礦化度對(duì)微波含水率傳感器測(cè)量精度影響的研究

董鵬敏，肖艷鵬，管爭(zhēng)榮，李曉輝

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710065）

礦化度對(duì)微波含水率傳感器測(cè)量精度影響的研究

董鵬敏，肖艷鵬，管爭(zhēng)榮，李曉輝

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710065）

原油含水率是石油生產(chǎn)中的重要數(shù)據(jù)，是計(jì)量油井產(chǎn)量，評(píng)價(jià)油藏的開采價(jià)值、采出程度及制定開采方案的重要指標(biāo)。相移法微波含水率檢測(cè)傳感器利用不同的原油和水介電常數(shù)來(lái)檢測(cè)含水率。而礦化度對(duì)相移法微波含水率檢測(cè)傳感器的精度有直接的影響。針對(duì)硫酸鍶、碳酸鈣、硫酸鋇三種礦化度組分，采用單因素試驗(yàn)方法，研究不同礦化度對(duì)相移法微波含水率檢測(cè)傳感器測(cè)量精度的影響。運(yùn)用MATLAB分析數(shù)據(jù)，擬合出相應(yīng)變化曲線方程，得出礦化度對(duì)原油含水率檢測(cè)精度影響的規(guī)律，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果加以修正，提高了相移法微波含水率檢測(cè)傳感器測(cè)量精度。試驗(yàn)結(jié)果表明，相移法微波含水率檢測(cè)傳感器測(cè)量精度提高至3%，為提高運(yùn)用微波相移法測(cè)量原油含水率精度提供了試驗(yàn)與理論依據(jù)。

原油含水率；相移法；微波傳感器；介電常數(shù)；礦化度；測(cè)量精度

0 引言

我國(guó)是耗油與產(chǎn)油大國(guó)，但隨著我國(guó)各大油田已進(jìn)入采油后期，采出的原油中礦化度與含水率［1］大幅上升，傳統(tǒng)的電容法、γ射線法都難以滿足現(xiàn)場(chǎng)含水率精度的要求［2］。原油含水率的準(zhǔn)確測(cè)量與原油開采、檢測(cè)、脫水、運(yùn)輸以及銷售都有著密切關(guān)系，因此提高原油含水測(cè)量精度具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

相移法微波含水率檢測(cè)傳感器是根據(jù)不同的油和水介電常數(shù)［3］來(lái)測(cè)量含水率的，具有測(cè)量范圍寬、對(duì)高含水情況適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)。

本文在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出礦化度對(duì)相移法微波含水率傳感器測(cè)量精度影響的規(guī)律。

1 相移法微波含水率檢測(cè)傳感器原理

不同含水率的原油相當(dāng)于不同介電常數(shù)的介質(zhì)（在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純凈水在20℃時(shí)，其介電常數(shù)為80，油的介電常數(shù)大約是2～3），而微波在不同介質(zhì)中傳輸相速是不同的。根據(jù)這一原理，給微波探頭加上一定幅度和頻率的微波信號(hào)，將探頭插入介質(zhì)中，設(shè)法測(cè)得微波信號(hào)相位的變化量。通過(guò)標(biāo)定，就可以得到原油含水率［4］。

微波含水率傳感器原理圖如圖1所示。

振蕩器能將提供的直流電能轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電能，交流電能進(jìn)入耦合器，由耦合器將一路微波功率平均分成兩路。一路特定的相位與頻率信號(hào)直接被功率放大，另一路特定的相位與頻率信號(hào)進(jìn)入微波探頭。

微波探頭的信號(hào)通過(guò)油水混合物介質(zhì)，由于油水混合物介質(zhì)的介電常數(shù)不同而發(fā)生相位的移動(dòng)。放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，IQ 解調(diào)器利用 I（t）和 Q（t）之間的正交相位關(guān)系實(shí)現(xiàn) I（t）和 Q（t）的理想重構(gòu)，濾波放大器對(duì)兩組信號(hào)進(jìn)行濾波和功率放大；ADC轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，微處理器通過(guò)比較兩路信號(hào)在相位上的移動(dòng)，確定含水率值，接口電路將含水率數(shù)值傳輸?shù)斤@示裝置進(jìn)行顯示。

2 礦化度對(duì)含水率傳感器測(cè)量精度的影響

礦化度是地下水質(zhì)評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，所謂地下水礦化度，即單位體積的地下水中化學(xué)組分含量的總和，單位一般為g/L，符號(hào)一般用M表示。根據(jù)礦化度大小，可將地下水劃分為淡水（礦化度0～1 g/L）、微咸水（礦化度1～3 g/L）、咸水（礦化度 3～10 g/L）、鹽水（礦化度 10～50 g/L）和鹵水（礦化度＞50 g/L）這 5 種類型［5］。礦化度對(duì)微波含水率檢測(cè)傳感器精度的影響較大，所引起的最大相對(duì)誤差為56.6%，且礦化度越高，引起的誤差越大［6］。

礦化度指水中溶解的鹽類組分［7］。原油中的礦化度主要來(lái)源于兩方面：一是地層水總礦化度［8］，總礦化度指水中離子、分子和各種化合物的總含量，通常是以水烘干后所得殘?jiān)鼇?lái)確定，單位為g/L［9］；二是由采出水回注時(shí)人為引入的礦化度。

因地區(qū)的不同，礦化度種類差別較大，具有較大的不確定因素。目前，我國(guó)油田生產(chǎn)的原油中，含鹽種類非常多，但主要由鈣、鋇、鍶、硫離子等組成。通過(guò)分析總礦化度，研究礦化度對(duì)微波含水率檢測(cè)傳感器測(cè)量精度的影響。

3 試驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容

針對(duì)硫酸鍶、碳酸鈣、硫酸鋇3種礦化度組分，采用單因素試驗(yàn)方案，研究礦化度對(duì)相移法微波含水率檢測(cè)傳感器測(cè)量精度的影響規(guī)律，以提高相移法微波含水率檢測(cè)傳感器的測(cè)量精度。

3.1 試驗(yàn)儀器與藥品

本文選取500 mL燒杯若干，膠頭滴管2個(gè)，高精度電子稱1臺(tái)，培養(yǎng)皿若干，玻璃棒1根，藥勺3個(gè)，碳酸鈣、硫酸鋇、碳酸鍶若干，基礎(chǔ)油若干，OP-10乳化劑若干（實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)油與普通水的融合，防止基礎(chǔ)油與普通水混合物快速分層，方便測(cè)量混合物的含水率）。

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由于在原油生產(chǎn)開采過(guò)程中，礦化物的引入是不可避免的，且引入礦化物的種類與含量都是隨機(jī)的，但每種礦化度對(duì)高含水原油含水率檢測(cè)傳感器的影響是固定的［10］。因此，為了研究礦化度對(duì)高含水原油含水率檢測(cè)傳感器的測(cè)量精度影響，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案具體如下。

在常溫常壓條件下，將原油和水分別以含水率從100%依次減少至40%左右進(jìn)行混合，分別分析純硫酸鍶、碳酸鈣、硫酸鋇配制礦化度從0%～20%的混合溶液。每組增加1%，攪拌均勻后迅速使傳感器進(jìn)入混合液測(cè)量數(shù)據(jù)，讀取傳感器數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟具體如下。

步驟一：從含水率100%遞減到含水率40%，配置不同含水率的基礎(chǔ)油混合液。

步驟二：稱量所得混合液質(zhì)量，計(jì)算單一礦化度下所加鹽的質(zhì)量。

步驟三：在未加入任何鹽的條件下，測(cè)得含水率并記錄數(shù)據(jù)。

步驟四：加入鹽量以1%遞增至20%，記錄每組數(shù)據(jù)。

4 單因素試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)以含水率區(qū)分為不同組，并將這些組的數(shù)據(jù)分別以一次曲線擬合的方法進(jìn)行處理，可以獲得某一含水率下不同礦化對(duì)其的數(shù)據(jù)影響［11］。

以硫酸鍶作為礦化度的單一組分，采用單因素試驗(yàn)法，得出如圖2所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。

圖2 硫酸鍶單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖Fig.2 Strontium sulfate single factor test data curves

圖2中：1為含水率96.1%的擬合曲線；2為含水率88.9%的擬合曲線；3為含水率86.2%的擬合曲線；4為含水率80.1%的擬合曲線；5為含水率78.4%的擬合曲線；6為含水率71.0%的擬合曲線；7為含水率67.4%的擬合曲線；8為含水率62.0%的擬合曲線；9為含水率56.7%的擬合曲線；10為含水率43.0%擬合曲線。

擬合公式如下。

含水率為96.1%的情況下擬合曲線為：

含水率為88.9%的情況下擬合曲線為：

含水率為86.2%的情況下擬合曲線為：

含水率為80.1%的情況下擬合曲線為：

含水率為78.4%的情況下擬合曲線為：

含水率為71.0%的情況下擬合曲線為：

含水率為67.4%的情況下擬合曲線為：

含水率為62.0%的情況下擬合曲線為：含水率為56.7%的情況下擬合曲線為：

含水率為43.0%的情況下擬合曲線為：

式中：δ為油水混合物的含水率，%；x為礦化度，%。

由硫酸鍶單一礦化物對(duì)高含水原油含水率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表可以看出，硫酸鍶在試驗(yàn)中確實(shí)對(duì)高含水原油含水率檢測(cè)傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)存在影響，且影響類似成線性規(guī)律進(jìn)行變化。目前所得線性曲線雖然可以獲得某一確定含水率下的不同礦化度對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的影響，但是這樣的數(shù)據(jù)過(guò)于離散化，且應(yīng)用起來(lái)十分不方便，因此必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理。

本文試驗(yàn)主要研究的是礦化度對(duì)高含水原油含水率檢測(cè)傳感器的測(cè)量精度影響，因此在第一次處理后的數(shù)據(jù)中提取更加合適的參數(shù)。直線斜率可以直接反映一條直線的變化規(guī)律，因此在數(shù)據(jù)提取中，根據(jù)式（1）～式（10）得到硫酸鍶單因素含水率對(duì)應(yīng)直線斜率，同理可得碳酸鈣與硫酸鋇的提取值，如表1所示。

表1 單因素含水率與對(duì)應(yīng)直線斜率Tab.1 Single factor moisture content and the corresponding linear slope

根據(jù)提取的數(shù)據(jù)，通過(guò) MATLAB進(jìn)行多項(xiàng)式擬合［12-13］，得到含水率和其對(duì)應(yīng)曲線斜率K的表達(dá)式。通過(guò)MATLAB擬合的數(shù)值結(jié)果對(duì)比，得到硫酸鍶單因素?cái)M合數(shù)值，同理可得碳酸鈣與硫酸鋇的擬合數(shù)值，如表2所示。

表2 單因素?cái)M合數(shù)值結(jié)果對(duì)比表Tab.4 Single factor fitting numerical results comparison

K的表達(dá)式為：

不同因素條件下的不同含水率曲線如圖3所示。

圖3 不同含水率斜率曲線Fig.3 Curves of slope of different water content

擬合方程分別為：

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)單因素試驗(yàn)法的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了硫酸鍶、碳酸鈣和硫酸鋇礦化度組分對(duì)不同原油含水率測(cè)量值的影響結(jié)果，并由MATLAB擬合。通過(guò)對(duì)誤差平方和的比較，選取三次多項(xiàng)式曲線擬合方程，得到硫酸鍶、碳酸鈣和硫酸鋇礦化度組分對(duì)相位法微波含水率檢測(cè)傳感器測(cè)量精度的影響規(guī)律。

［1］楊瑞斌，宋章帥.原油含水率測(cè)量分析原理與系統(tǒng)應(yīng)用［J］.山西科技，2011（2）：103-104.

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

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

［4］趙波.原油儲(chǔ)罐油水界面動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的研究［D］.西安：西安石油大學(xué)，2014.

［5］王玉強(qiáng)，柳建設(shè).上海市地下水礦化度與水化學(xué)離子濃度間的耦合關(guān)系［J］.東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，42（3）：432-436.

［6］魏勇，余厚全，魯保平，等.礦化度對(duì)電磁波相移法測(cè)量原油持水率的影響與校正研究［J］.長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，12（7）：30-33.

［7］趙發(fā)展，戚洪彬，王赟.地層水礦化度檢測(cè)的地球物理測(cè)井方法［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2002，17（3）：551-558.

［8］鄧少貴，范宜仁，李國(guó)欣，等.地層水礦化度對(duì)泥質(zhì)砂巖物理性質(zhì)的影響［J］.測(cè)井技術(shù)，2006，30（2）：113-115.

［9］陳鐵龍，劉慶昌，趙繼寬，等.陽(yáng)離子和總礦化度對(duì)弱凝膠性能的影響［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，25（1）：59-61.

［10］樊萍，王學(xué)軍，王曉玉，等.大慶油田采出水中礦化度的處理方法研究［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2007，32（1）：90-93.

［11］田寶.高含水原油含水率檢測(cè)傳感器測(cè)量［D］.西安：西安石油大學(xué)，2017.

［12］杜蘭，吳洪舉，陳建光.MATLAB與Excel在測(cè)量數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用［J］.北京測(cè)繪，2002（3）：20-23.

［13］吳曉光，徐精彩，李樹剛，等.基于MATLAB試驗(yàn)數(shù)據(jù)的幾種處理方法［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2005，24（1）：25-27.

Study on the Influence of the Salinity on the Measurement Accuracy of Microwave Moisture Content Sensor

DONG Pengmin，XIAO Yanpeng，GUAN Zhengrong，LI Xiaohui
（Department of Mechanical Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065，China）

Crude oil moisture content is the important data in oil production；it is an important index for metering the yield of oil well，evaluating the exploitation value of reservoir，the degree of mining and developing the mining scheme.The phase-shift microwave moisture detection sensor uses the difference of oil and water dielectric constant to measure moisture content.Salinity is a main factor to directly influence the accuracy of the sensor.In accordance with the salinity components of strontium sulfate，calcium carbonate and barium sulfate，by using single factor experimental method，the influence of different salinity on the measurement accuracy of phase-shift microwave moisture detection sensor is studied.Using the MATLAB analysis data，the corresponding curve equation is fitted，theinfluence regularity of the salinity on the detection accuracy of crude oil moisture content is obtained，and the detection results are modified to improve the measurement accuracy of phase-shift microwave moisture detection sensor.The experimental results show that the method can improve the measurement accuracy of phase-shift microwave moisture detection sensor to 3%，the experimental and theoretical basis for the improvement of the water has the content of crude oil by microwave phase shift method.

Crude oil moisture content；Phase-shift；Microwave sensor；Dielectric constant；Salinity；Measurement accuracy

TH89；TP212

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711020

修改稿收到日期：2017-06-23

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2016ZDJC-11）、西安石油大學(xué)碩士研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2015cx140430）作者簡(jiǎn)介：董鵬敏（1961—），男，碩士，教授，主要從事石油裝備設(shè)計(jì)制造及檢測(cè)技術(shù)的研究。E-mail：1398533820@qq.com。