双螺旋高频电容传感器高含水油水两相流持水率测量方法与流程

本发明涉及油田开发过程中油井动态监测领域中高含水油水两相流持水率测量方法。

背景技术：

随着我国陆上注水开发油田进入中晚期开采阶段，油田综合含水率逐年增长，单井平均综合含水率处于高含水和特高含水阶段。为准确寻找主要产油层、主要产水层以及对油井采取有效增产措施，准确测量油井持水率具有重要意义。

由于低流速高含水油水两相流存在严重的相间滑脱效应，其局部浓度及局部流速多呈非均匀分布特征，致使油井持水率测量难度很大。在持水率测量方法中，电容法是较早应用于持水率测量方法之一，通常使用1-75mhz的低频信号激励。由于油水混合液的宏观介电常数与油相及水相的介电常数以及持水率有关，通过测量交变信号对混合液作用即可测得混合液宏观介电常数，进而计算出持水率。常见的电容式传感器包括对壁式电容传感器、同轴型电容传感器及螺旋式电容传感器等多种类型结构。当混合流体含水率较小时，混合液介质的电导率很小，此时可以忽略介质导电性，通过电容法可测量持水率；但当两相流含水率较大时，电导不能忽略，电容法测量持水率会受限。在实际油井动态监测中，由于受温度及水中离子浓度变化等因素，地层水矿化度在不同地区有较大差异，常用的电容传感器(如同轴或对壁式电容传感器)受流型及地层水矿化度较大，其在高含水油水两相流持水率测量分辨率和精度有较大局限性。

为实现高含水油水两相流持水率高分辨率测量且减小弱矿化度对测量影响，本发明提出采用双螺旋高频电容传感器测量持水率方法。在测量方式上，采用更高频率的信号激励。当混合液含水率变化时，其双螺旋电容传感器输出的高频信号的衰减也会随之发生变化，通过测量信号衰减的相位差来计算油水混合液的持水率。双螺旋电容传感器由两个螺旋对壁测量电极、两个螺旋对壁保护电极和屏蔽层构成。测量电极对在360度旋转时始终保持着电极对壁的结构，螺旋测量电极一个用于信号发射，另一个用于信号接收，并在测量电极间放置两个同步360度螺旋的保护电极，在电极外施加屏蔽层，对敏感电极的电场起保护作用。由于此双螺旋电容传感器电极放置在管道外壁，具有完全非侵入式的优点。采用高频电磁场有限元分析方法对传感器工作频率进行优化，最终实现高含水油水两相流持水率高分辨测量。

技术实现要素：

本发明提出一种双螺旋高频电容传感器高含水油水两相流持水率测量方法，可以通过测量高频电容传感器的相位输出信号变化来计算油水混合液的持水率信息，实现高含水油水两相流持水率高分辨率测量。技术方案如下：

一种双螺旋高频电容传感器高含水油水两相流持水率测量方法，所采用的测量装置包括双螺旋电容传感器及高频测量电路，双螺旋电容传感器固定于测量管道外壁上，其中，

双螺旋电容传感器包括两个螺旋对壁测量电极、两个螺旋对壁保护电极和施加在电极之外的屏蔽层，两个测量电极在测量管道外壁旋转360度，旋转时始终保持着电极对壁的结构，两个螺旋测量电极一个为激励电极，一个为接收电极，并在两个测量电极间放置两个同步360度螺旋的对壁保护电极；

高频测量电路包括高频信号源、功分器和相位检测模块，高频信号源输出的高频激励被功分器分为两路，一路输出端连接到高频螺旋电容传感器的激励电极，高频螺旋电容传感器的接收电极连接到相位检测模块的一个输入端，功分器的另外一路输出端连接到相位检测模块的第二个输入端，利用相位检测模块检输出的传感器相位信号计算油水两相流持水率。

优选地，相位检测模块采用ad8302芯片。

油水两相流持水率计算公式如下：

式中，vo、vw和vm分别是全油、全水和油水两相流时的传感器相位信号。

优化参数如下：双螺旋电容传感器固定于20mm管径、壁厚为2.5mm的测量管道外壁上，激励电极张角选择为70°，激励电极与保护电极间隔角为30°，电极螺距长为90mm；位于屏蔽层与电极之间的聚四氟乙烯绝缘层厚为0.05mm；传感器屏蔽层部分长度为75mm，屏蔽层内径40mm，厚度0.5mm。传感器激励频率为0.83ghz。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

(1)本发明设计的双螺旋高频电容传感器可适用于垂直井筒内高含水油水两相流持水率高分辨测量，通过传感器测量的持水率预测油水两相流含水率具有较高的预测精度：绝对平均相对误差(aapd)均小于0.88％，绝对平均误差(aad)均小于0.0078。

(2)本发明设计的双螺旋高频电容传感器可有效减小矿化度变化对传感器测量持水率影响，在高矿化度下仍保持着较高的持水率测量分辨率。

附图说明

图1是高频螺旋电容传感器结构图。

图2是高频螺旋电容传感器局部结构图。

图3是高频螺旋电容传感器持水率测量系统结构图。

图4是不同激励频率下的高频螺旋电容传感器的幅频特性的仿真。

图5是不同激励频率下的高频螺旋电容传感器的相频特性的仿真。

图6是矢量网络分析仪实际测量的传感器幅频特性。

图7是矢量网络分析仪实际测量的传感器相频特性。

图8是高频螺旋电容传感器有限元仿真模型管道截面油泡排布图。

图9是高频螺旋电容传感器有限元仿真模型管道轴向油泡排布图。

图10(a)(b)(c)分别是油水两相流段塞流(dos/w)、泡状流(do/w)、细小泡状流(vfdo/w)对应的高频螺旋电容传感器测量电压信号。

图11(a)(b)(c)分别是在180ppm，1255ppm及3470ppm的水矿化度下，高频螺旋电容传感器测量高含水油水两相流的归一化视持水率值与实验标定的含水率之间实验相关图版。

图12(a)(b)(c)分别是在180ppm，1255ppm及3470ppm的水矿化度下，高频螺旋电容传感器的含水率测量结果。

附图标号说明：

1、传感器管道；2、激励电极；3、测量电极；4、保护电极；5、保护电极；6、屏蔽层；7、高频信号源；8、功分器；9、高频螺旋电容传感器；10、ad8302模块；11、相位差信号；12、幅值差信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。该发明涉及的双螺旋高频电容传感器油水两相流测量持水率方法主要包括以下步骤：

双螺旋高频电容传感器的整体结构包括传感器管道1，激励电极2，接收电极3，对壁保护电极4、5及屏蔽层6。螺旋对壁测量电极与螺旋对壁保护电极同步360度螺旋。高频信号源7的输出端连接到功分器8的输入端，功分器的一路输出端连接到高频螺旋电容传感器9的激励电极，高频螺旋电容传感器9的输出连接到相位检测模块，即ad8302模块10的一个输入端。功分器8的另外一路输出端连接到ad8302模块10的第二个输入端。ad8302模块10的输出11、12连接到数据采集设备。

将具有最优几何尺寸的高频螺旋电容传感器安装在垂直上升油水两相流实验装置中，当油水混合流体流经传感器测量区域时，对高频螺旋电容传感器输出信号进行调理、采集。数据处理过程中，将不同流动工况下传感器电压信号进行处理，计算出相应持水率值。

下面结合附图说明高频双螺旋电容传感器油水两相流持水率测量方法具体实施过程：

(1)本发明中，高频螺旋电容传感器激励电极张角70°，激励电极与保护电极间隔角为30°，电极螺距长90mm；聚四氟乙烯绝缘层厚0.05mm；特氟龙管道壁厚2.5mm，内径20mm；传感器屏蔽层部分长度为75mm，屏蔽层内径40mm，厚度0.5mm。建立高频螺旋电容传感器有限元仿真模型，传感器模型的输入输出端口均设置为波端口，特性阻抗为50欧姆，有限元网格剖分方式为自动。首先，对传感器的频率特性进行考察，扫频步长为10mhz，扫频范围为0.5ghz～3ghz。扫频仿真所得到的传感器的幅频特性和相频特性曲线如图4及图5所示。综合矢量网络分析仪得到的实际传感器的特性曲线，如图6及图7所示，确定高频螺旋电容传感器最优工作频率在0.8ghz附近。

为进一步考察此传感器对不同持水率的测量特性，建立高频螺旋电容传感器水包油流型有限元仿真模型。仿真过程为：在hfss建模时，在模型中传感器区域均匀摆放180个小球，代表油泡，共20层，每层9个，如图8及图9所示。通过改变小球直径的大小来改变传感器区域内混合流体的持水率，小球每变换一个直径，可计算得到此时油水两相流的持水率大小。再综合传感器的幅频特性、相频特性最终确定高频螺旋电容传感器的激励频率为0.83ghz。

(2)通过高含水油水两相流动态实验，对高频螺旋电容传感器输出电压信号进行采集，获得油水两相流信号归一化衰减测量值(视持水率)与实验标定含水率之间实验相关图版，具体方法如下：

定义混合流体的归一化视持水率表达式为：

式中，vo、vw和vm分别是全油、全水和油水混合液时的传感器相位信号。

(3)为了验证高频螺旋电容传感器对于高含水油水两相流持水率测量效果，采用漂移模型对油水两相流分相表观流速进行预测，漂移模型的表达式为：

式中，uso及um分别为油相表观速度和混合流速，yo为持油率u∞为单个油泡在无限静止的水中的上升速度，c0为相分布系数，n为泡径指数。将上式两边同时除以(1-yo)ⁿ，可得：

令上式可改写为：

y＝c0x+u∞

因此，我们计算不同流动工况下x和y的值，可通过线性拟合的方式确定c0和u∞的数值。由于泡状流和段塞流中分散油相分布存在显著差异，所以，对于泡状流与段塞流分别建立对应的漂移模型进行含水率预测。

矿化度为180ppm情况下段塞流和泡状流的漂移模型表达式为：

矿化度为1255ppm情况下段塞流和泡状流的漂移模型表达式为：

矿化度为3470ppm情况下段塞流和泡状流的漂移模型表达式为：

由上述公式预测油相表观流速uso的前提下，可获得预测的含水率：

式中，um为实验装置标定的油水两相流总流速，由总流量除以管截面积获得。然后，与流动实验装置标定的含水率进行测量精度比较。

实验验证与结果：

利用本发明设计的高含水油水两相流高频螺旋电容传感器，可得到段塞流、泡状流和细小泡状流的测量信号如图10所示，可以看出，高频螺旋电容传感器电压波动信号可良好揭示不同流动工况下分散相浓度分布的差异。归一化视持水率值与标定含水率及总流量之间的实验图版如图11所示。可以看出，高频螺旋电容传感器归一化视持水率值在高含水流动工况下仍保持着较高的测量分辨率，并且在高矿化度下仍有较高的持水率测量分辨率。通过在不同矿化度下，建立基于流型的漂移模型来预测含水率，其结果如图12所示，可以看出，在不同的水矿化度下，含水率均具有较高的预测精度，其绝对平均相对误差(aapd)均小于0.88％，绝对平均误差(aad)均小于0.0078。验证了本发明设计的油水两相流高频螺旋电容传感器持水率测量方法具有高分辨测量特性，其持水率测量结果受水矿化度变化的影响较小。