复合式电容传感器水平条件下的响应特性研究

2011-11-04胡金海刘兴斌李屹威王延军

石油管材与仪器 2011年1期

关键词：水率绝缘层同轴

胡金海刘兴斌李雷李屹威王延军

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司黑龙江大庆)

复合式电容传感器水平条件下的响应特性研究

胡金海刘兴斌李雷李屹威王延军

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司黑龙江大庆)

针对低产液水平井产液剖面含水率的测量,设计出了一种复合结构的新型电容传感器,该传感器采用筒状结构电容传感器与同轴电容传感器相组合而成。文章介绍了传感器的结构,对传感器的响应规律进行电场仿真,给出了该传感器在油水分层条件下和泡状流下的响应规律。对该传感器开展了高度法实验研究和动态实验研究,得到了不同流量、不同含水率下的传感器响应规律,结果表明:与传统的同轴电容传感器相对比,分辨率有较大的提高。该传感器可为低产液水平井产液剖面含水率的测量提供新的技术手段。

水平井;电容式传感器;含水率;油水两相流

0 引言

国内针对低产液水平井流量和含水率的测量,主要采用集流、点测的测井方式,对于井下含水率的测量主要采用同轴电容传感器[1]。但在低流量油水分层情况下,同轴电容传感器有时会浸没于水中或油中,降低了该传感器对含水率测量的分辨率,造成同轴电容含水率测量传感器分辨率较低。特别在含水率50%以上时分辨率就更低了,无法满足实际测量的需要。

针对上述问题,提出了采用筒状电容传感器[2]与同轴电容传感器相组合的方案,设计出复合式电容传感器。对该传感器的响应特性进行电场仿真,并开展了高度法实验研究和动态实验研究,结果表明:传感器在低流量下(例如3 m3/d)对含水率还具有分辨率及传感器的含水率测量的重复性误差在8%以内,因此证明了该复合式电容传感器在重复性上和低流量下对含水率的测量分辨率上均好于同轴电容传感器。

1 复合式电容传感器的结构与仿真研究

1.1 传感器结构

复合式电容传感器由同轴电容传感器和筒状电容传感器组合而成。同轴电容传感器由内插电极棒和其外部包裹的绝缘层构成,筒状电容传感器由圆筒状金属层电极和其内、外两侧包裹的绝缘层组成,将两个电极都做密封处理与外壳绝缘并引出导线接同一个激励,在电路上是并联方式,外壳接地。图1为传感器结构示意图,图1(a)和图1(b)分别为传感器的剖面图和截面图,整个传感器呈圆环状,流体进入传感器后,在圆环内部轴向流动。

1.2 分层条件下的仿真

分层流条件下,筒状电容与同轴电容组合传感器的等效电路[3]如图2(a)所示,由五部分电容的并联组成。分别是:金属层、外绝缘层、金属电极构成电容Co;金属电极、内绝缘层、与内绝缘层接触的水构成Cew;Cew在界面附近的边界效果产生电容Cewb;与电极杆绝缘层接触的水、电极杆绝缘层、电极杆构成电容CpwCpw在界面附近的边界效果产生电容Cpwb。

图1 复合式电容传感器结构示意图

图2 复合式电容传感器等效电路、电场分布及仿真结果示意图

为了解组合电容传感器内部电场分布情况,运用有限元分析软件ANSYS对传感器进行了静电场仿真。假定水为纯导体,取R0、R1、R2、R3、R4、R5、L分别为9 mm、10 mm、14 mm、15 mm、16 mm、19 mm、100 mm,油、内外绝缘层及电极杆绝缘材料的相对介电常数为2,其它参数与实际传感器一致,应用宏命令CMARTRIX求解电容量。图2(b)所示为持水率50%,油水分层时组合传感器的二维电场分布图。整个电场可分为五部分,分别对应于上文中的Co、Cew、Cewb、Cpw和Cpwb,电力线的长度代表电场强度。很明显,Cew和Cpw部分电场强度较大,在传感器的分辨率上起主导作用,因此在中等持水率,油/水分层条件下,筒状电容与同轴电容共同作用的结果是使电容值增大,传感器的分辨率增加,与传感器的数学模型一致。采用有限元方法计算得到的响应曲线与基于数学模型的响应曲线如图2(c)所示,可以看出传感器在整个持水率范围都有很好的分辨能力。在组合传感器数学模型的讨论中,对于由油水界面附近处边界效应引入的电容Cewb、Cpwb为近似计算,所以基于数学模型的计算结果与仿真计算结果略有出入。

1.3 非分层流下的仿真

图3 油泡与传感器接触时复合式电容传感器内部电场与电势分布仿真图

图3为油泡与传感器内壁以及电极杆绝缘层接触时,传感器模型的网格划分、电势和电场分布图。在泡状流下,油泡与组合电容传感器的内绝缘层以及电极杆绝缘层接触时均会使传感器内部的电场发生变化,对传感器的输出造成影响,由于在组合测量传感器中,流体流动的通道限制,使得油泡更容易与传感器接触,这无疑增加了传感器的分辨能力。

当复合式传感器有油泡沾上时,无论是内绝缘层还是电极杆绝缘层上的沾污,均会使测量值发生变化,对传感器的输出有影响。这相当于额外增加了内绝缘层或者是电极杆绝缘层的平均厚度,使得电容值下降,传感器整体的测量值偏小,表现出敏感于油泡的变化。

2 复合式电容传感器的实验研究

2.1 水平条件下高度法实验

为验证筒状与同轴组合式电容含水率计在水平条件下的含水率测量效果,在室内开展了静态高度法实验研究。实验中以空气和清水为介质,将仪器传感器水平放置于充满空气的容器中,向容器内逐渐注入清水,传感器内水面会逐渐升高,即含水率增加;将水逐渐放掉,水面就逐渐下降,即含水率降低。图4给出了含水率计传感器输出响应与持水率的关系图,根据图4可知该含水率计传感器的输出响应(周期值)随持水率的升高而单调递增或随持水率降低而单调减小。实验证明在水平条件下,传感器的响应与持水率存在线性关系,和仿真结果趋势一致,分辨率很好,这说明了复合式电容传感器可以在水平内油水分层状态下测量含水率。

图4 复合式电容传感器响应与持水率关系图版

2.2 水平条件下的动态实验研究

动态实验在大庆多相流模拟井水平实验装置上进行,油水混相总流量及油水含量配比可由实验装置上的流量计精确给出,因而可以获得仪器响应和标准含水率的关系。实验中流量调节为3 m3/d、5 m3/d、10 m3/d、15 m3/d、20 m3/d,直到60 m3/d,含水在0～100%范围内调节。对应特定的流量和含水率,记录下仪器输出周期,并进行全油和全水下的归一,得到归一化响应。图5(a)、(b)分别给出的是复合式电容传感器和同轴电容传感器在水平条件下的实验结果[4]。通过对比可以看出复合式电容传感器在流量3 m3/d～60 m3/d范围内、含水率0～100%内均有分辨率,在流量3 m3/d时仍然有分辨能力,参见图5(a),而同轴电容传感器在流量5 m3/d时就几乎失去了分辨率,参见图5(b),对比两种传感器的实验结果,明显看出复合式电容传感器分辨率好于传统的同轴电容传感器。在实验中,对复合式电容传感器进行了重复,传感器的重复性误差在8%以内。