一種電阻法檢測(cè)持水率方法

成云麗,余厚全,劉國(guó)權(quán),陳 強(qiáng)

(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)

一種電阻法檢測(cè)持水率方法

成云麗1,余厚全1,劉國(guó)權(quán)2,陳 強(qiáng)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)

針對(duì)電阻法檢測(cè)持水率存在的問(wèn)題，研究了探針式電阻傳感器的等效模型。在分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有電阻式持水率檢測(cè)儀器方案的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于油水兩相分離狀態(tài)的持水率檢測(cè)方法。考慮到分布電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，采用了雙極性脈沖激勵(lì)方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)檢測(cè)電壓和電流的檢測(cè)方案，開(kāi)發(fā)了基于延時(shí)同步采樣保持的檢測(cè)電路。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能準(zhǔn)確識(shí)別油和水，消除分布電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，減小雜散電阻(即探針正參考電極與儀器外殼間的電阻)引起的測(cè)量誤差，提高電阻測(cè)量的精度。該方法實(shí)現(xiàn)了通過(guò)實(shí)測(cè)電阻值反映持水率信息，對(duì)陣列電阻式持水率檢測(cè)儀器研究具有參考價(jià)值。

油田開(kāi)采； 傳感器； 電阻法； 分布電容； 雙極性脈沖； 數(shù)據(jù)采集； 檢測(cè)

0 引言

電阻法檢測(cè)持水率[1-2]是油田開(kāi)采過(guò)程中在線檢測(cè)持水率的常用方法，它建立在原油和水的電阻率有較大差異的基礎(chǔ)上[3]。目前，我國(guó)油田使用的電阻式持水率檢測(cè)儀主要是英國(guó)Sondex公司生產(chǎn)的陳列式電阻率持率儀(resistance array tool，RAT)。國(guó)內(nèi)相關(guān)單位很早展開(kāi)了此方法的研究工作。1999年，胡金海、劉興斌等[4-5]采用交流正弦激勵(lì)，設(shè)計(jì)了阻抗式含水率測(cè)量?jī)x。這種激勵(lì)方式使得輸出信號(hào)要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的放大、整流、濾波處理，才能得到反映被測(cè)油水電阻值的直流信號(hào)，檢測(cè)電路復(fù)雜，并且不能克服分布電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。金寧德、鄭桂波[6]采用了相敏檢波的方法來(lái)消除分布電容的影響。由于雙電層電容的存在，使得相敏檢波不能完全消除分布電容的影響。所以，要提高電阻測(cè)量的精度，必須解決分布電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文在分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有電阻式持水率檢測(cè)儀器方案的基礎(chǔ)上，分析了探針[7]式電阻傳感器的等效模型，提出了一種適用于油水兩相分離狀態(tài)下的持水率檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)檢測(cè)電流和電壓的檢測(cè)方案。

1 探針式電阻傳感器等效模型分析

當(dāng)油流過(guò)探針式電阻傳感器兩端時(shí)，由于油的電阻率很大，其等效模型可看作是電阻值無(wú)窮大的純阻性負(fù)載。當(dāng)水流過(guò)探針式電阻傳感器兩端時(shí)，由于分布電容的存在，其等效模型為RC并聯(lián)模型。R為流過(guò)探針間水的等效電阻，C為分布電容。

等效模型如圖1所示。

圖1 等效模型

并聯(lián)模型中的阻抗為：

(1)

展開(kāi)得：

(2)

2 激勵(lì)方式與電阻檢測(cè)方法

2.1 雙極性脈沖激勵(lì)

與國(guó)內(nèi)電阻法測(cè)量持水率均采用交流正弦波激勵(lì)以避免傳感器電極極化方法不同，本文采用了雙極性脈沖激勵(lì)方法[7-8]。

雙極性脈沖頻率的選擇應(yīng)確保在半周期內(nèi)探針兩端電壓能夠完成暫態(tài)過(guò)程，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后對(duì)探針兩端電壓和流經(jīng)探針間的電流進(jìn)行采集，所以雙極性脈沖半周期時(shí)間應(yīng)大于礦化度最大時(shí)時(shí)間常數(shù)τ的4倍，以保證在整個(gè)測(cè)量階段消除分布電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

雙極性脈沖示意圖如圖2所示。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖周期T1開(kāi)始時(shí)，分布電容C被迅速充電。當(dāng)電容C充滿電時(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)，相當(dāng)于斷路，全部電流流經(jīng)R。當(dāng)?shù)诙€(gè)脈沖周期T2開(kāi)始后，極性反轉(zhuǎn)，C被迅速反向充電。因此，在電容C充滿電時(shí)測(cè)得的等效模型的電壓值、電流值與分布電容C無(wú)關(guān)，只與等效電阻R有關(guān)，即消除了分布電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

圖2 雙極性脈沖示意圖

2.2 電阻檢測(cè)方法

常見(jiàn)的電阻法測(cè)量持水率檢測(cè)法為電壓檢測(cè)法或電流檢測(cè)法。本文設(shè)計(jì)了同時(shí)檢測(cè)傳感器兩端電壓與流過(guò)傳感器負(fù)參考電極電流的檢測(cè)方案。經(jīng)過(guò)計(jì)算精確得到傳感器兩端的電阻值，以準(zhǔn)確反映持水率信息。電壓和電流同時(shí)檢測(cè)電路如圖3所示。設(shè)探針兩端等效電阻值為R，由于探針傳感器是虛地連接的，流經(jīng)傳感器正參考電極的電流，一部分通過(guò)被檢測(cè)油水流向傳感器負(fù)參考電極，另一部分流向儀器外殼(參考地)，所以電流檢測(cè)需要檢測(cè)流向傳感器負(fù)參考電極的電流值。

圖3 電壓和電流同時(shí)檢測(cè)電路

電壓檢測(cè)電路由U1、U2構(gòu)成，以獲得探針兩端等效電阻R兩端的電壓值。U1為具有極低偏置電流的緩沖器，保證傳感器負(fù)參考電極的電流最大程度的流向電流檢測(cè)電路，以減少高電阻率相關(guān)的低電流測(cè)量誤差。U2是具有GΩ級(jí)輸入阻抗、低輸出噪聲、低失真特性，適合與傳感器直接連接的全差分輸入儀表放大器。

電流檢測(cè)電路由Rk、U3構(gòu)成,以獲得流過(guò)傳感器負(fù)參考電極的電流值。Rk、U3構(gòu)成精密電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，其中：Rk為已知精密電阻，U3為具有低偏置電流和低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器。

各點(diǎn)信號(hào)的關(guān)系如下：

Uo1=U1p-p

(3)

Uo2=Ip-pPk

(4)

由式(3)、式(4)可得：

(5)

由式(5)可見(jiàn)，只要測(cè)得Uo1、Uo2的電壓值，就可得到等效電阻R的阻值。整個(gè)檢測(cè)方案實(shí)現(xiàn)了同時(shí)檢測(cè)傳感器兩端電壓與流過(guò)傳感器負(fù)參考電極電流來(lái)獲取傳感器兩端的等效電阻值。

采用上述檢測(cè)方案，Z2、Z3的輸出電壓Uo1、Uo2是雙極性的，但由于分布電容和礦化度的影響，其脈沖變化具有暫態(tài)過(guò)程。為此，設(shè)計(jì)了延時(shí)同步采樣保持[9]電路，如圖4(a)所示。四路并行的采樣保持電路，分別由CMOS開(kāi)關(guān)(SW1/SW2/SW3/SW4)、串聯(lián)電阻(R5/R7/R9/R11)、保持電容(C3/C5/C7/C9)以及單位增益緩沖器(Z5/Z6/Z7/Z8)組成。激勵(lì)信號(hào)和采樣保持時(shí)序如圖4(b)所示。

圖4 延時(shí)同步采樣保持電路及時(shí)序圖

PWM1信號(hào)使Z5采樣緩沖器可在Uo1的負(fù)周期采樣，保持直至下一個(gè)采樣周期。因此，Z5采樣持緩沖器輸出U1等于Uo1負(fù)半周穩(wěn)態(tài)的直流電平。PWM2信號(hào)使U6采樣保持緩沖器可在Uo1的正周期采樣，保持直至下一個(gè)采樣周期。因此，U6采樣保持緩沖器輸出Z2等于Uo1正半周穩(wěn)態(tài)的直流電平。同理，Z7采樣保持緩沖器輸出Z3等于Uo2負(fù)半周穩(wěn)態(tài)的直流電平，Z8采樣保持緩沖器輸出U4等于Uo2正半周穩(wěn)態(tài)的直流電平。

可見(jiàn)U1與U3是分別保持Uo1與Uo2負(fù)半周穩(wěn)態(tài)的電壓值，所以：

(6)

在同一周期內(nèi)，U1與U2的采樣間隔非常短(等于激勵(lì)信號(hào)半周期)，可以認(rèn)為在此期間被測(cè)油水分布情況未發(fā)生變化，所以U1=-U2，同理U3=-U4，則：

(7)

由式(7)可見(jiàn)，只要分別測(cè)得同一周期內(nèi)U1、U2、U3、U4這四個(gè)直流分量，即可得到等效電阻R。采用延時(shí)同步采樣保持技術(shù)消除了分布電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，將傳感器的輸出電壓和電流的峰峰值幅度轉(zhuǎn)化為直流。這樣不僅提高了測(cè)量精度，同時(shí)簡(jiǎn)化了A/D對(duì)信號(hào)的處理。通過(guò)取兩次A/D采樣的差值可以消除系統(tǒng)存在的低頻噪聲，從而提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度[10]。

3 試驗(yàn)結(jié)果

按照?qǐng)D3設(shè)計(jì)的電路，在油水分離的的情況下，驗(yàn)證了不同礦化度下電阻傳感器分布電容對(duì)電阻測(cè)量的影響。電阻傳感器采用探針式電阻傳感器，以盡可能減小分布電容值，通過(guò)檢測(cè)流過(guò)探針的電阻值來(lái)判斷油水信息；分壓電阻R1為2 kΩ，Rk為1 kΩ。為了觀察在不同礦化度條件下分布電容引起的暫態(tài)過(guò)程，激勵(lì)信號(hào)采用頻率為20 kHz、占空比為50%、幅度為±10 V的雙極性矩形脈沖。油流過(guò)傳感器兩端時(shí)的響應(yīng)，Uo1幅值為20 V，Uo2幅值趨近于0 V；水流過(guò)傳感器兩端時(shí)的響應(yīng)，Uo1幅值為13.6 V，Uo2幅值為3.40 V；飽和鹽水流過(guò)傳感器兩端時(shí)的響應(yīng)，Uo1幅值為1.68 V，Uo2幅值為9.4 V。根據(jù)式(7)與上述試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到探針間的電阻R，分別是∞、4 kΩ、178.7 Ω，所以該方案能準(zhǔn)確識(shí)別油和水。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了探針式電阻傳感器的等效模型，采用了雙極性脈沖激勵(lì)方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)檢測(cè)電壓和電流的檢測(cè)方案，開(kāi)發(fā)了基于延時(shí)同步采樣保持的檢測(cè)電路，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)方法能夠消除分布電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，減小雜散電阻(探針正參考電極與儀器外殼間的電阻)引起的測(cè)量誤差，有利于提高電阻測(cè)量的精度。

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A Resistance Method for Detecting Water Holding Capacity

CHENG Yunli1,YU Houquan1,LIU Guoquan2,CHEN Qiang2

(1.Electronics & Information School,Yangtze University,Jingzhou 434023,China; 2.China Petroleum Logging Co.,Ltd.,Xi’an 710077,China)

In accordance with the problem existing in resistance detection method for water holding capacity,the equivalent model of the probe-type resistance sensor is studied.On the basis of analyzing the detection strategies of domestic and foreign resistance instruments for water holding capacity,the detection method suitable for oil-water two-phase separated state is proposed.Taking into account of the influence of distributed capacitance on the measurement results,by using bipolar-pulse excitation method,the detection scheme for detecting both voltage and current is designed and realized,and the detection circuit based on time delayed synchronous sampling and hold is developed.The result of tests shows that this method can accurately identify oil and water,eliminate the influence of distributed capacitance on the measurement result and reduce the measurement error caused by the stray resistance (i.e.,the resistance between the positive reference electrode of the probe and the housing of instrument),thus the accuracy of measurement of resistance is improved.In the true sense,this method get the information reflects the water holding capacity through the resistance value measured.

Oilfield mining; Sensor; Resistance method; Distributive capacitance; Bipolar-pulse; Data acquisition; Detecting

成云麗(1989—)，女，在讀碩士研究生，主要從事信號(hào)檢測(cè)方法與電路的研究。E-mail:1292675055@qq.com。 余厚全(通信作者)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事信號(hào)檢測(cè)方法與儀器的研究。Email: hq_yu@ foxmail.com。

TH701；TP206+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705022

修改稿收到日期：2017-01-20