双平行线微波谐振腔传感器油水两相流高含水率测量方法与流程

本发明涉及油田动态监测领域中低流量高含水油井油水两相流产出剖面生产测井技术。

背景技术：

我国陆上低孔隙度低渗透率油田由于长期采用注水开采手段，使得油井内多呈低流速高含水油水两相流生产状态。高分辨地测量低流速高含水油井油水两相流含水率对提高原油采收率及优化油藏生产特性具有重要价值。

目前常规油井产液剖面测试技术多采用电导法及电容法测量含水率，电导法及电容法激励信号的频率一般在100mhz以下，受其测量方法局限，两种测量方法对高含水(含水率大于90％)油水两相流的含水率测量分辨率低，对正确指导高含水油田开发方案调整提出挑战。

技术实现要素：

本发明提出一种双平行线微波谐振腔传感器油水两相流高含水率测量方法。通过双平行线微波谐振腔传感器对微波信号的衰减值来提取含水率信息，实现油水两相流含水率的高分辨率测量。技术方案如下：

一种双平行线微波谐振腔传感器油水两相流高含水率测量方法，用于高含水率油水两相流进行含水率测量，所采用的测量装置包括双平行线微波谐振腔传感器7、微波信号源5、定向耦合器6、和具有高频鉴幅鉴相器的信号调理单元；所述的双平行线微波谐振腔传感器包括传感器管道1、屏蔽层2、激励电极3和测量电极4，屏蔽层2固定在传感器管道1的外部，激励电极与接收电极穿过传感器管道1且与其保持垂直，对称分布在传感器管道1截面中心线的两侧，微波信号源5生成的微波信号通过定向耦合器分为两路相同信号，一路直接接入鉴幅鉴相器一个输入端，另一路通过连接到双平行线微波谐振腔传感器7的激励电极3，双平行线微波谐振腔传感器7的测量电极4连接到高频鉴幅鉴相器8的另一个输入端；通过高频鉴幅鉴相器8检测相位差信号和幅值差信号；测量方法如下：

(1)利用有限元仿真的方法，获得双平行线微波谐振腔传感器的最优尺寸及激励频率；

(2)利用将具有最优尺寸的双平行线微波谐振腔传感器固定在垂直上升的高含水油水两相流油水两相流管道中，通过低流速高含水油水两相流动态实验，采集高频鉴幅鉴相器检测到的相位差信号和幅值差信号；

(3)定义混合流体的归一化衰减值a表达式为：

a＝(vm-vo)/(vw-vo)

式中，vo、vw和vm分别是含率90％、全水和被测油水混合液流动条件下的信号衰减值；获得油水两相流信号归一化衰减测量值与实验标定含水率之间实验相关图版；

(4)在进行高含水率测量时，将传感器输出信号进行归一化衰减值处理，在已测量获取总流量条件下，利用含水率之间实验相关图版，计算出相应油水两相流含水率。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明设计的双平行线微波谐振腔传感器，可有效改善传感器电极粘污、腐蚀的影响，有利于在井下长期有效的工作。

(2)本发明设计的双平行线微波谐振腔传感器可适用于垂直井筒内低流速高含水油水两相流含水率高分辨测量，分辨率高达1％每10mv。

(3)本发明设计的双平行线微波谐振腔传感器使用全水值和含水率90％的测量曲线作为基本值校定测量值，可明显消除流型对含水率测量结果影响。

附图说明

图1是双平行线微波谐振腔传感器结构图。

图2是双平行线微波谐振腔传感器局部结构图。

图3是双平行线微波谐振腔传感器含水率测量系统结构图。

图4是油水两相流三种流型对应的双平行线微波谐振腔传感器测量电压信号，(a)(b)(c)分别为水包油段塞流、水包油泡状流、水包油细小泡状流。

图5是双平行线微波谐振腔传感器测量高含水油水两相流的衰减信号归一化测量值与实验标定的含水率及油水两相流总流量之间的实验图版。

附图标号说明：

1传感器管道；2屏蔽层；3激励电极；4测量电极；5、微波信号源；6、定向耦合器；7、双平行线微波谐振腔传感器；8、高频鉴幅鉴相器；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。该发明涉及的双平行线微波谐振腔传感器油水两相流测量方法主要包括以下步骤：

本发明旨在突破目前电导法及电容法测量高含水油井油水两相流的含水率局限，提出了一种双平行线微波谐振腔传感器测量高含水油水两相流含水率新方法。测量时，激励频率选择为1.3ghz，当油水混合液含水率变化时，传感器谐振腔内的谐振频率会发生较大变化，进而传感器传输的微波信号衰减也会随之发生变化，通过测量微波信号的衰减来计算油水混合液的含水率。微波传感器管壁使用聚四氟乙烯制成，具有良好的抗粘污及抗腐蚀性，激励电极与接收电极穿过测试段管道且与其保持垂直，对称分布在测试管道截面中心线两侧。激励电极及测量电极外涂有特氟龙以防止电极粘污或腐蚀。整个测量装置由铜皮包裹以避免杂散电磁波的干扰。

由于微波信号的频率极高，其激励电路、检测电路及传感器设计都与低频的电导及电容传感器有较大不同。采用高频电磁场有限元分析方法对传感器电极几何尺寸(电极的间距、电极直径)和工作频率进行优化，最终实现低流速高含水油井两相流含水率的高分辨测量。

本发明设计的双平行线传感器是一个双端口微波器件，信号调理单元核心为鉴幅鉴相器(图3)。为了避免信号源的相位噪声及幅值漂移对测量的影响，信号源输出的微波信号通过定向耦合器分为两路完全相同信号，一路直接接入鉴幅鉴相器，另一路通过传感器衰减后再接入鉴幅鉴相器。

双平行线微波谐振腔传感器的整体结构包括测试段管道1、屏蔽层2、垂直于测试段管道插入安装的激励电极3、测量电极4。激励电极与测量电极间距为d，电极半径为r。微波信号源5的输出端连接到定向耦合器6的输入端，定向耦合器6的输出端连接到双平行线微波谐振腔传感器7的激励电极，双平行线微波谐振腔传感器7的输出连接到高频鉴幅鉴相器8的一个输入端。定向耦合器6的耦合输出端连接到高频鉴幅鉴相器8的第二个输入端。高频鉴幅鉴相器8的输出9、10连接到数据采集设备。

将具有最优尺寸的双平行线微波谐振腔传感器安装在垂直上升小管径油水两相流实验装置中，当高含水油水两相流流体流经传感器测量区域时，对双平行线微波谐振腔传感器输出信号进行调理及采集。数据处理过程中，将不同流动工况下传感器电压信号进行归一化衰减值处理，在已测量获取总流量条件下，利用含水率动态实验测量图版(图5)，即可计算出相应油水两相流含水率。

下面结合附图说明双平行线微波谐振腔传感器油水两相流测量方法具体实施过程：

(1)本发明中，双平行线微波谐振腔传感器电极间距d，电极半径r采用有限元方法进行优化，通过仿真软件hfss建立弧形对壁微波传感器三维仿真模型，如图3所示。设置垂直上升管道内径d＝0.02m，垂直上升管道长度l＝0.2m，水相电阻率δw＝1000ω·m，油相电阻率δo＝10e20ω·m，铜电极电阻率δs＝5.8000e-8ω·m。采用自由剖分方式对仿真模型进行网格划分，施加载荷时采用恒压激励。其中，激励电极施加电压为1v，信号特性阻抗为50欧姆。仿真过程为：在hfss软件建模时，在模型中传感器测量截面上放入一个绝缘小球并附以油相电阻率属性，绝缘小球直径为0.5mm。激励电极的输出电压值跟随小球在管道中的位置不同而改变，因此，可通过激励电极电压的变化幅度计算出电导传感器的灵敏度。小球每变换一个坐标，可计算得到该坐标处的灵敏度值。将小球的坐标遍历弧形对壁微波传感器检测截面所有位置，得到该电极尺寸下的灵敏度分布。

本发明采用检测场均匀性误差参数(svp)和传感器相对灵敏度(savg)作为检验灵敏度分布的指标。传感器相对灵敏度(savg)的含义是指截面所有小球坐标处对应灵敏度的平均值，定义为：

定义测量截面的均匀性误差参数(svp)为：

式中，sdev为测量截面上不同位置的相对灵敏度的标准差，其定义为：

显然，savg值愈大，传感器灵敏度愈高，svp值愈小，即均匀性误差愈小。设置不同的电极长度、圆心角、以及激励信号频率并计算savg与svp，再综合传感器的幅频特性、相频特性最终确定双平行线微波谐振腔传感器的电极间距为7mm，电极半径为0.5mm，激励频率为1.3ghz。

(2)通过低流速高含水油水两相流动态实验，采集双平行线微波谐振腔传感器输出电压信号，获得油水两相流信号归一化衰减测量值与实验标定含水率之间实验相关图版(图5)，具体方法如下：

定义混合流体的归一化衰减值a表达式为：

a＝(vm-vo)/(vw-vo)

式中，vo、vw和vm分别是含率90％、全水和被测油水混合液流动条件下的信号衰减值。

(3)将不同流动工况下传感器电压信号进行归一化衰减值处理，在已测量获取总流量前提下，利用含水率动态实验测量图版(图5)，即可计算出相应含水率值。

实验验证与结果：

利用本发明设计的低流速高含水油水两相流双平行线微波谐振腔传感器，可得到水包油段塞流、水包油泡状流和水包油细小泡状流的测量信号(图4)、归一化衰减值与标定含水率之间实验图版(图5)。可以看出，双平行线微波谐振腔传感器电压波动信号(归一化衰减值)在低流量及高含水时具有很高的含水率分辨率，尤其是在含水率大于90％时，其含水率测量分辨能力是其它电导法及电容法所不具备的，验证了本发明设计的油水两相流双平行线微波谐振腔传感器高分辨测量含水率的有效性。