黨瑞榮，徐 鑫

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

石油中混合大量的水，在原油開采和生產(chǎn)過程中，是經(jīng)常遇到的，這就是常說的高含水的情況。由于水是連續(xù)介質(zhì)，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(zhǔn)確的反應(yīng)油井的工作狀態(tài)，估算油井產(chǎn)量，提高油井產(chǎn)量以及生產(chǎn)效率。為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測油井的工作狀態(tài)，便于采取應(yīng)對(duì)措施，提高含水率測量范圍變得尤為重要。

在當(dāng)前世界上，原油是最為重要的戰(zhàn)略資源之一，對(duì)于各國的發(fā)展和綜合實(shí)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(shù)的改變對(duì)于原油含水率的測量影響更大的問題?，F(xiàn)在測量原油含水率的方法已經(jīng)很先進(jìn)了，像從電容法、電導(dǎo)法、微波法、射頻法以及波導(dǎo)法等一系列的在使用改進(jìn)的方法，所以對(duì)于內(nèi)部參數(shù)的調(diào)整也可以進(jìn)行考慮。在原油生產(chǎn)過程中，為了能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)油井的產(chǎn)能、監(jiān)測工作狀態(tài)、合理高效地開采油氣資源，需要對(duì)許多生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行測量和優(yōu)化，這些參數(shù)測量對(duì)于石油的開采、脫水和集輸?shù)染哂兄匾囊饬x。對(duì)這些參數(shù)的測量與優(yōu)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?yàn)橛秃退鶠閷?dǎo)電媒質(zhì)，所以根據(jù)電磁波在導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播特性，其麥克斯韋方程組為：

由上式經(jīng)過一系列的運(yùn)算可推導(dǎo)出幅度衰減常數(shù)α和相位常數(shù)β分別如下：

其中α為幅度衰減常數(shù)，單位為Np/m，β為相位常數(shù)，單位為rad/m?？梢姡梁挺虏粌H與煤質(zhì)參數(shù)ε、μ、σ有關(guān)，還與波的頻率有復(fù)雜性的關(guān)系[8]，所以在本論文中頻率參數(shù)的選定尤為重要。

從以上的公式與結(jié)論說明電磁波在不同介電常數(shù)的媒質(zhì)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?yàn)殡S著水、油本身的介電常數(shù)的就差異較大，且隨著原油的混合比例不同，它的介電常數(shù)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(shù)也有很大的關(guān)系，在不同頻率下對(duì)于同種混合比例的原油測出來的含水率結(jié)果是明顯不同的。所以當(dāng)天線和測量系統(tǒng)固定，頻率參數(shù)就可以影響原油含水率的測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過試驗(yàn)的測量與分析，改變頻率參數(shù)可以對(duì)不同比例的混合流體的含水率進(jìn)行測量，從而實(shí)現(xiàn)和提高含水率測量范圍。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

首先，根據(jù)儀器尺寸以及功能需求，選取合適材質(zhì)管道，進(jìn)行試驗(yàn)平臺(tái)搭建。試驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)包括動(dòng)力系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、試驗(yàn)液注入和回收口。本文的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。電路板主要由信號(hào)發(fā)射模塊、AD信號(hào)采集取樣模塊、電源供電模塊和數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊幾部分組成。首先電路板由控制射頻發(fā)射器LC振蕩電路作為信號(hào)發(fā)射模塊。為帶動(dòng)負(fù)載，給系統(tǒng)帶來激勵(lì)，發(fā)射信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放模塊被放大，增加信號(hào)的穩(wěn)定。再將得到的穩(wěn)定的信號(hào)傳輸?shù)桨l(fā)射天線的接受座子上，然后發(fā)射射頻信號(hào)經(jīng)過被測介質(zhì)后，以電磁波的形式進(jìn)行傳播。再通過接收天線得到經(jīng)過介質(zhì)后的信號(hào)，然后傳入主控芯片stm32f103zet6。因?yàn)楸粶y介質(zhì)的介電常數(shù)的不同，所以接收天線得到的信號(hào)就會(huì)表現(xiàn)出不同的幅度電壓信號(hào)。然后對(duì)這些微弱信號(hào)進(jìn)行放大，濾波，再通過AD模塊將采樣信號(hào)輸入系統(tǒng)中。最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和簡單正確處理，觀察規(guī)律，最終得出結(jié)論。然后通過多次重復(fù)試驗(yàn)，將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)及改進(jìn)。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

3 測量結(jié)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(wěn)定，有拐點(diǎn)，且最大值與最小值之間區(qū)分度不大，才200多mV。經(jīng)過繼續(xù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，頻率越高越容易出現(xiàn)拐點(diǎn)，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(shí)總體區(qū)分度很大，基本上成單調(diào)的趨勢(shì)。通過優(yōu)化頻率參數(shù)避開了高含水和低含水容易出現(xiàn)的拐點(diǎn)現(xiàn)象，并且加大整體的區(qū)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(huì)有誤差，此時(shí)可以在硬件和軟件兩方面來減小對(duì)測量的誤差。硬件方面可以通過濾波、放大信號(hào)、更換芯片來達(dá)到減小誤差的目的；軟件可以通過程序進(jìn)行彌補(bǔ)，這就是經(jīng)常說的數(shù)據(jù)處理。就像本文中原油含水率的測量，可以用同時(shí)觀察相位和幅度來進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，也可以進(jìn)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(dá)到實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性。

4 結(jié)語

經(jīng)過不斷的試驗(yàn)以及對(duì)數(shù)據(jù)的相關(guān)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(shù)為20MHz。在此頻率下監(jiān)測原油含水率，能夠很好的提高產(chǎn)量，也能為含水率測量提供了穩(wěn)定的平臺(tái)。同時(shí)20MHz頻率下高含水，低含水都能較好的測量，也驗(yàn)證了優(yōu)化頻率參數(shù)的重要性。（本文設(shè)計(jì)的已在石油開采中使用）。