阻抗式含水率测量仪激励源的优化设计

　　1　引　言

　　在油田产出剖面测井中,准确可靠地测量油井产出液的含水率非常重要。在高含水条件下,刘兴斌等人提出的阻抗式含水率测量法[1]的应用效果明显 优于传统过流电容法和取样电容法,且能实现定点随时间的连续测量。但现有阻抗传感器驱动电路采用压控交流恒流源,其具有输出电流小、稳定性受电阻精度影响 大、电路实现复杂等缺点,影响了仪器的使用范围和灵敏度。

　　本文采用直流恒流源器件,通过快速切换正负极性的方式形成双向脉冲激励恒流源;在激励信号的前半周期和后半周期,施加在激励电极对上的是幅值相 同、极性相反的直流电流信号。这种方法具有激励电流调节范围大(0. 3~100 mA),抗干扰性强,结构简单的优点,可以提高阻抗式含水率计在高矿化度和特高含水条件下的测量效果。

　　2　阻抗式含水率测量仪工作原理

　　阻抗传感器的结构如图1所示,由安装在绝缘管壁上按一定距离排列的4个圆环不锈钢电极组成,外面一对作为激励电极,中间一对作为测量电极 [2]。目前,普遍采用的工作方式是电流激励、电压测量,激励电流通过传感器的激励电极对施加到被测区域,建立敏感电流场。在水为连续相条件下,当流体从 传感器内流过时,离散相颗粒尺寸分布和空间分布的随机变化,将导致流体电导率发生改变,测量电极将检测到这种变化,并输出幅度与流体电导率成反比的电压信 号。

　　设流过传感器流体的混相电导率为σm,连续水相电导率为σw,混相时测量电极间输出电压为Vm,全水时(水浸没所有电极)测量电极间输出电压为Vw,则有:

　　大量实验结果表明,对于油水两相垂直向上管流,Maxwell模型具有较高的测量精度。根据式(1)和式(2)可得流体持水率计算公式为:

         由此可见,传感器所使用激励电流源性能的好坏将直接影响Vm和Vw的输出误差,进而影响阻抗式含水率计的测量精度。*

　　3　传统激励源的缺点

　　传统阻抗传感器激励源通常采用运算放大器构成的压控交流恒流源[3],电路原理如图2所示。

　　为了消除直流电流激励下不可避免的介质电极化现象,通常使控制电压V0的幅值按某一频率正弦波变化,这时理想输出电流IL为如图3(a)所示的标准正弦波。

　　可以看出,上述压控交流恒流源有以下三个其本身无法克服的缺点:

　　(1)输出电流IL的稳定性受电路中电阻精度的影响大。由式(6)可知,IL是否恒定由电阻R1、R2、R3和R4决定;由于含水率测量仪是在 油井井下工作,电阻阻值会随井温变化而发生漂移,使得R1R4≠R2R3。这时IL将随负载RL的变化而发生波动,幅值不再恒定,输出一个如图3(b)所 示的近似正弦波,这将直接导致含水率计的测量精度下降。