文摘
石油和天然气行业的需要准确的传感器来控制流体在管道生产过程从水平和水平井附近。提取的原油通常是一个多相混合油、水、气,精确测量管道内的每一个多相的比率是一个重要的参数管理井有效地通过最大化,可以提炼出的碳氢化合物。各种方法已经发展为确定阶段比率包括机械、光学、x射线或伽马射线、超声、核磁共振(NMR),很少微波技术。然而,这些方法不允许的实时演化阶段的知识比和不太精确。在这里,我们提出和发展两个微波通过仿真系统,在水平和垂直偏振,选择最优配置原油管道成像应用。首先,包含原油的管道是建模及其热和介电性能。然后,天线阵列性能进行了优化和组装管道。不同数量的天线元素使用CST仿真成功调查在两个垂直和水平偏振找到最优的天线元素数量管道应用程序。
1。介绍
多相和三相流(油、水、气)是主要的组件,而钻探石油。多相流组件的确切比例是一个具有挑战性的问题来解决由于地质条件的差异,如温度、压力、流动力和盐度。一些技术基于伽马射线(1,2)和x射线(3]使用;然而,这些技术需要长时间测量和基于电离辐射。测量时间的减少需要强烈的来源,这就增加了成本,导致安全问题(4]。此外,水的盐度变化阶段管道的影响,介绍了误差在测量过程的一个重要来源(5]。另一种方法基于电阻抗由两个电极之间的阻抗测量插入oil-water-gas混合流。
然而,测量参数(电阻和电容)高度依赖于介电性能(介电常数和电导率)的三个阶段(油、水和天然气),他们的分数,流态和工作频率(6]。这个高度依赖许多参数导致大型测量中的错误。超声多普勒测速技术是用来测量液体的速度,速度是用来实现实时流态识别在机器学习的帮助(7]。最近,使用微波衰减和相移出现作为一个新兴技术用于克服前面的技术相关的一些缺陷。为了克服高灵敏度测量的问题,提出了脉冲中子活化(机构)技术。这种技术使用高能中子源照射流动混合物。发出的伽玛射线被用来确定混合物的化学成分和相分数,但这种技术是昂贵和使用电离辐射。另一种方法是开发和利用,核磁共振(NMR),将磁场应用于混合物的流动使原子核的自旋状态(8]。旋转调整可能相关的化学成分,因此分数阶段的流。这种技术是沉重的和昂贵的。微波技术是由测量流动混合物的介电常数和电导率在不同的微波频率通过确定传输系数的振幅和相位的电磁波通过流(9),或通过确定共鸣腔的频移载着流体流动(10]。然而,共振技术存在两个主要的局限性:单频测量和水的存在可能引入高电磁场扰动腔由于其导电行为11]。然而,尽管微波方法需要更复杂的激励和检测电路,阻抗方法,他们已经成功地使用在许多三相流量计(11]。
超宽频天线阵列的主要应用是医学成像(12- - - - - -14),穿墙成像(15)、地面穿透雷达(GPR) [16),和室内定位和定位(17]。由椭圆锥形槽天线也广为人知的模样(18)或指数配置文件(19]。3 -D圆形连接提出了维瓦尔第的元素(20.),他们用10个元素的数组和一个椭圆锥形近场雷达成像应用程序概要文件。天线阵与16个元素提出了实现全向超宽频水平极化天线(21]。在这项工作中,我们通过模拟一个新的3 -提出和发展D基于圆形阵列天线的微波成像系统来确定管道内的实时相原油的比例。阵列天线将扫描一个圆柱段管道并生成二维图像,它将量化的石油管道的定位及其比例。因此,更好的实时监测油井生产可成功实现。该天线阵列由32超宽频维瓦尔第的圆环天线操作1 GHz的乐队超过7 GHz。数组是一个完整的微波系统的一部分,主要基于16/32 MIMO系统基于软件定义无线电(SDR)技术或8-port矢量网络分析仪与交换网络和软件分析的信号和一代的扫描图像。
2。管道模型的假设
管道是由其主要三个组件的油,水和气体和一缸水蓝色的组合(6厘米直径,10厘米高度)和黑色的汽缸油(6厘米直径,10厘米高度)。两缸周围空气(气体表示)。管线管材料被定义为聚醚醚酮(PEEK)是一个技术塑料。PEEK的外径管设置为20厘米,厚度0.3厘米和10厘米高。表1总结了热和电磁属性中使用CST热瞬态解算器水、油(22],PEEK(聚酰胺)材料(图1)。
2.1。设计的3 - d单维瓦尔第的元素
微波成像系统的单位元素的参数在图所示2,一个是天线长度,B是天线的宽度,R是腔直径,Lg是平面图之间的距离和环形腔的底部,和C是孔径宽度。使用CST单一元素设计(计算机模拟技术,GmbH)微波工作室仿真工具(22]。时域解算器将用于模拟不同的结构。添加一个0.5厘米厚度平面图的天线。天线的材料是铝。锥形概要文件的类型指数。
2.2。设计的微波系统
在本节中,我们将水平和垂直维瓦尔第天线的优点,然后选择最佳配置的天线带宽,S21一个平均(把所有的传输系数S21值除以多少年代21数字)、小型化和元素的数量。从天线的角度来看,较低的年代21导致更少的天线之间的相互耦合,不影响嵌入式辐射模式和输入阻抗(23]。
2.2.1。三维圆形阵列的设计水平极化
三维圆形阵列的三种不同配置8,16岁和32维瓦尔第元素水平极化(HP)提出,发展,和模拟,如图3。单一元素参数表2为每个配置。
(一)
(b)
(c)
32-element例图所示3 (c)是由固定的尺寸单元素16-element情况下,生产32阵列尺寸为89.6×89.6厘米2。
然而,仿真时间将大大增加。优化这样的大阵是由中科难以实现时域解算器由于巨大的网状细胞的数量来解决。一些数值方法可以应用于减少仿真时间如阵列扫描方法(ASM) [24]。图4(一)1.47 GHz之间显示8-element数组的数组带宽超过7 GHz。天线和PEKK之间的距离是3.1厘米。从数组元素之间有足够的空间,相互耦合相对较低。的年代21一个平均给−21.5 dB。数据4 (b)和4 (c)现在16-element天线阵列性能的情况下,它显示了一个从1.45 GHz带宽超过7 GHz−10 dB标准以下。透射系数平均水平21一个16个元素高于8元素由于辐射元素之间的距离越短。年代21一个平均值为−16.7 dB。
(一)
(b)
(c)
2.2.2。设计的3 d圆阵列垂直极化
垂直元素配置的主要优势是安排的可能性更高一个数组的元素数量与水平配置。三种不同的配置与8、16和32维瓦尔第元素在垂直极化(VP)提出,如图5。单一元素参数表3为每个配置。
(一)
(b)
(c)
提出了大型天线阵的设计如图32个元素5 (c)。32个数组维度是68.3×68.3厘米2卧式设计,小于24%。
图6(一)1.28 GHz之间显示8-element数组的数组带宽超过7 GHz。天线之间的距离和PEKK是7厘米。数组元素之间的空间是16厘米,而产生的年代21一个−23.15 dB的平均水平。如数据所示6 (b)和6 (c),天线阵的性能的反射和透射系数显示了带宽不到10−dB范围从1.17 GHz超过7 GHz。的年代21一个平均16个元素是略高于8元素由于辐射元素之间的距离越短。年代21一个−21.19 dB平均值记录。天线的带宽从1.17 GHz超过7 GHz。天线和PEKK之间的距离是13.1厘米。年代21一个−18.6 dB平均值记录。表4总结了水平和垂直偏振的性能。8-element配置情况下,这两款设计类似数组的维度和较低的截止频率。然而,垂直极化设计展览更低的年代21一个价值。也注意到,副总裁阵列配置较低的年代21一个比惠普的16-element情况。32-element阵列优化设计有一个满意的结果的天线带宽,数组的大小和系统的复杂性。
(一)
(b)
(c)
3所示。热分析
下面是研究温度变化对整个结构基于热损失导体和电介质材料。这些热损失计算使用在2.45 GHz频率电磁求解。
3.1。电磁热模型
模拟管道的加热过程是技术挑战性由于没有实现报告到目前为止,研究了其热性能,尤其是偷看。发现管道加热转移系数的复杂性是由于热模型参数的非线性函数,继电器温度和含水量。因此,下面的案例研究将考虑列表数据以及上面提到的默认属性。根据技术数据表(25),每个元素可以处理一个输入功率350 W,它将产生5.6千瓦,标称功率。暴露时间和环境温度设置为450秒,25°C,分别。
最高温度分布是新到50°C到检测管道内的水组件,如图7(一),新29°C区分油组件和环境温度。因此,空气中明显发现石油和水管道内由于其较大的介电常数与石油相比。同时,PEEK的关闭部分管受到水加热。油模型主要是激烈的26岁。5°C,而部分接近水加热至29°C。发现石油的中央部分是加热超过26岁。5°C将集中在管道中心的辐射功率。随着石油空气介电常数的实部是接近值,区分这两个材料是具有挑战性的微波加热反应。
(一)
(b)
4所示。结论
水平极化的天线垂直极化优越的规模相对较小的情况下使用大量的天线元素。大量的天线元素的主要优势提供更多关于管道组件的信息,这是一个至关重要的元素对准确管道图像重建算法。副总裁为8 -和16-element阵列配置阵列显示较低的年代21一个值,这表示较低的相互耦合。惠普和副总裁数组显示类似的尺寸和比例较低的截止频率。对于32-element情况,最好在惠普副总裁配置因其紧凑的尺寸和可接受的年代21一个价值。热分析介绍了管道组件在不同的温度下,水可以看到在50°C,石油为26.5°C,和天然气在环境温度25°C。
数据可用性
这项研究的结果可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这个项目是由科技单位,阿卜杜拉国王大学,沙特阿拉伯王国,奖号(问题- 41 - 103)。