剪切條件下油水乳狀液含水率測量裝置的設計

青美伊　梁華慶　袁月

摘要：針對傳統油水乳狀液含水率測量裝置的準確性低、成本高、無法實現動態測量的問題，設計一種剪切條件下乳狀液含水率的測量裝置。系統利用油水兩相的介電及電導特性的差異性，采用交流阻抗法測量待測乳狀液的復阻抗參數，從而獲得乳狀液的含水率特征。結合攪拌裝置模擬油水乳狀液在運輸環境下的剪切環境，間接實現油水乳狀液的動態測量。實驗測試表明：裝置具有良好的重復性和穩定性，可實現剪切條件下對乳狀液復阻抗參數的測量，證明乳狀液的阻抗參數與含水率存在明顯的線性關系，對進一步研究管道中油水兩相的流動性質具有一定的參考價值。

關鍵詞：含水率;油水乳狀液;復阻抗;剪切條件

中圖分類號：TH89 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）01-0099-08

0 引言

在油田開采工程中，油水混合物在集輸過程中會形成具有一定穩定性的乳狀液，很大程度上改變了油水兩相混合物的黏度以及乳化含水率，極大地影響了油水兩相流動特性[1-5]。因此，乳狀液含水率的測量對石油工業的開采、集輸和煉制過程具有重要的意義。

傳統的含水率測量方法如蒸餾法和卡爾·費休法屬于人工化驗的檢測方法，其準確性較高，但只能在實驗室內進行，無法進行野外實時測量;射線法、微波法和短波吸收法利用油水兩相的吸收系數不同，實現了精度較高的在線測量，但技術成本較高，難以維護;電容法基于油水兩相介電常數不同的原理對含水率進行測量，該方法易于實現、成本低廉，但是其測量范圍較小，難以推廣。在實際生產中，原油乳狀液在靜止一段時間后會出現分層、絮凝、聚并等現象[6]，傳統測量方法只能基于靜止條件下對混合液的油水兩相含水率進行判定，與實際工況不符，不具有適用性[7-11]。目前，并沒有較為成熟的理論和技術可對動態條件下油水混合液的乳化含水率進行合理的測試和表征。

乳狀液的阻抗信息中，包含了其介電以及電導率等相關電學特征，在一定程度上反映了體系的含水率信息，因此乳狀液阻抗信息的獲取對探究油水兩相混合流動形態的探究具有重要的意義。為實現油水乳狀液含水率的動態測量，本文設計并開發了一種能夠對油水混合液實際運輸過程進行模擬的動態阻抗測量裝置，結合攪拌裝置模擬了運輸條件下的動態剪切環境，同時利用交流阻抗技術獲取油水乳狀液的復阻抗信息，分析其乳狀液的含水率特征。系統成本低，易于維護，且避免了靜態測量中由于油水乳狀液分層現象所導致的測量誤差。

1 總體設計原理和結構

常溫下，原油的相對介電常數為2.0～2.7，但純水的相對介電常數為80，油水兩相的介電常數具有明顯差異，因此相含率的變化會直接導致乳狀液體系的容性發生變化。類似地，原油的電導率近似為零，而水的導電性質較強，其體系的阻性會因為相含率的變化產生明顯的差異。對于介質而言，其容性和阻性特征往往會反映在其復阻抗參數中;因此，不同含水率的乳狀液體系也會具有明顯不同的復阻抗特性。所以對乳狀液中復阻抗值及相關電參數進行測量有助于進一步探究兩相流的含水率特征。

為了實現對乳狀液樣品進行剪切條件下復阻抗值的測量，本文設計的測量裝置主要由樣品池、PSM1700頻率響應分析儀、攪拌系統、恒溫水浴系統構成，其裝置結構如圖1所示。

其中，樣品槽為雙半圓柱面電極的非金屬攪拌槽，通過導線將電極與PSM1700幅頻特性儀測量電路相連接，實現樣品的復阻抗值測量。攪拌器與攪拌槳、數字轉速器、數字扭矩儀共同構成攪拌系統，為裝置構建不同轉速條件的剪切場。由HAAKEAC200水浴控制系統為實驗裝置提供恒溫的水浴環境，避免在測量過程中，出現由溫度造成的測量誤差。

2 樣品槽的設計與制作

在實際測量中，樣品槽及測量極板的形狀和尺寸都在很大程度上對測量值的大小及測量裝置的準確性造成影響，所以對樣品槽的設計是整體設計中至關重要的環節。

2.1 樣品槽形狀設計

對樣品進行復阻抗值的測量，實際上是對電導和電容值進行測量，所以本文采用雙電極板作為測量電極。較為常見的測量極板為平行極板和雙圓柱電極板[12-14]。但實際上這兩種樣品槽電容很難達到理想化的條件，平行極板長度不會無限長，同時兩極板之間距離也不會無限小，因此會造成較大的邊緣效應。雙圓柱形樣品槽的長度也不會達到無限長，但其徑向上電力線完全封閉，其邊緣效應與平行極板相比較小一些。

本實驗中具有漩渦剪切場，若采用矩形樣品槽，攪拌過程中會導致流體在邊角處形成滯留，從而無法使樣品得到充分攪拌，影響結論的準確性;同時，在實際應用中也較難實現雙圓柱面樣品槽的攪拌條件。綜合考慮，本文采用雙半圓柱面電極板作為樣品槽的測量極板，其極板俯視圖和樣品槽如圖2所示。

這種結構簡單易實現，能滿足本實驗中的攪拌條件，同時也能最大程度減小邊緣效應。

2.2 樣品槽尺寸設計

樣品槽的尺寸對攪拌時液體形變具有重要影響，當樣品槽內徑過小，攪拌所形成的漩渦較大，實驗造成的誤差也較大;若內徑過大，則無法達到充分攪拌的目的。所以在對樣品槽的尺寸進行設計時，既要保證使乳狀液得到充分攪拌，也要在一定程度上保證測量結果的準確性和穩定性。

為了滿足實驗的攪拌條件，采用如表1所示的兩種樣品槽進行尺寸的篩選和設計。

兩樣品攪拌槽均由非金屬材料制作，內側均置有尺寸為163mm×130mm×0.5mm的雙半圓柱面紫銅電極，其實物如圖3所示。

經理論分析，實驗中由攪拌形成漩渦所引起的流體形變是主要的誤差來源。所以主要對純物質（純水、純油）在不同轉速下所引起的測量變化作為依據對樣品槽進行篩選。實驗中，分別將純水、純油樣品裝入1^#槽（150mL）和2呀曹（750mL）中，對樣品進行不同強度的攪拌（200，300，400r/min）并對其電阻和電容值進行測量，實驗結果如圖4所示。

由圖可知，當實驗樣品為純油時，其攪拌轉速不會對實驗結果造成明顯影響，而純水樣品則在不同轉速下表現出了一定的差異性。可以推知，當實驗樣品為乳狀液時，攪拌所引起的流體形變會在一定程度上對其電學參數造成一定的誤差。

本文采用標準差系數對數據差異性進行判定，通過計算可得，1^#槽的數據標準差系數約為0.037，2^#槽的標準差系數為0.013，可知2^#槽所受到攪拌的影響較小，其測量結果更具有準確性和穩定性。

3 乳狀液復阻抗測量儀的研制

3.1 攪拌系統的設計與改進

攪拌系統主要由攪拌槳、IKA MR-D攪拌器、RE162C數字轉速器、D1-S1數字扭矩儀構成，其中攪拌器和攪拌槳構成系統的動力部分，通過數字轉速器對轉速進行控制和調節，最高可達1600r/min，數字扭矩儀可對乳狀液的黏度等相關特性進行探究。

1）攪拌槳材料設計

由于實驗中需要對樣品的電學特性進行測量，攪拌槳的材質會在較大程度上對電參數值造成影響，因此需要對攪拌槳的材料進行篩選和分析，開展非金屬槳和金屬槳的區別實驗。

實驗采用純水和塔里木原油作為實驗樣品，分別使用非金屬槳1^#和金屬槳2^#對樣品進行不同轉速的攪拌，通過電參數的變化分析兩種材料對實驗結果的影響。一般情況下，實驗中的純水為阻性物質，純油為容性物質，因此使用電阻值表征純水樣品的電學性質，使用電容表征純油樣品的電學性質，實驗結果如圖5所示。

圖中A，B點是分別放入1^#、2^#槳的時刻，由圖可知，當實驗樣品為原油物質時，其加入金屬槳、非金屬槳對所測量電參數值均無較大影響。而將純水作為實驗樣品時，金屬材料的攪拌槳對測量結果的影響要遠大于非金屬塑料槳，說明金屬材質的攪拌槳對在一定程度上造成實驗誤差，因此采用非金屬樹脂材料來制作攪拌槳。

考慮攪拌作用會對攪拌槳桿產生一定扭矩，當轉速過大時，非金屬槳桿會發生一定程度的變形，所以實驗采用金屬材料作為攪拌桿，并定制相匹配的樹脂封套，避免金屬材質對樣品電參數測量產生影響。

2）攪拌槳形狀設計

渦輪式、框式和錨式攪拌槳適用于粘度較高的液體，但是框式和錨式制作工藝簡單，更易實現，所以本實驗中暫時將攪拌槳的形狀設計為類似于框式和錨式的平葉式。同時，在本實驗中為了能夠對樣品進行充分攪拌，設計攪拌槳尺寸為70mm×70mm×5mm。

在實驗過程中，發現當攪拌轉速過大時，平葉式攪拌槳會使樣品形成較大的漩渦流場，極大影響了測量結果的準確性。為了減小由于攪拌所導致的漩渦流場，考慮在攪拌槳上均勻分布6個直徑均為15mm的過流孔，從而減小攪拌阻力。最終攪拌槳的形狀設計如圖6所示。

經實驗驗證，改良后的槳桿在攪拌時產生的阻力更小，能夠盡量減小攪拌所引起的流體形變。

3.2 測量電路的構建

本文中所使用的測量設備為PSM 1700頻率響應分析儀，這種儀器具有兩個測量通道，能夠對各通道電壓以及兩通道之間的相角差進行高精度的測量。利用所測量的電壓和相位差等基本的數據，搭建電路對樣品復阻抗數據進行計算。

具體電路如圖7所示。

信號端輸出電壓幅度為2V，信號頻率范圍為50Hz～1MHz的掃頻電壓信號V_out，通道1測量整體電路的電壓V₁及相關參數，通道2測量樣品槽兩端的電壓V₂及相關參數，并得出兩通道相位差φ，根據公式計算出各頻率下樣品的阻抗：

通過樣品的阻抗值以及相位差，可以獲取乳狀液復阻抗的實部、虛部等信息：

Z'（f）=Z（f）×cosφ

Z''（f）=Z（f）×sinφ（2）其中Z'（f）為樣品復阻抗的實部值，Z"（f）為樣品復阻抗的虛部值，兩者都是關于頻率的函數。

3.3 恒溫水浴系統

溫度的變化會極大的影響樣品溶液物性和電性參數。經測量，本實驗中環境溫度變化±10℃會導致樣品溶液的阻抗值發生±1kΩ的變化。因此，為了避免溫度的不穩定對實驗數據造成影響，設計了恒溫水浴系統對樣品槽進行溫度控制，保持實驗進程中溫度條件的穩定。

如圖8所示，該循環水浴槽的中間部分為樣品槽，以便用于樣品的放置和攪拌，樣品槽周圍為45mm厚度的循環水浴槽，利用對水溫的控制保證實驗溫度的穩定和控制。

通過HAAKE AC200水浴控制系統對循環水浴槽的水溫進行控制，從而保證在整個實驗過程中，樣品阻抗不會受到外界溫度變化的影響。

4 實驗驗證

為了驗證所設計的測量裝置具有一定的適用性，本文開展一系列實驗對裝置的重復性和穩定性進行檢驗。

4.1 重復性檢驗

在相同的實驗條件下對阻抗進行重復測量，若實驗數據具有一致性，則可驗證該裝置的測量具有良好的重復性。

本文采用蒸餾水、塔里木原油以及0.6含水率的油水乳狀液作為實驗樣品，分兩次對不同樣品在靜止（轉速0r/min）和攪拌（轉速500r/min）的條件下進行阻抗值的測量，將數據進行對比和分析。具體實驗結果如圖9所示。

從圖中可以看出，在靜止（轉速0r/min）和攪拌（轉速500r/min）兩種狀態下，純水、純油以及含水率為0.6的油水乳狀液在兩次測量中阻抗數據極為相近，利用origin軟件分別同物質同轉速下兩次所測量的阻抗數據做相關性分析，得到各條件下兩組數據之間的皮爾遜相關系數均大于0.999，證明數據具有較高的重復性，滿足實驗要求。

4.2 穩定性驗證

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