復(fù)合式電容傳感器水平條件下的響應(yīng)特性研究

胡金海 劉興斌 李 雷 李屹威 王延軍

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江大慶)

復(fù)合式電容傳感器水平條件下的響應(yīng)特性研究

胡金海 劉興斌 李 雷 李屹威 王延軍

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江大慶)

針對(duì)低產(chǎn)液水平井產(chǎn)液剖面含水率的測(cè)量,設(shè)計(jì)出了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的新型電容傳感器,該傳感器采用筒狀結(jié)構(gòu)電容傳感器與同軸電容傳感器相組合而成。文章介紹了傳感器的結(jié)構(gòu),對(duì)傳感器的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行電場(chǎng)仿真,給出了該傳感器在油水分層條件下和泡狀流下的響應(yīng)規(guī)律。對(duì)該傳感器開(kāi)展了高度法實(shí)驗(yàn)研究和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究,得到了不同流量、不同含水率下的傳感器響應(yīng)規(guī)律,結(jié)果表明:與傳統(tǒng)的同軸電容傳感器相對(duì)比,分辨率有較大的提高。該傳感器可為低產(chǎn)液水平井產(chǎn)液剖面含水率的測(cè)量提供新的技術(shù)手段。

水平井;電容式傳感器;含水率;油水兩相流

0 引 言

國(guó)內(nèi)針對(duì)低產(chǎn)液水平井流量和含水率的測(cè)量,主要采用集流、點(diǎn)測(cè)的測(cè)井方式,對(duì)于井下含水率的測(cè)量主要采用同軸電容傳感器[1]。但在低流量油水分層情況下,同軸電容傳感器有時(shí)會(huì)浸沒(méi)于水中或油中,降低了該傳感器對(duì)含水率測(cè)量的分辨率,造成同軸電容含水率測(cè)量傳感器分辨率較低。特別在含水率50%以上時(shí)分辨率就更低了,無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)量的需要。

針對(duì)上述問(wèn)題,提出了采用筒狀電容傳感器[2]與同軸電容傳感器相組合的方案,設(shè)計(jì)出復(fù)合式電容傳感器。對(duì)該傳感器的響應(yīng)特性進(jìn)行電場(chǎng)仿真,并開(kāi)展了高度法實(shí)驗(yàn)研究和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明:傳感器在低流量下(例如3 m3/d)對(duì)含水率還具有分辨率及傳感器的含水率測(cè)量的重復(fù)性誤差在8%以?xún)?nèi),因此證明了該復(fù)合式電容傳感器在重復(fù)性上和低流量下對(duì)含水率的測(cè)量分辨率上均好于同軸電容傳感器。

1 復(fù)合式電容傳感器的結(jié)構(gòu)與仿真研究

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

復(fù)合式電容傳感器由同軸電容傳感器和筒狀電容傳感器組合而成。同軸電容傳感器由內(nèi)插電極棒和其外部包裹的絕緣層構(gòu)成,筒狀電容傳感器由圓筒狀金屬層電極和其內(nèi)、外兩側(cè)包裹的絕緣層組成,將兩個(gè)電極都做密封處理與外殼絕緣并引出導(dǎo)線接同一個(gè)激勵(lì),在電路上是并聯(lián)方式,外殼接地。圖1為傳感器結(jié)構(gòu)示意圖,圖1(a)和圖1(b)分別為傳感器的剖面圖和截面圖,整個(gè)傳感器呈圓環(huán)狀,流體進(jìn)入傳感器后,在圓環(huán)內(nèi)部軸向流動(dòng)。

1.2 分層條件下的仿真

分層流條件下,筒狀電容與同軸電容組合傳感器的等效電路[3]如圖2(a)所示,由五部分電容的并聯(lián)組成。分別是:金屬層、外絕緣層、金屬電極構(gòu)成電容Co;金屬電極、內(nèi)絕緣層、與內(nèi)絕緣層接觸的水構(gòu)成Cew;Cew在界面附近的邊界效果產(chǎn)生電容Cewb;與電極桿絕緣層接觸的水、電極桿絕緣層、電極桿構(gòu)成電容CpwCpw在界面附近的邊界效果產(chǎn)生電容Cpwb。

圖1 復(fù)合式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 復(fù)合式電容傳感器等效電路、電場(chǎng)分布及仿真結(jié)果示意圖

為了解組合電容傳感器內(nèi)部電場(chǎng)分布情況,運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)傳感器進(jìn)行了靜電場(chǎng)仿真。假定水為純導(dǎo)體,取R0、R1、R2、R3、R4、R5、L分別為9 mm、10 mm、14 mm、15 mm、16 mm、19 mm、100 mm,油、內(nèi)外絕緣層及電極桿絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)為2,其它參數(shù)與實(shí)際傳感器一致,應(yīng)用宏命令CMARTRIX求解電容量。圖2(b)所示為持水率50%,油水分層時(shí)組合傳感器的二維電場(chǎng)分布圖。整個(gè)電場(chǎng)可分為五部分,分別對(duì)應(yīng)于上文中的Co、Cew、Cewb、Cpw和Cpwb,電力線的長(zhǎng)度代表電場(chǎng)強(qiáng)度。很明顯,Cew和Cpw部分電場(chǎng)強(qiáng)度較大,在傳感器的分辨率上起主導(dǎo)作用,因此在中等持水率,油/水分層條件下,筒狀電容與同軸電容共同作用的結(jié)果是使電容值增大,傳感器的分辨率增加,與傳感器的數(shù)學(xué)模型一致。采用有限元方法計(jì)算得到的響應(yīng)曲線與基于數(shù)學(xué)模型的響應(yīng)曲線如圖2(c)所示,可以看出傳感器在整個(gè)持水率范圍都有很好的分辨能力。在組合傳感器數(shù)學(xué)模型的討論中,對(duì)于由油水界面附近處邊界效應(yīng)引入的電容Cewb、Cpwb為近似計(jì)算,所以基于數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果略有出入。

1.3 非分層流下的仿真

圖3 油泡與傳感器接觸時(shí)復(fù)合式電容傳感器內(nèi)部電場(chǎng)與電勢(shì)分布仿真圖

圖3為油泡與傳感器內(nèi)壁以及電極桿絕緣層接觸時(shí),傳感器模型的網(wǎng)格劃分、電勢(shì)和電場(chǎng)分布圖。在泡狀流下,油泡與組合電容傳感器的內(nèi)絕緣層以及電極桿絕緣層接觸時(shí)均會(huì)使傳感器內(nèi)部的電場(chǎng)發(fā)生變化,對(duì)傳感器的輸出造成影響,由于在組合測(cè)量傳感器中,流體流動(dòng)的通道限制,使得油泡更容易與傳感器接觸,這無(wú)疑增加了傳感器的分辨能力。

當(dāng)復(fù)合式傳感器有油泡沾上時(shí),無(wú)論是內(nèi)絕緣層還是電極桿絕緣層上的沾污,均會(huì)使測(cè)量值發(fā)生變化,對(duì)傳感器的輸出有影響。這相當(dāng)于額外增加了內(nèi)絕緣層或者是電極桿絕緣層的平均厚度,使得電容值下降,傳感器整體的測(cè)量值偏小,表現(xiàn)出敏感于油泡的變化。

2 復(fù)合式電容傳感器的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 水平條件下高度法實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證筒狀與同軸組合式電容含水率計(jì)在水平條件下的含水率測(cè)量效果,在室內(nèi)開(kāi)展了靜態(tài)高度法實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中以空氣和清水為介質(zhì),將儀器傳感器水平放置于充滿(mǎn)空氣的容器中,向容器內(nèi)逐漸注入清水,傳感器內(nèi)水面會(huì)逐漸升高,即含水率增加;將水逐漸放掉,水面就逐漸下降,即含水率降低。圖4給出了含水率計(jì)傳感器輸出響應(yīng)與持水率的關(guān)系圖,根據(jù)圖4可知該含水率計(jì)傳感器的輸出響應(yīng)(周期值)隨持水率的升高而單調(diào)遞增或隨持水率降低而單調(diào)減小。實(shí)驗(yàn)證明在水平條件下,傳感器的響應(yīng)與持水率存在線性關(guān)系,和仿真結(jié)果趨勢(shì)一致,分辨率很好,這說(shuō)明了復(fù)合式電容傳感器可以在水平內(nèi)油水分層狀態(tài)下測(cè)量含水率。

圖4 復(fù)合式電容傳感器響應(yīng)與持水率關(guān)系圖版

2.2 水平條件下的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究

動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)在大慶多相流模擬井水平實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行,油水混相總流量及油水含量配比可由實(shí)驗(yàn)裝置上的流量計(jì)精確給出,因而可以獲得儀器響應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)含水率的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中流量調(diào)節(jié)為3 m3/d、5 m3/d、10 m3/d、15 m3/d、20 m3/d,直到60 m3/d,含水在0～100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。對(duì)應(yīng)特定的流量和含水率,記錄下儀器輸出周期,并進(jìn)行全油和全水下的歸一,得到歸一化響應(yīng)。圖5(a)、(b)分別給出的是復(fù)合式電容傳感器和同軸電容傳感器在水平條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4]。通過(guò)對(duì)比可以看出復(fù)合式電容傳感器在流量3 m3/d～60 m3/d范圍內(nèi)、含水率0～100%內(nèi)均有分辨率,在流量3 m3/d時(shí)仍然有分辨能力,參見(jiàn)圖5(a),而同軸電容傳感器在流量5 m3/d時(shí)就幾乎失去了分辨率,參見(jiàn)圖5(b),對(duì)比兩種傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,明顯看出復(fù)合式電容傳感器分辨率好于傳統(tǒng)的同軸電容傳感器。在實(shí)驗(yàn)中,對(duì)復(fù)合式電容傳感器進(jìn)行了重復(fù),傳感器的重復(fù)性誤差在8%以?xún)?nèi)。

圖5 復(fù)合式電容傳感器水平條件下與同軸電容傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比結(jié)果

3 結(jié) 論

通過(guò)理論分析、電場(chǎng)仿真、高度法實(shí)驗(yàn)及在多相流水平模擬井上的的實(shí)驗(yàn),得到如下結(jié)論:

1)電場(chǎng)仿真的結(jié)果與高度法驗(yàn)結(jié)果基本一致,都表明該傳感器在水平油水分層條件下傳感器的輸出響應(yīng)與持水率具有很好的對(duì)映關(guān)系,復(fù)合式電容傳感器具有很好的分辨率。

2)通過(guò)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)證明,在水平條件下該傳感器在流量3 m3/d～60 m3/d、含水率0～100%范圍內(nèi)有較好的分辨率,該傳感器的重復(fù)性在8%以?xún)?nèi)。

3)在水平模擬實(shí)驗(yàn)裝置上的對(duì)比結(jié)果證明:在重復(fù)性上和在低流量下對(duì)含水率的測(cè)量分辨率上,復(fù)合式電容傳感器均好于同軸電容傳感器。

[1] 吳錫令.生產(chǎn)測(cè)井原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,1997

[2] 徐文峰,李文濤,劉興斌,等.一種測(cè)量低產(chǎn)液水平井含水率的筒狀電容傳感器[J].測(cè)井技術(shù),2008,32(5)

[3] 徐文峰.測(cè)量水平井含水率的筒狀電容傳感器的研究與設(shè)計(jì)[D].碩士學(xué)位論文,2008

[4] 朱 松,胡金海,等.三種含水率計(jì)的含水率響應(yīng)規(guī)律分析[J].石油儀器,2007,21(3)

TP212

B

1004-9134(2011)01-0077-03

胡金海,男,1966年生,高級(jí)工程師,1989年畢業(yè)于長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院,2001年獲得天津大學(xué)碩士學(xué)位,現(xiàn)在大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司從事動(dòng)態(tài)測(cè)井方法研究和儀器研制,大慶油田公司學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人。郵編:163453

2010-08-08編輯:高紅霞)