射频法原油含水率测量仪的优化设计

孙娅娅，党瑞荣，韩宏军，古光明

（1.西安石油大学，陕西西安 710065；2.胜利油田石油工程技术研究院，山东东营 257000）

在原油开采过程中，石油和大量的水（高含水条件）同时生产的情况经常遇到，而传统的生产方法则是在表面处理大量产生的水[1]，由于含水率高，水是连续介质，油则以油滴或液滴的形式存在，这对含水率的在线测量加大了难度。而准确的原油含水率数据能够反映出油井的工作状态，可以准确的确定油井出水情况，估计原油产量，预测油井的开发寿命[2]，提高生产效率以及产量。为了能够及时了解和掌握生产状况，以便采取相关措施[3]，含水率的测量变得至关重要。

在含水率较低时，常用的含水率测量方法有测重法、电导率法、微波法等[4]；在含水率较高时，采用的含水分析仪主要为低能源法和短波吸收法[5，6]。射频法根据水和油的介电常数的不同，可以间接的准确测量出0%～100%的含水率。而本设计在对射频原油含水率测量理论的基础上，进行原油含水率测量系统的优化设计，确定出只适用于射频法测量原油含水率的最佳工作频率，为30 MHz～35 MHz；并通过实际含水率与测量结果相比较，加上大量的实验数据及分析计算，总结出测量结果与含水率之间的变化规律，最终实现了原油含水率的在线测量，测量精度可达到1.05%，为射频法原油含水率测量技术的进一步深入研究打下坚实基础。

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：

其中：-磁场强度，A/m；-电场强度，V/m；εc-媒质的复介电常数；μ-磁导率-虚数单位[7]；ω-角频率，rad/s；σ-电导率，S/m。考虑本构关系后对上述方程组求解可得到导电媒质中的赫姆霍兹方程：

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-幅度衰减常数，N/m；β-相位常数，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]，所以在本设计中系统频率的确定起着至关重要的作用。

由以上推论可知电磁波在不同的介电常数的混合介质中的传播特性不同。而在原油的开采过程中，产出液的主要成分是油和水，油的介电常数约为2.3，而水的介电常数为80[9]，它们的差异较大，若将其按不同比例混合，则混合后的相对介电常数也会随之变化，测量结果也会有所不同，而且这种变化与含水率的大小有关，由于电磁信号对不同介电常数的响应特性不同，因而根据电磁响应特性就可确定混合介质中的油水关系。更重要的是：当天线结构和测量电路确定后，频率的选取直接影响到测量结果的准确性。本文在三线结构和电路优化的基础上，通过大量测试和分析，优选了测量频率，对不同比例的油水混合流体的含水率进行了测量，得到了委肮的测量精度，其最大相对误差为1.05%。

2 测量系统组成

本系统主要框架由四部分组成（见图1），分别为：信号发射部分、数据接收部分、显示部分和存储部分。首先由主控芯片STM32f103zet6控制射频发射器DDS芯片AD9851作为信号源，为系统提供所需激励，再经过信号放大器及功率放大器将信号放大，然后将信号传输到发射天线，当射频信号经发射天线发射到被测介质（一般为油水混合液）中，接收天线就会接收到经过被测介质之后的测量信号，由于接收信号将会随着被测介质的介电常数的不同所产生的信号不同，所以将这种微小的差异经过放大、检波，然后通过AD采样将信号送入控制系统中，再对数据进行一系列的处理及计算，得到最终测量结果，并将其通过显示器和存储器进行显示和存储，最终得到油水混合介质中的油水的不同比例。然后通过多次重复实验，将测量数据进行校验及改进，计算可得出不同比例的油、水混合物所对应的关系表达式，从而达到系统的稳定性以及精确度。

图1 系统框图

3 测量结果

综上所述设此系统的线性关系式为：

其中y表示含水率的百分比，x为系统所测得的接收天线上的AD采样值；本实验可通过对不同比例的油水混合介质的多次采样测量，利用Matlab进行数据拟合，可以得到上述关系式的常数项系数值，而系统计算过程主要由主控芯片STM32完成，再通过一系列的数据处理，最终显示含水率的百分比，具体测量数据（见表 1）。

3.1 系统频率的确定

在不同的频率条件下，分别测得接收天线在空气中和水中所接收到的电压值，然后将其做差，通过比较不同频率下的水和空气中的差值，可以明显看到，频率在31 MHz时其差值最大；可知在频率为31 MHz的情况下，系统工作效率达到最佳，所以本实验最终选取31 MHz作为系统频率（见图2）。

3.2 相关参数的确定

在实验过程中配制了不同比例的油水混合液进行测量，测量结果（见表2），可以看出在不同比例的油水混合液中所测得的几组测量值具有巨大的差异，而且其变化趋势呈线性关系（见图3）。经过多次重复测量，将这些所测得的数据根据理论知识进行线性拟合，最终通过Matlab进行数据拟合得出式（7）中的常数项系数值如下：k1=-0.141 8，k2=7.057 1，k3=130.318 3，k4=-15.267 3，k5=78.6543，b=916.440 7。

4 结语

经过不断地测量及对数据的处理和标定，所设计的射频含水率测量仪为后续的原油含水率的测量带来了方便，提高了产量，也为更精确、更稳定的测得原油含水率提供了基础途径，比起其他方式的原油含水测量仪，具有测量速度快、功能强、易操作等优势。本设计在以后的测量过程中，也为大家节约了时间，在使用射频法测量原油含水率时无需再找最适合此方法的频率值。同时本测量仪具有较强的推广能力和广泛的应用前景。目前本设计已在油田生产中投入使用。

表1 系统最佳频率的确定

图2 频率的确定

表2 实际含水率与测量值的关系

图3 含水率实际值与测量值的关系分布图

参考文献：

[1]M.J.van der Zande，P.H.Janssen，W.M.G.T.van den Broek.Size of Oil Droplets Under High-Water-Cut Conditions[D].Oklahoma City，Society of Petroileum Engineers，2001.

[2]于海斌，曾鹏，梁斡.智能无线传感器网络系统[M].北京：电子工业出版社，2000.

[3]陈平.钻井与完井工程[M].北京：石油工业出版社，2005.

[4]王国庆，张健.原油含水分析仪技术发展现状[J].油气田地面工程，2004，23（5）：33.

[5]GardnerCMK，DeanTJ，CooperJD.Soil water content measurement with a high frequency capacitance sensr[J].JournalofAgriculturalEngineering Research，1998，71（4）：395-403.

[6]Gaskin GJ，MillerJD.Measurement of soil water content using as implified impedance measuring technique [J].Journal of Agri-cultural Engineering Research，1996，63（2）：153-159.

[7]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社，1999：173.

[8]杨显清，赵家升，王园.电磁场与电磁波[M].北京：国防工业出版社，2006：64-66.

[9]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.