复合式电容传感器水平条件下的响应特性研究.pdf

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1、石油仪器2011年第25卷第1期PETROLEUMINSTRUMENTS·方法研究·复合式电容传感器水平条件下的响应特性研究胡金海刘兴斌李雷李屹威王延军(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司黑龙江大庆)摘要：针对低产液水平井产液剖面含水率的测量，设计出了一种复合结构的新型电容传感器，该传感器采用筒状结构电容传感器与同轴电容传感器相组合而成。文章介绍了传感器的结构，对传感器的响应规律进行电场仿真，给出了该传感器在油水分层条件下和泡状流下的响应规律。对该传感器开展了高度法实验研究和动态实验研究。得到了不同流量、不同含水率下的传感器响应规律，

2、结果表明：与传统的同轴电容传感器相对比，分辨率有较大的提高。该传感器可为低产液水平井产液剖面含水率的测量提供新的技术手段。关键词：水平井；电容式传感器；含水率；油水两相流中图法分类号：TP212文献标识码：B文章编号：1004．9134(2011)01．0077．030引言含水率的测量分辨率上均好于同轴电容传感器。1复合式电容传感器的结构与仿真研究国内针对低产液水平井流量和含水率的测量，主要采用集流、点测的测井方式，对于井下含水率的测量1．1传感器结构主要采用同轴电容传感器_lJ。但在低流量油水分层情复合式电容传感器由同轴电容传感器和筒状

3、电容况下，同轴电容传感器有时会浸没于水中或油中，降低传感器组合而成。同轴电容传感器由内插电极棒和其了该传感器对含水率测量的分辨率，造成同轴电容含外部包裹的绝缘层构成，筒状电容传感器由圆筒状金水率测量传感器分辨率较低。特别在含水率50％以属层电极和其内、外两侧包裹的绝缘层组成，将两个电上时分辨率就更低了，无法满足实际测量的需要。极都做密封处理与外壳绝缘并引出导线接同一个激针对上述问题，提出了采用筒状电容传感器_2J与励，在电路上是并联方式，外壳接地。图1为传感器结同轴电容传感器相组合的方案，设计出复合式电容传构示意图，图l(a)和图1(b)

4、分别为传感器的剖面图感器。对该传感器的响应特性进行电场仿真，并开展和截面图，整个传感器呈圆环状，流体进入传感器后，了高度法实验研究和动态实验研究，结果表明：传感器在圆环内部轴向流动。在低流量下(例如3m／d)对含水率还具有分辨率及1．2分层条件下的仿真传感器的含水率测量的重复性误差在8％以内，因此分层流条件下，简状电容与同轴电容组合传感器证明了该复合式电容传感器在重复性上和低流量下对的等效电路[]如图2(a)所示，由五部分电容的并联组出13／／／『Il匿夏互i葶l盈流三体U■墨!!!!!!!!!圜_(a)复合式电容传感器剖面(b)复合式电

5、容传感器截面图图1复合式电容传感器结构示意图第一作者简介：胡金海，男，1966年生，高级工程师，1989年毕业于长春地质学院，2001年获得天津大学硕士学位，现在大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司从事动态测井方法研究和仪器研制，大庆油田公司学术技术带头人。邮编：163453石油仪器·78·PETR0LEUMINSTRUMENrS2011年o2月‘饰羽铎(a)等效电路(b)传感器电场分布(C)理论、仿真响应曲线对比图2复合式电容传感器等效电路、电场分布及仿真结果示意图成。分别是：金属层、外绝缘层、金属电极构成电容C和cpwb，电力线的长

6、度代表电场强度。很明显，C。；金属电极、内绝缘层、与内绝缘层接触的水构成C。和c。部分电场强度较大，在传感器的分辨率上起C；C在界面附近的边界效果产生电容Cb；与电主导作用，因此在中等持水率，油／水分层条件下，筒状极杆绝缘层接触的水、电极杆绝缘层、电极杆构成电容电容与同轴电容共同作用的结果是使电容值增大，传CC在界面附近的边界效果产生电容CDwb。感器的分辨率增加，与传感器的数学模型一致。采用为了解组合电容传感器内部电场分布情况，运用有限元方法计算得到的响应曲线与基于数学模型的响有限元分析软件ANSYS对传感器进行了静电场仿真。应曲线如图

7、2(c)所示，可以看出传感器在整个持水率假定水为纯导体，取R0、Rl、R2、R3、R4、R5、L分别为范围都有很好的分辨能力。在组合传感器数学模型的9mml10nlnl、14mm15mm116mm19mm、100mm讨论中，对于由油水界面附近处边界效应引入的电容油、内外绝缘层及电极杆绝缘材料的相对介电常数为Cb、Cpwb为近似计算，所以基于数学模型的计算结果2，其它参数与实际传感器一致，应用宏命令与仿真计算结果略有出入。CMARTRIX求解电容量。图2(b)所示为持水率50％，1．3非分层流下的仿真油水分层时组合传感器的二维电场分布图。整

8、个电场图3为油泡与传感器内壁以及电极杆绝缘层接触可分为五部分，分别对应于上文中的C。、C一Cwh、时，传感器模型的网格划分、电势和电场分布图。在泡图3油泡与传感器接触时复合式电容传感器内部电场