一種電阻法檢測持水率方法

成云麗,余厚全,劉國權,陳 強

(1.長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023；2.中國石油集團測井有限公司，陜西 西安 710077)

一種電阻法檢測持水率方法

成云麗1,余厚全1,劉國權2,陳 強2

(1.長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023；2.中國石油集團測井有限公司，陜西 西安 710077)

針對電阻法檢測持水率存在的問題，研究了探針式電阻傳感器的等效模型。在分析國內外現有電阻式持水率檢測儀器方案的基礎上，提出了一種適用于油水兩相分離狀態的持水率檢測方法。考慮到分布電容對測量結果的影響，采用了雙極性脈沖激勵方法，設計實現了同時檢測電壓和電流的檢測方案，開發了基于延時同步采樣保持的檢測電路。試驗結果表明，該方法能準確識別油和水，消除分布電容對測量結果的影響，減小雜散電阻(即探針正參考電極與儀器外殼間的電阻)引起的測量誤差，提高電阻測量的精度。該方法實現了通過實測電阻值反映持水率信息，對陣列電阻式持水率檢測儀器研究具有參考價值。

油田開采； 傳感器； 電阻法； 分布電容； 雙極性脈沖； 數據采集； 檢測

0 引言

電阻法檢測持水率[1-2]是油田開采過程中在線檢測持水率的常用方法，它建立在原油和水的電阻率有較大差異的基礎上[3]。目前，我國油田使用的電阻式持水率檢測儀主要是英國Sondex公司生產的陳列式電阻率持率儀(resistance array tool，RAT)。國內相關單位很早展開了此方法的研究工作。1999年，胡金海、劉興斌等[4-5]采用交流正弦激勵，設計了阻抗式含水率測量儀。這種激勵方式使得輸出信號要經過復雜的放大、整流、濾波處理，才能得到反映被測油水電阻值的直流信號，檢測電路復雜，并且不能克服分布電容對測量結果的影響。金寧德、鄭桂波[6]采用了相敏檢波的方法來消除分布電容的影響。由于雙電層電容的存在，使得相敏檢波不能完全消除分布電容的影響。所以，要提高電阻測量的精度，必須解決分布電容對測量結果的影響。

針對上述問題，本文在分析國內外現有電阻式持水率檢測儀器方案的基礎上，分析了探針[7]式電阻傳感器的等效模型，提出了一種適用于油水兩相分離狀態下的持水率檢測方法，設計實現了同時檢測電流和電壓的檢測方案。

1 探針式電阻傳感器等效模型分析

當油流過探針式電阻傳感器兩端時，由于油的電阻率很大，其等效模型可看作是電阻值無窮大的純阻性負載。當水流過探針式電阻傳感器兩端時，由于分布電容的存在，其等效模型為RC并聯模型。R為流過探針間水的等效電阻，C為分布電容。

等效模型如圖1所示。

圖1 等效模型

并聯模型中的阻抗為：

(1)

展開得：

(2)

2 激勵方式與電阻檢測方法

2.1 雙極性脈沖激勵

與國內電阻法測量持水率均采用交流正弦波激勵以避免傳感器電極極化方法不同，本文采用了雙極性脈沖激勵方法[7-8]。

雙極性脈沖頻率的選擇應確保在半周期內探針兩端電壓能夠完成暫態過程，達到穩態后對探針兩端電壓和流經探針間的電流進行采集，所以雙極性脈沖半周期時間應大于礦化度最大時時間常數τ的4倍，以保證在整個測量階段消除分布電容對測量結果的影響。

雙極性脈沖示意圖如圖2所示。當第一個脈沖周期T1開始時，分布電容C被迅速充電。當電容C充滿電時，沒有電流流過，相當于斷路，全部電流流經R。當第二個脈沖周期T2開始后，極性反轉，C被迅速反向充電。因此，在電容C充滿電時測得的等效模型的電壓值、電流值與分布電容C無關，只與等效電阻R有關，即消除了分布電容對測量結果的影響。

圖2 雙極性脈沖示意圖

2.2 電阻檢測方法

常見的電阻法測量持水率檢測法為電壓檢測法或電流檢測法。本文設計了同時檢測傳感器兩端電壓與流過傳感器負參考電極電流的檢測方案。經過計算精確得到傳感器兩端的電阻值，以準確反映持水率信息。電壓和電流同時檢測電路如圖3所示。設探針兩端等效電阻值為R，由于探針傳感器是虛地連接的，流經傳感器正參考電極的電流，一部分通過被檢測油水流向傳感器負參考電極，另一部分流向儀器外殼(參考地)，所以電流檢測需要檢測流向傳感器負參考電極的電流值。

圖3 電壓和電流同時檢測電路

電壓檢測電路由U1、U2構成，以獲得探針兩端等效電阻R兩端的電壓值。U1為具有極低偏置電流的緩沖器，保證傳感器負參考電極的電流最大程度的流向電流檢測電路，以減少高電阻率相關的低電流測量誤差。U2是具有GΩ級輸入阻抗、低輸出噪聲、低失真特性，適合與傳感器直接連接的全差分輸入儀表放大器。

電流檢測電路由Rk、U3構成,以獲得流過傳感器負參考電極的電流值。Rk、U3構成精密電流-電壓轉換電路，其中：Rk為已知精密電阻，U3為具有低偏置電流和低失調電壓的運算放大器。

各點信號的關系如下：

Uo1=U1p-p

(3)

Uo2=Ip-pPk

(4)

由式(3)、式(4)可得：

(5)

由式(5)可見，只要測得Uo1、Uo2的電壓值，就可得到等效電阻R的阻值。整個檢測方案實現了同時檢測傳感器兩端電壓與流過傳感器負參考電極電流來獲取傳感器兩端的等效電阻值。

采用上述檢測方案，Z2、Z3的輸出電壓Uo1、Uo2是雙極性的，但由于分布電容和礦化度的影響，其脈沖變化具有暫態過程。為此，設計了延時同步采樣保持[9]電路，如圖4(a)所示。四路并行的采樣保持電路，分別由CMOS開關(SW1/SW2/SW3/SW4)、串聯電阻(R5/R7/R9/R11)、保持電容(C3/C5/C7/C9)以及單位增益緩沖器(Z5/Z6/Z7/Z8)組成。激勵信號和采樣保持時序如圖4(b)所示。

圖4 延時同步采樣保持電路及時序圖

PWM1信號使Z5采樣緩沖器可在Uo1的負周期采樣，保持直至下一個采樣周期。因此，Z5采樣持緩沖器輸出U1等于Uo1負半周穩態的直流電平。PWM2信號使U6采樣保持緩沖器可在Uo1的正周期采樣，保持直至下一個采樣周期。因此，U6采樣保持緩沖器輸出Z2等于Uo1正半周穩態的直流電平。同理，Z7采樣保持緩沖器輸出Z3等于Uo2負半周穩態的直流電平，Z8采樣保持緩沖器輸出U4等于Uo2正半周穩態的直流電平。

可見U1與U3是分別保持Uo1與Uo2負半周穩態的電壓值，所以：

(6)

在同一周期內，U1與U2的采樣間隔非常短(等于激勵信號半周期)，可以認為在此期間被測油水分布情況未發生變化，所以U1=-U2，同理U3=-U4，則：

(7)

由式(7)可見，只要分別測得同一周期內U1、U2、U3、U4這四個直流分量，即可得到等效電阻R。采用延時同步采樣保持技術消除了分布電容對測量結果的影響，將傳感器的輸出電壓和電流的峰峰值幅度轉化為直流。這樣不僅提高了測量精度，同時簡化了A/D對信號的處理。通過取兩次A/D采樣的差值可以消除系統存在的低頻噪聲，從而提高了系統的數據采集精度[10]。

3 試驗結果

按照圖3設計的電路，在油水分離的的情況下，驗證了不同礦化度下電阻傳感器分布電容對電阻測量的影響。電阻傳感器采用探針式電阻傳感器，以盡可能減小分布電容值，通過檢測流過探針的電阻值來判斷油水信息；分壓電阻R1為2 kΩ，Rk為1 kΩ。為了觀察在不同礦化度條件下分布電容引起的暫態過程，激勵信號采用頻率為20 kHz、占空比為50%、幅度為±10 V的雙極性矩形脈沖。油流過傳感器兩端時的響應，Uo1幅值為20 V，Uo2幅值趨近于0 V；水流過傳感器兩端時的響應，Uo1幅值為13.6 V，Uo2幅值為3.40 V；飽和鹽水流過傳感器兩端時的響應，Uo1幅值為1.68 V，Uo2幅值為9.4 V。根據式(7)與上述試驗結果，計算得到探針間的電阻R，分別是∞、4 kΩ、178.7 Ω，所以該方案能準確識別油和水。

4 結束語

本文分析了探針式電阻傳感器的等效模型，采用了雙極性脈沖激勵方法，設計實現了同時檢測電壓和電流的檢測方案，開發了基于延時同步采樣保持的檢測電路，并進行了相關試驗驗證。試驗結果表明，該檢測方法能夠消除分布電容對測量結果的影響，減小雜散電阻(探針正參考電極與儀器外殼間的電阻)引起的測量誤差，有利于提高電阻測量的精度。

[1] 孔令富,李雷,孔維航，等.石油生產水平及大斜度井測井技術綜述[J].燕山大學學報,2015,39(1)：1-8.

[2] XU W F,XU L J,CAO Z,et al.Normalized least-square method for water hold-up measurement in stratified oil-water flow[J].Flow Measurement and Instrumentation,2012(27):71-80.

[3] BOYLE K,AYAN C,ARESH B.Applications of a new production logging tool tolocate fluid entries and borehole flow imaging[J].Society of Petroleum Engineers,1996(21):513-528.

[4] 胡金海,劉興斌,張玉輝,等.阻抗式含水率計及其應用[J].測井技術,1999,23(增刊):511-514.

[5] 胡金海,劉興斌,黃春輝,等.一種同時測量流量和含水率的電導式傳感器[J].測井技術,2002，26(2):154-157.

[6] 鄭桂波.插入式陣列電導傳感器兩相流測量方法研究[D].天津:天津大學,2009.

[7] ANDREUSSI P,PITTON E,CIANDRI P,et al.Measurement of liquid film distribution in near-horizontal pipes with an array of wire probes[J].Flow Measurement and Instrumentation,2016,47(2):71-82.

[8] 趙學亮,史云,馮蒼旭.雙極性電壓脈沖激勵的智能電導率測量儀[J].自動化儀表,2011,32(1):76-79.

[9] DASILVA M J,LU Y,SUHNEL T,et al.Autonomous planar conductivity array sensor for fast liquiddistribution imaging in a fluid coupling[J].Sensors and Actuators A: Physical,2008,147(6):508-515.[10]劉鐵軍,黃志堯,王保良，等.測量液體電導的兩種新方法[J].化工自動化及儀表,2005,32(3):50-53.

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

成云麗(1989—)，女，在讀碩士研究生，主要從事信號檢測方法與電路的研究。E-mail:1292675055@qq.com。 余厚全(通信作者)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事信號檢測方法與儀器的研究。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