水平油水两相流持水率电容传感器相移检测方法研究

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1、国家自然科学基金青年项目（资助号：41504104）国家自然科学基金重大科研仪器项目（资助号：51527805）国家自然科学基金面上项目（资助号：11572220)水平油水两相流持水率电容传感器相移检测方法研究Phase-shiftDetectionforCapacitanceSensorMeasuringWaterHoldupinHorizontalOil-WaterTwo-phaseFlow学科专业：控制科学与工程学生姓名：王红梅指导教师：金宁德教授翟路生讲师天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十一月W.*~~IUWWgm~~.~~~Y*W4~W~~~WW~~

2、Y**~~8ytjl}V~$±~4~·#~~m.~~~~~~:$It~4L~·*WUW'*WUWW~§;~~ib¥i~~$±'ijlii"¥tt.¥:m~7J}~W~Wjf~~tjl}:t~~4~~8~~~M~W~WUW*~~~W~I~-~~o~~W~~~M~·.mL~*¥~~WIW~L3J~L~**~4~W~*ii"¥tt.¥o~~~4~W~~~'m~¥~~~:$Itif¥ii"¥fflffil~/PJf¥.~V.f4I¥1~.~.~W4~1~r~fW~.fu~·~~.'~.~*¥'.o~m~~.~~.~'#~.~~~.ma~~.~~#~~W4~~~~W~U.¥~.~

3、~••·(~~~~*~IDg~~~4~W~W~~):~~~~'~>f?:fMEi=~""(-47~1ff-..e,~E摘要水平油水两相流广泛存在于石油开采过程中，其持水率动态监测对优化油田开采方案、提高原油采收率有重要意义。然而，水平油水两相流流动结构复杂多变，其持水率测量存在极大困难。本文设计了一种基于四电极对壁电容传感器的新型循环激励相移检测系统，用于测量水平油水两相流的持水率。首先，基于油水的层状分布建立电容传感器等效阻抗网络模型，模拟了不同持水率条件下相移检测系统的输出响应特性，研究了水相电导率对相移检测系统输出响应的影响，从而实现电容传感器的几何结构、测量系统

4、电路参数的优化设计。开展了水平油水两相流动态实验，获得不同流型下相移检测系统的输出响应。结果表明，在ST、ST&W、ST&MI流型下，上下电极的归一化输出相移量对持水率的变化分辨率较高，在一定程度上受到流体流动结构的影响；在DW/O&DO/W和DO/W&W下，上下电极的归一化输出相移量对持水率的变化分辨率较低，这是因为两种流型中管道上层出现水膜，增强了漏电流效应，导致传感器失去分辨率；左右电极的归一化输出相移量仅在低持水率有较高的分辨率，当左右电极间出现导电水相，漏电流及阻抗网络阻性锐减导致传感器相移量不再随持水率变化；左上电极的相移测量特性与上下电极类似；左下电极受水

5、相电导特性影响显著，其相移响应也表现出较低的测量分辨率低。最后，利用基于庞加莱截面的多尺度分布熵分析了相移检测系统的响应信号，提取了不同流型下的高时间尺度分布熵值，发现高时间尺度分布熵可有效表征水平油水两相流流体结构演化过程。关键词：水平油水两相流，电容传感器，相移响应，相持率，多尺度分布熵IABSTRACTTheoil-watertwo-phaseflowwidelyexistsinthepetroleumexplorationofhorizontalwells.Thedynamicmonitoringofwaterholdupisofgreatsignificanc

6、einoptimizingtheoilexplorationschemeandenhancingtheoilrecovery.However,flowstructureofthehorizontaltwo-phaseflowiscomplexandchangeable,whichbringsgreatchallengestothewaterholdupmeasurement.Inthepaper,wedesignanewfluidphase-shiftdetectionsystembasedonafour-electrodeconcavecapacitancesenso

7、rtomeasurethewaterholdupofthehorizontaloil-watertwo-phaseflow.First,forstratifiedoil-watertwo-phaseflow,wesetupanequivalentimpedancenetworkmodelofthecapacitancesensor,aimingatpredictingthemeasurementcharacteristicsofthecapacitancephaseshiftsensorunderdifferentwaterholdup.