基于微帶傳輸線陣列式原油持水率探測器設(shè)計

魏勇，余厚全，魯保平，劉國權(quán)，陳強

（1．長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州434023；2．中國石油集團測井有限公司，陜西 西安710077）

0 引 言

中國大部分油田采用水平井、大斜度井等措施提高單井產(chǎn)能，適用于垂直井的傳統(tǒng)集流式持水率測量儀器已無法提供這類井的原油持水率空間分布情況。英國SONDEX公司生產(chǎn)的CAT［1］陣列成像持水率儀器采用12支電容式探測器均勻分布在井筒截面圓周上，從而檢測井筒截面有限點上的原油持水率，進而通過二維插值估計整個截面上原油持水率的分布情況。但是，其電容式持水率檢測方法適用于低含水的油井條件，在高含水條件下檢測誤差大。中國大部分油田已進入開發(fā)后期，綜合含水率達到了80%以上，CAT等儀器無法滿足中國油田生產(chǎn)測井的要求。本文參考CAT陣列式探測器結(jié)構(gòu)，結(jié)合前期已經(jīng)研制的集流式電磁波持水率探測器［2－3］適用于高含水情況的研究結(jié)果，提出了基于微帶傳輸線電磁波相移檢測方法的陣列式持水率探測器設(shè)計。

1 陣列式組合對單支電磁波持水率探測器的結(jié)構(gòu)要求

電磁波持水率探測器基本原理中油水混合物的介電常數(shù)是其持水率的單調(diào)遞增函數(shù)。不同持水率的原油作為傳輸線夾層的填充介質(zhì)時，其傳輸線的傳輸特性也不相同，導(dǎo)致在一定長度的傳輸線上傳輸?shù)碾姶挪ㄏ嘁埔膊幌嗤?。因此，將被測的原油作為一定長傳輸線的填充介質(zhì)，檢測傳輸線兩端電磁波信號發(fā)生的相移，計算出填充介質(zhì)原油的介電常數(shù)，進而估計原油的持水率［2］。

在生產(chǎn)測井時，陣列持水率探測器在井下有2種模式：下井模式和測量模式。下井模式主要是為了探測器在上提和下放的過程中能夠順利地在油管中移動的運行模式；測量模式則是當(dāng)探測器到達目的層后進行持水率檢測的工作模式。因此，陣列持水率探測器通常利用弓形彈簧將多支探測器等間距地固定在儀器的四周。在下井模式時，弓形彈簧處于收攏狀態(tài)，儀器的最大半徑不得大于21．5mm；在測量模式下，弓形彈簧處于張開狀態(tài)，探測器在彈簧張力作用下緊貼井筒周圍，此時儀器的最大直徑略小于套管的直徑，約為200mm。

根據(jù)上述的空間結(jié)構(gòu)，探測器的中心支撐桿半徑應(yīng)大于4mm，以滿足剛度需求。如果考慮固定弓形彈簧片的厚度為3mm，實際上儀器預(yù)留安放探測器的空間為一內(nèi)半徑不小于4mm、外半徑不大于18．5mm的環(huán)形空間。要保證儀器過油管移動，要求單支探測器結(jié)構(gòu)，經(jīng)過陣列組合后空間分布應(yīng)控制在內(nèi)半徑為4mm、外半徑為18．5mm以內(nèi)環(huán)形空間內(nèi)。

基于上述空間限制，如果采用同軸傳輸線結(jié)構(gòu)的探測器［2－3］，每支探測器的最大外徑應(yīng)小于14．5mm（最大半徑小于7．25mm）（見圖1）。為了保證探測器的強度，同軸線內(nèi)導(dǎo)體半徑不小于2．5mm，外導(dǎo)體厚度不小于2．5mm，這時同軸線內(nèi)的流體環(huán)空就小于2．25mm。這樣狹窄的空間會導(dǎo)致流體流動不暢，以至出現(xiàn)堵塞。因此，對于陣列式電磁波持水率檢測，同軸傳輸線結(jié)構(gòu)的探測器無法滿足空間要求，必需尋找其他方案。

圖1 同軸線陣列式探測器組合示意圖

2 基于微帶傳輸線的陣列式電磁波持水率探測器設(shè)計

2．1 微帶陣列式探測器的組合方案

基于上述儀器空間對陣列式探測器空間結(jié)構(gòu)的要求，同時考慮陣列成像的分辨率的技術(shù)指標(biāo)，提出了基于6支微帶傳輸線（以下簡稱微帶）的陣列式電磁波持水率探測器方案。微帶的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由介質(zhì)基片及其上面的導(dǎo)體帶和下面的接地板構(gòu)成。顯然與同軸傳輸線結(jié)構(gòu)不同，微帶的條形片狀結(jié)構(gòu)非常適合沿環(huán)狀空間的陣列組合。

圖2 微帶探測器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 微帶陣列式探測器組合示意圖

圖3（a）給出了基于微帶陣列式電磁波持水率探測器下井時的結(jié)構(gòu)設(shè)計。極板厚度為2．6mm，接地極板寬度為15mm，信號極板的寬度為7．4mm，兩極板之間的距離為4mm。該陣列組合結(jié)構(gòu)占用半徑為6．4～18mm范圍的環(huán)形空間，既滿足儀器下井的直徑要求，同時還留下4～6．4mm寬度的環(huán)空便于調(diào)整。圖3（b）為基于微帶陣列式探測器測井模式的結(jié)構(gòu)，在到達測量層位后，通過弓形彈簧將探測器撐開，6支探測器緊貼井壁分布。

對于微帶的長度，從分辨率角度而言希望越長越好，但從井下的儀器空間和儀器的強度方面考慮，應(yīng)盡可能短。另一方面過長的傳輸線也會引入外界的干擾和信號的衰減。根據(jù)電磁波傳輸線理論，電磁波在結(jié)構(gòu)為微帶傳輸線的探測器內(nèi)傳播后，其滑行波產(chǎn)生的相移為［10］

式中，Φ為電磁波的相移；L為探測器的長度；β為探測器單位長度上的相移系數(shù)；f為電磁波的激勵頻率；μ0為真空磁導(dǎo)率；ε0為真空絕對介電常數(shù)；εr為介質(zhì)相對介電常數(shù)。

2．2 微帶電磁波持水率探測器的電磁特性

檢測方案如圖4（a）所示。將微帶探測器置入油水混合液體中，油水混合液體可視為介質(zhì)基片材料。根據(jù)傳輸線理論［7］，低耗微帶傳輸線準(zhǔn)TEM模式的相位系數(shù)為在激勵頻率恒定的條件下，電磁波在介質(zhì)中的相位系數(shù)是由介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率決定，因此當(dāng)始端發(fā)送的信號Vs（t）經(jīng)過微帶型探測器傳輸反映在終端接收的信號Vr（t）上就會發(fā)生相位偏移。不同的介電常數(shù)對應(yīng)不同的相移，故可通過檢測相移的方法檢測持水率。

圖4 電磁波持水率的檢測方案示意圖

設(shè)始端激勵信號Vs（t）＝A1sin（ω0t），電磁波在傳感器內(nèi)傳輸后，產(chǎn)生了幅度衰減和相位移，則終端信號為

式中，A1為激勵信號的幅度；ω0為激勵信號的角頻率；Aam為終端信號的幅度；φ為激勵信號的相移；Z0和ZL分別為傳輸線的特性阻抗和負載；β為傳輸線單位長度上的相移［2－3］。按照圖3所示傳輸線尺寸，取電磁波激勵頻率為80MHz，負載電阻值取50Ω，分別取微帶傳輸線長度200mm和150mm，根據(jù)式（4）數(shù)值模擬不同探測器長度條件下電磁波相位偏移與介電常數(shù)的關(guān)系（見圖5）。曲線表明：相位偏移φ與混合物的介電常數(shù)ε呈單調(diào)遞增關(guān)系，且探測器越長，分辨率越高。

圖5 微帶傳輸線上相位偏移與介電常數(shù)的關(guān)系

3 基于微帶陣列式電磁波持水率探測器的實驗研究

3．1 陣列式持水率探測器的實驗裝置

在理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計圖6所示實驗裝置。圖6中，6支微帶型電磁波持水率探測器構(gòu)成傳感器陣列，由上下2塊絕緣極板固定，并豎直放置在樣品容器中。

檢測電路主要由相位差檢測電路、相差數(shù)字化、計算機3部分構(gòu)成。相位差檢測電路主要用來檢測經(jīng)過探測器前后的高頻正弦信號的相移信息，電路采用了分時激發(fā)接收的多路復(fù)用工作機制。由發(fā)射電路產(chǎn)生高頻正弦信號，采用多路分配器分時地將信號經(jīng)射頻線逐一連接每支持水率探測器的始端，電磁波在傳輸線上傳播時產(chǎn)生了幅度衰減和相位偏移，經(jīng)終端射頻線至多路選擇接收電路。

對于長度為150mm微帶傳輸線，當(dāng)其間被測介質(zhì)從全油變化至全水時，由式（1）可知產(chǎn)生的相移是2．2rad。若要實現(xiàn)低于5%的持水率檢測誤差，則相位差的檢測精度要達到0．11rad，對應(yīng)于頻率為80MHz的激勵信號的相位延時分辨率要求為0．22ns，這就對相位時差檢測電路提出了更嚴(yán)的要求，實現(xiàn)比較困難。因此，在鑒相（鑒別相位時差）之前，插入2個混頻電路，將微帶傳輸線兩端的信號分別同時與另一路頻率為80．02MHz的信號進行混頻，提取兩者差頻信號進行相位時差的鑒別。這樣盡管混頻后前后兩者絕對相差沒有改變，仍然為φ，但混頻后2路差頻信號頻率都降低到20KHz，對應(yīng)φ的相差時延相對于80MHz時放大了4000倍，對相位延時的分辨率只要達到880ns即可，降低了相差檢測的難度。經(jīng)過混頻、濾波、鑒相后的輸出送入相差數(shù)字化電路，將其數(shù)字化，最終數(shù)據(jù)傳至計算機，由計算機根據(jù)電磁波在傳輸線中相移φ計算出對應(yīng)的持水率，完成數(shù)據(jù)處理并繪制實時流體分布圖像。

3．2 陣列式持水率探測器實驗

為了實驗驗證微帶傳輸線內(nèi)均勻的油水混合物持水率與傳輸線上電磁波相移的關(guān)系，考慮到傳輸線內(nèi)油水混合物的不同持水率可以通過垂直傳輸線內(nèi)不同高度分層氣／水等效模擬［5－7］，向圖6所示樣品容器中注入一定高度的水，使微帶傳輸線極板內(nèi)的介質(zhì)由空氣和水兩個層構(gòu)成。當(dāng)水層的高度從0線性增加到等于傳輸線長度的高度時，其等效相對介電常數(shù)由1線性增加到80，其持水率從0變化到100%。圖7給出了長度分別為200mm（1號探測器）和150mm（2號探測器）2種規(guī)格微帶線的實驗結(jié)果。結(jié)果表明，實驗曲線與理論曲線變化趨勢基本一致，驗證了微帶線兩端的相移與持水率存在單調(diào)遞增關(guān)系。其中1號探測器曲線的斜率范圍為0．200～2．600，當(dāng)持水率從70%～80%時，分辨率最高；2號探測器曲線的斜率范圍為0．600～7．800，當(dāng)持水率從0～10%時，分辨率最高；整體而言，2號探測器比1號探測器的曲線在整個范圍內(nèi)更平坦，更接近線性關(guān)系。另外，從工程實現(xiàn)角度考慮，2號探測器長度短于1號探測器，更便于工程化和小型化，因此應(yīng)選2號探測器為宜。

圖7 探測器相位偏移與等效持水率的關(guān)系曲線

上述理論分析是假設(shè)微帶傳輸線內(nèi)油水混合物是均勻的，實驗測試也是通過不同高度的水和空氣層等效油水混合物的不同持水率。實際的多相流非常復(fù)雜，很好地模擬實際情況需要一定的實驗條件。

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)陣列電磁波持水率探測器的設(shè)計需求，在探測器的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、組合方式、激勵頻率、尺寸等方面進行了理論分析和實驗研究。陣列探測器的微帶傳輸線為6支，單支微帶傳輸線長度為150mm，導(dǎo)體極板的寬度為7．4mm，接地極板的寬度為15mm，2種極板的厚度均為2．6mm。

（2）基于微帶傳輸線持水率探測器在原油高持水率時有較好的靈敏度，適合用于陣列式持水率探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（3）研究結(jié)果盡管是在一定的理想假設(shè)和等效條件下取得的，但對陣列式電磁波持水率檢測儀器的研究和開發(fā)具有重要的理論意義和實際的參考價值。

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