油田原油含水率在线检测电路设计

油田原油含水率在线检测电路设计

葛明鑫，李汶骏，张益玮

滨州学院电气工程学院  山东 滨州  256600

摘要：原油的含水率在油田开采、脱水、运输以及销售等环节都具有极其重要的影响，研制微型原油含水率在线测量仪，降低测量难度，提高测量的精度与稳定性，将有力地推进原油含水率在线测量技术的发展。本文基于电容式传感器，利用电荷转移法设计了原油含水率的测量电路，所设计的检测电路可实现含水率测量范围可达到0～100%，误差＜1％，具有线性度好，灵敏度高，稳定性好，漂移小的特点，实现了宽测量范围的线性化和系统的快速响应。

关键词：原油含水率；检测电路；电容式传感器；电荷转移法

山东省大学生创新创业训练计划项目：智慧油田原油含水率在线测量系统设计（项目编号S202210449078）

原油的含水率在油田开采、脱水、运输以及销售等环节都具有极其重要的影响。含水的存在会导致油液乳化浑浊，黏度增加，对设备腐蚀加重，同时也加大了管道的运输功耗，造成管道运输不稳定。原油含水率的测量方法主要分为离线测量和在线测量。离线测量通常在实验室完成，需要对样本进行取样。由于取样的随机性大，取样不及时，导致油品性质或原油含水率可能发生改变，且在恶劣的天气情况下，化验的劳动强度更大，不能较好地满足油田生产自动化管理的需求[1]，因此，基于原油样品的物理和化学性质，通过离线方式直接测量其组分及含量的在线测量技术得到了广泛的应用。离线测量的主要方法有卡尔-费休法[2]、蒸馏法[3]、离心法[4]和电脱法[5]等。在线测量法主要有电容法、光谱法、阻抗法、密度法、射线法、短波法及微波法等[6]。在原油含水率检测中，电容式传感器以其结构简单、响应快、灵敏度高等优点被广泛使用。运用电荷转移法可实现电容到电压的转换，再利用电压频率转换电路，同时应用数值转换可以得到原油的含水率的相关数据。

1. 测量元件的基本原理

电容传感器的敏感探头是一变介电常数式电容传感器，该探头对被测含水原油的介电常数敏感，而含水原油的介电常数随原油含水率变化而变化，原油含水率的变化可以转化成敏感探头电容量的变化，电容传感器送出的与含水率相对应的电信号可以测出原油的含水率。测量仪器选用同心套筒电容结构，且在其内电极涂敷钛氟纶绝缘层，消除含水导电效应，使仪器在0～100%含水率测量范围均有良好的工作特性。

2. 在线检测电路设计

图1静电容到测量电压转换电路                     图2　电压-频率转换电路

安装在输油管道内的传感器电容变化量很小，一般在几十到几百pF范围，因此，电容测量电路要求具有0.1pF的分辨率，且要求有良好的零点和长期工作稳定性。电荷转移法的电容转换电路的特点是漂移小，测量准确度高，稳定性好，并且几乎不受并联漏电阻的影响。如图1所示为将电容上的静电容变换成电压的电路。为参考用的基准电压，为被测电容，为参考电容。开关S1、S2、S3可以联动，且由外部集成电路NE 555提供的2 kHz时钟脉冲驱动。输出电压是频率为2kHz、幅度与成反比的脉宽信号。在探头端检测电路中，由转换电路输出的脉宽信号经3 Hz有源低通滤波器，使输出变为0～5 V的电压信号，送至LM331电压-频率转换芯片。如图3所示，实际使用中和分别是零点迁移和量程调节电阻，可根据需要进行调节。

3. 测试含水率范围分析

经测量随着原油从低含水阶段到高含水阶段变化，电容传感器输出电压值以及原油含水率逐渐发生变化，不同含水率下，20℃原油含水率与电容传感器输出电压随着原油等效介电常数的增加呈现对数关系增加，在原油等效介电常数较低时，电容传感器的灵敏度较强。

4. 结论

原油含水率的测量结果是制订和调整开采策略的重要依据，我国现阶段已进入原油高含水阶段，而含水率突然升高，意味着发生了注水突进以及水层窜层等可能的现象，这就为油井的进一步诊断和必要的修井等施工作业提供了依据和参考。利用电荷转移法基于电容式传感器设计的检测电路可实现原油含水量测量范围达到0～100%，误差＜1％；电荷转移法的电容转换电路具有良好的测试功能，线性度好，灵敏度高，性能可靠；基于电容－频率转换原理研制的含水率测量仪，可用于输油管道中原油含水率的在线准确测量，对于提高原油含水率测量精度，准确及时采集原油含水率数据，可以为油井的高效合理开发，优化生产工艺和开采方案提供重要依据，从而达到延长油气井寿命、降低开采成本的目的。

参考文献：

[1]夏明华, 张江伟. 原油含水率测定方法研究进展与发展趋势[J]. 化工管理, 2014, 000(026):161-161.

[2]张战军, 温丽瑗, 吴世逵,等. 卡尔•费休法测定石油产品水分的影响因素分析[J]. 当代化工, 2015, 44(12):2936-2938.

[3]钟云辉, 杨峥. 库仑滴定法与蒸馏法测定原油水含量的比较[J]. 广东化工, 2011, 38(006):282-283.

[4]熊兆洪. 采用离心法测试原油含水量的重要性[J]. 中国仪器仪表, 2018, No.324(03):68-70.

[5]宋菁. 原油脱水技术研究进展[J]. 化工技术与开发, 2019, 048(006):33-37.

[6]张国军, 申龙涉, 齐瑞,等. 原油含水率测量技术现状与发展[J]. 当代化工, 2012, 41(1):59-62.