戴 阳

（西安石油大学电子工程学院，陕西 西安 710065）

我国的油田开采普遍进入中后期，注水井开发成为普遍现象，其油井产出液的含水率越来越高[1]。而含水率是油田工业非常重要的一个参数指标，对原油成分的分析起着重要作用，对油田分层采集工艺有着指导性意义。原油含水率的在线精确测量是实现数字化智能完井技术必不可缺的一环。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]。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 高频电磁波法含水率测量原理

本文利用电磁波在介质中传播的幅度衰减现象，给前端螺旋线圈的一端和调制解调电路的参考信号端同时输入稳定的高频电磁信号，通过调制解调电路模块分析信号穿过油水介质后的幅度变化情况，以区分不同比例的油水混合液，实现含水率的测量，测量原理图如图1所示。

2 传统含水率测量装置的缺陷与改进

图1 含水率测量原理图

传统的实验室含水率测量装置一般结构简单，多是采用PVC管搭建一个小型闭合循环装置，将直径4mm平行铜柱天线水平地置于管道节点处，设置进、出液口及安装电机。管道内流体含水率较低时，由于电机的搅拌，油水分层现象不明显，含水率的测量值有一定参考性；当含水率较高时，电机搅拌效果较差，油水基本分层，射频天线完全处于水层中，采集的信号基本都是表征水的，对含水率的测量精度将造成很大影响。

为保证室内实验的有效性，在含水率测量系统的设计时必须要契合油田现场工况。由于高频电磁波在良导体中传播的趋肤效应，其信号仅能存在于铜柱天线的表面，导致接收信号往往失真严重，影响整体测量区分度，本文采用螺旋线圈作为前端传感器，由铜制导线绕制而成，可以良好地引导电磁波，并垂直安装在材料、尺寸与油田现场一致的水平铁管道上，保证采样信号贯穿整个管道内流体，有效降低管道内高含水率时油水分层带来的测量误差。

3 含水率测量实验结果分析及数据处理方式改进

3.1 含水率测量结果分析

表1为含水率测量装置改进前后对采集信号幅度解调的结果。图2为含水率测量装置改进前后的测量曲线图。图2中虚线部分是传统测量装置的测量结果，实线部分是改进装置后的测量结果。

从图2看出，改进后的测量装置在整体测量区分度上优于传统装置，传统装置的油水幅度测量电压区间为0.63V，而改进装置为0.84V。改进装置在高含水率区段的测量灵敏度更高，整体测量曲线呈单调递减状，而传统装置在含水率80%到100%的区间内测量电压变化极小，甚至出现测量“拐点”，导致幅度电压一值对应多点的含水率，无法满足高含水率的测量需求。

表1 含水率与采集信号解调的幅度数据表

图2 测量系统改进前后测量特性曲线

3.2 含水率测量数据处理

对于图2实线部分，也就是改进装置的测量曲线进行处理，传统做法是将其用matlab工具直接拟合成一条含水率w与测量信号幅度V的多项式表达式：

式（1） 中多项式阶数较高，表达式复杂，测量电压的微小波动会导致很大的测量误差，表2为第二次实验的测量电压代入式（1） 后计算出的含水率。

表2 第二次实验拟合含水率计算值与误差表

从表2中可以看出，二次实验的测量电压值与初始测量值差异极小，说明改进后的测量装置稳定，测量结果参考价值较大。因为每次测量会有几毫伏到十几毫伏的电压波动，这些微小变化代入式（1）的高阶多项式后会使含水率计算值误差增大，表2中即有两个点的含水率测量误差超过5%，这种拟合处理方式显然并不理想。

本文采用分段线性插值法[3]处理测量信号的电压，对于含水率测量精度有着很大的提高。其原理是利用一段曲线上已知的两点（x0，y0）和（x1，y1），根据相似三角形原理，在得到横坐标x值的情况下计算对应y的值。设相似比例为，则，

根据图2和表1中的改进装置测量数据，每隔10%，分成10段插值区间，拟合出每一段的含水率-电压计算公式，最后的测量结果（第三次测量）及含水率误差如表3所示。

表3 第三次实验分段线性插值拟合含水率计算值与误差表

从表3中看出，分段线性插值法计算含水率的值与实际值相差较小，以此作为测量装置的数据处理方式可以有效地提高测量精度，综合测量误差在3%以内，满足油田现场测量需求。

4 结语

本文分析了高频电磁波法测量含水率的原理，从传统含水率测量装置所存在的问题出发，改进了前端射频天线的结构及测量装置的设计安装方式，实现了全区段高灵敏度、高精度的含水率测量，并通过多次实验验证了改进后测量装置的有效性、适用性，为油田地面管道含水率的测量提供了一种可靠装置。