射頻法原油含水率頻率參數優化

黨瑞榮，徐 鑫

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

石油中混合大量的水，在原油開采和生產過程中，是經常遇到的，這就是常說的高含水的情況。由于水是連續介質，而油則是以油滴的形式存在，這就加大了高含水下原油的測量，所以測量提高含水率的測量范圍是目前面臨的重中之重的問題。這樣就可以準確的反應油井的工作狀態，估算油井產量，提高油井產量以及生產效率。為了能夠實時監測油井的工作狀態，便于采取應對措施，提高含水率測量范圍變得尤為重要。

在當前世界上，原油是最為重要的戰略資源之一，對于各國的發展和綜合實力的提升都具有不容忽視的重要意義。我們之前一直致力于測量方法以及測量儀器的改變，卻忽視了一些小的參數的改變對于原油含水率的測量影響更大的問題。現在測量原油含水率的方法已經很先進了，像從電容法、電導法、微波法、射頻法以及波導法等一系列的在使用改進的方法，所以對于內部參數的調整也可以進行考慮。在原油生產過程中，為了能夠準確評價油井的產能、監測工作狀態、合理高效地開采油氣資源，需要對許多生產參數進行測量和優化，這些參數測量對于石油的開采、脫水和集輸等具有重要的意義。對這些參數的測量與優化就成了迫切的問題。

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：

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為幅度衰減常數，單位為Np/m，β為相位常數，單位為rad/m。可見，α和β不僅與煤質參數ε、μ、σ有關，還與波的頻率有復雜性的關系[8]，所以在本論文中頻率參數的選定尤為重要。

從以上的公式與結論說明電磁波在不同介電常數的媒質中傳播特性不同。利用這一特性可以有效的測量原油含水率，因為隨著水、油本身的介電常數的就差異較大，且隨著原油的混合比例不同，它的介電常數也不同，所以就可以用來測量原油含水率。而且這一特性也與頻率這一參數也有很大的關系，在不同頻率下對于同種混合比例的原油測出來的含水率結果是明顯不同的。所以當天線和測量系統固定，頻率參數就可以影響原油含水率的測量結果的準確性。通過試驗的測量與分析，改變頻率參數可以對不同比例的混合流體的含水率進行測量，從而實現和提高含水率測量范圍。

2 試驗系統

首先，根據儀器尺寸以及功能需求，選取合適材質管道，進行試驗平臺搭建。試驗平臺應包括動力系統、循環系統、試驗液注入和回收口。本文的試驗系統如圖1所示。電路板主要由信號發射模塊、AD信號采集取樣模塊、電源供電模塊和數據傳輸與處理模塊幾部分組成。首先電路板由控制射頻發射器LC振蕩電路作為信號發射模塊。為帶動負載，給系統帶來激勵，發射信號經過運放模塊被放大，增加信號的穩定。再將得到的穩定的信號傳輸到發射天線的接受座子上，然后發射射頻信號經過被測介質后，以電磁波的形式進行傳播。再通過接收天線得到經過介質后的信號，然后傳入主控芯片stm32f103zet6。因為被測介質的介電常數的不同，所以接收天線得到的信號就會表現出不同的幅度電壓信號。然后對這些微弱信號進行放大，濾波，再通過AD模塊將采樣信號輸入系統中。最后將數據進行整合和簡單正確處理，觀察規律，最終得出結論。然后通過多次重復試驗，將測量數據進行校驗及改進。

圖1 試驗系統圖

3 測量結果與校正

圖2～圖4是不同頻率下射頻含水率測量的幅度的不同曲線圖（分別在頻率為380MHz、30MHz、20MHz情況下的原油含水率曲線圖）。

圖2 380MHz幅度電壓含水率曲線圖

圖3 30MHz幅度電壓含水率曲線圖

圖4 20MHz幅度電壓含水率曲線圖

從圖2、圖3和圖4看出380MHz的幅度電壓含水率曲線起伏不穩定，有拐點，且最大值與最小值之間區分度不大，才200多mV。經過繼續試驗發現，頻率越高越容易出現拐點，與要求不相符；30MHz幅度電壓含水率曲線圖要比380MHz要好很多，但相比于20MHz幅度電壓含水率曲線還差一些。20MHz時總體區分度很大，基本上成單調的趨勢。通過優化頻率參數避開了高含水和低含水容易出現的拐點現象，并且加大整體的區分度，明顯改善提高了原油含水率測量的范圍。測量過程中會有誤差，此時可以在硬件和軟件兩方面來減小對測量的誤差。硬件方面可以通過濾波、放大信號、更換芯片來達到減小誤差的目的；軟件可以通過程序進行彌補，這就是經常說的數據處理。就像本文中原油含水率的測量，可以用同時觀察相位和幅度來進行數據優化，也可以進行擬合來減小誤差。雖然誤差不能完全去除，但可以盡量去減小誤差，達到實驗的嚴謹性。

4 結語

經過不斷的試驗以及對數據的相關處理，在含水率0%～100%的測量范圍下，找到了適合該范圍測量的最佳頻率參數為20MHz。在此頻率下監測原油含水率，能夠很好的提高產量，也能為含水率測量提供了穩定的平臺。同時20MHz頻率下高含水，低含水都能較好的測量，也驗證了優化頻率參數的重要性。（本文設計的已在石油開采中使用）。