射頻法原油含水率測量儀的優化設計

孫婭婭，黨瑞榮，韓宏軍，古光明

（1.西安石油大學，陜西西安 710065；2.勝利油田石油工程技術研究院，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）同時生產的情況經常遇到，而傳統的生產方法則是在表面處理大量產生的水[1]，由于含水率高，水是連續介質，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。而準確的原油含水率數據能夠反映出油井的工作狀態，可以準確的確定油井出水情況，估計原油產量，預測油井的開發壽命[2]，提高生產效率以及產量。為了能夠及時了解和掌握生產狀況，以便采取相關措施[3]，含水率的測量變得至關重要。

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]。射頻法根據水和油的介電常數的不同，可以間接的準確測量出0%～100%的含水率。而本設計在對射頻原油含水率測量理論的基礎上，進行原油含水率測量系統的優化設計，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果相比較，加上大量的實驗數據及分析計算，總結出測量結果與含水率之間的變化規律，最終實現了原油含水率的在線測量，測量精度可達到1.05%，為射頻法原油含水率測量技術的進一步深入研究打下堅實基礎。

1 測量原理

基于電磁波的傳播理論，因為油和水均為導電媒質，所以根據電磁波在導電媒質中的傳播特性，其麥克斯韋方程組為：

其中：-磁場強度，A/m；-電場強度，V/m；εc-媒質的復介電常數；μ-磁導率-虛數單位[7]；ω-角頻率，rad/s；σ-電導率，S/m?？紤]本構關系后對上述方程組求解可得到導電媒質中的赫姆霍茲方程：

由上式經過一系列的運算可推導出幅度衰減常數α和相位常數β分別如下：

其中：α-幅度衰減常數，N/m；β-相位常數，rad/m?？梢姡梁挺虏粌H與煤質參數ε、μ、σ有關，還與波的頻率有復雜性的關系[8]，所以在本設計中系統頻率的確定起著至關重要的作用。

由以上推論可知電磁波在不同的介電常數的混合介質中的傳播特性不同。而在原油的開采過程中，產出液的主要成分是油和水，油的介電常數約為2.3，而水的介電常數為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也會隨之變化，測量結果也會有所不同，而且這種變化與含水率的大小有關，由于電磁信號對不同介電常數的響應特性不同，因而根據電磁響應特性就可確定混合介質中的油水關系。更重要的是：當天線結構和測量電路確定后，頻率的選取直接影響到測量結果的準確性。本文在三線結構和電路優化的基礎上，通過大量測試和分析，優選了測量頻率，對不同比例的油水混合流體的含水率進行了測量，得到了委骯的測量精度，其最大相對誤差為1.05%。

2 測量系統組成

本系統主要框架由四部分組成（見圖1），分別為：信號發射部分、數據接收部分、顯示部分和存儲部分。首先由主控芯片STM32f103zet6控制射頻發射器DDS芯片AD9851作為信號源，為系統提供所需激勵，再經過信號放大器及功率放大器將信號放大，然后將信號傳輸到發射天線，當射頻信號經發射天線發射到被測介質（一般為油水混合液）中，接收天線就會接收到經過被測介質之后的測量信號，由于接收信號將會隨著被測介質的介電常數的不同所產生的信號不同，所以將這種微小的差異經過放大、檢波，然后通過AD采樣將信號送入控制系統中，再對數據進行一系列的處理及計算，得到最終測量結果，并將其通過顯示器和存儲器進行顯示和存儲，最終得到油水混合介質中的油水的不同比例。然后通過多次重復實驗，將測量數據進行校驗及改進，計算可得出不同比例的油、水混合物所對應的關系表達式，從而達到系統的穩定性以及精確度。

圖1 系統框圖

3 測量結果

綜上所述設此系統的線性關系式為：

其中y表示含水率的百分比，x為系統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的多次采樣測量，利用Matlab進行數據擬合，可以得到上述關系式的常數項系數值，而系統計算過程主要由主控芯片STM32完成，再通過一系列的數據處理，最終顯示含水率的百分比，具體測量數據（見表 1）。

3.1 系統頻率的確定

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，系統工作效率達到最佳，所以本實驗最終選取31 MHz作為系統頻率（見圖2）。

3.2 相關參數的確定

在實驗過程中配制了不同比例的油水混合液進行測量，測量結果（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系（見圖3）。經過多次重復測量，將這些所測得的數據根據理論知識進行線性擬合，最終通過Matlab進行數據擬合得出式（7）中的常數項系數值如下：k1=-0.141 8，k2=7.057 1，k3=130.318 3，k4=-15.267 3，k5=78.6543，b=916.440 7。

4 結語

經過不斷地測量及對數據的處理和標定，所設計的射頻含水率測量儀為后續的原油含水率的測量帶來了方便，提高了產量，也為更精確、更穩定的測得原油含水率提供了基礎途徑，比起其他方式的原油含水測量儀，具有測量速度快、功能強、易操作等優勢。本設計在以后的測量過程中，也為大家節約了時間，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的推廣能力和廣泛的應用前景。目前本設計已在油田生產中投入使用。

表1 系統最佳頻率的確定

圖2 頻率的確定

表2 實際含水率與測量值的關系

圖3 含水率實際值與測量值的關系分布圖

參考文獻：

[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.

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