温度对高含水原油含水率传感器检测精度影响的试验分析①

董鹏敏 李晓辉 田 宝 肖艳鹏

(西安石油大学机械工程学院)

温度对高含水原油含水率传感器检测精度影响的试验分析①

董鹏敏 李晓辉 田 宝 肖艳鹏

(西安石油大学机械工程学院)

介绍基于微波相移法的高含水原油含水率传感器的工作原理及其特点。通过试验分析了温度对油水混合物介电常数的影响规律。结果表明：随着温度的升高，呈乳化状态的油水混合物介电常数减小，导致出现含水率测量值低于实际值的现象，严重影响传感器的检测精度。

含水率传感器 高含水原油 温度 介电常数 检测精度

目前，我国大部分油田已经进入高含水时期，部分油田已经进入特高含水时期，导致油田采出原油中含水率较高，因此含水率的检测至关重要[1～4]。然而现有含水率传感器测量范围有限，易受油水形态等因素的影响[5～8]，在高含水情况下，不能满足油田现场的实际需要。而基于微波法的含水率传感器很好地解决了高含水情况下原油含水率测量中存在的问题[1～3]。

高含水原油含水率传感器是利用油水介电常数差异大的特点来实现含水率检测的。然而温度对油水混合物的介电常数影响较大，现有的研究结果已经揭示了温度对纯水介电常数的影响规律，而温度对于呈乳化状态的油水混合物介电常数的影响规律还有待研究。在高含水情况下，水为连续相，油水混合物呈乳化状态，当介质温度升高时，油和水的介电常数变化存在差异，会产生“油多水少”的假象，造成含水率测量值偏离实际值的现象。

1 高含水原油含水率传感器的工作原理

高含水原油含水率传感器利用基于微波检测的相移法进行测量，其工作原理[1,3,6]为：含水原油是由多种碳氢化合物组成的结构复杂的混合物，在常温常压下，原油介电常数为2.3左右，水的介电常数是80，两者相差很大。忽略原油中的杂质，含水原油可近似看成纯油和纯水两种介质的混合。不同含水率的原油相当于不同介电常数的介质，而微波在不同介质中的传输相速是不同的。利用这一原理，给微波探头加上一定幅度和频率的微波信号，将探头插入介质中，设法测得微波信号相位的变化量，通过标定就可以得到原油的含水率。原油中含水量不同，介电常数不同，这样就可以把介电常数的变化转换为含水率的变化[9]。

微波含水率传感器原理如图1所示。振荡器是一种能量转换装置，可将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。定向耦合器将微波信号等分为两路：一路直接将微波信号送往放大器，经过IQ解调器，再经过滤波放大器后，得到一组特定频率和相位的微波信号；另一路信号被送往微波探头，通过油水混合介质后，微波信号的频率和相位会由于油水混合物介电常数的不同而发生变化，然后经过放大器、IQ解调器和滤波放大器处理；最后两路信号经过ADC转换送往微处理器，微处理器对比两路信号的相位变化，把相位的变化转换为含水率的变化，然后通过接口电路连接到上位机，将含水率进行显示。

图1 微波含水率传感器原理

激励微波信号E=E0cos(ωt+φ0)通过导电介质后的微波信号为：

Ex=E0cos(ωt-kz+φ0)

式中z——微波探头的长度(固定值)；

φ0——激励微波信号的初始值。

令φ0=0，则激励信号E=E0cos(ωt)，通过导电介质后的微波信号Ex=E0cos(ωt-kz)，该信号经过IQ解调后输出直流电压信号，如图2所示。

图2 IQ解调器原理

2 基于微波检测的相移法

基于微波检测的相移法的特点是：微波具有较强的穿透性，不仅能检测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检测到内部的水分，可以很好地解决原油含水率检测中“油包水”和“水包油”的问题；可以实现无损和非接触测量，可以实现0%～100%的测量；功率低，安全可靠，微波传播速度快，测量时间短[10,11]。

由于基于微波检测的相移法是基于油水介电常数差异大的原理来实现含水率测量的，而温度会对油水混合物的介电常数产生较大影响，因此要利用该方法实现对高含水原油含水率的精确测量，必须研究温度对油水混合物介电常数的影响规律和温度引起微波传感器所测含水率变化的原因。

3 含水率的测量与结果分析

3.1 试验方案

试验需准备500mL烧杯若干、电子温度计、玻璃棒、胶头滴管、电子秤、微波含水率传感器、OP-10乳化剂、基础油若干、蒸馏水和控温装置(恒温水浴锅)。具体的试验方案如图3所示。微波含水率传感器用于检测高含水原油含水率，电子温度计用于检测高含水原油温度，油水混合物的温度通过水温控制面板来调整，控温装置采用恒温水浴锅，保证受热均匀，上位机通过无线信号收发装置来发送控制命令并接收含水率信息。

图3 试验方案

3.2 试验步骤

一般高含水原油的含水率在60%～90%之间，特高含水原油的含水率在90%～100%之间。因此在含水率60%～70%、70%～80%、80%～90%、90%～100%各区间内分别取一组含水率数值进行试验，步骤如下：

a. 在常温常压条件下，在4个烧杯中分别加入一定量的蒸馏水和基础油，同时加入乳化剂，用玻璃棒搅拌以保证油和水混合均匀，然后通过胶头滴管加入蒸馏水或基础油对含水率进行调整，将4组油水混合物的初始含水率分别控制在60%～70%、70%～80%、80%～90%、90%～100%；

b. 分别将4组烧杯放入恒温水浴锅中，打开恒温水浴锅，将温度调至下一试验温度，待温度稳定后，测量并记录油水混合物的温度，用玻璃棒搅拌均匀后，迅速将微波含水率传感器插入被测液体中进行测量，待数据稳定后记录含水率值；

c. 取出含水率传感器，重复步骤b，可以得到4组高含水原油含水率与温度的关系。

3.3 试验结果分析

不同初始原油含水率下的4组试验数据如图4所示。可见，在高含水情况下，高含水原油含水率传感器测得的含水率和温度的关系基本满足线性变化规律(拟合直线的相关系数R2均在0.98以上)；随着温度的升高含水率呈递减趋势，并且递减的趋势几乎一致(拟合直线的斜率均在-0.002左右)。

图4 不同初始原油含水率下含水率与温度的关系

介电常数是用来衡量介质中的电荷在外加磁场作用下发生极化后分布情况的一个常量[12,13]。介质在电场作用下极化能力愈强，其介电常数愈大。因为水分子是极性分子，电场中的极化形式是电子位移极化与分子取向极化的综合效应，并且以分子取向极化为主。由于温度直接影响分子的热扰动，加之分子的质量比电子大，同时随着温度的升高，分子的无序性增加，使分子的取向困难，分子的极化能力减弱，因此介电常数减小。

同时，按照经典电动力学克劳修斯-莫索提方程，宏观意义上的分子极化强度为：

(1)

式中N——单位体积内分子的平均数。

对于极性分子则有：

(2)

式中K——玻尔兹曼常数；

P0——分子电偶极矩；

T——温度；

γ感生——电子的位移效应，与温度无关。

由式(1)、(2)可得：

(3)

(4)

由式(4)可知，当X减小时，ε的值将减小，即随着温度的升高，水的介电常数将减小。

油在交变电场中只有位移电流，它不受温度影响，即油的介电常数为常量[14]。随着温度的升高，水的介电常数会减小，油的介电常数基本保持不变，所以油水混合物的介电常数主要由水的介电常数决定。在高含水(水含量在60%以上)情况下，当温度升高时，水的介电常数会减小，导致油水混合物的介电常数减小。油的介电常数较小，水的介电常数较大，当油水混合物介电常数减小时，会产生“油多水少”的假象，造成含水率的测量值低于实际值的现象，而且随着温度的升高，含水率的测量值会远低于实际值。

4 结束语

笔者研究了温度对高含水原油含水率传感器检测精度的影响，并进行了试验验证。结果表明，温度的升高会导致油水混合物中水的介电常数减小，造成“油多水少”的假象，从而造成基于微波法的高含水原油含水率传感器测得的含水率值偏离实际值，而且随着温度的升高，含水率的测量值会远低于实际值，严重地影响高含水原油含水率传感器的检测精度。

[1] 董鹏敏,赵波,艾绳勇,等.原油储罐油水界面动态检测系统的研究[J].西安石油大学学报(自然科学版),2013,28(3):34～37.

[2] 彭桂华.基于McWiLL的油水井及计量间监控系统设计[J].石油化工自动化,2015,51(3):76～78.

[3] 赵波.原油储罐油水界面动态检测系统的研究[D].西安:西安石油大学,2014.

[4] 王玉普,刘义坤,邓庆军.中国陆相砂岩油田特高含水期开发现状及对策[J].东北石油大学学报,2014,38(1):1～9.

[5] 李清玲,彭军,唐德东,等.原油含水率测量技术综述[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2014,16(5):89～92.

[6] 周柯.微波介质检测系统的研究与设计[D].成都:电子科技大学,2009.

[7] Lu G,Hu H,Chen S.A Simple Method for Detecting Oil-Water Interface Level and Oil Level[J].IEEE Transactions on Electrical & Electronic Engineering,2010,5(4):498～500.

[8] 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):59～62.

[9] 吴国忠,穆磊,张永攀,等.微波法测量原油含水率计算公式的推导[J].油气储运,2009,28(7):35～37.

[10] 张永攀.微波透射法在线测量原油含水实验装置研究[D].大庆:大庆石油学院,2009.

[11] 杨中兴,冯珊珊,王文魁,等.微波传感器及其应用研究[J].电子技术与软件工程,2015,(11):143.

[12] 贾明权.典型地物微波介电特性实验研究[D].成都:电子科技大学,2008.

[13] 张俊荣,张德海.微波遥感中的介电常数[J].遥感技术与应用,1994,9(2):30～43.

[14] 庄海军,刘兴斌.温度、矿化度对高频电容法测持水率的影响[J].测井技术,1996,20(1):21～26.

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

陕西省自然科学基础研究计划——重大基础研究项目(2016ZDJC-11)；西安石油大学硕士研究生创新基金项目(2015cx140430)。

董鹏敏(1961-)，教授，从事石油装备设计制造与检测技术的研究。

联系人李晓辉(1991-)，硕士研究生，从事石油装备设计制造与检测技术的研究，1031364216@qq.com。

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1000-3932(2017)06-0568-05

2017-01-19)