孫豪 張濤

（1.杭州瑞利聲電技術有限公司，杭州，310023）

（2.中海油田服務股份有限公司油田技術事業(yè)部研究院，廊坊，065201）

近年來，我國80%陸上油田都已進入開發(fā)中后期，為了穩(wěn)定和提高產量，大部分油井都采用注水開采方式，這一方法在提高原油產量的同時，會導致井筒中流體持水率升高。目前常用的井下持水率檢測方法主要是電容法和電導法[1]。電容法適用于持水率小于50%的井況，由于檢測電路的振蕩頻率與流體介電常數成反比，其導數（變化率）與介電常數的平方成反比，隨著介電常數（持水率）增加，分辨率會迅速下降[2]。電導法適用于持水率大于50%的井況，該方法依賴于水相的連通，而在低持水率段，水無法形成連續(xù)相，電導法就會失效。因此，對于高產液注水井的持水率檢測，上述兩種方法均存在測量誤差。

為了解決高產液注水井的持水率在線檢測問題，本文提出一種基于微波法的檢測電路。由混合流體相對介電常數的變化引起微波信號相位的變化，將持水率的測量轉換為微波信號相位差的測量。

1 同軸式射頻天線設計

考慮到傳感器的開放性和易維護[3]，設計了同軸式射頻天線（圖1）。它是將兩根長度為L1，半徑為r1的金屬管頂部以n 型結構連接，底部引出分別作為信號的發(fā)射端和接收端，同時底座貫通一根長度為L2，半徑為r2的金屬體作為接地端，與發(fā)射端和接收端的間距為d，最后將底座上端金屬結構灌封聚酰亞胺溶液，凝固后在其表面涂覆樹脂膠，形成完整的射頻天線。當流體經過該天線表面時，持水率變化導致介電常數發(fā)生變化，從而導致從發(fā)射端進入的微波信號的相位發(fā)生變化，通過檢測天線兩端微波信號的相位差，即可實現流體持水率的間接測量。

圖1 同軸式射頻天線

2 微波法測量持水率的基本原理

微波法測量持水率的原理是基于傳輸線上電磁波信號的相移與混合流體相對介電常數的單調關系。常溫常壓下，油的相對介電常數為2.3，水的相對介電常數為80，不同持水率的混合流體與其相對介電常數的關系為[4]：式（2）～（3）中，ω為角頻率，0μ為真空磁導率，0ε為真空絕對介電常數，mε和mδ為混合流體的相對介電常數和電導率。

由式（2）～（3）可知，混合流體相對介電常數和電導率的變化會導致衰減常數α和相位常數β發(fā)生變化，若將混合流體的相對介電常數作為中間變量，通過測量射頻天線兩端微波信號的幅度差和相位差，即可實現混合流體持水率的間接測量。

文獻[8]中指出，電磁波在傳輸線上的幅度變化與介電常數不具有單調性，這種非單調性會導致通過測量電磁波電壓幅度反演求解流體持水率的解時出現不確定性，因此根據幅度特性實現持水率的間接測量理論上行不通。而傳輸線上電磁波的相移特性與介電常數存在單調關系，通過檢測射頻天線兩端微波信號的相位變化即可反演持水率變化。

3 檢測電路設計

根據微波法測量持水率的基本原理，檢測電路應具有以下功能：產生微波信號送入射頻天線、射頻天線兩端信號相位差和幅度差測量、單元電路控制?；谏鲜龉δ苄枨螅O計的檢測電路總體結構如圖2 所示，包括以下幾個部分：上位機顯示、主控單元、射頻發(fā)射電路、射頻天線和信號采集電路。

圖2 檢測電路總體結構

上位機顯示的功能是下發(fā)命令和接收數據，其中下發(fā)命令是向主控單元下發(fā)各項參數，主控單元根據收到的命令參數驅動射頻發(fā)射電路產生相應頻率的微波信號，下發(fā)的頻率參數范圍為300～950 MHz。接收數據是將主控單元上傳的數據實時顯示。

主控單元的功能包括：驅動射頻發(fā)射電路產生相應頻率的微波信號、對信號采集電路輸出的兩路電壓進行模數轉換、與上位機進行數據通信。主控單元控制器采用的是 ST 公司的半導體處理器STM32F103C8T7，該微處理器的工作頻率為72 MHz，內置128 kB 的Flash 存儲器和20 kB 的SRAM，具有豐富的通用IO 端口[9]。同時其內部含有兩個12 位模數轉換器，九個外部輸入通道，三個USART 異步串行通用接口和兩個IIC 接口，完全能夠滿足主控單元的功能需求。

射頻發(fā)射電路的功能是與主控單元進行數據交換，并產生不同頻率的微波信號送入天線發(fā)射端和信號采集電路輸入端，電路如圖3 所示。采用的是ADI 公司的頻率合成器，該芯片可通過軟件設置的方式，輸出240～960 MHz 頻段的正弦波，同時具有FSK 和OOK 兩種調制方式，最高速率可達100 kbps，工作電壓為1.8～3.6 V。芯片通過3 號和4號引腳與微處理器進行數據讀寫，微處理器向芯片內部地址寫入不同參數，5 號引腳能輸出不同頻率的正弦波送入射頻天線發(fā)射端和信號采集電路輸入端。

圖3 射頻發(fā)射電路

射頻天線的功能是監(jiān)測混合流體持水率變化，流體持水率變化導致其相對介電常數發(fā)生變化，射頻天線上的微波信號會發(fā)生衰減[10]，天線兩端信號的相位和幅度就會改變。

信號采集電路的功能是對射頻發(fā)射電路和天線接收端送入的兩路信號INA 和INB 在內部進行相位和幅度測量，并將實時采集的相位差值和幅度差值送入主控單元，電路如圖4 所示。

圖4 信號采集電路

電路采用了ADI 公司用于幅度和相位測量的單片集成電路AD8302。該芯片主要是由精密匹配的兩個寬帶對數檢波器、一個相位檢波器、輸出放大器組、一個偏置單元和一個輸出參考電壓緩沖器等部分組成，能同時測量從低頻到2.7 GHz 頻率范圍內的兩路輸入信號之間的幅度比和相位差。如圖4 所示，AD8302 外部只需少量阻容器件便可工作，由INPA 和INPB 輸入兩路信號，通過VPHS 和VMAG 輸出兩路信號之間的相位差和幅度差（電壓值），并送入主控單元由微處理器進行模數轉換[11]。

4 試驗結果與分析

4.1 實驗室試驗

為了驗證開發(fā)設計的檢測電路可行性，先將不同體積的油和水按照間隔5%的比例混合攪拌，得到21 種測試樣本，持水率范圍為0～100%，再將同軸式射頻天線接入檢測電路，最后依次放入上述測試樣本進行試驗。在同一測試樣本中，電路依次輸出300～950 MHz 的微波信號，并記錄每個激發(fā)頻率測得的相位差值和幅度差值，而幅度差值與持水率不具有單調性，該試驗數據參考意義不大，此處不做說明。由于試驗數據較多，取其中相對有效的數據如表1 所示。由表1 可知，該檢測電路可輸出300～950 MHz 頻段的高頻信號，并將相位和幅度的測量集中在一塊集成電路上，大大簡化了復雜的幅相檢測系統，具有較好的集成度；在同一激發(fā)頻率，隨著混合流體持水率變化，微波信號的相位差值也發(fā)生變化；在不同激發(fā)頻率，當持水率不斷增加，相位差值的變化方向有所差異（增大或減小）。將表1 中的數據繪制曲線如圖5 所示。

表1 試驗數據表

圖5 持水率-相位差值曲線關系圖

由圖5 可知，微波信號的頻率為375、425、550、850 和925 MHz 時，持水率與相位差值存在單調關系；對比各條曲線發(fā)現，激發(fā)頻率為550 MHz 時，水和油的相位差值曲線分辨率最大，因此可選擇550 MHz 作為電路的最終激發(fā)頻率。設計的同軸式射頻天線具有良好的分辨率，在0～70%持水率分辨率為5%，超過70%分辨率為10%（天線分辨率即為探頭分辨率）。

4.2 實際測井試驗

將該檢測電路裝入機械結構形成完整的微波持水率測井儀，通過兩相流實驗裝置對儀器進行標定，根據標定結果制作測井數據解釋圖對實際測井曲線進行修正。在實際測井試驗中，采用該微波持水率儀器和電容持水率儀器對同一環(huán)空井進行測量，實際測井曲線對比如圖6 所示[12]。由圖6 可知，微波法持水率儀器的測量結果為含水82.2%，井口計量含水為84.6%，二者誤差為2.4%，原因可能是井口流體與各射孔段的溫度和礦化度不同導致的。溫度和礦化度變化都會影響流體相對介電常數，進而影響測量結果，礦化度是主要的影響原因。對比兩條測井曲線發(fā)現，電容法持水率測井儀顯示6 個射孔井段均微量產油，且每個射孔段產油變化都比較小，說明該儀器無法準確分辨每個層位的產出狀態(tài)；而微波法持水率儀器的測量結果在每個射孔段都有明顯變化，第1 個層位含水為11.44%，第4 個層位含水為99.47%，說明微波法持水率測井儀具有良好的高含水地層分辨能力，可提供相對可靠的油井剖面產出數據。

圖6 微波持水率測井儀與電容持水率測井儀測井曲線對比圖

5 結論

開發(fā)的檢測電路可輸出寬頻段范圍的高頻信號，并可實時檢測射頻天線上微波信號相位的變化，具有較好的集成度，同時開發(fā)的微波持水測井儀具有良好的地層含水分辨能力，有效地避免了電容法和電導法在測量時因井況不同而產生的測量誤差，為高產液注水井的持水率檢測提供了一種解決方案。

在實際測井時，由于地層水中含有大量鹽分和可溶礦物質，且隨著礦化度的升高，油水混合流體的相對介電常數會明顯下降[13]?；谖⒉ǚǖ南嘁铺匦詸z測流體持水率時，即使流體持水率不變，由礦化度變化引起介電常數變化，也會帶來相移計數誤差，從而影響持水率的準確測量。因此，如何減小礦化度對測量結果的影響，具有重要的研究意義。