专利名称：一种用于水平井含水率测量的电容式传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种油田上用于水平产出井含水率测量的电器元件，具体地 说是涉及一种用于水平井含水率测量的电容式传感器。
背景技术：
目前，在低产量水平产出油井中，主要应用内插式同轴电容含水 率测量传感器测量含水率，但在低流量下由于油水分层，常常造成其 分辨率较低，在含水率50%以上时则很难分辨。分析其原因在于电 容法持水率计上应用的内插式同轴电容含水率测量传感器其取样室 可等价为一个同轴圆柱形电容器，油气水混合物是电介质，当油与水 含量不同时，同轴电容器的电容相应地改变，因此可以通过测量电容 值得到持水率。假设电容器的中心电极的半径为r ，包裹电极的绝缘 层半径为R,，绝缘材料相对介电常数为电容器外电极的半径为 R2，高度为H。内外电极之间的油水混合物的介电常数为Er2。 C为电 容，则柱状电容器的电容量为 C = — 2，^
，i ， ， A
式中f。为真空中的介电常数，^为油水混合介电常数。'
当传感器用于水平井测量时，当含水率大于50%时，水实际上作 为导体将内外电极连通。取样室外的电势等于绝缘层表面的电势，即 外壳与内电极间的电容等于绝缘层间的电容，且为常量
上式说明此时c与含水率无关，即在水平层流的情况下，如果含
水率大于50%，就会使内外电极连通，此方法将失去分辨能力。
发明内容
为了解决现有内插式同轴电容含水率测量传感器在低流量和高 含水率的水平井中测量时存在的分辨率低甚至是不能分辨的问题，本 发明提供一种专门用于水平井含水率测量的电容式传感器，该种电容
式传感器主要针对流量为100m7d以内的水平产出井含水率的测量， 可以在含水率0_100%范围内有较好的分辨率，可以用来克服和弥补 内插式同轴电容含水率测量传感器的不足。
本发明的技术方案是该种用于水平井含水率测量的电容式传感 器，由带有台阶的内绝缘筒、金属内筒、外绝缘筒、金属外筒、挡环 以及压帽组成，其中所述内绝缘筒、金属内筒、外绝缘筒、金属外筒 依次由内至外嵌套，所述金属内筒位于挡环、内绝缘筒与外绝缘筒连 接后形成的密封绝缘腔内，由所述金属内筒上做导体连接后密封引出 一根与金属外筒绝缘的电极连接导线，由金属外筒上引出一根接地导 线。
本发明具有如下有益效果采取上述方案制成的用于水平井含水 率测量的电容式传感器重复性好、分辨率高，此外该传感器采用筒状 结构，流道内没有阻流元件，因此压头损失小，测量精度高。与内插 式同轴电容含水率测量传感器相比，实验结果证明在水平条件下，本 种用于水平井含水率测量的电容式传感器相可以在水平内油水分层 状态下测量含水率，并且在含水率0_100%范围都有好的分辨率。
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图l是本发明的结构剖视图。
图2是本发明中组成部件金属外筒的结构剖视图。
图3是本发明中组成部件外绝缘筒的结构剖视图。
图4是本发明中组成部件金属内筒的结构剖视图。
图5是本发明中组成部件内绝缘筒的结构剖视图。
图6是本发明中组成部件挡环的结构剖视图。
图7是本发明工作过程示意图。
图8为本发明中整个水体的等势面结构图。
图9为本发明应用于水平井多相流测量电容式含水率计上后，传 感器输出响应与水面高度的关系图。
图中l-金属外筒，2-内绝缘筒，3-金属内筒，4-外绝缘筒，5-挡环，6-压帽。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步说明
本发明中所述用于水平井含水率测量的电容式传感器，如图1所 示，由带有台阶的内绝缘筒2、金属内筒3、外绝缘筒4、金属外筒
1、挡环5以及压帽6组成，其中所述内绝缘筒2、金属内筒3、外 绝缘筒4、金属外筒l依次由内至外嵌套，所述金属内筒3位于挡环
5、内绝缘筒2与外绝缘筒4连接后形成的密封绝缘腔内。此外，由 所述金属内筒3上做导体连接后密封引出一根与金属外筒1绝缘的 电极连接导线，引出这根导线的目的在于连接外加的激励源(脉冲或 方波振荡电路)，另外，需要由金属外筒l上引出一根接地导线，其
目的在于使金属外壳接地。
上述是本发明实现的一个通常方案，通过一些实验找到了下列的 优选例
即所述金属内筒、金属外筒以及压帽采用拉丝不锈钢材料，称为 2 C r 1 3 ，而所述内绝缘筒、外绝缘筒以及挡环则采用聚酰亚胺作 为绝缘材料。
下面是一个验证过程，以证明本发明的有效性。 在低产液水平井中，油/水两相流体在水平流动的情况下受重力 的作用，它们将分层流动。作为轻质相的油将会在水面之上，如图7 所示。本发明所述的传感器由内到外依次为绝缘内层、金属层、绝缘 外层和金属外壳。在使用时，将外壳接地，从金属层引出电极作为激 励源，同时要保证电极与水绝缘。由于水在中低频率下是电的良导体， 在实际测量的过程中水与地接触，这样管道内部的水将与地等势成为 等势体。传感器内水体的外表面为等势面。图8所示为在本传感器中 整个水体的结构图，S,所代表的为与传感器内壁接触的部分。金属层 与外壳形成的是一个完整的圆柱电容器，其值为一常量，可以用公式 C 1 )计算
其中，R2金属外壳的内径，仏金属层的外径，h为外层绝缘介 质的介电常数，L为传感器的长度。金属层与水的外表面之间的电容 分为两部分， 一部分为金属层与Si形成的电容，可以认为其为圆柱 电容器的一部分-
<formula>formula see original document page 6</formula>
也可用平行板电容器模型近似计算其电容值
<formula>formula see original document page 6</formula>
R;金属层的内径，Ro内绝缘层的内径，E2为内层绝缘介质的 介电常数，a为Si对应的圆心角，A为S,的面积。当金属层半径和 绝缘内层半径相差不大，或绝缘内层很薄的情况下可以证明(2)、 (3) 式是等价的。
另一部分为金属层与S2之间的电容，金属层与S2之间含有两种 绝缘材料，油和绝缘内层，可以等效为两个电容的串联。当两个电容 串联时，其值小于任何一个电容的值，并且与较小的电容相接近。考 虑到这部分的电容值相对较小，为了便于分析，可以忽略。这样就得 到了传感器响应值同a的关系函数
<formula>formula see original document page 6</formula>响应值与a有很好的线性关系。
含水率同a的关系函数为 '
<formula>formula see original document page 6</formula>
Y.为含水率。"e
时上式是一个单调递增的函数，含水率的 变化范围是0—100%。可以看出含水率与响应值之间是一一对应的关 系。
为验证本种水平井多相流测量的电容式含水率计在水平条件下 的含水率测量效果，在室内开展了静态高度法实验研究。实验中以柴 油和清水为介质，将仪器传感器水平放置于充满柴油的容器中，向容 器内逐渐注入清水，传感器内水面会逐渐升高，即含水率增加；将水 逐渐放掉，水面就逐渐下降，即含水率降低。图9给出本发明应用于 水平井多相流测量电容式含水率计上后，传感器输出响应与水面高度 的关系图，图中给出了 5次重复的实验结果，通过抬高水面使水平放 置的传感器逐渐从全油过渡到全水，实验3次；2次从全水过渡到全 油，即水面下降。根据图9可知该传感器的输出响应(电容值)随水 面升高而单调递增或随水面的降低而单点减小，即随含水率的增加而 增加或随含水率的降低而降低，存在好的重复性。此外，实验结果证
明在水平条件下，水平井含水率测量的电容式传感器相比于内插式同 轴电容含水率测量传感器，可以在水平内油水分层状态下测量含水
率，并且在含水率0—100%范围都有好的分辨率。概括地说，重复
性好、分辨率高是本种电容式传感器的优点。此外，由于该传感器采 用筒状结构，流道内没有阻流元件，因此，不易损坏。而且由于产生 的压头损失小，测量精度较高。
权利要求
1、一种用于水平井含水率测量的电容式传感器，由内绝缘筒(2)、金属内筒(3)、外绝缘筒(4)、金属外筒(1)、挡环(5)以及压帽(6)组成，其中所述内绝缘筒(2)、金属内筒(3)、外绝缘筒(4)、金属外筒(1)依次由内至外嵌套，所述金属内筒(3)位于挡环(5)、内绝缘筒(2)与外绝缘筒(4)连接后形成的密封绝缘腔内，由所述金属内筒(3)上做导体连接后密封引出一根与金属外筒(1)绝缘的电极连接导线，由金属外筒(1)上引出一根接地导线。
2 、根据权利要求1所述的一种用于水平井含水率测量的电容式 传感器，其特征在于所述金属内筒(3)、金属外筒(1)以及压帽(6 )采用拉丝不锈钢材料。
3 、根据权利要求1或2所述的一种用于水平井含水率测量的电 容式传感器，其特征在于所述内绝缘筒(2)、外绝缘筒(4)以及 挡环(5)采用聚酰亚胺材料。
全文摘要
一种用于水平井含水率测量的电容式传感器。主要解决现有内插式同轴电容含水率测量传感器在低流量和高含水率的水平井中测量时存在的分辨率低甚至是不能分辨的问题。其特征在于电容式传感器，由内绝缘筒、金属内筒、外绝缘筒、金属外筒、挡环以及压帽组成，上述组件依次由内至外嵌套，金属内筒位于挡环、内绝缘筒与外绝缘筒连接后形成的密封绝缘腔内，由其上做导体连接后密封引出一根与金属外筒绝缘的电极连接导线，由金属外筒上引出一根接地导线。本种传感器主要针对流量为100m<sup>3</sup>/d以内的水平产出井含水率的测量，可以在含水率0-100％范围内有较好的分辨率，可以用来克服和弥补内插式同轴电容含水率测量传感器的不足。
文档编号E21B49/08GK101182770SQ200710301359
公开日2008年5月21日 申请日期2007年12月27日 优先权日2007年12月27日
发明者刘兴斌, 徐文峰, 军 李, 胡金海, 兵 蔡, 马水龙 申请人:大庆油田有限责任公司