基于电容法的原油局部持水率检测方案

方禹, 余厚全, 唐桃波, 汤天知, 秦民君, 刘国权

(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)

0 引 言

在线检测油井中原油持水率是原油开采的重要决策参数。现场常用的方法之一是基于电容的集流式持水率检测。水平井与大斜度井中重力的作用导致油井截面上油、水分层,加之水平井、大斜度井的井眼长距离波状起伏等原因,造成水平流动生产剖面异常复杂。垂直井中所使用的常规的以点带面的集流式测量方法并不能准确反映水平井和大斜度井中油井截面的持水率信息。为了获取油井截面油水分布信息,国内外有关单位开展了相关的研究开发工作。英国SONDEX公司在2002年开发了阵列电容式持水率检测仪器(Capacitance Array Tool)。徐文峰等[1]设计了筒状电容传感器,用于水平井中油/水两相持水率的测量;赵晓强等[2]采用相同电容传感器结构,设计了用于水平井中气/水两相持水率测量仪器。这2种传感器都是将筒状电容器水平放置在水平井中,通过测量筒状电容器截面的水位高度获取油井截面的持水率信息,只适用于水平井、低流量时界面分离的情况,当流量较高、井斜不是很大或者筒状电容器截面直径远小于井筒截面直径以及仪器偏心时,测量结果会受影响。于宝等[3]提出了利用阵列同轴电容传感器测量水平井、大斜度井持水率的检测方案,但是这种传感器结构体积较大,在油井截面上分布的传感器有限,且同轴传感器的流体空间易污染封堵,不便清洗。根据在线原油持水率的检测需求,要获取油井截面上持水率的分布信息,要求持水率检测仪器的传感器在油井截面具有阵列式的分布结构。实现阵列化电容式原油持水率检测,必须解决2个基本问题:①将电容式传感器结构小型化,使得在油井截面上可以布置多个探测点以形成传感器阵列;②减少传感器与检测电路之间连接线的分布电容对测量结果和道一致性的影响。本文在分析现有国内外电容式持水率检测仪器方案的基础上,提出了交指式电容持水率传感器结构,设计了一种电容-频率的间接测量方案。

1 基于平面结构的交指式电容器

图1 平面交指电容传感器

平面交指式电容传感器基于平面结构(见图1),通过在同一个平面上放置2个互相穿插交指的电极,检测从电极上流过的油水混合物介电常数从而检测原油的持水率,是从平行极板电容器演变而来[见图1(a)],其结构见图1(b)(L为电极长度,w为电极宽度,g为电极间的间隔,λ为电容单元,h为电极厚度)。与平行极板电容器类似,2个电极间通过边缘效应形成稳定的电场[4]。当传感器表面存在液体时,极板间混合物等效介电常数的变化导致极间电容发生变化,通过测量电容变化获得液体的油水混合比例。图1(c)是传感器等效电路模型,它由1个电阻与电容串联组成。

传感器电极C为单位长度上的电容值,有[5-7]

C=Kε0ε1+ε0ε1h/g+Kε0ε2

C=(K+h/g)ε0ε1+Kε0ε2=K1ε0ε1+Kε0ε2

(1)

式中,K、K1为常数;ε0是真空介电常数;ε1是传感器上待检测介质(被测含水原油)的等效相对介电常数;ε2是极板基底材料的相对介电常数。传感器的总电容值Csen为N×L×C,N为电容器交指个数。

由式(1)可知,当电容器的物理结构和基底材料介电常数一定时,其电容值随被测介质的介电常数变化而变化。这意味着流过传感器表面油水混合物持水率增加时,电容器的电容值单调增加,从而实现原油持水率的检测。

这种电容器结构的优点:①平面结构简单,易于实现传感器小型化;②通过交指结构实现有限面积上电容值最大化,提高传感器灵敏度;③平面结构开放,便于清洗与维护。

2 基于电容-频率的间接测量方案

常规电容持水率检测仪器中传感器的输出与检测电路的输入端通过导线连接,连接线上存在分布电容,其值随着环境变化而改变,会引起测量结果的误差,且由于各条连接线的差异性,会影响阵列式仪器各道的道一致性。为避免传输线上分布电容对测量结果影响,最直接的方法是将传感器与部分检测电路一体化,将检测的电容值直接在检测点转换为相应频率变化的脉冲信号,然后通过连接线连接到井下后续电路,以隔离或减小连接线上的分布电容对被测电容值的影响。这就要求传感器与变频电路在检测点集成,其结构尽可能简单,体积尽可能小。本文采用基于电容-频率的间接测量方案,使用电容传感器和具有迟滞特性的与非门构建自激振荡器,形成传感检测一体化的电路(见图2)。

图2 电容-频率一体化检测电路结构及各点波形

这种一体化检测电路结构非常简单,它由被测电容Csen、施密特与非门和电阻R1组成。当施密特与非门接通电源时,电容Csen上的初始电压Vc为0。此时输出端输出电压V0为高电平,与非门输出通过电阻R1对接地的被测电容Csen进行充电,Vc的电压逐步上升;当Vc上升到VT+时,此时输入为高电平,与非门翻转,输出V0为低电平,被测电容Csen通过R1向输出端放电,Csen上的电压开始下降。当电容两侧电压Vc降低至VT-时,反向器输入低电平,V0又由低电平跳变为高电平,Csen又被重新充电。如此周而复始,在与非门的输出端,就得到了矩形波。V0和Vc的波形如图2(b)所示。被测电容的大小与充放电时间成正比时间。充放电的时间之和,即为该电路的振荡周期。电路的振荡周期为

(2)

式中,T为振荡周期,与被测电容Csen值成正比;VDD为输入电源电压;VT+、VT-为触发器翻转电压。令f为振荡频率,被测电容值与振荡器输出信号频率的关系为

(3)

由式(3)可见,被测电容值与振荡频率成反比。通过将被测电容值转换为与频率成反比的脉冲信号,再经过连接线传输时,可避免连接线分布电容对测量结果的影响。施密特与非门器件的体积通常为5 mm×3 mm×1 mm,极易实现与传感器一体化。

3 基于电源电流变化的检测转换电路

采用上述检测方案,连接每支传感器需要3条连接线,即电源线、地线和信号线,相对常规的地线和信号线连接增加了1条电源线。对于12支传感器的阵列检测增加了12条连接线。

分析研究图2(a)所示的传感-检测一体化电路可知,当电路产生谐振时,电源Vcc提供给谐振电路的工作电流也将发生相应的周期性变化,如果能够在电源线上检测出电流的变化,就可以省去信号线,实现电源线与信号线复用。为此,采用了恒压源中电流变化→电压脉冲信号变化的转换电路(见图3)。

图3 恒压源电流变化到电压变化的转换电路

整个转换电路分为3级。第1级是由运放U1、取样电阻R和振荡电路电源负载构成的电流检测电路。C1与R和前端的电源负载组成低通滤波器,其截止频率大于1 MHz,作用是滤除高频干扰,在检测信号的频率范围内,C1视为开路;U1同相输入端连接1个5 V的稳压源,因此U1的反向输入端实为1个5 V的恒压源,当有电流流过取样电阻R时会将电流转化成相应的电压。第2级为由U2与R1、R2、R3和R4构成的仪器差分放大器,连接在U2输入端与输出端之间的负反馈电容用于滤除高频干扰,输出Vo2是U1的输出Vo1与Vcc相减的结果。第3级是整形电路,C2的功能是隔离前端电路中的直流分量,U3与外围电阻构成迟滞比较器,将与电压信号整形输出。U1与U2输出信号为

Vo1=Vcc+IccR

(4)

Vo2=K[Vo1-Vcc]=IccR

(5)

由式(5)可见,迟滞比较器U3的输出是与多谐振荡电路电源电流变化频率相同的电压脉冲信号。整个转换检测电路实现了将电源线上变化的电流检测出来并转换为与其变化同频率电压脉冲信号。

4 实验与结果

根据式(1),电容大小以及其对介电常数反映的灵敏度与电极长度L、电极宽度w、电极厚度h以及交指数N成正比。要增加电容传感器的灵敏度,就要增大传感器的结构,但对于阵列探测,显然传感器的结构不可能太大。另一方面,交指式电容传感器又不能做得太小,因为交指面过小,挂接在探测面表面的细小油珠、水珠会引起检测误差。根据式(3),传感器电容值Csen以及电阻R1决定多谐振荡器输出的频率变化范围。为了增加多谐振荡电路及图3所示电路的稳定性,在保证分辨率的条件下R1应选用较大阻值的电阻。由于井下温度较高,为了减小电阻温漂对测量结果的影响,R1阻值又不易过大,选择阻值过大R1会导致振荡频率范围偏低,降低各道的扫描速率。综合考虑传感器尺寸、检测频率范围、扫描周期和电路稳定性,R1阻值选为820 kΩ,电极长L为9 mm,电极宽为1 mm,极间距为0.7 mm,交指个数N为5,其频率变化范围在32～67 kHz。交指式电容传感器与施密特与非门构成的振荡电路印制在1块玻纤板上,在电容的电极与检测电路上涂上绝缘材料。整个一体化传感器大小为40 mm×18 mm×1.5 mm,只有地线和电源线2条对外连接线,非常适合阵列化检测。

图4 检测电路各点波形

按照图3的设计电路,从施密特振荡器电源线提取电流变化的检测电路各点波形如图4所示(黄色为振荡电路输出;蓝色为积分输出Vo1;紫色为差分输出Vo2;绿色为比较器输出Vo3)。图4(a)是传感器在全油中的响应,振荡电路频率为66.2 kHz,图4(b)是传感器在全水中的响应,振荡电路频率为32.5 kHz。通过将传感器置入不同比例的动态油水混合液体中,测量到的持水率与振荡器频率的结果如图5所示。

实验结果表明,①随着油水混合物持水率增加,电路的振荡频率单调下降;②随着油水混合物持水率的增加,检测电路的分辨率下降;③当油水混合物持水率从0变化到50%时,频率从66.2 kHz降低到32.5 kHz,当油水混合物持水率从50%变化到100%时,频率从33 kHz降低到32.5 kHz。交指式电容传感器在持水率低于50%时,具有良好的分辨率,当持水率高于50%时,分辨率较差。原因之一,如式(3)所示,振荡频率与电容值(介电常数)成反比,其导数(即变化率)与电容值的平方(介电常数的平方)成反比,随着介电常数(持水率)的增加,分辨率会迅速下降。原因之二,自来水和矿化水不能视为绝缘体,电容两端存在一定的等效电阻[如图1(c)所示],当持水率大于50%时,水呈连续相,连通的水相形成联通的电阻降低了电容值(介电常数)的变化对频率的影响,因而导致分辨率下降。

图5 持水率与振荡频率的关系

5 结 论

(1) 设计了一种基于电容边缘效应的新型电容器作为传感器,采用电容传感和频率转换一体化的传感器结构,开发了从电源线上提取电流变化的信号检测电路,进行了相关的实验验证。

(2) 检测电路的输出频率与原油的持水率成反比,且在低持水率段(≤50%)有很好的分辨率。

(3) 交指式电容传感器灵敏度高,体积小,便于小型化。

(4) 电容传感和频率转换在前端检测点上一体化很好地隔离了连接线分布电容对测量结果的影响,有利于提高检测精度和道一致性。

(5) 从电源线上提取电流变化检测信号的方案减少了传感器和仪器电路之间的连接线。

参考文献:

[1] 徐文峰, 李文涛. 一种测量低产液水平井持水率的筒状电容传感器 [J]. 测井技术, 2008, 32(5): 403-405.

[2] 赵晓强, 郎济凤. 一种水平井持水率电容测量仪的研制 [J]. 仪表技术与传感器, 2014, 4: 19-21.

[3] 于宝, 于靖民. 低流量下同轴阵列电容法测量持水率实验研究 [J]. 测井技术, 2012, 36(6): 559-563.

[4] 李楠, 黄川, 郭宝龙. 一种绝缘体表液体自动测试系统 [J]. 仪器仪表学报, 2010, 31(1): 38-44.

[5] 郑秋容, 李有权. 高阻表面交指形电容设计公式的改进 [J]. 电子学报, 2007, 35(12): 2319-2323.

[6] Aleksandra Vukovic Rukavina. Hand-held Unit for Liquid-type Recognition, Based on Interdigital Capacitor [J]. Measurement, 2014, 51: 289-296.

[7] Ong K G, Grimes C A. A Resonant Print Circuit Sensor for Remote Query Monitoring of Environmental Parameters [J]. Smart Mater & Struct, 2000, 9(4): 421-428.

[8] Chetpattananondha K, Tapoanoi T, Phukpattaranonta P, et al. A Self-calibration Water Level Measurement Using an Interdigital Capacitive Sensor [J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2014, 209: 175-182.

[9] 王惠玲, 李宝生. 基于边缘效应的圆环式电容传感器电场仿真分析 [J]. 传感器与微系统, 2014, 33(4): 31-34.

[10] 黄善仿, 张炳东. 一种局部相含率测量方法 [J]. 工程热物理学报, 2012, 33(1): 83-86.