新型原油含水率在線監測測試方法

朱 浩，于 革，張治國

新型原油含水率在線監測測試方法

朱 浩，于 革，張治國

（黑龍江省科學院大慶分院，黑龍江 大慶 163319）

目前石油含水率測量應用的方法主要有射線法、短波吸收法、微波法、電容法、射頻法和紅外光譜法等，測油品微水含量采用卡爾·費休法。通過綜合分析現有的測水技術，將微波法、電容、射頻法相融合，加入脈沖補償電路、積分放大電路等，采用電脈沖分析法在線測量石油水份，使測量的穩定性和準確性得到很大提升。傳感器部分采用圓筒形結構，使測水儀在操作上更加簡便，使用和測量范圍更大，靈活性和可靠性也得到加強。

原油含水率；電荷轉移脈沖法；電荷泵；積分放大電路

1　背景介紹

原油的含水率測量對于確定出水或出油的層位、掌握油田地層動態、估計產量和預測開發壽命及油田的產量質量控制、油井狀態檢測、減少能耗、降低成本和采油管理自動化等很多方面都具有十分重要意義，對決策部門掌握生產動態、確定產量分配、提高三次采油質量也同樣起著至關重要的作用。

電脈沖分析法的基本原理是在介質電極加上一個窄脈沖電壓，在脈沖電場與介質相互作用時，介質水分子簡化為電偶極子，介質由大量微小的電偶極子組成。當沒有外電場時，由于石油中的水分子的無規則的熱運動，電偶極子的排列是雜亂無章的，因而對外不顯電性。當有外電場時，每個電偶極子都將受到一個力矩的作用。在此力矩的作用下，石油中的電偶極子將轉向外電場的方向。由于分子的熱運動，各電偶極子的排列并不是十分整齊，對于整個電場中的石油來說，在垂直于電場方向的兩個表面上，也將產生極化電荷，這種電荷不能轉移、移動和被帶走。撤去外電場，由于分子的無規則的熱運動，電偶極子的排列又將變成雜亂無章。介質中的極性水分子受到這一脈沖電場力的作用而產生極化電荷，同時會在電容極板上感應出相應的等量異種電荷。當脈沖電場力撤出后，極化電荷會由于自身的熱運動而恢復到原來雜亂無章的狀態，而等量的異種電荷會經由電荷放大器處理并轉化為電壓信號送由單片機處理。在這里，極化電荷的多少與極性水分子的多少有一定關系。

2　設計思路

對兩塊絕緣平行板加以頻率很低的脈沖電壓（因為如果交變電場的頻率足夠低，取向極化能跟得上外加電場的變化，這時電介質的極化過程與靜電場作用下的極化過程沒有多大的區別），使兩極板帶有相同數量的相反電荷。把每個極板上的電荷叫作表面電荷密度叫作（即由除以平板表面即所得）。把由該電荷激發的電場稱作當進行水份測量時，被測原油在電場中的部分激發出兩層極化電荷。把這些極化電荷用表示。極化電荷“自己”也激發電場此電場方向與原電場方向相反。如圖1所示。所以，凈電場為

因此從數量上看，E比小（即電場變弱了），即

圖1　水份測量時電場示意圖Fig.1 The electric field of moisture measurement

由此可知，當加在兩平行極板間的電壓V不變時（一般，V等于極板內的全電場E乘以極板間距離d），鋁板間的全電場E不會變化，因此，Qiree和Eiree必定會上升。從而可知，極化電荷又與鋁板上的自由電荷存在一定關系。至此，確定原油中水分的含量與鋁板上的部分電荷也存在一定比例關系。

電荷轉移的實現：從以上的分析看出，電場中原油的含水量的變化會引起極板上部分自由電荷的變化。由于極板間加的是脈沖電壓，很難通過直接的方法對這部分自由電荷進行測量，所以引進了電荷泵的原理。通過電荷泵我們將自由電荷進行轉移測量，這樣既可以精準測量電荷的數量，又降低了測量電荷對極板電場的影響。

電荷泵的基本原理是利用電容對電荷的積累效應。被測電荷經二極管輸入到電容的A端，被電容存儲起來。二極管的作用是防止輸入電荷消失后，存儲在電容上的電荷經輸入端跑掉。電荷經過一段時間的積累，在電容A和B兩端會產生一定壓差，這個壓差就是我們要測量的信號。

系統的結構設計：傳感器部分采用圓筒形結構，傳感器外面均用絕緣材料固定并與石油管道連接。傳感器內部陰極和陽極均涂敷了絕緣層擴展傳感器的量程，使傳感器可以檢測0%～100%的含水率。

電路設計：硬件電路主要由控制電路和測量電路兩部分組成。控制電路由單片機構成，主要負責采集到數據的處理和控制信號的產生。測量電路是硬件電路設計的核心部分，主要由脈沖補償電路、積分放大電路、標準電容自校電路、電荷轉移電路和計數采樣電路等組成。

脈沖補償電路：就是用來產生本地電荷的，本地電荷應該與極板電場自身產生的自由電荷相等，使本地電荷與電場電荷能夠相抵消，即在沒有進行測量時，輸出的自由電荷為零，這樣經過補償之后輸出的電荷就與石油在電場中的極化電荷相等。

積分放大電路：由于經過補償后輸出的自由電荷屬于微弱信號，需要經過放大處理后才能檢測，所以采用典型的積分放大電路，基本積分電路都存在如積分漂移、非線性誤差和泄漏現象，這些都會對測量精度和穩定性產生很大影響。

標準電容自校電路：為了提高測量精度，盡量減小電阻漂移對測量造成的影響。選擇溫漂小的元器件外，標準電容選擇漏電流小、電容穩定的獨石電容。在測量一段時間后，將測量電路轉換到標準電容進行自校，測出偏差后對測量數據進行補償。

電荷轉移電路：電荷轉移電路選用最基本的電荷泵電路，在電路中，為防止連續2次測量中電荷的殘留影響，加入了放電電路。當1次測量完成后，加入控制信號使D1導通，對測量電容放電，并保持一段時間。在下次測量前，提前一段時間撤除控制信號，使電荷泵處于工作狀態。

計數采樣電路：計數采樣電路主要是用VFC32壓頻轉換器將電荷轉移成的電壓信號再轉換為單片機可以直接測量的頻率信號。

單片機程序設計：在該項目中，單片機選用的是AVR系列的ATmega64。在系統上電后，單片機首先進行系統初始化處理，其中包括對I/O口的配置、串行口的配置、定時器的配置和PWM的控制。初始化完成后，系統首先進行自校測量，防止溫度等環境因素的變化對積分電路造成影響。當系統穩定后，即可對原油進行測量，并將測得的頻率信號經過修正函數修正成與水份相對應，將修正后的結果通過485通信接口上傳到上位機。

3　誤差分析

電子學誤差包括探測器輸出脈沖的可能堆積（計數率過載）、探測器的響應時間、放大器的穩定性及頻率特性及噪聲等干擾。

溫差效應誤差：溫度除了影響所有的電子學器件和探測器的性能外，更主要的是影響被測原油的密度。溫度升高，原油的密度下降，投射計數增加，在含水量不變的情況下，測量出的含水量下降。

4　數據分析

原油含水量實驗數據分析：在獲取大量實驗數據后，使用Origin軟件對數據進行分析處理。從大量數據中我們發現，石油含水率與計數率之間的函數關系呈現很強的規律性。經過嘗試，最終選擇了與多項式擬合稍差一些的對數函式擬合。在確定對數擬合后，又對各種對數函式擬合結果進行比較，最后確定擬合函式為:

從對實驗室數據的分析中，得出結論：石油中水分的含量與其在電場下產生的極化電荷呈對數關系。而且大量的數據表明，擬合函式中的參數b在-4左右。由于試驗條件的限制，無法確定參數a和c與定量之間的對應關系，但目前數據表明，這兩個參數也只在固定范圍內變化。

電荷脈沖分析法與DTS石油含水電脫分析儀對比測試結果如表1。

對測得的數據進行回歸分析，并計算測量值與實際值之間的偏差，得到表1所示的數據。從整體來看，測量偏差范圍在1.12%以內。這表明使用電荷脈沖分析法的水份測量儀用于原油含水率的在線測量是完全可行的。

表1　對比測試Tab.1 Comparison test

5　結語

電荷脈沖分析法石油水份在線測量儀的樣機經反復實驗考核，及對比DTS石油含水電脫分析儀實際測量情況來看，其性能指標已達到預期要求，擁有良好的實際應用前景。

The new test method on on-line monitoring of crude oil moisture

ZHUHao，YUGe，ZHANGZhi-guo
（DaqingBranch ofHeilongjiangAcademyofSciences，Daqing163319，China）

The current methods of measuring the moisture content of the crude oil mainly include ray method，shortwave absorption，microwave，capacitive method，radio frequency and infrared spectroscopy method，and the Karl Fischer method is used to measure moisture content in oil.Through a comprehensive analysis of existing moisture measuring technology，microwave method，capacitors，RF wears were integrated，adding pulse compensation circuit，integrating amplifier，etc.，using an electric pulse analysis on-line measurement of oil moisture，so that the stability and accuracy of the measurements obtained was greatly improved.Sensor uses a cylindrical structure，so that the measuring water meter was easily used on the operator，greater use and measurement range，flexibilityand reliabilityhave alsobeen strengthened.

Crude moisture；Charge transfer pulse method；Charge pump；Integral amplifier

TE311

A

1674-8646（2015）04-0026-03