李 雷 劉興斌 胡金海 王延軍

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江大慶)

阻抗含水率計(jì)激勵(lì)源電路動(dòng)態(tài)特性研究

李 雷 劉興斌 胡金海 王延軍

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江大慶)

激勵(lì)電流源性能的好壞直接影響傳感器輸出的誤差。本文通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)阻抗含水率計(jì)激勵(lì)源電路的帶載能力,頻帶以及波形等特性進(jìn)行了研究和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:阻抗含水率計(jì)的激勵(lì)源帶載能力與輸出電流有關(guān),輸出電流越大,帶載能力越小,輸出電流越小,帶載能力越大;阻抗激勵(lì)源帶載峰值與電流成乘冪的關(guān)系;激勵(lì)源電路的頻帶為10Hz～100kHz;激勵(lì)源波形的變化對(duì)輸出電流沒有影響。

阻抗含水率計(jì);帶載能力;頻帶

0 引 言

大慶油田已進(jìn)入高含水期,在高含水條件下,阻抗式含水率計(jì)可以準(zhǔn)確可靠地測(cè)量油井產(chǎn)出液的含水率,且能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)隨時(shí)間的連續(xù)測(cè)量。對(duì)阻抗傳感器的研究是一個(gè)不斷認(rèn)識(shí)、不斷改進(jìn)的過程,前期開展過一些基礎(chǔ)性理論研究和實(shí)驗(yàn)研究,為傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要資料。本文結(jié)合以往的研究成果,重點(diǎn)在傳感器的電性特性上展開實(shí)驗(yàn)研究,通過電性特性實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果為將來設(shè)計(jì)更好的傳感器電性參數(shù)提供指導(dǎo),使傳感器在電性動(dòng)態(tài)特性上有更寬的適用范圍。

1 阻抗傳感器工作原理

阻抗傳感器由安裝在絕緣管壁上按一定距離排列的4個(gè)圓環(huán)不銹鋼電極[1]組成,外面一對(duì)作為激勵(lì)電極,中間一對(duì)作為測(cè)量電極,如圖1所示。激勵(lì)電流通過傳感器的激勵(lì)電極對(duì)施加到被測(cè)區(qū)域,建立敏感電流場(chǎng)。在水為連續(xù)相的條件下,當(dāng)流體從傳感器內(nèi)流過時(shí),離散相顆粒尺寸分布和空間分布的隨機(jī)變化,將直接導(dǎo)致流體電導(dǎo)率發(fā)生變化,測(cè)量電極將檢測(cè)到這種變化,并輸出幅度與流體電導(dǎo)率成反比的電壓信號(hào)。

由電學(xué)原理可知,兩測(cè)量電極間的電壓幅度與傳感器內(nèi)部流體的電導(dǎo)率成反比。設(shè)測(cè)量電極間的電導(dǎo)在油/水混相時(shí)為 Gm,全水時(shí)為 Gw,混合相的電導(dǎo)率為σm,水的電導(dǎo)率為σw,混相時(shí)傳感器輸出頻率為Fm(混相值),全水時(shí)為 Fw(全水值),則有:

圖1 阻抗傳感器示意圖

式中,β為兩相流中連續(xù)導(dǎo)電相的體積分?jǐn)?shù),在油水兩相流中為持水率。持水率是指井筒某處水相所占的體積百分比,持水率可通過流量校正為含水率。式(1)中的全水值與混相值之比稱為含水率相對(duì)響應(yīng)?；煜嘀翟谟退畠上嗔黧w流過傳感器時(shí)測(cè)得,全水值可通過傳感器下接一取樣器待油水兩相分離后獲得。

由此可見,激勵(lì)電流源性能的好壞將直接影響傳感器輸出電壓的誤差,進(jìn)而影響阻抗式含水率計(jì)的測(cè)量精度。本文以尋找激勵(lì)源電路的動(dòng)態(tài)特性為目的,展開實(shí)驗(yàn)研究。

2 激勵(lì)源工作原理

阻抗含水率計(jì)采用的工作方式是電流激勵(lì)、電壓測(cè)量。圖2即為激勵(lì)源電路,它是由高速雙運(yùn)算放大器LF353與電阻、電容構(gòu)成的壓控恒流電流源,能夠供一個(gè)恒定的電流。電路中,阻抗傳感器內(nèi)部流體的阻值 R傳就是負(fù)載,它兩端流過的電流大小為[2]:

圖2 阻抗式含水率計(jì)激勵(lì)源原理圖

選擇合適的電阻,使得 R1R4=R2R3,則上式變?yōu)?

式(4)表明壓控交流恒流源的輸出電流與負(fù)載電阻 R傳無關(guān)。

針對(duì)上述電路原理分析,展開了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中,調(diào)整電路中 R5的阻值,其他參數(shù)不變,觀察輸出電流的變化。結(jié)果如圖3所示,通過趨勢(shì)線擬合公式得出 y=ax-1(a為常數(shù)),驗(yàn)證了(2)式。

圖3 R5與阻抗式含水率計(jì)激勵(lì)源輸出電流關(guān)系圖

3 激勵(lì)源帶載能力實(shí)驗(yàn)及分析

大慶油田各個(gè)區(qū)塊地下水的礦化度不同,礦化度的變化直接影響被測(cè)流體電導(dǎo)率的變化。對(duì)于測(cè)量流體電導(dǎo)率變化的阻抗含水率計(jì)來說,其負(fù)載的變化范圍很大。因此,為找到合適的激勵(lì)源輸出電流,保證儀器的測(cè)量精度,需要對(duì)激勵(lì)源的帶載能力進(jìn)行研究。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

由式(4)可知,激勵(lì)源輸出電流的大小由 R5控制。首先,固定 R5的值不變,改變負(fù)載大小,記錄下電流值隨負(fù)載的變化情況。然后通過改變 R5來改變恒流源輸出電流的大小,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖可見:

1)每一條曲線代表不同大小的激勵(lì)源輸出電流的帶載能力;

2)每條線都是先有一段是平穩(wěn)的,然后開始下降。這說明激勵(lì)源是恒流源,但不是一直恒定,其所帶負(fù)載的上限與輸出電流的大小有關(guān);

3)每條線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)都不同,激勵(lì)源輸出電流越小,對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的值越大,激勵(lì)源輸出電流越大,對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的值越小;

圖4 阻抗式含水率計(jì)激勵(lì)源帶載能力標(biāo)定圖

圖5 阻抗含水率計(jì)激勵(lì)源輸出電流-最大負(fù)載關(guān)系圖

將圖4中各條線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流和負(fù)載值制成圖版。如圖5所示,在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下,各數(shù)據(jù)點(diǎn)呈直線分布。在圖中添加乘冪形式的趨勢(shì)線,與實(shí)驗(yàn)所得關(guān)系曲線基本重合,由此推知,激勵(lì)源輸出電流與最大負(fù)載之間成乘冪的關(guān)系。

4 激勵(lì)源頻率特性實(shí)驗(yàn)及分析

頻率特性實(shí)驗(yàn)的目的是為了考察傳感器在不同頻率下的響應(yīng)特性,為傳感器尋找最適合的工作頻域范圍。實(shí)驗(yàn)中,將阻抗式含水率計(jì)浸入清水中,改變激勵(lì)源的輸入頻率,觀察不同頻率下電流值的變化情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,當(dāng)頻率低于10Hz時(shí),電流值很低,波動(dòng)很大。頻率高于10Hz后,電流值迅速升高,而且趨于穩(wěn)定,保持在110μA左右。當(dāng)頻率高于100kHz時(shí),電流開始快速地下降,最后幾乎降為零。因此得出結(jié)論:激勵(lì)源電路的頻帶范圍是10kHz～100kHz。

圖6 阻抗式含水率計(jì)激勵(lì)源頻帶寬度標(biāo)定圖

根據(jù)頻率特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可知:

1)頻率低于10Hz,水在電極附近發(fā)生極化現(xiàn)象,因此幾乎沒有電流通過,測(cè)量值幾乎為零。

2)當(dāng)頻率在10Hz～100kHz之間時(shí),極化現(xiàn)象消失,兩電極間開始導(dǎo)通,電流迅速升高,且保持恒定。

3)當(dāng)頻率升高到100kHz以后,激勵(lì)源的輸出受高頻的影響,這主要受放大器自身的頻帶范圍的限制(放大器LF353的不失真頻率范圍在0～100kHz)。

5 方波激勵(lì)和正弦波激勵(lì)對(duì)比

在電路的應(yīng)用中,方波比正弦波穩(wěn)定,而且易于獲得。如果能夠用方波作為阻抗式含水率計(jì)激勵(lì)源電路的激勵(lì)波形,既可以簡(jiǎn)化電路,又可以提高激勵(lì)源的穩(wěn)定性,因此設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)用三個(gè)阻抗靜態(tài)檢測(cè)絕緣柱體來模擬含水50%、70%、90%的情況,實(shí)驗(yàn)步驟是:首先將傳感器放入清水中,測(cè)得兩測(cè)量電極間的電壓即全水值。然后將三個(gè)絕緣柱體分別插入儀器,再次測(cè)得兩測(cè)量電極間的電壓即混相值,最后,求全水值與混相值之比即相對(duì)響應(yīng)。改變激勵(lì)頻率,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),最終得到的圖板如圖7。將信號(hào)發(fā)生器的波形由正弦波改為方波,重復(fù)實(shí)驗(yàn),得到的結(jié)果如圖8所示。由圖可見,方波下儀器得到了與正弦波時(shí)幾乎相同的結(jié)果。此后又將波形改為鋸齒波、三角波,得到了相同的結(jié)果。這說明,波形變化對(duì)激勵(lì)源沒有影響;方波下,阻抗含水率計(jì)依然能夠正常工作。

圖7 正弦波下阻抗式含水率計(jì)相對(duì)響應(yīng)-頻率關(guān)系圖

圖8 方波下阻抗式含水率計(jì)相對(duì)響應(yīng)-頻率關(guān)系圖

6 結(jié) 論

通過上述實(shí)驗(yàn),可以得出以下結(jié)論:

1)阻抗含水率計(jì)的激勵(lì)源帶載能力與輸出電流有關(guān),輸出電流越大,帶載能力越小,輸出電流越小,帶載能力越大。

2)阻抗含水率計(jì)的激勵(lì)源帶載峰值與電流成乘冪關(guān)系。

3)阻抗含水率計(jì)的激勵(lì)源頻帶范圍10kHz～100 kHz。

4)阻抗含水率計(jì)的響應(yīng)不受波形的影響,在方波下仍然可以正常工作。

[1] 胡金海,劉興斌.阻抗式含水率計(jì)及其應(yīng)用[J].測(cè)井技術(shù),1999,23(增刊)

[2] 李英偉,孔令富,劉興斌,等.阻抗式含水率測(cè)量儀激勵(lì)源的優(yōu)化設(shè)計(jì)化[J].化工自動(dòng)化及儀表,2007,34(2)

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1004-9134(2010)03-0017-03

2009-11-19 編輯:姜 婷)

李 雷,男,1980年生,碩士研究生,目前在大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司從事多相流測(cè)量傳感器的研究工作。郵編:163453