生產(chǎn)測井平行線電容傳感器測試

1、生產(chǎn)測井平行線電容傳感器測試     引言產(chǎn)液剖面測試由于油水相間導(dǎo)電性及介電特性存在較大差異，電導(dǎo)或電容傳感器應(yīng)用于油水兩相流相含率測量受到關(guān)注，尤其是電容傳感器在不受連續(xù)相導(dǎo)電特性影響方面具有優(yōu)勢。對兩相流相含率非侵入式電容傳感器，中外學(xué)者對多種結(jié)構(gòu)形式的電容傳感器進(jìn)行研究。通過對測量響應(yīng)線性度和靈敏度的考察，就傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)、保護(hù)電極與管壁厚度因素等對靈敏場的影響進(jìn)行了研究；在兩相流相含率侵入式電容傳感器研究中，對同軸過流式、網(wǎng)狀（）等形狀的電容傳感器進(jìn)行了研究；等采用單弦絲電容傳感器對水平氣液兩相流單個氣泡形狀進(jìn)行了實驗和理論研究；黃善仿等采用單

2、弦絲電容傳感器對水平油水兩相流層狀流水層高度取得了較好的測量效果，單弦絲電容傳感器需要在導(dǎo)電的兩相流流動條件中使用。侵入式電容傳感器與流體直接接觸，其硬場效應(yīng)明顯，可有效提高傳感器測量靈敏度及響應(yīng)速度。受黃善仿等單弦絲電容傳感器水平層狀流相含率測量方法啟發(fā)，本文提出了一種用于水平油水兩相流層狀流相含率測量的平行線（雙弦絲）電容傳感器。該傳感器不依賴于連續(xù)相的導(dǎo)電特性，且因侵入式結(jié)構(gòu)使其具有較高的測量靈敏度。研究中，首先采用有限元分析方法考察了傳感器靈敏場分布特性及水平油水層狀流下的傳感器靜態(tài)響應(yīng)輸出特性，在綜合考慮傳感器線性度及靈敏度因素基礎(chǔ)上確定了傳感器的最優(yōu)幾何結(jié)構(gòu)。用該傳感器進(jìn)行了水平油

3、水層狀流靜態(tài)實驗，其結(jié)果表明，平行線電容傳感器對水平油水層狀流相含率具有較好的測量線性度及靈敏度。平行線電容傳感器測量原理傳感器幾何結(jié)構(gòu)與測量系統(tǒng)如圖所示，平行線電容傳感器由一對外表面涂有特氟龍（）絕緣介質(zhì)的平行金屬電極構(gòu)成，且電極沿管道徑向位置平行放置。圖中結(jié)構(gòu)參數(shù)表示檢測電極之間距離；為金屬電極半徑；為特氟龍絕緣層厚度。圖平行線電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖平行線電容傳感器測量系統(tǒng)如圖所示，其主要包括高頻激勵模塊（正弦波）、轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理模塊（采用乘法解調(diào)方式）及數(shù)據(jù)采集模塊。根據(jù)圖中電容傳感器測量電路的測量原理，調(diào)理模塊輸出電壓可表示為（）式中，為測量系統(tǒng)輸出電壓；為激勵信號幅值；為轉(zhuǎn)換模塊中

4、參考電容；為待測流量有效電容值；為放大器增益；為參考電壓。從式（）可以看出，測量電壓信號與有效電容值呈線性關(guān)系，且測量靈敏度為。傳感器內(nèi)部電場與靈敏場分布為了考察平行線電容傳感器內(nèi)部電場分布情況，首先利用有限元分析軟件（）對傳感器進(jìn)平行線電容傳感器測量系統(tǒng)示意圖行幾何建模。傳感器的三維有限元剖分模型見圖，其中設(shè)定管道內(nèi)徑為、外徑為、管長度為，選用單元類型為三維節(jié)點四面體單元，剖分單元共計個。圖平行線電容傳感器三維有限元剖分模型（；）在激勵電極及測量電極上分別施加及直流電壓信號，經(jīng)有限元分析計算得到了如圖所示的傳感器內(nèi)部電勢分布。由圖（）可以看出，在管截面徑向方向，電場在電極之間存在梯度分布；由

5、圖（）可知，在管截面軸向方向，越靠近電極處電場梯度分布明顯，其他流體區(qū)域電場分布趨于穩(wěn)定。通過對平行線電容傳感器內(nèi)部電場分析，平行線電容傳感器測量高靈敏度區(qū)域應(yīng)主要分布在電極附近。為詳細(xì)考察平行線電容傳感器靈敏場分布特性，采用二維有限元分析模型對靈敏場進(jìn)行計算。當(dāng)二維空間內(nèi)沒有自由電荷分布時，傳感器二維模型電位分布滿足的拉普拉斯方程為（，）（，）（）式中，（，）為二維場電位分布函數(shù)；及（，）分別為空氣介電常數(shù)和場域（，）處的相對介電常數(shù)，在各剖分單元內(nèi)可認(rèn)為是常數(shù)；和分別為散度和梯度算子。通過有限元分析軟件，可計算得到各個節(jié)點的電位值（，）；同時，通過電位值又可以得到節(jié)點的電場強(qiáng)度（）根據(jù)高斯

6、定理，可選擇一個包括電極的封閉路徑（二維中為曲線），在此路徑上積分，即可求得一個電荷值，該電荷值即為電極上的電荷量。進(jìn)而電極間的電容量為（）式中，為電極間的電位差。電容傳感器檢測區(qū)域內(nèi)的任一子區(qū)域介電常數(shù)變化都會引起電極間電容值的變化。該子區(qū)域引起電容值變化的程度可用單元靈敏度描述，而整個檢測區(qū)域內(nèi)單元靈敏度的分布形成靈敏場。為獲取傳感器檢測區(qū)域的靈敏度分布，采用在傳感器檢測區(qū)域放置測試小球的辦法獲得測試位置處的靈敏度，靈敏度計算公式可表示為（）（）（）（）（），（）式中，（）及（）分別表示介質(zhì)介電常數(shù)為及時的傳感器電容值；（）表示檢測區(qū)域位置處放置介電常數(shù)為的測試小球后傳感器的電容值；為放置

7、測試小球位置的總數(shù)。根據(jù)傳感器檢測區(qū)域各位置處的靈敏度計算值得到、時傳感器的靈敏度分布（見圖）。圖中，二維靈敏場內(nèi)靈敏度峰值出現(xiàn)在電極位置處，遠(yuǎn)離電極區(qū)域的靈敏度值較低，且基本趨于值。采用等提出的靈敏場均勻性誤差參數(shù)（）和傳感器相對靈敏度均值（）作為優(yōu)化指標(biāo)，考察了傳感器各結(jié)構(gòu)參數(shù)對靈敏場的影響，期望獲得一個均勻性誤差最小、相對靈敏度較高的傳感器尺寸。傳感器幾何尺寸取值情況見表所示。表傳感器幾何尺寸參數(shù)取值傳感器參數(shù)幾何尺寸通過分析得知各結(jié)構(gòu)參數(shù)對靈敏場的影響，檢測電極越大，均勻性誤差（）越大，相對靈敏度均值（）越??；金屬電極半徑增大，相對靈敏度均值（）越小，均勻性誤差（）影響很?。唤^緣層壁厚

8、變大，相對靈敏度均值（）越大，均勻性誤差（）影響很小。綜合考慮，選用的傳感器尺寸為；。傳感器靜態(tài)測量特性為考察平行線電容傳感器對水平油水層狀流靜態(tài)響應(yīng)特性，建立了水平油水層狀流下的有限元模型，并計算了不同相含率（持水率）下的傳感器電容值。水平油水層狀流有限元剖分模型見圖，其中檢測電極間距為，金屬電極半徑為，特氟龍厚度為，模型剖分單元類型為三維節(jié)點四面體單元，剖分單元總數(shù)為，上部紅色流體代表油相，下部藍(lán)色流體代表水相，模型對應(yīng)持水率為。對層狀流傳感器有限元計算結(jié)果歸一化處理（）式中，為傳感器計算電容歸一化值；為油水按不同持水率配比時電容計算值；為全油時的電容計算值；為全水時的電容計算值。為考察平

9、行線電容傳感器的測量響應(yīng)特性，以驗證電容傳感器測量系統(tǒng)有效性，對不同持水率的水平油水層狀流進(jìn)行了靜態(tài)實驗測量。實驗管道選用內(nèi)徑為的有機(jī)玻璃管，實驗介質(zhì)為號白油和自來水，白油密度為，黏度為。實驗中將油水兩相按體積配比為不同持水率的油水層狀分布，同時對平行線電容傳感器輸出響應(yīng)進(jìn)行實時測量，并對電容測量電壓值進(jìn)行歸一化處理（）式中，為輸出電壓歸一化值；為油水混合時電壓輸出值；為全油時電壓輸出值；為全水時電壓輸出值。對于水平油水層狀流靜態(tài)分布，平行線電容傳感器靜態(tài)實驗測量結(jié)果與仿真結(jié)果見圖?？梢钥闯?，對于油水層狀流傳感器有限元計算結(jié)果與實際測量結(jié)果有較好的一致性，且測量靈敏度及線性度較高。圖平行線電容傳感器測量結(jié)果與仿真結(jié)果對比圖結(jié)論（）用有限元分析方法考察了平行線電容傳感器靈敏場分布特性及其結(jié)構(gòu)參數(shù)對靈敏場的影響。（）通過對傳感器二維靈敏場分布的考察，發(fā)現(xiàn)傳感器靈敏度高值區(qū)域主要集中在電極附近，遠(yuǎn)離電極區(qū)域的靈敏度值相