基于射频幅值法的原油含水率测量系统研究

党瑞荣，姜海潮，韩宏军，孙娅娅

(西安石油大学，陕西西安 710065)

随着能源需求的不断增强，石油勘探和开发技术的快速发展，油田的主力厚油层已全面见水，各大油田相继进入采出液高含水5段。原油含水率作为油田开采、原油生产炼化、制定钻井计划中的重要决策数据之一，其准确测量可用于合理评估油井产能，追踪油井储层变化，以便后续及时依照实际情况制定开采方案，从而节省人力物力，使油井始终处于最佳生产状态。基于此工业背景，研制出一种适用于自动化石油工业发展、适用于油井开采中后期高含水现状的高精度测含水仪器显得尤为必要。

现5段，我国油井产出液含水率测量手段主要分为人工离线法及在线测量法，多采用人工离线的蒸馏法。而蒸馏法作为一种实验室测量法，精确度高，但由于其需要采样，测量时间间隔长，样品代表性较差，不具备实效性，浪费人力物力，不能满足油田逐渐向现代化、智能化发展的要求。目前，自动化的在线测量方法越来越被人们所关注，但受制造工艺及测量原理等因素的限制性，其应用范围及条件都有不可修复的局限性，不同测量方法比较(见表1)。

表1 不同在线原油含水率测量方法比较

在线测量原油含水率体系中，射频法通过混合流体中因含水不同所体现出的相对介电常数变化，间接测量油田产出液的含水率。根据此原理研制出的测量装置，由于响应快，造价低，设备结构简单，易操作，十分适用于我国现5段油田现场。本文提出一种基于射频幅值法的原油含水率测量系统，进行射频法含水率测量传感器的优化设计，确定出该装置的最佳工作频率；并通过一系列室内实验测试所得数据的分析及计算，证明该方法性能可靠，具有可行性[1-6]。

1 电磁波在混合介质传输特性

由于常温常压情况下，纯油的介电常数为2.5左右，纯水约为80，两者相差较大，导致不同含水量下的油水混合液的介电常数随之发生改变。当对混合介质施加垂直方向的电场时，相对介电常数作为介质的一种微波特性，因含水不同而发生改变，应用最广泛的如式(1)所示：

式中：D-含水率；ε1、ε2-纯油、纯水介电常数。

但由于油水两相混合时状态与结构相对复杂，根据油水结构不同可分为油包水，水包油，同时还会受流速，温度等影响，可等效为电极化场不同取向状态方便计算，常温常压下，相对介电常数如式(2)所示：

式中：k-常数，由油水混合液含水率决定。

经式(2)计算，不同含水百分比下混合液相对介电常数(见表2)，变化曲线(见图1)。

表2 不同含水百分比油水混合液相对介电常数

图1 不同含水百分比油水混合液相对介电常数

又因纯油与纯水都为绝缘体，但由于有大量矿物质成分存在于混合流体内含的地层水中，使产出液具备导电性。假设均匀平面电磁波传入σ≠0的油水混合介质中时，其传播特性与介质的电参数(介电常数、电导率)有关。对于油水混合物而言，电磁波振幅与相位的损耗主要取决于其相对介电常数。又因水分子极化程度极强，波会因含水不同而在介质中传播时随时间推移产生不同程度的明显衰减，且磁场相位相较于电场产生滞后(见图2)。

损耗程度依据电磁场理论可知，有衰减常数α与相位常数β，分别如式(3)、(4)所示：

式中：ω-角速度, 且 ω=2πf；μr、εr、σr-介质的相对电参数，由油水混合比例决定。

图2 油水混合液中沿z方向传播的电磁场

因此依据理论，可通过电磁波在导电的油水混合物中传播时产生的幅值或相位损耗，间接得到油井产出原油的含水数据。

2 测量系统确定

为能动态实时地监测管道内原油含水状态，该测量系统使用平行的双单极子全向天线作为传感器置于管道内，并将电磁波发射至油水混合物中，系统框架(见图3)。系统需采用主控单元激励射频发生电路，从而在发射机天线加载射频信号。

电能经发射机单极子天线转换为可辐射至介质中的电磁波，在油水混合介质内传播时产生衰减，损耗后电磁波产生相应的幅值衰减和相位移动可通过接收机感应。通过外接电路将衰减后信号与原产生信号传入幅值检波器中进行检测及比较，经接收电路，及一系列信号处理后，通过模数转换转为数字信号，最终得到系统含水响应数值并输出。

图3 原油含水率测量框架图

其中，传感器的材质需尽量选择导电性能好、电阻率低的金属材料，如银、铜、铝。出于今后将投入工业生产的考虑，需要降低成本，以及铝材质更适用于制作八木天线的考虑，本系统采用25 cm的实心铜棒作为发射及接收机天线。检测电路采用芯片AD8302，它是一款相位对比检测芯片，内部自带温度补偿，输入频率范围可达到100 kHz～1 000 MHz。该芯片可将传感器上相位差转化为电压信号输出，检测公式如式(5)。

式中：VPHS-最终所得电压信号；Φ(VINA)、Φ(VINB)-端口接收的原始信号和传感器传来的高频信号。

3 实验测试及分析

为进一步分析天线发出电磁波与油水混合介质的相对介电常数关系，客观了解系统测试能力，利用实验室现有平台，搭建测试系统，设计出两套实验。

(1)在发射机天线上加载不同射频值，目的是测试出能使油水混合物介电常数呈现最大区分。多次测试不同频率下纯油与纯水的系统响应值并取平均值，再取绝对值后的幅值变化差值，数据(见表3)，变化曲线(见图4)。

表3 不同频率下的纯油纯水响应值

图4 不同频率下纯油纯水响应值

结果表明，在20 MHz～30 MHz范围内，发射机天线发射电磁波的幅值损耗在含水率为0的纯油及含水率为100%的纯水中表现出最大差异。出于对发射功率及k激励源选择的考虑，最终选择30 MHz作为激励频率。

(2)确定频率为30 MHz，将纯油与纯水按照五种不同比例混合制成实验液，测试在不同含水率的油水混合液下本测量系统的工作状态，对其性能进行进一步剖析，从而验证该测量系统的准确性及可行性。实验结果(见表4、图5)。

表4 不同含水油品区分度

图5 不同含水油品下区分度变化

实验结果表明，系统在测量低含水及高含水率时区分度约为100 mV，能保持线性，基本能满足现场需求。根据数据可知，其中含水范围内该测量系统测量结果不够理想。同时，此数据对比不同频率下纯油纯水的系统响应值也有所差别，通过分析得，导致此不稳定问题的原因可能是由于传感器长时间直接接触被测介质，被稠油覆盖影响测量结果，后续可通过设计介电常数不干扰测量系统的传感器保护套，以使系统的稳定性得到提高。

4 结论

(1)本文提出的测量系统构建幅值信号的检测模型，结合射频法及电磁衰减法，消除传统方法测量范围有限、不连续测量的缺点，适用于测量我国现5段高含水油田的产出液含水率。后续设计可进行传感器参数优化，减少误差，提高稳定性及准确性。

(2)将油水混合介质置于传感器中，使混合介质通过时电磁波的衰减信号转换为电信号，实现精确测量。通过实验可知，油水混合物含水率与幅值衰减呈显著线性关系，可利用牛顿插值法，继续进行输出响应值的线性拟合，更直观显示含水数值。

(3)根据实验数据可知该仪器在20%～60%含水率测量中误差较大，可能由于此时油的流动状态影响与水的融合情况较为复杂，需进一步深入研究。可考虑多传感器融合技术，在该范围使用适合于中含水5段，但易受矿化物影响的，同为电参数测量方法的电导法原油含水率测量传感器。

参考文献：

［1］杨显清，赵家升，王园，等.电磁场与电磁波［M］.北京：国防工业出版社，2006:64-69.

［2］黄正华.油水混合介质相对介电常数的研究［J］.油气田地面工程，2000，19(2)：8-16.

［3］张乃禄.原油含水率测量技术及其进展［J］.石油工业技术监督，2005，21(11)：25-28.

［4］孙克辉，杨欣荣，凌玉华，等.含水重油电介质的极化机理研究［J］.中国有色金属学报，1997，7(3)：90.

［5］陆国强，郑志受，武俊青，等.智能化射频原油含水率测量仪［J］.计量技术，1990，(8):19-20.

［6］徐凯.基于电磁检测技术的导电液体参数测量［D］.天津：天津大学，2012.