發(fā)布時間：2020-11-11 14:35

　　 在當(dāng)前世界上,原油是最重要的戰(zhàn)略資源之一,對各國的發(fā)展和綜合實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)過程中,評價油井的產(chǎn)能、監(jiān)測工作狀態(tài)、合理高效的開采油氣資源就成了尤為重要的環(huán)節(jié)。而且由于國內(nèi)外原油含水率測量技術(shù)仍存在著許多問題,所以本文就參數(shù)優(yōu)化和測量系統(tǒng)開展研究與調(diào)試,通過對測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和發(fā)射頻率、相位和天線參數(shù)的優(yōu)化,測量和監(jiān)測原油含水率的實際變化,這一舉措對油田開采生產(chǎn)有著重要的意義。本文通過COMSOL仿真軟件對天線結(jié)構(gòu)進行了仿真與優(yōu)化,確定了射頻天線材質(zhì)、尺寸和形狀,設(shè)計了天線的外部保護膜和留電技術(shù),優(yōu)選了最佳的發(fā)射頻率;針對現(xiàn)有國內(nèi)外原油含水率測量存在的多值性和分辨率低的問題,致力于射頻法原油含水率測量系統(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量裝置和井口測量管道式測量裝置;研制了射頻法原油含水率的全套電路,包括激勵信號模塊、運算放大模塊、AD采樣模塊、調(diào)制檢波模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等部分,并通過通信將測量結(jié)果顯示于顯示屏幕上。對各個功能模塊進行調(diào)試后,建立了室內(nèi)和室外實驗?zāi)�擬平臺,采用不同比例的油水混合流體開展了大量的試驗,驗證了射頻天線以及測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和總體性能。測試和試驗結(jié)果表明,對于參數(shù)靈敏優(yōu)化后的水率測量系統(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量精度,可以滿足原油含水率的使用要求,在油田進行了現(xiàn)場測試,驗證了系統(tǒng)的性能。
【學(xué)位單位】：西安石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：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方面，可以通過測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)的單根天線測量系統(tǒng)存在著測量結(jié)果不理想，低分辨率的缺陷。經(jīng)過一系列實驗證明單極子天線測量模式下，不能擁有具體的電流或電壓參考比較值，導(dǎo)致實驗結(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)模型來測量。雙天線結(jié)構(gòu)是根據(jù)電磁場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)電磁場理論，電荷是產(chǎn)生電磁場的源量[19]。根據(jù)電荷分布的情況，可以分為四個源模型，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為同軸線的長度，m。根據(jù)電磁場理論研究，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的電場強度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)的實部與電場頻率的曲線圖從圖2-2可看出，當(dāng)外加電場頻率在0到1000MHz范圍內(nèi)時，水的介電常數(shù)的實部為80與靜電場的值相同；當(dāng)頻率超過1000MHz時，水的介電常數(shù)的實部呈現(xiàn)下降趨勢。在本課題實驗中，因為外加電場頻率20MHz小于1000MHz，所以近似認(rèn)為外加電場的頻率與本測量系統(tǒng)的含水原油中的水分子介電常數(shù)沒有直接的數(shù)學(xué)關(guān)系。因此在本課題射頻法原油含水率測量系統(tǒng)中可以忽略射頻信號對水的介電常數(shù)的影響。這樣就便于下面根據(jù)實驗數(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)的空間中傳播時會發(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)且通過電磁波來傳播，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)過計算公式2-1可以改寫成：EEHcj)j(jωεωσεω==×(2-11）

13()()dttdqti=（2-26）若電荷隨時間做正弦變化，則電流瞬時表達(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點產(chǎn)生的矢量位A(r)：()dzerzIerArjklc=πμ4（2-29）式中：r為觀測點P離電偶極子中心點的距離。在很短的長度下的電偶極子上的電流都相同，且觀測點又離的較為遠(yuǎn)，則上式可近似表示為：()rjkzcIlererA=πμ4（2-30）
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本文編號：2879313