王延军,胡金海,黄春辉,李 雷,刘兴斌

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司,黑龙江大庆163453)

阻抗式含水率计自适应模块的设计及应用

王延军,胡金海,黄春辉,李 雷,刘兴斌

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司,黑龙江大庆163453)

介绍了阻抗式含水率计测量原理及其激励源自适应模块的设计。硬件系统设计在原阻抗式含水率计电路基础上增加了切换判断电路和单片机控制电路。软件系统设计通过单片机程序来控制激励源电阻自动切换,实现电路的自动增益。通过判断测量到的全水值大小决定是否进行激励源电阻自动切换,以使井下仪器工作在最佳测量状态。实验样机的室内自动增益实验验证了阻抗式含水率计激励源自适应电路的可靠性,室内含水率实验验证了激励源电阻自动切换对含水率测量没有影响。在现场试验应用中,克服了因井下流体矿化度差异而需要人工更换激励源电阻的问题,提高了仪器的可靠性和现场测井的工作效率。

生产测井;阻抗式含水率计;自适应模块;控制电路;自动增益

0 引 言

阻抗式过环空找水仪[1-4]是大庆油田测试技术服务分公司自主研发的油井产出剖面测井仪器,较好地解决了油田高含水开发期产出剖面含水率的测量问题。该仪器根据电导理论[5-6],通过测量油水混合相电导率(混相值)和纯水相电导率(全水值)的比值(含水率相对响应)确定含水率。矿化度的变化导致测量的全水值和混相值发生变化。但由于矿化度的变化同时使传感器的混相值和全水值等比例增加或等比例减小,因而保持含水率的相对响应不变。现场试验对比表明,不同油井中流体矿化度存在差异,矿化度变化影响阻抗传感器的输出信号幅度。为使仪器工作在最佳测量状态,在模拟井标定和现场测井时需要更换激励源电阻,给井下测量电极提供测量所需的激励源电流。通常只能根据操作工人的经验选择激励电阻,采取手动更换。造成含水率测量结果受操作工人主观影响大。另外,在更换激励源电阻时需反复起下仪器,降低测井成功率。

为克服现有阻抗式含水率计驱动电路中激励电流大小不能根据油井矿化度的变化自适应变化的缺点,设计了一种激励源自适应模块。该模块能够根据不同油井的矿化度,自适应切换激励源驱动电阻,使激励源电流的输出保持在合理的线性范围内。

1 激励源自适应模块的设计

1.1 设计要求

阻抗式含水率计激励源自适应模块能够根据不同油井的矿化度,自动切换激励源驱动电阻,使恒流源的输出保持在合理范围内。设计要求,①通过判断控制缆芯是否供有负电压的状态来判断仪器是否要进行激励源电阻的切换;②依据全水值大小判断要切换的激励源电阻的大小,有4档电阻可供切换,使输出的混相值信号达到合适的幅度;③每口油井只切换1次激励源电阻。

1.2 硬件系统设计

硬件系统由激励源驱动电路、持水率处理电路、频率复合电路、单片机控制电路、切换判断电路和电源供电电路组成(见图1)。激励源驱动电路负责输出频率和电流均可调的正弦交变激励电流;持水率处理电路负责采集阻抗传感器测量电极上输出的电压;切换判断电路负责判断是否供有负电压,以决定是否进行激励源电阻自适应切换;单片机控制电路根据全水值输出频率的大小来控制激励源电阻的切换,进而改变激励电流的大小。

1.3 软件系统设计

软件系统流程见图2。单片机控制电路读取切换电路输出电压,以决定是否需要进行切换。如果供负电压,需要切换,则进一步测量持水率处理电路输出的频率信号,并控制MAX313的4路开关的通断,以决定恒流源激励电阻的大小;并将当前全水状态下激励电阻的工作信息存储到芯片24C01中。没有供负电时,则不需要切换,将直接读取24C01芯片中存储的激励源状态信息,并根据该信息使能或禁止相应的MAX313的4路开关。阻抗传感器输出的全水值大于等于500 Hz,则表示当前的激励电流能满足系统要求,不需要进行激励源电阻的切换。

图1 硬件系统结构框图

图2 主程序流程图

2 实验结果

2.1 室内自动增益实验

室内自动增益实验目的是通过测量阻抗式含水率计在不同矿化度水中的全水值,验证在不同的矿化度下激励源电阻能否自动切换到合适的范围。实验结果见图3。图3中黄色线代表在不同的矿化度情况下激励源电阻的切换次数,黄色线上升1个台阶代表激励源电阻切换1次。图3直观地显示了4次的切换结果,在不同的矿化度情况下激励源电阻均能自动切换到合适的范围。在矿化度为2 000 mg/L的水中,激励源切换1次,全水值由269 Hz变为538 Hz;在矿化度为4 000 mg/L的水中,激励源切换2次,全水值由155 Hz变为295 Hz再变为598 Hz;在矿化度为6 000 mg/L的水中,激励源切换3次,全水值由79Hz依次变为158、312、640 Hz;在矿化度为12 000 mg/L的水中,激励源切换4次,全水值由52 Hz依次变为109、217、443、889 Hz,全水值均达到了大于500 Hz的要求。

图3 不同矿化度下阻抗式含水率计全水值输出频率图

2.2 室内含水率实验

目的是验证在不同的矿化度下,切换前、后含水率测量不受矿化度变化及激励源电阻切换的影响。实验中,系统切换前、后分别在持水率为60%,矿化度为2 000、4 000、6 000 mg/L的水中测量仪器输出的全水值及混相值,然后求出含水率相对响应,实验结果见表1。从表1可以看出系统切换前、后含水率相对响应测量的最大误差为0.03,最小误差为0.017,测量误差在仪器的允许误差范围之内,所以含水率相对响应测量结果不受矿化度变化及激励源电阻切换的影响。

2.3 现场试验

表1 不同矿化度下切换前、后同一持水率下含水率相对响应对比

图4 北2-丁5-×××井测井曲线图

利用自适应阻抗式含水率计,在大庆油田采油四厂北2-丁5-×××井进行了现场试验。图4(a)为自适应启动前实测曲线,测量全水值为86 Hz,混相值为218 Hz,含水率相对响应为0.394。图4(b)为进行激励源自适应切换后实测曲线,测量全水值为782 Hz,混相值为2 037 Hz,含水率相对响应为0.384,含水率相对响应测量结果不受矿化度变化及激励源电阻切换的影响,从而有效提高了仪器的分辨率。从图4(b)可见测量全水值随着激励源电阻的切换而明显呈台阶状升高。

3 结 论

(1)在清水及不同矿化度水中的自动增益实验验证了在不同矿化度下激励源电阻能够自动切换,使全水值输出达到合适的范围。

(2)在不同矿化度水中的含水率实验表明在不同矿化度下,系统切换前、后含水率测量不受矿化度变化及激励源电阻切换的影响。

(3)阻抗式含水率计自适应模块的设计,现场应用效果良好,解决了在模拟井标定和现场测井时需要更换激励源电阻的问题,提高了工作效率。

[1] 胡金海,刘兴斌,张玉辉,等.阻抗式含水率计及其应用[J].测井技术,1999,23(增刊):511-514.

[2] 胡金海,刘兴斌,黄春辉,等.一种同时测量流量和含水率的电导式传感器[J].测井技术,2002,26(2):154-157.

[3] 张玉辉,,刘兴斌,胡金海.阻抗式含水率传感器优化设计实验研究[J].石油仪器,2002,16(4):5-7,11.

[4] 刘继承,李进旺,刘兴斌,等.阻抗式含水率计三相漂流模型校正的实验研究[J].测井技术,2005,29(3):195-198.

[5] 刘兴斌.井下油水两相流测量[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,1996.

[6] 刘兴斌.多相流测井方法和新型传感器研究[D].北京:中国石油大学,2000.

Adaptive M odules Design of Impedance Watercut Meter and Its Applications

WANG Yanjun,HU Jinhai,HUANG Chunhui,L ILei,L IU Xingbin
(Logging&Testing Services Company,Daqing Oilfield Company L TD.,Daqing,Heilongjiang 163453,China)

Introduced are the impedance w atercut meter measuring p rincip le and the design requirements of its adap tivemodule.Based on the original circuit of themeter,in the hardware system designs added are the sw itching judge circuit and the Single Chip M achine(SCM)control circuit.In the software system designs the SCM controls the automatic sw itch of the excitation source resistance to achieve circuit automatic gain.To enable the dow nhole tool to operate in the best working condition,w hether to carry out excitation source resistance automatically sw itch is determ ined from themagnitude of the full water value.A utomatic gain experiment verifies the reliability of adap tation circuit of impedance watercutmeter,watercutmeasurement experiment verifies that the automatic sw itching of excitation source resistance has no effect on w atercut measurement.In the field test applications,the new design overcomes artificial rep lacement of excitation source resistance caused by the different salinities of dow nhole fluids,and imp roves the instrument’s reliability and efficiency of field logging.

p roduction logging,impedance w atercutmeter,adap tivemodule,control circuit,automatic gain

1004-1338(2010)05-0469-04

P631.3; TP31

A

国家科技重大专项(课题编号:2008ZX05020)、国家高技术研究发展计划(编号:2007AA 06Z231)、黑龙江省杰出青年科学基金(合同编号:JC200913)资助

王延军,男,1980年生,助理工程师,工学硕士,从事测井传感器理论方法研究。

2010-06-09 本文编辑 王小宁)