生产测井平行线电容传感器测试

1、生产测井平行线电容传感器测试     引言产液剖面测试由于油水相间导电性及介电特性存在较大差异，电导或电容传感器应用于油水两相流相含率测量受到关注，尤其是电容传感器在不受连续相导电特性影响方面具有优势。对两相流相含率非侵入式电容传感器，中外学者对多种结构形式的电容传感器进行研究。通过对测量响应线性度和灵敏度的考察，就传感器结构参数、保护电极与管壁厚度因素等对灵敏场的影响进行了研究；在两相流相含率侵入式电容传感器研究中，对同轴过流式、网状（）等形状的电容传感器进行了研究；等采用单弦丝电容传感器对水平气液两相流单个气泡形状进行了实验和理论研究；黄善仿等采用单

2、弦丝电容传感器对水平油水两相流层状流水层高度取得了较好的测量效果，单弦丝电容传感器需要在导电的两相流流动条件中使用。侵入式电容传感器与流体直接接触，其硬场效应明显，可有效提高传感器测量灵敏度及响应速度。受黄善仿等单弦丝电容传感器水平层状流相含率测量方法启发，本文提出了一种用于水平油水两相流层状流相含率测量的平行线（双弦丝）电容传感器。该传感器不依赖于连续相的导电特性，且因侵入式结构使其具有较高的测量灵敏度。研究中，首先采用有限元分析方法考察了传感器灵敏场分布特性及水平油水层状流下的传感器静态响应输出特性，在综合考虑传感器线性度及灵敏度因素基础上确定了传感器的最优几何结构。用该传感器进行了水平油

3、水层状流静态实验，其结果表明，平行线电容传感器对水平油水层状流相含率具有较好的测量线性度及灵敏度。平行线电容传感器测量原理传感器几何结构与测量系统如图所示，平行线电容传感器由一对外表面涂有特氟龙（）绝缘介质的平行金属电极构成，且电极沿管道径向位置平行放置。图中结构参数表示检测电极之间距离；为金属电极半径；为特氟龙绝缘层厚度。图平行线电容传感器结构示意图平行线电容传感器测量系统如图所示，其主要包括高频激励模块（正弦波）、转换模块、信号调理模块（采用乘法解调方式）及数据采集模块。根据图中电容传感器测量电路的测量原理，调理模块输出电压可表示为（）式中，为测量系统输出电压；为激励信号幅值；为转换模块中

4、参考电容；为待测流量有效电容值；为放大器增益；为参考电压。从式（）可以看出，测量电压信号与有效电容值呈线性关系，且测量灵敏度为。传感器内部电场与灵敏场分布为了考察平行线电容传感器内部电场分布情况，首先利用有限元分析软件（）对传感器进平行线电容传感器测量系统示意图行几何建模。传感器的三维有限元剖分模型见图，其中设定管道内径为、外径为、管长度为，选用单元类型为三维节点四面体单元，剖分单元共计个。图平行线电容传感器三维有限元剖分模型（；）在激励电极及测量电极上分别施加及直流电压信号，经有限元分析计算得到了如图所示的传感器内部电势分布。由图（）可以看出，在管截面径向方向，电场在电极之间存在梯度分布；由

5、图（）可知，在管截面轴向方向，越靠近电极处电场梯度分布明显，其他流体区域电场分布趋于稳定。通过对平行线电容传感器内部电场分析，平行线电容传感器测量高灵敏度区域应主要分布在电极附近。为详细考察平行线电容传感器灵敏场分布特性，采用二维有限元分析模型对灵敏场进行计算。当二维空间内没有自由电荷分布时，传感器二维模型电位分布满足的拉普拉斯方程为（，）（，）（）式中，（，）为二维场电位分布函数；及（，）分别为空气介电常数和场域（，）处的相对介电常数，在各剖分单元内可认为是常数；和分别为散度和梯度算子。通过有限元分析软件，可计算得到各个节点的电位值（，）；同时，通过电位值又可以得到节点的电场强度（）根据高斯

6、定理，可选择一个包括电极的封闭路径（二维中为曲线），在此路径上积分，即可求得一个电荷值，该电荷值即为电极上的电荷量。进而电极间的电容量为（）式中，为电极间的电位差。电容传感器检测区域内的任一子区域介电常数变化都会引起电极间电容值的变化。该子区域引起电容值变化的程度可用单元灵敏度描述，而整个检测区域内单元灵敏度的分布形成灵敏场。为获取传感器检测区域的灵敏度分布，采用在传感器检测区域放置测试小球的办法获得测试位置处的灵敏度，灵敏度计算公式可表示为（）（）（）（）（），（）式中，（）及（）分别表示介质介电常数为及时的传感器电容值；（）表示检测区域位置处放置介电常数为的测试小球后传感器的电容值；为放置

7、测试小球位置的总数。根据传感器检测区域各位置处的灵敏度计算值得到、时传感器的灵敏度分布（见图）。图中，二维灵敏场内灵敏度峰值出现在电极位置处，远离电极区域的灵敏度值较低，且基本趋于值。采用等提出的灵敏场均匀性误差参数（）和传感器相对灵敏度均值（）作为优化指标，考察了传感器各结构参数对灵敏场的影响，期望获得一个均匀性误差最小、相对灵敏度较高的传感器尺寸。传感器几何尺寸取值情况见表所示。表传感器几何尺寸参数取值传感器参数几何尺寸通过分析得知各结构参数对灵敏场的影响，检测电极越大，均匀性误差（）越大，相对灵敏度均值（）越小；金属电极半径增大，相对灵敏度均值（）越小，均匀性误差（）影响很小；绝缘层壁厚

8、变大，相对灵敏度均值（）越大，均匀性误差（）影响很小。综合考虑，选用的传感器尺寸为；。传感器静态测量特性为考察平行线电容传感器对水平油水层状流静态响应特性，建立了水平油水层状流下的有限元模型，并计算了不同相含率（持水率）下的传感器电容值。水平油水层状流有限元剖分模型见图，其中检测电极间距为，金属电极半径为，特氟龙厚度为，模型剖分单元类型为三维节点四面体单元，剖分单元总数为，上部红色流体代表油相，下部蓝色流体代表水相，模型对应持水率为。对层状流传感器有限元计算结果归一化处理（）式中，为传感器计算电容归一化值；为油水按不同持水率配比时电容计算值；为全油时的电容计算值；为全水时的电容计算值。为考察平

9、行线电容传感器的测量响应特性，以验证电容传感器测量系统有效性，对不同持水率的水平油水层状流进行了静态实验测量。实验管道选用内径为的有机玻璃管，实验介质为号白油和自来水，白油密度为，黏度为。实验中将油水两相按体积配比为不同持水率的油水层状分布，同时对平行线电容传感器输出响应进行实时测量，并对电容测量电压值进行归一化处理（）式中，为输出电压归一化值；为油水混合时电压输出值；为全油时电压输出值；为全水时电压输出值。对于水平油水层状流静态分布，平行线电容传感器静态实验测量结果与仿真结果见图。可以看出，对于油水层状流传感器有限元计算结果与实际测量结果有较好的一致性，且测量灵敏度及线性度较高。图平行线电容传感器测量结果与仿真结果对比图结论（）用有限元分析方法考察了平行线电容传感器灵敏场分布特性及其结构参数对灵敏场的影响。（）通过对传感器二维灵敏场分布的考察，发现传感器灵敏度高值区域主要集中在电极附近，远离电极区域的灵敏度值相