溫度對相位法微波含水率傳感器檢測精度的影響研究

董鵬敏,田 寶

(西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

溫度對相位法微波含水率傳感器檢測精度的影響研究

董鵬敏,田 寶

(西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

目前，國內(nèi)大多數(shù)油田已經(jīng)進入貧油高水階段，油井采出液中原油水含量日趨增加。以往應(yīng)用的電容式含水率檢測傳感器在工作穩(wěn)定性和精度方面，已無法滿足高含水原油的檢測需要。采用相位法微波含水率檢測傳感器檢測高含水原油含水率，具有分辨率更高、測量更精確的優(yōu)點。針對相位法高含水原油含水率微波檢測傳感器，利用微波傳感器的相位作用特性進行試驗，研究了溫度對相位法微波傳感器檢測精度的影響。通過對試驗結(jié)果的處理，擬合出對應(yīng)變化曲線方程，獲得原油含水率與溫度的變化規(guī)律。利用試驗所得規(guī)律，可將相位法微波含水率傳感器檢測精度提高至3%,為提高原油含水率檢測精度的研究提供了必要的校正參數(shù)和理論依據(jù)。

油田； 原油含水率； 相位法； 傳感器； 精度； 溫度； 分辨率

0 引言

當(dāng)前，我國采油作業(yè)已進入到一個高含水時期[1]。國內(nèi)油田中大多數(shù)油井采出液的含水率已接近經(jīng)濟開采極限，而原油含水率的準確測量直接影響到原油的開采、檢測、脫水、運輸以及銷售等方面，因此迫切需要提高原油含水率在線測量精度[2]。目前普遍采用微波傳感器作為高含水原油含水率傳感器，但微波傳感器在檢測中對溫度十分敏感[3-4]。因此，深入研究溫度對微波傳感器檢測精度的影響規(guī)律，對提高原油含水量檢測精度具有重要意義[5]。

1 相位法微波含水率檢測傳感器原理

相位法微波含水率檢測傳感器針對高含水油田動態(tài)監(jiān)測的需要，利用微波在不同介質(zhì)中傳輸相位特性發(fā)生變化的原理[6]，通過測量相位的移相量來判斷其含水率[7]。相位法微波含水率傳感器的工作原理如圖1所示。

圖1 傳感器工作原理圖

2 微波傳感器溫度影響試驗

2.1 試驗?zāi)康?/p>

應(yīng)用相位法微波傳感器，針對高含水原油含水率檢測過程，通過微波傳感器溫度影響試驗獲得溫度對含水率檢測精度的影響規(guī)律。

2.2 試驗器材選擇

試驗器材如下：500 mL燒杯若干，電子溫度計一個，玻璃棒，膠頭滴管，電子稱一臺，微波含水率檢測傳感器一個，OP-10乳化劑若干，基礎(chǔ)油若干，水(蒸餾水)，控溫裝置(恒溫水浴鍋)一臺。

2.3 試驗方案設(shè)計

在常溫常壓條件下，被測液體按基礎(chǔ)油7.2%、蒸餾水92.8%的比例進行配比，測量并記錄被測液體溫度，用玻璃棒攪拌均勻后，迅速將相位法微波含水率檢測傳感器探入被測液體中進行測量，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)；完成數(shù)據(jù)記錄后，再次打開恒溫水浴鍋，將溫度調(diào)整至下一試驗溫度，等溫度達到穩(wěn)定后，記錄溫度和含水率數(shù)據(jù)。重復(fù)上述試驗步驟，直至溫度調(diào)整至既定溫度值，完成第一組試驗。

為提高試驗效率，應(yīng)在不影響試驗效果的前提下盡量精簡試驗。因此，對混合液的配比過程進行優(yōu)化，在前一組混合液混合比例的基礎(chǔ)上增加基礎(chǔ)油含量、減少蒸餾水含量，以配制不同含水率混合液。后續(xù)試驗與第一組試驗相比，試驗介質(zhì)從雙項低含油介質(zhì)變?yōu)殡p項高含油介質(zhì)。因此在配置過程中必須添加對應(yīng)的乳化劑，使油水均勻混合，為試驗的準確測量奠定基礎(chǔ)。在溫度控制方面，以第一組試驗為參照，達到精簡試驗的目的[8]。

試驗中，采用恒溫水浴鍋對水加熱，使整個燒杯受熱均勻。在受熱過程中，將不同溫度的原油看作不同種類的介質(zhì)，相位法微波傳感器通過無線信號發(fā)射裝置[9]發(fā)射出某一頻率微波信號，通過不同溫度原油后返回，經(jīng)無線信號接收裝置傳輸至計算機進行處理[10]。

試驗方案如圖2所示。

圖2 試驗方案示意圖

3 儀器標定

一般現(xiàn)場檢測的溫度范圍為24～80 ℃，在該溫度范圍內(nèi)取6個溫度點作為試驗溫度，分別為24 ℃、34 ℃、43 ℃、55 ℃、66 ℃、77 ℃。由于該試驗主要針對的是高含水率的原油，因此對于該段含水率從100%到40%的區(qū)間，分別取6個不同的、具有代表性的含水率數(shù)據(jù)。對該數(shù)據(jù)分類后得到的標定數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 標定數(shù)據(jù)記錄表

利用五階六項式進行回歸、逼近，首先建立逼近模型[11]：

δT=α0(T)+α1(T)δ+α2(T)δ2+α3(T)δ3+α4(T)δ4+α5(T)δ5

(1)

式中：T為測量溫度,T=T1,T2,…,T6,T1～T6分別為6個檢測溫度點；δT為對應(yīng)溫度下油水混合液的真實含水率；δ為對應(yīng)溫度下油水混合液的測量值；α0～α5為溫度系數(shù)。

將計算得到的所有溫度系數(shù)代入式(1)，得到校準方程(2)，對傳感器自身存在的誤差進行校準。

δT=(31.167 7-3.085 2T+0.119 4T2-0.002 3T3)+[6.788 9×104-(0.696×104)T+(0.027 8×104)T2-(0.000 5×104)T3]δ+[2.337 5×104-(0.032 15×104)T+(0.009 4×104)T2-(0.000 2×104)T3]δ2+[3.154 9×104-(0.032 15×104)T+(0.012 7×104)T2-(0.000 2×104)T3]δ3+(201.172 3-13.465 5T+0.317 7T2-0.002 9T3)δ4+[(4.725×103)-(0.479×103)T+(0.018 8×103)T2-(0.004×103)T3]δ5

(2)

4 試驗數(shù)據(jù)分析

通過上述試驗，獲得大量溫度對微波傳感器測量精度影響的試驗數(shù)據(jù)并對其進行分析，發(fā)現(xiàn)在高含水條件下，相位法微波傳感器的含水率隨溫度的變化趨勢如圖3所示。

圖3 含水率隨溫度變化趨勢圖

通過對圖3分析可以發(fā)現(xiàn)，在溫度不斷升高的過程中，所測得的含水率呈下降趨勢。

為獲得精準的影響曲線規(guī)律，篩選出每個曲線中的重要數(shù)據(jù)[12]，并對該數(shù)據(jù)進行線性擬合。試驗數(shù)據(jù)提取表如表2所示。

表2 試驗數(shù)據(jù)提取表

針對變化曲線斜率與對應(yīng)的含水率的關(guān)系，建立五階六次式：

k=aδ5+bδ4+cδ3+dδ2+eδ+f

(3)

通過式(3)，對表2中的數(shù)據(jù)進行擬合，最終可以求得含水率變化速率k和與其對應(yīng)含水率的關(guān)系為：

k=-12.270 1δ5+37.258 75δ4-43.606 8δ3+ 23.634δ2-5.964 6δ+0.364 4

(4)

由于水和原油的介電常數(shù)不同，因此不同含水率原油的介電常數(shù)也不相同，所以對試驗對象進行標定后，數(shù)據(jù)的變化主要由介電常數(shù)在不同溫度下發(fā)生的改變所引起。據(jù)此，可以得到不同含水率下的含水率隨溫度變化速率k和含水率之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 含水率變化速率k與含水率關(guān)系圖

通過掌握溫度對相位法微波原油含水率檢測傳感器的影響關(guān)系，對傳感器進行了軟件自修正。通過2 500多次試驗數(shù)據(jù)分析，所修正的相位系數(shù)得到了明顯改善，相位法微波含水率檢測傳感器測量精度提高至3%，完全滿足了目前的現(xiàn)場生產(chǎn)要求。

5 結(jié)束語

通過分析圖3，可得出不同溫度下原油含水率測量值的變化趨勢。綜合試驗結(jié)果可看出，隨著溫度的升高，相位法微波傳感器所測得的高含水原油含水率值按一定的線性規(guī)律遞減，且不同含水率下其遞減趨勢滿足五階六項函數(shù)。通過這一函數(shù)，可以得到某一含水率下含水率測量值隨溫度變化而變化的規(guī)律，為相位法微波含水率檢測傳感器檢測精度的進一步研究，提供可靠的校準參數(shù)和理論依據(jù)[13]。

[1] 董鵬敏,趙波,艾繩勇，等.原油儲罐油水界面動態(tài)檢測系統(tǒng)的研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,28(3):34-37.

[2] 張乃祿,薛朝妹,徐竟天，等.原油含水率測量技術(shù)及其進展[J].石油工業(yè)技監(jiān)督2005,21(11):25-28.

[3] 楊中興,馮珊珊,王文魁,等.微波傳感器及其應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015(11):143.

[4] 朱浩,于革,張治國，等.新型原油含水率在線監(jiān)測測試方法[J].黑龍江科學(xué),2015(4):26-28.

[5] 楊聯(lián)會,廖茂盛,郭宏偉，等.在線原油含水測量儀表中不可忽視的幾個問題[J].石油儀器,2004,18(5):63-64.

[6] 劉雷,何道清,周小玲，等.微波檢測原油含水率研究[J].中國儀器儀表,2009(4):60-62.

[7] 徐耀忠,王守波.一種原油含水率的微波測量原理[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2015(1):40-43,58.

[8] 張文典,孫曉東,王鳳蘊，等.高精度在線式原油含水率檢測儀設(shè)計研究[J].電子測量技術(shù),2015,38(5):122-126.

[9] 徐耀忠,王建榮.原油含水率的微波測量仿真[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2015 (2):41-45.

[10]魏勇,余厚全,陳強，等.原油含水率在線測量儀的實驗研究[J].石油儀器,2012,26(6):1-4.

[11]吳國忠,穆磊,張永攀，等.微波法測量原油含水率計算公式的推導(dǎo)[J].油氣儲運,2009,28(7):35-37.

[12]AUSTIN J,GUPTA A,MCDONNELL R,et al.A novel microwave sensor to determine particulate blend composition on-line[J].Analytica Chimica Acta,2014，819(819):82-93.

[13]OLGA K,ALEX M,AHMED I A,et al.Flexible microwave sensors for real-time analysis of water contaminants[J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 2013, 27(16):2075-2089.

Research on the Influence of Temperature on the Detection Precision of Microwave Moisture Content Sensor Based on Phase Method

DONG Pengmin,TIAN Bao

(School of Mechanical Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

At present，most of the oil fields in China have entered the phase of poor oil content and high water content;the moisture content in crude oil is increasing in the produced liquid,so the capacitance sensor of moisture content detection used in the past cannot meet the detection requirements of working stability and accuracy for such high moisture crude oil. The microwave moisture content sensor based on phase method is used for moisture detection of the high moisture crude oil, which features higher resolution and higher accuracy.According to the microwave sensor using phase method,by using its phase action characteristics,the test is conducted,and the influence of temperature on the detection accuracy is studied.Through processing the test result,the corresponding varying curve equation is fitted;the law of change between moisture content and temperature is obtained.By adopting the regularity obtained by the test,the detection accuracy of such sensor is enhanced up to 3%,necessary correction parameters and theoretical basis are provided for the research on improving detection precision of the moisture content in crude oil.

Oil field; Crude oil moisture content; Phase detection method； Sensor; Precision; Temperature; Resolution

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃基金資助項目(2016ZDJC-11)、西安石油大學(xué)碩士研究生創(chuàng)新基金資助項目(2015cx140430)

董鵬敏(1961—)，男，碩士，副教授，主要從事石油裝備設(shè)計制造及檢測技術(shù)方向的研究。E-mail：1398533820@qq.com。 田寶(通信作者)，男，在讀碩士研究生，主要從事石油裝備設(shè)計制造及檢測技術(shù)方向的研究。E-mail：405769139@qq.com。

TH89;TP212.9

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704014

修改稿收到日期：2016-12-19