一种水平井持水率电容测量仪的研制

赵晓强，郎济凤，张兴凯，王　栋

(1．中国石油克拉玛依石化公司热电厂，新疆克拉玛依　834003；2．山东电力工程咨询院有限公司，山东济南　250013；3．西安交通大学能动学院，陕西西安　710049)

0　引言

稠油是石油烃类能源中的重要组成部分，具有比常规原油资源高达数倍的巨大潜力[1]。目前，稠油开采的技术比较多[2]，而最有效、最主要的是蒸汽热采技术[3]。如何实时准确测量热采水平井内的持水率也就显得异常重要。目前，水平井内常用的持水率的测量方法有光学方法[4-6]及电容法[7]。由于光学方法受到投资、技术等方面的限制没有推广，因此持水率测量集中在电容测量法上。常用的电容测量方法有：高度探针法、网丝电容技术、筒状结构电容传感器、多极板电容传感器、电容层析成像技术、平行板电容传感器[8-12]。但现有电容测量方法都很难应用于高温高压条件下水平井内持水率的实时测量[13-14]。

为此，根据电磁学理论以及徐文峰[9]介绍的高温高压下水的电导率远大于常温下的电导率这一特性，研制了一种可实时测量高温高压水平井内汽-水两相流持水率的电容测量仪。该仪器可在高温高压下实现对水平井内持水率的实时在线测量。

1　仪器介绍

1．1仪器概述

研制的新型电容持水率测量仪主要由弹簧扶正器、饼状电容传感器、电容数据采集系统、保温瓶组成，其示意图和实物图如图1和图2所示。

图1　仪器结构示意图

图2　仪器结构内部实物图

仪器两端的弹簧扶正器与传感器通过螺纹(或者焊接)连接，用于调整测量过程中的传感器探头始终处于水平井管的中心位置；在靠近传感器部位钻有联通孔，确保传感器探头与测量环境充分接触；电容传感器用来测量水平井管内液位高度变化，然后以电容信号输出；电容数据采集系统由信号采集电路和程控软件组成，电路用来采集电容传感器的输出信号，程控软件用来设定电容信号的采集频率和信号采集的起止时间；保温瓶内装有数据采集系统，外壁与传感器通过焊接(或螺纹连接)密封，实现输出信号与外界环境隔离，同时避免采集电路出现温度漂移，确保测量结果的准确性。

1．2绝缘电介质

受高温高压汽-水或者亚临界水、恶劣环境水性质的影响，仪器工作时对电容传感器电介质的要求非常高，需要电介质既要有良好的绝缘性能又要有良好的抗腐蚀性和耐疲劳性能。为此研制了一种玻璃釉烧作为绝缘电介质材料并烧制于探头基体表面。这种材料烧制到探头表面后的平均厚度为0.05 mm，在20 ℃时的测量灵敏度为2.58 pF/mm2，绝缘电阻>120 MΩ，可在超(亚)临界水中长期重复使用而不被腐蚀，同时能够承受380 ℃空气-20 ℃水连续20次以上温度骤变冲击，实现其在高温高压恶劣环境下长期应用。

1．3传感器结构

仪器的电容传感器是饼状结构，如图3所示。

图3　传感器结构示意图

传感器探头上的绝缘电介质覆盖于不锈钢金属基体表面上，起到绝缘作用；石墨不但可以避免探头与螺纹密封连接件之间出现“硬碰”损坏电介质，而且可以实现探头与信号输出端的密封，确保探头金属基体与外部环境(石墨、密封用螺纹连接件、焊点、保温瓶及水-水蒸气)通过电介质绝缘，使不锈钢基体、绝缘电介质及外部环境构成一个电容器；输出信号螺钉用来传输传感器的输出信号至保温瓶内。整个结构可确保传感器探头基体与电介质以外部位或环境不发生短路现象，实现传感器信号的顺利传输和采集记录。

1．4测量模型

1．4．1理论模型

由于高温高压水可以视为良导体，因此据上述仪器的结构可知：在整个井筒范围内连续的水相与电容触感器绝缘层以外的金属部分构成一个等势体。这时传感器的探头与水之间就可以通过特种绝缘电介质构成一个板状电容器，其探头的电容C1为：

(1)

式中：ε为玻璃釉绝缘电介质的介电常数；S为玻璃釉与水的接触面积，mm2；d为介质厚度，mm．

由于石墨是导体，因此图3中的石墨、绝缘电介质及探头金属基体之间形成一个小容量电容C2，C2是一个容值不随液位变化的电容器。此时仪器传感器的等效电路如图4所示。

图4　饼状电容传感器等效电路图

据图4可得传感器的电容为：C=C1+C2，这样仪器在工作的过程中，只需测出传感器的电容随液位的变化就可以知道相应的持水率。

1．4．2实际模型

传感器探头测量持水率的示意图如图5所示，其中，1为水平井筒，2为探头测量端面。

图5　传感器测试横截面示意图

根据图5建立的液位持水率φ与液位高度h的关系式如下(验用管径60 mm)：

(2)

式中：φ为持水率；h为液位高度，mm；D为水平管内径，mm．

2　持水率测量

2．1冷态标定

传感器标定的实验过程中，用空气代替水蒸气来试验，为了便于实验室中电容信号的准确采集，将传感器输出的电容信号转换成由555搭建的电容采集电路采集[15]，结果以频率形式输出。实验示意图如图6所示。

图6　传感器冷态实验示意图

20 ℃时测得持水率变化与频率f的关系如图7所示。

图7　20 ℃下持水率与频率关系图

从图7的4次测试结果发现各次测试的高度一致性，据此拟和的持水率与频率的关系如下：

φ=1.949 3×10-0.071 4f0+5

(3)

式中f0为20 ℃下测量的频率，Hz．

2．2高温标定

在测试高温高压持水率前需要对传感器上绝缘电介质材料的性能进行测试标定：将做好的传感器探头置于装满水的密闭容器中加温加压测试，测量过程始终保持传感器探头完全浸于水中，记录温度和信号输出数据。

据同一电介质的温度系数[4]在同一温度下不变这一属性，采用温度系数整理标定的不同温度下测量的数据，这样可将所有外界对电介质性能的影响因素均转化为温度单一量的影响。所谓温度系数就是温度变化1 ℃时测量电容的相对变化率，即：

(4)

式中：αc为温度系数，℃-1；C0为初始电容,F；T0为20 ℃；CT为温度T时测电容，F；T为测量温度， ℃。

由于采集的电容信号以频率采集，因此将式(4)中的电容转化为相应的频率值计算，这样将电容值转换成频率值计算得到的温度系数称为“频率系数”，即：

(5)

式中：α为频率系数，℃-1；fT为温度T时测得的电容信号，Hz；f0为0 ℃时不同的持水率对应的电容信号C0的值，Hz．

通过重复实验得到管流状况下不同温度时测得的频率系数α与温度T，关系如图8所示。

图8　不同温度时频率系数α与温度T的关系图

整理得不同温度下电介质的频率系数与温度简化关系式见式(6)：

(6)

式中T1为传感器所处的环境温度数值，无量纲。

2．3持水率测量关系式

在实际测试过程中，将在高温高压汽-水两相流中测量的电容信号、温度以及传感器的温度特性共同转换成常温标定数据来反映持水率。转换依据是：传感器在某一温度不同持液率下，电介质的温度系数不受持水率影响而固定不变这一属性。即：

(7)

整理式(7)得：

(8)

结合常温标定出的持水率和电容信号的关系式(3)得到不同温度下持水率与温度及测得的频率关系式：

(9)

由式(9)可知，仪器测量过程中只需知道采集到的高温频率及对应的温度值即可。目前，该传感器已经成功应用于油田生产测试，并取得了良好的应用效果。

3　结束语

该传感器的研制成功，解决了稠油热采水平井下持水率实时测试技术难题。可在380 ℃、38 MPa以下环境的亚(超)临界水中长期使用。水平井管径为60 mm时的持水量测量范围在13.5%～83.1%之间，探头灵敏度在几十pF到几十nF均有非常快的响应速度。此外，水平井管径内持水率的测量范围可通过调整探头大小进行调整。通过在传感器前面加装“流型”整流装置，实现不同流型的持水率测量，保温瓶上的弹簧扶正器可确保传感器始终处于管道中心实时测量；通过实验和现场应用，充分验证了传感器的良好实际使用性能，并有望应用于竖直井内的相关参数测量。

参考文献：

[1]阳鑫军．稠油开采技术．海洋石油，2003，23(2)：55-60．

[2]吕立华，李明华，苏岳丽．稠油开采方法综述．内蒙古石油化工，2005(3)：110-112．

[3]赵时光．稠油热采注蒸汽参数优化．内蒙古石油化工，2005(9)：103-104．

[4]赵培华，唐开宁．稠油测井技术回顾与展望．世界石油工业，1995(9)：37-38．

[5]唐人虎，陈听宽，罗毓珊，等．高温高压下用光纤探针测量截面含气率的实验研究．化工学报，2001，52(6)：560-563．

[6]陈斌，傅宇晨，郭烈锦，等．水平管束间气液两相流局部含气率分布的实验研究．化工学报，2003，54(3)：316-320．

[7]陈斌．管束间气液两相流动特性研究：[学位论文]．西安：西安交通大学，2001．

[8]黄善仿．基于网丝电容探针的两相流参数检测及成像研究：[学位论文]．西安：西安交通大学，2008．

[9]徐文峰，李文涛，刘兴斌，等．一种测量低产液水平井含水率的筒状电容传感器．测井技术，2008，32(5)：403-405．

[10]高晓丁，高鹏，王旭．基于多极板电容传感器测量原油含水率的研究．中国测试技术，2008，34(2)：6-8．

[11]彭殄路，祁支哲，吴利选，等．电容层析成像技术的近期研究进展．自动化仪表，2008，29(9)：1-5；9．

[12]天津大学无线电材料与元件教研室编．电容器．北京：技术标准出版社，1981：44-60．

[13]赵晓强．高温高压液体电极电容传感器的物理特性与成型方法研究：[学位论文]．西安：西安交通大学，2010．

[14]宋文卫．应用电容传感器和相关分析测量多相流流量：[学位论文]．西安：西安交通大学，2005．

[15]刘畅生，王亚民，王水平，等．新型集成电路使用手册及应用举例．西安：西安电子科技大学出版社，2003：511-513．