趙曉強(qiáng)，郎濟(jì)鳳，張興凱，王　棟

(1．中國(guó)石油克拉瑪依石化公司熱電廠，新疆克拉瑪依　834003；2．山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東濟(jì)南　250013；3．西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院，陜西西安　710049)

0　引言

稠油是石油烴類能源中的重要組成部分，具有比常規(guī)原油資源高達(dá)數(shù)倍的巨大潛力[1]。目前，稠油開(kāi)采的技術(shù)比較多[2]，而最有效、最主要的是蒸汽熱采技術(shù)[3]。如何實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量熱采水平井內(nèi)的持水率也就顯得異常重要。目前，水平井內(nèi)常用的持水率的測(cè)量方法有光學(xué)方法[4-6]及電容法[7]。由于光學(xué)方法受到投資、技術(shù)等方面的限制沒(méi)有推廣，因此持水率測(cè)量集中在電容測(cè)量法上。常用的電容測(cè)量方法有：高度探針?lè)ā⒕W(wǎng)絲電容技術(shù)、筒狀結(jié)構(gòu)電容傳感器、多極板電容傳感器、電容層析成像技術(shù)、平行板電容傳感器[8-12]。但現(xiàn)有電容測(cè)量方法都很難應(yīng)用于高溫高壓條件下水平井內(nèi)持水率的實(shí)時(shí)測(cè)量[13-14]。

為此，根據(jù)電磁學(xué)理論以及徐文峰[9]介紹的高溫高壓下水的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于常溫下的電導(dǎo)率這一特性，研制了一種可實(shí)時(shí)測(cè)量高溫高壓水平井內(nèi)汽-水兩相流持水率的電容測(cè)量?jī)x。該儀器可在高溫高壓下實(shí)現(xiàn)對(duì)水平井內(nèi)持水率的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。

1　儀器介紹

1．1儀器概述

研制的新型電容持水率測(cè)量?jī)x主要由彈簧扶正器、餅狀電容傳感器、電容數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、保溫瓶組成，其示意圖和實(shí)物圖如圖1和圖2所示。

圖1　儀器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　儀器結(jié)構(gòu)內(nèi)部實(shí)物圖

儀器兩端的彈簧扶正器與傳感器通過(guò)螺紋(或者焊接)連接，用于調(diào)整測(cè)量過(guò)程中的傳感器探頭始終處于水平井管的中心位置；在靠近傳感器部位鉆有聯(lián)通孔，確保傳感器探頭與測(cè)量環(huán)境充分接觸；電容傳感器用來(lái)測(cè)量水平井管內(nèi)液位高度變化，然后以電容信號(hào)輸出；電容數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由信號(hào)采集電路和程控軟件組成，電路用來(lái)采集電容傳感器的輸出信號(hào)，程控軟件用來(lái)設(shè)定電容信號(hào)的采集頻率和信號(hào)采集的起止時(shí)間；保溫瓶?jī)?nèi)裝有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，外壁與傳感器通過(guò)焊接(或螺紋連接)密封，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)與外界環(huán)境隔離，同時(shí)避免采集電路出現(xiàn)溫度漂移，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1．2絕緣電介質(zhì)

受高溫高壓汽-水或者亞臨界水、惡劣環(huán)境水性質(zhì)的影響，儀器工作時(shí)對(duì)電容傳感器電介質(zhì)的要求非常高，需要電介質(zhì)既要有良好的絕緣性能又要有良好的抗腐蝕性和耐疲勞性能。為此研制了一種玻璃釉燒作為絕緣電介質(zhì)材料并燒制于探頭基體表面。這種材料燒制到探頭表面后的平均厚度為0.05 mm，在20 ℃時(shí)的測(cè)量靈敏度為2.58 pF/mm2，絕緣電阻>120 MΩ，可在超(亞)臨界水中長(zhǎng)期重復(fù)使用而不被腐蝕，同時(shí)能夠承受380 ℃空氣-20 ℃水連續(xù)20次以上溫度驟變沖擊，實(shí)現(xiàn)其在高溫高壓惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期應(yīng)用。

1．3傳感器結(jié)構(gòu)

儀器的電容傳感器是餅狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3　傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

傳感器探頭上的絕緣電介質(zhì)覆蓋于不銹鋼金屬基體表面上，起到絕緣作用；石墨不但可以避免探頭與螺紋密封連接件之間出現(xiàn)“硬碰”損壞電介質(zhì)，而且可以實(shí)現(xiàn)探頭與信號(hào)輸出端的密封，確保探頭金屬基體與外部環(huán)境(石墨、密封用螺紋連接件、焊點(diǎn)、保溫瓶及水-水蒸氣)通過(guò)電介質(zhì)絕緣，使不銹鋼基體、絕緣電介質(zhì)及外部環(huán)境構(gòu)成一個(gè)電容器；輸出信號(hào)螺釘用來(lái)傳輸傳感器的輸出信號(hào)至保溫瓶?jī)?nèi)。整個(gè)結(jié)構(gòu)可確保傳感器探頭基體與電介質(zhì)以外部位或環(huán)境不發(fā)生短路現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的順利傳輸和采集記錄。

1．4測(cè)量模型

1．4．1理論模型

由于高溫高壓水可以視為良導(dǎo)體，因此據(jù)上述儀器的結(jié)構(gòu)可知：在整個(gè)井筒范圍內(nèi)連續(xù)的水相與電容觸感器絕緣層以外的金屬部分構(gòu)成一個(gè)等勢(shì)體。這時(shí)傳感器的探頭與水之間就可以通過(guò)特種絕緣電介質(zhì)構(gòu)成一個(gè)板狀電容器，其探頭的電容C1為：

(1)

式中：ε為玻璃釉絕緣電介質(zhì)的介電常數(shù)；S為玻璃釉與水的接觸面積，mm2；d為介質(zhì)厚度，mm．

由于石墨是導(dǎo)體，因此圖3中的石墨、絕緣電介質(zhì)及探頭金屬基體之間形成一個(gè)小容量電容C2，C2是一個(gè)容值不隨液位變化的電容器。此時(shí)儀器傳感器的等效電路如圖4所示。

圖4　餅狀電容傳感器等效電路圖

據(jù)圖4可得傳感器的電容為：C=C1+C2，這樣儀器在工作的過(guò)程中，只需測(cè)出傳感器的電容隨液位的變化就可以知道相應(yīng)的持水率。

1．4．2實(shí)際模型

傳感器探頭測(cè)量持水率的示意圖如圖5所示，其中，1為水平井筒，2為探頭測(cè)量端面。

圖5　傳感器測(cè)試橫截面示意圖

根據(jù)圖5建立的液位持水率φ與液位高度h的關(guān)系式如下(驗(yàn)用管徑60 mm)：

(2)

式中：φ為持水率；h為液位高度，mm；D為水平管內(nèi)徑，mm．

2　持水率測(cè)量

2．1冷態(tài)標(biāo)定

傳感器標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，用空氣代替水蒸氣來(lái)試驗(yàn)，為了便于實(shí)驗(yàn)室中電容信號(hào)的準(zhǔn)確采集，將傳感器輸出的電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成由555搭建的電容采集電路采集[15]，結(jié)果以頻率形式輸出。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖6所示。

圖6　傳感器冷態(tài)實(shí)驗(yàn)示意圖

20 ℃時(shí)測(cè)得持水率變化與頻率f的關(guān)系如圖7所示。

圖7　20 ℃下持水率與頻率關(guān)系圖

從圖7的4次測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)各次測(cè)試的高度一致性，據(jù)此擬和的持水率與頻率的關(guān)系如下：

φ=1.949 3×10-0.071 4f0+5

(3)

式中f0為20 ℃下測(cè)量的頻率，Hz．

2．2高溫標(biāo)定

在測(cè)試高溫高壓持水率前需要對(duì)傳感器上絕緣電介質(zhì)材料的性能進(jìn)行測(cè)試標(biāo)定：將做好的傳感器探頭置于裝滿水的密閉容器中加溫加壓測(cè)試，測(cè)量過(guò)程始終保持傳感器探頭完全浸于水中，記錄溫度和信號(hào)輸出數(shù)據(jù)。

據(jù)同一電介質(zhì)的溫度系數(shù)[4]在同一溫度下不變這一屬性，采用溫度系數(shù)整理標(biāo)定的不同溫度下測(cè)量的數(shù)據(jù)，這樣可將所有外界對(duì)電介質(zhì)性能的影響因素均轉(zhuǎn)化為溫度單一量的影響。所謂溫度系數(shù)就是溫度變化1 ℃時(shí)測(cè)量電容的相對(duì)變化率，即：

(4)

式中：αc為溫度系數(shù)，℃-1；C0為初始電容,F；T0為20 ℃；CT為溫度T時(shí)測(cè)電容，F(xiàn)；T為測(cè)量溫度， ℃。

由于采集的電容信號(hào)以頻率采集，因此將式(4)中的電容轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的頻率值計(jì)算，這樣將電容值轉(zhuǎn)換成頻率值計(jì)算得到的溫度系數(shù)稱為“頻率系數(shù)”，即：

(5)

式中：α為頻率系數(shù)，℃-1；fT為溫度T時(shí)測(cè)得的電容信號(hào)，Hz；f0為0 ℃時(shí)不同的持水率對(duì)應(yīng)的電容信號(hào)C0的值，Hz．

通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到管流狀況下不同溫度時(shí)測(cè)得的頻率系數(shù)α與溫度T，關(guān)系如圖8所示。

圖8　不同溫度時(shí)頻率系數(shù)α與溫度T的關(guān)系圖

整理得不同溫度下電介質(zhì)的頻率系數(shù)與溫度簡(jiǎn)化關(guān)系式見(jiàn)式(6)：

(6)

式中T1為傳感器所處的環(huán)境溫度數(shù)值，無(wú)量綱。

2．3持水率測(cè)量關(guān)系式

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，將在高溫高壓汽-水兩相流中測(cè)量的電容信號(hào)、溫度以及傳感器的溫度特性共同轉(zhuǎn)換成常溫標(biāo)定數(shù)據(jù)來(lái)反映持水率。轉(zhuǎn)換依據(jù)是：傳感器在某一溫度不同持液率下，電介質(zhì)的溫度系數(shù)不受持水率影響而固定不變這一屬性。即：

(7)

整理式(7)得：

(8)

結(jié)合常溫標(biāo)定出的持水率和電容信號(hào)的關(guān)系式(3)得到不同溫度下持水率與溫度及測(cè)得的頻率關(guān)系式：

(9)

由式(9)可知，儀器測(cè)量過(guò)程中只需知道采集到的高溫頻率及對(duì)應(yīng)的溫度值即可。目前，該傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用于油田生產(chǎn)測(cè)試，并取得了良好的應(yīng)用效果。

3　結(jié)束語(yǔ)

該傳感器的研制成功，解決了稠油熱采水平井下持水率實(shí)時(shí)測(cè)試技術(shù)難題。可在380 ℃、38 MPa以下環(huán)境的亞(超)臨界水中長(zhǎng)期使用。水平井管徑為60 mm時(shí)的持水量測(cè)量范圍在13.5%～83.1%之間，探頭靈敏度在幾十pF到幾十nF均有非?？斓捻憫?yīng)速度。此外，水平井管徑內(nèi)持水率的測(cè)量范圍可通過(guò)調(diào)整探頭大小進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)在傳感器前面加裝“流型”整流裝置，實(shí)現(xiàn)不同流型的持水率測(cè)量，保溫瓶上的彈簧扶正器可確保傳感器始終處于管道中心實(shí)時(shí)測(cè)量；通過(guò)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，充分驗(yàn)證了傳感器的良好實(shí)際使用性能，并有望應(yīng)用于豎直井內(nèi)的相關(guān)參數(shù)測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]陽(yáng)鑫軍．稠油開(kāi)采技術(shù)．海洋石油，2003，23(2)：55-60．

[2]呂立華，李明華，蘇岳麗．稠油開(kāi)采方法綜述．內(nèi)蒙古石油化工，2005(3)：110-112．

[3]趙時(shí)光．稠油熱采注蒸汽參數(shù)優(yōu)化．內(nèi)蒙古石油化工，2005(9)：103-104．

[4]趙培華，唐開(kāi)寧．稠油測(cè)井技術(shù)回顧與展望．世界石油工業(yè)，1995(9)：37-38．

[5]唐人虎，陳聽(tīng)寬，羅毓珊，等．高溫高壓下用光纖探針測(cè)量截面含氣率的實(shí)驗(yàn)研究．化工學(xué)報(bào)，2001，52(6)：560-563．

[6]陳斌，傅宇晨，郭烈錦，等．水平管束間氣液兩相流局部含氣率分布的實(shí)驗(yàn)研究．化工學(xué)報(bào)，2003，54(3)：316-320．

[7]陳斌．管束間氣液兩相流動(dòng)特性研究：[學(xué)位論文]．西安：西安交通大學(xué)，2001．

[8]黃善仿．基于網(wǎng)絲電容探針的兩相流參數(shù)檢測(cè)及成像研究：[學(xué)位論文]．西安：西安交通大學(xué)，2008．

[9]徐文峰，李文濤，劉興斌，等．一種測(cè)量低產(chǎn)液水平井含水率的筒狀電容傳感器．測(cè)井技術(shù)，2008，32(5)：403-405．

[10]高曉丁，高鵬，王旭．基于多極板電容傳感器測(cè)量原油含水率的研究．中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2008，34(2)：6-8．

[11]彭殄路，祁支哲，吳利選，等．電容層析成像技術(shù)的近期研究進(jìn)展．自動(dòng)化儀表，2008，29(9)：1-5；9．

[12]天津大學(xué)無(wú)線電材料與元件教研室編．電容器．北京：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1981：44-60．

[13]趙曉強(qiáng)．高溫高壓液體電極電容傳感器的物理特性與成型方法研究：[學(xué)位論文]．西安：西安交通大學(xué)，2010．

[14]宋文衛(wèi)．應(yīng)用電容傳感器和相關(guān)分析測(cè)量多相流流量：[學(xué)位論文]．西安：西安交通大學(xué)，2005．

[15]劉暢生，王亞民，王水平，等．新型集成電路使用手冊(cè)及應(yīng)用舉例．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003：511-513．