CN111157591A - 用于持水率测量的交错式双螺旋高频传感器及测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于持水率测量的交错式双螺旋高频传感器，包括测量管道，激励电极，接收电极及屏蔽层，其特征在于，激励电极包括相连接的两个旋转方向相同的360°螺旋电极部分，两个旋转方向相同的360°螺旋电极部分在连接处径向上相错90°后由由电极桥接部分连接起来。接收电极与激励电极结构相同，呈对壁式固定于测量管道外壁。本发明同时涉及一种采用所述的传感器实现的持水率测量系统，包括高频信号源，功分器，相位检测模块和计算机。

Description

用于持水率测量的交错式双螺旋高频传感器及测量系统
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
我国陆地目前存在大量低产低渗油田，大多数油井呈低流速生产特点。由于低流速油水两相流相间滑脱效应显著，局部浓度及局部流速多呈非均匀分布特征，致使持水率测量难度很大。且我国石油开采大多采用高压注水的方式，原油管线中的持水率会高达90％以上，准确稳定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。
由于电学方法测量灵敏度高、安装方便及信号稳定，在持水率测量中受到广泛应用。常见的电学传感器形式包括对壁式、同轴型及螺旋式等。但是，电容法大多适用于连续相不导电或具有低导电率的两相流介质，当混合流体含水率较小时，混合液介质的电导率很小，此时可以忽略介质导电性，通过电容法可测量持水率；但当两相流含水率较大时，尤其对于高含水油水两相流的持水率高分辨测量具有较大的局限性。且由于低流速高含水油水两相流存在严重的相间滑脱效应，持水率测量依赖于流型的变化，油泡在管道内的非均匀分布会对测量结果产生较大影响。此外，地层水矿化度在不同地区有较大差异，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，矿化度对持水率测量仍有较大影响。
发明内容
本发明提出给出一种交错式双螺旋高频传感器，并提供一种利用此种传感器实现的高含水低流速油水两相流持水率测量系统，可以通过测量高频传感器的相位输出信号变化来测量持水率，有效地较弱传感器对于方向的敏感性，可实现高含水油水两相流持水率高分辨率的稳定测量。技术方案如下：
一种用于持水率测量的交错式双螺旋高频传感器，包括测量管道，激励电极，与激励电极结构相同的接收电极及屏蔽层，其特征在于，激励电极包括相连接的两个旋转方向相同的360°螺旋电极部分，两个旋转方向相同的360°螺旋电极部分在连接处径向上相错90°后由由电极桥接部分连接起来，接收电极与激励电极结构相同，呈对壁式固定于测量管道外壁。
优选地，保护电极位于激励电极与接收电极中间位置，保持有相同的旋转方向。激励电极张角为90°，保护电极张角为50°。激励电极的螺距为50mm。
本发明同时提供采用所述的传感器实现的持水率测量系统，包括高频信号源，功分器，相位检测模块和计算机，高频信号源生成的高频信号通过功分器输出两路相位差恒定，幅值相同的激励信号，一路激励信号直接输入到第一对数放大器，另外一路激励信号经过所述的传感器后获得的接收信号再接入到相位检测模块的第二对数放大器，两个对数放大器分别将激励信号和接收信号转变为幅度值与相位差异的分贝数据后各输出两路信号；激励信号和接收信号幅值的比值对应的电压进入第一加法器之前，与一幅值偏置电压相加后将信号幅度调整至所需范围，再被放大后，即得到幅值信号；两个对数放大器各自输出的另外两路信号经过相位检波器后进入第二加法器，将获得的相位差信号与一相位偏置电压相加并放大后，即得到相位信号，幅值信号和相位信号通过数据采集设备被送入计算机，由计算机进行持水率计算。
本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：
(1)本发明设计的交错式双螺旋高频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，交错式双螺旋电极的传感器设计形式不依赖于流型变化，减弱对方向的测量敏感性，具有较为稳定的持水率测量特性。
(2)本发明在20mm管径内设计的交错式双螺旋高频传感器在激励频率为1GHz时具有最佳电场分布特性，且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。
(3)本发明设计的交错式双螺旋高频传感器可有效减小矿化度变化对传感器测量持水率影响，在较高矿化度条件下(4000ppm)高频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是交错式双螺旋高频传感器结构图。
图2是交错式双螺旋高频传感器局部结构图。
图3是交错式双螺旋高频传感器测量系统示意图。
图4是交错式双螺旋高频传感器有限元仿真模型管道内油泡排布图。
图5是交错式双螺旋高频传感器有限元仿真模型管道轴向油泡排布图。
图6是不同持水率下的交错式双螺旋高频传感器的相频特性仿真。
图7是不同持水率下的交错式双螺旋高频传感器的幅频特性仿真。
图8是仿真分析得到的传感器相频特性、幅频特性与持水率之间关系，其中(a)(b)是0.8GHz～1.2GHz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1GHz频率处相位、幅值与持水率之间关系。
图9是矢量网络分析仪测量得到的高频传感器幅频特性。
图10是矢量网络分析仪测量得到的高频传感器相频特性。
图11是交错式双螺旋高频传感器的测量电压信号。
图12归一化持水率与流量及含水率之间实验相关图版，(a)(b)分别是在180ppm，4000ppm的水矿化度下，交错式双螺旋高频传感器测量高含水油水两相流的归一化持水率与流量及含水率之间实验相关图版。
图13含水率测量结果，(a)(b)分别是在180ppm，4000ppm的水矿化度下，交错式双螺旋高频传感器的含水率测量结果。
图14是交错式双螺旋高频传感器激励电极结构示意图。
附图标号说明：
1、屏蔽层；2、激励电极的第一360°螺旋电极部分；3、激励电极的第二360°螺旋电极部分；4、接收电极的第一360°螺旋电极部分；5、测量管道；6、接收电极的第二360°螺旋电极部分；7、保护电极；8、电极桥接部分；9、高频信号源ADF4351；10、功分器；11、对数放大器；12、交错式双螺旋高频传感器；13、相位检波器；14、加法器；15、输出放大器组；16、幅值偏置电压；17、相位偏置电压；18、幅值信号；19、相位信号。
具体实施方式
为实现高含水油水两相流持水率高分辨率稳定测量，且减弱矿化度对测量的影响，本发明提出了一种交错式双螺旋高频传感器测量持水率方法。在测量方式上，采用高频信号激励，通过测量传感器在不同含水率下的信号衰减相位差，来计算油水两相流的持水率。在传感器结构上，交错式双螺旋高频传感器由两个螺旋对壁激励电极、两个螺旋对壁接收电极、两个螺旋对壁保护电极和屏蔽层构成。两个激励电极相错90°并桥接置于管道外部，两个接收电极与激励电极具有相同的结构并始终保持着电极对壁的形式，并在测量电极间放置两个同步360°螺旋的保护电极。在电极外施加屏蔽层，对敏感电极的电场起保护作用。采用有限元法仿真方法考察了交错式双螺旋高频传感器的相频及幅频特性，优化选择了高频传感器的工作频率，数值分析了传感器的相位输出与持水率之间的关系。在此基础上，搭建了高频传感器测量系统，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稳定测量。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。该发明涉及的交错式双螺旋高频传感器油水两相流测量持水率方法主要包括以下步骤：
交错式双螺旋高频传感器的整体结构包括传感器管道5，激励电极，接收电极(如图中所示的4和6)，屏蔽层1。激励电极包括两个旋转方向完全相同的360°螺旋电极部分(如图中所示的2和3)，在径向上相错90°，由电极桥接部分8相连。接收电极与激励电极结构完全相同，呈对壁式固定于管道外壁上。保护电极7与激励电极的旋转方向完全相同，位于每对激励电极和接收电极间。高频信号由ADF4351高频信号源9产生，激励信号通过功分器10输出两路相位差恒定，幅值相同的信号，一路信号直接输入到对数放大器11，另外一路经过传感器12后再接入到AD8302相位检测模块的对数放大器11，对数放大器11将两个输入信号转变为幅度值与相位差异的分贝数据输出；两个输入信号量幅值的比值对应的电压进入加法器14之前，与一幅值偏置电压16相加后将信号幅度调整至所需范围，再通过一输出放大器15，即可得到幅值信号18；另外两路通过对数放大器11输出的信号经过相位检波器13后进入加法器14，将获得的相位差信号与一相位偏置电压17相加后，再通过一输出放大器15，即可得到相位信号19，最后将输出信号连接至数据采集设备。
将交错式双螺旋高频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的测量区域时，对交错式双螺旋高频传感器的输出信号进行调理、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。
具体实施过程如下：
(1)本发明中，交错式双螺旋高频传感器测量电极张角90°，保护电极张角为50°，螺距为50mm，；有机玻璃管管内径为20mm，外径为30mm；传感器屏蔽层长度为200mm，屏蔽层内径40mm，厚度0.3mm。建立交错式双螺旋高频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，对交错式双螺旋高频传感器在不同持水率下的相频特性和幅频特性进行了考察，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9层油泡，每层9个，共81个油泡，如图4及图5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，仿真频率为0.5～2.8GHz，仿真步长为0.01GHz，如图6及图7所示。通过比较选取信号衰减点附近的测量灵敏区域，且幅频、相频特性随持水率具有线性变化特性，如图8所示，确定交错式双螺旋高频传感器的激励频率为1GHz附近。
为了进一步考证在该激励频率下传感器实际的测量特性，通过矢量网络分析仪对全油及全水下的传感器幅频特性、相频特性进行了考察，得到在激励频率点处的油水两相的相位差异及幅值衰减情况，如图9及图10所示。综合以上分析，确定交错式双螺旋高频传感器最优工作频率在1GHz。
(2)通过高含水油水两相流动态实验，对交错式双螺旋高频传感器输出电压信号进行采集，获得油水两相流相位信号测量值(归一化持水率)与实验标定含水率之间实验相关图版，具体方法如下：
定义混合流体的归一化持水率
Figure BDA0002355971290000041
表达式为：
Figure BDA0002355971290000042
式中，Vo、Vw和Vm分别是全油、全水和油水混合液时的传感器相位信号。
(3)为了验证交错式双螺旋高频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：
Figure BDA0002355971290000043
式中，Uso及Um分别为油相表观速度和混合流速，Yo为持油率
Figure BDA0002355971290000044
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-Yo)n，可得：
Figure BDA0002355971290000045
令
Figure BDA0002355971290000046
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：
Figure BDA0002355971290000051
矿化度为4000ppm情况下泡状流的漂移模型表达式为：
Figure BDA0002355971290000052
由上述公式预测油相表观流速Uso的前提下，可获得预测的含水率：
Figure BDA0002355971290000055
式中，Um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
Figure BDA0002355971290000053
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交错式双螺旋高频传感器，可得到测量信号如图11所示，可以看出，交错式双螺旋高频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。归一化持水率值
Figure BDA0002355971290000054
与标定含水率及总流量之间的实验图版如图12所示。可以看出，交错式双螺旋高频传感器具有稳定的测量特性，不受流型变化的影响，在高含水流动工况下仍保持较高的持水率测量分辨率。通过在不同矿化度条件下(180ppm、4000ppm)，建立漂移模型来预测含水率，其结果如图13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％，绝对平均误差(AAD)均小于0.01。验证了本发明设计的油水两相流交错式双螺旋高频传感器持水率测量方法具有高分辨持水率测量特性，采用交错式双螺旋的传感器结构，可有效提高传感器测量的稳定性，且在高频激励下的工作模式，可有效抑制矿化度对持水率测量的影响。

Claims (7)

1.一种用于持水率测量的交错式双螺旋高频传感器，包括测量管道，激励电极，接收电极及屏蔽层，其特征在于，激励电极包括相连接的两个旋转方向相同的360°螺旋电极部分，两个旋转方向相同的360°螺旋电极部分在连接处径向上相错一个角度后由由电极桥接部分连接起来。接收电极与激励电极结构相同，呈对壁式固定于测量管道外壁。
2.用于持水率测量的交错式双螺旋高频传感器，其特征在于，所述的角度为90°。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，保护电极位于激励电极与接收电极中间位置，保持有相同的旋转方向。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，激励电极张角为90°，保护电极张角为50°。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，激励电极的螺距为50mm。
6.一种采用权利要求1所述的传感器实现的持水率测量系统，包括高频信号源，功分器，相位检测模块和计算机，高频信号源生成的高频信号通过功分器输出两路相位差恒定，幅值相同的激励信号，一路激励信号直接输入到第一对数放大器，另外一路激励信号经过所述的传感器后获得的接收信号再接入到相位检测模块的第二对数放大器，两个对数放大器分别将激励信号和接收信号转变为幅度值与相位差异的分贝数据后各输出两路信号；激励信号和接收信号幅值的比值对应的电压进入第一加法器之前，与一幅值偏置电压相加后将信号幅度调整至所需范围，再被放大后，即得到幅值信号；两个对数放大器各自输出的另外两路信号经过相位检波器后进入第二加法器，将获得的相位差信号与一相位偏置电压相加并放大后，即得到相位信号，幅值信号和相位信号通过数据采集设备被送入计算机，由计算机进行持水率计算。
7.根据权利要求1所述的持水率测量系统，其特征在于，高频信号源生成的激励频率为1GHz。
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