基于微带传输线阵列式原油持水率探测器设计

魏勇，余厚全，鲁保平，刘国权，陈强

（1．长江大学电子信息学院，湖北 荆州434023；2．中国石油集团测井有限公司，陕西 西安710077）

0 引 言

中国大部分油田采用水平井、大斜度井等措施提高单井产能，适用于垂直井的传统集流式持水率测量仪器已无法提供这类井的原油持水率空间分布情况。英国SONDEX公司生产的CAT［1］阵列成像持水率仪器采用12支电容式探测器均匀分布在井筒截面圆周上，从而检测井筒截面有限点上的原油持水率，进而通过二维插值估计整个截面上原油持水率的分布情况。但是，其电容式持水率检测方法适用于低含水的油井条件，在高含水条件下检测误差大。中国大部分油田已进入开发后期，综合含水率达到了80%以上，CAT等仪器无法满足中国油田生产测井的要求。本文参考CAT阵列式探测器结构，结合前期已经研制的集流式电磁波持水率探测器［2－3］适用于高含水情况的研究结果，提出了基于微带传输线电磁波相移检测方法的阵列式持水率探测器设计。

1 阵列式组合对单支电磁波持水率探测器的结构要求

电磁波持水率探测器基本原理中油水混合物的介电常数是其持水率的单调递增函数。不同持水率的原油作为传输线夹层的填充介质时，其传输线的传输特性也不相同，导致在一定长度的传输线上传输的电磁波相移也不相同。因此，将被测的原油作为一定长传输线的填充介质，检测传输线两端电磁波信号发生的相移，计算出填充介质原油的介电常数，进而估计原油的持水率［2］。

在生产测井时，阵列持水率探测器在井下有2种模式：下井模式和测量模式。下井模式主要是为了探测器在上提和下放的过程中能够顺利地在油管中移动的运行模式；测量模式则是当探测器到达目的层后进行持水率检测的工作模式。因此，阵列持水率探测器通常利用弓形弹簧将多支探测器等间距地固定在仪器的四周。在下井模式时，弓形弹簧处于收拢状态，仪器的最大半径不得大于21．5mm；在测量模式下，弓形弹簧处于张开状态，探测器在弹簧张力作用下紧贴井筒周围，此时仪器的最大直径略小于套管的直径，约为200mm。

根据上述的空间结构，探测器的中心支撑杆半径应大于4mm，以满足刚度需求。如果考虑固定弓形弹簧片的厚度为3mm，实际上仪器预留安放探测器的空间为一内半径不小于4mm、外半径不大于18．5mm的环形空间。要保证仪器过油管移动，要求单支探测器结构，经过阵列组合后空间分布应控制在内半径为4mm、外半径为18．5mm以内环形空间内。

基于上述空间限制，如果采用同轴传输线结构的探测器［2－3］，每支探测器的最大外径应小于14．5mm（最大半径小于7．25mm）（见图1）。为了保证探测器的强度，同轴线内导体半径不小于2．5mm，外导体厚度不小于2．5mm，这时同轴线内的流体环空就小于2．25mm。这样狭窄的空间会导致流体流动不畅，以至出现堵塞。因此，对于阵列式电磁波持水率检测，同轴传输线结构的探测器无法满足空间要求，必需寻找其他方案。

图1 同轴线阵列式探测器组合示意图

2 基于微带传输线的阵列式电磁波持水率探测器设计

2．1 微带阵列式探测器的组合方案

基于上述仪器空间对阵列式探测器空间结构的要求，同时考虑阵列成像的分辨率的技术指标，提出了基于6支微带传输线（以下简称微带）的阵列式电磁波持水率探测器方案。微带的结构如图2所示，由介质基片及其上面的导体带和下面的接地板构成。显然与同轴传输线结构不同，微带的条形片状结构非常适合沿环状空间的阵列组合。

图2 微带探测器结构示意图

图3 微带阵列式探测器组合示意图

图3（a）给出了基于微带阵列式电磁波持水率探测器下井时的结构设计。极板厚度为2．6mm，接地极板宽度为15mm，信号极板的宽度为7．4mm，两极板之间的距离为4mm。该阵列组合结构占用半径为6．4～18mm范围的环形空间，既满足仪器下井的直径要求，同时还留下4～6．4mm宽度的环空便于调整。图3（b）为基于微带阵列式探测器测井模式的结构，在到达测量层位后，通过弓形弹簧将探测器撑开，6支探测器紧贴井壁分布。

对于微带的长度，从分辨率角度而言希望越长越好，但从井下的仪器空间和仪器的强度方面考虑，应尽可能短。另一方面过长的传输线也会引入外界的干扰和信号的衰减。根据电磁波传输线理论，电磁波在结构为微带传输线的探测器内传播后，其滑行波产生的相移为［10］

式中，Φ为电磁波的相移；L为探测器的长度；β为探测器单位长度上的相移系数；f为电磁波的激励频率；μ0为真空磁导率；ε0为真空绝对介电常数；εr为介质相对介电常数。

2．2 微带电磁波持水率探测器的电磁特性

检测方案如图4（a）所示。将微带探测器置入油水混合液体中，油水混合液体可视为介质基片材料。根据传输线理论［7］，低耗微带传输线准TEM模式的相位系数为在激励频率恒定的条件下，电磁波在介质中的相位系数是由介质的介电常数和电导率决定，因此当始端发送的信号Vs（t）经过微带型探测器传输反映在终端接收的信号Vr（t）上就会发生相位偏移。不同的介电常数对应不同的相移，故可通过检测相移的方法检测持水率。

图4 电磁波持水率的检测方案示意图

设始端激励信号Vs（t）＝A1sin（ω0t），电磁波在传感器内传输后，产生了幅度衰减和相位移，则终端信号为

式中，A1为激励信号的幅度；ω0为激励信号的角频率；Aam为终端信号的幅度；φ为激励信号的相移；Z0和ZL分别为传输线的特性阻抗和负载；β为传输线单位长度上的相移［2－3］。按照图3所示传输线尺寸，取电磁波激励频率为80MHz，负载电阻值取50Ω，分别取微带传输线长度200mm和150mm，根据式（4）数值模拟不同探测器长度条件下电磁波相位偏移与介电常数的关系（见图5）。曲线表明：相位偏移φ与混合物的介电常数ε呈单调递增关系，且探测器越长，分辨率越高。

图5 微带传输线上相位偏移与介电常数的关系

3 基于微带阵列式电磁波持水率探测器的实验研究

3．1 阵列式持水率探测器的实验装置

在理论研究的基础上，设计图6所示实验装置。图6中，6支微带型电磁波持水率探测器构成传感器阵列，由上下2块绝缘极板固定，并竖直放置在样品容器中。

检测电路主要由相位差检测电路、相差数字化、计算机3部分构成。相位差检测电路主要用来检测经过探测器前后的高频正弦信号的相移信息，电路采用了分时激发接收的多路复用工作机制。由发射电路产生高频正弦信号，采用多路分配器分时地将信号经射频线逐一连接每支持水率探测器的始端，电磁波在传输线上传播时产生了幅度衰减和相位偏移，经终端射频线至多路选择接收电路。

对于长度为150mm微带传输线，当其间被测介质从全油变化至全水时，由式（1）可知产生的相移是2．2rad。若要实现低于5%的持水率检测误差，则相位差的检测精度要达到0．11rad，对应于频率为80MHz的激励信号的相位延时分辨率要求为0．22ns，这就对相位时差检测电路提出了更严的要求，实现比较困难。因此，在鉴相（鉴别相位时差）之前，插入2个混频电路，将微带传输线两端的信号分别同时与另一路频率为80．02MHz的信号进行混频，提取两者差频信号进行相位时差的鉴别。这样尽管混频后前后两者绝对相差没有改变，仍然为φ，但混频后2路差频信号频率都降低到20KHz，对应φ的相差时延相对于80MHz时放大了4000倍，对相位延时的分辨率只要达到880ns即可，降低了相差检测的难度。经过混频、滤波、鉴相后的输出送入相差数字化电路，将其数字化，最终数据传至计算机，由计算机根据电磁波在传输线中相移φ计算出对应的持水率，完成数据处理并绘制实时流体分布图像。

3．2 阵列式持水率探测器实验

为了实验验证微带传输线内均匀的油水混合物持水率与传输线上电磁波相移的关系，考虑到传输线内油水混合物的不同持水率可以通过垂直传输线内不同高度分层气／水等效模拟［5－7］，向图6所示样品容器中注入一定高度的水，使微带传输线极板内的介质由空气和水两个层构成。当水层的高度从0线性增加到等于传输线长度的高度时，其等效相对介电常数由1线性增加到80，其持水率从0变化到100%。图7给出了长度分别为200mm（1号探测器）和150mm（2号探测器）2种规格微带线的实验结果。结果表明，实验曲线与理论曲线变化趋势基本一致，验证了微带线两端的相移与持水率存在单调递增关系。其中1号探测器曲线的斜率范围为0．200～2．600，当持水率从70%～80%时，分辨率最高；2号探测器曲线的斜率范围为0．600～7．800，当持水率从0～10%时，分辨率最高；整体而言，2号探测器比1号探测器的曲线在整个范围内更平坦，更接近线性关系。另外，从工程实现角度考虑，2号探测器长度短于1号探测器，更便于工程化和小型化，因此应选2号探测器为宜。

图7 探测器相位偏移与等效持水率的关系曲线

上述理论分析是假设微带传输线内油水混合物是均匀的，实验测试也是通过不同高度的水和空气层等效油水混合物的不同持水率。实际的多相流非常复杂，很好地模拟实际情况需要一定的实验条件。

4 结 论

（1）根据阵列电磁波持水率探测器的设计需求，在探测器的结构、数量、组合方式、激励频率、尺寸等方面进行了理论分析和实验研究。阵列探测器的微带传输线为6支，单支微带传输线长度为150mm，导体极板的宽度为7．4mm，接地极板的宽度为15mm，2种极板的厚度均为2．6mm。

（2）基于微带传输线持水率探测器在原油高持水率时有较好的灵敏度，适合用于阵列式持水率探测器的结构设计。

（3）研究结果尽管是在一定的理想假设和等效条件下取得的，但对阵列式电磁波持水率检测仪器的研究和开发具有重要的理论意义和实际的参考价值。

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