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容传感器的含水率测量装置。
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。在输送管道中，原油含水率的精确测量，对于确定出水或出油层位、估计产量和预测油井的开发寿命、油田的产量及质量控制、油井状态检测、提高二次采油质量等方面具有重要的作用。因此，含水率是一个很重要的检测参数，实时在线检测含水率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。
在石油开采初期，大部分油井内充满低含水率的油水两相流。对于这种情况，水相为离散相，油相为连续相，电容法含水率测量技术是首要选择。传统电容传感器是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；同轴筒状电容传感器大部分为截断式安装，安装复杂，维护困难；截面多电极(如ect成像技术)能够较准确的测量出管道中两相流的分布情况，但其结构复杂、安装不便且成本高。因此，对于低含水率的油水两相流，亟需提出激励场均匀且结构简单、便于安装的传感器及测量装置。
技术实现要素：
针对油井低含水的油水两相流含水率测量问题，本发明提出一种插入式电容传感器装置，旨在为以油相为连续相的低含水油水两相流含水率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。当管道内的导电介质为离散相、绝缘介质为连续相时，将管道内的混合介质等效为一个电容，混合介质的相含率发生变化时，电容随之变化，最终可由两者之间的函数关系获得含水率。技术方案如下：
一种基于插入式电容传感器的含水率测量装置，用于以油为连续相的低含水油水两相流管道内的含水率测量，包括电容传感器、信号处理单元、有效值测量单元和计算单元，其特征在于，
电容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，电容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容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，同时连接到电容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rf和电容cf并联后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。
有效值测量单元，将差分放大器的交流输出正弦电压信号转化为电压有效值，获得与被测管道中的油水两相流的电容值成正比的输出电压。
计算单元，根据所获得与被测管道中的油水两相流的电容值成正比的输出电压，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。
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)获得了与被测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；
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、显示仪表壳体，10、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、有效值测量单元以及计算单元的设计，具体设计如下：
1.传感器设计
如图1所示，插入式电容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容传感器中油水两相流的电容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)，然后输出到有效值测量单元，后者提取出其中包含电容信息的电压有效值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容的影响；
(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和电容cf并联后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电容值cx成正比关系。本发明将油水两相流等效为电容cx，等效后的测量电路如图2所示，其对应容抗为
(5)在电压信号vo1(t)中，为获得与被测电容成正比的电压信号，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
3.经有效值测量单元，将差分放大器的交流输出正弦电压vo2(t)转化为电压有效值vo。该有效值与被测管道中的油水两相流的电容值成正比。
4.计算单元
在获得与被测电容值成正比的输出电压后，由公式
对于上述油水两相流电容值与含水率的函数关系模型，常用模型主要包括简单串并联模型、maxwell-garnett模型、bruggeman模型、hanai模型、指数模型以及对数模型等。此外，还可以通过实验标定获得具体的电容值与含水率，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容传感器的设计如图3所示，此传感器应用于内径较小且具有弯管部分的管道。将插入式电容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。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
获得油水两相流的电容值cx后，本实施例采用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，经电路处理后的测量电压有效值为
(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(1)中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。
本发明原理及结构简单、易于安装、应用范围广，适用于低含水的油水两相流的含水率测量。