射频法原油含水率测量系统研究及参数优化

发布时间：2020-11-11 14:35

　　 在当前世界上,原油是最重要的战略资源之一,对各国的发展和综合实力的提升具有决定性的意义。随着石油工业的快速发展以及激增的石油开采量,在原油开采生产过程中,评价油井的产能、监测工作状态、合理高效的开采油气资源就成了尤为重要的环节。而且由于国内外原油含水率测量技术仍存在着许多问题,所以本文就参数优化和测量系统开展研究与调试,通过对测量系统结构设计和发射频率、相位和天线参数的优化,测量和监测原油含水率的实际变化,这一举措对油田开采生产有着重要的意义。本文通过COMSOL仿真软件对天线结构进行了仿真与优化,确定了射频天线材质、尺寸和形状,设计了天线的外部保护膜和留电技术,优选了最佳的发射频率;针对现有国内外原油含水率测量存在的多值性和分辨率低的问题,致力于射频法原油含水率测量系统的参数优化,包括天线结构、工作频率、管道结构等。在优化的基础上,形成了一套新型的杯型原油含水率测量装置和井口测量管道式测量装置;研制了射频法原油含水率的全套电路,包括激励信号模块、运算放大模块、AD采样模块、调制检波模块、数据存储模块等部分,并通过通信将测量结果显示于显示屏幕上。对各个功能模块进行调试后,建立了室内和室外实验模拟平台,采用不同比例的油水混合流体开展了大量的试验,验证了射频天线以及测量系统的稳定性、可靠性和总体性能。测试和试验结果表明,对于参数灵敏优化后的水率测量系统性能良好,不仅有很好的单值性和线性度,而且的很高的分辨率和测量精度,可以满足原油含水率的使用要求,在油田进行了现场测试,验证了系统的性能。
【学位单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TE622
【部分图文】：

8就可以得到原油含水等效复介电常数。在原油水分相含率检测方面，可以通过测试含水原油等效介电常数间接得到原油含水率[18]。2.3射频法原油含水率测量系统的理论模型的建立2.3.1射频天线模型研究传统的单根天线测量系统存在着测量结果不理想，低分辨率的缺陷。经过一系列实验证明单极子天线测量模式下，不能拥有具体的电流或电压参考比较值，导致实验结果不明显。为了更好的分辨原油含水率，本文使用了平行双天线结构模型来测量。双天线结构是根据电磁场与电磁波书中的平行传输线得到的模型，如图2-1所示。图2-1双天线结构模型图根据电磁场理论，电荷是产生电磁场的源量[19]。根据电荷分布的情况，可以分为四个源模型，本文需要讨论的是线电荷模型。根据电荷线密度理论：电荷分布在同轴线上，就可称之为线电荷，所以由此可以求出某段线上的总的电荷量为：()llddrqρ=（2-1）=()lldrqρ（2-2）其中q为总电荷量，C；lρ是空间位置r的函数，C/m；l为同轴线的长度，m。根据电磁场理论研究，图2-1中金属天线的半径为a，两金属天线轴线之间的距离为D，且D》a，此时则认为电荷均匀分布在两金属天线的表面上，如果是在空气中，应用高斯定律和叠加原理，可得两金属天线之间的平面上任意一点的电场强度E(x)为;

10的介电常数，F/m，其大小值取为4.9；τ为张弛时间，s,取值为10-9s。将上述取值带入公式（2-6）中，得到如图2-2所示的水的介电常数与频率的曲线图。图2-2水的介电常数的实部与电场频率的曲线图从图2-2可看出，当外加电场频率在0到1000MHz范围内时，水的介电常数的实部为80与静电场的值相同；当频率超过1000MHz时，水的介电常数的实部呈现下降趋势。在本课题实验中，因为外加电场频率20MHz小于1000MHz，所以近似认为外加电场的频率与本测量系统的含水原油中的水分子介电常数没有直接的数学关系。因此在本课题射频法原油含水率测量系统中可以忽略射频信号对水的介电常数的影响。这样就便于下面根据实验数据分析规律和结论。2.3.3射频传感器在导电煤质中幅频特性的理论研究电磁波在以含水原油为导电媒质的空间中传播时会发生幅度衰减与相位位移[13]。下面我们就讨论在导电煤质中电磁波的幅频特性。根据正弦均匀平面波的传播理论，由于油水混合流体是导电媒质且通过电磁波来传播，所以根据电磁波在导电媒质中的传播特性可知，其在无源区域的麦克斯韦方程如下：EEH+=×ωσj（2-7）HE=×jωμ（2-8）=H0（2-9）=E0（2-10）经过计算公式2-1可以改写成：EEHcj)j(jωεωσεω==×(2-11）

13()()dttdqti=（2-26）若电荷随时间做正弦变化，则电流瞬时表达式为:()()tIdttdqti==cosω（2-27）式中：I表示电流的峰值。图2-3球坐标下的电偶极子如图2-3所示，电偶极子沿z轴方向，且它的中心位于坐标原点上。则电流密度J为：IledVSJeVzz==1d（2-28）式中：V为短载流线元所占的体积，m3，lSdV=；l为导线的长度，m；S为导线横截面的面积，m2。将上式中的dVJ用Idzez替换后，得到载流线元在P点产生的矢量位A(r)：()dzerzIerArjklc=πμ4（2-29）式中：r为观测点P离电偶极子中心点的距离。在很短的长度下的电偶极子上的电流都相同，且观测点又离的较为远，则上式可近似表示为：()rjkzcIlererA=πμ4（2-30）
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本文编号：2879313