基于电导传感器的含水率测量技术研究★

赵东升， 李利品， 赵 凤，田 野

（1 西安石油大学，陕西西安 710065；2 中国石油集团海洋工程有限公司海工事业部 266520）

0 引言

油、气、水三相混合的流体广泛存在于石油天然气工业中，其流型复杂多变，这也给测量带来了许多困难。近年来，国内外很多专家学者，针对三相流的测量技术做了许多研究工作，也提出了多种新的测量方法和理论模型，研制了一系列检测三相流的仪器仪表，取得了多方面的技术突破和丰硕的研究成果。

在石油工业中，油、气、水三相混合的流体的含水率是表征油品优劣及计算产量的重要参数之一，同时也是油田地质化验所必须要测量的参数之一。因此，精确而快捷地测定混合流体中的含水情况，对于石油工业来说是非常重要的。尤其是近些年，随着我国油田开采力度的不断加大，油井含水率不断增高，高含水已经成为普遍现象，而在所采出的多相混合流体中，含水率的情况又会直接影响到石油工业中对原油的开采、脱水、计量、冶炼等，所以针对我国国内油田开采的现状，深入研究多相流含水率测量的方法，提出一套可用于混合流体含水率测量的测量方案，提高测量的精度，降低生产成本，提高油田产量，对于我国的石油开采工业具有特别重大的生产价值和实际意义。

本文将两相流测量中广泛运用的电导传感器应用于油、气、水三相流的含水率测量中，考虑了很多与两相混合流体测量不同的因素，制定了一套适合于油、气、水三相流含水率测量的技术方案，并通过构建的室内试验系统进行了一系列的试验对提出的测量方案进行了验证。

1 测量原理

电导法测量含水率的方法是基于所测混合流体中所含各相流体导电特性的差异而提出的含水率测量方法。在油、气、水三相混合的流体中，水的导电特性明显要优于油和气体的导电性，特别是当水为连续相时，可以通过测量混合流体的各相分布和电阻抗之间的关系，从而得出混合流体的含水率情况。

国内外许多专家学者对电导法测量原理和应用已经做了大量的研究工作。Coney描述了平行电极在液层中的性质并提出了液层厚度和导电性关系的理论处理方法，Hewitt阐述了其综合应用前景，Asali等人利用环形电极对垂直气液环状流的液厚度和相截面阻力进行了研究，这是环形电极在流体测量中的首次应用。Lucas等人设计了六环形电极并用于测量固水两相流体中固体的相含率及流速，刘兴斌等人成功研制出电导式相关流量计并将其应用于油水两相流的流量测量。

本文中所采用的电导传感器结构如图1中所示。当油、气、水三相混合流体流过传感器管段时，由于不导电的油泡与导电性很好的水混合流过时，它们会使得传感器内部原本分布规则的电场发生变形，这种变形的情况与混合流体中油、气、水各相的含率有关，根据这种原理，我们可以得出电导传感器的信号输出中所包含的连续导电相在混合流体中的平均分布信息，利用所建立的理论模型就可以得到混合流体中连续相水的含率，即混合流体的含水率。

图1 电导传感器结构示意图

由于油、气、水三相混合流体的连续相为导电的水，根据Mawell模型中假设的将所有的颗粒尺寸都近似为球形，并且颗粒不会相互干扰，可以得出：

其中，αw为油、气、水多相流的含水率；σm和σw分别为混合流体的电导率和全水时电导率。

由电学的原理可知，测量电极间的电压幅值是与传感器内部流体电导率成反比的。如果设混合物电导为Gm，全水时电导为Gw；混合时传感器输出幅值为(混相值)Fm，全水时为Fw，则可得：

由式（1）和式（2）可推得油、气、水多相流的含水率为：

测量前需要标定全水时的传感器输出值Fw。

油、气、水多相流中水含有一定浓度的盐离子，且浓度因地层条件不同而变化，因此这样的混合介质是有损耗介质，其电导率主要由水中盐离子的浓度来决定。由于含水率测量会受到水相矿化度的影响，所以针对给定的油气水多相流，在测量前以全水时测量电导率作为标定的基准，先测得矿化度，然后在实时测量的过程中在软件中进行进一步的修正和标定，减小其对含水率测量造成的影响。

2 测量系统设计

在对电导传感器特性进行研究的基础上，将其有关参数、材料、制造工艺等方面进行了改造和优化，设计出更适合油、气、水三相混合流体中含水率测量和油田实际工程应用需要的电导传感器。如图2中所示，将电导传感器管段连接到油、气、水三相混合流体所要流经的管路中，电导传感器最外端的两个电极环E1和E2是用来给电导传感器施加激励源的，中间的两对两个电极环B1和B2构成一对检测电极对，当混合流体从传感器管段内流过时，在激励源的作用下，原本分布规则的电场发生变形，电极环B1和B2将会输出与混合流体中连续导电相的分布情况有关的信号，这个信号经过硬件电路的滤波、放大、解调等初步处理后，送入插有A/D采集卡的上位机中，配合上位机软件对其进行进一步的处理和运算，最终就能得出混合流体中的含水率。

图2 含水率测量系统示意图

3 实验与分析

3.1 试验系统构建

本含水率测量系统中的传感器管段是安装在已经标定好的油、气、水三相流测量装置的管道中，本测量装置是一套集油井模拟、多相流管道运输模拟和多相流实验研究为一体的室内实验装置系统，本试验装置的概要流程图如图3所示。本试验装置的主要组成部分有螺杆泵、变频器、空气压缩机、空气净化器、流量调节阀、稳流装置、前后直管段、透明管段、标准流量计、单向阀、搅拌罐、混合器等组成。

图3 试验装置的概要流程图

由于试验中需要油、气、水按照一定的比例混合构成三相混合流体，本试验装置中的搅拌罐用于将油和水搅拌成均匀的油水混合物，此油水混合物与由空气压缩机提供的气体一起在混合器的作用下，实现油、气、水三相流体的均匀混合。为了减小流体的脉动干扰，油水混合流体和气体在进入管路前均先通过各自的稳压装置进行稳压，并分别经过已经标定过的流量计对其流量进行测量，以提高试验精度。在测量管道中安装有透明管段，便于实时观察流体的流型等试验状况。本试验系统中多处设有阀门，可以根据需要改变流体流经的通路，构成单次单向循环通路或者多次往复循环通路，方便进行各种试验测量。测量完毕后的流体需要经过回收、沉淀、气体排空、分离等过程，结束整个流程。

3.2 试验过程

本实验是在常温常压下进行的，油采用5#专用白油。油水混合灌中加入的油和水的量已知，空气压缩机提供的气量也有测量仪表进行计量，这样在管道中就能产生一定比例的油、气、水三相的混合流体。电导传感器上所加的激励源采用20 kHz的正弦波恒流激励信号，传感器的输出信号经过硬件电路的初步处理后送入上位机中进行处理，从而构成完整试验系统。

针对目前我国油田国内油田多处于较高含水期的现状，在含水率为80%～100%、总流量为 4．0 m3/h～8．0 m3/h的情况下分别进行了试验。图4为采集到的电导传感器输出的电导波动信号。

图4 电导传感器输出的电导波动信号

3.3 试验结果分析

利用电导传感器的特性，通过电流激励的方式，获取混合流体的等效阻抗信息，从而实现对含水率的测量。其中某几次试验测量数据如图5所示。由图中曲线可看出，电导式传感器应用于测量油、气、水三相混合液体中的含水率时，尤其是测量含水率高达85%以上的混合液体时，具有很高的测量精度，能够满足实际生产的需要，但是在相同测量条件下，当混合液体中的含水率进一步降低时，测量误差也会进一步增大。

图5 含水率测量数据图

4 结论

将电导传感器用于测量油、气、水三相流的含水率是可但在实际测量过程中，必须要注意以下几点：

(1) 电导传感器测量油、气、水三相流体的含水率时，要求水为连续相，在此础上行测量得到的结果才有可信度和参考价值；

(2)电导传感器的测量电极环之间的距离对测量结果有明显影响，必须根据实际情况配合试验进行设计，调整好环间距，选择适当的材料和工艺制作感器这样才能降低系统误差，提高测量精确度；

(3)电导传感器进行油、气、水三相流体的含水率测量时，必须根据实际情况对试验系统进行标定，采用适当的数据处理方法，才能得到正确的测量结果。

[1] M．W．E．Coney, The theory and application of conductance probes for the measurement of liquid film thiness in two phase flow[J]．J． Phys．E: Scient． Insturm,1973,603-910．

[2] G．F．Hewitt．Measurement for t-phase floparameters [M]．London:Academic Pre8．

[3] J．C．Asali．et al, Interfacial drag and film height for vertical annular flow[J]． AICHE J,1985,31:895- 902．

[4] G．P．Lucas,．C．Cory, R．C．Waterfall．A sixelectrode local Probe for measuring solid velocity and volume fraction profis in solidwater flows [J]．Meas．Sci．Technol, 20 0,11:1498．

[5] 刘兴斌．井下油/水两流测量[D]．哈尔滨:哈尔滨工业大学,1996．

[6] 刘兴斌,胡金海,徐答安．电导式相流量计应用油井井下流量测量[J]．仪器仪表户,201:8-11．

[7] 胡金海,刘兴斌,黄春辉．一种同时测量流量和含水率的电导式传感器[J]．测井技术,2002,26(2):154-157．

[8] J． C． Maxwell．A treatise onlectricity and magnetism[M]．2rd．Calendar Prss,Oxfrd,1881．

[9] 张瑞萍,刘彤,杨敏,党峰．相流量计的发展状况分析[J]．石油仪器,2009,(5):30-33．