基于微波法的原油持水率检测电路设计
时间：2023-02-28 20:10:06 来源：千叶帆 本文已影响人
孙豪 张涛
（1.杭州瑞利声电技术有限公司，杭州，310023）
（2.中海油田服务股份有限公司油田技术事业部研究院，廊坊，065201）
近年来，我国80%陆上油田都已进入开发中后期，为了稳定和提高产量，大部分油井都采用注水开采方式，这一方法在提高原油产量的同时，会导致井筒中流体持水率升高。目前常用的井下持水率检测方法主要是电容法和电导法[1]。电容法适用于持水率小于50%的井况，由于检测电路的振荡频率与流体介电常数成反比，其导数（变化率）与介电常数的平方成反比，随着介电常数（持水率）增加，分辨率会迅速下降[2]。电导法适用于持水率大于50%的井况，该方法依赖于水相的连通，而在低持水率段，水无法形成连续相，电导法就会失效。因此，对于高产液注水井的持水率检测，上述两种方法均存在测量误差。
为了解决高产液注水井的持水率在线检测问题，本文提出一种基于微波法的检测电路。由混合流体相对介电常数的变化引起微波信号相位的变化，将持水率的测量转换为微波信号相位差的测量。
考虑到传感器的开放性和易维护[3]，设计了同轴式射频天线（图1）。它是将两根长度为L1，半径为r1的金属管顶部以n 型结构连接，底部引出分别作为信号的发射端和接收端，同时底座贯通一根长度为L2，半径为r2的金属体作为接地端，与发射端和接收端的间距为d，最后将底座上端金属结构灌封聚酰亚胺溶液，凝固后在其表面涂覆树脂胶，形成完整的射频天线。当流体经过该天线表面时，持水率变化导致介电常数发生变化，从而导致从发射端进入的微波信号的相位发生变化，通过检测天线两端微波信号的相位差，即可实现流体持水率的间接测量。
图1 同轴式射频天线
微波法测量持水率的原理是基于传输线上电磁波信号的相移与混合流体相对介电常数的单调关系。常温常压下，油的相对介电常数为2.3，水的相对介电常数为80，不同持水率的混合流体与其相对介电常数的关系为[4]：式（2）～（3）中，ω为角频率，0μ为真空磁导率，0ε为真空绝对介电常数，mε和mδ为混合流体的相对介电常数和电导率。
由式（2）～（3）可知，混合流体相对介电常数和电导率的变化会导致衰减常数α和相位常数β发生变化，若将混合流体的相对介电常数作为中间变量，通过测量射频天线两端微波信号的幅度差和相位差，即可实现混合流体持水率的间接测量。
文献[8]中指出，电磁波在传输线上的幅度变化与介电常数不具有单调性，这种非单调性会导致通过测量电磁波电压幅度反演求解流体持水率的解时出现不确定性，因此根据幅度特性实现持水率的间接测量理论上行不通。而传输线上电磁波的相移特性与介电常数存在单调关系，通过检测射频天线两端微波信号的相位变化即可反演持水率变化。
根据微波法测量持水率的基本原理，检测电路应具有以下功能：产生微波信号送入射频天线、射频天线两端信号相位差和幅度差测量、单元电路控制。基于上述功能需求，设计的检测电路总体结构如图2 所示，包括以下几个部分：上位机显示、主控单元、射频发射电路、射频天线和信号采集电路。
图2 检测电路总体结构
上位机显示的功能是下发命令和接收数据，其中下发命令是向主控单元下发各项参数，主控单元根据收到的命令参数驱动射频发射电路产生相应频率的微波信号，下发的频率参数范围为300～950 MHz。接收数据是将主控单元上传的数据实时显示。
主控单元的功能包括：驱动射频发射电路产生相应频率的微波信号、对信号采集电路输出的两路电压进行模数转换、与上位机进行数据通信。主控单元控制器采用的是 ST 公司的半导体处理器STM32F103C8T7，该微处理器的工作频率为72 MHz，内置128 kB 的Flash 存储器和20 kB 的SRAM，具有丰富的通用IO 端口[9]。同时其内部含有两个12 位模数转换器，九个外部输入通道，三个USART 异步串行通用接口和两个IIC 接口，完全能够满足主控单元的功能需求。
射频发射电路的功能是与主控单元进行数据交换，并产生不同频率的微波信号送入天线发射端和信号采集电路输入端，电路如图3 所示。采用的是ADI 公司的频率合成器，该芯片可通过软件设置的方式，输出240～960 MHz 频段的正弦波，同时具有FSK 和OOK 两种调制方式，最高速率可达100 kbps，工作电压为1.8～3.6 V。芯片通过3 号和4号引脚与微处理器进行数据读写，微处理器向芯片内部地址写入不同参数，5 号引脚能输出不同频率的正弦波送入射频天线发射端和信号采集电路输入端。
图3 射频发射电路
射频天线的功能是监测混合流体持水率变化，流体持水率变化导致其相对介电常数发生变化，射频天线上的微波信号会发生衰减[10]，天线两端信号的相位和幅度就会改变。
信号采集电路的功能是对射频发射电路和天线接收端送入的两路信号INA 和INB 在内部进行相位和幅度测量，并将实时采集的相位差值和幅度差值送入主控单元，电路如图4 所示。
图4 信号采集电路
电路采用了ADI 公司用于幅度和相位测量的单片集成电路AD8302。该芯片主要是由精密匹配的两个宽带对数检波器、一个相位检波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等部分组成，能同时测量从低频到2.7 GHz 频率范围内的两路输入信号之间的幅度比和相位差。如图4 所示，AD8302 外部只需少量阻容器件便可工作，由INPA 和INPB 输入两路信号，通过VPHS 和VMAG 输出两路信号之间的相位差和幅度差（电压值），并送入主控单元由微处理器进行模数转换[11]。
4.1 实验室试验
为了验证开发设计的检测电路可行性，先将不同体积的油和水按照间隔5%的比例混合搅拌，得到21 种测试样本，持水率范围为0～100%，再将同轴式射频天线接入检测电路，最后依次放入上述测试样本进行试验。在同一测试样本中，电路依次输出300～950 MHz 的微波信号，并记录每个激发频率测得的相位差值和幅度差值，而幅度差值与持水率不具有单调性，该试验数据参考意义不大，此处不做说明。由于试验数据较多，取其中相对有效的数据如表1 所示。由表1 可知，该检测电路可输出300～950 MHz 频段的高频信号，并将相位和幅度的测量集中在一块集成电路上，大大简化了复杂的幅相检测系统，具有较好的集成度；
在同一激发频率，随着混合流体持水率变化，微波信号的相位差值也发生变化；
在不同激发频率，当持水率不断增加，相位差值的变化方向有所差异（增大或减小）。将表1 中的数据绘制曲线如图5 所示。
表1 试验数据表
图5 持水率-相位差值曲线关系图
由图5 可知，微波信号的频率为375、425、550、850 和925 MHz 时，持水率与相位差值存在单调关系；
对比各条曲线发现，激发频率为550 MHz 时，水和油的相位差值曲线分辨率最大，因此可选择550 MHz 作为电路的最终激发频率。设计的同轴式射频天线具有良好的分辨率，在0～70%持水率分辨率为5%，超过70%分辨率为10%（天线分辨率即为探头分辨率）。
4.2 实际测井试验
将该检测电路装入机械结构形成完整的微波持水率测井仪，通过两相流实验装置对仪器进行标定，根据标定结果制作测井数据解释图对实际测井曲线进行修正。在实际测井试验中，采用该微波持水率仪器和电容持水率仪器对同一环空井进行测量，实际测井曲线对比如图6 所示[12]。由图6 可知，微波法持水率仪器的测量结果为含水82.2%，井口计量含水为84.6%，二者误差为2.4%，原因可能是井口流体与各射孔段的温度和矿化度不同导致的。温度和矿化度变化都会影响流体相对介电常数，进而影响测量结果，矿化度是主要的影响原因。对比两条测井曲线发现，电容法持水率测井仪显示6 个射孔井段均微量产油，且每个射孔段产油变化都比较小，说明该仪器无法准确分辨每个层位的产出状态；
而微波法持水率仪器的测量结果在每个射孔段都有明显变化，第1 个层位含水为11.44%，第4 个层位含水为99.47%，说明微波法持水率测井仪具有良好的高含水地层分辨能力，可提供相对可靠的油井剖面产出数据。
图6 微波持水率测井仪与电容持水率测井仪测井曲线对比图
开发的检测电路可输出宽频段范围的高频信号，并可实时检测射频天线上微波信号相位的变化，具有较好的集成度，同时开发的微波持水测井仪具有良好的地层含水分辨能力，有效地避免了电容法和电导法在测量时因井况不同而产生的测量误差，为高产液注水井的持水率检测提供了一种解决方案。
在实际测井时，由于地层水中含有大量盐分和可溶矿物质，且随着矿化度的升高，油水混合流体的相对介电常数会明显下降[13]。基于微波法的相移特性检测流体持水率时，即使流体持水率不变，由矿化度变化引起介电常数变化，也会带来相移计数误差，从而影响持水率的准确测量。因此，如何减小矿化度对测量结果的影响，具有重要的研究意义。
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