CN101737041A - 应用于油井含水率测量的组合型传感器 - Google Patents

Abstract

一种应用于油井含水率测量的组合型传感器。主要解决现有技术中的普通传感器在低流量油水分层情况下对含水率的测量分辨率降低的问题。其特征在于：在筒状电容传感器中的中心位置内置一根同轴电容传感器的电极杆，电极杆由内插电极棒和其外部包裹的绝缘层构成；将电极杆中的内插电极棒与所述金属筒状电极相并联，将两个电极都做密封处理与外壳绝缘并引出导线接同一个激励，在电路上是并联方式，所述金属外壳做为接地端。该种组合型传感器与现有的筒状传感器和同轴电容测量传感器相比较，当传感器内油水分层流动时，传感器的响应范围增加；在非分层流下，该结构增大了与油泡接触的有效面积，限制了油泡的活动范围，从而提高了测量分辨率。

Description

应用于油井含水率测量的组合型传感器

技术领域：

本发明涉及油田进行水平井测试时所使用的一种器件，具体的说是涉及一种应用在测井仪器上，在低流量油水分层情况下仍具有较高分辨率的传感器件。

背景技术：

随着大庆油田水平井数量逐年增加，水平井的生产测井趋迫切，但由于大庆油田现有水平井均是机采井，而国内外现有的水平井动态监测技术都是针对具有自喷能力的水平井研制的，无法满足大庆油田水平井测试的要求，因此，就需要科技人员自己进行创造性的思维，来解决针对机采井的水平井生产测井问题。现有技术中，主要应用与测井仪器配套的同轴电容含水率测量传感器来测量含水率，但随着越来越多的低产量水平产出油井的出现，这种传统的传感器被发现存在如下问题：因为在低流量油水分层情况下，同轴电容含水率测量传感器有时会浸没于水中或油中，导致该种传感器对含水率测量的分辨率被大大降低，特别是在含水率达到50％以上时，分辨率就更低了，无法满足实际测量的需要。为了解决这一问题，有技术人员提出了使用与测井仪器配套的筒状电容传感器的技术方案。这里所述的筒状电容传感器为多层结构，由内到外依次为内绝缘层、金属层、外绝缘层和金属外壳。其中，金属层和内绝缘层较薄，仅为1mm左右，金属层即为电极层，加激励电压，将其密封处理与外壳绝缘并引出导线，外壳接地。整个传感器呈圆筒状，流体在传感器内部轴向流动，金属层、外绝缘层以及金属外壳构成一完整的圆柱电容器。但是，通过实验发现，当流量在20m³/d以上时，该种筒状电容传感器就失去了分辨率，当流量3m³/d以下时也同样失去了分辨率，所以该种传感器的应用流量范围仍然不能满足水平井含水率测量的要求。

发明内容：

为了解决现有技术中没有一种可以在低流量油水分层情况下与测井仪器配合使用具有较好的含水率测量分辨率的传感器的问题，本发明提供一种应用于油井含水率测量的组合型传感器，该种应用于油井含水率测量的组合型传感器与现有的筒状传感器和同轴电容测量传感器相比较，当传感器内油水分层流动时，传感器的响应范围增加；在非分层流下，该结构增大了与油泡接触的有效面积，限制了油泡的活动范围，增加了油泡粘附几率，从而提高了测量分辨率。

本发明的技术方案是：该种应用于油井含水率测量的组合型传感器，包括具有金属外筒、外绝缘筒、金属筒状电极、内绝缘筒、进液口以及出液口的筒状电容传感器，其中，在所述筒状电容传感器中的中心位置内置一根同轴电容传感器的电极杆，所述电极杆由内插电极棒和其外部包裹的绝缘层构成。将所述电极杆中的内插电极棒与所述金属筒状电极相并联，即将两个电极都做密封处理与外壳绝缘并引出导线接同一个激励，这两个电极在电路上是并联方式，所述金属外壳做为接地端。

本发明具有如下有益效果：本种组合型传感器实际上是将现有的筒状电容传感器与同轴电容含水率测量传感器相结合，即将同轴电容含水率测量传感器的电极杆居中内置于筒状电容传感器中，并将电极杆中的内插电极与筒状电容传感器的金属电极相并联，由此使得筒状电容传感器与同轴电容含水率测量传感器共同发挥作用。当传感器内的油水分层流动时，传感器的响应范围增加；而在非分层流下，该结构增大了与油泡接触的有效面积，限制了油泡的活动范围，增加了油泡粘附几率，从而提高了测量分辨率。应用本种传感器可以在含水率0～100％范围内都有好的分辨率，可以克服和弥补内插式同轴电容含水率测量传感器分辨率差的缺点

附图说明：

图1是本发明中所涉及的同轴电容含水率测量传感器的结构示意图。

图2是本发明中所涉及的同轴电容含水率计在近水平低流量状态下含水率响应曲线。

图3是本发明中所涉及的筒状电容传感器的截面示意图。

图4是传感器中水表面示意图。

图5是本发明中所涉及的筒状电容传感器的等效电路图。

图6是本发明中所涉及的筒状电容传感器的电容值相对持水率的理论曲线。

图7是本发明中所涉及的筒状电容传感器响应特性曲线。

图8是本发明与测井仪器配套后形成的样机的部分结构剖视图。

图9是本发明中所述组合型传感器径向剖面的截面示意图。

图10是本发明中所述组合型传感器的等效电路示意图。

图11是应用本发明中所述组合型传感器后的电容含水率计的电容与含水率理论关系图。

图12是与本发明中所述组合型传感器相配合的激励源电路和信号处理电路图。

图13是应用本发明中所述组合型传感器后的传感器输出响应与水面高度的关系图。

图14是应用本发明中所述组合型传感器后的电容含水率计水平条件下响应标定图版。

图中1-出液口，2-金属外壳，3-外绝缘筒，4-金属筒状电极，5-内绝缘筒，6-进液口，7-电极杆。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

下面首先分析一下现有的同轴电容含水率测量传感器在低流量油水分层的情况下测量含水率分辨率降低的原因。

同轴电容含水率测量传感器的结构如图1所示，同轴电容含水率测量传感器的敏感元件实际是一个同轴圆柱形电容器，油、水或油水混合液是其电介质，当油与水的混合比不同，电容量也相应地改变，因此通过测量电容值经过解释可得到含水率。设定此时电容的中心电极的半径为r，包裹电极的绝缘层半径为R₁，绝缘材料的相对介电常数为ε_r1，电容外电极内表面的半径为R₂，高度为H。绝缘层与外电极之间的电介质叫第二层电介质，其相对介电常数为ε_r2，假设电极均匀带电量为Q，则线电荷密度τ＝Q/H，L为电介质内任一点到轴线的距离，D为电位移矢量，E₁为电场强度，U为电势差，C为电容，则柱状电容器的电容量根据其定义为

$C=\frac{Q}{U}---\left(1\right)$

为了求解U，利用有机介质的高斯定理得

D2πLH＝τH    (4)

故

$D=\frac{\mathrm{\τ}}{2\mathrm{\πL}}---\left(5\right)$

D＝ε₀ε_r1E₁＝ε₀ε_r2E₂    (6)

E₁为绝缘层中的场强，E₂为第二层介质中的场强，所以绝缘层中的场强E₁为

$E_1=\frac{D}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}---\left(7\right)$

将(6)代入得到

$E_1=\frac{\mathrm{\τ}}{2\mathrm{\πL}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}$ 式中r＜L＜R₁    (8)

同理，第二层电介质中的场强E₂为

$E_2=\frac{\mathrm{\τ}}{2\mathrm{\πL}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r2}}$ 式中R₁＜L＜R₂    (9)

因此内外电极之间的电势差U为

$U={\∫}_r^{R_2}\mathrm{dU}={\∫}_r^{R_1}{E}_1\mathrm{dL}+{\∫}_{R_1}^{R_2}{E}_2\mathrm{dL}---\left(10\right)$

将E₁和E₂式代入积分得

$U=\frac{\mathrm{\τ}}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}\ln \frac{R_1}{r}+\frac{\mathrm{\τ}}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r2}}\ln \frac{R_2}{R_1}---\left(11\right)$

将τ＝Q/H代入上式

$U=\frac{Q}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r1}H}\ln \frac{R_1}{r}+\frac{Q}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r2}H}\ln \frac{R_2}{R_1}---\left(12\right)$

将(12)代入(1)得

$C=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r1}{\mathrm{\ϵ}}_{r2}H}{{\mathrm{\ϵ}}_{r2}\ln \frac{R_1}{r}+{\mathrm{\ϵ}}_{r1}\ln \frac{R_2}{R_1}}---\left(13\right)$

公式(13)即为两层电介质同轴柱状电容器的理论方程。

显然，电容量取决于电容器的结构参数和电介质的相对介电常数。若结构参数和ε_r1一定，第二层介质为油和水的混合液，则电容量与混合液之间的关系决定了同轴电容传感器响应的分辨能力。

地层水为矿化水，进入电容器在外电场的作用下，水分子转向极化产生极化电场，同时水中的正负离子发生迁移，产生附加电场，这两个电场方向相同，但与外电场的方向相反，当这两个电场都处于平衡状态时，电容器中的水为一个等势体，因此内外电极之间的电势差，就等于内电极表面与绝缘层外表面之间的电势差。为了验证电容中的矿化水做为等势体，作了如下实验：对同一电容器，其它结构参数不变，只改变R₂的大小，第二层介质为矿化水，当R₂增大时，所测电容量基本保持不变。水柱厚度不影响电容量的变化，表明其两侧电势差为零，是等势体，否则由式(13)可知电容要发生变化。因此第二层介质为矿化水时的电容量就是只有绝缘层时的电容量。

在低产液水平井中，由于油水两相在重力作用下自然分层，导致同轴电容传感器分辨率较低，特别是当含水率在50％以上时，或者说当水相将中心电极完全淹没时，传感器电容量即为全水值，该传感器将失去分辨能力。目前大庆油田已进入油田开发的中后期和三采阶段，水平井的流量通常很低，通常小于30m³/d，部分井见水后含水上升较快，这使同轴电容传感器无法满足水平井测量的需要。

如图2所示为采用同轴电容含水率测量传感器的含水率计在近水平低流量状态下含水率响应曲线，从曲线上可以看出，含水率计在低流量条件下几乎没有分辨率，这种情况由于水平井井眼轨迹的变化导致井眼较低部位的持水率较高将会表现的更加突出。

下面分析筒状电容传感器在低流量油水分层的情况下测量含水率分辨率降低的原因。如图3所示，筒状电容传感器为多层结构，由内到外依次为内绝缘层、金属层、外绝缘层和金属外壳。金属层和内绝缘层较薄，仅为1mm左右，金属层即为电极层，加激励电压，将其密封处理与外壳绝缘并引出导线，外壳接地。整个传感器呈圆筒状，流体在传感器内部轴向流动。保证现场测量强度要求的同时，每层的厚度都应尽量小，目的是增大流道宽度，便于流体分层流动，增大可测流量范围。金属层、外绝缘层以及金属外壳构成一完整的圆柱电容器，其电容量可按下式计算

$C_o=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_2{\mathrm{\ϵ}}_{o}L}{\ln (R_3/R_2)}---\left(14\right)$

如图3所示，此时设定R₂为金属层的外径，R₃为外绝缘层外径，ε₂为外绝缘层材料的相对介电常数，ε_o为真空的介电常数，L为电极层的长度，此部分电容值为一常量。

地层水和自来水中通常含有大量的导电离子，若r_cd为物质中传导电流与位移电流之比，根据电磁场理论，如果下式成立则该物质便可以认为是良导体。

$r_{\mathrm{cd}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_w}{{\mathrm{\ω\ϵ}}_o{\mathrm{\ϵ}}_w}>>1---\left(15\right)$

其中σ_w，ε_w为水的电导率和介电常数，ω为工作角频率。

在室温下，对于矿化度为400ppm的自来水，σ_w≈0.07(Ωm)^-1，取ε_w＝80，ω＝2π×10⁴Hz，按照公式(15)计算得r_cd≈1.6×10³。对于油井产出的地层水，矿化度较高，其r_cd值相比自来水更高。因此，自来水和地层水在低频下可视为良导体。

当油/水两相流体在水平管道中分层流动时，轻质相油流动于水面之上。由于水的导电性，在金属层、内绝缘层和水的外表面就构成一个电容。

如图4所示，流动通道中的水体，对传感器输出起作用的外表面可分为两个部分：S₁和S₂。

S₁、内绝缘层以及金属层构成一个电容，忽略交界面附近边缘效应及金属筒两端边界效应，其计算方法可以参照圆柱电容器的计算公式，即

$C_1=\frac{{\mathrm{\α\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_{o}L}{\ln (R_1/R_0)}---\left(16\right)$

其中如图3所示，R₀为内绝缘层内径，R₁为金属层内径，ε₁为内绝缘层材料的相对介电常数，α为中心角。

S2、油、内绝缘层以及金属层构成另一个电容，其值可用下式近似计算

$C_2=2{\∫}_0^{R_0\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2{\mathrm{\ϵ}}_{o}L}{(R_0\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}+\sqrt{{R_1}^2-t^2})}\mathrm{dt}---\left(17\right)$

假定内绝缘层材料与油具有相同的介电常数，这部分电容较小，对传感器的输出影响不大。

筒状电容传感器的等效电路为上述三部分电容的并联，如图5所示，其中C₁在感应油/水分界面变化时起主要作用。因此传感器的总的输出响应为

$C=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_2{\mathrm{\ϵ}}_{o}L}{\ln (R_3/R_2)}+\frac{{\mathrm{\α\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_{o}L}{\ln (R_1/R_0)}+2{\∫}_0^{R_0\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2{\mathrm{\ϵ}}_{o}L}{(R_0\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}+\sqrt{{R_1}^2-t^2})}\mathrm{dt}=f\left(\mathrm{\α}\right)---\left(18\right)$

持水率定义为某一长度的管子内水相占该段管子体积的百分比，含水率为单位时间内流经管道横截面流体中水的体积百分含量。受油水分层流动的过程中滑脱速度的影响，持水率和含水率不等，因此在现场应用之前要在多相流动态实验室标定仪器响应与含水率的关系图版。经几何计算可得持水率H_W同α的函数为

$H_w=\frac{\mathrm{\α}-\sin \mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}---\left(19\right)$

根据静态实验时所用传感器的结构尺寸和参数，取R₀、R₁、R₂、R₃、L分别为12.5、13.5、14.5、20.5、80mm，内外层有机绝缘介质及原油的相对介电常数为3.5，则由公式(18)、公式(19)得出传感器电容值相对持水率的理论曲线，如图6所示。动态研究在多相流水平实验装置上进行，油水混相总流量及油水含量配比可由实验装置上的流量计精确给出，因而可以获得仪器响应和标准含水率的关系。总流量在5m³/d～40m³/d范围内调节，含水率在0％～100％范围内调节。在给定流量和含水率下，记录仪器在混相时的输出，取其平均值，得到不同流量下仪器响应和含水率的关系图版。从图7上可以看出，流量20m³/d以上时失去了分辨率，并且在实验中发现，当流量3m³/d以下时也同样失去了分辨率，所以该传感器的应用的流量范围仍然不能满足水平井含水率测量要求。

针对上述同轴电容含水率测量传感器和筒状电容传感器在低流量油水分层情况下测量含水率时分辨率降低的不足，提出了采用筒状电容与同轴电容含水率测量传感器相结合的改进方案，即将同轴电容含水率测量传感器的电极杆居中内置于筒状电容传感器中，并将其与筒状电容传感器的金属电极相并联，使得筒状电容传感器与同轴电容传感器共同作用，当传感器内油水分层流动时，传感器的响应范围增加；在非分层流动的情况下，该结构增大了与油泡接触的有效面积，限制了油泡的活动范围，增加了油泡粘附几率，从而提高了测量分辨率。

正是基于上述考虑，本发明提出了组合型传感器，并进行了理论分析和仿真，开展了静态实验，并在模拟井上进行了实验验证。下面逐一给出各自的详细过程。

图8所示为本发明新提出的组合型传感器的轴向剖面示意图，由同轴电容含水率测量传感器和筒状电容传感器组合而成。同轴电容含水率测量传感器由内插电极棒和其外部包裹的绝缘层构成，筒状电容传感器由金属层电极和其外部包裹的绝缘层组成，将两个电极都做密封处理与外壳绝缘并引出导线接同一个激励，在电路上是并联方式，外壳接地。整个传感器呈圆环状，流体进入传感器后，在圆环内部轴向流动。图9所示为本发明新提出的组合型传感器的径向剖面示意图，图中由内到外依次为轴心金属电极，即图中0～R₀之间区域；轴心电极绝缘层，即图中R₀～R₁之间区域；内绝缘层，即R₂～R₃之间区域；金属层，即R₃～R₄之间区域；外绝缘层，即R₄～R₅之间区域；以及金属外壳。

下面首先进行本发明具有可行性的理论分析。为方便理论计算，假设传感器内为分层流，且忽略油水界面张力，界面水平。点A、B为油水界面与以R₁为半径的圆的交点，点C、D为油水界面与以R₃为半径的圆的交点。α为弦长CD对应的圆心角；β为弦长AB对应的圆心角。

本发明中所述的组合式电容传感器的等效电路图如图10所示，其中：

C_常——金属层与外壳之间的电容；

C_ew——金属层与S₁表面形成的电容，S₁面为在传感器有效长度范围内，与传感器外壳导通并与传感器内壁接触的连续水面；

C_pw——内插电极与S₃表面形成的电容，S₃面为在传感器有效长度范围内，与传感器外壳导通并与内插电极接触的连续水面；

C_ewb——C_ew在油/水界面附近的边界效果产生电容；

C_pwb——C_pw在油/水界面附近的边界效果产生电容；

金属层与外壳之间形成完整的圆柱电容器C_常，电容值可按照下式计算

其中，ε为外层绝缘介质相对介电常数，L为金属筒长度。

地层水为矿化水，进入电容器在外电场的作用下，水分子转向极化产生极化电场，同时水中的正负离子发生迁移，产生附加电场，这两个电场方向相同，但与外电场的方向相反，当这两个电场都处于平衡状态时，电容器中的水为一个等势体，因此内外电极之间的电势差，就等于内电极表面与绝缘层外表面之间的电势差。根据这一推论，可以推出C_ew和C_pw为：

$C_{\mathrm{ew}}=\frac{\mathrm{\β}{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_{0}L}{\ln (R_3/R_2)}---\left(21\right)$

$C_{\mathrm{pw}}=\left\{\begin{array}{c}0\mathrm{\Λ\Λ\Λ\Λ\Λ\Λ\Λ\Λ\Λ\Λ\β}\≤2\arccos \left(\frac{R_1}{R_2}\right)\\ \frac{\mathrm{\α\ϵ}{\mathrm{\ϵ}}_{0}L}{\ln (R_1/R_0)}\mathrm{\Λ\Λ\Λ}2\mathrm{\π}-2\arccos \left(\frac{R_1}{R_2}\right)\≤\mathrm{\β}\≤2\arccos \left(\frac{R_1}{R_2}\right),\mathrm{\α}=2\arccos \left(\frac{R_2}{R_1}\cos \frac{1}{2}\mathrm{\β}\right)\\ \frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_{0}L}{\ln (R_1/R_0)}\mathrm{\Λ\Λ\Λ\Λ\Λ\Λ\β}\≥2\mathrm{\π}-2\arccos \left(\frac{R_1}{R_2}\right)\end{array}\right.---\left(22\right)$

C_ewb，C_pwb含有两种绝缘介质，油和绝缘内层，等效为两个电容串联，其值较小；同理，C_ep值也较小，方便分析时他们可忽略不计。

经几何计算可得持水率H_W同α、β的函数为

$Y_w=\left\{\begin{array}{c}\frac{\frac{1}{2}(\mathrm{\β}-\sin \mathrm{\β})R_2^2}{S}\mathrm{\Λ\Λ\Λ\Λ\Λ\Λ\Λ\Λ\Λ\Λ\Λ\β}\≤2\arccos \left(\frac{R_1}{R_2}\right)\\ \frac{\frac{1}{2}\mathrm{\β}{R}_2^2-\frac{1}{2}\mathrm{\α}{R}_1^2-R_1{R}_2\sin \left(\frac{\mathrm{\β}-\mathrm{\α}}{2}\right)}{S}\mathrm{\Λ}2\mathrm{\π}-2\arccos \left(\frac{R_1}{R_2}\right)\≤\mathrm{\β}\≤2\arccos \left(\frac{R_1}{R_2}\right)\\ \frac{\frac{1}{2}\mathrm{\β}{R}_2^2-\mathrm{\π}{R}_1^2-\frac{1}{2}{R}_2^2\sin \mathrm{\β}}{S}\mathrm{\Λ\Λ\Λ\β}\≥2\mathrm{\π}-2\arccos \left(\frac{R_1}{R_2}\right)\end{array}\right.---\left(23\right)$

如果取R₂、R₃、R₄、R₅、L分别为1 2.5、1 3.5、14.5、20.5、80mm，为增大电极与油泡接触的有效面积，需要尽量地增加内插电极在流道中所占的比例，即R₁ ²/R₂ ²。根据以往的经验，在集流状态下，当流体流量大于仪器上限值时，整支仪器就会被流体推动，无法继续测量。Φ18传感器的流量上限为60m³/d，而组合式电容含水率计的流量上限是30m³/d，可推算出组合式电容含水率计的流道面积最小值为 $\frac{30\×\mathrm{\π}\×{\left(\frac{18}{2}\right)}^2}{60}=127{\mathrm{mm}}^2,$ 因此， $R_1^2/R_2^2\≤(1-127/\mathrm{\π}{R}_2^2)=0.744,$ 在下文中所提出的样机中使用的组合型传感器内插电极半径R₀、R₁分别取9mm、9.5mm。

根据静态实验时所用传感器的结构尺寸和参数，绝缘介质及原油的相对介电常数为3.5，由上式可以得出传感器电容值相对持水率的理论曲线，如图11所示。可见，持水率在0％～100％范围近于线性，分辨率均匀，特别在10％～90％得到了提高。

下面给出一个实施本发明的具体实施例。

为测得含水率，本发明所述的传感器需要和其它器件共同组合后使用。通常需要的器件有电路筒、集流器以及电机驱动和扶正器等，联接顺序为，集流器位于传感器之前，电路筒位于传感器之后。各个器件的作用分别为：传感器内径为25mm，扶正器可以使仪器在井筒中居中；电机驱动装置则是集流器的驱动电路，可以控制集流器的收放。电路筒中主要包括激励电路、信号处理电路和功率放大电路三部分。如图12，所示其中，供电和信号采集共用同一跟电缆，稳压电源MC7812CT负责为其他器件供电。传感器被接入555时基电路中，作为其可变电容，555时基电路的输出为矩形波，其频率与本发明所述传感器的电容值呈反比例线性关系。矩形波通过4093整形电路后，以脉冲波形式输出。最后，功率放大电路采用集成功放LM386-n，可以提高整个电路的带载能力。

如图8所示，即是本发明与测井仪器配套后形成的样机的部分结构剖视图，其中可见，本发明所述的组合型传感器包括具有金属外壳2、外绝缘筒3、金属筒状电极4、内绝缘筒5、进液口6以及出液口1的筒状电容传感器，其独特之处在于：在所述筒状电容传感器中的中心位置内置一根同轴电容传感器的电极杆7，所述电极杆7由内插电极棒和其外部包裹的绝缘层构成；将所述电极杆7中的内插电极棒与所述金属筒状电极4相并联，即将两个电极都做密封处理与金属外壳2绝缘并引出导线接同一个激励，在电路上是并联方式，所述金属外壳2做为接地端。

所述外绝缘筒3的加工材料采用有机绝缘介质聚酰亚胺。加工方法是在厚度为8mm的环形圆筒内部，从距离一端20mm处至另一端削去2mm厚度，形成变径，这是为了在其内部插入金属筒状电极4和内绝缘筒5。内绝缘筒5加工材料采用有机绝缘介质聚酰亚胺。其内径与外绝缘筒相同，厚度约1mm，筒的根部留出5mm长、2mm厚的变径，这是为了能让内绝缘筒插入外绝缘筒之中时，正好卡在外绝缘筒的变径处。金属筒状电极4，采用拉丝不锈钢材料，厚度为1mm，将其插入内、外绝缘筒之间1mm的空隙之中。然后加入挡环，采用聚酰亚胺材料，起密封作用，防止油和水的渗入。最后加上压环，采用拉丝不锈钢材料，目的是为了加固各个组件，防止其松动；

电极杆7中的内插电极棒采用铜金属，外绝缘层采用热缩管塑料。电极杆的头部加工成球形，目的是为了减少电极杆对流态的影响；电极杆根部“o”型圈起密封作用，防止流体从根部的塑料外皮和电极杆之间的空隙中渗入电极杆；在内插电极棒的根部引出一根导线，然后利用一定厚度的热缩管将内插电极棒全部密封起来，形成同轴电容传感器，导线和电路筒内的电路连接；金属筒状电极4引出一根导线，然后密封于内绝缘筒与外绝缘筒形成的密封腔内，引出的导线通过密封塞与电路筒内的电路连接，与内插电极棒并联连接。密封过程中要保证同轴内电极和金属筒状电极与流体绝对绝缘，金属外壳2及连通的水作为筒状电容传感器与同轴电容传感器相结合的传感器的回路的地。两个电极通过导线连接至同一个电路上，与外壳地共同组成一个等效并联电容器，电容量随流过流体的油水界面或含水率变化而变化，因此可用于测量含水率。

下面是验证本发明所述传感器具有有效性的静态实验和动态实验：

静态实验采用水平高度法实验装置，该装置两端可以将液体封在装置内，同时一端可以把测试帽引线引出来实现对仪器供电和信号传出，将实验样机水平居中放置实验装置内，实验中以柴油和清水为介质，先向实验装置中倒入柴油直至柴油完全浸泡仪器再向容器内注入清水，每次50ml，传感器内水面会逐渐升高，即含水率增加；将水逐渐放掉，每次抽出50ml，水面就逐渐下降，即持水率降低。图13给出了传感器输出响应与水面高度的关系图，根据图13可知该含水率计传感器的输出响应随水面升高而单调递增或随水面的降低而单调减小，即随含水率的增加而增加或随含水的降低而降低，呈线性关系，并且在含水率0％～100％范围都有好的分辨率。

动态实验采用大庆油田测试技术服务分公司水平模拟井及地面相关设备，油井综合参数测试仪，电脑一台。实验方法如下：

1)将实验样机放入水平放置的模拟井筒中，以水和柴油作为实验介质。首先进行集流，封闭仪器和模拟井筒之间的空间，迫使流体由进液口进入仪器内部，流体流经传感器后，再由出液口流出。

2)实验中配给流量调节为3m³/d、5m³/d、10m³/d、15m³/d、20m³/d、25m³/d、30m³/d，各流量下含水率调节为10％、30％、50％、70％、90％和100％。

3)使用油井综合参数测试仪采集仪器输出频率，用笔记本电脑记录并存储数据。

4)将每种情况下含水率传感器输出的频率值取平均，并进行归一化，从而获得仪器含水率响应与配比含水率的关系。

5)归一化的方法是：找到所有频率之中的最大值f_max和最小值f_min，将每一个流量、含水所对应的频率值f带入到公式： $Y=\frac{|f-f_{\max }|}{f_{\max }-f_{\min }}$ 中，得到归一化响应Y，Y的范围在0～1之间，最后用Y、流量和含水率三个参数制作图版。

图14所示，是应用本种组合式传感器后的含水率计水平条件下响应标定图版，图中各条曲线代表不同的含水率。由图可见，在流量在3m³/d～30m³/d、含水率在0～100％范围内传感器都有分辨率。

通过以上分析可知，尽管本发明申请看上去只是增加了一个小部分，但是，却能够带来意想不到的实际效果，解决了实际生产测井中的大问题。

Claims (2)

1.一种应用于油井含水率测量的组合型传感器，包括具有金属外壳(2)、外绝缘筒(3)、金属筒状电极(4)、内绝缘筒(5)、进液口(6)以及出液口(1)的筒状电容传感器，其特征在于：在所述筒状电容传感器中的中心位置内置一根同轴电容传感器的电极杆(7)，所述电极杆(7)由内插电极棒和其外部包裹的绝缘层构成；将所述电极杆(7)中的内插电极棒与所述金属筒状电极(4)相并联，即将两个电极都做密封处理与外壳绝缘并引出导线接同一个激励，在电路上是并联方式，所述金属外壳(2)做为接地端。

2.根据权利要求1所述的应用于油井含水率测量的组合型传感器，其特征在于：所述外绝缘筒(3)和内绝缘筒(5)之间空隙为1mm，材料均为有机绝缘介质聚酰亚胺；所述金属筒状电极(4)为拉丝不锈钢，厚度为1mm，插入所述内、外绝缘筒(5，3)之间的空隙中；所述电极杆(7)的头部为球形，其中的内插电极棒为铜金属，外绝缘层采用热缩管塑料。

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