張 沖，王鑫章，孫 冰，楊 靜

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津300452)

0 引 言

在油田開采過(guò)程中，產(chǎn)物以油氣水三相混合液為主，為實(shí)現(xiàn)對(duì)合格產(chǎn)品的有效輸出，通常使用三相分離器對(duì)油氣水三相混合液進(jìn)行分離處理。但在一些原油集輸站點(diǎn)生產(chǎn)中，存在脫水效果不理想的問(wèn)題，導(dǎo)致石油輸出質(zhì)量和效率都不盡如人意[1]。其中的原因之一就是在分離過(guò)程中，設(shè)備脫氣效率較高但脫水穩(wěn)定性不足，存在水油分離效果不佳的現(xiàn)象。因此三相分離器需要增加對(duì)油水混合液進(jìn)行含水率測(cè)量的工藝流程，用來(lái)驗(yàn)證分離作業(yè)是否達(dá)到預(yù)期效果，從而提高油氣水分離效率，確保油田開發(fā)建設(shè)水平，提升油田開發(fā)效益。

1 油水分布測(cè)量方法

目前，工業(yè)中測(cè)量石油含水率的常見方法有以下幾種：蒸餾法、密度法、微波法、電導(dǎo)法、電容法、短波吸收法等[2]，分述如下。

①蒸餾法：在被測(cè)樣品中加入與水不相容的試劑后，在回流條件下加熱蒸餾，水和溶劑冷凝后在接收器中連續(xù)分離，分離后水沉降至接收器，溶劑保留至蒸餾燒瓶，讀出接收器中水的體積，即可計(jì)算出樣品的含水率[3]。蒸餾法是當(dāng)下石油含水量測(cè)試的傳統(tǒng)方法，精確程度較高，技術(shù)成熟，但該方法是取樣品離線測(cè)量，成本較高、操作復(fù)雜且檢測(cè)效率低，難以適用于三相分離器工藝流程。

②密度法：通過(guò)雜質(zhì)與水兩相模型進(jìn)行含水量分布測(cè)量[4]。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試成本低的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)與蒸餾法相似，需要取樣測(cè)量且自動(dòng)化程度較低。

③微波法：利用水油介質(zhì)在微波電場(chǎng)中儲(chǔ)能系數(shù)和耗能系數(shù)的差異，通過(guò)傳感器進(jìn)行油品中含水量的測(cè)量。該方法能夠支持在線測(cè)量、測(cè)量范圍寬、精度高，部分油田正在使用微波法進(jìn)行含水量監(jiān)測(cè)，但造價(jià)比較昂貴，對(duì)于產(chǎn)量較少的油田來(lái)說(shuō)，該技術(shù)附帶的經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高，通用性不強(qiáng)。

④電導(dǎo)法：物體表面或內(nèi)部含水量變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電阻值的減小，電導(dǎo)法的工作原理就是通過(guò)直流電測(cè)試物體的導(dǎo)電性能[5]。該方法原理簡(jiǎn)單，測(cè)試精度較低，通常用于測(cè)試易吸水的固體物質(zhì)含水量，不適用于油水混合液測(cè)試。

⑤電容法：對(duì)于油水混合液來(lái)說(shuō)，水的介電常數(shù)要遠(yuǎn)大于油，因此油品含水量的微小變化會(huì)引起介電常數(shù)的較大變化。電容法使用電容傳感器將介電常數(shù)的變化反饋至電容儲(chǔ)能中，通過(guò)電路測(cè)量電容值來(lái)衡量油品含水率[6]。

⑥短波吸收法：含水率不同的油品，對(duì)于短波能量的吸收能力也不相同[7]，該方法將電能以電磁波的形式輻射到以乳化狀態(tài)存在的油水介質(zhì)中，根據(jù)短波攝入溶液前后的能量差來(lái)檢測(cè)油水乳化液的含水率。

綜合考慮適用程度、實(shí)現(xiàn)難度和經(jīng)濟(jì)價(jià)值后，本文選取電容法研制三相分離器油水分布測(cè)量?jī)x，實(shí)現(xiàn)油水混合液含水量測(cè)量。

2 電容法測(cè)量原理

電容法利用水和油的介電常數(shù)存在很大差別這一原理來(lái)實(shí)現(xiàn)混合液含水率的測(cè)量[8]。電容式傳感器從原理上又可以分為兩種，一種為基于正對(duì)電場(chǎng)效應(yīng)制作的傳感器，另一種是基于電場(chǎng)邊緣效應(yīng)制作的傳感器。在平行極板電容中，兩極板的邊緣電場(chǎng)分布于平行極板的邊緣處且電場(chǎng)線是彎曲的，而正對(duì)電場(chǎng)分布于平行極板中間且電場(chǎng)線是平行的[9]。一般情況下，電容的邊緣效應(yīng)被視為檢測(cè)過(guò)程中的不利因素，雖然目前存在利用電容邊緣效應(yīng)而產(chǎn)生的新型檢測(cè)方法，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本較高，因此本文采用基于正對(duì)電場(chǎng)效應(yīng)制作的傳感器。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

3.1 主控板設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的儀器電路系統(tǒng)采用 16位超低功耗MSP430F5529單片機(jī)作為處理器，結(jié)合外部電路設(shè)計(jì)開發(fā)了電容測(cè)量電路，電路實(shí)物如圖 1所示?；贙eil軟件使用 C語(yǔ)言編寫了測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路正常動(dòng)作以及對(duì)比電容測(cè)量功能。

圖1 主控板實(shí)物圖Fig.1 Main control board

3.2 電容傳感器設(shè)計(jì)

多極板電容傳感器如圖2所示。采用印刷電路方式進(jìn)行極板設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)出 2塊三極電容板電路，單一極板尺寸為 100mm×50mm，由 3個(gè)極板構(gòu)成一塊多極板電路，兩塊多極板電路通過(guò)組合形成多極板電容傳感器。

圖2 多極電容板實(shí)物圖Fig.2 Multipolar capacitor plate

按照不同極板間距組合形成兩類多極板電容傳感器，分別為 d1＝5mm、d2＝10mm，其中極板間距5mm傳感器如圖3所示。

圖3 多極板電容傳感器實(shí)物圖Fig.3 Multipolar plate capacitance sensor

多極板電容傳感器的工作原理是基于極板電容容量推導(dǎo)得出，根據(jù)極板電容公式，則有：

式中：rε代表介質(zhì)的介電常數(shù)，本文取水的介電常數(shù)為 80，油的介電常數(shù)為 3～6；S為極板面積，由于極板的長(zhǎng)和寬分別為 100、50mm，S＝0.005m2；d為極板間距。

①當(dāng)極板間距d＝5mm時(shí)，則有：

當(dāng)介質(zhì)為水時(shí)，取rε＝80，則有Cmax1＝708.8pF；當(dāng)介質(zhì)為純油時(shí)，取rε＝5，則有Cmin1＝44.3pF。因此極板間距為5mm時(shí)，使用電容傳感器測(cè)試油水混合介質(zhì)，極板電容的變化范圍是44.3～708.8pF。

②當(dāng)極板間距d＝10mm時(shí)，則有：

同上，當(dāng)介質(zhì)為水時(shí)，取rε＝80，則有Cmax2＝354.4pF；當(dāng)介質(zhì)為純油時(shí)，取rε＝5，則有Cmin2＝22.15pF。因此極板間距為 10mm 時(shí)，使用電容傳感器測(cè)試油水混合介質(zhì)，極板電容的變化范圍是22.15～354.4pF。

3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文采用量筒作為容器，量筒內(nèi)溶液為自來(lái)水與食用油混合液，根據(jù)有關(guān)參考文獻(xiàn)查證，自來(lái)水與油田生產(chǎn)水、食用油與原油的介電常數(shù)接近，能夠滿足實(shí)驗(yàn)條件。主控板與電容傳感器通過(guò)接口連接，采用高性能示波器抓取采樣波形，分辨油水在多極板電容測(cè)量時(shí)的不同效果。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)物如圖4所示。

通過(guò)示波器測(cè)試電容傳感器的充放電時(shí)間，充電時(shí)間由程序控制，設(shè)置為 10ms，放電測(cè)量起始時(shí)間從控制端變?yōu)榈碗娖介_始，此時(shí)電容電壓開始下降，直至為 0V。當(dāng)采樣電路接收到電容端的低電平信號(hào)時(shí)，處理器端口停止發(fā)出低電平信號(hào)，此時(shí)計(jì)時(shí)停止。不同的電容值對(duì)應(yīng)不同的沖放電時(shí)間不同，從而可以實(shí)現(xiàn)電容測(cè)量。圖 4示波器中的綠色波形線 L1表示極板間介質(zhì)為純水，黃色波形線 L2表示油水混合介質(zhì)，曲線表示電容電壓變化過(guò)程，電壓下降越慢，表示電容值越大，反之亦然。因此可以通過(guò)測(cè)量電容容值 C來(lái)區(qū)分純水、油水混合、純油介質(zhì)，與前文理論說(shuō)明一致。

圖4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖Fig.4 Experimental system

3.4 穩(wěn)定性驗(yàn)證

根據(jù) 3.3節(jié)測(cè)試條件，對(duì)已知電容進(jìn)行測(cè)試。已知電容值如表 1第一列數(shù)值所示，進(jìn)行時(shí)間測(cè)量，共計(jì) 4次，單位為 μs，求取平均值，然后再求取各次測(cè)量結(jié)果與平均值之差的引用誤差。

測(cè)量結(jié)果如表1所示，引用誤差為：

其中，X為測(cè)量值，X0為平均值，L為平均值最長(zhǎng)時(shí)間與最短時(shí)間之差。

表1 放電測(cè)試結(jié)果表Tab.1 Discharge test result

由表 1可知，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)測(cè)量，測(cè)量電路對(duì)電容的測(cè)量重復(fù)性較好，而且僅有的最大引用誤差為0.37%，證明系統(tǒng)較好實(shí)現(xiàn)了測(cè)量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)石油開采過(guò)程中對(duì)油水分離程度的測(cè)試需求，通過(guò)分析水油含量常用檢測(cè)方法，選擇電容法進(jìn)行三相分離器內(nèi)部油水含量分布測(cè)試工藝設(shè)計(jì)，通過(guò)原理分析、電路硬件設(shè)計(jì)、軟件調(diào)試以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究表明，利用多極板電容作為傳感器進(jìn)行三相分離器內(nèi)部油水分布測(cè)量的方法從理論上具備可行性。此外還模擬三相分離器水油混合液環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了方案的實(shí)際測(cè)量效果。測(cè)量數(shù)據(jù)表明，所設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易多極板電容實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到了驗(yàn)證的目的，可以進(jìn)行測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作。