剪切條件下油水乳狀液含水率測量裝置的設(shè)計

青美伊　梁華慶　袁月

摘要：針對傳統(tǒng)油水乳狀液含水率測量裝置的準(zhǔn)確性低、成本高、無法實現(xiàn)動態(tài)測量的問題，設(shè)計一種剪切條件下乳狀液含水率的測量裝置。系統(tǒng)利用油水兩相的介電及電導(dǎo)特性的差異性，采用交流阻抗法測量待測乳狀液的復(fù)阻抗參數(shù)，從而獲得乳狀液的含水率特征。結(jié)合攪拌裝置模擬油水乳狀液在運輸環(huán)境下的剪切環(huán)境，間接實現(xiàn)油水乳狀液的動態(tài)測量。實驗測試表明：裝置具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，可實現(xiàn)剪切條件下對乳狀液復(fù)阻抗參數(shù)的測量，證明乳狀液的阻抗參數(shù)與含水率存在明顯的線性關(guān)系，對進一步研究管道中油水兩相的流動性質(zhì)具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：含水率;油水乳狀液;復(fù)阻抗;剪切條件

中圖分類號：TH89 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）01-0099-08

0 引言

在油田開采工程中，油水混合物在集輸過程中會形成具有一定穩(wěn)定性的乳狀液，很大程度上改變了油水兩相混合物的黏度以及乳化含水率，極大地影響了油水兩相流動特性[1-5]。因此，乳狀液含水率的測量對石油工業(yè)的開采、集輸和煉制過程具有重要的意義。

傳統(tǒng)的含水率測量方法如蒸餾法和卡爾·費休法屬于人工化驗的檢測方法，其準(zhǔn)確性較高，但只能在實驗室內(nèi)進行，無法進行野外實時測量;射線法、微波法和短波吸收法利用油水兩相的吸收系數(shù)不同，實現(xiàn)了精度較高的在線測量，但技術(shù)成本較高，難以維護;電容法基于油水兩相介電常數(shù)不同的原理對含水率進行測量，該方法易于實現(xiàn)、成本低廉，但是其測量范圍較小，難以推廣。在實際生產(chǎn)中，原油乳狀液在靜止一段時間后會出現(xiàn)分層、絮凝、聚并等現(xiàn)象[6]，傳統(tǒng)測量方法只能基于靜止條件下對混合液的油水兩相含水率進行判定，與實際工況不符，不具有適用性[7-11]。目前，并沒有較為成熟的理論和技術(shù)可對動態(tài)條件下油水混合液的乳化含水率進行合理的測試和表征。

乳狀液的阻抗信息中，包含了其介電以及電導(dǎo)率等相關(guān)電學(xué)特征，在一定程度上反映了體系的含水率信息，因此乳狀液阻抗信息的獲取對探究油水兩相混合流動形態(tài)的探究具有重要的意義。為實現(xiàn)油水乳狀液含水率的動態(tài)測量，本文設(shè)計并開發(fā)了一種能夠?qū)τ退旌弦簩嶋H運輸過程進行模擬的動態(tài)阻抗測量裝置，結(jié)合攪拌裝置模擬了運輸條件下的動態(tài)剪切環(huán)境，同時利用交流阻抗技術(shù)獲取油水乳狀液的復(fù)阻抗信息，分析其乳狀液的含水率特征。系統(tǒng)成本低，易于維護，且避免了靜態(tài)測量中由于油水乳狀液分層現(xiàn)象所導(dǎo)致的測量誤差。

1 總體設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)

常溫下，原油的相對介電常數(shù)為2.0～2.7，但純水的相對介電常數(shù)為80，油水兩相的介電常數(shù)具有明顯差異，因此相含率的變化會直接導(dǎo)致乳狀液體系的容性發(fā)生變化。類似地，原油的電導(dǎo)率近似為零，而水的導(dǎo)電性質(zhì)較強，其體系的阻性會因為相含率的變化產(chǎn)生明顯的差異。對于介質(zhì)而言，其容性和阻性特征往往會反映在其復(fù)阻抗參數(shù)中;因此，不同含水率的乳狀液體系也會具有明顯不同的復(fù)阻抗特性。所以對乳狀液中復(fù)阻抗值及相關(guān)電參數(shù)進行測量有助于進一步探究兩相流的含水率特征。

為了實現(xiàn)對乳狀液樣品進行剪切條件下復(fù)阻抗值的測量，本文設(shè)計的測量裝置主要由樣品池、PSM1700頻率響應(yīng)分析儀、攪拌系統(tǒng)、恒溫水浴系統(tǒng)構(gòu)成，其裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，樣品槽為雙半圓柱面電極的非金屬攪拌槽，通過導(dǎo)線將電極與PSM1700幅頻特性儀測量電路相連接，實現(xiàn)樣品的復(fù)阻抗值測量。攪拌器與攪拌槳、數(shù)字轉(zhuǎn)速器、數(shù)字扭矩儀共同構(gòu)成攪拌系統(tǒng)，為裝置構(gòu)建不同轉(zhuǎn)速條件的剪切場。由HAAKEAC200水浴控制系統(tǒng)為實驗裝置提供恒溫的水浴環(huán)境，避免在測量過程中，出現(xiàn)由溫度造成的測量誤差。

2 樣品槽的設(shè)計與制作

在實際測量中，樣品槽及測量極板的形狀和尺寸都在很大程度上對測量值的大小及測量裝置的準(zhǔn)確性造成影響，所以對樣品槽的設(shè)計是整體設(shè)計中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

2.1 樣品槽形狀設(shè)計

對樣品進行復(fù)阻抗值的測量，實際上是對電導(dǎo)和電容值進行測量，所以本文采用雙電極板作為測量電極。較為常見的測量極板為平行極板和雙圓柱電極板[12-14]。但實際上這兩種樣品槽電容很難達到理想化的條件，平行極板長度不會無限長，同時兩極板之間距離也不會無限小，因此會造成較大的邊緣效應(yīng)。雙圓柱形樣品槽的長度也不會達到無限長，但其徑向上電力線完全封閉，其邊緣效應(yīng)與平行極板相比較小一些。

本實驗中具有漩渦剪切場，若采用矩形樣品槽，攪拌過程中會導(dǎo)致流體在邊角處形成滯留，從而無法使樣品得到充分?jǐn)嚢瑁绊懡Y(jié)論的準(zhǔn)確性;同時，在實際應(yīng)用中也較難實現(xiàn)雙圓柱面樣品槽的攪拌條件。綜合考慮，本文采用雙半圓柱面電極板作為樣品槽的測量極板，其極板俯視圖和樣品槽如圖2所示。

這種結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)，能滿足本實驗中的攪拌條件，同時也能最大程度減小邊緣效應(yīng)。

2.2 樣品槽尺寸設(shè)計

樣品槽的尺寸對攪拌時液體形變具有重要影響，當(dāng)樣品槽內(nèi)徑過小，攪拌所形成的漩渦較大，實驗造成的誤差也較大;若內(nèi)徑過大，則無法達到充分?jǐn)嚢璧哪康?。所以在對樣品槽的尺寸進行設(shè)計時，既要保證使乳狀液得到充分?jǐn)嚢?，也要在一定程度上保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

為了滿足實驗的攪拌條件，采用如表1所示的兩種樣品槽進行尺寸的篩選和設(shè)計。

兩樣品攪拌槽均由非金屬材料制作，內(nèi)側(cè)均置有尺寸為163mm×130mm×0.5mm的雙半圓柱面紫銅電極，其實物如圖3所示。

經(jīng)理論分析，實驗中由攪拌形成漩渦所引起的流體形變是主要的誤差來源。所以主要對純物質(zhì)（純水、純油）在不同轉(zhuǎn)速下所引起的測量變化作為依據(jù)對樣品槽進行篩選。實驗中，分別將純水、純油樣品裝入1^#槽（150mL）和2呀曹（750mL）中，對樣品進行不同強度的攪拌（200，300，400r/min）并對其電阻和電容值進行測量，實驗結(jié)果如圖4所示。

由圖可知，當(dāng)實驗樣品為純油時，其攪拌轉(zhuǎn)速不會對實驗結(jié)果造成明顯影響，而純水樣品則在不同轉(zhuǎn)速下表現(xiàn)出了一定的差異性?？梢酝浦?，當(dāng)實驗樣品為乳狀液時，攪拌所引起的流體形變會在一定程度上對其電學(xué)參數(shù)造成一定的誤差。

本文采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)對數(shù)據(jù)差異性進行判定，通過計算可得，1^#槽的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)約為0.037，2^#槽的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)為0.013，可知2^#槽所受到攪拌的影響較小，其測量結(jié)果更具有準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3 乳狀液復(fù)阻抗測量儀的研制

3.1 攪拌系統(tǒng)的設(shè)計與改進

攪拌系統(tǒng)主要由攪拌槳、IKA MR-D攪拌器、RE162C數(shù)字轉(zhuǎn)速器、D1-S1數(shù)字扭矩儀構(gòu)成，其中攪拌器和攪拌槳構(gòu)成系統(tǒng)的動力部分，通過數(shù)字轉(zhuǎn)速器對轉(zhuǎn)速進行控制和調(diào)節(jié)，最高可達1600r/min，數(shù)字扭矩儀可對乳狀液的黏度等相關(guān)特性進行探究。

1）攪拌槳材料設(shè)計

由于實驗中需要對樣品的電學(xué)特性進行測量，攪拌槳的材質(zhì)會在較大程度上對電參數(shù)值造成影響，因此需要對攪拌槳的材料進行篩選和分析，開展非金屬槳和金屬槳的區(qū)別實驗。

實驗采用純水和塔里木原油作為實驗樣品，分別使用非金屬槳1^#和金屬槳2^#對樣品進行不同轉(zhuǎn)速的攪拌，通過電參數(shù)的變化分析兩種材料對實驗結(jié)果的影響。一般情況下，實驗中的純水為阻性物質(zhì)，純油為容性物質(zhì)，因此使用電阻值表征純水樣品的電學(xué)性質(zhì)，使用電容表征純油樣品的電學(xué)性質(zhì)，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖中A，B點是分別放入1^#、2^#槳的時刻，由圖可知，當(dāng)實驗樣品為原油物質(zhì)時，其加入金屬槳、非金屬槳對所測量電參數(shù)值均無較大影響。而將純水作為實驗樣品時，金屬材料的攪拌槳對測量結(jié)果的影響要遠大于非金屬塑料槳，說明金屬材質(zhì)的攪拌槳對在一定程度上造成實驗誤差，因此采用非金屬樹脂材料來制作攪拌槳。

考慮攪拌作用會對攪拌槳桿產(chǎn)生一定扭矩，當(dāng)轉(zhuǎn)速過大時，非金屬槳桿會發(fā)生一定程度的變形，所以實驗采用金屬材料作為攪拌桿，并定制相匹配的樹脂封套，避免金屬材質(zhì)對樣品電參數(shù)測量產(chǎn)生影響。

2）攪拌槳形狀設(shè)計

渦輪式、框式和錨式攪拌槳適用于粘度較高的液體，但是框式和錨式制作工藝簡單，更易實現(xiàn)，所以本實驗中暫時將攪拌槳的形狀設(shè)計為類似于框式和錨式的平葉式。同時，在本實驗中為了能夠?qū)悠愤M行充分?jǐn)嚢?，設(shè)計攪拌槳尺寸為70mm×70mm×5mm。

在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速過大時，平葉式攪拌槳會使樣品形成較大的漩渦流場，極大影響了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了減小由于攪拌所導(dǎo)致的漩渦流場，考慮在攪拌槳上均勻分布6個直徑均為15mm的過流孔，從而減小攪拌阻力。最終攪拌槳的形狀設(shè)計如圖6所示。

經(jīng)實驗驗證，改良后的槳桿在攪拌時產(chǎn)生的阻力更小，能夠盡量減小攪拌所引起的流體形變。

3.2 測量電路的構(gòu)建

本文中所使用的測量設(shè)備為PSM 1700頻率響應(yīng)分析儀，這種儀器具有兩個測量通道，能夠?qū)Ω魍ǖ离妷阂约皟赏ǖ乐g的相角差進行高精度的測量。利用所測量的電壓和相位差等基本的數(shù)據(jù)，搭建電路對樣品復(fù)阻抗數(shù)據(jù)進行計算。

具體電路如圖7所示。

信號端輸出電壓幅度為2V，信號頻率范圍為50Hz～1MHz的掃頻電壓信號V_out，通道1測量整體電路的電壓V₁及相關(guān)參數(shù)，通道2測量樣品槽兩端的電壓V₂及相關(guān)參數(shù)，并得出兩通道相位差φ，根據(jù)公式計算出各頻率下樣品的阻抗：

通過樣品的阻抗值以及相位差，可以獲取乳狀液復(fù)阻抗的實部、虛部等信息：

Z'（f）=Z（f）×cosφ

Z''（f）=Z（f）×sinφ（2）其中Z'（f）為樣品復(fù)阻抗的實部值，Z"（f）為樣品復(fù)阻抗的虛部值，兩者都是關(guān)于頻率的函數(shù)。

3.3 恒溫水浴系統(tǒng)

溫度的變化會極大的影響樣品溶液物性和電性參數(shù)。經(jīng)測量，本實驗中環(huán)境溫度變化±10℃會導(dǎo)致樣品溶液的阻抗值發(fā)生±1kΩ的變化。因此，為了避免溫度的不穩(wěn)定對實驗數(shù)據(jù)造成影響，設(shè)計了恒溫水浴系統(tǒng)對樣品槽進行溫度控制，保持實驗進程中溫度條件的穩(wěn)定。

如圖8所示，該循環(huán)水浴槽的中間部分為樣品槽，以便用于樣品的放置和攪拌，樣品槽周圍為45mm厚度的循環(huán)水浴槽，利用對水溫的控制保證實驗溫度的穩(wěn)定和控制。

通過HAAKE AC200水浴控制系統(tǒng)對循環(huán)水浴槽的水溫進行控制，從而保證在整個實驗過程中，樣品阻抗不會受到外界溫度變化的影響。

4 實驗驗證

為了驗證所設(shè)計的測量裝置具有一定的適用性，本文開展一系列實驗對裝置的重復(fù)性和穩(wěn)定性進行檢驗。

4.1 重復(fù)性檢驗

在相同的實驗條件下對阻抗進行重復(fù)測量，若實驗數(shù)據(jù)具有一致性，則可驗證該裝置的測量具有良好的重復(fù)性。

本文采用蒸餾水、塔里木原油以及0.6含水率的油水乳狀液作為實驗樣品，分兩次對不同樣品在靜止（轉(zhuǎn)速0r/min）和攪拌（轉(zhuǎn)速500r/min）的條件下進行阻抗值的測量，將數(shù)據(jù)進行對比和分析。具體實驗結(jié)果如圖9所示。

從圖中可以看出，在靜止（轉(zhuǎn)速0r/min）和攪拌（轉(zhuǎn)速500r/min）兩種狀態(tài)下，純水、純油以及含水率為0.6的油水乳狀液在兩次測量中阻抗數(shù)據(jù)極為相近，利用origin軟件分別同物質(zhì)同轉(zhuǎn)速下兩次所測量的阻抗數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析，得到各條件下兩組數(shù)據(jù)之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)均大于0.999，證明數(shù)據(jù)具有較高的重復(fù)性，滿足實驗要求。

4.2 穩(wěn)定性驗證

[5]苗杰，龍軍，任強，等.瀝青質(zhì)對原油乳狀液的影響研究進展[J].石油化工，2017，46（10）：1337-1342.

[6]SJOBLOM J.Emulsions-A fundamental and practicalapproach[M].Norway：Springer Netherlands，1992：1-24.

[7]ASLAM M Z，TANG T B.A high resolution capacitivesensing system for the measurement of water content in crudeoil[J].Sensors，2014，14：11351-11361.

[8]BORGES G R.Use of near infrared for evaluation of dropletsize distribution and water content in water-in-crude oilemulsions in pressurized pipeline[J].Fuel，2015，147：43-52.

[9]LU Z Q，YANG X，ZHAO K.Non-contact measurement ofthe water content in crude oil with all-optical detection[J].Energy Fuels，2015，29：2919-2922.

[10]SONG Y.Simultaneous characterization of water content anddistribution in high-water-cut crude oil[J].Energy Fuels，2016，30：3929-3933.

[11]高曉丁，高鵬，王旭.基于多極板電容傳感器測量原油含水率的研究[J].中國測試，2008，34（2）：6-8.

[12]李清玲，彭軍，唐德東，等.原油含水率測量技術(shù)綜述[J].重慶利.技學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，16（5）：89-92.

[13]梁燦彬，秦廣戎，梁竹建.電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1988：3-9，133-137.

[14]陳鴻，來躍深，全毅杰，等.原油含水率指數(shù)對數(shù)電容檢測模型及誤差分析[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，37（12）：870-875.