射頻法原油含水率測量儀的優(yōu)化設(shè)計

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 257000）

在原油開采過程中，石油和大量的水（高含水條件）同時生產(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，這對含水率的在線測量加大了難度。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，估計原油產(chǎn)量，預(yù)測油井的開發(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]，含水率的測量變得至關(guān)重要。

在含水率較低時，常用的含水率測量方法有測重法、電導(dǎo)率法、微波法等[4]；在含水率較高時，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)確測量出0%～100%的含水率。而本設(shè)計在對射頻原油含水率測量理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)行原油含水率測量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，確定出只適用于射頻法測量原油含水率的最佳工作頻率，為30 MHz～35 MHz；并通過實際含水率與測量結(jié)果相比較，加上大量的實驗數(shù)據(jù)及分析計算，總結(jié)出測量結(jié)果與含水率之間的變化規(guī)律，最終實現(xiàn)了原油含水率的在線測量，測量精度可達(dá)到1.05%，為射頻法原油含水率測量技術(shù)的進(jìn)一步深入研究打下堅實基礎(chǔ)。

1 測量原理

基于電磁波的傳播理論，因為油和水均為導(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：-磁場強(qiáng)度，A/m；-電場強(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)過一系列的運算可推導(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。可見，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，則混合后的相對介電常數(shù)也會隨之變化，測量結(jié)果也會有所不同，而且這種變化與含水率的大小有關(guān)，由于電磁信號對不同介電常數(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)和測量電路確定后，頻率的選取直接影響到測量結(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，通過大量測試和分析，優(yōu)選了測量頻率，對不同比例的油水混合流體的含水率進(jìn)行了測量，得到了委骯的測量精度，其最大相對誤差為1.05%。

2 測量系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要框架由四部分組成（見圖1），分別為：信號發(fā)射部分、數(shù)據(jù)接收部分、顯示部分和存儲部分。首先由主控芯片STM32f103zet6控制射頻發(fā)射器DDS芯片AD9851作為信號源，為系統(tǒng)提供所需激勵，再經(jīng)過信號放大器及功率放大器將信號放大，然后將信號傳輸?shù)桨l(fā)射天線，當(dāng)射頻信號經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射到被測介質(zhì)（一般為油水混合液）中，接收天線就會接收到經(jīng)過被測介質(zhì)之后的測量信號，由于接收信號將會隨著被測介質(zhì)的介電常數(shù)的不同所產(chǎn)生的信號不同，所以將這種微小的差異經(jīng)過放大、檢波，然后通過AD采樣將信號送入控制系統(tǒng)中，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理及計算，得到最終測量結(jié)果，并將其通過顯示器和存儲器進(jìn)行顯示和存儲，最終得到油水混合介質(zhì)中的油水的不同比例。然后通過多次重復(fù)實驗，將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗及改進(jìn)，計算可得出不同比例的油、水混合物所對應(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)所測得的接收天線上的AD采樣值；本實驗可通過對不同比例的油水混合介質(zhì)的多次采樣測量，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)項系數(shù)值，而系統(tǒng)計算過程主要由主控芯片STM32完成，再通過一系列的數(shù)據(jù)處理，最終顯示含水率的百分比，具體測量數(shù)據(jù)（見表 1）。

3.1 系統(tǒng)頻率的確定

在不同的頻率條件下，分別測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，所以本實驗最終選取31 MHz作為系統(tǒng)頻率（見圖2）。

3.2 相關(guān)參數(shù)的確定

在實驗過程中配制了不同比例的油水混合液進(jìn)行測量，測量結(jié)果（見表2），可以看出在不同比例的油水混合液中所測得的幾組測量值具有巨大的差異，而且其變化趨勢呈線性關(guān)系（見圖3）。經(jīng)過多次重復(fù)測量，將這些所測得的數(shù)據(jù)根據(jù)理論知識進(jìn)行線性擬合，最終通過Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得出式（7）中的常數(shù)項系數(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

經(jīng)過不斷地測量及對數(shù)據(jù)的處理和標(biāo)定，所設(shè)計的射頻含水率測量儀為后續(xù)的原油含水率的測量帶來了方便，提高了產(chǎn)量，也為更精確、更穩(wěn)定的測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量儀，具有測量速度快、功能強(qiáng)、易操作等優(yōu)勢。本設(shè)計在以后的測量過程中，也為大家節(jié)約了時間，在使用射頻法測量原油含水率時無需再找最適合此方法的頻率值。同時本測量儀具有較強(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 實際含水率與測量值的關(guān)系

圖3 含水率實際值與測量值的關(guān)系分布圖

參考文獻(xiàn)：

[1]M.J.van der Zande，P.H.Janssen，W.M.G.T.van den Broek.Size of Oil Droplets Under High-Water-Cut Conditions[D].Oklahoma City，Society of Petroileum Engineers，2001.

[2]于海斌，曾鵬，梁斡.智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[3]陳平.鉆井與完井工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2005.

[4]王國慶，張健.原油含水分析儀技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].油氣田地面工程，2004，23（5）：33.

[5]GardnerCMK，DeanTJ，CooperJD.Soil water content measurement with a high frequency capacitance sensr[J].JournalofAgriculturalEngineering Research，1998，71（4）：395-403.

[6]Gaskin GJ，MillerJD.Measurement of soil water content using as implified impedance measuring technique [J].Journal of Agri-cultural Engineering Research，1996，63（2）：153-159.

[7]邱關(guān)源.電路[M].北京：高等教育出版社，1999：173.

[8]楊顯清，趙家升，王園.電磁場與電磁波[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006：64-66.

[9]黃正華.油水混合介質(zhì)相對介電常數(shù)的研究[J].油氣田地面工程，2000，19（2）：8-16.