电磁感应式含水率传感器设计

４Ｏ　国外油田工程第２３卷第１期（２００７．１）　电磁感应式含水率传感器设计　凌沛然（大庆石理局物资集团信息中心）　鞠明渊　芦柏丽　王峰　王春阳（大庆油田测试技术服务分公司）　摘要　介绍了电磁感应式含水率传感器　的原理和结构，它的静、动态实验和数据分　通道，流体流经传感器测量空间时，引起流体内的　水和传感器线圈的互感，表征为线圈两端阻抗的变　化，测量线圈两端的阻抗即可测得与其相对应的含　水率值。　析，证明此传感器既可以测水中的油亦可测　油中的水。由于采用双传感器的结构，一个　作为取样，一个作为测量，用取电压法测结　果，因此，克服了矿化度和温度的影响。此　在传感器金属外壳内是螺线管线圈架，螺线管　线圈架上绕有线圈，螺线管线圈架内部是流体流　传感器以磁力线为栽体，采用非接触测量，　道，传感器金属外壳上端是出液口，下端是经集流　后进入传感器的进液端。　此传感器结构如图１所示，１是仪器外部壳　体；２是螺线管线圈骨架；３是线圈；４是流体流　通通道；５是出液口。　具有不黏污、不腐蚀特点，因而可用于三元　复合驱产出井和稠油井的含水率测量。　主题词　电磁感应传感器含水率　一、前言　电磁感应法测量油井产液含水率近年来已经得到　发展，主要是利用流体中的导电离子，利用发射线　圈，在流体的水中建立电场，该电场在空间建立二次　磁场，通过测量二次磁场的强度，．确定流体的含水　率。该方法以磁力线为载体，可以对油内的水进行测　量，也可以对水内的油进行测量，具有较大的适用范　围。传感器的设计最通用的方式是利用两个线圈，一　个作为发射，一个作为接收，但设计难度大，并且信　号提取困难，而且还没有形成实用样机。　本文提出的传感器克服了现有传感器或者只能　测量水中的油，或者只能测量油中的水的缺点，且　图１　电磁感应式含水率传感器结构示意图　传感器易于实现，其结构简单，测量范围宽，在技　术上具有显著的优势，特别适用于三元复合驱产出　井和稠油井的含水率测量。　三、理论分析　根据电磁学理论中计算互感系数诺埃曼公式，　任意两线圈间的互感系数可以表示为：　二、传感器的测量原理及结构　通过线圈中低频的电流在线圈内外建立电磁　Ｍ一　碱　㈩　式中，Ｉｌｏ是磁导率；Ｎ　、Ｎ：分别是互感线圈的　场，线圈外的发散磁力线被金属外壳束缚，由于磁　力线的闭合性，全部磁力线通过线圈内部，并且相　对均匀。由于电磁感应现象的存在，当含有水的流　体通过线圈内部时，水中的导电离子在交变磁场的　作用下形成交变电流，建立二次磁场，反作用于线　圈，表征为线圈阻抗的变化，将流体的含水率与线　匝数；Ｒ是互感线圈上任取积分单元ｄｚ．与ｄ，　的距　离。当含有水的流体通过Ｎ一０匝线圈内部时．水　中的导电离子如钙、钠、镁等来自盐类的金属离子　在交变磁场的作用下，产生离子运动，形成交变的　电涡流，等效匝数Ｎ（Ｙ　）与线圈形成等效互感现　象．代人公式（１）得：　Ｍ一　Ｎｏ—Ｎ　（Ｙ）Ｓ　￣，—圈的阻抗变化建立对应关系，实现含水率测量。传　感器工作时，首先利用集流器集流，流体进入流通　（２）　一维普资讯 http://www.cqvip.com

凌沛然：电磁感应式含水率传感器设计　４１　式中，　是磁导率；Ｎｏ、Ｓ、１分别是线圈的匝　应作为参考对比值，另外一个传感器线圈置于流道　内，实测结果为测量值，二者均以空气值为基值。　这样一方面便于信号采集、处理，另外，便于进行　温度、矿化度校正。　数、截面积和长度；Ｎ（Ｙ　）是流体内的水形成的电　涡流等效匝数；Ｙ　是持水率。Ｎ（Ｙ　）取决于传感器　内水的持率，可以表示为：　Ｎ（ｙ　）＝志ｙ　（３）　线圈的阻抗：　四、静、动态实验分析　１，“水包油”检测实验　ｚ＝／Ｒ—ｚ＋（２—ｒｃｆＭ）ｚ：　＋（　）。　（４）　在室温情况下，用塑料棒（直径２０ｍｍ，长　１５０ｍｍ）绝缘体模拟做水包油实验，设备ＲＣＬ　式中，Ｒ是线圈的电阻；ｆ是交变电流的频率。　流体含水率的变化表征为线圈阻抗的变化，将流体　的含水率与线圈的阻抗变化建立对应关系，通过对　线圈阻抗的测量实现含水率测量。　线圈原始磁通量：　１一　Ｊｌ　ＺＳ　（５）　在每个水泡内激起的感应电动势：　一　訾　㈤　腔体内电动势总和：　已一ＩＹ　訾：ｆ２ｙ　ｓ訾　（７）　设等效电导ｄ　，等效线圈匝数　，等效线圈　长ｚ　等效线圈面积　，则流体等效线圈电流：　Ｊ。＝学一　ｙ　。ｓ　ｄＩ，　（８）　回作用于线圈的磁通量：　２一　一　２１１２ｎ＇２ｙ　訾（９）　电动势：　＝ａｉｒ２ｎ２１，１，２　ｌＳ　一　。ｙ０　（１０）　螺线管初始电动势：　ａ—ｚ・Ｊｌ—ｚＩ　ｏｓｉｎ（￣）　（１１）　合成电动势：　一ａ＋　＝ｚＩ　ｏｓｉｎ（“）＋　２　２　４　ｚ　ｓ。　争　一（　＋　７１２ＹＬｌ　Ｓ　）Ｊｏｓｉｎ（￣）　（１２）　＝　ｌ＋　１一（ｚ＋ｚＦ）Ｊｏｓｉｎ（￣）　（１３）　测量结果：　结果一　室内方法实验以空气值为基值，以全水值作为　参考值。测量时，一个传感器线圈置于清水中其响　表、直流电源各一台，传感器的阻值是２．８５９ｋ￣，　供１０Ｖ、１０～１６０ｋＨｚ的信号，采用“分压法”进　行测量。　从表１数据分析可以得知，传感器都有分辨　率，特别在１２０～１４０ｋＨｚ时，有无绝缘体加入，　传感器阻抗的变化量最大，说明该传感器可以测量　水中的油即“水包油”。　表１有无绝缘体实验数据　Ｆ（ｋＨｚ）　全水（ｋｆ１）　有芯（ｋｆ１）　△Ｚ（ｋｆ１）　ｌ０　２．３ｌ２　２．２８ｌ　一０．０３ｌ　２０　２．４０６　２．４４　０．０３４　３０　２．５６６　２．６２６　０．０６　４０　２．５０６　２．５６９　０．０６３　５０　２．４０６　２．５ｌ　０．１０４　６０　２．５０７　２．６３２　０．１２５　７０　２．４６　２．５８６　０．１２６　８０　２．４２３　２．５５３　０．１３　９０　２．４９４　２．６２９　０．１３５　ｌ００　２．４６８　２．６０３　０．１３５　ｌｌ０　２．４９　２．６３　０．１４　１２０　２．４９２　２．６３６　０．１４４　ｌ３０　２．５６３　２．７ｌ　０．１４７　１４０　２．６２　２．７６４　０．１４４　ｌ５０　２．６３　２．７６５　０．１３５　ｌ６０　２．６９７　２．８３４　０．１３７　２，“油包水”检测实验　在室温情况下，用塑料管（直径２０ｍｍ，长　１５０ｒａｍ）装满水模拟做“油包水”实验，设备　ＲＣＬ表、直流电源各一台，传感器的阻值是　２．５１ｋＱ、２．２７ｋＱ，供１０Ｖ、５０～２ＯＯｋＨｚ的信号，　采用“分压法”进行测量。　从表２数据可以看出，在加水测量过程中，传　感器都有分辨率，并且在５０～６０ｋＨｚ时分辨率最　高，说明此传感器能在此频率范围内检测到油中的　水，即可测“油包水”。　３，传感器分辨率曲线　实验１、２说明了所述传感器可应用于“水中　油”、“油中水”测量。为进一步描述传感器特性，　本实验通过同一频率下在传感器内插入不同直径的　维普资讯 http://www.cqvip.com

４２　国外油田工程第２３卷第１期（２００７．１）　玻璃棒模拟“水中油”的方法，用示波器显示采集　电路的频率响应曲线。　表２有无加水塑料管实验数据　频率（Ｈｚ）　全水（ｋｎ）　加水管（ｋｎ）　△Ｚ（ｋｎ）　１０　２．３ｌ２　３．２０４　０．８９２　２０　２．４０６　２．９２９　０．５２３　３０　２．５６６　３．０ｌ３　０．４４７　４ｏ　２．５０６　２．９０４　０．３９８　５０　２．，１０６　２．８８９　０．４８３　６０　２．５０７　２．９４６　０．４３９　７０　２．４６　２．８５２　０．３９２　８０　２．４２３　２．７９５　０．３７２　９０　２．４９４　２．８６　０．３６６　１ｏｏ　２．４６８　２．８２ｌ　０．３５３　ｌｌ０　２．４９　２．８４６　０．３５６　ｌ２０　２．４９２　２．８４３　０．３５ｌ　ｌ３０　２．５６３　２．９ｌ　０．３４７　ｌ４０　２．６２　２．９５　０．３３　ｌ５０　２．６３　２．９３８　０．３０８　ｌ６０　２．６９７　３．００９　０．３ｌ２　表３有无加水塑料管实验数据　玻璃棒　全水（ｋＨｚ）　加棒（ｋＨｚ）　△（Ｈｚ）　ｌ　１．２７４　１．２４２　３２　２　１．２７４　１．２２７　４７　３　１．２７４　１．２０５　６９　４　１．２６６　１．１６３　ｌ０３　Ｓ　１．２７４　１．１ｌｌ　ｌ６３　６　１．２７４　１．０５３　２２ｌ　由表３可以看出，该传感器能应用于不同持率　的流体测量．并且有较好的分辨率。　４，矿化度实验　传感器常温室内的矿化度实验：激励源ｆ—　ｌｌ０ｋＨｚ，溶液２０００ｍＬ，盐］ｇ／次。实验数据见表４。　表４矿化度实验数据　加盐最（ｇ）　盐水（Ｈｚ）　插玻璃棒（Ｈｚ）　频差（Ｈｚ）　０　２．４９７　２．６３ｌ　０．１３４　ｌ　２．３７ｌ　２．４１７　０．０４６　２　２．３６２　２．３７８　０．０ｌ６　３　２．２３６　２．２５８　０．０２２　４　２．２３ｌ　２．２４４　０．０ｌ３　５　２．２２８　２．２３５　０．００７　６　２．２２２　２．２３　０．００８　７　２．２２　２．２２７　０．００７　８　２．２ｌ６　２．２２　０．００４　９　２．２ｌｌ　２．２ｌ６　０．００５　１０　２．２０６　２．２ｌ　０．００４　ｌｌ　２．２０２　２．２０４　０．００２　ｌ２　２２００　２．２０３　０．００３　因条件有限，矿化度实验比较粗糙。该传感器　受矿化度影响较大，但离散点的近线性分布表明可　以找到校正方法，尽而最大程度消除矿化度对传感　器的影响。　５，温度实验　该实验主要为了检测传感器是否受温度影响．　通过观察、实验、分析寻求温度校正方法。实验设　备主要是烘箱、ＲＣＬ表及相关设备，激励源　１１０ｋＨｚ，实验结果如下：　表５温度实验数据　温度（℃）　传感器ｌ输出　传感器２输出　３５　８．４３８　２．８４８　４５　８．４３８　２．８６２　５５　８．４３８　２．８６６　６５　８．４３８　２．８７３　７５　８．４３８　２．８７８　８５　８．４３８　２　８８　９５　８．４３８　２．８８９　ｌ０５　８．４３８　２．９０２　ｌｌ５　８．５９４　２．９ｌ　乏　６　０　２０　０　ｌ　２　３　４　５　６　７　８　９　传感器电抗△Ｚ　圈２温度实验　由上述图表可以看出，传感器的阻抗变化受温　度影响比较小，两传感器虽然阻值不同，但受温度　影响后变化的方向一致，线性接近，这就有助于以　后的温度校正。　６，动态实验　为进一步检测传感器在两相流情况下的分辨　率，在模拟井做动态实验。用模拟井地面记录仪采　集传感器输出数据，供电５６Ｖ、５５ｍＡ。图３、图４　是在油水两相流条件下该传感器的试验结果。横轴　是含水率，纵轴是经过电路处理后的传感器信号输　出频率归一化的值，每条曲线分别对应５ｍ。／ｄ、　３０ｍ。／ｄ和６０ｍ。／ｄ的流量。试验结果表明，本传　感器在１Ｏ　～１００　的含水率变化范围内均有良好　的响应能力，能够实现对油水两相流含水率的　测量。　表６模拟井动态实验数据　持率流量（　）　１００　９０　８０　７０　６０　５０　４０　３０　２ｏ　ｌＯ　５ｍ３／ｄ　５１９　５７８　７０７　９４３　１３７６　ｌ８９ｌ　３０６５　４２４９　４７２６　６２０４　３０ｍ３／ｄ　５２３　７４４　９２２　１３１４　２１５０　２８０９　３８９４　４９９５　５９６６　６２０７　６０ｍ３／ｄ　５３１　６８２　９４９　１３４１　１８８３　２６５４　４２４ｌ　５９３７　６２３６　６３０４　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｏ　Ｏ　１　９　８　７　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　６　５　４　３＾１　１　０　凌沛然：电磁感应式含水率传感器设计　４３　７　６　５　４　３　２　１　流体的含水率，解决油井产出剖面含水率测量问　题。该传感器不接触测量流体，因而它不黏污、不　腐蚀，克服黏度影响，适合三元复合驱产出井、稠　油井的含水率测量。采用了双传感器的结构，可最　大限度克服温度、矿化度对测量结果的影响。　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　叫　帅∞∞ｌＯ　Ｏ　ｉ㈨　０　．雹　钴　基　Ｏ　２０　４０　６０　８０　１Ｏ０　该传感器能捕获水中离子，产生电涡流，但因　温度、矿化度不同，它的电导也不同，进而产生的　电涡旋也不同，因此，对测量结果就产生影响，这　含水患１％１　图３动态实验响应　需进一步探讨。另外，温度、矿化度实验需进一步　细做下去，以便寻找补偿措施，校正其影响；在原　趟　．　翡　基　．　理和电场计算上以及传感器线圈参数匹配上需进一　步做工作。　参考文献　ｌ吴锡令．生产测井原理．北京：石油工业出版社，１９９７　１　２漆新民．电磁场论．武汉大学出版社，ｌ９９８　３朱英启，尹悦生．测井专用仪器．北京：石油工业出版社，　配比含水率Ｉ％）　１９９３　图４模拟井动态实验　４鄣海敏．生产测井导论．北京：石油工业出版社，２００３　５王明达，王孝江．电动力学．吉林大学出版社，ｌ９８５　五、结论　本文所述传感器仅利用一个螺线管线圈，采用　较低的频率，直接观测线圈两端的阻抗变化来测量　（收稿日期　２００６　１２一　一　２３）　　●　■　●抖■　＃●　，■　＇　■　，■　■　■　■≯　ｌ　改进型电泵井刮蜡器　由牡丹江厂家生产的电泵井冲击旋转式刮蜡器的优点是：结构简单，操作方便，通过结蜡段快速，提　高清蜡效率，降低操作工人的劳动强度，使用中不易卡。但缺点是：其刮蜡片设计直径为５８ｍｍ，实际直　径只有５６ｍｍ，直径达不到清蜡要求；且刮蜡过程中刮蜡片不旋转，不能进行有效清蜡，长期使用此刮蜡　器致使电泵井（直径６２ｍｍ）内壁结３￣５ｍｍ厚硬蜡（通过电泵井作业时观察已证实），很难清　除。因不能有效清蜡，内结蜡较多，工人操作过程中刮蜡器经常发生顶钻现象，易造成井下落物事　故；因清蜡效果不好致使矿场电泵井清蜡周期缩短，单井清蜡次数增加，增大工作量。针对上述刮蜡器的　缺点，对其进行了改进。改进型刮蜡器主要在刮蜡片直径及刮蜡器外形有所改变，它的直径为５８．５ｍｍ，　可有效清除管壁附着的蜡及其他杂质。改进型刮蜡器除保留其原有的优点之外，在刮蜡过程中还可以自动　旋转，增大了刮蜡面积，提高了清蜡质量，并能有效延长电泵井的清蜡周期，减轻电泵井负载，延长电泵　井检泵周期。应用该刮蜡器后，通过对多口实验井的跟踪观察，聚驱电泵井平均清蜡周期可延长５～８天，　水驱电泵井平均清蜡周期可延长１５天左右。在１口实验井作业后，通过对起出管柱的观察，管壁没有明　显蜡附着，应用效果较好。实践证明，应用改进型电泵井刮蜡器可给采油单位带来可观的经济效益。　余庆东供稿