[发明专利]油气水三相塞状分散流流速测量方法

说明书

本发明涉及一种油气水三相塞状分散流分相流速测量方法，包含：1)利用相含率测量装置得到各相含率信息；2)根据相含率判断三相塞状分散流的连续相和分散相；3)通过对超声换能器所获取的接收信号进行解调，得到多普勒频移信号；4)计算连续相与离散气相之间的曳力；5)计算连续相与离散液相之间的曳力；6)计算管壁对连续液相的剪切力；7)建立关于u_c，u_g，u_d的三元非线性方程组；8)利用数值迭代类算法求解，获得u_c，u_g，u_d的最优估计；9)三相流分相表观流速计算。

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，涉及一种超声传感器的测量方法，用于油气水三相塞状分散流流速的无扰动式测量。

技术背景

多相流广泛存在于日常生活与工业生产过程中，例如食品加工，生物工程，化工产业，冶金工业和石油产业等行业，主要表现形式包括两相流、三相流或四相流等。其中，油气水三相流是石油开采和输送环节中最为常见的流动形式。与单相流或两相流相比，三相流的流动状态更为复杂，因此三相流在线过程参数检测一直是科研和工业产业界关注的重点。油气水三相流含水率和流速的测量对油井产量估计、流动状态监测、工况生产安全等方面具有重大意义。然而，油气水三相流因其流动结构复杂，流动状态多变，难以实现流动过程参数的无扰动式测量。

水平管道油气水三相流，根据油、水的相含率可总体分为“油基”和“水基”两种基本流动状态。在这两种基本流动状态下，又根据具体相分布形态进一步细分为不同的流型。当液相流量较高而气相流量较低时，其流动状态呈现为典型塞状分散流。即长气泡和细小气泡聚集在管道顶部，离散的液相以液滴的形式夹杂在连续液相中。目前，针对油气水三相流流速(流量)测量的研究主要以质量流量计和互相关流量计为主。科里奥利流量计在质量流量计中最具有代表性，常用于多相流流量测量，但当流体中含有气相时，由于气体不随管道共同振动，往往导致测量精度受到较大影响；此外，多相流中各相混合不均匀也会影响流量的测量结果。基于不同敏感原理的互相关流量计同样被广泛研究和使用，通常包括超声法、电学法、光学法和射线法等。互相关流量计需要被测流体中出现明显的流动噪声，即明显的瞬时含率或流速的波动，较为平稳的流动状态通常会降低相关计算的成功率；同时，上下游传感器间距与传感器响应频率共同决定了基本的测试误差，且误差随流速变化。因此，在油气水三相塞状分散流这类随机性很强的流体测速时具有一定局限性。

相比以上测量方式，超声多普勒方法具有非侵入、结构简单、原理明确、价格低廉等优势。首先，超声场不会对流体自身的流动状态造成任何干扰。其次，基于连续波的超声多普勒流速测量方法是通过声波在流体中散射体(气泡和液滴)上形成的多普勒效应获取散射体的流动速度，因此其所测速度的物理意义明确，即测量空间内所有散射体的平均真实速度。油气水三相塞状分散流中，离散的气泡、液滴和连续相共同构成了混合流体。因此，根据超声多普勒原理，所测流速就是气泡和离散相液滴的平均真实速度。为避免不同相之间流动速度的滑动现象引入误差，在双流体模型的基础上建立了专门的三相流测量模型；结合相含率测量装置(如超声、射线、电学相含率测量装置)所获取的相含率信息，计算得到三相的真实流速，最终获得油气水三相塞状分散流流分相流速和总表观流速。

发明内容

本发明的目的是在现有技术的基础上，提出一种利用超声多普勒传感器准确测量管道内油气水三相塞状分散流分相流速的方法。本发明的技术方案如下：

一种油气水三相塞状分散流分相流速测量方法，采用的设备包括双压电陶瓷晶片的超声换能器和相含率测量装置，超声换能器的测量空间能够覆盖整个管道截面；相含率测量装置提供各相含率信息；所述超声换能器安装于管道底侧，换能器内部双晶片均被倾斜安装于声耦合材料上，以保证晶片的法线方向与水平流动方向夹角为α；所述双晶片超声换能器用来发射和接收超声波，其中，换能器一侧晶片负责发射超声波，另一侧晶片负责接收超声波，且在上述两晶片之间放置隔音材料以抑制干扰。该测试方法包含如下步骤：