油田地面管道含水率測量裝置的研究

戴 陽

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

我國的油田開采普遍進(jìn)入中后期，注水井開發(fā)成為普遍現(xiàn)象，其油井產(chǎn)出液的含水率越來越高[1]。而含水率是油田工業(yè)非常重要的一個(gè)參數(shù)指標(biāo)，對原油成分的分析起著重要作用，對油田分層采集工藝有著指導(dǎo)性意義。原油含水率的在線精確測量是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能完井技術(shù)必不可缺的一環(huán)。原油含水率的在線測量方法主要有射頻法、射線法、微波法、電容法和電導(dǎo)法等[2]。高頻電磁波法是屬于射頻法的一種，其測量范圍寬，響應(yīng)速度快。本文通過改進(jìn)測量裝置及數(shù)據(jù)處理方式，有效降低了測量誤差，提高了含水率測量裝置在油田現(xiàn)場的適用性。

1 高頻電磁波法含水率測量原理

本文利用電磁波在介質(zhì)中傳播的幅度衰減現(xiàn)象，給前端螺旋線圈的一端和調(diào)制解調(diào)電路的參考信號端同時(shí)輸入穩(wěn)定的高頻電磁信號，通過調(diào)制解調(diào)電路模塊分析信號穿過油水介質(zhì)后的幅度變化情況，以區(qū)分不同比例的油水混合液，實(shí)現(xiàn)含水率的測量，測量原理圖如圖1所示。

2 傳統(tǒng)含水率測量裝置的缺陷與改進(jìn)

圖1 含水率測量原理圖

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室含水率測量裝置一般結(jié)構(gòu)簡單，多是采用PVC管搭建一個(gè)小型閉合循環(huán)裝置，將直徑4mm平行銅柱天線水平地置于管道節(jié)點(diǎn)處，設(shè)置進(jìn)、出液口及安裝電機(jī)。管道內(nèi)流體含水率較低時(shí)，由于電機(jī)的攪拌，油水分層現(xiàn)象不明顯，含水率的測量值有一定參考性；當(dāng)含水率較高時(shí)，電機(jī)攪拌效果較差，油水基本分層，射頻天線完全處于水層中，采集的信號基本都是表征水的，對含水率的測量精度將造成很大影響。

為保證室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的有效性，在含水率測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)必須要契合油田現(xiàn)場工況。由于高頻電磁波在良導(dǎo)體中傳播的趨膚效應(yīng)，其信號僅能存在于銅柱天線的表面，導(dǎo)致接收信號往往失真嚴(yán)重，影響整體測量區(qū)分度，本文采用螺旋線圈作為前端傳感器，由銅制導(dǎo)線繞制而成，可以良好地引導(dǎo)電磁波，并垂直安裝在材料、尺寸與油田現(xiàn)場一致的水平鐵管道上，保證采樣信號貫穿整個(gè)管道內(nèi)流體，有效降低管道內(nèi)高含水率時(shí)油水分層帶來的測量誤差。

3 含水率測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及數(shù)據(jù)處理方式改進(jìn)

3.1 含水率測量結(jié)果分析

表1為含水率測量裝置改進(jìn)前后對采集信號幅度解調(diào)的結(jié)果。圖2為含水率測量裝置改進(jìn)前后的測量曲線圖。圖2中虛線部分是傳統(tǒng)測量裝置的測量結(jié)果，實(shí)線部分是改進(jìn)裝置后的測量結(jié)果。

從圖2看出，改進(jìn)后的測量裝置在整體測量區(qū)分度上優(yōu)于傳統(tǒng)裝置，傳統(tǒng)裝置的油水幅度測量電壓區(qū)間為0.63V，而改進(jìn)裝置為0.84V。改進(jìn)裝置在高含水率區(qū)段的測量靈敏度更高，整體測量曲線呈單調(diào)遞減狀，而傳統(tǒng)裝置在含水率80%到100%的區(qū)間內(nèi)測量電壓變化極小，甚至出現(xiàn)測量“拐點(diǎn)”，導(dǎo)致幅度電壓一值對應(yīng)多點(diǎn)的含水率，無法滿足高含水率的測量需求。

表1 含水率與采集信號解調(diào)的幅度數(shù)據(jù)表

圖2 測量系統(tǒng)改進(jìn)前后測量特性曲線

3.2 含水率測量數(shù)據(jù)處理

對于圖2實(shí)線部分，也就是改進(jìn)裝置的測量曲線進(jìn)行處理，傳統(tǒng)做法是將其用matlab工具直接擬合成一條含水率w與測量信號幅度V的多項(xiàng)式表達(dá)式：

式（1） 中多項(xiàng)式階數(shù)較高，表達(dá)式復(fù)雜，測量電壓的微小波動(dòng)會導(dǎo)致很大的測量誤差，表2為第二次實(shí)驗(yàn)的測量電壓代入式（1） 后計(jì)算出的含水率。

表2 第二次實(shí)驗(yàn)擬合含水率計(jì)算值與誤差表

從表2中可以看出，二次實(shí)驗(yàn)的測量電壓值與初始測量值差異極小，說明改進(jìn)后的測量裝置穩(wěn)定，測量結(jié)果參考價(jià)值較大。因?yàn)槊看螠y量會有幾毫伏到十幾毫伏的電壓波動(dòng)，這些微小變化代入式（1）的高階多項(xiàng)式后會使含水率計(jì)算值誤差增大，表2中即有兩個(gè)點(diǎn)的含水率測量誤差超過5%，這種擬合處理方式顯然并不理想。

本文采用分段線性插值法[3]處理測量信號的電壓，對于含水率測量精度有著很大的提高。其原理是利用一段曲線上已知的兩點(diǎn)（x0，y0）和（x1，y1），根據(jù)相似三角形原理，在得到橫坐標(biāo)x值的情況下計(jì)算對應(yīng)y的值。設(shè)相似比例為，則，

根據(jù)圖2和表1中的改進(jìn)裝置測量數(shù)據(jù)，每隔10%，分成10段插值區(qū)間，擬合出每一段的含水率-電壓計(jì)算公式，最后的測量結(jié)果（第三次測量）及含水率誤差如表3所示。

表3 第三次實(shí)驗(yàn)分段線性插值擬合含水率計(jì)算值與誤差表

從表3中看出，分段線性插值法計(jì)算含水率的值與實(shí)際值相差較小，以此作為測量裝置的數(shù)據(jù)處理方式可以有效地提高測量精度，綜合測量誤差在3%以內(nèi)，滿足油田現(xiàn)場測量需求。

4 結(jié)語

本文分析了高頻電磁波法測量含水率的原理，從傳統(tǒng)含水率測量裝置所存在的問題出發(fā)，改進(jìn)了前端射頻天線的結(jié)構(gòu)及測量裝置的設(shè)計(jì)安裝方式，實(shí)現(xiàn)了全區(qū)段高靈敏度、高精度的含水率測量，并通過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)后測量裝置的有效性、適用性，為油田地面管道含水率的測量提供了一種可靠裝置。