（检测技术与自动化装置专业论文）用于高含水两相流的同轴电容含率测量初探.pdf

摘要 原油含水率是石油化工行业一个重要的参数。该参数的测量对于石油的开 采、脱水和集输等具有重要的意义。由于油水两相流流动体系极为复杂，致使分 相含率测量难度较大，至今没有满足油田需要的精确的含水率测量仪器。因此， 原油含水率的实时准确测量成为油田需要亟待解决的问题。 油水的介电特性差异比较大，油的相对介电常数2 3 左右，而水的相对介电 常数8 0 左右。不同含水率的油水混合物介电常数不同。本文选取测量介电特性 的电容法测量原油含水率。 本文主要工作如下： 1 、针对高含水两相流含水率的测量，提出了基于虚实部解调的含水率测量 方法，以期更准确的提取介电信息，分析其与含水率的关系。 2 、优化设计了同轴电容传感器，设计时充分考虑边缘效应、空间滤波效应、 油水的相滑移、压力损失等多方面因素。运用电路知识对传感器中油水的阻抗进 行分析，分析了不同频率下矿化度对测量值的影响，为测量选取合适的激励频率。 3 、基于模块化思想，设计了虚实部解调测量系统。优化了解调板模块，编 写上位机程序与原有模块构成整套测量系统。通过实验验证了测量系统的可靠性 和准确性。 4 、进行了可行性实验研究，初步验证了阻抗虚部受矿化度的影响较小，为 进一步的研究奠定了基础。 最后，针对当前研究和测量系统存在的不足，提出了一些建议。 关键词：油水两相流相含率介电特性同轴电容传感器虚实分解 a b s t r a c t t h ew a t e rc u to fc r u d eo 订i sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ri nt h ep e t r o c h e m i c a l i n d u s t r y t h em e a s u r e m e n to ft h i sp a r 锄e t e ri ss i g n m c 加tf o r t h ee x p l o i 诅t i o n ， d e h y d r a t i o na n dg a t h e r i n gp r o c e s s b e c a u s eo ft h ec o m p l e xn a t u r eo fo i l w a t e r t w o p h a s ef l o w ，i ti sd i f n c u l tt om e a s u r et h ep h a s ef h c t i o na n dt h e r ei sal a c ko ft h e p r e c i s ee q u i p m e n tt os “s 毋r e q u i r e m e n t so ft h ew a t e rc u tm e a s u r e m e n tu pt on o w t h er e a l t i m e ，a c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h ew a t e rc u th a sb e c o m eac r i t i c a lp r o b l e mt o b es o l v e di nt h eo i lf i e l d t h ed i e l e c 仃i cp r o p e 哪o fo 订a n dw a t e ri sd i 腩r e n t t h er e l a t i v ed i e l e c t r i c c o n s t a n to ft h eo i l i sa b o u t2 3 w h i l et h eo n eo ft h ew a t e ri s8 0 t h eo i l - w a t e rm i x t u r e w i t hd i f 佗r c n tw a t e rc u th a v ed i f f e r e n td i e l e c t r i cp r o p e r t i e s i no r d e rt og e tw a t e rc u t ， d i e l e c t r i cp r o p e r t ) ，i sm e a s u r e db yc a p a c i t a n c em e t h o di nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e r ，t h em a i nw o r ki ss h o w na sf o l l o w s ： 1 i no r d e rt om e a s u r et h ew a t e rc u to fo i l w a t e rt 、】 r op h a s ef l o ww i t hh i 曲 w a t e r 仔a c t i o n ，an e wm e t h o db a s e do ni m a g i n a 巧a n dr e a lp a r td e m o d u l a t i o n w a sp r e s e n t e d t h ed i e l e c t r i ci n f o r n n a t i o no ft h em i x t u r ew a so b t a i n e d a c c u r a t e l y ，a n dt h e nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i e l e c t r i ca n dw a t e rc u tw a s a n a l y z e d 2 w i t hr e g a r dt ot h ee d g ee f r e c t ，s p a t i a lf i l t e r i n ge 仃e c t ，p h a s es l i po fo i lw a t e r m i x t u r ea n dp r e s s u r el o s s ，t h ec o a x i a lc a p a c i t a n c es e n s o rw a so p t i m i z e d d e s i g n b yu s i n gt h ec i r c u i tt h e o 拶，t h ei m p e d a n c e o fo i lw a t e rm i x t u r ei nt h e s e n s o ra n dt h ei n f l u e n c eo fs a l i n i t yo nt h er e s u l tu n d e rd i f r b r e n tf r e q u e n c y w e r ea n a l y z e ds oa st og e tt h ep r o p e re x c i t i n gf r e q u e n c y 3 b a s e do nt h em o d u l a r i z a t i o nm e t h o d ，a n i m a g i n a r y a n dr e a l p a r t d e m o d u l a t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e d t h ed e m o d u l a t i o nb o a r dw a sd e s i g n e d ， a n dap r o g r a mo fh o s tc o m p u t e rw a sc o m p o s e d aw h o l em e a s u r i n gs y s t e m w a sc o n s t m c t e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h em e a s u r i n g s y s t e mw a ss t a b l ya n dr e li a b l y 4 t h ef e a s i b i l i t ye x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e 。s a l ! n i t yh a si i t t l e i n f l u e n c eo nt h ei m a g i n a 叫p a r to ft h em e a s u r e di m p e d a n c e ，w h i c hi st h e f - o u n d a t i o no ft h ef - u r t h e rs t u d y f i n a l l y ，s o m ei m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n sa r ep r e s e n t e da tt h ee n do ft h et h e s i s i ；m yw o i 之d s ：o i l w a t e rt w o p h a s ef l o w ，w a t e rc u t ，d i e l e c t r i cp r o p e r t y ， c o a x i a l c 印a c i t a n c es e n s o r ，i m a g i n a 呵a n dr e a lp a r td e m o d u l a t i o n i j 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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：叁鲞盘茎或其他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。 学位论文作者签名：买尔月 签字日期：夕。苫年f 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞苤翌有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞基堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) - 7 ，一、 学位论文作者签名：关尔爿 导师签名： 孑髫 签字日期：如。苫年 月6 日签字日期：仉。y 年月z 日 第一章绪论 1 1 课题研究的背景意义 第一章绪论 相通常是指具有相同成份及相同物理化学性质的均匀物质。同时存在不同相 成份的流动形成多相流，包括液液、气液、气固、液固等。所谓两相流就是同 时存在两种不同相的物质的流动。 两相流广泛存在于生产过程中，例如动力工程中锅炉蒸发管中的蒸汽水两 相流动，发电和冶金工业中煤粉和矿粉输送管道中的气固或液固两相流，石油工 程中油田开采油井中的油水两相流和油气水三相流，化工工业中物料输送管道和 反应釜搅拌器中的气液两相流等【1 五】。随着科学技术的发展以及工业发展水平的 不断提高，对两相流的流动特性及流动参数的检测，具有迫切的要求。然而，由 于两多相流流型复杂多变，而现存的两相流测量仪表，其精度在不同程度上受流 型变化的影响，所以两相流参数的准确测量难度很大。目前两相流参数检测技术 的发展水平远远不能满足工业发展的要求，两相流检测技术发展现状和水平与飞 速发展的现代工业应用之间的矛盾日益突出，因此，发展两相流检测技术是现代 工业发展的迫切要求。 原油和水混合流动是明显的液液两相流。 由于油田油井在开采过程中的高压注水使得原油管线中的含水率很高，甚至 达到9 0 以上，原油含水率直接影响原油的开采、脱水、集输、计量、销售、冶 炼等，而含水率的精确测量又十分困难，因此迫切需要研制一种宽范围含水率计 量仪表，实现在输送管线中原油含水率在线精确测量。对于确定出水、出油层位， 估计产量和预测油井的开发寿命以及油田的产量质量控制、油井状态检测、减少 能耗、降低成本和采油管理自动化具有重要意义，对决策部门掌握生产动态、确 定产量分配、提高三次采油质量起着重要的作用p j 。 本世纪全球石油资源的可持续利用问题将更加突出，在技术、成本及环保等 方面对测井工作提出了更高的要求，也使测井科技工作者面对许多新的挑战和技 术难题，需要研制新型的测井仪表适应现在生产的需求。 第一章绪论 1 2 国内外原油含水率研究现状 国外测井技术发展较早，早在上世纪6 0 年代，b 拶a n t l 4 j 报道了采用油水密度 差异来测量流体密度的方法一伽玛射线密度计来确定油中含水比例。1 9 6 4 年， 应用场射线衰减法确定空隙率的思想被提出来。1 9 7 9 年c a l g a 珂大学电机工程系 的研究人员已经用场射线衰减法测量多相流分相含率。很多科研人员还建立了双 能射线测量分相含率的系统和三能射线测量系统。9 0 年代中期后，斯伦贝谢等 公司的技术人员陆续发表了关于探针式持水率计研发和应用的文章，以解决当时 斜井和水平井的流动剖面测量问题。 国外原油含水分析仪表质量好、品种多、适用面广、有较好的在线补偿校准 能力。据不完全了解，国外在测量含水率较低时，主要采用电容法和微波法原理 的含水分析仪，这两类仪表分辨率较高，并具有较高的测量稳定性，通过内置的 温度传感器可实现实时温度补偿。但是他们也仅实用于中低含水率油井的测量， 这与国外油田开采方式是相适应的。而且价格也较贵，同类产品的价格相当于国 产的3 倍以上。国外测量仪表技术不适于在国内油田应用。 目前，我国石油行业中主要仍是取样蒸馏化验的人工方法，这种离线测量方 法人工误差大，费时费力，取样随机性大。上世纪9 0 年代，各种在线测量原油 含水率的方法受到国内研究人员的关注，主要有密度法，射线法，短波吸收法， 微波法，电导法，电容法。 9 0 年代，国内最具代表的研究是石油大学黄正华等研制的短波吸收型原油 含水率测定仪；哈尔滨工业大学刘兴斌博士等研制的阻抗式两相含水率仪。短波 吸收型原油含水率测定仪的实质是测定原油的介电常数。该仪器在大庆油田进行 了大量的实验，因为高含水期油水混合物中传到电流起主导作用，其没有解决传 导电流的影响，没有得到推广应用。阻抗式含水率仪只适用于高含水的测量，且 电导率本身受矿化度影响很大，对矿化度的影响不能克服。最近电磁波测量含水 率的研究兴起，研制了同轴线相位法含水率仪，但是仍没有解决矿化度的影响。 短波吸收型和同轴线相位法含水率计都是基于对介电常数的测量属于电容法的 范畴。 目前，由于技术水平的限制，仍然没有很好的含水率测量仪，多相流量计尚 存在一些问题。 1 ) 现有的大多数含水率计都需要测量若干数据后，再根据这些数据计算出各 相的流量，使计量准确度受到很大影响，目前市场上大多数含水率计在大部分流 态下各相测量误差为1 0 。 2 ) 所有目前用于含水率计量的技术都要求必须掌握流体的特性，如介电常 2 第一章绪论 数、质量吸收系数等，才能比较精确地计量。如果流体特性出现变化或含水率计 用于多井计量，必须频繁地评价和标定多含水率计的传感器。 4 ) 含水率计普遍采用像微波等辐射源，而有关法规对使用辐射源有严格的限 制。 5 ) 现有的含水率计标定设施只能较好地标定组分测量仪器，而对流速测量尚 未有令人满意的标定方法。此外，很多情况下是采用计量分离器来标定，由于计 量分离器计量不准确，标定没有实际意义。 所以还需要进一步研制有效可行的含水率计。 1 3 油水两相流检测方法 通过油水的总流量和含水率可确定油水两相分相流量，因此含水率是一关键 参数5 1 。原油含水率的检测方法有很多种，主要有：密度法、射线法、短波吸收 法、电导法、电容法。 1 3 1 密度法 因为油水的密度不同，油轻，水重，根据油水的密度差异来测量含水率的方 法就是密度、法【6 - 9 1 。密度法测量含水率的所依据的基本关系利6 】： 油水混合物质量等于油和水的质量之和 p 。吃= p 。k + 成圪 ( 1 1 ) 匕= 匕+ 圪 式中：成为油水混合物密度；圪为油水混合物体积； 油的密度；圪为水的体积：圪为油的体积。 质量含水率 耻筹 联立( 1 1 ) 、( 1 2 ) 、( 1 3 ) 式，可得 k ，= p w p ， ( 1 2 ) 成为水的密度；成为 成( 夕。一见)( p 。一成)( p 。一见) p m ( 1 3 ) ( 1 4 ) 体积含水率x 的定义是：水的体积与含水原油的体积比，即 x ：丘( 1 5 ) 吃 3 第一章绪论 联立( 1 1 ) 、( 1 - 2 ) 、( 1 - 5 ) 式，可得 x ：二( 1 6 ) p 。一p o 由此可见，只要测出水和油的密度p w 和成，即可求得它的含水率。 利用密度法测含水率比较典型的是伽马密度计【4 】和差压式密度计。 伽玛射线利用低能源放射性测量中存在统计涨落，并且对放射性源的选择以 及源强都有一定的要求，另外还要尽量满足空间流体测量，局部流体取样或流型 不稳定都会给测量带来影响。 差压式密度计测量的是上、下波纹管间的差压，不同的压差对应不同的密度。 一般差压式密度计与电阻传感器一起使用，内嵌在管道壁上。差压式传感器测量 密度、电阻传感器测量流型。然后由密度、流型获取含水率信息。差压式密度法 测量含水率时，影响含水率的因素有：水的密度，油的密度，混合物密度，流型， 温度等。因为影响因素很多，所以测量效果很不理想。 因为原油与水的密度相差较小，确定油水混合物密度的微小误差就会给含水 率测量带来较大误差。又因为原油开采中会有气体，少量的气体就会给测量结果 带来很大误差，所以密度法测量原油含水率没有得到推广应用。 1 3 2 射线法 射线法主要是利用7 射线投射厚度不同的介质其衰减程度不同的原理。y 射 线穿过介质时，将与介质原子发生光电效应、康普顿效应和电子效应。原油和水 对，光子的吸收率不同，利用油水这两种介质对同一射线的吸收系数的差别计算 出油水混合物的含水率【l 叫1 1 。 此方法可用于在线测量，提高生产过程和生产管理的自动化程度。但由于对 6 0 m e v 的，射线来说，油和水的吸收系数差2 0 ，因此测量精度不高，且存在射 线辐射，造价高，使用和维修困难等缺点【1 2 】。 1 3 3 短波吸收法 短波吸收法【l 孓1 4 j 是将电能以电磁波的形式辐射到以乳化状态存在的油水介 质中，根据油、水对短波吸收能力的不同来检测油水混合物中的含水率。 根据电磁波的物理特性，电磁波通过介质是将或多或少的被吸收。因此，电 磁波的出射能量总是小于入射能量。这种能量的减少服从朗伯贝尔定律 ，= ，o e 一耐 ( 1 7 ) 式中，为穿透能量，而为入射能量，“为吸收系数，c 为介质系数，为介质厚度。 第一章绪论 式1 7 可化成： ，o = 尼唰( 1 8 ) 对于混合物有 ，。= 。n( 1 9 ) 对于油水混合物有 厶= 尼叩。+ ，w ”( 1 1 0 ) 其中。c 。，。和“。c 。，。，分别代表油和水的吸收系数，介质浓度和介质厚度。 某一特定频率下，油的吸收系数很小，且远远小于水的吸收系数，式1 1 0 可写为： 厶= 尼w ”( 1 11 ) 说明电磁波入射强度只与管道中混合液的含水率有关，基于这一原理可实现 对原油含水率的检测。 短波法不受介质黏度、密度、温度、压力等因素影响，测量范围宽，但原油 中通常含有其他杂质，不同杂质对短波的吸收能力不同会影响测量精度。且探头 制作复杂，成本高，使用和维护困难。 1 3 4 电导法 电导式1 6 1 9 1 含水率仪的测量原理是原油混合液的电导率与混合物含水率有 关。 目前所用的电导率含水率仪采用4 电极结构。它由安装在绝缘管道壁上的四 个圆环电极组成，四个电极等距排列，外面两个电极为供电电极，中间两个为测 量电极。被测流体从环形电极中间流过，给两供电电极之间施加恒流的交变电流， 在两测量电极间产生的感应电压与流过传感器内流体的电导率成反比，由此可得 到含水率。 电导式含水率计只用于水为连续相时的测量，油为连续相时不可测。地层水 都含有一定的盐离子，且盐离子的浓度有很大差别，盐离子的浓度对电导率有很 大影响。电导式含水率计受地下水矿化度影响很大，单独使用电导式含水率计测 量效果不是很好。 1 3 5 电容法 电容传感器【2 0 。2 4 1 的优点是：测量范围大；灵敏度高；动态响应时间短；机械 损失小；结构简单；适应性强；成本低。 第一章绪论 电容法测量原油含水率的方法就是相对介电法，就是水( 8 0 ) 的相对介电常 数和油( 2 3 ) 的相对介电常数相差很大。电容法是利用原油乳化液的介电常数 的微小变化与原油中水的含量多少有关的原理来实现原油含水率测量的。检测介 电常数的微小变化多采用电容式传感器，其敏感探头的结构各式各样，最常见的 是采用适合测量液态物系含水率的同轴筒形电容传感器。 电容法测含水率最早是由s c h l u m b e 唱e r 公司提出来的。经过几十年的发展， 现在测量分辨率较高，并具有较高的测量稳定性，通过内置的温度传感器可实现 实时温度补偿。但是他们也仅实用于中低含水率油井的测量，这与国外油田开采 方式是相适应的。 因为电容传感的诸多优点，所以国内应用最广泛的是电容式含水率计。在国 内，大庆油田的油井中含水率测量技术具有较强的代表性。在油田开发初期含水 率很低使用的是6 9 型过流式电容找水仪，随着注水开发的深入，油田总和含水率 逐年升高，到含水率高于7 0 后，又研制了7 3 型取样式电容法找水率仪。7 3 型取 样电容式找水率仪测量含水率范围很宽，几乎是从o 到10 0 ，但前提条件是必须 保证取样准确。8 0 年代中后期，随着大庆油田地层压力降低，大部分子喷井改装 成抽油机井。根据抽油机采油井的测试工艺，在7 3 取样式找水率仪的基础上，又 进行了较大改进，研制出过环空取样式找水仪。其传感器是在取样筒中心按装包 有绝缘层的内电极，内电极与取样筒的外壳构成同轴电容器。前面说的几种电容 含水率计，在油田开发过程中，发挥了很大作用，但是现在都不再实用。离线式 含水率测量前面已经叙述了其缺点，所以目前用的几种找水率仪不能满足油田发 展的需要。【2 3 】 9 0 年代在线式含水率的研究受到国内人员的重视。9 0 年代，黄振华等人在 高频下用电容法测量原油含水率1 2 0 2 2 1 ，研制了短波型原油含水率测定仪。他们试 图通过提高信号的频率来降低常规电容式传感器受传导电流的影响的缺点。短波 式含水率计的传感器测量原理是利用电磁波的谐振状态来测量原油的介电常数， 获取含水率。短波式含水率计的传感器天线属于谐振回路的部分，谐振回路的 固有频率与传感器天线周围油水介质的含水率有关。晶振回路产生一个频率不变 的高频信号，并进入谐振回路中，当其天线周围有水介质的含水率变化时，引起 谐振回路固有频率的变化，致使谐振回路和晶振电路之间的谐振状态发生改变， 根据这种改变可测量原油中的含水率。九十年代，使用这种传感器在大庆油田进 行了多年的实验，因受地层水矿化度影响较大，。没有得到推广应用。 近几年来许多学者利用电磁波在介质中的传播特性研究含水率，主要有同轴 线相位法和微波法1 23 | 。因为很多电磁波测量仪的研究也是基于对介电常数的测 量，所以这里也把该方法归为电容法测量。这里电容法测量的范畴是所有利用介 电常数测量含水率的方法。 第一章绪论 电磁波在介质中传播特性与介质的介电常数和电导率有关。其测量原理是， 电磁场在同轴线内以t e m 波传播时的衰减常数和相位常数分别为： 厂一一 口：坐警厮一l ( 1 - 1 2 ) y 二 广- _ 一一 ：堕警厮+ 1 ( 1 - 1 3 ) i二 其中，辔万= 仃( 傩。s ) 为介质损耗因子；风为真空磁导率；氏真空的绝对介 电常数，为8 8 5 1 0 1 2f m ；仃同轴线内介质的等效电导率，是所有损耗的总和； 国为电磁场的工作频率。 衰减常数受温度等影响较大，相位受温度等影响较小，所以一般测量电磁波 的相位来实现原有含水率的测定。都是选取较高频率，认为留万= 仃( 傩。s ) 1 ， 把( 1 1 3 ) 式中堙万忽略，近似认为相位常数只与介电常数有关。由相位常数推 算混合物介电常数，进而由混合物介电常数获取含水率。 为了使留万= 盯( 傩。占) 1 ，大庆石油学院王进旗对传感器进行了优化，在 内电极上包裹一层电导率很小介电常数很大的金红石材料。在大庆油田现场实验 该方法受矿化度的影响仍然很大，没有解决矿化度的影响。 另一种使辔万= 仃( 傩。占) 1 的方法是提高频率，提高到微波波段，该方法 一般称为微波法【1 5 】。微波是频率很高的电磁波，他的低端频率是3 0 0 m h z ，高端 频率可达3 0 0 g 。采用高技术的微波技术，成本高，且对使用和维护造成了困 难，而且微波本身对电子线路和环境干扰等条件要求较高，因而在实际研究工作 中仍存在不少困难。 目前，很多对高含水率检测的研究都没有提矿化度的影响，即使很少考虑矿 化度影响的研究，所得到的结论也都是测量受矿化度影响很大。解决的办法是用 现场的地层水进行标定。但是现场标定很烦琐，且不同时刻管道中水的矿化度不 同。所以没有解决矿化度对测量的影响，没有得到推广。 在分析众多原油含水率测量方法后，选取电容法作为测量方法。因为电容法 存在很多优点，并且原有生物阻抗电容测量系统，为该方法的研究提供了便利条 件。到目前，原油含水率的测量还没有能克服矿化度影响的有效方法。为解决矿 化度的影响，本文提出了一种基于虚实部分解的测量含水率方法，并进行了理论 与实验研究。 第一章绪论 1 4 本文主要工作与创新点 1 4 1 本文的主要工作如下 ( 1 ) 、根据油水的介电特性及高含水期的特点，提出了基于虚实部解调的测 量含水率方法。分析了复介电特性与矿化度的关系及位移、传导电流与复介电特 性的对应关系。 ( 2 ) 、比较国内外各种常用的电容传感器基础上，选择了同轴电容传感器， 优化设计了同轴电容传感器，使其适合高含水期测量。运用电路知识对传感器中 油水阻抗进行了分析，研究了电导率对阻抗值的影响，分析了频率对尺、c 可测 量范围的影响。 ( 3 ) 、进行了检测系统的设计、制作和调试。优化了解调板模块，设计了检 测电路，编写的上位数据采集模块并与原有模块构成整套测量系统。 ( 4 ) 、进行一系列系统实验说明该检测系统可以对阻抗值准确检测。对不同 矿化度下的盐水阻抗进行了初步实验。 1 4 2 论文创新点 ( 1 ) 、定量的考虑了水矿化度对复介电常数实部的影响，得出复介电常数实 部在油田地层水矿化度范围内受矿化度影响很小的结论。 ( 2 ) 、提出基于虚实部解调法测量含水率的方法。在原油含水率测量中，既 测量容值又测量阻值。用阻值信息跟容值信息一起，推算含水率信息。理论分析 该方法可有效克服矿化度的影响。 ( 3 ) 、根据高含水期生产测量的需要，优化设计了同轴电容传感器，使其满 足空间滤波效应、边缘效应、电场均匀、克服相滑移的影响等测量的要求又满足 生产对压力损失不能过大的要求。 1 5 本文组织结构 本论文包括六章： 第一章绪论。简要概述了原油含水率检测的意义和必要性，简单阐述了国 内外原油含水率的发展现状，介绍了几种含水率检测的方法，详细介绍了电容法 含水率测量方法及其优点。介绍了本课题的主要内容；说明了本论文的组织结构。 第二章介电测量理论及油水介电特性。介绍了油水的介电特性，分析了矿 第一章绪论 化度对介电常数的影响，得出介电特性测量含水率受矿化度影响小的结论，简单 介绍了位移传导电流。 第三章传感器设计。根据测量的需要设计了同轴电容传感器，并优化了传 感器尺寸；对传感器中阻抗的理论值进行推导，分析了频率对测量的影响。 第四章测量系统设计。按照模块化的设计思想，设计一套电容法测量硬件 系统，并完成相应的软件设计。 第五章实验及数据分析。对测量系统实验，验证测量系统具有稳定性，对 阻抗值可准确测量。对矿化度对测量的影响进行初步实验，并对测量数据进行分 析处理。 第六章总结与建议。总结全文，在现有研究基础上，对现有系统和方法提 出一些改进意见。 9 第二章介电测量理论及油水介电特性 第二章介电测量理论及油水介电特性 2 1 介电测量理论 根据介质介电特性不同检测介质的方法为介电测量法。油水的物理特性中， 介电常数的差异比较大，油的相对介电常数2 3 左右，而水的相对介电常数8 0 。 利用油水介电特性的差异检测油水含水率是一种常用的方法。 2 2 介电常数定义 2 2 1 静电场中介电常数定义 当把电介质插入电容器的极板间时，在电场的作用下，电介质表面出现正负 电荷( 称为极化电荷) ，即发生极化现象。电介质极化时，出现束缚的极化电荷， 这些极化电荷在周围空间产生附加的电场e ( 称为退极化电场) 。根据场强叠加 原理，在有电介质时，电容器中的场强e 是外加场批d 和退极化场e 的矢量和。 e = 厶一e 。 ( 2 1 ) 电容器中的均匀电介质在均匀外场中极化时，电介质内部的电场方向处处和 外电场方向相反，使得总场强比原来的减弱。总场强和极化电场有比例关系 f = 一船 ( 2 - 2 ) 比例常数z 称为极化率，把式( 2 2 ) 带入式( 2 1 ) 式有 e ：- 三一e 。：上e 。 ( 2 3 ) 、七? cr 式中s ，= l + z = 反e ，称为电介质的相对介电常数，它是一个没有单位的 纯数，表示这种极化效应与场强的关系，反映了电解质在外电场中极化程度的大 小。 1 0 第二章介电测量理论及油水介电特性 2 2 2 复介电常数的定义 两极板间为真空的理想无损耗的电容器。当两极板上加有角频率为的正 弦信号，电压为矿时，流过电容器的电流为： ，o = j 甜o y ( 2 - 4 ) 电流滞后电压9 0 。若在此电容器两极板间充满介电常数为的介质，电容 量将增大为原来的倍。通过的电流为 ，= 鲫贮。矿 ( 2 5 ) i 髟钐绕黝 c o r p 图2 1 充满电介质的电容器及等效模型 这时，观察到的电流与电压的相位差总是略小于9 0 。，如图2 1 所示，右边 的矢量图。此处，取电压矿沿实轴方向，将实验观察到的电流，的实轴分量写为 傩”c 。y ，把，的虚轴分量( 与电压相位差9 0 0 ) 写为嬲g y ；其中和f ”为两个 实参数，于是 ，= 翻悟c o 矿+ 仞哼”c o y = ( 占一占”) c o 矿 ( 2 - 6 ) ( 2 5 ) 式与( 2 6 ) 式比较，可得 占= 占一占” ( 2 7 ) 式2 7 就是复介电常数的普遍表示式2 5 2 8 1 。式中为复相对介电常数的实 部，占”为其虚部。它的实部与实介电常数意义相同，它的虚部相当于在电容器 上并联了一个等效电阻r p ，越大，则rp 越小，在同样的交流电压下旁路引 起的损耗越大；也就是说，虚部标志了电介质损耗的大小。 ：c r 第二章介电测量理论及油水介电特性 2 3 油、水的介电特性 2 3 1 交变场中油水的极化 纯油属于中性介质，在电场作用下，所发生的极化主要是电子位移极化，在 电磁波不同频率范围内，位移极化都有可能完成。即位移极化与交变电场频率无 关。所以纯油的介电常数不会随外加电磁场的频率变化而变化。原油主要是中性 介质构成的，所以可以近似认为原油与纯油一样，在外加交变电场下介电常数不 会发生变化，约2 3 左右。 水是极性介质，外加电场频率较低时，取向极化发生得比较充分，随着外加 频率的升高，水分子在交变电场作用下方向的改变速度跟不上电场方向的改变， 水分子的极化不能完全完成，水的极化程度就会下降。水的介电常数与频率有如 下关系 一= 赫+ 气1 + ( 国f 1 2 ” ( 2 8 ) s ”：曼二! 竺! 坚+ 三( 2 9 ) l + ( 缈f ) 2 嬲o t 静态介电常数，占。为无限大频率的介电常数，f 为极化时间常数。 取f = 1 0 - 9 s ，t = 8 0 ，占。= 4 9 ，代入( 2 8 ) 式可得水的介电常数实部与频率 的关系如图2 2 所示。 图2 2 介电常数实部与频率关系 第二章介电测量理论及油水介电特性 由图2 2 可知，电场频率小于1 g 时，水的复介电常数实部基本与频率无 关。 2 3 2 矿化度对油水介电常数的影响 目前介电检测原油含水率的难点之一是不能克服矿化度的影响，这里分析矿 化度对水介电特性的影响。 油中不溶解盐离子，所以油的介电特性不受矿化度影响。水的介电常数虚部 中含有电导率，所以虚部受矿化度影响。下面分析水介电常数实部与矿化度的关 系。 式( 2 8 ) 中，占。是一常数，缈r 与矿化度无关，g 。与矿化的的关系如图2 3 所示【2 9 】。该图是7 0 年代由k l e i n 与s w i r 测得不同含盐率海水的静态介电常数。 k l e i n 的测量推算方法是现在公认的测量海水介电常数的方法，被称为 k l e i n s w i r 模型。图中纵轴是占。，横轴是含盐率( 矿化度) 。 占_ z _ 孝r 1 如嚼万出r _ 1 扣叫 s a l i n i t y ( 0 ，0 0 ) 图2 3 海水矿化度与介电常数的关系 第二章介电测量理论及油水介电特性 大庆油田的水为碳酸氢钠水型，矿化度在2 0 0 0 p p m 1 0 0 0 0 p p m 之间【2 3 】，相 当于含盐率0 2 1 。由图2 3 可得，含盐率由0 2 变为l 时，温度为3 0 0 c 时，丘由7 6 变为7 4 ；温度为5 。c 时，t 由8 5 变为8 3 ；温度越高矿化度对介电 常数相对变化率影响越大。由( 2 - 8 ) 式可得与t 关系图如图2 4 所示，图中 横轴是b ，纵轴是。 s 图2 - 4 与关系 矿化度由2 0 0 0 p p m 变为1o 0 0 0 p p m 时，瓦由7 6 变为7 4 ，此时由7 3 7 2 9 变 为7 5 7 2 1 。如果把取为7 4 7 2 5 ，最大变化为1 ，此时矿化度引起的最大误 差为1 3 5 。所以如果可以测量出油水介质的占，由占推算含水率受矿化度的 影响可大为降低。 2 3 3 温度对油水介电常数的影响 油的介电常数受温度的影响很小，实验表明，一般就是在2 0 3 0 之间，和温 度没有直接的对应关系，油的介电常数随油样的不同而不同。 水的介电常数与温度有密切关系。其介电常数随温度的升高而减小。从18 世纪7 0 年代开始很多科研工作者，对纯水的介电特性进行了大量的研究，认为 介电常数与温度成指数关系 占：彳p 缸( 2 1 0 ) 1 4 第二章介电测量理论及油水介电特性 式中a 与b 是常数，不同的研究者实验得到的值不同。e l i i s o n 在总结前人 工作的基础上，验证a = 8 7 8 5 3 0 6 ，b o 0 0 4 5 6 9 9 2 时，该式精度很高，在0 10 0 内，误差小于0 0 3 3 0 1 。 水介电常数与温度关系官方标准：国际化学应用学会( i u p a c ) 于1 9 8 1 年 给出纯水的介电常数见表2 1 【3 0 】。 表2 1 i u ) a c 公布的水的介电常数与温度关系 8 7 8 7 o 0 7 8 3 9 1 o 0 7 8 0 1 6 0 0 5 7 8 3 6 0 0 5 7 6 5 7 0 0 5 7 3 1 6 0 0 4 6 9 9 0 0 0 4 6 6 7 9 o 0 4 6 3 8 2 0 0 5 6 1 0 3 0 0 5 5 8 3 2 0 0 5 5 5 7 2 o 0 6 水的介电常数与温度有密切关系，所以利用介电特性测量含水率时，要加装 温度传感器，测量温度用式( 2 1 0 ) 校正。 2 4 原油含水率与电导率与介电常数的关系 油水混合物是一种结构复杂的混合物。静置时，因密度不一样，两者分界面 整齐一致，油在上，水在下，界面明显。即油水不互溶f 混合介质的体积等于两 组分体积之和) 。流动或搅拌，两者互相撞击相互渗透，以颗粒状( 其直径大小不 等) 相混合，混合状态有两种。当油相体积多于水相体积时，油相为连续相，水 相为分散相，水以颗粒状分散在油相中，常称油包水。当水相体积多于油相体积 时，水为连续相，油为分散相，油以珠状散布在水相中，常称水包油。体积的多 少是区分油包水或水包油的重要因素，但不是唯一的。油的性质( 粘度、蜡质、 胶质) 、流动状态以及外界条件( 温度，压力) 都影响油水的混合状态。例如稠油， ) 0 0 5 0 o o o 0 0 o x 2 2 3 4 5 6 7 8 9 “ 第二章介电测量理论及油水介电特性 含水率在3 0 左右，便可成为水包油态；人工配样的油水混合介质，含水率7 0 时 为水包油，但若在混合液中加入少量( 约为总体积的2 一3 ) 机油，便可混合成油 包水状态。【3 1 】 高含水期油田开采井中水为连续相，油为离散相。油是绝缘体，水中含有大 量的矿物质是导体。 2 4 1 油水混合物的电导率 根据电导理论，细小的不导电的固态粒子、小气泡或油泡，均匀分布在电导 率为盯。，体积分数为口的连续的导电相中，混合相的电导率即混相电导率仃。取 决定于仃。和口，它们之间的关系可用下面公式表示。 m a x w e l l 公式( 18 8 1 年) ： 仃，：_ 兰生盯。 ( 2 1 1 ) 仃册= - 盯w l z 。l lj ，一口 b r u g g e m a n 公式( 1 9 3 5 年) ： 盯。= 口37 2 仃。 ( 2 - 1 2 ) 对于纯粹环状流有b e g o v i c h & w a t s o n 公式： 矿。= 口仃。 ( 2 - 1 3 ) 在5 0 1 0 0 的含水率变化范围内、当流量在4 0 7 0 m 3 d 范围内时，m a x w e l l 公式比b m g g e m a n 公式更适合于垂直管道持水率的测量【3 2 1 。 2 4 2 油水混合物的介电常数 贯穿全部液体的是有序的结构，而一般形成这种有序结构的液体，其分子间 相互作用的特点各不一样。第二种成分的引入导致旧的结构破坏，形成新的结构。 由于静电作用，极化分子有趋向于缔合的倾向，并组合成链状以增加总的偶极矩。 这些缔合物的介电常数数值上不相等。溶液介电常数与结构有关，而不能有一个 统一的公式，用来把溶液的介电常数同溶液中各成分介电常数以及各成分介电常 数及成分体积含量间关系建立起来。在理论研究过程中，人们提出了一系列利用 体积含量和介电常数来确定两相混合系统介电常数的公式【3 3 j 。 简单串并联模型，由电介质物理理论可知，当两种介质并联成与电场平行的 连续层时，混合介质的等效介电常数占m 为： 靠= ( 1 一口) 占。+ 口s 。 ( 2 - 1 4 ) 当两种介质串联成与电场垂直的连续层时，混合介质的等效相对介电常数 f m 为： 1 6 第二章介电测量理论及油水介电特性 厶2 燕 q - 1 5 ) 式中，乞为油的相对介电常数，占。为水的相对介电常数。 简单串并联模型代表了实际混合介质的两种极端情况，分别给出了占m 的上 限和下限，用以计算s m 与实际结果相差很大，在实际中很少采用。由此发展了 很多更符合实验结果的等效介电常数理论和数学模型。 1 ) 对数模型 l n 占。= 口l n 占。+ ( 1 一口) l n 瓦 ( 2 - 1 6 ) 对数模型在计算s m 时相对精确一些，误差相对比较小。 2 ) m a x w e l l g a m e t t 模型 占m = 占w + 3 口占w j ：j _ 云： 褊 ( 2 - ，7 ) 该模型还可以写为： 垒二垒：口生二垒( 2 18 ) 占。+ 2 占。占。+ 2 占。 这种模型要求离散相颗粒细小、粒径均匀，而且要求离散相均匀的分散与另 外一种连续相之中，当离散相相含率较大时，这种模型计算值与实验结果误差较 大，常用于离散相相含率小于10 的情况。 3 ) b r u g g e m a n 模型 鱼二! 竺( 垒) 3 ：口 ( 2 1 9 ) s o j 2 s ws m b m g g e m a n 模型使用范围比m a x w e i l - g a m e t t 模型要广。 4 ) 指数模型 占。，= ( 1 一d ) 占。卢+ 口占。芦 ( 2 2 0 ) 式中，b 为一些经验值，一般取为0 5 ，当b = 0 5 时，式2 2 0 可写为： 占。= ( 1 一口) 乞+ 以占。 ( 2 2 1 ) 该式是利用介电特性测量原油含水率中使用最广的h b 公式2 3 1 。水为连续 相时，指数模型能很好的反应出混合物的介电特性。 混合物的复介电常数实部也可用式2 2 1 等效公式。如果可以测量出油水混 合介质的占m ，由占m 推算含水率的方法受矿化度的影响可大为降低。 第二章介电测量理论及油水介电特性 2 5 位移与传导电流 在时变电磁场中，不仅存在传导电流，还存在位移电流【3 4 3 7 1 。 2 5 1 传导电流 传导电流是人们最为熟悉的一种电流，它是自由电荷在导电介质中作有规则 运动所形成的，产生这种电流的根本原因是导电介质中存在电场的作用。根据物 理学所作的分析可知，传导电流密度五与电场强度e 有如下关系 ，。= o 匹 ( 2 - 2 2 ) 式中仃是电导率。传导电流仅在导体中存在，其幅值与外加电场的频率无关。 2 5 2 位移电流 在时变电磁场中，电场总是处于一种变动状态，电解质内部的电量将会随着 电场的不断变化而产生一种持续的微观迁移，从而形成一种电流，这种电流不像 传导电流那样是由电荷运动产生的，它只是分子束缚电荷微观位移的结果，因而 称之为位移电流。 位移电流密度，。如下式所示： ，。：竺：晶竺 ( 2 2 3 ) 。= = 晶 l z z jj 。 a t、a t 式中d 是电位移矢量。位移电流可在导体、介质和真空中存在，其幅值与外 加电场频率有关。位移电流的