一种过流式共振声谱多相流动态检测的测量装置及方法.pdf

本发明公开了一种过流式共振声谱多相流动态检测的测量装置和方法，该装置包括：用于使流体流过其中的谐振腔：用于激励所述谐振腔产生瞬态自由振动的信号发生单元；用于接收所述谐振腔自由振动时所发出的瞬态声波信号的传感器；与所述传感器相连接的信号处理单元。该方法包括如下步骤：激励谐振腔产生瞬态自由振动，在腔内形成瞬态声场；由传感器接收瞬态声场的时域波形信号；信号处理单元对所接收记录的时域波形进行频谱分析处理，得到谐振腔共振声谱的频率和/或幅度；由所述频率和/或幅度，得到谐振腔中流体的含气量。本发明的优点在于：测量精度高、测量时间短、更适合现场测井施工。

1、  一种过流式共振声谱多相流动态检测的测量装置，该装置包括：用于使流体流过其中的谐振腔；其特征是，还包括：用于激励所述谐振腔产生瞬态自由振动的信号发生单元；用于接收所述谐振腔自由振动时所发出的瞬态声波信号的传感器；与所述传感器相连接的信号处理单元。

2、  根据权利要求1所述的测量装置，其特征是，所述信号发生单元是瞬态电脉冲信号发生单元，所述谐振腔是压电材料或铁磁性材料制成的，所述瞬态电脉冲信号发生单元的两个输出电极分别连接到所述谐振腔的内、外表面上。

3、  根据权利要求1所述的测量装置，其特征是，所述信号发生单元是能够产生瞬态机械敲击力的继电器或振铃，所述继电器或振铃输出的瞬态机械敲击力直接作用到所述谐振腔上。

4、  根据权利要求3所述的测量装置，其特征是，所述谐振腔是金属材料或玻璃钢制成的。

5、  根据权利要求1所述的测量装置，其特征是，所述信号处理单元包括用于存储来自所述传感器的电信号和处理结果的数据存储器。

6、  根据权利要求1-5任一项所述的测量装置，其特征是，所述谐振腔是圆筒形或棱柱形。

7、  一种过流式共振声谱多相流动态检测的测量方法，包括如下步骤：
S1，激励谐振腔产生瞬态自由振动，在腔内形成瞬态声场；
S2，接收瞬态声场的时域波形信号；
S3，记录所述瞬态声场的时域波形信号，对该时域波形进行频谱分析处理，得到谐振腔共振声谱的频率和/或幅度；
S4，由所述频率和/或幅度，结合预先标定出的流体含气量与谐振腔共振声谱的频率和/或幅度之间的对应关系，得到谐振腔中流体的含气量。

8、  根据权利要求7所述的测量方法，其特征是，所述脉冲宽度为5ns至150ms。

9、  根据权利要求7或8所述的测量方法，其特征是，所述步骤S3中信号处理是采用傅里叶频谱分析方法或小波频谱分析方法。

一种过流式共振声谱多相流动态检测的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及多相流的共振声谱测量技术，特别涉及一种适用于油田生产井气液两相流或油、气、水三相流的共振声谱瞬态测量装置及测量方法。
背景技术
在油田开发过程中，准确测量生产井中油、气、水三相流的含气率，对于考察油井天然气对产出剖面测试结果的影响、确定分层分相产量和调整开采方案都具有十分重要的意义。目前，在油田现场对于含气率的常规测量方法主要有井温测井和压差密度计等。比如文献“生产测井导论，郭海敏，石油工业出版社，2003：224-232，259-307”中公开了井温测井的测量原理：电阻式温度仪是利用金属丝的电阻与温度的函数关系测量井筒温度的，一般情况下是温度上升金属的电阻增加。利用该原理的电阻式温度仪主要由热敏电阻、电桥、电子线路短节和套管接箍定位器组成。热敏电阻随温度的变化通过电桥电路转成电压信号、频率信号从油井传至地面。测量得到微差井温曲线，反映沿井轴方向上单位深度上的井温变化，主要用于研究局部温度异常。当油井中有气体产出时，由于气体膨胀吸热，产生了冷却，使温度下降，微差井温曲线通常产生负异常。该井温测井技术的不足之处是：1)受到时间常数的影响；时间常数表示仪器感受周围介质温度的速度，如果感受温度的速度缓慢，当测井速度较高时，仪器反映的温度就小于实际温度，两者就会有较大误差；2)金属热敏电阻的影响；金属热敏电阻的精度差，较难分辨现场条件下的油气水三相流的含气率；3)压力的影响；当压力较高时，气体可能不会变冷，甚至含有一定的热量，或者气体在流动中由于摩擦作用而产生的热比它膨胀时吸收的热要多，所以导致表现在测量曲线上没有或有一定的正异常。
油田现场对于含气率的另一种常规测量技术是压差密度计，比如文献“生产测井原理，吴锡令，石油工业出版社，1997：145-150”中公开了压差密度计的测量原理为：利用两个相距一定距离的压敏波纹管，测量井筒内流体两点间的压力差值。对于磨阻损失不大的井眼，测出的压力梯度正比于流体密度。利用该原理的压差密度计由上波纹管、下波纹管、电子线路短节、变压器、浮式连接管组成，波纹管是压力-位移测量转换元件。为了测量液体的压力，利用波纹管将压力转换成位移，发生位移后，滑动变压器将压力信号变化为电信号输出。压差式密度计测量的是上下波纹管间的压差。这种压差密度计的不足之处在于：1)易受油井套管直径和流体速度的影响；在测井过程中，井内流体一旦进入仪器和套管之间变小的环形截面处，其流速就会增大，这时流体绕着移动的测量仪器还会产生一个附加的速度增量，对测量结果造成影响；2)易受同密度流体的影响；比如一个井内水柱中有少量气体从中流过，其混合密度与油接近，如果有油进入井眼，则压差密度值不会有什么变化，此时的测量结果就不能反映真实情况。
与本发明最为接近的现有技术是2005年丛健生、王秀明等人在“中国专利申请号：200510085884.6，发明专利名称为：一种气液两相流的检测技术”中提出利用共振声谱的稳态方法来测量气液两相流的含气率。但该方法仅适用于流体处于稳态情况下的测量，尽管这种稳态方法测量精度高，但由于该方法在每一个测量位置需要进行单频多次扫描测量，并且要求测量的介质必须是均匀分布的、稳定的，因而逐点测量时间长，无法进行瞬态测量，而且工作效率比较低；另一个不足是由于该方法仅适用于稳态流体的局限性，用以激励谐振腔产生共振的信号源一般只能是电信号，采用电信号容易导致在某些测量情况下比如含水量较大时产生短路现象造成无法测量。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的共振声谱测量方法不能对气液两相流中含气率进行瞬态测量的不足，提供一种改进的能够动态测量的共振声谱多相流检测的测量装置及方法。
为此，本发明提供一种过流式共振声谱多相流动态检测的测量装置，该装置包括：用于使流体流过其中的谐振腔；用于激励所述谐振腔产生瞬态自由振动的信号发生单元；用于接收所述谐振腔自由振动时所发出的瞬态声波信号的传感器；与所述传感器相连接的信号处理单元。
通过信号发生单元激励谐振腔产生瞬态自由振动，在谐振腔内形成瞬态声场，对此瞬态声场的时域波形进行采集并进行数据处理就可得到某一时刻的瞬态共振声谱；由于当谐振腔腔体中存在不同含量的气体时，谐振腔共振声谱的某一共振模式的频率和幅度会随流体中气体含量不同而发生变化，通过共振声谱的这种变化规律，就可以在瞬态情况下测量流体含气量的大小。
在上述技术方案中，所述信号发生单元是瞬态电脉冲信号发生单元，所述谐振腔是压电材料或铁磁性材料制成的，所述瞬态电脉冲信号发生单元的两个输出电极分别连接到所述谐振腔的内、外表面上。
在上述技术方案中，所述信号发生单元是能够产生瞬态机械敲击力的继电器或振铃，所述谐振腔是由刚性材料做成，如玻璃钢，或金属(如钢、铜等)，所述继电器或振铃输出的瞬态机械敲击力直接作用到所述谐振腔上使之产生瞬态自由振动，并在谐振腔中形成瞬态声场。
在上述技术方案中，所述信号处理单元包括用于存储来自所述传感器的电信号和处理结果的数据存储器。
在上述技术方案中，所述谐振腔是圆筒形或棱柱形。
本发明还提供一种过流式共振声谱多相流动态检测的测量方法，包括如下步骤：
S1，激励谐振腔产生瞬态自由振动，在腔内形成瞬态声场；
S2，接收瞬态声场的时域波形信号；
S3，记录所述瞬态时域波形信号，并对这一时域波形进行频谱分析处理，得到谐振腔共振声谱的频率和/或幅度；
S4，由所述频率和/或幅度，结合预先标定出的流体含气量与谐振腔共振声谱的频率和/或幅度之间的对应关系，得到谐振腔中流体的含气量。
在上述技术方案中，所述脉冲宽度随着谐振腔的形状不同而不同，可以在5ns～150ms之间变化。
在上述技术方案中，所述步骤S3中信号处理是采用频谱分析技术，如傅里叶频谱分析方法或小波频谱分析方法。
本发明的具体测量原理如下：
假设存在一个有限长的刚性圆柱形谐振腔，其长度为L，内半径为a，谐振腔里充满声速为c、密度为ρ的单相流体介质。在柱坐标系下，求解波动方程并结合边界条件可得圆柱形空腔体(谐振腔内部无小扰动体)的共振频率为：
f mn = c 2 ( l L ) 2 + ( α mn a ) 2 - - - ( 1 ) ]]>
式中l＝0，1，2，3，...，α_mn是方程dJ_m(πr)/dr＝0的第n个解。
如果只考虑轴对称情况，此时m应等于0，对应的沿z轴方向传播的声波共振频率的最低阶模式为l＝1和n＝0，即空腔体最低模式所对应的最低共振频率可写为：
f 0 = c 2 L - - - ( 2 ) ]]>
由上式可知，在纵向上谐振腔体的最低模式的共振频率与腔体中的流体的声速正比，而与腔体的长度成反比。
当谐振腔内存在气液两相介质时，如果气体和液体能充分混合，也就是说气液分布均匀，此时可以采用一种近似的体积平均效应所得到的混合介质的等效声速来计算谐振腔的共振频率，当然也可以采用比较复杂的谱元法来求解腔内存在随机气泡时的谐振腔共振频率。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)相对于中国专利申请号200510085884.6的技术，已有技术中流体流动是稳态的，测量过程中其流速和流量不能发生变化，而本发明的测量对象即流体流动是瞬态的、随机的，可以得到瞬态测量结果；已有技术由于需要进行频率扫描，因而测量时间相对较长，而本发明由于采用了瞬态记录方式，因而测量时间较短；已有技术所采用的激励信号是连续信号，只能是单频电信号，而本发明测量所采用的激励信号是脉冲信号，既可以是高压电脉冲，也可以是高强度瞬态机械力，这样带来的好处是适应于不同测量情形进行灵活运用，信号发生单元可选择。
(2)本发明由于采用了瞬态记录的共振声谱法这一新技术，可以准确测量得到动态多相流中的含气率，从而可以很好地解决生产测井中产出剖面的分层分相产量，特别是低含气的油、水井的产出剖面的分层分相测试问题。对比以前的测试技术，本发明的测试技术更加符合客观实际，即可以更加准确测量多相流的含气率，测量精度高、测量时间短、更适合现场测井施工。此外，本发明还具有环保、造价低廉和更容易实现等优点。由于采用物理声学的测试方法，既不会对人体造成损害，也不会给地下资源造成污染，是理想的油田动态测试方法。
附图说明
图1为过流式瞬态共振声谱实验测量装置框图；
图2为本发明一实施例的共振声谱的测量装置图，谐振腔为圆柱形压电陶瓷管或铁磁材料制成的圆管；
图3为气液两相流中含气量不同时的瞬态共振声谱的测量结果，图中共给出7个曲线图，在每个图的右上角分别用(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)和(g)表示出不同的曲线，分别对应气体相对含量为0、15％、30％、45％、60％、75％和90％；
图4(a)是利用本发明的实施例得到的共振频率与气体相对含量之间的变化趋势曲线；图4(b)是利用本发明的实施例得到的共振幅度与气体相对含量之间的变化趋势曲线；
图5为本发明一实施例的共振声谱的测量装置图，谐振腔为棱型钢质管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例1
如图1所示是本发明的过流式瞬态共振声谱实验测量装置原理图，装置包括：用于使流体流过其中的筒状谐振腔10；用于激励所述谐振腔10产生瞬态自由振动的信号发生单元11；用于接收所述谐振腔10自由振动时所产生的瞬态声波信号的传感器12；与所述传感器12相连接的信号处理单元13。图中谐振腔10中是动态或静态的待测量的流体，图中的小圆圈示意性地表示出流体中含有的气体14。基于发明内容，在具体实施本发明时可以有不同的具体形式。
如图2所示，本实施例是一套过流式瞬态共振声谱气液两相流含气率检测的测量装置，气液两相流由柴油15和空气14来组成。信号发生单元11采用一个高压脉冲发生器；谐振腔10采用一个两端开口的圆柱形压电陶瓷管或铁磁材料制成的圆管，在进行测量和进行标定时不同含气量的气液两相流从谐振腔10中流过；用于接收所述谐振腔10自由振动时所产生的瞬态声波信号的传感器12是采用水听器，该水听器放置在谐振腔10底端开口处，水听器应具有足够宽的频带响应；电荷放大器20、示波器21和计算机22顺序连接组成信号处理单元13。
一种过流式共振声谱多相流动态检测的测量方法，包括如下步骤：
S1，通过高压脉冲发生器激励谐振腔产生瞬态自由振动，在腔内形成瞬态声场；
S2，由水听器接收腔内声场的瞬态时域波形信号；
S3，信号处理单元记录所述瞬态时域波形信号，并对所述时域波形进行傅里叶变换或小波变换等频谱分析处理，得到谐振腔共振声谱的频率和/或幅度；
S4，由所述频率和/或幅度，结合预先标定出的流体含气量与谐振腔共振声谱的频率和/或幅度的对应关系，得到谐振腔中流体的含气量。
在本实施例中进行瞬态共振声谱测量时，高压脉冲发生器提供具有一定重复频率的高压窄脉冲，用以激励压电陶瓷谐振腔；由于谐振腔本身具有压电效应或磁致伸缩效应，宽频带的电压脉冲激励谐振腔时会在腔内形成瞬态振动声场；这一瞬态声场的时域波形被宽频带水听器接收到，然后依次输入到电荷放大器20和存储示波器21中进行记录，最后再通过电路送到计算机22中将这些测量波形存储下来；对这些瞬态时域波形进行数据分析，就可得到某一时刻的瞬态共振声谱；当腔体中存在不同含量的气体时，其共振声谱会随着含气量的不同而发生变化，将共振声谱的这些变化在模拟刻度井进行各相含率的标定，就可求得气液两相流的含气率。
下面结合实例来描述本发明的效果，该实例也可看作是一个对该测量装置的标定过程。在利用本发明的装置进行测量前，往往要首先对装置进行一个标定，就是确定谐振腔中流体的含气量与谐振腔共振声谱之间的对应关系。比如本实例测量柴油中的含气量，将谐振腔置于柴油中完全浸没，利用一个能够确定谐振腔中流体的含气量的装置对谐振腔中的柴油输送气泡，在含气量确定的情况下再按照上面介绍的测量步骤来确定与该含气量对应的瞬态共振声谱；然后改变谐振腔中的含气量就可以确定不同含气量与瞬态共振声谱的对应关系，这个对应关系可以用于实际测量过程。图3是利用上述实验装置测量的波形经过数据分析后所得到的不同气体含量情况下的瞬态共振声谱，气体的体积相对含量的变化范围为0％至90％。图3中纵、横坐标分别表示共振声谱的频率和幅度，频率的单位为赫兹(Hz)，幅度进行了归一化处理，只表示一个相对值。图3中结果表明不同气体含量情况下共振声谱的差异非常明显，并且变化趋势也非常有规律，随着气体含量的增大，共振频率和共振幅度急剧下降。图4(a)和4(b)分别是根据图3中瞬态共振声谱所得到的共振频率和共振幅度随气体含量的变化曲线。结果表明共振声谱随含气量的变化规律非常规则，对应于不同的共振频率和共振幅度可以得到不同的气液两相流含气率。
实施例2
在实施例1中，谐振腔10采用的是自身能将电能转换成机械能(声波能量)的压电陶瓷管，为避免压电陶瓷管内外壁短路，如果不加以特殊处理，则要求测量的谐振腔内液相介质是不导电的，比如选用柴油15。本实施例中，谐振腔10采用棱柱形钢质管，比如采用六角棱柱形钢质管，并且采用能够提供瞬态机械力的激励源来直接激励谐振腔产生瞬态自由振动，由于不是采用电信号激励的，所以谐振腔内外壁无需考虑短路问题，因此测量的情形也就可以包括谐振腔内液相介质导电的情况，比如介质是水16。
如图5所示，是本实施例的一套过流式瞬态共振声谱气液两相流含气率检测的实验测量方案，气液两相流由水16和空气14来组成。信号发生单元11采用一个能提供瞬态机械敲击力的高强度振铃；谐振腔10采用一个两端开口的六角棱柱形钢质管；振铃的机械力输出部分直接作用到谐振腔的表面敲击使之产生瞬态自由振动；用于接收所述谐振腔10自由振动时所发出的瞬态声波信号的传感器12采用水听器，该水听器放置在谐振腔10上端开口处，水听器应具有足够宽度的频带响应；超声分析仪51和计算机52组成了数字信号处理单元13。
利用该装置的测量方法与实施例1相同，进行瞬态共振声谱测量时，高强度振铃以具有一定重复频率的瞬态机械力敲击钢质谐振腔，使之产生瞬态自由振动，在腔内形成瞬态振动声场。腔内瞬态声场的时域波形信号被宽频带水听器所接收，然后输入到超声分析仪51中进行记录，最后再通过电路送到计算机中将这些测量波形存储下来。对这些瞬态波形进行傅里叶变换或小波变换等频谱分析处理，就可得到某一时刻的瞬态共振声谱。同样，当腔体中存在不同含量的气体时，其共振声谱会随着含气量的不同而发生变化，通过共振声谱的这些变化，经过一定的刻度换算就可求得气液两相流的含气率。
本领域技术人员容易理解，根据上述实施例的描述，本发明可以将用于激励谐振腔产生瞬态声脉冲的高压脉冲信号发生器、振铃或继电器等其他瞬态机械力发生装置都包括在一个测量装置中，这样做的好处是对于不同的测量情况，技术人员可以选择采用电信号或者机械信号来激励谐振腔。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的测量装置和技术方案，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。