利用电导传感器测量油水两相流中含水率的研究

吴春梅，赵 勇，姜 赫，熊春宇

（1.大庆师范学院物理与电气信息工程学院，黑龙江大庆163712；

2.大庆油田有限责任公司电力集团公司，黑龙江大庆163711）

□油气田工程与研究

利用电导传感器测量油水两相流中含水率的研究

吴春梅1，赵 勇2，姜 赫1，熊春宇1

（1.大庆师范学院物理与电气信息工程学院，黑龙江大庆163712；

2.大庆油田有限责任公司电力集团公司，黑龙江大庆163711）

两相流是石油开采中始终存在的一种现象，含水率的多少直接反映了开采的经济效益，要想准确测试出这两相中的含水率，利用电导传感器进行测试已成为现在的测试热点。文章首先介绍了电导传感器测试含水率的结构和测量原理，然后通过现场试验测试试验数据，经过实验数据分析，确定测试所得的含水率，再与实际含水率对比，从而验证测试系统能够准确的测试出原油含水率。

电导传感器；含水率；油水两相流

0 引言

在石油行业和化工行业中存在着两相或多项流体的流动过程［1-3］。其中两相流是指由两种成份的流体组成，例如油水两相流是指油相和水相这两种不同的物质相互混合构成的流动体系。由于各成份之间存在着密度、粘度等自身物质性参数的差异，同时在外界因素比如流量、压力、重力及管道形状等若干因素的影响下，导致两相流参数检测十分困难［4-5］。在石油开采的过程中，油水两相流混合物的流动始终存在于石油管道输送中，也就是说它们是同时产出并以混合物的形式输送的。在石油开采中由于地层水的存在，尤其进入油田开采的中后期，混合物的含水率更高，如，现在大庆油田其综合含水率已经高达90%以上，这样精确探测井下油田非常苛刻，要求仪器有耐高温、耐高压、体积小等特点，本文采用电导传感器对井下进行测试，从而得出其含水率。

1 油水两相流中含水率测量传感器结构

由于电导传感器具有结构简单、响应速度快、抗干扰能力强等优点，所以在油水两相流复杂的环境中很实用，对油水两相流的含水率检测时采用的是四电极结构的阻抗传感器［6］，其结构如图1所示：其中激励信号加在激励电极E1、E2上，响应电极A1、A2输出检测区域的等效电阻，其中激励信号由恒流激励源来激励，利用流体的阻抗和相持率之间的理论间接求出含水率。

图1 含水率测量传感器

2 利用电导法测试含水率的基本工作原理

对于油水混合物来说，从介质的本身性质出发水是连续介质，油是离散介质，油泡的尺寸和空间的分布情况随时间在时刻发生变化，现假设流过传感器流体的混合相电导率为σm，连续水相电导率为σm，仪器的标定系数为k，其中混合相时电极上的电流为I1，电压为V1，纯水相时的电流为I2，电压为V2。

式中，σ称为归一化的电导率，要求出油水两相流中的含水率必须求出归一化电导率和含水率的关系，即理论模型。流体中各成分的含量与混合流体的流动速度以及流型有直接的关系，不同的流型建立不同的理论模型。

在所用的模型中，Maxwell模型用的最多，它做了如下假设，即假设所有的油分子在形状尺寸上接近于球形，并且相互不受干扰，从而得出归一化电导率与含水率的关系模型如下：

其中β为两相流流体的含水率。Bruggeman对Maxwell模型进行延伸，解决了随机尺寸分布的问题，Bruggeman模型如下：

Begovich＆Waston模型也较好的建立了归一化电导率和含水率之间的模型，模型如下：

3 实验结果

本次实验是把四电极传感器安装在采油厂某口井下进行试验，测试现场如图2所示：

图2 现场试验装置图

通过试验得到电导率与电压的关系如表1所示：

表1 电导率测试结果

表2 现场测试结果

又由Begovich＆Waston及李英伟［7］等人的模型分析可知，只要能够测试出电导传感器的输出电压，就可以推算出油水两相流的含水率，从表中的计算不难看出大庆现在含水率已经达到95%以上。

4 结语

通过搭建电感传感器测试系统对大庆油田某口井进行测试实验，测试出两相流电压和全水相电压，从而得出含水率，并通过与实际开采中得到的现场实验数据对比发现基本相吻合，进而说明采用电导传感器能够精确测试出石油开采中两相流中的含水率，这也为其他两相流测试提供了实验方法。

［1］T.Al-Wahaibi，M.Smith，P.Angei.Effectof Dra-reducing Polymerson Horizontal Oil-Waterfows［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2007，57（3-4）：334-346.

［2］K.NilPueng，Somchai，Wongwises.Flow Pattern and Pressure Drop of Vertical Upward Gas-liquid Flow in SinusoidalWavy Channels［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2006，30（6）：525-534.

［3］S.Arosio，R.Carlevaro，M.guilizzoni.Downward Two-Phase Flow Applications for Non-Conventional Heet Pump［J］.International Journal of Refigeration，2004，27（6）：629-638.

［4］X.Xu.Study on Oil-Water Tow-Phase Flow in Horizontal Piplines［J］.Journal of Petro-leum Science and Engineering，2007，59（1-2）：43-57.

［5］J.Y.-L.Lum，T.Al-wahaibi，P.Angeli.Upward and Downward Inclination Oil-Water Flows［J］.International Journal ofMultiphase Flow，2006，32（3）：323-343.

［6］X.B.Liu，J.H.Hu，C.H.Huang，et al.Conductance Sensor for Measurementof the Fluid Watercut and Fowrate in Production Wells［J］.The 5th International Symposium on Measurement Techniques for Multiphase Flow，Aomen，China，2006，23：440-443.

［7］李英伟，孔令富.四电极电导传感器敏感场的理论分析［J］.化工自动化及仪表，2008，35（1）：45-48.

Study on Conductance Sensor M easuring M oisture Content in Oil／W ater Two Phase Flow

WU Chun-mei1，ZHAO Yong2，JIANG He1，XIONG Chun-yu1
（1.College of Physics and Electrical Information Engineering，Daqing Normal University，Daqing 163712，China；2：Electric Power Group，Daqing oilfield，Daqing 163712，China）

two phase flow is a kind of phenomenon always exists in the oil，how much moisture content directly reflects the economic benefit ofmining，in order to accurately test themoisture content of the two phase，using conductance sensortesthas become a hot testnow.Article first introduced the conductivity sensor testingmoisture content of the structureand measuring principle，and then through the field test test test data，through the analysis of experimental data，determine the test themoisture content is obtained and compared with actualwater cut，and validation testing system can accuratelytest themoisture content of crude oil.

conductivity sensor；moisture content；oil-water two phase flow

吴春梅（1980-），女，黑龙江大庆人，大庆师范学院物理与电气信息工程学院讲师，从事传感技术和材料研究。

大庆师范学院青年基金项目（11ZR11）。

TP216.1

A

2095-0063（2013）06-0083-03

2013-03-10