CN106226330A - 基于射频法的原油含水率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于射频法的原油含水率测量装置及方法，在内管的左端设置有左接管、右端设置有右接管，右接管的管壁上设置有一端部伸入到右接管内的天线防护套，天线防护套内设置有射频天线，天线防护套位于内管内的一端设置有堵头，天线防护套与右接管的管壁之间设置有密封圈，内管外设置有外套管，外套管上设置有显示器和通过导线与显示器相连的射频法测量装置，所述的射频法测量装置包括射频信号发生器、信号放大单元、射频功率检波单元、测量电阻、信号调理单元、控制器，本发明具有设计合理、结构简单、测量精度高、范围宽、适合各大油田使用。

Description

基于射频法的原油含水率测量装置及方法

技术领域

本发明属于测量装置或设备技术领域，具体涉及到基于射频法的原油含水率测量装置。

背景技术

在原油生产过程中，为能够合理高效的估算油井的产能、评估油井的工作状态以及所需人力物力等成本的合理分配，制定了许多计量参数作为评测标准。其中原油含水率是油井重要的油藏数据，也是主要的生产参数。含水率数据的测量是否准确直接影响到是否能及时准确地掌握、了解各产层的生产状况，以便以此为根据指导生产、采取有效措施或改善工艺来合理开采能源，使油井处于正常或最佳工作状态，最终达到提高油井开发效率和提高原油采收效率的目的。

目前，国内外测量原油含水率主要分为人工测量法和在线测量法。

传统人工测量法主要通过人工取样，根据油水分离手段不同分为蒸馏法、电脱法等。然而，电脱法虽然操作简单，但误差较大。蒸馏法离线测量方法由于需要取样，测量时间长，人工劳动强度大，随机性强，误差大，不能满足于实时准确测量的工程需求，无法反映出原油含水率的实际情况。

我国原油含水率在线测量研究起步较晚，在线测量法主要有电导率法、射线法、密度法、射频法等。其中电导率法是依靠预先安装在管道内的电极环，通过测量电极环之间的混相电导率达到测量目的。在这方面许多研究者已做出大量工作，Coney在1973年便描述了平行电极在液层中性质，提出了液体厚度和掉典型的理论处理方法；Hewitt则阐述了这项技术的综合前景。然而电导率法只适合高含水的油水混合物，在低含水率的测量准确度差，且受矿化度等影响较大。

在1964年应用射线衰减法确定多相混合液体空隙率的思想被提出，其原理是利用油、水介质对低能γ射线的吸收程度不同，通过检测射线穿透油水混合物后的透射强度计算出原油含水率。1979年Calgary大学机电工程系的研究人员已用此方法测量多相流分相含率，随后Asali、Andreussi等人先后基于理论基础对此方法进行拓展应用。然而射线法只能测量管道内的局部信息，设备价格昂贵，且射线对人体有不可避免的辐射性。

密度法基于原油的油、水两相模型来实现测量的，是在已知混合液质量后依据公式求出混合液密度，进而利用油水密度不同来计算原油含水率。基于密度法的测量装置结构简单，但是由于受油水混合液中含砂、含气等影响，对原油具有高误差性。

射频法是基于油水介电常数差别，导致被测对象所呈现的射频阻抗特性不同的原理，通过传感器探头测定油水混和液对射频信号所呈现的阻抗特性变化，从而转化为电信号，继而测量出原油的含水量。与以上几种方法相比，具有结构简单、设备成本低、维修方便的优点。2015年中国石油天然气公司提出一种基于射频法的井口原油含水率的在线测量装置，但只适用于长庆油田，且只能进行井口测量，不具有普及性。

因此设计一种结构简单、测量范围宽、实时性可靠性高、普及性强的在线原油含水率测量装置迫在眉睫。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有原油含水率测量方法误差大、测量范围窄、普及性不高的缺点，提供一种设计合理、结构简单、测量精度高、范围宽、适合各大油田的基于射频法的原油含水率测量装置。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：内管的左右两端分别设置有左接管、右接管，右接管的管壁上加工有安装孔，安装孔内安装有一端部伸入到右接管内的天线防护套，天线防护套内设置有射频天线，天线防护套位于内管内的一端设置有堵头，天线防护套与右接管的管壁之间设置有密封圈，内管外部设置有外套管，外套管上设置有显示器和射频法测量装置，显示器和射频法测量装置通过导线相连，所述的射频法测量装置包括射频信号发生器、信号放大单元、射频功率检波单元、测量电阻、信号调理单元、控制器；上述的控制器，用于控制所述的射频信号发生器产生频率f为35～40MHz的射频信号，以及，将所述的信号调理单元发送的电信号转换成原油含水率数据通过所述的显示器显示；上述的射频信号发生器产生射频信号经过信号放大单元和测量电阻，通过射频天线发射到以油水混合液为介质的负载中；上述的射频功率检波单元，用于检测测量电阻的两端电压，并将所测的电压信号输入到信号调理单元进行滤波放大处理。

本发明的内管为无磁不锈钢管。

本发明的天线防护套为聚四氟乙烯套。

本发明的射频天线为镀银实心铜棒。

本发明的射频天线的直径为6mm、长度为200mm。

本发明的内管外壁上嵌有热敏电阻，热敏电阻与射频法测量装置5相连，用于温度补偿。

上述装置测量原油含水率的方法，包括以下步骤：

(1)将左接管和右接管接入原油管道中，使原油从内管中流过；

(2)给射频法测量装置接通电源，所述的控制器控制控制所述的射频信号发生器产生频率f为35～40Mhz的射频信号，该射频信号经过信号放大单元和测量电阻，然后通过射频天线发射到原油为介质的负载中；

(3)射频功率检波单元检测出测量电阻R的两端电压U_R，并将所测的电压信号输入到信号调理单元进行滤波放大处理；

(4)控制器接收由信号调理单元发送的电信号按下式

$D=1-\frac{\sqrt{\frac{U_R}{2\mathrm{\π}fURjK}}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2}}$

得原油含水率D，通过显示器显示，式中，ε₁为纯水的介电常数，ε₂为纯油的介电常数，f为射频信号频率，U为射频发射电压，R为测量电阻，K为6.981×10^-13，U_R为测量电阻两端的电压，j为虚数单位。

本发明的有益效果如下：

本发明的这种基于射频法的原油含水率测量装置将射频天线与油水混合物直接充分接触，提高测量范围，外部有聚四氟乙烯保护套与堵头，方便日后维护并减少射频天线的损伤；本发明结构简单，在安装时通过螺栓与安装孔直接将左接管和右接管接入原油主管道中，同时方便拆卸维修，适合各大油田测量石油含水率，具有较高普及性，可大规模推广使用；本发明直接对因射频阻抗不同导致的电路回路中电流变化而导致的测量电阻端电压变化进行测量，且测量电阻两端分别与射频天线和电路相连，减小测量误差，扩大测量范围；射频功率检波单元对正弦波形进行峰值检波，保证信号稳定，运行可靠；射频信号发生器AD9851内核应用DDS直接数字频率合成技术，具有精度高、稳定性好，在控制器的控制下能精确而快速地处理频率和相位。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中射频法测量装置5的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。

在图1中，本实施例的基于射频法的原油含水率测量装置由左接管1、外套管2、内管3、显示器4、射频法测量装置5、密封圈6、螺钉7、右接管8、射频天线9、天线防护套10、堵头11连接构成。

内管3为无磁不锈钢管，在内管3的左右两端分别用螺纹连接有左接管1、右接管8，右接管8的管壁上加工有安装孔，安装孔内通过螺钉7安装有一端部伸入到右接管8内的天线防护套10，天线防护套10为聚四氟乙烯套，天线防护套10内安装有射频天线9，射频天线9为镀银实心铜棒，射频天线9的直径为6mm、长度为200mm，天线防护套10位于内管3内的一端安装有堵头11，将射频天线9密封在天线防护套10内，天线防护套10与右接管8的管壁之间设置有密封圈6，防止原油渗漏，内管3外部套设有外套管2，外套管2上安装有显示器4和射频法测量装置5，内管3外壁上嵌有热敏电阻，热敏电阻与射频法测量装置5相连，用于对本发明进行温度补偿，显示器4和射频法测量装置5通过导线相连。

射频法测量装置5包括射频信号发生器、信号放大单元、射频功率检波单元、测量电阻、信号调理单元、控制器；控制器，用于控制所述的射频信号发生器产生频率f为35MHz的射频信号，以及，将所述的信号调理单元发送的电信号转换成原油含水率数据通过所述的显示器4显示；射频信号发生器产生射频信号经过信号放大单元和测量电阻，通过射频天线9发射到以油水混合液为介质的负载中，射频信号发生器的型号为AD9851，测量电阻的阻值为2Ω；射频功率检波单元，用于检测测量电阻的两端电压，并将所测的电压信号输入到信号调理单元进行滤波放大处理。

测量时，将本发明的左接管1和右接管8接入原油主管道中，并给本发明接通电源，在外加电源的作用下，控制器控制射频信号发生器产生35MHz的射频信号，该射频信号经射频天线发射到以原油负载中，此时，由于纯油的介电常数约为3.2，而水的介电常数约为80，因两者的巨大差异，所呈现的射频阻抗也有很大差异。在外加射频信号的作用下，该负载的射频阻抗将因油井产出液中不同的油水比例而发生相应变化，从而导致电路回路中电流发生变化，电流变化将会引起检测电阻两端的电压变化，通过射频功率检波单元测量出测量电阻的两端电压，并将该电压信号送至控制器，控制器将该电压信号转换成原油含水率D并通过显示器4显示，达到测量原油含水率的目的，同时，热敏电阻为本发明提供温度补偿，提高测量精度及稳定度。

上述基于射频法的原油含水率测量装置测量原油含水率的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将左接管1和右接管8接入原油主管道中，使原油从内管3中流过；

(2)给射频法测量装置5接通电源，所述的控制器控制控制所述的射频信号发生器产生频率f为35MHz的射频信号，该射频信号经过信号放大单元和测量电阻，然后通过射频天线9发射到原油为介质的负载中；

(3)射频功率检波单元检测出测量电阻R的两端电压U_R，并将所测的电压信号输入到信号调理单元进行滤波放大处理；

(4)控制器接收由信号调理单元发送的电信号按下式

$D=1-\frac{\sqrt{\frac{U_R}{2\mathrm{\π}fURjK}}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2}}$

得原油含水率D，通过显示器4显示，式中，ε₁为纯水的介电常数，ε₂为纯油的介电常数，f为射频信号频率，U为射频发射电压，R为测量电阻，K为6.981×10^-13，U_R为测量电阻两端的电压，j为虚数单位。

Claims (7)

1.基于射频法的原油含水率测量装置，其特征在于：在内管(3)的左端设置有左接管(1)、右端设置有右接管(8)，右接管(8)的管壁上设置有一端部伸入到右接管(8)内的天线防护套(10)，天线防护套(10)内设置有射频天线(9)，天线防护套(10)位于内管(3)内的一端设置有堵头(11)，天线防护套(10)与右接管(8)的管壁之间设置有密封圈，内管(3)外设置有外套管(2)，外套管(2)上设置有显示器(4)和通过导线与显示器(4)相连的射频法测量装置(5)，所述的射频法测量装置(5)包括射频信号发生器、信号放大单元、射频功率检波单元、测量电阻、信号调理单元、控制器；

所述的控制器，用于控制所述的射频信号发生器产生频率f为35～40MHz的射频信号，以及，将所述的信号调理单元发送的电信号转换成原油含水率数据通过所述的显示器(4)显示；

所述的射频信号发生器产生射频信号经过信号放大单元和测量电阻，通过射频天线9发射到以油水混合液为介质的负载中；

所述的射频功率检波单元，用于检测测量电阻的两端电压，并将所测的电压信号输入到信号调理单元进行滤波放大处理。

2.根据权利要求1所述的基于射频法的原油含水率测量装置，其特征在于：所述的内管(3)为无磁不锈钢管。

3.根据权利要求1所述的基于射频法的原油含水率测量装置，其特征在于：所述的天线防护套(10)为聚四氟乙烯套。

4.根据权利要求1所述的基于射频法的原油含水率测量装置，其特征在于：所述的射频天线(9)为镀银实心铜棒。

5.根据权利要求5所述的基于射频法的原油含水率测量装置，其特征在于：所述的射频天线(9)的直径为6mm、长度为200mm。

6.根据权利要求1所述的基于射频法的原油含水率测量装置，其特征在于：所述的内管(3)外壁上设有用于温度补偿的热敏电阻，热敏电阻与射频法测量装置(5)相连。

7.根据权利要求1所述的装置测量原油含水率的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将左接管(1)和右接管(8)接入原油管道中，使原油从内管(3)中流过；

(2)接通射频法测量装置(5)的电源，控制器控制射频信号发生器产生频率为35～40MHz的射频信号，该射频信号经过信号放大单元和测量电阻，通过射频天线(9)发射到原油的负载中；

(3)射频功率检波单元检测出测量电阻R的两端电压U_R，并将所测的电压信号输入到信号调理单元进行滤波放大处理；

(4)控制器接收由信号调理单元发送的电信号按下式

$D=1-\frac{\sqrt{\frac{U_R}{2\mathrm{\π}fURjK}}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2}}$

得原油含水率D，通过显示器(4)显示出，式中，ε₁为纯水的介电常数，ε₂为纯油的介电常数，f为射频信号频率，U为射频发射电压，R为测量电阻，K为6.981×10^-13，U_R为测量电阻两端的电压，j为虚数单位。