截面互相關流量測井儀設計與試驗研究*

杜佳楠，胡金海，劉曉磊，李屹威，王延軍

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163153)

0 引 言

在油井的產出剖面測試中，通常使用渦輪流量計測量流量，由于渦輪流量計存在可動部件，易受砂卡和異物影響[1]，所以近年來針對這種渦輪式流量傳感器開發了一系列無可動部件的流量計[2]，其中電導相關流量計具有無可動部件、無阻流元件等特點[3]，在現場應用中已經見到效果。在以往的設計中，電導式相關流量計分別采用2對電極作為電導相關傳感器的上、下游傳感器，所以上下游電極對測量到的是流經傳感器內一段流體阻抗信號的平均值[4]，對流體流動信號有平滑和濾波效應，這會降低流體電壓擾動信號的強度，并且易造成上游信號和下游信號的疊加。在油水分布極其均勻的情況下，2路信號相似性不強，導致互相關運算出現壞點，特別是在油泡微小或油泡數量極少情況下[5]，對油泡響應不敏感,無法實現互相關運算，給測量帶來較大誤差。基于以上原因開發了截面互相關流量傳感器，用位于同一截面上的內、外兩個電極環代替原來的前后兩個電極環，這樣傳感器測量到的電導值是流過截面附近的流體，這使得截面互相關流量傳感器更加敏感于截面流體組分分布，增強了上游電壓信號和下游電壓信號的相似度，可以進一步改善互相關效果，減少互相關運算壞點，進而提高測量精度。同時，能夠對微小油泡，或在高含水小油泡數量極少情況下對油泡都有響應。

1 測量原理

1.1 傳感器設計原理

儀器整體由電路部分、流體窗口、傳感器部分和集流傘組成。傳感器部分有1對上測量電極和1對下測量電極沿流體流速方向，絕緣筒和絕緣棒之間形成環形空間，使被測液體得以從環形空間內流過。絕緣棒設置在絕緣筒內，并且與絕緣筒同軸，絕緣棒的中段沿軸向排布下游測量電極和上游測量電極，下游測量電極和上游測量電極由2對導電金屬環構成，分別鑲嵌在絕緣棒的側壁上，下游測量電極和上游測量電極分別采用電壓源供電，如圖1所示。

圖1 傳感器原理圖

內電極環與外電極環構成電流回路，流體經過集流傘集流后先后經過2個傳感器，分別在2路測量電極上測得2個曲線，這2條曲線在一定時間間隔內有一定的相似性，采用互相關運算分析這2條曲線的相似性，得到流體截面通過2路傳感器的時間間隔，即渡越時間τ。采集到的2組離散數據進行互相關運算表達式如下：

(1)

其中m從0到n-1變化，Rxy(n)為互相關函數，當Rxy(n)有極大值時計算時間間隔即可得到渡越時間τ，如果兩傳感器之間間距為L，那么流體流速可表示為：

V=L/τ

(2)

進而得到當截面積為S時的流量Q為：

Q=SV

(3)

1.2 電導響應原理

由于在恒定電流下的電流密度與電場強度成正比[6]，在傳感器內外環上取距離最近的2點，通過分析相距2a的2個直線電極的電力線分布情況就可以知道經過這2點截面上的電場強度分布情況，如圖2所示。

圖2 電力線分布圖

則P(x,y)點在x分量上產生的電場強度可以由以下公式表示[7]：

(4)

其中r1、r2為點P(x,y)與2個電極距離，λ為取決于2個電極的常量，ε0為液體介電常數。取y軸上一點y0，則其電場強度絕對值為：

(5)

對以上公式取0到y0的積分可以得到半徑為y0的電通量：

(6)

由此可以得出y點與0點不同的距離與所包含的電通量關系，假設a=1，如表1所示。

表1 間距與電力線占比

從表1可見當距離中心點為電極距a時，相當于包含了50%的電通量，而距離等于電極間距(即2a)時包含的電通量達到了70%，從以上的分析可以得出如下結論：在流體中電極截面附近的電流密度呈梯度分布，且在電極截面電流密度達到最大，而且在正好經過截面時擾動最大，對阻抗的響應也最敏感，用截面測量方法相對于以往測量一段流體阻抗平均值的方法更靈敏。

2 電路設計

由于井下高溫高壓的測量環境和過環空儀器的管徑限制，電路的PCB板制作寬度應該小于2 cm，電路使用的芯片全部使用貼片封裝且工作溫度范圍應達到0～125 ℃。電路由激勵端與接收端組成，由運放搭建的方波發生器產生激勵，經過2路電壓跟隨連接到2個傳感器激勵端，如圖3所示。

圖3 電路模塊框圖

在傳感器出現的不規律電壓波形傳送給接收端，經過檢波、放大、濾波后由自行設計的地面采集系統采集，轉換成數字信號以后通過USB接口上傳至上位機電腦，由軟件顯示實時數據。

3 室內試驗

試驗是在油水兩相介質[8]中進行的，將儀器置于多相流模擬試驗裝置中，撐開集流傘后分別使不同流量不同含水率的兩相流通過傳感器。控制試驗裝置使流量在5～60 m3/d范圍內遞增、每個流量值分別取50%、70%、90%的含水率，同時記錄試驗結果。

由顯示結果可以看出，當兩相流通過絕緣棒與絕緣筒之間的環形空間時，在上游測量電極和下游測量電極上會分別產生2路電壓擾動信號，通過示波器觀察2路電壓信號具有明顯的相似性，并且有明顯的時間延遲，圖4給出了流量為10 m3/d、含水為50%的截圖，圖中上邊2個曲線為采集到的2路模擬信號波形，最下面為對應的互相關分析結果。

試驗過程在室內模擬井完成，在試驗過程中測量不同的含水率和流量下儀器的響應，由傳感器結構可以得出，流體的流量值F與渡越時間τ之間存在如下關系：

F=KLS/τ

(7)

其中K為常數，L為傳感器電極環間距，S為傳感器內部截面積，其中L和S為常量，可以整合到K值里，得到如下關系：

F=K/τ

(8)

由此得到的傳感器流量擬合直線，其中R2=0.999 2，在5～60 m3/d的測量范圍內滿量程誤差為4.8%，如圖5所示。

圖4 輸出信號波形圖

圖5 傳感器輸出數據曲線

4 結 論

1)根據傳感器結構建立模型，通過現有的電磁理論分析總結出電場分布規律，確定了儀器的結構并通過電場分布規律得出截面相關流量計具有較好的實時性和阻抗唯一性。

2)設計了傳感器的激勵、采集電路，儀器輸出的不規則波形能夠準確反映環套空間內的阻抗變化，上位機軟件能夠實時完成渡越時間和流量的計算。

3)完成了在多相流模擬裝置上的試驗，試驗結果表明在50%～90%范圍內線性度達到0.999 2，滿量程精度5%以內流量可以適應現場測量。