阻抗式含水率計自適應(yīng)模塊的設(shè)計及應(yīng)用

王延軍,胡金海,黃春輝,李 雷,劉興斌

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司,黑龍江大慶163453)

阻抗式含水率計自適應(yīng)模塊的設(shè)計及應(yīng)用

王延軍,胡金海,黃春輝,李 雷,劉興斌

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司,黑龍江大慶163453)

介紹了阻抗式含水率計測量原理及其激勵源自適應(yīng)模塊的設(shè)計。硬件系統(tǒng)設(shè)計在原阻抗式含水率計電路基礎(chǔ)上增加了切換判斷電路和單片機(jī)控制電路。軟件系統(tǒng)設(shè)計通過單片機(jī)程序來控制激勵源電阻自動切換,實現(xiàn)電路的自動增益。通過判斷測量到的全水值大小決定是否進(jìn)行激勵源電阻自動切換,以使井下儀器工作在最佳測量狀態(tài)。實驗樣機(jī)的室內(nèi)自動增益實驗驗證了阻抗式含水率計激勵源自適應(yīng)電路的可靠性,室內(nèi)含水率實驗驗證了激勵源電阻自動切換對含水率測量沒有影響。在現(xiàn)場試驗應(yīng)用中,克服了因井下流體礦化度差異而需要人工更換激勵源電阻的問題,提高了儀器的可靠性和現(xiàn)場測井的工作效率。

生產(chǎn)測井;阻抗式含水率計;自適應(yīng)模塊;控制電路;自動增益

0 引 言

阻抗式過環(huán)空找水儀[1-4]是大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司自主研發(fā)的油井產(chǎn)出剖面測井儀器,較好地解決了油田高含水開發(fā)期產(chǎn)出剖面含水率的測量問題。該儀器根據(jù)電導(dǎo)理論[5-6],通過測量油水混合相電導(dǎo)率(混相值)和純水相電導(dǎo)率(全水值)的比值(含水率相對響應(yīng))確定含水率。礦化度的變化導(dǎo)致測量的全水值和混相值發(fā)生變化。但由于礦化度的變化同時使傳感器的混相值和全水值等比例增加或等比例減小,因而保持含水率的相對響應(yīng)不變?，F(xiàn)場試驗對比表明,不同油井中流體礦化度存在差異,礦化度變化影響阻抗傳感器的輸出信號幅度。為使儀器工作在最佳測量狀態(tài),在模擬井標(biāo)定和現(xiàn)場測井時需要更換激勵源電阻,給井下測量電極提供測量所需的激勵源電流。通常只能根據(jù)操作工人的經(jīng)驗選擇激勵電阻,采取手動更換。造成含水率測量結(jié)果受操作工人主觀影響大。另外,在更換激勵源電阻時需反復(fù)起下儀器,降低測井成功率。

為克服現(xiàn)有阻抗式含水率計驅(qū)動電路中激勵電流大小不能根據(jù)油井礦化度的變化自適應(yīng)變化的缺點,設(shè)計了一種激勵源自適應(yīng)模塊。該模塊能夠根據(jù)不同油井的礦化度,自適應(yīng)切換激勵源驅(qū)動電阻,使激勵源電流的輸出保持在合理的線性范圍內(nèi)。

1 激勵源自適應(yīng)模塊的設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

阻抗式含水率計激勵源自適應(yīng)模塊能夠根據(jù)不同油井的礦化度,自動切換激勵源驅(qū)動電阻,使恒流源的輸出保持在合理范圍內(nèi)。設(shè)計要求,①通過判斷控制纜芯是否供有負(fù)電壓的狀態(tài)來判斷儀器是否要進(jìn)行激勵源電阻的切換;②依據(jù)全水值大小判斷要切換的激勵源電阻的大小,有4檔電阻可供切換,使輸出的混相值信號達(dá)到合適的幅度;③每口油井只切換1次激勵源電阻。

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)由激勵源驅(qū)動電路、持水率處理電路、頻率復(fù)合電路、單片機(jī)控制電路、切換判斷電路和電源供電電路組成(見圖1)。激勵源驅(qū)動電路負(fù)責(zé)輸出頻率和電流均可調(diào)的正弦交變激勵電流;持水率處理電路負(fù)責(zé)采集阻抗傳感器測量電極上輸出的電壓;切換判斷電路負(fù)責(zé)判斷是否供有負(fù)電壓,以決定是否進(jìn)行激勵源電阻自適應(yīng)切換;單片機(jī)控制電路根據(jù)全水值輸出頻率的大小來控制激勵源電阻的切換,進(jìn)而改變激勵電流的大小。

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)流程見圖2。單片機(jī)控制電路讀取切換電路輸出電壓,以決定是否需要進(jìn)行切換。如果供負(fù)電壓,需要切換,則進(jìn)一步測量持水率處理電路輸出的頻率信號,并控制MAX313的4路開關(guān)的通斷,以決定恒流源激勵電阻的大小;并將當(dāng)前全水狀態(tài)下激勵電阻的工作信息存儲到芯片24C01中。沒有供負(fù)電時,則不需要切換,將直接讀取24C01芯片中存儲的激勵源狀態(tài)信息,并根據(jù)該信息使能或禁止相應(yīng)的MAX313的4路開關(guān)。阻抗傳感器輸出的全水值大于等于500 Hz,則表示當(dāng)前的激勵電流能滿足系統(tǒng)要求,不需要進(jìn)行激勵源電阻的切換。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 主程序流程圖

2 實驗結(jié)果

2.1 室內(nèi)自動增益實驗

室內(nèi)自動增益實驗?zāi)康氖峭ㄟ^測量阻抗式含水率計在不同礦化度水中的全水值,驗證在不同的礦化度下激勵源電阻能否自動切換到合適的范圍。實驗結(jié)果見圖3。圖3中黃色線代表在不同的礦化度情況下激勵源電阻的切換次數(shù),黃色線上升1個臺階代表激勵源電阻切換1次。圖3直觀地顯示了4次的切換結(jié)果,在不同的礦化度情況下激勵源電阻均能自動切換到合適的范圍。在礦化度為2 000 mg/L的水中,激勵源切換1次,全水值由269 Hz變?yōu)?38 Hz;在礦化度為4 000 mg/L的水中,激勵源切換2次,全水值由155 Hz變?yōu)?95 Hz再變?yōu)?98 Hz;在礦化度為6 000 mg/L的水中,激勵源切換3次,全水值由79Hz依次變?yōu)?58、312、640 Hz;在礦化度為12 000 mg/L的水中,激勵源切換4次,全水值由52 Hz依次變?yōu)?09、217、443、889 Hz,全水值均達(dá)到了大于500 Hz的要求。

圖3 不同礦化度下阻抗式含水率計全水值輸出頻率圖

2.2 室內(nèi)含水率實驗

目的是驗證在不同的礦化度下,切換前、后含水率測量不受礦化度變化及激勵源電阻切換的影響。實驗中,系統(tǒng)切換前、后分別在持水率為60%,礦化度為2 000、4 000、6 000 mg/L的水中測量儀器輸出的全水值及混相值,然后求出含水率相對響應(yīng),實驗結(jié)果見表1。從表1可以看出系統(tǒng)切換前、后含水率相對響應(yīng)測量的最大誤差為0.03,最小誤差為0.017,測量誤差在儀器的允許誤差范圍之內(nèi),所以含水率相對響應(yīng)測量結(jié)果不受礦化度變化及激勵源電阻切換的影響。

2.3 現(xiàn)場試驗

表1 不同礦化度下切換前、后同一持水率下含水率相對響應(yīng)對比

圖4 北2-丁5-×××井測井曲線圖

利用自適應(yīng)阻抗式含水率計,在大慶油田采油四廠北2-丁5-×××井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。圖4(a)為自適應(yīng)啟動前實測曲線,測量全水值為86 Hz,混相值為218 Hz,含水率相對響應(yīng)為0.394。圖4(b)為進(jìn)行激勵源自適應(yīng)切換后實測曲線,測量全水值為782 Hz,混相值為2 037 Hz,含水率相對響應(yīng)為0.384,含水率相對響應(yīng)測量結(jié)果不受礦化度變化及激勵源電阻切換的影響,從而有效提高了儀器的分辨率。從圖4(b)可見測量全水值隨著激勵源電阻的切換而明顯呈臺階狀升高。

3 結(jié) 論

(1)在清水及不同礦化度水中的自動增益實驗驗證了在不同礦化度下激勵源電阻能夠自動切換,使全水值輸出達(dá)到合適的范圍。

(2)在不同礦化度水中的含水率實驗表明在不同礦化度下,系統(tǒng)切換前、后含水率測量不受礦化度變化及激勵源電阻切換的影響。

(3)阻抗式含水率計自適應(yīng)模塊的設(shè)計,現(xiàn)場應(yīng)用效果良好,解決了在模擬井標(biāo)定和現(xiàn)場測井時需要更換激勵源電阻的問題,提高了工作效率。

[1] 胡金海,劉興斌,張玉輝,等.阻抗式含水率計及其應(yīng)用[J].測井技術(shù),1999,23(增刊):511-514.

[2] 胡金海,劉興斌,黃春輝,等.一種同時測量流量和含水率的電導(dǎo)式傳感器[J].測井技術(shù),2002,26(2):154-157.

[3] 張玉輝,,劉興斌,胡金海.阻抗式含水率傳感器優(yōu)化設(shè)計實驗研究[J].石油儀器,2002,16(4):5-7,11.

[4] 劉繼承,李進(jìn)旺,劉興斌,等.阻抗式含水率計三相漂流模型校正的實驗研究[J].測井技術(shù),2005,29(3):195-198.

[5] 劉興斌.井下油水兩相流測量[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),1996.

[6] 劉興斌.多相流測井方法和新型傳感器研究[D].北京:中國石油大學(xué),2000.

Adaptive M odules Design of Impedance Watercut Meter and Its Applications

WANG Yanjun,HU Jinhai,HUANG Chunhui,L ILei,L IU Xingbin
(Logging&Testing Services Company,Daqing Oilfield Company L TD.,Daqing,Heilongjiang 163453,China)

Introduced are the impedance w atercut meter measuring p rincip le and the design requirements of its adap tivemodule.Based on the original circuit of themeter,in the hardware system designs added are the sw itching judge circuit and the Single Chip M achine(SCM)control circuit.In the software system designs the SCM controls the automatic sw itch of the excitation source resistance to achieve circuit automatic gain.To enable the dow nhole tool to operate in the best working condition,w hether to carry out excitation source resistance automatically sw itch is determ ined from themagnitude of the full water value.A utomatic gain experiment verifies the reliability of adap tation circuit of impedance watercutmeter,watercutmeasurement experiment verifies that the automatic sw itching of excitation source resistance has no effect on w atercut measurement.In the field test applications,the new design overcomes artificial rep lacement of excitation source resistance caused by the different salinities of dow nhole fluids,and imp roves the instrument’s reliability and efficiency of field logging.

p roduction logging,impedance w atercutmeter,adap tivemodule,control circuit,automatic gain

1004-1338(2010)05-0469-04

P631.3; TP31

A

國家科技重大專項(課題編號:2008ZX05020)、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(編號:2007AA 06Z231)、黑龍江省杰出青年科學(xué)基金(合同編號:JC200913)資助

王延軍,男,1980年生,助理工程師,工學(xué)碩士,從事測井傳感器理論方法研究。

2010-06-09 本文編輯 王小寧)