魏 勇 余厚全 唐桃波 劉國權(quán) 陳 強(qiáng) 梁 旭

(1．長江大學(xué)電子信息學(xué)院 湖北 荊州 434023；2.中國石油集團(tuán)測井有限公司 陜西 西安 710077)

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·儀器設(shè)備與應(yīng)用·

陣列電磁波持水率探測器的研究*

魏 勇1余厚全1唐桃波1劉國權(quán)2陳 強(qiáng)2梁 旭2

(1．長江大學(xué)電子信息學(xué)院 湖北 荊州 434023；2.中國石油集團(tuán)測井有限公司 陜西 西安 710077)

在大斜度、水平井環(huán)境中檢測原油持水率的空間分布信息一直是個難題。文章分析了陣列式電磁波持水率探測器的設(shè)計需求，討論了實現(xiàn)該技術(shù)方案的關(guān)鍵問題，在此基礎(chǔ)上，通過提高電磁波的頻率和減小探測器的尺寸等方法，提出了陣列式探測器的設(shè)計方案。理論分析和實驗結(jié)果表明該方案可以用于檢測大斜度井的持水率空間分布信息，適用于國內(nèi)大斜度井的工程需求，相關(guān)的數(shù)據(jù)和結(jié)論對陣列電磁波持水率探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計有實際參考價值。

陣 列；電磁波；持水率；探測器；大斜度井

0 引 言

目前國內(nèi)大部分油田采用水平井、大斜度井等措施來提高單井產(chǎn)能，適用于垂直井的傳統(tǒng)集流式持水率測量儀器已無法提供這類井的原油持水的空間分布情況。另一方面，國內(nèi)的大部分油田已進(jìn)入開發(fā)后期，綜合含水率達(dá)到了80%以上，國外生產(chǎn)的諸如CAT[1]等陣列持水率儀器僅適用于國外普遍含水率較低的油田，不適合在國內(nèi)油田推廣應(yīng)用。

為了獲取大斜度井和水平井中油井截面上的持水率分布信息，在前期已經(jīng)研制的集流式電磁波持水率探測器[2、3]的基礎(chǔ)上開展進(jìn)一步的研究工作，提出了陣列電磁波持水率探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。即采用多支電磁波持水率探測器組成陣列式組合，既可以實現(xiàn)在高含水條件下持水率測量精度，又能獲取水平井或大斜井的井筒截面不同部位持水率的分布信息，解決目前生產(chǎn)測井中的工程難題。

1 陣列式電磁波持水率探測器的設(shè)計與關(guān)鍵問題

為了能較好地重現(xiàn)井筒流體分布狀態(tài),為大斜度井、水平井提供很好的解釋資料，要求持水率儀器的探測器采用陣列式的分布方式。陣列電磁波持水率探測器的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

1)采用陣列式探測器獲取井筒內(nèi)流體空間分布信息；

2)持水率測量范圍：0～100%；

3)持水率測量誤差：≤±5%；

4)重復(fù)性誤差：≤±2%；

5)測量溫度：155℃。

由于生產(chǎn)測井中測試工藝的限制，持水率測量儀器處于狹小的工作空間，研制陣列式電磁波持水率探測器的關(guān)鍵問題在于：(1)有限空間上陣列探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題；(2)通過截面上有限點(diǎn)上檢測的持水率估計整個截面持水率分布問題；(3)多通道電磁波持水率探測器中電磁波信號的激發(fā)接收問題。本文主要討論探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。

2 陣列式組合中單支電磁波持水率探測器小型化設(shè)計

2.1 陣列式組合對單支電磁波持水率探測器的結(jié)構(gòu)要求

參考國內(nèi)外陣列持水率儀器的結(jié)構(gòu)，通常這一系列的儀器利用弓形彈簧將多支探測器等間距地固定在儀器的四周。陣列持水率儀器在井下主要處于兩種工作模式：一種是下井模式，另一種是測量模式。下井模式主要是為了儀器在上提和下放的過程中，能夠順利地在油管中移動。在該模式下，弓形彈簧處于收攏狀態(tài)，儀器的最大直徑不得大于43 mm；在測量模式下，弓形彈簧處于張開狀態(tài)，探測器在彈簧張力作用下緊貼井筒周圍，此時儀器的最大直徑略小于套管的直徑，約為200 mm。

前期的電磁波持水率探測器的研究與實驗將單支集流式電磁波持水率探測器的尺寸確定為[3]：長度200 mm，內(nèi)導(dǎo)體外半徑a為3 mm，外導(dǎo)體內(nèi)半徑b為9 mm，外導(dǎo)體外半徑為12 mm。在下井模式下，儀器的外徑要求不得大于43 mm，若將外半徑為12 mm的單支集流式探測器并行放置，則最大允許數(shù)量為1支，從數(shù)量上無法實現(xiàn)多探測器布局。一方面，從儀器獲得的信息量考慮，儀器上安裝的探測器越多越好，然而探測器的數(shù)量和尺寸必定會影響儀器整體的直徑和長度，導(dǎo)致儀器過粗而無法下井；另一方面，就儀器的強(qiáng)度和靈活性而言，儀器越短越好，儀器過長則會導(dǎo)致強(qiáng)度降低，易發(fā)生扭曲現(xiàn)象。因此，要在有限的空間上安放多支探測器，減小探測器的尺寸結(jié)構(gòu)是設(shè)計實現(xiàn)的關(guān)鍵。

2.2 陣列式組合中單支電磁波持水率探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1)探測器的內(nèi)外導(dǎo)體半徑

根據(jù)前一階段對集流式探測器的研究結(jié)果，導(dǎo)體間流體的環(huán)形空間間距b-a=6 mm時，能夠適用于井下流體測量，不會導(dǎo)致結(jié)蠟堵塞等情況發(fā)生。因此在設(shè)計陣列探測器時，應(yīng)在縮小尺寸和保證強(qiáng)度的前提下充分借鑒集流式探測器的研究經(jīng)驗。將探測器內(nèi)導(dǎo)體的外半徑a減小為2 mm，外導(dǎo)體的內(nèi)半徑b減小為7 mm，外導(dǎo)體外半徑減小為9 mm。理論分析可知：導(dǎo)體間流體的環(huán)形空間間距b-a=5 mm，僅略小于集流式探測器的環(huán)形空間；內(nèi)外導(dǎo)體半徑比b/a=3.5,趨近于有損同軸線的衰耗系數(shù)最小值b/a=3.6的理論條件[5]。實驗表明，縮小尺寸后的探測器能夠滿足流體通暢和強(qiáng)度要求。

2)電磁波的上限頻率與探測器的上限長度

根據(jù)電磁場傳輸理論，探測器內(nèi)傳輸?shù)腡EM波的最高截止頻率或最小截止波長分別為[4]:

(1)

(2)

式中λTEMmax為同軸線傳輸TEM模式的最高截止頻率；λTEMmin為同軸線傳輸TEM模式的最小截止波長；a為同軸線內(nèi)導(dǎo)體的外半徑；b為同軸線外導(dǎo)體的內(nèi)半經(jīng)；εm為同軸線內(nèi)介質(zhì)的混合介電常數(shù)。當(dāng)探測器內(nèi)介質(zhì)全是水時，選取a=2 mm，b=7 mm，εm=80 in(1 in=2.54 cm)，探測器內(nèi)傳輸TEM波的最高截止頻率為132.7 MHz和最小截止波長為253 mm。探測器的長度超過一個波長后響應(yīng)就有可能出現(xiàn)多解性，因此探測器的上限長度為253 mm。

3)陣列式組合中單支探測器長度的確定

根據(jù)電磁波在同軸線內(nèi)的傳播特性，電磁波在結(jié)構(gòu)為同軸線的探測器內(nèi)傳播后，產(chǎn)生的相移為[2]：

(3)

在前期集流式探測器的研究中，f取80 MHz，L取200 mm，因此靈敏度S=16 000(歸一化值)。在設(shè)計陣列式探測器時，其長度L也要相應(yīng)地縮短。為了保持或者盡量接近原來集流式探測器的檢測靈敏度，最有效的辦法就是在激勵頻率f不超過TEM波的最高截止頻率的前提條件下，提高電磁波的激勵頻率f。上述分析可知f的上限值為132.7 MHz，因此可取f的值為120 MHz。在確定f的基礎(chǔ)上，盡量減小探測器的長度L,保證二者之積S，即靈敏度與集流式相比，差異不大，略有降低。綜合考慮以上因素，選擇電磁波的工作頻率為120 MHz,選取單支探測器的長度為100 mm和120 mm兩種規(guī)格見表1，然后進(jìn)行實驗研究，從中選取最優(yōu)長度。

表1 探測器類型與尺寸

圖1 探測器相位偏移與持水率的關(guān)系曲線

采用真實離散介電常數(shù)油水樣品實驗：利用柴油和水配制11份持水率從0%到100%、間隔單位為10%的原油樣品，記錄電磁波信號經(jīng)過探測器前后的相位偏移量，并將其數(shù)字化，持水率與相移曲線如圖1所示。曲線表明：1#探測器曲線的斜率范圍為0.400～7.500，當(dāng)持水率從20%～30%時，分辨率最高，當(dāng)持水率從90%～100%時，分辨率最低；2#探測器曲線的斜率范圍為0.500～3.100，當(dāng)持水率從50%～60%時，分辨率最高；整體而言，2#探測器比1#探測器的曲線在整個范圍內(nèi)更平坦，更接近線性關(guān)系。因此實驗結(jié)論是：1#探測器在高持水率段分辨率較低，不適用于在高持水率的環(huán)境下使用；2#探測器的線性度和分辨率要優(yōu)于1#探測器，應(yīng)選2#探測器為宜。

根據(jù)上述理論分析和實驗研究，在探測器小型化過程中，若內(nèi)外導(dǎo)體過細(xì)則強(qiáng)度不夠，導(dǎo)體間的環(huán)形空間太小則容易引起堵塞，長度太短則線性度差。結(jié)合工程實際考慮，小型化后的探測器的最優(yōu)尺寸為：內(nèi)導(dǎo)體外半徑2 mm，外導(dǎo)體內(nèi)半徑7 mm，外導(dǎo)體外半徑9 mm，長度120 mm。

3 陣列式探測器的組合方案

為了兼顧陣列成像測量的分辨率和探測器的結(jié)構(gòu)特征要求，陣列電磁波持水率儀采用6支小型化的探測器，其優(yōu)點(diǎn)是受井斜和流型影響較小，能更直觀反應(yīng)井下流體介質(zhì)的分布。

根據(jù)探測器的結(jié)構(gòu)要求,首先考慮下井模式下探測器的組合問題：若下井過程中將6支探測器分布在同一井筒截面高度上，彼此緊密地收攏成一個外切圓形，如圖2(a)所示。由三角形公式有：

(R-r)sinθ=r

(4)

圖3 下井模式與測試模式下陣列探測器的組合示意圖

其次考慮測井模式下探測器的組合問題：如圖3(b)所示，在到達(dá)測量層位后，通過電動機(jī)控制2組連接探測器的弓形彈簧的上下滑環(huán)，調(diào)整2組探測器的軸向高度；在井下弓形彈簧打開后，儀器處于測量狀態(tài)，6支探測器緊貼井筒分布，軸向上處于同一井筒截面高度。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)陣列電磁波持水率探測器的設(shè)計需求，在探測器的激勵頻率、數(shù)量、尺寸、組合方式等方面進(jìn)行了理論分析和實驗研究，最終確定為：激勵電磁波的頻率設(shè)定為120 MHz，探測器的數(shù)量為6支，單支探測器的尺寸為長度120 mm，內(nèi)導(dǎo)體外半徑2 mm，外導(dǎo)體內(nèi)半徑7 mm，外導(dǎo)體外半徑9 mm，下井和測量兩種模式下陣列探測器按照圖3進(jìn)行組合。

陣列電磁波持水率儀器采用較高的電磁波探測頻率，陣列化的結(jié)構(gòu)，較好地重現(xiàn)井筒流體分布狀體,為大斜度井、水平井提供很好的解釋資料，對油田開發(fā)具有較大的實用價值。

[1] 張海博,郭海敏,戴家才.電容陣列儀在大斜度井中的實驗研究[J].測井技術(shù),2008,32(4): 304-306.

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[5] 楊顯清.電磁場與電磁波[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

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Research on Electromagnetic Wave Water Holdup Array Detectors

WEI Yong1YU Houquan1TANG Taobo1LIU Guoquan2CHEN Qiang2LIANG Xu2

(1.Electronics&InformationSchool,YangtzeUniversity,Jingzhou,Hubei434023,China；2.ChinaPetroleumLoggingCO.LTD.,Xi’an,Shaanxi710077,China)

The water holdup space distribution information of crude oil in the environment of highly deviated and horizontal wells has always been a problem,this paper analyses the design requirements for electromagnetic wave water holdup array detectors,discusses the key problems to realize the scheme,and on this basis,put forward the design scheme of array detectors by increasing the frequency of electromagnetic wave and reduce the size of the detector,and other methods.Theoretical analysis and experimental results show that the scheme can be used to detect water holdup spatial distribution information of the highly deviated wells,it is applicable to the engineering needs of the domestic highly deviated wells,and the relevant data and conclusions have practical application value to the structure design of the electromagnetic wave water holdup array detectors.

array,electromagnetic wave,water holdup,detector,highly deviated well

中國石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目，編號：2011A-3903。

魏 勇，男，1979年生，碩士研究生，講師，2003年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院電子信息工程專業(yè)，2006年畢業(yè)于長江大學(xué)信號與信息處理專業(yè)，現(xiàn)為長江大學(xué)在讀博士，研究方向為聲電測井新方法與儀器研究。E-mail：weiyong321@163.com

P631.8+11

A

2096-0077(2015)02-0076-03

2014-10-18 編輯：韓德林)