截面互相關(guān)流量測井儀設(shè)計與試驗研究*

杜佳楠，胡金海，劉曉磊，李屹威，王延軍

(大慶油田有限責任公司測試技術(shù)服務分公司 黑龍江 大慶 163153)

0 引 言

在油井的產(chǎn)出剖面測試中，通常使用渦輪流量計測量流量，由于渦輪流量計存在可動部件，易受砂卡和異物影響[1]，所以近年來針對這種渦輪式流量傳感器開發(fā)了一系列無可動部件的流量計[2]，其中電導相關(guān)流量計具有無可動部件、無阻流元件等特點[3]，在現(xiàn)場應用中已經(jīng)見到效果。在以往的設(shè)計中，電導式相關(guān)流量計分別采用2對電極作為電導相關(guān)傳感器的上、下游傳感器，所以上下游電極對測量到的是流經(jīng)傳感器內(nèi)一段流體阻抗信號的平均值[4]，對流體流動信號有平滑和濾波效應，這會降低流體電壓擾動信號的強度，并且易造成上游信號和下游信號的疊加。在油水分布極其均勻的情況下，2路信號相似性不強，導致互相關(guān)運算出現(xiàn)壞點，特別是在油泡微小或油泡數(shù)量極少情況下[5]，對油泡響應不敏感,無法實現(xiàn)互相關(guān)運算，給測量帶來較大誤差?；谝陨显蜷_發(fā)了截面互相關(guān)流量傳感器，用位于同一截面上的內(nèi)、外兩個電極環(huán)代替原來的前后兩個電極環(huán)，這樣傳感器測量到的電導值是流過截面附近的流體，這使得截面互相關(guān)流量傳感器更加敏感于截面流體組分分布，增強了上游電壓信號和下游電壓信號的相似度，可以進一步改善互相關(guān)效果，減少互相關(guān)運算壞點，進而提高測量精度。同時，能夠?qū)ξ⑿∮团?，或在高含水小油泡?shù)量極少情況下對油泡都有響應。

1 測量原理

1.1 傳感器設(shè)計原理

儀器整體由電路部分、流體窗口、傳感器部分和集流傘組成。傳感器部分有1對上測量電極和1對下測量電極沿流體流速方向，絕緣筒和絕緣棒之間形成環(huán)形空間，使被測液體得以從環(huán)形空間內(nèi)流過。絕緣棒設(shè)置在絕緣筒內(nèi)，并且與絕緣筒同軸，絕緣棒的中段沿軸向排布下游測量電極和上游測量電極，下游測量電極和上游測量電極由2對導電金屬環(huán)構(gòu)成，分別鑲嵌在絕緣棒的側(cè)壁上，下游測量電極和上游測量電極分別采用電壓源供電，如圖1所示。

圖1 傳感器原理圖

內(nèi)電極環(huán)與外電極環(huán)構(gòu)成電流回路，流體經(jīng)過集流傘集流后先后經(jīng)過2個傳感器，分別在2路測量電極上測得2個曲線，這2條曲線在一定時間間隔內(nèi)有一定的相似性，采用互相關(guān)運算分析這2條曲線的相似性，得到流體截面通過2路傳感器的時間間隔，即渡越時間τ。采集到的2組離散數(shù)據(jù)進行互相關(guān)運算表達式如下：

(1)

其中m從0到n-1變化，Rxy(n)為互相關(guān)函數(shù)，當Rxy(n)有極大值時計算時間間隔即可得到渡越時間τ，如果兩傳感器之間間距為L，那么流體流速可表示為：

V=L/τ

(2)

進而得到當截面積為S時的流量Q為：

Q=SV

(3)

1.2 電導響應原理

由于在恒定電流下的電流密度與電場強度成正比[6]，在傳感器內(nèi)外環(huán)上取距離最近的2點，通過分析相距2a的2個直線電極的電力線分布情況就可以知道經(jīng)過這2點截面上的電場強度分布情況，如圖2所示。

圖2 電力線分布圖

則P(x,y)點在x分量上產(chǎn)生的電場強度可以由以下公式表示[7]：

(4)

其中r1、r2為點P(x,y)與2個電極距離，λ為取決于2個電極的常量，ε0為液體介電常數(shù)。取y軸上一點y0，則其電場強度絕對值為：

(5)

對以上公式取0到y(tǒng)0的積分可以得到半徑為y0的電通量：

(6)

由此可以得出y點與0點不同的距離與所包含的電通量關(guān)系，假設(shè)a=1，如表1所示。

表1 間距與電力線占比

從表1可見當距離中心點為電極距a時，相當于包含了50%的電通量，而距離等于電極間距(即2a)時包含的電通量達到了70%，從以上的分析可以得出如下結(jié)論：在流體中電極截面附近的電流密度呈梯度分布，且在電極截面電流密度達到最大，而且在正好經(jīng)過截面時擾動最大，對阻抗的響應也最敏感，用截面測量方法相對于以往測量一段流體阻抗平均值的方法更靈敏。

2 電路設(shè)計

由于井下高溫高壓的測量環(huán)境和過環(huán)空儀器的管徑限制，電路的PCB板制作寬度應該小于2 cm，電路使用的芯片全部使用貼片封裝且工作溫度范圍應達到0～125 ℃。電路由激勵端與接收端組成，由運放搭建的方波發(fā)生器產(chǎn)生激勵，經(jīng)過2路電壓跟隨連接到2個傳感器激勵端，如圖3所示。

圖3 電路模塊框圖

在傳感器出現(xiàn)的不規(guī)律電壓波形傳送給接收端，經(jīng)過檢波、放大、濾波后由自行設(shè)計的地面采集系統(tǒng)采集，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以后通過USB接口上傳至上位機電腦，由軟件顯示實時數(shù)據(jù)。

3 室內(nèi)試驗

試驗是在油水兩相介質(zhì)[8]中進行的，將儀器置于多相流模擬試驗裝置中，撐開集流傘后分別使不同流量不同含水率的兩相流通過傳感器?？刂圃囼炑b置使流量在5～60 m3/d范圍內(nèi)遞增、每個流量值分別取50%、70%、90%的含水率，同時記錄試驗結(jié)果。

由顯示結(jié)果可以看出，當兩相流通過絕緣棒與絕緣筒之間的環(huán)形空間時，在上游測量電極和下游測量電極上會分別產(chǎn)生2路電壓擾動信號，通過示波器觀察2路電壓信號具有明顯的相似性，并且有明顯的時間延遲，圖4給出了流量為10 m3/d、含水為50%的截圖，圖中上邊2個曲線為采集到的2路模擬信號波形，最下面為對應的互相關(guān)分析結(jié)果。

試驗過程在室內(nèi)模擬井完成，在試驗過程中測量不同的含水率和流量下儀器的響應，由傳感器結(jié)構(gòu)可以得出，流體的流量值F與渡越時間τ之間存在如下關(guān)系：

F=KLS/τ

(7)

其中K為常數(shù)，L為傳感器電極環(huán)間距，S為傳感器內(nèi)部截面積，其中L和S為常量，可以整合到K值里，得到如下關(guān)系：

F=K/τ

(8)

由此得到的傳感器流量擬合直線，其中R2=0.999 2，在5～60 m3/d的測量范圍內(nèi)滿量程誤差為4.8%，如圖5所示。

圖4 輸出信號波形圖

圖5 傳感器輸出數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié) 論

1)根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)建立模型，通過現(xiàn)有的電磁理論分析總結(jié)出電場分布規(guī)律，確定了儀器的結(jié)構(gòu)并通過電場分布規(guī)律得出截面相關(guān)流量計具有較好的實時性和阻抗唯一性。

2)設(shè)計了傳感器的激勵、采集電路，儀器輸出的不規(guī)則波形能夠準確反映環(huán)套空間內(nèi)的阻抗變化，上位機軟件能夠?qū)崟r完成渡越時間和流量的計算。

3)完成了在多相流模擬裝置上的試驗，試驗結(jié)果表明在50%～90%范圍內(nèi)線性度達到0.999 2，滿量程精度5%以內(nèi)流量可以適應現(xiàn)場測量。