阵列电磁传感器的频率特性测量实验研究

2013-12-03蔡家铁吴锡令

测井技术 2013年1期

蔡家铁，吴锡令

（中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京102249）

0 引言

为了增强油气勘探能力和提高油田开发效益，油田生产越来越多地采用大斜度井和水平井，其井内混合流体分布和流动特性比直井更加复杂，传统的生产动态监测技术已经不能满足勘探需求，因此迫切需要先进适用的新技术［1－2］。电磁波流动成像测井针对油气井内多相流体的流动属于非均匀介质动态问题，采用了非线性测量方法进行研究。

油井内流动的流体一般是非均匀混合的石油、天然气和地层水。电磁波流动成像测井的实质是在井内激发一定形式的电磁场，利用流动截面上油、气和水的导电特性和介电特性差异进行测量并显示各相流体流动的实时图像。工作频率作为电磁波传播的重要参数，不仅对电磁波的自身传播特性和混合流体的电性质有影响，而且对最终的测量值也有很大影响［3－5］。王晓星［6］等通过理论研究和数值模拟，对频率选取进行分析及计算得出，测量频率选择在10kHz～10MHz时，油气水混合流体的各相电性参数保持稳定且差别大，同时各电极模拟测量值基本保持稳定且差别也大。本文在此基础上通过实际测量分析选出阵列电磁传感器最优的工作频率。

1 测量物理模型

阵列电磁传感器采用电磁波对油井内的流体流动截面进行扫描测量。设电磁波测量的敏感场区域为D，在D内，介质电磁特性分布函数为μ（x，y，z）。对于A点发射、B点接收的情况，D内各点对信号贡献量的分布函数为Cij［x，y，z，μ（x，y，z）］，则测量信号可以表示为［7］

式中，dij为测量数据；eij为测量误差；dV为体积元。

流体介质电磁特性分布函数μ（x，y，z）和流场对测量信号的贡献Cij［x，y，z，μ（x，y，z）］，都与流体的电磁性质有密切关系。而油井套管内的流体介质对电磁波有损耗，其介电常数为复数，即

式中，ε′与介质无损耗时的ε相同；ε″代表介质原子结构中的阻尼效应；σ′＝σ＋ωε″为介质的等效电导率。上述分析表明，油井内混合流体是频散介质，其电磁特性都与交变电磁场频率有关。因此，电磁传感器测量结果与交流信号的工作频率密切相关。

多相流动阵列电磁传感器是一个具有立体结构的复合电极阵列。电极阵列具有5层环状电极，第2、4层为2个主电极层，第1、3、5层为屏蔽电极层，每层在圆周上等角排列16个电极（见图1）。测量时对主电极和屏蔽电极馈以相同相位和幅度的电磁波信号。依次选择中间层某一电极作为发射电极，其上下电极作为屏蔽电极，左右电极作为聚焦电极；再依次选择其余电极作为测量电极。每1个测量周期共有16×（16－5）＝176种测量组合。

图1 阵列电极结构示意图

2 模拟流动实验

流动成像测量的目的是对流动流体进行测量并获得实时图像，但由于电磁波传播速度非常快，在某一瞬间可以认为流体相对测量传感器静止，在实验室内可用流体静态模型实验模拟实际流动［8－9］。

2.1 模拟实验装置

模拟实验采用自主研发的阵列电磁传感器，连接网络分析仪构成测量系统，在流动模拟管路上进行实验测量。

电磁波流动成像测井实验传感器每层的16个电极等间距环状排列置于推靠臂前端。推靠臂由收张螺杆控制，下井时收拢，测量时张开，使推靠臂紧贴井壁，此时电极阵列均匀分布于井壁周围，不影响井内流体流动，不改变流体流型，测量流体流动原始状态。实验用美国安捷伦公司生产的Hp3577A网络分析仪激励电磁波和接收测量信号。

流动模拟管路采用有机玻璃质流管，流管长度850mm，内径120mm，外径140mm。将有机玻璃管底部一侧封闭，内部嵌入一段不锈钢套管，套管长度30mm，厚度4mm，可以模拟仪器在套管井中的测量。有机玻璃管上部透明，便于观察液面高度和电极位置以及电极工作状态。管道顶部采用螺纹不锈钢密封帽，保证实验过程中液体无漏失、液面高度无变化。

2.2 实验方案

实验介质采用空气和盐水，分别模拟天然气和地层水。其中盐水电阻率为1Ω·m，盐水由自来水和食盐制备而成，采用幅值为1V的正弦电压激励信号，功率为10dBm。另外，为了达到测量数据的实时性目的，必须保证在流体流过测量电极的时间段内完成对流体的测量。因此，根据电极的长度以及控制电路的要求。实验中，1个周期的测量时间为4s。

选取频率分别为60、300、600kHz、1、3、6MHz和10MHz的信号分别在全空气和全盐水中测量，并记录电压幅度值，用于考察测量信号的强弱以及稳定性。

采用1号电极发射，8号电极接收的测量方式，测量了频率分别为15、20、25、30、35MHz和50MHz的信号，用于考察测量信号随频率变化的趋势。

采用含率各为50%的空气－盐水介质，测量了频率为1、3MHz和6MHz的信号，用于考察不同频率下不同介质的测量信号差异。

3 实验结果分析

3.1 测量信号强弱和稳定性考察

通过在实验台上进行模拟实验测量，获得不同频率下的全空气和全盐水测量数据（见表1和图2）。稳定性是指在测量记录数据时数据的波动性。

表1 信号强弱和稳定性对比

图2 测量信号值随频率变化的趋势图

结合表1、图2以及实验状态可以看出：①在全空气和全盐水中，测量信号先随着频率增大而增大，当频率达到10MHz左右时，测量信号值最大，之后测量信号随着频率增大而减小，且通过实验观察到当频率超过10MHz时，测量信号很不稳定，波动较大；②在全空气和全盐水中，频率低于1MHz时，测量信号相对较弱，且稳定性差；频率处于1～10MHz时，测量信号相对较强，且稳定性好；超过10MHz时，测量信号稳定性差。

实验流体介质是频散介质，实验测量结果从物理机理分析，在变化的电磁场中，流体介质的介电特性取决于极化程度，而各种极化形式的充分建立都需要一定的时间。在施加电磁场频率较低时，极化能跟得上交变电场周期性变化，其强弱随频率的增大而增大；如果当施加电磁场频率过高时，其极化跟不上交变电场周期性变化，产生松弛现象，随着频率的升高，其介电系数降低。另外，测量数据的稳定性主要受测量频率的影响，频率较高时，由于电子线路损耗增大以及干扰增强，对测量数据影响较大。

3.2 测量响应特征考察

通过全空气、全盐水以及空气－盐水分层分布的实验测量，获得在不同频率下不同介质的测量数据，对比分析测量数据曲线（见图3、图4、图5），得出电磁波流动成像测量的响应特征。测量序列是指在1个周期内的循环测量次数，1个测量周期内共176次。

结合图3、图4、图5和实验状态可以看出：①3种工作频率都能得出电磁波流动成像测井的基本响应特征，即全空气测量数据值最小，全盐水最大，50%空气－盐水居中，在每组11个测量数据中有波动，整个16组176个测量数据变化不大；②频率3MHz下的全空气和全盐水测量信号差异最大，其次为1MHz，6MHz最小；③在对50%空气－盐水的测量中，频率3MHz下的测量响应特征明显，高电位和低电位交替出现，而1MHz与6MHz下的测量响应特征不明显，测量数据曲线凌乱。