超级电容器性能原理及应用
吴频频++张宏哲
[摘 要]电容阵列仪（CAT）是近年来投入应用的一种新型测井仪器，主要用来测量水平井或大斜度井内流过井眼截面的分层流的三相持率。文中主要介绍了电容阵列仪的测量原理、结构及电路原理；并对其资料处理及持率计算方法进行了研究。
[关键词]电容阵列仪 测量原理 电路原理
中图分类号：P631.32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）19-0331-01
电容阵列仪（CAT）是近年来投入应用的一种新型测井仪器，主要用来测量水平井或大斜度井内流过井眼截面的分层流的三相持率。该仪器有十二个微电容传感器，呈放射状的部署在十二个弹簧弓片的内侧，由于这十二个微电容传感器都分布在井眼的同一截面上，故可以得到该井眼截面的一组丰富数据，并依据这组数据绘制3D流相图（若能与井眼中心持率测量仪器组合下井，效果更佳）。
1 仪器的结构特点
电容阵列仪共有十二个微电容传感器，放射性的分布在十二根弹簧弓片的内侧，每个传感器都有独立的电路控制并支持独立的数据读取。下井工作时，弹簧片打开，微电容传感器被推至贴近套管内壁处，即该仪器测量的是套管内一个横截面上靠近套管内壁处的三相持率。
仪器的外部结构如图1所示，上部是电子短节部分，中间是12个电容传感器探测臂，底部是马达部分。整个仪器由地面系统来控制仪器臂的伸张和收缩。
实际测井中，仪器在套管里的位置不是固定的，因此，CAT仪器在12个探测臂中选择了一个臂作为高端，跟踪此臂相对井筒高端的位置，进行旋转补偿，即可得知仪器在井筒中的方位。
仪器采用12个相互独立的微电容传感器探测臂进行测量，12个探测臂根据测量的需要，可在同一断面上以相同的半径分布展开，也可以不同的伸展半径分布测量。在垂直和斜井中，采用不同半径测量可以得到较好效果。仪器每一个探测臂都有独立的电路，分别测量、记录和传输各自的频率信号。微型电容传感器非常小，它的探测半径大约为3mm，这就意味着它可以测量各自分离的相。各个传感器构成电路的一个组成部件，在气、油和水中以不同的频率谐振。使用这种谐振的差异可确定井筒截面内指定区域存在什么相态。相对于探头周围的电容值，振荡电路在水中产生低频，在油中产生高频，而在气中产生较高频率。与传统的电容仪器相同，传感器在气、油和水范围内产生的频率比是3.7：3.0：1.0。
2 仪器的测量原理
仪器采用微电容传感器，电容的计算公式为C=εS/4πkd，其中，ε是介电常数，S为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离，k则是静电力常量。微电容传感器的K、S、d都是固定的，只有两极板间的电介质在变化，对于油、气、水，其介电常数区别比较大，电容传感器表现出来的电容大小也就很不同，由于微电容传感器是接在谐振电路里的，电容大小的改变，会影响输出的谐振频率的变化，通过定量刻度输出的谐振频率与三种电介质所占比例的关系，就可以确定流过该电容传感器的三相持率，并且可以直观的成像形式来模拟显示井筒中的流动形态。
3 电容阵列仪资料处理及持率计算方法
3.1 资料处理方法
CAT资料处理方法有两种，一种是与CAT仪器配套的解释软件，软件中CATLAS完成对测量数据的转换，并计算出三相持率。其中计算三相持率的方法有两种：一种是某一相占所有电容传感器的加权平均；另一种是SONDEX STRATIFIED AVERAGE方法。对于斜井和水平井建议采用第二种方法进行平均，然后用CATVIEW软件可以对转换后的数据进行回放。它可同时进行井筒相态流动成像模拟以及显示各个探头的测量结果。
另一种解释方法是采用EMERAUDE软件，结合其它生产测井仪器数据，可以检验数据的准确性。首先要在EMERAUDE软件中设定CAT模块，选择参加计算的臂和采用的计算方法，调整各项参数。其中的计算方法也分为SONDEX STRATIFIED AVERAGE和平均加权两种，一般选择前者。接着加载CAT测量数据，12个传感器数据名称必须改为软件中设定好的CAT仪器的名称。接着审查数据，选择较好的测量趟数和测量相对稳定段，综合CAT旋转角度和各传感器组合而成的图像文件，可以初步分析油气水的截面位置及分布。最后选取所选的稳定段数据，进入INTER-PRET模块进行解释，得到油、气和水的三相持率。一旦仪器经过刻度并且数据归一化，12个传感器中的每一个记录曲线被处理产生图像，使得测量数据易于直观显示，提供了快速观测持率的方法。
3.2 持率计算方法
CAT仪器提供12条不同方位的持率曲线，可采用“平均持相率法”和“分层平均法”计算井筒截面各相持率。平均持相率法是对某一相中所有电容传感器持率的平均，相态中的传感器读数除以总传感器个数。这种求平均数的方法在各个传感器权重相等时，将被称之为“平均持相率法”。“分层平均法”是确定相的传感器总的横断面面积与管子横断面面积之比，其理论是各个传感器对总持相率测量的贡献，随传感器相对井筒顶部的位置而变化。指示水的横断面能轻而易举地得到。对于斜井和水平井建议采用第2种方法进行平均。
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