Способ определения компонентов в потоке водно-нефтяной смеси
Изобретение относится к технологиям определения составляющих жидких смесей (эмульсий, суспензий, растворов) и может быть использовано при разделении водно-нефтяных смесей на составляющие. Способ определения компонентов в потоке водно-нефтяной смеси заключается в излучении с помощью излучающей антенны электромагнитной энергии СВЧ-диапазона в поток водно-нефтяной смеси, прием излучения электромагнитной энергии, прошедшего через поток водно-нефтяной смеси, с помощью приемной антенны, посредством которой измеряют значения величин, характеризующих принятое излучение электромагнитной энергии, сопоставление измеренных значений величин, характеризующих принятое излучение электромагнитной энергии, с калибровочными значениями величин, соответствующими различным значениям содержания в потоке водно-нефтяной смеси воды, нефти и твердых включений, и установление по результатам сопоставления конкретных компонентов водно-нефтяной смеси в исследуемом потоке, излучение электромагнитной энергии осуществляют в заданной полосе частот СВЧ-диапазона, в качестве излучающей антенны используют, по меньшей мере, один прямоугольный волновод, обращенный открытым концом, являющимся апертурой излучения, на поток водно-нефтяной смеси, в качестве приемной антенны применяют, по меньшей мере, один прямоугольный волновод, обращенный открытым концом, являющимся апертурой приема, на поток водно-нефтяной смеси, при этом апертуру каждого или одного из указанных волноводов выполняют срезанной под углом, меньшим минимального угла Бриллюэна излучения электромагнитной энергии. Технический результат: повышение точности измерения содержания воды/нефти в водно-нефтяной смеси в присутствии солей. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к технологиям определения составляющих жидких смесей (эмульсий, суспензий, растворов) и может быть использовано при разделении водно-нефтяных смесей на составляющие, которые в них входят.
Известен способ определения компонентов в потоке водно-нефтяной смеси, включающий излучение с помощью излучающей антенны электромагнитной энергии СВЧ-диапазона в поток водно-нефтяной смеси, прием прошедшего через поток водно-нефтяной смеси излучения электромагнитной энергии с помощью приемной антенны, посредством которой измеряют значения величин, характеризующих принятое излучение электромагнитной энергии, сопоставление измеренных значений величин, характеризующих принятое излучение электромагнитной энергии, с калибровочными значениями величин, соответствующими различным значениям содержания в потоке водно-нефтяной смеси воды, нефти и твердых включений, и установление по результатам сопоставления конкретных компонентов водно-нефтяной смеси в исследуемом потоке (см. патент США №5644244, кл. G 01 N 22/04, 1997). Известный способ, который является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому, предназначен для измерения водосодержания и концентрации твердых включений в водно-нефтяной смеси во всем диапазоне изменения влагосодержания от 0 до 100% посредством измерения затухания СВЧ-сигнала, проходящего через тестируемую смесь. При этом используется СВЧ-сигнал фиксированной выбранной частоты из диапазона 10-12 ГГц. Принятый сигнал обрабатывается по специальной программе и сравнивается в компьютере с множеством значений измеряемых параметров, полученных для известных значений водонасыщенности и концентраций твердых включений.
Недостатком способа является значительная погрешность определения влагосодержания в случаях, когда кроме воды и соли в смеси дополнительно присутствуют другие компоненты, например остаточный газ, процентное содержание которого является дополнительной неизвестной величиной, и для повышения точности определения влаги в смеси необходимо измерять дополнительный независимый параметр.
Другим недостатком известного способа является необходимость введения температурной поправки, которая на выбранной частоте (выше 10 ГГц ) существенна. В этом случае при измерениях необходимо либо располагать большим массивом данных, полученных при различных температурах при всевозможных известных концентрациях воды, нефти, соли, либо решать проблему термостабилизации на аппаратном уровне, что приводит к еще большему усложнению измерительной схемы известного способа и накоплению ошибок.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого способа, - повышение точности измерения содержания воды/нефти в водно-нефтяной смеси в присутствии солей.
Данный технический результат достигается за счет того, что в способе определения компонентов в потоке водно-нефтяной смеси, включающем излучение с помощью излучающей антенны электромагнитной энергии СВЧ-диапазона в поток водно-нефтяной смеси, прием излучения электромагнитной энергии, прошедшего через поток водно-нефтяной смеси, с помощью приемной антенны, посредством которой измеряют значения величин, характеризующих принятое излучение электромагнитной энергии, сопоставление измеренных значений величин, характеризующих принятое излучение электромагнитной энергии, с калибровочными значениями величин, соответствующими различным значениям содержания в потоке водно-нефтяной смеси воды, нефти и твердых включений, и установление по результатам сопоставления конкретных компонентов водно-нефтяной смеси в исследуемом потоке, согласно изобретению излучение электромагнитной энергии осуществляют в заданной полосе частот СВЧ-диапазона, в качестве излучающей антенны используют, по меньшей мере, один прямоугольный волновод, обращенный открытым концом, являющимся апертурой излучения, на поток водно-нефтяной смеси, в качестве приемной антенны применяют, по меньшей мере, один прямоугольный волновод, обращенный открытым концом, являющимся апертурой приема, на поток водно-нефтяной смеси, при этом апертуру каждого или одного из указанных волноводов выполняют срезанной под углом, меньшим минимального угла Бриллюэна излучения электромагнитной энергии, в качестве значений величин, характеризующих принятое излучение электромагнитной энергии, используют значения амплитудно-частотной характеристики принятого излучения электромагнитной энергии в заданной полосе частот СВЧ-диапазона, а в качестве калибровочных значений величин, соответствующих различным значениям содержания в потоке водно-нефтяной смеси воды, нефти и твердых включений, используют значения калибровочной амплитудно-частотной характеристики принятого излучения электромагнитной энергии в заданной полосе частот СВЧ-диапазона, а также за счет того, что излучение электромагнитной энергии осуществляют в полосе частот 1.8-3.0 ГГц, и, кроме того, за счет того, что волновод излучающей и приемной антенн заполняют радиопрозрачным диэлектриком.
Технический результат достигается также за счет того, что радиопрозрачный диэлектрик выбирают со значением диэлектрической проницаемости, соответствующим значению среднего геометрического значений модулей диэлектрических проницаемостей воды и нефти, и, кроме того, за счет того, что при сопоставлении измеренных значений величин, характеризующих принятое излучение электромагнитной энергии, с калибровочными значениями величин, соответствующими различным значениям содержания в потоке водно-нефтяной смеси воды, нефти и твердых включений, учитывают температурные поправки, обусловленные условиями измерения их значений, а также за счет того, что сопоставление измеренных значений величин, характеризующих принятое излучение электромагнитной энергии, с калибровочными значениями величин, соответствующими различным значениям содержания в потоке водно-нефтяной смеси воды, нефти и твердых включений, осуществляют на заранее выбранных частотах из заданной полосы частот СВЧ-диапазона, при этом число выбранных частот устанавливают равным не менее двух.
Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1, где изображена схема распространения СВЧ-волн в полом волноводе с апертурой, срезанной под углом, на фиг.2 изображены траектории излучения СВЧ-сигнала в исследуемый поток излучающей антенной и приема сигнала принимающими антеннами, на фиг.3 показан характер изменения амплитудно-частотной характеристики принимаемого сигнала при изменении состава водно-нефтяной смеси.
Данный способ используется для определения содержания присутствующих компонентов в водно-нефтяных смесях, а также твердых примесей и газа посредством измерения параметров распространения СВЧ-волн через исследуемую водно-нефтяную смесь. Фазовая скорость распространения СВЧ-волны и ее затухание зависят от комплексной диэлектрической проницаемости среды и, следовательно, содержание в водно-нефтяной смеси молекул воды, меняя комплексную диэлектрическую проницаемость среды, будет изменять и параметры распространения СВЧ-волн. Действительно, большинство углеводородов, например нефть, имеют диэлектрическую проницаемость порядка 2-2.2, в то время как диэлектрическая постоянная воды может достигать 81. Таким образом, присутствие даже малого количества воды, диспергированной в нефти, значительно повлияет на среднюю диэлектрическую постоянную смеси. Так, например, присутствие 1% воды в нефти увеличивает диэлектрическую постоянную до 2.8-3. Эти изменения легко заметить по характеристикам распространения электромагнитных волн в СВЧ-диапазоне.
Из-за сильного отличия комплексной диэлектрической постоянной нефти и воды по действительной и мнимой частям принципиально возможно определить объемное влагосодержание в водно-нефтяной смеси замером лишь одного параметра. В качестве такого параметра может быть выбран, например, параметр погонного затухания, или параметр набега фаз при прохождении электромагнитной СВЧ-волны через среду, или коэффициент отражения при прохождении волны через границу исследуемой среды и среды с известной диэлектрической проницаемостью. При этом зависимость изменения диэлектрической постоянной смеси от объемного влагосодержания при известных диэлектрических свойствах компонентов смеси считается известной.
Также однозначно с составом смеси связана постоянная распространения волны в среде, коэффициент преломления на плоской границе со средой с известными диэлектрическими параметрами при заданном угле падения волны, а также коэффициент отражения от указанной границы.
Выбор частоты СВЧ-волны имеет большое значение и должен осуществляться из компромиссных соображений. Обычно для определения влагосодержания в водонефтяных эмульсиях или смесях используют волны из диапазона частот 10-150 ГГц. В этом случае удается исключить ошибку измерения, связанную с присутствием в смеси различных солей. Однако поглощение волн в водосодержащей смеси на этих частотах большое и приходится решать технические задачи, связанные с обработкой слабых сигналов, по причине чего волны вышеуказанной частоты используют обычно для определения содержания воды в потоке товарной нефти. Так, погонное затухание волны в воде в области миллиметровых волн (30-150 ГГц) настолько велико (15.5 дБ/мм - при длине СВЧ-волны, равной 10 мм, и 41.1 дБ/мм - при длине волны 2 мм), что проводить измерения амплитуды прошедшего через водно-нефтяную смесь сигнала практически невозможно, и приходится переходить к более длинным волнам (при длине волны λ=10 см затухание составляет всего 0,6 дБ/мм).
Кроме того, на высоких частотах (10-150 ГГц) характерна большая зависимость диэлектрической постоянной и тангенса угла потерь от температуры и, следовательно, необходимо вносить температурные поправки в измеряемые величины с помощью численных или аппаратных средств.
Способ реализуется следующим образом.
Изменение частоты внутри полосы СВЧ-частот ведет к изменению угла падения ϕ излучаемого пучка электромагнитной энергии (см. фиг.2): на более высоких частотах угол ϕ, отсчитываемый от нормали к поверхности трубы волновода и к границе раздела "тестируемая смесь - заполняющая волновод керамика", становится больше, вплоть до возможного достижения значения, соответствующего углу полного внутреннего отражения. С приближением угла Бриллюэна β к углу среза θ прямоугольного волновода эффективная площадь излучения увеличивается, приближаясь к поверхности среза. На более низких частотах полосы угол излучения и эффективная апертура излучения уменьшаются, и угол ϕ может согласно выражению ϕ=90°-β-θ стать равным нулю (нормальное падение).
Согласно концепции Бриллюэна электромагнитное поле волны любого волноводного типа можно представить в виде суммы полей парциальных плоских волн: бесконечного числа волн, расходящихся конусом - для круглого волновода, и лишь двух синфазных плоских волн, лежащих в плоскости (см. фиг.1) в случае основной волны (Н10) прямоугольного волновода. Вектор электрической напряженности этих синфазных волн перпендикулярен широкой стенке волновода для основного типа прямоугольного волновода. Волны распространяются под углом Бриллюэна β к оси волновода:
β=arcsin(λ/2а),
где a - размер широкой стенки прямоугольного волновода, λ - длина СВЧ-волны, β - угол Бриллюэна. Если волновод срезан под углом θ перпендикулярно широкой стенке, то для углов Бриллюэна, больших θ, парциальные волны излучаются синфазно с постоянным распределением амплитуды и фазы излучения на его апертуре. Это видно из построения на фиг.1. С уменьшением частоты угол Бриллюэна растет, и, значит, изменением частоты можно менять угол падения луча на плоскость среза.
Таким образом, при изменении частоты луч излучения из антенны в виде волновода с косым срезом Т (см. фиг.2) будет сканировать водно-нефтяную смесь, проходя через нее в приемные антенны с косым срезом I, II, III. В данном изобретении при изменении диэлектрической постоянной смеси меняется и коэффициент преломления, а значит, и угол преломления, что влечет за собой изменение амплитуды и фазы проходящего сигнала. Максимум прохождения сигнала будет наблюдаться при определенном значении угла падения ϕ=arcsin(nΣ·sinγ/nd), где nΣ - коэффициент преломления смеси, nd - коэффициент преломления заполняющего волновод диэлектрика, γ - угол преломления. В этом случае преломленный луч соединяет центры эффективных апертур (линия АВ на фиг.2) одинаковых излучающей и приемной антенн в виде прямоугольного волновода с косым срезом, и излучение направлено вдоль этой прямой. По частоте максимума определяют ϕ. Зная ϕ, при известной величине конструктивно заданного угла γ и относительной диэлектрической постоянной εd материала, которым заполняют волновод с косым срезом, можно определить оптическую плотность тестируемого вещества. Однако следует отметить, что затухание тестирующей волны в диапазоне 1.8-3 ГГц зависит также от содержания соли, увеличиваясь с засоленностью.
Чтобы тестируемая водно-нефтяная смесь не попадала в волновод, а также одновременно для увеличения электрических размеров антенн вместо полого волновода предлагается использовать волновод, заполненный радиопрозрачным, механически прочным и химически неактивным диэлектриком с соответствующей диэлектрической проницаемостью. Таким диэлектриком может быть, например, радиопрозрачная для СВЧ-волн керамика или другой материл со сходными свойствами. На противоположной к излучающей антенне стороне относительно водно-нефтяного потока согласно изобретению располагается одна или несколько приемных антенн, идентичных излучающей. Оси всех антенн в предпочтительном варианте выполнения параллельны, как показано на фиг.2. Очевидно, что можно и, наоборот, использовать в качестве приемной антенны излучающую антенну, а передаваемый сигнал коммутировать с одной излучающей антенны на другую. Для увеличения диапазона углов отклонения преломленного луча диэлектрическую проницаемость материала, заполняющего волновод εd, целесообразно выбирать соответствующей значению среднего геометрического значений модулей диэлектрических проницаемостей составляющих компонентов смеси. Таким образом, εd должно соответствовать диэлектрической постоянной для смеси с равными объемами воды и нефти. В этом случае предлагаемый способ позволяет измерять влагосодержание практически при любом процентном содержании воды вплоть до значения 100%. Угол Бриллюэна для случая прямоугольного волновода, заполненного радиопрозрачной керамикой с проницаемостью εd, будет равен:
β=arcsin(√εd·λ/2a),
где а - размер широкой стенки прямоугольного волновода, λ - длина СВЧ-волны.
Заключение о составе смеси делается по частотной зависимости величины амплитуды принимаемого сигнала (условно можно говорить о величине максимума амплитуды проходящего в приемную антенну сигнала), а оценки твердых включений и количества примесей производят по отношению величин максимумов амплитуд сигналов, прошедших в приемные антенны, и по разности значений частот положения максимумов амплитуд сигналов. На угол преломления γ в смеси в основном влияет показатель преломления, а коэффициент передачи (отношение принятой мощности к излученной) из излучающей антенны в приемную в основном определяется величиной kL, где L - путь преломленного луча в водно-нефтяной смеси, k - константа распространения. Кроме того, на коэффициент передачи влияют также коэффициенты прохождения волны через границу "диэлектрик, заполняющий антенну, - среда смеси", дифракционное расхождение пучка электромагнитного излучения и другие параметры. Полностью высчитывать эти величины во всем диапазоне состава смесей, рабочих температур и солености воды не имеет смысла из-за сложности анализа и накопления погрешностей измерения при идеализациях, однако прослеживаемые зависимости представляют собой гладкие непрерывные функции. При этом имеется возможность на основе измеренных данных построить семейство однозначных калибровочных кривых.
Если влагосодержание водно-нефтяной смеси велико, то на нижних частотах из полосы частот погонное затухание значительно меньше, чем на верхних частотах. В этом случае максимум коэффициента передачи недостаточно выражен и может вообще отсутствовать, например, в случае если крутизна изменения затухания в водно-нефтяной смеси от частоты больше крутизны характеристики излучения (характеристика излучения - это частотная зависимость коэффициента передачи в случае непоглощающей среды). В этом случае, возможна регистрация коэффициента передачи тестирующего сигнала на нескольких заранее определенных частотах СВЧ-диапазона при изменении значения частоты относительно некоторого заранее заданного ее значения.
Присутствие еще и таких влияющих факторов, как наличие остаточного газа и твердых примесей, требует для их определения дополнительных связывающих уравнений, которые могут быть получены параметризацией измерений по частоте. Этот подход в настоящем изобретении реализуется путем применения достаточно широкой полосы изменения частоты и использованием нескольких пар антенн (излучающая - принимающая), максимум передачи в которых задается углом падения ϕ квазиплоской волны на границу раздела, зависящим от частоты, а также углом преломления луча γ и затуханием волны, определяемыми диэлектрическими свойствами среды водно-нефтяной смеси. Если в смеси присутствует, например, остаточный газ, то он будет занижать значение диэлектрической проницаемости смеси на всех частотах в соответствии с его содержанием (присутствие газа как бы понижает диэлектрическую постоянную нефти), но затухание останется пропорциональным содержанию воды. С ростом частоты затухание в газе и нефти не меняется и к тому же пренебрежимо мало по сравнению с быстро растущим затуханием в воде и с погрешностями измерений.
Главным фактором общей погрешности измерений процентного содержания воды в водно-нефтяной смеси является влияние солености воды на параметры распространения СВЧ-волн.
На фиг.3 приведен характерный вид коэффициента передачи СВЧ-сигнала, прошедшего через различные водно-нефтяные смеси. Максимум значения коэффициента передачи наблюдается (с учетом менее влияющих факторов направленности антенн и отражений от границ раздела) при прямом попадании излучения из излучающей антенны в приемную, что определяется не только частотой излучения (углом падения ϕ), но также коэффициентом преломления у водно-нефтяной смеси. Положение максимума амплитуды сигнала (обозначается символом (*) на фиг.3), таким образом, характеризуется в нашем случае в основном действительной частью комплексной диэлектрической проницаемости водно-нефтяной смеси. Величина максимума амплитуды сигнала характеризует погонное затухание в водно-нефтяной смеси и зависит от мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости смеси. Диапазон изменения затухания амплитуды сигнала велик: от пренебрежимо малого до ˜70 дБ в случае чистой воды. Содержание воды определяется в основном по затуханию амплитуды сигнала (см. фиг.3): для среды без потерь с диэлектрической постоянной εd имеем характерную кривую 1; для смеси воды и нефти, взятой в объемной пропорции 50:50 и 60:40 соответственно, однозначно определено затухание и частота максимума амплитуды (см. фиг.3, кривые 2 и 3 соответственно). С добавлением соли в водно-нефтяную смесь затухание амплитуды СВЧ-волн увеличивается, в то время как коэффициент преломления (а значит, и частота максимума амплитуды сигнала) остается практически неизменным. Это наглядно видно по поведению кривых 4 и 5 (фиг.3), представляющих амплитудно-частотные характеристики принимаемого СВЧ-сигнала для водно-нефтяных смесей, взятых в объемной пропорции 50:50 (кривая 4) и 60:40 (кривая 5) соответственно, и содержащих 1% соли.
На фиг.3 также изображена амплитудно-частотная характеристика СВЧ-сигнала, проходящего через воду (кривая 6) без учета характеристики излучения антенной системы.
Присутствие соли в водно-нефтяной смеси уменьшает коэффициент преломления, вследствие чего максимум амплитуды принимаемого излучения смещается в сторону более высоких частот в заданной полосе частот СВЧ-диапазона, но величина спадающей части кривой проходящего сигнала (отношение амплитуды сигнала вдали от частоты максимума амплитуды на высокочастотном крыле диапазона к величине этого максимума амплитуды) позволяет правильно идентифицировать наличие соли.
Таким образом, при реализации способа характер частотной зависимости амплитуды проходящего сигнала позволяет найти состав водно-нефтяной смеси, если учитывать различное частотное поведение коэффициента затухания и коэффициента преломления для составляющих водно-нефтяную смесь компонентов. В рассмотренном примере нефть не меняет своих свойств в диапазоне использованных частот. При наличии в смеси воды резко растет затухание и коэффициент преломления СВЧ-волн, причем с увеличением частоты это влияние растет. При наличии в водно-нефтяной смеси соли затухание с увеличением ее содержания растет, а диэлектрическая постоянная (коэффициент преломления) незначительно падает, причем с ростом частоты влияние соли на затухание уменьшается.
Проведенные исследования показали, что наличие твердых примесей также будет влиять на параметры распространения СВЧ-волны через водно-нефтяную смесь и приведет к дополнительным погрешностям измерения, если эти факторы не учитывать. С целью повышения точности измерения водосодержания в смеси при наличии твердых включений в настоящем изобретении предлагается изменять частоты излучения СВЧ-волн в достаточно широкой полосе от 1.8 ГГц до 3 ГГц и использовать несколько пар приемно-излучающих антенн. В этом случае угол падения ϕ на границу раздела водно-нефтяной смеси будет определяться частотой СВЧ-волны, а измеряемые угол преломления γ и затухание волны дадут необходимые связывающие уравнения для определения содержания воды, соли и твердых включений в водно-нефтяной смеси.
Предлагаемый способ позволяет анализировать параметры распространения СВЧ-волн не при одной частоте, а в полосе частот из СВЧ-диапазона. Это дает возможность идентифицировать большее число присутствующих в водно-нефтяной смеси компонентов по различному частотному поведению амплитуды сигнала для различных компонентов смеси и известному характеру влияния этих компонентов смеси на указанное поведение, подтвержденному или выявленному измерениями при определении калибровочных амплитудно-частотных характеристик.
Определение величины максимума значения затухания амплитуды проходящего сигнала и частоты, на которой этот максимум наблюдается, для каждой пары антенн (параметризация по частоте) позволяет найти дополнительные данные, например оценить соленость воды и объем твердых включений, в случае, если частотные зависимости не вырождены с точностью до погрешностей измерения в диапазоне параметризации по частоте. Другими словами, для одной пары приемоизлучающих антенн коэффициент преломления определяется частотой, при которой наблюдается максимум амплитуд прошедшего сигнала, т.е., в основном, величиной диэлектрической постоянной, а величина максимума амплитуды определяется затуханием. По предварительно проведенной калибровке на двумерном массиве амплитуд затухания и частот максимума амплитуды для данной антенны определяется влагосодержание, в измеренную величину которого необходимо внести температурную поправку для получения значения, приведенного к нормальным условиям - 20°С и атмосферному давлению. Затем операция повторяется поочередно для других пар антенн, и расхождение результатов, большее погрешности измерения, будет свидетельствовать о наличии дополнительного влияющего фактора. Если более "высокочастотная" антенна, находящаяся дальше от излучающей, имеет максимум передачи на более низкой частоте из заданной полосы частот СВЧ-диапазона, то найденный коэффициент преломления занижен, что может происходить из-за наличия твердых непроводящих примесей в исследуемой водно-нефтяной смеси.
За счет изменения частоты СВЧ-волн и применения антенн, представляющих собой прямоугольный волновод, срезанный плоскостью, перпендикулярной широкой стенке, под определенным углом, меньшим угла Бриллюэна распространяющейся волны, возможно произвести сканирование водно-нефтяной смеси лучом электромагнитной энергии, определить содержание воды, соли в водно-нефтяной смеси по амплитуде и частоте максимума амплитуды принимаемого сигнала (или по амплитудно-частотной зависимости в случае отсутствия максимума амплитуды).
В случае отсутствия максимума на кривой затухания СВЧ-волны, прошедшей через анализируемую водно-нефтяную смесь, сравнение измеренных данных с массивом калибровочных данных и дальнейшее определение состава смеси может осуществляться по амплитуде принимаемого СВЧ-сигнала на выбранных частотах из полосы частот СВЧ-диапазона 1.8-3 ГГц.
Данный способ позволяет с большой точностью определить процентное содержание воды в водно-нефтяной смеси в присутствии солей, а также определить процентную концентрацию этих солей в воде. В этом случае использование СВЧ-волн в диапазоне 1.8-3 ГГц также является наиболее информативным. Действительно, добываемая сырая нефть извлекается обычно в виде водно-нефтяной смеси с присутствием минеральных солей NaCl, которые оказывают влияние на параметры распространения СВЧ-волн. При этом коэффициент затухания волны увеличивается, а диэлектрическая постоянная уменьшается с увеличением процентного содержания NaCl. При этом, на частоте 3 ГГц такая зависимость выглядит особенно отчетливо в отличие от частоты, например, 10 ГГц.
Кроме того, располагая измеренными значениями затухания амплитуды сигнала в водно-нефтяной смеси, содержащей соли, а также калибровочными данными этих величин в смесях с известными значениями водонасыщенности и солености в пределах от пресной воды до насыщенного солевого раствора, численными методами можно определить влагосодержание и соленость такой смеси.
Поскольку угол преломления γ определяется отношением фазовых скоростей волны в среде падения и среде преломления, то измерение разности фаз при прохождении СВЧ-волны из одной среды в другую аналогично измерению угла преломления.
Данный способ позволяет повысить точность определения содержания компонент смеси благодаря тому, что ее состав определяется с учетом комплексной диэлектрической проницаемости на основе измеренных параметров затухания и угла преломления не на одной частоте, а в диапазоне частот (практически на ряде выбранных частот диапазона), задаваемых путем перестройки частоты.
При этом различная частотная зависимость диэлектрической проницаемости от содержания воды и от соли позволяет раздельно определить, насколько влияет каждый из этих факторов, и тем самым повысить точность определения компонент.
Наиболее успешно данный способ может быть промышленно использован в геологии, в геофизике, в горной и нефтегазодобывающей промышленности при определении нефте- и водонасыщенности горных пород, в нефтегазовой индустрии для определения содержания компонентов в транспортируемой нефти, в экологии водного хозяйства - для контроля допустимого уровня нефтепродуктов и твердых включений в водозаборах, а также в других областях, в которых необходимо точное определение компонентов, содержащихся в водно-нефтяных смесях.
Таким образом, данное изобретение повышает точность измерения содержания воды/нефти в водно-нефтяной смеси в присутствии солей и может быть продуктивно использовано в нефтегазовой промышленности для определения содержания воды в добываемой водно-нефтяной смеси после сепарации газа.
1. Способ определения компонентов в потоке водно-нефтяной смеси, включающий излучение с помощью излучающей антенны электромагнитной энергии СВЧ-диапазона в поток водно-нефтяной смеси, прием излучения электромагнитной энергии, прошедшего через поток водно-нефтяной смеси, с помощью приемной антенны, посредством которой измеряют значения величин, характеризующих принятое излучение электромагнитной энергии, сопоставление измеренных значений величин, характеризующих принятое излучение электромагнитной энергии, с калибровочными значениями величин, соответствующими различным значениям содержания в потоке водно-нефтяной смеси воды, нефти и твердых включений, и установление по результатам сопоставления конкретных компонентов водно-нефтяной смеси в исследуемом потоке, отличающийся тем, что излучение электромагнитной энергии осуществляют в заданной полосе частот СВЧ-диапазона, в качестве излучающей антенны используют, по меньшей мере, один прямоугольный волновод, обращенный открытым концом, являющимся апертурой излучения, на поток водно-нефтяной смеси, в качестве приемной антенны применяют, по меньшей мере, один прямоугольный волновод, обращенный открытым концом, являющимся апертурой приема, на поток водно-нефтяной смеси, при этом апертуру каждого или одного из указанных волноводов выполняют срезанной под углом, меньшим минимального угла Бриллюэна излучения электромагнитной энергии, в качестве значений величин, характеризующих принятое излучение электромагнитной энергии, используют значения амплитудно-частотной характеристики принятого излучения электромагнитной энергии в заданной полосе частот СВЧ-диапазона, а в качестве калибровочных значений величин, соответствующих различным значениям содержания в потоке водно-нефтяной смеси воды, нефти и твердых включений, используют значения калибровочной амплитудно-частотной характеристики принятого излучения электромагнитной энергии в заданной полосе частот СВЧ-диапазона.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что излучение электромагнитной энергии осуществляют в полосе частот 1.8-3.0 ГГц.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что волновод излучающей и приемной антенн заполняют радиопрозрачным диэлектриком.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что радиопрозрачный диэлектрик выбирают со значением диэлектрической проницаемости, соответствующей значению среднего геометрического значений модулей диэлектрических проницаемостей воды и нефти.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при сопоставлении измеренных значений величин, характеризующих принятое излучение электромагнитной энергии, с калибровочными значениями величин, соответствующими различным значениям содержания в потоке водно-нефтяной смеси воды, нефти и твердых включений, учитывают температурные поправки, обусловленные условиями измерения их значений.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что сопоставление измеренных значений величин, характеризующих принятое излучение электромагнитной энергии, с калибровочными значениями величин, соответствующими различным значениям содержания в потоке водно-нефтяной смеси воды, нефти и твердых включений, осуществляют на заранее выбранных частотах из заданной полосы частот СВЧ-диапазона, при этом число выбранных частот устанавливают не менее двух.
