筒式電容測(cè)試注汽井干度算法機(jī)理與實(shí)現(xiàn)

韓 建 黃 穎 牟海維 邢志方

(東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

筒式電容測(cè)試注汽井干度算法機(jī)理與實(shí)現(xiàn)

韓 建 黃 穎 牟海維 邢志方

(東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

為研究熱采注汽井沿程蒸汽參數(shù)的變化規(guī)律，采用筒式電容方法精密測(cè)量注汽井蒸汽熱力學(xué)參數(shù)，分析注汽井溫度、壓力和蒸汽干度隨井深的變化特征。構(gòu)建注汽井蒸汽干度測(cè)量模型，對(duì)蒸汽干度測(cè)量模型進(jìn)行數(shù)值反演，考查蒸汽干度隨介電常數(shù)的變化規(guī)律，揭示了干度值隨井深的增大逐漸減小。

蒸汽干度 筒式電容 注汽井

在注汽井稠油開采過程中，為了實(shí)時(shí)掌握油層的位置、分布情況和油層對(duì)蒸汽的吸收情況，需要對(duì)注汽井蒸汽熱效特性參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行研究[1]。通過對(duì)注汽井蒸汽干度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量，可以確定注汽井所需的蒸汽量和注汽效率，這對(duì)油田采油效率的提高具有重要意義[2]。目前，蒸汽干度的測(cè)量方法主要有熱力學(xué)法(節(jié)流法、凝結(jié)法、加熱法)、光學(xué)法、示蹤劑法、微波法和光纖光柵法[3]。但是由于氣液兩相流的復(fù)雜性、相互之間的相變以及易受溫度、壓力等因素的影響，以上方法大多存在滯后性[4]。

筆者采用筒式電容法干度測(cè)量?jī)x研究注汽井蒸汽參數(shù)，依據(jù)被測(cè)介質(zhì)介電常數(shù)變化和熱力學(xué)參數(shù)，構(gòu)建注汽井蒸汽干度測(cè)量模型，并通過測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)蒸汽干度測(cè)量模型進(jìn)行數(shù)值反演，由于測(cè)量系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)注汽井蒸汽參數(shù)的實(shí)時(shí)在線準(zhǔn)確測(cè)量，并為掌握油層對(duì)蒸汽的吸收狀況和后續(xù)的開采方案設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 測(cè)量原理①

由于物體間的電容值與其結(jié)構(gòu)和參數(shù)有直接關(guān)系，所以電容法的測(cè)量原理是改變物理參數(shù)，使電容值隨之改變來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的測(cè)量。電容式傳感器就是利用電容法的測(cè)量原理制成的傳感器[5]。由電容的基本概念可知：物體間電容值的大小不僅與構(gòu)成電容元件的極板的形狀、大小有關(guān)，還與極板的相對(duì)位置、極板間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)[6]。

如圖1所示，在不考慮邊緣效應(yīng)的情況下，同軸式電容值的表達(dá)式為：

(1)

式中C——電容值；

L——極板的長(zhǎng)度；

R1——圓筒的內(nèi)半徑；

R2——圓筒的外半徑；

ε——極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。

圖1 電容法測(cè)量原理

由式(1)可知,在結(jié)構(gòu)、面積和距離不變的情況下，電容值只與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)[7]。通過電容值的變化可以測(cè)出介電常數(shù)的變化，從而建立干度模型。

2 建立干度模型

在一定的溫度和壓力下，水和水蒸氣的介電常數(shù)相差很多。例如，在一個(gè)大氣壓下，水和飽和水蒸氣的介電常數(shù)分別為55.527和1.006[8]。如果用濕蒸汽作為電容傳感器的介質(zhì)[9]，隨著流過傳感器的蒸汽干度的變化，等效介電常數(shù)也會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致傳感器的電容值也發(fā)生變化。通過測(cè)量電容器的電容值，就可以得到干度的變化和變化趨勢(shì)。

蒸汽干度是指每千克濕蒸汽中含有的干蒸汽質(zhì)量百分?jǐn)?shù)[10]，其表達(dá)式為：

(2)

式中ms——水蒸氣的質(zhì)量，ms=Vsρs；

mw——濕蒸汽中飽和水的質(zhì)量，mw=Vwρw；

Vw、Vs——單位體積中水和水蒸氣的體積百分比，Vw+Vs=1；

X——蒸汽干度；

ρw、ρs——濕蒸汽中飽和水和水蒸氣的密度。

對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的筒式電容傳感器，其內(nèi)半徑為R1，外半徑為R2，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，在將一定濕度的蒸汽作為介質(zhì)時(shí)，可得：

(3)

式中Cm——待測(cè)電容值；

ε0——濕蒸汽的真空介電常數(shù)；

εm——濕蒸汽的等效介電常數(shù)。

由式(3)可推導(dǎo)出：

(4)

εm=bCm

(5)

其中b是與電容傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量。

由Lichtenecker公式可得：

(6)

其中εw、εs分別為一定溫度、壓力下水和蒸汽的介電常數(shù)。

在一定溫度、壓力下，ρw、ρs、εw、εs由IAPWS-IF97查表可得。綜上，可建立干度模型：

(7)

在一定溫度和壓力下測(cè)出電容值，代入干度測(cè)量公式，便可以反演出此時(shí)蒸汽的干度值。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

基于遼河油田的熱采注汽井進(jìn)行干度測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的是筒式電容法干度測(cè)量?jī)x，可以測(cè)量溫度、壓力及電容值等參數(shù)，從而反演出蒸汽干度值。為方便下井，測(cè)量?jī)x器制成圓筒式，探針體積非常小以免影響蒸汽流。對(duì)檢測(cè)電路采用絕壓密封結(jié)構(gòu)，用PEEK參雜30%纖維的材料對(duì)裝置進(jìn)行密封，以適應(yīng)井下高溫、高壓的測(cè)量環(huán)境。

試驗(yàn)開始時(shí)開閥門將試驗(yàn)儀器緩慢下放到700m，再緩慢上提儀器到井口，關(guān)閥門。井下試驗(yàn)數(shù)據(jù)溫度、壓力和電容曲線如圖2所示。采樣點(diǎn)和井口井底對(duì)應(yīng)關(guān)系為，井口對(duì)應(yīng)1～140和870～900采樣點(diǎn)，井底對(duì)應(yīng)490～510采樣點(diǎn)。本次試驗(yàn)儀器下放和上提過程完全對(duì)稱，從溫度曲線和壓力曲線也可以看出明顯的對(duì)稱性。

如圖2所示，井下溫度和壓力隨著井深變化的趨勢(shì)基本一致，這是因?yàn)榫嘛柡驼羝艿綔囟群蛪毫Φ膹?fù)合作用，在井下有限的空間內(nèi)，一定的飽和溫度值與飽和壓力呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，理論上與Antoine equation方程相符。

如圖2a所示，井口溫度為279℃，隨著儀器下放，下井的深度增大，溫度逐漸降低，在井深700m的位置溫度降到275℃，這是因?yàn)殡S著蒸汽的注入，在蒸汽向下流動(dòng)的過程中，蒸汽有熱損失，熱能量被油層和井筒吸收，導(dǎo)致溫度降低，由于被測(cè)注汽井常年注汽，井下溫差不是很大(不到5℃)。在測(cè)量?jī)x器上提的過程中，從溫度曲線可以看出溫度值逐漸上升，與下降的過程呈對(duì)稱趨勢(shì)。從溫度曲線末端可以看出取出儀器后，溫度迅速下降到256℃左右后開始緩慢降溫。

如圖2b所示，壓力曲線同樣具有較好的對(duì)稱性，井口壓力為6.04MPa，隨著儀器的下放，壓力逐漸下降，在井深700m的位置壓力降到5.70MPa。這是因?yàn)榫谡羝鞯乃俣缺染麓蠛芏?。微觀解釋為，井口的單位體積內(nèi)分子數(shù)較多，所以壓強(qiáng)較大。

圖2 井下試驗(yàn)溫度、壓力和電容曲線

如圖2c所示，電容測(cè)量曲線反映了井下含水量的變化，電容變化范圍為36.10～68.34pF。位置“1”為開閥門時(shí)，儀器處在防噴管中，電容探頭部分幾乎全部進(jìn)水，電容值達(dá)到最大68.34pF左右。

基于干度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行干度反演分析，并繪制干度值隨井深的變化曲線如圖3所示?？梢钥闯?，隨著下井深度的增大，蒸汽干度減小，從井口的0.78降低到0.71左右。因?yàn)樽⑵仩t出口的蒸汽流速很大，隨著井深蒸汽的熱量被油層吸收，壓強(qiáng)降低，對(duì)應(yīng)的飽和溫度也降低，則井下濕度增大。蒸汽是一個(gè)氣液兩相流的形態(tài)變量，在沿著井中下流的過程中有能量損失。蒸汽干度值受壓力和溫度的復(fù)合作用，三者之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系，隨著蒸汽的流速、質(zhì)量和壓強(qiáng)的減小，氣液摩擦阻力也減小。因此，壓力的變化變得緩慢，蒸汽溫度也隨之降低，導(dǎo)致干度值減小。

圖3 蒸汽干度隨井深的變化曲線

4 結(jié)束語

基于筒式電容法測(cè)量注汽井的蒸汽熱效特性參數(shù)，研究了注汽井溫度、壓力和蒸汽干度隨著井深的變化特征，構(gòu)建了注汽井蒸汽干度測(cè)量模型并對(duì)它進(jìn)行數(shù)值反演，將數(shù)據(jù)繪制成曲線，并對(duì)溫度、壓力和蒸汽干度曲線變化的原因做了詳細(xì)的分析，表明：隨著深度的增加，溫度和壓力都是降低的，這是由于蒸汽流在向下流動(dòng)的過程中，熱量被油層和井筒所吸收，造成熱量損失，導(dǎo)致井下濕度較高。蒸汽干度在井口為0.78左右，隨著注汽井深度的增加，在井深700m處降低到0.71左右。以上結(jié)論為實(shí)時(shí)掌握油層位置、分布狀況和油層對(duì)蒸汽干度吸收情況，提高采油率提供了有力保障，也為后續(xù)的開采方案設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

[1] 張義堂,李秀巒,張霞.稠油蒸汽驅(qū)方案設(shè)計(jì)及跟蹤調(diào)整四項(xiàng)基本準(zhǔn)則[J].石油勘探與開發(fā)，2008，35(6)：715～719.

[2] 周英杰.勝利油區(qū)水驅(qū)普通稠油油藏注蒸汽提高采收率研究與實(shí)踐[J].石油勘探與開發(fā)，2006，33(4)：479～483.

[3] Abou-Arkoub A,Thorn R,Bousbaine A.Online Validation of Multiphase Flowmeters Using Simple Capacitance Sensors[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2010，59(10)：2671～2682.

[4] Long Y Q,Zhu W Y,Li J,et al.Rheological Properties Studies on the Steam-foam Drive in Heavy Oil Reservoirs[C].2012 International Conference on Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring(CDCIEM).Hunan:IEEE，2012:600～605.

[5] Sarkar G,Chatterjee A,Rakshit A,et al.Hierarchical Extreme Learning Machine-Polynomial Based Low Valued Capacitance Measurement Using Frequency Synthesizer-Vector Voltmeter[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2014，63(9)：2180～2187.

[6] George B,Kumar V J.Switched Capacitor Signal Conditioning for Differential Capacitive Sensors[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2007，56(3)：913～917.

[7] Mohan N M,Kumar V J.Novel Signal Conditioning Circuit for Push-Pull Type Capacitive Transducers[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2007，56(1)：153～157.

[8] Mitra C,Maity S,Banerjee A,et al.Development of Steam Quality Measurement and Monitoring Technique Using Absorption Spectroscopy with Diode Lasers[J].IEEE Sensors Journal，2011，11(5)：1214～1219.

[9] Li X J,Li X F,Wang C H.A New Method for Measuring Wetness of Flowing Steam Based on Surface Plasmon Resonance[J].Nanoscale Research Letters，2014，9(1)：1～5.

[10] 劉陽,陳保東,李雪.油田地下蒸汽管道系統(tǒng)蒸汽干度計(jì)算方法[J].節(jié)能技術(shù)，2008，26(4)：382～385.

虹潤(rùn)精密儀器有限公司“量體裁衣”造儀表

虹潤(rùn)精密儀器有限公司緊緊圍繞“造國際一流儀表，讓虹潤(rùn)走向世界”的目標(biāo)，為中國、為世界生產(chǎn)裝備提供高性能的智能化儀表。虹潤(rùn)技術(shù)在顯示控制儀表領(lǐng)域，已達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、世界一流水平。

虹潤(rùn)精密儀器有限公司擁有兩個(gè)研發(fā)中心、一個(gè)企業(yè)工程技術(shù)中心和一個(gè)院士專家工作站。擁有一支經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)精湛的研發(fā)隊(duì)伍。被國家認(rèn)定為國家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)和國家級(jí)知識(shí)產(chǎn)權(quán)優(yōu)勢(shì)企業(yè)，主持或參與制定41項(xiàng)數(shù)字儀表國家標(biāo)準(zhǔn)，擁有500多項(xiàng)國家專利和100多項(xiàng)軟件版權(quán)登記。承擔(dān)6項(xiàng)國家重點(diǎn)項(xiàng)目：國家火炬計(jì)劃項(xiàng)目、國家重點(diǎn)新產(chǎn)品項(xiàng)目、國家創(chuàng)新基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)振興項(xiàng)目、國家中小企業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目、國家服務(wù)業(yè)引導(dǎo)資金項(xiàng)目?？筛鶕?jù)用戶生產(chǎn)設(shè)備的不同需求，“量體裁衣”造儀表，為用戶專業(yè)設(shè)計(jì)定制非標(biāo)產(chǎn)品。為您的生產(chǎn)裝備實(shí)現(xiàn)智能制造。

AlgorithmMechanismandImplementationofApplyingCylindricalCapacitancetoGasInjectorDrynessTesting

HAN Jian, HUANG Ying, MU Hai-wei, XING Zhi-fang

(CollegeofElectronicScience,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

In order to investigate the variation of steam parameters along thermal extraction wells, the cylindrical capacitance method was applied to measure steam thermodynamic parameters precisely and to analyze steam injection well’s temperature, pressure and steam dryness variation characteristics which changing with the well depth. Establishing a measurement model of steam dryness and then inverting it were implemented to investigate variation of the steam dryness changing with dielectric constant to show that the steam dryness can decrease gradually with the increasing of well depth.

steam dryness, cylindrical capacitance, steam injection well

2016-02-17(修改稿)

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51374072)

TH701

A

1000-3932(2016)04-0385-04