高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率测量装置，采用的电容传感器为弧形对壁高频电容传感器，包括激励电极，接收电极及屏蔽层，激励电极与接收电极呈对壁式固定于20mm外径为30mm的管道外壁上，经优化的激励电极张角为120°，长度为200mm，屏蔽层长度为200mm，屏蔽层内径40mm，厚度0.5mm。在此参数下电容传感器的激励频率为1.8GHz；测量电路包括高频信号源、功分器和相位检测模块。

High Frequency Capacitance Sensor Water Holdup Measuring Device for Oil-Water Two-Phase Flow with High Water Content and Low Flow Velocity

The present invention relates to a high frequency capacitive sensor for measuring water holding capacity of oil-water two-phase flow with high water content and low flow rate. The capacitive sensor is arc-to-wall high frequency capacitive sensor, including exciting electrode, receiving electrode and shielding layer. The exciting electrode and receiving electrode are fixed on the outer wall of a pipeline with an outer diameter of 30 mm in opposite wall type. The optimized exciting electrode tension angle is 120 degrees and the length is 200 mm. The length of shielding layer is 200 mm, the inner diameter of shielding layer is 40 mm and the thickness is 0.5 mm. Under this parameter, the excitation frequency of capacitive sensor is 1.8 GHz, and the measurement circuit includes high frequency signal source, power divider and phase detection module.

【技术实现步骤摘要】
高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率测量装置
本专利技术涉及油田开发过程中油井动态监测领域中高含水低流速油水两相流持水率高分辨测量方法。
技术介绍
油水两相流流动现象广泛存在于自然界与工业生产中，随着油田开采的持续发展，现阶段的油田开采已经进入了高含水开采阶段，由于地层中本身含有的大量地层水和长期的注水开采，许多油田的平均含水率已超过90％，低产低渗现象严重，大多数油田呈现低流速高含水生产特点，准确测量较高含水率条件下的油水两相流持水率具有重要的实际应用价值。然而，由于低流速油水两相流相间滑脱现象明显，局部浓度和速度分布不均匀，准确测量高含水低流速时的持水率难度很大。由于电学方法探测灵敏度高且受测量环境影响较小，目前仍是主流的持水率测量手段。电导法和电容法作为持水率参数测量的常规有效手段，是根据油水相间存在显著的电导率及介电常数差异实现持水率参数测量。尤其是，电容式传感器相较于其他类型的传感器，受导电性影响小、测量灵敏度高、安装方便及信号稳定，传统电容传感器大多适用于连续相不导电或具有低导电率的两相流介质。但是，对于油水两相流，尤其是高含水流动条件下，电容极板间的混合液介电特性随持水率变化的灵敏度显著降低，导致电容传感器持水率测量分辨率有较大局限性。此外，不同油田地层采出水矿化度的不同也导致油水两相流中水相电导率及介电常数发生变化，矿化度对电容传感器持水率测量仍有较大影响。为了克服传统电容传感器在水为连续相的高含水时持水率测量分辨率低的问题，本专利技术提出了一种高频电容传感器测量持水率方法。在测量方式上，采用更高频率的信号激励，突显电容传感器介电特性与持水率的敏感关系。当混合液含水率变化时，通过测量弧形对壁电容传感器高频信号衰减的相位差来提取油水混合液的持水率信息。弧形对壁电容传感器由两个弧形对壁对壁测量电极和屏蔽层构成。测量电极对放置在管道外部，一个用于信号发射，另一个用于信号接收，在电极外施加屏蔽层，对敏感电极的电场起保护作用。采用有限元法考察了弧形对壁电容传感器的幅频及相频输出特性，优化选择了高频电容传感器的工作频率，数值分析了高频电容传感器相位输出与持水率之间的关系。在此基础上，搭建了高频电容传感器测量系统，开展了垂直上升油水两相流高含水时的持水率测量实验，分析了矿化度对高频电容传感器的输出影响，最终实现高含水油水两相流持水率高分辨测量。
技术实现思路
本专利技术提出一种高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率高分辨测量方法，可以通过测量高频电容传感器的相位输出信号变化来测量持水率，实现高含水油水两相流持水率高分辨率测量。技术方案如下：一种高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率测量方法，用以测量油水两相流总流量为0.5m3/d～5m3/d，持水率为90％～99％变化范围内的持水率，采用的电容传感器为弧形对壁高频电容传感器，包括激励电极，接收电极及屏蔽层，激励电极与接收电极呈对壁式固定于20mm外径为30mm的管道外壁上，经优化的激励电极张角为120°，长度为200mm，屏蔽层长度为200mm，屏蔽层内径40mm，厚度0.5mm。在此参数下电容传感器的激励频率为1.8GHz；测量电路包括高频信号源、功分器和相位检测模块，高频激励信号由PXI5661产生，通过功分器将PXI5661的输出分为两路相位差恒定，幅值相同的信号，一路信号直接输入到基于AD8302芯片的相位检测模块的INPA输入端，另外一路接至弧形对壁高频电容传感器的激励电极上，接收电极的信号接入到相位检测模块的INPB输入端，相位检测模块将通过传感器衰减后的高频信号的相位变化转换为直流信号后，由PXI4472采集，PXI4472采集的信号被送入计算机，用以进行持水率的计算。本专利技术由于采取以上技术方案，具有以下优点：(1)本专利技术设计的弧形对壁式高频电容传感器可适用于垂直井筒内高含水低流速油水两相流持水率高分辨测量，在20mm管径内设计的弧形对壁电容传感器在激励频率为1.8GHz时具有最佳电场分布特性，在高含水时其传感器相位输出与持水率之间具有高分辨的线性关系。(2)本专利技术设计的弧形对壁式高频电容传感器可有效减小矿化度变化对传感器测量持水率影响，在三种矿化度条件下(180ppm、1170ppm、3340ppm)高频电容传感器仍具有较高的持水率分辨率，通过漂移模型预测的含水率平均误差均小于1％。附图说明图1是弧形对壁式高频电容传感器结构图，其中(a)(b)分别是轴向及截面图。图2是弧形对壁式高频电容传感器持水率测量系统示意图。图3是不同激励频率下的弧形对壁式高频电容传感器的幅频特性的仿真。图4是不同激励频率下的弧形对壁式高频电容传感器的相频特性的仿真。图5是矢量网络分析仪测量得到的电容传感器幅频特性。图6是矢量网络分析仪测量得到的电容传感器相频特性。图7是弧形对壁式高频电容传感器有限元仿真模型管道截面油泡排布图。图8是弧形对壁式高频电容传感器有限元仿真模型管道轴向油泡排布图。图9是仿真分析得到的传感器幅频特性、相频特性与持水率之间关系，其中(a)(b)是1.78GHz～1.82GHz频率变化范围内的相频特性和幅频特性，(c)(d)分别是仿真分析得到的1.8GHz频率处相位、幅值与持水率之间关系。图10是弧形对壁式高频电容传感器的测量电压信号，其中图(a)(b)是低流速油水两相流泡状流(DO/W)，图(c)是低流速油水两相流细小泡状流(VFDO/W)。图11(a)(b)(c)分别是在180ppm，1170ppm及3340ppm的水矿化度下，弧形对壁式高频电容传感器测量高含水油水两相流的视持水率与流量及含水率之间实验相关图版。图12(a)(b)(c)分别是在180ppm，1170ppm及3340ppm的水矿化度下，弧形对壁式高频电容传感器的含水率测量结果。附图标号说明：1、激励电极；2、传感器管道；3、屏蔽层；4、测量电极；5、高频信号；6、功分器；7、弧形对壁式高频电容传感器8、相位检测模块；9、INPA输入端；10、INPB输入端；11、对数放大器；12、乘法器；13、偏置电压；14缓冲放大器；15、输出信号。具体实施方式采用的传感器为弧形对壁高频电容传感器，包括激励电极，接收电极及屏蔽层，激励电极与接收电极呈对壁式固定于管内径为20mm(井下集流型持水率测量通道的典型尺寸)，外径为30mm的管道外壁上，经优化的激励电极张角为120°，长度为200mm，屏蔽层部分长度为200mm，屏蔽层内径40mm，厚度0.5mm。在此参数下电容传感器的最佳激励频率为1.8GHz，研究表明，此时的幅频特性、相频特性与持水率之间具有良好的线性关系，在油水两相流总流量为0.5m3/d～5m3/d，持水率为90％～99％变化范围内表现出持水率高分辨率测量特性。高频电容传感器测量系统由高频信号源、功分器和相位检测模块组成，高频激励信号由PXI5661产生，通过功分器将PXI5661的输出分为两路相位差恒定，幅值相同的信号，一路信号直接输入到基于AD8302芯片的相位检测模块的INPA输入端，另外一路接至弧形对壁高频电容传感器的发射电极上，接收电极的信号接入到相位检测模块的INPB输入端，相位检测模块将通过传感器衰减后的高频信号的相位变化转换为直流信号后，由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率测量装置，用以测量油水两相流总流量为0.5m

【技术特征摘要】
1.一种高频电容传感器高含水低流速油水两相流持水率测量装置，用以测量油水两相流总流量为0.5m3/d～5m3/d，持水率为90％～99％变化范围内的持水率。采用的电容传感器为弧形对壁高频电容传感器，包括激励电极，接收电极及屏蔽层，激励电极与接收电极呈对壁式固定于20mm外径为30mm的管道外壁上，经优化的激励电极张角为120°，长度为200mm，屏蔽层长度为200mm，屏蔽层内径40mm，厚度0.5mm。在此参数下电容传感器的激励频率为1.8GHz；测量电...

【专利技术属性】
技术研发人员：金宁德，马静，刘伟信，王大阳，任英玉，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12