CN104141491A - 一种基于共面微带传输线法井下原油含水率检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于共面微带传输线法井下原油含水率检测装置，属于测量技术领域。它包括仪器外壳，所述仪器外壳内设有传感器，所述仪器外壳一端开有进液孔，所述仪器外壳两侧分别开有出液孔，所述传感器设置在仪器外壳内的所述进液孔至出液孔的流道上，所述传感器包括矩形敷铜板，所述矩形敷铜板上设有呈S型布置的共面微带传输线，所述共面微带传输线的始端和终端分别通过射频同轴电缆与高频相位差检测电路连接，所述高频相位差检测电路与含水率计算电路连接，所述含水率计算电路通过数据传输系统与计算机连接。本发明采用的是共面微带型传输线传感器测量原油含水率，由于共面微带型传输线体积小，结构简单，耐高温高压。

Description

一种基于共面微带传输线法井下原油含水率检测装置

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种基于共面微带传输线法井下原油含水率检测装置。

背景技术

在石油开采的过程中，为了了解注采井网中每个小层的产出情况，就需要将检测仪器放置在井下对应的层位进行含水率测量。井下原油含水率资料可了解注采井网中采油生产井各个产层的产出情况，包含产出流体的种类和产出量信息，了解是否发生注入水突进或气体突进，注入是否起到了驱油效果等等，由此可以调整井下射孔层的封堵，提高油气产量。因此，井下原油含水率在线实时检测能够迅速准确地反应出油井的工作状态，是评价一个油井开采价值及制定合理的开采方案的重要依据。现有测量原油含水率主要是通过电容法、电导法、密度法、射线法、电磁波法等原油在线连续测量仪器。

电容法含水率检测是建立在油水介电常数差异较大的基础上的，当含水原油在电容器极板间流过，原油作为电容器的介质，其介电常数随含水率的不同而发生变化，电极间介质的介电常数变化，导致电容值发生改变。但是电容法的量程范围小，可调性差，容易受周围环境影响，设计时需要考虑寄生电容的干扰，同时要进行温度补偿，矿化度影响修正。因此，电容探头一般适用于恒温、不含气原油、含水率<30％的情况。

电导法是一种根据油、水两相电导率的差异测量含水率的方法，又称阻抗法。电导法适合于水为连续相情况下工作，当被测流体中的水为非连续相时，仪器无法正常工作。因此，一般认为含水率的测量范围为50％～100％，精度在±3％左右。

密度法的原理是利用油与水密度不同，将油与水看作不相容的两种液体，当油与水按不同比例混合时，得到的混合物密度也不同。根据油和水的混合密度进而推算出原油含水率。目前常用的密度计主要有差压式密度计和Coriolis流量计。差压法受两相的流型及混合黏度的影响，使得该方法的测量效果并不理想。由于Coriolis流量计中振动管结构复杂，导致其中流动特性复杂，很小的气体也可能使得振动信号异常，因此受含气的影响较大。

射线法含水率计主要应用于油田计量站间的计量，但是由于射线法含有辐射源，且存在生物防护和放射源管理问题，使用和维护费用昂贵等缺点。从现场应用情况来看，前期精确度较高，但后期缺乏专业维护，应用情况不是很理想。另外，由于温度对射线法测量精度影响较大，大多数射线法均用于地面原油管道中含水率的在线测量，受到井下高温和空间的限制，未见将该方法应用于生产测井的报道。

电磁波的方法可用来来检测原油含水率，根据电磁波频率的高低，可分为：短波法、传输线法和微波法。短波是指频率为3～30MHz的无线电波，短波法含水率测量范围0～100％。由于短波天线探头制作复杂，成本高，使用和维护困难，在现场调试工序也比较繁琐，鉴于上述原因，短波法在近几年内实际使用较少。微波是指频率在300MHz～3000GHz的无线电波，微波最大的优点就是穿透能力强，可以通过空间辐射的方式穿过介质的内部，具有作用速度快、时间短、效率高等显著优点，非常适合在线检测，但是由于微波法比较复杂，成本和维修费用高，对使用和维护造成了困难，实际使用较少。由于传输线内的电磁场是规则的，因此适合于接触式含水率测量。传输线的形式很多，常用的传输线传感器分为波导式、同轴式、带状线式和微带式等。对于传输线法而言，提高电磁波的频率可以减小甚至消除矿化度对测量误差的影响，然而将电磁波的频率提高到微波段(≥300MHz)，将带来仪器结构复杂，成本高等一系列问题。折中考虑仪器工程化实际需求以及减小矿化度误差的影响，通常采用的电磁波激发频率介于短波与微波之间，即30～300MHz之间。

综上所述，通过上述方法在油田的开采到了中后期，原油的含水率普遍偏高的条件下，检测原油的含水率并不是特别有效。就电容法和电导法来说，含水率测量范围分别为<30％和50％～100％，不满足全范围检测的要求，而密度法虽然能够在全范围内进行检测，但是原油中少量的气和砂对测量结果影响较大，因此也不适合用于井下测量；射线法存在射线辐射安全问题，短波法结构复杂，设备昂贵，二者共同的问题是造价较高，使用和维修困难，因此已经逐渐被市场淘汰；对于微波法而言，探测器尺寸较大，不满足生产测井中过环空测井的尺寸的要求；传输线法尺寸较小，结构简单，在高含水率条件下具有良好的分辨率。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种结构简捷、能够在全范围内正常工作、且在高含水率条件下具有良好的分辨率的基于共面微带传输线法井下原油含水率检测装置。

本发明采用的技术方案是：包括仪器外壳，所述仪器外壳内设有传感器，所述仪器外壳一端开有进液孔，所述仪器外壳两侧分别开有出液孔，所述传感器设置在仪器外壳内的所述进液孔至出液孔的流道上，所述传感器包括矩形敷铜板，所述矩形敷铜板上设有呈S型布置的共面微带传输线，所述共面微带传输线的始端和终端分别通过射频同轴电缆与高频相位差检测电路连接，所述高频相位差检测电路与含水率计算电路连接，所述含水率计算电路通过数据传输系统与计算机连接。

上述方案中，共面微带传输线的等效长度决定其测量的分辨率，故在微小测量空间基片面积有限的情况下，可将共面微带传输线的形状设计成首尾相连的S型，并通过增加S型共面微带传输线的等效长度提高分辨率。

进一步优选的结构，所述共面微带传输线包括介质基片，所述介质基片上设有凸起于介质基片的中心导体带，所述中心导体带两侧设有与中心导体带平行的凸起于介质基片的导体平板，所述中心导体带与导体平板之间设有间距。

上述方案中，由于共面微带传输线的中心导体带与导体平板位于同一平面内，因此，其结构具有设计灵活，易于集成、容易安装、方便焊接、方便共面波导TEM波传播，没有截止频率的特点。

进一步优选的结构，所述传感器的矩形敷铜板上设有信号连接端口，所述共面微带传输线的始端和终端分别通过信号连接端口与射频同轴电缆连接。

进一步优选的结构，所述微带传输线与射频同轴电缆连接的信号连接端口外设有密封防水装置。

进一步优选的结构，所述仪器外壳为圆柱形钛钢钢管。

本发明采用的是共面微带型传输线传感器测量原油含水率，由于共面微带型传输线体积小，结构简单，耐高温高压，因此非常适合应用于井下温度高、空间小的测量环境中。在有限的传感器面积上，通过将共面微带传输线设计成多段首尾相连的S型形状，能够有效地提高单位面积上的等效长度，进而提高含水率的分辨率。共面微带型传输线传感器能够在原油含水率从0％至100％全范围内正常工作，且在高含水率条件下达到1％的分辨率。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明传感器结构示意图；

图3为本发明利用传感器测量原油含水率原理图；

图4为本发明共面微带传输线结构俯视图；

图5为本发明共面微带传输线结构侧视图

图6为本发明共面微带传输线始端和终端电磁波信号波形图。

图中，1—仪器外壳；2—传感器(2.1—矩形敷铜板；2.2—共面微带传输线；2.21—介质基片；2.22—中心导体带；2.23—导体平板；2.3—信号连接端口；2.4—密封防水装置)；3—射频同轴电缆；4—高频相位差检测电路；5—含水率计算电路；6—数据传输系统；7—计算机；8—进液孔；9—出液孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1、图2所示，本发明包括仪器外壳1，所述仪器外壳1内设有传感器2，所述仪器外壳1一端开有进液孔8，所述仪器外壳1两侧分别开有出液孔9，所述传感器2设置在仪器外壳1内的所述进液孔8至出液孔9的流道上，所述传感器2包括矩形敷铜板2.1，所述矩形敷铜板2.1上设有呈S型布置的共面微带传输线2.2，所述共面微带传输线2.2的始端和终端分别通过射频同轴电缆3与高频相位差检测电路4连接，所述高频相位差检测电路4与含水率计算电路5连接，所述含水率计算电路5通过数据传输系统6与计算机7连接。

如图2、图4、图5所示，所述共面微带传输线2.2包括介质基片2.21，所述介质基片2.21上设有凸起于介质基片2.21的中心导体带2.22，所述中心导体带2.22两侧设有与中心导体带2.22平行的凸起于介质基片2.21的导体平板2.23，所述中心导体带2.22与导体平板2.23之间设有间距。所述传感器2的矩形敷铜板2.1上设有信号连接端口2.3，所述共面微带传输线2.2的始端和终端分别通过信号连接端口2.3与射频同轴电缆3连接。所述微带传输线2.2与射频同轴电缆3连接的信号连接端口2.3外设有密封防水装置2.4。

所述仪器外壳1可为直径为21mm的圆柱形钛钢钢管。

所述共面微带传输线2.2表面涂覆一层介电常数大，电导率小的绝缘介质，能够有效地克服地层水矿化度对含水率测量结果的影响。

为了减少共面微带传输线2.2与射频同轴电缆3之间因阻抗不匹配而产生的多次反射，在空气中时，宜将共面微带传输线的特性阻抗设计成接近50Ω。

高频相位差检测电路4采用混频器，通过混频的方法将高频条件下难以测准的时间差进行放大，并搬移到中频段测量，能够显著提高测量精度。高频相位差检测电路4包含一种频率为120MHz，幅度为800mV的高频正弦信号源。

本发明仪器外壳1用于将传感器2与高频相位差检测电路4有机地固定在一起，并形成一定的流体通道，让原油液体流经传感器2，传感器2与高频相位差检测电路4之间有密封装置2.4，防止原油液体流入到测量电路中。

本发明的工作原理：基于原油的含水率与其等效介电常数呈单调递增的关系，根据共面微带传输线导体之间介质的介电常数会引起传输线传输特性变化的原理，当含水原油流经共面微带传输线时，不同含水率的原油导致传输线传输特性的变化，进而引起传输线上传播的电磁波相位发生偏移，因此通过测量微带传输线输入和输出两端电磁波相位差可准确地检测原油含水率。

本发明的工作过程：结合图3所示，由高频相位差检测电路4信号源提供高频电磁波激励信号，经过射频同轴电缆3至共面微带传输线2.2的始端，电磁波信号经过共面微带传输线2.2，当不同含水率原油液体流经该传感器2时(图中箭头方向为原油液体流动方向)，引起共面微带传输线2.2的传输特性发生变化，电磁波在共面微带传输线2.2上以TEM波形式传输并发生相位偏移，通过射频同轴电缆3将共面微带传输线2.2终端信号引出至高频相位差检测电路4，高频相位差检测电路4计算出共面微带传输线2.2始端与终端高频信号的相位偏移值，相位偏移结果送至含水率计算电路5，并经过数据传输系统6至计算机7，计算机7完成最终含水率结果显示与存储。在射频同轴电缆3的输入端V_s(t)和输出端V_r(t)，形成如图6所示的波形，波形间的相位偏移值与含水率呈单调递增关系。

本发明使用方法是：通过滑轮组和铠装电缆吊装，装置经油管与套管之间的环形空间下放至井下待测层位最底端。操作人员在地面操作缆车，将该装置以不大于600米/小时的速度匀速上提。装置通过流体通道获得当前深度的原油含水率信息，并将该信息调制成双极性曼彻斯特码，通过几千米长度的铠装电缆传输至地面解调系统，最终由地面计算机记录并显示当前深度的原油含水率信息。装置的结构简单，在高含水率条件下具有良好的分辨率，为产出剖面测井提供了一种有效的原油含水率检测手段。

本发明在含水率0％～80％范围内测量精度为3％，含水率80％～100％范围内测量精度为1％。

本发明也可以用于以下场合：1、地面原油管道含水率在线测量。2、当某种液体的介电常数与水存在较大差异时，可用于该液体与水混合物的含水率测量。3、当某种固体的介电常数与水存在较大差异时，可用于该固体的含水率测量。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于共面微带传输线法井下原油含水率检测装置，包括仪器外壳(1)，其特征在于：所述仪器外壳(1)内设有传感器(2)，所述仪器外壳(1)一端开有进液孔(8)，所述仪器外壳(1)两侧分别开有出液孔(9)，所述传感器(2)设置在仪器外壳(1)内的所述进液孔(8)至出液孔(9)的流道上，所述传感器(2)包括矩形敷铜板(2.1)，所述矩形敷铜板(2.1)上设有呈S型布置的共面微带传输线(2.2)，所述共面微带传输线(2.2)的始端和终端分别通过射频同轴电缆(3)与高频相位差检测电路(4)连接，所述高频相位差检测电路(4)与含水率计算电路(5)连接，所述含水率计算电路(5)通过数据传输系统(6)与计算机(7)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于共面微带传输线法井下原油含水率检测装置，其特征在于：所述共面微带传输线(2.2)包括介质基片(2.21)，所述介质基片(2.21)上设有凸起于介质基片(2.21)的中心导体带(2.22)，所述中心导体带(2.22)两侧设有与中心导体带(2.22)平行的凸起于介质基片(2.21)的导体平板(2.23)，所述中心导体带(2.22)与导体平板(2.23)之间设有间距。

3.根据权利要求1所述的一种基于共面微带传输线法井下原油含水率检测装置，其特征在于：所述传感器(2)的矩形敷铜板(2.1)上设有信号连接端口(2.3)，所述共面微带传输线(2.2)的始端和终端分别通过信号连接端口(2.3)与射频同轴电缆(3)连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于共面微带传输线法井下原油含水率检测装置，其特征在于：所述微带传输线(2.2)与射频同轴电缆(3)连接的信号连接端口(2.3)外设有密封防水装置(2.4)。

5.根据权利要求1所述的一种基于共面微带传输线法井下原油含水率检测装置，其特征在于：所述仪器外壳(1)为圆柱形钛钢钢管。