化工传递过程大作业

1、化工传递过程大作业 题目：垂直井内多相流测量方法与模型研究学生姓名梁国建学号201521000567教学院系化学化工学院指导老师李爱蓉、文婕单位 西南石油大学 学生电成日期 2016年6月30日垂直井内多相流测量方法与模型研究姓名：梁国建 学号：201521000567 班级：化工15硕2班摘 要在原油开采的过程中，垂直井内油水气三相流流动的现象是普遍存在的。多相流动相对于单相的液体流动具有其特殊性，深入研究其流动规律和原油含水率的测量方法对油田生产与开发具有重要的指导意义。本课题利用大庆石油学院三相流模拟井装置以及同轴线相位法找水仪，采用人工配比的方式，对垂直井内具

2、有油水气三相流动特性的原油进行含水率仪器响应的数据采集，并对采集的数据进行深入的研究，最终建立了垂直井多相流原油含水率的预测模型。 关键字：垂直井；多相流；原油含水率 第1章 绪论1.1课题的背景与意义多相流动的现象广泛存在于自然界和现代工业的生产过程中，随着科学技术的迅速发展，多相流动体系与人类生活和生产之间的关系日益密切。煤粉输送、原油开采、浆料输送、污水排放、粉尘测量等生产过程测试均属于多相流体的测量问题。而由于多相流体动力学特性极其复杂，因此多相流的测量迄今为止在国际上都未得到满意的解决方法，被称为“难测流体”，多相流的测量也因此成为国内外科技工作者争相探索的热点课题。 同时，多相流是

3、石油化工行业中十分普遍的现象，在油田开采过程中的油水气三相混输就是一种非常典型的多相流动现象。原油的主要成分是油水气等物质，油相物质是指油井产出液中的液烃相，气相物质是指天然气、轻烃、非轻烃气体，水相物质则是指矿化水，同时含有少量的固相物质（砂、腊、水合物等）。在原油开采过程中，为了确定各油井内的原油以及天然气的产量，了解地层原油和天然气含量以及地层结构的变化，需要对油井产出液中各组分的质量流量或体积流量进行连续性的测量，并提供实时的测量数据，这就要求进行准确可在线的多相流测量。随着我国石油工业领域中陆上大量油田进入高含水开采阶段，对油井内油水气三相流准确测量的研究提出了更高的要求。我们需要一

4、种测量工艺简单、能够连续测量、测量范围宽、抗干扰能力强并且能够实时反应油井生产动态情况的测量装置，用来在线测量输送管线中原油、天然气的产量，确定油井的原油和天然气的日产量，进而观测井底储油地层构造的变化。 近几十年来，国内外科技工作者在解决油田中多相流测量问题上开展了大量的理论与实验研究工作，已经取得了不少有效的成果，同时也研发出了一些多相流计量产品，并在一定范围内得到了应用，但是多相流的计量仍存在许多问题。近年来，虽然我国对多相流测量的研究给予了高度重视，多相流测试技术的研究取得了显著的进展，但在石油行业多相流测量的发展水平还远未满足石油工业应用的要求。 本课题就是在此实际需求下，对垂直井内

5、油气水多相流测量方法与其测量模型的建立进行的研究，具有重要的理论和应用意义。1.2 多相流概述 1.2.1 多相流概念和分类 在自然界中，物体的形态是多种多样的，最常见的有固态，液态和气态，处于固态的物体称为固体，处于液态的物体称为液体，处于气态的物体称为气体。相的概念通常是指某一系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质部分，各相之间有明显可分的界面。因此，各部分均匀的固体、液体、气体分别称为固相物体、液相物体和气相物体，或统称为单相物体。从宏观观点出发，可以把自然界的物质分成三种相，即气相、液相和固相。多相流是指同时存在两种或多种不同相的物质的流动。 一个多相流动体系，通常是两种连续

6、介质或一种连续介质和若干种不连续介质组成的。连续介质通常称为连续相，不连续介质如固体颗粒、液滴、水泡等称为分散相。根据流动介质的连续与否，可把多相流动分为两类问题，第一类是连续相中含有分散相的均匀或不均匀的混合物的流动，普通多相流就是指这类流动；第二类是相间交界面相互作用起着重要作用的流动，此时两相介质是均匀的，但必须考虑相界面的力学关系。 自然界和工业过程中广泛存在的多相流主要有以下几种1-3： （1）液液两相流：两种互不相溶的液体混合在一起的流动称为液液两相流。 （2）气液两相流：气体和液体混合在一起共同流动称为气液两相流。 （3）气固两相流：气体和固体颗粒混合在一起共同流动称为气固两相流

7、。 （4）液固两相流：液体和固体颗粒混合在一起共同流动称为液固两相流 （5）两相以上的多相流：石油和能源动力工程中的油-水-气、油-气-砂和油-水-砂等三相流以及油-水-气-砂四相流都是多相流的典型实例。1.2.2 多相流主要参数多相流动中，由于各相间存在相互作用，则有一个形状和分布在时间域和空间域内均是随机可变的相界面，而各相间实际上又存在滑差速度，致使流经管道的分相流量比与分相所占的管截面比并不相等。因此，在多相流中也增加了一些在单相流中不存在的参数。针对多相流动的特点，本课题以油水气三相流为例来详细介绍多相流中的各个主要参数4,5。1流量 （1）质量流量 质量流量是指单位时间内流过管道截

8、面的流体质量流量。油水气三相流的总质量流量是油水气各相的质量流量之和，即 M =MO+MG+MW (1.1)式中：M为三相流总质量流量，MO为油相质量流量，MG为气相质量流量，MW为水相质量流量。（2）体积流量 体积流量是指单位时间内通过管道截面的流体体积。油水气三相流的总体积流量包括油水气各相体积流量之和，即 Q =QO+QG+QW (1.2)式中：Q 为三相流总体积流量，QO为油相体积流量，QG为气相体积流量，QW为水相体积流量。2流型 流型又被称作流态，即流体流动的形式或结构。由于各相之间存在随机可变的相界面，导致多相流动形式多种多样，十分复杂。流型不但影响多相流动特性和传质、传热性能，

9、而且还影响到多相流各种参数的准确测量。尽管科研工作者对流型进行了长时间的探索研究，但流型的定义及分类却尚未统一。Orkiszewski将Griffith和Wallis的方法进行改进，提出四种流动形态，即：泡流、段塞流、过渡流及环雾流。如图1.1所示4。Beggs和Brill提出水平管内气液两相的流动形态，即：泡状流、团状（弹状）流、分层流、波状流、段塞流、环状流、雾状流。为了便于分析与计算，将七种流型根据气液分布状况和流动特性，进而并归为三大类：分离流、间歇流16和分散流。如图1.2所示。3速度 （1）真实平均速度 某相的真实平均速度为该相体积流量与该相流通截面积之比，即 (i=1,2,3)

10、（1.3）液相的真实平均速度为液相体积流量与液相流通截面积之比，即 (i=1,2,3) （1.4）式中：UL为液相的真实平均速度，QL为液相的体积流量，AL为液相的流通截面积。（2）折算速度 折算速度是多相流中常常用到的一种速度。某相的折算速度为该相体积流量与管道截面积之比，即： (i=1,2,3) （1.5）式中：Usi为第i相的折算速度，Qi为第i相体积流量，A为管道截面积。（3）三相混合物速度 三相混合物速度为三相总体积流量与管道截面积之比，又被称为流量速度，其表达式为： (1.6)式中：UM为三相混合物速度，QO为油相体积流量，QG为气相体积流量，QW为水相体积流量，A为管道截面积。

11、4滑动比和滑差 第 i 相的真实平均速度与第 j 相的真实平均速度之比称为这两相之间的滑动比，即： （i,j=1,2,3,ij）(1.7)式中：Sij为第 i 相与第 j 相之间的滑动比，Ui为第 i 相的真实平均速度，Uj为第 j 相的真实平均速度。第 i 相的真实平均速度与第 j 相的真实平均速度之差被称为滑差，即：Uij=Ui-Uj （i,j=1,2,3,ij）(1.8)式中：Uij为第 i 相与第 j 相之间的滑差。5分相含率 把在单位时间内通过管道某一截面的水流相体积与全部流体体积的比称为含水率，即： (1.9)式中：Kw为含水率。在一定长度的管道内水流相所占体积和该管段体积的比称为

12、持水率，即： (1.10)式中：Yw为持水率，Vw为一定长度管道内水流相所占体积，V 为该管段体积。油水气三相流体中水相质量流量所占三相质量流量的份额称为质量流量含水率，即： (1.11)式中：w为质量流量含水率。6压力降 压力和压力降是两相/多相流动中的最基本的参数之一。两相/多相流动产生的压力降与两相/多相流系统其它参数有密切的关系，两相/多相流工艺优化设计和相关参数的测量可以以压力和压力降的计算与测量作为参照依据。 另外，温度、传质系数、传热系数、临界热通量、分散在两相/多相流中的气泡、液滴、颗粒尺寸及分布等也都是描述两相/多相流动的一些特征参数。1.3 多相流测量方法的研究现状与分析

13、多相流流动参数的检测是一个难度大、国内外都亟待研究和探索的领域，其发展趋势和研究方向可总结归纳为以下几个方面：将成熟的单相流检测技术应用于多相流的参数测量；对目前已有相当基础的测试技术的应用进行完善与推广；应用新型的信号处理技术和方法进行多相流参数的测量、分析和监视；进一步发展在多相流动过程中参数测量系统的建模及特征参数的选取，同时对时变性的自适应功能和动态跟踪功能等的基础理论进行研究与拓展；借助各种发展的新技术，进一步研制灵敏度高、准确度高和可靠性高的多相流传感器和参数检测仪表。第二章 垂直井内多相流测试实验与数据处理研究2.1 油水气三相流模拟井装置 本课题采用的实验装置为大庆三相流模拟井

14、实验装置。该装置不仅是流量计量标定装置，可以进行单相和多相流量、含水率等计量仪器的标定校验；还是三相流研究试验装置，可以模拟油水气三相流的流型流态、流量及三者的配比量，开展油水气三相流一些前沿性和基础性的实验；同时又可以进行三相流流动特性的研究，开展三相流测试技术研究及相关仪器的研制、开发和试验工作。2.1.1 油水气三相流模拟井装置的工作原理 该装置采用先分相计量, 再混合成三相流混合物供三相流计量的方法设计。这种方法的优点是能准确计量各单相流量和含水率并有效控制三相流的混合比例。实验后的三相流混合物经气液分离器和油水分离器后，气体放空排出室外；水、油回收到油水分离罐内进行分离后送入油箱和水

15、箱，经泵再送入试验管道进行试验, 循环重复使用。装置的原理图如图2.1所示。图2.1 三相流模拟井装置原理图 2.1.2 油水气三相流模拟井装置的组成 油水气三相流模拟井装置由三个系统组成：模拟井筒系统、油水气三相介质系统、计量检测及控制系统。 模拟井筒系统由室内外两个垂直模拟井和室外四个水平模拟井组成。本课题中主要涉及到的是垂直井的实验部分。实验装置中的垂直模拟井是由两根透明有机玻璃管构成的，井筒高约 8m 其内径为 125.0mm，分别安装在实验室内部和实验室外。实验室内的模拟井和实验室外的模拟井筒如图 2.2、2.3 所示。 油水气三相介质系统为整套实验装置提供所需的介质和稳定的压力。由

16、油泵、水泵、空气压缩机、油罐、水罐、油水分离罐、过滤器等组成。 计量检测及控制系统由三相流动态均匀混合装置，数据采集系统组成。其中三相流动态均匀混合装置如图 2.4 所示。装置中的各个通道分别用于调节油水气的比例。2.2 数据采集方法与特点分析 2.2.1 数据采集方案 本课题采用大庆三相流模拟井实验装置进行实验，采用自来水模拟地层水、工业白油模拟原油和空气模拟油井的产出气体。实验采用人工配比的方法制取标定含水率的被测油样，使用三相流模拟井实验装置模拟实际油井，经过动态油水气混和装置搅拌形成油水气混和液，反复对不同含水率的混和液测量便得到对应同轴线相位法找水仪的频率响应系列值。 仪器使用三芯电

17、缆与地面面板配接进行信号预处理，然后再把处理后的信号送至计算机数据采集系统，完成数据的采集和出图工作。 2.2.2 基于同轴相位法找水仪的油水气三相流数据采集 在油水气三相流模拟井装置上使用同轴线相位法找水仪进行油水气三相流的含水率及流量的数据测量。实验分为两部分，第一部分：在常温常压下，使用采用普通集流伞的同轴线相位法找水仪进行实验。通过调节三相流动态均匀混合装置流量阀门，使油水气三相流中的气量为 1.0m3/h 保持不变，油水气三相流的总流量分别处于 10m3/h、20m3/h、30m3/h、40m3/h、50m3/h、60m3/h，然后在每一个流量情况下，调节三相流动态均匀混合装置油水气

18、各个通道的阀门人工配比使三相流中的含水率分别为 0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。针对不同的油水气配比，使用数据采集系统对数据进行采集。第二部分：在常温常压下，采用同一个同轴线相位法找水仪，并将其集流伞由普通集流伞换成溢气型集流伞，其余步骤和第一部分实验所用方法一致。在这两部分的实验过程中都需要观察计算机数据采集软件界面上的数据显示曲线，当数据曲线变化稳定后，取十分钟内采集的数据作为一组数据。数据采集系统采集数据的频率为每秒采集两个数据，则每组数据含有 1200 个数据点。由此我们可以得到普通集流伞和溢气型集流伞情况下各 66 组含水率频率

19、响应和流量值。以普通集流伞情况下的的总数据为例作图，如图 2.15 所示。2.2.3 基于同轴线相位法找水仪的水气两相流数据采集 在油水气三相流模拟井装置上使用同轴线相位法找水仪进行实验，自来水模拟油井的产出液体，空气模拟油井的产出气体。实验分为两部分，第一部分：使用采用普通集流伞的同轴线相位法找水仪进行实验。在常温常压下，通过调节三相流动态均匀混合装置流量阀门调节水量分别处于 5m3/d、10m3/d、15m3/d、20m3/d、30m3/d、40m3/d 情况下，然后在每一个流量情况下调节气量分别为 0m3/d、0.6m3/d、0.8m3/d、1.0m3/d、1.2m3/d、1.5m3/d

20、 进行实验。第二部分：采用同一个同轴线相位法找水仪，并将其集流器由普通集流伞换成溢气型集流伞，在油水气三相流模拟井装置中进行气体影响实验。同样，以自来水模拟油井的产出液体，空气模拟油井的产出气体。在常温常压下，通过调节三相流动态均匀混合装置流量阀门调节水量分别处于5m3/d、10m3/d 和 15m3/d、20m3/d、30m3/d、40m3/d 情况下，然后在每一个流量情况下调节气量分别为 0m3/d、6m3/d、0.8m3/d、1.0m3/d、1.2m3/d、1.5m3/d 进行实验。在以上的两个步骤中都需要针对不同的水气配比，使用数据采集系统对数据进行采集。实验过程中观察计算机数据采集软

21、件界面上的数据显示曲线，当数据曲线变化稳定后，取十分钟内采集的数据作为一组数据。数据采集的频率为每秒采集两个数据，则每组数据含有 1200 个数据点。由此我们可以得到普通集流伞和溢气型集流伞情况下各 36 组含水率频率响应和流量值。 所得实验数据及具体的数据分析将在第五章详细介绍。2.2.4 数据特点分析 从以上的现场实验设计中可以看出，本课题是在实验中采集的大量的数据基础上进行多相流测量模型的建立。因此数据的准确性非常重要，在此需对所得数据特点进行分析，为第三章中数据的处理奠定基础。由于采用相同的实验装置及仪器进行实验，所得实验数据特点具有相似性，所以本节中选取其中一组数据为例进行分析。图

22、2.16为含水率为 10%，流量为 20 方的情况下数据采集系统采集到数据并以 txt 格式保存的一部数据截图。前四项在采集软件中代表的值为水平井实验的数据，由于本课题只研究垂直井的情况，没有进行水平井实验，所以前四项的值为零；第五项为仪器的含水率频率响应值；第六项为流量值；第七项为实验时间。图 2.17 为这一组数据的曲线图。图 2.18 为这一组数据分布条形图。 从图 2.16 可以看出，原始的仪器响应信号含有大量的高频噪声，需要对数据进行去噪处理。同时数据具有连续性，时序性及非线性。 从图 2.18 中可以看出 10%含水率流量 20 方的情况下仪器的响应值主要分布在1700Hz2000

23、Hz 之间，数据的稳定性和重复性还是比较好的。2.3 本章小结 本章主要介绍了多相流含水率测量的实验装置大庆油气水三相流模拟井装置，以及实验中使用的仪器同轴相位法找水仪，并详细介绍了了仪器的组成部分及各部分的测量原理。通过分析垂直井内油水气三相流的流动特点制定了本课题中要采用的实验方案并进行了相应的数据采集，并对采集的数据进行特点分析，为后期选择数据处理与建模方法打下了基础。第三章 总结与展望3.1 研究工作总结 本文通过对多相流体力学的基本理论的学习，对多相流测量及其建模方面有了基本的了解。使用同轴线相位法找水仪在大庆油气水三相流模拟井装置上进行实验并采集数据，使用小波去噪的方法对所得的实验

24、数据进行去噪处理。并使用去噪后重构的实验数据建立了基于 BP 神经网络和小波神经网络的原油含水率的预测模型。并从测井的实际角度出发，分析气体对油水气三相流测量结果的影响，提出溢气型集流伞的应用，并建立了相应的基于小波神经网络的气液分离后的含水率预测模型。为在油田生产中，如何准确的获取多相流含水率数据，以便采取有效措施提高原油采收率，降低开采成本，提供了必要依据，完善了连续测量原油的含水率，提高测量准确度的要求。主要完成的工作和取的主要研究成果如下： （1）设计合理的实验方案进行数据采集。结合油田的实际情况选用大庆油水气三相流模拟井装置作为实验基础，采用同轴线相位法含水率计作为实验仪器。制定了在

25、垂直井的情况下的两种实验方案：一种是气体流量一定的条件下仪器的含水率、流量响应之间不断变化的实验方案；一种是考虑到三相流中气体对测量结果的影响，选用水气两相流作为实验流体，水气总流量和气量之间不断变化得实验方案。 （2）有效地处理数据。针对实验测得的流量传感器和含水率传感器信号受干扰情况，为保证测量的准确性，确定了对实验所得数据的去噪方案。在 Matlab 中的去噪结果表明本文选择的去噪方法有效地解决了信号的噪声问题，为建立含水率预测模型奠定了良好的数据基础。 （3）提出基于神经网络的原油含水率预测模型。由于油水气三相流在油井中的流型流态十分复杂，并且影响测量结果的因素非常多，本文选用了神经网

26、络建立原油的含水率预测模型。由于传统的神经网络具有一定的局限性，采用了小波神经网络进行预测模型的建立，并与传统的 BP 神经网络进行对比研究。在 Matlab 中的仿真结果表明，小波神经网络的原油含水率预测模型预测精度更高。 （4）提出了对含水率进行分段预测，分别建立了基于 BP 网络和小波网络的原油含水率分段预测模型。预测结果表明小波神经网络的分段含水率预测模型优于BP 神经网络建立的分段含水率预测模型，并且从预测结果分析出同轴线相位法找水仪适用于中、高含水率段的测量。 （5）建立基于小波神经网络的气液分离状态下的原油含水率预测模型。由于课题中使用的测量传感器只适用于测量油水两相流，因此气体

27、的存在必然对油井流量和含水率的测量造成很大影响。本课题通过使用采用溢气型集流器的同轴线相位法找水仪进行实验并采集数据。并对比分析溢气状态下与非溢气状态下所得实验数据，得出使用采用溢气型集流器的同轴线相位法找水仪采集得到的数据在准确性上得到了很大的提高。最后分别建立了基于小波神经网络的气液分离状态下的整体型和分段型含水率的预测模型。3.2 展望 课题的研究对我国油田中的垂直井内原油含水率的预测具有重要指导意义，为进一步探索多相流含水率模型提供了科学依据和参考，对原油开采具有重大的实际价值。通过研究认为有以下方面还需深入研究和进一步探讨： （1）本课题利用了自来水、工业白油和空气的介电特性分别去模拟地下水、原油和天然气的介电特性。所选取的原料虽然比较接近原油的成分，但是现场油井中多相流的成分和流型流态更加复杂多变，还需要进一步把实验研究成果转向工程实际应用，将理论上可行的算法变为实际可利用