董鵬敏，郭鉛鉛，王天琦，趙?？?，羅仕沖，曾祥虎，王 鵬

(西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

0 引言

原油含水率檢測(cè)是原油采集、預(yù)估產(chǎn)量、石油化工及運(yùn)輸?shù)冗^程的重要參數(shù)。目前，原油含水率檢測(cè)主要分為人工檢測(cè)和在線測(cè)量兩種。在線檢測(cè)是當(dāng)今數(shù)字化油田不可或缺的檢測(cè)方式。原油含水率在線檢測(cè)的常用方法有紅外光譜吸收法、電阻抗法、射線衰減法及微波法等[1]。

微波檢測(cè)法具有檢測(cè)精度高、應(yīng)用范圍廣以及檢測(cè)過程不易受油水形態(tài)影響等優(yōu)點(diǎn)，因此受到越來越多的應(yīng)用和重視。但在檢測(cè)過程中，原油的礦化度、伴生氣和環(huán)境溫度的變化會(huì)影響微波法含水儀檢測(cè)精度，使檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生偏差。高含水原油中大量存在無機(jī)化合物——氯化鉀。因此，研究氯化鉀及溫度對(duì)微波法含水儀檢測(cè)原油含水率檢測(cè)精度的影響機(jī)理和規(guī)律具有重要意義。

1 微波法含水儀檢測(cè)原理

微波法含水儀的檢測(cè)原理是基于微波在具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)中其相移各不相同，通過微波在油水混合物中相移的大小測(cè)得混合物中水的含量[2]。

在常溫、常壓下，原油的相對(duì)介電常數(shù)為2～3，水的相對(duì)介電常數(shù)為80，兩者的相對(duì)介電常數(shù)差距明顯。因此，不同比例的油水混合物通過油水介電常數(shù)的運(yùn)算，可得出不同的復(fù)合介電常數(shù)。

其運(yùn)算公式為[3]：

(1)

式中：εαr為某含水率下含水原油的介電常數(shù)；α為原油含水率；εrw為水的介電常數(shù)；εrv為油的介電常數(shù)；k為僅與含水率有關(guān)的并聯(lián)系數(shù)。

基于這一原理，通過測(cè)得微波在不同含水率原油中信號(hào)衰減及相移變化量，即可得到原油含水?dāng)?shù)據(jù)。

2 礦化度及溫度對(duì)原油含水率檢測(cè)影響機(jī)理

礦化度是水中溶解的鹽類組分。開采出的油水混合物中的礦化度主要來源有兩個(gè)：一是來自于地層水總礦化度，二是來自于油田回注水時(shí)人工引入的礦化度。對(duì)于水中礦化度的測(cè)量，油田開采現(xiàn)場(chǎng)一般采用重量法、原子吸收法、比色法和色譜法等進(jìn)行分析。因不同地區(qū)的地質(zhì)狀況各不相同，會(huì)導(dǎo)致各地區(qū)的礦化度種類和成分差異較大，在含水率檢測(cè)時(shí)隱藏著不確定性[4]。通過對(duì)油田水中各組分礦化度的測(cè)量，即可得到該油田的礦化度成分及其含量，從而為校正礦化度對(duì)微波法檢測(cè)原油含水率的誤差提供有效數(shù)據(jù)支撐。

微波相移法測(cè)量原油含水率的依據(jù)是油和水在常態(tài)下的介電常數(shù)有較大差異。礦化度的變化會(huì)改變流體的密度、導(dǎo)電性等物理性質(zhì)，導(dǎo)致檢測(cè)原油含水率時(shí)產(chǎn)生一定的誤差?？茖W(xué)研究表明，油水混合液的相對(duì)介電常數(shù)與油水混合液體濃度存在如下關(guān)系：

εeff=εrw-c×(α×μ-β×v)

(2)

式中：εeff為油水混合液的相對(duì)介電常數(shù)；εrw為水的介電常數(shù)；c為油水混合物的密度；α為陽離子的化合價(jià)；μ為油水混合物中陽離子對(duì)水的相對(duì)介電常數(shù)的影響系數(shù)；β為陰離子的化合價(jià)；v為油水混合液體中陰離子對(duì)水的相對(duì)介電常數(shù)的影響系數(shù)。

根據(jù)式(2)可知，油水混合物中含有的礦化物會(huì)引起液體內(nèi)陽離子和陰離子的化合價(jià)發(fā)生改變，導(dǎo)致油水混合液體相對(duì)介電常數(shù)εeff發(fā)生改變，從而影響含水率檢測(cè)精度[5]。

溫度是影響原油含水率檢測(cè)精度的另一個(gè)重要因素。在高含水(水含率在 60% 以上)條件下，當(dāng)溫度升高時(shí)，水的介電常數(shù)會(huì)減少，導(dǎo)致油水混合物的介電常數(shù)變小。由于油的介電常數(shù)較小、水的介電常數(shù)較大，當(dāng)油水混合物介電常數(shù)衰減時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“油多水少”的假象，造成原油含水率的測(cè)量值低于真實(shí)值的現(xiàn)象；而且隨著溫度的升高，會(huì)導(dǎo)致原油含水率的測(cè)量值低于其實(shí)際值[6-7]。本文主要研究了含水原油中常見的氯化鉀在不同溫度下對(duì)微波法含水儀檢測(cè)精度。

3 試驗(yàn)分析與研究

3.1 試驗(yàn)方案

在原油含水率的標(biāo)定值60%～100%之間選取10個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，分別為50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%。配置不同標(biāo)定含水率的油水混合液和不同比例的氯化鉀混合試劑，將氯化鉀混合試劑分別加入油水混合液中。分別在20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃條件下逐漸增大其濃度，利用微波法含水儀檢測(cè)油水混合液的含水率，觀察并記錄微波法含水儀的檢測(cè)結(jié)果。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

微波法含水儀檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 微波法含水儀檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析研究

通過試驗(yàn)得出不同含量氯化鉀在不同溫度對(duì)微波法含水儀檢測(cè)誤差的影響規(guī)律。不同溫度下的擬合曲線(部分)如圖1所示。

圖1 擬合曲線圖(部分)

由圖1可知：在相同溫度下，隨著氯化鉀含量增加，微波法含水儀的含水率也隨之逐漸提高。

在不同溫度下，含水率y與礦化度x的二次擬合函數(shù)導(dǎo)數(shù)如表2所示。

表2 含水率與礦化度二次擬合函數(shù)導(dǎo)數(shù)表

由表2可知，雖部分?jǐn)M合函數(shù)導(dǎo)數(shù)斜率小于0，但擬合公式導(dǎo)函數(shù)的函數(shù)值大于0。因此，在某一固定溫度環(huán)境下，微波法含水儀的檢測(cè)數(shù)值會(huì)隨著油水混合液中氯化鉀含量的增加而增大。與此同時(shí)，使用微波法檢測(cè)油水混合液中的含水率，其檢測(cè)結(jié)果不僅受到油水混合液中礦化物濃度的影響，而且受到油水混合液溫度的影響。氯化鉀和溫度對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的影響規(guī)律呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性關(guān)系，因此需要對(duì)微波法含水儀檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校正。

4 基于徑向莖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原油含水率檢測(cè)誤差校正

在多因素(礦化度、溫度)情況下，采用微波法含水儀檢測(cè)油水混合液的含水率。檢測(cè)到的結(jié)果存在誤差，并且礦化度和溫度對(duì)其檢測(cè)結(jié)果的影響規(guī)律呈非線性，無法運(yùn)用線性的方法處理數(shù)據(jù)。徑向基函數(shù)(radial basis function，RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于人腦的神經(jīng)元細(xì)胞對(duì)外界反應(yīng)的局部性而提出的，是一種采用函數(shù)逼近理論作為依據(jù)而構(gòu)造的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。其具有最佳逼近性能和全局最優(yōu)的特性，可實(shí)現(xiàn)以高精度逼近連續(xù)函數(shù)[7]。綜合考慮，采用RBF校正微波法含水儀檢測(cè)誤差，可提高其對(duì)原油含水率檢測(cè)精度。

4.1 RBF網(wǎng)絡(luò)模型

將配置油水混合液中的礦化度濃度、混合液溫度以及微波法含水儀測(cè)量值作為RBF網(wǎng)絡(luò)的輸入量Xi(Xi=[ni,ti,ci]T,i=1,2,...,N)，油水混合液含水標(biāo)定值作為RBF的期望輸出值Yi(Yi=[δi]T)。那么{Xi,Yi}便構(gòu)成RBF誤差校正模型的樣本[8]。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于隱層節(jié)點(diǎn)的徑向基函數(shù)選擇Gaussinan函數(shù)。其公式為：

(3)

式中：X為輸入向量;Ci為隱層第i個(gè)神經(jīng)元中心;σ為基函數(shù)寬度。

對(duì)應(yīng)第i個(gè)神經(jīng)元輸出為：

(4)

式中：ωij為對(duì)應(yīng)鏈接權(quán)值[9-10]。

4.2 建立樣本數(shù)據(jù)庫和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

在建立的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差校正模型中，把混合液的礦化度濃度n、混合液溫度t以及微波法含水儀測(cè)量值c作為輸入，試驗(yàn)混合液含水標(biāo)定值δ作為RBF的期望輸出。故輸入神經(jīng)元和輸出神經(jīng)元數(shù)分別為3和1。按照RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)預(yù)處理數(shù)據(jù)的要求，把數(shù)據(jù)分為學(xué)習(xí)樣本(600組)和檢測(cè)樣本(142組)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行羅列分類。

表3和表4分別為微波法含水儀對(duì)油水混合物檢測(cè)得到的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)(部分)和檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)(部分)。

表3 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本(部分)

表4 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)樣本(部分)

輸入數(shù)據(jù)具有不同量綱，直接輸入可能會(huì)影響數(shù)據(jù)分析的結(jié)果。為了消除指標(biāo)間的量綱影響、提高建模效果，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使各個(gè)指標(biāo)位于同一數(shù)量級(jí)。歸一公式為[11]:

(5)

運(yùn)用函數(shù)newrb建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用迭代方式確立基函數(shù)中心ci和隱層神經(jīng)元數(shù)，依據(jù)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)距離和范圍確定隱含層閾值b1，確定好的隱層神經(jīng)元參數(shù)通過最小二乘法求出隱層帶輸出層的權(quán)值。

4.3 誤差校正評(píng)價(jià)

為了便于清楚地分析在運(yùn)用RBF網(wǎng)絡(luò)后的微波法含水儀檢測(cè)效果，采用最大誤差和均方誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用訓(xùn)練好的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。RBF網(wǎng)絡(luò)輸出曲線和RBF網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差曲線分別如圖2和圖3所示。

圖2 RBF網(wǎng)絡(luò)輸出曲線

圖3 RBF網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差曲線

在RBF網(wǎng)絡(luò)校正前，微波法含水儀測(cè)量誤差最大可達(dá)±25.2%。通過圖3可知：經(jīng)過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正后，將含水率檢測(cè)誤差減小到了±4.98%以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文研究了溫度和礦化度對(duì)微波法含水儀檢測(cè)誤差的影響機(jī)理，通過雙因素(氯化鉀和溫度)試驗(yàn)法得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立誤差校正模型。通過前后誤差對(duì)比，可得出：當(dāng)微波法含水儀經(jīng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型后，可對(duì)其結(jié)果進(jìn)行誤差校正，且校正效果明顯。

通過該方法可以有效地減少氯化鉀溫度對(duì)微波法含水儀含水率檢測(cè)誤差的干擾，并提高其檢測(cè)精度。同時(shí)，該誤差校正模型為校正多因素情況下微波法含水儀含水率檢測(cè)誤差提供了有效參考。