油田埋地盗油管道传热数值模拟.DOC

无密度影响微波测试原油含水率的理论分析 吴国忠，穆磊，张永攀 (大庆石油学院，163318，大庆) 摘要： 分析了微波透射法测量原油含水率原理，建立了基于油、气、水三相混合物复介电常数模型，对无密度影响的微波含水率测试方法进行了理论研究，进而推导了油、气、水三相混合物含水率与透射波的衰减量和相位移的函数表达式。 关键词：微波透射法；复介电常数；衰减量 1. 引言 微波测量原油含水率法利用其穿透特性，测量透射波的衰减值和相位移，实现无损、快速测量。而测量受到多种因素的影响，与影响因素具有复杂的非线性关系，往往测量精度难以保证。同时透射波的衰减值和相位移是含水率和密度的函数，测量结果受到密度的影响。管道中原油受油、气、水三相流型和温度的影响，密度难于保证一致。 本文主要寻找与密度的无关算子，建立算子和原油含水率的关系，进而研究油气水三相混合复介电常数特性模型，分析储能因子和耗能因子与密度的变化规律，确定含水率和微波测量参量的理论联系。 2.理论研究 2.1 原油含水率计算公式 (1) 式中： 为原油含水率，、、分别为混合物中水、油、气的质量。由于油、水的质量远远大于气的质量，即式(1)可近似写为： (2) 2.2 复介电常数计算公式 (3) 公式适用于任何介质(包括混合介质)，ε’是相对介电常数，表示储能能力；”是损耗因子，表示介质损耗。 一般认为复介电系数测定方法主要取决于试样的工作频率、介电常数的高低、损耗的大小及试样的尺寸等。 2.3 微波法测试理论 微波频率下，测量油气水混合流体复介电常数的变化和微波信号通过流体产生的衰减量和相位移实现。水的介电特性和油、气的介电特性差异较大，因此原油含水率表现为复介电常数的变化。通过复介电常数可以建立衰减值A和相位移P与原油含水率的关系。 穿过油、水、气三相混合流体微波信号的衰减值A和相位移P其表达式为： (4) (5) (6) 式中：w、0、g分别为水相、油相、气相的厚度，w、0、g分别为微波信号通过水相、油相、气相单位厚度的微波信号相位移，w、0、g分别为微波信号通过水相、油相、气相单位厚度时微波信号衰减量，D为管道内径。 根据电磁波入射有耗介质的相关原理和近似条件，得到如下的公式： (7) (8) 式中： 0为入射波波长。 上式没有给出含水率计算的表达式，即没有给出微波参量衰减值和相位移和原油含水率的直接关系式。 2.4 无密度影响微波测试理论 原油混合物可近似为一定体积的空气、纯水和纯油三部分组成的混合物。复介电常数可以表示如下： (9) 即 (10) 式中：g、w、o分别是混合物中空气、水、油的体积；、w、0分别是混合密度、水密度、油密度。和分别是水和油的复介电常数。 将 *展开成为储能因子和损耗因子的形式为： (11) )(12) 由于，即： (13) 将式(13)代入式(11)得： (14) 由式(14)除以式(12)得： (15) 整理得原油含水率 与混合密度 分别为： (16) (17) 由式(7)、(8)、(16)、(17) 得原油含水率 与衰减值A和相位移P的函数表达式为： (18) 由于密度是温度的函数，随温度大小的改变而改变，为了满足原油含水率在不同温度时的测量，必须知道水和油在不同温度下的准确值。其它温度下对应的密度值可用插入法计算求得。 原油密度与温度的关系式： (19) (20) 式中： 是原油的标准密度。 综上看出，改变原油混合物中油、气、水的含量，可得到不同的衰减值与相位移，温度改变时，根据温度值选择水的密度值，再可由式