試論頻率分析法用于兩相流體的流量測(cè)量

1、頻率分析析法用于于兩相流流體的流流量測(cè)量量測(cè)井技術(shù)術(shù)WELLL LOOGGIING TECCHNOOLOGGY19999年第第23卷第3期VooL.223Noo.3119999沈躍陳世廉廉摘要要沈躍，陳世廉廉頻率率分析法法用于兩兩相流體體的流量量測(cè)量測(cè)井技技術(shù)，119999，23（3）：16681722敘述述了利用用兩相流流體的混混合不均均勻性來(lái)來(lái)測(cè)量流流體流量量的頻率率分析法法?；谟诹黧w分分散相的的含水?dāng)_擾動(dòng)信號(hào)號(hào)中含有有流體密密度信息息和流速速信息，通過(guò)對(duì)對(duì)擾動(dòng)信信號(hào)的高高頻分量量進(jìn)行相相應(yīng)的數(shù)數(shù)據(jù)處理理，將流流速信息息取出，使單一一的含水水傳感器器具有一一定的流流量測(cè)量量能力。通過(guò)室室

2、內(nèi)模擬擬井試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)了了這種方方法的可可行性。對(duì)模擬擬井的流流量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)進(jìn)行了分分析。主題題詞：頻率分分析兩相流流動(dòng)流體流量量測(cè)量滑脫脫速度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)數(shù)據(jù)ABSTTRACCTShhen Yuee， Cheen SShilliannMeaasurremeent of Twoo-phhasee Fllowrratee byy Ussingg Frrequuenccy AAnallysiis MMethhodWLTT， 19999， 233（3）： 11681722A frrequuenccy aanallysiis mmethhod is preesenntedd inn thhis papper

3、 forr meeasuurinng tthe floowraate of oill-waaterr twwo-pphasse lliquuid mixxturresPerrturrbattionn siignaal aat tthe outtputt off a watter-cutt trranssduccer plaacedd inn a welll cconttainns iinfoormaatioon aabouut ffluiid ddenssityy annd ffluiid vveloocittyDatta pproccesssingg iss maade to thee hi

4、igh freequeencyy coompoonennt oof tthe perrturrbattionn siignaal tto aacquuiree flluidd veeloccityy， thhus， maakinng tthe watter-cutt trranssduccer ablle tto mmeassuree thhe ffluiid fflowwratteThee feeasiibillityy off thhis metthodd iss prroveed bby tthe inddoorr siimullatiion expperiimennts Annd tt

5、he expperiimennt ddataa off fllowrratee frrom moddel wellls is anaalyssedSubjjectt Teermss： frrequuenccy aanallysiis twwo-pphasse ffloww ffluiid floow mmeassuriing sllipppagee veeloccityy expperiimenntall daata引言言由于于油井內(nèi)內(nèi)液體多多為汽液相及及非均勻勻分布的的油水混合合液，這這種流體體的含水水信號(hào)是是一種分分散相介介質(zhì)的調(diào)調(diào)制信號(hào)號(hào)，其中中含有反反映平均均持水率率的油水水密度信信息

6、和處處于分散散相的油油珠流速速信息。通過(guò)對(duì)對(duì)含水信信號(hào)的脈脈動(dòng)分量量進(jìn)行頻頻率分析析可以將將這種流流速信息息取出，并換算算成流體體的流量量。隨著著井下含含水傳感感器工藝藝和數(shù)據(jù)據(jù)處理方方法的進(jìn)進(jìn)一步完完善，這這種頻率率分析處處理方法法將使目目前井下下持水率率計(jì)具有有一定的的流量測(cè)測(cè)量能力力。含水傳感感器的探探頭結(jié)構(gòu)構(gòu)CDB型型井下找找水儀傳傳感器主主要用于于井下高高持水率率的測(cè)量量，它的的檢測(cè)探探頭是一一根長(zhǎng)金金屬棒，金屬棒棒外部覆覆蓋有一一層非金金屬材料料絕緣層層，整體體呈圓柱柱型。為為了使含含水信號(hào)號(hào)中的擾擾動(dòng)信號(hào)號(hào)更加明明顯，在在長(zhǎng)圓柱柱形探頭頭上設(shè)置置有若干干個(gè)等間間距排放放的敏感感縫

7、，形形成測(cè)量量敏感區(qū)區(qū)；敏感感區(qū)暴露露在油水水介質(zhì)中中(見(jiàn)圖1)。為了了保護(hù)天天線探頭頭、束流流及屏蔽蔽電磁波波不外泄泄，在與與探頭相相距一定定距離處處同軸加加有一個(gè)個(gè)金屬保保護(hù)罩，金屬保保護(hù)罩接接地。油油水混合合液在檢檢測(cè)探頭頭和保護(hù)護(hù)罩之間間流動(dòng)，形成一一個(gè)可變變介質(zhì)電電容。當(dāng)當(dāng)油水液液中處于于分散相相的油珠珠經(jīng)過(guò)敏敏感區(qū)時(shí)時(shí)，會(huì)顯顯著改變變介質(zhì)電電容的電電容量，從而在在傳感器器的信號(hào)號(hào)輸出端端得到一一系列的的擾動(dòng)電電壓脈沖沖，且油油相運(yùn)動(dòng)動(dòng)速度越越快，脈脈沖頻率率越高。圖1含含水傳感感器探頭頭結(jié)構(gòu)流量計(jì)算算1流流體特性性設(shè)油油水混合合液是水水基的，即水呈呈連續(xù)相相，油呈呈分散相相。根據(jù)據(jù)

8、油珠在在水中的的受力分分析，當(dāng)當(dāng)油珠受受力平衡衡后，其其相對(duì)于于水相的的滑脫速速度為勻勻速。在在水溫20時(shí)，水水的動(dòng)力力粘性系系數(shù)為110.005110-44 Nm2.s。經(jīng)經(jīng)過(guò)計(jì)算算得到該該溫度下下油珠的的滑脫速速度為（11）式中，dd為油珠珠直徑，單位為為m。由于于水中油油珠直徑徑是隨機(jī)機(jī)變化的的，故油油珠的滑滑脫速度度也是隨隨機(jī)的。當(dāng)許多多油珠相相對(duì)于水水相作相相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)，由由于直徑徑的不同同，使各各油珠的的運(yùn)動(dòng)狀狀態(tài)處于于不同的的阻力系系數(shù)區(qū)，遵循不不同的滑滑脫速度度公式，使得油油珠的運(yùn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)態(tài)在微觀觀上變得得十分復(fù)復(fù)雜，因因此我們們只能在在宏觀上上找出描描述其滑滑脫速度度的方法法

9、。2含含水信號(hào)號(hào)的擾動(dòng)動(dòng)頻率由于于滑脫速速度voo是油珠珠相對(duì)于于水流的的運(yùn)動(dòng)速速度，其其絕對(duì)流流速應(yīng)為為（22）由此可以以解出單單個(gè)油珠珠經(jīng)過(guò)含含水傳感感器敏感感區(qū)時(shí)產(chǎn)產(chǎn)生的擾擾動(dòng)脈沖沖頻率為為（33）式中QQ油油水混合合液流體體流量；S井井筒截面面積；L探探頭敏感感區(qū)長(zhǎng)度度；N敏敏感縫數(shù)數(shù)；t油油珠經(jīng)過(guò)過(guò)敏感區(qū)區(qū)所用時(shí)時(shí)間；T傳傳感器信信號(hào)周期期。由于于vo是一一個(gè)隨油油珠直徑徑變化的的隨機(jī)變變量，故故(N1)vvoL是頻率率f的隨機(jī)機(jī)分量。在眾多多油珠依依次經(jīng)過(guò)過(guò)傳感器器探頭敏敏感區(qū)時(shí)時(shí)，某段段時(shí)間內(nèi)內(nèi)傳感器器輸出信信號(hào)的擾擾動(dòng)脈沖沖平均頻頻率為（4）式中nnttM時(shí)間間內(nèi)M個(gè)油珠珠產(chǎn)生

10、的的有效脈脈沖數(shù)；ti單個(gè)個(gè)油珠經(jīng)經(jīng)過(guò)敏感感區(qū)所用用時(shí)間；fi單個(gè)油油珠經(jīng)過(guò)過(guò)敏感區(qū)區(qū)時(shí)產(chǎn)生生的擾動(dòng)動(dòng)脈沖頻頻率。將式式(3)代入式式(4)，并且且令經(jīng)整理得得到tMM時(shí)間內(nèi)內(nèi)M個(gè)油珠珠依次經(jīng)經(jīng)過(guò)傳感感器敏感感區(qū)時(shí)產(chǎn)產(chǎn)生的擾擾動(dòng)脈沖沖平均頻頻率為（5）由于于ki、ti與voii皆為隨隨機(jī)變量量，故ki，voiiki與與f*在M值趨于于一個(gè)較較大數(shù)時(shí)時(shí)，會(huì)向向一個(gè)平平均真值值逼近。令則式(55)轉(zhuǎn)變變?yōu)椋?）式中ffMtM時(shí)時(shí)間內(nèi)MM個(gè)油珠珠依次經(jīng)經(jīng)過(guò)含水水傳感器器敏感區(qū)區(qū)產(chǎn)生的的平均脈脈沖頻率率；voi油珠珠相對(duì)于于水相的的滑脫速速度；Q油油水混合合液流體體流量；S井井筒截面面積；L探探頭敏感

11、感區(qū)長(zhǎng)度度；N傳傳感器的的敏感縫縫數(shù)(NN2)；K1、KK1、f*統(tǒng)計(jì)計(jì)平均值值。從以以上各式式可以看看出，KK1，K1，f*均與與流量有有著一定定的對(duì)應(yīng)應(yīng)關(guān)系，在水的的運(yùn)動(dòng)粘粘性系數(shù)數(shù)一定時(shí)時(shí)，K11、K1、f*都是流量的的函數(shù)。當(dāng)流量量固定時(shí)時(shí)，K11、K1、f*是一一個(gè)常量量，因此此，混合合液的流流體流量量與擾動(dòng)動(dòng)信號(hào)的的平均頻頻率呈一一定的函函數(shù)關(guān)系系。這種種函數(shù)關(guān)關(guān)系不是是線性的的，但卻卻是單調(diào)調(diào)變化的的。這種種函數(shù)關(guān)關(guān)系建立立于統(tǒng)計(jì)計(jì)平均的的基礎(chǔ)之之上，它它要求采采集到的的脈沖數(shù)數(shù)目越多多越好，但這會(huì)會(huì)使采樣樣時(shí)間與與處理時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)，從而而對(duì)測(cè)量量不利。因此在在保證測(cè)測(cè)量精度度和

12、響應(yīng)應(yīng)速度的的條件下下，應(yīng)把把采樣脈脈沖數(shù)限限制在一一定范圍圍之內(nèi)。由于于油珠不不可能全全部依次次經(jīng)過(guò)探探頭敏感感區(qū)，而而是隨機(jī)機(jī)通過(guò)，可以認(rèn)認(rèn)為在MM個(gè)油珠珠中有MM個(gè)是依次次通過(guò)的的，MM個(gè)是隨隨機(jī)插入入，同樣樣可以得得到tMM時(shí)間內(nèi)內(nèi)M個(gè)油珠珠經(jīng)過(guò)含含水傳感感器敏感感區(qū)時(shí)產(chǎn)產(chǎn)生的擾擾動(dòng)脈沖沖頻率為為（7）式中，由于于MM，因此此ki比無(wú)無(wú)隨機(jī)插插入時(shí)增增大，故故K2K1，K2K1、f*f*。這這導(dǎo)致信信號(hào)頻率率的升高高，同時(shí)時(shí)M是個(gè)不不確定的的值，在在流量不不變時(shí)，f不再再固定不不變，這這使得ff*M 的值值會(huì)發(fā)生生波動(dòng)，從而影影響頻率率測(cè)量的的重復(fù)性性。因此此可以認(rèn)認(rèn)為影響響頻率重重復(fù)

13、性的的主要原原因是油油珠的隨隨機(jī)插入入，且插插入數(shù)量量相對(duì)于于總數(shù)量量越大，數(shù)據(jù)的的波動(dòng)越越劇烈。為了減減小油珠珠的這種種隨機(jī)插插入作用用，可以以將傳感感器探頭頭的敏感感區(qū)長(zhǎng)度度適當(dāng)縮縮短，同同時(shí)相應(yīng)應(yīng)減少敏敏感縫的的數(shù)量。含水傳傳感器探探頭的設(shè)設(shè)計(jì)應(yīng)使使得傳感感器只能能檢測(cè)到到靠近探探頭敏感感區(qū)的油油珠。對(duì)對(duì)于徑向向遠(yuǎn)離油油珠產(chǎn)生生的影響響必須大大大消弱弱，最后后通過(guò)程程序處理理加以消消除。信號(hào)與數(shù)數(shù)據(jù)處理理1信信號(hào)的電電路處理理由含含水傳感感器接收收到的電電壓信號(hào)號(hào)是一種種脈動(dòng)的的低頻幅幅值較大大的混合合信號(hào)，其中高高值低頻頻分量代代表平均均含水率率值，高高頻脈動(dòng)動(dòng)分量代代表反映映流量信信

14、息的油油珠速度度信號(hào)，因此必必須對(duì)這這一混合合信號(hào)進(jìn)進(jìn)行分離離處理。含水傳傳感器的的脈動(dòng)含含水信號(hào)號(hào)首先經(jīng)經(jīng)過(guò)線性性衰減，隔離放放大，然然后一路路信號(hào)經(jīng)經(jīng)過(guò)高階階低通濾濾波，將將高于33.3HHz的信號(hào)濾濾除，形形成含水水率平均均值輸出出。另一一路信號(hào)號(hào)通過(guò)一一個(gè)帶寬寬為144 Hzz（614Hzz）的帶帶通濾波波器，將將原始信信號(hào)的高高頻分量量放大后后送入一一個(gè)銳截截止的低低通濾波波器，濾濾除500 Hzz以上的的工頻干干擾，形形成僅反反映流量量信息的的油珠速速度信號(hào)號(hào)。這兩兩路模擬擬信號(hào)分分別饋入入計(jì)算機(jī)機(jī)數(shù)據(jù)采采集系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行數(shù)數(shù)據(jù)處理理。2數(shù)數(shù)據(jù)處理理經(jīng)過(guò)過(guò)計(jì)算機(jī)機(jī)的采樣樣、判斷斷、計(jì)算

15、算和補(bǔ)償償，最后后得到有有效平均均頻率值值。由式式(6)和式(77)看出出，測(cè)量量含水脈脈動(dòng)信號(hào)號(hào)的有效效頻率可可以反映映出油水水混合液液的流量量變化。圖2為計(jì)算算機(jī)采樣樣處理程程序框圖圖。圖2計(jì)計(jì)算機(jī)采采樣處理理程序框框圖程序序中，采采樣周期期由軟件件控制，采樣頻頻率4000Hzz。由于于AD轉(zhuǎn)換時(shí)時(shí)間很短短，故平平均含水水率通道道與油珠珠流速通通道的數(shù)數(shù)據(jù)采樣樣幾乎是是同時(shí)進(jìn)進(jìn)行的，平均含含水率信信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)平滑處處理變?yōu)闉槟骋粫r(shí)時(shí)間段的的含水平平均值。反映油油珠流速速的脈動(dòng)動(dòng)信號(hào)經(jīng)經(jīng)過(guò)波峰峰檢測(cè)、脈沖真真?zhèn)巫R(shí)別別、脈沖沖信號(hào)的的脫落補(bǔ)補(bǔ)償、有有效脈沖沖計(jì)數(shù)及及脈沖間間隔計(jì)時(shí)時(shí)累加，最后換換

16、算為有有效頻率率顯示及及打印，并通過(guò)過(guò)DA口將頻頻率值變變?yōu)槟M擬電壓量量輸出。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)據(jù)分析室內(nèi)內(nèi)模擬實(shí)實(shí)驗(yàn)井由由垂直井井筒、油油水管道道、油水水泵、標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)蝸輪輪流量計(jì)計(jì)、油水水混合液液分離裝裝置等組組成。泵泵入的油油量和水水量數(shù)據(jù)據(jù)分別輸輸入計(jì)算算機(jī)數(shù)據(jù)據(jù)采集系系統(tǒng)進(jìn)行行液體總總流量和和含水率率的計(jì)算算，用于于與測(cè)量量值的數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比比。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)時(shí)將油油泵和水水泵的泵泵量比控控制在含含水率990%左左右范圍圍，用于于模擬實(shí)實(shí)際井下下工作情情況。1重重復(fù)性實(shí)實(shí)驗(yàn)油水水泵量固固定，油油水比119，測(cè)取取一組110個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)列入入表1；然后仍仍保持油油水比不不變，逐逐漸提高高泵入液液體總量量，同樣樣測(cè)

17、取每每組100個(gè)數(shù)據(jù)據(jù)列入表表2和表3。2流流量分辨辨率實(shí)驗(yàn)驗(yàn)固定定油泵排排量0.6Lminn，使水水泵排量量由2 Lminn開(kāi)始逐逐漸分段段加大到到24 Lminn；測(cè)出出各流量量對(duì)應(yīng)的的頻率值值曲線(見(jiàn)圖3)。圖3流流量與頻頻率對(duì)應(yīng)應(yīng)曲線由表表1、表2和表3看出，流量測(cè)測(cè)量的重重復(fù)性在在低流量量時(shí)較好好，因?yàn)闉榕帕吭鲈龃髸r(shí)測(cè)測(cè)量重復(fù)復(fù)性有所所降低，因?yàn)榕排帕吭龃蟠髸r(shí)水流流速度過(guò)過(guò)快，油油相在模模擬井噴噴嘴處受受到過(guò)快快水流的的剪切作作用，較較大的油油珠被擊擊碎形成成大量小小油珠，使油珠珠的隨機(jī)機(jī)插入機(jī)機(jī)會(huì)增大大，造成成頻率數(shù)數(shù)據(jù)的波波動(dòng)。圖圖3中，測(cè)測(cè)量曲線線呈單調(diào)調(diào)上升的的非線性性狀，與

18、與式(77)的分分析相符符。中小小流量時(shí)時(shí)測(cè)量分分辨率較較高，排排量增大大時(shí)，較較大的油油珠被水水流擊碎碎后，其其滑脫速速度大幅幅度下降降，同時(shí)時(shí)引起含含水脈動(dòng)動(dòng)分量的的信號(hào)幅幅度大幅幅度降低低，使得得處理程程序?qū)⒎容^小小的脈動(dòng)動(dòng)信號(hào)當(dāng)當(dāng)作偽信信號(hào)剔除除。因此此排量超超過(guò)200 Lminn后測(cè)量量分辨率率大幅度度下降。由于環(huán)環(huán)空測(cè)井井的需要要，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)儀器外外徑為225mmm，流體體在探頭頭金屬護(hù)護(hù)罩之間間的流動(dòng)動(dòng)空間較較小，對(duì)對(duì)油珠有有一定的的阻礙作作用，排排量增大大時(shí)產(chǎn)生生阻力更更大，影影響到油油珠的自自然流動(dòng)動(dòng)狀態(tài)，降低了了測(cè)量數(shù)數(shù)據(jù)的重重復(fù)性和和分辨率率。表1油油水總排排量4 Lmi

19、nn時(shí)測(cè)量量數(shù)據(jù)測(cè)量次數(shù)數(shù) 1 2 33 4 5 66 7 8 99 100 有效頻率率值fMMHz 843 857 859 879 866 850 888 855 848 891 頻率平均均值MHz 864 頻率偏差差fMHz 021 007 005 015 002 014 024 009 016 027 標(biāo)準(zhǔn)偏差差Hz 017 表2油油水總排排量8 Lminn時(shí)測(cè)量量數(shù)據(jù)測(cè)量次數(shù)數(shù) 1 2 33 4 5 66 7 8 99 100 有效頻率率值fMMHz 1059 1087 1112 1109 1041 1091 1063 1051 1074 1079 頻率平均均值MHz 1077 頻率偏

20、差差fMHz018 010 035 032 036 014 014 026 003 002 標(biāo)準(zhǔn)偏差差Hz 024 表3油油水總排排量166 Lminn時(shí)測(cè)量量數(shù)據(jù)測(cè)量次數(shù)數(shù) 1 2 33 4 5 66 7 8 99 100 有效頻率率值fMMHz 1294 1266 1341 1320 1312 1302 1251 1292 1236 1270 頻率平均均值MHz 1288 頻率偏差差fMHz 006 022 053 032 024 014 037 004 052 018 標(biāo)準(zhǔn)偏差差Hz 033 結(jié)論本實(shí)實(shí)驗(yàn)中所所用模擬擬裝置較較小，且且油、水水泵均為為開(kāi)環(huán)控控制，其其泵量會(huì)會(huì)隨油水水混合液

21、液的各種種阻力和和電源的的波動(dòng)而而變化。如果通通過(guò)加入入流量反反饋對(duì)整整個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)實(shí)行閉環(huán)環(huán)控制，同時(shí)改改進(jìn)并適適當(dāng)加長(zhǎng)長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)井井筒，使使油水混混合液體體處于良良好流動(dòng)動(dòng)狀態(tài)，相信流流量測(cè)量量的重復(fù)復(fù)性和分分辨率會(huì)會(huì)有提高高。通常常室內(nèi)實(shí)實(shí)驗(yàn)是在在20液體溫溫度下進(jìn)進(jìn)行，而而實(shí)際油油井的井井溫在1100左右。該溫度度下水的的動(dòng)力粘粘性系數(shù)數(shù)為2.84104Nm2.s，比比20水溫時(shí)時(shí)大大下下降，因因此流體體的運(yùn)動(dòng)動(dòng)狀態(tài)會(huì)會(huì)較液溫溫20時(shí)好。相對(duì)于于井筒截截面積來(lái)來(lái)講，環(huán)環(huán)空測(cè)井井儀器的的截面積積太小，影響到到油珠的的捕捉機(jī)機(jī)會(huì)，油油珠不易易進(jìn)入傳傳感器。解決的的方法是是采用扶扶正器，同時(shí)去去掉作為為外導(dǎo)體體的金屬屬屏蔽罩罩，直