NaCl在不同溫度下對微波法含水儀檢測誤差影響的試驗(yàn)研究

董鵬敏，葉子浩，徐新宇，田 航，王 鵬

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

現(xiàn)在國內(nèi)很多油田進(jìn)入到了高含水的時(shí)期，準(zhǔn)確測量高含水原油的含水率顯得尤為重要[1]。目前對于高含水原油的含水率的檢測方法比較多，比較常見的有射頻法、電脫法、射線法等[2]。運(yùn)用這些方法的時(shí)候易受油水狀態(tài)影響。微波法是非接觸式的一種測量方法，穿透能力很強(qiáng)，可以解決現(xiàn)在油田高含水的問題[3-4]，但是有一個(gè)比較明顯的缺點(diǎn)就是我們在檢測原油時(shí)里面的礦化度會對它造成影響。文章主要是研究在單組份的情況下，分析礦化度對微波傳感器的影響[5]，近年來，經(jīng)過學(xué)習(xí)搜索，我們發(fā)現(xiàn)最小二乘支持向量機(jī)優(yōu)化參數(shù)等方面有著很大優(yōu)勢，相對于模型在復(fù)雜程度和學(xué)習(xí)兩者尋求一個(gè)完美的平衡點(diǎn)[6]。

1 微波法含水儀在線檢測的基本原理

微波法原油含水率檢測傳感器的工作原理是微波在不同介電常數(shù)的情況下它的相移不同，可以根據(jù)油水介質(zhì)中相移大小來檢測混合液中水的量。高含水原油由較多碳?xì)浠衔锝M合成的。水的介電常數(shù)是80，高含水原油由于介質(zhì)較多，所以介電常數(shù)會在2～3，它們之間相差比較大。高含水原油可以近似看成是純油、純水兩種的混合。由于介質(zhì)不同，微波的傳播相速也是不一樣的。微波在水中傳播的時(shí)候，則能引起微波的變化。根據(jù)原理，可將需要的振幅以及信號加在微波傳感器的探頭上，根據(jù)微波的相位差別能得到真實(shí)的含水率[7]。

2 影響微波法含水儀在線檢測精度的因素

高含水原油微波傳感器和其他的電容、電阻等傳感器檢測含水率的時(shí)候比較有利，但是在礦化度、溫度、氣體等因素的影響下精度會受到影響。礦化度含量越高，高含水原油微波傳感器對檢測結(jié)果引起的誤差也越大[8-9]。另外一個(gè)非常重要的因素就是溫度的影響，所以研究溫度對油水混合物介電常數(shù)的影響規(guī)律和溫度引起微波傳感器所測含水率變化的原因[10-11]。

NaCl在不同溫度下對微波法含水儀檢測精度影響的實(shí)驗(yàn)研究。

1）儀器與材料

儀器：500mL的燒杯；玻璃溫度計(jì)；攪拌棒；膠頭滴管；電子天平；微波法的含水儀；恒溫水浴鍋。

材料：OP-10乳化劑；基礎(chǔ)油若干；水。

2）實(shí)驗(yàn)步驟

高含水原油的含水率在50%～90%，特高含水原油的含水率在90%～100%。在溫度20℃～80℃梯度為20℃的條件下，將基礎(chǔ)油和水混合在一起，梯度為5%（500mg/kg），讓含水率從50%到100%變化，分別往每組油水混合溶液中加入NaCl含量從0mg/kg到10500mg/kg，分別記錄傳感器數(shù)值。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

① 分別在溫度20℃、40℃、60℃、80℃情況下，含水率從50%到100%，以5%為梯度配置10組不同含水率的基礎(chǔ)混合液，同時(shí)加入乳化劑，用玻璃棒攪拌以保證油和水混合均勻，將燒杯標(biāo)號為1-10組；

②將每組配有一定比例的混合溶液的燒杯放入恒溫水浴鍋中，將溫度調(diào)整至下一試驗(yàn)溫度，我們等到溫度穩(wěn)定后，將溶液倒入微波含水率傳感器中測量，讀取數(shù)據(jù)并做記錄；

③將讀取示數(shù)后的溶液重新倒入燒杯中，加入NaCl質(zhì)量500mg/kg，用攪拌棒攪拌均勻后，將溶液倒入傳感器中，讀取數(shù)據(jù)；

④重復(fù)上述步驟，500mg/kg為梯度，直到鹽含量達(dá)到10500mg/kg，讀取數(shù)據(jù)總共21組，然后在溫度為40℃、60℃、80℃重復(fù)上實(shí)驗(yàn)，總共得到840組數(shù)據(jù)。

3）結(jié)果分析

NaCl含量對測量含水率的準(zhǔn)確值有一個(gè)比較大的影響，隨著NaCl含量的增加，含水率的值也會隨之遞增。測量值和實(shí)際值有較大的差別，所以需要對測量的結(jié)果作進(jìn)一步的校正試驗(yàn)。

3 基于PSO改進(jìn)LS-SVM方法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析校正建模研究

礦化度對微波法含水儀檢測精度的誤差影響比較復(fù)雜，所以需要對其進(jìn)行誤差的校正分析。在現(xiàn)有的方法中[12-13]，支持向量機(jī) (sup-port vector machine，SVM)技術(shù)在處理數(shù)據(jù)誤差學(xué)習(xí)方面表現(xiàn)比較好，可以快速的找到樣本里面最優(yōu)的解[14]。

LS-SVM基于數(shù)學(xué)方法和優(yōu)化理論，它的基本原理就是給定了一組相對應(yīng)的訓(xùn)練樣本組數(shù)：S={(xi，yi)}，i=1,2……l，其中 xi∈Rd為 LS-SVM 的輸入數(shù)據(jù)，yi∈R為輸出數(shù)據(jù)，i為訓(xùn)練樣本的基本個(gè)數(shù)。把在d維空間中的線性回歸函數(shù)設(shè)為：

式中：ω為權(quán)向量；b為偏差量。

根據(jù)最優(yōu)化理論，設(shè)LS-SVM的優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為：

式中：ei為誤差變量，e∈Rl×1為誤差向量；c則為正則化的參數(shù)，可以起到控制誤差懲罰程度，為了能達(dá)到最優(yōu)化，選擇Gaussian型RBF核函數(shù)為誤差校正核函數(shù)，即

利用SVM對微波法原油函數(shù)率傳感器的檢測結(jié)果進(jìn)行校正，根據(jù)完成試驗(yàn)的數(shù)據(jù)中，隨機(jī)抽取若干樣本點(diǎn)，同時(shí)也是學(xué)習(xí)樣本作為SVM的原油高含水在線檢測的樣本。

4 基于PSO搜索LS-SVM的最優(yōu)參數(shù)解

假設(shè)在一個(gè)d維的搜索空間中，以m個(gè)粒子組合成一個(gè)粒子群，第i個(gè)粒子在d維空間中的位置為xi、速度為νi、最后能搜索到的最優(yōu)位置為 pi，定義向量為 xi=(xi1，xi2，…xid)，νi=(νi1，νi2，…νid)，pi=(pi1，pi2，…pid)，i=1,2……m，假設(shè)整個(gè)種群最后搜索得到的最佳位置為pg=(pg1，pg2，…pgd)。

PSO算法粒子的速度與位置更新公式為:

式中：c1c2加速常數(shù),ω為慣性權(quán)重系數(shù)，r1r2為[0，1]內(nèi)的隨機(jī)函數(shù)，k為此時(shí)的優(yōu)化代數(shù)，νkid為k時(shí)粒子i在d維空間中的搜索速度，xidk為k時(shí)粒i在d維空間中的位置。

將全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為的檢測樣本，能夠更好地理解分析SVM數(shù)據(jù)處理過程中誤差對實(shí)驗(yàn)的影響，采用最大誤差和均方誤差作為評價(jià)指標(biāo)。將SVM誤差校正模型前后含水率進(jìn)行對比，如圖1所示。

5 結(jié)論

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究分析，PSO優(yōu)化LSSVM核函數(shù)參數(shù)模型是可行的，根據(jù)對微波法檢測高含水原油含水儀在線檢測誤差進(jìn)行了有效校正，分析對比其他算法，PSO改進(jìn)LS-SVM分析模型預(yù)測的精度相對較高，PSO算法較好地搜索LS-SVM中核函數(shù)參數(shù)的最優(yōu)解，避免了LSSVM參數(shù)選擇的經(jīng)驗(yàn)化和隨機(jī)性，有利于提高含水儀檢測的準(zhǔn)確性，特別是降低了由于溫度、礦化度等原因?qū)Ω吆秃畠x在線檢測精度的誤差影響，極大地提高了含水儀檢測的精度。同時(shí)也為校正高含水原油在線檢測誤差分析提供了參考方法和理論依據(jù)。

圖1 SVM校正前后誤差值對比