含水率分析儀礦化度自動標定系統(tǒng)設計

孟 敏，李自成，袁 園，王澤來

（1.江蘇麥赫物聯(lián)網科技有限公司，無錫 214063；2.武漢工程大學 電氣信息學院，武漢 430205；3.大慶油田設計院，大慶 163114）

原油含水量是石油化工行業(yè)一個重要的參數，在原油開采、脫水、處理、集輸計量、儲運銷售及石油煉制等過程中受到普遍關注。其中原油含水率的實時連續(xù)測量對油田開發(fā)越來越重要，在優(yōu)化油田生產計劃、降低生產成本、提高生產效率及延長油田開發(fā)壽命等方面有著重要意義。實時準確測量各個層段油井的含水率，對不同礦化度自動標定、減少人力成本、精確測量結果、提高油田開采效率，且對油田開發(fā)有著重要的意義。目前國內原油含水率檢測的常用方法包括電容法[1]、介電常數法[2]、電導法[3-5]、同軸相位法[6]、射頻法[7]、取樣式電容液位法[8]以及BP神經網絡在含水測量中的應用[9]等。不管采用什么辦法，由于原油中礦物的存在，會對含水率測量結果有很大的影響[10]。當溫度條件發(fā)生變化，部分礦物電導率也會發(fā)生大幅度變化，導致測量結果不準確。對于油水混合物來說，礦物質一般溶解于水中，因此高含水的原油更容易受礦化度的影響。在含水率分析儀的研制過程中，通過對各種礦化度、各種溫度條件下的水介質的標定，是一種常用的補償礦化度影響的手段。本文提出一種含水率分析儀礦化度自動標定系統(tǒng)，對原油中礦物的影響進行抑制，適用于全范圍尤其是高含水率的原油含水率測量，降低原油中礦物對含水率檢測結果的影響，對于提高檢測精度，校正檢測誤差具有重要的意義以及較好的發(fā)展前景。

1 總體設計方案

1.1 含水率檢測系統(tǒng)設計

在電場研究中，遵循Maxwell 理論可知，油水混合物在交變電場作用下，其內部形成的電流與原油介質的介電常數、電導率有著單調變化關系，因此可以將介電常數和電導率稱之為混合液的電學特性。對于目前常見的電導率法或者電容法來說，都是通過這樣或者類似的原理來實現含水率檢測的。

如圖1所示，電容法測量含水率，一般采用同軸環(huán)形電容，使被測介質從環(huán)形空間流過。

圖1 電容法測量含水率Fig.1 Measurement of water content by capacitance method

內外電極之間，等效電路如圖2所示。

圖2 電容法等效電路Fig.2 Equivalent circuit of capacitance method

其中Cx是內外電極之間的電容值，跟內外電極之間的距離、面積以及介質介電常數有關。Rx跟介質的電導率有關。輸入輸出的等效阻抗公式為

當被測介質含水率低時，Rx值很大，系統(tǒng)等效阻抗主要取決于Cx。如果含水率高，Rx值很小，電導率1/Rx值很大，等效阻抗主要取決于電導率。如圖3所示，一般來說，原油的礦化度高，電導率也高，因此用電容法測含水率，受介質礦化度高低的影響，尤其是高含水范圍內，受礦化度影響非常大。

圖3 礦化度和電導率的對應關系Fig.3 Relationship between salinity and electrical conductivity

含水率分析儀在研發(fā)和生產過程中，為了減少礦化度對含水率檢測的影響，需要在不同礦化度和溫度的條件下進行礦化度的標定。由于礦化度變化范圍大，如果采用人工配置礦化度的方法標定，工作量非常大。因此有必要建立一個礦化度自動標定系統(tǒng)，對被標定儀器進行不同礦化度和溫度環(huán)境下的自動標定。系統(tǒng)整體框圖如圖4所示。

圖4 含水率檢測控制系統(tǒng)Fig.4 Moisture content detection and control system

上位機處理系統(tǒng)利用標定軟件，通過RS485 通訊口接收含水率儀實時檢測的數據，控制溫控器以及泵控制器切換不同的標定環(huán)境。

1.2 礦化度自動標定系統(tǒng)設計

礦化度是指水中含鈉、鈣、鎂、鋁和錳等金屬的碳酸鹽、氯化物以及各種鈉鹽等的總和。研究表明原油中礦物質會使原油具有較高的電導率，為了消除礦化度的影響，傳統(tǒng)方法是在儀器生產過程中進行不同溫度條件下，不同礦化度的標定，一方面檢測儀器性能，一方面補償礦化度的影響，提高含水率分析儀的精度。

一般來說，原油的礦化度從5000 mg/L 到250000 mg/L 不等，而且溫度越高對含水率檢測的影響也越大，如果對每種不同的溫度和礦化度條件都進行標定，工作量巨大，而且會造成標定液浪費。

針對以上情況，本文設計含水率分析儀礦化度自動標定系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 含水率分析儀礦化度自動標定系統(tǒng)結構框圖Fig.5 Structure block diagram of automatic salinity calibration system for moisture content analyzer

步驟1啟動溫控器，將水浴恒溫槽內水溫加熱到第一個設定溫度，并恒溫；

步驟2啟動第一個標定液儲存罐的泵控制器，控制其對應的雙向蠕動泵正轉，將標定液抽取到標定筒；

步驟3計算機與含水率分析儀通訊，讀取該溫度以及該礦化度條件下的各項數據，并記錄顯示；

步驟4該項標定結束后，計算機啟動泵控制器，控制雙向蠕動泵反轉，將標定筒內的標定液抽取到標定液儲存罐；

步驟5計算機啟動下一個標定液的標定，重復步驟2至步驟4；

步驟6完成全部標定液儲存罐標定液的標定后，設置溫控器進入下一個恒溫點，并重復進行步驟2至步驟5的過程；

步驟7完成全部溫度點的標定后，形成標定數據報表，取下所標定的含水率分析儀，待降溫后進行下一臺儀器的標定。

2 實驗結果

自動標定過程完成后，需要進行數據分析工作和標定圖版生成輸入工作，最終達到盡量消除礦化度溫度對含水率檢測影響的目的。

2.1 標定數據分析

一般來說，自動標定系統(tǒng)需要完成在不同礦化度和溫度條件下的標定，得到在這些條件下的實測含水率，根據實際值和實測值之間的誤差，通過數據分析來解決以下幾個問題：

2.1.1 判斷被標定儀器是否工作正常

礦化度對含水率儀有一定的影響，但是也應該是在一定范圍內。如果在標定過程中，儀器數據超出了正常范圍，可以分析判斷儀器是否出現了故障導致工作不正常。

2.1.2 判斷儀器是否達到最優(yōu)狀態(tài)

通過標定數據的分析，不僅可以判斷儀器是否滿足一般測量要求，還可以進一步的分析判斷是否還有提升空間，是否能進一步提高測量精度和穩(wěn)定性。通過調整后，使儀器達到更理想的狀態(tài)。

2.1.3 通過大量實驗數據建立數學模型

礦化度和溫度對含水率測量的影響，涉及的因素很多，通過一個簡單的計算公式來實現不太現實。如果獲取了大量的實驗數據，通過機器學習的方式，能夠建立起比較合適的數據模型。

2.2 生成標定圖版

通過自動標定裝置得到的實測數據，肯定是與實際值有一定誤差的數據。譬如礦化度為0的純水，測量值應該是100%，但是含有一定礦化度的水，測量值根據不同儀器有不同的測量值。如圖6所示，是一臺含水率分析儀在20～50℃不同的溫度條件下，礦化度從10000 mg/L 到110000 mg/L 標定點的實測數據。可以看出，溫度越高，實測含水率越低，同時礦化度越高，實測含水率也偏低。

圖6 礦化度溫度標定圖版Fig.6 Salinity and temperature calibration diagram

得到這個標定圖版后，把對應的設置值下載到含水率分析儀內，可以實現含水率分析儀的自動補償修正，達到不同礦化度和溫度條件下的自動檢測。

3 結語

本文依據礦化度在含水率檢測方法中的影響，設計了上述含水率分析礦化度自動標定系統(tǒng)。解決了礦化度對于原油電導率的影響，能夠自動進行不同溫度不同礦化度條件下的自動標定，大大降低成本，節(jié)約標定時間，降低勞動強度。實驗結果表明，本系統(tǒng)能夠較好的抑制礦化度的影響，適應我國大部分油田的生產狀況，有較好的發(fā)展前景。