CN101598687A

CN101598687A - 利用瑞利散射原理测量原油含水率的方法和系统

Info

Publication number: CN101598687A
Application number: CNA2009101012912A
Authority: CN
Inventors: 冉立新; 王静雨
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2029-07-27
Also published as: CN101598687B

Abstract

本发明公开了一种利用瑞利散射原理测量原油含水率的方法和系统。数字处理器控制数模转换器产生扫频信号，与本机振荡器产生的载波信号混频后，生成发射信号。通过第一定向耦合器中，一部分能量流向第一功率检测器，其余能量再通过第二定向耦合器和探头辐射到油水混合物中；混合物中的油滴小颗粒对入射的电磁波产生了瑞利散射现象；探头将散射波接收回第二定向耦合器，将散射能量耦合给第二功率检测器。数字处理器控制双通道模数转换器对两个功率检测器的输出进行采集，根据发射、散射波强度，计算原油含水率由通信接口模块输出。原油中的含水率高于70％时，仍然精确测量出原油含水率。它可用于测量生产油井中原油含水率和不同地层原油含水率的变化。

Description

利用瑞利散射原理测量原油含水率的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种利用瑞利散射原理测量原油含水率的方法和系统。

背景技术

石油是一项重要的战略资源。油层出油含水率的准确测量，对于油井的生产具有重要的意义。传统的原油含水率测量大都基于电容法，其基本原理是将一个金属电容结构放入生产井的生产层中，让油井中的油水混合物进入到上述容器，然后测量其电容量。因所测得的电容量与油水混合物的介电常数相关，而水的相对介电常数81与油的相对介电常数2～4相差很大，因此可以从电容量反算出油水比例，从而计算出原油含水率。

然而，我国很多油田开发已经进入中后期，原油含水率普遍在70％以上。在此情况下，电容器的两个电极被导电的水短路，造成所需要的电容量很难测量。故电容法测量范围十分有限，已无法满足国内各油田的需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用瑞利散射原理测量原油含水率的方法和系统，以提高原油含水率的测量范围。

该方法是利用瑞利散射原理进行原油含水率测量的。在原油含水率超过70％的情况下，油井中的油水混合物以“油包水”的形式存在。当电磁波在油水混合物中传播时，油滴小颗粒会对电磁波产生瑞利散射现象，其散射强度正比于油滴直径的三次方。本发明通过测量瑞利散射强度的立方根，利用查找标定曲线的方法，得到原油含水率。

本发明采用的技术方案是：

一、一种利用瑞利散射原理测量原油含水率的方法：

数字处理器控制数模转换器产生扫频信号，与本机振荡器产生的载波信号混频后，生成所需的发射信号；发射信号通过第一定向耦合器的过程中，一部分能量流向第一功率检测器，其余能量再通过第二定向耦合器和探头辐射到油水混合物中；油水混合物中的油滴小颗粒对入射到其中的电磁波产生了瑞利散射现象；探头将散射波接收回第二定向耦合器，第二定向耦合器将散射能量耦合给第二功率检测器；数字处理器控制双通道模数转换器对两个功率检测器的输出进行采集，并根据采集到的发射波强度和散射波强度，计算原油含水率；最终的计算结果由通信接口模块输出。

所述数字处理器是基于微处理器、DSP或FPGA的嵌入式处理系统。

二、一种利用瑞利散射原理测量原油含水率的系统：

本发明包括数字处理器、数模转换器、本机振荡器、混频器、第一定向耦合器、第二定向耦合器、探头、第一功率检测器、第二功率检测器、双通道模数转换器和通信接口模块；数字处理器的第1端、第2端分别与通信接口模块和双通道模数转换器连接，数字处理器的第3端经数模转换器接混频器的第1端，数字处理器的第4端接本机振荡器第1端，本机振荡器第2端接混频器的第2端，混频器的第3端经第一定向耦合器、第二定向耦合器与探头连接，第一定向耦合器、第二定向耦合器还经各自的第一功率检测器和第二功率检测器分别与双通道模数转换器连接。

所述探头的主体部分是一个外部有绝缘层的金属棒，金属棒一端的头部有锥度，金属棒另一端面设置绝缘垫片，并在轴向开有小孔，金属棒径向开有螺钉孔，轴向小孔插有SMA连接头用螺钉固定，第二定向耦合器和SMA连接头相连。

本发明具有的有益效果是：

当原油中的含水率达到70％以上时，仍然可以精确测量出原油含水率，弥补了传统的电容法测量范围有限的缺点，更适合于现今国内各大油田的实际需求；并且该方法可以用于生产油井中原油含水率的实时测量，甚至可以用来测量不同地层原油含水率的变化，为油田生产提供更多有用的数据。

附图说明

图1是本发明实现的结构框图。

图2数模转换器电路原理图。

图3本机振荡器电路原理图。

图4功率检测器电路原理图。

图5模数转换器电路原理图。

图6是探头部分连接示意图。

图中：1、外部有绝缘层的金属棒，2、小孔，3、绝缘垫片，4、SMA连接头，5、螺钉，6、同轴线。

具体实施方式

如图1所示，瑞利散射测量原油含水率系统包括：数字处理器、数模转换器、本机振荡器、混频器、第一定向耦合器、第二定向耦合器、探头、第一功率检测器、第二功率检测器、双通道模数转换器和通信接口模块；数字处理器的第1端、第2端分别与通信接口模块和双通道模数转换器连接，数字处理器的第3端经数模转换器接混频器的第1端，数字处理器的第4端接本机振荡器第1端，本机振荡器第2端接混频器的第2端，混频器的第3端经第一定向耦合器、第二定向耦合器与探头连接，第一定向耦合器、第二定向耦合器还经各自的第一功率检测器和第二功率检测器分别与双通道模数转换器连接。

如图2所示，所述的数模转换器，使用双通道芯片AD9755中的P1通道，P1B13～P1B00是数字信号输入端，接数字处理器的第3端；J5是模拟信号输出端，接到混频器第一端。

如图3所示，所述的本机振荡器，使用ADF4360系列芯片；J1为控制信号输入端，用于对ADF4360的输出频率和输出功率进行配置，接数字处理器第4端；J3为ADF4360的输出，接到混频器的第二端。

如图4所示，所述的两个功率检测器，都使用芯片LT5534实现，该芯片的输出是与输入功率的对数值成正比的直流电压信号；J1为信号输入端，接两个定向耦合器中的一个；J2为直流电压输出端，接双通道模数转换器的一个通道。

如图5所示，所述的双通道模数转换器，使用芯片MX7705；J1和J2为两路模拟信号输入端，分别接两个功率检测器；J3为数字信号输出和控制信号输入端，接数字处理器第二端。

如图6所示，所述的探头，其主体部分是一个外部有绝缘层的金属棒1，金属棒1一端的头部有锥度，金属棒1另一端面设置绝缘垫片3，并在轴向开有小孔2，金属棒径向开有螺钉孔，轴向小孔插有SMA连接头4用螺钉5固定，第二定向耦合器同轴线6和SMA连接头4相连。

本发明的工作流程是：

a)数字处理器控制数模转换器产生扫频信号，与本机振荡器产生的载波信号混频后，形成发射信号。

b)发射信号在通过第一定向耦合器的过程中，部分能量流向第一功率检测器，其余能量通过第二定向耦合器和探头辐射到油水混合物中。

c)在原油含水率在70％以上的情况下，油滴小颗粒对探头发射的电磁波产生瑞利散射现象，其散射强度与油滴直径的三次方成正比；并且所有油滴的散射强度，满足各个油滴单独存在时引起的散射强度的叠加。

d)散射波通过探头耦合回第二定向耦合器，并通过第二定向耦合器传给第二功率检测器。

e)两个功率检测器的输出，分别是与发射电磁波和散射电磁波的强度成正比关系的直流电压。

f)数字处理器控制双通道模数转换器，采集两个功率检测器输出的直流电压；之后用散射波电压除以入射波电压，再求其立方根，得到的结果与原油含水率成正比关系。

g)根据上一步的结果，通过查找标定关系曲线的方法，得到原油含水率；最终结果由通信接口模块输出。

h)步骤g)中提到的标定关系曲线，通过以下方法得到：在实验室中调配出标准比例的油水混合物31份，其含水率由70％、71％、72％，依次递增到100％；将探头插入各种比例的油水混合物中，用步骤a)到步骤f)的方法，分别测得不同含水率条件下，散射波与入射波比值的立方根结果；将以上结果列表，并拟合出一条原油含水率和上述立方根结果的标定关系曲线。

以下具体阐述各个部分的实施方式：

数字处理器可用基于微处理器、DSP或FPGA的嵌入式处理系统实现。

数模转换器可选用Analog Device公司生产的AD9755。该芯片为双通道14位数模转换器，转换速率300MSPS。

本机振荡器可选用Analog Device公司生产的ADF4360系列。其工作频率可选择从65MHz到2.7GHz。该系列芯片有一个三线的串行接口，可通过数字处理器对其进行编程，来确定其最终的输出频率及输出功率。

混频器可选用SYM-25DHW。其本机振荡器端口输入频率为80MHz到2.5GHz，基带信号输入频率范围从直流到1GHz，其转换损耗在8dB左右。

定向耦合器可选用西科微波公司生产的XKDC1020-10，其工作频率范围在1GHz-2GHz，耦合端输出的功率为输入功率的-10dB。

功率检测器可选用LINEAR公司生产的芯片LT5534。该芯片的输出是与输入功率的对数值成正比的直流电压信号。该芯片输入信号的频率范围为50MHz到3GHz，探测功率范围为-60dBm到0dBm。

模数转换器可以使用MAXIM公司生产的MX7705。该芯片是低功耗、2通道、串行输出模数转换器，包含一个具有数字滤波器的∑-Δ调制器，可达到16位分辨率，其片内还具有输入缓冲器和可编程增益放大器。

电磁探头需根据需求自己设计，其机械加工图纸如图2所示。该探头是一金属棒结构，与第二定向耦合器相连。

通信接口选用485总线或是电流环电路，用于实现远距离传输。可以选用MAXIM公司生产的MAX485系列的芯片实现设计。在110kHz的传输速率下，其传输距离可达到1公里。为实现更远距离的通信，可以适当降低数据的传输速率。

Claims

1.一种利用瑞利散射原理测量原油含水率的方法，其特征在于：数字处理器控制数模转换器产生扫频信号，与本机振荡器产生的载波信号混频后，生成所需的发射信号；发射信号通过第一定向耦合器的过程中，一部分能量流向第一功率检测器，其余能量再通过第二定向耦合器和探头辐射到油水混合物中；油水混合物中的油滴小颗粒对入射到其中的电磁波产生了瑞利散射现象；探头将散射波接收回第二定向耦合器，第二定向耦合器将散射能量耦合给第二功率检测器；数字处理器控制双通道模数转换器对两个功率检测器的输出进行采集，并根据采集到的发射波强度和散射波强度，计算原油含水率；最终的计算结果由通信接口模块输出。

2.根据权利要求1所述的一种利用瑞利散射原理测量原油含水率的方法，其特征在于：所述数字处理器是基于微处理器、DSP或FPGA的嵌入式处理系统。

3.一种实施权利要求1所述的一种利用瑞利散射原理测量原油含水率方法的系统，其特征在于：包括数字处理器、数模转换器、本机振荡器、混频器、第一定向耦合器、第二定向耦合器、探头、第一功率检测器、第二功率检测器、双通道模数转换器和通信接口模块；数字处理器的第1端、第2端分别与通信接口模块和双通道模数转换器连接，数字处理器的第3端经数模转换器接混频器的第1端，数字处理器的第4端接本机振荡器第1端，本机振荡器第2端接混频器的第2端，混频器的第3端经第一定向耦合器、第二定向耦合器与探头连接，第一定向耦合器、第二定向耦合器还经各自的第一功率检测器和第二功率检测器分别与双通道模数转换器连接。

4.根据权利要求3所述的一种利用瑞利散射原理测量原油含水率方法的系统，其特征在于：所述探头的主体部分是一个外部有绝缘层的金属棒，金属棒一端的头部有锥度，金属棒另一端面设置绝缘垫片，并在轴向开有小孔，金属棒径向开有螺钉孔，轴向小孔插有SMA连接头用螺钉固定，第二定向耦合器和SMA连接头相连。