CN111257350A - 基于微波逆散射的原油含水率现场测量和成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微波逆散射的原油含水率现场测量和成像装置及方法。上下两端均开口的管状测量容器安装在两段油管之间对接或者安装在油管内部，充有原油，管状测量容器的内壁表面嵌装有同轴漏波天线，同轴漏波天线连接外部的发射/接收电路，不同的同轴漏波天线通过开关轮流接入发射电路或接收电路；不同天线组合进行多次测量获得散射信号，校准获得电场，再处理获得原油的复数介电常数，根据复数介电常数获得含水率或分布。本发明测量装置和方法在不干扰原油流动的前提下，能够对高含水原油的复数介电常数进行测量和成像，得到原油的含水率。
Description
技术领域
本发明涉及了一种油田生产井内原油的测量和成像装置及方法，尤其是涉及了一种基于微波逆散射的原油含水率现场测量和成像装置及方法。
背景技术
在油田生产井中现场测量不同层位原油的含水率，有助于油田调整开采、提高采油效率。由于水和油的介电常数差别很大，通过测量原油介电常数来判断含水率的方法得到了广泛使用。油井内的原油是一种包含油、气、水等多种流体的多相流，在不同温度、流速和倾斜度的油井中，原油多相流呈现出不同的流动型态，例如“油包水”、“水包油”、分层流和环状流等。因此，原油含水率测量需要介电常数测量和流型识别两种并行应用的技术。
传统的原油含水率测量大多为低频电容法。随着油田开发的持续进行，目前我国油田原油含水率已普遍超过70％。在这种高含水条件下，水为连续相，受地层水矿化的影响，原油具有较强的电导性，导致电容法因测量电极短路而失效。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于微波逆散射的原油含水率现场测量和成像装置及方法，用于测量油水均匀混合条件下原油的宽频复介电常数、以及油水分层条件下原油的复数介电常数分布，可用于油井金属管道内的原油介电常数现场测量和流型识别。
本发明的具体技术方案如下：
一、一种基于微波逆散射的原油含水率现场测量和成像装置：
装置包括上下两端均开口的管状测量容器，管状测量容器安装在两段油管之间对接或者安装在油管内部，使得管状测量容器内部充有原油，管状测量容器的内壁表面嵌装有同轴漏波天线，同轴漏波天线连接外部的发射/接收电路，不同的同轴漏波天线通过开关轮流接入发射电路或接收电路。
包括多根同轴漏波天线，多根同轴漏波天线沿管状测量容器圆周周向间隔均布嵌装于内壁表面，每根同轴漏波天线沿管状测量容器轴向布置并嵌装与管状测量容器内壁表面的开槽中。
发射电路或接收电路控制一根同轴漏波天线发出电磁波，电磁波遇到管状测量容器内的原油和管状测量容器内壁时均发生散射，散射后被另一根同轴漏波天线接收。
所述的同轴漏波天线为外导体开槽的同轴漏波天线。
所述的管状测量容器采用金属材料制成。
二、一种原油含水率现场测量方法：
1)在管状测量容器内原油为均匀混合流体的条件下，发射电路或接收电路控制一根同轴漏波天线连接到发射电路作为发射天线进而发出电磁波，电磁波向管状测量容器内大致方向传播遇到管状测量容器内的原油和管状测量容器内壁时均发生散射，散射后被另一根同轴漏波天线连接到接收电路作为接收天线进而接收；
2)以每一根同轴漏波天线作为发射天线，以其余的每一根同轴漏波天线作为接收天线，形成不同的天线组合，每一天线组合按照上述步骤进行重复实施，进行多次测量获得每次的散射信号；
3)利用多次测量获得的散射信号，经过校准获得作为接收天线的同轴漏波天线所在位置的轴向电场E。
若管状测量容器为圆形，将电场E的测量结果代入以下公式联立求解获得原油的复数介电常数ε：
k2＝ω2εμ
其中，E表示管状测量容器内部原油为均匀混合流体条件下接收天线的轴向电场，Jn表示n阶贝塞尔函数，
表示n阶第1类汉克尔函数，An和Bn分别是第一、第二幅度系数，kρ和kz分别是电磁波在原油中的径向传播系数和轴向传播系数；ρ表示管状测量容器的内半径，e表示常数e，i表示虚数单位，z表示收发天线之间的轴向间距，
表示收发天线之间的周向圆周角度。
若管状测量容器为方形，将电场E的测量结果代入以下公式联立求解获得原油的复数介电常数ε：
k2＝ω2εμ
其中，a和b分别表示管状测量容器横截面的长边和短边长度，Am,m为幅度系数，kz分别是电磁波在原油中的径向传播系数和轴向传播系数，z表示收发天线之间的轴向间距。
接着，根据复数介电常数ε采用以下公式获得含水率pw：
其中，εwater是水的介电常数，εoil是油的介电常数。第一个公式用于“油包水”型原油，第二个公式用于“水包油”型原油。
三、一种原油含水率现场成像方法：
1)在管状测量容器内原油为油水分层流体的条件下，发射电路或接收电路控制一部分的同轴漏波天线连接到发射电路作为发射天线进而发出电磁波，电磁波向管状测量容器内大致方向传播遇到管状测量容器内的原油和管状测量容器内壁时均发生散射，散射后被另一部分的同轴漏波天线连接到接收电路作为接收天线进而接收；
2)以每一根同轴漏波天线作为发射天线，以其余的每一根同轴漏波天线作为接收天线，形成不同的天线组合，每一天线组合按照上述步骤进行重复实施，进行多次测量获得每次的散射信号；
3)利用多次测量获得的散射信号，经过校准获得作为接收天线的同轴漏波天线所在位置的轴向电场E，代入以下公式联立求解获得原油的复数介电常数分布
E＝Einc+Esca
其中，E表示管状测量容器内部原油为均匀混合流体条件下接收天线的轴向电场，Esca表示散射场，Einc表示入射场，也即表示测量容器内为空气条件下的轴向电场，
和
分别为天线位置到管状测量容器的格林函数、管状测量容器内部之间的格林函数，
和
分别是管状测量容器内的复数介电常数分布和感应电流分布；ω表示电磁波的角频率；
这样通过多个发射天线和多个接收天线组合条件下接收天线位置电场E的测量结果，求解上述公式得到原油的复数介电常数分布
复数介电常数分布
中包含面积相等的像素，每一个像素对应一个介电常数值，根据复数介电常数分布
中统计所有等于水的介电常数的像素的数量，再与总像素数目作比值作为含水率。根据复数介电常数分布图像中油、水的相对位置，能够判断原油的流型。
本发明利用多个嵌入金属管道内壁的同轴漏波天线发射和接收微波频段的电磁波，利用宽带发射和接收电路测量不同收发天线组合状态下的接收信号，得到发射天线发射的电磁波经过金属管道内原油后在不同方向上产生的散射场，通过漏波天线理论模型、金属管道并矢格林函数和矩量法构建散射场正演算法，根据散射场正演算法、优化算法和散射场测量结果处理获得介电常数分布，最后根据介电常数反演计算原油含水率，进一步可以根据介电常数分布来说识别获得油水结构的流型。
本发明的有益效果是：
本发明采用微波频段的工作频率进行原油介电常数的测量和成像，解决了高含水条件下电容法失效的问题；本发明的测量装置中，收发天线嵌入金属管道内壁，不影响原油在管道内的流动，适合井下原油的现场测量；本发明可识别原油多相流的流型，适用于不同流型条件下原油含水率的测量。
附图说明
图1是本发明测量容器及其内部结构示意图。
图2是本发明的复介电常数测量结果示意图。
图3是原油介电常数实部和含水率的对应关系曲线示意图。
图4是本发明的复介电常数成像效果示意图。
图中：管状测量容器1、同轴漏波天线2、发射电路或接收电路3。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，详细描述本发明的一种实施过程。
如图1所示，本发明的测量装置包括上下两端均开口的管状测量容器1，管状测量容器1安装在两段油管之间对接或者安装在油管内部，使得管状测量容器1内部充有原油，管状测量容器1的内壁表面嵌装有同轴漏波天线2，同轴漏波天线2连接外部的发射/接收电路3，不同的同轴漏波天线2通过开关轮流接入发射电路或接收电路。
包括多根同轴漏波天线2，多根同轴漏波天线2沿管状测量容器1圆周周向间隔均布嵌装于内壁表面，每根同轴漏波天线2沿管状测量容器1轴向布置并嵌装与管状测量容器1内壁表面的开槽中。其中的一根同轴漏波天线2作为发射天线，另一根同轴漏波天线2作为接收天线，同时只有两根同轴漏波天线 2工作。
具体实施是通过发射电路或接收电路3控制一根同轴漏波天线2发出电磁波，电磁波向管状测量容器1内大致方向传播遇到管状测量容器1内的原油和管状测量容器1内壁时均发生散射，散射后另一根同轴漏波天线2接收。
具体实施的管状测量容器1采用金属材料制成。
下面是该测量装置的两种实施例子方式。
实施例1
1)管状测量容器1安装在两段油管之间同轴对接，油管内的原油流经管状测量容器1并充满。
在管状测量容器1内原油为均匀混合流体的条件下，发射电路或接收电路4 控制一根同轴漏波天线2发出电磁波，电磁波遇到管状测量容器1内的原油和管状测量容器1内壁时均发生散射，散射后被另一根同轴漏波天线2接收；
2)以每一根同轴漏波天线2作为发射天线，以其余的每一根同轴漏波天线2 作为接收天线，形成不同的天线组合，每一天线组合按照上述步骤进行重复实施，进行多次测量获得每次的散射信号；
3)利用多次测量获得的散射信号，经过校准获得作为接收天线的同轴漏波天线2所在位置的轴向电场E。
若管状测量容器为圆形，将电场E的测量结果代入以下公式联立求解获得原油的复数介电常数ε：
k2＝ω2εμ
若管状测量容器为方形，将电场E的测量结果代入以下公式联立求解获得原油的复数介电常数ε：
k2＝ω2εμ
其中，a和b分别表示管状测量容器横截面的长边和短边长度，Am,m为幅度系数，kz分别是电磁波在原油中的径向传播系数和轴向传播系数，z表示收发天线之间的轴向间距。
图2展示了电导率为5S/m盐水的复数介电常数反演结果，可看到复数介电常数实部和虚部的反演结果在1～13GHz范围内均符合真实值。
接着，根据复数介电常数ε采用以下公式获得含水率pw：
其中，εwater是水的介电常数，εoil是油的介电常数。图3是“油包水”和“水包油”两种类型原油介电常数与含水率的对应关系曲线，其中水的介电常数假设为80，油的介电常数假设为2。
实施例2
1)管状测量容器1置于一段油管内，油管内的原油流经管状测量容器1并充满。
在管状测量容器1内原油为油水分层流体的条件下，发射电路或接收电路3 控制一部分的同轴漏波天线2发出电磁波，电磁波遇到管状测量容器1内的原油和管状测量容器1内壁时均发生散射，散射后被另一部分的同轴漏波天线2 接收；
2)以每一根同轴漏波天线2作为发射天线，以其余的每一根同轴漏波天线2 作为接收天线，形成不同的天线组合，每一天线组合按照上述步骤进行重复实施，进行多次测量获得每次的散射信号；
3)利用多次测量获得的散射信号，经过校准获得作为接收天线的同轴漏波天线2所在位置的轴向电场E，代入以下公式联立求解获得原油的复数介电常数分布
E＝Einc+Esca
复数介电常数分布
实质为一幅图像，包含了许多面积相等的像素，每一个像素对应一个介电常数值，统计所有接近水的介电常数的像素，其数目与总像素数目的比值就是含水率。根据复数介电常数分布图像中油、水的相对位置，能够判断原油的流型。
图4(a)和图4(b)分别展示了油水上下分层流体的复数介电常数空间分布的 真实图像和反演结果，其中天线个数设置为12个，工作频率为2.5GHz，水的介 电常数为80，油的介电常数为2。在图4(a)中，介电常数为80的像素数目占总 像素数目的19％，即真实含水率为19％。在图4(b)中，可以认为介电常数大于 41的像素内为水，介电常数小于41的像素内为油。通过统计所有像素的介电常 数，介电常数大于41的像素数目占总像素数目的16％，说明通过测量反演介电 常数分布估计的含水率为16％。另外，根据图4(b)可以判断，管道内的原油为 油水上下分层的流型。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于微波逆散射的原油含水率现场测量和成像装置，其特征在于：包括上下两端均开口的管状测量容器(1)，管状测量容器(1)安装在两段油管之间对接或者安装在油管内部，使得管状测量容器(1)内部充有原油，管状测量容器(1)的内壁表面嵌装有同轴漏波天线(2)，同轴漏波天线(2)连接外部的发射/接收电路(3)，不同的同轴漏波天线(2)通过开关轮流接入发射电路或接收电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于微波逆散射的原油含水率现场测量和成像装置，其特征在于：包括多根同轴漏波天线(2)，多根同轴漏波天线(2)沿管状测量容器(1)圆周周向间隔均布嵌装于内壁表面，每根同轴漏波天线(2)沿管状测量容器(1)轴向布置并嵌装与管状测量容器(1)内壁表面的开槽中。
3.根据权利要求1所述的一种基于微波逆散射的原油含水率现场测量和成像装置，其特征在于：发射电路或接收电路(3)控制一根同轴漏波天线(2)发出电磁波，电磁波遇到管状测量容器(1)内的原油和管状测量容器(1)内壁时均发生散射，散射后被另一根同轴漏波天线(2)接收。
4.根据权利要求1所述的一种基于微波逆散射的原油含水率现场测量和成像装置，其特征在于：所述的同轴漏波天线(2)为外导体开槽的同轴漏波天线。
5.根据权利要求1所述的一种基于微波逆散射的原油含水率现场测量和成像装置，其特征在于：所述的管状测量容器(1)采用金属材料制成，管状测量容器(1)内表面的横截面为圆形、方形等形状。
6.应用于权利要求1-5任一所述装置的原油含水率现场测量方法，其特征在于：
1)在管状测量容器(1)内原油为均匀混合流体的条件下，发射电路或接收电路(3)控制一根同轴漏波天线(2)发出电磁波，电磁波遇到管状测量容器(1)内的原油和管状测量容器(1)内壁时均发生散射，散射后被另一根同轴漏波天线(2)接收；
2)以每一根同轴漏波天线(2)作为发射天线，以其余的每一根同轴漏波天线(2)作为接收天线，形成不同的天线组合，每一天线组合按照上述步骤进行重复实施，进行多次测量获得每次的散射信号；
3)利用多次测量获得的散射信号，经过校准获得作为接收天线的同轴漏波天线(2)所在位置的轴向电场E；
若管状测量容器为圆筒形，将轴向电场E的测量结果代入以下公式联立求解获得原油的复数介电常数ε：
k2＝ω2εμ
其中，E表示管状测量容器(1)内部原油为均匀混合流体条件下接收天线的轴向电场，Jn表示n阶贝塞尔函数，
表示n阶第1类汉克尔函数，An和Bn分别是第一、第二幅度系数，kρ和kz分别是电磁波在原油中的径向传播系数和轴向传播系数；ρ表示管状测量容器(1)的内半径，e表示常数e，i表示虚数单位，z表示收发天线之间的轴向间距，
表示收发天线之间的周向圆周角度；
若管状测量容器为方筒形，将电场E的测量结果代入以下公式联立求解获得原油的复数介电常数ε：
k2＝ω2εμ
其中，a和b分别表示管状测量容器横截面的长边和短边长度，Am,m为幅度系数，kz分别是电磁波在原油中的径向传播系数和轴向传播系数，z表示收发天线之间的轴向间距；
接着，根据复数介电常数ε采用以下公式获得含水率pw：
其中，εwater是水的介电常数，εoil是油的介电常数。
7.应用于权利要求1-5任一所述装置的原油含水率现场成像方法，其特征在于：
1)在管状测量容器(1)内原油为油水分层流体的条件下，发射电路或接收电路(3)控制一部分的同轴漏波天线(2)发出电磁波，电磁波遇到管状测量容器(1)内的原油和管状测量容器(1)内壁时均发生散射，散射后被另一部分的同轴漏波天线(2)接收；
2)以每一根同轴漏波天线(2)作为发射天线，以其余的每一根同轴漏波天线(2)作为接收天线，形成不同的天线组合，每一天线组合按照上述步骤进行重复实施，进行多次测量获得每次的散射信号；
3)利用多次测量获得的散射信号，经过校准获得作为接收天线的同轴漏波天线(2)所在位置的轴向电场E，代入以下公式联立求解获得原油的复数介电常数分布
E＝Einc+Esca
其中，E表示管状测量容器(1)内部原油为均匀混合流体条件下接收天线的轴向电场，Esca表示散射场，Einc表示入射场，
和
分别为天线位置到管状测量容器(1)的格林函数、管状测量容器(1)内部之间的格林函数，
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分别是管状测量容器(1)内的复数介电常数分布和感应电流分布；ω表示电磁波的角频率；
复数介电常数分布
中每一个像素对应一个介电常数值，根据复数介电常数分布
中统计所有等于水的介电常数的像素的数量，再与总像素数目作比值作为含水率。
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