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大庆石油学院硕十研究生学位论文 阻抗式含水率计的优化设计 摘要 当油田开发处于高含水开发时期，准确、可靠地测量井下油水两相流的含水率( 持水率) 是个 重大的技术难题。阻抗式含水率计的优点是：在水为连续相时，通过在线进行含水率的测量，克服了 井内波动及间歇出油的影响，实现了实时监测，使得测量更可靠：测量结果不受温度及矿化度的影响： 电极的沾污导致的误差很小：受流态的影响很小。但仪器的设计主要是通过大量实验来确定的，需对 其进行进一步优化和完善受到了限制，比如电极的数量的优化、电极间距离的优化目前还缺少仿真 技术的指导。同时，大量的实验观察发现在流体温度较低、流量较低的情况下，会造成传感器内壁 对油的吸附增强，使传感器容易受到了沾污的影响。因此阻抗式含水率计还存在着进一步改进、完 善的空间。 本文概述了电导法含水率测量的基本原理，介绍了经典的含水率测量模型m a x w e l l 和 b e g o v i c h & w a t s o n ，分析两模型之间存在的差异； 本文用a n s y s 和m a t l a b 软件对传感器内部的电场分布进行仿真，并通过仿真对仪器结构进行了 优化。通过动、静态实验模拟环状流和精细泡状流，证明了阻抗式含水率计在测量含水率时，不受 矿化度和流型的影响或受其影响很小，实验结果也证明了所采用的阻抗传感器的含水率相对响应与 持水率存在线性关系，并且较为接近b e g o v i c l l & w a t s o n 测量模型。动态实验能够体现滑脱速度的影 响，实际应用中应通过动态实验来建立仪器的含水率测量模型。 通过对阻抗式含水率计的优化设计，使含水率计性能更加可靠，测量精度更高。对以后新型传 感器的研究设计提供理论指导。 关键词：生产测井：含水率：阻抗传感器；优化设计 t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ei m p e d a n c es e n s o r i ti sab i gt e c h n o l o g i c a lc h a l l e n g et op r e c i s e l ym e a s u r et h ew a t e r , c u t ( h o l d u p ) o fd o w n h o l eo i l - w a t e r t w o - p h a s ef l o ww h e no i l f i e l dd e v e l o p m e n ti sa tt h eh i i g hw a t e r - c u ts t a g e t h ei m p e d a n c es e n s o rh a st h e f o l l o w i n g a d v a n t a g e s ：f i r s t , m e a s u r i n g w a t e r - c n t t h r o u g h f l o w i n g f l u i d d e c r e a s e s t h e e f f e c t o f h e a d i n g f l o w w h e nw a t e ri sa ti t sc o n t i n u o u sp h a s ea n da c h i e v e sr e a l t i m em o n i t o r i n gt h u sm o r er e l i a b l em e a s u r e m e n t ； s e c o n d , t h em e a s u m m e n tr e s u l th a sn e i t h e rt e m p e r a t u r en o rs a l i n i t yd e p e n d e n c y , v e r ys m a l lg q t o ri m p o s e d b ye l e c t r o d ec o n t a m i n a t i o na n dm i n o ri n f l u e n c ef r o mt h ef l o wr e g i m e t h ed e s i g no f t h es e n s o ri sm a i n l y d e t e r m i n e db yl a r g en u m b e r so f e x p e r i m e n t sa n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i si si n a d e q u a t e s oa st h et e c h n i q u e n e e d sf u r t h e rd e v e l o p m e n ta n do p t i m i z a t i o nd e s i g n f o re x a m p l e ，t h eo p t i m a ln u m b e ra n ds p a c eb e t w e e n e l e c t r o d e sa g es t i l li nl a c ko fg u i d a n c ef r o ms i m u l a t i o nt e c h n i q u e s f u r t h e r m o r e ，m a n ye x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o n s h a v e f o u n d t h a t t h ea d s o r p t i v e a c t i o n b e t w e e l l t h eo i l a n d t h e i n n e r w a l l o f a s e n s o r w i l lb u i l d u pi nc a g eo fl o wt e m p e r a t u r ea n dl o wf l u xo ft h ef l u i d ，s ot h e s e n s o rw i l lb ea f f e c t e db ye l e c t r o d e c o n t a m i n a t i o n s t h e r e f o r e ，f u r t h e ri m p r o v e m e n t so f t h ei m p e d a n c es m l s o rs t i l le x i s t t h i sp a p e rs t a r t sf r o mt h eo v e r v i e wo fh o l d u pm e a s u r e m e n tt h e o l yu s i n gc o n d u c t a n c em e t h o d ，a n d t h e ni l l u s t r a t e st h em a x w e l lw a t e rc u tm e a s u r i n gm o d e la n db e g o v i c h & w a t s o nw a t e rc u tm e a s u r i n gm o d e l t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w om o d e l si sa l s oe x p l a i n e d i nt h i sp a p e r , w ep r e s e n tt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fi m p e d a n c es e n s o r se l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o na n d t h eo p t i m i z a t i o no ft h es e n s o rs t r u c t u r eb ys i m u l a t i n gw i t ha n s y sa n dm a t l a bs o f t w a r e f r o ms t a t i c s i m u l a t i o n so fa n n u l a rf l o wa n dd y n a m i cs i m u l a t i o n so f b u b b l ef l o w , w ep r o v e dt h a tu s i n gi m p e d a n c e s e n s o rt 0m e a s u r eh o l d - u pi sh a r d l yo rl e s sa f f e c t e db yf l u i ds a l i n i t y , t e m p e r a t u r ea n df l o wr e , m e w ea l s o p r o v e dt h a tt h er e s p o n s eo fw a t e rc u th a sal i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t ht h ew a t e rh o l d u p ，w h i c hr e s e m b l e st h e b e g o v i c h & w a t s o nm e a s u r i n gm o d e l t h ea c t u a lm e a s u r i n gm o d e lo ft h ei m p e d a n c ew a t e rc u tm e t e r s h o u l db eg o t t e nf r o mt h ed y n a m i cs i m u l a t i o nb e c a u s et h es t a t i ct e s tc a n n o tr e v e a lt h es l i p p a g ee f f e c t t h a n k st ot h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，t h ei m p e d a n c es e n s o rc a nh a v em o r ec r e d i b i l i t ya n dh i g h e r p r e c i s i o n t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nc a l io f f e rt h et h e o r e t i c a lg u i d a n c et 0t h ef u t u r er e s e a r c ha n dd e s i g no f t h ei m p e d a n c es e n s o r k e y w o r d ：p r o d u c t i o nw e l ll o g g i n g ；w a t e r - c u t ；i m p e d a n c es e n s o r ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n l i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰 写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意 作者签名： 学位论文使用授权声明 日期：星翌：兰：宴口 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容 编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文 在解密后适用本规定 学位论文作者签名：鸯亏 导师签名： 日期：a 卿多2 0 日期： 大庆石油学院硕十研究生学位论文 创新点摘要 作为一篇研究阻抗传感器优化方法的论文，论文继承了现有科技实力的内容，在此基础上提出 了一些自己的看法。 1 通过对阻抗式含水率计进行的实验和仿真研究，得出传感器内部电场分布均匀。该结论与计 算解析解的结果一致，并且为阻抗式含水率计的设计提供了指导仿真研究对传感器的结构优化有 很大帮助。 2 提出新的静态实验检测方法，用静态检测绝缘柱体模拟环状流，通过静态实验可以帮助确定 更合理的电路参数。 3 提出了传感器自适应电路的新设想，以实现仪器增益的自动调节。 1 1 1 大庆石油学院硕十研究生学位论史 引言 我国大部分油田现己进入高含水开发时期，为了搞好动态监测，对油田进行综合治 理，减缓递减，自2 0 世纪8 0 年代以来，各油田先后从国外引进了各种数控生产测井设备， 这些设各投产使用后，为油田开发提供了大量基础材料。但由于油田开发形势的变化， 以及仪器本身固有的缺点使得应用受到了限制，测量效果难以保证。为了开发出适合 我国高含水油田环空测试需要的仪器，油田内外的许多技术人员和专家都在测量方法和 仪器开发等方面做了大量工作，并取得了可喜的成绩。开发了高频电容式含水率仪器、 微波式含水率仪器、分离式含水率仪器、放射性含水率仪器等方法和仪器【l j 。 1 9 9 8 年大庆测试服务分公司开发出了阻抗式含水率计，该仪器已经在大庆油田得到 广泛推广应用。它是通过测量流体的电导率确定井下油水两相流的含水率。该仪器采用 集流的测量方式，可以进行定点随时间连续测量，测量结果可靠。其优点是： 1 可实现过流测量，减小了井内产量波动对测量的影响。 2 实现了对含水率的实时监测，测量结果更为准确、可靠。 3 采取实时刻度法，因此，温度及矿化度的影响很小，在测量误差范围内。 4 受流态影响小。 5 仪器具有较高的标定精度，具有良好的重复性及一致性，因此，在使用中减少了仪 器标定的工作量。 但是目前的阻抗式含水率计适用范围还需拓宽，性能指标有待于提高，一些机理问 题，例如传感器结构参数、流体物性参数及其他各种因素对传感器输出的影响尚有待于 深入研究。传感器的测量范围有限，因此，有必要通过基础性实验和必要的理论工作， 研究传感器的敏感场分布特征，对传感器的机械结构、电学参数等进行优化设计，减少 各种因素对测量精度的影响p j 。 本课题是针对目前阻抗式含水率计有待于提高的的河题，进行了大量的基础性实验 研究和仿真，通过对实验结果和仿真的分析，对仪器的参数进行了改进，可使含水率计 性能更加可靠，测量精度更高。对以后新型传感器的研究设计提供理论指导。 课题主要研究内容： i 供电、测量电极参数的优化。 2 电路参数的优化。 3 传感器电极数量的优化。 4 沾污的标定。 5 双电层效应的评价。 6 传感器内部静电场分析。 论文全文共包括五章，各章的主要内容如下： i l l 弓i 言 1 第一章绪论主要介绍了井下测量含水率和流量的重要性，两相流流量检测的应用 现状，含水率仪的技术现状以及阻抗式含水率计的发展现状。 2 第二章详细介绍了阻抗式含水率计的测量原理，用a n s y s 软件和m a t l a b 对传感器 内部电场的仿真计算。 3 第三章介绍了围绕优化设计而进行的一系列静态实验，包括阻抗式含水率计与矿 化度、温度、电极数量、电路参数、沾污、双电层效应等影响因素的关系。 4 第四章对传感器电路自动增益的实现提出了设想，并对电路设计流程做了详细介 绍。 5 第五章对阻抗式含水率计进行了动态实验研究，并对实验结果进行了分析，给出 了分析结论。 6 给出了结论。 i v 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第1 章综述 1 1 油井中的多相流测量的背景和意义 一口油井投产后，通常射开许多层，井筒内为油、水两相流或油、气、水三相 流动。特别是国内陆上油田多处于高含水期，为了增加油的产量，井中射开的产层 增加，甚至对低产，低渗，低空隙度的薄层及夹层也进行开采。在油井生产状态下 测量油水的分层产量，称为产出削面测井，主要测量井简内不同深度下两相流或三 相流流体的流量、含( 或持) 水率、温度、压力等参数，可了解油井的动态变化， 了解每个产层的产出( 出油、见水) 情况，掌握串槽、水淹状况，从而了解一口油井 以及整个区域在开发过程中的动态变化规律，为地质分析提供动态资料，以便对油 井采取综合调整措施。对于不产气或产气较少的油井，气的体积流量很小，井筒内 的流体可以认为是油水两相流，尤其对一些高含水、高产液井，由于气主要溶解 在油里，因此气相的流量可以忽略，三相流测量问题简化为两相流测量问题。在我 国一些油田，这样的并目前还是占有相当大的比例。 对于油水两相流，为确定油水的分相流量，需要确定油水的总流量和含水率， 总流量与含水率之积为水的分相流量，总流量与水流量之差则得油相流量。如果采 用点测的方式确定多产层中某一层的油水分相产量，需要在这一层的上部和下部夹 层分别进行合层总流量和含水率测量，然后利用递减法算出这一层的油水产量”j 。 因此，对于油水两相产出剖面测井来说，主要是完成流量和含水率的测量。下面 介绍流量、含水率。 图卜l 所示为一口油井分层开采产液状态示意 图，对于射开许多层的油井来说，如果要得到每一 第 层的产液多少、含水率多少，首先要测量合层产液、 合层含水率，通过递减法得到分层产液、分层含水。 以油水两相产出为例，设仪器测得的各点合层流量 第 为：q 1 、q 、q 3 ；合层含水率分别为y w l 、】，w 3 。 ( 1 ) 计算合层产水量 第一点合层产水量：第 q w 】= 9 1 k l ( m 3 d ) 第二点合层产水量： 9 w 2 = q 2 y w 2 ( m 3 d ) 第三点合层产水量： ili 【、 l2f ：弋 l 夕 图l 1 分层产液状态示意图 第1 章综述 q w 3 = q 3 。y 如( m d ) ( 2 ) 计算合层产油量 第一点合层产油量： q o l = q l ( 1 - y w l ) ( m 3 d ) 第二点合层产油量： q 0 2 = q 2 ( 1 - y w 2 ) ( m d ) 第三点合层产水量： q 0 3 = q 3 。( 1 - r w 3 ) ( m d ) 在计算合层参数的基础上，应用层层依次递减的方法，求得分层产油量、产水 量。 第一层的分层产水量= 测点3 的合层产水量一测点2 的合层产水量，以下各层依 此类推。 第一层的分层产油量= 测点1 的合层产油量一测点2 的合层产油量，以下各层依 此类推。 由于流量测量误差会传递到解释结果中去，所以提高流量测量精度、准确测量流 量非常重要。 在产出剖面测井中，含水率和持水率是两个常用的概念1 5 1 。含水率是指单位时间 内井筒内通过某一截面的水的体积流量占流体总体积流量的百分比；持水率指井筒某 一长度内水相体积所占的该段体积的百分比。由于油水两相的密度差异，轻质相油在 井筒中向上流动的速度要高于重质相水的流速，二者之差称为滑动速度习。滑动速度 主要决定于油水密度差和持水率，油水密度差越大，持水率越大，则滑动速度就越大。 由于滑动速度的存在，持水率总是大于或等于含水率。持水率和含水率之差决定于混 合相平均流速、持水率和滑动速度。当总流量较低时，混合相的流速较小，因而油水 之间的滑动速度相对较大，持水率明显大于含水率。随着总流量的增加，持水率逐渐 减小并接近于含水率。由于目前几乎所有的流体组分测井仪直接测得的是持水率，因 此，当传感器内流体流速较低时，要确定含水率必须将测得的持水率利用图板或公式 进行换算。当流速足够高时，二者差别很小，可认为相等。实际上，目前在油田生产 种所用的各种含水率计应该称之为持水率计。但为了符合传统习惯，本文对持水率计 和含水率计的名称不予区别。 1 2 两相流流量检测的应用现状6 】 1 差压式流量计 在通畅的管道中，流体受到的阻力很小，在流体通过的路径上压力差很小。如果 在通道中加上一个节流装置，流体通过这种装置之后压力就会改变，这个装置的两端 会出现明显的压力差这个压力差值和流量有直接关系。当管路几何形状不变时，流 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 量愈大，压力差值也就愈大。在这个装置的两端各放置一个压力传感器，由于测量两 端的压力差，就可以间接测得流量。 2 涡轮流量计 在流体流过的管道中，放置一个转轴与流动方向一致的涡轮，尽量减少涡轮旋转 时的摩擦力矩。当涡轮的叶片与流体流动方向呈一定的倾角时，涡轮就会受到使其旋 转的力而旋转，旋转的角速度与流量成正比。当涡轮具有确定不变的结构，轴和叶片 表面的摩擦力都可以忽略不计时，涡轮的旋转频率与流量之间呈现良好的线性关系。 检测出涡轮的旋转频率，就知道了流量。如果在这个涡轮的叶片或轴上固定镶嵌一小 块导磁材料或永久磁铁，旋转时就会在附近的线圈中感应出电信号，涡轮每转过一圈， 线圈中就出现一个脉冲信号。这种测量方法也会影响流体原来的流动状态。流体需要 对涡轮做功，测量时会消耗能量，同时也很难完全消除转轴、叶片和流体之间的摩擦。 当流速较小时，无法克服摩擦力，叶片难以转动，所以难以测量较小的流速。 3 电磁流量计 差压流量计和涡轮流量计都不同程度上改变了原来的流动状态而且不大适合测 量微小的流量。对于导电的流体( 例如自来水或其他电解质溶液) ，可以采用一种巧妙 的办法使流量变成电信号。利用电磁感应现象( 当导体以一定的速度切割磁力线时， 在这个导体的两端会感生出电压) ，所测得的电压的大小与导体运动的速度成正比， 也与磁场强度成正比。当流体在绝缘的管道中流动时，通电线圈在流体通道上产生与 运动方向相垂直的磁场，流体就会在横截面上感应出电压。在绝缘管壁上安装两个电 极，电极的位置与管道轴线对称，磁场方向与穿过两个电极的轴线垂直，在均匀流动 的情况下，这对电极上的电压就与流体的流量成正比。这种方式只适合测量导电的流 体，而且要求流体充满整个管道，在管道中流速的分布是均匀的。如果不是这佯；将 会出现不同程度的误差。假如管道是用铁磁材料构成的，会使磁场发生显著变化，影 响测量精度。但电磁流量计一般仅能测量导电的流体。 4 超声波流量计 电磁流量计向流量的非接触式测量跨出了重要的一步，然而它不适用于非导电性 流体。采用超声波作为测量手段，在许多情况下可以获得满意的结果。超声波在流体 中传播有一个重要的特性：超声波的传播速度与流体运动方向及流体运动速度有关。 当传播方向与流体运动方向一致时，超声波传播的速度会增加。与流体运动方向相反 时，超声波的传播速度会减小。在流体通过的管道两侧分别放置两对发射和接收超声 波的探头，其中一个探头发出的超声波以相对于管道轴线小于9 0 0 的倾角沿流体运动 方向到达另一个探头的接收器。与此同时，第二个探头发射出的超声波以相对于管道 轴线大于9 0 0 的倾角沿反方向到达第一个探头的接收器，这两束波传播的时间是不同 的。第一个探头发出的波的传播方向与流体运动方向一致，到达接收器所需的时间短， 第二个探头发出的波由于与流动方向相反，到达接收器所需的时间长。测量这两者的 时间差，就可以得出流速，也就可以得出流量。这类超声波流量计一般也仅适于单相 第1 章综述 目一i | j ；_ 流。 5 。多普勒效应流量计 如果利用超声波或激光追踪观测混在流体中的气泡或固体介质颗粒，当它们和流 体一道运动时，超声波或激光投射在其上，会产生散射。这种散射使得超声波或激光 的频率发生改变，它们的频率变化量与流体运动方向和流动速度有关。当波束或激光 束与运动方向相同时，散射光或被散射的超声波频率会降低，与流动方向相反时，频 率会升高。准确测量二者的频率差，就可以得到流速。此外还有利用热导测量流量、 核磁共振法等其它测量方法。 1 3 高含水条件下含水率测量的技术现状 1 3 1 电容式含水率仪器 电容式含水率仪器是最先从国外引进的仪器【_ ”，它在我国的稳油控水工作中发挥了 很大作用，由于该种仪器测量原理较为成熟，目前仍然广泛应用于许多油田。其测量原 理如下：由于碳氢化合物与水具有显著不同的介电常数，水的相对介电常数为6 0 8 0 ， 油气的相对介电常数为1 o 4 0 ，电容式含水率仪器就是利用油、气同水的介电特性的 差异来测量水的含量，它采用的是由内电极、绝缘 棒及外壳构成的电容传感器。流体可以自由进出 绝缘层与外壳之间的空间，当流入该空间的介质 不同时，因介质介电常数变化使得传感器电容也 相应变化。当油水混合液进入传感器时，液体的介 电常数与油水混合比例有关。因此，通过测量传感 器电容量可以确定流入传感器流体的含水率。根 据传感器的测量方式可分为环空式、取样式和平 衡式三种仪器，仪器受油膜、水膜、出砂、结蜡、 稠油、滑脱速度、温度和矿化度的影响较大。出 砂使测量结果偏大，结蜡引起的取样沾污等使测 量结果偏小。从国外引进的电容式含水率仪器的 测量范围为0 6 0 ，最佳值 3 0 ，在高含水条件 下灵敏度降低，无法取准、取全老油田含水率资 料。 ( 1 ) 取样式电容含水率计 4 图1 - 2 取样电容法取样简工作 示意图 l 一电路筒；扛弹簧；，一单流阀；4 一电 极：5 一阀庠 大庆石油学院硕士研究生学位论文 取样电容含水率计是广泛应用于大庆油田 的常规仪器。图1 - 2 是该仪器结构示意图。测 量时，该仪器传感器下面的集流器张开并封堵 仪器的套管之间的环形空间，给继电器线圈通 电，用瞬间冲击电流将衔铁拉下来，圆柱阀下 出液口堵死。同时密封平面阀也拉下来，打开 了取样室的下进液口，流体经取样室冲开上面 单流阀盖，经上出液口流入井筒中。流体先把 i 风 油 l ri 。上f h j c - c 图1 3 取样电容法等效模型 上次样品冲走，本身就是本次所取的样。根据流量大小，按规定时间取样，当线圈 断电后，由弹簧的力量将平面阀压紧在取样筒的下进液口处，密封了取样室的底部， 同时又打开了下出液口，改变了流体的流道。使之从下出液口流出到井筒中，而上 面的单流阀盖自动关闭，使取好的样品被封在取样室内，由此完成一次取样动作。 所取的样品在取样室内静候一段时间，使得样品中的油水分离，由取样室中央电极 测量油水分离后的界面高度，即可导出含水率。等效模型见图1 - 3 ，图中风是分 离后水柱的高度，风是油柱的，总高度日为日w 和风之和。因此这一方法也称之 为“高度法”。传感器的电容值持水率成良好线性关系。该方法的优点是持水率的 测量范围宽( 理论上可达o 1 0 0 ) 、仪器响应与持水率成良好线性关系、测量不 受水矿化度的影响【引。缺点是仪器的取样器工作可靠性较差、不能实现随时间连续 测量、低流量时易受电极沾污影响等。 ( 2 ) 平衡式电容含水率计 这种电容含水率计工作于非集流的状 态，也采用同轴电容传感器。电容器( 取样室) 上下两端开孔与井内流体连通，等效成u 型 管，见图l 一4 。根据u 型管原理，电容器内部 液柱与井筒内等高度的流体压差相平衡，因此 能直接感受井筒内流体的密度变化。测井时， 仪器被扶正于井筒中心。由于传感器较长，因 此内部流体几乎不流动，油水基本上处于分离 的状态，电容器内的油水界面随持水率的变化 作相应的变化，因此通过测量油水界面位置即 确定持水率。传感器的电容与持水率也为线性 吣 1 _ 一 ni 3 7b 4 弋 5 z 划 = 图1 - 4 自动取样电容法含水率计 等效u 型管示意图 l 一上联通孔：2 一油室；3 一平衡管 4 - - 电极；5 一水室；6 - - - 下联通孔 关系。该仪器适合于流量超过1 0 0 m 3 d 的高产井的含水率测量，既可点测也可随深 度连续测量。持水率测量范围为0 1 0 0 ，测量精度可达士3 ，测量也不受水矿 化度的影响。 ( 3 ) 过流式电容含水率计 传感器结构也为同轴电容，工作在集流状态，井眼中全部的油水混合物流过传 第l 章综述 感器。持水率由仪器响应和流量确定。在油水泡状流型下，即合持水率接近于 1 0 0 时，该仪器仍有油水分辨力。研究表明【3 1 ，在水为边连续相时，传感器仅敏 感于碰撞到内电极绝缘介质层的油，而未接触内电极的油泡对传感器响应的贡献很 小。传感器的电容值与持水率的关系是非线性的，并且相关于流速。在同样的持水 率下，流量越高，仪器响应越接近于全水值。在泡状流下，仪器的测量范围为0 1 0 0 ，测量精度一般在士1 0 左右。当流量充分高而合油水混合充分均匀时，仪器 将在持水率为4 0 左右失去油水分辨力。这种仪器适用于较低的流速，也适合于 斜并和水平井的测量。 西方测井公司普遍使用一种非集流的、传感器外筒开窗的电容含水率计【9 j 们。 测井时仪器在井眼中居中。它适合在高流量、低含水的油井内工作。在高含水灵敏 度低。 ( 4 ) 超高频含水率计t 1 2 】 超高频含水率计本质上仍为电容传感器，但仪器的工作频率高，达到几十兆赫。 该仪器在中原等各油田应用较多。其传感器结构类似于过流式电容传感器，仪器在 含水率为o 1 0 0 的范围内有响应，精度约为1 0 。仪器响应与含水率为非线 性关系，并依赖于流速。实验表明，由于测量受矿化度和温度变化的影响，需对测 量结果进行校正。 1 3 2 微波式含水率仪器 微波式含水率仪器的测量原理是利用高频电磁波的谐振状态来测量原油中的水 分。当高频电磁波在含水原油中传播时，其波长随含水率的变化而变化，并引起谐振回 路频率的变化，致使改变谐振回路和晶振电路之间的谐振状态，根据这种改变可测量原 油中的含水率。 晶振电路产生一个频率不变的高频电磁波，并进入谐振回路中。若谐振回路的固有 频率和高频电磁波的频率相差很大时，回路处于失谐状态，检波电路检波后的电压值较 低：若谐振回路的固有频率和高频电磁波的频率相等，则回路处于谐振状态，检波后的 电压值较高。谐振回路的固有频率和天线探头周围的介质特性有关。当天线探头处于 纯水中时，通过调节回路的电参数，使谐振回路的固有频率与晶振电路发出的电磁波频 率相等，则电磁波在回路中引起谐振，检波后电压值较高：反之，当天线探头置于无水油 中时，谐振回路的固有频率和电磁波的频率相差较大，则回路处于失谐状态，检波后电 压值较低。当天线探头置于含一定水分的石油中时，电磁波在回路中既不处于完全谐振 也不是完全失谐的中间状态，检波后的电压值也处于上述的两者之间。因此，测量出检 波后的电压值，即可确定天线探头石油含水率u 引。 6 大庆石油学院硕上研究生学位论文 1 3 3 分离式含水率仪器 分离式含水率仪器【1 4 l 是根据垂直管中油水两相流体流动规律，通过一种新型油水 截面传感器测量油水界面移动速度，实现油与水的分相测量，达到确定产层含水率的目 的。其精度不受油膜、水膜及管滑脱的影响，不须进行矿化度校正，提高了单层产油量 的测量精度，可定量测出高含水油并的主要油层，其测量范围为0 1 0 0 ，测量精度为 2 。但集流器等元件工作可靠性对测量产生严重影响。 1 3 4 放射性含水率仪器 放射性含水率仪器【”】的测量原理为：当低能光子穿过物质时，与物质发生光电效 应、康普顿效应和电子对效应。如果e k 3 0 k e v 【1 e v = ( 1 6 0 2 1 7 7 3 3 士0 0 0 0 0 0 0 4 9 ) x 1 0 “j 】， 低能光子穿过物质时，主要由于光电效应而被吸收，质量吸收系数“与组成该物质的元 素的原予序素有极大关系。油气是碳氢化合物，水是氢氧化合物，对于低能光子，碳和氢 的值差别很大，用低能量光子探测油气水混合物的视含水率，正是利用了这一特性。该 仪器的优点在于：( 1 ) 仪器响应不受井内流体流动状态和水的含量影响，并且能够连续 测量，因此比电容含水率仪器有更好的探测特性。( 2 ) 测量结果使得两相流动分析中可 以更好地识别流体类型，求解两相流量。 1 3 5 密度差含水率计 早在上世纪6 0 年代b r y a n t 报道了采用油水密度差异来测量流体密度的仪器即伽玛 射线密度计来确定油中含水比例，以得到油层出水层位的方法。放射性测量中存在统 计涨落，并且对放射性源的选择以及源强都有一定的要求，另外还要尽量满足全空间 流体测量，局部流体取样或流型不稳定都会给测量带来影响。随后s c h l u m b e r g e r 公司 又研制出压差式密度计，其测量精度略高于放射性密度计，但其可靠性较差。因原油 与水的密度相差较小，一般不到o 2 9 c m 。3 ，确定油水混合物密度的微小误差就会给含水 率解释带来较大的误差假如混相密度的绝对测量误差为o 0 1 9 ，c m 一，则导致含水率的相 对测量误差可达5 ，并且地层中的原油里常有少量的脱离气存在，则会造成更大的测 量误差。 1 3 6 探针式持水率计 探针式持水率计是2 0 世纪9 0 年代开始研发的，9 0 年代中期后，斯伦贝谢等公司的 技术人员陆续发表了关于探针式持水率计研发和应用的文章。探针式持率计是为了解 决斜井和水平井的流动剖面测量而研发的。在斜井和水平井中，由于井眼倾斜角度的 第1 章综述 变化使井内流体的流态变得复杂而且与垂直井相比发生了较大的变化，这使得利用传 统生产测井技术解决水平井和斜井的测井问题难度很大，有时甚至是不可能的。探针 式持率计主要用于在斜井和水平井中探测多相流体中的离散相的泡滴数，计算持率， 指示产油层位等。国际上主要有三家公司开展了探针式持水率计的研发工作和相应的 解释方法研究，分别是斯伦贝谢公司、s o n d e x 公司和c o m p u t a l o g 公司，先后研发了三 探针( f p t ) 、六探针( u f t ) 、四探针( d e f t 、f 1 0 v i e wp l u s 、g h o s t ) 、十二探针和 二十四( c a t ) 探针等并且在现场中进行了不同规模的试验和应用，探针类型包括电导 法、电容法和光导法( g h o s d 。目前应用较好的( 根据s p e 的文献报道) 主要有f l o w v i e w p l u s 、g h o s t 和c a t 。 1 4 阻抗式含水率计的研究现状 从1 9 9 6 年刘兴斌博士【3 l 提出阻抗式含水率。经努力，阻抗式含水率计从很多方面得 到了改进，并在生产实际中广泛应用。下面就从理论研究和实验研究两方面对目前阻 抗式含水率计的发展情况作一个简要介绍： 1 4 1 实验研究 1 张玉辉等【1 6 1 对阻抗传感器的电场分 布进行了实验研究，进行实验验证，以便指 导阻抗传感器的具体设计。 ( 1 ) 电场分布模拟装置 在二维条件下模拟阻抗传感器，模拟装 置的结构如图1 5 所示。装置中有一个玻璃 材料制成的水池，其尺寸为1 3 6 0 m m 1 6 0 m i n x 2 0 m m 。在水池的两侧内壁上相对 应地粘贴了1 6 对不锈钢片，作为模拟电极。 水。| | 丐极：玻尹壁| ，| ，f ，r rff ， r !名 ； 一- - 一- ；- - ： i ； 摧i 早 i p ，：。 1 4 6 0 水 图卜5 电场分布模拟装置结构示意图 电极宽3 5 m m 、厚o 5 m m 、高2 5 m m ，电极间距离均为8 0 m m 。从每对电极的上端引出 导线，以便与供电及检测仪器相连。将相对应的两个电极用导线连接起来，在图2 5 中从左至右依次为第l 对电极至1 6 对电极。 依据电导理论，阻抗传感器须在水为连续相条件下工作，因而要在模拟装置中填 充水。为了使水模拟装置中不同电极处水面的高度相等，在装置底部设置了三个调节 旋钮，可使装置保持水平。在装置的底部粘贴了坐标纸，以便测量等势线时方便地寻 找到电位相等的点。 ( 2 ) 电场分布实验结果 8 大庆石油学院硕t 研究生学位论文 将第4 和第1 3 对电极作为供电电极对， 其中第4 对电极接地。用恒流源给供电电极 对供以一定频率和幅度的电流，同时用电流 表监测供电电流。用h p 5 4 6 1 2 0 b 型5 0 0 m h z 高精度示波器来测量电场的分布情况，即用 探针插入装置中的不同位置，检测不同点的 对地电位。将电位相等的点连接起来，得到 了电场中等势线分布图如图2 - 6 所示。 实验结果表明，在激励电极附近，电位随位 置变化较快，说明电流线分布密集，电场较 强；在激励电极之间，等势线比较平直，说 明电场分布比较均匀，而且场相对弱些。实 图1 - 6 等势线分布 验结果表明了阻抗传感器内激励电极对之间大部分区域电场分布是均匀的。把测量电 极对置于均匀场中，将会减少油水分布对含水率测量的影响。 但是该实验只能在二维条件下模拟，无法给出三维空间的仿真和模拟结果。 2 吴畏等【l7 1 采用阻抗式含水率计做了模拟井动态实验，得出了内径分别为1 3 、2 0 、 3 0 m m 三种流道的阻抗式含水率计仪器响应值，对不同流道下的实验结果分别从滑脱速 度影响、含水率测量范围、分辨率等方面进行了对比分析。结果表明三种流道的阻抗 式含水率计可用于两相动态分析。文中用图板真实地展示了实验结果。 毯 冒 髂 g 051 01 5 2 0 2 53 0 流量佃3 d ) 图l 一7 内径为1 3 a m ，仪器响应、含水率、流量的关系 9 0 j 6 踟 7 0 6 0 9 6 5 哦 9 第1 章综述 l o 9 o - 8 0 7 氆 萎 基 0 5 o 4 0 3 o ，2 0 2 04 0 6 08 0 1 0 01 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 02 6 0 2 8 0 3 0 0 流量( m 3 d ) 图1 - 8 内径为3 0 r a m ，仪器响应、含水率，流量的关系 图卜7 、图卜8 所示为不同流道和含水率下，仪器相对响应随流量的变化规律，通 过分析得出：内径不同流道阻抗式含水率计在低流速下能够体现滑脱速度的影响，流 量越低，曲线间隔越密，体现出持水率随流速降低而升高； i o 褂 姐 o5 1 01 52 0 2 53 0 流量( m d ) 图卜9 内径为1 3 r a m ，含水率测量范围与流量的关系 大庆石油学院硕七研究生学位论文 静 * 缸 o 蝴切滥执瑚2 0 0 脚加猫锄3 0 0流星q r 加) 图卜1 0 内径为3 0 m ，含水率测量范围与流量的关系 图卜9 、图卜l o 所示为不同流道下，仪器的测量范围。实验中定义：在某一流量下， 当含水率低于某一值时( 即当持水率低于某一值时) 水转为非连续相，此时仪器不能 正常工作，这一含水率值为该流量的含水率测量下限，将不同流量下的含水率下限连 接起来得到含水率测量下限曲线，该曲线与1 0 0 含水率之间的范围为含水率测量范 围。得出如下结论：通过拓宽流道、降低流速，可以拓宽含水率测量范围。 o 0 1 o 0 0 9 料0 0 0 8 熬0 0 0 7 求n0 0 6 o 0 0 5 0 0 0 4 o51 01 52 02 5 流量甜d ) 图卜1 1 内径为1 3 聃，仪器分辨率与流量的关系 3 0 慨菩|耄眚隅慨麟躲瓤嬲鲰慨 第1 章综述 o 0 1 0 0 0 9 糌 豢0 0 0 8 求 o 0 0 7 0 0 0 6 流量( m 3 d ) 图卜1 2内径为3 0 姗，仪器分辨率与流量的关系 图卜1 1 、图卜1 2 所示为不同流道下，对仪器分辨率的测量。由于滑脱速度的影响， 对于含水率测量传感器置于流道中的内流式全集流型的含水率计，在低流速下，仪器的 分辨率随流量的减少而降低，并且分辨率应随流量而变化。否则，仪器的测量结果具有 随机性。通过减小流道的截面积，提高流速，克服滑脱速度影响的方法提高分辨率，但含 水率测量范围相应变窄，流量测量上限下降。不能既保证较宽的含水率测量范围，又保 证较高的分辨率，最适合于在高含水率条件下进行测量。 实验反映出不同传感器结构对仪器的分辨率、含水率的测量范围等都有影响，所 以要获得更多的信息，需要大量的实验，因此为减少实验量，提高实验效率，应该结 合仿真来进行。 1 4 ，2 三相流的测量研究 油田开发后期，由于井内流压偏低，大都存在井下脱气现象，在井内形成油、气、 水三相流动，目前常规的产出剖面测井主要针对油水二相情况，由于气相的存在，对含 水率测量产生很大影响。阻抗式含水率计较为成功地解决了高含水情况下油水两相的 含水率测量问题。但是对于三相流动目前尚没有完全适用的解释模型。多相流理论中 经常采用的有均流模型、分流模型及漂流模型。均流模型适用范围窄而且误差较大， 但当油气水流量较大并且混合均匀时，可以考虑选用该模型。分流模型在实际应用时 很难确定三相流状态下各相的参数。漂流模型【1 8 1 9 1 既考虑了流速和持率在流动截面上 的分布规律，又考虑了两相流之间的相对速度，能够以更高的精度预测含水，因而在生 产实践中获得了广泛的应用。刘继承【2 0 ：，1 将其应用于油气水三相流阻抗式含水率计的 测量结果校正，并在模拟井上进行动态实验验证，确定了在不同含水情况下的模型应 用条件。 阻抗式含水率计油水三相漂流模型 1 2 大庆石油学院硕十研究生学位论文 y = c x + v 以肋横坐标，y 为纵坐标，得斜率为c ，截距为的直线通过室内动态实验获得有关流 量、含率和持率资料，通过最小二乘法，求得c 和。 将改进的漂流模型应用于阻抗式含水率计的油气水三相流测量校正，并采用线性 拟合的方法确定相分布系数和油气泡绝对浮升速度，实验结果表明可以取得较高的校 正精度，但是该模型适用于低含水、高产气情况，对于高含水、低产气情况，阻抗式含水 率计的测量结果经校正可以满足测量精度要求。 采用阻抗仪器在三相流下开展了一些实验，但该实验还不完备，有些结论还有待 于进一步验证。因此，该仪器在三相流方面的研究