戴 陽
(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院,陜西 西安 710065)
我國的油田開采普遍進(jìn)入中后期,注水井開發(fā)成為普遍現(xiàn)象,其油井產(chǎn)出液的含水率越來越高[1]。而含水率是油田工業(yè)非常重要的一個(gè)參數(shù)指標(biāo),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(dǎo)性意義。原油含水率的在線精確測量是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能完井技術(shù)必不可缺的一環(huán)。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(dǎo)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(yīng)速度快。本文通過改進(jìn)測量裝置及數(shù)據(jù)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(xiàn)場的適用性。
本文利用電磁波在介質(zhì)中傳播的幅度衰減現(xiàn)象,給前端螺旋線圈的一端和調(diào)制解調(diào)電路的參考信號端同時(shí)輸入穩(wěn)定的高頻電磁信號,通過調(diào)制解調(diào)電路模塊分析信號穿過油水介質(zhì)后的幅度變化情況,以區(qū)分不同比例的油水混合液,實(shí)現(xiàn)含水率的測量,測量原理圖如圖1所示。
圖1 含水率測量原理圖
傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室含水率測量裝置一般結(jié)構(gòu)簡單,多是采用PVC管搭建一個(gè)小型閉合循環(huán)裝置,將直徑4mm平行銅柱天線水平地置于管道節(jié)點(diǎn)處,設(shè)置進(jìn)、出液口及安裝電機(jī)。管道內(nèi)流體含水率較低時(shí),由于電機(jī)的攪拌,油水分層現(xiàn)象不明顯,含水率的測量值有一定參考性;當(dāng)含水率較高時(shí),電機(jī)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(nèi)實(shí)驗(yàn)的有效性,在含水率測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)必須要契合油田現(xiàn)場工況。由于高頻電磁波在良導(dǎo)體中傳播的趨膚效應(yīng),其信號僅能存在于銅柱天線的表面,導(dǎo)致接收信號往往失真嚴(yán)重,影響整體測量區(qū)分度,本文采用螺旋線圈作為前端傳感器,由銅制導(dǎo)線繞制而成,可以良好地引導(dǎo)電磁波,并垂直安裝在材料、尺寸與油田現(xiàn)場一致的水平鐵管道上,保證采樣信號貫穿整個(gè)管道內(nèi)流體,有效降低管道內(nèi)高含水率時(shí)油水分層帶來的測量誤差。
表1為含水率測量裝置改進(jìn)前后對采集信號幅度解調(diào)的結(jié)果。圖2為含水率測量裝置改進(jìn)前后的測量曲線圖。圖2中虛線部分是傳統(tǒng)測量裝置的測量結(jié)果,實(shí)線部分是改進(jìn)裝置后的測量結(jié)果。
從圖2看出,改進(jìn)后的測量裝置在整體測量區(qū)分度上優(yōu)于傳統(tǒng)裝置,傳統(tǒng)裝置的油水幅度測量電壓區(qū)間為0.63V,而改進(jìn)裝置為0.84V。改進(jìn)裝置在高含水率區(qū)段的測量靈敏度更高,整體測量曲線呈單調(diào)遞減狀,而傳統(tǒng)裝置在含水率80%到100%的區(qū)間內(nèi)測量電壓變化極小,甚至出現(xiàn)測量“拐點(diǎn)”,導(dǎo)致幅度電壓一值對應(yīng)多點(diǎn)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(diào)的幅度數(shù)據(jù)表
圖2 測量系統(tǒng)改進(jìn)前后測量特性曲線
對于圖2實(shí)線部分,也就是改進(jìn)裝置的測量曲線進(jìn)行處理,傳統(tǒng)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(xiàng)式表達(dá)式:
式(1) 中多項(xiàng)式階數(shù)較高,表達(dá)式復(fù)雜,測量電壓的微小波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致很大的測量誤差,表2為第二次實(shí)驗(yàn)的測量電壓代入式(1) 后計(jì)算出的含水率。
表2 第二次實(shí)驗(yàn)擬合含水率計(jì)算值與誤差表
從表2中可以看出,二次實(shí)驗(yàn)的測量電壓值與初始測量值差異極小,說明改進(jìn)后的測量裝置穩(wěn)定,測量結(jié)果參考價(jià)值較大。因?yàn)槊看螠y量會(huì)有幾毫伏到十幾毫伏的電壓波動(dòng),這些微小變化代入式(1)的高階多項(xiàng)式后會(huì)使含水率計(jì)算值誤差增大,表2中即有兩個(gè)點(diǎn)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(diǎn)(x0,y0)和(x1,y1),根據(jù)相似三角形原理,在得到橫坐標(biāo)x值的情況下計(jì)算對應(yīng)y的值。設(shè)相似比例為,則,
根據(jù)圖2和表1中的改進(jìn)裝置測量數(shù)據(jù),每隔10%,分成10段插值區(qū)間,擬合出每一段的含水率-電壓計(jì)算公式,最后的測量結(jié)果(第三次測量)及含水率誤差如表3所示。
表3 第三次實(shí)驗(yàn)分段線性插值擬合含水率計(jì)算值與誤差表
從表3中看出,分段線性插值法計(jì)算含水率的值與實(shí)際值相差較小,以此作為測量裝置的數(shù)據(jù)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(nèi),滿足油田現(xiàn)場測量需求。
本文分析了高頻電磁波法測量含水率的原理,從傳統(tǒng)含水率測量裝置所存在的問題出發(fā),改進(jìn)了前端射頻天線的結(jié)構(gòu)及測量裝置的設(shè)計(jì)安裝方式,實(shí)現(xiàn)了全區(qū)段高靈敏度、高精度的含水率測量,并通過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)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。