原油混合液含水率的在线测量及精度分析

贺倩倩，来跃深

(西安工业大学 机电工程学院，西安 710021)



原油混合液含水率的在线测量及精度分析

贺倩倩，来跃深

(西安工业大学 机电工程学院，西安 710021)

为了实现原油含水率的在线测量和原油产量估计，文中采用电容在线测量法，将原油置于电容两极之间，构建了电容信号的检测模型，提出了面向高含水油井的原油含水率电容在线测量系统.通过电容电压转化电路设计，实现了原油电容信号向电压信号的转换.结果表明：原油含水率电容在线检测系统测量范围为1%～100%，原油含水率与电容、介电常数及电压之间呈线性关系；测量精度优于传统电脱法和蒸馏法，消除了不连续取样导致的测量误差.

油井；含水率；介电常数；电容

油井原油含水率检测是油田工程的一项重要技术，目前国内大部分油田已经开始进入高含水时期[1]，产量已经开始逐年递减.因此,在原油勘探、生产及测量过程中,原油含水率测量准确与否直接影响油田的可持续性生产.原油含水率测量方法分为人工测量法和在线测量法[2].文献[3]通过人工取样，采用检验仪器对原油含水率进行化验，以确定出含水率具体数值，主要有电脱法和蒸馏法.电脱法由于不能连续取样导致代表性不强；蒸馏法的操作过程简单，但精度不高.文献[4]将卡尔-费休与水的混合溶剂定量反应，从而确定出水分的含量.但人工测量法取样要求高，劳动强度大.因此，实际工程人员提出了在线测量法，目前关于这一方面研究已有不少.文献[5]根据油和水的密度不同，将不同量的油和水混合后的混合密度不同，从而算出原油的含水率.文献[6]提出了一种比较科学的测量方法，其使原油流过电容极板之间，其不同含水率的原油流过对应的电容量也不同，进而推算出含水率.文献[7]根据油、水及气对射线的吸收能力不同来得到其各成分的含量，以确定出含水率.文献[8]根据油和水这两种介质物理性质的不同,根据原油对电磁波的接受能力不同，将电磁波辐射到原油中，通过接收到的不同强度来检测.然而以上方法测量精度低，测量数据稳定性差，而引入电容进行含水率测量，能够保证相对的高精度性,易操作维护性,同时对于原油的采样时间间隔较小,取样频率高.因此，本文采用电容法,通过电容传感器构建电容信号检测模型进行原油含水率的检测,将含水率转化成电容量,利用CAV444型芯片进行检测电路设计,将微小的电容变化量转化成电压变化量,以期实现原油含水率在线测量.

1 电容信号检测模型构建

根据原油混合液介质中油水介电常数差异很大的物理特性，利用变介电常数传感器原理，将待测介质介电常数的变化量转变为电容量的变化.而电容量与传感器的参数(尺寸、材料和模型等)及原油混合液的等效介电常数相联系[9].利用原油混合液介质的等效介电常数ε作为中间变量构建含水率与电容量C两者的函数关系式为

C=f(ε)

(1)

ε=g(εo,εw,α)

(2)

式中：εw为水的介电常数；εo为油的介电常数；α为含水率；f(ε)为介电常数与电容量的函数；g(ε0,εw,α)为介电常数与纯油、纯水介电常数及含水率的函数.当传感器对其内部介质进行电容量计算时，根据电容量可推出原油混合液等效介电常数 .传感器的内外电极之间充满待测介质时，采用同轴电容传感器检测含水率的函数关系式为

C=2πεL/ln(Ra/Rb)

(3)

式中：L为传感器的长度；Ra为同轴传感器外电极内径；Rb为同轴传感器内电极外径.

原油混合介质的介电常数与各介质的含量、体积和介电常数等因素相关.其常见模型较多，对其进行多次实验后，选择混合介质等效介电常数的数学模型为

(4)

式中： ε为混合液等效介电常数；εw为纯水介电常数；εo为纯油介电常数；β为介电常数指数，一般取值为0.5，代入式(4)可得

(5)

该模型为指数模型公式，对离散相分子的颗粒大小要求相对较高，即分离程度较好.保证了三相完全分离后的原油单相计量的优势，适合于高含水与低含水情况，并且计算结果比较准确.由指数公式可得，油水混合物的介电常数与混合物含水率、油的介质常数及水的介质常数有关，根据多组实验得到混合液的介电常数、油的介电常数及水的介质常数，进而计算出原油含水率.

2 原油含水率检测原理及电路实现

在构建原油含水检测系统时，通过介质传感器的电容量需要转化为电压量，由于待测介质在电极间流通同轴圆柱电容传感器的过程中所产生的电容信号的变化十分微弱，在测量过程中，产生一些干扰因素，故选用CAV444芯片采集数据，该芯片可将微小的电容变化量转换为电压的变化，且两者之间呈现线性关系，即通过线性表达式中的电压就可推算相应的电容量[10].

2.1 检测原理

CAV444芯片可将传感器上的电容信号转化成电压信号输出.其步骤为采集信号、处理信号以及输出电压.对其测量电容进行充电或者放电产生振荡周期信号，其电容值的大小与振荡频率呈正比例关系.通过一个频率与电压的电路转换，再通过一个滤波器，得到一个电压信号.其输出电压与参考电压VREF之间成为差分电压输出[11].

该电路测量传感器的电容时，通过两个电阻外接将差分电压信号的零点和满度调准.其芯片的整体测量范围大约为19～2 200 pF.CAV444芯片电容与电压之间的转化的关系式为

(6)

图1 输出电压-测量电容关系曲线

Fig.1 Output voltage-measuring capacitance curve

2.2 电路实现

不同的油水混合物，含水率也不相同，则混合介质的混合介电常数也不同，根据这种不同物质介电常数不同的特性，通过式(3)～(4)，将原油含水率与混合介电常数建立关系，又通过混合物的介电

常数与电容之间的关系，将转化成的电容量通过电路设计转变为电压信号，采用单片机进行信号处理后，得到含水率、介电常数、电容以及电压之间的数值关系[12].

按照上述设计原理，其含水率检测转换电路如图2所示.图2中RCM(管脚1)为测量振荡器的电流调整接口；RCW(管脚2)为频率电压转化的电流调整接口；VB(管脚3)为工作电源(5 V)接口；GAIN(管脚4)为增益调整接口；VOUT(管脚5)为输出电压端口；VREF(管脚6)为参考电源(2.5 V)端口；VTEMP(管脚7)为温度传感器输出接口；N.C.(管脚8,管脚9)为空；GND(管脚10)为接地端口；VCC(管脚11)为电源电压；CM(管脚12)为测量电容接口；CF2(管脚13)为低通滤波器2电容接口；RA(管脚14)为频率电压转化稳定电阻接口；CF1(管脚15)为低通滤波器电容接口；CW(管脚16)为频率电压转化电容接口.CF1,CF2为滤波电容；P3为电路中油水混合物的检测接口.原油含水率检测转换电路中的外围电路各元器件的固定参数如下：输出级电阻R2,R4,R5取为100 kΩ；满度校准电阻R1取为33 kΩ；零点校准电阻R3取为100 kΩ；频率电压转换级电阻RA取为240 kΩ；测量振荡器电阻RCM取为250 kΩ；频率电压转换级滤波电阻CVREF取为500 kΩ；滤波电容CF1,CF2取为100 uF；参考电压电容 取为100 uF.

图2 原油含水率检测转换电路

Fig.2 The circuit for conversion for water content of crude oil

2.3 结果与分析

根据上述电路搭建实验环境，通过测量34组不同含水率的介质可得电容值、电压值、混合介电常数和含水率值，部分测量数据见表1.

根据34组测量数据可得含水率与电容、介电常数及电压之间的关系图，可见其含水率与电容值、电压值及混合介电常数基本呈线性关系，如图3所示.

由图3见原油含水率与电容、电压及介电常数基本呈线性关系.原油含水率电容在线检测系统测量范围为1%～100%，在1%～65%范围内其线性误差较小.测量精度优于传统电脱法和蒸馏法，消除了不连续取样导致的测量误差.

表1 含水率与介电常数、电容和电压部分测量数据

Tab.1 Part of data of moisture content，capacitance,dielectric constant and voltage

组号含水率/%介电常数电容/pF电压/V1#0.002.286801.662#3.443.1431101.753#9.254.8571701.934#11.765.7142002.055#26.2212.0004202.826#36.7118.0006303.147#45.1123.6909003.478#52.9929.73011503.809#63.3247.33415654.4310#98.6980.24326304.93

图3 含水率与电容、电压及介电常数关系曲线

Fig.3 Data curve of moisture content，capacitance,dielectric constant and voltage

3 结 论

1) 将原油置于电容两极之间，采用电容在线测量法，构建了电容信号的检测模型，提出了面向高含水油井的原油含水率电容在线测量方法.该方法测量精度优于传统电脱法和蒸馏法，消除了传统方法不连续取样导致的测量误差；保持了电容传感器的高精度性，易维护性，且采样时间间隔较小，取样频率高.

2) 将介质通过时微小电容变化量转化成电压信号，实现了原油含水率的精确测量.该电路结构简单，测量精确可靠；原油含水率与电容、介电常数及电压之间呈显著线性关系.

[1] 周总瑛,张抗.中国油田开发现状与前景分析[J].石油勘探与开发,2004,31(1):84.

ZHOU Zongying,ZHANG Kang.Development Situation and Prosepect of Oil Fields in China[J].Petroleum Exploration and Development,2004,31(1):84.

(in Chinese)

[2] 张国军,申龙涉,齐瑞，等.原油含水率测量技术现状与发展[J].当代化工，2012,41(1):59.

ZHANG Guojun,SHEN Longshe,QI Rui，et al.Current Status and Development of the Measurement Technology for Water Content of Crude Oil[J].Contemporary Chemical Industry,2012,41(1):59.

(in Chinese)

[3] 吕高峰,吴明,张金华，等.原油含水率测量技术现状分析[J].当代化工，2011,40(2):146.

LYU Gaofeng,WU Ming,ZHANG Jinhua,et al.Current Situation Analysis of Measurement Technology for Water Content of Crude Oil[J].Contemporary Chemical Industry,2011,40(2):146.(in Chinese)

[4] 陈铿，雷猛.油品含水率的测量技术[J].化学分析计量，2006,15(3):66.

CHEN Jian,LEI Meng.Measurement Methods of Water Content in Oil Product[J].Chemical Analysis and Meterage,2006,15(3):66.(in Chinese)

[5] 秦国昌，李守明.密度对质量流量计测量原油含水率的影响[J].仪表技术与传感器，2004(9):46.

QIN Guochang,LI Shouming.Density Influenced Measurement of Water Ratio in Crude Oil on Mass Flaw Meter[J].Instrument Technique and Sensor,2004(9):46.(in Chinese)

[6] 杨瑞斌，宋章帅.原油含水率测量分析原理与系统应用[J].山西科技，2011,26(2):103.

YANG Ruibin,SONG Zhangshuai.Principles of Testing and Analysis of Water Ratio of Crude Oil and the System Application[J].Shanxi Science and Technology,2011，26(2):103.(in Chinese)

[7] 季鹏，马晓明，杨学维.在线式原油含水率自动监控系统的设计[J].微计算机信息，2007,23(31):86.

JI Peng,MA Xiaoming,YANG Xuewei.Design of the Automatic On-line Monitor and Control System on the Water Ratio of the Crude Oil[J].Control & Automation,2007,23(31):86.(in Chinese)

[8] 刘雷，何道清，周小玲.微波检测原油含水率研究[J].中国仪器仪表，2009(4)：60.

LIU Lei,HE Daoqing,ZHOU Xiaoling.The Research of the Measure of Water Content of Oil-water in Microwave Transmission[J].China Instrumentation,2009(4):60.(in Chinese)

[9] 王达.基于电容法的原油含水率测量系统研究[D].太原：太原科技大学,2013.

WANG Da.Research of Water Content in Crude Oil Based on Capacitance Method[D].Taiyuan:Taiyuan University of Science and Technology,2013.

(in Chinese)

[10] 赵雪英,李鹏,金喜平.原油含水率的测试方法[J].辽宁大学学报(自然科学版)，2003,30(2):145.

ZHAO Xueying,LI Peng,JIN Xiping.The Measurement of Water Content in Crude Oil[J].Journal of Liaoning University(Natural Science Edition),2003,30(2):145.(in Chinese)

[11] 施林生,RAUCH N.电容式信号线性转换电压输出的应用电路CAV444[J].仪表技术与传感器,2009(7):106.

SHI Linsheng,RAUCH N.Capacitancel/Voltage Transmitter IC with Linear Transfer Function[J].Instrument Technique and Sensor,2009(7):106.

(in Chinese)

[12] TORG S,HELMUT K.用于电容传感器信号转换的集成电路CAV424[J].仪表技术与传感器,2003(1):40.

STECKER T,KREMER H.The Capacitance Sensor Signal Conversion of Integrated Circuit CAV424[J].Instrument Technique and Sensor,2003(1):40.

(in Chinese)

(责任编辑、校对 潘秋岑)

On-Line Measurement and Precision Analysis of Water Cut of Mixed Liquors of Crude Oil

HEQianqian，LAIYueshen

(School of Mechatronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

In order to achieve online measuring of moisture content of crude oil and estimates crude oil production, the capacitance is used for online measuring. Place crude oil between the poles of capacitance,build the capacitance signal detection model,put forward the system to measure water content of crude oil online for high water cut oil well.Through the circuit for conversion of capacitance and voltage, the conversion of capacitance signal to voltage signal is achieved.The results show that moisture content，capacitance,dielectric constant and voltage have a linear relationship; measurement system can be finished the scope of 1% ～ 100% moisture content; measurement accuracy is better than traditional method and distillation method,which eliminates the measurement error caused by discontinuous sampling.

oil well;water cut;dielectric constant;capacitance

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.10.004

2016-04-16

陕西省科学技术厅工业攻关项目(2014K06-26)

贺倩倩(1994-)，女，西安工业大学硕士研究生.

来跃深(1965-)，男，西安工业大学教授,主要研究方向为计算机控制与测量.E-mail:lailiquan@163.com.

TP212

A

1673-9965(2016)10-0792-05