新型原油含水率在線監(jiān)測(cè)測(cè)試方法

朱 浩，于 革，張治國(guó)

新型原油含水率在線監(jiān)測(cè)測(cè)試方法

朱 浩，于 革，張治國(guó)

（黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江 大慶 163319）

目前石油含水率測(cè)量應(yīng)用的方法主要有射線法、短波吸收法、微波法、電容法、射頻法和紅外光譜法等，測(cè)油品微水含量采用卡爾·費(fèi)休法。通過(guò)綜合分析現(xiàn)有的測(cè)水技術(shù)，將微波法、電容、射頻法相融合，加入脈沖補(bǔ)償電路、積分放大電路等，采用電脈沖分析法在線測(cè)量石油水份，使測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性得到很大提升。傳感器部分采用圓筒形結(jié)構(gòu)，使測(cè)水儀在操作上更加簡(jiǎn)便，使用和測(cè)量范圍更大，靈活性和可靠性也得到加強(qiáng)。

原油含水率；電荷轉(zhuǎn)移脈沖法；電荷泵；積分放大電路

1　背景介紹

原油的含水率測(cè)量對(duì)于確定出水或出油的層位、掌握油田地層動(dòng)態(tài)、估計(jì)產(chǎn)量和預(yù)測(cè)開(kāi)發(fā)壽命及油田的產(chǎn)量質(zhì)量控制、油井狀態(tài)檢測(cè)、減少能耗、降低成本和采油管理自動(dòng)化等很多方面都具有十分重要意義，對(duì)決策部門掌握生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、確定產(chǎn)量分配、提高三次采油質(zhì)量也同樣起著至關(guān)重要的作用。

電脈沖分析法的基本原理是在介質(zhì)電極加上一個(gè)窄脈沖電壓，在脈沖電場(chǎng)與介質(zhì)相互作用時(shí)，介質(zhì)水分子簡(jiǎn)化為電偶極子，介質(zhì)由大量微小的電偶極子組成。當(dāng)沒(méi)有外電場(chǎng)時(shí)，由于石油中的水分子的無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，電偶極子的排列是雜亂無(wú)章的，因而對(duì)外不顯電性。當(dāng)有外電場(chǎng)時(shí)，每個(gè)電偶極子都將受到一個(gè)力矩的作用。在此力矩的作用下，石油中的電偶極子將轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)的方向。由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，各電偶極子的排列并不是十分整齊，對(duì)于整個(gè)電場(chǎng)中的石油來(lái)說(shuō)，在垂直于電場(chǎng)方向的兩個(gè)表面上，也將產(chǎn)生極化電荷，這種電荷不能轉(zhuǎn)移、移動(dòng)和被帶走。撤去外電場(chǎng)，由于分子的無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，電偶極子的排列又將變成雜亂無(wú)章。介質(zhì)中的極性水分子受到這一脈沖電場(chǎng)力的作用而產(chǎn)生極化電荷，同時(shí)會(huì)在電容極板上感應(yīng)出相應(yīng)的等量異種電荷。當(dāng)脈沖電場(chǎng)力撤出后，極化電荷會(huì)由于自身的熱運(yùn)動(dòng)而恢復(fù)到原來(lái)雜亂無(wú)章的狀態(tài)，而等量的異種電荷會(huì)經(jīng)由電荷放大器處理并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)送由單片機(jī)處理。在這里，極化電荷的多少與極性水分子的多少有一定關(guān)系。

2　設(shè)計(jì)思路

對(duì)兩塊絕緣平行板加以頻率很低的脈沖電壓（因?yàn)槿绻蛔冸妶?chǎng)的頻率足夠低，取向極化能跟得上外加電場(chǎng)的變化，這時(shí)電介質(zhì)的極化過(guò)程與靜電場(chǎng)作用下的極化過(guò)程沒(méi)有多大的區(qū)別），使兩極板帶有相同數(shù)量的相反電荷。把每個(gè)極板上的電荷叫作表面電荷密度叫作（即由除以平板表面即所得）。把由該電荷激發(fā)的電場(chǎng)稱作當(dāng)進(jìn)行水份測(cè)量時(shí)，被測(cè)原油在電場(chǎng)中的部分激發(fā)出兩層極化電荷。把這些極化電荷用表示。極化電荷“自己”也激發(fā)電場(chǎng)此電場(chǎng)方向與原電場(chǎng)方向相反。如圖1所示。所以，凈電場(chǎng)為

因此從數(shù)量上看，E比?。措妶?chǎng)變?nèi)趿耍?，?/p>

圖1　水份測(cè)量時(shí)電場(chǎng)示意圖Fig.1 The electric field of moisture measurement

由此可知，當(dāng)加在兩平行極板間的電壓V不變時(shí)（一般，V等于極板內(nèi)的全電場(chǎng)E乘以極板間距離d），鋁板間的全電場(chǎng)E不會(huì)變化，因此，Qiree和Eiree必定會(huì)上升。從而可知，極化電荷又與鋁板上的自由電荷存在一定關(guān)系。至此，確定原油中水分的含量與鋁板上的部分電荷也存在一定比例關(guān)系。

電荷轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)：從以上的分析看出，電場(chǎng)中原油的含水量的變化會(huì)引起極板上部分自由電荷的變化。由于極板間加的是脈沖電壓，很難通過(guò)直接的方法對(duì)這部分自由電荷進(jìn)行測(cè)量，所以引進(jìn)了電荷泵的原理。通過(guò)電荷泵我們將自由電荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移測(cè)量，這樣既可以精準(zhǔn)測(cè)量電荷的數(shù)量，又降低了測(cè)量電荷對(duì)極板電場(chǎng)的影響。

電荷泵的基本原理是利用電容對(duì)電荷的積累效應(yīng)。被測(cè)電荷經(jīng)二極管輸入到電容的A端，被電容存儲(chǔ)起來(lái)。二極管的作用是防止輸入電荷消失后，存儲(chǔ)在電容上的電荷經(jīng)輸入端跑掉。電荷經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的積累，在電容A和B兩端會(huì)產(chǎn)生一定壓差，這個(gè)壓差就是我們要測(cè)量的信號(hào)。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：傳感器部分采用圓筒形結(jié)構(gòu)，傳感器外面均用絕緣材料固定并與石油管道連接。傳感器內(nèi)部陰極和陽(yáng)極均涂敷了絕緣層擴(kuò)展傳感器的量程，使傳感器可以檢測(cè)0%～100%的含水率。

電路設(shè)計(jì)：硬件電路主要由控制電路和測(cè)量電路兩部分組成?？刂齐娐酚蓡纹瑱C(jī)構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)采集到數(shù)據(jù)的處理和控制信號(hào)的產(chǎn)生。測(cè)量電路是硬件電路設(shè)計(jì)的核心部分，主要由脈沖補(bǔ)償電路、積分放大電路、標(biāo)準(zhǔn)電容自校電路、電荷轉(zhuǎn)移電路和計(jì)數(shù)采樣電路等組成。

脈沖補(bǔ)償電路：就是用來(lái)產(chǎn)生本地電荷的，本地電荷應(yīng)該與極板電場(chǎng)自身產(chǎn)生的自由電荷相等，使本地電荷與電場(chǎng)電荷能夠相抵消，即在沒(méi)有進(jìn)行測(cè)量時(shí)，輸出的自由電荷為零，這樣經(jīng)過(guò)補(bǔ)償之后輸出的電荷就與石油在電場(chǎng)中的極化電荷相等。

積分放大電路：由于經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后輸出的自由電荷屬于微弱信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)放大處理后才能檢測(cè)，所以采用典型的積分放大電路，基本積分電路都存在如積分漂移、非線性誤差和泄漏現(xiàn)象，這些都會(huì)對(duì)測(cè)量精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。

標(biāo)準(zhǔn)電容自校電路：為了提高測(cè)量精度，盡量減小電阻漂移對(duì)測(cè)量造成的影響。選擇溫漂小的元器件外，標(biāo)準(zhǔn)電容選擇漏電流小、電容穩(wěn)定的獨(dú)石電容。在測(cè)量一段時(shí)間后，將測(cè)量電路轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)電容進(jìn)行自校，測(cè)出偏差后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。

電荷轉(zhuǎn)移電路：電荷轉(zhuǎn)移電路選用最基本的電荷泵電路，在電路中，為防止連續(xù)2次測(cè)量中電荷的殘留影響，加入了放電電路。當(dāng)1次測(cè)量完成后，加入控制信號(hào)使D1導(dǎo)通，對(duì)測(cè)量電容放電，并保持一段時(shí)間。在下次測(cè)量前，提前一段時(shí)間撤除控制信號(hào)，使電荷泵處于工作狀態(tài)。

計(jì)數(shù)采樣電路：計(jì)數(shù)采樣電路主要是用VFC32壓頻轉(zhuǎn)換器將電荷轉(zhuǎn)移成的電壓信號(hào)再轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以直接測(cè)量的頻率信號(hào)。

單片機(jī)程序設(shè)計(jì)：在該項(xiàng)目中，單片機(jī)選用的是AVR系列的ATmega64。在系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化處理，其中包括對(duì)I/O口的配置、串行口的配置、定時(shí)器的配置和PWM的控制。初始化完成后，系統(tǒng)首先進(jìn)行自校測(cè)量，防止溫度等環(huán)境因素的變化對(duì)積分電路造成影響。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，即可對(duì)原油進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)得的頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)修正函數(shù)修正成與水份相對(duì)應(yīng)，將修正后的結(jié)果通過(guò)485通信接口上傳到上位機(jī)。

3　誤差分析

電子學(xué)誤差包括探測(cè)器輸出脈沖的可能堆積（計(jì)數(shù)率過(guò)載）、探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間、放大器的穩(wěn)定性及頻率特性及噪聲等干擾。

溫差效應(yīng)誤差：溫度除了影響所有的電子學(xué)器件和探測(cè)器的性能外，更主要的是影響被測(cè)原油的密度。溫度升高，原油的密度下降，投射計(jì)數(shù)增加，在含水量不變的情況下，測(cè)量出的含水量下降。

4　數(shù)據(jù)分析

原油含水量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：在獲取大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，使用Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。從大量數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)，石油含水率與計(jì)數(shù)率之間的函數(shù)關(guān)系呈現(xiàn)很強(qiáng)的規(guī)律性。經(jīng)過(guò)嘗試，最終選擇了與多項(xiàng)式擬合稍差一些的對(duì)數(shù)函式擬合。在確定對(duì)數(shù)擬合后，又對(duì)各種對(duì)數(shù)函式擬合結(jié)果進(jìn)行比較，最后確定擬合函式為:

從對(duì)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的分析中，得出結(jié)論：石油中水分的含量與其在電場(chǎng)下產(chǎn)生的極化電荷呈對(duì)數(shù)關(guān)系。而且大量的數(shù)據(jù)表明，擬合函式中的參數(shù)b在-4左右。由于試驗(yàn)條件的限制，無(wú)法確定參數(shù)a和c與定量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但目前數(shù)據(jù)表明，這兩個(gè)參數(shù)也只在固定范圍內(nèi)變化。

電荷脈沖分析法與DTS石油含水電脫分析儀對(duì)比測(cè)試結(jié)果如表1。

對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，并計(jì)算測(cè)量值與實(shí)際值之間的偏差，得到表1所示的數(shù)據(jù)。從整體來(lái)看，測(cè)量偏差范圍在1.12%以內(nèi)。這表明使用電荷脈沖分析法的水份測(cè)量?jī)x用于原油含水率的在線測(cè)量是完全可行的。

表1　對(duì)比測(cè)試Tab.1 Comparison test

5　結(jié)語(yǔ)

電荷脈沖分析法石油水份在線測(cè)量?jī)x的樣機(jī)經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)考核，及對(duì)比DTS石油含水電脫分析儀實(shí)際測(cè)量情況來(lái)看，其性能指標(biāo)已達(dá)到預(yù)期要求，擁有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。

The new test method on on-line monitoring of crude oil moisture

ZHUHao，YUGe，ZHANGZhi-guo
（DaqingBranch ofHeilongjiangAcademyofSciences，Daqing163319，China）

The current methods of measuring the moisture content of the crude oil mainly include ray method，shortwave absorption，microwave，capacitive method，radio frequency and infrared spectroscopy method，and the Karl Fischer method is used to measure moisture content in oil.Through a comprehensive analysis of existing moisture measuring technology，microwave method，capacitors，RF wears were integrated，adding pulse compensation circuit，integrating amplifier，etc.，using an electric pulse analysis on-line measurement of oil moisture，so that the stability and accuracy of the measurements obtained was greatly improved.Sensor uses a cylindrical structure，so that the measuring water meter was easily used on the operator，greater use and measurement range，flexibilityand reliabilityhave alsobeen strengthened.

Crude moisture；Charge transfer pulse method；Charge pump；Integral amplifier

TE311

A

1674-8646（2015）04-0026-03