（检测技术与自动化装置专业论文）关于油藏物理模拟饱和度的钽丝电容测量方法研究.pdf

关于油藏物理模拟饱和度的钽丝电容测量方法研究 徐建辉( 检测技术与自动化装置) 指导教师：赵仕俊( 副教授) 捅要 油藏岩石和流体的物性参数是油田开发、油藏工程研究的重要基础 数据。获取这些岩石、流体以及岩石与流体共同作用的物性参数主要依 靠油藏物理模拟实验。而油减物理模拟实验中油水饱和度的动态测量是 至关重要而又十分复杂的难题，由于模型内油水存在形式的多样性，要 使其达到理想的测量结果比较困难。为此，本课题针对油藏物理模拟饱 和度测量这一难题，研究并提出了种解决方案。 首先，对油藏物理模拟饱和度检测技术的背景以及国内外发展状况 做了简要介绍，并阐述了课题主要内容、技术路线及论文组织结构。 其次，在介绍了本课题的主体框架之后，详细介绍了本课题三个方 面内容：电容探针传感器设计、二维油藏模拟实验装置硬件设计及软件 设计。在传感器设计中，讨论了电容传感器的基本工作原理及特点，重 点研究了电容式传感器的数学模型。分析了电容传感器测量油水饱和度 的方法，并根据油藏物理模拟实验装置的特点，设计出了电容探针传感 器及电容检测电路：在实验装置硬件设计中，主要介绍了油藏物理模拟 原理，然后给出了装置总体设计方案及关键技术，详细介绍了本方案所 选用的数据采集板卡、控制板卡的特性，重点介绍了数据采集单元，分 析了系统工作流程，最后给出了它的硬件电路设计；在软件设计中，重 点讲述了实验装置的软件设计和实现，包括数据采集程序、控制程序、 天平通信程序与数据库连接程序，并做了软件功能测试，测试结果表明 软件符合实验需求。 最后，通过升降温、饱和油、饱和水、水驱油实验对本课题设计的 传感器及实验装置进行了测试，得到了较满意的实验结果。 关键词：油藏物理模拟，电容，饱和度，探针，测量 s t u d yo n t h em e a s u r e m e n tm e t h o do f t a n t a l u mc a p a c i t a n c e s e n s o rf o rr e s e r v o i rp h y s i c a lm o d es a t u r a t i o n x u j i a n - h u i ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i ce q u i p m e n 0 d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a os h i - j u n a b s t r a c t t h en a t u r a lp a r a m e t e ro fr e s e r v o i rr o c ka n dt h ef l u i di si m p o r t a n tf o u n d a t i o n d a t ai no i l - f i e l dd e v e l o p m e n ta n dr e s e r v o i r e n g i n e e r i n gr e s e a r c h t o o b t a i nt h o s e n a t r r a l p a r a m e t e rm a i n l y d e p e n do nr e s e r v o i rp h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n t h o w e v e r , i nt h er e s e r v o i rp h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n t , t h ed y n a m i cm e 踟e m e n t o fs a t u r a t i o nn o to n l yi sav e r yi m p o r t a n tb u ta l s oe x t r e m e l yc o m p l e xd i f f i c u l t p r o b l e m b e c a u s et h er e s e r v o i rf o r mi sv e r ym u l t i p l i c i t y i nt h em o d e l - i t s d i f f i c u l tt oa c h i e v ea ni d e a lp r e c i s i o n t h i sp a p e ra i m sa tt h i sd i f f i c u l tp r o b l e m ， r e s e a r c h e da n dd e s i g n e do n ek i n do f m e a s u r e m e n tm e t h o d f i r s t l y ，t h i sa r t i c l eh a sc a r r i e do nt h eb r i e fi n t r o d u c t i o nt or e s e r v o i rp h y s i c a l m o d e ls a t u r a t i o nm e 船u r e m e n tt e c h n o l o g yb a c k g r o u n da sw e l la st h ed o m e s t i c a n df o r e i g nd e v e l o p m e n tc o n d i t i o n , e l a b o r a t e dt h ea i m so ft h ep a p e ra n dt h e t e c h n o l o g yp a t h f i n a l l y ，h a sg i v e nt h em a i n r e s e a r c hc o n t e n to ft h ep a p e r s e c o n d l y ，a f t e ri n t r o d u c e dt h i st o p i cm a i nf r a m e ，i n t r o d u c e dt h r e ea s p e c t c o n t e n t st ot h i st o p i ci nd e t a i l ：c a p a c i t a n c ep r o b es o l s o rd e s i g n , t w o d i m e n s i o n a l r e s e r v o i rp h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n te q u i p m e n th a r d w a r ed e s i g na n ds o f r w a r e d e s i g n i nt h e 锨l s o rd e s i g n , d i s c u s s e dt h eb a s i ct h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i co ft h e c a p a c i t a n c es e n s o r ，h a s w i t h e m p h a s i s s t u d i e dt h e c a p a c i t a n c e s e n s o r m a t h e m a t i c a lm o d e l a c c o r d i n gt ot h er e s e r v o i rp h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n t e q u i p m e n tc h a r a c t e r i s t i c ，h a sa n a l y z e dt h em e t h o do fm e a s u r e m e n to i ls a t u r a t i o n 晰mc a p a c i t a n c es e n s o r , d e s i 朗c dt h ec a p a c i t a n c es e n s o ra n di t sc i r c u i t i nt h e e x p e r i m e n te q m p m e n th a r d w a r ed e s i g n , m a i n l yi n t r o d u c e dr e s e n ，o i rp h y s i c a l m o d et h e o r y ，g i v e nt h es y s t e mo v e r a l ld e s i g na n dk e yt e c h n o l o g y ，e l a b o r a t e d 、i t l l e m p h a s i st h e d a t a a c q u i s i t i o na n dc o n t r o l b o a r dc a r dc h a r a c t e r i s t i c i n t r o d u c e dt h ed a t aa c q u i s i t i o nu n i ti nd e t a i l ，a n a l y z e dt h es y s t e mw o r kp r o c e s s ， f i n a l l yg i v e ni t sh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ；i nt h es o f t - w a r ed e s i g n , w i t he m p h a s i s n a r r a t e dt h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g na n di t sr e a l i z a t i o n ，i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o n p r o g r a m ，c o n t r o lp r o g r a m ，b a l a n c ec o m m u n i c a t i o np r o g r a ma n dd a t a b a s e c o n n e c t i o np r o g r a m t h e n , t e s tt h es o t 乇w a r ef u n c t i o na n dt h er e s u l ti n d i c a t e dt h e s o r w a r ec o n f o r m e dt oe x p e r i m e n t a ld e m a n d f i n a l l y ，t h r o u g hi n c r e a s ea n dd e c r e a s et e m p e r a t u r e ，s a t u r a t e do i l ，s a t u r a t e d w a t e ra n dw a t e r - o i ld i s p l a c e m e n te x p e r i m e n t , c a r r i e do nt h et e s to f c a p a c i t a n c e s c l l s o ra n dt h ee x p e r i m e n te q u i p m e 北o b t a i n e dt h es a t i s f a c t o r ye x p e r i m e n t a l r e s u l t k e yw o r d s ：r e s e r v o i rp h y s i c a lm o d e ，c a p a c i t a n c e ，s a t u r a t i o n ，p r o b e ， m e 踟e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：镎蟊椎 聊年4 月i o 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生躲姿魄唧年4 月舢 导师签名：幽! ! 錾v r o j 7 年￥月矿日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 课题的研究背景和意义 油藏岩石和流体的物性参数是油田开发、油藏工程研究的重要基础 数据。获取这些岩石、流体以及岩石与流体共同作用的物性参数主要依 靠油藏物理模拟实验。油藏物理模拟实验研究是根据相似原理建成缩小 比例的模型，用以再现原型油藏中流体的流动和传热过程，进而可以了 解和分析提高采收率方法机理、效果，确定工艺参数等。随着计算机、 自动化技术的广泛应用，油藏物理模拟实验装置的自动化程度和测试速 度以及测量精度越来越高，因此，研究一种适用于油藏物理模拟实验的 测量技术尤为迫切。 而油藏物理模拟实验中饱和度的动态测量是一个至关重要而又十分 复杂的难题，本课题就是针对油藏物理模拟饱和度研制了一种电容式探 针传感器，并建立了油藏物理模拟油水饱和度的数学模型，提出了合理 的测量方法，设计了油藏物理模拟实验装置，最后通过该装置验证了测 量方法的正确性。 1 2 油藏物理模拟饱和度测量方法概述 关于油藏物理模拟油水饱和度的动态测量，国内外均有学者做过大 量的研究工作，所采用的方法也是多种多样的，包括超声波法、c t 扫描 和结果重建法、电阻法、核磁共振法、微波法等。 1 2 1 超声波法 超声波的传导同声波、无线电波一样，可以通过各种不同的介质进 行传播，介质不同传播的速度也不同，超声波在介质中传播的速度，取 决于介质的声阻抗。在油层物理模拟实验中，是在模型的一侧装有超声 波发射探头，另一侧装有接收探头，当模型中油水饱和度发生变化时， 其各点的声阻抗随着发生改变，通过接收探头得到的信息，来确定动态 试验过程中模型里各点油水饱和度变化情况。平板模型中岩心、油、水 表面涂层或盖板是固定不变的，可以采用扣除初值法进行消除，利用油 水声阻抗的差异，来测定油水饱和度的变化i l j 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 2c t 扫描和结果重建法 工业c t 用于岩芯分析是最近几年的事，应用工业c t 对平板模型进 行断层剖面扫描，由于x 射线对各种不同物质穿透能力的差别较大，在 平板模型中，固定相岩心和密封层，虽然对x 射线有较大的吸收能力， 但是，由于它们是不变的，可以作初值处理，模型中的油和水对x 射线 的吸收能力也是不一样的，对每个断面进得量化和叠加，也就是对扫描 结果进行重建分析，就可以得到各点的动态油水饱和度值【舶。 1 2 3 电阻法 任何一种物质的导电性是指这种物质传导电流的能力，常用电阻率 的大小来表示物质导电性能。影响岩石、矿物之间电阻率的因素有很多。 在沉积岩中有不同类型的孔隙，并且孔隙中含有一定数量的油和水，当 岩石的孔隙度一定，含水饱和度越大，岩石的电阻率越低；反之，如果 岩石的含油饱和度越大，则电阻率显著增高。在研究岩石电阻率与其中 含油饱和度的定量关系时不用岩石电阻率的绝对数值，而采用相对值3 1 ， 即： j = 罢( 1 - 1 ) 式中r t 为岩石的真正电阻率数值；r o 为该岩石完全充满相同矿化度 地层水时的电阻率；i 为电阻增大系数，它能消除地层水电阻率、岩石 孔隙度和孔隙结构的影响：在岩性一定时，1 只与岩石的含油饱和度有 关。方法就是在平板模型中埋入若干个电极，测定各个电极之间的电阻 率，通过数学处理消除外缘影响，就可以得到各点的电阻率，扣除岩石 等初值就求得了该点的油水饱和度数值了。 1 2 4 核磁共振法 当我们把含有自旋磁矩不等于零的原子核的样品放在恒定磁场中 时，该样品能吸收某种频率的电磁波，而且在撤去激励电磁波后又能发 射相应频率的电磁波，这种现象称为核磁共振现象。根据量子力学理论， 这个频率遵从拉莫尔公式： u = y h( 卜2 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 式中，u 为电磁波频率：y 为旋磁比；h 为磁场强度。 每种物质有自己的旋磁比，所以用拉莫尔频率可以区分各种物质。 核磁共振可以对岩心进行多功能、非侵入、定量原位分析，测量非均质 油层模型注水过程中3 0 0pn 1 3 小体元的饱和度、采出程度、非均质岩心渗 透率、分层波及面积和分层饱和度。利用核磁共振成像技术不仅可以无 损获得岩心原始含油饱和度、含水饱和度，而且还可以无损获得不可动 含油饱和度及束缚水饱和度【4 】。 1 2 5 微波法 用微波光度学确定油田岩心的浊饱和度分布，均匀介质的电性质可 以用复合的相对介电常数e 来表征【5 1 。 油水饱和度不同，透射率不同；测得透射损失，即可算得油水饱和 度。此法仅适用于低饱和度的情况，而在高饱和度时由于溶剂与吸收剂 的相互作用，以及折光指数随饱和度变化而变化，测量结果常发生偏差。 1 3 油藏物理模拟测量技术的研究现状 按岩石模型的几何形状不同，可将物理模型分成三种：线性模型( 一 维模型) 、平板模型( 二维模型) 和立体模型( 三维模型) 。目前实验室一维 岩心饱和度测量技术主要是测量岩心剖面的饱和度分布；二维可视化物 理模拟和微观物理模拟主要是定性观察流体在多孔介质中的流动情况， 也可通过图像处理办法确定模型内饱和廑分布；而三维油藏物理模拟国 内外都没有成熟的测量饱和度分布的技术。 ( i ) 一维油藏物理模拟测量技术研究 近年来国内外科学家对一维岩心饱和度测量进行了许多研究，发展 了许多测量技术。 国外方面：德士古公司研制出了用于监测实验室岩心驱替实验的油 水饱和度分布的两个微波吸收分光计【5 】。美孚开发中心用c t 扫描的方法 监测电阻率测量的油水分布，结果表明，在沿岩心长度方向上的饱和度 分布不均匀1 6 】。b p 研究中心在实验室用混相和非混相驱对含有油的砂岩 岩心进行了采收率评价，用原位伽马监测了饱和度分布【7 l 。斯坦福大学 石油工程系结合c t 扫描和神经网络图像处理，对砂岩自吸油的过程进行 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 了图像化【2 j 。b u c k l e y 等人研究出了一维模型中某相液体对另一相液体的 驱替的b u c k l e y l e v e r e t t 方程描述弘j 。w e l g e 等人通过积分计算出了模 型出口端面含油饱和度随时间的变化 9 1 。 国内方面：王家禄发明了一种含油饱和度测量方法及测量探头，该 探头能够实时测量被测对像某一点含油饱和度及其动态变化【1 0 】。沈平平、 王家禄等人应用饱和度探针测量出了不同实验的一维模型饱和度油、水 驱油过程中不同位置的饱和度变化；应用b u c k l e y 一1 e v e r e t t 方程理论计 算出了一维模型出口的端面饱和度；并与靠近出口位置实际测量的饱和 度进行了对比分析吼 ( 2 ) 二维油藏物理模拟测量技术研究 通过二维可视化物理模拟可以定性和定量地观察流体在油藏内流动 变化。二维油藏可视化物理模拟技术分为间接技术和直接技术。间接技 术主要有x 射线、y 射线、微波、核磁共振等技术；直接技术是由光源 的照射，通过照相、摄像等使流动实验过程可视化。直接的二维可视化 物理模拟技术发展时间长，技术相对成熟【1 1 1 2 】。 美国马拉松公司于1 9 7 4 年首次公布了微波衰减法测定岩石含水饱和 度的实验【j 引。1 9 7 9 年玉门油矿与兰州大学合作，用3a m 波段使用单对 天线，对面积为5 0a m x7 5a m 的平板模型进行扫描，扫描一次用3 0 多 分钟【1 4 】。与此同时，上海科技大学与大庆油田合作，用l - 2 5c m 波段， 对微波衰减特性进行了深入的研究，并对介电常数测量和反射问题迸行 了讨论i l s j 。何武魁、冯自由等人研制出了微波法测定平板模型含水饱和 度系统，用于测定平板物理模型含水饱和度的瞬时分布，为研究注水、 注气及化学驱油的规律、建立数学模型、合理开发油田和提高采收率服 务【l6 】。王利群、周惠忠等人利用1 0 0 多个高精度热电偶和2 0 多个压力传 感器，并利用数据采集器和计算机系统及相关程序，实现了油藏物理模 型本体内温度场和压力场的测量及在计算机屏幕上的两维图像在线动态 显示【。不久周惠忠、王利群等人研制出了二维油藏模拟实验。 ( 3 ) 三维油藏物理模拟测量技术研究 沈平平、王家禄等人应用电阻率测井的电极系测量原理，用先进的 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 双压模技术和耐氧化、耐腐蚀的高技术材料，研制出能够测量油藏物理 模拟中动态饱和度变化的探针，对三维油藏物理模拟的饱和度测量技术 做了初步研究【l9 1 。李玉玲、张宇晓研究了介电常数确定含水饱和度的方 法，引出类似阿尔奇公式的地层因素的饱和度指数的两个参数：介电地 层因素和介电饱和度指数【2 0 1 。 1 4 课题主要研究内容及理论技术路线 1 4 1 主要研究内容 ( 1 ) 研制一种电容式饱和度测量探针传感器及电容变送器，能够实时 测量平板模型内任一点油水饱和度的动态变化； ( 2 ) 建立饱和度测量探针传感器的数学模型，设计饱和度探针传感器 及电容变送电路； ( 3 ) 研n - 维油藏物理模拟实验装置作为饱和度探针传感器的硬件 平台，开发实验装置配套的应用软件，用于数据采集处理： ( 4 ) 建立一种测量油水饱和度的测量方法，设计合理实验方案，通过 二维物理模拟实验装置定性和定量地观察流体在油藏内流动变化； ( 5 ) 应用饱和度探针传感器测量不同实验的二维模型饱和水、饱和 油、水驱油过程中不同位置的饱和度变化，验证该测量方法的正确性。 1 4 2 理论方法和技术路线 二维模型的设计以相似理论为基础，电容探针传感器的设计以油水介 电常数差异很大为理论基础。 在具体研究过程中，用钽丝做为探针传感器的材料并电镀氧化膜。传 感器采用双探针结构。对传感器的数学模型进行深入研究，建立一种探 针电容值与油水饱和度的关系式，数学模型的建立根据电容传感器基本 原理和电场理论进行推导。电容传感器的变送器电路采用容抗原理进行 设计；以二维油藏物理模拟实验装置作为硬件平台，其中数据采集单元 为该装置的核心部分，该单元采用研华公司p c i 系列数据采集卡、数字 量 o 卡及p c 组成。最后确立实验方案验证该测量方法的正确性，并进 一步解释测得的数据。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 5 论文组织结构 本文的组织结构如下： 第l 章，前言，主要阐述了本课题研究背景，简要分析了其研究意 义，介绍了相关技术与国内外发展现状，给出了本课题的主要研究内容 及理论技术路线。 第2 章，钽丝电容探针传感器设计，讨论了电容传感器的基本工作 原理及特点，重点研究了电容式饱和度传感器的数学模型，分析了电容 传感器测量油水饱和度的方法，根据油藏物理模拟实验装置的特点，设 计了电容探针传感器及变送器电路并进行了实验测试分析。 第3 章，二维油藏模拟实验装置硬件设计，介绍了油藏物理模的原 理：相似理论，给出了实验装置设计方案及关键技术，分析了系统工作 流程，最后给出了装置的硬件电路设计，重点研究了数据采集单元中所 使用的数据采集板卡、数字量i o 卡，详细介绍了数据采集单元。 第4 章，二维油藏模拟实验装置软件设计，简单介绍了软件采用的 编程语言，给出了软件需求分析，软件总体设计及算法说明，重点讲述 了装置的软件设计和关键程序编程思想，包括数据采集程序、p c 与天平 通信程序、控制程序、电容测量方式编程思想、数据库设计等，最后进 行了软件功能测式。 第5 章，数据分析与处理，给出了实验方案，并做了升降温、饱和 水、饱和油、水驱油等实验，并对采集到的数据进行了分析处理，最后 将实测值与理论值进行了对比，得出的结论验证了该测量方法的正确性。 第6 章，结论与展望，本章对论文工作进行了概括性总结，列出本 文的创新点，指出了课题的不足并对下一步的工作进行了展望。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钽丝电容探针传感器设计 第2 章钽丝电容探针传感器设计 2 1 电容式传感器理论基础 2 1 1 电容式传感器的特点 电容式传感器具有如下特点【2 l 】： ( 1 ) 测量范围大，电容传感器相对变化率可大于1 0 0 。 ( 2 ) 灵敏度高，如用比率变压器电桥测得的电容值，其相对变化量可 达1 0 。 ( 3 ) 动态响应时间短，由于电容式传感器可动部分质量很小，因此其 固有频率很高，适用于动态信号的测量。 ( 4 ) 机械损失小电容传感器电极间相互吸引力十分微小，又无磨擦 存在，其自热效应甚微，从而保证传感器具有较高的精度。 ( 5 ) 结构简单，适应性强，电容传感器一般用金属做电极，以无机材 料( 如玻璃、石英、陶瓷等) 作绝缘支撑，因此电容传感器能承受很大的 温度变化和各种形式的强辐射作用，适合于恶劣环境中工作。 2 1 2 电容传感器的基本原理 电容式传感器的基本工作原理可用平行板电容器来说明。当忽略边 缘效应影响时，平行板电容器的电容量为： c ：竺：g r e o a ( 2 1 ) dd 式中：c 为电容量；d 为两平行极板之间的距离：a 为两平行极板相 互覆盖的有效面积；e 为极板间介质的介电常数；er 为相对介电常数； eo 为真空介电常数。 由公式2 - 1 可见，三个参数都直接影响着电容量c 的大小。如果保 持其中的两个参数不变，而仅仅改变另外的一个参数，而且使该参数与 被测量参数之间存在某一函数关系，那么被测量参数就可以直接由电容 量c 的变化反映出来。 2 1 3 电容传感器的等效电路 在大多数情况下，电容传感器由于使用环境温度不高、湿度不大， 7 中国石油大学华东) 硕士论文第2 章钽丝电容探针传感器设计 若供电电源频率较合适，可用一个纯电容代表。但当供电电源频率较低 或在高温、高湿环境下使用时，就不是一个纯电容，它有引线，存在引 线电阻和分布电容，极板之间还存在等效损耗电阻r p ，因此电容传感器 的等效电路如图2 1 所示。图中，c 为传感器电容，包括寄生电容；r 包 含引线电阻和极板电阻：l 为引线电感和电容器电感之和；r 为极板间等 效损耗电阻j 。 幽2 1 电窨传惑器等效电路图 在忽略r 和r p 的前提下，传感器的有效电容c e 可用下式表示： 上=_，越+面1(2-jcoce 2 ) j 位c 2 赢( 2 - 3 )l 一国2 上c 式中c e 为传感器的等效电容；6 0 为电源角频率。当被测量变化时， 等效电容增量为： 4 = 石瓦a c 万 ( 2 4 ) f l 一缈2 c ，2 有效电容相对变化量为： 丝=击丝(2-5)ce1c一2 c 由上式可以看出，由于存在引线电感，使得传感器的等效电容c e 的 增量a c e 和相对变化量a c e c e 都发生了变化。因此，在使用电容传感 器时不要随便改变其引线电缆的长度。如果要改变电缆长度，那么在改 变电缆长度后，一定要重新校正传感器。同时供电电源的频率也是不能 随便改变的。 8 中国石油大学( 华东) 硕+ 论文第2 章钽丝电容探针传感器设计 2 2 钽电容传感器的特点 钽属于高熔点金属，当对它进行电化学阳极氧化时，表面形成具有 优良整流与介电特性且附着力强的氧化膜层；纯金属钽延展性能好，可 在冷或热状态下工作，这些性能构成了利用钽材料制作电容器的基础田】， 故本实验装置采用钽材料电渡氧化膜制作钽电容探针传感器。 2 3 电容式饱和度传感器结构与原理分析 2 3 1 电容式饱和度传感器测量原理 由于油和水的介电常数差异很明显，当油水含量发生变化时，油水 混合物的介电常数会随之发生较大的变化，进而使电容发生变化。选择 一种电容特性好的线型材料，设计成一个双针电容，通过电容检测电路， 测量以油水混合物作为电介质的电容，即可推算出油藏物理模拟中的油 水饱和度。 2 3 2 电容式饱和度传感器结构 传统的电容式传感器测量油水界面大多采用圆柱式结构。但在油藏 物理模拟中，特别是二维、甚至三维的油藏物理模拟，由于模型内含多 孔介质( 一般为砂子) ，若采用圆柱型电容式传感器容易挂油，导致测量 结果不准确，且不易插入模型内。本设计采用双针电容式传感器，其结 构如图2 2 所示，此种结构可以很好的解决上述存在的问题。另外，对 于圆柱型电容式传感器，由于边缘效应的存在，不仅使电容传感器灵敏 度降低，而且产生非线性，并带来测量误差。对于双针电容式传感器， 当几何尺寸h d 一2 r 时，可忽略双针电容传感器的边缘效应。 虬 图2 - 2 电容传感器结构 图中：r 。、r ：表示两个探针的半径，舢；d 表示针间距离，唧；h 为 传感器插入油藏的深度，哪。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钽丝电容探针传感器设计 2 3 3 电容式饱和度传感器数学模型 双针电容传感器由电镀过的两个钽丝探针组成，两探针高度为h ，为 消除边缘效应的影响，应满足h d 一2 r 。 设两探针各带电荷+ q 和一q 时，忽略边缘效应，电荷均匀分布在两探 针柱面上，探针柱面上每单位长度所带电荷的绝对值为 ( = q h ) ，由 于两探针柱面间的电场具有轴对称性，故每一探针离开轴线距离为s 处 的电场强度的大小为： e = 去 ( 2 6 ) 每支探针到另一探针柱面的电势差为： au：一：幽，：三肪生,uu2(2-7) 2 - 一2 静2 去肪詈i ，l 厶，“对 厶，“；， au,：u，幽：l加鱼(2-8)-u4= 2 u 静22 去加詈，二，“d 二，c ， 两探针间电势差为： 4 u ：a u , 一( - a u 2 ) ：去加尘 ( 2 - 9 ) z 刀f 吒 由电容器电容的定义可求得双针电容传感器电容为 c = 面q u = 号d 厅 ( 2 - 1 0 ) 4， 当放入介电常数为的物质时相对介电常数e ，有： 占，= 三( 2 1 1 ) 岛 此时电容为： 筹厅 ( 2 - 1 2 ) 1 0 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章钽丝电容探针传感器设计 对含水饱和度为d 的油藏，其对应的相对介电常数为e ，当含水饱和度 发生变化d + 4 d 时，其相对介电常数也相应变化为占，+ 4 占，由此而引 起的电容变化为： “们2 爱i n 而( 等 ，s ， 竺l r 2 即： 丝：生 ( 2 1 4 ) 一 iz c 占， 所以电容值相对变化z 1 c c 与油水混合物相对介电常数的相对变化 4 s ，占，之间呈线性关系。可以通过测量电容值的变化求得油水混合特介 电常数的变化，介电常数e 随含水饱和度变化而变化，通过测量传感器 输出电容c 的变化间接得到含水饱和度。具体分析计算如下： 在室温条件下，空气的相对介电常数为1 ，纯油的相对介电常数为 2 3 左右，水的介电常数为8 0 ，油藏物理模拟中的含水饱和度的测量范 围为0 9 6 1 0 0 ，r ，、r ：、d 、h 、e 。为常数。在纯油中即含水饱和度为o 时e ，= 2 3 ，此时电容值为最小记作c _ ，c 可通过公式2 - 1 2 算得。在 纯水中即含水饱和度为1 0 0 毗，= 8 0 ，此时电容值为最大记作c 木，c 木 也可通过公式2 1 2 算得。一般认为，当原油含水饱和度为5 时认为是 油乳化层的分界面，当原油含水饱和度9 5 时认为是乳化层水的分界 面。忽略原油中含有的杂质的影响，含水原油可近似看成纯油和纯水两 种介质的混和，其有效介电常数可用下式【2 4 l 表示： 厄= d 后+ 0 一d 肟 ( 2 1 5 ) 式中占，为混和介质的有效介电常数；毛为纯水的介电常数；岛为纯 油的介电常数；d 为原油中含水饱和度。根据公式2 1 5 ，取= 8 0 ，岛= 2 3 。 可得含水饱和度5 时，相对介电常数占，为3 8 0 ，含水饱和度为9 5 时，相 对介电常数占，为7 3 5 5 。代入公式2 1 2 可算得含水饱和度为5 、9 5 时的 电容值。显然，当测得了未知含水饱和度的电容值，即可计算出油水混 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钽丝电容探针传感器设计 合物相对介电常数占，从而得到含水饱和度d 。 2 4 电容式饱和度传感器的电路设计 2 4 i 常用电容检测方法介绍 将电容量转化成电压或电流信号的电路称为电容传感器的转换电 路。电容检测的方法在不同的应用环境下有很多种，有调频电路、运算 放大器电路、双t 型电桥电路、差动脉宽调制电路。这里主要介绍一下 比较经典和常用的两种方法【2 5 l 。 ( 1 ) 调频电路 调频电路将电容传感器作为振荡回路的一部分，当输入非电量变化 导致电容传感器的电容发生变化时，则使振荡器的振荡频率发生变化， 调频振荡器的振荡频率由公式2 一1 6 确定： f = i 2 n 丽( 2 一1 6 ) 用调频系统作为电容传感器的测量电路主要有以下特点： 1 ) 抗外来干扰能力强； 2 ) 特性稳定，选择性高： 3 ) 能取得高电平直流信号( 伏特数量级) ； 4 ) 易于用数字仪器记录及与计算机接口。 ( 2 ) 运算放大器电路 将电容式传感器接入运算放大器电路中，作为电路的反馈元件，如 图2 - 3 所示： 图2 - 3 运算放大器电路 图2 - 3 中c 是固定电容，c ，是传感器电容，0 i 是交流电压源，0 0 是 输出信号电压。在开环放大倍数为a 和输入阻抗z i 较大的情况下，有 o 1 - c l o , ( 2 - 1 7 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钽丝电容探针传感器设计 代入c x ：堕得： d 0 旦d=-0砖 ( 2 - 1 8 ) 式中“一”表示输出电压0 0 的相位与输入电压0 i 反相。上式说明o o 与d 呈线性关系，它表明运算放大器电路能克服变极距型电容传感器与d 的 非线性，但要求a 和z i 足够大。为保证精度，还要求电源电压的幅值及 固定电容c 稳定。 2 4 2 容抗法检测电路基本原理 以上介绍了两种常用的两种电容测量电路，这些电容检测电路优点 是技术比较成熟，但其缺点是成本较高，电路本身不能自动调零，从而 延长了测量时间。根据本课题的一些实际情况特点，采用容抗法较好地 解决了上述问题，实现了电容的自动调零。 容抗法检测电路基本原理【划如图2 4 所示： g xr f v i 图2 - 4 容抗法检测电路基本原理图 容易推导出其输出电压v 。与被测电容c ，的关系为： v o = - v i ( g x + j c o c x ) r f( 2 - 1 9 ) 式中：r f 为反向放大器的反馈电阻；为电容极板间的漏电导；v ，为 正弦激励电压幅值；u 为激励电压的角频率。选取参数使： r c x ) g x( 2 - 2 0 ) 则根据公式2 1 9 有： v o jv i 付c x 肜 ( 2 - 2 1 ) 所以，v i 、r f 为常数时，测量电路输出电压v o 与被测电容g 呈 线性关系。 2 4 3 检测电路设计 ( 1 ) 检测原理 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钽丝电容探针传感器设计 测量电容量的过程：正弦波产生电路产生4 0 0 h z 正弦波信号将被测 电容量c ，变成容抗x c ，经缓冲电路后进行c u 转换，把) ( c 转换为交流信 号电压，再经过有源滤波将干扰信号滤掉，最后经过有源整流电路，取 出平均值电压u 。，u 。与c ，成正比，只要适当调节电路参数，即可计算出 电容值【2 刀。检测原理框图如图2 5 所示： 直流电 压输出 图2 - 5 容抗法电容检测电路原理框图 ( 2 ) 正弦激励源电路 正弦波产生电路如图2 6 所示，电路由u 1 b 和r 1 、c 1 、r 2 、c 2 构成 文氏振荡器。振荡频率为1 2 ：j r ! r 1 r 2 c 1 c 2 ，产生正弦波的必要条件是 1 1 + r 3 尺4 ) 3 。本测量电路取r 1 = r 2 = 3 9 2 k o ，c 1 ：c 2 = 0 0 1 1 1f ，代 入振荡频率公式得f a 4 0 0 h z 。其中u 1 采用j f e t 输入运算放大器t l 0 6 2 ， u i b 为双运算放大器t l 0 6 2 中一个运放。 图2 - 6 正弦波产生电路 ( 3 ) 缓冲电路 缓冲电路如图2 - 7 所示，u 1 a 是t l 0 6 2 中另一个运放，在此电路作为 缓冲放大器，作用是调节输出电压的幅度。r p l 为电容传感器的校准电 位器，一经调好后就不再变动。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钽丝电容探针传感器设计 吐墨引：乡寸 b 到 ( 4 ) c u 转换电路 c u 转换电路如图2 - 8 所示，s w l 为四输入拨位开关，用来切换量程， u 2 采用l m 3 5 8 通用双运算放大器，作为电压放大器。u i n 为经过缓冲放 大的正弦波，v d i v d 4 为过压保护二极管，作用是防止损坏电容传感器； 其特点是负反馈电阻r i o 、r 1 2 、r 1 8 、r 1 9 的阻值依电容量程而定，并且 以被测电容c ，的容抗) ( c 作为运放的输入电阻。u 2 b 的电压增益与x c 成反 比，输出电压则与c ，成正比，从而实现了c u 转换。 u i n 图2 - 8c u 转换电路 ( 5 ) 有源滤波电路 二阶有源带通滤波器由u 2 a 、r 7 、r 8 、r 1 l 、c 3 、c 4 构成，u 2 a 通用 双运算放大器l m 3 5 8 的一部分，其中心频率为： f o = 去1 丽1 而1 + 而1 j ( 2 _ 2 2 ) 将c 3 = c 4 = 0 0 1pf 、r 7 = i i k q 、r 8 = 1 6 8 k 0 、r 1 1 = 7 6 8 k q 一并代入公 式2 2 2 中，得到f o , 4 0 0 h z 。有源带通滤波器只让4 0 0 h z 信号通过，能 滤除其他频率的杂波干扰，使u 2 a 的输出电压为4 0 0 h z 的正弦波，二阶 有源滤波电路如图2 - 9 所示： 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章钽丝电容探针传感器设计 u i 图2 - 9 二阶有源滤波电路 ( 6 ) 精密全波整流电路 精密全波整流电路如图2 1 0 所示，输入为经过二阶有源后的正弦信 号，u 3 、u 4 采用高速运算放大器l m 6 2 6 5 ，d 1 、d 2 、d 3 、d 4 采用i n 4 1 4 8 ， c 5 为滤波电容起平波作用，取值为3 0 pf ，电容取r 1 3 = r 1 4 = r 1 6 = r 1 7 2 1 k q 对于正极性信号，d 2 、d 4 导通，d 1 、d 3 截止，u o u t = u i m 对于负极性 信号d 1 、d 3 导通，d 2 、d 4 截止，u o u t = 一u i n 。 u i n 图2 - 1 0 有源整流电路 2 4 4 电容式饱和度传感器电路图及印刷电路图 制作的电路原理图如图2 1 1 所示，印刷电路板图如图2 1 2 所示： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钽丝电容探针传感器设计 图2 一1 1 饱和度电容传感器电路原理图 i 璺i2 一1 2 饱和度电容传感器印刷电路板图 2 4 5 仿真分析 ( 1 ) 仿真波形 仿真软件采用虚拟电子工作平台( e w b ) ，e w b 是一种电子电路仿真分 析与设计软件，与其它电路仿真软件相比较，e w b 具有界面直观、操作 方便、采用图形方式创建电路等优点，构造电路、调用元器件和测试仪 器等都可以从窗口图形中调出，可以对电子元器件进行一定程度的非线 性仿真，不仅测试仪器的图形与实物相似，而且测试结果与实际精度基 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钽丝电容探针传感器设计 本相符鲫。 通过拨位开关设置档位电阻为1 m q ，在有源整流前测得仿真波形如 图2 一1 3 和图2 1 4 所示： 图2 一1 3c x 为l o o p f 时仿真波形 c 一为5 0 0 p f 时仿真波形 图2 - 1 4c i 为1 0 0 0 p f 时仿真波形c ，为1 2 0 0 0 p f 时仿真波形 ( 2 ) 仿真分析 仿真波形中正弦波为有源滤波的输出，在不失真的情况下才能保证 测量准确；直线输出为整流后输出的直流电压，波动的大小反映了整流 的效果。 从以上波形可以看出：c ，为l o o p f 时正弦波形不失真但直流输出较 小，直流输出约为0 1 0 3 v ；在c 。为5 0 0 p f 时正弦波形不失真，直流输出 分别约为0 4 8 5 v ；在c ，为1 0 0 0 0 p f 时正弦波形有小幅失真，直流输出约 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钽丝电容探针传感器设计 为8 5 5 0 v ；但当c x 为1 2 0 0 0 p f 时正弦波形严重失真，直流输出约为 9 9 5 2 v ，放大器达到饱和。因此该档位电容测量传感器的测量范围为 1 0 0 p f 1 0 n f ，且在其满量程的2 0 8 0 测量最准确。 从仿真的结果可以看出在一定范围内，直流电压的输出和c 。有着很 好的线性关系。 2 4 6 实验测试分析 在实际的电路中，为了保证电容数值的连续性，电容测量电路可以 用纯水做标定。电容值用高精度的电容测试仪来校准。标定数据如表2 - 1 所示： 表2 - 1 标定数据 标定体积水1 m q 档输出电5