基于電容法的原油局部持水率檢測(cè)方案

方禹, 余厚全, 唐桃波, 湯天知, 秦民君, 劉國權(quán)

(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(tuán)測(cè)井有限公司, 陜西 西安 710077)

0 引 言

在線檢測(cè)油井中原油持水率是原油開采的重要決策參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)常用的方法之一是基于電容的集流式持水率檢測(cè)。水平井與大斜度井中重力的作用導(dǎo)致油井截面上油、水分層,加之水平井、大斜度井的井眼長距離波狀起伏等原因,造成水平流動(dòng)生產(chǎn)剖面異常復(fù)雜。垂直井中所使用的常規(guī)的以點(diǎn)帶面的集流式測(cè)量方法并不能準(zhǔn)確反映水平井和大斜度井中油井截面的持水率信息。為了獲取油井截面油水分布信息,國內(nèi)外有關(guān)單位開展了相關(guān)的研究開發(fā)工作。英國SONDEX公司在2002年開發(fā)了陣列電容式持水率檢測(cè)儀器(Capacitance Array Tool)。徐文峰等[1]設(shè)計(jì)了筒狀電容傳感器,用于水平井中油/水兩相持水率的測(cè)量;趙曉強(qiáng)等[2]采用相同電容傳感器結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了用于水平井中氣/水兩相持水率測(cè)量儀器。這2種傳感器都是將筒狀電容器水平放置在水平井中,通過測(cè)量筒狀電容器截面的水位高度獲取油井截面的持水率信息,只適用于水平井、低流量時(shí)界面分離的情況,當(dāng)流量較高、井斜不是很大或者筒狀電容器截面直徑遠(yuǎn)小于井筒截面直徑以及儀器偏心時(shí),測(cè)量結(jié)果會(huì)受影響。于寶等[3]提出了利用陣列同軸電容傳感器測(cè)量水平井、大斜度井持水率的檢測(cè)方案,但是這種傳感器結(jié)構(gòu)體積較大,在油井截面上分布的傳感器有限,且同軸傳感器的流體空間易污染封堵,不便清洗。根據(jù)在線原油持水率的檢測(cè)需求,要獲取油井截面上持水率的分布信息,要求持水率檢測(cè)儀器的傳感器在油井截面具有陣列式的分布結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)陣列化電容式原油持水率檢測(cè),必須解決2個(gè)基本問題:①將電容式傳感器結(jié)構(gòu)小型化,使得在油井截面上可以布置多個(gè)探測(cè)點(diǎn)以形成傳感器陣列;②減少傳感器與檢測(cè)電路之間連接線的分布電容對(duì)測(cè)量結(jié)果和道一致性的影響。本文在分析現(xiàn)有國內(nèi)外電容式持水率檢測(cè)儀器方案的基礎(chǔ)上,提出了交指式電容持水率傳感器結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種電容-頻率的間接測(cè)量方案。

1 基于平面結(jié)構(gòu)的交指式電容器

圖1 平面交指電容傳感器

平面交指式電容傳感器基于平面結(jié)構(gòu)(見圖1),通過在同一個(gè)平面上放置2個(gè)互相穿插交指的電極,檢測(cè)從電極上流過的油水混合物介電常數(shù)從而檢測(cè)原油的持水率,是從平行極板電容器演變而來[見圖1(a)],其結(jié)構(gòu)見圖1(b)(L為電極長度,w為電極寬度,g為電極間的間隔,λ為電容單元,h為電極厚度)。與平行極板電容器類似,2個(gè)電極間通過邊緣效應(yīng)形成穩(wěn)定的電場(chǎng)[4]。當(dāng)傳感器表面存在液體時(shí),極板間混合物等效介電常數(shù)的變化導(dǎo)致極間電容發(fā)生變化,通過測(cè)量電容變化獲得液體的油水混合比例。圖1(c)是傳感器等效電路模型,它由1個(gè)電阻與電容串聯(lián)組成。

傳感器電極C為單位長度上的電容值,有[5-7]

C=Kε0ε1+ε0ε1h/g+Kε0ε2

C=(K+h/g)ε0ε1+Kε0ε2=K1ε0ε1+Kε0ε2

(1)

式中,K、K1為常數(shù);ε0是真空介電常數(shù);ε1是傳感器上待檢測(cè)介質(zhì)(被測(cè)含水原油)的等效相對(duì)介電常數(shù);ε2是極板基底材料的相對(duì)介電常數(shù)。傳感器的總電容值Csen為N×L×C,N為電容器交指?jìng)€(gè)數(shù)。

由式(1)可知,當(dāng)電容器的物理結(jié)構(gòu)和基底材料介電常數(shù)一定時(shí),其電容值隨被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)變化而變化。這意味著流過傳感器表面油水混合物持水率增加時(shí),電容器的電容值單調(diào)增加,從而實(shí)現(xiàn)原油持水率的檢測(cè)。

這種電容器結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):①平面結(jié)構(gòu)簡單,易于實(shí)現(xiàn)傳感器小型化;②通過交指結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有限面積上電容值最大化,提高傳感器靈敏度;③平面結(jié)構(gòu)開放,便于清洗與維護(hù)。

2 基于電容-頻率的間接測(cè)量方案

常規(guī)電容持水率檢測(cè)儀器中傳感器的輸出與檢測(cè)電路的輸入端通過導(dǎo)線連接,連接線上存在分布電容,其值隨著環(huán)境變化而改變,會(huì)引起測(cè)量結(jié)果的誤差,且由于各條連接線的差異性,會(huì)影響陣列式儀器各道的道一致性。為避免傳輸線上分布電容對(duì)測(cè)量結(jié)果影響,最直接的方法是將傳感器與部分檢測(cè)電路一體化,將檢測(cè)的電容值直接在檢測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率變化的脈沖信號(hào),然后通過連接線連接到井下后續(xù)電路,以隔離或減小連接線上的分布電容對(duì)被測(cè)電容值的影響。這就要求傳感器與變頻電路在檢測(cè)點(diǎn)集成,其結(jié)構(gòu)盡可能簡單,體積盡可能小。本文采用基于電容-頻率的間接測(cè)量方案,使用電容傳感器和具有遲滯特性的與非門構(gòu)建自激振蕩器,形成傳感檢測(cè)一體化的電路(見圖2)。

圖2 電容-頻率一體化檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)及各點(diǎn)波形

這種一體化檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)非常簡單,它由被測(cè)電容Csen、施密特與非門和電阻R1組成。當(dāng)施密特與非門接通電源時(shí),電容Csen上的初始電壓Vc為0。此時(shí)輸出端輸出電壓V0為高電平,與非門輸出通過電阻R1對(duì)接地的被測(cè)電容Csen進(jìn)行充電,Vc的電壓逐步上升;當(dāng)Vc上升到VT+時(shí),此時(shí)輸入為高電平,與非門翻轉(zhuǎn),輸出V0為低電平,被測(cè)電容Csen通過R1向輸出端放電,Csen上的電壓開始下降。當(dāng)電容兩側(cè)電壓Vc降低至VT-時(shí),反向器輸入低電平,V0又由低電平跳變?yōu)楦唠娖?Csen又被重新充電。如此周而復(fù)始,在與非門的輸出端,就得到了矩形波。V0和Vc的波形如圖2(b)所示。被測(cè)電容的大小與充放電時(shí)間成正比時(shí)間。充放電的時(shí)間之和,即為該電路的振蕩周期。電路的振蕩周期為

(2)

式中,T為振蕩周期,與被測(cè)電容Csen值成正比;VDD為輸入電源電壓;VT+、VT-為觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)電壓。令f為振蕩頻率,被測(cè)電容值與振蕩器輸出信號(hào)頻率的關(guān)系為

(3)

由式(3)可見,被測(cè)電容值與振蕩頻率成反比。通過將被測(cè)電容值轉(zhuǎn)換為與頻率成反比的脈沖信號(hào),再經(jīng)過連接線傳輸時(shí),可避免連接線分布電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。施密特與非門器件的體積通常為5 mm×3 mm×1 mm,極易實(shí)現(xiàn)與傳感器一體化。

3 基于電源電流變化的檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路

采用上述檢測(cè)方案,連接每支傳感器需要3條連接線,即電源線、地線和信號(hào)線,相對(duì)常規(guī)的地線和信號(hào)線連接增加了1條電源線。對(duì)于12支傳感器的陣列檢測(cè)增加了12條連接線。

分析研究圖2(a)所示的傳感-檢測(cè)一體化電路可知,當(dāng)電路產(chǎn)生諧振時(shí),電源Vcc提供給諧振電路的工作電流也將發(fā)生相應(yīng)的周期性變化,如果能夠在電源線上檢測(cè)出電流的變化,就可以省去信號(hào)線,實(shí)現(xiàn)電源線與信號(hào)線復(fù)用。為此,采用了恒壓源中電流變化→電壓脈沖信號(hào)變化的轉(zhuǎn)換電路(見圖3)。

圖3 恒壓源電流變化到電壓變化的轉(zhuǎn)換電路

整個(gè)轉(zhuǎn)換電路分為3級(jí)。第1級(jí)是由運(yùn)放U1、取樣電阻R和振蕩電路電源負(fù)載構(gòu)成的電流檢測(cè)電路。C1與R和前端的電源負(fù)載組成低通濾波器,其截止頻率大于1 MHz,作用是濾除高頻干擾,在檢測(cè)信號(hào)的頻率范圍內(nèi),C1視為開路;U1同相輸入端連接1個(gè)5 V的穩(wěn)壓源,因此U1的反向輸入端實(shí)為1個(gè)5 V的恒壓源,當(dāng)有電流流過取樣電阻R時(shí)會(huì)將電流轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓。第2級(jí)為由U2與R1、R2、R3和R4構(gòu)成的儀器差分放大器,連接在U2輸入端與輸出端之間的負(fù)反饋電容用于濾除高頻干擾,輸出Vo2是U1的輸出Vo1與Vcc相減的結(jié)果。第3級(jí)是整形電路,C2的功能是隔離前端電路中的直流分量,U3與外圍電阻構(gòu)成遲滯比較器,將與電壓信號(hào)整形輸出。U1與U2輸出信號(hào)為

Vo1=Vcc+IccR

(4)

Vo2=K[Vo1-Vcc]=IccR

(5)

由式(5)可見,遲滯比較器U3的輸出是與多諧振蕩電路電源電流變化頻率相同的電壓脈沖信號(hào)。整個(gè)轉(zhuǎn)換檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)了將電源線上變化的電流檢測(cè)出來并轉(zhuǎn)換為與其變化同頻率電壓脈沖信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

根據(jù)式(1),電容大小以及其對(duì)介電常數(shù)反映的靈敏度與電極長度L、電極寬度w、電極厚度h以及交指數(shù)N成正比。要增加電容傳感器的靈敏度,就要增大傳感器的結(jié)構(gòu),但對(duì)于陣列探測(cè),顯然傳感器的結(jié)構(gòu)不可能太大。另一方面,交指式電容傳感器又不能做得太小,因?yàn)榻恢该孢^小,掛接在探測(cè)面表面的細(xì)小油珠、水珠會(huì)引起檢測(cè)誤差。根據(jù)式(3),傳感器電容值Csen以及電阻R1決定多諧振蕩器輸出的頻率變化范圍。為了增加多諧振蕩電路及圖3所示電路的穩(wěn)定性,在保證分辨率的條件下R1應(yīng)選用較大阻值的電阻。由于井下溫度較高,為了減小電阻溫漂對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,R1阻值又不易過大,選擇阻值過大R1會(huì)導(dǎo)致振蕩頻率范圍偏低,降低各道的掃描速率。綜合考慮傳感器尺寸、檢測(cè)頻率范圍、掃描周期和電路穩(wěn)定性,R1阻值選為820 kΩ,電極長L為9 mm,電極寬為1 mm,極間距為0.7 mm,交指?jìng)€(gè)數(shù)N為5,其頻率變化范圍在32～67 kHz。交指式電容傳感器與施密特與非門構(gòu)成的振蕩電路印制在1塊玻纖板上,在電容的電極與檢測(cè)電路上涂上絕緣材料。整個(gè)一體化傳感器大小為40 mm×18 mm×1.5 mm,只有地線和電源線2條對(duì)外連接線,非常適合陣列化檢測(cè)。

圖4 檢測(cè)電路各點(diǎn)波形

按照?qǐng)D3的設(shè)計(jì)電路,從施密特振蕩器電源線提取電流變化的檢測(cè)電路各點(diǎn)波形如圖4所示(黃色為振蕩電路輸出;藍(lán)色為積分輸出Vo1;紫色為差分輸出Vo2;綠色為比較器輸出Vo3)。圖4(a)是傳感器在全油中的響應(yīng),振蕩電路頻率為66.2 kHz,圖4(b)是傳感器在全水中的響應(yīng),振蕩電路頻率為32.5 kHz。通過將傳感器置入不同比例的動(dòng)態(tài)油水混合液體中,測(cè)量到的持水率與振蕩器頻率的結(jié)果如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,①隨著油水混合物持水率增加,電路的振蕩頻率單調(diào)下降;②隨著油水混合物持水率的增加,檢測(cè)電路的分辨率下降;③當(dāng)油水混合物持水率從0變化到50%時(shí),頻率從66.2 kHz降低到32.5 kHz,當(dāng)油水混合物持水率從50%變化到100%時(shí),頻率從33 kHz降低到32.5 kHz。交指式電容傳感器在持水率低于50%時(shí),具有良好的分辨率,當(dāng)持水率高于50%時(shí),分辨率較差。原因之一,如式(3)所示,振蕩頻率與電容值(介電常數(shù))成反比,其導(dǎo)數(shù)(即變化率)與電容值的平方(介電常數(shù)的平方)成反比,隨著介電常數(shù)(持水率)的增加,分辨率會(huì)迅速下降。原因之二,自來水和礦化水不能視為絕緣體,電容兩端存在一定的等效電阻[如圖1(c)所示],當(dāng)持水率大于50%時(shí),水呈連續(xù)相,連通的水相形成聯(lián)通的電阻降低了電容值(介電常數(shù))的變化對(duì)頻率的影響,因而導(dǎo)致分辨率下降。

圖5 持水率與振蕩頻率的關(guān)系

5 結(jié) 論

(1) 設(shè)計(jì)了一種基于電容邊緣效應(yīng)的新型電容器作為傳感器,采用電容傳感和頻率轉(zhuǎn)換一體化的傳感器結(jié)構(gòu),開發(fā)了從電源線上提取電流變化的信號(hào)檢測(cè)電路,進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(2) 檢測(cè)電路的輸出頻率與原油的持水率成反比,且在低持水率段(≤50%)有很好的分辨率。

(3) 交指式電容傳感器靈敏度高,體積小,便于小型化。

(4) 電容傳感和頻率轉(zhuǎn)換在前端檢測(cè)點(diǎn)上一體化很好地隔離了連接線分布電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,有利于提高檢測(cè)精度和道一致性。

(5) 從電源線上提取電流變化檢測(cè)信號(hào)的方案減少了傳感器和儀器電路之間的連接線。

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