一种测量油藏物理模拟饱和度的电容传感器

1、测量油藏物理模拟饱和度的电测量油藏物理模拟饱和度的电容传感器设计容传感器设计 作者：白继洲 单位：曲阜师范大学摘要v 设计了一种用于测量油藏物理模拟平均饱和度的电容式传感器，建立了传感器的数学模型，对电容式传感器测量饱和度的原理进行了详细分析，讨论了该传感器的检测电路原理，完成了传感器的检测电路设计，在一虚拟电子工作平台上对该检测电路做了仿真实验分析，仿真数据表明该传感器具有较好的线性。0引言引言v 油藏岩石和流体的物性参数是油田开发、油藏工程研究的重要基础数据。获取这些岩石、流体以及岩石与流体共同作用的物性参数主要依靠油藏物理模拟实验。油藏物理模拟实验研究是根据相似原理建成缩小比例的模型，用

2、以再现原型油藏中流体的流动和传热过程，进而可以了解和分析提高采收率方法的机理和效果，确定工艺参数等。随着计算机技术的广泛应用，油藏物理模拟实验装置的自动化程度和测试速度以及测量精度越来越高。因此，研究一种适用于油藏物理模拟实验饱和度测量技术至关重要。1引言v 油藏物理模拟中可采用的饱和度测量方法较多，技术比较成熟的是电阻率测量技术。但是，当油水界面中的水为淡水或微咸水时，测出的含水层和含油层的电阻率之间的差异较小，不能精确地计算出含油量。另外，水的矿化度未知或变化时，其解释结论也是不可靠的。然而，采用电容法测量技术能够解决这一问题。近年来，由于材料、工艺、特别是在测量电路及半导体集成技术等方面

3、已达到了相当高的水平，寄生电容的影响得到较好地解决，使这种电容式传感器的优点得以充分发挥。2.1饱和度电容式传感器测量原理 v由于油和水的介电常数差异很明显，当油水含量发生变化时，油水混合物的介电常数会随之发生较大的变化，进而使其电容发生变化。选择一种电容特性好的线型材料，设计成一个双针电容，通过电容检测电路，测量以油水混合物作为电介质的电容，即可推算出油藏物理模拟中的油水饱和度。2.2电容式饱和度传感器结构v传统的电容式传感器测量油水界面大多采用圆柱式结构，是因为它具有精确的数学模型。但在油藏物理模拟中，特别是二维模拟，由于平板内含多孔介质（一般为沙子），若采用圆柱式电容传感器易挂料，导致测

4、量结果不准确，且不易插入平板内。故本设计采用双针式电容传感器。2.2电容式饱和度传感器结构v双针式结构传感器，其结构如右图所示，其电容值为： （1） 式中：r为被测介质相对介电系数；h为传感器插入油藏的深度；r表示两个针的半径；d表示针间距离。hcrdr20ln22.3电容式传感器饱和度测量的数学分析电容式传感器饱和度测量的数学分析 v在室温条件下，空气的相对介电常数为1，纯油的相对介电常数为2.3左右，水的介电常数为80，油藏物理模拟中的含水饱和度的测量范围为0%-100%，r、d、h、0为常数。在纯油中即含水饱和度为0%时r=2.3，此时电容值为最小记作C油 ，C油可通过公式(1)算得。在

5、纯水中即含水饱和度为100%时r=80，此时电容值为最大记作C水 ，C水也可通过(1)式算得。一般认为，当原油含水饱和度为5%时认为是油/乳化层的分界面，当原油含水饱和度为95%时认为是乳化层/水的分界面。忽略原油中含有的杂质的影响，含水原油可近似看成纯油和纯水两种介质的混和。2.3电容式传感器饱和度测量的数学分析电容式传感器饱和度测量的数学分析v其有效介电常数可用下式表示：(2)式中r为混和介质的有效介电常数；1为纯水的介电常数；2为纯油的介电常数；D为原油中含水饱和度。 根据（2）式，取1=80，2=2.3，可得含水饱和度5%时，相对介电常数r为3.80，含水饱和度为95%时，相对介电常数

6、r为73.55。代入（1）式可算得含水饱和度为5%、95%时的电容值。显然，当测得了未知含水饱和度的电容值，即可计算出油水混合物相对介电常数r，从而得到含水饱和度D。21)1 (DDr2.4容抗法检测电路基本原理容抗法检测电路基本原理 测量电容的方法在不同的应用环境下有多种，调频电路和运算放大器电路是两种常用的电容测量电路，这些电容检测电路优点是技术成熟 ，其缺点是电路本身不能自动调零，从而延长了测量时间。采用容抗法可较好地解决上述问题，实现电容的自动调零。 容抗法检测电路基本原理如右图所示。2.4容抗法检测电路基本原理容抗法检测电路基本原理v容易推导出其输出电压 与被测电容 的关系为： （3

7、）v式中， 为反向放大器的反馈电阻；Gx 为电容极板间的漏电导；Vi 为正弦激励电压幅值；为激励电压的角频率。选取参数使 : 则公式（3）可化为： 所以，Vi、 为常数时，测量电路输出电压 与被测电容 呈线性关系。xxG)C(fxxioRCjGVV)(fxioRCjVVOVxCfRfRoVxC 2.5饱和度电路传感器检测电路原理v如下图所示:正弦波产生电路产生400HZ正弦波信号将被测电容量CX变成容抗XC，经缓冲电路后进行C/U转换，把XC转换成交流信号电压，再经过有源滤波将干扰信号滤掉，最后经过有源整流电路，取出平均值电压UO。UO与CX成正比，只要适当调节电路参数，即可计算出电容值。2.

8、5.1正弦激励源电路正弦激励源电路 2.5.2缓冲电路缓冲电路 2.5.3C/U转换电路转换电路 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:6-May-2009 Sheet of File:C:Program FilesProtel 99se汉化版ExamplesMyDesign5.ddbDrawn By:12345678SW1R12R19R18R10VD1VD2VD3VD4CxUinUoutTL22.5.4有源滤波电路有源滤波电路 2.5.5精密全波整流电路精密全波整流电路 2.6仿真波形 Cx为100pF时的仿真波形 Cx为500pF

9、时的仿真波形 Cx为10000pF时的仿真波形 Cx为12000pF时的仿真波形通过拨位开关设置档位电阻为1M，在有源整流前提出仿真波形如图所示 2.7仿真分析 v仿真波形中正弦波为有源滤波的输出，在不失真的情况下才能保证测量准确；直线输出为整流后输出的直流电压，波动的大小反映了整流的效果。v从以上波形可以看出：CX为100pF时正弦波形不失真但直流输出较小，直流输出约为0.103V；在CX为500pF时正弦波形不失真，直流输出分别约为0.485V；在CX为10000pF时正弦波形有小幅失真，直流输出约为8.550V；但当CX为12000pF时正弦波形严重失真，直流输出约为9.952V，放大器达到饱和。因此该档位电容测量传感器的测量范围为100pF10nF，且在其满量程的20%80%测量最准确。v从仿真的结果可以看出在一定范围内，直流电压的输出和CX有着很好的线性关系。2.8实验测试分析v 绘制的500k档位时电路电压与电容对应关系曲线图如下图：2.8实验测试分析v在油藏物理模拟实验的饱和度测量中，油水混合物的含水饱和度（体积百分比）即可利用测得的电容代入公式（1