高温高压环境下原油含水率的测量优化
Measurement Opt i m i zat i on of Water Cut of Crude O i l Under H i gh Temperature
and H i gh Pressure 汪功维冯旭东薛朝霞王航超闫错(西安石油大学电子工程学院，陕西西安710065)
摘要：所研制的含水率测量仪是基于高频电磁波对不同混合比例的油水敏感性不同，从而实现原油含水率的测量遥通过改
进测量管段內电磁传感器的结构，对井下电路板的温度进行补偿，从而实现整个测量装置在井下高温高压环境下稳定工作遥 关键词：电磁波；温度补偿；电磁传感器
电缆架空支架Abstract :The water cut measur i n g instrument developed in th is papers based on the d ifferent sens i t iv i ty of h i g h fre
quency electromagnet i c wave to o i l and water w i t h d i f ferent m i x i n g rat i o ,so as to real i z e the measurement of water cut in
crude o i l.By improv i n g the structure of the electromagnet ic sensorn the measur i n g p ipe sect i o n,the temperature of the c i r - cu it boards compensated,so that the whole measur i n g dev i c e can work stably under h igh temperature and h i g h pressure.
Keywords :electromagnet i c wave,temperature compensat ion,electromagnet ic sensor
原油含水率是石油开发过程中的重要指标，尤其是我国油 田的开采已经步入了中后期，在二次开发的时候，普遍采用注水 开发的方式，这就导致油井产岀液中含水率越来越高，综合含水 率超过80%［1］，因此推动原油含水率的测量，对提高油田生产工 艺、制定生产计划、预估原油产量、预测油井开发寿命有着重要 的意义。原油含水率的在线测量方法主要有射频法、射线法、微 波法、电容法和电导法等［2］遥高频电磁波法是属于射频法的一
种，其测量范围宽、响应速度快。本文通过改进测量装置及数据 处理方式，有效降低了测量误差，提高了含水率测量装置在油田
现场的适用性。
1.1测量原理
由于原油当中含有矿物质，所以水和油都是导电媒质。由平 面电磁波在无界媒质中的传输理论，可知麦克斯韦方程组为：
荦 xH=bE+jw 着c E
(1)V xE=-jw 滋H
(2)V-H=0 (3)V •E=0
(4)
其中H-磁场强度；E-电场强度；滓为电导率；着。=着-躁滓，其 棕
中着c 为复介电常数，棕-角频率,rad/s ；滋-磁导率；由以上四式 可以导岀导电媒质中的齐次亥姆霍兹方程［3］：
22
V E +棕 滋着c 耘=0 (5)22
V H +棕滋着屮=0
(6)
通过对赫姆霍兹方程经过一系列的运算以及推导可以得岀衰减常数琢和相位衰减常数茁：
十号［姨1+£2-1］
(7)
国家自然基金项目"时域电磁法多分量储层在线监测”资助(41874158)
茁=棕姨号［姨1+(加圆-1］ (8)
由以上公式可知幅度衰减常数琢和相位衰减常数茁不仅 与媒质参数着、滋、滓有关，还与波的频率有关。
1.2硬件系统组成
整体的硬件设计如图1所示，射频激励信号采用的是石英晶 体振荡电路，由于这种电路具有很强的稳定性，带负载能力强，且 能产生较大范围内的正弦波，满足含水率测量仪设计的需求遥信
号激励模块产生的信号经过放大滤波之后， 将其传输给发射天 线。在管道内安装了两根沿母线方向相
互平行的射频天线，当发
射端的信号经过油水混合介质后，由于不同混合比例的介电常数 不同，由电磁波传输理论，幅度相位衰减也不同。接收天线会检测
到介质中回馈的电磁波信号，之后经过放大和滤波，进而与发射 端的信号一起作为幅度相位检波模块的输入，检波模块的输岀会
经过A/D 采集并且传输给主控MCU ，经过线性拟合等计算，最 终在上位机上显示岀具体的含水率值。由于水的介电常数会因为 温度的变化而变化，当温度升高时，水的介电常数会减小，这也就
导致最终的测量结果比实际值偏小，所以我们在电路中设计了温
度检测电路，能实时的检测到温度值并且传送给MCU ，由MCU 经过算法对温度进行补偿，从而达到更准确测量含水率的目的。
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图1
2高温高压环境下测量系统的优化
由于油田实际的生产环境很复杂，尤其是在井下，经常是高
温高压的情况, 这就要求我们所研制的石油仪器在井下复杂的
工况下必须保持稳定性，这就涉及到高温高压对仪器稳定性和
精确度的优化。
2.1温度补偿及高温下系统稳定性
射频法原油含水率测量主要依据是电磁波对介电常数敏
感，从而实现含水率的检测。由前面的分析我们知道原油的介电
常数不会随着温度变化, 而水的介电常数随着温度的升高而降 低, 为了减少温度对测量结果的影响, 就必须设计温度检测电
路，对温度进行实时监测并且通过AD采集传送给微处理器，并且通过软件校正的方法进行温度补偿。
采用钳膜电阻PT1000作为温度传感器，并且通过ADS1247芯片对温度进行测量、模数转换。由于PT1000是热敏电阻的类型，只需要检测阻值变化然后经过相关的转化就可以得到温度值。由于ADS12
47内部自带A/D转换器，转换成数字信号之后直接通过SPI接口传输给主控芯片STM32F103ZET6遥ADS1247上有集成的恒流源，可编程放大器（PGA），以及24位的A/D转换器使得所设计的温度测量模块精度高、线性度好、稳定性高。
2.2传感器结构的改进
由于井下的压力很大，高达几十MPa，这就需要考虑传感器的耐压性能巴从传感器的材料选择到结构设计，都应该考虑到高压下的情况。传统的电磁传感器分为天线部分和底座部分，天线采用铜质材料，优点是磁导性好，但是受天线直径大小的限制，以及耐压需求，材质选择为合金，因为其硬度更高。天线底座采用peek材料，由于这种材质耐高温、高压、抗腐蚀、机械性能好等优点，且底座又是和测量管段直接接触，因此选用peek是较好的选择。由于合金较难焊接，因此利用氩弧焊将等面积的紫铜片焊接在天线和同轴线缆连接处。此外，由于所测量的原油粘度较高，为防止天线上粘上过多的原油，影响测量结果，在天线表面镀上一层聚四氟乙烯，试验证明，这种电磁传感器结构在高温高压下性能较好，而且不易粘油，一定程度上保证了整体仪器工作的稳定性。改进设计的电磁传感器如图2所示。
图2改进设计的电磁传感器
3改进的含水率测量装置实验数据测量及数据处理
3.1温度对测量结果的影响
由于在整个测量系统中加入了温度补偿模块，尽管温度在变化，但是通过对管道内流体的温度进行实时监测，并且通过算法补偿，可以减少温度对测量结果的影响。如表1、表2所示。由表1温度补偿前测量点随温度升高测量结果
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.252C上.：.；3"J:.：1:-.^i：.：.I 表2温度补偿后测量点随温度升高测量结果
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Lin JTI■：%)A t-弋）J F
.：：■.::5'.-.::5：.-.-.：.；：.•.e-LI::,■1.~:-■-r■■；：..
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J-!■I ；:.4-1.:!>!：：.1.•七•: _J3J：..:：5'.-.:I~:.i.7前面的分析我们知道，温度升高会使水的介电常数减小，从而产生“油多水少”的假象袁通过补偿前后的对比，我们可以发现，实际测量值更加偏向于标准值。实验室实际标定会选取多个含水率值，限于篇幅影响，本文仅选取20%、50%、80%三个点，主要研究在相同环境不同温度下含水率测量结果与温度的关系。
板栗剥壳机
图3为温度补偿前20%、50%、80%三个测量点随温度变化趋势图，图4为补偿后20%、50%、80%三个测量点测量值对比。
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图3补偿前变化趋势图
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图4补偿后变化趋势图
从图3和图4可以看岀，温度对系统的影响随着温度补偿模块以及程序算法优化之后减小了很多，由理论分析我们知道含水率越高，温度的影响越大。测量点80%在温度达到125益时，测量偏差在1.24个百分点，误差为1.5%遥
3.2整体系统测量结果与误差
表3为整个系统经过高温高压优化前后的数据对比。由于我国油田多数都是高含水率，故选取90%含水率作为测量点，图5是对应的曲线图。
表3系统整体温度测量数据
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原油在线含水分析仪
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图590%含水率湿度曲线图
从图5中我们可以看岀，含水率测量系统经过优化之后，实际测量值更加趋近于真实值，而且经过高温高压试验，整个系统仍然能长时间稳定正常的工作，且误差较小，稳定在2%以内。
（下转第27页
）
作，通过少量的定制和修改适应硬件平台带来的变化。此外，操作系统还对上(平台层及应用层)提供系统服务，如：通讯服务、文件系统服务、进程调度服务、TCP/IP协议栈、进程守护等。实现操作系统的基本管理功能,CPU管理、存储器管理、文件管理、进程管理、作业管理、IO管理及进程间通讯管理等方面。应用程序层主要通过调用接口函数实现采集服务器的各种功能，将系统划分为不同的任务，并根据功能要求给各个任务分配不同的优先级。
图2软件设计
3回路状态监控实现
终端通过在线监控CT二次回路阻抗的变化，判断其二次回路是否存在窃电行为。实现过程采用的异频法测量电流互感器二次回路阻抗，采用数字信号合成技术，功率放大技术实现高频信号的注入，采用数据采集、处理,GPRS无线通信/RS485有线数据通信实现数据的处理分析、窃电类型的识别、节点的判断，并完成数据的上传。高频电压信号发生装置产生高频电压信号，通过电压耦合装置将该高频信号耦合到电流互感器二次回路中，并通过一只精密电流检测装置检测回路中的电流信号，电流信号通过信号处理单元处理后，送至数据处理单元进行运算，识别判断。同时可将监控终端计算得到的结果通过通信模块发送至主站系统，实现防窃电的实时在线监控。CT二次回路检测流程如图3所示。
4嵌入式数据库管理模型设计
回路状态巡检仪提岀了一种嵌入式数据库管理模型的实现方法，该方法可用于为终端应用软件提供统一的、可配置的数据库管理接口。
对于内存数据库的操作，数据库管理进程和应用程序都是客户端模式，内存数据库配合内存关联HASH表可视为服务器端模式；对于文件数据库的操作，采用C/S架构进行，其中应用程序为客户端，数据库管理进程为服务器端，应用程序并不需要了解文件数据库及其操作方式。数据库管理C/S架构如图4所示。
5结束语
回路状态监控终端已经在国网上海有限公司、国网安徽公司、国网江苏公司等进行了现场批量应用，可以实现对专用变压
图3CT二次回路检测流程
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图4数据库管理C/S架构
器用户企业电流互感器二次回路防窃电的在线监控，以及对窃电类型和窃电节点的智能判断，该终端运行稳定可靠，提高了用电检查专业人员的自动化采集水平和时效性。
参考文献
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究[J].云南电力技术,2016,44(2):39-42
[收稿日期：2021.1.27]
(上接第25页)
4结束语
本文所设计的原油含水率测量系统基于电磁波传输理论，具有测量结果线性度好、油水区分大的优点，特别是针对我国油田高含水率的情况，提供了较好的解决方案。本文对整个系统进行了优化，解决了因为温度变化对实际测量带来偏差的问题，同时改进电磁传感器的结构，使得系统在高压环境下持续稳定正常工作。本系统不仅提高了稳定性，还提高了测量精度。
参考文献
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[J]•石油化工应用,2018,37(4)：32-35
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研究[J]屆外电子测量技术,2018,37(8):62-66
[4]贺国强，党瑞荣，雷蕾，等•基于射频法的原油含水率在线测量系统[J]•
油气田地面工程,2016,35(8):78-81[收稿日期：
2021.1.5]
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