礦化度對微波含水率傳感器測量精度影響的研究

董鵬敏，肖艷鵬，管爭榮，李曉輝

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安710065）

礦化度對微波含水率傳感器測量精度影響的研究

董鵬敏，肖艷鵬，管爭榮，李曉輝

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安710065）

原油含水率是石油生產中的重要數據，是計量油井產量，評價油藏的開采價值、采出程度及制定開采方案的重要指標。相移法微波含水率檢測傳感器利用不同的原油和水介電常數來檢測含水率。而礦化度對相移法微波含水率檢測傳感器的精度有直接的影響。針對硫酸鍶、碳酸鈣、硫酸鋇三種礦化度組分，采用單因素試驗方法，研究不同礦化度對相移法微波含水率檢測傳感器測量精度的影響。運用MATLAB分析數據，擬合出相應變化曲線方程，得出礦化度對原油含水率檢測精度影響的規律，并對檢測結果加以修正，提高了相移法微波含水率檢測傳感器測量精度。試驗結果表明，相移法微波含水率檢測傳感器測量精度提高至3%，為提高運用微波相移法測量原油含水率精度提供了試驗與理論依據。

原油含水率；相移法；微波傳感器；介電常數；礦化度；測量精度

0 引言

我國是耗油與產油大國，但隨著我國各大油田已進入采油后期，采出的原油中礦化度與含水率［1］大幅上升，傳統的電容法、γ射線法都難以滿足現場含水率精度的要求［2］。原油含水率的準確測量與原油開采、檢測、脫水、運輸以及銷售都有著密切關系，因此提高原油含水測量精度具有重大的現實意義。

相移法微波含水率檢測傳感器是根據不同的油和水介電常數［3］來測量含水率的，具有測量范圍寬、對高含水情況適應性好的優點。

本文在試驗的基礎上，通過MATLAB對數據進行分析，得出礦化度對相移法微波含水率傳感器測量精度影響的規律。

1 相移法微波含水率檢測傳感器原理

不同含水率的原油相當于不同介電常數的介質（在標準大氣壓下，純凈水在20℃時，其介電常數為80，油的介電常數大約是2～3），而微波在不同介質中傳輸相速是不同的。根據這一原理，給微波探頭加上一定幅度和頻率的微波信號，將探頭插入介質中，設法測得微波信號相位的變化量。通過標定，就可以得到原油含水率［4］。

微波含水率傳感器原理圖如圖1所示。

振蕩器能將提供的直流電能轉換為具有一定頻率的交流電能，交流電能進入耦合器，由耦合器將一路微波功率平均分成兩路。一路特定的相位與頻率信號直接被功率放大，另一路特定的相位與頻率信號進入微波探頭。

微波探頭的信號通過油水混合物介質，由于油水混合物介質的介電常數不同而發生相位的移動。放大器對信號進行功率放大，IQ 解調器利用 I（t）和 Q（t）之間的正交相位關系實現 I（t）和 Q（t）的理想重構，濾波放大器對兩組信號進行濾波和功率放大；ADC轉換器將模擬量轉化成數字量，微處理器通過比較兩路信號在相位上的移動，確定含水率值，接口電路將含水率數值傳輸到顯示裝置進行顯示。

2 礦化度對含水率傳感器測量精度的影響

礦化度是地下水質評價的重要參數，所謂地下水礦化度，即單位體積的地下水中化學組分含量的總和，單位一般為g/L，符號一般用M表示。根據礦化度大小，可將地下水劃分為淡水（礦化度0～1 g/L）、微咸水（礦化度1～3 g/L）、咸水（礦化度 3～10 g/L）、鹽水（礦化度 10～50 g/L）和鹵水（礦化度＞50 g/L）這 5 種類型［5］。礦化度對微波含水率檢測傳感器精度的影響較大，所引起的最大相對誤差為56.6%，且礦化度越高，引起的誤差越大［6］。

礦化度指水中溶解的鹽類組分［7］。原油中的礦化度主要來源于兩方面：一是地層水總礦化度［8］，總礦化度指水中離子、分子和各種化合物的總含量，通常是以水烘干后所得殘渣來確定，單位為g/L［9］；二是由采出水回注時人為引入的礦化度。

因地區的不同，礦化度種類差別較大，具有較大的不確定因素。目前，我國油田生產的原油中，含鹽種類非常多，但主要由鈣、鋇、鍶、硫離子等組成。通過分析總礦化度，研究礦化度對微波含水率檢測傳感器測量精度的影響。

3 試驗目的與內容

針對硫酸鍶、碳酸鈣、硫酸鋇3種礦化度組分，采用單因素試驗方案，研究礦化度對相移法微波含水率檢測傳感器測量精度的影響規律，以提高相移法微波含水率檢測傳感器的測量精度。

3.1 試驗儀器與藥品

本文選取500 mL燒杯若干，膠頭滴管2個，高精度電子稱1臺，培養皿若干，玻璃棒1根，藥勺3個，碳酸鈣、硫酸鋇、碳酸鍶若干，基礎油若干，OP-10乳化劑若干（實現基礎油與普通水的融合，防止基礎油與普通水混合物快速分層，方便測量混合物的含水率）。

3.2 試驗方案設計

由于在原油生產開采過程中，礦化物的引入是不可避免的，且引入礦化物的種類與含量都是隨機的，但每種礦化度對高含水原油含水率檢測傳感器的影響是固定的［10］。因此，為了研究礦化度對高含水原油含水率檢測傳感器的測量精度影響，設計試驗方案具體如下。

在常溫常壓條件下，將原油和水分別以含水率從100%依次減少至40%左右進行混合，分別分析純硫酸鍶、碳酸鈣、硫酸鋇配制礦化度從0%～20%的混合溶液。每組增加1%，攪拌均勻后迅速使傳感器進入混合液測量數據，讀取傳感器數據。

3.3 試驗步驟

試驗步驟具體如下。

步驟一：從含水率100%遞減到含水率40%，配置不同含水率的基礎油混合液。

步驟二：稱量所得混合液質量，計算單一礦化度下所加鹽的質量。

步驟三：在未加入任何鹽的條件下，測得含水率并記錄數據。

步驟四：加入鹽量以1%遞增至20%，記錄每組數據。

4 單因素試驗

根據試驗所得數據，將數據以含水率區分為不同組，并將這些組的數據分別以一次曲線擬合的方法進行處理，可以獲得某一含水率下不同礦化對其的數據影響［11］。

以硫酸鍶作為礦化度的單一組分，采用單因素試驗法，得出如圖2所示的試驗數據曲線。

圖2 硫酸鍶單因素試驗數據曲線圖Fig.2 Strontium sulfate single factor test data curves

圖2中：1為含水率96.1%的擬合曲線；2為含水率88.9%的擬合曲線；3為含水率86.2%的擬合曲線；4為含水率80.1%的擬合曲線；5為含水率78.4%的擬合曲線；6為含水率71.0%的擬合曲線；7為含水率67.4%的擬合曲線；8為含水率62.0%的擬合曲線；9為含水率56.7%的擬合曲線；10為含水率43.0%擬合曲線。

擬合公式如下。

含水率為96.1%的情況下擬合曲線為：

含水率為88.9%的情況下擬合曲線為：

含水率為86.2%的情況下擬合曲線為：

含水率為80.1%的情況下擬合曲線為：

含水率為78.4%的情況下擬合曲線為：

含水率為71.0%的情況下擬合曲線為：

含水率為67.4%的情況下擬合曲線為：

含水率為62.0%的情況下擬合曲線為：含水率為56.7%的情況下擬合曲線為：

含水率為43.0%的情況下擬合曲線為：

式中：δ為油水混合物的含水率，%；x為礦化度，%。

由硫酸鍶單一礦化物對高含水原油含水率的試驗數據記錄表可以看出，硫酸鍶在試驗中確實對高含水原油含水率檢測傳感器的檢測數據存在影響，且影響類似成線性規律進行變化。目前所得線性曲線雖然可以獲得某一確定含水率下的不同礦化度對數據準確度的影響，但是這樣的數據過于離散化，且應用起來十分不方便，因此必須對數據進行再處理。

本文試驗主要研究的是礦化度對高含水原油含水率檢測傳感器的測量精度影響，因此在第一次處理后的數據中提取更加合適的參數。直線斜率可以直接反映一條直線的變化規律，因此在數據提取中，根據式（1）～式（10）得到硫酸鍶單因素含水率對應直線斜率，同理可得碳酸鈣與硫酸鋇的提取值，如表1所示。

表1 單因素含水率與對應直線斜率Tab.1 Single factor moisture content and the corresponding linear slope

根據提取的數據，通過 MATLAB進行多項式擬合［12-13］，得到含水率和其對應曲線斜率K的表達式。通過MATLAB擬合的數值結果對比，得到硫酸鍶單因素擬合數值，同理可得碳酸鈣與硫酸鋇的擬合數值，如表2所示。

表2 單因素擬合數值結果對比表Tab.4 Single factor fitting numerical results comparison

K的表達式為：

不同因素條件下的不同含水率曲線如圖3所示。

圖3 不同含水率斜率曲線Fig.3 Curves of slope of different water content

擬合方程分別為：

5 結束語

通過單因素試驗法的試驗數據，得出了硫酸鍶、碳酸鈣和硫酸鋇礦化度組分對不同原油含水率測量值的影響結果，并由MATLAB擬合。通過對誤差平方和的比較，選取三次多項式曲線擬合方程，得到硫酸鍶、碳酸鈣和硫酸鋇礦化度組分對相位法微波含水率檢測傳感器測量精度的影響規律。

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Study on the Influence of the Salinity on the Measurement Accuracy of Microwave Moisture Content Sensor

DONG Pengmin，XIAO Yanpeng，GUAN Zhengrong，LI Xiaohui
（Department of Mechanical Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065，China）

Crude oil moisture content is the important data in oil production；it is an important index for metering the yield of oil well，evaluating the exploitation value of reservoir，the degree of mining and developing the mining scheme.The phase-shift microwave moisture detection sensor uses the difference of oil and water dielectric constant to measure moisture content.Salinity is a main factor to directly influence the accuracy of the sensor.In accordance with the salinity components of strontium sulfate，calcium carbonate and barium sulfate，by using single factor experimental method，the influence of different salinity on the measurement accuracy of phase-shift microwave moisture detection sensor is studied.Using the MATLAB analysis data，the corresponding curve equation is fitted，theinfluence regularity of the salinity on the detection accuracy of crude oil moisture content is obtained，and the detection results are modified to improve the measurement accuracy of phase-shift microwave moisture detection sensor.The experimental results show that the method can improve the measurement accuracy of phase-shift microwave moisture detection sensor to 3%，the experimental and theoretical basis for the improvement of the water has the content of crude oil by microwave phase shift method.

Crude oil moisture content；Phase-shift；Microwave sensor；Dielectric constant；Salinity；Measurement accuracy

TH89；TP212

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711020

修改稿收到日期：2017-06-23

陜西省自然科學基礎研究計劃重大基礎研究項目（2016ZDJC-11）、西安石油大學碩士研究生創新基金項目（2015cx140430）作者簡介：董鵬敏（1961—），男，碩士，教授，主要從事石油裝備設計制造及檢測技術的研究。E-mail：1398533820@qq.com。