油水兩相螺旋流狀態下射頻法測量原油含水率的方法

張振遠 張興凱 王文雄 古永紅 廖銳全

1.長江大學石油工程學院 2.長江大學-中石油多相管流重點實驗室 3.長慶油田分公司油氣工藝研究院 4.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室

原油含水率作為一項基礎生產數據，在采油工程、儲運工程、石油化工中都具有重要的作用。含水率的精確數值直接影響到油田生產的多個方面，如試井生產管理、原油運輸管道、多相流測量、原油分析系統等[1]，是制訂合理的開采方案和提高開發管理水平的重要依據。此外，對原油含水率實時測量，也是實現油田數字化和智能化管理的必然要求。原油含水率的計量屬于多相流計量的技術范疇。對于多相流體，由于輕質相與重質相流體的物理性質差異，導致復雜的混合流體相間滑脫特性及界面效應，即體積分相含率與流量分相含率并不相等，難以準確測量其流動參數，這些問題也決定了含水率是個“難測量”的數據。

現階段的原油含水率測量主要分為離線測量法和在線測量法。離線測量法常用的方法主要有蒸餾法、卡爾費休法和電脫法。離線測量方法隨機性大、取樣不及時、連續性差、勞動強度大[2]。油田生產過程中自動化程度不斷提高，需要與之相匹配的自動化測量儀表，而含水率直接影響到油井的產能、開發方式，實時準確的數值能使油井更高效地開發，為設計合理的開采方案提供重要依據，因此在線測量方法將成為一種趨勢。目前，國內外原油含水率在線測量法常用的方法包括:密度法、電導法、電容法、射頻法、微波法、射線法等[3-5]。這些方法各有優缺點：電導法易受油水分布的影響[6-7]；微波法受壓力、溫度的影響[8-9]；射線法成本較高且污染環境[10-11]；電容法因與原油直接接觸容易結垢[11]；密度法受氣體和砂質因素的影響[10-11]。

對于本研究所使用的射頻法，Heron Eduardo de Limavila等提出一種將金屬諧振腔管道置于高頻(150～300 MHz)射頻場中，通過建立阻抗匹配網絡放大信號衰減，反射損耗隨含水率的變化而變化[12]。此方法在高含水率時具有較好的測量效果，含水率較低時則會受混合物分布不均勻、含水過低等的影響，造成誤差明顯增加。Muhammad Akram Karimi等提出的高頻(90～190 MHz)動態含水率測量儀，在垂直和水平方向都有較好的性能，對含水率變化體現出較大的偏移特性[13]，但是該儀器不能直接用于金屬管道，需使用聚醚醚酮(PEEK)、玻璃纖維等耐高溫耐高壓材料制成的非金屬管道，這些材料在國內尚未得到廣泛應用，且無金屬罩屏蔽的射頻信號接收器易受外界電磁波干擾[14]。C.S.Oon等論證了電磁波柱形空腔傳感器檢測兩相流含水率的可行性，分析表明含水率的變化與損耗后電磁波的振幅呈線性關系，波峰不隨溫度變化而產生位移，由此證明水的溫度不會對射頻法測量含水率造成影響[15]。

本研究使用射頻法對旋流狀態下的油樣進行檢測，油水兩相流經過旋流之后消除了混合物不均勻分布的影響，產生的油水分層有利于圓柱形電容的區分和計算，使測量結果更加精確。且將天線置于管道內部，外側覆有防腐蝕塑料外殼，與油品非接觸測量，不會因腐蝕造成天線的損壞和影響測量結果的問題。外側管壁均為金屬材質，消除了外界電磁干擾。通過實驗的模擬和研究，達到了預期的效果。

1 測量裝置結構

油水兩相螺旋流狀態下射頻法含水率測量結構模型如圖1所示。鋼制套管一端與旋流器水平連接，另一端與垂直導管相連接。套管的直徑為25.4 mm，左接旋流器，根據所需性能選取不同規格的旋流器。套管上部設置有射頻信號處理模塊和通信電線保護罩，通信電線保護罩通過內部電線對射頻信號處理模塊供電及信號傳輸，射頻信號處理模塊的具體尺寸根據選取的通信模塊來決定。其中,射頻天線從鋼制套管右側的螺紋口旋入，通過固定器固定在套管的軸心處。射頻天線全長210 mm，由外到內的結構為聚四氟乙烯天線保護罩、鍍銀銅芯，射頻天線的一端設有外螺紋基座，用于給射頻天線供電及外接射頻信號源。

待測油品從左側經過如圖1的旋流器后進入套管，套管內部設置有與射頻信號處理模塊連接的射頻天線，射頻天線通過發射經過調制的固定頻率電磁波穿透待測介質，套管外部設置有射頻信號處理模塊，接收射頻信號并將其轉換為電壓水平信號，再經過AD采樣后輸出至單片機，經處理后得到數據結果。

射頻信號處理模塊包括嵌入式單片機、信號源發生器、信號放大器、數據檢測模塊和數據采集卡，如圖2、圖3所示。射頻信號處理模塊由嵌入式單片機STM32F407作為核心，搭載信號源模組AD9851作為信號源發生器，通過AD8310信號放大器進行信號對數放大，給射頻天線提供0～70 MHz的輸出頻率。同時，在接收器電路中添加信號放大器和數據采集卡，作用是檢測射頻傳出信號的數據并輸出直流電壓，并記錄數據。

2 測量原理

油水兩相螺旋流狀態下射頻法含水率測量原理示意圖如圖4所示。圖4中的正中心圓為射頻天線，天線外側由油層包裹，油層外界面與管內壁之間為純水層。

如圖4所示，將射頻天線外界面至油水界面、油水界面至管道內壁，視為兩個不同的圓筒式電容。

含水率、管道整體液體截面面積、環狀油截面面積的計算式如下：

(1)

S液=πR2-S天=π(R2-r2)

(2)

S油=S液-S水=(1-D)S液

(3)

式中：D為含水率，%；S液為管道整體液體截面面積，m2；S油為環狀油截面面積,m3;S水為環狀水截面面積，m3；S天為天線截面面積，m3；V水為管內純水體積，m3；V液為管內所有液體體積，m3；l管為測量儀管道長度，m。

根據圓環面積計算方法可得：

(4)

根據式(2)～式(4)可得：

(5)

根據圓筒電容計算公式可得：

(6)

(7)

式中：C天線-油為天線與油水分界面之間的電容，F；C油-水為油水分界面與管道內壁之間的電容，F；L天為天線長度，m；ε0為真空介電常量，取近似值為8.854 187 817×10-12F/m；ε油為油的介電常量，F/m；ε水為水的介電常量，F/m。

兩電容內外結合，可視為串聯電容，總電容計算如式(8)：

(8)

當射頻信號穿透該介質時，總系統阻抗為：

(9)

式中：C為總電容，F；Z為總系統阻抗，Ω；R接為接收傳感器等效電阻，Ω；f為射頻天線發射頻率，MHz；J為虛數因子。

當系統阻抗確定時，接收器中的電流為：

(10)

式中：I為接收器中的電流，A；U為整體電壓，V。

添加測量電阻后，測量電阻兩端的電壓為：

U測=IR測

(11)

式中：U測為測量電阻兩端電壓，V；R測為測量電阻，Ω。

由于含水率不同，經旋流后油水分層，油截面半徑發生改變，從而導致兩部分圓筒式電容改變，總電容改變，因此接收器中的系統電流發生變化。由于射頻天線的頻率、長度均為常數，射頻發生器和接收器電壓固定，從式(10)、式(11)得出測量電阻兩端的電壓與使用油品含水率存在線性關系。通過AD采樣標定調整系數，得出含水率與測量電壓的關系。

3 實驗方法

3.1 射頻天線頻率確定

本測量系統是根據油水混合物使固定頻率下電磁波發生的衰減程度來確定的，因此天線的頻率選擇十分重要。極性分子(純水)在射頻狀態下產生馳豫現象，在馳豫頻率范圍內，介質對電磁波損耗最大，據此來確定最佳的測量油水混合物含水率的工作頻率。

具體頻率選擇需建立測量系統，通過對純油和純水施加不同頻率的射頻信號，觀察傳感器的電壓變化，從而確定適用的頻率。利用射頻模擬信號發生器設定不同頻率來對天線進行激勵，在不同射頻條件下測量純油、純水中所接受到的電壓峰值并作差(見表1)。

表1 測量系統頻率確定頻率/MHz水中電壓/mV油中電壓/mV電壓差值/mV252282764827264284-2029224264-403130424460353282181103732815217639384136248415121183944375212063245672156516476402124284953626027651400234166

油水混合物的介電常數與純油純水在當前頻率下的介電常數有關，只有當兩者介電常數均為最大值時才能使測量數據較易觀察。不同頻率下純油和純水的介電常數見表2[16]。

表2 不同頻率下純油、純水介電常數頻率/MHz純油介電常數純水介電常數102.3281.56202.2881.35302.2580.97402.3181.70502.3781.30602.3378.56702.2375.84802.0973.34

從表1與表2可以看出，在40～50 MHz頻段時，純油、純水的電壓差值區分最大，介電常數均為最大，因此系統天線頻率折中確定為45 MHz。

3.2 靜態實驗方法

如圖5所示，利用同心放置的塑料筒狀物來模擬油管內部旋流狀態下的油水兩相流，其內部為裝滿油的塑料筒，外側為裝滿水的金屬材質筒狀物。內側塑料筒對射頻信號的損耗可忽略不計，而外側利用金屬的屏蔽性降低外界輻射對射頻信號的影響，從而達到模擬實際環境的效果。通過更換不同直徑的內側塑料筒，使截面的油水比例產生變化，從而模擬含水率的對應變化，使用測量儀進行測量以對靜態油品的含水率進行標定。

具體操作步驟如下:

(1) 將測量儀的射頻發射天線端放入內側塑料筒中，且天線振子部分完全浸沒于油中。

(2) 射頻天線在信號發生器和放大器作用下產生45 MHz的射頻信號，作用在模擬旋流狀態下的兩相流上。

(3) 信號處理模塊中的接收傳感器獲取衰減后的射頻信號并產生相應電壓。

(4) 使用不同內徑的塑料筒裝滿純油進行重復試驗，將測量的電壓值與已知原油含水率建立對應關系，擬合出含水率預測曲線。

(5) 將得到的擬合曲線編入控制器源程序中，使測量的含水率通過程序實時顯示。

3.3 動態實驗裝置與方法

油水兩相流含水率測量實驗在長江大學-中石油多相管流重點實驗室進行，系統流程如圖6所示。實驗段包括水平實驗段和垂直實驗段。實驗過程中的油相流量通過美國艾默生Micro Motion科里奧利力質量流量計進行測量，水相流量通過日本Yokogawa 公司的AE-115MG型電磁流量計進行測量。根據流量范圍不同，油水兩路各設計了兩種不同尺寸規格的管道。壓差通過日本Yokogawa 公司的EJA110A壓差傳感器進行測量。實驗數據利用美國NI公司生產的6225E高速數據采集卡進行采集和處理，采樣頻率可達200 kHz。

4 實驗結果與分析

4.1 靜態標定

如前文所述，本次實驗使用了不同含水率的油品進行多次測量，不同的油核與水環截面積比得到不同的含水率樣品。對每個油品進行4次測量取平均值，所得含水率與電壓關系見表3。

表3 靜態標定測量結果含水率/%電壓/V第1次第2次第3次第4次平均值01.01 0.97 1.02 0.98 1.00 101.18 1.21 1.23 1.20 1.21 201.50 1.48 1.49 1.50 1.49 301.74 1.74 1.70 1.72 1.72 401.96 1.89 1.88 1.87 1.90 502.15 2.18 2.17 2.19 2.17 602.34 2.34 2.36 2.38 2.36 702.62 2.62 2.64 2.64 2.63 802.83 2.84 2.83 2.86 2.84 903.04 3.08 3.12 3.03 3.07 1003.33 3.30 3.29 3.32 3.31

由C.S.Oon等的論證可知，含水率的變化率與電磁波損耗后的振幅呈線性關系[15]，且根據前述推導，電磁波的振幅與被測電阻兩端電壓的變化呈正相關，因此設定此系統的線性關系式為：

D=b+B1·x

(12)

式中：D為含水率，%；x表示所測電壓值，V；b和B1為多項式方程常數。

利用軟件Origin進行數據擬合，從而得出式(12)中的各常數項(見表4)。

表4 五階多項式數據擬合方程次數bB1D=b+B1·x第1次1.000 80±0.032 300.016 49±0.007 83第2次0.966 45±0.032 090.026 13±0.007 78第3次1.020 53±0.028 020.021 71±0.006 79第4次0.966 32±0.042 490.030 94±0.010 30

使用調整后擬合程度最高一組數據作為參考，得到數據擬合曲線如圖7所示。最終整理所得多項式方程常數為b=1.020 53，B1=0.021 71。將擬合好的方程輸入信號處理模塊，即可通過含水率測量儀進行實時測量。

4.2 動態測量

由于垂直管中油水兩相存在滑脫效應，對測量會產生較大誤差，因此動態測量均在水平管中完成。實驗時打開電源，開啟油泵和水泵，通過兩路的主閥和旁路調節閥將油水兩路流量調至所需值。待油路渦輪流量計和水路電磁流量計示數穩定，并且管路內兩相流體流動也達到穩定時，應用數據采集系統對各個傳感器輸出的電壓信號進行記錄。

將采集到的電壓信號通過式(12)換算得出含水率，與入口油和水的流量比值進行比較并進行誤差分析，分析結果見表5。

表5 油水兩相流含水率測量總流量/ (m3·h-1)油流量/(m3·h-1)水流量/(m3·h-1)流量計算含水率/%測量截面含水率/%測量誤差(絕對值)/%1.100.320.7870.9194.2023.291.190.420.7764.7182.3017.591.260.151.1188.1095.507.401.330.241.0981.9584.002.051.430.740.6948.2571.1022.851.440.271.1781.2590.208.951.470.750.7248.9870.9021.921.480.680.854.0576.7022.651.500.501.0066.6791.8025.131.560.511.0567.3184.3016.991.560.441.1271.7987.4015.611.790.771.0256.9877.7020.721.790.771.0256.9877.7020.721.810.820.9954.7078.5023.801.880.900.9852.1376.1023.972.181.230.9543.5868.0024.42

從表5可以看出，儀器測量的動態含水率與實際入口油和水流量的比值所計算得出的含水率存在較大誤差，這是由于截面動態含水率并不等于真實油水混合物的含水率。按定義，混合流體的真實含水率為：

(13)

式中:ψ為油水兩相流的真實含水率，%；Q為兩相流通過某一截面的總流量，m3/h；Q1為水相流體的體積流量，m3/h。

如圖8所示，兩相流在運動時，由于油和水的密度、黏度以及表面張力等性質的不同，水相和油相之間存在滑移速度。因此，水相和油相流體通過某一截面的流量比并不等于它們靜止時的體積比。由此，射頻法所直接測出的是截面動態含水率，需要用兩相流速度滑移模型對測量結果進一步修正，才能得到真實含水率。

當油滴直徑大于0.1 cm時，油相和水相之間的滑移速度為[17]：

(14)

式中：Δv為油水之間的滑移速度，m/s；Δρ為油水兩相流與純油相之間的密度差，kg/m3；d為油滴的直徑，m；η為油水兩相流的黏度，Pa·s；g為重力加速度，m/s2。

當油滴直徑小于0.1 cm時，油相和水相之間的滑移速度為[17]：

(15)

式中：σ為油滴的表面張力，N/m；ρ為油水兩相流的密度，kg/m3。

由圖8可知，水相的體積流量為：

Q1=φ水Q-S水Δvφ油

(16)

φ水=1-φ油

(17)

式中：φ水為測量截面含水率，%；φ油為測量截面含油率，%。

將式(16)帶入式(13)，并用油水兩相流的總截面積S同除分子和分母可得：

(18)

由式(18)可見，油水兩相流的真實含水率受油相和水相之間的滑移速度和兩相流的平均速度影響。實驗裝置所用鋼管直徑為25.4 mm。因此，根據管道的截面積，將流量轉換為流速后對測量結果進行修正，得到的修正后測量結果及誤差見表6。

表6 使用速度滑移模型修正后的測量結果總流量/(m3·h-1)平均流速/ (m·s-1)測量截面含水率/%修正后測量截面含水率/%流量計算含水率/%測量誤差(絕對值)/%1.100.6095.5088.1688.100.061.190.6584.3063.4167.313.901.260.6987.4070.9971.790.801.330.7386.4069.8171.892.081.430.7870.9043.8148.985.171.440.7990.2078.6781.252.581.470.8171.1044.8548.253.401.480.8176.1053.0252.130.891.500.8287.2073.2368.394.841.560.8682.3064.7664.710.051.560.8695.8090.9689.291.671.790.9877.7059.5256.982.541.790.9877.7059.5256.982.541.810.9978.5060.9954.706.291.881.0376.7058.8554.054.802.181.2068.0049.2643.585.68

從表6可以看出，含水率在43.81%以上時，測量最大誤差為6.29%。由于射頻天線是由管中心放置的實心硬棒引出，有可能對中間油核造成分散，導致各方向上的覆蓋油膜長度各異，從而造成測量截面含水率與流量計算含水率存在差異。

5 結論

(1) 油水兩相螺旋流狀態下利用射頻法測量含水率的方法滿足原油含水率在線測量需要，消除了油水混合物分布不均勻的影響。靜態實驗建立了含水率與測量的電壓信號之間的線性關系式。

(2) 室內動態實驗驗證了測量模型的適用性。實驗結果表明，經過兩相流速度滑移模型對測量結果進行修正后，在入口油水兩相混合流速為0.60～1.20 m/s，且含水率高于43.81%時，利用該方法測量油水兩相含水率的誤差在6.29%以內。