专利名称：利用多普勒滤波测量原油含水率的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用多普勒滤波测量原油含水率的方法和系统。
背景技术：
石油是一项重要的战略资源。油层出油含水率的准确测量，对于油井的生 产具有重要的意义。传统的原油含水率测量大都基于电容法，其基本原理是将 一个金属电容结构放入生产井的生产层中，让油井中的油水混合物进入到 上述容器，然后测量其电容量。因所测得的电容量与混合物的介电常数相
关，而水的相对介电常数81与油的相对介电常数2 4相差很大，因此可 以从电容量反算出油水比例，从而计算出原油含水率。
然而，我国很多油田开发已经进入中后期，原油含水率普遍在70%以 上。在此情况下，电容器的两个电极被导电的水短路，造成所需要的电容 量很难测量。故电容法测量范围十分有限，已无法满足国内各油田的需求。
发明内容
本发明目的在于提供一种利用多普勒滤波原理测量原油含水率的方法。该 方法是利用多普勒滤波原理，在原油含水率高于70%的情况下，通过基于多普 勒滤波的算法，提取被水的电导性淹没的电容量大小，并由此计算原油含水率。
本发明采用的技术方案是
一、 一种利用多普勒滤波原理测量原油含水率的方法
技术领域：
本发明在数字处理器的控制下，数模转换器输出lMHz 3MHz的高频振荡 信号，并通向电容传感器；电流提取电路将通过电容传感器的电流提取出来， 并通过模数转换器将其转换为数字信号；数字处理器对采集到的数字信号进行 多普勒滤波处理，提取出被水的导电性淹没的电容量大小；根据计算出的电容 值来反算油水混合物的相对介电常数，最终计算原油含水率；计算结果通过通 信接口模块输出。
所述数字处理器是通用计算机或者是基于微处理器、DSP或FPGA的嵌入
式处理系统。
二、 一种利用多普勒滤波原理测量原油含水率的系统
本发明包括数字处理器、数模转换器、电容传感器、电流提取电路、模数 转换器和通信接口模块；数字处理器经数模转换器、电容传感器、电流提取电路、模数转换器后再接数字处理器，计算结果由通信接口模块输出。
所述电容传感器和电流提取电路，电容传感器是一个同轴结构的柱状电容， C和G分别代表该柱状电容中两极间充满油水混合物时的等效电容和等效电导;
电流提取电路用集成运算放大器加负反馈结构来实现，R为反馈电阻；数模转换 器的输出与电容传感器的内导体相连，而电流提取电路与电容传感器的外导体 相连。
本发明具有的有益效果是
在原油含水率高于70%以上时，通过多普勒滤波原理，消除水的导电性对 电容量测量的影响，拓宽了传统电容法测量原油含水率的测量范围；并且该方 法和系统，既可以用于地面储油罐的含水率测量，也可以用于生产井中不同地 层原油含水率的测量，为油田生产提供了更多的技术信息。
图l是本发明的结构原理框图。
图2是电容传感器和电流提取电路的连接示意图。
图3是多普勒滤波算法。
图4是数模转换器电路原理图。
具体实施例方式
如图1所示，利用多普勒滤波原理测量原油含水率系统，包括数字处理 器、数模转换器、电容传感器、电流提取电路、模数转换器和通信接口模块； 数字处理器经数模转换器、电容传感器、电流提取电路、模数转换器后再接数 字处理器，计算结果由通信接口模块输出。
如图2所示，所述电容传感器和电流提取电路，电容传感器是一个同轴结 构的柱状电容，C和G分别代表该柱状电容中两极间充满油水混合物时的等效 电容和等效电导；电流提取电路用集成运算放大器加负反馈结构来实现，R为反 馈电阻；数模转换器的输出与电容传感器的内导体相连，而电流提取电路与电 容传感器的外导体相连。
如图3所示，所述的多普勒滤波算法，是将模数转换器的输出，与余弦表 中的数据相乘，再通过数字低通滤波器实现的。
如图4所示，所述的数模转换器电路，U1是12位数模转换器，使用AD5445; U2是集成运算放大器，选用MAX4255，用于将AD5445的差分电流输出转换 成单端电压输出；Jl为数字信号输入端和控制信号输入端，接数字处理器；J2 为模拟信号输出端，接电容传感器。本发明的工作原理是
a) 在数字处理器的控制下，数模转换器输出频率在lMHz到3MHz之间的 高频振荡信号。其具体实现方法是，先在数字处理器中建立一个16个点的正弦 表，之后按照一定的时间间隔(即所需工作频率的倒数除以16)，从正弦表中依 次循环读出数据送往数模转换器。通过这种方法，产生的高频振荡波为
Vin = sin (2nft)
式中，f为高频振荡波频率。
b) 电流提取电路将通过电容传感器的电流提取出来。电容传感器和电流提 取电路如图2所示，其输出
Vout=-R (j2:rfC+G) sin (2Jtft) 式中R为反馈电阻；
C为注满油水混合物后，电容传感器的等效电容； G为注满油水混合物后，电容传感器的等效电导； f为步骤a)中高频振荡信号的频率。
c) 模数转换器将电流提取电路的输出转换为数字信号。
d) 数字处理器对采集到的信号进行多普勒滤波处理，具体过程如图3所示。 建立一个与步骤a)中的正弦表相位相差90度的余弦表，与采集到的数据依次 进行相乘运算，其运算结果为
P= "RC[l - cos (4nft)] 式中R为反馈电阻；
C为注满油水混合物后，电容传感器的等效电容；
f为步骤a)中高频振荡信号的频率。 再将该乘积经过一个数字低通滤波处理来提取其直流分量F1: F,=兀f RC
式中，R为反馈电阻；
C为注满油水混合物后，电容传感器的等效电容；
f为步骤a)中高频振荡信号的频率。 此时的计算结果只和所需要的电容量大小，反馈电阻以及信号频率有关系。
e) 将上一步的结果除以:ifR，得到电容量的大小，根据柱状电容的计算公
式，计算出油水混合物的相对介电常数。
C In (EMta)
sr =-
2 it L ￡。式中&为油水混合物的相对介电常数； C为电容量大小； Rb为电容传感器外导体半径； Ra为电容传感器内导体半径； L为电容传感器长度； s。为真空中的介电常数。
f) 由于水的相对介电常数81和原油的相对介电常数2 4相差很大，据此 计算出油水比例。其计算公式为-
原油含水率=^~^
￡水一 ￡原油
式中Sa 为水的相对介电常数；
&为步骤e)中求得的油水混合物的相对介电常数； 为原油的相对介电常数。
g) 计算出的原油含水率，通过通信接口模块输出。 以下具体阐述各个部分的实施方式
数字处理器可以用通用计算机实现，也可以用基于微处理器、DSP、 FPGA 的嵌入式系统来实现。其所用到的多普勒滤波算法，可使用Matlab、 VB、 Delphi、 FORTRAN、 C、 VHDL或Verilog语言编程实现。
数模转换器可选用Analog Device公司的AD5445。该芯片分辨率为12位， 转换速率为20.4MSPS，耐高温。
电容传感器可选用Australia Victor Instrument公司生产的油含水仪 AVI-GM-9，也可以设计与之类似的同轴结构的电容传感器。
电流提取电路使用集成运算放大器加负反馈结构来实现，其电路示意图如 图2所示。集成运算放大器选用MAXIM公司生产的MAX4255，该芯片功耗低， 耐高温，单位增益带宽达到了22MHz。
模数转换器可以使用NI公司生产的高精度数据采集卡PXI-6115，其转换速 率为IOMSPS，分辨率为12位，也可以使用Analog Device公司的AD7401A， 该芯片分辨率为16位，最大转换速率为20MSPS，耐高温。
通信接口选用485总线或是电流环电路，用于实现远距离传输。可以选用 MAXIM公司生产的MAX485系列的芯片实现设计。在U0kHz的传输速率下， 其传输距离可达到1公里。为实现更远距离的通信，可以适当降低数据的传输 速率。
权利要求
1.一种利用多普勒滤波原理测量原油含水率的方法，其特征在于在数字处理器的控制下，数模转换器输出1MHz～3MHz的高频振荡信号，并通向电容传感器；电流提取电路将通过电容传感器的电流提取出来，并通过模数转换器将其转换为数字信号；数字处理器对采集到的数字信号进行多普勒滤波处理，提取出被水的导电性淹没的电容量大小；根据计算出的电容值来反算油水混合物的相对介电常数，最终计算原油含水率；计算结果通过通信接口模块输出。
2. 根据权利要求1所述的一种利用多普勒滤波原理测量原油含水率的方法， 其特征在于所述数字处理器是通用计算机或者是基于微处理器、DSP或FPGA 的嵌入式处理系统。
3. —种实施权利要求1所述的一种利用多普勒滤波测量原油含水量方法的 系统，其特征在于包括数字处理器、数模转换器、电容传感器、电流提取电 路、模数转换器和通信接口模块；数字处理器经数模转换器、电容传感器、电 流提取电路、模数转换器后再接数字处理器，计算结果由通信接口模块输出。
4. 根据权利要求3所述的一种利用多普勒滤波原理测量原油含水率的方 法，其特征在于所述电容传感器和电流提取电路，电容传感器是一个同轴结 构的柱状电容，C和G分别代表该柱状电容中两极间充满油水混合物时的等效 电容和等效电导；电流提取电路用集成运算放大器加负反馈结构来实现，R为反 馈电阻；数模转换器的输出与电容传感器的内导体相连，而电流提取电路与电 容传感器的外导体相连。
全文摘要
本发明公开了一种利用多普勒滤波原理测量原油含水率的方法和系统。包括数字处理器、数模转换器、电容传感器、电流提取电路、模数转换器和通信接口模块。在数字处理器的控制下，数模转换器输出的高频振荡信号通向电容传感器；电流提取电路提取电流，通过模数转换器转换为数字信号；数字处理器对采集到的数字信号进行多普勒滤波处理，提取出被水的导电性淹没的电容量大小；根据计算出的电容值来反算油水混合物的相对介电常数，计算原油含水率；通过通信接口模块输出。在原油含水率高于70％时，通过多普勒滤波的原理，消除水的导电性对电容测量的影响，拓宽测量范围。它可用于地面储油罐或生产井中不同地层原油含水率的测量。
文档编号G01N27/22GK101598695SQ20091010129
公开日2009年12月9日 申请日期2009年7月27日 优先权日2009年7月27日
发明者冉立新, 王静雨 申请人:浙江大学