基于相态调控的油水两相流含率在线测量方法*

韩连福， 郑朝亮， 付长凤， 刘兴斌,3

(1.常熟理工学院电气与自动化工程学院 江苏 苏州 215500；2.东北石油大学物理与电子工程学院 黑龙江 大庆 163318；3.大庆油田有限责任公司人才开发院 黑龙江 大庆 163153)

0 引 言

由于油水两相流的流型复杂多变[1-2]，油水两相之间存在明显的滑移，使得油水两相流参数的测量变得非常困难。计量资料的解释和计量仪器的精度很大程度上取决于含率参数的准确度，但在现有的油水两相流测量方法中，采用分离方法测量的设备体积过大，非分离测量方法往往直接利用传感器测量，很大程度上依赖于传感器的精度[3-4]。针对上述问题，提出了一种新的基于相态调控的含率测量方法，通过相态调控将油水两相流按时间顺序调整为单相油、油水两相和单相水，该方法使用的传感器只识别油水界面，因此可以获得较高的含率测量精度[5-6]。

1 含率测量原理

1.1 油水两相流测量方法

油水两相流含率测量原理如图1所示。首先，油水两相流从进液口进入测量罐，在重力作用下，测量罐内的油水两相流分离为油层和水层。然后，当流体充满测量罐时，油层和水层在出口调控为单相油、油水两相和单相水。最后，电导传感器检测相态[7]，并记录累积时间。

图1 含率测量原理图

传感器信号示意如图2所示。具体测量过程：打开快关阀1，关闭阀2、3，油水两相流开始从进液口进入测量罐(A点)，同时，定时器开始记录时间，测量罐内油水两相流经重力作用分离成油层和水层，当流体充满测量罐时，油层沿上出液口流出测量罐，水层继续积聚。当电导传感器信号从高电平变为低电平(B点)时，水相测量结束。打开快关阀2、3，关闭快关阀1，油水两相流继续从进液口进入测量罐，同时，定时器开始记录时间。测量罐内油水两相流经重力分离成油层和水层，当流体充满测量罐时，水层沿下出液口流出测量罐，油层继续积聚。当电导传感器信号从低电平变为高电平(C点)时，油相测量结束[8]。

图2 传感器信号示意图

含水率和含油率计算公式:

(1)

式(1)中：hw为含水率，%；ho为含油率，%；tw为水相测量时间，s；to为油相测量时间，s；V为固定尺寸的测量装置体积，m3；ΔV为测量装置旁路体积，m3。

1.2 油水相态拐点检测

利用小波变换多尺度检测可以确定突变点的准确位置[9-11]。首先，采集油水两相流的原始信号。然后，对原始信号进行三层小波分解，再构造出信号的高斯函数并求其偏导，对信号做卷积，求出模极大值。最后，读取模极大值的位置，即求出信号的突变点，原始信号的突变点如图3所示。

图3 电导信号突变点

利用小波变换将传感器信号进行多尺度变换，通过对信号突变点的检测，可以检测到油水两相流相态变化，基于小波变换相态的拐点模型可以作为油水两相流相态拐点的检测方法。

1.3 油水相组分识别

小波变换相态拐点识别模型无法识别特定的相成分，因此，需要对两相流的相组分进行识别。本文提出了基于最小错误的贝叶斯辨识模型来辨识两相流的相组分。利用小波变换对油水两相流电导传感器信号进行分解，利用贝叶斯相组分识别模型对传感器信号的敏感值为均值、方差和标准差样本进行训练和观察，再用测试样本进行测试，把先验概率P(wi)转化为后验概率P(wi/x)[12]。

对于油水两相流，如果P(w1/x)>P(w2/x)，则把训练样本归于油相，反之P(w1/x)

(2)

2 数值模拟

为获得测量罐最优结构，采用数值模拟方法研究了测量罐几何结构对测量精度的影响[14]。对测量罐的体积、形状、内部结构、尺寸和进液口位置逐一进行分析。然后模拟含率变化对结果的影响，进一步优化测量罐，并确定实验样机最终方案。

当进液口流量设定为40.00 m3/d时，截面速度为0.26 m/s，雷诺数为10 606.02，湍流强度为0.05，底部检测油相的仿真云图和动态曲线如图4所示。

图4 油相仿真云图及动态曲线

油水界面清晰，方案合理。根据仿真结果，最终的样机参数为：进液口内径设置为50.00 mm，在距进液口50.00 mm处垂直设置高度为100.00 mm的挡板。上下出口内径40.00 mm，测量罐高度为1 200.00 mm，内径600.0 mm。罐体上下两端设置成锥形，锥形高度为100.00 mm。

3 试 验

3.1 试验系统搭建

试验系统由模拟井、多相流控制系统、本文研制的多相流计量装置构成，试验是在大庆油田测试技术服务分公司油-气-水三相流计量实验室完成的，多相流计量装置和部分测量中间测量过程如图5所示。多相流控制系统控制油水两相流完全稳定后，由测量罐进液口流入测量罐，开始油水两相流含率测量，将测量结果与多相流控制系统设定值进行比对即可评价本文设计的测量系统性能。具体试验参数见表1。

图5 试验系统示意图

表1 试验参数

3.2 油水两相流测量试验

为验证本文提出的基于相态调控的油水两相流含率在线测量方法，在不同流量和不同含率下进行了多次试验，图6为油为5 m3、水为10 m3工况下原始信号图及各层小波分解图。由油水两相流测量试验数据计算可知，本次测量是在油水两相流流量为15 m3/d，油相流量为5 m3/d，水相流量为10 m3/d条件下，采用油水两相流相变点检测方法，油相累积时间为1 345.00 s，水相累积时间为668.00 s，实际含水率为66.67%，实际含油率为33.33%。试验测得含水率为67.20%，试验测得含油率为34.02%，测量误差为2.67%。

图6 传感器信号的小波分析和贝叶斯辨识模型的辨识结果

3.3 测量重复性分析

为了减少测量的偶然性，重复性试验是在不同的含率下进行的。试验结果如图7所示，图中每个测量值是30次测量结果的平均值。

图7 油水两相流含率随机测量试验图

由测量重复性试验数据计算可知，重复率测量试验的重复性值为0.000 3，含水率重复性测量试验的平均误差为2.84%，实际含水率为25.00%时误差最大为3.23%，实际含水率为50.00%时误差最小为2.10%，因此含水率测量精度优于3.23%。

4 结 论

本文提出了一种基于相态调控的油水两相流含率在线测量方法，结论如下：

1)提出了油水两相流的相态调控法，将油水两相流转化为单相水和单相油进行测量。

2)提出了检测油水两相流相变点的小波相态拐点识别模型，能够有效检测相态拐点。

3)建立了基于最小错误的贝叶斯相组分识别模型，该模型能够识别油组分和水组分。

4)通过仿真确定了试验样机参数，并进行了含率测量试验。试验结果表明，含率最大测量误差为3.23%，含率重复性为0.000 3，测量系统重复性高。