优化电容电极在油气段塞流测量中的应用研究

张晓凌 王鑫

摘 要：基于电容法测量相含率、速度的多相流量计已在油田投入使用，研究发现电容电极尺寸可直接影响测量精度，且目前国内尚未见以电容电极技术进行段塞流动参数的测量。为优化电容电极，采用COMSOL对电容电极尺寸进行了仿真，结果表明，厚度0.1 mm，张角150°，宽20 mm，加保护电极与屏蔽层的电极具有最优测量效果；利用两组优化的电容组以互相关法获得了液塞速度、液塞长度、液塞频率参数，得到滑脱系数：当Fr≤3.5时，C0=0.83，当Fr≥3.5时，C0=1.28，平均液塞长度为21.7D，同时拟合了Strouhal数随XL的变化的关联式。

关 键 词：多相流；电容电极；COMSOL；互相关；液塞参数

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1878-04

Abstract： Multiphase flowmeter based on capacitance measuring speed and phase volume fraction has been put into use in oil fields. The research has showed that the accuracy of measurement can be directly affected by capacitance electrode size， and application of capacitor electrode in slug parameter measurement has not been found in China. The performance of capacitance sensor with different electrode sizes was simulated by COMSOL to optimize the sensor. The results show that， when thickness is 0.1 mm， angle is 150°， wide is 20 mm， the sensor with guard electrode and shielding layer is the best. Slug velocity， slug length and slug frequency were measured by two sets of optimized capacitance sensor by cross-correlation method. The results show that when Fr≤3.5， C0=0.83；when Fr≥3.5，C0=1.28；averageslug length is 21.7D and St-XL correlation is fitted.

Key words： multiphase flow； capacitance sensor； COMSOL； mutual correlation； slug parameter

目前现场使用伽马射线进行油田多相计量，说明开发安全可靠的油气段塞流液塞参数测量手段对于石油开发具有重要意义。电容法优势在于廉价高速、无辐射，可测非导电介质。例如2012年英国曼彻斯特大学联合斯伦贝谢剑桥研究中心与英国国家工程实验室，论证了当含水率低于40%时，电容技术可对液相中的多相流动比率WLR测量达5%的精度[1]，Fluenta 1900VI型多相流量计采用文丘利管差压和电容信号互相关的方式测定油为连续相时的速度。然而目前国内关于电容电极的应用研究尚少，电容电极用于段塞流流动参数的计算属于较新的进展。Xie等[2]、Wael[3]研究表明电极张角，电极长度及屏蔽层均能影响测量精度。故确定最优电容电极尺寸对提高测量的准确性具有重要意义。

本文根据祁雷[4]初步探索改进了凹面电容电极，并利用COMSOL有限元仿真软件，模拟确定了最优电极尺寸；然后本文仅采用兩组优化电容，利用互相关法实现了液塞速度、液塞长度、液塞频率等参数的测量，测量前无需标定，这为油田现场含油段塞流的监测与参数测量提供了一种新思路。

1 双凹面电容电极基本构成及实验系统

1.1 电极基本构成

对祁雷的双凹面电容电极进行改进，在测量电极外加保护电极后的基本形态如图1所示。包覆在有机玻璃管外部的部件分四部分：电极、绝缘层、铜外壳及保护电极。电极为张角 ，宽度 ，厚度b的紫铜片，保护电极为紫铜材质，与电极间隔2 mm，紧密围绕在电极四周，绝缘层由一定厚度的聚四氟乙烯圆柱体构成，黄铜外壳包覆在绝缘层外侧，用于固定电极及绝缘层，对装置起保护作用。

1.2 动态液塞参数测量装置

实验采用MS3110电路板及MS3110电容测量芯片实现电容测量。将参数优化后的两组电容电极安装在董传帅[5]的实验系统上，使每组电容电极两端分别接入一块MS3110测试板的CS1IN及CSCOM端口，如图2所示。通过调节芯片参数，使液面变化引起的电压变化在0～5 V范围内变动，取表观液速范围0.1～1.0 m/s，表观气速范围1.0～4.0 m/s进行空气-LP14白油的段塞流参数测量。图3给出了两组电容探针同时接入时的采集信号，两组电容探针的测量信号几乎一样，但由于两组电容探针中心间隔26 cm，故电压信号有一定的延迟，通过这个延迟，可利用互相关法，进行液塞速度的计算。互相关法的原理是，两列信号经互相关函数计算，得到的RXY，其最大值对应的横坐标与纵轴之间的距离就是两列信号之间的延迟Δt，若上下游电容探针间的距离为ΔL，那么液塞速度VS=ΔL/Δt 。互相关函数表示为：

计算完液塞速度后，根据电容探针测得的段塞流流动信号，可得到液塞及长气泡经过探针需要的时间，进而计算出液塞长度、液塞单元长度、液塞频率等参数。这些参数的计算均通过Labview编程实现。

2 仿真結果与对比

在COMSOL中选择三维静电静态求解模式，导入由Solidworks绘制的三维模型，设置有机玻璃管、油、空气、铜电极、聚四氟乙烯的介电常数分别为4，2.4，1，1，2.55。设置凹面电极一侧接地，一侧终端电压为5 V。然后对整个模型进行特别细化的网格剖分。设置结束后采用稳态求解器求解，便可快速的得到管内电势分布，通过计算派生值可得到该种结构下某一含气率时的电容值。

表1为模拟电极电容值线性拟合结果汇总。线性拟合斜率越大，说明电极对相对介电常数变化越敏感；R2越大，说明测量线性度越好。电极越宽，对流动参数的辨别精度越低，空间分辨率越低，从表中可以看出凹面电容电极的灵敏度随角度的增大、电极宽度的增加而增加，空间分辨率随宽度的增加而下降，电极厚度对灵敏度及分辨率的影响不大，但电极越薄，制作越容易。综合考虑以上因素，确定ds=20 mm ，b= 0.1mm， 为本实验最优电极参数。

3 动态液塞参数测量

图4（a）给出了以两组优化电容电极为测量手段，采用互相关法测量的表观液速VSL=0.6 m/s，表观气速VSG=3.0 m/s时油气两相流的液塞速度参数在采集时间内的波动情况。平均液塞速度为6.0 m/s，75.4%的速度值在平均值±10%范围内波动。

4 结 论

本文利用COMSOL对凹面电容电极尺寸进行了优化，并以两组优化后的电容组作为测量手段，利用互相关法测量了油-气段塞流的液塞速度、液塞长度和液塞频率，得出的主要结论如下：

（1）凹面电容电极的灵敏度随角度的增大、电极宽度的增加而增加，但空间分辨率随宽度的增加而下降，电极厚度对灵敏度及分辨率的影响不大。厚度0.1 mm，张角150°，宽20 mm，加有保护电极与屏蔽层的电极具有最优测量效果。

（2）液塞速度随混合速度的增加而增加，拟合当Fr≤3.5时，C0=0.83，当Fr≥3.5时，C0=1.28。所有工况下平均液塞长度为21.7D，表观气速一定，液塞频率随表观液速的增加而增大，Strouhal数随XL的变化与Fossa关联式略有偏差，重新拟合后得到了适用于本实验的St与XL关联式。

参考文献：

[1] 李轶.多相流测量集输在海洋油气开采中的应用与前景[J]. 清华大学学报（自然科学版），2014（1）：88-96.

[2] Xie C G， Scott A L， Plaskowski A， et al.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.气液两相流相界面结构测量方法研究[D]. 青岛：中国石油大学（华东），2014.

[5] 董传帅. 气液两相段塞流无相变冷却过程流动与传热实验研究[D]. 青岛：中国石油大学（华东），2015.

[6] Nicklin D J， Wilkes M A， Davison J F.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.