一种电阻法检测持水率方法

成云丽,余厚全,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)

一种电阻法检测持水率方法

成云丽1,余厚全1,刘国权2,陈 强2

(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)

针对电阻法检测持水率存在的问题，研究了探针式电阻传感器的等效模型。在分析国内外现有电阻式持水率检测仪器方案的基础上，提出了一种适用于油水两相分离状态的持水率检测方法。考虑到分布电容对测量结果的影响，采用了双极性脉冲激励方法，设计实现了同时检测电压和电流的检测方案，开发了基于延时同步采样保持的检测电路。试验结果表明，该方法能准确识别油和水，消除分布电容对测量结果的影响，减小杂散电阻(即探针正参考电极与仪器外壳间的电阻)引起的测量误差，提高电阻测量的精度。该方法实现了通过实测电阻值反映持水率信息，对阵列电阻式持水率检测仪器研究具有参考价值。

油田开采； 传感器； 电阻法； 分布电容； 双极性脉冲； 数据采集； 检测

0 引言

电阻法检测持水率[1-2]是油田开采过程中在线检测持水率的常用方法，它建立在原油和水的电阻率有较大差异的基础上[3]。目前，我国油田使用的电阻式持水率检测仪主要是英国Sondex公司生产的陈列式电阻率持率仪(resistance array tool，RAT)。国内相关单位很早展开了此方法的研究工作。1999年，胡金海、刘兴斌等[4-5]采用交流正弦激励，设计了阻抗式含水率测量仪。这种激励方式使得输出信号要经过复杂的放大、整流、滤波处理，才能得到反映被测油水电阻值的直流信号，检测电路复杂，并且不能克服分布电容对测量结果的影响。金宁德、郑桂波[6]采用了相敏检波的方法来消除分布电容的影响。由于双电层电容的存在，使得相敏检波不能完全消除分布电容的影响。所以，要提高电阻测量的精度，必须解决分布电容对测量结果的影响。

针对上述问题，本文在分析国内外现有电阻式持水率检测仪器方案的基础上，分析了探针[7]式电阻传感器的等效模型，提出了一种适用于油水两相分离状态下的持水率检测方法，设计实现了同时检测电流和电压的检测方案。

1 探针式电阻传感器等效模型分析

当油流过探针式电阻传感器两端时，由于油的电阻率很大，其等效模型可看作是电阻值无穷大的纯阻性负载。当水流过探针式电阻传感器两端时，由于分布电容的存在，其等效模型为RC并联模型。R为流过探针间水的等效电阻，C为分布电容。

等效模型如图1所示。

图1 等效模型

并联模型中的阻抗为：

(1)

展开得：

(2)

2 激励方式与电阻检测方法

2.1 双极性脉冲激励

与国内电阻法测量持水率均采用交流正弦波激励以避免传感器电极极化方法不同，本文采用了双极性脉冲激励方法[7-8]。

双极性脉冲频率的选择应确保在半周期内探针两端电压能够完成暂态过程，达到稳态后对探针两端电压和流经探针间的电流进行采集，所以双极性脉冲半周期时间应大于矿化度最大时时间常数τ的4倍，以保证在整个测量阶段消除分布电容对测量结果的影响。

双极性脉冲示意图如图2所示。当第一个脉冲周期T1开始时，分布电容C被迅速充电。当电容C充满电时，没有电流流过，相当于断路，全部电流流经R。当第二个脉冲周期T2开始后，极性反转，C被迅速反向充电。因此，在电容C充满电时测得的等效模型的电压值、电流值与分布电容C无关，只与等效电阻R有关，即消除了分布电容对测量结果的影响。

图2 双极性脉冲示意图

2.2 电阻检测方法

常见的电阻法测量持水率检测法为电压检测法或电流检测法。本文设计了同时检测传感器两端电压与流过传感器负参考电极电流的检测方案。经过计算精确得到传感器两端的电阻值，以准确反映持水率信息。电压和电流同时检测电路如图3所示。设探针两端等效电阻值为R，由于探针传感器是虚地连接的，流经传感器正参考电极的电流，一部分通过被检测油水流向传感器负参考电极，另一部分流向仪器外壳(参考地)，所以电流检测需要检测流向传感器负参考电极的电流值。

图3 电压和电流同时检测电路

电压检测电路由U1、U2构成，以获得探针两端等效电阻R两端的电压值。U1为具有极低偏置电流的缓冲器，保证传感器负参考电极的电流最大程度的流向电流检测电路，以减少高电阻率相关的低电流测量误差。U2是具有GΩ级输入阻抗、低输出噪声、低失真特性，适合与传感器直接连接的全差分输入仪表放大器。

电流检测电路由Rk、U3构成,以获得流过传感器负参考电极的电流值。Rk、U3构成精密电流-电压转换电路，其中：Rk为已知精密电阻，U3为具有低偏置电流和低失调电压的运算放大器。

各点信号的关系如下：

Uo1=U1p-p

(3)

Uo2=Ip-pPk

(4)

由式(3)、式(4)可得：

(5)

由式(5)可见，只要测得Uo1、Uo2的电压值，就可得到等效电阻R的阻值。整个检测方案实现了同时检测传感器两端电压与流过传感器负参考电极电流来获取传感器两端的等效电阻值。

采用上述检测方案，Z2、Z3的输出电压Uo1、Uo2是双极性的，但由于分布电容和矿化度的影响，其脉冲变化具有暂态过程。为此，设计了延时同步采样保持[9]电路，如图4(a)所示。四路并行的采样保持电路，分别由CMOS开关(SW1/SW2/SW3/SW4)、串联电阻(R5/R7/R9/R11)、保持电容(C3/C5/C7/C9)以及单位增益缓冲器(Z5/Z6/Z7/Z8)组成。激励信号和采样保持时序如图4(b)所示。

图4 延时同步采样保持电路及时序图

PWM1信号使Z5采样缓冲器可在Uo1的负周期采样，保持直至下一个采样周期。因此，Z5采样持缓冲器输出U1等于Uo1负半周稳态的直流电平。PWM2信号使U6采样保持缓冲器可在Uo1的正周期采样，保持直至下一个采样周期。因此，U6采样保持缓冲器输出Z2等于Uo1正半周稳态的直流电平。同理，Z7采样保持缓冲器输出Z3等于Uo2负半周稳态的直流电平，Z8采样保持缓冲器输出U4等于Uo2正半周稳态的直流电平。

可见U1与U3是分别保持Uo1与Uo2负半周稳态的电压值，所以：

(6)

在同一周期内，U1与U2的采样间隔非常短(等于激励信号半周期)，可以认为在此期间被测油水分布情况未发生变化，所以U1=-U2，同理U3=-U4，则：

(7)

由式(7)可见，只要分别测得同一周期内U1、U2、U3、U4这四个直流分量，即可得到等效电阻R。采用延时同步采样保持技术消除了分布电容对测量结果的影响，将传感器的输出电压和电流的峰峰值幅度转化为直流。这样不仅提高了测量精度，同时简化了A/D对信号的处理。通过取两次A/D采样的差值可以消除系统存在的低频噪声，从而提高了系统的数据采集精度[10]。

3 试验结果

按照图3设计的电路，在油水分离的的情况下，验证了不同矿化度下电阻传感器分布电容对电阻测量的影响。电阻传感器采用探针式电阻传感器，以尽可能减小分布电容值，通过检测流过探针的电阻值来判断油水信息；分压电阻R1为2 kΩ，Rk为1 kΩ。为了观察在不同矿化度条件下分布电容引起的暂态过程，激励信号采用频率为20 kHz、占空比为50%、幅度为±10 V的双极性矩形脉冲。油流过传感器两端时的响应，Uo1幅值为20 V，Uo2幅值趋近于0 V；水流过传感器两端时的响应，Uo1幅值为13.6 V，Uo2幅值为3.40 V；饱和盐水流过传感器两端时的响应，Uo1幅值为1.68 V，Uo2幅值为9.4 V。根据式(7)与上述试验结果，计算得到探针间的电阻R，分别是∞、4 kΩ、178.7 Ω，所以该方案能准确识别油和水。

4 结束语

本文分析了探针式电阻传感器的等效模型，采用了双极性脉冲激励方法，设计实现了同时检测电压和电流的检测方案，开发了基于延时同步采样保持的检测电路，并进行了相关试验验证。试验结果表明，该检测方法能够消除分布电容对测量结果的影响，减小杂散电阻(探针正参考电极与仪器外壳间的电阻)引起的测量误差，有利于提高电阻测量的精度。

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A Resistance Method for Detecting Water Holding Capacity

CHENG Yunli1,YU Houquan1,LIU Guoquan2,CHEN Qiang2

(1.Electronics & Information School,Yangtze University,Jingzhou 434023,China; 2.China Petroleum Logging Co.,Ltd.,Xi’an 710077,China)

In accordance with the problem existing in resistance detection method for water holding capacity,the equivalent model of the probe-type resistance sensor is studied.On the basis of analyzing the detection strategies of domestic and foreign resistance instruments for water holding capacity,the detection method suitable for oil-water two-phase separated state is proposed.Taking into account of the influence of distributed capacitance on the measurement results,by using bipolar-pulse excitation method,the detection scheme for detecting both voltage and current is designed and realized,and the detection circuit based on time delayed synchronous sampling and hold is developed.The result of tests shows that this method can accurately identify oil and water,eliminate the influence of distributed capacitance on the measurement result and reduce the measurement error caused by the stray resistance (i.e.,the resistance between the positive reference electrode of the probe and the housing of instrument),thus the accuracy of measurement of resistance is improved.In the true sense,this method get the information reflects the water holding capacity through the resistance value measured.

Oilfield mining; Sensor; Resistance method; Distributive capacitance; Bipolar-pulse; Data acquisition; Detecting

成云丽(1989—)，女，在读硕士研究生，主要从事信号检测方法与电路的研究。E-mail:1292675055@qq.com。 余厚全(通信作者)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事信号检测方法与仪器的研究。Email: hq_yu@ foxmail.com。

TH701；TP206+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705022

修改稿收到日期：2017-01-20