1 引 言
在油田产出剖面测井中,准确可靠地测量油井产出液的含水率非常重要。在高含水条件下,刘兴斌等人提出的阻抗式含水率测量法[1]的应用效果明显优于传统过流电容法和取样电容法,且能实现定点随时间的连续测量。但现有阻抗传感器驱动电路采用压控交流恒流源,其具有输出电流小、稳定性受电阻精度影响大、电路实现复杂等缺点,影响了仪器的使用范围和灵敏度。
本文采用直流恒流源器件,通过快速切换正负极性的方式形成双向脉冲激励恒流源;在激励信号的前半周期和后半周期,施加在激励电极对上的是幅值相同、极性相反的直流电流信号。这种方法具有激励电流调节范围大(0. 3~100 mA),抗干扰性强,结构简单的优点,可以提高阻抗式含水率计在高矿化度和特高含水条件下的测量效果。
2 阻抗式含水率测量仪工作原理
阻抗传感器的结构如图1所示,由安装在绝缘管壁上按一定距离排列的4个圆环不锈钢电极组成,外面一对作为激励电极,中间一对作为测量电极[2]。目前,普遍采用的工作方式是电流激励、电压测量,激励电流通过传感器的激励电极对施加到被测区域,建立敏感电流场。在水为连续相条件下,当流体从传感器内流过时,离散相颗粒尺寸分布和空间分布的随机变化,将导致流体电导率发生改变,测量电极将检测到这种变化,并输出幅度与流体电导率成反比的电压信号。
设流过传感器流体的混相电导率为σm,连续水相电导率为σw,混相时测量电极间输出电压为Vm,全水时(水浸没所有电极)测量电极间输出电压为Vw,则有:
大量实验结果表明,对于油水两相垂直向上管流,Maxwell模型具有较高的测量精度。根据式(1)和式(2)可得流体持水率计算公式为:
由此可见,传感器所使用激励电流源性能的好坏将直接影响Vm和Vw的输出误差,进而影响阻抗式含水率计的测量精度。*
3 传统激励源的缺点
传统阻抗传感器激励源通常采用运算放大器构成的压控交流恒流源[3],电路原理如图2所示。
为了消除直流电流激励下不可避免的介质电极化现象,通常使控制电压V0的幅值按某一频率正弦波变化,这时理想输出电流IL为如图3(a)所示的标准正弦波。
可以看出,上述压控交流恒流源有以下三个其本身无法克服的缺点:
(1)输出电流IL的稳定性受电路中电阻精度的影响大。由式(6)可知,IL是否恒定由电阻R1、R2、R3和R4决定;由于含水率测量仪是在油井井下工作,电阻阻值会随井温变化而发生漂移,使得R1R4≠R2R3。这时IL将随负载RL的变化而发生波动,幅值不再恒定,输出一个如图3(b)所示的近似正弦波,这将直接导致含水率计的测量精度下降。
(2)输出电流IL的幅值小。由式(7)可知,IL的幅度由V0、R1、R3和R5决定,一般在10-8~10-3A之间,这将致使阻抗传感器对细小油泡不敏感,影响含水率测量的灵敏度。另外,在高矿化度和高含水率条件下,小电流激励还将导致含水率测量仪不能正常工作,限制了仪器的使用范围。
(3)由于采用交流激励模式,传感器测量电极对上的输出电压必为交流信号,该信号须经过复杂的滤波、AC/DC变换等环节才能转换为适合数据采集的直流信号。这些附加操作不仅降低了仪器的测量精度,而且使含水率测量的实时性变差。
4 激励源的优化设计
为了克服传统交流激励电流源的缺点,本系统采用直流恒流源器件,通过快速切换正负极性的方式形成双向脉冲激励恒流源,其输出电流为一方波信号,即在每个半周期内,通过传感器激励电极对的电流保持恒定,如图4(a)所示。由于在激励信号的前、后半周期内,激励电流同值反向,这样在一个周期内,介质电极化现象得以避免。实验表明,当激励频率超过10 kHz时,电极之间单相水流的电阻值会趋于稳定,实际中我们采用20 kHz的切换频率,可有效控制流过传感器油水混合物的电离效应,并可减少电极上发生的点蚀现象。
当脉冲电流施加到激励电极对上时,电场的存在将导致介质中电荷的移动,在电极表面聚集大量的电荷,从而引起边界层效应,致使激励电极上的电压波形为如图4(b)所示的近似方波信号,其形状与激励电流强度、介质电荷种类、电极环大小等因素有关[4]。对于测量电极对,由于介质和电极表面间的电流可以忽略,不会造成边界层效应,理想情况下其输出电压波形为一标准方波信号,如图5(a)所示,电压幅值和激励电流成正比、与被测区域介质等效电导成反比。实际应用中,还应考虑直流恒流源器件有几微秒的动态稳定时间,这将导致测量电极对上的输出电压并不是一个理想方波,而是如图5(b)所示的近似方波信号。
当采用双向脉冲恒流源后,在激励信号的每个半周期内,测量电极对间的被测流体可视为受到恒定直流电流的激励,其两端的电位差满足欧姆定律;这意味着AD采样在测量电极对间电波形的平坦部位进行即可,而不需要传统交流激励信号所采用的滤波、AC/DC转换等复杂处理环节,含水率测量的实时性得到改善。在每个激励周期内,系统对测量电极对上的电压采样两次,一次位于激励信号的正半周期内,另一次位于激励信号的负半周期内。为了保证采样时测量电极对上的电压信号已经稳定,两次A/D采样时刻被严格控制在输出电压信号前后半周期的50%处。
新型激励源的主要实现芯片为精密恒流源器件DH903B和高速单刀双掷模拟开关MAX303。DH903B的动态稳定时间仅需4μs,输出电流调节范围0.3 ~100mA,且其温度稳定性好,温度系数最劣值仍保持在4×10-4℃以下。可见,双向脉冲激励恒流源可以克服传统交流激励电流源的不足,提高阻抗式含水率测量仪的灵敏度和精确度,改善仪器在高矿化度和特高含水条件下的测量效果。
5 实验结果
动态实验在大庆生产测井研究所多相流实验装置上进行,该实验装置由长8 m、内径为125 mm的透明有机玻璃井筒,高45 m的油水稳压塔,标准流量计和三个内部相连的油水分离罐组成,实验介质为柴油和水。另外,为了模拟油井高矿化度条件,还在油水混合物中加入了少许电解质。实验时,将测量仪置于有机玻璃井筒内,并张开伞式集流器,以保证所有流体全部流过测量通道。
实验过程中,配给流量调节为5、10、20、30、40、50、60、70、80 m3/d,各流量下含水率调节为50%、60%、70%、80%、90%、95%,测量得到的刻度图版如图6所示。可以看出,在流量为5 m3/d时,仪器测量误差较大,这主要是由于低流速下油水滑脱效应明显,导致阻抗传感器分辨能力下降;当流量高于10 m3/d时,仪器输出每条测量曲线的间隔近于均匀,测量误差小于±3%。另外,当含水率为95%时,仪器测量结果很好,表明在特高含水条件下系统可正常工作。
使用含有双向脉冲恒流源的含水率计在大庆油田进行了现场试验。在北12J32xxx井测得的含水率为86. 2%,该井井口化验含水为84. 6%,测量相对误差为1. 9%。在北32102xxx井测得的含水率为94%,该井井口化验含水为92. 5%,测量相对误差为1. 6%。试验结果表明仪器测量误差在允许范围内,且在高含水条件下仪器有良好的分辨力。
6 结 论
为了克服传统交流激励电流源的缺点,本文采用双向脉冲恒流源作为阻抗传感器的激励信号,其具有温度稳定性好、输出电流调节范围大,抗干扰性强,结构简单的优点,可以提高油井含水率测量的精度和灵敏度。动态实验表明,采用新型激励源的测量仪在介质高矿化度和特高含水条件下,均具有良好的含水率分辨能力;当流量高于10 m3/d时,仪器测量误差小于±3%,其精度优于采用传统压控交流激励源的含水率测量仪。
参考文献:
[1] 胡金海,刘兴斌,等.阻抗式含水率计及其应用[J].测井技术, 1999, 23(增刊): 5112514.
[2] 胡金海,刘兴斌,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): 1542157.
[3] 钱如竹.用运算放大器构成压控恒流源的研究[J].电测与仪表, 2002, 39(4): 31233.
[4] 刘铁军,黄志尧,等.基于双极性脉冲电流技术的电阻层析实时成像系统[J].传感技术学报, 2005, 18(1): 66269.
