射頻法原油含水率測(cè)量?jī)x的優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫婭婭，黨瑞榮，韓宏軍，古光明

（1.西安石油大學(xué)，陜西西安 710065；2.勝利油田石油工程技術(shù)研究院，山東東營(yíng) 257000）

在原油開采過(guò)程中，石油和大量的水（高含水條件）同時(shí)生產(chǎn)的情況經(jīng)常遇到，而傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法則是在表面處理大量產(chǎn)生的水[1]，由于含水率高，水是連續(xù)介質(zhì)，油則以油滴或液滴的形式存在，這對(duì)含水率的在線測(cè)量加大了難度。而準(zhǔn)確的原油含水率數(shù)據(jù)能夠反映出油井的工作狀態(tài)，可以準(zhǔn)確的確定油井出水情況，估計(jì)原油產(chǎn)量，預(yù)測(cè)油井的開發(fā)壽命[2]，提高生產(chǎn)效率以及產(chǎn)量。為了能夠及時(shí)了解和掌握生產(chǎn)狀況，以便采取相關(guān)措施[3]，含水率的測(cè)量變得至關(guān)重要。

在含水率較低時(shí)，常用的含水率測(cè)量方法有測(cè)重法、電導(dǎo)率法、微波法等[4]；在含水率較高時(shí)，采用的含水分析儀主要為低能源法和短波吸收法[5，6]。射頻法根據(jù)水和油的介電常數(shù)的不同，可以間接的準(zhǔn)確測(cè)量出0%～100%的含水率。而本設(shè)計(jì)在對(duì)射頻原油含水率測(cè)量理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)行原油含水率測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定出只適用于射頻法測(cè)量原油含水率的最佳工作頻率，為30 MHz～35 MHz；并通過(guò)實(shí)際含水率與測(cè)量結(jié)果相比較，加上大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析計(jì)算，總結(jié)出測(cè)量結(jié)果與含水率之間的變化規(guī)律，最終實(shí)現(xiàn)了原油含水率的在線測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)到1.05%，為射頻法原油含水率測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步深入研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 測(cè)量原理

基于電磁波的傳播理論，因?yàn)橛秃退鶠閷?dǎo)電媒質(zhì)，所以根據(jù)電磁波在導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播特性，其麥克斯韋方程組為：

其中：-磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；-電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；εc-媒質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)；μ-磁導(dǎo)率-虛數(shù)單位[7]；ω-角頻率，rad/s；σ-電導(dǎo)率，S/m。考慮本構(gòu)關(guān)系后對(duì)上述方程組求解可得到導(dǎo)電媒質(zhì)中的赫姆霍茲方程：

由上式經(jīng)過(guò)一系列的運(yùn)算可推導(dǎo)出幅度衰減常數(shù)α和相位常數(shù)β分別如下：

其中：α-幅度衰減常數(shù)，N/m；β-相位常數(shù)，rad/m?？梢?jiàn)，α和β不僅與煤質(zhì)參數(shù)ε、μ、σ有關(guān)，還與波的頻率有復(fù)雜性的關(guān)系[8]，所以在本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)頻率的確定起著至關(guān)重要的作用。

由以上推論可知電磁波在不同的介電常數(shù)的混合介質(zhì)中的傳播特性不同。而在原油的開采過(guò)程中，產(chǎn)出液的主要成分是油和水，油的介電常數(shù)約為2.3，而水的介電常數(shù)為80[9]，它們的差異較大，若將其按不同比例混合，則混合后的相對(duì)介電常數(shù)也會(huì)隨之變化，測(cè)量結(jié)果也會(huì)有所不同，而且這種變化與含水率的大小有關(guān)，由于電磁信號(hào)對(duì)不同介電常數(shù)的響應(yīng)特性不同，因而根據(jù)電磁響應(yīng)特性就可確定混合介質(zhì)中的油水關(guān)系。更重要的是：當(dāng)天線結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路確定后，頻率的選取直接影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文在三線結(jié)構(gòu)和電路優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量測(cè)試和分析，優(yōu)選了測(cè)量頻率，對(duì)不同比例的油水混合流體的含水率進(jìn)行了測(cè)量，得到了委骯的測(cè)量精度，其最大相對(duì)誤差為1.05%。

2 測(cè)量系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要框架由四部分組成（見(jiàn)圖1），分別為：信號(hào)發(fā)射部分、數(shù)據(jù)接收部分、顯示部分和存儲(chǔ)部分。首先由主控芯片STM32f103zet6控制射頻發(fā)射器DDS芯片AD9851作為信號(hào)源，為系統(tǒng)提供所需激勵(lì)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器及功率放大器將信號(hào)放大，然后將信號(hào)傳輸?shù)桨l(fā)射天線，當(dāng)射頻信號(hào)經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射到被測(cè)介質(zhì)（一般為油水混合液）中，接收天線就會(huì)接收到經(jīng)過(guò)被測(cè)介質(zhì)之后的測(cè)量信號(hào)，由于接收信號(hào)將會(huì)隨著被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)的不同所產(chǎn)生的信號(hào)不同，所以將這種微小的差異經(jīng)過(guò)放大、檢波，然后通過(guò)AD采樣將信號(hào)送入控制系統(tǒng)中，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理及計(jì)算，得到最終測(cè)量結(jié)果，并將其通過(guò)顯示器和存儲(chǔ)器進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，最終得到油水混合介質(zhì)中的油水的不同比例。然后通過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)及改進(jìn)，計(jì)算可得出不同比例的油、水混合物所對(duì)應(yīng)的關(guān)系表達(dá)式，從而達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及精確度。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 測(cè)量結(jié)果

綜上所述設(shè)此系統(tǒng)的線性關(guān)系式為：

其中y表示含水率的百分比，x為系統(tǒng)所測(cè)得的接收天線上的AD采樣值；本實(shí)驗(yàn)可通過(guò)對(duì)不同比例的油水混合介質(zhì)的多次采樣測(cè)量，利用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，可以得到上述關(guān)系式的常數(shù)項(xiàng)系數(shù)值，而系統(tǒng)計(jì)算過(guò)程主要由主控芯片STM32完成，再通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理，最終顯示含水率的百分比，具體測(cè)量數(shù)據(jù)（見(jiàn)表 1）。

3.1 系統(tǒng)頻率的確定

在不同的頻率條件下，分別測(cè)得接收天線在空氣中和水中所接收到的電壓值，然后將其做差，通過(guò)比較不同頻率下的水和空氣中的差值，可以明顯看到，頻率在31 MHz時(shí)其差值最大；可知在頻率為31 MHz的情況下，系統(tǒng)工作效率達(dá)到最佳，所以本實(shí)驗(yàn)最終選取31 MHz作為系統(tǒng)頻率（見(jiàn)圖2）。

3.2 相關(guān)參數(shù)的確定

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中配制了不同比例的油水混合液進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果（見(jiàn)表2），可以看出在不同比例的油水混合液中所測(cè)得的幾組測(cè)量值具有巨大的差異，而且其變化趨勢(shì)呈線性關(guān)系（見(jiàn)圖3）。經(jīng)過(guò)多次重復(fù)測(cè)量，將這些所測(cè)得的數(shù)據(jù)根據(jù)理論知識(shí)進(jìn)行線性擬合，最終通過(guò)Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得出式（7）中的常數(shù)項(xiàng)系數(shù)值如下：k1=-0.141 8，k2=7.057 1，k3=130.318 3，k4=-15.267 3，k5=78.6543，b=916.440 7。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)不斷地測(cè)量及對(duì)數(shù)據(jù)的處理和標(biāo)定，所設(shè)計(jì)的射頻含水率測(cè)量?jī)x為后續(xù)的原油含水率的測(cè)量帶來(lái)了方便，提高了產(chǎn)量，也為更精確、更穩(wěn)定的測(cè)得原油含水率提供了基礎(chǔ)途徑，比起其他方式的原油含水測(cè)量?jī)x，具有測(cè)量速度快、功能強(qiáng)、易操作等優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)在以后的測(cè)量過(guò)程中，也為大家節(jié)約了時(shí)間，在使用射頻法測(cè)量原油含水率時(shí)無(wú)需再找最適合此方法的頻率值。同時(shí)本測(cè)量?jī)x具有較強(qiáng)的推廣能力和廣泛的應(yīng)用前景。目前本設(shè)計(jì)已在油田生產(chǎn)中投入使用。

表1 系統(tǒng)最佳頻率的確定

圖2 頻率的確定

表2 實(shí)際含水率與測(cè)量值的關(guān)系

圖3 含水率實(shí)際值與測(cè)量值的關(guān)系分布圖

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