[發明專利]基于插入式電容傳感器的含水率測量裝置

有效

• 申請號: 201810923285.4
• 申請日: 2018-08-14
• 公開（公告）號: CN108828029B
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 王超;曹晴晴;孫宏軍;張帥;李瀟亮;王偉
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

本發明涉及一種基于插入式電容傳感器的含水率測量裝置，包括電容傳感器、信號處理單元、有效值測量單元和計算單元。電容傳感器包括同時作為激勵電極和測量電極的激勵測量電極和固定在其上方和下方的兩個保護電極；信號處理單元包括前端放大器、同軸電纜、交流信號發生器和差分放大器，前端放大器的負輸入端通過同軸電纜信號線與電容傳感器中的激勵測量電極相連接，前端放大器的正輸入端與交流信號發生器相連，同時連接到電容傳感器中的兩個保護電極、同軸電纜的屏蔽層以及差分放大器的負輸入端；一個標準電阻和電容并聯后連接于前端放大器的負輸入端和輸出端；前端放大器的輸出端連接到差分放大器的正輸入端。

技術領域

本發明涉及油田開采領域，具體而言，涉及一種基于插入式電容傳感器的含水率測量裝置。

背景技術

當今社會的發展對能源的需求不斷增大，石油作為＂第一能源＂，在國民經濟、國家戰略中有著十分重要的地位。但是，石油是一種不可再生的能源，所以在開采過程中盡量減少開采損失、充分利用資源具有十分重大的意義。在石油工程中，為了提高原油的開采效率，經常在油井的二次開采中采用高壓注水、注聚合物的技術。但這一過程使得開采出的原油中含有水，導致油井開采以及開采后的傳送過程中普遍存在油水兩相流。原油的開采、脫水、集輸、計量、冶煉等過程均會受到原油含水率的直接影響。在輸送管道中，原油含水率的精確測量，對于確定出水或出油層位、估計產量和預測油井的開發壽命、油田的產量及質量控制、油井狀態檢測、提高二次采油質量等方面具有重要的作用。因此，含水率是一個很重要的檢測參數，實時在線檢測含水率具有十分重要的意義，同時也是油田精確在線計量的難點問題。

在石油開采初期，大部分油井內充滿低含水率的油水兩相流。對于這種情況，水相為離散相，油相為連續相，電容法含水率測量技術是首要選擇。傳統電容傳感器是由一對平板電極組成，其中一個作為激勵電極，另一個為測量電極。這種電極雖然激勵場分布均勻，但存在電力線邊緣效應以及電極正對面積、電極間距難以確定等問題，適用于方形管道；同軸筒狀電容傳感器大部分為截斷式安裝，安裝復雜，維護困難；截面多電極(如ECT成像技術)能夠較準確的測量出管道中兩相流的分布情況，但其結構復雜、安裝不便且成本高。因此，對于低含水率的油水兩相流，亟需提出激勵場均勻且結構簡單、便于安裝的傳感器及測量裝置。

發明內容

針對油井低含水的油水兩相流含水率測量問題，本發明提出一種插入式電容傳感器裝置，旨在為以油相為連續相的低含水油水兩相流含水率的測量設計出結構簡單且激勵場均勻的傳感器形式、提供新的測量裝置。當管道內的導電介質為離散相、絕緣介質為連續相時，將管道內的混合介質等效為一個電容，混合介質的相含率發生變化時，電容隨之變化，最終可由兩者之間的函數關系獲得含水率。技術方案如下：

一種基于插入式電容傳感器的含水率測量裝置，用于以油為連續相的低含水油水兩相流管道內的含水率測量，包括電容傳感器、信號處理單元、有效值測量單元和計算單元，其特征在于，

電容傳感器固定在豎向管道和橫向管道的彎管接頭處，沿著豎直管道方向自上向下插入，電容傳感器包括同時作為激勵電極和測量電極的激勵測量電極和固定在其上方和下方的兩個保護電極；

信號處理單元包括前端放大器、同軸電纜、交流信號發生器和差分放大器，前端放大器的負輸入端通過同軸電纜信號線與電容傳感器中的激勵測量電極相連接，前端放大器的正輸入端與交流信號發生器相連，同時連接到電容傳感器中的兩個保護電極、同軸電纜的屏蔽層以及差分放大器的負輸入端；一個標準電阻R_f和電容C_f并聯后連接于前端放大器的負輸入端和輸出端；前端放大器的輸出端連接到差分放大器的正輸入端。

有效值測量單元，將差分放大器的交流輸出正弦電壓信號轉化為電壓有效值，獲得與被測管道中的油水兩相流的電容值成正比的輸出電壓。

計算單元，根據所獲得與被測管道中的油水兩相流的電容值成正比的輸出電壓，采用油水兩相流電容值與含水率的函數關系模型，計算含水率。