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低流速高含水油水两相流超声传感器测量特性研究

作　者: 李德明
导　师: 金宁德
学　校: 天津大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 低流速高含水油水两相流超声传感器声场分布特性分相持率泡径大小影响
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

油水两相流动广泛存在于石油开采过程中，对其流动结构分析及流动参数测量对改善油井生产特性及优化油藏管理具有重要意义。另外，国内外上大多数陆上油井处于高含水、低产液状态，这种油水两相流流动状态对检测传感器提出了更高的要求。在多相流流动参数的检测方法中，声学法具有不干扰流场，不存在流体腐蚀、磨损，适用于非透光性、非导电性介质等优点，受到国内外众多学者的关注。本文开展了低流速高含水油水两相流超声波检测方法研究。通过有限元分析方法，优化设计了两种不同结构的超声波传感器：贴片式超声波传感器(EPUS)和探头式超声波传感器(PUS)，并在垂直上升油水两相流动中进行了超声测量特性研究。论文工作取得了如下创新性成果：1、利用多物理场耦合有限元仿真软件COMSOL，建立了贴片式超声传感器和探头式超声传感器的几何模型，考察了两种传感器在直径20mm圆形管道内的声场及敏感场分布特性，并提取平均灵敏度（S avg）及均匀性误差（SVP）作为优化指标，对超声传感器结构尺寸及超声频率进行了优化设计。另外，我们建立了水包油分散流型的超声传感器有限元模型，发现接收端声压级（SPL）均值敏感于持水率及泡径大小变化。2、加工制作了一种柔性压电复合材料贴片式超声传感器，在油水两相流流动装置上分别考察了贴片式及探头式超声传感器响应特性，并比较了两种传感器接收端的最大值测量序列，发现探头式超声传感器对低流速油水两相流相含率具有更好的测量优势及较高的分辨率。此外，泡径大小对超声传感器响应特性影响与数值模拟分析结果较为吻合。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章绪论  8-19
  1.1 课题研究背景及意义  8
  1.2 油水两相流流动参数检测现状  8-17
    1.2.1 流型检测  9-10
    1.2.2 相含率检测  10-14
    1.2.3 流量检测  14-16
    1.2.4 油水两相流参数检测存在的问题  16-17
  1.3 本文主要工作与创新点  17-18
  1.4 本文组织结构  18-19
第二章超声传感器优化设计  19-31
  2.1 两种传感器基本结构  19-20
  2.2 电-结构-声耦合系统方程  20
  2.3 贴片式超声波传感器结构优化  20-26
    2.3.1 贴片式超声传感器优化设计模型  20-22
    2.3.2 基于灵敏度场的贴片式传感器优化设计  22-26
  2.4 探头式超声波传感器优化设计  26-30
    2.4.1 探头式超声传感器优化设计模型  26-27
    2.4.2 基于灵敏度场的探头式传感器优化设计  27-30
  2.5 小结  30-31
第三章垂直上升油水两相流动态实验  31-44
  3.1 超声测量系统  31-36
    3.1.1 传感器制作工艺  32-33
    3.1.2 信号调理与采集  33-36
  3.2 实验设备与实验方案  36-43
    3.2.1 油水两相流流动装置  36-39
    3.2.2 实验配比工况设计  39
    3.2.3 低流速高含水油水两相流流型  39-41
    3.2.4 两种超声波传感器的实验响应特性  41-43
  3.3 小结  43-44
第四章超声波传感器信号特性分析  44-62
  4.1  44-51
    4.1.1 水包油段塞流  44-46
    4.1.2 水包油泡状流  46-48
    4.1.3 水包油细小泡状流  48-50
    4.1.4 流型的演化规律  50-51
  4.2 传感器测量响应特性与仿真研究  51-61
    4.2.1 最大值序列统计特性  51-55
    4.2.2 探头式超声传感器实验与仿真对比研究  55-57
    4.2.3 贴片式超声传感器实验与仿真对比研究  57-59
    4.2.4 两种传感器测量差异性分析  59-61
  4.3 小结  61-62
第五章总结与展望  62-64
  5.1 总结  62-63
  5.2 展望  63-64
参考文献  64-70
发表论文和参加科研情况说明  70-71
致谢  71

低流速高含水油水两相流超声传感器测量特性研究

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