筒式电容测试注汽井干度算法机理与实现

韩 建 黄 颖 牟海维 邢志方

(东北石油大学电子科学学院，黑龙江 大庆 163318)

筒式电容测试注汽井干度算法机理与实现

韩 建 黄 颖 牟海维 邢志方

(东北石油大学电子科学学院，黑龙江 大庆 163318)

为研究热采注汽井沿程蒸汽参数的变化规律，采用筒式电容方法精密测量注汽井蒸汽热力学参数，分析注汽井温度、压力和蒸汽干度随井深的变化特征。构建注汽井蒸汽干度测量模型，对蒸汽干度测量模型进行数值反演，考查蒸汽干度随介电常数的变化规律，揭示了干度值随井深的增大逐渐减小。

蒸汽干度 筒式电容 注汽井

在注汽井稠油开采过程中，为了实时掌握油层的位置、分布情况和油层对蒸汽的吸收情况，需要对注汽井蒸汽热效特性参数的变化规律进行研究[1]。通过对注汽井蒸汽干度的实时准确测量，可以确定注汽井所需的蒸汽量和注汽效率，这对油田采油效率的提高具有重要意义[2]。目前，蒸汽干度的测量方法主要有热力学法(节流法、凝结法、加热法)、光学法、示踪剂法、微波法和光纤光栅法[3]。但是由于气液两相流的复杂性、相互之间的相变以及易受温度、压力等因素的影响，以上方法大多存在滞后性[4]。

笔者采用筒式电容法干度测量仪研究注汽井蒸汽参数，依据被测介质介电常数变化和热力学参数，构建注汽井蒸汽干度测量模型，并通过测量的数据对蒸汽干度测量模型进行数值反演，由于测量系统具有运行稳定、精度较高等优点，能够实现对注汽井蒸汽参数的实时在线准确测量，并为掌握油层对蒸汽的吸收状况和后续的开采方案设计提供试验依据。

1 测量原理①

由于物体间的电容值与其结构和参数有直接关系，所以电容法的测量原理是改变物理参数，使电容值随之改变来实现对被测量的测量。电容式传感器就是利用电容法的测量原理制成的传感器[5]。由电容的基本概念可知：物体间电容值的大小不仅与构成电容元件的极板的形状、大小有关，还与极板的相对位置、极板间介质的介电常数有关[6]。

如图1所示，在不考虑边缘效应的情况下，同轴式电容值的表达式为：

(1)

式中C——电容值；

L——极板的长度；

R1——圆筒的内半径；

R2——圆筒的外半径；

ε——极板间介质的介电常数。

图1 电容法测量原理

由式(1)可知,在结构、面积和距离不变的情况下，电容值只与介质的介电常数有关[7]。通过电容值的变化可以测出介电常数的变化，从而建立干度模型。

2 建立干度模型

在一定的温度和压力下，水和水蒸气的介电常数相差很多。例如，在一个大气压下，水和饱和水蒸气的介电常数分别为55.527和1.006[8]。如果用湿蒸汽作为电容传感器的介质[9]，随着流过传感器的蒸汽干度的变化，等效介电常数也会发生改变，从而导致传感器的电容值也发生变化。通过测量电容器的电容值，就可以得到干度的变化和变化趋势。

蒸汽干度是指每千克湿蒸汽中含有的干蒸汽质量百分数[10]，其表达式为：

(2)

式中ms——水蒸气的质量，ms=Vsρs；

mw——湿蒸汽中饱和水的质量，mw=Vwρw；

Vw、Vs——单位体积中水和水蒸气的体积百分比，Vw+Vs=1；

X——蒸汽干度；

ρw、ρs——湿蒸汽中饱和水和水蒸气的密度。

对于一定结构的筒式电容传感器，其内半径为R1，外半径为R2，长度为L，在将一定湿度的蒸汽作为介质时，可得：

(3)

式中Cm——待测电容值；

ε0——湿蒸汽的真空介电常数；

εm——湿蒸汽的等效介电常数。

由式(3)可推导出：

(4)

εm=bCm

(5)

其中b是与电容传感器结构有关的常量。

由Lichtenecker公式可得：

(6)

其中εw、εs分别为一定温度、压力下水和蒸汽的介电常数。

在一定温度、压力下，ρw、ρs、εw、εs由IAPWS-IF97查表可得。综上，可建立干度模型：

(7)

在一定温度和压力下测出电容值，代入干度测量公式，便可以反演出此时蒸汽的干度值。

3 测试数据分析

基于辽河油田的热采注汽井进行干度测量的现场试验。试验采用的是筒式电容法干度测量仪，可以测量温度、压力及电容值等参数，从而反演出蒸汽干度值。为方便下井，测量仪器制成圆筒式，探针体积非常小以免影响蒸汽流。对检测电路采用绝压密封结构，用PEEK参杂30%纤维的材料对装置进行密封，以适应井下高温、高压的测量环境。

试验开始时开阀门将试验仪器缓慢下放到700m，再缓慢上提仪器到井口，关阀门。井下试验数据温度、压力和电容曲线如图2所示。采样点和井口井底对应关系为，井口对应1～140和870～900采样点，井底对应490～510采样点。本次试验仪器下放和上提过程完全对称，从温度曲线和压力曲线也可以看出明显的对称性。

如图2所示，井下温度和压力随着井深变化的趋势基本一致，这是因为井下饱和蒸汽受到温度和压力的复合作用，在井下有限的空间内，一定的饱和温度值与饱和压力呈一一对应关系，理论上与Antoine equation方程相符。

如图2a所示，井口温度为279℃，随着仪器下放，下井的深度增大，温度逐渐降低，在井深700m的位置温度降到275℃，这是因为随着蒸汽的注入，在蒸汽向下流动的过程中，蒸汽有热损失，热能量被油层和井筒吸收，导致温度降低，由于被测注汽井常年注汽，井下温差不是很大(不到5℃)。在测量仪器上提的过程中，从温度曲线可以看出温度值逐渐上升，与下降的过程呈对称趋势。从温度曲线末端可以看出取出仪器后，温度迅速下降到256℃左右后开始缓慢降温。

如图2b所示，压力曲线同样具有较好的对称性，井口压力为6.04MPa，随着仪器的下放，压力逐渐下降，在井深700m的位置压力降到5.70MPa。这是因为井口蒸汽流的速度比井下大很多。微观解释为，井口的单位体积内分子数较多，所以压强较大。

图2 井下试验温度、压力和电容曲线

如图2c所示，电容测量曲线反映了井下含水量的变化，电容变化范围为36.10～68.34pF。位置“1”为开阀门时，仪器处在防喷管中，电容探头部分几乎全部进水，电容值达到最大68.34pF左右。

基于干度测量现场试验，将采集到的数据进行干度反演分析，并绘制干度值随井深的变化曲线如图3所示。可以看出，随着下井深度的增大，蒸汽干度减小，从井口的0.78降低到0.71左右。因为注汽锅炉出口的蒸汽流速很大，随着井深蒸汽的热量被油层吸收，压强降低，对应的饱和温度也降低，则井下湿度增大。蒸汽是一个气液两相流的形态变量，在沿着井中下流的过程中有能量损失。蒸汽干度值受压力和温度的复合作用，三者之间存在着一定的函数关系，随着蒸汽的流速、质量和压强的减小，气液摩擦阻力也减小。因此，压力的变化变得缓慢，蒸汽温度也随之降低，导致干度值减小。

图3 蒸汽干度随井深的变化曲线

4 结束语

基于筒式电容法测量注汽井的蒸汽热效特性参数，研究了注汽井温度、压力和蒸汽干度随着井深的变化特征，构建了注汽井蒸汽干度测量模型并对它进行数值反演，将数据绘制成曲线，并对温度、压力和蒸汽干度曲线变化的原因做了详细的分析，表明：随着深度的增加，温度和压力都是降低的，这是由于蒸汽流在向下流动的过程中，热量被油层和井筒所吸收，造成热量损失，导致井下湿度较高。蒸汽干度在井口为0.78左右，随着注汽井深度的增加，在井深700m处降低到0.71左右。以上结论为实时掌握油层位置、分布状况和油层对蒸汽干度吸收情况，提高采油率提供了有力保障，也为后续的开采方案设计提供了试验依据。

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虹润精密仪器有限公司“量体裁衣”造仪表

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AlgorithmMechanismandImplementationofApplyingCylindricalCapacitancetoGasInjectorDrynessTesting

HAN Jian, HUANG Ying, MU Hai-wei, XING Zhi-fang

(CollegeofElectronicScience,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

In order to investigate the variation of steam parameters along thermal extraction wells, the cylindrical capacitance method was applied to measure steam thermodynamic parameters precisely and to analyze steam injection well’s temperature, pressure and steam dryness variation characteristics which changing with the well depth. Establishing a measurement model of steam dryness and then inverting it were implemented to investigate variation of the steam dryness changing with dielectric constant to show that the steam dryness can decrease gradually with the increasing of well depth.

steam dryness, cylindrical capacitance, steam injection well

2016-02-17(修改稿)

国家自然科学基金面上项目(51374072)

TH701

A

1000-3932(2016)04-0385-04