CN102608175A - 一种注汽井干度在线测量专用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的是一种注汽井干度在线测量专用装置，这种注汽井干度在线测量专用装置由电容传感器、温度传感器、压力传感器、信号处理器、单片机、存储器、计算机构成，电容传感器、温度传感器、压力传感器分别与信号处理器连接，信号处理器连接单片机，单片机连接计算机；信号处理器、单片机、存储器安装在电路板上，电路板和供电电池安装保温瓶内，电容传感器为筒式的，电容传感器一端与保温瓶固定连接，另一端固定有温度传感器、压力传感器。本发明采用圆筒形电容传感器测量蒸汽湿度，是利用水和蒸汽介电常数的不同进行湿蒸气干度测量的，测量系统简单，无需抽汽采样，对环境要求不高，设备造价低廉，操作过程简便。

Description

一种注汽井干度在线测量专用装置
一、     技术领域：
本发明涉及的是注汽式油井干度参数在线测试仪器，具体涉及的是一种注汽井干度在线测量专用装置。
二、背景技术：  
稠油具有黏度高、分布不均的特点，通常开采的方法是向油井中注入高温、高压蒸汽，待石油呈流状后再加以开采，蒸汽注入过程中其干度的变化值是判断油层分布的重要资料，同时也是合理利用蒸汽资源的重要参考依据。注入的蒸汽温度和压力一般在300℃和20 MPa左右。因此，测试仪器是处于高温、高压和剧烈震荡环境中工作的，这势必对干度测试仪提出较为苛刻的要求。
现有主要的测量方法包括: 氯根法、热力学法、光学法、示踪剂法、电导率法、分离法、临界速度法以及孔板测量法等， 较为常用流动湿蒸气湿度测量的方法是氯根法、热力学法、光学法和示踪剂法，不适应井下空间狭小、高温、高压等环境条件，本装置采用电容法解决了上述问题。
氯根法使用该方法时需要配制标准试剂, 分别对锅水和蒸汽进行采样、滴定和计算, 测量过程复杂、耗时长且误差较大。
热力学法是自20 世纪60 年代开始发展起来的根据热力学理论测量蒸汽湿度的一系列方法。热力学法主要包括: 节流法、凝结法、加热法、蒸汽- 空气混合法等，它们都属于抽汽取样法, 即从蒸汽的主汽流中抽取蒸汽试样,然后引向测量段。热力学法均需要从湿蒸气的主汽流中抽取部分试样, 然后引向测量段进行测量, 故不能实现在线测量, 测量过程耗时长。由于蒸汽试样的抽取要能充分代表主汽流的状态, 所以热力学法的测量精度不但取决于测量环节, 还要受到试样抽取环节的影响。
光学法，蒸汽湿度的光学测量法是建立在光的散射原理基础上的，其基本原理是光线通过含有细微颗粒的均匀介质时，一部分光产生散射现象，另一部分光被颗粒吸收。光学湿度测量法主要分为两类: 角散射法和全散射法( 或称消光法)。
不能否定光学法应用于湿度测量时的优越性， 如: 能够实现在线实时测量, 探针外形较小等， 但要真正推广还受到很多限制。由于湿蒸气流中水滴的大小不同,分布不均匀， 所以会造成光学法测量结果的随机性很强；鉴于实际可用光的波长限制，光学法通常只能对湿蒸气中直径小于3微米的水滴进行测量，造成测量结果低于真实值；光学法对测量环境的要求十分严格，光学法的成功关键之一就是要保持光学窗口的洁净, 保证窗口不能与油污和水接触, 这一点在实际测量中是很难实现的； 测量设备造价较高，并且对测量现场的仪器配置和测量条件要求很高。
示踪剂法而对于放射性示踪法来讲， 还必须要有放射性物质持有和使用中所需要的特别许可证明和相应的必要防护及危害处理程序，在实际使用过程中，放射性同位素示踪物质的选用、运输、配置、注入和取样都需要专门的人员和设备，运行成本昂贵。
三、发明内容：
本发明的目的是提供一种注汽井干度在线测量专用装置，它用于解决解决注汽式油井干度参数在线测量问题，掌握油井蒸汽注入情况。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种注汽井干度在线测量专用装置由电容传感器、温度传感器、压力传感器、信号处理器、单片机、存储器、计算机构成，电容传感器、温度传感器、压力传感器分别与信号处理器连接，信号处理器连接单片机，单片机连接计算机；信号处理器、单片机、存储器安装在电路板上，电路板和供电电池安装保温瓶内，电容传感器为筒式的，电容传感器一端与保温瓶固定连接，另一端固定有温度传感器、压力传感器。
上述方案中单片机采用模块化结构，分为主模块、参数测量模块、数据接收模块、数据发送模块、无线通信模块和系统自检模块。
上述方案中温度传感器采用热电偶传感器。
上述方案中压力传感器采用蓝宝石压力传感器。
有益效果：
本发明采用圆筒形电容传感器测量蒸汽湿度，是利用水和蒸汽介电常数的不同进行湿蒸气干度测量的，测量系统简单，无需抽汽采样，对环境要求不高，设备造价低廉，操作过程简便，是一种值得研究开发的蒸汽湿度在线测量方法。标定试验结果表明， 这种圆筒形电容传感器静态特性稳定，在88%的湿干度范围内，汽流湿度与输出频率差之间呈现出一种较为明显的非线性关系。
四、附图说明：
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明中电容传感器的结构示意图；
图3饱和水蒸气介电常数随温度变化图；
图4饱和水介电常数随温度变化图；
图5饱和水介电常数随压力变化图；
图6饱和水蒸气介电常数随压力变化图；
图7本发明中电容传感器测量原理示意图；
图8本发明被下放到油井中的示意图；
图9本发明保温瓶与、电路板、电容传感器连接关系示意图。
1保温瓶  2供电电池  3电路板  4电容传感器  5温度传感器  6压力传感器  7油井  8钢缆  9电缆车。
五、具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1所示，这种注汽井干度在线测量专用装置由电容传感器、温度传感器、压力传感器、信号处理器、单片机、存储器、计算机构成，电容传感器、温度传感器、压力传感器分别与信号处理器连接，信号处理器连接单片机，单片机连接计算机；信号处理器、单片机、存储器安装在电路板上，电路板3和供电电池2安装保温瓶1内，参阅图2，电容传感器4为筒式的，电容传感器4一端与保温瓶1固定连接，另一端固定有温度传感器5、压力传感器6。 
温度传感器采用热电偶，可以满足高温测量，压力传感器通过降温系统降低压力传感器表面温度，可以采用低温度压力传感器，介电常数测量采用筒式电容器。为了保证检测数据的准确、实时、一致性以及数据分析计算的准确性，数据采集存储后采用计算机进行数据的采集与处理。
本发明单片机采用模块化结构，分为主模块、参数测量模块、数据接收模块、数据发送模块、无线通信模块和系统自检模块等。单片机在井下独自完成控制工作，获取的采样参数值必须与系统所处的油井深度成严格的对应关系。采取以时间为同步基准的方法，通常，在井中是每隔固定时间测量一次参数并存储，即得到被测参数值与时间一一对应的关系曲线；井面工作人员按照一定的速度下放本装置，同样得到本装置下放深度与时间上的对应关系，这样就解决了油井深度与参数测量值的对应关系问题。结合图8、图9所示，本发明下放到油井中，是通过将保温瓶1与钢缆8连接在一起，地面上有电缆车9，通过操作将电缆车上的钢缆8下放，将本装置中电容传感器4、温度传感器5、压力传感器6、电路板3下放到油井7中，获取数据并被储存，然后通过钢缆8将本装置中电容传感器4、温度传感器5、压力传感器6、电路板3从油井中7上提回地面，将单片机与计算机连接，在地面进行计算机数据反演得到干度数值。
根据电磁学知识，电容器在极板面积和极板间距不变的情况下，电容量的大小只与电容器内电介质的介电常数大小有关。由于饱和湿蒸气的温度和压力都较高，电路板3放置于保温瓶中，工作环境温度为70-80摄氏度左右，为在线电路测量实现了可能。
一定温度和压力下，水和水蒸气的介电常数有很大差别，如在 1 个大气压下，水和饱和水蒸气的介电常数分别为 55.527 和 1.006。如果在电容传感器中，湿蒸汽作为传感器中的介质，如图7所示，则随着流过的蒸汽湿度的变化，其等效介电常数会发生改变，从而导致传感器的电容量也会随之变化。通过测量电容器的电容量变化，就可以得到干度的变化和变化趋势。
所谓干度，是指每千克湿蒸汽中含有干蒸汽的质量百分数，如下式给出：
Figure 596474DEST_PATH_IMAGE001
              
其中X是干度，
Figure 496296DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 90DEST_PATH_IMAGE003
分别表示饱和湿蒸汽流中水滴的质量和水蒸气的质量。
如果假设湿蒸气中饱和水和水蒸气的密度分别为
Figure 301758DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 600016DEST_PATH_IMAGE007
，其单位体积中，体积百分比分别为
Figure 987135DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 796084DEST_PATH_IMAGE011
，（
Figure 624363DEST_PATH_IMAGE012
）对于一定筒式结构的电容器其外径为R2，内径为R1的电容
     
Figure 421418DEST_PATH_IMAGE013
               
      
Figure 967937DEST_PATH_IMAGE014
    
那么根据李赫田纳科（Lichtenecker）公式
Figure 141429DEST_PATH_IMAGE015
                 
在一定温度、压力下，若
Figure 89793DEST_PATH_IMAGE016
为湿蒸汽待测介电常数，
Figure 57749DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 590100DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 301704DEST_PATH_IMAGE017
、由IAPWS-IF97查表可得。可求得：
Figure 243432DEST_PATH_IMAGE019
          
于是可求得干度。
本发明测量干度的过程中，电容传感器的设计是关键，湿蒸气中水蒸气含量和水滴含量影响电容非常小，加之容易受外界电磁环境，介质成为不纯净等的干扰，所以要设计一种更加符合现场测试的传感器。鉴于井下测量，本设计采用筒式电容传感器。相对于其他形式的电容器来说，筒式电容器的边缘电容效应小，也更容易实现还现场应用。
筒式电容器的电容为：
 
Figure 764543DEST_PATH_IMAGE020
   。    
本发明能够获得干度的准确值是一个复杂的计算过程。我们通过查询IAPWS-IF97查找水和水蒸气在不同温度，压力下的数据表，然后运用计算软件，进行数据多元非线性回归，规划出在一定温度、压力范围内的实用线性方程，在特定范围内形成具有一定误差的通用公式。
假设水的介电常数
Figure 14259DEST_PATH_IMAGE021
，那么对
Figure 937216DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 686122DEST_PATH_IMAGE023
进行阶多项式展开，留取固定阶数，然后将IAPWS-IF97中的实际数据代入方程式，形成如下矩阵：
Figure 747936DEST_PATH_IMAGE025
          
其中，
Figure 525399DEST_PATH_IMAGE026
为IAPWS-IF97中介电常数，
Figure 6059DEST_PATH_IMAGE027
为待求系数，然后进行规划
Figure 236183DEST_PATH_IMAGE028
。利用这种方法及已有数据进行回归计算得到。
表一二元方程系数表
 
Figure 529499DEST_PATH_IMAGE029
Figure 223786DEST_PATH_IMAGE030
 1
Figure 813030DEST_PATH_IMAGE031
Figure 191239DEST_PATH_IMAGE033
Figure 740032DEST_PATH_IMAGE034
Figure 765756DEST_PATH_IMAGE035
Figure 460219DEST_PATH_IMAGE036
Figure 659119DEST_PATH_IMAGE037
Figure 102DEST_PATH_IMAGE034
Figure 259045DEST_PATH_IMAGE038
Figure 951057DEST_PATH_IMAGE039
Figure 688069DEST_PATH_IMAGE040
Figure 578982DEST_PATH_IMAGE041
Figure 469632DEST_PATH_IMAGE043
Figure 52557DEST_PATH_IMAGE045
Figure 570520DEST_PATH_IMAGE046
Figure 68497DEST_PATH_IMAGE047
Figure 512248DEST_PATH_IMAGE048
Figure 728466DEST_PATH_IMAGE049
Figure 548654DEST_PATH_IMAGE050
Figure 901138DEST_PATH_IMAGE051
Figure 781369DEST_PATH_IMAGE052
Figure 655522DEST_PATH_IMAGE053
Figure 13822DEST_PATH_IMAGE054
Figure 2012101086388100002DEST_PATH_IMAGE055
1
Figure 424075DEST_PATH_IMAGE056
Figure 2012101086388100002DEST_PATH_IMAGE057
Figure 209628DEST_PATH_IMAGE058
通过四种不同温度、不同压力下仿真结果如图3-6所示，结果表明饱和湿蒸汽在60%~90%测量效果显著。
本发明通过检测当前筒式电容传感器数值、温度、压力三个参量，通过理论公式计算当前介质的干度。检测电容传感器数值采用相位检测法，精度高、系统稳定，温度检测采用热电偶传感器检测温度，压力传感器采用蓝宝石压力传感器；检测数据进行存储后，在地面进行计算机数据反演得到干度数值。

Claims (3)

1.一种注汽井干度在线测量专用装置，其特征在于：这种注汽井干度在线测量专用装置由电容传感器、温度传感器、压力传感器、信号处理器、单片机、存储器、计算机构成，电容传感器、温度传感器、压力传感器分别与信号处理器连接，信号处理器连接单片机，单片机连接计算机；信号处理器、单片机、存储器安装在电路板（3）上，电路板（3）和供电电池（2）安装保温瓶（1）内，电容传感器（4）为筒式的，电容传感器（4）一端与保温瓶（1）固定连接，电容传感器（4）另一端固定有温度传感器（5）、压力传感器（6）。
2.根据权利要求1所述的注汽井干度在线测量专用装置，其特征在于：所述的温度传感器（5）采用热电偶传感器。
3.根据权利要求2所述的注汽井干度在线测量专用装置，其特征在于：所述的压力传感器（6）采用蓝宝石压力传感器。
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