韓連福， 鄭朝亮， 付長鳳， 劉興斌,3

(1.常熟理工學院電氣與自動化工程學院 江蘇 蘇州 215500；2.東北石油大學物理與電子工程學院 黑龍江 大慶 163318；3.大慶油田有限責任公司人才開發(fā)院 黑龍江 大慶 163153)

0 引 言

由于油水兩相流的流型復(fù)雜多變[1-2]，油水兩相之間存在明顯的滑移，使得油水兩相流參數(shù)的測量變得非常困難。計量資料的解釋和計量儀器的精度很大程度上取決于含率參數(shù)的準確度，但在現(xiàn)有的油水兩相流測量方法中，采用分離方法測量的設(shè)備體積過大，非分離測量方法往往直接利用傳感器測量，很大程度上依賴于傳感器的精度[3-4]。針對上述問題，提出了一種新的基于相態(tài)調(diào)控的含率測量方法，通過相態(tài)調(diào)控將油水兩相流按時間順序調(diào)整為單相油、油水兩相和單相水，該方法使用的傳感器只識別油水界面，因此可以獲得較高的含率測量精度[5-6]。

1 含率測量原理

1.1 油水兩相流測量方法

油水兩相流含率測量原理如圖1所示。首先，油水兩相流從進液口進入測量罐，在重力作用下，測量罐內(nèi)的油水兩相流分離為油層和水層。然后，當流體充滿測量罐時，油層和水層在出口調(diào)控為單相油、油水兩相和單相水。最后，電導傳感器檢測相態(tài)[7]，并記錄累積時間。

圖1 含率測量原理圖

傳感器信號示意如圖2所示。具體測量過程：打開快關(guān)閥1，關(guān)閉閥2、3，油水兩相流開始從進液口進入測量罐(A點)，同時，定時器開始記錄時間，測量罐內(nèi)油水兩相流經(jīng)重力作用分離成油層和水層，當流體充滿測量罐時，油層沿上出液口流出測量罐，水層繼續(xù)積聚。當電導傳感器信號從高電平變?yōu)榈碗娖?B點)時，水相測量結(jié)束。打開快關(guān)閥2、3，關(guān)閉快關(guān)閥1，油水兩相流繼續(xù)從進液口進入測量罐，同時，定時器開始記錄時間。測量罐內(nèi)油水兩相流經(jīng)重力分離成油層和水層，當流體充滿測量罐時，水層沿下出液口流出測量罐，油層繼續(xù)積聚。當電導傳感器信號從低電平變?yōu)楦唠娖?C點)時，油相測量結(jié)束[8]。

圖2 傳感器信號示意圖

含水率和含油率計算公式:

(1)

式(1)中：hw為含水率，%；ho為含油率，%；tw為水相測量時間，s；to為油相測量時間，s；V為固定尺寸的測量裝置體積，m3；ΔV為測量裝置旁路體積，m3。

1.2 油水相態(tài)拐點檢測

利用小波變換多尺度檢測可以確定突變點的準確位置[9-11]。首先，采集油水兩相流的原始信號。然后，對原始信號進行三層小波分解，再構(gòu)造出信號的高斯函數(shù)并求其偏導，對信號做卷積，求出模極大值。最后，讀取模極大值的位置，即求出信號的突變點，原始信號的突變點如圖3所示。

圖3 電導信號突變點

利用小波變換將傳感器信號進行多尺度變換，通過對信號突變點的檢測，可以檢測到油水兩相流相態(tài)變化，基于小波變換相態(tài)的拐點模型可以作為油水兩相流相態(tài)拐點的檢測方法。

1.3 油水相組分識別

小波變換相態(tài)拐點識別模型無法識別特定的相成分，因此，需要對兩相流的相組分進行識別。本文提出了基于最小錯誤的貝葉斯辨識模型來辨識兩相流的相組分。利用小波變換對油水兩相流電導傳感器信號進行分解，利用貝葉斯相組分識別模型對傳感器信號的敏感值為均值、方差和標準差樣本進行訓練和觀察，再用測試樣本進行測試，把先驗概率P(wi)轉(zhuǎn)化為后驗概率P(wi/x)[12]。

對于油水兩相流，如果P(w1/x)>P(w2/x)，則把訓練樣本歸于油相，反之P(w1/x)

(2)

2 數(shù)值模擬

為獲得測量罐最優(yōu)結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法研究了測量罐幾何結(jié)構(gòu)對測量精度的影響[14]。對測量罐的體積、形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、尺寸和進液口位置逐一進行分析。然后模擬含率變化對結(jié)果的影響，進一步優(yōu)化測量罐，并確定實驗樣機最終方案。

當進液口流量設(shè)定為40.00 m3/d時，截面速度為0.26 m/s，雷諾數(shù)為10 606.02，湍流強度為0.05，底部檢測油相的仿真云圖和動態(tài)曲線如圖4所示。

圖4 油相仿真云圖及動態(tài)曲線

油水界面清晰，方案合理。根據(jù)仿真結(jié)果，最終的樣機參數(shù)為：進液口內(nèi)徑設(shè)置為50.00 mm，在距進液口50.00 mm處垂直設(shè)置高度為100.00 mm的擋板。上下出口內(nèi)徑40.00 mm，測量罐高度為1 200.00 mm，內(nèi)徑600.0 mm。罐體上下兩端設(shè)置成錐形，錐形高度為100.00 mm。

3 試 驗

3.1 試驗系統(tǒng)搭建

試驗系統(tǒng)由模擬井、多相流控制系統(tǒng)、本文研制的多相流計量裝置構(gòu)成，試驗是在大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司油-氣-水三相流計量實驗室完成的，多相流計量裝置和部分測量中間測量過程如圖5所示。多相流控制系統(tǒng)控制油水兩相流完全穩(wěn)定后，由測量罐進液口流入測量罐，開始油水兩相流含率測量，將測量結(jié)果與多相流控制系統(tǒng)設(shè)定值進行比對即可評價本文設(shè)計的測量系統(tǒng)性能。具體試驗參數(shù)見表1。

圖5 試驗系統(tǒng)示意圖

表1 試驗參數(shù)

3.2 油水兩相流測量試驗

為驗證本文提出的基于相態(tài)調(diào)控的油水兩相流含率在線測量方法，在不同流量和不同含率下進行了多次試驗，圖6為油為5 m3、水為10 m3工況下原始信號圖及各層小波分解圖。由油水兩相流測量試驗數(shù)據(jù)計算可知，本次測量是在油水兩相流流量為15 m3/d，油相流量為5 m3/d，水相流量為10 m3/d條件下，采用油水兩相流相變點檢測方法，油相累積時間為1 345.00 s，水相累積時間為668.00 s，實際含水率為66.67%，實際含油率為33.33%。試驗測得含水率為67.20%，試驗測得含油率為34.02%，測量誤差為2.67%。

圖6 傳感器信號的小波分析和貝葉斯辨識模型的辨識結(jié)果

3.3 測量重復(fù)性分析

為了減少測量的偶然性，重復(fù)性試驗是在不同的含率下進行的。試驗結(jié)果如圖7所示，圖中每個測量值是30次測量結(jié)果的平均值。

圖7 油水兩相流含率隨機測量試驗圖

由測量重復(fù)性試驗數(shù)據(jù)計算可知，重復(fù)率測量試驗的重復(fù)性值為0.000 3，含水率重復(fù)性測量試驗的平均誤差為2.84%，實際含水率為25.00%時誤差最大為3.23%，實際含水率為50.00%時誤差最小為2.10%，因此含水率測量精度優(yōu)于3.23%。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于相態(tài)調(diào)控的油水兩相流含率在線測量方法，結(jié)論如下：

1)提出了油水兩相流的相態(tài)調(diào)控法，將油水兩相流轉(zhuǎn)化為單相水和單相油進行測量。

2)提出了檢測油水兩相流相變點的小波相態(tài)拐點識別模型，能夠有效檢測相態(tài)拐點。

3)建立了基于最小錯誤的貝葉斯相組分識別模型，該模型能夠識別油組分和水組分。

4)通過仿真確定了試驗樣機參數(shù)，并進行了含率測量試驗。試驗結(jié)果表明，含率最大測量誤差為3.23%，含率重復(fù)性為0.000 3，測量系統(tǒng)重復(fù)性高。