優(yōu)化電容電極在油氣段塞流測量中的應用研究

張曉凌 王鑫

摘 要：基于電容法測量相含率、速度的多相流量計已在油田投入使用，研究發(fā)現(xiàn)電容電極尺寸可直接影響測量精度，且目前國內(nèi)尚未見以電容電極技術進行段塞流動參數(shù)的測量。為優(yōu)化電容電極，采用COMSOL對電容電極尺寸進行了仿真，結(jié)果表明，厚度0.1 mm，張角150°，寬20 mm，加保護電極與屏蔽層的電極具有最優(yōu)測量效果；利用兩組優(yōu)化的電容組以互相關法獲得了液塞速度、液塞長度、液塞頻率參數(shù)，得到滑脫系數(shù)：當Fr≤3.5時，C0=0.83，當Fr≥3.5時，C0=1.28，平均液塞長度為21.7D，同時擬合了Strouhal數(shù)隨XL的變化的關聯(lián)式。

關 鍵 詞：多相流；電容電極；COMSOL；互相關；液塞參數(shù)

中圖分類號：TE 357 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1878-04

Abstract： Multiphase flowmeter based on capacitance measuring speed and phase volume fraction has been put into use in oil fields. The research has showed that the accuracy of measurement can be directly affected by capacitance electrode size， and application of capacitor electrode in slug parameter measurement has not been found in China. The performance of capacitance sensor with different electrode sizes was simulated by COMSOL to optimize the sensor. The results show that， when thickness is 0.1 mm， angle is 150°， wide is 20 mm， the sensor with guard electrode and shielding layer is the best. Slug velocity， slug length and slug frequency were measured by two sets of optimized capacitance sensor by cross-correlation method. The results show that when Fr≤3.5， C0=0.83；when Fr≥3.5，C0=1.28；averageslug length is 21.7D and St-XL correlation is fitted.

Key words： multiphase flow； capacitance sensor； COMSOL； mutual correlation； slug parameter

目前現(xiàn)場使用伽馬射線進行油田多相計量，說明開發(fā)安全可靠的油氣段塞流液塞參數(shù)測量手段對于石油開發(fā)具有重要意義。電容法優(yōu)勢在于廉價高速、無輻射，可測非導電介質(zhì)。例如2012年英國曼徹斯特大學聯(lián)合斯倫貝謝劍橋研究中心與英國國家工程實驗室，論證了當含水率低于40%時，電容技術可對液相中的多相流動比率WLR測量達5%的精度[1]，F(xiàn)luenta 1900VI型多相流量計采用文丘利管差壓和電容信號互相關的方式測定油為連續(xù)相時的速度。然而目前國內(nèi)關于電容電極的應用研究尚少，電容電極用于段塞流流動參數(shù)的計算屬于較新的進展。Xie等[2]、Wael[3]研究表明電極張角，電極長度及屏蔽層均能影響測量精度。故確定最優(yōu)電容電極尺寸對提高測量的準確性具有重要意義。

本文根據(jù)祁雷[4]初步探索改進了凹面電容電極，并利用COMSOL有限元仿真軟件，模擬確定了最優(yōu)電極尺寸；然后本文僅采用兩組優(yōu)化電容，利用互相關法實現(xiàn)了液塞速度、液塞長度、液塞頻率等參數(shù)的測量，測量前無需標定，這為油田現(xiàn)場含油段塞流的監(jiān)測與參數(shù)測量提供了一種新思路。

1 雙凹面電容電極基本構成及實驗系統(tǒng)

1.1 電極基本構成

對祁雷的雙凹面電容電極進行改進，在測量電極外加保護電極后的基本形態(tài)如圖1所示。包覆在有機玻璃管外部的部件分四部分：電極、絕緣層、銅外殼及保護電極。電極為張角 ，寬度 ，厚度b的紫銅片，保護電極為紫銅材質(zhì)，與電極間隔2 mm，緊密圍繞在電極四周，絕緣層由一定厚度的聚四氟乙烯圓柱體構成，黃銅外殼包覆在絕緣層外側(cè)，用于固定電極及絕緣層，對裝置起保護作用。

1.2 動態(tài)液塞參數(shù)測量裝置

實驗采用MS3110電路板及MS3110電容測量芯片實現(xiàn)電容測量。將參數(shù)優(yōu)化后的兩組電容電極安裝在董傳帥[5]的實驗系統(tǒng)上，使每組電容電極兩端分別接入一塊MS3110測試板的CS1IN及CSCOM端口，如圖2所示。通過調(diào)節(jié)芯片參數(shù)，使液面變化引起的電壓變化在0～5 V范圍內(nèi)變動，取表觀液速范圍0.1～1.0 m/s，表觀氣速范圍1.0～4.0 m/s進行空氣-LP14白油的段塞流參數(shù)測量。圖3給出了兩組電容探針同時接入時的采集信號，兩組電容探針的測量信號幾乎一樣，但由于兩組電容探針中心間隔26 cm，故電壓信號有一定的延遲，通過這個延遲，可利用互相關法，進行液塞速度的計算?；ハ嚓P法的原理是，兩列信號經(jīng)互相關函數(shù)計算，得到的RXY，其最大值對應的橫坐標與縱軸之間的距離就是兩列信號之間的延遲Δt，若上下游電容探針間的距離為ΔL，那么液塞速度VS=ΔL/Δt ?；ハ嚓P函數(shù)表示為：

計算完液塞速度后，根據(jù)電容探針測得的段塞流流動信號，可得到液塞及長氣泡經(jīng)過探針需要的時間，進而計算出液塞長度、液塞單元長度、液塞頻率等參數(shù)。這些參數(shù)的計算均通過Labview編程實現(xiàn)。

2 仿真結(jié)果與對比

在COMSOL中選擇三維靜電靜態(tài)求解模式，導入由Solidworks繪制的三維模型，設置有機玻璃管、油、空氣、銅電極、聚四氟乙烯的介電常數(shù)分別為4，2.4，1，1，2.55。設置凹面電極一側(cè)接地，一側(cè)終端電壓為5 V。然后對整個模型進行特別細化的網(wǎng)格剖分。設置結(jié)束后采用穩(wěn)態(tài)求解器求解，便可快速的得到管內(nèi)電勢分布，通過計算派生值可得到該種結(jié)構下某一含氣率時的電容值。

表1為模擬電極電容值線性擬合結(jié)果匯總。線性擬合斜率越大，說明電極對相對介電常數(shù)變化越敏感；R2越大，說明測量線性度越好。電極越寬，對流動參數(shù)的辨別精度越低，空間分辨率越低，從表中可以看出凹面電容電極的靈敏度隨角度的增大、電極寬度的增加而增加，空間分辨率隨寬度的增加而下降，電極厚度對靈敏度及分辨率的影響不大，但電極越薄，制作越容易。綜合考慮以上因素，確定ds=20 mm ，b= 0.1mm， 為本實驗最優(yōu)電極參數(shù)。

3 動態(tài)液塞參數(shù)測量

圖4（a）給出了以兩組優(yōu)化電容電極為測量手段，采用互相關法測量的表觀液速VSL=0.6 m/s，表觀氣速VSG=3.0 m/s時油氣兩相流的液塞速度參數(shù)在采集時間內(nèi)的波動情況。平均液塞速度為6.0 m/s，75.4%的速度值在平均值±10%范圍內(nèi)波動。

4 結(jié) 論

本文利用COMSOL對凹面電容電極尺寸進行了優(yōu)化，并以兩組優(yōu)化后的電容組作為測量手段，利用互相關法測量了油-氣段塞流的液塞速度、液塞長度和液塞頻率，得出的主要結(jié)論如下：

（1）凹面電容電極的靈敏度隨角度的增大、電極寬度的增加而增加，但空間分辨率隨寬度的增加而下降，電極厚度對靈敏度及分辨率的影響不大。厚度0.1 mm，張角150°，寬20 mm，加有保護電極與屏蔽層的電極具有最優(yōu)測量效果。

（2）液塞速度隨混合速度的增加而增加，擬合當Fr≤3.5時，C0=0.83，當Fr≥3.5時，C0=1.28。所有工況下平均液塞長度為21.7D，表觀氣速一定，液塞頻率隨表觀液速的增加而增大，Strouhal數(shù)隨XL的變化與Fossa關聯(lián)式略有偏差，重新擬合后得到了適用于本實驗的St與XL關聯(lián)式。

參考文獻：

[1] 李軼.多相流測量集輸在海洋油氣開采中的應用與前景[J]. 清華大學學報（自然科學版），2014（1）：88-96.

[2] Xie C G， Scott A L， Plaskowski A， et al.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.氣液兩相流相界面結(jié)構測量方法研究[D]. 青島：中國石油大學（華東），2014.

[5] 董傳帥. 氣液兩相段塞流無相變冷卻過程流動與傳熱實驗研究[D]. 青島：中國石油大學（華東），2015.

[6] Nicklin D J， Wilkes M A， Davison J F.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.