優化電容電極在油氣段塞流測量中的應用

張曉凌，王 鑫

（中國石油大學儲運與建筑工程學院儲運系，山東青島 266580）

優化電容電極在油氣段塞流測量中的應用

張曉凌，王 鑫

（中國石油大學儲運與建筑工程學院儲運系，山東青島 266580）

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，研究發現電容電極尺寸可直接影響測量精度，且目前國內尚未見以電容電極技術進行段塞流動參數的測量。為優化電容電極，采用COMSOL對電容電極尺寸進行了仿真，結果表明，厚度0.1mm，張角150°，寬20mm，加保護電極與屏蔽層的電極具有最優測量效果；利用兩組優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，得到滑脫系數：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數隨XL的變化的關聯式。

多相流；電容電極；COMSOL；互相關；液塞參數

目前現場使用伽馬射線進行油田多相計量，說明開發安全可靠的油氣段塞流液塞參數測量手段對于石油開發具有重要意義。電容法優勢在于廉價高速、無輻射，可測非導電介質。例如2012年英國曼徹斯特大學聯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]，Fluenta 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相時的速度。然而目前國內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，模擬確定了最優電極尺寸；然后本文僅采用兩組優化電容，利用互相關法實現了液塞速度、液塞長度、液塞頻率等參數的測量，測量前無須標定，這為油田現場含油段塞流的監測與參數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

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α，寬度ds，厚度b的紫銅片，保護電極為紫銅材質，與電極間隔2mm，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，用于固定電極及絕緣層，對裝置起保護作用。

1.3動態液塞參數測量裝置

實驗采用MS3110電路板及MS3110電容測量芯片實現電容測量。將參數優化后的兩組電容電極安裝在董傳帥[5]實驗系統上，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。通過調節芯片參數，使液面變化引起的電壓變化在0～5V范圍內變動，取表觀液速范圍0.1-1.0m/s，表觀氣速范圍1.0-4.0m/s進行空氣-LP14白油的段塞流參數測量。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26cm，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。互相關法的原理是，兩列信號經互相關函數計算，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。互相關函數表示為：

圖1　電極結構基本形態

圖2　互相關法電極組安裝圖

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

圖3　采集信號

2 仿真結果與對比

表1　模擬電容線性擬合（長度單位mm）

3 動態液塞參數測量

圖4（a）給出了以兩組優化電容電極為測量手段，采用互相關法測量的表觀液速VSL=0.6m/s，表觀氣速VSG=3.0m/s時油氣兩相流的液塞速度參數在采集時間內的波動情況。平均液塞速度為6.0m/s，75.4%的速度值在平均值±10%范圍內波動。圖4（b）給出了液塞速度隨混合速度的變化關系。段塞流液塞速度隨混合速度的增大而增大，兩者之間的變化呈線性關系，根據Nicklin[6]提出的計算液塞速度的關聯式，根據Froude數將混合速度分為兩個區域進行擬合，擬合結果為：

在COMSOL中選擇三維靜電靜態求解模式，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分別為4，2.4，1，1，2.55。設置凹面電極一側接地，一側終端電壓為5V。然后對整個模型進行特別細化的網格剖分。設置結束后采用穩態求解器求解，便可快速地得到管內電勢分布，通過計算派生值可得到該種結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果匯總。線性擬合斜率越大，說明電極對相對介電常數變化越敏感；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=20mm，b=0.1mm，α=150°為本實驗最優電極參數。

圖4　（a）液塞速度波動 （b）液塞速度隨混合速度變化

對所有工況下的液塞長度做概率分布圖5，可以發現所有液塞長度均分布在5D～50D范圍內，其中大部分液塞長度集中于10D～35D范圍內，總平均液塞長度為21.7D，概率密度符合對數正態分布。

圖5 液塞長度概率分布

圖6（a）給出了不同表觀氣速下液塞頻率隨液相表觀流速的變化規律，隨著液相表觀流速的增加，液塞頻率逐漸增大。氣速1.0m/s時的液塞頻率增速明顯大于其他氣速下的液塞頻率增速。同時液塞頻率的增速隨著液相表觀流速的增大而增大。

圖6　（a）液塞頻率隨表觀液速變化（b）St隨XL變化

4 結論

本文利用COMSOL對凹面電容電極尺寸進行了優化，并以兩組優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。

（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0.1mm，張角150°，寬20mm，加有保護電極與屏蔽層的電極具有最優測量效果。

（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數隨XL的變化與Fossa關聯式略有偏差，重新擬合后得到了適用于本實驗的St與XL關聯式。

[1] 李軼.多相流測量技術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，Beck M S.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構測量方法研究[D].青島：中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，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）儲運與建筑工程學院，2015.

[6] Nicklin D J，Wilkes M A，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.

Application of Optimized Capacitance Sensor in Oil-Gas Slug Flow Measurement

zhang Xiao-Ling，WangXin

Multiphase fl owmeter based on capacitance measuring speed and phase volume fraction has been put into use in oil fi eld. The research has showed that the accuracy of measurement can be directly affected by Capacitance electrode size and slug parameter measured by capacitor electrode has not been found inland.The performance of electrode size of capacitance sensor was simulated by COMSOL to optimize the sensors，it shows that capacitance sensor of thickness 0.1mm，angle 150 °，wide 20mm with guard electrode and shielding layer is best；slug velocity，slug length and slug frequency were measured by two sets of optimized capacitance sensor by cross-correlation method.It shows that when Fr≤3.5，C0=0.83 and C0=1.28 if Fr≥3.5，average slug length is 21.7D and St-XL correlation is fi tted.

multiphase fl ow；capacitance sensor；COMSOL；mutual correlation；slug parameter

TE83

A

1003-6490（2016）01-0097-03

2016-01-10

國家自然科學基金（No.51376197）資助。

張曉凌，中國石油大學（華東）在讀碩士研究生，研究方向為多相管流與集輸，傳熱的研究。