阵列电磁波持水率探测器的研究*

魏 勇 余厚全 唐桃波 刘国权 陈 强 梁 旭

(1．长江大学电子信息学院 湖北 荆州 434023；2.中国石油集团测井有限公司 陕西 西安 710077)



·仪器设备与应用·

阵列电磁波持水率探测器的研究*

魏 勇1余厚全1唐桃波1刘国权2陈 强2梁 旭2

(1．长江大学电子信息学院 湖北 荆州 434023；2.中国石油集团测井有限公司 陕西 西安 710077)

在大斜度、水平井环境中检测原油持水率的空间分布信息一直是个难题。文章分析了阵列式电磁波持水率探测器的设计需求，讨论了实现该技术方案的关键问题，在此基础上，通过提高电磁波的频率和减小探测器的尺寸等方法，提出了阵列式探测器的设计方案。理论分析和实验结果表明该方案可以用于检测大斜度井的持水率空间分布信息，适用于国内大斜度井的工程需求，相关的数据和结论对阵列电磁波持水率探测器的结构设计有实际参考价值。

阵 列；电磁波；持水率；探测器；大斜度井

0 引 言

目前国内大部分油田采用水平井、大斜度井等措施来提高单井产能，适用于垂直井的传统集流式持水率测量仪器已无法提供这类井的原油持水的空间分布情况。另一方面，国内的大部分油田已进入开发后期，综合含水率达到了80%以上，国外生产的诸如CAT[1]等阵列持水率仪器仅适用于国外普遍含水率较低的油田，不适合在国内油田推广应用。

为了获取大斜度井和水平井中油井截面上的持水率分布信息，在前期已经研制的集流式电磁波持水率探测器[2、3]的基础上开展进一步的研究工作，提出了阵列电磁波持水率探测器结构设计方案。即采用多支电磁波持水率探测器组成阵列式组合，既可以实现在高含水条件下持水率测量精度，又能获取水平井或大斜井的井筒截面不同部位持水率的分布信息，解决目前生产测井中的工程难题。

1 阵列式电磁波持水率探测器的设计与关键问题

为了能较好地重现井筒流体分布状态,为大斜度井、水平井提供很好的解释资料，要求持水率仪器的探测器采用阵列式的分布方式。阵列电磁波持水率探测器的主要技术指标如下:

1)采用阵列式探测器获取井筒内流体空间分布信息；

2)持水率测量范围：0～100%；

3)持水率测量误差：≤±5%；

4)重复性误差：≤±2%；

5)测量温度：155℃。

由于生产测井中测试工艺的限制，持水率测量仪器处于狭小的工作空间，研制阵列式电磁波持水率探测器的关键问题在于：(1)有限空间上阵列探测器的结构设计问题；(2)通过截面上有限点上检测的持水率估计整个截面持水率分布问题；(3)多通道电磁波持水率探测器中电磁波信号的激发接收问题。本文主要讨论探测器的结构设计问题。

2 阵列式组合中单支电磁波持水率探测器小型化设计

2.1 阵列式组合对单支电磁波持水率探测器的结构要求

参考国内外阵列持水率仪器的结构，通常这一系列的仪器利用弓形弹簧将多支探测器等间距地固定在仪器的四周。阵列持水率仪器在井下主要处于两种工作模式：一种是下井模式，另一种是测量模式。下井模式主要是为了仪器在上提和下放的过程中，能够顺利地在油管中移动。在该模式下，弓形弹簧处于收拢状态，仪器的最大直径不得大于43 mm；在测量模式下，弓形弹簧处于张开状态，探测器在弹簧张力作用下紧贴井筒周围，此时仪器的最大直径略小于套管的直径，约为200 mm。

前期的电磁波持水率探测器的研究与实验将单支集流式电磁波持水率探测器的尺寸确定为[3]：长度200 mm，内导体外半径a为3 mm，外导体内半径b为9 mm，外导体外半径为12 mm。在下井模式下，仪器的外径要求不得大于43 mm，若将外半径为12 mm的单支集流式探测器并行放置，则最大允许数量为1支，从数量上无法实现多探测器布局。一方面，从仪器获得的信息量考虑，仪器上安装的探测器越多越好，然而探测器的数量和尺寸必定会影响仪器整体的直径和长度，导致仪器过粗而无法下井；另一方面，就仪器的强度和灵活性而言，仪器越短越好，仪器过长则会导致强度降低，易发生扭曲现象。因此，要在有限的空间上安放多支探测器，减小探测器的尺寸结构是设计实现的关键。

2.2 阵列式组合中单支电磁波持水率探测器结构设计

1)探测器的内外导体半径

根据前一阶段对集流式探测器的研究结果，导体间流体的环形空间间距b-a=6 mm时，能够适用于井下流体测量，不会导致结蜡堵塞等情况发生。因此在设计阵列探测器时，应在缩小尺寸和保证强度的前提下充分借鉴集流式探测器的研究经验。将探测器内导体的外半径a减小为2 mm，外导体的内半径b减小为7 mm，外导体外半径减小为9 mm。理论分析可知：导体间流体的环形空间间距b-a=5 mm，仅略小于集流式探测器的环形空间；内外导体半径比b/a=3.5,趋近于有损同轴线的衰耗系数最小值b/a=3.6的理论条件[5]。实验表明，缩小尺寸后的探测器能够满足流体通畅和强度要求。

2)电磁波的上限频率与探测器的上限长度

根据电磁场传输理论，探测器内传输的TEM波的最高截止频率或最小截止波长分别为[4]:

(1)

(2)

式中λTEMmax为同轴线传输TEM模式的最高截止频率；λTEMmin为同轴线传输TEM模式的最小截止波长；a为同轴线内导体的外半径；b为同轴线外导体的内半经；εm为同轴线内介质的混合介电常数。当探测器内介质全是水时，选取a=2 mm，b=7 mm，εm=80 in(1 in=2.54 cm)，探测器内传输TEM波的最高截止频率为132.7 MHz和最小截止波长为253 mm。探测器的长度超过一个波长后响应就有可能出现多解性，因此探测器的上限长度为253 mm。

3)阵列式组合中单支探测器长度的确定

根据电磁波在同轴线内的传播特性，电磁波在结构为同轴线的探测器内传播后，产生的相移为[2]：

(3)

在前期集流式探测器的研究中，f取80 MHz，L取200 mm，因此灵敏度S=16 000(归一化值)。在设计阵列式探测器时，其长度L也要相应地缩短。为了保持或者尽量接近原来集流式探测器的检测灵敏度，最有效的办法就是在激励频率f不超过TEM波的最高截止频率的前提条件下，提高电磁波的激励频率f。上述分析可知f的上限值为132.7 MHz，因此可取f的值为120 MHz。在确定f的基础上，尽量减小探测器的长度L,保证二者之积S，即灵敏度与集流式相比，差异不大，略有降低。综合考虑以上因素，选择电磁波的工作频率为120 MHz,选取单支探测器的长度为100 mm和120 mm两种规格见表1，然后进行实验研究，从中选取最优长度。

表1 探测器类型与尺寸

图1 探测器相位偏移与持水率的关系曲线

采用真实离散介电常数油水样品实验：利用柴油和水配制11份持水率从0%到100%、间隔单位为10%的原油样品，记录电磁波信号经过探测器前后的相位偏移量，并将其数字化，持水率与相移曲线如图1所示。曲线表明：1#探测器曲线的斜率范围为0.400～7.500，当持水率从20%～30%时，分辨率最高，当持水率从90%～100%时，分辨率最低；2#探测器曲线的斜率范围为0.500～3.100，当持水率从50%～60%时，分辨率最高；整体而言，2#探测器比1#探测器的曲线在整个范围内更平坦，更接近线性关系。因此实验结论是：1#探测器在高持水率段分辨率较低，不适用于在高持水率的环境下使用；2#探测器的线性度和分辨率要优于1#探测器，应选2#探测器为宜。

根据上述理论分析和实验研究，在探测器小型化过程中，若内外导体过细则强度不够，导体间的环形空间太小则容易引起堵塞，长度太短则线性度差。结合工程实际考虑，小型化后的探测器的最优尺寸为：内导体外半径2 mm，外导体内半径7 mm，外导体外半径9 mm，长度120 mm。

3 阵列式探测器的组合方案

为了兼顾阵列成像测量的分辨率和探测器的结构特征要求，阵列电磁波持水率仪采用6支小型化的探测器，其优点是受井斜和流型影响较小，能更直观反应井下流体介质的分布。

根据探测器的结构要求,首先考虑下井模式下探测器的组合问题：若下井过程中将6支探测器分布在同一井筒截面高度上，彼此紧密地收拢成一个外切圆形，如图2(a)所示。由三角形公式有：

(R-r)sinθ=r

(4)

图3 下井模式与测试模式下阵列探测器的组合示意图

其次考虑测井模式下探测器的组合问题：如图3(b)所示，在到达测量层位后，通过电动机控制2组连接探测器的弓形弹簧的上下滑环，调整2组探测器的轴向高度；在井下弓形弹簧打开后，仪器处于测量状态，6支探测器紧贴井筒分布，轴向上处于同一井筒截面高度。

4 结 论

本文根据阵列电磁波持水率探测器的设计需求，在探测器的激励频率、数量、尺寸、组合方式等方面进行了理论分析和实验研究，最终确定为：激励电磁波的频率设定为120 MHz，探测器的数量为6支，单支探测器的尺寸为长度120 mm，内导体外半径2 mm，外导体内半径7 mm，外导体外半径9 mm，下井和测量两种模式下阵列探测器按照图3进行组合。

阵列电磁波持水率仪器采用较高的电磁波探测频率，阵列化的结构，较好地重现井筒流体分布状体,为大斜度井、水平井提供很好的解释资料，对油田开发具有较大的实用价值。

[1] 张海博,郭海敏,戴家才.电容阵列仪在大斜度井中的实验研究[J].测井技术,2008,32(4): 304-306.

[2] 余厚全，魏 勇，汤天知.基于同轴传输线电磁波检测油水介质介电常数的理论分析[J].测井技术,2012,36(4): 361-364.

[3] 魏 勇，余厚全，陈 强.电磁波持水率传感器的研究与实验[J].传感器与微系统,2012,31(10): 27-31.

[4] 王进旗，强锡富，于英华.基于相位法原油含水率仪的实验研究[J].计量学报,2004，25(4)：366-368.

[5] 杨显清.电磁场与电磁波[M].北京：国防工业出版社，2003.

[6] 郭海敏.生产测井导论[M].北京：石油工业出版社，2003.

Research on Electromagnetic Wave Water Holdup Array Detectors

WEI Yong1YU Houquan1TANG Taobo1LIU Guoquan2CHEN Qiang2LIANG Xu2

(1.Electronics&InformationSchool,YangtzeUniversity,Jingzhou,Hubei434023,China；2.ChinaPetroleumLoggingCO.LTD.,Xi’an,Shaanxi710077,China)

The water holdup space distribution information of crude oil in the environment of highly deviated and horizontal wells has always been a problem,this paper analyses the design requirements for electromagnetic wave water holdup array detectors,discusses the key problems to realize the scheme,and on this basis,put forward the design scheme of array detectors by increasing the frequency of electromagnetic wave and reduce the size of the detector,and other methods.Theoretical analysis and experimental results show that the scheme can be used to detect water holdup spatial distribution information of the highly deviated wells,it is applicable to the engineering needs of the domestic highly deviated wells,and the relevant data and conclusions have practical application value to the structure design of the electromagnetic wave water holdup array detectors.

array,electromagnetic wave,water holdup,detector,highly deviated well

中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目，编号：2011A-3903。

魏 勇，男，1979年生，硕士研究生，讲师，2003年毕业于江汉石油学院电子信息工程专业，2006年毕业于长江大学信号与信息处理专业，现为长江大学在读博士，研究方向为声电测井新方法与仪器研究。E-mail：weiyong321@163.com

P631.8+11

A

2096-0077(2015)02-0076-03

2014-10-18 编辑：韩德林)