低含水率原油乳狀液電導(dǎo)率的測量方法研究與應(yīng)用

李航

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

電導(dǎo)率是表征物質(zhì)傳送電流能力的物理量[1]，原油電導(dǎo)率是表征原油導(dǎo)電性的重要參數(shù)，它的大小直接影響原油電脫水過程中脫水電流的大小。由于脫水供電設(shè)備的輸出能力一定，脫水電流的大小會影響施加到介質(zhì)上的有效脫水電壓的大小。原油電脫水過程中進(jìn)入脫水電場的是低含水率原油乳狀液，準(zhǔn)確測量其電導(dǎo)率數(shù)值并根據(jù)測量結(jié)果對電脫水器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，可減少電脫水器垮電場次數(shù)，降低電脫水系統(tǒng)耗電量，增加系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性。由于不同含水率和化學(xué)成分的原油其電導(dǎo)率差別較大（10 pS/m～100 mS/m，約10 個(gè)數(shù)量級），給原油電導(dǎo)率的測量帶來較大難度。目前在用的工業(yè)電導(dǎo)率儀按其結(jié)構(gòu)分為有電極式和電磁感應(yīng)式兩大類[2]，只能對工業(yè)水、化學(xué)試劑、飲料等低黏度、高電導(dǎo)率樣品進(jìn)行測量，無法實(shí)現(xiàn)對低含水率原油等低電導(dǎo)率液體試樣進(jìn)行測量。

為此，設(shè)計(jì)了一種采用高壓電極對原油樣品施加高電壓，通過測量流過原油的微小電流對低含水率原油電導(dǎo)率測量的方法。

1 高壓電極法測試原理

電導(dǎo)率的測量方式通常有三種：超聲波電導(dǎo)率測量法、電極電導(dǎo)率測量法和電磁電導(dǎo)率測量法，后兩種測量方法應(yīng)用更為普遍[3]。電極法實(shí)現(xiàn)方便，其原理是利用電阻測量值推算電導(dǎo)率[4]。本文采用電極法測量原油樣品的電阻，通過測量施加在原油試樣上的電壓和流過試樣的電流，計(jì)算出試樣的電阻，進(jìn)而得到原油的電導(dǎo)率，是一種接觸式直接測量法。其測試原理如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of the test system

圖1 中，U0為高壓直流源，R0為限流電阻，Rx為待測原油試樣電阻，Ki為開關(guān)；Ui為輸入電壓；Uv為施加在電阻分壓器上的電壓；電阻分壓器用于測量試樣兩端的高壓，限流電阻主要防止高壓下試樣擊穿對測試系統(tǒng)造成損傷。通過測量施加在試樣上的電壓U0以及試樣流過的電流值Iv，按式（1）即可得出試樣的電導(dǎo)率：

式中：Rv為體積電阻，Ω·m；Iv為通過原油試樣的體積電流，A；ρv為原油試樣的體積電阻率，Ω·m；d為測試電極間的距離，m；S為電極的面積，m2；γ為原油試樣的電導(dǎo)率，S/m。

2 測試設(shè)備

2.1 測試儀

測試儀主要由主機(jī)箱和恒溫測試箱組成，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structure diagram of the test system

主機(jī)箱主要由單片機(jī)控制系統(tǒng)（MCU）、高壓供電裝置、量程轉(zhuǎn)換單元、信號放大及采集單元、信號顯示單元、限流單元和數(shù)據(jù)通信單元等構(gòu)成。其中高壓直流電源輸出電壓為0～5 kV，輸出穩(wěn)定度小于0.1%，時(shí)漂/溫漂小于0.05%；電流測試范圍為10 pA～100 mA，測試精度為10 pA；電導(dǎo)率測試范圍為10 pS/m～100 mS/m。主機(jī)箱內(nèi)硬件系統(tǒng)總體框圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)總體框圖Fig.3 Overall block diagram of the system

2.2 控制模塊

單片機(jī)系統(tǒng)為儀器控制系統(tǒng)的核心部件，主要用于自動升壓模塊、信號檢測模塊、數(shù)據(jù)輸入、輸出的控制，以及測試數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理工作。

（1）自動升壓模塊。自動升壓模塊由工頻220 V電源供電，通過整流、濾波后變成直流電，再經(jīng)逆變電路為交流電輸入（圖4）。

圖4 升壓模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure block diagram of the booster module

（2）信號檢測模塊。信號檢測模塊由直流電壓、電流測量及分壓器三部分組成（圖5）。

圖5 信號檢測模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structure block diagram of the signal detection module

由于最大直流高壓值可達(dá)5 kV，因此采用了變比為1 000∶1的電阻分壓器對試樣兩端電壓進(jìn)行測量，將分壓后的電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)字信號進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。

在與試樣上串聯(lián)的采樣電阻上提取電流信號后，進(jìn)行信號放大及A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)。

2.3 恒溫測試箱

恒溫測試箱由恒溫箱和測試電極組成。在實(shí)際測量過程中，溫度對測量結(jié)果有很大影響，被測樣品的電導(dǎo)率值隨溫度變化而變化[5]。當(dāng)溫度升高時(shí)，兩極板間離子定向運(yùn)動速度加快，電導(dǎo)率增大；反之，電導(dǎo)率減小[6]。生產(chǎn)現(xiàn)場的原油電脫水溫度一般為55 ℃，為準(zhǔn)確測量出原油在實(shí)際電脫水過程中的電導(dǎo)率，需要對被測樣品進(jìn)行溫度補(bǔ)償，為此，將電導(dǎo)率測試儀的測試電極杯放在恒溫箱中，模擬電脫水器運(yùn)行溫度，以最大程度接近生產(chǎn)現(xiàn)場電脫水器運(yùn)行溫度。

測量電導(dǎo)率的傳感器分為電感型傳感器[7]和電極型傳感器[8]，電極型傳感器體積小、測量準(zhǔn)確、集成方便[9]。使用兩個(gè)平行電極板測量液體電導(dǎo)率具有測量便捷、原理簡單易懂，容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[10]。

測試電極主要由電極板、可視杯體、電極底座和快插引線構(gòu)成（圖6）。測試電極為不銹鋼材質(zhì)，分為上、下電極平行布置，極板間距10～20 mm 可調(diào)；可視杯體為高硼硅玻璃材質(zhì)，盛裝試樣時(shí)可直接觀察試樣液面高度；電極底座為聚四氟乙烯材質(zhì)；高壓引線從主機(jī)箱引至上極板，信號引線從下極板引出。

圖6 測試電極結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of the test electrode

3 測試過程

恒溫箱接通電源后打開開關(guān)，按照所需要的測試溫度設(shè)置恒溫箱溫度值（圖7）。生產(chǎn)現(xiàn)場原油脫水溫度為55 ℃。將待測樣品倒入電極杯中（圖8），擰緊杯蓋后放入恒溫箱中，將高壓電極插入信號引線孔，關(guān)閉恒溫箱門。

圖7 恒溫箱溫度設(shè)定Fig.7 Thermostat temperature setting

圖8 高壓電極杯Fig.8 High voltage electrode cup

單片機(jī)接通電源后進(jìn)行初始化設(shè)置，完成初始化后可通過觸屏對極板間距、每檔電壓值以及每檔測試時(shí)間進(jìn)行設(shè)置（圖9）。設(shè)置完成并保存后，按下啟動鍵接通高壓電源，完成升壓后，高壓直流電源在單片機(jī)控制下通過引線對試樣施加高壓電，根據(jù)設(shè)置的電壓值和測試時(shí)間對試樣的電壓、電流采樣測量，根據(jù)測試值進(jìn)行曲線繪制，包括電流、電壓、伏安特性以及電阻率-電場強(qiáng)度曲線（圖10）。

圖9 主機(jī)箱設(shè)置界面Fig.9 Main box setting interface

圖10 主機(jī)箱顯示的電壓、電流伏安特性及電阻率-電場強(qiáng)度曲線Fig.10 Voltage，current volt-ampere characteristic and ρ-E curve displayed on the main box

系統(tǒng)自動檢測測量值是否在儀器量程范圍內(nèi)，若測量值在量程范圍內(nèi)，則斷開高壓完成測量，測量結(jié)果顯示在儀器觸屏顯示區(qū)；顯示結(jié)果清零后，可在操作面板上插入U(xiǎn) 盤讀取測試數(shù)據(jù)（圖11）。若測試結(jié)果不在量程范圍內(nèi)，儀器自動停止測量，顯示“不合格”（圖12）。

圖11 數(shù)據(jù)讀取界面Fig.11 Data reading interface

圖12 測試結(jié)果超量程顯示界面Fig.12 Test result overrange display interface

原油電導(dǎo)率測試儀能夠根據(jù)測試需要的溫度對樣品進(jìn)行加熱，最大程度模擬原油處理過程中的真實(shí)環(huán)境，直觀顯示測量過程和結(jié)果。儀器測試流程見圖13。

圖13 測試流程Fig.13 Test process

4 測試儀器應(yīng)用及結(jié)果分析

采用該儀器對大慶油田三元復(fù)合驅(qū)脫水站原油樣品電導(dǎo)率進(jìn)行了跟蹤測試。在跟蹤測試中，部分站場達(dá)到了化學(xué)劑上返高峰期。由于化學(xué)劑濃度的變化，原油的電導(dǎo)率數(shù)值也有較大波動（圖14）。

圖14 三元復(fù)合驅(qū)脫水站原油電導(dǎo)率變化情況Fig.14 Electrical conductivity changes of crude oil in ASP flooding dehydrating station

跟蹤測試結(jié)果表明：1#站電脫水器進(jìn)口樣品電導(dǎo)率在化學(xué)劑上返高峰期明顯高于其他站場，最高時(shí)達(dá)到了2.68 nS/cm，另外3 座站場電脫水器進(jìn)口樣品的電導(dǎo)率在0.35 nS/cm 左右，1#站的原油電導(dǎo)率約為其他站場的8倍。在實(shí)際生產(chǎn)中，高電導(dǎo)率的原油進(jìn)入電脫水器后，由于脫水電流過大，無法建立脫水電場。

根據(jù)測量的電導(dǎo)率數(shù)值，按照電脫水器極板面積計(jì)算所產(chǎn)生的電流情況見表1。

表1 計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results

從計(jì)算結(jié)果可得出，按脫水供電設(shè)備輸出能力及原油電導(dǎo)率計(jì)算，在電導(dǎo)率最高的時(shí)期1#站脫水電壓只能維持在2.2 kV 左右，遠(yuǎn)低于15～20 kV 有效脫水電壓值，若施加20 kV脫水電壓所產(chǎn)生的脫水電流高達(dá)446 A，目前脫水供電設(shè)備無法承受。需從工藝角度，分析高電導(dǎo)率產(chǎn)生原因，通過改進(jìn)處理工藝和優(yōu)化采出液藥劑實(shí)現(xiàn)原油的有效脫水。其余3 座站場原油電導(dǎo)率均在0.35 ns/cm，在設(shè)備容量范圍內(nèi)能夠施加有效脫水電壓，均能建立有效脫水電場，3座站場的電脫水器運(yùn)行情況均與計(jì)算結(jié)果相符合。

在1#站原油電導(dǎo)率升高階段，通過對原油樣品電導(dǎo)率的準(zhǔn)確測量，為生產(chǎn)保障措施的制定提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)論

（1）采用在原油中施加高電壓，測量流過原油的微小電流的方法，能夠準(zhǔn)確測量低含水率原油電導(dǎo)率。

（2）通過對原油樣品電導(dǎo)率進(jìn)行準(zhǔn)確測量，能夠?yàn)榉治鼋橘|(zhì)物性對電脫水器運(yùn)行情況的影響提供重要的參考依據(jù)，可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場電脫水器運(yùn)行管理，避免設(shè)備損壞。