1、測(cè)量油藏物理模擬飽和度的電測(cè)量油藏物理模擬飽和度的電容傳感器設(shè)計(jì)容傳感器設(shè)計(jì) 作者：白繼洲 單位：曲阜師范大學(xué)摘要v 設(shè)計(jì)了一種用于測(cè)量油藏物理模擬平均飽和度的電容式傳感器，建立了傳感器的數(shù)學(xué)模型，對(duì)電容式傳感器測(cè)量飽和度的原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，討論了該傳感器的檢測(cè)電路原理，完成了傳感器的檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，在一虛擬電子工作平臺(tái)上對(duì)該檢測(cè)電路做了仿真實(shí)驗(yàn)分析，仿真數(shù)據(jù)表明該傳感器具有較好的線性。0引言引言v 油藏巖石和流體的物性參數(shù)是油田開發(fā)、油藏工程研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。獲取這些巖石、流體以及巖石與流體共同作用的物性參數(shù)主要依靠油藏物理模擬實(shí)驗(yàn)。油藏物理模擬實(shí)驗(yàn)研究是根據(jù)相似原理建成縮小比例的模型，用

2、以再現(xiàn)原型油藏中流體的流動(dòng)和傳熱過程，進(jìn)而可以了解和分析提高采收率方法的機(jī)理和效果，確定工藝參數(shù)等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，油藏物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置的自動(dòng)化程度和測(cè)試速度以及測(cè)量精度越來越高。因此，研究一種適用于油藏物理模擬實(shí)驗(yàn)飽和度測(cè)量技術(shù)至關(guān)重要。1引言v 油藏物理模擬中可采用的飽和度測(cè)量方法較多，技術(shù)比較成熟的是電阻率測(cè)量技術(shù)。但是，當(dāng)油水界面中的水為淡水或微咸水時(shí)，測(cè)出的含水層和含油層的電阻率之間的差異較小，不能精確地計(jì)算出含油量。另外，水的礦化度未知或變化時(shí)，其解釋結(jié)論也是不可靠的。然而，采用電容法測(cè)量技術(shù)能夠解決這一問題。近年來，由于材料、工藝、特別是在測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面

3、已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，寄生電容的影響得到較好地解決，使這種電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。2.1飽和度電容式傳感器測(cè)量原理 v由于油和水的介電常數(shù)差異很明顯，當(dāng)油水含量發(fā)生變化時(shí)，油水混合物的介電常數(shù)會(huì)隨之發(fā)生較大的變化，進(jìn)而使其電容發(fā)生變化。選擇一種電容特性好的線型材料，設(shè)計(jì)成一個(gè)雙針電容，通過電容檢測(cè)電路，測(cè)量以油水混合物作為電介質(zhì)的電容，即可推算出油藏物理模擬中的油水飽和度。2.2電容式飽和度傳感器結(jié)構(gòu)v傳統(tǒng)的電容式傳感器測(cè)量油水界面大多采用圓柱式結(jié)構(gòu)，是因?yàn)樗哂芯_的數(shù)學(xué)模型。但在油藏物理模擬中，特別是二維模擬，由于平板內(nèi)含多孔介質(zhì)（一般為沙子），若采用圓柱式電容傳感器易掛料，導(dǎo)致測(cè)

4、量結(jié)果不準(zhǔn)確，且不易插入平板內(nèi)。故本設(shè)計(jì)采用雙針式電容傳感器。2.2電容式飽和度傳感器結(jié)構(gòu)v雙針式結(jié)構(gòu)傳感器，其結(jié)構(gòu)如右圖所示，其電容值為： （1） 式中：r為被測(cè)介質(zhì)相對(duì)介電系數(shù)；h為傳感器插入油藏的深度；r表示兩個(gè)針的半徑；d表示針間距離。hcrdr20ln22.3電容式傳感器飽和度測(cè)量的數(shù)學(xué)分析電容式傳感器飽和度測(cè)量的數(shù)學(xué)分析 v在室溫條件下，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1，純油的相對(duì)介電常數(shù)為2.3左右，水的介電常數(shù)為80，油藏物理模擬中的含水飽和度的測(cè)量范圍為0%-100%，r、d、h、0為常數(shù)。在純油中即含水飽和度為0%時(shí)r=2.3，此時(shí)電容值為最小記作C油 ，C油可通過公式(1)算得。在

5、純水中即含水飽和度為100%時(shí)r=80，此時(shí)電容值為最大記作C水 ，C水也可通過(1)式算得。一般認(rèn)為，當(dāng)原油含水飽和度為5%時(shí)認(rèn)為是油/乳化層的分界面，當(dāng)原油含水飽和度為95%時(shí)認(rèn)為是乳化層/水的分界面。忽略原油中含有的雜質(zhì)的影響，含水原油可近似看成純油和純水兩種介質(zhì)的混和。2.3電容式傳感器飽和度測(cè)量的數(shù)學(xué)分析電容式傳感器飽和度測(cè)量的數(shù)學(xué)分析v其有效介電常數(shù)可用下式表示：(2)式中r為混和介質(zhì)的有效介電常數(shù)；1為純水的介電常數(shù)；2為純油的介電常數(shù)；D為原油中含水飽和度。 根據(jù)（2）式，取1=80，2=2.3，可得含水飽和度5%時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)r為3.80，含水飽和度為95%時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)

6、r為73.55。代入（1）式可算得含水飽和度為5%、95%時(shí)的電容值。顯然，當(dāng)測(cè)得了未知含水飽和度的電容值，即可計(jì)算出油水混合物相對(duì)介電常數(shù)r，從而得到含水飽和度D。21)1 (DDr2.4容抗法檢測(cè)電路基本原理容抗法檢測(cè)電路基本原理 測(cè)量電容的方法在不同的應(yīng)用環(huán)境下有多種，調(diào)頻電路和運(yùn)算放大器電路是兩種常用的電容測(cè)量電路，這些電容檢測(cè)電路優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟 ，其缺點(diǎn)是電路本身不能自動(dòng)調(diào)零，從而延長(zhǎng)了測(cè)量時(shí)間。采用容抗法可較好地解決上述問題，實(shí)現(xiàn)電容的自動(dòng)調(diào)零。 容抗法檢測(cè)電路基本原理如右圖所示。2.4容抗法檢測(cè)電路基本原理容抗法檢測(cè)電路基本原理v容易推導(dǎo)出其輸出電壓 與被測(cè)電容 的關(guān)系為： （3

7、）v式中， 為反向放大器的反饋電阻；Gx 為電容極板間的漏電導(dǎo)；Vi 為正弦激勵(lì)電壓幅值；為激勵(lì)電壓的角頻率。選取參數(shù)使 : 則公式（3）可化為： 所以，Vi、 為常數(shù)時(shí)，測(cè)量電路輸出電壓 與被測(cè)電容 呈線性關(guān)系。xxG)C(fxxioRCjGVV)(fxioRCjVVOVxCfRfRoVxC 2.5飽和度電路傳感器檢測(cè)電路原理v如下圖所示:正弦波產(chǎn)生電路產(chǎn)生400HZ正弦波信號(hào)將被測(cè)電容量CX變成容抗XC，經(jīng)緩沖電路后進(jìn)行C/U轉(zhuǎn)換，把XC轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)電壓，再經(jīng)過有源濾波將干擾信號(hào)濾掉，最后經(jīng)過有源整流電路，取出平均值電壓UO。UO與CX成正比，只要適當(dāng)調(diào)節(jié)電路參數(shù)，即可計(jì)算出電容值。2.

8、5.1正弦激勵(lì)源電路正弦激勵(lì)源電路 2.5.2緩沖電路緩沖電路 2.5.3C/U轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:6-May-2009 Sheet of File:C:Program FilesProtel 99se漢化版ExamplesMyDesign5.ddbDrawn By:12345678SW1R12R19R18R10VD1VD2VD3VD4CxUinUoutTL22.5.4有源濾波電路有源濾波電路 2.5.5精密全波整流電路精密全波整流電路 2.6仿真波形 Cx為100pF時(shí)的仿真波形 Cx為500pF

9、時(shí)的仿真波形 Cx為10000pF時(shí)的仿真波形 Cx為12000pF時(shí)的仿真波形通過撥位開關(guān)設(shè)置檔位電阻為1M，在有源整流前提出仿真波形如圖所示 2.7仿真分析 v仿真波形中正弦波為有源濾波的輸出，在不失真的情況下才能保證測(cè)量準(zhǔn)確；直線輸出為整流后輸出的直流電壓，波動(dòng)的大小反映了整流的效果。v從以上波形可以看出：CX為100pF時(shí)正弦波形不失真但直流輸出較小，直流輸出約為0.103V；在CX為500pF時(shí)正弦波形不失真，直流輸出分別約為0.485V；在CX為10000pF時(shí)正弦波形有小幅失真，直流輸出約為8.550V；但當(dāng)CX為12000pF時(shí)正弦波形嚴(yán)重失真，直流輸出約為9.952V，放大器達(dá)到飽和。因此該檔位電容測(cè)量傳感器的測(cè)量范圍為100pF10nF，且在其滿量程的20%80%測(cè)量最準(zhǔn)確。v從仿真的結(jié)果可以看出在一定范圍內(nèi)，直流電壓的輸出和CX有著很好的線性關(guān)系。2.8實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析v 繪制的500k檔位時(shí)電路電壓與電容對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖如下圖：2.8實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析v在油藏物理模擬實(shí)驗(yàn)的飽和度測(cè)量中，油水混合物的含水飽和度（體積百分比）即可利用測(cè)得的電容代入公式（1