CN109779603A - 高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率测量装置，采用的电容传感器为弧形对壁高频电容传感器，包括激励电极，接收电极及屏蔽层，激励电极与接收电极呈对壁式固定于20mm外径为30mm的管道外壁上，经优化的激励电极张角为120°，长度为200mm，屏蔽层长度为200mm，屏蔽层内径40mm，厚度0.5mm。在此参数下电容传感器的激励频率为1.8GHz；测量电路包括高频信号源、功分器和相位检测模块。

Description

高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率测量装置

技术领域

本发明涉及油田开发过程中油井动态监测领域中高含水低流速油水两相流持水率高分辨测量方法。

背景技术

油水两相流流动现象广泛存在于自然界与工业生产中，随着油田开采的持续发展，现阶段的油田开采已经进入了高含水开采阶段，由于地层中本身含有的大量地层水和长期的注水开采，许多油田的平均含水率已超过90％，低产低渗现象严重，大多数油田呈现低流速高含水生产特点，准确测量较高含水率条件下的油水两相流持水率具有重要的实际应用价值。然而，由于低流速油水两相流相间滑脱现象明显，局部浓度和速度分布不均匀，准确测量高含水低流速时的持水率难度很大。

由于电学方法探测灵敏度高且受测量环境影响较小，目前仍是主流的持水率测量手段。电导法和电容法作为持水率参数测量的常规有效手段，是根据油水相间存在显著的电导率及介电常数差异实现持水率参数测量。尤其是，电容式传感器相较于其他类型的传感器，受导电性影响小、测量灵敏度高、安装方便及信号稳定，传统电容传感器大多适用于连续相不导电或具有低导电率的两相流介质。但是，对于油水两相流，尤其是高含水流动条件下，电容极板间的混合液介电特性随持水率变化的灵敏度显著降低，导致电容传感器持水率测量分辨率有较大局限性。此外，不同油田地层采出水矿化度的不同也导致油水两相流中水相电导率及介电常数发生变化，矿化度对电容传感器持水率测量仍有较大影响。

为了克服传统电容传感器在水为连续相的高含水时持水率测量分辨率低的问题，本发明提出了一种高频电容传感器测量持水率方法。在测量方式上，采用更高频率的信号激励，突显电容传感器介电特性与持水率的敏感关系。当混合液含水率变化时，通过测量弧形对壁电容传感器高频信号衰减的相位差来提取油水混合液的持水率信息。弧形对壁电容传感器由两个弧形对壁对壁测量电极和屏蔽层构成。测量电极对放置在管道外部，一个用于信号发射，另一个用于信号接收，在电极外施加屏蔽层，对敏感电极的电场起保护作用。采用有限元法考察了弧形对壁电容传感器的幅频及相频输出特性，优化选择了高频电容传感器的工作频率，数值分析了高频电容传感器相位输出与持水率之间的关系。在此基础上，搭建了高频电容传感器测量系统，开展了垂直上升油水两相流高含水时的持水率测量实验，分析了矿化度对高频电容传感器的输出影响，最终实现高含水油水两相流持水率高分辨测量。

发明内容

本发明提出一种高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率高分辨测量方法，可以通过测量高频电容传感器的相位输出信号变化来测量持水率，实现高含水油水两相流持水率高分辨率测量。技术方案如下：

一种高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率测量方法，用以测量油水两相流总流量为0.5m³/d～5m³/d，持水率为90％～99％变化范围内的持水率，采用的电容传感器为弧形对壁高频电容传感器，包括激励电极，接收电极及屏蔽层，激励电极与接收电极呈对壁式固定于20mm外径为30mm的管道外壁上，经优化的激励电极张角为120°，长度为200mm，屏蔽层长度为200mm，屏蔽层内径40mm，厚度0.5mm。在此参数下电容传感器的激励频率为1.8GHz；测量电路包括高频信号源、功分器和相位检测模块，高频激励信号由PXI5661产生，通过功分器将PXI5661的输出分为两路相位差恒定，幅值相同的信号，一路信号直接输入到基于AD8302芯片的相位检测模块的INPA输入端，另外一路接至弧形对壁高频电容传感器的激励电极上，接收电极的信号接入到相位检测模块的INPB输入端，相位检测模块将通过传感器衰减后的高频信号的相位变化转换为直流信号后，由PXI4472采集，PXI4472采集的信号被送入计算机，用以进行持水率的计算。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

(1)本发明设计的弧形对壁式高频电容传感器可适用于垂直井筒内高含水低流速油水两相流持水率高分辨测量，在20mm管径内设计的弧形对壁电容传感器在激励频率为1.8GHz时具有最佳电场分布特性，在高含水时其传感器相位输出与持水率之间具有高分辨的线性关系。

(2)本发明设计的弧形对壁式高频电容传感器可有效减小矿化度变化对传感器测量持水率影响，在三种矿化度条件下(180ppm、1170ppm、3340ppm)高频电容传感器仍具有较高的持水率分辨率，通过漂移模型预测的含水率平均误差均小于1％。

附图说明

图1是弧形对壁式高频电容传感器结构图，其中(a)(b)分别是轴向及截面图。

图2是弧形对壁式高频电容传感器持水率测量系统示意图。

图3是不同激励频率下的弧形对壁式高频电容传感器的幅频特性的仿真。

图4是不同激励频率下的弧形对壁式高频电容传感器的相频特性的仿真。

图5是矢量网络分析仪测量得到的电容传感器幅频特性。

图6是矢量网络分析仪测量得到的电容传感器相频特性。

图7是弧形对壁式高频电容传感器有限元仿真模型管道截面油泡排布图。

图8是弧形对壁式高频电容传感器有限元仿真模型管道轴向油泡排布图。

图9是仿真分析得到的传感器幅频特性、相频特性与持水率之间关系，其中(a)(b)是1.78GHz～1.82GHz频率变化范围内的相频特性和幅频特性，(c)(d)分别是仿真分析得到的1.8GHz频率处相位、幅值与持水率之间关系。

图10是弧形对壁式高频电容传感器的测量电压信号，其中图(a)(b)是低流速油水两相流泡状流(D O/W)，图(c)是低流速油水两相流细小泡状流(VFD O/W)。

图11(a)(b)(c)分别是在180ppm，1170ppm及3340ppm的水矿化度下，弧形对壁式高频电容传感器测量高含水油水两相流的视持水率与流量及含水率之间实验相关图版。

图12(a)(b)(c)分别是在180ppm，1170ppm及3340ppm的水矿化度下，弧形对壁式高频电容传感器的含水率测量结果。

附图标号说明：

1、激励电极；2、传感器管道；3、屏蔽层；4、测量电极；5、高频信号；6、功分器；7、弧形对壁式高频电容传感器8、相位检测模块；9、INPA输入端；10、INPB输入端；11、对数放大器；12、乘法器；13、偏置电压；14缓冲放大器；15、输出信号。

具体实施方式

采用的传感器为弧形对壁高频电容传感器，包括激励电极，接收电极及屏蔽层，激励电极与接收电极呈对壁式固定于管内径为20mm(井下集流型持水率测量通道的典型尺寸)，外径为30mm的管道外壁上，经优化的激励电极张角为120°，长度为200mm，屏蔽层部分长度为200mm，屏蔽层内径40mm，厚度0.5mm。在此参数下电容传感器的最佳激励频率为1.8GHz，研究表明，此时的幅频特性、相频特性与持水率之间具有良好的线性关系，在油水两相流总流量为0.5m³/d～5m³/d，持水率为90％～99％变化范围内表现出持水率高分辨率测量特性。

高频电容传感器测量系统由高频信号源、功分器和相位检测模块组成，高频激励信号由PXI5661产生，通过功分器将PXI5661的输出分为两路相位差恒定，幅值相同的信号，一路信号直接输入到基于AD8302芯片的相位检测模块的INPA输入端，另外一路接至弧形对壁高频电容传感器的发射电极上，接收电极的信号接入到相位检测模块的INPB输入端，相位检测模块将通过传感器衰减后的高频信号的相位变化转换为直流信号后，由PXI4472进行采集。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。该发明涉及的弧形对壁高频电容传感器油水两相流测量持水率方法主要包括以下步骤：

弧形对壁高频电容传感器的整体结构包括传感器管道2，激励电极1，接收电极4及屏蔽层3。弧形对壁电极一个用于信号发射，一个用于信号接收，放置在管道外壁。高频信号由PXI5661产生，输出端5连接到功分器6的输入端，通过功分器6将PXI5661的输出分为两路相位差恒定，幅值相同的信号，一路信号直接输入到相位检测模块8的INPA输入端9，另外一路经过传感器7后再接入到相位检测模块的INPB输入端10；两路信号在进入乘法器12前各通过一个对数放大器11将其幅值压缩，这样所获得的乘法器输出信号电压幅值即为两路信号的相位差；将获得的相位差信号与一偏置电压13相加后可将信号幅度调整至所需范围，最后再通过一缓冲放大器14，相位检测模块8的输出15连接到数据采集设备。

将弧形对壁式高频电容传感器安装在垂直上升油水两相流实验装置中，当油水混合流体流经传感器测量区域时，对弧形对壁式高频电容传感器输出信号进行调理、采集。数据处理过程中，将不同流动工况下传感器电压信号进行处理，计算出相应持水率值。

下面结合附图说明弧形对壁式高频电容传感器油水两相流持水率测量方法具体实施过程：

(1)本发明中，弧形对壁式高频电容传感器激励电极张角120°，长度为200mm；有机玻璃管管内径为20mm，外径为30mm；传感器屏蔽层部分长度为200mm，屏蔽层内径40mm，厚度0.5mm。建立弧形对壁式高频电容传感器有限元仿真模型，传感器模型的输入输出端口均设置为Wave port，特性阻抗为50欧姆，剖分方式为Auto。首先，采用有限元分析法，对弧形对壁电容传感器的幅频特性和相频特性进行了考察，仿真频率为0～3GHz，仿真步长为0.01GHz。扫频仿真所得到的传感器的幅频特性和相频特性曲线如图3及图4所示。为了进一步考证在信号衰减频率点处传感器对油水两相的信号灵敏度，通过矢量网络分析仪对油气水三相的信号衰减情况进行了考察，通过对幅值信号衰减情况和相位信号衰减情况的分析，得到在信号衰减频率点处的油水两相的衰减差异情况，如图5及图6所示。综合以上分析，确定弧形对壁式高频电容传感器最优工作频率在1.8GHz附近。

为进一步考察弧形对壁式高频电容传感器在不同持水率下的测量特性，建立了弧形对壁式高频电容传感器水包油流型有限元仿真模型。在管道中均匀的放置小球来模拟油泡，在传感器覆盖的区域内均匀放置21层油泡，每层9个，共189个油泡，如图7及图8所示。通过改变泡径的大小，来模拟管道中油水两相流持水率的变化，仿真分析得到传感器幅频特性、相频特性与持水率之间关系，如图9所示。再综合传感器的幅频特性、相频特性最终确定弧形对壁式高频电容传感器的激励频率为1.8GHz。

(2)通过高含水油水两相流动态实验，对弧形对壁式高频电容传感器输出电压信号进行采集，获得油水两相流信号衰减测量值(视持水率)与实验标定含水率之间实验相关图版，具体方法如下：

定义混合流体的视持水率表达式为：

式中，V_o、V_w和V_m分别是全油、全水和油水混合液时的传感器相位信号。

(3)为了验证弧形对壁式高频电容传感器对于高含水油水两相流持水率测量效果，采用漂移模型对油水两相流分相表观流速进行预测，漂移模型的表达式为：

式中，U_so及U_m分别为油相表观速度和混合流速，Y_o为持油率U_∞为单个油泡在无限静止的水中的上升速度，C₀为相分布系数，n为泡径指数。将上式两边同时除以(1-Y_o)ⁿ，可得：

令上式可改写为：

Y＝C₀X+U_∞

因此，我们计算不同流动工况下X和Y的值，可通过线性拟合的方式确定C₀和U_∞的数值，建立泡状流对应的漂移模型进行含水率预测。

矿化度为180ppm情况下泡状流的漂移模型表达式为：

矿化度为1175ppm情况下泡状流的漂移模型表达式为：

矿化度为3340ppm情况下泡状流的漂移模型表达式为：

由上述公式预测油相表观流速U_so的前提下，可获得预测的含水率：

式中，U_m为实验装置标定的油水两相流总流速，由总流量除以管截面积获得。然后，与流动实验装置标定的含水率进行测量精度比较。

实验验证与结果：

利用本发明设计的高含水油水两相流弧形对壁式高频电容传感器，可得到泡状流和细小泡状流的测量信号如图10所示，可以看出，弧形对壁式高频电容传感器电压波动信号可良好揭示不同流动工况下分散相浓度分布的差异。视持水率值与标定含水率及总流量之间的实验图版如图11所示。可以看出，弧形对壁式高频电容传感器在高含水流动工况下仍保持较高的持水率测量分辨率，通过在在三种矿化度条件下(180ppm、1170ppm、3340ppm)，建立漂移模型来预测含水率，其结果如图12所示，可以看出，在不同的水矿化度下，含水率均具有较高的预测精度，其绝对平均相对误差(AAPD)均小于1.052％，绝对平均误差(AAD)均小于0.0111。验证了本发明设计的油水两相流弧形对壁式高频电容传感器持水率测量方法具有高分辨持水率测量特性，采用高频电容传感器工作模式，可有效抑制矿化度对持水率测量的影响。

Claims (1)

1.一种高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率测量装置，用以测量油水两相流总流量为0.5m³/d～5m³/d，持水率为90％～99％变化范围内的持水率。采用的电容传感器为弧形对壁高频电容传感器，包括激励电极，接收电极及屏蔽层，激励电极与接收电极呈对壁式固定于20mm外径为30mm的管道外壁上，经优化的激励电极张角为120°，长度为200mm，屏蔽层长度为200mm，屏蔽层内径40mm，厚度0.5mm。在此参数下电容传感器的激励频率为1.8GHz；测量电路包括高频信号源、功分器和相位检测模块，高频激励信号由PXI5661产生，通过功分器将PXI5661的输出分为两路相位差恒定，幅值相同的信号，一路信号直接输入到基于AD8302芯片的相位检测模块的INPA输入端，另外一路接至弧形对壁高频电容传感器的激励电极上，接收电极的信号接入到相位检测模块的INPB输入端，相位检测模块将通过传感器衰减后的高频信号的相位变化转换为直流信号后，由PXI4472采集，PXI4472采集的信号被送入计算机，用以进行持水率的计算。