劉闖，張照，彭正輝，朱今祥，吳燕民，葛薇

(中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島 266580)

原油站庫(kù)的原油交接計(jì)量直接關(guān)系到油田的成本核算，區(qū)塊的產(chǎn)油累計(jì),地質(zhì)開(kāi)采方案編制等多方面。但由于油水密度的不同及受強(qiáng)電場(chǎng)、溫度、壓力等因素的影響，導(dǎo)致無(wú)法測(cè)得油罐內(nèi)準(zhǔn)確的油水界面,從而影響油罐盤庫(kù)計(jì)量準(zhǔn)確度。通常情況下，從罐頂?shù)焦薜祝镔|(zhì)的分布規(guī)律分別為氣體、原油、油水乳化液、水、污泥層。油罐中的油和水可以組成不同形態(tài)的油水乳化液，在界面處形成乳化帶，準(zhǔn)確地測(cè)量出乳化帶的位置和寬度，就能確定油水界面的位置，進(jìn)而計(jì)算出儲(chǔ)罐中原油和水的體積。

在原油生產(chǎn)過(guò)程中，很多儲(chǔ)罐仍然采用人工方法檢測(cè)儲(chǔ)罐的油水界面的位置，測(cè)量誤差較大，操作不便，而且受取樣和測(cè)定周期的影響。因此，本文設(shè)計(jì)了一種電容式油水界面儀，可以實(shí)現(xiàn)原油罐的油水界面長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。

1 油水界面儀的工作原理與系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 工作原理

油水界面的位置可以通過(guò)監(jiān)測(cè)浸在其中2個(gè)極板的電容值差異后計(jì)算得到，原理如圖1所示。

圖1 板間電容原理示意

電容的計(jì)算如式(1)所示：

C=εrε0S/d

(1)

式中：C——電容值；εr——被測(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；ε0——常溫空氣的介電常數(shù)；S——極板的正對(duì)面積；d——極板距離。由此可見(jiàn)，當(dāng)兩極板的相對(duì)位置確定后，影響C的只有εr，因此C和εr之間的線性關(guān)系如式(2)所示：

C=aεr+b

(2)

式中：a,b——常數(shù)

1.2 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

電容式油水界面儀主要由電容測(cè)量傳感器，檢測(cè)控制主機(jī)和上位機(jī)PC構(gòu)成，其中電容測(cè)量傳感器置于油罐內(nèi)部，可以單根工作，也可以根據(jù)實(shí)際油罐的高度多根級(jí)聯(lián)工作；檢測(cè)控制主機(jī)位于油罐外，主要用于上位機(jī)PC和電容測(cè)量傳感器之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)電容測(cè)量傳感器的控制；上位機(jī)PC主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和圖形化顯示等。測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成示意

1.2.1電容測(cè)量傳感器

電容測(cè)量傳感器的工作原理如圖3所示，主要由單片機(jī)MSP430，多路開(kāi)關(guān)CD4051B，電容控制處理器AD7143，收發(fā)傳感器及外圍電路構(gòu)成。其中MSP430產(chǎn)生100 MHz的方波信號(hào)源，通過(guò)CD4051B加載到發(fā)射傳感器端，激發(fā)電場(chǎng)經(jīng)過(guò)被測(cè)介質(zhì)到達(dá)接收傳感器，接收到的信號(hào)通過(guò)AD7143后傳輸?shù)綑z測(cè)控制主機(jī)進(jìn)行融合等進(jìn)一步處理。

圖3 電容傳感器電路示意

1.2.2檢測(cè)控制主機(jī)

檢測(cè)控制主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)多級(jí)電容測(cè)量傳感器的實(shí)時(shí)控制、故障檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸，利用微處理器MCU完成數(shù)據(jù)融合處理和分析，并且實(shí)現(xiàn)輸入電源的電壓轉(zhuǎn)換，包括DC-DC及LDO單元。檢測(cè)控制主機(jī)和上位機(jī)PC的數(shù)據(jù)交互采用RS-485通信接口，保證數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸需求。

1.2.3管理軟件

油水界面管理軟件運(yùn)行于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通過(guò)RS-485工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線可對(duì)遠(yuǎn)程的多個(gè)檢測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)警指示，管理軟件的功能包括： 介質(zhì)層高度顯示、工作狀態(tài)指示、主機(jī)開(kāi)關(guān)控制及超閾值報(bào)警四部分，其中介質(zhì)層高度顯示的主要功能是顯示介質(zhì)層高度，即顯示油罐內(nèi)氣、油、油水混合區(qū)、水四種介質(zhì)層高度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；工作狀態(tài)功能用來(lái)顯示儀器是否正常工作，硬件連接是否正常等；主機(jī)開(kāi)關(guān)控制可以對(duì)每個(gè)級(jí)聯(lián)的電容測(cè)量傳感器的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制；過(guò)閾值報(bào)警功能可方便用戶設(shè)定介質(zhì)層閾值，并做出相應(yīng)的報(bào)警指示。

1.2.4數(shù)據(jù)處理

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于受到溫度、黏度、電場(chǎng)強(qiáng)度等因素的影響，油水界面通常是厚薄不均、含水不均的過(guò)渡帶，界面過(guò)渡帶的復(fù)雜性，還有周圍環(huán)境的隨機(jī)干擾，都增加了油水界面檢測(cè)的難度。采用自適應(yīng)濾波、自適應(yīng)背景對(duì)消等處理方法抑制隨機(jī)干擾信號(hào)、剔除背景噪聲，凸顯油水混合界面的微弱信號(hào)，采用差值、平滑、標(biāo)準(zhǔn)化等處理方法校正實(shí)時(shí)曲線，采用區(qū)間擬合技術(shù)實(shí)現(xiàn)油水界面的精確檢測(cè)定位，具體處理流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程示意

2 室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)測(cè)試環(huán)境中，利用1.2 m×0.5 m×0.5 m的玻璃缸模擬油罐,下層注入高為80 cm的自來(lái)水,上部注入高為15 cm的油層,最上方為空氣層，利用鋼尺作為參照標(biāo)準(zhǔn)。將1根電容傳感器垂直放入到模擬油罐內(nèi)，在不同深度處，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)工作，通過(guò)上位機(jī)軟件顯示，可以觀察到在不同位置處傳感器的不同測(cè)量值。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖5所示，橫坐標(biāo)為電容傳感器(簡(jiǎn)稱油尺)通道，縱坐標(biāo)為歸一化電性參數(shù)反演值。從圖5中可見(jiàn)，電容傳感器的21～36通道位置處電性參數(shù)反應(yīng)值最高，處于第一臺(tái)階，第21通道以上為空氣層，處于第二臺(tái)階位置，第36通道以下為水層，可見(jiàn)各個(gè)液體層界面比較明顯，分層清晰易識(shí)別，并且與鋼尺指示的位置一致，同時(shí)油水過(guò)渡帶可以清晰地判別出來(lái)。

圖5 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果示意

同理，鋼尺位置不變，手動(dòng)控制電容傳感器在油罐的不同位置，通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)、觀察測(cè)試結(jié)果，多組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。在4次測(cè)試中，均有空氣-原油界面有顯著的臺(tái)階式升高，油水界面臺(tái)階式下降，實(shí)驗(yàn)1曲線抬升區(qū)為11～26通道，實(shí)驗(yàn)2曲線抬升區(qū)為21～36通道，實(shí)驗(yàn)3曲線抬升區(qū)為29～44通道，實(shí)驗(yàn)4曲線抬升區(qū)為44～56通道，在每一種液體介質(zhì)中，反演的電性參數(shù)較一致，不會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，4次實(shí)驗(yàn)抬升厚度均為15 cm，測(cè)量穩(wěn)定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)試結(jié)果表明： 油水界面檢測(cè)儀具有很好的穩(wěn)定性和較高的準(zhǔn)確度。

圖6 多組實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

2017年5月9—10日在某油田現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采油井，模擬油罐尺寸為1.5 m×0.5 m×0.5 m，試驗(yàn)用的液體為該采油井現(xiàn)場(chǎng)采出液。

用鋼卷尺測(cè)量玻璃儲(chǔ)罐各界面高度并記錄，用油水界面儀樣機(jī)測(cè)試各界面，對(duì)比兩種方法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行指標(biāo)驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表1所列。由表1可知，鋼卷尺記錄值和油水界面儀測(cè)量的油層厚度誤差均在1.0 cm以內(nèi)，精度較高。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 cm

3 結(jié)論

1)在油罐內(nèi)，油層、水層、油水過(guò)渡帶的電容不同，通過(guò)算法處理后可以清晰地看到3個(gè)層位的曲線。

2)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，在同一種環(huán)境，油水界面儀放置在不同位置均可獲得完整的油層、油水過(guò)渡帶、水層的差異曲線，效果穩(wěn)定。

3)基于不同介質(zhì)電容不同的原理，該油水界面儀可以精確地測(cè)量油層的厚度，精度在±1.0 cm以內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了電容式油水界面儀的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)采用電容式傳感器可以根據(jù)油和水的介電常數(shù)差異實(shí)現(xiàn)油層、水層及油水過(guò)渡帶的測(cè)量，通過(guò)RS-485工業(yè)總線可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程安全控制及顯示，經(jīng)過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明測(cè)量效果穩(wěn)定，精度高，具有較高的使用價(jià)值。