水中原油含量在线检测方法研究*

吴秀山童仁园李 青*

(1.浙江省农村水利水电资源配置与调控关键技术重点实验室，浙江 杭州 310018；2.浙江水利水电学院电气工程学院，浙江 杭州 310018；3.中国计量大学，灾害监测技术与仪器国家地方联合工程实验室，浙江 杭州 310018)

我国是石油产出大国，但同时作为全球第一大能源消耗国，石油资源的大量开采导致我国已提前进入石油资源匮乏期[1]。 油田长期开采，地下油层压力下降，粘度增加，油井产量逐年下降，为确保油田开采的稳定高产，常采用高压注水的方法增加油田的地下油层压力，这势必导致开采出的油水混合物中水的占比增大，而原油占比减小，比如大庆油田，其开采出的油水混合物中原油占比仅为10%甚至5%以下。 原油含量直接影响原油的开采、脱水、计量、销售与冶炼，原油含量的测定对于确定油井出水、出油层位、估算原油产量以及预测油井开发寿命都具有重要意义[2]。 因此，原油含量的在线实时测量可以快速反映出油井的工作状态，在降低能耗与成本、实现油田高效率管理方面发挥着重要作用[3]。

目前传统的原油含量测量方法在高含水量情况下准确度亟需提高，这就迫切需要更精准有效的测量手段和测量仪器以实时提供可靠的测量数据。 原油含量测量技术主要分为离线检测和在线检测两大类。 离线检测也称人工检测，主要方法有:蒸馏法、电脱法和卡尔费休法，其过程繁琐复杂，取样数量有限，取样点不均匀，实时性差。 鉴于人工检测的限制性，各种在线检测的方法越来越受到人们的关注并成为研究热点之一。 目前原油含量在线检测的常用方法有:密度法[4]、电容法[5]、电导法[6－7]、微波法[8]、射线法[9－10]、超声波法[11]。 针对原油含量检测，国内外相关研究主要围绕测量方法的理论研究与测量仪器的设计两方面。

本文提出了一种基于超声波原理的在线检测方法，利用超声波良好的穿透性和方向性，把对原油含量的测量问题转化为对分层液体厚度的检测问题。测量系统的硬件电路主要包括超声脉冲发射和接收电路；软件主要包括FPGA 触发信号的产生、A/D 采集、数据处理算法以及上位机显示控制部分。 基于实验配置标准的不同原油含量的液体，通过采集超声波回波信号并分析发射波和接收波之间的关系来得到对应含油量；实时改变油水比例，可方便地从波形变化实现原油含量的在线实时准确测量。

1 超声波法测量原理分析

超声波法用于原油含量测量的原理是基于不同原油含量的油水混合物中超声波传播速度不同。 超声波法成本低、维护方便、对人体无伤害。 但是实际测量时，油、水很难完全混合均匀，这会导致测量结果不准确，而且标定实验和计算过程繁琐，不够直观。 由于油水密度不同，油水混合物会在短时间内分层，上层是密度较低的油，下层是密度较大的水，基于超声波在不同介质间的界面传播时会发生反射、折射和透射现象的原理，根据回波之间的时间差得到油层、水层厚度，从而实现原油含量的在线准确测量。

超声波通过不同介质的分界面时会发生反射和折射，并且反射和折射的角度由超声波入射的方向确定，为提高测量精度，采用超声波垂直入射方式，当超声波垂直入射到足够大的光滑平面上时，将在第一介质中产生与入射方向相反的反射波，在第二介质中产生与入射方向相同的透射波，原理如图1所示[12]。

图1 超声波垂直入射到不同介质界面处的传播特性

根据介质中声波一维方程有:

式中:pi、pr、pt分别表示入射波、反射波、透射波的声压，piA、prA、ptA分别是入射波、反射波和透射波的声压幅值，ki＝ω/ci表示i介质中的波数。

两介质中的声场声压分别为:

同理，介质中质点振动速度为:

式中:νiA、νrA、νtA表达式为:

根据声学边界条件，声压和声速在分界面(x＝0)处连续，则有:

由式(1)～(4)，可求出声压反射率r，同时也可得到声压透射率t:

式中:Z1、Z2分别为介质1、2 的声阻抗。

纵波在均匀且各向同性的固体介质中传播时，声强Isi表示为:

式中:ρ为介质密度，с为超声波在介质中的传播速度，A为质点振动幅度，ω为质点振动角频率(ω＝2πf)，ν为质点振动速度。 根据式(6)，可求出声强反射率Psi与声强透射率Tsi:

综上，超声波在不同介质界面处传播特性仅与介质的声阻抗有关。 下面对Z1、Z2的几种关系进行分析:

①当Z1≈Z2时，r≈0，t≈1，此时声波几乎全部传递到第二介质中，不会产生反射。

②当Z1≥Z2时，例如钢/空气界面，此时r≈－1，t≈0，Rsi≈1，Tsi≈0，说明当第一介质声阻抗远大于第二介质声阻抗时，声波在界面上几乎全部反射，不会产生透射，r<0 表明反射波方向与入射波方向相反。

2 系统总体方案设计

基于超声波反射法测量原油含量，针对超声波在不同介质界面处的传播特性，对超声测量方法优化改进，将对原油含量的测量转化为对分层油、水厚度的测量，并以FPGA 为控制核心，优化硬件电路设计，配合高速、高精度采样模块，设计低误差、高精度、集成化的测量系统，如图2 所示[13]。 探头选用具有收发一体功能、垂直入射工作方式的双晶直探头，选取纵波水浸探头，晶片尺寸为直径10 mm。 综合考虑穿透能力、晶粒尺寸和分辨率，选择20 MHz工作频率，并采用负尖脉冲激励，具体参数为:脉冲幅度400 V 以内，上升时间20 ns 左右。 脉冲宽度通常与超声波探头频率有着如下关系:

图2 系统总体框图

式中:f0为探头工作频率，n一般等于1，2a为脉冲宽度。

超声波应用中需要严格的时序控制才能保证系统的准确性，无论是发射电路的触发信号，还是控制放大电路的增益大小，都需要处理器具有并行工作的能力，根据超声波探头的工作频率，系统采用FPGA来实现[14]，其核心处理单元为Altera 公司的Cyclone IV 系列EP4CE10E22I8L，最大工作频率可达200 MHz。

系统采用的MOS 管脉冲发射电路如图3 所示。MOS 管的脉冲发射电路具有集成化、体积小、抗干扰能力强、波形失真小的优点。 输出的脉冲宽度可容易地通过FPGA 实时调节，达到最佳分辨率，且输出的脉冲幅值也可调节，从而可改变发射功率[15]。 电路工作原理为:首先由FPGA 产生脉冲控制信号给MOS驱动芯片ADP3654 的输入端INA、INB，经过驱动芯片升压后驱动MOS 管Q1，电容C2经过高压直流电源VH 充电达到电源电压，当OUTA、OUTB 的输出信号高电平到来时，Q1导通，电容C2通过电阻和二极管放电，在P1 上产生瞬间的高压负脉冲，激励超声波探头工作。 其中，耦合电容C3耐压应大于500 V。 稳压管V1、V2和电阻R5的作用是保护MOS 管。

图3 MOS 管脉冲发射电路

图4 是在衰减10 倍情况下的由示波器观察到的MOS 管脉冲发射电路的输出波形。 信号脉冲幅度可达－392 V，上升时间为18 ns，脉冲宽度为16 ns，完全满足系统设计要求，且波形稳定性很好[16]。 本设计所研制的测量系统的硬件实物图如图5 所示。

图4 MOS 管发射电路的脉冲输出波形

图5 实现的测量系统硬件电路

3 系统软件设计

软件的设计主要包括FPGA 与上位机之间的通信、超声波脉冲激励信号的产生、AD 采样、存储以及数据的处理等。 主要工作流程如图6 所示，首先对FPGA 上电，完成系统初始化工作，设置好上位机参数，检查串口是否打开，如果没有则打开串口，如果已经打开则控制FPGA 产生触发信号，发射电路工作并产生高压脉冲驱动超声波探头发出超声波。然后接收电路工作，同时扫描AD 采样芯片是否工作，如果没有则继续扫描，如果已经工作则存储采集到的数据，数据将被储存到RAM 中，当存储完毕后，利用PC 对数据进行读取，然后对数据进行处理，处理过程需要编写本系统所用的测量算法，计算被测物信息，最终显示测量结果。

图6 系统软件总体流程图

4 实验测量与数据分析

4.1 测量算法

当系统获得测量数据后，需要根据测量目的进行相应的数据处理，进行相应的测量算法编写，从而可以自动地准确得到测量结果。

实验装置简要结构如图7 所示，图中的hw为水层高度，ho为油层厚度，由于烧杯底部开孔，为保证探头和烧杯之间的密闭性，部分探头会进入烧杯内部，其长度为hd。 烧杯的内径为Rs，表面积S0＝π(Rs/2)2；探头外壳直径为rs，表面积S1＝π(rs/2)2。

图7 实验装置简图

当探头发出超声波后，声波首先通过水/油界面，产生反射波和透射波，反射波被探头接收，此反射波的声程为2(hw－hd)，透射波进入油层到达油/空气界面并再次产生反射波和透射波，反射波进入水层被探头接收，此反射波的声程为2(hw－hd＋ho)，透射波进入空气。 发射脉冲与第一个回波之间的信息表征探头到水/油界面的距离(hw－hd)，此时超声波在水中传播，声速为vw；第一个回波与第二个回波之间的信息是油层的厚度ho，此时超声波在油中传播，声速为vo。 在实际测量中，若得到发射脉冲与第一个回波之间的时间差t1，第一个回波与第二个回波之间的时间差t2，则可计算出含油量，具体计算过程如下:

因为水中有部分探头体积在内，水的真实体积为:Vw＝(S0·hw－S1·hd)，实际水的高度h′w＝Vw/S0，由于烧杯表面积固定，原油含量为W＝ho/(ho＋h′w)。准确得到t1、t2是测量的关键所在，使用波峰点作为回波到达时刻的方法更为准确。

从实验波形特征中得出，峰值处的波形振荡幅度最大，即方差最大。 设计中采用滑动窗方法定位回波峰值点，具体为:首先，对采样数据进行小波去噪，然后设置一定长度的矩形窗口，确定滑动步长，使窗口左侧与信号分析点重合，计算窗口中数据的方差并记录，然后让窗口向右按固定步长依次移动，每移动一次，计算窗口中数据的新方差，并与前一个方差进行比较，如果它们的差值大于设定的阈值，则说明矩形窗中包含了回波的波峰[17]。 使用这种方法，可以排除由于偶然性引起的搜索错误。

4.2 实验装置的标定

由测量算法的分析可知，要完成系统的测量与实验，必须对相关参数进行标定，包括水的密度ρw、油的密度ρo、水中声速νw、油中声速νo、烧杯内径Rs、探头直径rs、探头超出长度hd。

密度的标定是通过使用量筒和高精度电子秤的方法完成的，向量筒中加入固定体积的水或油，经过多次称重计算其平均值，其中水使用井水代替，其密度ρw为0.95 g/cm3，原油使用大庆油田原油，其密度为0.78 g/cm3。 声速的标定是通过观察超声波往返固定高度的水或油所需要的时间完成的，多次测量取其平均值， 得到常温下水中声速vw为1 444 m/s，油中声速vo为1 350 m/s。 长度的标定是通过游标卡尺完成的，经过多次测量取其平均值，得到烧杯内径为71.60 mm，探头直径为15.60 mm，探头超出长度hd为9.48 mm。

4.3 实验结果与分析

首先以含油率为5%为例进行实验，向烧杯中加入190 mL 水和10 mL 原油，测量系统采集回波数据并导入上位机。 采用小波去噪法，使用MATLAB软件得到去噪后的波形，如图8(a)所示，然后，使用滑动窗法进行波峰搜寻，定位波峰的位置并显示，寻峰后的波形如图8(b)所示。

图8 含油率为5%小波去噪后回波波形与峰值点

从图8(a)中可得出，水/油界面的回波幅值要明显小于油/空气界面第一次回波，这是由于介质的声阻抗决定的，由前面分析已得超声波在不同介质界面处的传播时，两种介质之间的声阻抗差异越大，其声压或声强反射率越大，透射率越小。 由于油、空气两种介质声阻抗的差异远大于油、水介质的声阻抗差异，所以出现该现象，与理论分析相吻合。 从图7中可得，第一个波峰和第二个波峰之间表征超声波探头到水/油界面的距离，第二个波峰至第三个波峰表征油层的厚度。 另外，在第三个波峰后还有一个回波，这个波是超声波经过油/空气界面第一次反射后，进入油/水界面再次反射，并再次到达油/空气界面发生第二次发射，在被超声波探头接收到，故图8中第二个波峰至第三个波峰和第三个波峰至第四个波峰之间均表征油层厚度信息。 利用式(9)，通过测量算法得到油的含量为5.12%，相对误差为2.4%。

按照同样方法，对不同油水比例，进行多组实验，实验数据如表1 所示。 为验证系统的可靠性，对5%的原油含量保持不变，仅改变原油和水的体积，每组试验重复5 次，实验数据如表2 所示，15 次测量的算术平均值为5.085 6%，方差为0.038 5。

表1 不同原油含量实验数据

表2 重复性实验

误差的主要来源之一是标定产生的误差。 实验过程中采用人工标定的方式，难免造成误差存在，另外，烧杯或者超声探头可能并不是等直径的，自身也存在一定的误差。 由于油水都是液体，其与不同介质形成的界面并不是理想的平面，实际上会有微小的凹陷或凸起，这会对液体厚度测量造成一定的误差。 温度对超声波在油水混合物中的传播速度具有一定影响，流动过程中的液面也不是理想平面，这将对系统在线实时测量带入误差，系统将基于不同实验引入补偿以减小误差。 但是以上实验结果完全说明了系统利用超声波测量原油含量可行、稳定，精度高，完全可以满足生产实际要求。

5 结论

本文根据超声波的特性，对超声波在不同介质界面处的传播状态进行了研究，并给出理论分析模型，利用超声波在不同介质界面传播时会发生反射的原理，将目前高含水原油的油含量测量转化为对分层液体厚度的检测，并设计基于超声波反射法的高含水油水混合物原油含量测量系统。 系统采用20 MHz 超声波探头、超声脉冲发射电路和接收电路；软件设计主要包括了FPGA 触发信号的产生、A/D 采样、数据处理算法以及上位机显示控制部分。 搭建了由超声探头、支撑架、固定架和实验器皿组成的实验系统，对0～10%不同原油含量油水混合物进行测量，结果表明测量误差在2.5%以内，对同一比例油水混合物进行重复性实验，结果表明重复性良好；实时改变油水比例，可观察到波形变化关系，表明系统对高含水油水混合物原油含量能够实现实时在线准确测量。