溫度對高含水原油含水率傳感器檢測精度影響的試驗分析①

董鵬敏 李曉輝 田 寶 肖艷鵬

(西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院)

溫度對高含水原油含水率傳感器檢測精度影響的試驗分析①

董鵬敏 李曉輝 田 寶 肖艷鵬

(西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院)

介紹基于微波相移法的高含水原油含水率傳感器的工作原理及其特點。通過試驗分析了溫度對油水混合物介電常數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著溫度的升高，呈乳化狀態(tài)的油水混合物介電常數(shù)減小，導(dǎo)致出現(xiàn)含水率測量值低于實際值的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響傳感器的檢測精度。

含水率傳感器 高含水原油 溫度 介電常數(shù) 檢測精度

目前，我國大部分油田已經(jīng)進入高含水時期，部分油田已經(jīng)進入特高含水時期，導(dǎo)致油田采出原油中含水率較高，因此含水率的檢測至關(guān)重要[1～4]。然而現(xiàn)有含水率傳感器測量范圍有限，易受油水形態(tài)等因素的影響[5～8]，在高含水情況下，不能滿足油田現(xiàn)場的實際需要。而基于微波法的含水率傳感器很好地解決了高含水情況下原油含水率測量中存在的問題[1～3]。

高含水原油含水率傳感器是利用油水介電常數(shù)差異大的特點來實現(xiàn)含水率檢測的。然而溫度對油水混合物的介電常數(shù)影響較大，現(xiàn)有的研究結(jié)果已經(jīng)揭示了溫度對純水介電常數(shù)的影響規(guī)律，而溫度對于呈乳化狀態(tài)的油水混合物介電常數(shù)的影響規(guī)律還有待研究。在高含水情況下，水為連續(xù)相，油水混合物呈乳化狀態(tài)，當(dāng)介質(zhì)溫度升高時，油和水的介電常數(shù)變化存在差異，會產(chǎn)生“油多水少”的假象，造成含水率測量值偏離實際值的現(xiàn)象。

1 高含水原油含水率傳感器的工作原理

高含水原油含水率傳感器利用基于微波檢測的相移法進行測量，其工作原理[1,3,6]為：含水原油是由多種碳?xì)浠衔锝M成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的混合物，在常溫常壓下，原油介電常數(shù)為2.3左右，水的介電常數(shù)是80，兩者相差很大。忽略原油中的雜質(zhì)，含水原油可近似看成純油和純水兩種介質(zhì)的混合。不同含水率的原油相當(dāng)于不同介電常數(shù)的介質(zhì)，而微波在不同介質(zhì)中的傳輸相速是不同的。利用這一原理，給微波探頭加上一定幅度和頻率的微波信號，將探頭插入介質(zhì)中，設(shè)法測得微波信號相位的變化量，通過標(biāo)定就可以得到原油的含水率。原油中含水量不同，介電常數(shù)不同，這樣就可以把介電常數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為含水率的變化[9]。

微波含水率傳感器原理如圖1所示。振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將直流電能轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電能。定向耦合器將微波信號等分為兩路：一路直接將微波信號送往放大器，經(jīng)過IQ解調(diào)器，再經(jīng)過濾波放大器后，得到一組特定頻率和相位的微波信號；另一路信號被送往微波探頭，通過油水混合介質(zhì)后，微波信號的頻率和相位會由于油水混合物介電常數(shù)的不同而發(fā)生變化，然后經(jīng)過放大器、IQ解調(diào)器和濾波放大器處理；最后兩路信號經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換送往微處理器，微處理器對比兩路信號的相位變化，把相位的變化轉(zhuǎn)換為含水率的變化，然后通過接口電路連接到上位機，將含水率進行顯示。

圖1 微波含水率傳感器原理

激勵微波信號E=E0cos(ωt+φ0)通過導(dǎo)電介質(zhì)后的微波信號為：

Ex=E0cos(ωt-kz+φ0)

式中z——微波探頭的長度(固定值)；

φ0——激勵微波信號的初始值。

令φ0=0，則激勵信號E=E0cos(ωt)，通過導(dǎo)電介質(zhì)后的微波信號Ex=E0cos(ωt-kz)，該信號經(jīng)過IQ解調(diào)后輸出直流電壓信號，如圖2所示。

圖2 IQ解調(diào)器原理

2 基于微波檢測的相移法

基于微波檢測的相移法的特點是：微波具有較強的穿透性，不僅能檢測到油水混合物表面的水分，而且可以穿透油水混合物的表面而檢測到內(nèi)部的水分，可以很好地解決原油含水率檢測中“油包水”和“水包油”的問題；可以實現(xiàn)無損和非接觸測量，可以實現(xiàn)0%～100%的測量；功率低，安全可靠，微波傳播速度快，測量時間短[10,11]。

由于基于微波檢測的相移法是基于油水介電常數(shù)差異大的原理來實現(xiàn)含水率測量的，而溫度會對油水混合物的介電常數(shù)產(chǎn)生較大影響，因此要利用該方法實現(xiàn)對高含水原油含水率的精確測量，必須研究溫度對油水混合物介電常數(shù)的影響規(guī)律和溫度引起微波傳感器所測含水率變化的原因。

3 含水率的測量與結(jié)果分析

3.1 試驗方案

試驗需準(zhǔn)備500mL燒杯若干、電子溫度計、玻璃棒、膠頭滴管、電子秤、微波含水率傳感器、OP-10乳化劑、基礎(chǔ)油若干、蒸餾水和控溫裝置(恒溫水浴鍋)。具體的試驗方案如圖3所示。微波含水率傳感器用于檢測高含水原油含水率，電子溫度計用于檢測高含水原油溫度，油水混合物的溫度通過水溫控制面板來調(diào)整，控溫裝置采用恒溫水浴鍋，保證受熱均勻，上位機通過無線信號收發(fā)裝置來發(fā)送控制命令并接收含水率信息。

圖3 試驗方案

3.2 試驗步驟

一般高含水原油的含水率在60%～90%之間，特高含水原油的含水率在90%～100%之間。因此在含水率60%～70%、70%～80%、80%～90%、90%～100%各區(qū)間內(nèi)分別取一組含水率數(shù)值進行試驗，步驟如下：

a. 在常溫常壓條件下，在4個燒杯中分別加入一定量的蒸餾水和基礎(chǔ)油，同時加入乳化劑，用玻璃棒攪拌以保證油和水混合均勻，然后通過膠頭滴管加入蒸餾水或基礎(chǔ)油對含水率進行調(diào)整，將4組油水混合物的初始含水率分別控制在60%～70%、70%～80%、80%～90%、90%～100%；

b. 分別將4組燒杯放入恒溫水浴鍋中，打開恒溫水浴鍋，將溫度調(diào)至下一試驗溫度，待溫度穩(wěn)定后，測量并記錄油水混合物的溫度，用玻璃棒攪拌均勻后，迅速將微波含水率傳感器插入被測液體中進行測量，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄含水率值；

c. 取出含水率傳感器，重復(fù)步驟b，可以得到4組高含水原油含水率與溫度的關(guān)系。

3.3 試驗結(jié)果分析

不同初始原油含水率下的4組試驗數(shù)據(jù)如圖4所示?？梢?，在高含水情況下，高含水原油含水率傳感器測得的含水率和溫度的關(guān)系基本滿足線性變化規(guī)律(擬合直線的相關(guān)系數(shù)R2均在0.98以上)；隨著溫度的升高含水率呈遞減趨勢，并且遞減的趨勢幾乎一致(擬合直線的斜率均在-0.002左右)。

圖4 不同初始原油含水率下含水率與溫度的關(guān)系

介電常數(shù)是用來衡量介質(zhì)中的電荷在外加磁場作用下發(fā)生極化后分布情況的一個常量[12,13]。介質(zhì)在電場作用下極化能力愈強，其介電常數(shù)愈大。因為水分子是極性分子，電場中的極化形式是電子位移極化與分子取向極化的綜合效應(yīng)，并且以分子取向極化為主。由于溫度直接影響分子的熱擾動，加之分子的質(zhì)量比電子大，同時隨著溫度的升高，分子的無序性增加，使分子的取向困難，分子的極化能力減弱，因此介電常數(shù)減小。

同時，按照經(jīng)典電動力學(xué)克勞修斯-莫索提方程，宏觀意義上的分子極化強度為：

(1)

式中N——單位體積內(nèi)分子的平均數(shù)。

對于極性分子則有：

(2)

式中K——玻爾茲曼常數(shù)；

P0——分子電偶極矩；

T——溫度；

γ感生——電子的位移效應(yīng)，與溫度無關(guān)。

由式(1)、(2)可得：

(3)

(4)

由式(4)可知，當(dāng)X減小時，ε的值將減小，即隨著溫度的升高，水的介電常數(shù)將減小。

油在交變電場中只有位移電流，它不受溫度影響，即油的介電常數(shù)為常量[14]。隨著溫度的升高，水的介電常數(shù)會減小，油的介電常數(shù)基本保持不變，所以油水混合物的介電常數(shù)主要由水的介電常數(shù)決定。在高含水(水含量在60%以上)情況下，當(dāng)溫度升高時，水的介電常數(shù)會減小，導(dǎo)致油水混合物的介電常數(shù)減小。油的介電常數(shù)較小，水的介電常數(shù)較大，當(dāng)油水混合物介電常數(shù)減小時，會產(chǎn)生“油多水少”的假象，造成含水率的測量值低于實際值的現(xiàn)象，而且隨著溫度的升高，含水率的測量值會遠(yuǎn)低于實際值。

4 結(jié)束語

筆者研究了溫度對高含水原油含水率傳感器檢測精度的影響，并進行了試驗驗證。結(jié)果表明，溫度的升高會導(dǎo)致油水混合物中水的介電常數(shù)減小，造成“油多水少”的假象，從而造成基于微波法的高含水原油含水率傳感器測得的含水率值偏離實際值，而且隨著溫度的升高，含水率的測量值會遠(yuǎn)低于實際值，嚴(yán)重地影響高含水原油含水率傳感器的檢測精度。

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ExperimentalAnalysisofTemperatureInfluenceontheMoistureSensorAccuracyinDetectingCrudeOilwithHighWaterContent

DONG Peng-min, LI Xiao-hui,TIAN Bao, XIAO Yan-peng

(CollegeofMechanicalEngineering,Xi’anShiyouUniversity)

Both working principle and characteristics of the microwave phase-shift method-based moisture sensor which applied to detect the crude oil with high water content were introduced; and the experimental analy-

sis of the temperature influence on the dielectric constant of the oil-water mixture was implemented to show that, when the temperature increases, the dielectric constant of emulsified oil-water mixture becomes decreased to result in a phenomena of the measured value of water content lower than the actual value and the sensor’s detection accuracy is seriously influenced.

moisture content sensor, crude oil with high water content, temperature, dielectric constant, detection accuracy

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃——重大基礎(chǔ)研究項目(2016ZDJC-11)；西安石油大學(xué)碩士研究生創(chuàng)新基金項目(2015cx140430)。

董鵬敏(1961-)，教授，從事石油裝備設(shè)計制造與檢測技術(shù)的研究。

聯(lián)系人李曉輝(1991-)，碩士研究生，從事石油裝備設(shè)計制造與檢測技術(shù)的研究，1031364216@qq.com。

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1000-3932(2017)06-0568-05

2017-01-19)