基于相位法原油含水率仪的实验研究

　　1　引　言

　　在油井的生产过程中,产出剖面测井技术是对油井进行动态监测的主要手段,即测量油井中产液层的流量和含水率。目前,测量油井含水率的主要方法是油水分离后以导电的水相为等位体的取样式电容液位法。在抽油机采油井中,油井的产液量和含水率随抽油机抽吸过程而有规律地变化,使得瞬间取样的随机性较大,所取样品很难具有代表性,造成取样式测量含水率的误差较大。

　　因此,连续测量原油的含水率是提高测量准确度的必要条件。原油和水都属于非磁性物质,但介电常数差别很大,原油的介电常数约为2·5,水的介电常数约为80(20℃);并且油井中的地层水因含有大量的矿物质,电导率σ大约在0·5~5 S·m-1之间,而原油是绝缘体,不同含水率使油水混合介质的介电常数和电导率会有较大的变化,这些都为通过电学参数测量确定油井中原油的含水率提供了有利的条件。由此,研制了电容法含水率计和电导法含水率计,前者适合于低含水率原油测量,后者适合于高含水率原油测量[1]。电磁波在介质中的传播特性是由介质的介电常数和电导率决定,通过测量电磁波在油水混合介质中的传播特性也可以得到原油的含水率。根据上述原理,国内学者曾提出了屏蔽式感应法[2]和波导法[3]。作者利用同轴传输线作传感器,测量电磁波在充满油水混合介质的同轴线内中的相位特性,实现了油井中原油含水率的连续测量,模拟井实验证明同轴线相位法含水率仪具有较好的响应特性和油水分辨特性,目前正在大庆油田推广应用,对解决高含水油井含水率测量具有良好的应用前景。

　　2　测量原理

　　2·1　同轴线传感器

　　同轴线传感器结构如图1所示,电磁波在其内以TEM波模式传播的条件是:

式中,a为同轴线传感器内导体的外半径;b为同轴线传感器外导体的内半径,fmax为同轴线内传输TEM波的最高截止频率;εe为同轴线内介质的等效介电常数。

　　以同轴线相位法含水率仪的外壳作为同轴线的外导体,油水混合介质在同轴线的内、外导体之间连续流过,并构成传播电磁波的载体。

　　2·2　电磁波的传播特性

　　根据电磁场理论,电磁场在同轴线内以TEM波传播时的衰减常数和相位常数分别为[4]

　　因同轴线的不均匀性和特性阻抗的变化,使同轴线内电磁波的幅度具有较大的不确定性,另外,油井中温度变化范围较大,由此导致很难测准电磁波的幅度衰减,而相位变化受到上述因素的影响较小,准确测量相位常数比测量幅度衰减容易得多。因此,选择测量电磁波相位特性来实现原油含水率的测定。