电导法原油含水率测量传感器的模型优化与仿真*

高国旺，李利品，党瑞荣，贾　伟，王红彬

（1.西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室/陕西省光电传感与测井重点实验室，西安710065；2.中国石油测井有限公司长庆事业部，西安710201）

电导法原油含水率测量传感器的模型优化与仿真*

高国旺1*，李利品1，党瑞荣1，贾伟1，王红彬2

（1.西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室/陕西省光电传感与测井重点实验室，西安710065；2.中国石油测井有限公司长庆事业部，西安710201）

电导法原油含水率测量是基于阵列电极传感器的一种测量方法，电极系的结构与参数对传感器性能有着重要影响。拟研究电极系传感器结构的优化设计方法，在建立传感器电场分布理论模型的基础上，利用ANSYS有限元软件仿真电极系传感器不同参数下的电场分布，分析电极环宽度、激励电极对间距、测量电极间距等参数对传感器性能的影响。依据仿真结果，确定传感器的优化参数，并对传感器进行了灵敏度的模拟测试，测试结果显示:传感器灵敏度仿真结果与实际测试结果一致性较好；在高含水（大于85%）的油水两相流含水率测试精度可达3%。测试结果验证了传感器理论和仿真分析方法的有效性，为优化设计传感器提供一种有效的方法。

原油含水率；电导法；电极系传感器；有限元分析；仿真

EEACC:7230；7320Wdoi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.008

原油含水率的精确在线测量对油田开发中越来越重要，在确定油井出水、出油层位，估计原油产量，预测油井的开发寿命等方面有着重要意义［1］。特别是随着油田开发进入中后期，油井产液中水分含量越来越大，综合含水率已超过80%［2］的情况下，更加迫切需要原油含水率的测量。目前，常用的原油含水率测量方法包括:电容法、电导法、介电常数法、微波法、密度法、γ射线吸收或散射法等［2-11］，其中电导法特别适合含水率在50%～100%、水为连续相的高含水条件下的在线测量，且精度可达±3%［12］。

然而，电导法含水率测量对低含水以油为连续相的条件不敏感、测量精度不高。为了满足油井0～100%含水率的动态测量，常常与其他方法组合，如与电容法组合形成电容电导法［12］；为了改进电导法含水率测量系统的适应性和提高测量性能，李利品［13］等建立了电阻-电容网络含水率模型，适用于环状流、分层流、泡状流等流型，与Maxwell含水率模型相比具有更高的测试精度；另外，还可通过优化激励源［14］或者改进传感器结构［15］改善电导法含水率测量的精度。为了更好掌握电极系传感器结构和参数对含水率测量结果的影响，本文借鉴先进的研究方法［16］，拟开展电极系传感器模型的仿真分析研究，从理论上分析电极系参数对传感器性能的影响，通过有限元软件仿真、分析，确定优化的传感器设计参数，并对实际传感器结构进行测试，以验证其仿真分析的结果的有效性。

1　电导式环形电极系结构及含水率测量

1.1电极系传感器结构

电导法含水率测量传感器多采用纵向环形电极系结构［17］，本文研究对象是八个电极环组成的传感器结构，其能够实现高含水油井的体积含水率和流量等参数的测量，如图1所示，E1和E2为激励电极，H1和H2为含水率测量电极，C1和C2、C3和C4为流量测量的相关电极。

图1　环形八电极的电极系传感器结构示意图

1.2含水率和流量测量原理

环形电极系传感器的含水率测量原理:在E1和E2电极对上外接一激励源，当管道内流动的仅为水介质时，激励电极和测量电极之间形成规则的电场，当油水混合流体流经传感器测量管段时，传感器所在流体中原来分布规则的电场就会发生不规则变形，使得测量电极上的电势发生相应的不规则变化，对测量电极输出的信号进行处理和分析，再利用合适的模型计算出多相流体中的体积含水率。

基于电学中的欧姆定律和Maxwell模型建立的多相流中的体积含水率计算公式［6］如下:

式中:Fw为测量流体仅为水介质时测量电极对测得的电压幅值；Fm为多相流流体流过测量管段时测量电极对测得电压幅值；αw为多相流流体中的含水率。从式（1）中可知，计算流体的体积含水率必须事先标定流体仅为水时测量电极输出的电压幅值Fw，该工作通常在仪器正式测试前完成。

通过两对相关电极C1和C2、C3和C4输出的信号，采用相关技术［7］求出两个信号的渡越时间τ0，进而求出被测流体的体积平均流速vc和流体的体积流量Q，其公式为:

式中:L为两个电极对直接的距离，A为流体流经的管道截面积，单位:m2。

2　电导式环形电极系传感器的理论模型与仿真

假设电导式环形电极系传感器的总长度为H，激励电极环E1和E2之间的间距为Ze，测量电极环H1和H2之间的间距为Re，电极环的宽度为He。若以电导式电极系传感器的中心为原点建立柱坐标系（r，ϕ，z），再以球形绝缘介质（如流体中油泡或者气泡）的球心为原点建立球坐标系（r′，ϕ′，z′），给激励电极环上施加电压为U0的激励信号，则传感器内部的电势u满足的Laplace方程及相应边界条件可以用如下的方程组（4）来描述。

电极系传感器内部的电势u（r，ϕ，z）变化情况用ANSYS有限元软件进行仿真。图2（a）为环形电极系的建模和网格划分结果，电极系传感器内部区域的电势分布情况如图2（b）所示。电极系传感器内部的电场分布云图和电流密度矢量图的仿真结果分别如图2（c）和图2（d）所示。u（r，ϕ，z）（4）

由仿真结果可看出，电导式电极系传感器内部的电势分布是均匀变化的；除了激励电极附近区域的电场有强弱变化外，测量电极所在敏感区域的电场强度分布较均匀；电极系传感器内部区域的电流方向和Z轴正半轴所指方向一致，且电流只在内部流动，电流密度在激励电极附近出现较强的电流密度变化，其他区域电流密度分布基本均匀。

图2　电极系传感器模型的电学特性仿真结果

3　电极系传感器的参数优化设计与仿真

为了使电极系传感器结构更加适合实际应用要求，以降低流型对测量结果的影响，重点开展电极系传感器结构参数优化设计的研究，主要涉及到电极高度He、激励电极间距Ze和测量电极间距Re等，通过软件仿真分析这些参数变化对传感器敏感区域内电场变化的情况。

3.1电极环宽度优化仿真

设定不同的电极环宽度He分别为5 mm、6 mm、7 mm、8 mm，通过ANSYS软件仿真分析不同电极宽度下的电场分布，其结果如图3所示。

仿真结果显示:电极环宽度越大，激励电极内部敏感场内的电场分布均匀性增加，电场分布均匀的区域也增加，传感器敏感场内的均匀电场强度也有增大趋势。

图3　不同电极环宽度的电场分布云图仿真结果

3.2激励电极间距优化仿真

为了考察激励电极间距对传感器内部电场的分布影响，设定激励电极间距Ze分别为200 mm、210 mm、230 mm、250 mm。通过ANSYS软件仿真分析不同间距下的电场分布云图，其结果如图4所示。仿真结果显示:随着激励电极间距的增加，传感器内部敏感场内的电场分布均匀的区域也在增大，但电场强度稍有减小。

3.3测量电极间距优化仿真

测量电极置于激励电极之间，电极间距的优化重点考虑对输出灵敏度的影响。电导式传感器灵敏度的定义如下:假设传感器区域的介质为水时，测量电极对输出电压为U0，当在敏感场内放入一个不导电球形介质，传感器的测量电压U0与球形介质所处的位置坐标r、z有关，此时测量电压的绝对变化量ΔU（r，z）和电导传感器空间灵敏度Ψ（r，z）之间的关系可表示为:

式中:ΔUmax为传感器测量得到的电压变化量ΔU（r，z）的最大值。

根据电导式传感器的工作机理及灵敏度的定义可知，传感器的灵敏度轴向分布特性影响着测量结果。设定激励电极间距为Ze=180 mm，测量电极间距Re设定为130 mm，100 mm，80 mm，60 mm时，沿轴向Z的灵敏度分布规律曲线如图5所示。由图5可看出，随着测量电极间距Re的不断增大，电导式电极系传感器内部区域的高灵敏度区间也会增大，且在轴向中心附近较大区域内的灵敏度分布也比较均匀。

图4　不同激励电极间距的电场分布云图仿真结果

图5　传感器沿Z轴的灵敏度分布规律曲线（Ze=180 mm）

4　传感器设计与测试

电极系传感器的结构:由镀银的铜圆环精制而成的电极环平滑镶嵌在内径为62 mm的玻璃钢管道的内壁上。结合上述电极系参数的仿真结果，优化传感器设计参数如下:激励电极的间距为230 mm，测量电极间距为130 mm，两对相关电极间距35 mm，每对相关电极间距为20 mm。电导式电极系传感器的实物结构如图6所示。4.1传感器性能测试方法与结果

图6　电导式电极系传感器实物图

为了验证传感器的性能，对其进行了测试，方法如下:将电极系传感器管段侵入水介质中，用绝缘小球模拟三相混合流体中的油泡和气泡，用信号源驱动激励电极，记录绝缘小球经过传感器测量管段中流过时的测量电极输出的电压变化情况，测得的结果曲线如图7所示。

图7　实时采集得到的测量电压变化曲线图

当绝缘小球位于激励电极和最外部的测量电极之间时，测量电压小于只有水介质的测量电压，且灵敏度较低，出现了峰谷；当绝缘小球位于测量电极所在的敏感区域时，测量电压又会变大，灵敏度变高。这种变化规律仿真所得的电导式传感器沿Z轴的灵敏度分布变化曲线一致，从而验证了它的正确性。

4.2管道多相流含水率测试

室内的多相流体测量管道装置如图8所示，整套装置包括两个储液罐、螺杆泵、空气压缩机、流量计等，利用工业白油和自来水组成油水混合流体，向管道中注入气体，形成油、气、水多相流。油水混合流体可通过螺杆泵和阀门控制在两个储液罐间输送。将设计的电导式电极系传感器安装在试验装置中，利用自主研制的信号处理电路，采集和处理测量电极信号，计算含水率。首先利用纯水标定传感器测量电极的输出电压Fw，测试结果为0.712 V，然后进行室内含水率室内实验测试。

图8　室内流体测量试验管道结构

实验一:设定含水体积范围为75%～100%，在固定流速的情况下进行了10组的测量，测试数据如表1所示，含水率实际值与测量值比较曲线和二者误差曲线如图9所示。

图9　测试结果曲线与误差曲线

表1　固定流速不同油水比例下的含水量测试结果

从测试结果可以看出:油水两相流高含水率（75%～100%）的条件下，测量误差小于6%，且含水率越高测量精度越高，在含水率在90%以上，测量结果误差小于2%。

实验二:已知实际含水率为83%，通过调节螺杆泵的转速实现流速调节，流速调节范围设定为6.45 m/s～8.00 m/s，共进行了10组的测量，测试结果如表2所示。从测试结果可以看出:在水油体积比例为83.25%条件下，流速变化对测量结果有一定的影响，误差基本上在5%以内；流量测量的误差在10%以内。

表2　固定油水比例下的含水率及流量测量结果

5　结论

利用有限元仿真软件分析了电极系传感器不同参数的影响，根据仿真结果优化设计电极系传感器，并对传感器进行了测试。由仿真和测试结果可得出如下结论:

①电极环宽度越大，传感器敏感区域的电场强度越大；激励电极对间距越大，传感器敏感区域的电场分布区域也越大；测量电极间距越大，电极系传感器内部区域的高灵敏度区间也将增大，越有利于提高测量精度；

②依据仿真结果优化设计的传感器灵敏度测试结果与仿真结果一致性较好，从而验证了仿真结果的有效性，也对电极系传感器的优化设计提供了一种解决方法。

③优化设计的传感器和含水率测量系统，在高含水（85%～100%）的油水两相流条件下，含水率测量精度优于3%；在含水大于80%的情况下，流速在6.45 m/s～8.00 m/s变化会对含水率测量结果产生一定影响，但含水率平均误差小于5%，流量测量误差在10%以内。

总之，电导法原油含水率测量技术结构简单、无污染、无阻流部件，在油田开发中后期高含水油井生产中有着应用前景。通过对对电极系传感器结构和参数的仿真分析，有利于传感器的优化设计，从而为提高电导式原油含水率测量系统的精度测量提供了一种解决方案。

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高国旺（1977-），男，博士，现为西安石油大学电子工程学院副教授，研究方向为油气井测试理论与技术信号处理等，wwgao1205@163.com；

李利品（1977-），女，博士，西安石油大学电子工程学院副教授，主要研究方向为多相流检测、信号处理等，llphyq77@163.com；

党瑞荣（1957-），男，1987年于北京理工大学获得硕士学位，1991年于南京理工大学获得博士学位，现为西安石油大学教授，主要研究方向为多相流检测、电磁探测等，dangrr2648@126.com。

Optimization and Simulation of Conductivity Electrode Array Sensor for Measuring Water Content of Crude Oil*

GAO Guowang1*，LI Lipin1，DANG Ruirong1，JIA Wei1，WANG Hongbin2
（1.Key laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas，Ministry of Education/Shanxi Province Key Laboratory of Photoelectric Sensing and Logging，School of Electrical Engineering Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065，China；2.Changqing Division of China Petroleum Logging Co.LTD，Xi'an 710201，China）

The conductivity method for measuring water content of crude oil is a common method based on the array electrodes sensor，and its structure and parameters can influence the performance of electrode sensor.The optimizing method of array electrodes sensor will be researched in detail.First，numerical modeling of electric field generated by array electrode was founded depending on the structure of sensor and the electrical theory；then the ANSYS finite element software was used to simulate the distribution of electric field generated by sensor with different parameters and analyze the parameters of electrode sensor，such as electrode ring width，incentive electrode distance，measuring electrode distance，which affect on the performance of the sensor.Depending on the simulation results，the optimized parameters of sensor were determined and array electrodes sensor was designed.Finally，the tests were performed to verify the sensitivity and precision of sensor in the lab.The results of tests showed that there were good consistency between the simulation results and the actual testing results that verified the effectiveness of the sensor theory and method of design and analysis，the precision of the sensor based on optimized parameters could get to 3%when water content of oil-water two-phase flow is more than 85%.

watercontentofcrudeoil，conductivitymethod，arrayelectrodessensor，finiteelementanalysis，simulation

TE863.1

A

1004-1699（2015）09-1307-08

项目来源:陕西省科技统筹计划项目（2012KTCL01-10）；西安石油大学博士创新基金项目（YS2903200140）；陕西省仪器科学与技术重点学科等项目

2015-04-24修改日期:2015-07-07