温度对相位法微波含水率传感器检测精度的影响研究

董鹏敏,田 宝

(西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065)

温度对相位法微波含水率传感器检测精度的影响研究

董鹏敏,田 宝

(西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065)

目前，国内大多数油田已经进入贫油高水阶段，油井采出液中原油水含量日趋增加。以往应用的电容式含水率检测传感器在工作稳定性和精度方面，已无法满足高含水原油的检测需要。采用相位法微波含水率检测传感器检测高含水原油含水率，具有分辨率更高、测量更精确的优点。针对相位法高含水原油含水率微波检测传感器，利用微波传感器的相位作用特性进行试验，研究了温度对相位法微波传感器检测精度的影响。通过对试验结果的处理，拟合出对应变化曲线方程，获得原油含水率与温度的变化规律。利用试验所得规律，可将相位法微波含水率传感器检测精度提高至3%,为提高原油含水率检测精度的研究提供了必要的校正参数和理论依据。

油田； 原油含水率； 相位法； 传感器； 精度； 温度； 分辨率

0 引言

当前，我国采油作业已进入到一个高含水时期[1]。国内油田中大多数油井采出液的含水率已接近经济开采极限，而原油含水率的准确测量直接影响到原油的开采、检测、脱水、运输以及销售等方面，因此迫切需要提高原油含水率在线测量精度[2]。目前普遍采用微波传感器作为高含水原油含水率传感器，但微波传感器在检测中对温度十分敏感[3-4]。因此，深入研究温度对微波传感器检测精度的影响规律，对提高原油含水量检测精度具有重要意义[5]。

1 相位法微波含水率检测传感器原理

相位法微波含水率检测传感器针对高含水油田动态监测的需要，利用微波在不同介质中传输相位特性发生变化的原理[6]，通过测量相位的移相量来判断其含水率[7]。相位法微波含水率传感器的工作原理如图1所示。

图1 传感器工作原理图

2 微波传感器温度影响试验

2.1 试验目的

应用相位法微波传感器，针对高含水原油含水率检测过程，通过微波传感器温度影响试验获得温度对含水率检测精度的影响规律。

2.2 试验器材选择

试验器材如下：500 mL烧杯若干，电子温度计一个，玻璃棒，胶头滴管，电子称一台，微波含水率检测传感器一个，OP-10乳化剂若干，基础油若干，水(蒸馏水)，控温装置(恒温水浴锅)一台。

2.3 试验方案设计

在常温常压条件下，被测液体按基础油7.2%、蒸馏水92.8%的比例进行配比，测量并记录被测液体温度，用玻璃棒搅拌均匀后，迅速将相位法微波含水率检测传感器探入被测液体中进行测量，待数据稳定后记录数据；完成数据记录后，再次打开恒温水浴锅，将温度调整至下一试验温度，等温度达到稳定后，记录温度和含水率数据。重复上述试验步骤，直至温度调整至既定温度值，完成第一组试验。

为提高试验效率，应在不影响试验效果的前提下尽量精简试验。因此，对混合液的配比过程进行优化，在前一组混合液混合比例的基础上增加基础油含量、减少蒸馏水含量，以配制不同含水率混合液。后续试验与第一组试验相比，试验介质从双项低含油介质变为双项高含油介质。因此在配置过程中必须添加对应的乳化剂，使油水均匀混合，为试验的准确测量奠定基础。在温度控制方面，以第一组试验为参照，达到精简试验的目的[8]。

试验中，采用恒温水浴锅对水加热，使整个烧杯受热均匀。在受热过程中，将不同温度的原油看作不同种类的介质，相位法微波传感器通过无线信号发射装置[9]发射出某一频率微波信号，通过不同温度原油后返回，经无线信号接收装置传输至计算机进行处理[10]。

试验方案如图2所示。

图2 试验方案示意图

3 仪器标定

一般现场检测的温度范围为24～80 ℃，在该温度范围内取6个温度点作为试验温度，分别为24 ℃、34 ℃、43 ℃、55 ℃、66 ℃、77 ℃。由于该试验主要针对的是高含水率的原油，因此对于该段含水率从100%到40%的区间，分别取6个不同的、具有代表性的含水率数据。对该数据分类后得到的标定数据表如表1所示。

表1 标定数据记录表

利用五阶六项式进行回归、逼近，首先建立逼近模型[11]：

δT=α0(T)+α1(T)δ+α2(T)δ2+α3(T)δ3+α4(T)δ4+α5(T)δ5

(1)

式中：T为测量温度,T=T1,T2,…,T6,T1～T6分别为6个检测温度点；δT为对应温度下油水混合液的真实含水率；δ为对应温度下油水混合液的测量值；α0～α5为温度系数。

将计算得到的所有温度系数代入式(1)，得到校准方程(2)，对传感器自身存在的误差进行校准。

δT=(31.167 7-3.085 2T+0.119 4T2-0.002 3T3)+[6.788 9×104-(0.696×104)T+(0.027 8×104)T2-(0.000 5×104)T3]δ+[2.337 5×104-(0.032 15×104)T+(0.009 4×104)T2-(0.000 2×104)T3]δ2+[3.154 9×104-(0.032 15×104)T+(0.012 7×104)T2-(0.000 2×104)T3]δ3+(201.172 3-13.465 5T+0.317 7T2-0.002 9T3)δ4+[(4.725×103)-(0.479×103)T+(0.018 8×103)T2-(0.004×103)T3]δ5

(2)

4 试验数据分析

通过上述试验，获得大量温度对微波传感器测量精度影响的试验数据并对其进行分析，发现在高含水条件下，相位法微波传感器的含水率随温度的变化趋势如图3所示。

图3 含水率随温度变化趋势图

通过对图3分析可以发现，在温度不断升高的过程中，所测得的含水率呈下降趋势。

为获得精准的影响曲线规律，筛选出每个曲线中的重要数据[12]，并对该数据进行线性拟合。试验数据提取表如表2所示。

表2 试验数据提取表

针对变化曲线斜率与对应的含水率的关系，建立五阶六次式：

k=aδ5+bδ4+cδ3+dδ2+eδ+f

(3)

通过式(3)，对表2中的数据进行拟合，最终可以求得含水率变化速率k和与其对应含水率的关系为：

k=-12.270 1δ5+37.258 75δ4-43.606 8δ3+ 23.634δ2-5.964 6δ+0.364 4

(4)

由于水和原油的介电常数不同，因此不同含水率原油的介电常数也不相同，所以对试验对象进行标定后，数据的变化主要由介电常数在不同温度下发生的改变所引起。据此，可以得到不同含水率下的含水率随温度变化速率k和含水率之间的关系如图4所示。

图4 含水率变化速率k与含水率关系图

通过掌握温度对相位法微波原油含水率检测传感器的影响关系，对传感器进行了软件自修正。通过2 500多次试验数据分析，所修正的相位系数得到了明显改善，相位法微波含水率检测传感器测量精度提高至3%，完全满足了目前的现场生产要求。

5 结束语

通过分析图3，可得出不同温度下原油含水率测量值的变化趋势。综合试验结果可看出，随着温度的升高，相位法微波传感器所测得的高含水原油含水率值按一定的线性规律递减，且不同含水率下其递减趋势满足五阶六项函数。通过这一函数，可以得到某一含水率下含水率测量值随温度变化而变化的规律，为相位法微波含水率检测传感器检测精度的进一步研究，提供可靠的校准参数和理论依据[13]。

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Research on the Influence of Temperature on the Detection Precision of Microwave Moisture Content Sensor Based on Phase Method

DONG Pengmin,TIAN Bao

(School of Mechanical Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

At present，most of the oil fields in China have entered the phase of poor oil content and high water content;the moisture content in crude oil is increasing in the produced liquid,so the capacitance sensor of moisture content detection used in the past cannot meet the detection requirements of working stability and accuracy for such high moisture crude oil. The microwave moisture content sensor based on phase method is used for moisture detection of the high moisture crude oil, which features higher resolution and higher accuracy.According to the microwave sensor using phase method,by using its phase action characteristics,the test is conducted,and the influence of temperature on the detection accuracy is studied.Through processing the test result,the corresponding varying curve equation is fitted;the law of change between moisture content and temperature is obtained.By adopting the regularity obtained by the test,the detection accuracy of such sensor is enhanced up to 3%,necessary correction parameters and theoretical basis are provided for the research on improving detection precision of the moisture content in crude oil.

Oil field; Crude oil moisture content; Phase detection method； Sensor; Precision; Temperature; Resolution

陕西省自然科学基础研究计划基金资助项目(2016ZDJC-11)、西安石油大学硕士研究生创新基金资助项目(2015cx140430)

董鹏敏(1961—)，男，硕士，副教授，主要从事石油装备设计制造及检测技术方向的研究。E-mail：1398533820@qq.com。 田宝(通信作者)，男，在读硕士研究生，主要从事石油装备设计制造及检测技术方向的研究。E-mail：405769139@qq.com。

TH89;TP212.9

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704014

修改稿收到日期：2016-12-19