一种井下流量测量误差校正系统及方法与流程

1.本发明涉及井下流体流量测量领域，特别是关于一种井下流量测量误差校正系统及方法。


背景技术：

2.气液两相流是油田井下流体的主要存在形式之一，对井下流体流量进行准确测量是掌握井下流体流动状况、改进油田生产方式以及资源合理开发的重要研究手段。超声波流量测量以重复性好、准确度高和测量范围宽等优点已成为井下流量测量的重要方法。
3.目前，现有技术采用超声波传感器和/或射频天线的输出信号判断流体类型并计算气体流量、液体流量和总流量，可实现在气液不分离情况下，直接串接在放喷管线上、且适合气井放喷全过程中任意气液比例的分相流量和总流量的测量。现有技术还采用不同谐振频率的压电陶瓷环和压电陶瓷柱作为敏感部件，通过将其固定在由有机玻璃制成的声楔上，在管道同一位置同时产生两种频率的超声波，可实现管道内流体流速的准确测量，其中，敏感部件只需固定在管道外壁，操作非常方便。现有技术还同时采用超声测量单元和差压测量单元对管道内气液两相流的参数进行测量，且在两相介质测量下，引入动态存波和动态时间延迟机制，从而解决现有采样机制由于超声波在气相和液相介质中的声波传播速度相差很大所造成的采集到的回波信号不完整的问题。
4.然而，由于气液两相流的复杂性，管道中的流体并非完全纯净，通常会夹杂悬浮粒子和气泡等介质，且被测流体中悬浮粒子的浓度是变化的，单一的频差法或时差法测量结果均会存在一定误差，因此需要对悬浮粒子引起的超声波测量误差进行校正。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种井下流量测量误差校正系统及方法，能够对悬浮粒子引起的超声波测量误差进行校正。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一方面，提供一种井下流量测量误差校正系统，包括超声波传感装置和流量计算装置；
7.所述超声波传感装置固定设置在待测管道的外壁上，用于发射至少一次超声波以及接收在待测管道的流体中对应产生的直射波和散射波；
8.所述流量计算装置用于采用时差法根据所述超声波传感装置接收的直射波得到待测管道的时差信号，采用频差法根据所述超声波传感装置接收的散射波得到待测管道的频差信号，并根据时差信号和频差信号，确定误差校正后待测管道内流体的流速。
9.进一步地，所述超声波传感装置包括第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器和第四超声波传感器；
10.所述第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器和第四超声波传感器呈x型固定设置在待测管道的外壁上；
11.位于同一斜线上的所述第一超声波传感器和第二超声波传感器均用于向对方发
射至少一次超声波以及接收在待测管道的流体中对应产生的直射波；
12.位于同一斜线上的所述第三超声波传感器和第四超声波传感器用于接收在待测管道的流体中对应产生的散射波。
13.进一步地，所述第一超声波传感器和第二超声波传感器以及第三超声波传感器和第四超声波传感器均采用斜线对正方式固定。
14.进一步地，所述第一超声波传感器和第二超声波传感器发射的超声波包括高频超声波和低频超声波。
15.进一步地，所述频差法采用多普勒频差法。
16.进一步地，所述流量计算装置内设置有：
17.时差计算模块，用于采用时差法，根据第一超声波传感器和第二超声波传感器接收的直射波，得到不同频率下待测管道的时差信号；
18.频差计算模块，用于采用频差法，根据第三超声波传感器和第四超声波传感器接收的散射波，得到不同频率下待测管道的频差信号；
19.流速计算模块，用于根据得到的时差信号和频差信号，确定误差校正后待测管道内流体的流速。
20.另一方面，提供一种井下流量测量误差校正方法，包括：
21.在待测管道的外壁处设置超声波传感装置；
22.超声波传感装置发射至少一次超声波，并接收在待测管道的流体中对应产生的直射波和散射波；
23.采用时差法，根据接收的直射波，得到不同频率下待测管道的时差信号；
24.采用频差法，根据接收的散射波，得到不同频率下待测管道的频差信号；
25.根据得到的时差信号和频差信号，确定误差校正后待测管道内流体的流速。
26.进一步地，所述在待测管道的外壁处设置超声波传感装置，包括：
27.在待测管道的外壁处呈x型设置第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器和第四超声波传感器，其中，第一超声波传感器和第二超声波传感器位于同一斜线上，第三超声波传感器和第四超声波传感器位于同一斜线上。
28.进一步地，所述超声波传感装置发射至少一次超声波，并接收在待测管道的流体中对应产生的直射波和散射波，包括：
29.第一超声波传感器向第二超声波传感器的方向发射不同频率的至少一次超声波，第二超声波传感器接收在待测管道的流体中对应产生的直射波，第四超声波传感器接收在待测管道的流体中对应产生的散射波；
30.第二超声波传感器向第一超声波传感器的方向发射不同频率的至少一次超声波，第一超声波传感器接收在待测管道的流体中对应产生的直射波，第三超声波传感器接收在待测管道的流体中对应产生的散射波。
31.进一步地，所述根据得到的时差信号和频差信号，确定误差校正后待测管道内流体的流速，包括：
32.根据不同频率下采用时差法得到的有效时差信号占总有效信号的比例以及不同频率下采用频差法得到的有效频差信号占总有效信号的比例，确定各有效信号的权重；
33.根据加权后的有效信号，计算误差校正后待测管道内流体的流速。
34.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
35.1、本发明通过超声波的时差法和频差法相结合的方式，校正井下悬浮粒子对气液两相流量带来的误差，可避免测取的包含悬浮粒子等在内的无效信号对测试结果的影响，有效校正气液两相流流量误差，进一步改善超声波气液两相流流量计算精度。
36.2、本发明通过对多次测量得到的流速进行累加，同时根据计算出的流速、管径与流量之间的关系，可得到气液两相流的流量，有效校正固相颗粒和气泡对气液两相流流量带来的误差，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
37.综上所述，本发明可以广泛应用于井下流体流量测量领域中。
附图说明
38.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
39.图1是本发明一实施例提供的超声波传感装置安装示意图；
40.图2是本发明一实施例提供的超声波在管道内直射和散射示意图；
41.图3是本发明一实施例提供的方法流程图。
具体实施方式
42.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
43.应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
44.尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
45.为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的
在使用或者操作中装置的不同方位。
46.本发明实施例提供的井下流量测量误差校正系统及方法，采用时差法与频差法相结合的方式，首先通过x阵列对角位置的两个超声波传感器发射高频超声波，通过对向两个超声波传感器分别接收散射波和直射波，通过多次发射高频超声波，记录接收到的有效信号；其次，通过x阵列对角位置的两个超声波传感器发射低频超声波，并以同样方法分别接收散射波和直射波。最后，通过对两种方式下接收到的有效频差信号和有效时差信号施加不同的权重，并根据加权后的时差信号和频差信号计算流速，可避免测取的包含悬浮粒子等在内的无效信号对测试结果的影响，有效校正气液两相流流量误差，进一步改善超声波气液两相流流量计算精度。
47.实施例1
48.如图1所示，本实施例提供一种井下流量测量误差校正系统，包括超声波传感装置1和流量计算装置，其中，超声波传感装置1包括第一超声波传感器11、第二超声波传感器12、第三超声波传感器13和第四超声波传感器14。
49.第一超声波传感器11、第二超声波传感器12、第三超声波传感器13和第四超声波传感器14呈x型固定设置在待测管道2的外壁上。位于同一斜线上的第一超声波传感器11和第二超声波传感器12均用于向对方发射至少一次超声波以及接收在待测管道2的流体中对应产生的直射波。位于同一斜线上的第三超声波传感器13和第四超声波传感器14用于接收在待测管道2的流体中对应产生的散射波。
50.流量计算装置用于采用时差法根据第一超声波传感器11和第二超声波传感器12接收的直射波得到待测管道2的时差信号，采用多普勒频差法根据第三超声波传感器13和第四超声波传感器14接收的散射波得到待测管道2的频差信号，并根据得到的时差信号和频差信号，确定误差校正后待测管道2内流体的流速，该流速即为校正过悬浮粒子和气泡产生的误差之后的流速。
51.具体地，首先，第一超声波传感器11发射超声波，发射的超声波在待测管道2的流体中产生直射波和散射波，分别采用第二超声波传感器12和第四超声波传感器14接收直射波和散射波；其次，第二超声波传感器12发射超声波，发射的超声波在待测管道2的流体中产生直射波和散射波，分别采用第一超声波传感器11和第三超声波传感器13接收直射波和散射波。由于超声波在流体中传播的速度是超声波速和液体流速在速度场上的叠加，而时差法是利用超声波在同样的传播路径内顺流和逆流存在时间上的差异计算流量流速，频差法是由于流体流动使颗粒物随之运动，发射的超声波经散射后发生频率偏移，利用前后频差计算流量流速。而多普勒频差法是根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。结合超声波多普勒原理，分析流体流速与对应超声波中心频率变化所产生的频率差之间的关系，通过计算频差实现对被测流体流量的测量。因此，接收到的一组(顺流和逆流)直射波信号可用于一次时差法计算，接收到的散射波可用于频差法计算。也就是说，采用这种测量方式，既可以得到一组采用时差法计算的回波信号，也可以得到两组采用多普勒频差法处理的回波信号。
52.更具体地，如图2所示，为超声波传感器发射的超声波在管道内直射和散射示意图。假设第一超声波传感器11沿p方向发射超声波，当遇到纯净流体时，超声信号以直射波形式到达第二超声波传感器12；当遇到有较多悬浮粒子的流体时，会阻碍超声波正常传播，
使得超声波信号发生散射现象，而第四超声波传感器14可以用于接收该散射波。在此基础上，第二超声波传感器12沿p反方向发射超声波，当遇到纯净流体时，超声信号以直射波形式到达第一超声波传感器11；当遇到有较多悬浮粒子的流体时，通过第三超声波传感器13接收该散射波。通过一次对角发射，第一超声波传感器11和第二超声波传感器12的接收信号相减可得到一组时差信号，而第三超声波传感器13和第四超声波传感器14的接收信号可得到两个频差信号。
53.更具体地，为对不同悬浮粒子含量下流体的流量进行误差校正，可通过第一超声波传感器11和第二超声波传感器12对角交替发射不同频率的超声波信号，同时分别通过第二超声波传感器12和第四超声波传感器14以及第一超声波传感器11和第三超声波传感器13得到直射波和散射波。根据第二超声波传感器12和第一超声波传感器11的接收信号可得到一组时差信号，同时，根据第四超声波传感器14和第三超声波传感器13的接收信号可得到两个频差信号。对得到的时差信号和频差信号进行处理，结合时差法和频差法流量测量原理，可对悬浮粒子引起的流量测量误差进行校正。
54.在一个优选的实施例中，第一超声波传感器11和第二超声波传感器12以及第三超声波传感器13和第四超声波传感器14均采用斜线对正方式固定。
55.在一个优选的实施例中，第一超声波传感器11和第二超声波传感器12均可以发射高频超声波和低频超声波。
56.在一个优选的实施例中，流量计算装置内设置有时差计算模块、频差计算模块和流速计算模块。
57.时差计算模块，用于采用时差法，根据第一超声波传感器11和第二超声波传感器12接收的直射波，得到不同频率下待测管道2的时差信号。频差计算模块，用于采用多普勒频差法，根据第三超声波传感器13和第四超声波传感器14接收的散射波，得到不同频率下待测管道2的频差信号。流速计算模块，用于根据得到的时差信号和频差信号，确定误差校正后待测管道2内流体的流速。
58.在一个优选的实施例中，对应于超声波传感装置1的位置，待测管道的外侧设置有承压护壳3，承压护壳3用于保护超声波传感器及驱动电路，避免被井下高压流体损坏。
59.实施例2
60.如图3所示，本实施例提供一种井下流量测量误差校正方法，包括以下步骤：
61.1)在待测管道2的外壁处呈x型设置第一超声波传感器11、第二超声波传感器12、第三超声波传感器13和第四超声波传感器14，其中，第一超声波传感器11和第二超声波传感器12位于同一斜线上，第三超声波传感器13和第四超声波传感器14位于同一斜线上。
62.2)第一超声波传感器11向第二超声波传感器12的方向发射不同频率的至少一次超声波，第二超声波传感器12接收在待测管道2的流体中对应产生的直射波，第四超声波传感器14接收在待测管道2的流体中对应产生的散射波。
63.3)第二超声波传感器12向第一超声波传感器11的方向发射不同频率的至少一次超声波，第一超声波传感器11接收在待测管道2的流体中对应产生的直射波，第三超声波传感器13接收在待测管道2的流体中对应产生的散射波。
64.4)采用时差法，根据第一超声波传感器11和第二超声波传感器12接收的直射波，得到不同频率下待测管道2的时差信号。
65.5)采用多普勒频差法，根据第三超声波传感器13和第四超声波传感器14接收的散射波，得到不同频率下待测管道2的频差信号。
66.具体地，第一超声波传感器11和第二超声波传感器12可以发射高频超声波和低频超声波。
67.更具体地，例如第一超声波传感器11和第二超声波传感器12高频超声波和低频超声波各发射100次(对角发射50次)：首先，通过第一超声波传感器11和第二超声波传感器12各发送50次高频超声波，当第一超声波传感器11发射超声波时，通过第二超声波传感器12和第四超声波传感器14分别接收直射波和散射波；当第二超声波传感器12发射超声波时，通过第一超声波传感器11和第三超声波传感器13分别接收直射波和散射波。每进行一次对角发射，可得到一组时差信号和两组频差信号，因此，当第一超声波传感器11和第二超声波传感器12各发送50次高频超声波后，会得到高频超声波下的50组时差信号和100次频差信号的有效值。同理，再通过第一超声波传感器11和第二超声波传感器12各发送50次低频超声波，记录低频超声波下的50组时差信号和100次频差信号的有效值。
68.6)根据不同频率下采用时差法得到的有效时差信号(即在预先设定的合理范围内的时差信号)占总有效信号(即有效时差信号和有效频差信号之和)的比例以及不同频率下采用多普勒频差法得到的有效频差信号(即在预先设定的合理范围内的频差信号)占总有效信号的比例，确定各有效信号的权重，具体为：
69.6.1)确定不同频率下采用时差法得到的有效时差信号占总有效信号的比例。
70.6.2)确定不同频率下采用多普勒频差法得到的有效频差信号占总有效信号的比例。
71.6.3)根据确定的比例，确定各有效信号的权重：
72.将高频状态下频差信号的权重设定为w1，时差信号的权重设定为w2；将低频状态下频差信号的权重设定为w3，时差信号的权重设定为w4，其中，w1 w2 w3 w4＝1。需要说明的是，权重可以通过分析多次测量结果中有效信号占总有效信号的比例规律得到。
73.7)根据加权后的有效信号计算误差校正后待测管道2内流体的流速，该流速即为校正过悬浮粒子和气泡产生的误差之后的流速。
74.具体地，如图1、图2所示，其中，α为超声波传感器的入射角，图2为简化超声波传感器，假设流体的流动方向为从左至右，流体流过的待测管道2的直径为d，超声波入射角为θ，时差法测量由第一超声波传感器11到第二超声波传感器12传播为顺流，由第二超声波传感器12到第一超声波传感器11传播为逆流，假设流体的流速为v，流体中的声速为c，则超声波沿顺流方向的传播速度为c v
·
sinθ，沿逆流方向的传播速度为c-v
·
sinθ，则超声波逆流与顺流时间差值δt为：
[0075][0076]
其中，t
21
为超声波沿逆流方向的传播时间；t
12
为超声波沿顺流方向的传播时间。
[0077]
由于超声波在一般流体中的传播速度在1000m/s以上，远远大于要测量的流体流速，也是就说c2远远大于v2sin2θ，所以v2sin2θ可以省略。因此，采用时差法的高频超声波和低频超声波的流体流速v
s-h
和v
s-l
分别为：
[0078][0079][0080]
其中，δth和δt
l
分别为高频和低频下所测得的时间差。
[0081]
假设第一超声波传感器11和第二超声波传感器12发射的连续的超声波频率为f
t
，超声波进入流体中的方向角为θ。流体中的杂质与流体以相同速度v向相同方向运动。通过第三超声波传感器13和第四超声波传感器14接收气泡作为声源所发出的声波信号即散射波，则第三超声波传感器13和第四超声波传感器14接收的超声波多普勒频差δf为：
[0082][0083]
其中，fr和f
t
分别为接收的频率和发射频率。
[0084]
由于杂质颗粒的流动速度相对于流体中的声速来说非常小，流速与流体中的声速c、发射信号频率f
t
、超声波的传播方向角θ以及多普勒频移量δf有关，且声速c远大于v sinθ，因此，采用频差法的高频超声波和低频超声波的流体流速v
p-h
和v
p-l
分别为：
[0085][0086][0087]
上述公式(2)、(3)和(5)、(6)分别为采用时差法和频差法单次测量得到的流体流速计算公式。经若干次(假设n次为一组)高频和低频发射后计算出一次速度和流量，误差校正后的流速为：
[0088][0089]
其中，i为有效信号个数；v
s-hi
为第i个高频时差对应的速度；v
s-li
为第i个低频时差对应的速度；v
p-hi
为第i个高频频差对应的速度；v
p-li
为第i个低频频差对应的速度。
[0090]
此时，单位时间内流过待测管道2的流体流量q为：
[0091][0092]
本发明通过时差法和频差法相结合的方式，在进行时差法测量的同时测量频差信号，通过不同权重的时差信号和频差信号校正悬浮粒子和气泡引起的流量误差，可提高气液两相流测量系统的稳定性及适应性。
[0093]
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。