魏勇，余厚全，魯保平，劉國(guó)權(quán)，陳強(qiáng)

（1．長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州434023；2．中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司，陜西 西安710077）

0 引 言

中國(guó)大部分油田采用水平井、大斜度井等措施提高單井產(chǎn)能，適用于垂直井的傳統(tǒng)集流式持水率測(cè)量?jī)x器已無(wú)法提供這類(lèi)井的原油持水率空間分布情況。英國(guó)SONDEX公司生產(chǎn)的CAT［1］陣列成像持水率儀器采用12支電容式探測(cè)器均勻分布在井筒截面圓周上，從而檢測(cè)井筒截面有限點(diǎn)上的原油持水率，進(jìn)而通過(guò)二維插值估計(jì)整個(gè)截面上原油持水率的分布情況。但是，其電容式持水率檢測(cè)方法適用于低含水的油井條件，在高含水條件下檢測(cè)誤差大。中國(guó)大部分油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，綜合含水率達(dá)到了80%以上，CAT等儀器無(wú)法滿足中國(guó)油田生產(chǎn)測(cè)井的要求。本文參考CAT陣列式探測(cè)器結(jié)構(gòu)，結(jié)合前期已經(jīng)研制的集流式電磁波持水率探測(cè)器［2－3］適用于高含水情況的研究結(jié)果，提出了基于微帶傳輸線電磁波相移檢測(cè)方法的陣列式持水率探測(cè)器設(shè)計(jì)。

1 陣列式組合對(duì)單支電磁波持水率探測(cè)器的結(jié)構(gòu)要求

電磁波持水率探測(cè)器基本原理中油水混合物的介電常數(shù)是其持水率的單調(diào)遞增函數(shù)。不同持水率的原油作為傳輸線夾層的填充介質(zhì)時(shí)，其傳輸線的傳輸特性也不相同，導(dǎo)致在一定長(zhǎng)度的傳輸線上傳輸?shù)碾姶挪ㄏ嘁埔膊幌嗤?。因此，將被測(cè)的原油作為一定長(zhǎng)傳輸線的填充介質(zhì)，檢測(cè)傳輸線兩端電磁波信號(hào)發(fā)生的相移，計(jì)算出填充介質(zhì)原油的介電常數(shù)，進(jìn)而估計(jì)原油的持水率［2］。

在生產(chǎn)測(cè)井時(shí)，陣列持水率探測(cè)器在井下有2種模式：下井模式和測(cè)量模式。下井模式主要是為了探測(cè)器在上提和下放的過(guò)程中能夠順利地在油管中移動(dòng)的運(yùn)行模式；測(cè)量模式則是當(dāng)探測(cè)器到達(dá)目的層后進(jìn)行持水率檢測(cè)的工作模式。因此，陣列持水率探測(cè)器通常利用弓形彈簧將多支探測(cè)器等間距地固定在儀器的四周。在下井模式時(shí)，弓形彈簧處于收攏狀態(tài)，儀器的最大半徑不得大于21．5mm；在測(cè)量模式下，弓形彈簧處于張開(kāi)狀態(tài)，探測(cè)器在彈簧張力作用下緊貼井筒周?chē)藭r(shí)儀器的最大直徑略小于套管的直徑，約為200mm。

根據(jù)上述的空間結(jié)構(gòu)，探測(cè)器的中心支撐桿半徑應(yīng)大于4mm，以滿足剛度需求。如果考慮固定弓形彈簧片的厚度為3mm，實(shí)際上儀器預(yù)留安放探測(cè)器的空間為一內(nèi)半徑不小于4mm、外半徑不大于18．5mm的環(huán)形空間。要保證儀器過(guò)油管移動(dòng)，要求單支探測(cè)器結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)陣列組合后空間分布應(yīng)控制在內(nèi)半徑為4mm、外半徑為18．5mm以內(nèi)環(huán)形空間內(nèi)。

基于上述空間限制，如果采用同軸傳輸線結(jié)構(gòu)的探測(cè)器［2－3］，每支探測(cè)器的最大外徑應(yīng)小于14．5mm（最大半徑小于7．25mm）（見(jiàn)圖1）。為了保證探測(cè)器的強(qiáng)度，同軸線內(nèi)導(dǎo)體半徑不小于2．5mm，外導(dǎo)體厚度不小于2．5mm，這時(shí)同軸線內(nèi)的流體環(huán)空就小于2．25mm。這樣狹窄的空間會(huì)導(dǎo)致流體流動(dòng)不暢，以至出現(xiàn)堵塞。因此，對(duì)于陣列式電磁波持水率檢測(cè)，同軸傳輸線結(jié)構(gòu)的探測(cè)器無(wú)法滿足空間要求，必需尋找其他方案。

圖1 同軸線陣列式探測(cè)器組合示意圖

2 基于微帶傳輸線的陣列式電磁波持水率探測(cè)器設(shè)計(jì)

2．1 微帶陣列式探測(cè)器的組合方案

基于上述儀器空間對(duì)陣列式探測(cè)器空間結(jié)構(gòu)的要求，同時(shí)考慮陣列成像的分辨率的技術(shù)指標(biāo)，提出了基于6支微帶傳輸線（以下簡(jiǎn)稱(chēng)微帶）的陣列式電磁波持水率探測(cè)器方案。微帶的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由介質(zhì)基片及其上面的導(dǎo)體帶和下面的接地板構(gòu)成。顯然與同軸傳輸線結(jié)構(gòu)不同，微帶的條形片狀結(jié)構(gòu)非常適合沿環(huán)狀空間的陣列組合。

圖2 微帶探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 微帶陣列式探測(cè)器組合示意圖

圖3（a）給出了基于微帶陣列式電磁波持水率探測(cè)器下井時(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。極板厚度為2．6mm，接地極板寬度為15mm，信號(hào)極板的寬度為7．4mm，兩極板之間的距離為4mm。該陣列組合結(jié)構(gòu)占用半徑為6．4～18mm范圍的環(huán)形空間，既滿足儀器下井的直徑要求，同時(shí)還留下4～6．4mm寬度的環(huán)空便于調(diào)整。圖3（b）為基于微帶陣列式探測(cè)器測(cè)井模式的結(jié)構(gòu)，在到達(dá)測(cè)量層位后，通過(guò)弓形彈簧將探測(cè)器撐開(kāi)，6支探測(cè)器緊貼井壁分布。

對(duì)于微帶的長(zhǎng)度，從分辨率角度而言希望越長(zhǎng)越好，但從井下的儀器空間和儀器的強(qiáng)度方面考慮，應(yīng)盡可能短。另一方面過(guò)長(zhǎng)的傳輸線也會(huì)引入外界的干擾和信號(hào)的衰減。根據(jù)電磁波傳輸線理論，電磁波在結(jié)構(gòu)為微帶傳輸線的探測(cè)器內(nèi)傳播后，其滑行波產(chǎn)生的相移為［10］

式中，Φ為電磁波的相移；L為探測(cè)器的長(zhǎng)度；β為探測(cè)器單位長(zhǎng)度上的相移系數(shù)；f為電磁波的激勵(lì)頻率；μ0為真空磁導(dǎo)率；ε0為真空絕對(duì)介電常數(shù)；εr為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。

2．2 微帶電磁波持水率探測(cè)器的電磁特性

檢測(cè)方案如圖4（a）所示。將微帶探測(cè)器置入油水混合液體中，油水混合液體可視為介質(zhì)基片材料。根據(jù)傳輸線理論［7］，低耗微帶傳輸線準(zhǔn)TEM模式的相位系數(shù)為在激勵(lì)頻率恒定的條件下，電磁波在介質(zhì)中的相位系數(shù)是由介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率決定，因此當(dāng)始端發(fā)送的信號(hào)Vs（t）經(jīng)過(guò)微帶型探測(cè)器傳輸反映在終端接收的信號(hào)Vr（t）上就會(huì)發(fā)生相位偏移。不同的介電常數(shù)對(duì)應(yīng)不同的相移，故可通過(guò)檢測(cè)相移的方法檢測(cè)持水率。

圖4 電磁波持水率的檢測(cè)方案示意圖

設(shè)始端激勵(lì)信號(hào)Vs（t）＝A1sin（ω0t），電磁波在傳感器內(nèi)傳輸后，產(chǎn)生了幅度衰減和相位移，則終端信號(hào)為

式中，A1為激勵(lì)信號(hào)的幅度；ω0為激勵(lì)信號(hào)的角頻率；Aam為終端信號(hào)的幅度；φ為激勵(lì)信號(hào)的相移；Z0和ZL分別為傳輸線的特性阻抗和負(fù)載；β為傳輸線單位長(zhǎng)度上的相移［2－3］。按照?qǐng)D3所示傳輸線尺寸，取電磁波激勵(lì)頻率為80MHz，負(fù)載電阻值取50Ω，分別取微帶傳輸線長(zhǎng)度200mm和150mm，根據(jù)式（4）數(shù)值模擬不同探測(cè)器長(zhǎng)度條件下電磁波相位偏移與介電常數(shù)的關(guān)系（見(jiàn)圖5）。曲線表明：相位偏移φ與混合物的介電常數(shù)ε呈單調(diào)遞增關(guān)系，且探測(cè)器越長(zhǎng)，分辨率越高。

圖5 微帶傳輸線上相位偏移與介電常數(shù)的關(guān)系

3 基于微帶陣列式電磁波持水率探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)研究

3．1 陣列式持水率探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)裝置

在理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)圖6所示實(shí)驗(yàn)裝置。圖6中，6支微帶型電磁波持水率探測(cè)器構(gòu)成傳感器陣列，由上下2塊絕緣極板固定，并豎直放置在樣品容器中。

檢測(cè)電路主要由相位差檢測(cè)電路、相差數(shù)字化、計(jì)算機(jī)3部分構(gòu)成。相位差檢測(cè)電路主要用來(lái)檢測(cè)經(jīng)過(guò)探測(cè)器前后的高頻正弦信號(hào)的相移信息，電路采用了分時(shí)激發(fā)接收的多路復(fù)用工作機(jī)制。由發(fā)射電路產(chǎn)生高頻正弦信號(hào)，采用多路分配器分時(shí)地將信號(hào)經(jīng)射頻線逐一連接每支持水率探測(cè)器的始端，電磁波在傳輸線上傳播時(shí)產(chǎn)生了幅度衰減和相位偏移，經(jīng)終端射頻線至多路選擇接收電路。

對(duì)于長(zhǎng)度為150mm微帶傳輸線，當(dāng)其間被測(cè)介質(zhì)從全油變化至全水時(shí)，由式（1）可知產(chǎn)生的相移是2．2rad。若要實(shí)現(xiàn)低于5%的持水率檢測(cè)誤差，則相位差的檢測(cè)精度要達(dá)到0．11rad，對(duì)應(yīng)于頻率為80MHz的激勵(lì)信號(hào)的相位延時(shí)分辨率要求為0．22ns，這就對(duì)相位時(shí)差檢測(cè)電路提出了更嚴(yán)的要求，實(shí)現(xiàn)比較困難。因此，在鑒相（鑒別相位時(shí)差）之前，插入2個(gè)混頻電路，將微帶傳輸線兩端的信號(hào)分別同時(shí)與另一路頻率為80．02MHz的信號(hào)進(jìn)行混頻，提取兩者差頻信號(hào)進(jìn)行相位時(shí)差的鑒別。這樣盡管混頻后前后兩者絕對(duì)相差沒(méi)有改變，仍然為φ，但混頻后2路差頻信號(hào)頻率都降低到20KHz，對(duì)應(yīng)φ的相差時(shí)延相對(duì)于80MHz時(shí)放大了4000倍，對(duì)相位延時(shí)的分辨率只要達(dá)到880ns即可，降低了相差檢測(cè)的難度。經(jīng)過(guò)混頻、濾波、鑒相后的輸出送入相差數(shù)字化電路，將其數(shù)字化，最終數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)根據(jù)電磁波在傳輸線中相移φ計(jì)算出對(duì)應(yīng)的持水率，完成數(shù)據(jù)處理并繪制實(shí)時(shí)流體分布圖像。

3．2 陣列式持水率探測(cè)器實(shí)驗(yàn)

為了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證微帶傳輸線內(nèi)均勻的油水混合物持水率與傳輸線上電磁波相移的關(guān)系，考慮到傳輸線內(nèi)油水混合物的不同持水率可以通過(guò)垂直傳輸線內(nèi)不同高度分層氣／水等效模擬［5－7］，向圖6所示樣品容器中注入一定高度的水，使微帶傳輸線極板內(nèi)的介質(zhì)由空氣和水兩個(gè)層構(gòu)成。當(dāng)水層的高度從0線性增加到等于傳輸線長(zhǎng)度的高度時(shí)，其等效相對(duì)介電常數(shù)由1線性增加到80，其持水率從0變化到100%。圖7給出了長(zhǎng)度分別為200mm（1號(hào)探測(cè)器）和150mm（2號(hào)探測(cè)器）2種規(guī)格微帶線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)曲線與理論曲線變化趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了微帶線兩端的相移與持水率存在單調(diào)遞增關(guān)系。其中1號(hào)探測(cè)器曲線的斜率范圍為0．200～2．600，當(dāng)持水率從70%～80%時(shí)，分辨率最高；2號(hào)探測(cè)器曲線的斜率范圍為0．600～7．800，當(dāng)持水率從0～10%時(shí)，分辨率最高；整體而言，2號(hào)探測(cè)器比1號(hào)探測(cè)器的曲線在整個(gè)范圍內(nèi)更平坦，更接近線性關(guān)系。另外，從工程實(shí)現(xiàn)角度考慮，2號(hào)探測(cè)器長(zhǎng)度短于1號(hào)探測(cè)器，更便于工程化和小型化，因此應(yīng)選2號(hào)探測(cè)器為宜。

圖7 探測(cè)器相位偏移與等效持水率的關(guān)系曲線

上述理論分析是假設(shè)微帶傳輸線內(nèi)油水混合物是均勻的，實(shí)驗(yàn)測(cè)試也是通過(guò)不同高度的水和空氣層等效油水混合物的不同持水率。實(shí)際的多相流非常復(fù)雜，很好地模擬實(shí)際情況需要一定的實(shí)驗(yàn)條件。

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)陣列電磁波持水率探測(cè)器的設(shè)計(jì)需求，在探測(cè)器的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、組合方式、激勵(lì)頻率、尺寸等方面進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。陣列探測(cè)器的微帶傳輸線為6支，單支微帶傳輸線長(zhǎng)度為150mm，導(dǎo)體極板的寬度為7．4mm，接地極板的寬度為15mm，2種極板的厚度均為2．6mm。

（2）基于微帶傳輸線持水率探測(cè)器在原油高持水率時(shí)有較好的靈敏度，適合用于陣列式持水率探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（3）研究結(jié)果盡管是在一定的理想假設(shè)和等效條件下取得的，但對(duì)陣列式電磁波持水率檢測(cè)儀器的研究和開(kāi)發(fā)具有重要的理論意義和實(shí)際的參考價(jià)值。

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