基于插入式电阻抗传感器的含水率及矿化度测量装置的制作方法

本发明涉及油田开采领域，具体而言，涉及一种基于插入式电阻抗传感器的含水率及矿化度的测量装置。

背景技术：

当今社会的发展对能源的需求不断增大，石油作为＂第一能源＂，在国民经济、国家战略中有着十分重要的地位。但是，石油是一种不可再生的能源，所以在开采过程中尽量减少开采损失、充分利用资源具有十分重大的意义。在石油工程中，为了提高原油的开采效率，经常在油井的二次开采中采用高压注水、注聚合物的技术。但这一过程使得开采出的原油中含有水，导致油井开采以及开采后的传送过程中普遍存在油水两相流。原油的开采、脱水、集输、计量、冶炼等过程均会受到原油含水率的直接影响。同时，在油田开采过程中，所用传感器在投入使用之前常采用自来水进行标定，然而自来水与油田中含有的地下水差异较大，从而影响传感器测量精度。因此在测量井下流体之前需要进行一系列的校正，其中包括矿化度的校正。含水率和矿化度是很重要的检测参数，实时在线检测含水率和矿化度具有十分重要的意义，同时也是油田精确在线计量的难点问题。

为测量含水率和矿化度，常利用油水两相流的电导率或介电常数等介质参数与含水率和矿化度之间的关系模型进行求解。在传统的测量方法中，如电导法或电容法，其把油水两相流等效为其中一种参数，进而求解含水率。而油水两相流不仅包含了电导信息，同时也包含电容信息，因此传统的测量方法获得的信息比较片面。此外，传统的传感器由一对平板电极组成，其中一个作为激励电极，另一个为测量电极。这种电极虽然激励场分布均匀，但存在电力线边缘效应以及电极正对面积、电极间距难以确定等问题，适用于方形管道；对壁圆弧电极虽然解决了平行板电极的问题，但同时导致了电极之间的距离分布不均匀，即电极中间处距离较远、电极边缘处距离较近，导致激励场分布不均匀，从而影响测量信息；网状电极结构能够较好的反映同一时刻全管道截面上的信息，另外截面多电极(如eit成像技术)也能够较准确的测量出管道中两相流的分布情况，但两者均存在结构复杂、安装不便且成本高的问题。因此，亟需提出一种激励场均匀且结构简单、便于安装的电阻抗传感器来进行含水率与矿化度的测量。

技术实现要素：

针对油井油水两相流含水率及矿化度测量问题，本发明提出一种基于插入式电阻抗传感器的含水率及矿化度测量装置，旨在为油水两相流含水率及矿化度的测量设计出结构简单且激励场均匀的传感器形式、提供新的测量装置。本发明将管道内的油水两相流混合介质等效为一个电阻抗，即电导与电容的并联，混合介质的相含率发生变化时，电阻抗随之变化。由于矿化度对电导率的影响较大，对介电常数的影响相对较小，因此电容值不受水的矿化度的影响，可采用电容与含水率的函数模型进行含水率求解。在获得含水率后，采用含水率与混合相电导率之间的函数关系模型求出水相电导率，最后利用水相电导率与矿化度之间的函数关系，推导出矿化度。技术方案如下：

一种基于插入式电阻抗传感器的含水率及矿化度测量电路，用于油水两相流管道内的含水率及矿化度测量，包括电阻抗传感器、信号处理单元、解调单元和计算单元。其特征在于，

电阻抗传感器固定在竖向管道和横向管道的弯管接头处，沿着竖直管道方向自上向下插入，电阻抗传感器包括同时作为激励电极和测量电极的激励测量电极和固定在其上方和下方的两个保护电极；

信号处理单元包括前端放大器、同轴电缆、交流信号发生器和差分放大器，前端放大器的负输入端通过同轴电缆信号线与电阻抗传感器中的激励测量电极相连接，前端放大器的正输入端与交流信号发生器相连，同时连接到电阻抗传感器中的两个保护电极、同轴电缆的屏蔽层以及差分放大器的负输入端；一个标准电阻连接于前端放大器的负输入端和输出端；前端放大器的输出端连接到差分放大器的正输入端；

解调单元，用于对信号处理单元得到的正弦电压测量信号进行解调，提取出测量信号的实部和虚部信号，从而获得油水两相流的电导信息与电容信息；

计算单元，根据解调单元所获得的油水两相流的电导信息与电容信息，采用油水两相流电容值与含水率的函数关系模型，计算含水率；采用含水率与油水两相流混合电导率的函数关系模型，求出水相电导率，再根据水相电导率与矿化度的函数关系模型，计算矿化度。

在基于插入式结构中，本发明的激励测量电极共用传感器的同一个电极，金属管道作为参考地，比管段式结构更方便安装；本发明采用同轴电缆信号线进行测量信号的传输，该同轴电缆的屏蔽层连接交流信号发生器，消除测量电路中分布电容对测量信号的影响；本发明中，信号处理单元和插入式传感器相互配合，1)减少了电缆分布参数的影响；2)保证了激励测量电极处电场的均匀；3)分别获得了与被测电导和电容值成正比的输出电压。

附图说明

图1是测量原理图；

图2是测量等效电路；

图3是传感器结构图；

图4是电压vo2(t)的相角示意图；

上述图中的标记均为：

1、激励测量电极，2、保护电极，3、同轴电缆，4、屏蔽层，5、交流信号发生器，6、前端放大器，7、差分放大器，8、金属管道，9、运算放大器，10、乘法器，11、显示仪表壳体，12、法兰

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。

本发明主要包括传感器设计、信号处理单元、解调单元以及计算单元，具体设计如下：

1.传感器设计

如图1所示，插入式电阻抗传感器由中间的激励测量电极和上下的两个保护电极组成。其中，激励和测量共用传感器的同一个电极，以连地金属管道作为参考地。安装时，传感器沿着竖直管道方向自上向下插入，使电极位于竖直管道轴心。传感器的激励测量电极和保护电极分别引线到信号处理单元，引线采用屏蔽电缆，由传感器中心引出。

2.信号处理单元起到将电阻抗传感器中油水两相流的电阻抗信号转化为可测量的电信号的作用，是测量系统的核心部分。信号处理单元的构成包括前端放大器、同轴电缆、交流信号发生器和差分放大器。信号处理单元将传感器采集到的信号,经过前端放大器转化为电压信号vo1(t)，再经过差分放大器获得正弦电压vo2(t)，然后输出到解调单元，后者提取出其中包含电导和电容信息的电压作为整个单元的输出电压。具体情况如下：

(1)首先将传感器与信号处理单元通过同轴电缆连接起来，即，将同轴电缆信号线的一端连接传感器的激励测量电极，另一端连接前端放大器的负输入端，使测量信号经同轴电缆信号线传输至前端放大器上；

(2)采用交流信号发生器为传感器提供激励电压vi(t)＝vimsin(ωt)，为了减少激励测量电极处的电极边缘效应的影响，本发明将交流信号发生器的输出施加于传感器的保护电极和前端放大器的正输入端，根据“虚短”原理，连接前端放大器负输入端的激励测量电极与保护电极的电势相同，由于电极边缘电场的畸变发生在保护电极附近，从而避免了电极边缘效应对激励测量电极测量电阻抗的影响；

(3)在(2)中的连接方式下，本发明将交流信号发生器的输出施加于连接激励测量电极同轴电缆的屏蔽层和前端放大器的正输入端，根据“虚短”原理，同轴电缆的信号线与屏蔽线等势，从而减少了电缆分布电容对测量的影响；

(4)一个标准电阻rf连接于前端放大器的负输入端和输出端，流经激励测量电极和金属管道的电流与油水两相流的阻抗值z成正比关系。本发明将油水两相流等效为电阻抗等效后的测量电路如图2所示。中，ω为激励电压角频率，gx为混合介质的电导值，cx为混合介质的电容值。因此，经过电压激励后得到放大电压信号为vo1(t)＝vi(t)+(gx+jωcx)rfvi(t)；

(5)在电压信号vo1(t)中，为获得与被测电导和电容信息成正比的电压信号，该发明引入差分放大器，将前端放大器的输出端和交流信号发生器的输出端分别连接于差分放大器的正输入端和负输入端。上述电压vo1(t)信号经差分放大器转化成正弦电压信号vo2(t)＝vo1(t)-vi(t)＝(gx+jωcx)rfvi(t)。

3.解调单元

解调单元的目的是对信号处理单元中得到的正弦电压信号vo2(t)进行解调，提取出测量信号的实部和虚部信号，从而获得油水两相流的电导与电容信息。解调的方法主要包括数字解调、乘法解调和开关解调等方式。本发明采用的解调方法为实现简单的乘法解调，其工作原理如下：

乘法解调单元的输入信号为信号处理单元中差分放大器的输出电压其中为相位角，如图4所示。设置0°参考信号为与交流信号发生器提供的激励电压相同的vr1(t)＝vi(t)＝vimsin(ωt)。为获得90°参考信号，本发明将电容元件cm与运算放大器的负输入端相连，后者的正输入端接地，一个标准电阻rm连接于运算放大器的负输入端和输出端，使激励电压流经上述电路后，相位超前90°，即获得90°参考信号

为获得输入信号的实部，将输入信号和0°参考信号经过乘法器，得到输出信号为

再经过低通滤波器，设置滤波器的截止频率远小于2ω，得到输入信号的实部

为获得输入信号的虚部，将输入信号和90°参考信号经过乘法器，得到输出信号为再经过低通滤波器，得到输入信号的虚部

由上述过程，此时分别获得了与电导信息成正比的输出电压和与电容信息成正比的输出电压

4.计算单元

由于矿化度对电导率的影响较大，对介电常数的影响相对较小，因此在计算含水率和矿化度的过程中可忽略矿化度对介电常数的影响。在获得了分别与电导和电容成正比的输出电压后，即获得油水两相流的电导和电容值，可采用电容与含水率的函数模型进行含水率求解。在获得含水率后，采用含水率与混合相电导率之间的函数关系模型求出水相电导率，最后利用水相电导率与矿化度之间的函数关系，推导出矿化度。

对于水相电导率和矿化度的函数关系模型，由于不同地质条件与水文条件下的矿化度差异较大，现有的电导与矿化度的函数关系模型不能够无条件推广应用到所有环境。因此，在实际应用中，需要通过具体地域环境进行实验标定获得具体的电导值和矿化度，建立两者之间的具体关系，进而得出函数关系模型。

本实施例提供的插入式电阻抗传感器的设计如图3所示，此传感器应用于内径较小且具有弯管部分的管道。将插入式电阻抗传感器沿着竖直管道方向自上向下安装，使电极位于竖直管道轴心。激励和测量共用传感器的同一个电极，以连地金属管道作为参考地。传感器由中间的激励测量电极和上下的两个保护电极组成。激励检测电极和保护电极分别引线到信号处理单元，引线采用屏蔽电缆，由传感器中心引出。传感器通过安装于电极上方的法兰与管道进行连接。

本实施例中，为了保证激励电极与保护电极之间的相对位置固定，加工时应保证激励电极与保护电极之间存在1-2mm的绝缘间隔。为了使测量电极附近的电场分布的更加均匀，本实施例中要求激励测量电极所处的管道段无弯曲管段，即完全保证此处管段竖直。由于本实施例中，管壁为导电材质，且进行接地操作，因此需要防止保护电极与管壁之间短路，因此要求上侧保护电极的上边缘低于插入部分与弯管交接点10-15mm。

开始激励后，将传感器测量的信号经过同轴电缆信号线传输至信号处理单元。经过前端放大器、差分放大器的处理，获得电压信号vo2(t)＝(gx+jωcx)vi(t)rf。将此信号输入到解调单元，经内部电路处理，其解调后的输出电压实部为虚部为

通过解调单元获得油水两相流的电导和电容信息后，为获取含水率信息，本实施例在计算单元中采用maxwell-garnett公式来推导出电容值与含水率之间的具体对应函数关系，最终可得出相应的含水率值。推导过程如下：

(1)由前述可知，激励电压为vi(t)，混合相电容为cx，解调后的输出电压虚部为

(2)采用maxwell-garnett公式

推导得出：

其中，cw为水相电容，coil为油相电容，cx为油水两相流的含水率；

(3)通过测量电压与电容之间的正比关系可推导出：

(4)由此式即可计算出油水两相流的含水率αw。

在获得油水两相流的混合相电导率gx和含水率αw后，为求得水相电导率，本实施例采用混合相电导率与含水率的函数关系模型，maxwell模型，进行推导。采用maxwell公式推导得出：其中，gw为水相的电导，αw为油水两相流的含水率。将上述获得的混合相电导率gx和含水率αw带入公式即可求得水相电导率gw。

在获得水相电导率gw后，为获得油水两相流的矿化度信息，需要提前在被测区域对水质进行采样，通过实验标定获得具体的水相电导率和矿化度，从而建立两者之间的具体关系，得出函数关系模型。然后根据已测得的水相电导率推导出矿化度。本发明采用具体方法如下：

记水相电导率为自变量x，矿化度为因变量y，建立回归方程y＝ax+b。从被测区域的矿化水进行取样，利用测量仪器多次测取样本的电导率和矿化度具体数值，将几组数据带入回归方程求出系数a和b。根据此回归方程，以及前述所得水相电导率gw，即可求出相应的矿化度。

通过上述步骤即可得到油水两相流的含水率和矿化度。本发明原理及结构简单、易于安装、应用范围广，适用于油水两相流的含水率及矿化度测量。