（控制理论与控制工程专业论文）基于多传感器的原油含水率测量问题的研究.pdf

基于多传感器的原油含水率测量问题的研究 任冬艳( 控制理论与控制工程) 指导教师：夏伯锴( 教授) 中文摘要 井口和输油管线中的原油含水率的在线精确测量，对于确定出 水、出油层位，估计产量和预测油井的开发寿命以及油井的产量质量 控制、油井状态检测、减少能耗、降低成本和采油管理自动化具有重 要的意义和实用价值。 文中首先对目前原油含水测量中存在的问题进行分析，认为现有 的含水测量仪表在测量范围和精度、稳定性和可靠性及成本方面还存 在诸多问题。其次，通过对各种原油含水测量传感器进行分析，选择 了采用电磁波谐振技术测定原油含水率的传感器，设计了包括含水率 传感器在内的多传感器测量实验方案，建立了模拟原油含水率在线测 量系统。然后，选择了多元回归方法和r b f 神经网络技术建立原油 含水模型来逼近含水测量传感器信号的多因素非线性函数关系，通过 对比o l s 、聚类和梯度三种r b f 神经网络算法的仿真结果，并结合 原油含水测量传感器的数据特点，将整个含水段分为低含水、中含水 和高含水三段，分别建立不同的神经网络模型。最后，对实验结果进 行了对比分析和综合评价。同时，基于v i s u a lb a s i c 语言，设计和开 发了原油含水测量系统的算法软件模块，以及简洁明了和易于操作的 人机交互界面菜单系统。 研究结果表明，本文提出的改进方案可显著提高0 - 1 0 0 范围的 原油含水测量精度，为达到提高原油含水测量系统精度和性价比的预 期目标奠定了基础。 关键词：原油含水率；多元回归模型；人工神经网络；径向基函数 r e s e a r c ho nw a t e r - c u tm e a s u r e m e n to fc r u d eo i l w i t hm u l t i s e n s o r r e nd o n g y a n ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx i ab o k a i a b s t r a c t t h eo n 1 i n ep r e c i s em e a s u r e m e n to fw a t e r - c u ti nt h ew e l lh e a da n d t h ep e t r o l e u mp i p el i n eh a st h ev i t a ls i g n i f i c a n c ea n dt h ep r a c t i c a lv a l u e f o rd e t e r m i n i n gp o s i t i o no f w a t e rs t r a t u ma n do i ls t r a t u m ，p r e d i c t i n gt h e o u t p u ta n dt h ed e v e l o p m e n tl i f eo fo i lw e l l ，c o n t r o l l i n gt h eo u t p u ta n d q u a l i t yo fo i lw e l l ，d e t e c t i n gt h e o i lw e l l ss t a t e s ，r e d u c i n ge n e r g y c o n s u m p t i o na n dc o s t , a n dm a n a g i n go i le x t r a c t i o na u t o m a t i c a l l y f i r s t l y , p r o b l e m sa b o u tw a t e r - c u tm e a s u r e m e n to fc r u d e o i la l e p o i n t e da tp r e s e n t , w h i c ha r em e a s u r e m e n tr a n g e m e a s u r e m e n ta c c u r a c y , s t a b i l i t y , r e l i a h i l 毋a n dc o s t s e c o n d l y , t h ew a t e r - c u tm e a s u r e m e n ts e n s o r b a s e do ne l e c t r o m a g n e t i cw a v er e s o n a n c ep r i n c i p l ei sc h o s e na f t e r a n a l y z i n ga l o to fw a t e r - c u tm e a s u r e m e n ts e n s o r s a ne x p e r i m e n t a l s c h e m ea n dp l a n to fm u l t i s e n s o rw a t e r - c u tm e a s u r e m e n ti sd e s i g n e d ， w h i c hc a ns i m u l a t ew a t e r - c u tm e a s u r e m e n to fc r u d eo i lo n - l i n ei nr e a l p r o d u c t i o n ，a n dt h e nw a t e r - c u tf o r e c a s tm o d e lw h i c hc a na p p r o a c ht h e n o n l i n e a rf u n c t i o no fw a t e r - c u ts e n s o r so u t p u ts i g n a li se s t a b l i s h e db y u s i n gm u l t i p l er e g r e s s i o n m e t h o da n dt h er b fn e u r a ln e t w o r k s t e c h n o l o g y ，t h ew a t e r - c u tm e a s u r e m e n tr a n g e i sd i v i d e di n t ot h r e e s e g m e n t s ，l o ww a t e r - c u t , m i d d l ew a t e r - c u ta n dh i g hw a t e r - c u t , d i f f e r e n t n e u r a ln e t w o r km o d e l sa r ee s t a b l i s h e df o re v e r ys e g m e n ta f t e ra n a l y z i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fo l s ，k - m e a n sa n dg r a d i e n ta l g o r i m ma n dt h e i l l o u t p u ts i g n a ld a t ac h a r a c t e r i s t i co fw a t e r - c u ts e n s o r f i n a l l y , t h ec o n t r a s t a n a l y s i sa n do v e r a l le v a l u a t i o no fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e m a tt h e s a m et i m e ，af r i e n d l y o p e r a t i o n i n t e r f a c ea n ds o m ec o r r e s p o n d i n g a l g o r i t h m ss o f t w a r e a r ed e v e l o p e dw i t hv i s u a lb a s i c t h er e s e a r c hr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ei m p r o v e m e n tr b fn e u r a l n e t w o r k si nt h i sa t t i c l ec a ne n h a r l c ct h ef u l l - c u tm e a s u r e m e n ta c c u r a c y r e m a r k a b l ya n ds u p p l yab a s e m e n tf o ri m p r o v i n gm e a s u r e m e n ta c c u r a c y i nw a t e r - c u tm e a s 啪c n to fc r u d eo i la n dt h em e t e r sp r i c ep e r f o r m a n c e r a t i o k e y w o r d s ：w a t e r - c u to f c r u d eo i l ；m u l t i p l er e g r e s s i o nm o d e l ；a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k ：r a d i a lb a s i cf u n c t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：- 4 幺塞扯多。口c 年f 月f ，日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电予版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) q ：l - - i = 登g ：鱼挺艳。 乒年5 月7 日 导师签名：- j 廷盟年知年歹月f 7 日 生国互油盘堂l 堡丕2 亟迨塞箍! 童敖直 第1 章前言 1 1 选题意义 深化内部改革，转换经营机制，提高经济效益，是石油企业当前 一项中心议题。目前国内石油行业中，油井的生产管理仍以人工管理 为主，原油含水测量的方法主要为人工取样化验法，从井口的巡井到 油井资料的录取、油井的起停、单井产液、产油量的计量、示功图及 抽油平衡电流的测试等多数是由人工来完成的。这种靠人工来管理油 井，收集、传递资料已跟不上时代高速发展的步伐，不能适应现代化 管理的要求。 随着油田的深度开发，原油含水测量问题越来越突出。其次，数 字化油田建设，对原油含水测量的要求越来越高。目前的原油含水测 量仪表在测量精度、稳定性、重复性、可靠性及成本方面还存在诸多 问题，难以适应数字化油田建设的需要。 因此研究出高精度的在线原油含水分析仪，用于油田的后期开采 中的含水测量，对于油田优化增采措施方案，全面推行增采措施方案 效益评价，对于确定出水、出油层位，估计产量和预测油井的开发规 律以及油井的产量质量控制、油井状态检测、减少能耗、降低成本和 采油管理自动化具有重要的意义和实用价值。 1 2 原油含水测量中存在的问题分析 目前，国内外原油含水测量的方法有人工取样和在线计量两种。 其中人工取样是由操作人员取一定数量的油样，使用蒸馏法、电脱法、 离心法等测定油样的含水量，从而获得油井的含水量参数。这是目前 我国油田采用的主要检测方法。人工采取油样不易取准，代表性不强， 增大了原油含水率的误差。这些方法均存在手续繁杂、耗能较大等不 目前在线测量的仪表，依据测量原理可以分为三类，即密度法、 电学特性法和射线法。电学特性法又包括电容法、电导法、微波法、 短波法和射频法等1 1 1 3 】。 1 2 1 密度法 在原油和水不可压缩且互不相溶的条件下，设原油水混合密度为 p 。，纯水的密度为氏，纯原油的密度为成，原油的体积含水率为口， 则有【1 】：p 。= a p 。+ ( 1 一口) 风或口= 旦丛= f ( 户。，p 。，风) ( 1 - 1 ) p w p 4 由式( 1 一1 ) 可见，当p k 和岛一定，p 。由密度计测得时，由式( 1 - 1 ) 就可以计算出原油的体积含水率，这就是密度法测量原油含水率的基 本原理。 对于密度法来说，影响含水率误差的直接因素有三个：纯水的密 度大小、纯油的密度大小和油水混合液的密度大小。其他条件不变时， 纯原油密度越小，则含水率误差也越小，这可以从密度法测量含水率 的本质上去理解，密度法实质就是利用油和水的密度不同去区分油和 水来测量含水率，那么在水密度不变的情况下，油密度越小，两者的 密度差别就越大，就越有利于区分和测量，即有利于减小误差。还有 其他间接影响因素，如密度计的取样方式、流体温度变化、压力变化 和油水混合液流态的影响。 这种测量方法由于现场介质条件和环境限制，使用情况不够理 想。现场条件下，影响含水计量的主要因素有液中含气、含砂、仪器 内壁结垢等。其中。液中含气会造成混合液密度下降，造成含水偏低、 含油偏高的假象，形成“气增油”现象；介质含砂会造成混合液密度 上升，造成含水偏高、含油偏低的假象，形成。砂吃油”现象；仪器 内壁结垢产生的现象与含砂相同，形成“垢减油”现象。 2 1 2 2 电学特性法 用电学特性测量原油含水率的基本原理是在液体一水两相系统 中，用数学手段建立介电常数与含水影响的确定关系。 原油和水混合后会形成正乳化液w o 型( 水包油) 或反乳化液 o w 型( 油包水) ，正乳化液中油是分散相，水是连续介质，反乳化 液中水是分散相，而油是被分散介质。乳化液在一定的成分比例下会 发生相转变，即由o w 型转到w o 型。 油水乳化液中由于油的介电常数和水的介电常数相差很大，一般 原油的介电常数在2 2 7 ，纯水的介电常数约为8 0 ，当原油乳化液流 过一个灵敏的电特性检测仪表时，可以检测出由于介电常数的变化而 引起的电容、电感的变化，从而利用已知的数学公式确定出油中的含 水率。 应用电学特性测量两相系统含水率已有近2 0 0 年的历史，许多学 者对两相系统介电常数理论进行了研究，有关的函数关系式有几十个 之多。影响两相系统中的介电常数的因素很多，例如乳化液的组成、 温度，烃化合物的组分，游离气的存在，矿化水的性质等，这些因素 都直接影响仪表的正确使用和含水率测量的准确度。下面是用电学特 性测量原油含水率时，仪表的影响因素及应用中应注意的问题【2 1 ： ( 1 ) 乳化液的组成：溶液、乳化液的介电常数与其组成有关， 不能用一个统一的公式把溶液的介电常数同溶液中的各成分介电常 数以及各成分的体积含量间的关系建立起来。例如不同烃的介电常数 不相同，而油中烃含量不相同，就不能使用统一的油的介电常数来计 算含水率。 ( 2 ) 相转变：油水乳化液在油水变化一定比例之下发生相转变。 相变一般发生在含水5 0 6 0 范围内，也可能范围更大，这也与乳 化液的组成有关。因此，如果乳化液是油连续相的，仪表测量准确时， 而相变后变为水连续相介质，则含水测量值不可靠，会出现大的误差， 这个误差导致了含水测量值过高。这一现象可以由下面的西尔柏施泰 3 因牛顿公式得到解释：s = 毛( 1 一w ) + s b w ( 1 - 2 ) 式中：g 测出的乳化液的介电常数；毛非对称流体连续相的介 电常数；靠非对称流体分散相的介电常数；w 分散相介质体积含量。 显然，对于油连续相乳化液知为油的介电常数，靠为水的介电 常数，这时测出含水率，当变为水连续相时，所代表的意义就发生了 变化。 因此，实际应用中应该将传感器安装在垂直的管道上，以保证水 在油中处于分散状态。另外，当前许多油田原油含水已达到6 0 以上 甚至9 0 0 , 4 以上，直接应用这种含水分析仪是不适当的。从理论上讲， 这种含水分析仪测量范围为0 1 0 0 是不可能的，目前国内虽有许多 厂家生产0 1 0 0 的原油含水分析仪，但含水超过6 0 后可靠性尚有 疑问，具体表现为在实验室校验时难于复现，在现场应用中反复调校， 仍难于跟踪实际含水变化值。 ( 3 ) 温度变化：液体的介电常数受温度影响很大。各种品种的 原油、油品介电常数的温度系数也不相同。由于实际测量时的条件与 含水仪校准时的条件不同，会导致乳化油介电常数改变，这个改变给 测量含水率带来误差。 这一特性给人们带来的启示是：含水分析仪制造者应认真考虑仪 表的温度影响问题，必须采取有效的温度补偿措施；原油含水分析仪 在检验时的温度应尽量与使用工况条件温度相一致。 ( 4 ) 游离气：流体中若存在游离气，在测量过程中气体以气泡 的形式存在，由于小气泡的介电常数为l ，这会改变流体的介电常数， 使含水测量值偏低。在油田的实际应用中应尽量消除或减少游离气， 将仪表安装在分离器后压力没有明显变化的地方。像有些安装情况， 经常有气体在油路中通过，更不可能得到可信的测量结果。 ( 5 ) 水矿化度：不同含盐度的矿化水介电常数也不同，油中矿 化水的含盐度不同，也不能用统一的水的介电常数来计算含水率。 ( 6 ) 传感器探头聚结是指在传感器探头上沉积水、蜡或垢，这 4 将引起测量误差。为防止水在探头上积聚，通常要使探头表面材料厌 水。在油田的应用中，结蜡和结垢是很容易发生的，因此必须采取切 实的措施，定期进行清蜡、除垢。 综上所述，电学特性原油含水分析仪在油田生产计量中得到了适 量的应用，但目前应用效果不好，这是因为这类仪表的影响因素很多， 必须根据其原理和影响因素加以解决。 1 2 3 射线法 当y 射线穿过物质时，射线强度会发生衰减。由于原油和水对射 线的吸收系数不同，因此通过测量射线强度就可以计算出油水混合液 的含水率。 这类仪表测量范围宽，精度高，尤其运行稳定。所配套的二次表 采用计算机技术，功能强大。然而，这种方法存在射线辐射，造价高， 使用和维修困难等问题，不适用于要求特别防爆的场所【1 3 】。 除了前面叙述的原油含水测量方法外，还可以采用质量流量计 1 4 1 、声速混合定则【1 5 1 、差压法【1 6 】、红外法【埘、热扩散法等方法测量 原油含水。 1 2 4 结论 在实际应用中，除了前面提到的影响原油含水测量的因素外，还 有一些不确定因素也会给原油含水测量带来误差，如原油含水分析仪 的标定误差、数学关系算法的近似性、电子学误差( 接口电路的设计、 放大线路的频率特性、电源的稳定性和噪声等因素) 和温度对电子学 器件的影响等，也会对原油含水分析仪的测量结果造成影响。 从以上分析可以看出，目前国内外均有不同形式的含水率测试仪 表，但由于技术和工艺水平，在测量精度、稳定性、重复性、可靠性 及成本方面还存在诸多问题，至今还没有一种原油含水检测方法能够 在各方面都达到优的指标，所以研究一种测量精度高、测量范围宽、 5 价格便宜的含水测量仪表是十分必要的。 1 3 本论文的主要研究内容 针对上述对原油含水测量中存在的问题的分析，本文采用一种价 格相对便宜的原油含水测量传感器( 基于电磁波谐振技术测定原油含 水率的敏感探头) ，通过分析它的测量特点，设计一种多传感器同时 测量的实验方案，建立原油含水测量模拟系统，采集实验数据，并借 助多元回归方法和r b f 神经网络技术逼近含水测量传感器的多因素 和非线性函数关系，进行原油含水预测，提高原油含水测量系统的精 度，扩展其测量范围，达到提高其性价比的目的。主要内容如下： 第2 章在电磁波谐振技术测定原油含水率传感器的基础上，设计 了原油含水测量的实验室模拟系统，并对实验数据进行了分析。 第3 章介绍了多元回归方法和r b f 神经网络技术的理论基础。 第4 章对实验数据进行预处理，采用多元回归方法和r b f 神经 网络技术建立原油含水预测模型，并给出了预测结果的对比和分析。 第5 章介绍了使用v i s u a lb a s i c 开发的r b f 人工神经网络技术预 测原油含水率的应用软件。 第6 章对本文所采用的原油含水预测方法做出综合评价，得出结 论，证明这种方法在提高原油含水分析仪测量精度方面具有可行性， 并给出该方法可能的改进方案。 6 第2 章原油含水测量系统的设计与实现 由第l 章的分析可知，原油含水率的准确测量是非常困难的，目 前用于原油含水测量的先进仪器、仪表大多由国外生产，成本居高不 下。本文将采用一种价格比较便宜的含水测量探头，结合先进的算法 开发一种能够满足国内计量站的实际需求、性价比高的原油含水测量 仪表。 2 1 原油含水测量传感器的选择 油水的物理参数( 介电常数、密度、导电率、导热率、粘滞系数 等) 存在着一定的差异，原则上讲，利用这些差异都可以测量油水两 相混合液中的含水率。目前应用最多的电容法就是根据油水介电常数 的差异来测量含水率，特别是在线测量，有使用方便、能耗低的特点。 但由于受流量、温度、矿化度、油水混合状态以及电磁场边界条件变 化等因素的影响，测量精度不高，而且标定周期短，仪器维修难度较 大等因素也限制着该方法的推广应用。利用电磁波谐振技术来测量其 含水率，可以克服上述缺点，提高测量精度【1 s 丑】。 采用电磁波谐振技术测定原油含水率，具有很高的灵敏度，可达 1 0 4 含水率，能满足应用需求。被检油样处在同轴电容器的中部，极 化场为理想的平行平面辐射场，电容公式准确，无边界影响，测量准 确度高。含水测量探头体积小，流压损耗小，流态改变少。因此，对 流态的变化响应灵敏，能迅速反映出流油的含水率变化。结构简单， 便于在输油管线上进行安装施工。整机有较好的机械稳定性，抗冲击 和振动的能力强。引线电阻对输出电压影响很小，可进行长距离传输。 输出电压与供电电源电压有关，通过调整电源电压，容易实现测试条 件与标定条件一致。 7 生国互油太堂( 堡筮2 亟i 金塞筮2 童厦池盆丕测量丕统数逯让皇塞理 2 1 1 电磁波谐振技术测定原油含水率的整机工作原理 电磁波谐振技术测定原油含水率的工作原理方框图如图2 1 所 刁。 陌丐闶 i 压电源i - 11一 l 检波电路h 电压显示器i 图2 - 1 电磁波谐振技术测定原油含水率的工作原理方框图 石英晶体振荡器产生的稳频( 4 1 0 7 h z ) 稳幅电磁波经耦合电路 进入谐振电路，激其振荡。谐振电路的振荡电压受到敏感探头提供的 电容量调谐，而敏感探头的电容量随含水率变化，因此实现了谐振电 路的振荡电压受原油含水率调谐的目的。由于用了谐振放大技术，具 有很高的灵敏度，能检测出o 5 的含水率变化。该振荡电压经检波 电路转换为直流电压输出，用数字电压表显示。 工作原理框图中虚线框内的电路器件用耐温( 1 5 0 1 2 ) 胶带封灌 在直径为1 8 m m 的金属圆筒内，一端有三根引线分别为电源线和信号 线，两者共地并与金属管壳相连接。另一端是直径为2 m m 的插针， 使用时与敏感探头内导体插爪相互插接( 紧密电接触) 作为电容器一 极板与谐振电路连接，虚线框内总成叫传感电路总成。 传感电路总成与敏感探头内导体通过插爪连接并用压紧螺母固 定在连接套内。使用时，仅敏感探头和被检油样接触，感知原油的含 水率，将非电量转换为电容量，再经过传感电路装换为电压量输出。 敏感探头内导体外覆盖聚四氟乙烯材料，即憎油又憎水，化学安 定性好，起着防蜡、防腐等保护电极的作用，同时其表面加工得十分 光滑，有减小流体阻力，使流态较少变化的作用。 2 1 2 敏感探头及其电容量 同轴圆柱形电容器的环形空间内滑动配合一个用介质做成的同 8 生国直逭盔堂( 生筮2 亟监塞箍2 重厘油盒盔测量丕统的遮让皇塞丑 轴环形容器套，介质环形容器的环形空间用来承接被检的油样。也就 是说敏感探头由同轴电容器与其内的介质环形套组成，其结构示意图 如图2 - 2 。 隘油样 -内导体 、箧裂产 鐾 泪。q 囊 遂 ； ?l 匿交 荔 埘 一一芎 毳 ， j l 盘 一一， 、 縻鋈荔 ， 簧 泳纱 ，e r l “，r 2 图2 - 2 敏感接探头结构图 同轴电容器的内导体接振荡器中心电极，外导体接振荡器另一极 并与仪器外壳相连。极化场在敏感探头环形空间建立起平行平面辐射 式电场，对处在电场中的介质进行极化。 当介质环形容器填入被测油样时，图2 - 2 中各字母的含义是：l 为内导体外半径；f ，为介质套内圆筒面半径：l 为介质套外圆筒面半 径；r 4 为外导体内半径；l ，为同轴电容器内空气介质的长度；l ，为介 9 史垦互浊盔堂坐丕2 亟i 金塞箍2 重墟地笠垄幽重丞甄殴送韭互丢挫 质环形容器底部厚度；l ，为介质环形容器内填充油样的高度( 当油样体 积一定时是常量) ；1 。为介质环形容器内油样上面的空气介质高度 因此敏感探头的总电容c p = c i + c 2 + c 3 + c 4 ( 2 - 1 ) 式中：c 。= 2 觋l l l ( 尘) 是空气介质的同轴电容器的电容； 厂i c ：= 2 昭0 如l i l ( 是介质套底部介质段的同轴电容器的电容； c ，= 等专是介质套内有油样段的同轴电容器的电容；其中： c = 丢 鲁；c a - - - - 2 昭。厶1 喑) 是介质套内简面部分的电容； c ：= 2 确h 印是介质套外筒面部分的电容； c 。= 2 确l n 南是介质套内油样段形成的电容；是介质套材 吒 料的相对介电常数，s 。是油样的相对介电常数。 c = 器是介质套内油样上面的空气段电容，其中： c 。= ： 鲁：c ：= 2 腮。如，4 1 争是介质套1 4 段内筒面部分的电 容；c ：= 2 z 譬。如l l n 口) 是介质套1 4 段外筒面部分的电容； c o = 2 昭。气1 l n ( 垒) 是介质套内油样上面空气段部分的电容；岛为真 空介电常数。 敏感探头的几何结构确定后，对于一定量的油样( 1 3 为定值) ，c i 、 c ，、c 、c 是确定值，若令c 。= c 。+ c ，+ c ，则式( 2 1 ) 可以写 l o 肌，- c 0 + c ，_ c o + 器 ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 说明敏感探头的总电容量随着油样的含水率变化( 油 样的介电常数随着含水率增加而变大) 。 2 1 3 含水原油的相对介电常数与含水率的关系 在外电场的作用下，油分子和水分子极化情形有别。极性水分子 转向极化，沿电场方向相互作用，连接成串，形成平行于和垂直于电 场方向的连续薄层；而油分子仅在其平衡位置发生位移极化。由于混 合状态的随机性决定着处在外电场中的含水原油内的油相和水相相 对于电场有并联又有串联。这种不规则的串联、并联状态决定着含水 原油的宏观等效介电常数的大小。用宏观并联系数k 来描述这种不规 则的串并联状态，实验表明并联系数k 是含水率的函数，可用经验公 一0 2 5 式表示为：k = 竺二- ( 2 3 ) ) 一3 g 上式中口是含水原油的体积含水率，所以含水原油相对介电常数 为：o = k 【6 喝，+ ( 1 - - a ) o p 2 ，】+ ( 1 一k ) ；兰2 l _( 2 - 4 ) 6 y - 8 2 r 十l l g r ) 6 1 f 式中：毛，为水相相对介电常数；气为油相相对介电常数；1 一k 为 两组相相对于外电场串联系数。 显然，上式中的第一部分是两组相相对于外电场并联时对介电常 数的贡献，第二部分是两组相相对于外电场串联时对介电常数的贡 献。 介电常数是与材料的微观性质有关，是一个涉及稳定直流特性的 量，但通常是用交变电场来衡量。其值与极化频率有关。该探头极化 频率为4 1 0 7 h z ，可取q ，= 8 0 ( 2 0 。c ) ，口2 f = 2 2 ( 2 0 c ) 进行计算。 生国互迪盍堂堡丕2 亟途塞筮2 童厦泊盒丕型量丕筮的丝让皇塞理 2 1 4 含水率测量误差分析 假定敏感探头的几何结构确定后，c 。= 0 5 0 p f ，c 2 = o 5 8 p f ， c 4 = 0 9 4 p f ，c = o 9 4 p f ，g = o 6 4 如，c p = 2 0 2 + 1 5 6 7 + 2 1 _ 0 6 7 占一玎 ( p f ) 。根据式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 和( 2 - 4 ) 绘制的含水率一敏感探头的 总电容量曲线如图2 3 所示。 “ “44 、p 图2 - 3 含水率一敏感探头的总电容量曲线 由上图可以看出，即使不考虑其他影响因素，在理想状态下，敏 感探头的总电容量与原油的含水率也不是简单的线性关系，而是近似 线性的非线性，所以敏感探头的输出电压与原油的含水率不能简单地 近似为线性关系。 当被测原油温度或现场环境温度变化时，油和水的介电常数也会 改变，例如水在2 0 时介电常数为8 0 1 ，而在5 0 时为6 9 9 1 ，在1 0 0 时为5 5 7 2 ，从而引起原油的相对介电常数和敏感探头输出电压值 的变化，给含水率的测量带来误差，而这种影响又无法事先预测并进 行补偿，所以对敏感探头来说，温度变化带来的误差总是会存在的。 结合式( 2 2 ) 和式( 2 4 ) 进行分析可知，温度升高时，水的介电常 数降低，含水原油的相对介电常数降低，敏感探头的输出电压降低； 反之，温度降低时，水的介电常数增大，敏感探头的输出电压增加。 另外，温度的变化还会影响敏感探头的电路组成元件的电学特性，由 1 2 女i#；自i；ll“；i 于敏感探头内设有硬件温度补偿电路，所以这种影响可以不予考虑。 当敏感探头处于矿化水中时，液体中的负离子逆电场方向移动， 向敏感探头靠近，形成离子屏蔽层，起到了相当于外导体的作用，增 大了探头电容量。水矿化度增大，离子浓度增大，屏蔽作用增强，因 而探头电容量随矿化度增大而变大，使输出电压增大。因此水矿化度 中的离子的屏蔽作用如同有缝隙槽的外导体。矿化度高相当于缝隙 小，屏蔽作用好，电容量大，输出电压大；矿化度小相当于缝隙大， 屏蔽作用差，电容小，输出电压就小。 以敏感探头是内导体外包裹有介质套的同轴电容器为例，计入水 矿化度的影响，敏感探头的等效电路如图2 4 所示。 c 1 内 体 介质套外壳 图2 - 4 敏感探头的等效电路图 图中：c l ：2 7 t 8 0 c ”i ；c 2 ：2 ；t e o c p r _ 型l 。 l r i 皇 l i l 垒 r 2r i 式中：岛为真空介电常数；是介质套材料的相对介电常数； 是被测原油的相对介电常数；l 为敏感探头的长度；l 为内导体外半 径；r 2 为介质套外半径；r 3 为外导体内半径；c 为被测原油形成的有 用测试电容，随含水率变化；r ，为该电容的泄漏电阻，其值由水矿 化度决定；c ，为内导体和介质套形成的电容。 o 、n 间等效工作电容：c 32 c - + i 石1 耳i ( 2 - 5 ) m 、n 问敏感探头总电容：c 4 = 二= ： ( 2 - 6 ) l + l c 3 式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 表明水矿化度高，r 。小，c 3 大，c 大， 1 3 输出电压就大；水矿化度低，r 。大，c ，小，c 。小，输出电压就小。 即水矿化度的差异导致r 不同，影响c ，的大小，使输出电压发生与 含水率相一致的变化，影响测量结果。 由物理学可知，水的介电常数约为8 0 ，油的介电常数约为2 2 ， 气体如空气、氢气、天然气等的相对介电常数约为1 0 。因此含水原 油的相对介电常数总是大于2 2 ，其值随含水率增加而增大；而含气 原油的相对介电常数总是小于2 2 ，其值随含气率的增加而减小。本 文采用的敏感探头为变介质电容传感器，把介电常数的变化转化为敏 感探头电容量的变化，再利用电磁波谐振技术把电容量的变化转化为 电压变化输出，经标定把电压变化解释为含水率的变化。当被测原油 含气时，会使介电常数变小，导致测量结果偏低。 另外，电磁波谐振技术测定原油含水率是基于电学特性法设计 的，当敏感探头在油水乳化液可能发生相转变的含水范围内进行测量 时，含水测量值不可靠，会出现大的误差，这个误差导致了含水测量 值过高。除了以上分析的因素外，乳化液的组成、烃化合物的组分、 传感器探头聚结等也会对含水原油的相对介电常数造成影响，给测量 带来误差。 2 2 原油含水测量系统的设计与实现 2 。2 1 系统组成及测量原理 原油含水测量过程是一个极其复杂的过程，它受到温度、水矿化 度、含气率等多种因素的影响，且各种因素之间存在很强的相关性， 很难用纯机理的方法进行定量计算。在测量过程中，敏感探头的输出 电压值不是仅取决于原油含水率，当其他参量变化时，输出值也要发 生变化，即系统对这些参量存在交叉灵敏度，其性能不稳定，测量准 确度较低。倘若在原油含水测量系统中，将敏感探头的输出电压看作 是主导变量，把其他影响因素作为辅助变量，通过对这些影响参量进 1 4 行监测，并采用一定的信息融合技术对其进行处理，建立原油含水预 测模型，就可以达到提高被测参量测量准确度的目的，干扰量的影响 也会被消除。当然，由于实验条件的限制，本文仅考虑消除温度和矿 化度带来的误差。基于这种想法而设计的原油含水率测量系统的组成 如图2 5 所示。 l 敏感探头输出电压值卜 啦 原油含水 1 被测油佯温度值t - - 颈i 则翼型 1 水矿化度值卜 图2 - 5 原油含水测量系统原理框图 将敏感探头插入被测油样中，检测随含水率变化的电压值；采用 工业温度计测量被测油样的温度值：水矿化度暂时采用实验室配制被 测油样时的记录值。三个信号输入原油含水预测模型进行信息融合 后，输出消除了温度和矿化度影响的原油含水率。 2 2 2 实验装置设计 基于以上分析，建立电磁波谐振技术测定原油含水率的实验室模 型系统，实验装置的原理方框图和照片分别如图2 6 和2 7 所示。 图2 - 6 实验装置方框图 人工配制已知含水率的被测油样，经动态油水混合装置搅拌形成 有一定均匀程度的油水混合液，经过原油含水测量探头，向振荡电路 提供一个电容量随含水率变化的调谐电容，经过检波电路后，显示仪 表便能显示出与被测油样含水率相应的直流电压值。 1 5 图2 - 7 实验装置的照片 2 2 3 实验方案设计 常温常压下，柴油和原油的介电常数均为2 2 左右，两者相差不 大，此外，柴油作为原油的一种馏分，代替原油进行实验是可行的。 尽管原油中可能包含多种盐类，但它们对水介质相对介电常数的 影响相似，可以采用n a c l 来研究其影响规律。 油样的介电常数随着含水率增加而变大，与体积含水率及水相的 分布状态有关。低含水时，油是连续相，水是分散相，水矿化影响较 小。含水率增加，矿化度影响变大。对于含水率大于6 0 的原油，水 是连续相。水既已连通，矿化度的影响自然就与水量的多少无关，仅 取决于水矿化度的高低了。由于油田底层水矿化度一般都大于 4 0 0 m g l ，取水矿化度4 0 0 m g l 为基准。通过实验研究水矿化度的高 低对输出电压的影响规律发现，矿化度较低( 小于8 0 0 0 m g l ) 时， 电导率随着离子浓度增大而增大，水矿化度对输出电压的影响近似为 线性关系。水矿化度增大到一定值( 3 0 0 0 0 m g l ) 后，离子浓度再增 加，相互间的作用增强，使离子的迁移率减小。而传导电流不仅取决 于离子浓度，还取决于离子的迁移率。浓度增加，迁移率减小，这两 种相反变化作用的叠加，使水矿化度对输出电压的影响趋于稳定值， 所以取水矿化度3 0 0 0 0 m g l 为上限。 基于以上分析，本文采用柴油和去离子水配制被测油样，油样的 1 6 含水率从0 0 一1 0 0 变化，矿化度变化范围为o m g l 3 0 0 0 0 m g l ，温 度变化范围为2 0 1 0 0 。 在对敏感探头进行初次标定时发现其在低含水时比在高含水敏 感度低，且在中间乳化液可能发生相转变时，测量结果很难稳定，所 以增加低含水和相转变范围内的被测油样数，总共配制油样2 1 个， 每个样本都为2 0 0 m l ，体积含水率分别为o 、l 、2 5 、3 、5 、 l o 、2 0 、3 0 、3 5 、4 0 、5 0 、5 5 、5 7 5 、6 0 、6 5 、7 0 、 7 5 、8 0 、9 0 、9 5 、1 0 0 。 为了研究温度和矿化度对含水测量的影响规律，实验应该按以下 步骤进行： ( 1 ) 用标准容器分别量取一定体积的柴油和去离子水，配制成 不同比例的油水乳化液。 ( 2 ) 对被测油样进行测量，记录敏感探头输出电压的稳定值、 被测油样的温度稳定值和水矿化度。 ， ( 3 ) 向被测油样中加入事先称量好的n a c l ，改变被测油样的矿 化度，重复步骤( 2 ) 。 ( 4 ) 对被测油样进行加热，改变其温度，重复步骤( 2 ) 。 ( 5 ) 更换被测油样，重复以上步骤，直到完成所有计划数据的 测量。 2 3 实验数据分析与结论 由于模拟实验是采取多点测量或多次测量的方法进行的，采取的 是手动记录数据的方式，测量时，同一个样本在同一种状态下都记录 了好几组数据，首先对所记录的实验数据求取平均值，去除随机误差。 然后抽取21 组矿化度为o m g l 的实验数据绘制的含水率一敏感探头 输出电压关系曲线如图2 8 所示。 结合实验过程和图2 8 进行分析，可以得出以下结论：当含水率 在3 o 以下时，输出电压与含水率成线性关系，而且与油水混合状 1 7 态无关。当含水率在3 一1 0 之间，输出电压与含水率的也接近线性 关系，灵敏度提高了。当含水在1 0 - 3 0 ，输出电压与油水分布状态 有关，线性关系稍微变差，但灵敏度提高了含水在3 0 - 7 5 时，输 出电压出现双极值，测量结果不稳定，这与前面分析的相转变对含水 测量的影响是吻合的。含水7 5 1 0 0 时，输出电压与含水率的又开 始呈现近似线性的非线性关系，灵敏度也提高了。 图2 - 8 含水率输出电压关系曲线 为了研究温度对测量结果的影响，图2 - 9 给出含水2 5 ( 左) 、 5 0 ( 中) 和9 5 ( 右) ，在矿化度为o m g l 时，温度和输出电压的 关系曲线。 。 温度 图2 - 9 温度和输出电压的关系曲线 1 8 辚孵棒球鬈替 由上图可以看出输出电压和温度是非线性关系，总体趋势是随着 温度的升高，输出电压降低，与前面的分析相吻合。 同样为了研究矿化度对测量结果的影响，下面分别给出含水 5 7 5 、温度2 7 c ( 左) ，含水6 5 、温度2 7 。c ( 中) 和含水9 5 、 温度6 2 。c ( 右) 时，矿化度和输出电压的关系曲线，如图2 1 0 所示。 图2 - 1 0 水矿化度和输出电压的关系曲线 由上图可以看出输出电压和矿化度也是非线性关系，总体趋势是 随着水矿化度的增大，输出电压也升高，这也与前面的分析相吻合。 通过以上的分析可以看出，敏感探头的输出电压具有明显的分段 ( 低含水、中含水和高含水) 特性，受温度、矿化度的影响规律较为 明显。 1 9 第3 章多元线性回归和r b f 神经网络 3 1 多元线性回归分析的基本原理介绍 本节将介绍多元线性回归问题，它包括回归模型的参数估计、检 验、回归预测以及变量的筛选。 3 1 1 多元线性回归模型o 儿r ) 在多元统计中，多元线性回归分析是指多个自变量对多个因变量 ( 简称多对多) 的线性回归，首先给出多对多的线性回归模型。 设有p 个因变量( 输出变量) y i y ：，y 。，q 个自变量( 输入变 量) x 1 , x ：，x 。，对于n 次独立观察，多元线性回归模型可以写为鲫： y = a x + 占 ( 3 1 ) 其中：y = l y p ! y p 2 变量观测矩阵，为p x n 阶； x ：睢量 x q lx q 2 x 阵，为( q + 1 ) x n 阶； a = a o la r t a 0 2a 1 2 a o pa l p 阵，为p x ( q + 1 ) 阶； a q l a 啦 a 钟 y l n y h y m = ( y 1 ，y 2 c y 。) = = ( x 1 ，x 2 c x n ) = = ( a l ，a 2 ，a q ) = 1 7 x ( 1 ) t ： x ( q ) t a ( i ) t a ( 2 ) t ： a ( p ) t ，是因 ，是自变量矩 ，是回归系数矩 毛i毛2 8 2 18 2 2 6 p l s 幢 = ( 蜀，6 2 ，氏) = s ( 1 ) t 占( 2 ) t ： f ( p ) t ，是误差矩阵， 为p x n 阶。 有了多元回归模型后，就可以用最小二乘估计回归系数矩阵a ， 从而建立回归方程( 预铡方程) 。 3 1 2 多元线性回归模型的参数估计 在对多元线性回归模型进行参数估计时，最常用的方法即是最小 二乘法，其原理如下： 设回归系数矩阵a = ( a ( ”，a ( 2 ) t ，a p 7 ) 的最小二乘估计( 以下 简称l s 估计) 为：a = ( a i ) t ，a 2 】t ，a ( 町) 7 ，a 使得每个误差平方 和s 。( a “) = ( y ”一x 7