原油混合液含水率的在線測量及精度分析

賀倩倩，來躍深

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

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原油混合液含水率的在線測量及精度分析

賀倩倩，來躍深

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

為了實現(xiàn)原油含水率的在線測量和原油產(chǎn)量估計，文中采用電容在線測量法，將原油置于電容兩極之間，構(gòu)建了電容信號的檢測模型，提出了面向高含水油井的原油含水率電容在線測量系統(tǒng).通過電容電壓轉(zhuǎn)化電路設(shè)計，實現(xiàn)了原油電容信號向電壓信號的轉(zhuǎn)換.結(jié)果表明：原油含水率電容在線檢測系統(tǒng)測量范圍為1%～100%，原油含水率與電容、介電常數(shù)及電壓之間呈線性關(guān)系；測量精度優(yōu)于傳統(tǒng)電脫法和蒸餾法，消除了不連續(xù)取樣導(dǎo)致的測量誤差.

油井；含水率；介電常數(shù)；電容

油井原油含水率檢測是油田工程的一項重要技術(shù)，目前國內(nèi)大部分油田已經(jīng)開始進(jìn)入高含水時期[1]，產(chǎn)量已經(jīng)開始逐年遞減.因此,在原油勘探、生產(chǎn)及測量過程中,原油含水率測量準(zhǔn)確與否直接影響油田的可持續(xù)性生產(chǎn).原油含水率測量方法分為人工測量法和在線測量法[2].文獻(xiàn)[3]通過人工取樣，采用檢驗儀器對原油含水率進(jìn)行化驗，以確定出含水率具體數(shù)值，主要有電脫法和蒸餾法.電脫法由于不能連續(xù)取樣導(dǎo)致代表性不強(qiáng)；蒸餾法的操作過程簡單，但精度不高.文獻(xiàn)[4]將卡爾-費(fèi)休與水的混合溶劑定量反應(yīng)，從而確定出水分的含量.但人工測量法取樣要求高，勞動強(qiáng)度大.因此，實際工程人員提出了在線測量法，目前關(guān)于這一方面研究已有不少.文獻(xiàn)[5]根據(jù)油和水的密度不同，將不同量的油和水混合后的混合密度不同，從而算出原油的含水率.文獻(xiàn)[6]提出了一種比較科學(xué)的測量方法，其使原油流過電容極板之間，其不同含水率的原油流過對應(yīng)的電容量也不同，進(jìn)而推算出含水率.文獻(xiàn)[7]根據(jù)油、水及氣對射線的吸收能力不同來得到其各成分的含量，以確定出含水率.文獻(xiàn)[8]根據(jù)油和水這兩種介質(zhì)物理性質(zhì)的不同,根據(jù)原油對電磁波的接受能力不同，將電磁波輻射到原油中，通過接收到的不同強(qiáng)度來檢測.然而以上方法測量精度低，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差，而引入電容進(jìn)行含水率測量，能夠保證相對的高精度性,易操作維護(hù)性,同時對于原油的采樣時間間隔較小,取樣頻率高.因此，本文采用電容法,通過電容傳感器構(gòu)建電容信號檢測模型進(jìn)行原油含水率的檢測,將含水率轉(zhuǎn)化成電容量,利用CAV444型芯片進(jìn)行檢測電路設(shè)計,將微小的電容變化量轉(zhuǎn)化成電壓變化量,以期實現(xiàn)原油含水率在線測量.

1 電容信號檢測模型構(gòu)建

根據(jù)原油混合液介質(zhì)中油水介電常數(shù)差異很大的物理特性，利用變介電常數(shù)傳感器原理，將待測介質(zhì)介電常數(shù)的變化量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘康淖兓?而電容量與傳感器的參數(shù)(尺寸、材料和模型等)及原油混合液的等效介電常數(shù)相聯(lián)系[9].利用原油混合液介質(zhì)的等效介電常數(shù)ε作為中間變量構(gòu)建含水率與電容量C兩者的函數(shù)關(guān)系式為

C=f(ε)

(1)

ε=g(εo,εw,α)

(2)

式中：εw為水的介電常數(shù)；εo為油的介電常數(shù)；α為含水率；f(ε)為介電常數(shù)與電容量的函數(shù)；g(ε0,εw,α)為介電常數(shù)與純油、純水介電常數(shù)及含水率的函數(shù).當(dāng)傳感器對其內(nèi)部介質(zhì)進(jìn)行電容量計算時，根據(jù)電容量可推出原油混合液等效介電常數(shù) .傳感器的內(nèi)外電極之間充滿待測介質(zhì)時，采用同軸電容傳感器檢測含水率的函數(shù)關(guān)系式為

C=2πεL/ln(Ra/Rb)

(3)

式中：L為傳感器的長度；Ra為同軸傳感器外電極內(nèi)徑；Rb為同軸傳感器內(nèi)電極外徑.

原油混合介質(zhì)的介電常數(shù)與各介質(zhì)的含量、體積和介電常數(shù)等因素相關(guān).其常見模型較多，對其進(jìn)行多次實驗后，選擇混合介質(zhì)等效介電常數(shù)的數(shù)學(xué)模型為

(4)

式中： ε為混合液等效介電常數(shù)；εw為純水介電常數(shù)；εo為純油介電常數(shù)；β為介電常數(shù)指數(shù)，一般取值為0.5，代入式(4)可得

(5)

該模型為指數(shù)模型公式，對離散相分子的顆粒大小要求相對較高，即分離程度較好.保證了三相完全分離后的原油單相計量的優(yōu)勢，適合于高含水與低含水情況，并且計算結(jié)果比較準(zhǔn)確.由指數(shù)公式可得，油水混合物的介電常數(shù)與混合物含水率、油的介質(zhì)常數(shù)及水的介質(zhì)常數(shù)有關(guān)，根據(jù)多組實驗得到混合液的介電常數(shù)、油的介電常數(shù)及水的介質(zhì)常數(shù)，進(jìn)而計算出原油含水率.

2 原油含水率檢測原理及電路實現(xiàn)

在構(gòu)建原油含水檢測系統(tǒng)時，通過介質(zhì)傳感器的電容量需要轉(zhuǎn)化為電壓量，由于待測介質(zhì)在電極間流通同軸圓柱電容傳感器的過程中所產(chǎn)生的電容信號的變化十分微弱，在測量過程中，產(chǎn)生一些干擾因素，故選用CAV444芯片采集數(shù)據(jù)，該芯片可將微小的電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓的變化，且兩者之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，即通過線性表達(dá)式中的電壓就可推算相應(yīng)的電容量[10].

2.1 檢測原理

CAV444芯片可將傳感器上的電容信號轉(zhuǎn)化成電壓信號輸出.其步驟為采集信號、處理信號以及輸出電壓.對其測量電容進(jìn)行充電或者放電產(chǎn)生振蕩周期信號，其電容值的大小與振蕩頻率呈正比例關(guān)系.通過一個頻率與電壓的電路轉(zhuǎn)換，再通過一個濾波器，得到一個電壓信號.其輸出電壓與參考電壓VREF之間成為差分電壓輸出[11].

該電路測量傳感器的電容時，通過兩個電阻外接將差分電壓信號的零點(diǎn)和滿度調(diào)準(zhǔn).其芯片的整體測量范圍大約為19～2 200 pF.CAV444芯片電容與電壓之間的轉(zhuǎn)化的關(guān)系式為

(6)

圖1 輸出電壓-測量電容關(guān)系曲線

Fig.1 Output voltage-measuring capacitance curve

2.2 電路實現(xiàn)

不同的油水混合物，含水率也不相同，則混合介質(zhì)的混合介電常數(shù)也不同，根據(jù)這種不同物質(zhì)介電常數(shù)不同的特性，通過式(3)～(4)，將原油含水率與混合介電常數(shù)建立關(guān)系，又通過混合物的介電

常數(shù)與電容之間的關(guān)系，將轉(zhuǎn)化成的電容量通過電路設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺捎脝纹瑱C(jī)進(jìn)行信號處理后，得到含水率、介電常數(shù)、電容以及電壓之間的數(shù)值關(guān)系[12].

按照上述設(shè)計原理，其含水率檢測轉(zhuǎn)換電路如圖2所示.圖2中RCM(管腳1)為測量振蕩器的電流調(diào)整接口；RCW(管腳2)為頻率電壓轉(zhuǎn)化的電流調(diào)整接口；VB(管腳3)為工作電源(5 V)接口；GAIN(管腳4)為增益調(diào)整接口；VOUT(管腳5)為輸出電壓端口；VREF(管腳6)為參考電源(2.5 V)端口；VTEMP(管腳7)為溫度傳感器輸出接口；N.C.(管腳8,管腳9)為空；GND(管腳10)為接地端口；VCC(管腳11)為電源電壓；CM(管腳12)為測量電容接口；CF2(管腳13)為低通濾波器2電容接口；RA(管腳14)為頻率電壓轉(zhuǎn)化穩(wěn)定電阻接口；CF1(管腳15)為低通濾波器電容接口；CW(管腳16)為頻率電壓轉(zhuǎn)化電容接口.CF1,CF2為濾波電容；P3為電路中油水混合物的檢測接口.原油含水率檢測轉(zhuǎn)換電路中的外圍電路各元器件的固定參數(shù)如下：輸出級電阻R2,R4,R5取為100 kΩ；滿度校準(zhǔn)電阻R1取為33 kΩ；零點(diǎn)校準(zhǔn)電阻R3取為100 kΩ；頻率電壓轉(zhuǎn)換級電阻RA取為240 kΩ；測量振蕩器電阻RCM取為250 kΩ；頻率電壓轉(zhuǎn)換級濾波電阻CVREF取為500 kΩ；濾波電容CF1,CF2取為100 uF；參考電壓電容 取為100 uF.

圖2 原油含水率檢測轉(zhuǎn)換電路

Fig.2 The circuit for conversion for water content of crude oil

2.3 結(jié)果與分析

根據(jù)上述電路搭建實驗環(huán)境，通過測量34組不同含水率的介質(zhì)可得電容值、電壓值、混合介電常數(shù)和含水率值，部分測量數(shù)據(jù)見表1.

根據(jù)34組測量數(shù)據(jù)可得含水率與電容、介電常數(shù)及電壓之間的關(guān)系圖，可見其含水率與電容值、電壓值及混合介電常數(shù)基本呈線性關(guān)系，如圖3所示.

由圖3見原油含水率與電容、電壓及介電常數(shù)基本呈線性關(guān)系.原油含水率電容在線檢測系統(tǒng)測量范圍為1%～100%，在1%～65%范圍內(nèi)其線性誤差較小.測量精度優(yōu)于傳統(tǒng)電脫法和蒸餾法，消除了不連續(xù)取樣導(dǎo)致的測量誤差.

表1 含水率與介電常數(shù)、電容和電壓部分測量數(shù)據(jù)

Tab.1 Part of data of moisture content，capacitance,dielectric constant and voltage

組號含水率/%介電常數(shù)電容/pF電壓/V1#0.002.286801.662#3.443.1431101.753#9.254.8571701.934#11.765.7142002.055#26.2212.0004202.826#36.7118.0006303.147#45.1123.6909003.478#52.9929.73011503.809#63.3247.33415654.4310#98.6980.24326304.93

圖3 含水率與電容、電壓及介電常數(shù)關(guān)系曲線

Fig.3 Data curve of moisture content，capacitance,dielectric constant and voltage

3 結(jié) 論

1) 將原油置于電容兩極之間，采用電容在線測量法，構(gòu)建了電容信號的檢測模型，提出了面向高含水油井的原油含水率電容在線測量方法.該方法測量精度優(yōu)于傳統(tǒng)電脫法和蒸餾法，消除了傳統(tǒng)方法不連續(xù)取樣導(dǎo)致的測量誤差；保持了電容傳感器的高精度性，易維護(hù)性，且采樣時間間隔較小，取樣頻率高.

2) 將介質(zhì)通過時微小電容變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號，實現(xiàn)了原油含水率的精確測量.該電路結(jié)構(gòu)簡單，測量精確可靠；原油含水率與電容、介電常數(shù)及電壓之間呈顯著線性關(guān)系.

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(in Chinese)

(責(zé)任編輯、校對 潘秋岑)

On-Line Measurement and Precision Analysis of Water Cut of Mixed Liquors of Crude Oil

HEQianqian，LAIYueshen

(School of Mechatronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

In order to achieve online measuring of moisture content of crude oil and estimates crude oil production, the capacitance is used for online measuring. Place crude oil between the poles of capacitance,build the capacitance signal detection model,put forward the system to measure water content of crude oil online for high water cut oil well.Through the circuit for conversion of capacitance and voltage, the conversion of capacitance signal to voltage signal is achieved.The results show that moisture content，capacitance,dielectric constant and voltage have a linear relationship; measurement system can be finished the scope of 1% ～ 100% moisture content; measurement accuracy is better than traditional method and distillation method,which eliminates the measurement error caused by discontinuous sampling.

oil well;water cut;dielectric constant;capacitance

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.10.004

2016-04-16

陜西省科學(xué)技術(shù)廳工業(yè)攻關(guān)項目(2014K06-26)

賀倩倩(1994-)，女，西安工業(yè)大學(xué)碩士研究生.

來躍深(1965-)，男，西安工業(yè)大學(xué)教授,主要研究方向為計算機(jī)控制與測量.E-mail:lailiquan@163.com.

TP212

A

1673-9965(2016)10-0792-05