一种基于电学层析成像的浆液流型识别装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及深水水合物浆液多相混输技术领域，特别是涉及一种基于电学层析成像的浆液流型识别装置及其使用方法。

背景技术

石油和天然气的输送是石油工业中的重要一环，随着社会对油气等能源的需求量逐渐上升，管道输运凭借其生产成本低、安全性能高、输送能耗低以及油气损耗率低成为油气多相流输运的主要方式，通过超长距离的输送管道将油气混输送至加工厂内再进行油气分离。油气输运过程中的多相混输技术以及流动安全保障也愈发重要。气液两相流，油气混输技术的关键在于混输管道内油气多相流的流动特性以及运动规律的研究。

随着油气田开采勘探技术的不断进步，油气田开采已经从陆地油田逐渐向海洋油田发展，开发区域也从浅海区发展到深海区。与陆地的常规油气混输不同，深水油气田开采以及管道输运面临的是深海的高压低温环境，烷烃类气体在达到水合物相平衡条件下会与水或油结合生成水合物，使得管道内流体以水合物浆液的形式流动，水合物浆液虽然可以降低流动过程中产生的摩擦损耗，提高储气能力，但是随着水合物的生长、聚集，多相流中的油气水三相会逐渐消耗用于生成水合物，水合物相逐渐增多，气相、液相的含量变化也会使得输运过程中管道内流速发生变化，水合物浆液流型会发生变化，最常见的水合物浆液流型是分层流和段塞流，当各相流速较低时，多相流呈分层流状态，可以观察到明显的相界面，一般气相位于管道顶部，油相位于管道中部，水相位于管道底部，如果流速进一步增大，气相和液相之间存在滑移速度，则会呈现段塞流流态，虽然油和水会发生乳化现象，但是水合物的生成会破除乳化。，在合适的温压条件下水合物会不断生成生长，粘附最终导致水合物堵塞。除此之外，由于深水油气开采的管道系统地形复杂多变，管线长度较长并且存在起伏坡段倾斜管段立管等，管段的起伏变化也会对水合物浆液的流动形态产生一定影响，严重时还会造成液击现象，冲击管道造成设备寿命减少和管道收到冲击。水合物的生成堵塞会导致管道内压差的剧烈变化，在倾斜管段中水合物压差作用下快速移动，由于气相被压缩可能致使下游管道憋压带来安全隐患，在弯曲管道处水合物也容易发生堵塞，造成管道炸裂，从而引起生产灾害经济损失人员伤亡等。最终容易堵塞管道导致生产管线的停工甚至管道炸裂。一旦水合物发生堵塞现象，就要进行解堵操作，对堵塞管段进行解堵操作时会有大量气体被释放致使管道压力上升导致管线破裂。因此，能够及时有效的监测到多相管道混输体系中水合物浆液的流动形态可以有效防止水合物的堵塞、减少对设备的磨损以及预防水合物的堵塞影响管线输送效率，所以对油气输送系统中的水合物浆液的流动状态以及流型进行及时的监测与识别是十分重要的。

目前对于管道中水合物浆液流型识别的方法主要有：直接观察法和间接测量法。直接测量法例如高速相机观察法，利用高速相机直接对水合物浆液多相流进行观测并将观测到的流动形态结合已知的流型进行比对。间接测量法比如信号分析法，利用压差传感器温度传感器等采集输出温度压力信号，对采集到的数据进行计算处理分析，得到不同流动形态的明显特征，根据特征对已有的水合物浆液流型中的信号特性进行比对识别。但是这些流型识别方法都存在一定的缺陷，实际深水输运管道考虑到耐压性安全性，管道不是透明管道，并且由于输运路线起伏也并不容易安置高速相机，所以这种观察法并不适用于生产实际。信号分析法的缺陷是需要在管道中设置非常多的传感器，采集数据的精度、传输数据需要的时间等都是这种方法的局限性。特别的，由于深水环境下管道内的水合物浆液的流动特性的研究尚不明确，传统的油气水三相流的流型图以及模型公式对于水合物浆液不再适用，也并没有针对于水合物浆液的流型图，无法辨析水合物浆液中，油、气、水、水合物相的分布状态，使得传统油气多相流的流型监测手段对于深水油气开采的水合物浆液流型判断不再适用。除此之外，以上的勘测方法都不能在线监测显示出管道内水合物浆液的具体流动形态以及油气水水合物各相的具体分布状态。因此，设计一套能够实时在线监测深水油气水合物浆液的复杂多相流的流型识别装置并且可以成像显示的装置对于深水油气输送安全保障是具有重要意义的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电学层析成像的浆液流型识别装置及其使用方法，达到对深水低温高压下的水合物浆液的流型进行在线识别监测的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于电学层析成像的浆液流型识别装置，包括多相流循环系统、设置在所述多相流循环系统上的电学层析成像系统、数据测量与采集系统和温度控制系统，所述多相循环系统包括循环管道以及设置在所述循环管道上的用于与所述循环管道连通的高压滑片泵以及与所述高压滑片泵连接的真空泵，所述电学层析成像系统包括设置在所述循环管道上的若干电学层析成像变送仪，所述数据测量与采集系统用于对多相流在流动过程中进行数据采集监测，所述温度控制系统用于控制循环管道内的流动介质温度。

优选地，所述循环管道包括通过法兰闭合连接的可视管段、若干直线不锈钢管段、两段U形不锈钢管段以及伸缩节。

优选地，所述直线不锈钢管段和所述U形不锈钢管段均为夹层套管，所述夹层套管的夹层内设置控温介质。

优选地，所述电学层析成像变送仪包括两个数据采集截面，其中一个所述数据采集截面上分布有8对ERT电极，另一个所述数据采集截面分布有8对ECT电极，所述ERT电极和所述ECT电极在所述数据采集截面上均呈环状分布，且一一对应。

优选地，所述数据测量与采集系统包括设置在所述可视管段上方的相机、设置在所述法兰上的用于记录多相流流动过程中的压力、压差和温度数据的压力传感器、压差传感器以及温度传感器以及用于监测多相流中各相的质量流量的的质量流量计

优选地，所述温度控制系统包括制冷机组以及水浴连通管道，所述夹层通过水浴连通管与所述制冷机组连通。

一种基于电学层析成像的浆液流型识别装置的使用方法，包括以下步骤：

S1.对所述循环管道内部进行清洗；

S2.使用真空泵对所述循环管道进行抽真空并向所述循环管道内注满水，打开所述电学层析成像变送仪中的ERT电极并采集此时循环管道内的信号作为测试背景，排出所述循环管道内的水并用氮气进行吹扫；再次对所述循环管道抽真空并向所述循环管道内注满油，打开所述电学层析成像变送仪中的ECT电极并采集此时循环管道内的信号作为测试背景，排出所述循环管道内的水并用氮气进行吹扫；

S3.使用真空泵对所述循环管道抽真空并向所述循环管道内注入设计比例的水和矿物油；

S4.向所述循环管道内注入设计量的甲烷气体，同时排放出设计量的水直到满足所需设计的气液比，继续注入甲烷气体直到循环管道内所需的压力；

S5.开启所述数据测量与采集模块，打开高压滑片泵以设定泵速运行一段时间，直到压力传感器和压差传感器采集到的压力和压差信号趋于平稳，此时水中的甲烷气体达到溶解的饱和状态，此时进气量为0，使用ECT电极和ERT电极采集此时循环管道内流体的介电常数和电导率信号作为基准；

S6.开启温度控制系统，将温度设置为水合物相平衡温度以下的温度设定值，当满足甲烷水合物的相平衡条件时，水合物开始生成，放置于可视管段前的相机判断水合物浆液的流型，随着水合物含量的上升，电学层析成像变送仪成像的图像会看出水合物相的变化，随着水合物不断生成，水和油都在被消耗，水合物相变得更加清晰，并且能清晰看出水合物浆液的流型。

优选地，在步骤S1中采用离子水对循环管道内部进行清洗。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1.本发明能够对深水低温高压下的水合物浆液的流型进行在线识别监测，对于深水油气输送安全保障是具有重要意义的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

其中，1、电学层析成像变送器；2、直线不锈钢管段；3、水浴连通管道；4、压力传感器；5、温度传感器；6、U形不锈钢管段；7、球阀；8、压差传感器；9、注入漏斗；10、相机；11、可视管段；12、伸缩节；13、质量流量计；14、制冷机组；15、真空泵；16、减压阀；17、高压滑片泵；18、背压调节阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于电学层析成像的浆液流型识别装置及其使用方法，达到对深水低温高压下的水合物浆液的流型进行在线识别监测的目的。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，一种基于电学层析成像的浆液流型识别装置，包括多相流循环系统、设置在所述多相流循环系统上的电学层析成像系统、数据测量与采集系统和温度控制系统，所述多相循环系统包括循环管道以及设置在所述循环管道上的用于与所述循环管道连通的高压滑片泵以及与所述高压滑片泵连接的真空泵，所述电学层析成像系统包括设置在循环管道上的若干电学层析成像变送仪，所述数据测量与采集系统用于对多相流在流动过程中进行数据采集监测，所述温度控制系统用于控制循环管道内的流动介质温度；本发明能够对深水低温高压下的水合物浆液的流型进行在线识别监测，对于深水油气输送安全保障是具有重要意义的。

参考图1，所述循环管道包括通过法兰闭合连接的可视管段、若干直线不锈钢管段、两段U形不锈钢管段以及伸缩节；其中，伸缩节与直线不锈钢管段和质量流量计之间通过法兰相连，用于消除管段间通过法兰连接而产生的形变。

进一步的，直线不锈钢管段和U形不锈钢管段均为夹层套管，夹层套管的夹层内设置控温介质。

进一步的，电学层析成像变送仪包括两个数据采集截面，其中一个数据采集截面上分布有8对ERT电极，另一个数据采集截面分布有8对ECT电极，ERT电极和ECT电极在数据采集截面上均呈环状分布，且一一对应；在测量时，首先选择对任意一对电极施加电压激励，其中，ERT电极采用电流激励，ECT电极采用电压激励循环管道内产生电场，其余7对电极作为检测电极接受信号，即可测得电极间的介电常数或电导率，然后相邻电极转变为激励电极其余6对电极接受信号，以此类推，直到最后获得一组电极间的介电常数和电导率，将采集到的数据进行图像重构，获得相应的相分布图。

其中，ERT电极可以采集到水和水合物相的电阻率，由于水合物是具有弱导电性的物质，与水的电阻率就有明显区别，因此，对于导电的水相和水合物相可以通过ERT测得的电阻率的不同而分辨出来。ECT能够根据介电常数的不同分辨出水、水合物相和油相。因此，ERT截面可以得到气相、水、水合物相的分布，计算得到相的百分数，ECT截面可以得到水、油相、水合物相的相分布和百分数。得到的数据再进行数据融合，就可以得到融合后的截面的气相、水相、油相、水合物相的百分数，从而得到各相的百分数和分布状态，将得到的图像进行一段时间的叠加，就可以得到一段时间内管道内水合物浆液的流动状态。以此来实现气相、油相、水相、水合物相的分布状态的实时监测，并通过一段时间内的同一截面流过的各相的分布信息。这样就可以通过成像清楚的检测到各个截面中各相的分布情况，对循环管道内部水合物浆液的流型进行识别监测，对于及时预防水合物堵塞也有重要意义。

参考图1，数据测量与采集系统包括设置在所述可视管段上方的相机、设置在所述法兰上的用于记录多相流流动过程中的压力、压差和温度数据的压力传感器、压差传感器以及温度传感器以及用于监测多相流中各相的质量流量的的质量流量计；其中，相机放置于循环管道中的可视管段前方，用于观测多相流的实际流动形态，压力传感器、压差传感器和温度传感器用于记录多相流流动过程中的压力、压差和温度等数据，质量流量计用于监测多相流中各相的质量流量，水合物生成和流动过程中的气体和液体的质量流量。

参考图1，温度控制系统包括制冷机组以及水浴连通管道，夹层通过水浴连通管与所述制冷机组连通。

参考图1，高压滑片泵与循环管道连通的位置设置有球阀。

参考图1，真空泵与高压滑片泵连通的管道上设置有减压阀，高压滑片泵的外接管道上设置有背压调节阀。

本发明基于电学层析成像的浆液流型识别装置的使用方法，包括以下步骤：S1.对循环管道内部进行清洗；S2.使用真空泵对所述循环管道进行抽真空并向所述循环管道内注满水，打开所述电学层析成像变送仪中的ERT电极并采集此时循环管道内的信号作为测试背景，排出所述循环管道内的水并用氮气进行吹扫；再次对所述循环管道抽真空并向所述循环管道内注满油，打开所述电学层析成像变送仪中的ECT电极并采集此时循环管道内的信号作为测试背景，排出所述循环管道内的水并用氮气进行吹扫；S3.使用真空泵对所述循环管道抽真空并向所述循环管道内注入设计比例的水和矿物油；S4.向所述循环管道内注入设计量的甲烷气体，同时排放出设计量的水直到满足所需设计的气液比，继续注入甲烷气体直到循环管道内所需的压力；S5.开启所述数据测量与采集模块，打开高压滑片泵以设定泵速运行一段时间，直到压力传感器和压差传感器采集到的压力和压差信号趋于平稳，此时水中的甲烷气体达到溶解的饱和状态，此时进气量为0，使用ECT电极和ERT电极采集此时循环管道内流体的介电常数和电导率信号作为基准；S6.开启温度控制系统，将温度设置为水合物相平衡温度以下的温度设定值，当满足甲烷水合物的相平衡条件时，水合物开始生成，放置于可视管段前的相机判断水合物浆液的流型，随着水合物含量的上升，电学层析成像变送仪成像的图像会看出水合物相的变化，随着水合物不断生成，水和油都在被消耗，水合物相变得更加清晰，并且能清晰看出水合物浆液的流型。

进一步的，在步骤S1中采用离子水对循环管道内部进行清洗。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。