优化电容电极在油气段塞流测量中的应用

张晓凌，王 鑫

（中国石油大学储运与建筑工程学院储运系，山东青岛 266580）

优化电容电极在油气段塞流测量中的应用

张晓凌，王 鑫

（中国石油大学储运与建筑工程学院储运系，山东青岛 266580）

基于电容法测量相含率、速度的多相流量计已在油田投入使用，研究发现电容电极尺寸可直接影响测量精度，且目前国内尚未见以电容电极技术进行段塞流动参数的测量。为优化电容电极，采用COMSOL对电容电极尺寸进行了仿真，结果表明，厚度0.1mm，张角150°，宽20mm，加保护电极与屏蔽层的电极具有最优测量效果；利用两组优化的电容组以互相关法获得了液塞速度、液塞长度、液塞频率参数，得到滑脱系数：当Fr≤3.5时，C0=0.83，当Fr≥3.5时，C0=1.28，平均液塞长度为21.7D，同时拟合了Strouhal数随XL的变化的关联式。

多相流；电容电极；COMSOL；互相关；液塞参数

目前现场使用伽马射线进行油田多相计量，说明开发安全可靠的油气段塞流液塞参数测量手段对于石油开发具有重要意义。电容法优势在于廉价高速、无辐射，可测非导电介质。例如2012年英国曼彻斯特大学联合斯伦贝谢剑桥研究中心与英国国家工程实验室，论证了当含水率低于40%时，电容技术可对液相中的多相流动比率WLR测量达5%的精度[1]，Fluenta 1900VI型多相流量计采用文丘利管差压和电容信号互相关的方式测定油为连续相时的速度。然而目前国内关于电容电极的应用研究尚少，电容电极用于段塞流流动参数的计算属于较新的进展。Xie等[2]、Wael[3]研究表明电极张角，电极长度及屏蔽层均能影响测量精度。故确定最优电容电极尺寸对提高测量的准确性具有重要意义。

本文根据祁雷[4]初步探索改进了凹面电容电极，并利用COMSOL有限元仿真软件，模拟确定了最优电极尺寸；然后本文仅采用两组优化电容，利用互相关法实现了液塞速度、液塞长度、液塞频率等参数的测量，测量前无须标定，这为油田现场含油段塞流的监测与参数测量提供了一种新思路。

1 双凹面电容电极基本构成及实验系统

1.1电极基本构成

对祁雷的双凹面电容电极进行改进，在测量电极外加保护电极后的基本形态如图1所示。包覆在有机玻璃管外部的部件分四部分：电极、绝缘层、铜外壳及保护电极。电极为张角α，宽度ds，厚度b的紫铜片，保护电极为紫铜材质，与电极间隔2mm，紧密围绕在电极四周，绝缘层由一定厚度的聚四氟乙烯圆柱体构成，黄铜外壳包覆在绝缘层外侧，用于固定电极及绝缘层，对装置起保护作用。

1.3动态液塞参数测量装置

实验采用MS3110电路板及MS3110电容测量芯片实现电容测量。将参数优化后的两组电容电极安装在董传帅[5]实验系统上，使每组电容电极两端分别接入一块MS3110测试板的CS1IN及CSCOM端口，如图2所示。通过调节芯片参数，使液面变化引起的电压变化在0～5V范围内变动，取表观液速范围0.1-1.0m/s，表观气速范围1.0-4.0m/s进行空气-LP14白油的段塞流参数测量。图3给出了两组电容探针同时接入时的采集信号，两组电容探针的测量信号几乎一样，但由于两组电容探针中心间隔26cm，故电压信号有一定的延迟，通过这个延迟，可利用互相关法，进行液塞速度的计算。互相关法的原理是，两列信号经互相关函数计算，得到的RXY，其最大值对应的横坐标与纵轴之间的距离就是两列信号之间的延迟Δt，若上下游电容探针间的距离为ΔL，那么液塞速度Vs=ΔL/Δt。互相关函数表示为：

图1　电极结构基本形态

图2　互相关法电极组安装图

计算完液塞速度后，根据电容探针测得的段塞流流动信号，可得到液塞及长气泡经过探针需要的时间，进而计算出液塞长度、液塞单元长度、液塞频率等参数。这些参数的计算均通过Labview编程实现。

图3　采集信号

2 仿真结果与对比

表1　模拟电容线性拟合（长度单位mm）

3 动态液塞参数测量

图4（a）给出了以两组优化电容电极为测量手段，采用互相关法测量的表观液速VSL=0.6m/s，表观气速VSG=3.0m/s时油气两相流的液塞速度参数在采集时间内的波动情况。平均液塞速度为6.0m/s，75.4%的速度值在平均值±10%范围内波动。图4（b）给出了液塞速度随混合速度的变化关系。段塞流液塞速度随混合速度的增大而增大，两者之间的变化呈线性关系，根据Nicklin[6]提出的计算液塞速度的关联式，根据Froude数将混合速度分为两个区域进行拟合，拟合结果为：

在COMSOL中选择三维静电静态求解模式，导入由Solidworks绘制的三维模型，设置有机玻璃管、油、空气、铜电极、聚四氟乙烯的介电常数分别为4，2.4，1，1，2.55。设置凹面电极一侧接地，一侧终端电压为5V。然后对整个模型进行特别细化的网格剖分。设置结束后采用稳态求解器求解，便可快速地得到管内电势分布，通过计算派生值可得到该种结构下某一含气率时的电容值。

表1为模拟电极电容值线性拟合结果汇总。线性拟合斜率越大，说明电极对相对介电常数变化越敏感；R2越大，说明测量线性度越好。电极越宽，对流动参数的辨别精度越低，空间分辨率越低，从表中可以看出凹面电容电极的灵敏度随角度的增大、电极宽度的增加而增加，空间分辨率随宽度的增加而下降，电极厚度对灵敏度及分辨率的影响不大，但电极越薄，制作越容易。综合考虑以上因素，确定ds=20mm，b=0.1mm，α=150°为本实验最优电极参数。

图4　（a）液塞速度波动 （b）液塞速度随混合速度变化

对所有工况下的液塞长度做概率分布图5，可以发现所有液塞长度均分布在5D～50D范围内，其中大部分液塞长度集中于10D～35D范围内，总平均液塞长度为21.7D，概率密度符合对数正态分布。

图5 液塞长度概率分布

图6（a）给出了不同表观气速下液塞频率随液相表观流速的变化规律，随着液相表观流速的增加，液塞频率逐渐增大。气速1.0m/s时的液塞频率增速明显大于其他气速下的液塞频率增速。同时液塞频率的增速随着液相表观流速的增大而增大。

图6　（a）液塞频率随表观液速变化（b）St随XL变化

4 结论

本文利用COMSOL对凹面电容电极尺寸进行了优化，并以两组优化后的电容组作为测量手段，利用互相关法测量了油-气段塞流的液塞速度、液塞长度和液塞频率。

（1）凹面电容电极的灵敏度随角度的增大、电极宽度的增加而增加，但空间分辨率随宽度的增加而下降，电极厚度对灵敏度及分辨率的影响不大。厚度0.1mm，张角150°，宽20mm，加有保护电极与屏蔽层的电极具有最优测量效果。

（2）液塞速度随混合速度的增加而增加，拟合当Fr≤3.5时，C0=0.83，当Fr≥3.5时，C0=1.28。所有工况下平均液塞长度为21.7D，表观气速一定，液塞频率随表观液速的增加而增大，Strouhal数随XL的变化与Fossa关联式略有偏差，重新拟合后得到了适用于本实验的St与XL关联式。

[1] 李轶.多相流测量技术在海洋油气开采中的应用与前景[J].清华大学学报：自然科学版，2014，（1）：88-96.

[2] Xie C G，Scott A L，Plaskowski A，Beck M S.Design of capacitance electrodes for concentration measurement of two-phase flow[J]. Measurement of science and technology，1990，（1）：65-78.

[3] Wael H.Ahmed.Capacitance Sensors for void-fraction measurements and flow pattern identification in air-oil two-phase Flow[J].IEEE，Sensors Journal，2006，6（5）：1153-1163.

[4] 祁雷.气液两相流相界面结构测量方法研究[D].青岛：中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，2014.

[5] 董传帅.气液两相段塞流无相变冷却过程流动与传热实验研究[D].青岛：中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，2015.

[6] Nicklin D J，Wilkes M A，Davison J F.Two-phase flow in vertical tubes[J].Transactions on Institute of Chemical Engineers，1962，40：61-68.

[7] Fossa M，Guglielmini G，Marchitto A.Intermittent flow parameters from void fraction analysis[J].Flow Measurement and Instrumentation，2003，14：161-168.

Application of Optimized Capacitance Sensor in Oil-Gas Slug Flow Measurement

zhang Xiao-Ling，WangXin

Multiphase fl owmeter based on capacitance measuring speed and phase volume fraction has been put into use in oil fi eld. The research has showed that the accuracy of measurement can be directly affected by Capacitance electrode size and slug parameter measured by capacitor electrode has not been found inland.The performance of electrode size of capacitance sensor was simulated by COMSOL to optimize the sensors，it shows that capacitance sensor of thickness 0.1mm，angle 150 °，wide 20mm with guard electrode and shielding layer is best；slug velocity，slug length and slug frequency were measured by two sets of optimized capacitance sensor by cross-correlation method.It shows that when Fr≤3.5，C0=0.83 and C0=1.28 if Fr≥3.5，average slug length is 21.7D and St-XL correlation is fi tted.

multiphase fl ow；capacitance sensor；COMSOL；mutual correlation；slug parameter

TE83

A

1003-6490（2016）01-0097-03

2016-01-10

国家自然科学基金（No.51376197）资助。

张晓凌，中国石油大学（华东）在读硕士研究生，研究方向为多相管流与集输，传热的研究。