電導(dǎo)法原油含水率測(cè)量傳感器的模型優(yōu)化與仿真*

高國(guó)旺，李利品，黨瑞榮，賈　偉，王紅彬

（1.西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/陜西省光電傳感與測(cè)井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710065；2.中國(guó)石油測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部，西安710201）

電導(dǎo)法原油含水率測(cè)量傳感器的模型優(yōu)化與仿真*

高國(guó)旺1*，李利品1，黨瑞榮1，賈偉1，王紅彬2

（1.西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/陜西省光電傳感與測(cè)井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710065；2.中國(guó)石油測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部，西安710201）

電導(dǎo)法原油含水率測(cè)量是基于陣列電極傳感器的一種測(cè)量方法，電極系的結(jié)構(gòu)與參數(shù)對(duì)傳感器性能有著重要影響。擬研究電極系傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在建立傳感器電場(chǎng)分布理論模型的基礎(chǔ)上，利用ANSYS有限元軟件仿真電極系傳感器不同參數(shù)下的電場(chǎng)分布，分析電極環(huán)寬度、激勵(lì)電極對(duì)間距、測(cè)量電極間距等參數(shù)對(duì)傳感器性能的影響。依據(jù)仿真結(jié)果，確定傳感器的優(yōu)化參數(shù)，并對(duì)傳感器進(jìn)行了靈敏度的模擬測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示:傳感器靈敏度仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果一致性較好；在高含水（大于85%）的油水兩相流含水率測(cè)試精度可達(dá)3%。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了傳感器理論和仿真分析方法的有效性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)傳感器提供一種有效的方法。

原油含水率；電導(dǎo)法；電極系傳感器；有限元分析；仿真

EEACC:7230；7320Wdoi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.008

原油含水率的精確在線(xiàn)測(cè)量對(duì)油田開(kāi)發(fā)中越來(lái)越重要，在確定油井出水、出油層位，估計(jì)原油產(chǎn)量，預(yù)測(cè)油井的開(kāi)發(fā)壽命等方面有著重要意義［1］。特別是隨著油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，油井產(chǎn)液中水分含量越來(lái)越大，綜合含水率已超過(guò)80%［2］的情況下，更加迫切需要原油含水率的測(cè)量。目前，常用的原油含水率測(cè)量方法包括:電容法、電導(dǎo)法、介電常數(shù)法、微波法、密度法、γ射線(xiàn)吸收或散射法等［2-11］，其中電導(dǎo)法特別適合含水率在50%～100%、水為連續(xù)相的高含水條件下的在線(xiàn)測(cè)量，且精度可達(dá)±3%［12］。

然而，電導(dǎo)法含水率測(cè)量對(duì)低含水以油為連續(xù)相的條件不敏感、測(cè)量精度不高。為了滿(mǎn)足油井0～100%含水率的動(dòng)態(tài)測(cè)量，常常與其他方法組合，如與電容法組合形成電容電導(dǎo)法［12］；為了改進(jìn)電導(dǎo)法含水率測(cè)量系統(tǒng)的適應(yīng)性和提高測(cè)量性能，李利品［13］等建立了電阻-電容網(wǎng)絡(luò)含水率模型，適用于環(huán)狀流、分層流、泡狀流等流型，與Maxwell含水率模型相比具有更高的測(cè)試精度；另外，還可通過(guò)優(yōu)化激勵(lì)源［14］或者改進(jìn)傳感器結(jié)構(gòu)［15］改善電導(dǎo)法含水率測(cè)量的精度。為了更好掌握電極系傳感器結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)含水率測(cè)量結(jié)果的影響，本文借鑒先進(jìn)的研究方法［16］，擬開(kāi)展電極系傳感器模型的仿真分析研究，從理論上分析電極系參數(shù)對(duì)傳感器性能的影響，通過(guò)有限元軟件仿真、分析，確定優(yōu)化的傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)實(shí)際傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證其仿真分析的結(jié)果的有效性。

1　電導(dǎo)式環(huán)形電極系結(jié)構(gòu)及含水率測(cè)量

1.1電極系傳感器結(jié)構(gòu)

電導(dǎo)法含水率測(cè)量傳感器多采用縱向環(huán)形電極系結(jié)構(gòu)［17］，本文研究對(duì)象是八個(gè)電極環(huán)組成的傳感器結(jié)構(gòu)，其能夠?qū)崿F(xiàn)高含水油井的體積含水率和流量等參數(shù)的測(cè)量，如圖1所示，E1和E2為激勵(lì)電極，H1和H2為含水率測(cè)量電極，C1和C2、C3和C4為流量測(cè)量的相關(guān)電極。

圖1　環(huán)形八電極的電極系傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2含水率和流量測(cè)量原理

環(huán)形電極系傳感器的含水率測(cè)量原理:在E1和E2電極對(duì)上外接一激勵(lì)源，當(dāng)管道內(nèi)流動(dòng)的僅為水介質(zhì)時(shí)，激勵(lì)電極和測(cè)量電極之間形成規(guī)則的電場(chǎng)，當(dāng)油水混合流體流經(jīng)傳感器測(cè)量管段時(shí)，傳感器所在流體中原來(lái)分布規(guī)則的電場(chǎng)就會(huì)發(fā)生不規(guī)則變形，使得測(cè)量電極上的電勢(shì)發(fā)生相應(yīng)的不規(guī)則變化，對(duì)測(cè)量電極輸出的信號(hào)進(jìn)行處理和分析，再利用合適的模型計(jì)算出多相流體中的體積含水率。

基于電學(xué)中的歐姆定律和Maxwell模型建立的多相流中的體積含水率計(jì)算公式［6］如下:

式中:Fw為測(cè)量流體僅為水介質(zhì)時(shí)測(cè)量電極對(duì)測(cè)得的電壓幅值；Fm為多相流流體流過(guò)測(cè)量管段時(shí)測(cè)量電極對(duì)測(cè)得電壓幅值；αw為多相流流體中的含水率。從式（1）中可知，計(jì)算流體的體積含水率必須事先標(biāo)定流體僅為水時(shí)測(cè)量電極輸出的電壓幅值Fw，該工作通常在儀器正式測(cè)試前完成。

通過(guò)兩對(duì)相關(guān)電極C1和C2、C3和C4輸出的信號(hào)，采用相關(guān)技術(shù)［7］求出兩個(gè)信號(hào)的渡越時(shí)間τ0，進(jìn)而求出被測(cè)流體的體積平均流速vc和流體的體積流量Q，其公式為:

式中:L為兩個(gè)電極對(duì)直接的距離，A為流體流經(jīng)的管道截面積，單位:m2。

2　電導(dǎo)式環(huán)形電極系傳感器的理論模型與仿真

假設(shè)電導(dǎo)式環(huán)形電極系傳感器的總長(zhǎng)度為H，激勵(lì)電極環(huán)E1和E2之間的間距為Ze，測(cè)量電極環(huán)H1和H2之間的間距為Re，電極環(huán)的寬度為He。若以電導(dǎo)式電極系傳感器的中心為原點(diǎn)建立柱坐標(biāo)系（r，?，z），再以球形絕緣介質(zhì)（如流體中油泡或者氣泡）的球心為原點(diǎn)建立球坐標(biāo)系（r′，?′，z′），給激勵(lì)電極環(huán)上施加電壓為U0的激勵(lì)信號(hào)，則傳感器內(nèi)部的電勢(shì)u滿(mǎn)足的Laplace方程及相應(yīng)邊界條件可以用如下的方程組（4）來(lái)描述。

電極系傳感器內(nèi)部的電勢(shì)u（r，?，z）變化情況用ANSYS有限元軟件進(jìn)行仿真。圖2（a）為環(huán)形電極系的建模和網(wǎng)格劃分結(jié)果，電極系傳感器內(nèi)部區(qū)域的電勢(shì)分布情況如圖2（b）所示。電極系傳感器內(nèi)部的電場(chǎng)分布云圖和電流密度矢量圖的仿真結(jié)果分別如圖2（c）和圖2（d）所示。u（r，?，z）（4）

由仿真結(jié)果可看出，電導(dǎo)式電極系傳感器內(nèi)部的電勢(shì)分布是均勻變化的；除了激勵(lì)電極附近區(qū)域的電場(chǎng)有強(qiáng)弱變化外，測(cè)量電極所在敏感區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度分布較均勻；電極系傳感器內(nèi)部區(qū)域的電流方向和Z軸正半軸所指方向一致，且電流只在內(nèi)部流動(dòng)，電流密度在激勵(lì)電極附近出現(xiàn)較強(qiáng)的電流密度變化，其他區(qū)域電流密度分布基本均勻。

圖2　電極系傳感器模型的電學(xué)特性仿真結(jié)果

3　電極系傳感器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真

為了使電極系傳感器結(jié)構(gòu)更加適合實(shí)際應(yīng)用要求，以降低流型對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，重點(diǎn)開(kāi)展電極系傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，主要涉及到電極高度He、激勵(lì)電極間距Ze和測(cè)量電極間距Re等，通過(guò)軟件仿真分析這些參數(shù)變化對(duì)傳感器敏感區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)變化的情況。

3.1電極環(huán)寬度優(yōu)化仿真

設(shè)定不同的電極環(huán)寬度He分別為5 mm、6 mm、7 mm、8 mm，通過(guò)ANSYS軟件仿真分析不同電極寬度下的電場(chǎng)分布，其結(jié)果如圖3所示。

仿真結(jié)果顯示:電極環(huán)寬度越大，激勵(lì)電極內(nèi)部敏感場(chǎng)內(nèi)的電場(chǎng)分布均勻性增加，電場(chǎng)分布均勻的區(qū)域也增加，傳感器敏感場(chǎng)內(nèi)的均勻電場(chǎng)強(qiáng)度也有增大趨勢(shì)。

圖3　不同電極環(huán)寬度的電場(chǎng)分布云圖仿真結(jié)果

3.2激勵(lì)電極間距優(yōu)化仿真

為了考察激勵(lì)電極間距對(duì)傳感器內(nèi)部電場(chǎng)的分布影響，設(shè)定激勵(lì)電極間距Ze分別為200 mm、210 mm、230 mm、250 mm。通過(guò)ANSYS軟件仿真分析不同間距下的電場(chǎng)分布云圖，其結(jié)果如圖4所示。仿真結(jié)果顯示:隨著激勵(lì)電極間距的增加，傳感器內(nèi)部敏感場(chǎng)內(nèi)的電場(chǎng)分布均勻的區(qū)域也在增大，但電場(chǎng)強(qiáng)度稍有減小。

3.3測(cè)量電極間距優(yōu)化仿真

測(cè)量電極置于激勵(lì)電極之間，電極間距的優(yōu)化重點(diǎn)考慮對(duì)輸出靈敏度的影響。電導(dǎo)式傳感器靈敏度的定義如下:假設(shè)傳感器區(qū)域的介質(zhì)為水時(shí)，測(cè)量電極對(duì)輸出電壓為U0，當(dāng)在敏感場(chǎng)內(nèi)放入一個(gè)不導(dǎo)電球形介質(zhì)，傳感器的測(cè)量電壓U0與球形介質(zhì)所處的位置坐標(biāo)r、z有關(guān)，此時(shí)測(cè)量電壓的絕對(duì)變化量ΔU（r，z）和電導(dǎo)傳感器空間靈敏度Ψ（r，z）之間的關(guān)系可表示為:

式中:ΔUmax為傳感器測(cè)量得到的電壓變化量ΔU（r，z）的最大值。

根據(jù)電導(dǎo)式傳感器的工作機(jī)理及靈敏度的定義可知，傳感器的靈敏度軸向分布特性影響著測(cè)量結(jié)果。設(shè)定激勵(lì)電極間距為Ze=180 mm，測(cè)量電極間距Re設(shè)定為130 mm，100 mm，80 mm，60 mm時(shí)，沿軸向Z的靈敏度分布規(guī)律曲線(xiàn)如圖5所示。由圖5可看出，隨著測(cè)量電極間距Re的不斷增大，電導(dǎo)式電極系傳感器內(nèi)部區(qū)域的高靈敏度區(qū)間也會(huì)增大，且在軸向中心附近較大區(qū)域內(nèi)的靈敏度分布也比較均勻。

圖4　不同激勵(lì)電極間距的電場(chǎng)分布云圖仿真結(jié)果

圖5　傳感器沿Z軸的靈敏度分布規(guī)律曲線(xiàn)（Ze=180 mm）

4　傳感器設(shè)計(jì)與測(cè)試

電極系傳感器的結(jié)構(gòu):由鍍銀的銅圓環(huán)精制而成的電極環(huán)平滑鑲嵌在內(nèi)徑為62 mm的玻璃鋼管道的內(nèi)壁上。結(jié)合上述電極系參數(shù)的仿真結(jié)果，優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)如下:激勵(lì)電極的間距為230 mm，測(cè)量電極間距為130 mm，兩對(duì)相關(guān)電極間距35 mm，每對(duì)相關(guān)電極間距為20 mm。電導(dǎo)式電極系傳感器的實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖6所示。4.1傳感器性能測(cè)試方法與結(jié)果

圖6　電導(dǎo)式電極系傳感器實(shí)物圖

為了驗(yàn)證傳感器的性能，對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，方法如下:將電極系傳感器管段侵入水介質(zhì)中，用絕緣小球模擬三相混合流體中的油泡和氣泡，用信號(hào)源驅(qū)動(dòng)激勵(lì)電極，記錄絕緣小球經(jīng)過(guò)傳感器測(cè)量管段中流過(guò)時(shí)的測(cè)量電極輸出的電壓變化情況，測(cè)得的結(jié)果曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7　實(shí)時(shí)采集得到的測(cè)量電壓變化曲線(xiàn)圖

當(dāng)絕緣小球位于激勵(lì)電極和最外部的測(cè)量電極之間時(shí)，測(cè)量電壓小于只有水介質(zhì)的測(cè)量電壓，且靈敏度較低，出現(xiàn)了峰谷；當(dāng)絕緣小球位于測(cè)量電極所在的敏感區(qū)域時(shí)，測(cè)量電壓又會(huì)變大，靈敏度變高。這種變化規(guī)律仿真所得的電導(dǎo)式傳感器沿Z軸的靈敏度分布變化曲線(xiàn)一致，從而驗(yàn)證了它的正確性。

4.2管道多相流含水率測(cè)試

室內(nèi)的多相流體測(cè)量管道裝置如圖8所示，整套裝置包括兩個(gè)儲(chǔ)液罐、螺桿泵、空氣壓縮機(jī)、流量計(jì)等，利用工業(yè)白油和自來(lái)水組成油水混合流體，向管道中注入氣體，形成油、氣、水多相流。油水混合流體可通過(guò)螺桿泵和閥門(mén)控制在兩個(gè)儲(chǔ)液罐間輸送。將設(shè)計(jì)的電導(dǎo)式電極系傳感器安裝在試驗(yàn)裝置中，利用自主研制的信號(hào)處理電路，采集和處理測(cè)量電極信號(hào)，計(jì)算含水率。首先利用純水標(biāo)定傳感器測(cè)量電極的輸出電壓Fw，測(cè)試結(jié)果為0.712 V，然后進(jìn)行室內(nèi)含水率室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

圖8　室內(nèi)流體測(cè)量試驗(yàn)管道結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)一:設(shè)定含水體積范圍為75%～100%，在固定流速的情況下進(jìn)行了10組的測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，含水率實(shí)際值與測(cè)量值比較曲線(xiàn)和二者誤差曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9　測(cè)試結(jié)果曲線(xiàn)與誤差曲線(xiàn)

表1　固定流速不同油水比例下的含水量測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出:油水兩相流高含水率（75%～100%）的條件下，測(cè)量誤差小于6%，且含水率越高測(cè)量精度越高，在含水率在90%以上，測(cè)量結(jié)果誤差小于2%。

實(shí)驗(yàn)二:已知實(shí)際含水率為83%，通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿泵的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)流速調(diào)節(jié)，流速調(diào)節(jié)范圍設(shè)定為6.45 m/s～8.00 m/s，共進(jìn)行了10組的測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如表2所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出:在水油體積比例為83.25%條件下，流速變化對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的影響，誤差基本上在5%以?xún)?nèi)；流量測(cè)量的誤差在10%以?xún)?nèi)。

表2　固定油水比例下的含水率及流量測(cè)量結(jié)果

5　結(jié)論

利用有限元仿真軟件分析了電極系傳感器不同參數(shù)的影響，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)電極系傳感器，并對(duì)傳感器進(jìn)行了測(cè)試。由仿真和測(cè)試結(jié)果可得出如下結(jié)論:

①電極環(huán)寬度越大，傳感器敏感區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度越大；激勵(lì)電極對(duì)間距越大，傳感器敏感區(qū)域的電場(chǎng)分布區(qū)域也越大；測(cè)量電極間距越大，電極系傳感器內(nèi)部區(qū)域的高靈敏度區(qū)間也將增大，越有利于提高測(cè)量精度；

②依據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)的傳感器靈敏度測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較好，從而驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性，也對(duì)電極系傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種解決方法。

③優(yōu)化設(shè)計(jì)的傳感器和含水率測(cè)量系統(tǒng)，在高含水（85%～100%）的油水兩相流條件下，含水率測(cè)量精度優(yōu)于3%；在含水大于80%的情況下，流速在6.45 m/s～8.00 m/s變化會(huì)對(duì)含水率測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定影響，但含水率平均誤差小于5%，流量測(cè)量誤差在10%以?xún)?nèi)。

總之，電導(dǎo)法原油含水率測(cè)量技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)污染、無(wú)阻流部件，在油田開(kāi)發(fā)中后期高含水油井生產(chǎn)中有著應(yīng)用前景。通過(guò)對(duì)對(duì)電極系傳感器結(jié)構(gòu)和參數(shù)的仿真分析，有利于傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而為提高電導(dǎo)式原油含水率測(cè)量系統(tǒng)的精度測(cè)量提供了一種解決方案。

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［15］芶陽(yáng)明.SS4型找水儀含水率測(cè)量誤差分析［J］.石油學(xué)報(bào)，1991，21（3）:92-98.

［16］王保良，張偉波，黃志堯，等.電容耦合電阻層析成像傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25（2）:206-211.

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

高國(guó)旺（1977-），男，博士，現(xiàn)為西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)橛蜌饩疁y(cè)試?yán)碚撆c技術(shù)信號(hào)處理等，wwgao1205@163.com；

李利品（1977-），女，博士，西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)槎嘞嗔鳈z測(cè)、信號(hào)處理等，llphyq77@163.com；

黨瑞榮（1957-），男，1987年于北京理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，1991年于南京理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為西安石油大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)槎嘞嗔鳈z測(cè)、電磁探測(cè)等，dangrr2648@126.com。

Optimization and Simulation of Conductivity Electrode Array Sensor for Measuring Water Content of Crude Oil*

GAO Guowang1*，LI Lipin1，DANG Ruirong1，JIA Wei1，WANG Hongbin2
（1.Key laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas，Ministry of Education/Shanxi Province Key Laboratory of Photoelectric Sensing and Logging，School of Electrical Engineering Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065，China；2.Changqing Division of China Petroleum Logging Co.LTD，Xi'an 710201，China）

The conductivity method for measuring water content of crude oil is a common method based on the array electrodes sensor，and its structure and parameters can influence the performance of electrode sensor.The optimizing method of array electrodes sensor will be researched in detail.First，numerical modeling of electric field generated by array electrode was founded depending on the structure of sensor and the electrical theory；then the ANSYS finite element software was used to simulate the distribution of electric field generated by sensor with different parameters and analyze the parameters of electrode sensor，such as electrode ring width，incentive electrode distance，measuring electrode distance，which affect on the performance of the sensor.Depending on the simulation results，the optimized parameters of sensor were determined and array electrodes sensor was designed.Finally，the tests were performed to verify the sensitivity and precision of sensor in the lab.The results of tests showed that there were good consistency between the simulation results and the actual testing results that verified the effectiveness of the sensor theory and method of design and analysis，the precision of the sensor based on optimized parameters could get to 3%when water content of oil-water two-phase flow is more than 85%.

watercontentofcrudeoil，conductivitymethod，arrayelectrodessensor，finiteelementanalysis，simulation

TE863.1

A

1004-1699（2015）09-1307-08

項(xiàng)目來(lái)源:陜西省科技統(tǒng)籌計(jì)劃項(xiàng)目（2012KTCL01-10）；西安石油大學(xué)博士創(chuàng)新基金項(xiàng)目（YS2903200140）；陜西省儀器科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)學(xué)科等項(xiàng)目

2015-04-24修改日期:2015-07-07