基于電導(dǎo)傳感器的含水率測(cè)量技術(shù)研究★

趙東升， 李利品， 趙 鳳，田 野

（1 西安石油大學(xué)，陜西西安 710065；2 中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司海工事業(yè)部 266520）

0 引言

油、氣、水三相混合的流體廣泛存在于石油天然氣工業(yè)中，其流型復(fù)雜多變，這也給測(cè)量帶來(lái)了許多困難。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者，針對(duì)三相流的測(cè)量技術(shù)做了許多研究工作，也提出了多種新的測(cè)量方法和理論模型，研制了一系列檢測(cè)三相流的儀器儀表，取得了多方面的技術(shù)突破和豐碩的研究成果。

在石油工業(yè)中，油、氣、水三相混合的流體的含水率是表征油品優(yōu)劣及計(jì)算產(chǎn)量的重要參數(shù)之一，同時(shí)也是油田地質(zhì)化驗(yàn)所必須要測(cè)量的參數(shù)之一。因此，精確而快捷地測(cè)定混合流體中的含水情況，對(duì)于石油工業(yè)來(lái)說(shuō)是非常重要的。尤其是近些年，隨著我國(guó)油田開采力度的不斷加大，油井含水率不斷增高，高含水已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象，而在所采出的多相混合流體中，含水率的情況又會(huì)直接影響到石油工業(yè)中對(duì)原油的開采、脫水、計(jì)量、冶煉等，所以針對(duì)我國(guó)國(guó)內(nèi)油田開采的現(xiàn)狀，深入研究多相流含水率測(cè)量的方法，提出一套可用于混合流體含水率測(cè)量的測(cè)量方案，提高測(cè)量的精度，降低生產(chǎn)成本，提高油田產(chǎn)量，對(duì)于我國(guó)的石油開采工業(yè)具有特別重大的生產(chǎn)價(jià)值和實(shí)際意義。

本文將兩相流測(cè)量中廣泛運(yùn)用的電導(dǎo)傳感器應(yīng)用于油、氣、水三相流的含水率測(cè)量中，考慮了很多與兩相混合流體測(cè)量不同的因素，制定了一套適合于油、氣、水三相流含水率測(cè)量的技術(shù)方案，并通過(guò)構(gòu)建的室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)對(duì)提出的測(cè)量方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 測(cè)量原理

電導(dǎo)法測(cè)量含水率的方法是基于所測(cè)混合流體中所含各相流體導(dǎo)電特性的差異而提出的含水率測(cè)量方法。在油、氣、水三相混合的流體中，水的導(dǎo)電特性明顯要優(yōu)于油和氣體的導(dǎo)電性，特別是當(dāng)水為連續(xù)相時(shí)，可以通過(guò)測(cè)量混合流體的各相分布和電阻抗之間的關(guān)系，從而得出混合流體的含水率情況。

國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)電導(dǎo)法測(cè)量原理和應(yīng)用已經(jīng)做了大量的研究工作。Coney描述了平行電極在液層中的性質(zhì)并提出了液層厚度和導(dǎo)電性關(guān)系的理論處理方法，Hewitt闡述了其綜合應(yīng)用前景，Asali等人利用環(huán)形電極對(duì)垂直氣液環(huán)狀流的液厚度和相截面阻力進(jìn)行了研究，這是環(huán)形電極在流體測(cè)量中的首次應(yīng)用。Lucas等人設(shè)計(jì)了六環(huán)形電極并用于測(cè)量固水兩相流體中固體的相含率及流速，劉興斌等人成功研制出電導(dǎo)式相關(guān)流量計(jì)并將其應(yīng)用于油水兩相流的流量測(cè)量。

本文中所采用的電導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu)如圖1中所示。當(dāng)油、氣、水三相混合流體流過(guò)傳感器管段時(shí)，由于不導(dǎo)電的油泡與導(dǎo)電性很好的水混合流過(guò)時(shí)，它們會(huì)使得傳感器內(nèi)部原本分布規(guī)則的電場(chǎng)發(fā)生變形，這種變形的情況與混合流體中油、氣、水各相的含率有關(guān)，根據(jù)這種原理，我們可以得出電導(dǎo)傳感器的信號(hào)輸出中所包含的連續(xù)導(dǎo)電相在混合流體中的平均分布信息，利用所建立的理論模型就可以得到混合流體中連續(xù)相水的含率，即混合流體的含水率。

圖1 電導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

由于油、氣、水三相混合流體的連續(xù)相為導(dǎo)電的水，根據(jù)Mawell模型中假設(shè)的將所有的顆粒尺寸都近似為球形，并且顆粒不會(huì)相互干擾，可以得出：

其中，αw為油、氣、水多相流的含水率；σm和σw分別為混合流體的電導(dǎo)率和全水時(shí)電導(dǎo)率。

由電學(xué)的原理可知，測(cè)量電極間的電壓幅值是與傳感器內(nèi)部流體電導(dǎo)率成反比的。如果設(shè)混合物電導(dǎo)為Gm，全水時(shí)電導(dǎo)為Gw；混合時(shí)傳感器輸出幅值為(混相值)Fm，全水時(shí)為Fw，則可得：

由式（1）和式（2）可推得油、氣、水多相流的含水率為：

測(cè)量前需要標(biāo)定全水時(shí)的傳感器輸出值Fw。

油、氣、水多相流中水含有一定濃度的鹽離子，且濃度因地層條件不同而變化，因此這樣的混合介質(zhì)是有損耗介質(zhì)，其電導(dǎo)率主要由水中鹽離子的濃度來(lái)決定。由于含水率測(cè)量會(huì)受到水相礦化度的影響，所以針對(duì)給定的油氣水多相流，在測(cè)量前以全水時(shí)測(cè)量電導(dǎo)率作為標(biāo)定的基準(zhǔn)，先測(cè)得礦化度，然后在實(shí)時(shí)測(cè)量的過(guò)程中在軟件中進(jìn)行進(jìn)一步的修正和標(biāo)定，減小其對(duì)含水率測(cè)量造成的影響。

2 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在對(duì)電導(dǎo)傳感器特性進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，將其有關(guān)參數(shù)、材料、制造工藝等方面進(jìn)行了改造和優(yōu)化，設(shè)計(jì)出更適合油、氣、水三相混合流體中含水率測(cè)量和油田實(shí)際工程應(yīng)用需要的電導(dǎo)傳感器。如圖2中所示，將電導(dǎo)傳感器管段連接到油、氣、水三相混合流體所要流經(jīng)的管路中，電導(dǎo)傳感器最外端的兩個(gè)電極環(huán)E1和E2是用來(lái)給電導(dǎo)傳感器施加激勵(lì)源的，中間的兩對(duì)兩個(gè)電極環(huán)B1和B2構(gòu)成一對(duì)檢測(cè)電極對(duì)，當(dāng)混合流體從傳感器管段內(nèi)流過(guò)時(shí)，在激勵(lì)源的作用下，原本分布規(guī)則的電場(chǎng)發(fā)生變形，電極環(huán)B1和B2將會(huì)輸出與混合流體中連續(xù)導(dǎo)電相的分布情況有關(guān)的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)硬件電路的濾波、放大、解調(diào)等初步處理后，送入插有A/D采集卡的上位機(jī)中，配合上位機(jī)軟件對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的處理和運(yùn)算，最終就能得出混合流體中的含水率。

圖2 含水率測(cè)量系統(tǒng)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

本含水率測(cè)量系統(tǒng)中的傳感器管段是安裝在已經(jīng)標(biāo)定好的油、氣、水三相流測(cè)量裝置的管道中，本測(cè)量裝置是一套集油井模擬、多相流管道運(yùn)輸模擬和多相流實(shí)驗(yàn)研究為一體的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)，本試驗(yàn)裝置的概要流程圖如圖3所示。本試驗(yàn)裝置的主要組成部分有螺桿泵、變頻器、空氣壓縮機(jī)、空氣凈化器、流量調(diào)節(jié)閥、穩(wěn)流裝置、前后直管段、透明管段、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、單向閥、攪拌罐、混合器等組成。

圖3 試驗(yàn)裝置的概要流程圖

由于試驗(yàn)中需要油、氣、水按照一定的比例混合構(gòu)成三相混合流體，本試驗(yàn)裝置中的攪拌罐用于將油和水?dāng)嚢璩删鶆虻挠退旌衔铮擞退旌衔锱c由空氣壓縮機(jī)提供的氣體一起在混合器的作用下，實(shí)現(xiàn)油、氣、水三相流體的均勻混合。為了減小流體的脈動(dòng)干擾，油水混合流體和氣體在進(jìn)入管路前均先通過(guò)各自的穩(wěn)壓裝置進(jìn)行穩(wěn)壓，并分別經(jīng)過(guò)已經(jīng)標(biāo)定過(guò)的流量計(jì)對(duì)其流量進(jìn)行測(cè)量，以提高試驗(yàn)精度。在測(cè)量管道中安裝有透明管段，便于實(shí)時(shí)觀察流體的流型等試驗(yàn)狀況。本試驗(yàn)系統(tǒng)中多處設(shè)有閥門，可以根據(jù)需要改變流體流經(jīng)的通路，構(gòu)成單次單向循環(huán)通路或者多次往復(fù)循環(huán)通路，方便進(jìn)行各種試驗(yàn)測(cè)量。測(cè)量完畢后的流體需要經(jīng)過(guò)回收、沉淀、氣體排空、分離等過(guò)程，結(jié)束整個(gè)流程。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)是在常溫常壓下進(jìn)行的，油采用5#專用白油。油水混合灌中加入的油和水的量已知，空氣壓縮機(jī)提供的氣量也有測(cè)量?jī)x表進(jìn)行計(jì)量，這樣在管道中就能產(chǎn)生一定比例的油、氣、水三相的混合流體。電導(dǎo)傳感器上所加的激勵(lì)源采用20 kHz的正弦波恒流激勵(lì)信號(hào)，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)硬件電路的初步處理后送入上位機(jī)中進(jìn)行處理，從而構(gòu)成完整試驗(yàn)系統(tǒng)。

針對(duì)目前我國(guó)油田國(guó)內(nèi)油田多處于較高含水期的現(xiàn)狀，在含水率為80%～100%、總流量為 4．0 m3/h～8．0 m3/h的情況下分別進(jìn)行了試驗(yàn)。圖4為采集到的電導(dǎo)傳感器輸出的電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)。

圖4 電導(dǎo)傳感器輸出的電導(dǎo)波動(dòng)信號(hào)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用電導(dǎo)傳感器的特性，通過(guò)電流激勵(lì)的方式，獲取混合流體的等效阻抗信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)含水率的測(cè)量。其中某幾次試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如圖5所示。由圖中曲線可看出，電導(dǎo)式傳感器應(yīng)用于測(cè)量油、氣、水三相混合液體中的含水率時(shí)，尤其是測(cè)量含水率高達(dá)85%以上的混合液體時(shí)，具有很高的測(cè)量精度，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，但是在相同測(cè)量條件下，當(dāng)混合液體中的含水率進(jìn)一步降低時(shí)，測(cè)量誤差也會(huì)進(jìn)一步增大。

圖5 含水率測(cè)量數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

將電導(dǎo)傳感器用于測(cè)量油、氣、水三相流的含水率是可但在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，必須要注意以下幾點(diǎn)：

(1) 電導(dǎo)傳感器測(cè)量油、氣、水三相流體的含水率時(shí)，要求水為連續(xù)相，在此礎(chǔ)上行測(cè)量得到的結(jié)果才有可信度和參考價(jià)值；

(2)電導(dǎo)傳感器的測(cè)量電極環(huán)之間的距離對(duì)測(cè)量結(jié)果有明顯影響，必須根據(jù)實(shí)際情況配合試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)整好環(huán)間距，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾凸に囍谱鞲衅鬟@樣才能降低系統(tǒng)誤差，提高測(cè)量精確度；

(3)電導(dǎo)傳感器進(jìn)行油、氣、水三相流體的含水率測(cè)量時(shí)，必須根據(jù)實(shí)際情況對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，才能得到正確的測(cè)量結(jié)果。

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