射频法原油含水率频率参数优化

党瑞荣，徐 鑫

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

石油中混合大量的水，在原油开采和生产过程中，是经常遇到的，这就是常说的高含水的情况。由于水是连续介质，而油则是以油滴的形式存在，这就加大了高含水下原油的测量，所以测量提高含水率的测量范围是目前面临的重中之重的问题。这样就可以准确的反应油井的工作状态，估算油井产量，提高油井产量以及生产效率。为了能够实时监测油井的工作状态，便于采取应对措施，提高含水率测量范围变得尤为重要。

在当前世界上，原油是最为重要的战略资源之一，对于各国的发展和综合实力的提升都具有不容忽视的重要意义。我们之前一直致力于测量方法以及测量仪器的改变，却忽视了一些小的参数的改变对于原油含水率的测量影响更大的问题。现在测量原油含水率的方法已经很先进了，像从电容法、电导法、微波法、射频法以及波导法等一系列的在使用改进的方法，所以对于内部参数的调整也可以进行考虑。在原油生产过程中，为了能够准确评价油井的产能、监测工作状态、合理高效地开采油气资源，需要对许多生产参数进行测量和优化，这些参数测量对于石油的开采、脱水和集输等具有重要的意义。对这些参数的测量与优化就成了迫切的问题。

1 测量原理

基于电磁波的传播理论，因为油和水均为导电媒质，所以根据电磁波在导电媒质中的传播特性，其麦克斯韦方程组为：

由上式经过一系列的运算可推导出幅度衰减常数α和相位常数β分别如下：

其中α为幅度衰减常数，单位为Np/m，β为相位常数，单位为rad/m。可见，α和β不仅与煤质参数ε、μ、σ有关，还与波的频率有复杂性的关系[8]，所以在本论文中频率参数的选定尤为重要。

从以上的公式与结论说明电磁波在不同介电常数的媒质中传播特性不同。利用这一特性可以有效的测量原油含水率，因为随着水、油本身的介电常数的就差异较大，且随着原油的混合比例不同，它的介电常数也不同，所以就可以用来测量原油含水率。而且这一特性也与频率这一参数也有很大的关系，在不同频率下对于同种混合比例的原油测出来的含水率结果是明显不同的。所以当天线和测量系统固定，频率参数就可以影响原油含水率的测量结果的准确性。通过试验的测量与分析，改变频率参数可以对不同比例的混合流体的含水率进行测量，从而实现和提高含水率测量范围。

2 试验系统

首先，根据仪器尺寸以及功能需求，选取合适材质管道，进行试验平台搭建。试验平台应包括动力系统、循环系统、试验液注入和回收口。本文的试验系统如图1所示。电路板主要由信号发射模块、AD信号采集取样模块、电源供电模块和数据传输与处理模块几部分组成。首先电路板由控制射频发射器LC振荡电路作为信号发射模块。为带动负载，给系统带来激励，发射信号经过运放模块被放大，增加信号的稳定。再将得到的稳定的信号传输到发射天线的接受座子上，然后发射射频信号经过被测介质后，以电磁波的形式进行传播。再通过接收天线得到经过介质后的信号，然后传入主控芯片stm32f103zet6。因为被测介质的介电常数的不同，所以接收天线得到的信号就会表现出不同的幅度电压信号。然后对这些微弱信号进行放大，滤波，再通过AD模块将采样信号输入系统中。最后将数据进行整合和简单正确处理，观察规律，最终得出结论。然后通过多次重复试验，将测量数据进行校验及改进。

图1 试验系统图

3 测量结果与校正

图2～图4是不同频率下射频含水率测量的幅度的不同曲线图（分别在频率为380MHz、30MHz、20MHz情况下的原油含水率曲线图）。

图2 380MHz幅度电压含水率曲线图

图3 30MHz幅度电压含水率曲线图

图4 20MHz幅度电压含水率曲线图

从图2、图3和图4看出380MHz的幅度电压含水率曲线起伏不稳定，有拐点，且最大值与最小值之间区分度不大，才200多mV。经过继续试验发现，频率越高越容易出现拐点，与要求不相符；30MHz幅度电压含水率曲线图要比380MHz要好很多，但相比于20MHz幅度电压含水率曲线还差一些。20MHz时总体区分度很大，基本上成单调的趋势。通过优化频率参数避开了高含水和低含水容易出现的拐点现象，并且加大整体的区分度，明显改善提高了原油含水率测量的范围。测量过程中会有误差，此时可以在硬件和软件两方面来减小对测量的误差。硬件方面可以通过滤波、放大信号、更换芯片来达到减小误差的目的；软件可以通过程序进行弥补，这就是经常说的数据处理。就像本文中原油含水率的测量，可以用同时观察相位和幅度来进行数据优化，也可以进行拟合来减小误差。虽然误差不能完全去除，但可以尽量去减小误差，达到实验的严谨性。

4 结语

经过不断的试验以及对数据的相关处理，在含水率0%～100%的测量范围下，找到了适合该范围测量的最佳频率参数为20MHz。在此频率下监测原油含水率，能够很好的提高产量，也能为含水率测量提供了稳定的平台。同时20MHz频率下高含水，低含水都能较好的测量，也验证了优化频率参数的重要性。（本文设计的已在石油开采中使用）。