基于微波法的原油持水率檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

孫豪 張濤

（1.杭州瑞利聲電技術(shù)有限公司，杭州，310023）

（2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部研究院，廊坊，065201）

近年來(lái)，我國(guó)80%陸上油田都已進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，為了穩(wěn)定和提高產(chǎn)量，大部分油井都采用注水開(kāi)采方式，這一方法在提高原油產(chǎn)量的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致井筒中流體持水率升高。目前常用的井下持水率檢測(cè)方法主要是電容法和電導(dǎo)法[1]。電容法適用于持水率小于50%的井況，由于檢測(cè)電路的振蕩頻率與流體介電常數(shù)成反比，其導(dǎo)數(shù)（變化率）與介電常數(shù)的平方成反比，隨著介電常數(shù)（持水率）增加，分辨率會(huì)迅速下降[2]。電導(dǎo)法適用于持水率大于50%的井況，該方法依賴于水相的連通，而在低持水率段，水無(wú)法形成連續(xù)相，電導(dǎo)法就會(huì)失效。因此，對(duì)于高產(chǎn)液注水井的持水率檢測(cè)，上述兩種方法均存在測(cè)量誤差。

為了解決高產(chǎn)液注水井的持水率在線檢測(cè)問(wèn)題，本文提出一種基于微波法的檢測(cè)電路。由混合流體相對(duì)介電常數(shù)的變化引起微波信號(hào)相位的變化，將持水率的測(cè)量轉(zhuǎn)換為微波信號(hào)相位差的測(cè)量。

1 同軸式射頻天線設(shè)計(jì)

考慮到傳感器的開(kāi)放性和易維護(hù)[3]，設(shè)計(jì)了同軸式射頻天線（圖1）。它是將兩根長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，半徑為r1的金屬管頂部以n 型結(jié)構(gòu)連接，底部引出分別作為信號(hào)的發(fā)射端和接收端，同時(shí)底座貫通一根長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，半徑為r2的金屬體作為接地端，與發(fā)射端和接收端的間距為d，最后將底座上端金屬結(jié)構(gòu)灌封聚酰亞胺溶液，凝固后在其表面涂覆樹(shù)脂膠，形成完整的射頻天線。當(dāng)流體經(jīng)過(guò)該天線表面時(shí)，持水率變化導(dǎo)致介電常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致從發(fā)射端進(jìn)入的微波信號(hào)的相位發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)天線兩端微波信號(hào)的相位差，即可實(shí)現(xiàn)流體持水率的間接測(cè)量。

圖1 同軸式射頻天線

2 微波法測(cè)量持水率的基本原理

微波法測(cè)量持水率的原理是基于傳輸線上電磁波信號(hào)的相移與混合流體相對(duì)介電常數(shù)的單調(diào)關(guān)系。常溫常壓下，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，不同持水率的混合流體與其相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系為[4]：式（2）～（3）中，ω為角頻率，0μ為真空磁導(dǎo)率，0ε為真空絕對(duì)介電常數(shù)，mε和mδ為混合流體的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率。

由式（2）～（3）可知，混合流體相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率的變化會(huì)導(dǎo)致衰減常數(shù)α和相位常數(shù)β發(fā)生變化，若將混合流體的相對(duì)介電常數(shù)作為中間變量，通過(guò)測(cè)量射頻天線兩端微波信號(hào)的幅度差和相位差，即可實(shí)現(xiàn)混合流體持水率的間接測(cè)量。

文獻(xiàn)[8]中指出，電磁波在傳輸線上的幅度變化與介電常數(shù)不具有單調(diào)性，這種非單調(diào)性會(huì)導(dǎo)致通過(guò)測(cè)量電磁波電壓幅度反演求解流體持水率的解時(shí)出現(xiàn)不確定性，因此根據(jù)幅度特性實(shí)現(xiàn)持水率的間接測(cè)量理論上行不通。而傳輸線上電磁波的相移特性與介電常數(shù)存在單調(diào)關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)射頻天線兩端微波信號(hào)的相位變化即可反演持水率變化。

3 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)微波法測(cè)量持水率的基本原理，檢測(cè)電路應(yīng)具有以下功能：產(chǎn)生微波信號(hào)送入射頻天線、射頻天線兩端信號(hào)相位差和幅度差測(cè)量、單元電路控制。基于上述功能需求，設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括以下幾個(gè)部分：上位機(jī)顯示、主控單元、射頻發(fā)射電路、射頻天線和信號(hào)采集電路。

圖2 檢測(cè)電路總體結(jié)構(gòu)

上位機(jī)顯示的功能是下發(fā)命令和接收數(shù)據(jù)，其中下發(fā)命令是向主控單元下發(fā)各項(xiàng)參數(shù)，主控單元根據(jù)收到的命令參數(shù)驅(qū)動(dòng)射頻發(fā)射電路產(chǎn)生相應(yīng)頻率的微波信號(hào)，下發(fā)的頻率參數(shù)范圍為300～950 MHz。接收數(shù)據(jù)是將主控單元上傳的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。

主控單元的功能包括：驅(qū)動(dòng)射頻發(fā)射電路產(chǎn)生相應(yīng)頻率的微波信號(hào)、對(duì)信號(hào)采集電路輸出的兩路電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。主控單元控制器采用的是 ST 公司的半導(dǎo)體處理器STM32F103C8T7，該微處理器的工作頻率為72 MHz，內(nèi)置128 kB 的Flash 存儲(chǔ)器和20 kB 的SRAM，具有豐富的通用IO 端口[9]。同時(shí)其內(nèi)部含有兩個(gè)12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，九個(gè)外部輸入通道，三個(gè)USART 異步串行通用接口和兩個(gè)IIC 接口，完全能夠滿足主控單元的功能需求。

射頻發(fā)射電路的功能是與主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并產(chǎn)生不同頻率的微波信號(hào)送入天線發(fā)射端和信號(hào)采集電路輸入端，電路如圖3 所示。采用的是ADI 公司的頻率合成器，該芯片可通過(guò)軟件設(shè)置的方式，輸出240～960 MHz 頻段的正弦波，同時(shí)具有FSK 和OOK 兩種調(diào)制方式，最高速率可達(dá)100 kbps，工作電壓為1.8～3.6 V。芯片通過(guò)3 號(hào)和4號(hào)引腳與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，微處理器向芯片內(nèi)部地址寫(xiě)入不同參數(shù)，5 號(hào)引腳能輸出不同頻率的正弦波送入射頻天線發(fā)射端和信號(hào)采集電路輸入端。

圖3 射頻發(fā)射電路

射頻天線的功能是監(jiān)測(cè)混合流體持水率變化，流體持水率變化導(dǎo)致其相對(duì)介電常數(shù)發(fā)生變化，射頻天線上的微波信號(hào)會(huì)發(fā)生衰減[10]，天線兩端信號(hào)的相位和幅度就會(huì)改變。

信號(hào)采集電路的功能是對(duì)射頻發(fā)射電路和天線接收端送入的兩路信號(hào)INA 和INB 在內(nèi)部進(jìn)行相位和幅度測(cè)量，并將實(shí)時(shí)采集的相位差值和幅度差值送入主控單元，電路如圖4 所示。

圖4 信號(hào)采集電路

電路采用了ADI 公司用于幅度和相位測(cè)量的單片集成電路AD8302。該芯片主要是由精密匹配的兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)檢波器、一個(gè)相位檢波器、輸出放大器組、一個(gè)偏置單元和一個(gè)輸出參考電壓緩沖器等部分組成，能同時(shí)測(cè)量從低頻到2.7 GHz 頻率范圍內(nèi)的兩路輸入信號(hào)之間的幅度比和相位差。如圖4 所示，AD8302 外部只需少量阻容器件便可工作，由INPA 和INPB 輸入兩路信號(hào)，通過(guò)VPHS 和VMAG 輸出兩路信號(hào)之間的相位差和幅度差（電壓值），并送入主控單元由微處理器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[11]。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

為了驗(yàn)證開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路可行性，先將不同體積的油和水按照間隔5%的比例混合攪拌，得到21 種測(cè)試樣本，持水率范圍為0～100%，再將同軸式射頻天線接入檢測(cè)電路，最后依次放入上述測(cè)試樣本進(jìn)行試驗(yàn)。在同一測(cè)試樣本中，電路依次輸出300～950 MHz 的微波信號(hào)，并記錄每個(gè)激發(fā)頻率測(cè)得的相位差值和幅度差值，而幅度差值與持水率不具有單調(diào)性，該試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考意義不大，此處不做說(shuō)明。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，取其中相對(duì)有效的數(shù)據(jù)如表1 所示。由表1 可知，該檢測(cè)電路可輸出300～950 MHz 頻段的高頻信號(hào)，并將相位和幅度的測(cè)量集中在一塊集成電路上，大大簡(jiǎn)化了復(fù)雜的幅相檢測(cè)系統(tǒng)，具有較好的集成度；在同一激發(fā)頻率，隨著混合流體持水率變化，微波信號(hào)的相位差值也發(fā)生變化；在不同激發(fā)頻率，當(dāng)持水率不斷增加，相位差值的變化方向有所差異（增大或減小）。將表1 中的數(shù)據(jù)繪制曲線如圖5 所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖5 持水率-相位差值曲線關(guān)系圖

由圖5 可知，微波信號(hào)的頻率為375、425、550、850 和925 MHz 時(shí)，持水率與相位差值存在單調(diào)關(guān)系；對(duì)比各條曲線發(fā)現(xiàn)，激發(fā)頻率為550 MHz 時(shí)，水和油的相位差值曲線分辨率最大，因此可選擇550 MHz 作為電路的最終激發(fā)頻率。設(shè)計(jì)的同軸式射頻天線具有良好的分辨率，在0～70%持水率分辨率為5%，超過(guò)70%分辨率為10%（天線分辨率即為探頭分辨率）。

4.2 實(shí)際測(cè)井試驗(yàn)

將該檢測(cè)電路裝入機(jī)械結(jié)構(gòu)形成完整的微波持水率測(cè)井儀，通過(guò)兩相流實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)標(biāo)定結(jié)果制作測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)解釋圖對(duì)實(shí)際測(cè)井曲線進(jìn)行修正。在實(shí)際測(cè)井試驗(yàn)中，采用該微波持水率儀器和電容持水率儀器對(duì)同一環(huán)空井進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際測(cè)井曲線對(duì)比如圖6 所示[12]。由圖6 可知，微波法持水率儀器的測(cè)量結(jié)果為含水82.2%，井口計(jì)量含水為84.6%，二者誤差為2.4%，原因可能是井口流體與各射孔段的溫度和礦化度不同導(dǎo)致的。溫度和礦化度變化都會(huì)影響流體相對(duì)介電常數(shù)，進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果，礦化度是主要的影響原因。對(duì)比兩條測(cè)井曲線發(fā)現(xiàn)，電容法持水率測(cè)井儀顯示6 個(gè)射孔井段均微量產(chǎn)油，且每個(gè)射孔段產(chǎn)油變化都比較小，說(shuō)明該儀器無(wú)法準(zhǔn)確分辨每個(gè)層位的產(chǎn)出狀態(tài)；而微波法持水率儀器的測(cè)量結(jié)果在每個(gè)射孔段都有明顯變化，第1 個(gè)層位含水為11.44%，第4 個(gè)層位含水為99.47%，說(shuō)明微波法持水率測(cè)井儀具有良好的高含水地層分辨能力，可提供相對(duì)可靠的油井剖面產(chǎn)出數(shù)據(jù)。

圖6 微波持水率測(cè)井儀與電容持水率測(cè)井儀測(cè)井曲線對(duì)比圖

5 結(jié)論

開(kāi)發(fā)的檢測(cè)電路可輸出寬頻段范圍的高頻信號(hào)，并可實(shí)時(shí)檢測(cè)射頻天線上微波信號(hào)相位的變化，具有較好的集成度，同時(shí)開(kāi)發(fā)的微波持水測(cè)井儀具有良好的地層含水分辨能力，有效地避免了電容法和電導(dǎo)法在測(cè)量時(shí)因井況不同而產(chǎn)生的測(cè)量誤差，為高產(chǎn)液注水井的持水率檢測(cè)提供了一種解決方案。

在實(shí)際測(cè)井時(shí)，由于地層水中含有大量鹽分和可溶礦物質(zhì)，且隨著礦化度的升高，油水混合流體的相對(duì)介電常數(shù)會(huì)明顯下降[13]?；谖⒉ǚǖ南嘁铺匦詸z測(cè)流體持水率時(shí)，即使流體持水率不變，由礦化度變化引起介電常數(shù)變化，也會(huì)帶來(lái)相移計(jì)數(shù)誤差，從而影響持水率的準(zhǔn)確測(cè)量。因此，如何減小礦化度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，具有重要的研究意義。