试论频率分析法用于两相流体的流量测量

1、频率分析析法用于于两相流流体的流流量测量量测井技术术WELLL LOOGGIING TECCHNOOLOGGY19999年第第23卷第3期VooL.223Noo.3119999沈跃陈世廉廉摘要要沈跃，陈世廉廉频率率分析法法用于两两相流体体的流量量测量测井技技术，119999，23（3）：16681722叙述述了利用用两相流流体的混混合不均均匀性来来测量流流体流量量的频率率分析法法。基于于流体分分散相的的含水扰扰动信号号中含有有流体密密度信息息和流速速信息，通过对对扰动信信号的高高频分量量进行相相应的数数据处理理，将流流速信息息取出，使单一一的含水水传感器器具有一一定的流流量测量量能力。通过室室

2、内模拟拟井试验验证实了了这种方方法的可可行性。对模拟拟井的流流量实验验数据进进行了分分析。主题题词：频率分分析两相流流动流体流量量测量滑脱脱速度实验验数据ABSTTRACCTShhen Yuee， Cheen SShilliannMeaasurremeent of Twoo-phhasee Fllowrratee byy Ussingg Frrequuenccy AAnallysiis MMethhodWLTT， 19999， 233（3）： 11681722A frrequuenccy aanallysiis mmethhod is preesenntedd inn thhis papper

3、 forr meeasuurinng tthe floowraate of oill-waaterr twwo-pphasse lliquuid mixxturresPerrturrbattionn siignaal aat tthe outtputt off a watter-cutt trranssduccer plaacedd inn a welll cconttainns iinfoormaatioon aabouut ffluiid ddenssityy annd ffluiid vveloocittyDatta pproccesssingg iss maade to thee hi

4、igh freequeencyy coompoonennt oof tthe perrturrbattionn siignaal tto aacquuiree flluidd veeloccityy， thhus， maakinng tthe watter-cutt trranssduccer ablle tto mmeassuree thhe ffluiid fflowwratteThee feeasiibillityy off thhis metthodd iss prroveed bby tthe inddoorr siimullatiion expperiimennts Annd tt

5、he expperiimennt ddataa off fllowrratee frrom moddel wellls is anaalyssedSubjjectt Teermss： frrequuenccy aanallysiis twwo-pphasse ffloww ffluiid floow mmeassuriing sllipppagee veeloccityy expperiimenntall daata引言言由于于油井内内液体多多为汽液相及及非均匀匀分布的的油水混合合液，这这种流体体的含水水信号是是一种分分散相介介质的调调制信号号，其中中含有反反映平均均持水率率的油水水密度信信息

6、和处处于分散散相的油油珠流速速信息。通过对对含水信信号的脉脉动分量量进行频频率分析析可以将将这种流流速信息息取出，并换算算成流体体的流量量。随着着井下含含水传感感器工艺艺和数据据处理方方法的进进一步完完善，这这种频率率分析处处理方法法将使目目前井下下持水率率计具有有一定的的流量测测量能力力。含水传感感器的探探头结构构CDB型型井下找找水仪传传感器主主要用于于井下高高持水率率的测量量，它的的检测探探头是一一根长金金属棒，金属棒棒外部覆覆盖有一一层非金金属材料料绝缘层层，整体体呈圆柱柱型。为为了使含含水信号号中的扰扰动信号号更加明明显，在在长圆柱柱形探头头上设置置有若干干个等间间距排放放的敏感感缝

7、，形形成测量量敏感区区；敏感感区暴露露在油水水介质中中(见图1)。为了了保护天天线探头头、束流流及屏蔽蔽电磁波波不外泄泄，在与与探头相相距一定定距离处处同轴加加有一个个金属保保护罩，金属保保护罩接接地。油油水混合合液在检检测探头头和保护护罩之间间流动，形成一一个可变变介质电电容。当当油水液液中处于于分散相相的油珠珠经过敏敏感区时时，会显显著改变变介质电电容的电电容量，从而在在传感器器的信号号输出端端得到一一系列的的扰动电电压脉冲冲，且油油相运动动速度越越快，脉脉冲频率率越高。图1含含水传感感器探头头结构流量计算算1流流体特性性设油油水混合合液是水水基的，即水呈呈连续相相，油呈呈分散相相。根据据

8、油珠在在水中的的受力分分析，当当油珠受受力平衡衡后，其其相对于于水相的的滑脱速速度为匀匀速。在在水温20时，水水的动力力粘性系系数为110.005110-44 Nm2.s。经经过计算算得到该该温度下下油珠的的滑脱速速度为（11）式中，dd为油珠珠直径，单位为为m。由于于水中油油珠直径径是随机机变化的的，故油油珠的滑滑脱速度度也是随随机的。当许多多油珠相相对于水水相作相相对运动动时，由由于直径径的不同同，使各各油珠的的运动状状态处于于不同的的阻力系系数区，遵循不不同的滑滑脱速度度公式，使得油油珠的运运动状态态在微观观上变得得十分复复杂，因因此我们们只能在在宏观上上找出描描述其滑滑脱速度度的方法法

9、。2含含水信号号的扰动动频率由于于滑脱速速度voo是油珠珠相对于于水流的的运动速速度，其其绝对流流速应为为（22）由此可以以解出单单个油珠珠经过含含水传感感器敏感感区时产产生的扰扰动脉冲冲频率为为（33）式中QQ油油水混合合液流体体流量；S井井筒截面面积；L探探头敏感感区长度度；N敏敏感缝数数；t油油珠经过过敏感区区所用时时间；T传传感器信信号周期期。由于于vo是一一个随油油珠直径径变化的的随机变变量，故故(N1)vvoL是频率率f的随机机分量。在众多多油珠依依次经过过传感器器探头敏敏感区时时，某段段时间内内传感器器输出信信号的扰扰动脉冲冲平均频频率为（4）式中nnttM时间间内M个油珠珠产生

10、的的有效脉脉冲数；ti单个个油珠经经过敏感感区所用用时间；fi单个油油珠经过过敏感区区时产生生的扰动动脉冲频频率。将式式(3)代入式式(4)，并且且令经整理得得到tMM时间内内M个油珠珠依次经经过传感感器敏感感区时产产生的扰扰动脉冲冲平均频频率为（5）由于于ki、ti与voii皆为随随机变量量，故ki，voiiki与与f*在M值趋于于一个较较大数时时，会向向一个平平均真值值逼近。令则式(55)转变变为（6）式中ffMtM时时间内MM个油珠珠依次经经过含水水传感器器敏感区区产生的的平均脉脉冲频率率；voi油珠珠相对于于水相的的滑脱速速度；Q油油水混合合液流体体流量；S井井筒截面面积；L探探头敏感

11、感区长度度；N传传感器的的敏感缝缝数(NN2)；K1、KK1、f*统计计平均值值。从以以上各式式可以看看出，KK1，K1，f*均与与流量有有着一定定的对应应关系，在水的的运动粘粘性系数数一定时时，K11、K1、f*都是流量的的函数。当流量量固定时时，K11、K1、f*是一一个常量量，因此此，混合合液的流流体流量量与扰动动信号的的平均频频率呈一一定的函函数关系系。这种种函数关关系不是是线性的的，但却却是单调调变化的的。这种种函数关关系建立立于统计计平均的的基础之之上，它它要求采采集到的的脉冲数数目越多多越好，但这会会使采样样时间与与处理时时间过长长，从而而对测量量不利。因此在在保证测测量精度度和

12、响应应速度的的条件下下，应把把采样脉脉冲数限限制在一一定范围围之内。由于于油珠不不可能全全部依次次经过探探头敏感感区，而而是随机机通过，可以认认为在MM个油珠珠中有MM个是依次次通过的的，MM个是随随机插入入，同样样可以得得到tMM时间内内M个油珠珠经过含含水传感感器敏感感区时产产生的扰扰动脉冲冲频率为为（7）式中，由于于MM，因此此ki比无无随机插插入时增增大，故故K2K1，K2K1、f*f*。这这导致信信号频率率的升高高，同时时M是个不不确定的的值，在在流量不不变时，f不再再固定不不变，这这使得ff*M 的值值会发生生波动，从而影影响频率率测量的的重复性性。因此此可以认认为影响响频率重重复

13、性的的主要原原因是油油珠的随随机插入入，且插插入数量量相对于于总数量量越大，数据的的波动越越剧烈。为了减减小油珠珠的这种种随机插插入作用用，可以以将传感感器探头头的敏感感区长度度适当缩缩短，同同时相应应减少敏敏感缝的的数量。含水传传感器探探头的设设计应使使得传感感器只能能检测到到靠近探探头敏感感区的油油珠。对对于径向向远离油油珠产生生的影响响必须大大大消弱弱，最后后通过程程序处理理加以消消除。信号与数数据处理理1信信号的电电路处理理由含含水传感感器接收收到的电电压信号号是一种种脉动的的低频幅幅值较大大的混合合信号，其中高高值低频频分量代代表平均均含水率率值，高高频脉动动分量代代表反映映流量信信

14、息的油油珠速度度信号，因此必必须对这这一混合合信号进进行分离离处理。含水传传感器的的脉动含含水信号号首先经经过线性性衰减，隔离放放大，然然后一路路信号经经过高阶阶低通滤滤波，将将高于33.3HHz的信号滤滤除，形形成含水水率平均均值输出出。另一一路信号号通过一一个带宽宽为144 Hzz（614Hzz）的带带通滤波波器，将将原始信信号的高高频分量量放大后后送入一一个锐截截止的低低通滤波波器，滤滤除500 Hzz以上的的工频干干扰，形形成仅反反映流量量信息的的油珠速速度信号号。这两两路模拟拟信号分分别馈入入计算机机数据采采集系统统进行数数据处理理。2数数据处理理经过过计算机机的采样样、判断断、计算

15、算和补偿偿，最后后得到有有效平均均频率值值。由式式(6)和式(77)看出出，测量量含水脉脉动信号号的有效效频率可可以反映映出油水水混合液液的流量量变化。图2为计算算机采样样处理程程序框图图。图2计计算机采采样处理理程序框框图程序序中，采采样周期期由软件件控制，采样频频率4000Hzz。由于于AD转换时时间很短短，故平平均含水水率通道道与油珠珠流速通通道的数数据采样样几乎是是同时进进行的，平均含含水率信信号经过过平滑处处理变为为某一时时间段的的含水平平均值。反映油油珠流速速的脉动动信号经经过波峰峰检测、脉冲真真伪识别别、脉冲冲信号的的脱落补补偿、有有效脉冲冲计数及及脉冲间间隔计时时累加，最后换换

16、算为有有效频率率显示及及打印，并通过过DA口将频频率值变变为模拟拟电压量量输出。实验数据据分析室内内模拟实实验井由由垂直井井筒、油油水管道道、油水水泵、标标准蜗轮轮流量计计、油水水混合液液分离装装置等组组成。泵泵入的油油量和水水量数据据分别输输入计算算机数据据采集系系统进行行液体总总流量和和含水率率的计算算，用于于与测量量值的数数据对比比。实验验时将油油泵和水水泵的泵泵量比控控制在含含水率990%左左右范围围，用于于模拟实实际井下下工作情情况。1重重复性实实验油水水泵量固固定，油油水比119，测取取一组110个数数据列入入表1；然后仍仍保持油油水比不不变，逐逐渐提高高泵入液液体总量量，同样样测

17、取每每组100个数据据列入表表2和表3。2流流量分辨辨率实验验固定定油泵排排量0.6Lminn，使水水泵排量量由2 Lminn开始逐逐渐分段段加大到到24 Lminn；测出出各流量量对应的的频率值值曲线(见图3)。图3流流量与频频率对应应曲线由表表1、表2和表3看出，流量测测量的重重复性在在低流量量时较好好，因为为排量增增大时测测量重复复性有所所降低，因为排排量增大大时水流流速度过过快，油油相在模模拟井喷喷嘴处受受到过快快水流的的剪切作作用，较较大的油油珠被击击碎形成成大量小小油珠，使油珠珠的随机机插入机机会增大大，造成成频率数数据的波波动。图图3中，测测量曲线线呈单调调上升的的非线性性状，与

18、与式(77)的分分析相符符。中小小流量时时测量分分辨率较较高，排排量增大大时，较较大的油油珠被水水流击碎碎后，其其滑脱速速度大幅幅度下降降，同时时引起含含水脉动动分量的的信号幅幅度大幅幅度降低低，使得得处理程程序将幅幅度较小小的脉动动信号当当作伪信信号剔除除。因此此排量超超过200 Lminn后测量量分辨率率大幅度度下降。由于环环空测井井的需要要，实验验仪器外外径为225mmm，流体体在探头头金属护护罩之间间的流动动空间较较小，对对油珠有有一定的的阻碍作作用，排排量增大大时产生生阻力更更大，影影响到油油珠的自自然流动动状态，降低了了测量数数据的重重复性和和分辨率率。表1油油水总排排量4 Lmi

19、nn时测量量数据测量次数数 1 2 33 4 5 66 7 8 99 100 有效频率率值fMMHz 843 857 859 879 866 850 888 855 848 891 频率平均均值MHz 864 频率偏差差fMHz 021 007 005 015 002 014 024 009 016 027 标准偏差差Hz 017 表2油油水总排排量8 Lminn时测量量数据测量次数数 1 2 33 4 5 66 7 8 99 100 有效频率率值fMMHz 1059 1087 1112 1109 1041 1091 1063 1051 1074 1079 频率平均均值MHz 1077 频率偏

20、差差fMHz018 010 035 032 036 014 014 026 003 002 标准偏差差Hz 024 表3油油水总排排量166 Lminn时测量量数据测量次数数 1 2 33 4 5 66 7 8 99 100 有效频率率值fMMHz 1294 1266 1341 1320 1312 1302 1251 1292 1236 1270 频率平均均值MHz 1288 频率偏差差fMHz 006 022 053 032 024 014 037 004 052 018 标准偏差差Hz 033 结论本实实验中所所用模拟拟装置较较小，且且油、水水泵均为为开环控控制，其其泵量会会随油水水混合液

21、液的各种种阻力和和电源的的波动而而变化。如果通通过加入入流量反反馈对整整个实验验系统实实行闭环环控制，同时改改进并适适当加长长实验井井筒，使使油水混混合液体体处于良良好流动动状态，相信流流量测量量的重复复性和分分辨率会会有提高高。通常常室内实实验是在在20液体温温度下进进行，而而实际油油井的井井温在1100左右。该温度度下水的的动力粘粘性系数数为2.84104Nm2.s，比比20水温时时大大下下降，因因此流体体的运动动状态会会较液温温20时好。相对于于井筒截截面积来来讲，环环空测井井仪器的的截面积积太小，影响到到油珠的的捕捉机机会，油油珠不易易进入传传感器。解决的的方法是是采用扶扶正器，同时去去掉作为为外导体体的金属属屏蔽罩罩，直