油田地面管道含水率測量裝置的研究

戴 陽

（西安石油大學電子工程學院，陜西 西安 710065）

我國的油田開采普遍進入中后期，注水井開發成為普遍現象，其油井產出液的含水率越來越高[1]。而含水率是油田工業非常重要的一個參數指標，對原油成分的分析起著重要作用，對油田分層采集工藝有著指導性意義。原油含水率的在線精確測量是實現數字化智能完井技術必不可缺的一環。原油含水率的在線測量方法主要有射頻法、射線法、微波法、電容法和電導法等[2]。高頻電磁波法是屬于射頻法的一種，其測量范圍寬，響應速度快。本文通過改進測量裝置及數據處理方式，有效降低了測量誤差，提高了含水率測量裝置在油田現場的適用性。

1 高頻電磁波法含水率測量原理

本文利用電磁波在介質中傳播的幅度衰減現象，給前端螺旋線圈的一端和調制解調電路的參考信號端同時輸入穩定的高頻電磁信號，通過調制解調電路模塊分析信號穿過油水介質后的幅度變化情況，以區分不同比例的油水混合液，實現含水率的測量，測量原理圖如圖1所示。

2 傳統含水率測量裝置的缺陷與改進

圖1 含水率測量原理圖

傳統的實驗室含水率測量裝置一般結構簡單，多是采用PVC管搭建一個小型閉合循環裝置，將直徑4mm平行銅柱天線水平地置于管道節點處，設置進、出液口及安裝電機。管道內流體含水率較低時，由于電機的攪拌，油水分層現象不明顯，含水率的測量值有一定參考性；當含水率較高時，電機攪拌效果較差，油水基本分層，射頻天線完全處于水層中，采集的信號基本都是表征水的，對含水率的測量精度將造成很大影響。

為保證室內實驗的有效性，在含水率測量系統的設計時必須要契合油田現場工況。由于高頻電磁波在良導體中傳播的趨膚效應，其信號僅能存在于銅柱天線的表面，導致接收信號往往失真嚴重，影響整體測量區分度，本文采用螺旋線圈作為前端傳感器，由銅制導線繞制而成，可以良好地引導電磁波，并垂直安裝在材料、尺寸與油田現場一致的水平鐵管道上，保證采樣信號貫穿整個管道內流體，有效降低管道內高含水率時油水分層帶來的測量誤差。

3 含水率測量實驗結果分析及數據處理方式改進

3.1 含水率測量結果分析

表1為含水率測量裝置改進前后對采集信號幅度解調的結果。圖2為含水率測量裝置改進前后的測量曲線圖。圖2中虛線部分是傳統測量裝置的測量結果，實線部分是改進裝置后的測量結果。

從圖2看出，改進后的測量裝置在整體測量區分度上優于傳統裝置，傳統裝置的油水幅度測量電壓區間為0.63V，而改進裝置為0.84V。改進裝置在高含水率區段的測量靈敏度更高，整體測量曲線呈單調遞減狀，而傳統裝置在含水率80%到100%的區間內測量電壓變化極小，甚至出現測量“拐點”，導致幅度電壓一值對應多點的含水率，無法滿足高含水率的測量需求。

表1 含水率與采集信號解調的幅度數據表

圖2 測量系統改進前后測量特性曲線

3.2 含水率測量數據處理

對于圖2實線部分，也就是改進裝置的測量曲線進行處理，傳統做法是將其用matlab工具直接擬合成一條含水率w與測量信號幅度V的多項式表達式：

式（1） 中多項式階數較高，表達式復雜，測量電壓的微小波動會導致很大的測量誤差，表2為第二次實驗的測量電壓代入式（1） 后計算出的含水率。

表2 第二次實驗擬合含水率計算值與誤差表

從表2中可以看出，二次實驗的測量電壓值與初始測量值差異極小，說明改進后的測量裝置穩定，測量結果參考價值較大。因為每次測量會有幾毫伏到十幾毫伏的電壓波動，這些微小變化代入式（1）的高階多項式后會使含水率計算值誤差增大，表2中即有兩個點的含水率測量誤差超過5%，這種擬合處理方式顯然并不理想。

本文采用分段線性插值法[3]處理測量信號的電壓，對于含水率測量精度有著很大的提高。其原理是利用一段曲線上已知的兩點（x0，y0）和（x1，y1），根據相似三角形原理，在得到橫坐標x值的情況下計算對應y的值。設相似比例為，則，

根據圖2和表1中的改進裝置測量數據，每隔10%，分成10段插值區間，擬合出每一段的含水率-電壓計算公式，最后的測量結果（第三次測量）及含水率誤差如表3所示。

表3 第三次實驗分段線性插值擬合含水率計算值與誤差表

從表3中看出，分段線性插值法計算含水率的值與實際值相差較小，以此作為測量裝置的數據處理方式可以有效地提高測量精度，綜合測量誤差在3%以內，滿足油田現場測量需求。

4 結語

本文分析了高頻電磁波法測量含水率的原理，從傳統含水率測量裝置所存在的問題出發，改進了前端射頻天線的結構及測量裝置的設計安裝方式，實現了全區段高靈敏度、高精度的含水率測量，并通過多次實驗驗證了改進后測量裝置的有效性、適用性，為油田地面管道含水率的測量提供了一種可靠裝置。