（化工过程机械专业论文）平行板电容式原油含水率仪的设计与开发.pdf

平行板电容式原油含水率仪的设计与开发 论文作者：王连海 指导教师：王建荣研究员 郝木明教授 摘要 原油含水率仪是油田计量中的重要检测仪表，电容式原油含水率仪 因其原理简单、开发成本低、周期短，在国内油田具有广泛的应用，但 是在应用中出现了很多的问题和缺点。应用电容法测量含水率的基本原 理，本文首次提出和设计了三平行极板式电容传感器的结构，结合 c a v 4 2 4 芯片对电容信号变换处理的优良特性，开发出了平行极板电容 式原油含水率仪样机。对开发出的含水率仪样机，首先对含水率在2 0 以下的低含水油品，采用几种不同的实验手段和处理方法对传感器的 响应进行了测试，得到大量的实验数据、曲线和图表。实验表明，三平 行极板式电容含水率仪信号响应快，灵敏度高，测量结果具有很好的重 复性和一致性，测量精度和误差完全能够满足工程实际测量要求。在低 含水测试的基础上，又对含水率仪传感器的一个极板涂敷了绝缘层，利 用该传感器，对0 - 1 0 0 含水率范围内的油品进行了初步测试，取得了 令人满意的实验结果，为将来开发全量程的原油含水率仪奠定了理论和 实验基础。 关键词：油水两相流，原油含水率仪，电容传感器，c a v 4 2 4 芯片 t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fp a r a l l e l p l a t e - c a p a c i t o r w a t e r - c u tm e t e r w a n g l i a n h a i ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e db yr e s e a r c h e rw a n gj i a n - r o n ga n dp r o f e s s o rh a o m um m g a b s t r a e t w a t e r - c u tm e t e ri sa r ti m p o r t a n ti l l s 廿u m e n ti nt h eo i l f i e l dm e a s u r e m e n t t h e c a p a c i t i v ew a t e r - c u tm e t e r sh a v eb e e nw i d e l yu s e d i no i l f i e l d sf o rt h e s i m p l ep r i n c i p l e ，l o wd e v e l o p m e n t c o s t i nt h ea p p l i c a t i o n ，m a n yp r o b l e m s a n dd e f e c t sa p p e a r e d s o ，f u r t h e rm o r ee f f o r t ss h o u l db ed o n et oi m p r o v e t h et e c h n o l o g ya n dp e r f e c tt h ee x i s t i n gc a p a c i t i v ew a t e r - c u tm e t e r s an e wt h r e e p a r a l l e l - p l a t e s - c a p a c i t o ri s f i r s tp r e s e n t e d 勰w e l la st h e d e t a i l e dc o n f i g u r a t i o n t h ec a v 4 2 4i sa l li n t e g r a t e dc vc o n v e r t e ra n dh a s 龃e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei nt r a n s f o r m i n gt h ec a p a c i t i v es i g n a l ，w h i c hi nt h i s d e s i g ni st h eo d g i m as i 鲷_ a l ，t ov o l t a g es i g n a l t h em o d e lo ft h ew a t o r - c m m e t e ri sc o m p l e t e d m a n ye x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n ef i r s to nt h el o ww a t e r - c u to i ls a m p l e s w i t hw a l e i - c u tr a n g ef r o m0t o2 0 af e wd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lm e a n sa r c u s e dt ot e s tt h em o d e l a n dl o t so fe x p e r i m e n t a ld a t aa n dd i a g r a m sa 地 o b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h em o d e lh a saq u i c kr e s p o n s ea n d h i g hs e n s i t i v i t y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa l s oi n d i c a t et h a tt h em o d e lh a s g o o dc o n f o r m i t ya n dr e p e a t a b i l i t y , a n dt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a n m e e t i i i t h ef i e l dm e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t b a s e do nt h er e s u l t so ft h el o w w a t e r - c u tt e s t s ，al a y e ro fi n s u l a t i n gm e d i ai sc o a t e do i lo n ep o l eo ft h e p l a t e s a f t e rc o m i n g , t h ew a t e r - c u ts a m p l e sw i t ht h ef u l lr a n g ew a t e r - c u t f r o m0t o1 0 0 a l et e s t e da n ds a t i s f y i n gr e s u l t sa l eo b t a i n e d t h i sa t t e m p t l a y saf o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to ff u l lr a n g ec a p a c i t i v ew a t e r - c u t m e t e ri nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：o i l - w a t e rf l o w , w a t e r - - c u tm e t e r , c a p a c i t i v e $ e i l s o r , c a v 4 2 4i c 中国石油大学( 华东) 硕士论文 主要符号 主要符号 电容，p f 电压，v 速度，m s 密度，k g m 3 相对介电常数，l 体积含率， 电容变化量，p f 管道内径，t r i m 温度， 下脚标 空气中的被测量 烧杯中的被测量 等效介电常数 不同组分序号 油水混合介质 纯油 纯油响应值 纯油理论计算值 真值，理论值 水 基点 7 3 c v y p m 瓜 d o a b 疆 ； m o 叩m ， w o 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 神年r 月刀日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 丑莎伽 导师签名一壬，歙籼 x 只诌日 歹 月7 9 日 峥冲 中国石油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 - 1 石油工业多相流计量技术 1 1 i 石油工业多相流检测及计量现状 在石油工业中，油井喷出或抽出的原油是一种多相流，其中包含原 油、水、天然气，有时候还有泥沙，这种多相流动系统具有远较单相流 系统复杂得多的流动特性。流动的复杂性给油田的准确计量带来很大挑 战，而准确的计量又是油田生产不可或缺的。油气水多相计量牵涉到简 化生产过程和改善工艺流程控制，所以石油公司和石油开发设计人员越 来越多地谈论多相流量的测量和多相流量的计量问题。一个完整的油井 多相流测量系统是由信号采集与预处理、流动过程知识库、流动参数测 量及信息综合处理四大系统组成，其中传感器技术与测量仪器、流动机 理分析、建模技术和信号处理是整个测量系统的关键。如此复杂的测量 系统客观上要求有多学科研究的综合。因此，油井多相流参数检测与测 量技术在国际上也是一个亟待发展与探索研究的领域【l j 。 当前的多相流检测与计量技术，从计量方式上，可以分为全分离式、 取样分离式和不分离式三种1 2 1 。 当前，陆上油田仍以传统卧式分离器为主，先进行多相流重力分离， 后由单相仪表进行单相计量。这种计量方法虽然技术简单，但分离器体 积庞大，结构复杂，一般适用于层流或者环状流等易于气液分离的流态； 而对泡状流等不易分离的流态，特别是分离器内的乳化液影响气液分离 效果时，便会使含水率测量值不准确，从而降低多相流量计的性能。从 目前现场试验和应用情况看，遇到的主要问题是液相出现气泡。 采用小型取样分离技术的多相计量系统，虽然在一定程度上解决了 卧式分离器体积庞大、结构复杂等问题，然而取样的代表性自然就成为 这种流量计的主要难题。有些流量计采用混合器来解决这个问题，主要 中国石油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 困难是如何在一定空间，特别是一定时间内获得均质混合物。 不分离式流量计可在不作任何分离的情况下，对多相流进行计量， 结构紧凑，可以小型化。但由于多相流流动的复杂性，使得不分离计量 的技术难度相当大，而且计量结果受流态、环境、各相含率等因素的干 扰，准确度较差，有时甚至无法正常工作。继续进行不分离计量技术的 研究，提高计量准确度，是当前多相流检测与计量的一大研究热点。但 由于技术难度大，综合性强，进展一直比较缓慢【3 1 。 i 1 2g l c c 多相流计量系统 随着油气田的开发逐渐从陆上转向自然条件相对恶劣的海洋，海 洋采油平台或海底水下生产系统的操作空间和承载重量都受到严格限 制。这就要求在平台或海底使用的油气水分离器结构简单、体积小、重 量轻、分离效率高、容易安装维护、安全可靠、能适应多相流各种流态、 能抵抗段塞流对其产生的剧烈扰动【4 5 1 。这是传统的重力式分离器很难 达到的技术指标，陆上油田所采用的传统重力式分离器先分离后单相计 量的方法己不适用于海上油田的计量。另外，前己述及，虽然不分离多 相流量计是一个很不错的替代选择，但是由于技术的复杂难度，目前， 世界上还没有一种能满足不同流态而又能达到计量准确度要求的商业 用不分离式多相流量计。 开发一种小型、高效、快捷的油气水分离设备，来替代传统的分离 器，结合成熟的单相计量技术，是一条可行的技术路线。既可节省平台 空间，提高分离效率，又能满足油气田计量准确度要求，对在建和将建 的海上油气田具有重要意义。国内外很多的研究学者对这一技术路线进 行了探索，并取得了许多研究成果。其中，美国t u l s a 大学g k o u b a 博 士所提出的g l c c 。( g a s l i q u i dc y l i n d r i c a lc y c l o n e 柱状旋流式气一 液分离器) 多相流计量系统在油气田特别是海上油气田的计量中得到成 功运用。目前，全球基于g l c c 。( 柱状旋流式气一液分离器) 的8 0 0 余套 多相流量计量系统均由t u l s a 大学开发设计或授权制造【6 ”。 g l e e 。( g a s l i q u i dc y l i n d r i c a lc y c l o n e 柱状旋流式气一液分离 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 器) 原理如图卜l 中左侧的容器所示，进口由倾角向下的管道沿切线方 向与铅垂管道相连，多相流经预分离后进入主分离器。在主分离器中， 由于旋流作用，离心力、重力和浮力形成一个倒圆锥型的涡流面。密度 大的液相沿铅垂管道的管壁流到分离器底部，密度小的气相沿涡旋的中 央上升至分离器顶部，最终气相和液相分别从分离器的顶部和底部排 出。并通过控制阀调整液位和压力，实现两相充分分离，分离后的气相 和液相通过单相计量仪表单独计量。g l c c 。分离器的精确设计是保证其 整体性能的关键。根据用户提供的工况和测量精度要求，通过多相流分 析软件对每口油井的工况进行分析和计算机流体模拟，计算确定g l e c 。 的尺寸，并设计、制造g l c c 。以及配套的仪表控制系统1 6 j 。 基于g l c c 。的多相流量计可广泛的适用于陆基和海上，雪佛龙一德 士古公司已经把基于g l c c 。的多相流量计作为他们的计量标准。2 0 0 2 年 8 月，留学美国的王建荣博士与张超明博士回国创立威瑞泰科技发展( 宁 波) 有限公司，与美国t u l s a 大学合作，开始在国内推广和应用基于g l c c o 的多相流量计量技术。 图1 - 1g l c c 测量系统组成图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 1 2 含水率测量技术 不论是传统重力式分离器还是新型高效分离器，其主要目的在于分 离出油、气、水三相流中的气体，然后进行气相与液相的计量。分离出 的液相，是油水的混合流体，要获得准确的油田产油量，必须对含水率 进行准确计量。含水率的准确计量也是g l c c 。多相流量计量系统的重要 组成部分，开发性能稳定、经济适用的在线原油含水率仪，对于该技术 在国内油田特别是海上油田的推广具有重要意义。 1 2 1 分相含率、含水率的定义及表示方法 在两相流体系中，流体的分相含率有着不同的表示方法。本文研究 的主要是油水两相流中的水相含率的表示问题。在油水两相流中，对于 水相含率的表示方法，文献 8 给出三种定义与表示方法： 含水率( w a t e rc u tw c ) ：水相的体积流量与总液相的体积流量之 比，体积流量值都是换算成标准压力与温度下的值，含水率值通常用百 分数表示； 水一总液比( w a t e r i n l i q u i dr a t i o1 r l r ) ：水相的体积流量与 总液相的体积流量之比，体积流量值都是取样点处压力与温度下的值， w l r 也用百分数表示； 持水率( w a t e rf r a c t i o nw f ) ：油水两相流中，水相所占流通面 积与油水总的流通截面积的比值，用百分数表示。 在生产计量中，实际测得的一般是w f ，但是当混合流速很高、相 问滑脱较小时，w c 与l r f 差别不大。含水率分析仪常称为w a t e rc u t m e t e r ，但严格说来应该称为w a t e rf r a c t i o nm e t e r 。 1 2 2 油水两相流含水率测量技术 测量原油含水率的方法很多，传统测量方法如g b t 4 7 5 6 - 8 4 ( 9 1 ) “石油和液体石油产品取样法( 手工法) ”【9 】和g b t 8 9 2 9 8 8 “原油含水 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 率测定法( 蒸馏法) ”，每2 h 取样，4 h 人工化验的方法，确定原油含水 率i 川。但是由于原油生产的动态特性，这种测量方法所测量的含水率不 能很好地反映原油含水率的实际情况，要解决这一问题，应当在线连续 测量含水率。国内外很多的企业和单位从事在线原油含水率仪的开发与 生产，市场上的含水率仪产品也很多，现在已经应用和正在研究的含水 率测量技术与方法有多种，各具有明显不同的特点。 ( 1 ) 密度法 这种方法是利用油、水的密度差异来测量含水率，常用的主要有 c o r i o l i s 质量流量计法、密度计法、差压法。由于油水密度的差异， 油水混合物的密度与原油体积含水率之间存在关系【l l j ： p = ( p m i x po ) ( p 霄一p0 ) ( 1 一1 ) 式中：c w 是混合流体含水率，pm i x 、po 、p w 分别是混合流体、纯 油、纯水的密度，单位是g c m 3 。 由( 1 - 1 ) 式可知，只要测得油水混合流体的密度，并已知油、水 单相的密度，就可以计算出含水率。对于油水单相的密度，可以根据工 况进行精确地测定。对于混合流体的密度，现在常用的在线测量方法是 c o r i o l i s 力法。 除了用上述方法测得混合流体的密度，还可以利用密度计得到混合 流体的密度。常用的密度计有伽马密度计和压差密度计。 利用混合流体密度法测含水率的局限性：由于原油与水的密度差值 较小，一般不到0 2 9 c m 3 ( 对于重质原油，密度差值更小) ，确定油水 混合流体密度的微小误差就会给含水率的计算和解释带来较大的误差。 假如混相密度的绝对测量误差0 o l g c m 3 ，则导致含水率误差可达5 【l 2 1 。 ( 2 ) 电容电导法 油水混合物的等效介电特性与油、水各相的介电常数、电导率以及 各相含率有关。原油是绝缘介质，其相对介电常数约为2 4 ；而水是极 性物质，介电常数比一般液体高很多，约为8 0 【1 3 1 ，约是原油的4 0 倍。 如此大的差异，对于低含水原油来说，较小的含水率变化可以使油水混 合流体产生较大的介电常数的改变。油水混合物的等效介电常数与含水 率的关系，有多种不同的数学表达式，这将在后面的章节中进行论述。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 已知工况下，油、水介电常数和电导率可精确测定，这样能够通过测量 油水混合物的等效介电特性测量含水率。 a ) 电容法 利用油水介电常数数值差异的电物理特性，采用变介电常数电容 型传感器原理，将被测信号的变化转换成电容量变化。电容传感器因为 结构简单、动态响应好、灵敏度高等优点被广泛应用，现在市场上大部 分的原油低含水分析仪都是基于上述原理开发的。电容法一般适用于低 含水原油的测量。 b ) 电导( 电阻) 法 当原油含水率较高时，含水率的变化所引起的混合物相对介电常数 的变化不明显，而且随着含水率增加，原油盐度也随之升高，流体导电 作用增强。如果继续利用上述电容法测量含水率的话，灵敏度会大大降 低。对水相为连续相的油水混合流体，可以使用电导式传感器，测量混 合物的电导，从而得到含水率【l4 】。电导法一般适用于高含水原油的测量。 ( 3 ) 利用电磁波测量含水率 近年的研究中，许多学者致力于从电磁波的角度对两相流分相含率 进行研究，并就此作了不少的工作，也取得了不少成果。现在市场上也 有很多利用电磁波测量含水率的产品。按照电磁波的频率不同，所利用 的电磁波主要有：射频、微波、红外线、x 一射线以及y 一射线。 利用电磁波来测量含水率，其主要技术有两大类，一是利用电磁波 共振技术测量油水介电性质得到含水率，另外就是利用油水介质对电磁 波的吸收作用来得到含水率i ”】。 ( 4 ) 混合物声学特性测量法 这种方法是通过测量声速来确定两相混合流体的相组分，因为混合 流体的声速与各单相流体的声速和密度具有相关性，而这个相关性普遍 存在于两相气液和液液混合流体系统中，同时也适用于多相混合流系 统。混合物声学特性测量方法，可以利用超声波、声波以及被动式声纳 1 1 1 。对于利用声学特性测量含水率，目前还处于理论探索与实验阶段， 还没有出现工业现场可利用的产品，但是此项技术也具有广泛的应用与 市场前景。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 ( 5 ) 含水率的其它测量方法与技术 除了上边介绍的含水率测量方法，还有一种方法就是把传统的标 准文丘理( v e n t u r im e t e r ) 单相流量计进行改进，并与其它技术相结合， 制成多相流量计，既可以测得多相流各相流量，又可得到各相含水掣”。 单相流量标准文丘理管的计算公式、尺寸设计和加工要求在i s o 5 1 6 7 ：2 0 0 3 以及g b t2 6 2 4 9 3 7 】中有详细的规定。但是这些规则与规 定不能直接应用于多相流量计的计算，必须加以改进和修正，很多仪器 制造商通常有自己的修正和改进标准i 硼【闻。 在多相流及含水率测量领域，近年来还新兴了一种光纤传感器测量 技术。光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代伴随光纤通信技术的发展而迅速 发展起来的新型传感技术，国外一些发达国家对光纤传感技术的应用研 究已取得丰硕成果，不少光纤传感系统已实用化，成为替代传统传感器 的商品。目前光纤传感器在地球物理测井领域取得了长足的进步，全世 界各大石油生产公司、测井服务公司以及各种光纤传感器研发机构和企 业都参加了研究、开发过程。美国c i d r a 公司挖掘了光纤传感器内在 的优势，开发了井下光纤多相流传感器。目前的样品只局限在测量准均 匀流体：如油水两相或油水气三相( 气相体积份数小于2 0 9 6 ) 。该流量 计能够确定原油和盐水混合物中的持水率，在持水率全量程中其误差为 5 以内，满足生产测量要求i 。 1 2 3 常用含水率测量技术优缺点、经济适用性比较 在上述各种含水率测量技术中，每种技术都有其优缺点和局限性。 电容电导传感器结构简单、造价低、响应速度快，这些优点是该技术 在油田广泛应用的基础，目前，国内开发的原油含水率仪大部分是基于 此原理的。除电容电导法以外的其它技术，在测量精度上总体比电容 法要高，但是这些传感器往往结构复杂，对信号处理和电路设计要求高， 技术难度大，开发和制造周期长，仪表造价高。基于技术难易程度和经 济适用性的比较，本课题所开发的原油含水率仪，采用电容法测量的基 本原理。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 1 3 课题的提出与研究内容 1 3 1 当前电容法含水率传感器的技术现状及存在问题 电容传感器测量原油含水率，其敏感探头的常用结构是同轴圆柱型 电容器，其电容表达式为： 卜赫(1-2)n1 ( 胎肋) 式中l 为传感器的长度，凡是同轴线传感器外电极内径，是内电极 外径，e f t 是传感器所测介质的介电常数。 由表达式可以看出，对于同种介质，如值越小，l 值越大，传 感器电容值越大，信号越明显。为获得合适的信号，设计传感器时，必 须合理确定r j r b 值和l 值。 在实际应用中，根据测量方式的不同，同轴线电容传感器有两种基 本的结构。 ( 1 ) 插入式电容传感器 这种结构的传感器是在电容的外电极柱面上开一定规律的圆孔，测 量时，探头与流体流动方向相对插入，部分流体通过圆孔流过内外极的 环形空间，介质介电特性的变化引起传感器电容的变化口o 】。通过合理确 定r 胡值和l 值，传感器可以获得较为满意的信号，但是由于石油的粘 性，经过一定的使用时间，传感器电极常常沾满油污，油污堵塞外电极 柱面上所开过流孔，使传感器丧失测量功能。 ( 2 ) 以管道作外电极的传感器 这种传感器把某一长度的管道作为同轴线传感器的外电极，在管道 中心放置内电极棒，全部流体从内外电极之间流过。这种结构的传感器 可以很好的解决上述油污堵塞传感器的问题，但是这种传感器的尺寸受 到管径和安装长度的制约，信号较小，不利于后续电路对信号的处理； 而且结构安装较为复杂，不利于加工制造。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 另外，含水率的测量准确度受被测介质温度、原油矿化度、油水两 相流流型等因素影响，对这些影响因素，业界的研究者和学者也做了许 多的研究工作，但还不能完全满足实际测量需要，还有待于做更深入和 进一步的研究。 i 3 2 本课题的研究内容 ( 1 ) 将平行板电容器应用于含水率的测量，设计出了一种新型的含水 率仪传感器探头； ( 2 ) 学习和研究等效介电常数理论，对常用的计算模型进行分析和比 较，选择合适的信号解释和计算模型； ( 3 ) 在前人研究的基础上，改进和优化信号处理电路，提高系统稳定 性和可靠性； ( 4 ) 设计含水率仪标定的实验流程和工艺，在油水两相流试验装置上 进行动态实验，对所得实验数据、图表进行分析，改进和优化传 感器尺寸和数据解释模型； 。 ( 5 ) 对取得的进展进行总结，对平行板电容传感器含水率仪的应用前 景进行展望，并指出需进一步解决的问题。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章油水两相流研究 第二章油水两相流研究 2 1 国内外油水两相流研究现状与成果 在石油工业，虽然油水两相流非常普遍，然而在多相流研究领域， 现有的研究成果和文献主要集中于气一液两相流系统，对液一液两相流的 研究相对教少。在涉及液一液两相流问题时，往往用两相均质模型 ( h o m o g e n e o u sf l o w ) 来处理f 2 1 】【捌。实际上，液一液两相流动也是非常 复杂的，对于油水两相流的研究，国内外很多学者与研究人员也做了许 多研究工作，得出许多模拟油水两相流的流动模型。按照管路方向，油 水两相流研究可以分为三类：水平管线中的两相流、垂直管线中的两相 流和倾斜管线中的两相流。 油一水两相流属液一液两相流范畴，其研究进展远远落后于气一液两 相流、气一固两相流及液一固两相流，在国内尚未见有关液一液两相流研 究的专著。在国外，油一水两相流规律的研究工作起源于二十世纪初石 油工业中稠油的减阻输送研究。1 9 0 4 年，i s a a c s 和s p e e d 提出了水环 输送稠油的专利方法，1 9 5 0 年c l a r k 和s h a p i r o 将含有破乳剂的水注 入稠油中获得专利。从6 0 年代的c h a r l e s 到9 0 年代的h m e y l s l 等人都 未终止过对水包油核环状流型的研究，他们认为对于高粘油的输送该种 流型压降最小，但是由于种种实际原因在油田生产中很难维持油一水两 相流动处于水包油核流型。六七十年代，以c h a r l e s ，r u s s e l ，g o v i e l ， g u z h o v 等学者为代表对油一水两相流作了一系列的实验研究，实验中进 行了流型观察和压降规律的研究。八九十年代，p a l 、s a n c h e z 和z a k i n ( 1 9 9 4 年) 对w o 和o w 分散流型作了研究，他们普遍认为油一水两相流 动的压降主要取决于外相的粘度。o l w 分散流型的压降远小于w o 分散 流型的压降，一般当分散相浓度大于5 0 时，油一水分散体系具有非牛 顿性，而且油一水两相流动压降随着分散相浓度的增加和粒度的减小而 增大。其中p a l 关于油一水分散流动的研究最有代表性 2 3 1 1 2 4 1 1 2 5 l 。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章油水两相流研究 到九十年代后期，美国、英国、挪威、以色列、法国等西方发达国 家都越来越重视油一水两相流动规律的研究工作，掀起了油一水两相流研 究的第二次高潮。主要的研究者有t r a l i e r o ( 1 9 9 6 ) 、j e p s o n ( 1 9 9 9 ) 、 a n g e l i ( 1 9 9 8 ) 、v a l l e ( 1 9 9 8 ) 、p v i g n e a u x 、n a d l e r ( 1 9 9 6 ) 等学者， 他们的研究目的主要是进行油一水两相流型和压降的实验研究。至今为 止，有关油一水两相流的实验数据还是十分有限，而且由于实验系统的 管材、规模、结构都差别较大。实验数据缺乏可比性。国内、外油一水 两相流研究工作还处于流型检测和流型划分的实验阶段，尚未有一个具 有普遍意义的流型转换准则。美国t u l s a 大学t r a l l i e r o 的流型实验 研究在一定程度上代表着当今油一水两相流流型的研究水平，但他未进 行相应的压降实验研究。在国内，西安交大对水平和垂直管内的油一水 乳状液的流动特性作了实验研究，提出了一个有效粘度的关系式，油一 水两相流的流型和压降研究尚处于起步阶段，除此之外目前国内有关此 方面的研究成果尚未见报道【2 3 1 1 2 4 1 胡。 2 1 1 水平管中油水两相流流型划分 1 9 6 1 年，c h a r l e s 等人在直径为2 6 4 哪的管内研究了水平管内等 密度的油水混合物的流动( 采用向油中添加四氯化碳的方式将其密度调 整到和水的密度相同，9 9 8 k g m ) ，油的粘度为1 6 8 m p a s ，温度2 0 。 实验中观察到了泡状流( 油分散) 、弹状流( 油分散) 、块状流( 两相都 分散) 雾状流( 水分散) 四种流型。 1 9 8 9 年，a r i r a c h a k a r a n 等人在内径为2 5 1 m 和3 8 m 的水平管内 进行了油水两相的流型研究。观察到了分层流、混合流( m i x e d ，混合 流中两相之间有界面存在) 、环状流、间歇流和分散流( 均匀混合，即 乳化) ，得到了流型图。 t r a l l e r o 认为油水混合物在管路中的流动结构与气液两相流有很 大的不同，造成这种差异的主要原因是液液之间有较大的动量交换和较 小的浮力作用。他对水平管透明实验段( 内径5 0 1 3 衄，长1 5 5 4 衄) 中油水流的流型转变进行了理论和实验研究。实验工质为矿物油和水 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第二章油水两相流研究 ( uo uw = 2 9 6 ，po p f o 8 5 ，oo = 3 6 n _ i n m ，2 5 6 ) 。将观察到的 六种流型分为两类：分离流和分散流。分层流和界面处有混合的分层流 归入分离流流型。分散流可以是油连续或者水连续。油滴分散一水分层 流和油乳化在水中都是水连续的流型；水乳化在油中的流型和双重分散 流型为油连续的流型硼。 o g l e s b y “l 把油水两相流划分为两相分离流动、半分离流动、半混 合流动、混合流动、半雾状( 分散) 流动与均质流动六种流动模型。 国内，林宗虎院士，郭列锦教授等领导的西安交通大学多相流国家 重点实验室，近年来也做了许多有关油水两相流流型的研究工作。该研 究室的研究人员通过实验研究，将水平管中的油水两相流流型划分为七 种：平滑分层流( s s ) 、波状分层流( s w ) 、细长弹状流( e b ) 、块状流 ( s l ) 、波状环状流( a w ) 、雾状环状流( a m ) 和分散泡状流( d b ) 【2 卯。 2 i 2 垂直管中油水两相流流型划分 g o v i e r i 等人研究了直径为2 6 4 哪、高度为1 1 3 m 的垂直上升管的 流型特征。得到了四种流型：油滴流、油弹状流、油水块状流和分散水 滴流。得出的结论是：把油相作为一种高密度的“气相”，可以认为油 水流型和气液两相流的流型近似；并且认为油水对壁面润湿性的不同， 对于流型的变化有直接的影响1 2 5 j 例。 美国t u l s a 大学的f l o r e s 硐等人，在内径为5 0 8m m 的垂直管中 进行油水两相流实验，观察到6 种流型，流型示意如图2 - 2 ，三种为水 连续相：水中油滴分散流( do w ) 、完全的水中油滴分散流( v f do w ) 、 水基油一水涡状流( o wc f ) ；另三种为油连续相：油基油一水涡状流( w o c f ) 、油中水滴分散流( dw o ) 、完全的油中水滴分散流( v f dw o ) 。在 流型划分的基础上，f l o r e s 等还研究了流型转化的规律，建立了流型 转化的机理模型，在下文中有详细介绍。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章油水两相流研究 图2 - 1 垂直管中油水两相流流型示意图 2 1 3 倾斜管中油水两相流流型研究 现有的多相流研究包括油水两相流研究大多数是针对水平管和垂 直管的，对倾斜管内多相流的研究相对较少，尽管倾斜管在工程中经常 遇到，在技术上有重要意义。美国t u l s a 大学的f l o r e s 等人同样对倾 斜管中的油水两相流进行了研究，对管道倾角分别为4 5 。、6 0 。、7 5 。 时的油水两相流流型进行了实验研究，并分别绘制了三种角度时的油水 两相流流型图。研究共观察到七种流型，水为连续相时四种、油为连续 相时两种，此外还观察到一种由水连续相向油连续相过渡的过渡流型 田j 。倾斜管中的流型示意图如图2 3 所示。 图2 - 2 倾斜向上管中的油水两相流流型示意图 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第二章油水两相流研究 2 2 油水两相流流型对含水率测量的影响 由上面的介绍可以看出，对于不同的油水两相流流型，油水两相间 的混合形态、混合程度差别很大，相间混合方式和程度的差异直接影响 混合介质等效介电常数的计算。在涉及液一液两相流问题时，往往用两相 均质模型( h o m o g e n e o u sf l o w ) 来处理。与竖直管中的油水两相流相比， 水平管中的油水两相流混合程度很不均匀，对水平管油水两相流采用均 质模型，与实际情况相差很大，会引起较大误差。 在油水两相流的流动参数里，两相流的流型对含水率测量的影响尤 为显著，因为两相流流型与上面所介绍的混合介质等效介电常数理论紧 密联系的，是仪器进行数学建模与物理建模的基础。就现在大部分的含 水率仪来讲，当油水两相的组成和配置在管道横截面上的每一点都相同， 且油水两相间没有滑移时，即油水两相流为均质流型时，才能获得较好 的测量效果，如美国相动公司的微波含水率分析仪就要求油水两相混合 程度越好测量效果越好【硼。本课题的目的不在于进行流型划分与转化的 研究，但为了提高含水率仪的测量准确度，需要对两相流流型与含水率 测量结果之间的关系进行研究，以建立尽可能准确的测量模型1 2 9 1 3 0 3 1 】。 油水两相混合物中的含水组成如下： 总含水= 游离水+ 悬浮水+ 溶解水 游离水是和油相完全分离的，通过充分的混合，大部分的游离水可 以转化为悬浮水，游离水的含量将会影响含水率仪的使用效果。 悬浮水包括以细小颗粒或者水泡的形式分散于油相之中的水，也包 括油水乳化液中的水。如果将油水悬浮混合物静止一定的时间，大部分 的悬浮水将转化为游离水和溶解水。油水乳化物中的油水两相建立了溶 解一分离平衡，一般不会立即分离的，加入破乳剂将会破坏这种平衡。 油水混合物中的溶解水含量是很低的，一般在0 0 1 - 0 1 ，主要受 油水界面物性和油水间相互作用的影响，混合物的温度和压力也将影响 溶解水的含量。 按照定义，理想状况下，在管道横截面上每一点上，油包水均质混 j 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章油水两相流研究 合物水相的浓度都是相等的，这要求水相以微小颗粒或者水泡的形式均 匀分散于连续的油相之中。即便如此，依然存在水相浓度梯度，特别是 在水平管线中，水相的浓度梯度更加明显。 当管线中流体的紊乱作用足够强时，就可以使水包油混合物得到充 分混合。获得油水两相充分混合物的最小紊乱能量取决于油水两相流的 流量、管道内径、流体粘度、水相浓度、流体密度和界面张力。 使油包水两相流处于均质流型，是含水率仪获得最佳测量效果的关 键所在。判断油水两相流是否均质流型的方法，对水平管线和竖直管线 是不同的。对水平管线中的两相流，是基于1 5 0 3 1 7 1 的原油在线取样法 进行预测；对于竖直和倾斜管道中的两相流，则是按照h o m s 等人所建 立的流动模型法进行预测。 2 3 油水两相均质流型( h o m o g e n e o u sf l o w ) 判别方法 2 3 1 水平管两相流均质流型判断方法 该方法是基于i s 0 3 1 7 1 来判断水平管油包水两相流的均质程度。按 照i s 0 3 1 7 1 的标准，油水两相充分混合的标准是，水平管顶部水相浓度 c l 和水平管底部水相浓度c 2 相等。均匀混合的程度可以用水颗粒由于 重力左右而下降的流量与水颗粒因紊乱作用而上升的流量相等来衡量， 即： 乏n ( 南 p ( 一爿 ， 式中：导一管道顶部水相浓度与管道底部水相浓度的比值； 矿一水相颗粒沉降速度； 云一紊乱指数，其中d 管道内径，分散相颗粒涡旋扩散率； g 袁征离散相在连续相中分散程度的特征参数。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章油水两相流研究 当c l c 2 的值在0 9 1 时，可以认为离散相在连续相中达致均匀分 布，这时相应的g 值为l o 一一。当c l c 2 的值小于o 4 时，两相混合程 度较差，油水两相极有可能出现分层。i s 0 3 1 7 1 将流体速度与分散特征 参数相联系，给出判断离散相均匀分散的经验判别式： 吃= 6 0 3 2 5 秽 ( 岛一岛尸3 2 5 庐蛳 虏鹋 ( 2 - 2 ) p l o - 1 5 式中：比一保持分散程度占所需的最小( 特征) 速度； 局一取决于所用单位制的常数( s z 单位制或实用单位制) ； f 一判断分散程度的参数( 一般取g = 1 0 ) ； o 。油水界面张力； p 。一油的密度； 办一水的密度； 口一管道内径； 一油品粘度； 西一水相体积百分比含率。 局的数值取决于式( 2 2 ) 中各参数所用的单位制，表2 - 1 给出了 s i 单位制下和现场常用单位制下的局值。 表2 - 1 届在不同单位制下的取值 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章油水两相流研究 2 3 2 垂直和倾斜管均质两相流判别方法 f v o , ：1 2 6 5 告( 2 - 3 ) e ro=k型!(2-4)0 、一月 丝f掣1岛吆d 【鸬j “” 匕= 半 ) g 一重力加速度( 9 8 1 m s 2 ) ； 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章油水两相流研究 c o ，n 一常数：c o = o 0 4 6 ，n = 0 2 。 整理上述三个表达式，并将常数c o = o 0 4 6 ，n = 0 2 代入，可得到 油相、水相的表观速度与流体物性参数、管道内径的关系表达式： 一o 呲，2 0 。2 巧淼曙8 ， 在给定油相表观速度、油水物性参数和管道内径情况下，可以利用 上式计算出使油水两相为v f dw o 流型的水相最大表观速度。上式是 以油水各相的表观速度来判断均质流型的，用油水两相的混合流速和含 水率值来代替上式中的表观速度也可以得到判断油水均质流型的判别 表达式。油水混合流速y 与各分相的表观流速、含水率值间关系如下： ，= 志1 踟s = ( 一志卜 0 0 l1 0 0 ， 、7 将上述两式代入表达式，可以得到使垂直管道中油水两相流保持均 质流型的特征( 最小) 混合速度比的表达式： 啦蒜务馏s 与谗川， 击 2 0 2 5 卮的数值取决于式( 2 8 ) 中各参数所用的单位制，表2 - 2 给出了 s i 单位制下和现场常用单位制下的厄值。 表2 - 2 岛在不同单位制下的取值 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章油水两相流研究 岛是取决于所用单位制的常数，当表达式( 2 8 ) 中所有量均采用 s i 单位制时，k 2 = 2 9 1 0 。必须指出，当含水率，值超出2 0 - - 2 5 时， 上述判别均质模型的表达式将失效，因为在含水率超过2 5 时，离散 的水相就不再是微小的球形液滴，而将形成体积较大的微团，从而使两 相混合很难达致均质。 2 3 3 均质两相流判别方法在实际测量中的应用 当油水混合流体的实际流速y 大于满足均质流动的最小流速( 特征 速度) v c 时，油水两相可看作均质混合。由表达式( 2 - 2 ) 、表达式( 2 8 ) 可以看出，当油品和采出水物理性质确定后，比如密度、粘度等，特征 速度主要取决于管道内径d 和原油的实际含水率o w 。现场测量中， 油品和采出水的物理参数一般是已知的或者可测量的，而且这些参数在 油田开采的大部分时间内都可以认为是不变的。因此特征速度比就主 要跟所选管道内径d 有关，根据油田的评估储量，可以大体预测和规 划油田某段时期的产量，从而确定出肠与d 值，使油水混合流体在均 质流型下流动。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第三章电容式含水率仪测量原理 第三章电容式含水率仪测量原理及等效介电常数理论 3 1 电容式含水率仪测量原理 电容式含水率仪是利用油水介电常数数值差异的电物理特性，采用 变介电常数电容型传感器原理，将被测信号的变化转换成电容量变化。电 容式含水率仪所直接测量得到的物理量是电容传感器的电容值，这个电容 值与传感器的结构尺寸和传感器内部混合介质的等效介电常数有关。传感 器电容值与含水率值的对应关系可以采用两种方法加以确定： ( 1 ) 建立含水率值与电容值之间的直接的函数关系： c = ，( ) ( c 为电容值，妒为含水率值)( 3 - 1 ) ( 2 ) 通过中间量等效介电常数钿建立含水率值与电容值之间的间接 的函数关系： c =