在當(dāng)前世界上,原油是最重要的戰(zhàn)略資源之一,對(duì)各國(guó)的發(fā)展和綜合實(shí)力的提升具有決定性的意義。隨著石油工業(yè)的快速發(fā)展以及激增的石油開采量,在原油開采生產(chǎn)過(guò)程中,評(píng)價(jià)油井的產(chǎn)能、監(jiān)測(cè)工作狀態(tài)、合理高效的開采油氣資源就成了尤為重要的環(huán)節(jié)。而且由于國(guó)內(nèi)外原油含水率測(cè)量技術(shù)仍存在著許多問(wèn)題,所以本文就參數(shù)優(yōu)化和測(cè)量系統(tǒng)開展研究與調(diào)試,通過(guò)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和發(fā)射頻率、相位和天線參數(shù)的優(yōu)化,測(cè)量和監(jiān)測(cè)原油含水率的實(shí)際變化,這一舉措對(duì)油田開采生產(chǎn)有著重要的意義。本文通過(guò)COMSOL仿真軟件對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真與優(yōu)化,確定了射頻天線材質(zhì)、尺寸和形狀,設(shè)計(jì)了天線的外部保護(hù)膜和留電技術(shù),優(yōu)選了最佳的發(fā)射頻率;針對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外原油含水率測(cè)量存在的多值性和分辨率低的問(wèn)題,致力于射頻法原油含水率測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化,包括天線結(jié)構(gòu)、工作頻率、管道結(jié)構(gòu)等。在優(yōu)化的基礎(chǔ)上,形成了一套新型的杯型原油含水率測(cè)量裝置和井口測(cè)量管道式測(cè)量裝置;研制了射頻法原油含水率的全套電路,包括激勵(lì)信號(hào)模塊、運(yùn)算放大模塊、AD采樣模塊、調(diào)制檢波模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等部分,并通過(guò)通信將測(cè)量結(jié)果顯示于顯示屏幕上。對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行調(diào)試后,建立了室內(nèi)和室外實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái),采用不同比例的油水混合流體開展了大量的試驗(yàn),驗(yàn)證了射頻天線以及測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和總體性能。測(cè)試和試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于參數(shù)靈敏優(yōu)化后的水率測(cè)量系統(tǒng)性能良好,不僅有很好的單值性和線性度,而且的很高的分辨率和測(cè)量精度,可以滿足原油含水率的使用要求,在油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。
【學(xué)位單位】：西安石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TE622
【部分圖文】：

8就可以得到原油含水等效復(fù)介電常數(shù)。在原油水分相含率檢測(cè)方面，可以通過(guò)測(cè)試含水原油等效介電常數(shù)間接得到原油含水率[18]。2.3射頻法原油含水率測(cè)量系統(tǒng)的理論模型的建立2.3.1射頻天線模型研究傳統(tǒng)的單根天線測(cè)量系統(tǒng)存在著測(cè)量結(jié)果不理想，低分辨率的缺陷。經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證明單極子天線測(cè)量模式下，不能擁有具體的電流或電壓參考比較值，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不明顯。為了更好的分辨原油含水率，本文使用了平行雙天線結(jié)構(gòu)模型來(lái)測(cè)量。雙天線結(jié)構(gòu)是根據(jù)電磁場(chǎng)與電磁波書中的平行傳輸線得到的模型，如圖2-1所示。圖2-1雙天線結(jié)構(gòu)模型圖根據(jù)電磁場(chǎng)理論，電荷是產(chǎn)生電磁場(chǎng)的源量[19]。根據(jù)電荷分布的情況，可以分為四個(gè)源模型，本文需要討論的是線電荷模型。根據(jù)電荷線密度理論：電荷分布在同軸線上，就可稱之為線電荷，所以由此可以求出某段線上的總的電荷量為：()llddrqρ=（2-1）=()lldrqρ（2-2）其中q為總電荷量，C；lρ是空間位置r的函數(shù)，C/m；l為同軸線的長(zhǎng)度，m。根據(jù)電磁場(chǎng)理論研究，圖2-1中金屬天線的半徑為a，兩金屬天線軸線之間的距離為D，且D》a，此時(shí)則認(rèn)為電荷均勻分布在兩金屬天線的表面上，如果是在空氣中，應(yīng)用高斯定律和疊加原理，可得兩金屬天線之間的平面上任意一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度E(x)為;

10的介電常數(shù)，F(xiàn)/m，其大小值取為4.9；τ為張弛時(shí)間，s,取值為10-9s。將上述取值帶入公式（2-6）中，得到如圖2-2所示的水的介電常數(shù)與頻率的曲線圖。圖2-2水的介電常數(shù)的實(shí)部與電場(chǎng)頻率的曲線圖從圖2-2可看出，當(dāng)外加電場(chǎng)頻率在0到1000MHz范圍內(nèi)時(shí)，水的介電常數(shù)的實(shí)部為80與靜電場(chǎng)的值相同；當(dāng)頻率超過(guò)1000MHz時(shí)，水的介電常數(shù)的實(shí)部呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在本課題實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)橥饧与妶?chǎng)頻率20MHz小于1000MHz，所以近似認(rèn)為外加電場(chǎng)的頻率與本測(cè)量系統(tǒng)的含水原油中的水分子介電常數(shù)沒(méi)有直接的數(shù)學(xué)關(guān)系。因此在本課題射頻法原油含水率測(cè)量系統(tǒng)中可以忽略射頻信號(hào)對(duì)水的介電常數(shù)的影響。這樣就便于下面根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析規(guī)律和結(jié)論。2.3.3射頻傳感器在導(dǎo)電煤質(zhì)中幅頻特性的理論研究電磁波在以含水原油為導(dǎo)電媒質(zhì)的空間中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生幅度衰減與相位位移[13]。下面我們就討論在導(dǎo)電煤質(zhì)中電磁波的幅頻特性。根據(jù)正弦均勻平面波的傳播理論，由于油水混合流體是導(dǎo)電媒質(zhì)且通過(guò)電磁波來(lái)傳播，所以根據(jù)電磁波在導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播特性可知，其在無(wú)源區(qū)域的麥克斯韋方程如下：EEH+=×ωσj（2-7）HE=×jωμ（2-8）=H0（2-9）=E0（2-10）經(jīng)過(guò)計(jì)算公式2-1可以改寫成：EEHcj)j(jωεωσεω==×(2-11）

13()()dttdqti=（2-26）若電荷隨時(shí)間做正弦變化，則電流瞬時(shí)表達(dá)式為:()()tIdttdqti==cosω（2-27）式中：I表示電流的峰值。圖2-3球坐標(biāo)下的電偶極子如圖2-3所示，電偶極子沿z軸方向，且它的中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)上。則電流密度J為：IledVSJeVzz==1d（2-28）式中：V為短載流線元所占的體積，m3，lSdV=；l為導(dǎo)線的長(zhǎng)度，m；S為導(dǎo)線橫截面的面積，m2。將上式中的dVJ用Idzez替換后，得到載流線元在P點(diǎn)產(chǎn)生的矢量位A(r)：()dzerzIerArjklc=πμ4（2-29）式中：r為觀測(cè)點(diǎn)P離電偶極子中心點(diǎn)的距離。在很短的長(zhǎng)度下的電偶極子上的電流都相同，且觀測(cè)點(diǎn)又離的較為遠(yuǎn)，則上式可近似表示為：()rjkzcIlererA=πμ4（2-30）
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