【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水平气液两相流流体测量领域，尤其是一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量装置及方法。
技术介绍
1、页岩气是蕴藏于页岩层中的非常规天然气，成分以甲烷为主。页岩气开采开发多采用水力压裂技术，通过向地层中注入压裂液，使底层碎裂，释放出岩层中的天然气资源。但受到井下地层水和压裂液返排等影响，使得井筒内流体多呈现为气液两相流，即页岩气和水的混合流体。这种流体的流动特性复杂多变，对于页岩气的生产、输送、处理等环节都有重要的影响。
2、在气液两相流中，相含率是描述气液两相流流动状态的重要参数，对于气液两相流的流量计量、流型识别、压降计算、流动模型建立等方面都有重要的作用。在气液两相流相含率测量方法中，近红外吸收的测量方法，具有不受流体颜色影响、不易受电磁干扰和测量精度高等优势。目前，采用近红外吸收技术对页岩气液两相流相含率测量的装置中，研究对象都是空气和水，而页岩气液两相流中的气液两相为页岩气和水，准确测量页岩气的具体含量对实际生产具有重要意义。但是相含率仅仅反映了气液体积占比，无法反映页岩气的具体含量，因此还需要对页岩气的浓度进行测量。因此为满足页岩气实际生产的需要，需要一种页岩气的参数测量装置。
技术实现思路
1、本专利技术需要解决的技术问题是提供一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量装置及方法。以解决现有的测量装置及方法对页岩气液两相流研究对象不够准确、页岩气具体含量无法测得的问题，能够实现页岩气液两相流多参数的准确实时测量。
2、为解决上述技术
3、本专利技术技术方案的进一步改进在于：气液流动方管段是一个截面为正方形的方直管，可以使所述近红外发射传感器和所述近红外接收传感器更好的固定在管壁；气液流动方管段的气液两相为甲烷和水；气液流动方管段材质为石英玻璃，具有很好的透明性和耐腐蚀性。
4、本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述两组阵列近红外发射传感器，980nm近红外发射传感器，数量为m个，均匀排列设置在气液流动方管段的上表面，1650nm近红外发射传感器，数量为n个，均匀排列设置在气液流动方管段的前表面；两组传感器位于一个截面，成“+”字型均匀排列；所述两组阵列近红外接收传感器，一组数量为m个，均匀排列设置在气液流动方管段的下表面，一组数量为n个，均匀排列设置在气液流动方管段的后表面，阵列近红外发射传感器和阵列近红外接收传感器的阵列排布方式都垂直于流体流向。
5、本专利技术技术方案的进一步改进在于：阵列近红外发射传感器包括激光二极管和准直系统，激光二极管用于发射特定波长的红外激光，准直系统选用平凸透镜用于将光线进行准直处理；阵列近红外接收传感器包括聚光系统和光探测器，聚光系统选用反光镜对穿过流体后的近红外光进行汇聚后，光探测器再对光线进行捕获。
6、一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量方法，步骤如下：
7、步骤1：通过控制气液吸收管道两端进水进气口和排水排气口通入甲烷和水，使管内气水分层，呈现层状流或波状流的流型，设置阵列近红外发射传感器发出的光功率不变，改变管道内的气液占比以及压强，获取多路电压同步采集模块传输的电压信号，以及当前工况下的压力计显示的压力值p和温度计显示的温度值t；
8、步骤2：对收集到的电压信号进行去噪处理，然后计算一段时间电压信号的平均值，并对其进行归一化得到最终的电压值；
9、步骤3：计算流体吸光度；
10、步骤4：计算液相含率和气相含率；
11、步骤5：计算气体浓度和液面高度；
12、步骤6：计算这段时间流体流动波形。
13、本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤3具体为：流体的吸光度为：
14、
15、式中，a水为此时水相的吸光度，a气为气相的吸光度，a管为空管时的吸光度，a总为流体存在时的吸光度，i空为空管时的接收光强，i0空为空管时的发射光强，i总为流体存在时的接收光强，i0总为流体存在时的发射光强，且i0空＝i0总；ε1、ε2分别为甲烷和水的摩尔吸光系数，d1、d2分别为光在水相和气相中的光程，即水相和气相厚度，c1、c2分别为水和气的物质的量浓度；由此可以看出近红外接收传感器接收到的光强与气相液相占比和气体浓度有关，根据朗伯比尔定律和吸光度线性叠加定律，分别得到液相含率θ液和气体浓度c与电压u之间的关系模型：
16、θ液＝k1lnu+x1
17、c＝k2lnu+x2
18、本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤4具体为：通过980nm近红外发射传感器对应的电压值，并根据朗伯比尔定律和吸光度线性叠加定律，获取液相含率θ1、θ2、θ3、…、θm，对其求平均值得到最终的液相含率θ液＝(θ1+θ2+θ3+...+θm)/m，气相含率为θ气＝1-θ液。
19、本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤5具体步骤为：根据水对1650nm波长的近红外光的吸收特性，则1650nm近红外发射传感器发射的光线路径经过水层时，得到的电压值为0，由于水相位于管内下层，因此，根据阵列的排列方式，按照从上往下的顺序查看电压值，则位于气相的上面t个电压值不为0，位于水相的下面n-t个电压值为0，记录t个不为0的电压值，以及最后一个电压值不为0和第一个电压值为0的传感器距离管道底部的高度h1和h2；基于t个不为0的电压值，通过采用朗伯比尔定律和吸光度线性叠加定律，获取t个气体浓度c1、c2、c3、…、ct，对其求平均值得到最终的气体浓度c＝(c1+c2+c3+...+ct)/t，并且此时液面高度在h1和h2之间，液面高度为h＝(h1+h2)/2。
20、本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤6具体为：根据一段之间内得到的液面高度，采用线性插值的方法，得到这段时间内的流体流动波形。
21、由于采用了上述技术方案，本专利技术取得的技术进步是：该装置结构简单、安装方便、测量稳定性高并且体积较小，有较好的便携性，此外该测量方法很好地利用了页岩气液两相对不同近红外光的吸收特性。相较于传统的气液两相流来说，该测量装置不仅能够测出相含率参数，更能够测量出管内气体浓度本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量装置，包括流体存在于其中的气液流动方管段，气液流动方管段一侧为排气排水口，用于排出流体；另一侧为进水进气口，用于引入流体；管道上方安装压强计、温度计，其特征在于：气液流动方管段的外侧表面上设置有两组阵列近红外发射传感器和两组阵列近红外接收传感器，其中阵列近红外发射传感器一组为980nm，一组为1650nm，阵列近红外发射传感器和阵列近红外接收传感器安装位置关于气液流动方管段中心对称；阵列近红外接收传感器上连接设置有数据采集系统，数据采集系统上连接设置有数据处理系统，数据采集系统包括放大器模块和多路电压同步采集模块，放大器模块将接收到的信号进行放大处理后，再由多路电压同步采集模块对接收到的信号进行采集发送至数据处理系统，数据处理系统对得到的数据进行处理后计算相关参数。
2.根据权利要求1所述的一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量装置，其特征在于：气液流动方管段是一个截面为正方形的方直管，可以使所述近红外发射传感器和所述近红外接收传感器更好的固定在管壁；气液流动方管段的气液两相为甲烷和水；气液流动方管段材质为石英玻璃，具有很
3.根据权利要求1所述的一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量装置，其特征在于：所述两组阵列近红外发射传感器，980nm近红外发射传感器，数量为m个，均匀排列设置在气液流动方管段的上表面，1650nm近红外发射传感器，数量为n个，均匀排列设置在气液流动方管段的前表面；两组传感器位于一个截面，成“+”字型均匀排列；所述两组阵列近红外接收传感器，一组数量为m个，均匀排列设置在气液流动方管段的下表面，一组数量为n个，均匀排列设置在气液流动方管段的后表面，阵列近红外发射传感器和阵列近红外接收传感器的阵列排布方式都垂直于流体流向。
4.根据权利要求3所述的一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量装置，其特征在于：阵列近红外发射传感器包括激光二极管和准直系统，激光二极管用于发射特定波长的红外激光，准直系统选用平凸透镜用于将光线进行准直处理；阵列近红外接收传感器包括聚光系统和光探测器，聚光系统选用反光镜对穿过流体后的近红外光进行汇聚后，光探测器再对光线进行捕获。
5.一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量方法，应用于如权利要求1-4任一权利要求所述的测量系统中，其特征在于：步骤如下：
6.根据权利要求5所述的一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量方法，其特征在于：步骤3具体为：流体的吸光度为：
7.根据权利要求6所述的一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量方法，其特征在于：步骤4具体为：通过980nm近红外发射传感器对应的电压值，并根据朗伯比尔定律和吸光度线性叠加定律，获取液相含率θ1、θ2、θ3、…、θm，对其求平均值得到最终的液相含率θ液＝(θ1+θ2+θ3+...+θm)/m，气相含率为θ气＝1-θ液。
8.根据权利要求7所述的一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量方法，其特征在于：步骤5具体步骤为：根据水对1650nm波长的近红外光的吸收特性，则1650nm近红外发射传感器发射的光线路径经过水层时，得到的电压值为0，由于水相位于管内下层，因此，根据阵列的排列方式，按照从上往下的顺序查看电压值，则位于气相的上面t个电压值不为0，位于水相的下面n-t个电压值为0，记录t个不为0的电压值，以及最后一个电压值不为0和第一个电压值为0的传感器距离管道底部的高度h1和h2；基于t个不为0的电压值，通过采用朗伯比尔定律和吸光度线性叠加定律，获取t个气体浓度C1、C2、C3、…、Ct，对其求平均值得到最终的气体浓度C＝(C1+C2+C3+...+Ct)/t，并且此时液面高度在h1和h2之间，液面高度为h＝(h1+h2)/2。
9.根据权利要求8所述的一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量方法，其特征在于：步骤6具体为：根据一段之间内得到的液面高度，采用线性插值的方法，得到这段时间内的流体流动波形。
...【技术特征摘要】
1.一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量装置，包括流体存在于其中的气液流动方管段，气液流动方管段一侧为排气排水口，用于排出流体；另一侧为进水进气口，用于引入流体；管道上方安装压强计、温度计，其特征在于：气液流动方管段的外侧表面上设置有两组阵列近红外发射传感器和两组阵列近红外接收传感器，其中阵列近红外发射传感器一组为980nm，一组为1650nm，阵列近红外发射传感器和阵列近红外接收传感器安装位置关于气液流动方管段中心对称；阵列近红外接收传感器上连接设置有数据采集系统，数据采集系统上连接设置有数据处理系统，数据采集系统包括放大器模块和多路电压同步采集模块，放大器模块将接收到的信号进行放大处理后，再由多路电压同步采集模块对接收到的信号进行采集发送至数据处理系统，数据处理系统对得到的数据进行处理后计算相关参数。
2.根据权利要求1所述的一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量装置，其特征在于：气液流动方管段是一个截面为正方形的方直管，可以使所述近红外发射传感器和所述近红外接收传感器更好的固定在管壁；气液流动方管段的气液两相为甲烷和水；气液流动方管段材质为石英玻璃，具有很好的透明性和耐腐蚀性。
3.根据权利要求1所述的一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量装置，其特征在于：所述两组阵列近红外发射传感器，980nm近红外发射传感器，数量为m个，均匀排列设置在气液流动方管段的上表面，1650nm近红外发射传感器，数量为n个，均匀排列设置在气液流动方管段的前表面；两组传感器位于一个截面，成“+”字型均匀排列；所述两组阵列近红外接收传感器，一组数量为m个，均匀排列设置在气液流动方管段的下表面，一组数量为n个，均匀排列设置在气液流动方管段的后表面，阵列近红外发射传感器和阵列近红外接收传感器的阵列排布方式都垂直于流体流向。
4.根据权利要求3所述的一种含气页岩水平气液两相分层流多参数测量装置，其特征在于：阵列近红外发射传感器包括激光二极管和准直系统，激光二极管用于发...
【专利技术属性】
技术研发人员：孔维航，赵茜婷，李贺，李绍华，王洪海，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：
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