同时也增大了油珠的受测机会。作者简介：沈跃工程师，1961年生。1990年毕业于石油高等函授生产过程自动化专业。现在石油大学(华东)应用物理系从事电子与传感器技术在石油工业中的应用研究。(山东东营石油大学应用物理系邮编：257062)作者单位：（石油大学应用物理系.山东）参考文献1李诗久工程流体力学北京：机械工业出版社，1980，3：117133，2242392Yin Xiaoxing， Shen Yue