基于射頻幅值法的原油含水率測量系統研究

黨瑞榮，姜海潮，韓宏軍，孫婭婭

(西安石油大學，陜西西安 710065)

隨著能源需求的不斷增強，石油勘探和開發技術的快速發展，油田的主力厚油層已全面見水，各大油田相繼進入采出液高含水5段。原油含水率作為油田開采、原油生產煉化、制定鉆井計劃中的重要決策數據之一，其準確測量可用于合理評估油井產能，追蹤油井儲層變化，以便后續及時依照實際情況制定開采方案，從而節省人力物力，使油井始終處于最佳生產狀態。基于此工業背景，研制出一種適用于自動化石油工業發展、適用于油井開采中后期高含水現狀的高精度測含水儀器顯得尤為必要。

現5段，我國油井產出液含水率測量手段主要分為人工離線法及在線測量法，多采用人工離線的蒸餾法。而蒸餾法作為一種實驗室測量法，精確度高，但由于其需要采樣，測量時間間隔長，樣品代表性較差，不具備實效性，浪費人力物力，不能滿足油田逐漸向現代化、智能化發展的要求。目前，自動化的在線測量方法越來越被人們所關注，但受制造工藝及測量原理等因素的限制性，其應用范圍及條件都有不可修復的局限性，不同測量方法比較(見表1)。

表1 不同在線原油含水率測量方法比較

在線測量原油含水率體系中，射頻法通過混合流體中因含水不同所體現出的相對介電常數變化，間接測量油田產出液的含水率。根據此原理研制出的測量裝置，由于響應快，造價低，設備結構簡單，易操作，十分適用于我國現5段油田現場。本文提出一種基于射頻幅值法的原油含水率測量系統，進行射頻法含水率測量傳感器的優化設計，確定出該裝置的最佳工作頻率；并通過一系列室內實驗測試所得數據的分析及計算，證明該方法性能可靠，具有可行性[1-6]。

1 電磁波在混合介質傳輸特性

由于常溫常壓情況下，純油的介電常數為2.5左右，純水約為80，兩者相差較大，導致不同含水量下的油水混合液的介電常數隨之發生改變。當對混合介質施加垂直方向的電場時，相對介電常數作為介質的一種微波特性，因含水不同而發生改變，應用最廣泛的如式(1)所示：

式中：D-含水率；ε1、ε2-純油、純水介電常數。

但由于油水兩相混合時狀態與結構相對復雜，根據油水結構不同可分為油包水，水包油，同時還會受流速，溫度等影響，可等效為電極化場不同取向狀態方便計算，常溫常壓下，相對介電常數如式(2)所示：

式中：k-常數，由油水混合液含水率決定。

經式(2)計算，不同含水百分比下混合液相對介電常數(見表2)，變化曲線(見圖1)。

表2 不同含水百分比油水混合液相對介電常數

圖1 不同含水百分比油水混合液相對介電常數

又因純油與純水都為絕緣體，但由于有大量礦物質成分存在于混合流體內含的地層水中，使產出液具備導電性。假設均勻平面電磁波傳入σ≠0的油水混合介質中時，其傳播特性與介質的電參數(介電常數、電導率)有關。對于油水混合物而言，電磁波振幅與相位的損耗主要取決于其相對介電常數。又因水分子極化程度極強，波會因含水不同而在介質中傳播時隨時間推移產生不同程度的明顯衰減，且磁場相位相較于電場產生滯后(見圖2)。

損耗程度依據電磁場理論可知，有衰減常數α與相位常數β，分別如式(3)、(4)所示：

式中：ω-角速度, 且 ω=2πf；μr、εr、σr-介質的相對電參數，由油水混合比例決定。

圖2 油水混合液中沿z方向傳播的電磁場

因此依據理論，可通過電磁波在導電的油水混合物中傳播時產生的幅值或相位損耗，間接得到油井產出原油的含水數據。

2 測量系統確定

為能動態實時地監測管道內原油含水狀態，該測量系統使用平行的雙單極子全向天線作為傳感器置于管道內，并將電磁波發射至油水混合物中，系統框架(見圖3)。系統需采用主控單元激勵射頻發生電路，從而在發射機天線加載射頻信號。

電能經發射機單極子天線轉換為可輻射至介質中的電磁波，在油水混合介質內傳播時產生衰減，損耗后電磁波產生相應的幅值衰減和相位移動可通過接收機感應。通過外接電路將衰減后信號與原產生信號傳入幅值檢波器中進行檢測及比較，經接收電路，及一系列信號處理后，通過模數轉換轉為數字信號，最終得到系統含水響應數值并輸出。

圖3 原油含水率測量框架圖

其中，傳感器的材質需盡量選擇導電性能好、電阻率低的金屬材料，如銀、銅、鋁。出于今后將投入工業生產的考慮，需要降低成本，以及鋁材質更適用于制作八木天線的考慮，本系統采用25 cm的實心銅棒作為發射及接收機天線。檢測電路采用芯片AD8302，它是一款相位對比檢測芯片，內部自帶溫度補償，輸入頻率范圍可達到100 kHz～1 000 MHz。該芯片可將傳感器上相位差轉化為電壓信號輸出，檢測公式如式(5)。

式中：VPHS-最終所得電壓信號；Φ(VINA)、Φ(VINB)-端口接收的原始信號和傳感器傳來的高頻信號。

3 實驗測試及分析

為進一步分析天線發出電磁波與油水混合介質的相對介電常數關系，客觀了解系統測試能力，利用實驗室現有平臺，搭建測試系統，設計出兩套實驗。

(1)在發射機天線上加載不同射頻值，目的是測試出能使油水混合物介電常數呈現最大區分。多次測試不同頻率下純油與純水的系統響應值并取平均值，再取絕對值后的幅值變化差值，數據(見表3)，變化曲線(見圖4)。

表3 不同頻率下的純油純水響應值

圖4 不同頻率下純油純水響應值

結果表明，在20 MHz～30 MHz范圍內，發射機天線發射電磁波的幅值損耗在含水率為0的純油及含水率為100%的純水中表現出最大差異。出于對發射功率及k激勵源選擇的考慮，最終選擇30 MHz作為激勵頻率。

(2)確定頻率為30 MHz，將純油與純水按照五種不同比例混合制成實驗液，測試在不同含水率的油水混合液下本測量系統的工作狀態，對其性能進行進一步剖析，從而驗證該測量系統的準確性及可行性。實驗結果(見表4、圖5)。

表4 不同含水油品區分度

圖5 不同含水油品下區分度變化

實驗結果表明，系統在測量低含水及高含水率時區分度約為100 mV，能保持線性，基本能滿足現場需求。根據數據可知，其中含水范圍內該測量系統測量結果不夠理想。同時，此數據對比不同頻率下純油純水的系統響應值也有所差別，通過分析得，導致此不穩定問題的原因可能是由于傳感器長時間直接接觸被測介質，被稠油覆蓋影響測量結果，后續可通過設計介電常數不干擾測量系統的傳感器保護套，以使系統的穩定性得到提高。

4 結論

(1)本文提出的測量系統構建幅值信號的檢測模型，結合射頻法及電磁衰減法，消除傳統方法測量范圍有限、不連續測量的缺點，適用于測量我國現5段高含水油田的產出液含水率。后續設計可進行傳感器參數優化，減少誤差，提高穩定性及準確性。

(2)將油水混合介質置于傳感器中，使混合介質通過時電磁波的衰減信號轉換為電信號，實現精確測量。通過實驗可知，油水混合物含水率與幅值衰減呈顯著線性關系，可利用牛頓插值法，繼續進行輸出響應值的線性擬合，更直觀顯示含水數值。

(3)根據實驗數據可知該儀器在20%～60%含水率測量中誤差較大，可能由于此時油的流動狀態影響與水的融合情況較為復雜，需進一步深入研究。可考慮多傳感器融合技術，在該范圍使用適合于中含水5段，但易受礦化物影響的，同為電參數測量方法的電導法原油含水率測量傳感器。

參考文獻：

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