[发明专利]高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率测量装置

说明书

本发明涉及一种高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率测量装置，采用的电容传感器为弧形对壁高频电容传感器，包括激励电极，接收电极及屏蔽层，激励电极与接收电极呈对壁式固定于20mm外径为30mm的管道外壁上，经优化的激励电极张角为120°，长度为200mm，屏蔽层长度为200mm，屏蔽层内径40mm，厚度0.5mm。在此参数下电容传感器的激励频率为1.8GHz；测量电路包括高频信号源、功分器和相位检测模块。

技术领域

本发明涉及油田开发过程中油井动态监测领域中高含水低流速油水两相流持水率高分辨测量方法。

背景技术

油水两相流流动现象广泛存在于自然界与工业生产中，随着油田开采的持续发展，现阶段的油田开采已经进入了高含水开采阶段，由于地层中本身含有的大量地层水和长期的注水开采，许多油田的平均含水率已超过90％，低产低渗现象严重，大多数油田呈现低流速高含水生产特点，准确测量较高含水率条件下的油水两相流持水率具有重要的实际应用价值。然而，由于低流速油水两相流相间滑脱现象明显，局部浓度和速度分布不均匀，准确测量高含水低流速时的持水率难度很大。

由于电学方法探测灵敏度高且受测量环境影响较小，目前仍是主流的持水率测量手段。电导法和电容法作为持水率参数测量的常规有效手段，是根据油水相间存在显著的电导率及介电常数差异实现持水率参数测量。尤其是，电容式传感器相较于其他类型的传感器，受导电性影响小、测量灵敏度高、安装方便及信号稳定，传统电容传感器大多适用于连续相不导电或具有低导电率的两相流介质。但是，对于油水两相流，尤其是高含水流动条件下，电容极板间的混合液介电特性随持水率变化的灵敏度显著降低，导致电容传感器持水率测量分辨率有较大局限性。此外，不同油田地层采出水矿化度的不同也导致油水两相流中水相电导率及介电常数发生变化，矿化度对电容传感器持水率测量仍有较大影响。

为了克服传统电容传感器在水为连续相的高含水时持水率测量分辨率低的问题，本发明提出了一种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，突显电容传感器介电特性与持水率的敏感关系。当混合液含水率变化时，通过测量弧形对壁电容传感器高频信号衰减的相位差来提取油水混合液的持水率信息。弧形对壁电容传感器由两个弧形对壁对壁测量电极和屏蔽层构成。测量电极对放置在管道外部，一个用于信号发射，另一个用于信号接收，在电极外施加屏蔽层，对敏感电极的电场起保护作用。采用有限元法考察了弧形对壁电容传感器的幅频及相频输出特性，优化选择了高频电容传感器的工作频率，数值分析了高频电容传感器相位输出与持水率之间的关系。在此基础上，搭建了高频电容传感器测量系统，开展了垂直上升油水两相流高含水时的持水率测量实验，分析了矿化度对高频电容传感器的输出影响，最终实现高含水油水两相流持水率高分辨测量。

发明内容

本发明提出一种高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率高分辨测量方法，可以通过测量高频电容传感器的相位输出信号变化来测量持水率，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：

一种高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率测量方法，用以测量油水两相流总流量为0.5m³/d～5m³/d，持水率为90％～99％变化范围内的持水率，采用的电容传感器为弧形对壁高频电容传感器，包括激励电极，接收电极及屏蔽层，激励电极与接收电极呈对壁式固定于20mm外径为30mm的管道外壁上，经优化的激励电极张角为120°，长度为200mm，屏蔽层长度为200mm，屏蔽层内径40mm，厚度0.5mm。在此参数下电容传感器的激励频率为1.8GHz；测量电路包括高频信号源、功分器和相位检测模块，高频激励信号由PXI5661产生，通过功分器将PXI5661的输出分为两路相位差恒定，幅值相同的信号，一路信号直接输入到基于AD8302芯片的相位检测模块的INPA输入端，另外一路接至弧形对壁高频电容传感器的激励电极上，接收电极的信号接入到相位检测模块的INPB输入端，相位检测模块将通过传感器衰减后的高频信号的相位变化转换为直流信号后，由PXI4472采集，PXI4472采集的信号被送入计算机，用以进行持水率的计算。