專利名稱：利用多普勒濾波測(cè)量原油含水率的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用多普勒濾波測(cè)量原油含水率的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
石油是一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略資源。油層出油含水率的準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)于油井的生 產(chǎn)具有重要的意義。傳統(tǒng)的原油含水率測(cè)量大都基于電容法，其基本原理是將 一個(gè)金屬電容結(jié)構(gòu)放入生產(chǎn)井的生產(chǎn)層中，讓油井中的油水混合物進(jìn)入到 上述容器，然后測(cè)量其電容量。因所測(cè)得的電容量與混合物的介電常數(shù)相
關(guān)，而水的相對(duì)介電常數(shù)81與油的相對(duì)介電常數(shù)2 4相差很大，因此可 以從電容量反算出油水比例，從而計(jì)算出原油含水率。
然而，我國(guó)很多油田開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入中后期，原油含水率普遍在70%以 上。在此情況下，電容器的兩個(gè)電極被導(dǎo)電的水短路，造成所需要的電容 量很難測(cè)量。故電容法測(cè)量范圍十分有限，已無法滿足國(guó)內(nèi)各油田的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種利用多普勒濾波原理測(cè)量原油含水率的方法。該 方法是利用多普勒濾波原理，在原油含水率高于70%的情況下，通過基于多普 勒濾波的算法，提取被水的電導(dǎo)性淹沒的電容量大小，并由此計(jì)算原油含水率。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一、 一種利用多普勒濾波原理測(cè)量原油含水率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明在數(shù)字處理器的控制下，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出lMHz 3MHz的高頻振蕩 信號(hào)，并通向電容傳感器；電流提取電路將通過電容傳感器的電流提取出來， 并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；數(shù)字處理器對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行 多普勒濾波處理，提取出被水的導(dǎo)電性淹沒的電容量大小；根據(jù)計(jì)算出的電容 值來反算油水混合物的相對(duì)介電常數(shù)，最終計(jì)算原油含水率；計(jì)算結(jié)果通過通 信接口模塊輸出。
所述數(shù)字處理器是通用計(jì)算機(jī)或者是基于微處理器、DSP或FPGA的嵌入
式處理系統(tǒng)。
二、 一種利用多普勒濾波原理測(cè)量原油含水率的系統(tǒng)
本發(fā)明包括數(shù)字處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電容傳感器、電流提取電路、模數(shù) 轉(zhuǎn)換器和通信接口模塊；數(shù)字處理器經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電容傳感器、電流提取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器后再接數(shù)字處理器，計(jì)算結(jié)果由通信接口模塊輸出。
所述電容傳感器和電流提取電路，電容傳感器是一個(gè)同軸結(jié)構(gòu)的柱狀電容， C和G分別代表該柱狀電容中兩極間充滿油水混合物時(shí)的等效電容和等效電導(dǎo);
電流提取電路用集成運(yùn)算放大器加負(fù)反饋結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，R為反饋電阻；數(shù)模轉(zhuǎn)換 器的輸出與電容傳感器的內(nèi)導(dǎo)體相連，而電流提取電路與電容傳感器的外導(dǎo)體 相連。
本發(fā)明具有的有益效果是
在原油含水率高于70%以上時(shí)，通過多普勒濾波原理，消除水的導(dǎo)電性對(duì) 電容量測(cè)量的影響，拓寬了傳統(tǒng)電容法測(cè)量原油含水率的測(cè)量范圍；并且該方 法和系統(tǒng)，既可以用于地面儲(chǔ)油罐的含水率測(cè)量，也可以用于生產(chǎn)井中不同地 層原油含水率的測(cè)量，為油田生產(chǎn)提供了更多的技術(shù)信息。


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理框圖。
圖2是電容傳感器和電流提取電路的連接示意圖。
圖3是多普勒濾波算法。
圖4是數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，利用多普勒濾波原理測(cè)量原油含水率系統(tǒng)，包括數(shù)字處理 器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電容傳感器、電流提取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和通信接口模塊； 數(shù)字處理器經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電容傳感器、電流提取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器后再接數(shù) 字處理器，計(jì)算結(jié)果由通信接口模塊輸出。
如圖2所示，所述電容傳感器和電流提取電路，電容傳感器是一個(gè)同軸結(jié) 構(gòu)的柱狀電容，C和G分別代表該柱狀電容中兩極間充滿油水混合物時(shí)的等效 電容和等效電導(dǎo)；電流提取電路用集成運(yùn)算放大器加負(fù)反饋結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，R為反 饋電阻；數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出與電容傳感器的內(nèi)導(dǎo)體相連，而電流提取電路與電 容傳感器的外導(dǎo)體相連。
如圖3所示，所述的多普勒濾波算法，是將模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出，與余弦表 中的數(shù)據(jù)相乘，再通過數(shù)字低通濾波器實(shí)現(xiàn)的。
如圖4所示，所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路，U1是12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，使用AD5445; U2是集成運(yùn)算放大器，選用MAX4255，用于將AD5445的差分電流輸出轉(zhuǎn)換 成單端電壓輸出；Jl為數(shù)字信號(hào)輸入端和控制信號(hào)輸入端，接數(shù)字處理器；J2 為模擬信號(hào)輸出端，接電容傳感器。本發(fā)明的工作原理是
a) 在數(shù)字處理器的控制下，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出頻率在lMHz到3MHz之間的 高頻振蕩信號(hào)。其具體實(shí)現(xiàn)方法是，先在數(shù)字處理器中建立一個(gè)16個(gè)點(diǎn)的正弦 表，之后按照一定的時(shí)間間隔(即所需工作頻率的倒數(shù)除以16)，從正弦表中依 次循環(huán)讀出數(shù)據(jù)送往數(shù)模轉(zhuǎn)換器。通過這種方法，產(chǎn)生的高頻振蕩波為
Vin = sin (2nft)
式中，f為高頻振蕩波頻率。
b) 電流提取電路將通過電容傳感器的電流提取出來。電容傳感器和電流提 取電路如圖2所示，其輸出
Vout=-R (j2:rfC+G) sin (2Jtft) 式中R為反饋電阻；
C為注滿油水混合物后，電容傳感器的等效電容； G為注滿油水混合物后，電容傳感器的等效電導(dǎo)； f為步驟a)中高頻振蕩信號(hào)的頻率。
c) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電流提取電路的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
d) 數(shù)字處理器對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行多普勒濾波處理，具體過程如圖3所示。 建立一個(gè)與步驟a)中的正弦表相位相差90度的余弦表，與采集到的數(shù)據(jù)依次 進(jìn)行相乘運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果為
P= "RC[l - cos (4nft)] 式中R為反饋電阻；
C為注滿油水混合物后，電容傳感器的等效電容；
f為步驟a)中高頻振蕩信號(hào)的頻率。 再將該乘積經(jīng)過一個(gè)數(shù)字低通濾波處理來提取其直流分量F1: F,=兀f RC
式中，R為反饋電阻；
C為注滿油水混合物后，電容傳感器的等效電容；
f為步驟a)中高頻振蕩信號(hào)的頻率。 此時(shí)的計(jì)算結(jié)果只和所需要的電容量大小，反饋電阻以及信號(hào)頻率有關(guān)系。
e) 將上一步的結(jié)果除以:ifR，得到電容量的大小，根據(jù)柱狀電容的計(jì)算公
式，計(jì)算出油水混合物的相對(duì)介電常數(shù)。
C In (EMta)
sr =-
2 it L ￡。式中&為油水混合物的相對(duì)介電常數(shù)； C為電容量大?。?Rb為電容傳感器外導(dǎo)體半徑； Ra為電容傳感器內(nèi)導(dǎo)體半徑； L為電容傳感器長(zhǎng)度； s。為真空中的介電常數(shù)。
f) 由于水的相對(duì)介電常數(shù)81和原油的相對(duì)介電常數(shù)2 4相差很大，據(jù)此 計(jì)算出油水比例。其計(jì)算公式為-
原油含水率=^~^
￡水一 ￡原油
式中Sa 為水的相對(duì)介電常數(shù)；
&為步驟e)中求得的油水混合物的相對(duì)介電常數(shù)； 為原油的相對(duì)介電常數(shù)。
g) 計(jì)算出的原油含水率，通過通信接口模塊輸出。 以下具體闡述各個(gè)部分的實(shí)施方式
數(shù)字處理器可以用通用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，也可以用基于微處理器、DSP、 FPGA 的嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。其所用到的多普勒濾波算法，可使用Matlab、 VB、 Delphi、 FORTRAN、 C、 VHDL或Verilog語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器可選用Analog Device公司的AD5445。該芯片分辨率為12位， 轉(zhuǎn)換速率為20.4MSPS，耐高溫。
電容傳感器可選用Australia Victor Instrument公司生產(chǎn)的油含水儀 AVI-GM-9，也可以設(shè)計(jì)與之類似的同軸結(jié)構(gòu)的電容傳感器。
電流提取電路使用集成運(yùn)算放大器加負(fù)反饋結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，其電路示意圖如 圖2所示。集成運(yùn)算放大器選用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX4255，該芯片功耗低， 耐高溫，單位增益帶寬達(dá)到了22MHz。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以使用NI公司生產(chǎn)的高精度數(shù)據(jù)采集卡PXI-6115，其轉(zhuǎn)換速 率為IOMSPS，分辨率為12位，也可以使用Analog Device公司的AD7401A， 該芯片分辨率為16位，最大轉(zhuǎn)換速率為20MSPS，耐高溫。
通信接口選用485總線或是電流環(huán)電路，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?？梢赃x用 MAXIM公司生產(chǎn)的MAX485系列的芯片實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。在U0kHz的傳輸速率下， 其傳輸距離可達(dá)到1公里。為實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的通信，可以適當(dāng)降低數(shù)據(jù)的傳輸 速率。
權(quán)利要求
1.一種利用多普勒濾波原理測(cè)量原油含水率的方法，其特征在于在數(shù)字處理器的控制下，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出1MHz～3MHz的高頻振蕩信號(hào)，并通向電容傳感器；電流提取電路將通過電容傳感器的電流提取出來，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；數(shù)字處理器對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行多普勒濾波處理，提取出被水的導(dǎo)電性淹沒的電容量大??；根據(jù)計(jì)算出的電容值來反算油水混合物的相對(duì)介電常數(shù)，最終計(jì)算原油含水率；計(jì)算結(jié)果通過通信接口模塊輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用多普勒濾波原理測(cè)量原油含水率的方法， 其特征在于所述數(shù)字處理器是通用計(jì)算機(jī)或者是基于微處理器、DSP或FPGA 的嵌入式處理系統(tǒng)。
3. —種實(shí)施權(quán)利要求1所述的一種利用多普勒濾波測(cè)量原油含水量方法的 系統(tǒng)，其特征在于包括數(shù)字處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電容傳感器、電流提取電 路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和通信接口模塊；數(shù)字處理器經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電容傳感器、電 流提取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器后再接數(shù)字處理器，計(jì)算結(jié)果由通信接口模塊輸出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種利用多普勒濾波原理測(cè)量原油含水率的方 法，其特征在于所述電容傳感器和電流提取電路，電容傳感器是一個(gè)同軸結(jié) 構(gòu)的柱狀電容，C和G分別代表該柱狀電容中兩極間充滿油水混合物時(shí)的等效 電容和等效電導(dǎo)；電流提取電路用集成運(yùn)算放大器加負(fù)反饋結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，R為反 饋電阻；數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出與電容傳感器的內(nèi)導(dǎo)體相連，而電流提取電路與電 容傳感器的外導(dǎo)體相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用多普勒濾波原理測(cè)量原油含水率的方法和系統(tǒng)。包括數(shù)字處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電容傳感器、電流提取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和通信接口模塊。在數(shù)字處理器的控制下，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的高頻振蕩信號(hào)通向電容傳感器；電流提取電路提取電流，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；數(shù)字處理器對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行多普勒濾波處理，提取出被水的導(dǎo)電性淹沒的電容量大??；根據(jù)計(jì)算出的電容值來反算油水混合物的相對(duì)介電常數(shù)，計(jì)算原油含水率；通過通信接口模塊輸出。在原油含水率高于70％時(shí)，通過多普勒濾波的原理，消除水的導(dǎo)電性對(duì)電容測(cè)量的影響，拓寬測(cè)量范圍。它可用于地面儲(chǔ)油罐或生產(chǎn)井中不同地層原油含水率的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N27/22GK101598695SQ20091010129
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日
發(fā)明者冉立新, 王靜雨 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)