CN115586208A - 环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的装置和方法。加热带设置在管道外，用于加热管道内的油水混合物，使管道内的油水混合物的温度上升；温度传感器设置在管道的上游侧，温度传感器位于加热带的左侧，用于检测流入管道的流体的初始温度；环形温度传感器阵列设置在管道的下游侧，位于加热带的右侧，用于检测温差信号；边界层式流量计利用温差信号来测量管道内的油水混合物的流量。根据不同方向温度传感器测取的温升信号，可分析流体在各个方向的流速和流量，利用环形温度传感器阵列测得的温度信号，对上下游的温差进行校正，可克服非接触式相含率测量技术中由于上下游温差变化不明显从而导致测量误差大、测量精度低的问题。

Description

环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的装置和方法

技术领域

本发明涉及油水两相流相含率测量领域，具体地涉及环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的装置和方法。

背景技术

对于油水两相流相含率的测量，最原始的方法是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，无法满足油田生产自动化管理的要求。随着测量技术的更新，目前应用最多的油水两相流相含率测量方法主要有密度法、射线法、电导法、电容法以及光学非接触测量法。这些方法主要是利用油水两相的介质常数不同、对射线的衰减不同、对微波的吸收能力不同以及对光的折射率不同等特性进行流场分布测量。其中电导传感器因其工作原理简单、制作工艺方便、造价低且测量相应速度快等优点，被应用的更为广泛。

现有的油水两相流检测技术中，密度法以油水两相密度作为测量特征量，原理简单，但是原油(尤其是稠油)与水的密度相差较小，同时石油开采过程中存在大量的伴生气，不可避免地会给测量结果带来较大误差。射线法测量精度高，但价格昂贵，内含放射源，对安全防护有较高的要求，这也限制了此类产品的大量使用。微波法对电子线路和环境干扰等条件要求高，然而实际工作中对于微波和流体介质特性之间的关系尚有待进一步明确。电容法以两相电容值作为测量特征量，原理简单，成本低，但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，同时水的介电常数受矿化度影响非常大，在高含水情况下会极大地影响测量精度。类似于电容法，电导法受地下水矿化度影响也很大，单独使用电导法测量效果不是很好，且电导传感器用于测量局部含水率和流速的探针需要浸入流体内，探针易受原油的腐蚀、结垢、结蜡等因素影响，致使长期工作运行的稳定可靠性差。非接触式光学设备使用非接触在线激光全场测量技术对油管内流场进行测量，可以对管内流场变化进行较为细致的观测，但是目前所应用的设备均为二维测量设备，对于解析三维流动特性存在具有一定的片面性和局限性，且大部分光学测量设备对被测液体有严格要求，如设备要求所测液体严格透明，以便激光能穿透所测液体，点亮示踪粒子，否则将影响测量准确性，因此该方法无法对不透明原油在流动过程中进行流场观测。

发明内容

针对现有测量技术误差大、测量源放射性强、探头易受浸入流体腐蚀、结垢从而影响测量精度以及非接触式光学测量设备无法对不透明原油进行测量等问题，本发明的目的是提供一种环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的装置和方法，基于非接触式边界层法流量和相含率测量原理，将现有的单个温度传感器扩展为环形分布的传感器阵列，环形阵列在管外均匀分布。结合流体各相的密度和比热容差异，不同相含率的混合流体经过加热后温度升高程度不同，因此，可利用环形传感器阵列对下游流体温度进行精确测量，并完成相含率的计算。在此基础上，设计了温度自适应反馈调节单元对温差信号进行实时监测，可及时调节加热带温度，在一定程度上克服现有浸入式两相流量测量技术的缺陷，并解决测量精度不高、存在放射性等问题，且在一定程度上节省能源。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的装置，包括：

加热带，加热带设置在管道外，用于加热管道内的油水混合物，使管道内的油水混合物的温度上升；

温度传感器，温度传感器设置在管道的上游侧，温度传感器位于加热带的左侧，用于检测流入管道的流体的初始温度；

环形温度传感器阵列，环形温度传感器阵列设置在管道的下游侧，位于加热带的右侧，用于检测温差信号；和

边界层式流量计，边界层式流量计利用温差信号来测量管道内的油水混合物的流量。

加热电路，加热电路对加热带进行加热；和

温差测量电路，温差测量电对温差进行测量以产生温差信号。

温度自适应反馈单元，温度自适应反馈单元对温差信号进行实时监测，以便不断调节加热带的温度，当温差信号数值过大时，加热带温度降低；当温差信号数值趋近于0时，判断有无流体流过，如果无流体流入则加热带温度降低，如果有流体流入则加热带温度升高，如果温差信号数值在测定范围内则输出该温差信号。

环形温度传感器阵列沿被测管道外壁均匀分布，各环形温度传感器之间存在相等的角度差，当被加热带加热的流体流经环形温度传感器阵列所处的管道位置时，环形温度传感器阵列测取的温度信息会发生变化。

一种使用环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的方法，使用上述环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的装置，根据不同方向温度传感器测取的温升信号，分析流体在各个方向的流速和流量，利用环形温度传感器阵列测得的温度信号，对上、下游的温差进行校正。

通过温度自适应反馈调节单元对温差信号进行实时监测，以便不断调节加热带温度，从而减小温度测量误差。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

根据不同方向温度传感器测取的温升信号，可分析流体在各个方向的流速和流量；进一步，利用环形温度传感器阵列测得的温度信号，对上下游的温差ΔT进行校正，可克服非接触式相含率测量技术中由于上下游温差变化不明显从而导致测量误差大、测量精度低的问题。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是基于环形温度传感阵列的油水两相相含率测量原理的示意图；

图2是单个传感器在管道截面分布示意图；

图3是环形传感器阵列在管道截面分布示意图；和

图4是温度自适应反馈调节单元示意图。

附图中各标记表示如下：

1、温度传感器；2、管道；3、加热带；4、环形温度传感器阵列；5、加热电路；6、温度自适应反馈调节单元；7、温差测量电路；A、流体流入方向。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

术语解释

边界层式流量计：利用流体流动对流换热改变管壁上的温度分布，利用热传导分布效应测来测量流量。

环形阵列传感器：传感器阵列呈环形排列，可以为一环或者多环，环的形状可以是圆形或者椭圆形或者其他形状的封闭环形，本发明中采用圆形。

根据本申请的一些实施例，提供一种环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的装置，采用环形分布的温度传感器阵列测取油水两相流管外温度，通过分析管外温度场分布，实现油水两相流量和相含率测定。

测量装置结构如图1所示，在图1中，流体沿着A方向流入管道2中。

基于非接触式边界层法流量测量原理，在管道2外安装一段长度的加热带3，加热管内油水混合物，使管道2内油水混合物的温度上升；

在加热带3的左侧，即被测管道2上游处，放置一个温度传感器1，用于检测流入管道的流体初始温度(即环境温度)，在加热带3右侧，即被测管道下游处，安装环形阵列传感器4，检测温升信号ΔT。

温度自适应反馈调节单元6通过监测温差信号ΔT的大小，对加热带温度进行自适应调节，以此减小上、下游的微温差ΔT误差对含油率的测量误差，最终计算油水两相相含率。

如图2所示，传统边界层质量流量计下游只放置单个温度传感器，来测量流体温升。当管内流量较小时，温升信号变化微弱，单个温度传感器测量误差将大大增加。

根据本申请的一些实施例，采用环形温度传感器阵列4代替单个温度传感器，并对阵列传感器接收到的温度信息进行相互校正和补偿，能够提高油水两相流相含率的测量精度。

环形温度传感器阵列4在管外的排布示意如图3所示。

由于加热带上、下游温差变化细微，因此，加热带上、下游温差ΔT的测量精度会直接影响含油率的测量精度。

将下游的单个温度传感器扩展为沿被测管道外壁均匀分布的环形温度传感器阵列4。假设环形温度传感器阵列的数量为N，各传感器之间存在一定的角度差，当被加热带加热的流体流经环形温度传感器阵列所处的管道位置时，环形温度传感器阵列测取的温度信息会发生变化。

根据不同方向温度传感器测取的温升信号，可分析流体在各个方向的流速和流量；进一步，利用环形温度传感器阵列测得的温度信号，对上、下游的温差ΔT进行校正，可克服非接触式相含率测量技术中由于上、下游温差变化不明显从而导致测量误差大、测量精度低的问题。

根据流体力学知识，流体的流动与热量的传递之间有密切的关系：

Q＝W/(C_pρΔT) (1)

式中，

Q为流体质量流量；

W为加热功率；

C_p为流体比热容；

ρ为流体密度；

ΔT为上、下游温升。

假设被测管道上游和下游温度传感器所测流体温度分别为T_E和T_H，其中，上游温度即为所测流体初始温度(环境温度)，则上下游温度传感器所测温差

ΔT＝T_H–T_E (2)

在式(2)中的微温差ΔT的测量是基于图2所示的传统单一上、下游温度传感器进行的。

由传热原理可知，流体在管内加热后，其温度分布沿轴向对称分布，因此，根据图3环形温度传感器阵列测试信号，可将式(2)进一步改为

式中，

T_H1、T_H2、…、T_HN分别为被测管道下游环形阵列传感器测得的温度。

由(1)式可知，当加热带的功率W与质量流量Q恒定时，流体的C_pρ与温差ΔT成反比，而油水两相流体的C_pρ由相含率决定，因此，假定油水两相中油相含率为β，则水相含率为1-β，进一步

式中，

β为油相含率；

q为流体的体积流量；

C_p,w和C_p,o分别为水相和油相的比热容；

ρ_w和ρ_o分别表示水相和油相的密度；

下标o为油相表示符，w为水相表示符。

由于油水两相的定压比热容以及密度在温升变化范围内近似为常数，因此，当加热器功率W和油水混合物的质量流量Q已知时，通过测量温差信号ΔT，即可计算油相含率β。

温差信号ΔT对被测流体相含率有直接影响，采用环形温度传感器阵列可在一定程度上减小温度测量误差，然而，被测管道内流体流速这一未知量对温差信号ΔT也会产生一定的影响。

当管道内流体流速过快或者没有流体流入时，换热不充分，上下游温差ΔT将趋近于0，不利于相含率测量；

当管道内流体流速较慢时，换热充分，此时可以适当降低加热带温度，实现低功耗。

因此，增加温度自适应反馈调节单元，对温差信号ΔT进行实时监测以此不断调节加热带温度，不仅可减小温度测量误差，还可适当节能。温度自适应反馈调节单元原理如图4所示。

如图4所示，加热电路5对加热带进行加热，温差测量电路7对温差进行测量，设置温度自适应反馈单元6，对温差信号ΔT进行实时监测以此不断调节加热带温度，当ΔT数值过大时，加热带温度降低；当ΔT数值趋紧于0时，判断有无流体流过，如果无流体流入则加热带温度降低，如果有流体流入则加热带温度升高；如果ΔT数值在测定范围内则输出温差ΔT。

本发明创新点是基于非接触式边界层式流量测量原理，将传统的在被测管道下游分布的单个温度传感器扩展为环形温度传感器阵列，并增加温度自适应反馈调节单元对温差信号ΔT进行实时监测，从而及时调节加热带温度；根据测取的油水两相流体的热学特性，实现井下油水两相相含率精确计算。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的装置，其特征在于，包括：

加热带，所述加热带设置在管道外，用于加热管道内的油水混合物，使管道内的油水混合物的温度上升；

温度传感器，所述温度传感器设置在管道的上游侧，所述温度传感器位于所述加热带的左侧，用于检测流入管道的流体的初始温度；

环形温度传感器阵列，所述环形温度传感器阵列设置在管道的下游侧，位于所述加热带的右侧，用于检测温差信号；和

边界层式流量计，所述边界层式流量计利用所述温差信号来测量管道内的油水混合物的流量。

2.根据权利要求1所述的环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的装置，其特征在于，还包括：

加热电路，所述加热电路对所述加热带进行加热；和

温差测量电路，所述温差测量电对温差进行测量以产生温差信号。

3.根据权利要求1所述的环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的装置，其特征在于，还包括：

温度自适应反馈单元，所述温度自适应反馈单元对温差信号进行实时监测，以便不断调节加热带的温度，当温差信号数值过大时，加热带温度降低；当温差信号数值趋近于0时，判断有无流体流过，如果无流体流入则加热带温度降低，如果有流体流入则加热带温度升高，如果温差信号数值在测定范围内则输出该温差信号。

4.根据权利要求1所述的环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的装置，其特征在于，所述环形温度传感器阵列沿被测管道外壁均匀分布，各环形温度传感器之间存在相等的角度差，当被加热带加热的流体流经环形温度传感器阵列所处的管道位置时，环形温度传感器阵列测取的温度信息会发生变化。

5.一种使用环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的方法，使用根据权利要求1-4所述的环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的装置，其特征在于，根据不同方向温度传感器测取的温升信号，分析流体在各个方向的流速和流量，利用环形温度传感器阵列测得的温度信号，对上、下游的温差进行校正。

6.根据权利要求5所述的使用环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的方法，其特征在于，流体的流动与热量的传递之间的关系为：

Q＝W/(C_pρΔT) (1)

式中，

Q为流体质量流量；

W为加热带的功率；

C_p为流体比热容；

ρ为流体密度；

ΔT为上下游温差。

7.根据权利要求6所述的使用环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的方法，其特征在于，获取上下游温差包括：被测管道的上游温度传感器和下游温度传感器所测流体温度分别为T_E和T_H，上下游温度传感器所测温差为：

ΔT＝T_H–T_E (2)

式中

T_E为上游温度，为所测流体初始温度；

T_H为下游温度；

ΔT为上下游温差。

8.根据权利要求7所述的使用环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的方法，其特征在于，流体在管道内加热后，流体的温度沿轴向对称分布，根据环形温度传感器阵列的测试信号，将式(2)修改为

式中，

T_H1、T_H2、…、T_HN分别为被测管道下游环形温度传感器阵列测得的不同位置处的温度；

N为环形温度传感器数量。

9.根据权利要求8所述的使用环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的方法，其特征在于，当加热带的功率与质量流量恒定时，流体的比热容密度积与温差成反比，油水两相流体的比热容密度积由相含率决定，假定油水两相中油相含率为β，则水相含率为1-β，其中：

式中，

β为油相含率；

q为流体的体积流量；

C_p,w为水相比热容；

C_p,o为油相比热容；

ρ_w为水相密度；

ρ_o为油相密度；

W为加热带的功率；

Q为流体质量流量；

ΔT为上下游温差。

10.根据权利要求5所述的使用环形温度传感器阵列测量油水两相流相含率的方法，其特征在于，还包括：通过温度自适应反馈调节单元对温差信号进行实时监测，以便不断调节加热带温度，从而减小温度测量误差。

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