電導法原油含水率測量傳感器的模型優化與仿真*

高國旺，李利品，黨瑞榮，賈　偉，王紅彬

（1.西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室/陜西省光電傳感與測井重點實驗室，西安710065；2.中國石油測井有限公司長慶事業部，西安710201）

電導法原油含水率測量傳感器的模型優化與仿真*

高國旺1*，李利品1，黨瑞榮1，賈偉1，王紅彬2

（1.西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室/陜西省光電傳感與測井重點實驗室，西安710065；2.中國石油測井有限公司長慶事業部，西安710201）

電導法原油含水率測量是基于陣列電極傳感器的一種測量方法，電極系的結構與參數對傳感器性能有著重要影響。擬研究電極系傳感器結構的優化設計方法，在建立傳感器電場分布理論模型的基礎上，利用ANSYS有限元軟件仿真電極系傳感器不同參數下的電場分布，分析電極環寬度、激勵電極對間距、測量電極間距等參數對傳感器性能的影響。依據仿真結果，確定傳感器的優化參數，并對傳感器進行了靈敏度的模擬測試，測試結果顯示:傳感器靈敏度仿真結果與實際測試結果一致性較好；在高含水（大于85%）的油水兩相流含水率測試精度可達3%。測試結果驗證了傳感器理論和仿真分析方法的有效性，為優化設計傳感器提供一種有效的方法。

原油含水率；電導法；電極系傳感器；有限元分析；仿真

EEACC:7230；7320Wdoi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.008

原油含水率的精確在線測量對油田開發中越來越重要，在確定油井出水、出油層位，估計原油產量，預測油井的開發壽命等方面有著重要意義［1］。特別是隨著油田開發進入中后期，油井產液中水分含量越來越大，綜合含水率已超過80%［2］的情況下，更加迫切需要原油含水率的測量。目前，常用的原油含水率測量方法包括:電容法、電導法、介電常數法、微波法、密度法、γ射線吸收或散射法等［2-11］，其中電導法特別適合含水率在50%～100%、水為連續相的高含水條件下的在線測量，且精度可達±3%［12］。

然而，電導法含水率測量對低含水以油為連續相的條件不敏感、測量精度不高。為了滿足油井0～100%含水率的動態測量，常常與其他方法組合，如與電容法組合形成電容電導法［12］；為了改進電導法含水率測量系統的適應性和提高測量性能，李利品［13］等建立了電阻-電容網絡含水率模型，適用于環狀流、分層流、泡狀流等流型，與Maxwell含水率模型相比具有更高的測試精度；另外，還可通過優化激勵源［14］或者改進傳感器結構［15］改善電導法含水率測量的精度。為了更好掌握電極系傳感器結構和參數對含水率測量結果的影響，本文借鑒先進的研究方法［16］，擬開展電極系傳感器模型的仿真分析研究，從理論上分析電極系參數對傳感器性能的影響，通過有限元軟件仿真、分析，確定優化的傳感器設計參數，并對實際傳感器結構進行測試，以驗證其仿真分析的結果的有效性。

1　電導式環形電極系結構及含水率測量

1.1電極系傳感器結構

電導法含水率測量傳感器多采用縱向環形電極系結構［17］，本文研究對象是八個電極環組成的傳感器結構，其能夠實現高含水油井的體積含水率和流量等參數的測量，如圖1所示，E1和E2為激勵電極，H1和H2為含水率測量電極，C1和C2、C3和C4為流量測量的相關電極。

圖1　環形八電極的電極系傳感器結構示意圖

1.2含水率和流量測量原理

環形電極系傳感器的含水率測量原理:在E1和E2電極對上外接一激勵源，當管道內流動的僅為水介質時，激勵電極和測量電極之間形成規則的電場，當油水混合流體流經傳感器測量管段時，傳感器所在流體中原來分布規則的電場就會發生不規則變形，使得測量電極上的電勢發生相應的不規則變化，對測量電極輸出的信號進行處理和分析，再利用合適的模型計算出多相流體中的體積含水率。

基于電學中的歐姆定律和Maxwell模型建立的多相流中的體積含水率計算公式［6］如下:

式中:Fw為測量流體僅為水介質時測量電極對測得的電壓幅值；Fm為多相流流體流過測量管段時測量電極對測得電壓幅值；αw為多相流流體中的含水率。從式（1）中可知，計算流體的體積含水率必須事先標定流體僅為水時測量電極輸出的電壓幅值Fw，該工作通常在儀器正式測試前完成。

通過兩對相關電極C1和C2、C3和C4輸出的信號，采用相關技術［7］求出兩個信號的渡越時間τ0，進而求出被測流體的體積平均流速vc和流體的體積流量Q，其公式為:

式中:L為兩個電極對直接的距離，A為流體流經的管道截面積，單位:m2。

2　電導式環形電極系傳感器的理論模型與仿真

假設電導式環形電極系傳感器的總長度為H，激勵電極環E1和E2之間的間距為Ze，測量電極環H1和H2之間的間距為Re，電極環的寬度為He。若以電導式電極系傳感器的中心為原點建立柱坐標系（r，?，z），再以球形絕緣介質（如流體中油泡或者氣泡）的球心為原點建立球坐標系（r′，?′，z′），給激勵電極環上施加電壓為U0的激勵信號，則傳感器內部的電勢u滿足的Laplace方程及相應邊界條件可以用如下的方程組（4）來描述。

電極系傳感器內部的電勢u（r，?，z）變化情況用ANSYS有限元軟件進行仿真。圖2（a）為環形電極系的建模和網格劃分結果，電極系傳感器內部區域的電勢分布情況如圖2（b）所示。電極系傳感器內部的電場分布云圖和電流密度矢量圖的仿真結果分別如圖2（c）和圖2（d）所示。u（r，?，z）（4）

由仿真結果可看出，電導式電極系傳感器內部的電勢分布是均勻變化的；除了激勵電極附近區域的電場有強弱變化外，測量電極所在敏感區域的電場強度分布較均勻；電極系傳感器內部區域的電流方向和Z軸正半軸所指方向一致，且電流只在內部流動，電流密度在激勵電極附近出現較強的電流密度變化，其他區域電流密度分布基本均勻。

圖2　電極系傳感器模型的電學特性仿真結果

3　電極系傳感器的參數優化設計與仿真

為了使電極系傳感器結構更加適合實際應用要求，以降低流型對測量結果的影響，重點開展電極系傳感器結構參數優化設計的研究，主要涉及到電極高度He、激勵電極間距Ze和測量電極間距Re等，通過軟件仿真分析這些參數變化對傳感器敏感區域內電場變化的情況。

3.1電極環寬度優化仿真

設定不同的電極環寬度He分別為5 mm、6 mm、7 mm、8 mm，通過ANSYS軟件仿真分析不同電極寬度下的電場分布，其結果如圖3所示。

仿真結果顯示:電極環寬度越大，激勵電極內部敏感場內的電場分布均勻性增加，電場分布均勻的區域也增加，傳感器敏感場內的均勻電場強度也有增大趨勢。

圖3　不同電極環寬度的電場分布云圖仿真結果

3.2激勵電極間距優化仿真

為了考察激勵電極間距對傳感器內部電場的分布影響，設定激勵電極間距Ze分別為200 mm、210 mm、230 mm、250 mm。通過ANSYS軟件仿真分析不同間距下的電場分布云圖，其結果如圖4所示。仿真結果顯示:隨著激勵電極間距的增加，傳感器內部敏感場內的電場分布均勻的區域也在增大，但電場強度稍有減小。

3.3測量電極間距優化仿真

測量電極置于激勵電極之間，電極間距的優化重點考慮對輸出靈敏度的影響。電導式傳感器靈敏度的定義如下:假設傳感器區域的介質為水時，測量電極對輸出電壓為U0，當在敏感場內放入一個不導電球形介質，傳感器的測量電壓U0與球形介質所處的位置坐標r、z有關，此時測量電壓的絕對變化量ΔU（r，z）和電導傳感器空間靈敏度Ψ（r，z）之間的關系可表示為:

式中:ΔUmax為傳感器測量得到的電壓變化量ΔU（r，z）的最大值。

根據電導式傳感器的工作機理及靈敏度的定義可知，傳感器的靈敏度軸向分布特性影響著測量結果。設定激勵電極間距為Ze=180 mm，測量電極間距Re設定為130 mm，100 mm，80 mm，60 mm時，沿軸向Z的靈敏度分布規律曲線如圖5所示。由圖5可看出，隨著測量電極間距Re的不斷增大，電導式電極系傳感器內部區域的高靈敏度區間也會增大，且在軸向中心附近較大區域內的靈敏度分布也比較均勻。

圖4　不同激勵電極間距的電場分布云圖仿真結果

圖5　傳感器沿Z軸的靈敏度分布規律曲線（Ze=180 mm）

4　傳感器設計與測試

電極系傳感器的結構:由鍍銀的銅圓環精制而成的電極環平滑鑲嵌在內徑為62 mm的玻璃鋼管道的內壁上。結合上述電極系參數的仿真結果，優化傳感器設計參數如下:激勵電極的間距為230 mm，測量電極間距為130 mm，兩對相關電極間距35 mm，每對相關電極間距為20 mm。電導式電極系傳感器的實物結構如圖6所示。4.1傳感器性能測試方法與結果

圖6　電導式電極系傳感器實物圖

為了驗證傳感器的性能，對其進行了測試，方法如下:將電極系傳感器管段侵入水介質中，用絕緣小球模擬三相混合流體中的油泡和氣泡，用信號源驅動激勵電極，記錄絕緣小球經過傳感器測量管段中流過時的測量電極輸出的電壓變化情況，測得的結果曲線如圖7所示。

圖7　實時采集得到的測量電壓變化曲線圖

當絕緣小球位于激勵電極和最外部的測量電極之間時，測量電壓小于只有水介質的測量電壓，且靈敏度較低，出現了峰谷；當絕緣小球位于測量電極所在的敏感區域時，測量電壓又會變大，靈敏度變高。這種變化規律仿真所得的電導式傳感器沿Z軸的靈敏度分布變化曲線一致，從而驗證了它的正確性。

4.2管道多相流含水率測試

室內的多相流體測量管道裝置如圖8所示，整套裝置包括兩個儲液罐、螺桿泵、空氣壓縮機、流量計等，利用工業白油和自來水組成油水混合流體，向管道中注入氣體，形成油、氣、水多相流。油水混合流體可通過螺桿泵和閥門控制在兩個儲液罐間輸送。將設計的電導式電極系傳感器安裝在試驗裝置中，利用自主研制的信號處理電路，采集和處理測量電極信號，計算含水率。首先利用純水標定傳感器測量電極的輸出電壓Fw，測試結果為0.712 V，然后進行室內含水率室內實驗測試。

圖8　室內流體測量試驗管道結構

實驗一:設定含水體積范圍為75%～100%，在固定流速的情況下進行了10組的測量，測試數據如表1所示，含水率實際值與測量值比較曲線和二者誤差曲線如圖9所示。

圖9　測試結果曲線與誤差曲線

表1　固定流速不同油水比例下的含水量測試結果

從測試結果可以看出:油水兩相流高含水率（75%～100%）的條件下，測量誤差小于6%，且含水率越高測量精度越高，在含水率在90%以上，測量結果誤差小于2%。

實驗二:已知實際含水率為83%，通過調節螺桿泵的轉速實現流速調節，流速調節范圍設定為6.45 m/s～8.00 m/s，共進行了10組的測量，測試結果如表2所示。從測試結果可以看出:在水油體積比例為83.25%條件下，流速變化對測量結果有一定的影響，誤差基本上在5%以內；流量測量的誤差在10%以內。

表2　固定油水比例下的含水率及流量測量結果

5　結論

利用有限元仿真軟件分析了電極系傳感器不同參數的影響，根據仿真結果優化設計電極系傳感器，并對傳感器進行了測試。由仿真和測試結果可得出如下結論:

①電極環寬度越大，傳感器敏感區域的電場強度越大；激勵電極對間距越大，傳感器敏感區域的電場分布區域也越大；測量電極間距越大，電極系傳感器內部區域的高靈敏度區間也將增大，越有利于提高測量精度；

②依據仿真結果優化設計的傳感器靈敏度測試結果與仿真結果一致性較好，從而驗證了仿真結果的有效性，也對電極系傳感器的優化設計提供了一種解決方法。

③優化設計的傳感器和含水率測量系統，在高含水（85%～100%）的油水兩相流條件下，含水率測量精度優于3%；在含水大于80%的情況下，流速在6.45 m/s～8.00 m/s變化會對含水率測量結果產生一定影響，但含水率平均誤差小于5%，流量測量誤差在10%以內。

總之，電導法原油含水率測量技術結構簡單、無污染、無阻流部件，在油田開發中后期高含水油井生產中有著應用前景。通過對對電極系傳感器結構和參數的仿真分析，有利于傳感器的優化設計，從而為提高電導式原油含水率測量系統的精度測量提供了一種解決方案。

［1］ 張乃祿，薛朝妹，徐競天等.原油含水率測量技術及其進展［J］.石油工業技術監督，2005，21（11）:25-28.

［2］ 回雪峰，吳錫令.油田開發中后期持水率測井技術研究與展望［J］.地球物理學進展，2004，19（1）:61-65.

［3］ 呂宇玲，何利民.多相流量計量技術綜述［J］.天然氣與石油，2004，22（4）:52-54.

［4］ 常麗，屈遠，葛震.原油含水率檢測線圈傳感器的優化［J］.計量學報，2014，35（5）:488-493.

［5］ Andreussi P，Donfrancesco A DI，Messia A.An Impedance Method for the Measurement of Liquid Hold-up in Two-Phase Flow［J］. Int J Multiphase Flow，1988，14（6）:777-785.

［6］ Tsochatzidis N A，Karapantsios T D，Kostoglou M V，et al.A Conductance Method for Measuring Liquid Fraction in Pipes and Packed Beds［J］.Int J Multiphase Flow，1992，18（5）:653-667.

［7］ Zhao Dongsheng，Dang Ruirong，Li Lipin，et al.The Flow Measurement of Multiphase Flow Based on the Conductance Sensor ［C］//2011 World Congress on Engineering and Technology，Shanghai，2011，7:800-803.

［8］ 張曉飛，楊定新，胡政，等.基于電介質介電常數測量的油液在線監測技術研究［J］.傳感技術學報，2008（12）:2088-2092.

［9］ 張平川，李興山，黎步銀.基于介電常數法的高精度油品含水率檢測儀［J］.傳感技術學報，2014，27（3）:416-420.

［10］于洋，孫香.微波法原油含水率測量［J］.儀表技術與傳感器，2011（12）:93-95.

［11］白秋果，景春國，舒冬梅.利用γ射線測量原油含水率和含氣率的數學算法分析［J］.核電子學與探測技術，2002，22（3）:225-227.

［12］張博.基于電容電導法的原油含水率測試儀研究［D］.中國石油大學，2008.

［13］李利品，黨瑞榮，黃燕群，等.油水兩相流中2種含水率計算模型比較［J］.儀器儀表學報，2012，33（4）:924-929.

［14］杜萌.基于電導傳感器的油水兩相流測量系統研究［D］.燕山大學，2009.

［15］芶陽明.SS4型找水儀含水率測量誤差分析［J］.石油學報，1991，21（3）:92-98.

［16］王保良，張偉波，黃志堯，等.電容耦合電阻層析成像傳感器結構優化設計研究［J］.傳感技術學報，2012，25（2）:206-211.

［17］胡金海，劉興斌，黃春輝，等.一種同時測量流量和含水率的電導式傳感器［J］.測井技術， 2002，26（2）:154-157.

高國旺（1977-），男，博士，現為西安石油大學電子工程學院副教授，研究方向為油氣井測試理論與技術信號處理等，wwgao1205@163.com；

李利品（1977-），女，博士，西安石油大學電子工程學院副教授，主要研究方向為多相流檢測、信號處理等，llphyq77@163.com；

黨瑞榮（1957-），男，1987年于北京理工大學獲得碩士學位，1991年于南京理工大學獲得博士學位，現為西安石油大學教授，主要研究方向為多相流檢測、電磁探測等，dangrr2648@126.com。

Optimization and Simulation of Conductivity Electrode Array Sensor for Measuring Water Content of Crude Oil*

GAO Guowang1*，LI Lipin1，DANG Ruirong1，JIA Wei1，WANG Hongbin2
（1.Key laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas，Ministry of Education/Shanxi Province Key Laboratory of Photoelectric Sensing and Logging，School of Electrical Engineering Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065，China；2.Changqing Division of China Petroleum Logging Co.LTD，Xi'an 710201，China）

The conductivity method for measuring water content of crude oil is a common method based on the array electrodes sensor，and its structure and parameters can influence the performance of electrode sensor.The optimizing method of array electrodes sensor will be researched in detail.First，numerical modeling of electric field generated by array electrode was founded depending on the structure of sensor and the electrical theory；then the ANSYS finite element software was used to simulate the distribution of electric field generated by sensor with different parameters and analyze the parameters of electrode sensor，such as electrode ring width，incentive electrode distance，measuring electrode distance，which affect on the performance of the sensor.Depending on the simulation results，the optimized parameters of sensor were determined and array electrodes sensor was designed.Finally，the tests were performed to verify the sensitivity and precision of sensor in the lab.The results of tests showed that there were good consistency between the simulation results and the actual testing results that verified the effectiveness of the sensor theory and method of design and analysis，the precision of the sensor based on optimized parameters could get to 3%when water content of oil-water two-phase flow is more than 85%.

watercontentofcrudeoil，conductivitymethod，arrayelectrodessensor，finiteelementanalysis，simulation

TE863.1

A

1004-1699（2015）09-1307-08

項目來源:陜西省科技統籌計劃項目（2012KTCL01-10）；西安石油大學博士創新基金項目（YS2903200140）；陜西省儀器科學與技術重點學科等項目

2015-04-24修改日期:2015-07-07