陣列電磁波持水率探測(cè)器的研究*

魏 勇 余厚全 唐桃波 劉國(guó)權(quán) 陳 強(qiáng) 梁 旭

(1．長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 湖北 荊州 434023；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司 陜西 西安 710077)

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·儀器設(shè)備與應(yīng)用·

陣列電磁波持水率探測(cè)器的研究*

魏 勇1余厚全1唐桃波1劉國(guó)權(quán)2陳 強(qiáng)2梁 旭2

(1．長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 湖北 荊州 434023；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司 陜西 西安 710077)

在大斜度、水平井環(huán)境中檢測(cè)原油持水率的空間分布信息一直是個(gè)難題。文章分析了陣列式電磁波持水率探測(cè)器的設(shè)計(jì)需求，討論了實(shí)現(xiàn)該技術(shù)方案的關(guān)鍵問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)提高電磁波的頻率和減小探測(cè)器的尺寸等方法，提出了陣列式探測(cè)器的設(shè)計(jì)方案。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案可以用于檢測(cè)大斜度井的持水率空間分布信息，適用于國(guó)內(nèi)大斜度井的工程需求，相關(guān)的數(shù)據(jù)和結(jié)論對(duì)陣列電磁波持水率探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有實(shí)際參考價(jià)值。

陣 列；電磁波；持水率；探測(cè)器；大斜度井

0 引 言

目前國(guó)內(nèi)大部分油田采用水平井、大斜度井等措施來(lái)提高單井產(chǎn)能，適用于垂直井的傳統(tǒng)集流式持水率測(cè)量?jī)x器已無(wú)法提供這類井的原油持水的空間分布情況。另一方面，國(guó)內(nèi)的大部分油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，綜合含水率達(dá)到了80%以上，國(guó)外生產(chǎn)的諸如CAT[1]等陣列持水率儀器僅適用于國(guó)外普遍含水率較低的油田，不適合在國(guó)內(nèi)油田推廣應(yīng)用。

為了獲取大斜度井和水平井中油井截面上的持水率分布信息，在前期已經(jīng)研制的集流式電磁波持水率探測(cè)器[2、3]的基礎(chǔ)上開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作，提出了陣列電磁波持水率探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。即采用多支電磁波持水率探測(cè)器組成陣列式組合，既可以實(shí)現(xiàn)在高含水條件下持水率測(cè)量精度，又能獲取水平井或大斜井的井筒截面不同部位持水率的分布信息，解決目前生產(chǎn)測(cè)井中的工程難題。

1 陣列式電磁波持水率探測(cè)器的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵問(wèn)題

為了能較好地重現(xiàn)井筒流體分布狀態(tài),為大斜度井、水平井提供很好的解釋資料，要求持水率儀器的探測(cè)器采用陣列式的分布方式。陣列電磁波持水率探測(cè)器的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

1)采用陣列式探測(cè)器獲取井筒內(nèi)流體空間分布信息；

2)持水率測(cè)量范圍：0～100%；

3)持水率測(cè)量誤差：≤±5%；

4)重復(fù)性誤差：≤±2%；

5)測(cè)量溫度：155℃。

由于生產(chǎn)測(cè)井中測(cè)試工藝的限制，持水率測(cè)量?jī)x器處于狹小的工作空間，研制陣列式電磁波持水率探測(cè)器的關(guān)鍵問(wèn)題在于：(1)有限空間上陣列探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題；(2)通過(guò)截面上有限點(diǎn)上檢測(cè)的持水率估計(jì)整個(gè)截面持水率分布問(wèn)題；(3)多通道電磁波持水率探測(cè)器中電磁波信號(hào)的激發(fā)接收問(wèn)題。本文主要討論探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

2 陣列式組合中單支電磁波持水率探測(cè)器小型化設(shè)計(jì)

2.1 陣列式組合對(duì)單支電磁波持水率探測(cè)器的結(jié)構(gòu)要求

參考國(guó)內(nèi)外陣列持水率儀器的結(jié)構(gòu)，通常這一系列的儀器利用弓形彈簧將多支探測(cè)器等間距地固定在儀器的四周。陣列持水率儀器在井下主要處于兩種工作模式：一種是下井模式，另一種是測(cè)量模式。下井模式主要是為了儀器在上提和下放的過(guò)程中，能夠順利地在油管中移動(dòng)。在該模式下，弓形彈簧處于收攏狀態(tài)，儀器的最大直徑不得大于43 mm；在測(cè)量模式下，弓形彈簧處于張開(kāi)狀態(tài)，探測(cè)器在彈簧張力作用下緊貼井筒周圍，此時(shí)儀器的最大直徑略小于套管的直徑，約為200 mm。

前期的電磁波持水率探測(cè)器的研究與實(shí)驗(yàn)將單支集流式電磁波持水率探測(cè)器的尺寸確定為[3]：長(zhǎng)度200 mm，內(nèi)導(dǎo)體外半徑a為3 mm，外導(dǎo)體內(nèi)半徑b為9 mm，外導(dǎo)體外半徑為12 mm。在下井模式下，儀器的外徑要求不得大于43 mm，若將外半徑為12 mm的單支集流式探測(cè)器并行放置，則最大允許數(shù)量為1支，從數(shù)量上無(wú)法實(shí)現(xiàn)多探測(cè)器布局。一方面，從儀器獲得的信息量考慮，儀器上安裝的探測(cè)器越多越好，然而探測(cè)器的數(shù)量和尺寸必定會(huì)影響儀器整體的直徑和長(zhǎng)度，導(dǎo)致儀器過(guò)粗而無(wú)法下井；另一方面，就儀器的強(qiáng)度和靈活性而言，儀器越短越好，儀器過(guò)長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低，易發(fā)生扭曲現(xiàn)象。因此，要在有限的空間上安放多支探測(cè)器，減小探測(cè)器的尺寸結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

2.2 陣列式組合中單支電磁波持水率探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)探測(cè)器的內(nèi)外導(dǎo)體半徑

根據(jù)前一階段對(duì)集流式探測(cè)器的研究結(jié)果，導(dǎo)體間流體的環(huán)形空間間距b-a=6 mm時(shí)，能夠適用于井下流體測(cè)量，不會(huì)導(dǎo)致結(jié)蠟堵塞等情況發(fā)生。因此在設(shè)計(jì)陣列探測(cè)器時(shí)，應(yīng)在縮小尺寸和保證強(qiáng)度的前提下充分借鑒集流式探測(cè)器的研究經(jīng)驗(yàn)。將探測(cè)器內(nèi)導(dǎo)體的外半徑a減小為2 mm，外導(dǎo)體的內(nèi)半徑b減小為7 mm，外導(dǎo)體外半徑減小為9 mm。理論分析可知：導(dǎo)體間流體的環(huán)形空間間距b-a=5 mm，僅略小于集流式探測(cè)器的環(huán)形空間；內(nèi)外導(dǎo)體半徑比b/a=3.5,趨近于有損同軸線的衰耗系數(shù)最小值b/a=3.6的理論條件[5]。實(shí)驗(yàn)表明，縮小尺寸后的探測(cè)器能夠滿足流體通暢和強(qiáng)度要求。

2)電磁波的上限頻率與探測(cè)器的上限長(zhǎng)度

根據(jù)電磁場(chǎng)傳輸理論，探測(cè)器內(nèi)傳輸?shù)腡EM波的最高截止頻率或最小截止波長(zhǎng)分別為[4]:

(1)

(2)

式中λTEMmax為同軸線傳輸TEM模式的最高截止頻率；λTEMmin為同軸線傳輸TEM模式的最小截止波長(zhǎng)；a為同軸線內(nèi)導(dǎo)體的外半徑；b為同軸線外導(dǎo)體的內(nèi)半經(jīng)；εm為同軸線內(nèi)介質(zhì)的混合介電常數(shù)。當(dāng)探測(cè)器內(nèi)介質(zhì)全是水時(shí)，選取a=2 mm，b=7 mm，εm=80 in(1 in=2.54 cm)，探測(cè)器內(nèi)傳輸TEM波的最高截止頻率為132.7 MHz和最小截止波長(zhǎng)為253 mm。探測(cè)器的長(zhǎng)度超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)后響應(yīng)就有可能出現(xiàn)多解性，因此探測(cè)器的上限長(zhǎng)度為253 mm。

3)陣列式組合中單支探測(cè)器長(zhǎng)度的確定

根據(jù)電磁波在同軸線內(nèi)的傳播特性，電磁波在結(jié)構(gòu)為同軸線的探測(cè)器內(nèi)傳播后，產(chǎn)生的相移為[2]：

(3)

在前期集流式探測(cè)器的研究中，f取80 MHz，L取200 mm，因此靈敏度S=16 000(歸一化值)。在設(shè)計(jì)陣列式探測(cè)器時(shí)，其長(zhǎng)度L也要相應(yīng)地縮短。為了保持或者盡量接近原來(lái)集流式探測(cè)器的檢測(cè)靈敏度，最有效的辦法就是在激勵(lì)頻率f不超過(guò)TEM波的最高截止頻率的前提條件下，提高電磁波的激勵(lì)頻率f。上述分析可知f的上限值為132.7 MHz，因此可取f的值為120 MHz。在確定f的基礎(chǔ)上，盡量減小探測(cè)器的長(zhǎng)度L,保證二者之積S，即靈敏度與集流式相比，差異不大，略有降低。綜合考慮以上因素，選擇電磁波的工作頻率為120 MHz,選取單支探測(cè)器的長(zhǎng)度為100 mm和120 mm兩種規(guī)格見(jiàn)表1，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，從中選取最優(yōu)長(zhǎng)度。

表1 探測(cè)器類型與尺寸

圖1 探測(cè)器相位偏移與持水率的關(guān)系曲線

采用真實(shí)離散介電常數(shù)油水樣品實(shí)驗(yàn)：利用柴油和水配制11份持水率從0%到100%、間隔單位為10%的原油樣品，記錄電磁波信號(hào)經(jīng)過(guò)探測(cè)器前后的相位偏移量，并將其數(shù)字化，持水率與相移曲線如圖1所示。曲線表明：1#探測(cè)器曲線的斜率范圍為0.400～7.500，當(dāng)持水率從20%～30%時(shí)，分辨率最高，當(dāng)持水率從90%～100%時(shí)，分辨率最低；2#探測(cè)器曲線的斜率范圍為0.500～3.100，當(dāng)持水率從50%～60%時(shí)，分辨率最高；整體而言，2#探測(cè)器比1#探測(cè)器的曲線在整個(gè)范圍內(nèi)更平坦，更接近線性關(guān)系。因此實(shí)驗(yàn)結(jié)論是：1#探測(cè)器在高持水率段分辨率較低，不適用于在高持水率的環(huán)境下使用；2#探測(cè)器的線性度和分辨率要優(yōu)于1#探測(cè)器，應(yīng)選2#探測(cè)器為宜。

根據(jù)上述理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，在探測(cè)器小型化過(guò)程中，若內(nèi)外導(dǎo)體過(guò)細(xì)則強(qiáng)度不夠，導(dǎo)體間的環(huán)形空間太小則容易引起堵塞，長(zhǎng)度太短則線性度差。結(jié)合工程實(shí)際考慮，小型化后的探測(cè)器的最優(yōu)尺寸為：內(nèi)導(dǎo)體外半徑2 mm，外導(dǎo)體內(nèi)半徑7 mm，外導(dǎo)體外半徑9 mm，長(zhǎng)度120 mm。

3 陣列式探測(cè)器的組合方案

為了兼顧陣列成像測(cè)量的分辨率和探測(cè)器的結(jié)構(gòu)特征要求，陣列電磁波持水率儀采用6支小型化的探測(cè)器，其優(yōu)點(diǎn)是受井斜和流型影響較小，能更直觀反應(yīng)井下流體介質(zhì)的分布。

根據(jù)探測(cè)器的結(jié)構(gòu)要求,首先考慮下井模式下探測(cè)器的組合問(wèn)題：若下井過(guò)程中將6支探測(cè)器分布在同一井筒截面高度上，彼此緊密地收攏成一個(gè)外切圓形，如圖2(a)所示。由三角形公式有：

(R-r)sinθ=r

(4)

圖3 下井模式與測(cè)試模式下陣列探測(cè)器的組合示意圖

其次考慮測(cè)井模式下探測(cè)器的組合問(wèn)題：如圖3(b)所示，在到達(dá)測(cè)量層位后，通過(guò)電動(dòng)機(jī)控制2組連接探測(cè)器的弓形彈簧的上下滑環(huán)，調(diào)整2組探測(cè)器的軸向高度；在井下弓形彈簧打開(kāi)后，儀器處于測(cè)量狀態(tài)，6支探測(cè)器緊貼井筒分布，軸向上處于同一井筒截面高度。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)陣列電磁波持水率探測(cè)器的設(shè)計(jì)需求，在探測(cè)器的激勵(lì)頻率、數(shù)量、尺寸、組合方式等方面進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，最終確定為：激勵(lì)電磁波的頻率設(shè)定為120 MHz，探測(cè)器的數(shù)量為6支，單支探測(cè)器的尺寸為長(zhǎng)度120 mm，內(nèi)導(dǎo)體外半徑2 mm，外導(dǎo)體內(nèi)半徑7 mm，外導(dǎo)體外半徑9 mm，下井和測(cè)量?jī)煞N模式下陣列探測(cè)器按照?qǐng)D3進(jìn)行組合。

陣列電磁波持水率儀器采用較高的電磁波探測(cè)頻率，陣列化的結(jié)構(gòu)，較好地重現(xiàn)井筒流體分布狀體,為大斜度井、水平井提供很好的解釋資料，對(duì)油田開(kāi)發(fā)具有較大的實(shí)用價(jià)值。

[1] 張海博,郭海敏,戴家才.電容陣列儀在大斜度井中的實(shí)驗(yàn)研究[J].測(cè)井技術(shù),2008,32(4): 304-306.

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[3] 魏 勇，余厚全，陳 強(qiáng).電磁波持水率傳感器的研究與實(shí)驗(yàn)[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(10): 27-31.

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[5] 楊顯清.電磁場(chǎng)與電磁波[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

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Research on Electromagnetic Wave Water Holdup Array Detectors

WEI Yong1YU Houquan1TANG Taobo1LIU Guoquan2CHEN Qiang2LIANG Xu2

(1.Electronics&InformationSchool,YangtzeUniversity,Jingzhou,Hubei434023,China；2.ChinaPetroleumLoggingCO.LTD.,Xi’an,Shaanxi710077,China)

The water holdup space distribution information of crude oil in the environment of highly deviated and horizontal wells has always been a problem,this paper analyses the design requirements for electromagnetic wave water holdup array detectors,discusses the key problems to realize the scheme,and on this basis,put forward the design scheme of array detectors by increasing the frequency of electromagnetic wave and reduce the size of the detector,and other methods.Theoretical analysis and experimental results show that the scheme can be used to detect water holdup spatial distribution information of the highly deviated wells,it is applicable to the engineering needs of the domestic highly deviated wells,and the relevant data and conclusions have practical application value to the structure design of the electromagnetic wave water holdup array detectors.

array,electromagnetic wave,water holdup,detector,highly deviated well

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，編號(hào)：2011A-3903。

魏 勇，男，1979年生，碩士研究生，講師，2003年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院電子信息工程專業(yè)，2006年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)信號(hào)與信息處理專業(yè)，現(xiàn)為長(zhǎng)江大學(xué)在讀博士，研究方向?yàn)槁曤姕y(cè)井新方法與儀器研究。E-mail：weiyong321@163.com

P631.8+11

A

2096-0077(2015)02-0076-03

2014-10-18 編輯：韓德林)