两相流环形空间集总传感系统关键部件的尺寸优化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种两相流环形空间集总传感系统关键部件的尺寸优化方法，所涉及的两相流环形空间集总传感系统包括变径绝缘插入体，分布式圆形电导阵列探针，镶嵌在插入体上的相关测速电极，其中，分布式圆形电导阵列探针；对其中的分布式圆形电导阵列探针的尺寸优化采用如下的方法：利用映射网格剖分法将竖直管道内流体剖分为规则的六面体单元，然后，采用自由剖分方式对其余实体剖分；通过依次改变流体剖分单元的材料属性，即将低电阻率改为高电阻率，获得圆形电导阵列探针的灵敏度分布；对圆形电导探针的几何尺寸作用最优尺寸。本发明专利技术的尺寸优化方法，可提供更合理更具有规律性的传感器敏感场。

【技术实现步骤摘要】
两相流环形空间集总传感系统关键部件的尺寸优化方法所属
本专利技术涉及一种两相流环形空间集总传感系统关键部件的尺寸优化方法。
技术介绍
中国油田储集层中多为陆相碎屑岩沉积，其储集层无论是纵向还是横向非均质性都比国外海相沉积为主的储集层要复杂得多。从新投入开发的油田状况来看，新探明储量品味降低，低渗、特低渗油田储量所占比重较大。从已开发油田现状看，总体上已进入高含水、高采出程度阶段，主力老油田大多数已进入或是接近特高含水的开发后期，其油井低渗低产及高含水生产特性尤为显著。对于井内局部流速及局部浓度分布非均匀流动条件，国外开始采用多个局部流量及含水率传感器，并分布在流动截面不同位置，通过分布式测量方法获取油水分相流量。然而，国外油井产出剖面测试技术是以非集流连续测量为主，仪器直径通常较大，仅适用于高产液自喷井，但在国内大多机械采油井中难以推广使用。国内油井产液剖面测试技术主要采用集流型涡轮流量计与电容或电导传感器组合测量方法及电导相关流量测量方法，通过组合仪在油水两相流模拟井动态试验响应特性，建立总流量及分相流量测井解释图版。然而，由于低流速高含水油水相间滑脱效应非常严重，其分散相呈非均匀分布及随机运动特征，致使目前环形电导式传感器或过流式电容传感器对含水分辨非常有限，远没有达对低流速稀相含率测量的精度要求，尚需对传感器类型及其电极几何特性进行全新优化设计，以保证传感器对测量场域内的油泡存在有较高测量分辨率。要了解低产液高含水油井各层生产状况，目前油井动态监测产出剖面测井仪器尚未达到产出剖面测试精度要求。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是设计一种两相流环形空间集总传感系统，并对其中的关键部件的尺寸进行优化。本专利技术设计的集总传感系统基于电学敏感原理设计，针对垂直管内两相流非均匀分布及随机运动特征，旨在利用环形空间内分布式圆形电导阵列探针可实现复杂流动条件下的分相含率(即分相体积流量与总体积流量之比)测量，利用环形空间内上下游相关测速电极可实现两相流相关速度测量。本专利技术的技术方案如下：一种两相流环形空间集总传感系统关键部件的尺寸优化方法，所涉及的两相流环形空间集总传感系统，用于测量竖直管道自下而上流过的两相流，包括变径绝缘插入体(2)，分布式圆形电导阵列探针(1)，镶嵌在插入体上的相关测速电极(3，4)，其中，变径绝缘插入体(2)由三段构成，自下而上依次为细径段(8)，过渡段(9)及粗径段(10)构成；在细径段(8)内部固定有4个环形的相关测速电极，两个相关测速电极分布在上游，另外两个相关测速电极分布在下游，E1和E2分别表示上游和下游激励电极，M1和M2分别表示上游和下游测量电极；分布式圆形电导阵列探针(1)由两个或两个以上的局部探针构成，各个局部探针均匀排布在所述竖直管道的同一截面上，均固定在所述竖直管道的管壁内侧，分别用于各自所处位置附近流体的分相含率信息检测；每个局部探针包括外部筒状激励电极(11)、内部柱状测量电极(12)及中间绝缘介质组成，局部探针与管壁接合处采用弧形设计，贴合在管壁上。对其中的分布式圆形电导阵列探针(1)的尺寸优化采用如下的方法：利用映射网格剖分法将竖直管道内流体剖分为规则的六面体单元，然后，采用自由剖分方式对其余实体剖分；通过依次改变流体剖分单元的材料属性，即将低电阻率改为高电阻率，获得圆形电导阵列探针的灵敏度分布；最后，将每个局部探针的正对扇形区域内灵敏度之和除以总的灵敏度值，作为圆形电导探针有效信息量，当有效信息量取得最大值时，对应的圆形电导探针的几何尺寸作用最优尺寸。作为优选实施方式，检测区域内某位置处油相的出现引起的激励电极上电压的变化ΔUk表示为：ΔU(k)＝U(k)-Uw，其中Uw表示检测区域为全水时激励电极上电压，U(k)表示检测区域内第k个单元电阻率变为油相电阻率后，激励电极上电压。圆形电导阵列探针的单元灵敏度S(k)定义为：其中[ΔU(k)]max为电势差变化的最大值，uk为第k个六面体单元的体积补偿因子，可表示为：其中V(k)为第k个单元的体积，Vmin为圆形电导阵列探针所在截面流体剖分单元中最小单元的体积。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：(1)本专利技术涉及的两相流集总传感系统基于电学敏感原理设计，具有响应速度快，安装简便的优点。(2)本专利技术中两相流流体可被导流到变径环形空间，使流体运动速度加快，从而降低油水相间滑脱效应，提高两相流分相含率的测量精度；另外，变径绝缘插入体镶嵌有上游和下游环形电导相关测速电极，可实现环形空间内两相流相关速度测量。(3)本专利技术的圆形电导探针几何尺寸小，可有效提高其对分散油滴的空间分辨能力，从而提高低流速稀相含率测试精度。(4)本专利技术采用基于映射网格剖分的方法对传感器系统的关键部件的几何尺寸进行有限元优化，与自由剖分网格下的有限元计算结果相比，可提供更合理更具有规律性的传感器敏感场，可以更好地获得分布式环形电导阵列探针的最佳几何尺寸。附图说明图1是圆形电导阵列探针、相关测速电极、变径绝缘插入体在管道上的三维排布图图2是图1的二维视图图3是绝缘插入体的三维视图图4是圆形电导探针的三维视图图5是圆形电导探针的正视图及其待优化几何尺寸图6是相关测速电极三维视图图7是ANSYS有限元分析软件中待扫掠剖分流体的源面剖分图图8是圆形电导阵列探针及流体的三维有限元剖分图图9是管内流体的三维映射网格剖分图图10是灵敏度计算中待考察流体截面的三维映射网格剖分图图11是灵敏度计算中待考察流体截面的各单元编号图12是圆形电导探针的灵敏度分布图图13是圆形电导探针结构优化中测量电极直径对有效信息量的影响图14是圆形电导探针结构优化中绝缘层厚度对有效信息量的影响图15是圆形电导探针结构优化中激励电极厚度对有效信息量的影响图16是圆形电导探针及上下游相关测速电极的信号调理及数据采集系统图17是每个圆形电导阵列探针对相含率的测量响应特性图18是圆形电导阵列探针对相含率的平均测量响应特性图19是相关测速电极的测量响应波形图图20是相关测速电极测量响应的互相关函数波形图中标号说明：1圆形电导探针；2变径绝缘插入体；3下游相关测量电极；4上游相关测量电极；5固定支架；6固定及引线支架；7有机玻璃管道；8插入体的细径段；9插入体的过渡段；10插入体的粗径段；11圆形电导探针的激励电极；12圆形电导探针的测量电极；13激励电极引出的导线；14测量电极引出的导线；15用于计算传感器灵敏度的流体截面；16圆形电导探针的正对扇形区域具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的进行详细的描述。本专利技术包括(1)两相流环形空间集总传感系统由变径绝缘插入体，分布式圆形电导阵列探针，镶嵌在插入体上的相关测速电极构成，如图1所示。绝缘插入体分为三部分，即细径段，过渡段及粗径段，如图3所示。每个局部探针均由外部筒状激励电极、内部柱状测量电极及中间绝缘介质组成，如图4所示，其中E表示激励电极，连接20kHz正弦电压激励信号，M表示测量电极，连接信号调理电路。导电电极均由不锈钢材料制成。各局部圆形电导探针在管道上均匀排布，分别用于各自所处位置附近流体的相含率信息检测。为保障分布式圆形电导阵列探针不干扰管内流体流动特性，局部探针与管壁接合处采用弧形设计，如图4所示。相关测速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两相流环形空间集总传感系统关键部件的尺寸优化方法，所涉及的两相流环形空间集总传感系统，用于测量竖直管道自下而上流过的两相流，包括变径绝缘插入体(2)，分布式圆形电导阵列探针(1)，镶嵌在插入体上的相关测速电极(3，4)，其中，变径绝缘插入体(2)由三段构成，自下而上依次为细径段(8)，过渡段(9)及粗径段(10)构成；在细径段(8)内部固定有4个环形的相关测速电极，两个相关测速电极分布在上游，另外两个相关测速电极分布在下游，E1和E2分别表示上游和下游激励电极，M1和M2分别表示上游和下游测量电极；分布式圆形电导阵列探针(1)由两个或两个以上的局部探针构成，各个局部探针均匀排布在所述竖直管道的同一截面上，均固定在所述竖直管道的管壁内侧，分别用于各自所处位置附近流体的分相含率信息检测；每个局部探针包括外部筒状激励电极(11)、内部柱状测量电极(12)及中间绝缘介质组成，局部探针与管壁接合处采用弧形设计，贴合在管壁上。对其中的分布式圆形电导阵列探针(1)的尺寸优化采用如下的方法：利用映射网格剖分法将竖直管道内流体剖分为规则的六面体单元，然后，采用自由剖分方式对其余实体剖分；通过依次改变流体剖分单元的材料属性，即将低电阻率改为高电阻率，获得圆形电导阵列探针的灵敏度分布；最后，将每个局部探针的正对扇形区域内灵敏度之和除以总的灵敏度值，作为圆形电导探针有效信息量，当有效信息量取得最大值时，对应的圆形电导探针的几何尺寸作用最优尺寸。...

【技术特征摘要】
1.一种两相流环形空间集总传感系统关键部件的尺寸优化方法，所涉及的两相流环形空间集总传感系统，用于测量竖直管道自下而上流过的两相流，包括变径绝缘插入体(2)，分布式圆形电导阵列探针(1)，镶嵌在插入体上的相关测速电极(3，4)，其中，变径绝缘插入体(2)由三段构成，自下而上依次为细径段(8)，过渡段(9)及粗径段(10)构成；在细径段(8)内部固定有4个环形的相关测速电极，两个相关测速电极分布在上游，另外两个相关测速电极分布在下游，E1和E2分别表示上游和下游激励电极，M1和M2分别表示上游和下游测量电极；分布式圆形电导阵列探针(1)由两个或两个以上的局部探针构成，各个局部探针均匀排布在所述竖直管道的同一截面上，均固定在所述竖直管道的管壁内侧，分别用于各自所处位置附近流体的分相含率信息检测；每个局部探针包括外部筒状激励电极(11)、内部柱状测量电极(12)及中间绝缘介质组成，局部探针与管壁接合处采用弧形设计，贴合在管壁上；对其中的分...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟路生，金宁德，边鹏，张梦璘，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12