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

(西安石油大學機械工程學院)

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

(西安石油大學機械工程學院)

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的影響規律。結果表明：隨著溫度的升高，呈乳化狀態的油水混合物介電常數減小，導致出現含水率測量值低于實際值的現象，嚴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 檢測精度

目前，我國大部分油田已經進入高含水時期，部分油田已經進入特高含水時期，導致油田采出原油中含水率較高，因此含水率的檢測至關重要[1～4]。然而現有含水率傳感器測量范圍有限，易受油水形態等因素的影響[5～8]，在高含水情況下，不能滿足油田現場的實際需要。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差異大的特點來實現含水率檢測的。然而溫度對油水混合物的介電常數影響較大，現有的研究結果已經揭示了溫度對純水介電常數的影響規律，而溫度對于呈乳化狀態的油水混合物介電常數的影響規律還有待研究。在高含水情況下，水為連續相，油水混合物呈乳化狀態，當介質溫度升高時，油和水的介電常數變化存在差異，會產生“油多水少”的假象，造成含水率測量值偏離實際值的現象。

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氫化合物組成的結構復雜的混合物，在常溫常壓下，原油介電常數為2.3左右，水的介電常數是80，兩者相差很大。忽略原油中的雜質，含水原油可近似看成純油和純水兩種介質的混合。不同含水率的原油相當于不同介電常數的介質，而微波在不同介質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，將探頭插入介質中，設法測得微波信號相位的變化量，通過標定就可以得到原油的含水率。原油中含水量不同，介電常數不同，這樣就可以把介電常數的變化轉換為含水率的變化[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換裝置，可將直流電能轉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，經過IQ解調器，再經過濾波放大器后，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，通過油水混合介質后，微波信號的頻率和相位會由于油水混合物介電常數的不同而發生變化，然后經過放大器、IQ解調器和濾波放大器處理；最后兩路信號經過ADC轉換送往微處理器，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)通過導電介質后的微波信號為：

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)，通過導電介質后的微波信號Ex=E0cos(ωt-kz)，該信號經過IQ解調后輸出直流電壓信號，如圖2所示。

圖2 IQ解調器原理

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；可以實現無損和非接觸測量，可以實現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差異大的原理來實現含水率測量的，而溫度會對油水混合物的介電常數產生較大影響，因此要利用該方法實現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的影響規律和溫度引起微波傳感器所測含水率變化的原因。

3 含水率的測量與結果分析

3.1 試驗方案

試驗需準備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裝置來發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%各區間內分別取一組含水率數值進行試驗，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油對含水率進行調整，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，將溫度調至下一試驗溫度，待溫度穩定后，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，待數據穩定后記錄含水率值；

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

3.3 試驗結果分析

不同初始原油含水率下的4組試驗數據如圖4所示。可見，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系基本滿足線性變化規律(擬合直線的相關系數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系

介電常數是用來衡量介質中的電荷在外加磁場作用下發生極化后分布情況的一個常量[12,13]。介質在電場作用下極化能力愈強，其介電常數愈大。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，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，因此介電常數減小。

同時，按照經典電動力學克勞修斯-莫索提方程，宏觀意義上的分子極化強度為：

(1)

式中N——單位體積內分子的平均數。

對于極性分子則有：

(2)

式中K——玻爾茲曼常數；

P0——分子電偶極矩；

T——溫度；

γ感生——電子的位移效應，與溫度無關。

由式(1)、(2)可得：

(3)

(4)

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

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

4 結束語

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。結果表明，溫度的升高會導致油水混合物中水的介電常數減小，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低于實際值，嚴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

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

董鵬敏(1961-)，教授，從事石油裝備設計制造與檢測技術的研究。

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

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1000-3932(2017)06-0568-05

2017-01-19)