專利名稱：一種用于水平井含水率測量的電容式傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種油田上用于水平產(chǎn)出井含水率測量的電器元件，具體地 說是涉及一種用于水平井含水率測量的電容式傳感器。
背景技術(shù)：
目前，在低產(chǎn)量水平產(chǎn)出油井中，主要應(yīng)用內(nèi)插式同軸電容含水 率測量傳感器測量含水率，但在低流量下由于油水分層，常常造成其 分辨率較低，在含水率50%以上時(shí)則很難分辨。分析其原因在于電 容法持水率計(jì)上應(yīng)用的內(nèi)插式同軸電容含水率測量傳感器其取樣室 可等價(jià)為一個(gè)同軸圓柱形電容器，油氣水混合物是電介質(zhì)，當(dāng)油與水 含量不同時(shí)，同軸電容器的電容相應(yīng)地改變，因此可以通過測量電容 值得到持水率。假設(shè)電容器的中心電極的半徑為r ，包裹電極的絕緣 層半徑為R,，絕緣材料相對介電常數(shù)為電容器外電極的半徑為 R2，高度為H。內(nèi)外電極之間的油水混合物的介電常數(shù)為Er2。 C為電 容，則柱狀電容器的電容量為 C = — 2，^
，i ， ， A
式中f。為真空中的介電常數(shù)，^為油水混合介電常數(shù)。'
當(dāng)傳感器用于水平井測量時(shí)，當(dāng)含水率大于50%時(shí)，水實(shí)際上作 為導(dǎo)體將內(nèi)外電極連通。取樣室外的電勢等于絕緣層表面的電勢，即 外殼與內(nèi)電極間的電容等于絕緣層間的電容，且為常量
上式說明此時(shí)c與含水率無關(guān)，即在水平層流的情況下，如果含
水率大于50%，就會使內(nèi)外電極連通，此方法將失去分辨能力。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有內(nèi)插式同軸電容含水率測量傳感器在低流量和高 含水率的水平井中測量時(shí)存在的分辨率低甚至是不能分辨的問題，本 發(fā)明提供一種專門用于水平井含水率測量的電容式傳感器，該種電容
式傳感器主要針對流量為100m7d以內(nèi)的水平產(chǎn)出井含水率的測量， 可以在含水率0_100%范圍內(nèi)有較好的分辨率，可以用來克服和彌補(bǔ) 內(nèi)插式同軸電容含水率測量傳感器的不足。
本發(fā)明的技術(shù)方案是該種用于水平井含水率測量的電容式傳感 器，由帶有臺階的內(nèi)絕緣筒、金屬內(nèi)筒、外絕緣筒、金屬外筒、擋環(huán) 以及壓帽組成，其中所述內(nèi)絕緣筒、金屬內(nèi)筒、外絕緣筒、金屬外筒 依次由內(nèi)至外嵌套，所述金屬內(nèi)筒位于擋環(huán)、內(nèi)絕緣筒與外絕緣筒連 接后形成的密封絕緣腔內(nèi)，由所述金屬內(nèi)筒上做導(dǎo)體連接后密封引出 一根與金屬外筒絕緣的電極連接導(dǎo)線，由金屬外筒上引出一根接地導(dǎo) 線。
本發(fā)明具有如下有益效果采取上述方案制成的用于水平井含水 率測量的電容式傳感器重復(fù)性好、分辨率高，此外該傳感器采用筒狀 結(jié)構(gòu)，流道內(nèi)沒有阻流元件，因此壓頭損失小，測量精度高。與內(nèi)插 式同軸電容含水率測量傳感器相比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在水平條件下，本 種用于水平井含水率測量的電容式傳感器相可以在水平內(nèi)油水分層 狀態(tài)下測量含水率，并且在含水率0_100%范圍都有好的分辨率。


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圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖2是本發(fā)明中組成部件金屬外筒的結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖3是本發(fā)明中組成部件外絕緣筒的結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖4是本發(fā)明中組成部件金屬內(nèi)筒的結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖5是本發(fā)明中組成部件內(nèi)絕緣筒的結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖6是本發(fā)明中組成部件擋環(huán)的結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖7是本發(fā)明工作過程示意圖。
圖8為本發(fā)明中整個(gè)水體的等勢面結(jié)構(gòu)圖。
圖9為本發(fā)明應(yīng)用于水平井多相流測量電容式含水率計(jì)上后，傳 感器輸出響應(yīng)與水面高度的關(guān)系圖。
圖中l(wèi)-金屬外筒，2-內(nèi)絕緣筒，3-金屬內(nèi)筒，4-外絕緣筒，5-擋環(huán)，6-壓帽。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
本發(fā)明中所述用于水平井含水率測量的電容式傳感器，如圖1所 示，由帶有臺階的內(nèi)絕緣筒2、金屬內(nèi)筒3、外絕緣筒4、金屬外筒
1、擋環(huán)5以及壓帽6組成，其中所述內(nèi)絕緣筒2、金屬內(nèi)筒3、外 絕緣筒4、金屬外筒l依次由內(nèi)至外嵌套，所述金屬內(nèi)筒3位于擋環(huán)
5、內(nèi)絕緣筒2與外絕緣筒4連接后形成的密封絕緣腔內(nèi)。此外，由 所述金屬內(nèi)筒3上做導(dǎo)體連接后密封引出一根與金屬外筒1絕緣的 電極連接導(dǎo)線，引出這根導(dǎo)線的目的在于連接外加的激勵(lì)源(脈沖或 方波振蕩電路)，另外，需要由金屬外筒l上引出一根接地導(dǎo)線，其
目的在于使金屬外殼接地。
上述是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的一個(gè)通常方案，通過一些實(shí)驗(yàn)找到了下列的 優(yōu)選例
即所述金屬內(nèi)筒、金屬外筒以及壓帽采用拉絲不銹鋼材料，稱為 2 C r 1 3 ，而所述內(nèi)絕緣筒、外絕緣筒以及擋環(huán)則采用聚酰亞胺作 為絕緣材料。
下面是一個(gè)驗(yàn)證過程，以證明本發(fā)明的有效性。 在低產(chǎn)液水平井中，油/水兩相流體在水平流動的情況下受重力 的作用，它們將分層流動。作為輕質(zhì)相的油將會在水面之上，如圖7 所示。本發(fā)明所述的傳感器由內(nèi)到外依次為絕緣內(nèi)層、金屬層、絕緣 外層和金屬外殼。在使用時(shí)，將外殼接地，從金屬層引出電極作為激 勵(lì)源，同時(shí)要保證電極與水絕緣。由于水在中低頻率下是電的良導(dǎo)體， 在實(shí)際測量的過程中水與地接觸，這樣管道內(nèi)部的水將與地等勢成為 等勢體。傳感器內(nèi)水體的外表面為等勢面。圖8所示為在本傳感器中 整個(gè)水體的結(jié)構(gòu)圖，S,所代表的為與傳感器內(nèi)壁接觸的部分。金屬層 與外殼形成的是一個(gè)完整的圓柱電容器，其值為一常量，可以用公式 C 1 )計(jì)算
其中，R2金屬外殼的內(nèi)徑，仏金屬層的外徑，h為外層絕緣介 質(zhì)的介電常數(shù)，L為傳感器的長度。金屬層與水的外表面之間的電容 分為兩部分， 一部分為金屬層與Si形成的電容，可以認(rèn)為其為圓柱 電容器的一部分-
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也可用平行板電容器模型近似計(jì)算其電容值
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R;金屬層的內(nèi)徑，Ro內(nèi)絕緣層的內(nèi)徑，E2為內(nèi)層絕緣介質(zhì)的 介電常數(shù)，a為Si對應(yīng)的圓心角，A為S,的面積。當(dāng)金屬層半徑和 絕緣內(nèi)層半徑相差不大，或絕緣內(nèi)層很薄的情況下可以證明(2)、 (3) 式是等價(jià)的。
另一部分為金屬層與S2之間的電容，金屬層與S2之間含有兩種 絕緣材料，油和絕緣內(nèi)層，可以等效為兩個(gè)電容的串聯(lián)。當(dāng)兩個(gè)電容 串聯(lián)時(shí)，其值小于任何一個(gè)電容的值，并且與較小的電容相接近。考 慮到這部分的電容值相對較小，為了便于分析，可以忽略。這樣就得 到了傳感器響應(yīng)值同a的關(guān)系函數(shù)
<formula>formula see original document page 6</formula>響應(yīng)值與a有很好的線性關(guān)系。
含水率同a的關(guān)系函數(shù)為 '
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Y.為含水率。"e
時(shí)上式是一個(gè)單調(diào)遞增的函數(shù)，含水率的 變化范圍是0—100%?？梢钥闯龊逝c響應(yīng)值之間是一一對應(yīng)的關(guān) 系。
為驗(yàn)證本種水平井多相流測量的電容式含水率計(jì)在水平條件下 的含水率測量效果，在室內(nèi)開展了靜態(tài)高度法實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中以柴 油和清水為介質(zhì)，將儀器傳感器水平放置于充滿柴油的容器中，向容 器內(nèi)逐漸注入清水，傳感器內(nèi)水面會逐漸升高，即含水率增加；將水 逐漸放掉，水面就逐漸下降，即含水率降低。圖9給出本發(fā)明應(yīng)用于 水平井多相流測量電容式含水率計(jì)上后，傳感器輸出響應(yīng)與水面高度 的關(guān)系圖，圖中給出了 5次重復(fù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過抬高水面使水平放 置的傳感器逐漸從全油過渡到全水，實(shí)驗(yàn)3次；2次從全水過渡到全 油，即水面下降。根據(jù)圖9可知該傳感器的輸出響應(yīng)(電容值)隨水 面升高而單調(diào)遞增或隨水面的降低而單點(diǎn)減小，即隨含水率的增加而 增加或隨含水率的降低而降低，存在好的重復(fù)性。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證
明在水平條件下，水平井含水率測量的電容式傳感器相比于內(nèi)插式同 軸電容含水率測量傳感器，可以在水平內(nèi)油水分層狀態(tài)下測量含水
率，并且在含水率0—100%范圍都有好的分辨率。概括地說，重復(fù)
性好、分辨率高是本種電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)。此外，由于該傳感器采 用筒狀結(jié)構(gòu)，流道內(nèi)沒有阻流元件，因此，不易損壞。而且由于產(chǎn)生 的壓頭損失小，測量精度較高。
權(quán)利要求
1、一種用于水平井含水率測量的電容式傳感器，由內(nèi)絕緣筒(2)、金屬內(nèi)筒(3)、外絕緣筒(4)、金屬外筒(1)、擋環(huán)(5)以及壓帽(6)組成，其中所述內(nèi)絕緣筒(2)、金屬內(nèi)筒(3)、外絕緣筒(4)、金屬外筒(1)依次由內(nèi)至外嵌套，所述金屬內(nèi)筒(3)位于擋環(huán)(5)、內(nèi)絕緣筒(2)與外絕緣筒(4)連接后形成的密封絕緣腔內(nèi)，由所述金屬內(nèi)筒(3)上做導(dǎo)體連接后密封引出一根與金屬外筒(1)絕緣的電極連接導(dǎo)線，由金屬外筒(1)上引出一根接地導(dǎo)線。
2 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于水平井含水率測量的電容式 傳感器，其特征在于所述金屬內(nèi)筒(3)、金屬外筒(1)以及壓帽(6 )采用拉絲不銹鋼材料。
3 、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于水平井含水率測量的電 容式傳感器，其特征在于所述內(nèi)絕緣筒(2)、外絕緣筒(4)以及 擋環(huán)(5)采用聚酰亞胺材料。
全文摘要
一種用于水平井含水率測量的電容式傳感器。主要解決現(xiàn)有內(nèi)插式同軸電容含水率測量傳感器在低流量和高含水率的水平井中測量時(shí)存在的分辨率低甚至是不能分辨的問題。其特征在于電容式傳感器，由內(nèi)絕緣筒、金屬內(nèi)筒、外絕緣筒、金屬外筒、擋環(huán)以及壓帽組成，上述組件依次由內(nèi)至外嵌套，金屬內(nèi)筒位于擋環(huán)、內(nèi)絕緣筒與外絕緣筒連接后形成的密封絕緣腔內(nèi)，由其上做導(dǎo)體連接后密封引出一根與金屬外筒絕緣的電極連接導(dǎo)線，由金屬外筒上引出一根接地導(dǎo)線。本種傳感器主要針對流量為100m³/d以內(nèi)的水平產(chǎn)出井含水率的測量，可以在含水率0-100％范圍內(nèi)有較好的分辨率，可以用來克服和彌補(bǔ)內(nèi)插式同軸電容含水率測量傳感器的不足。
文檔編號E21B49/08GK101182770SQ200710301359
公開日2008年5月21日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者劉興斌, 徐文峰, 軍 李, 胡金海, 兵 蔡, 馬水龍 申請人:大慶油田有限責(zé)任公司