管输原油含水率测量系统及测量方法

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1.本发明涉及原油含水率测量技术领域，具体地涉及一种管输原油含水率测量系统及测量方法。

背景技术：

2.基于油水两相电性差异研制的含水率测量仪器原理简单、维护方便，在实际油田生产计量中具有广泛的应用前景。目前主要应用的方法是电容、电导法，采用1-75mhz范围的定频交流信号作为激励信号，测量电阻、电容等电参数对含水率进行分析。
3.以电容法举例，原油和水在常温下的介电常数分别约为2.3和81，基于两者介电常数差异，通过电极测量油水混合物在交流电场下的电压或者电流，计算得到电容值进而分析含水率。目前，常见的电容传感器有对壁式、同轴电极结构传感器。然而由于原理限制，电容、电导法的测量范围具有局限性，电导法更适用于高含水率范围内的测量，而电容法则在高含水率范围的测量精度较低。当含水率较低时，油-水混合物在稳定的剪切环境下易形成“油包水”型乳状液(w/o)，此时油相为连续相，电导率可被忽略，其电导式传感器测量精度低。反之，当含水率较高，油水混合物更易形成“水包油”型混合物，水相作为连续相，会极大地影响混合物的电导率，此时电容法测量精度受限。
4.目前，也有采用交流阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy，简称eis)方法实现含水率的测量。但阻抗谱技术在原油计量中的应用起步较晚，对含水率的影响机制及作用规律认识尚浅，在传感器及装置的设计上，尚未能考虑到复杂的剪切环境造成的影响，与实际工程应用仍具有一定的距离。部分研究搭建多相流管道进行动态测量，这极大地增加了测量成本和复杂程度，难以得到广泛应用。

技术实现要素：

5.本发明所需要解决的技术问题在于提供一种管输原油含水率测量系统及测量方法。
6.本发明提出的第一个技术方案是，一种管输原油含水率测量系统，包括内电极和外电极，其关键在于：所述外电极为中空圆筒型，底部通过绝缘密封底座固定在水浴槽内，所述内电极呈实心圆柱型，且同轴套设在所述外电极内部，在所述内电极与所述外电极之间预留有一定间隙，用于容置待测原油溶液；在所述内电极顶部设置有连接杆，所述连接赶通过树脂绝缘环与旋转升降平台相连，所述旋转升降平台由上位机控制并带动所述内电极旋转和上下移动，用于为待测原油溶液提供稳定剪切场，模拟管输原油的剪切环境，所述水浴槽由上位机控制水浴温度，用于模拟管输原油的温度环境，在所述内电极和所述外电极上还连接有辅助测量电路和频率分析仪，所述辅助测量电路用于测量阻抗普数据，通过提取阻抗特征频率实现管输原油含水率测量。
7.本发明利用油水两相体系在交流电场下具有显著的介电频散现象，其引起的频率响应序列能充分反映出体系内部丰富的成分及结构信息。且阻抗特征参数能综合体现介质
的容性和阻性特征，避免了测量范围的局限性。本发明面向复杂油水管输环境，充分考虑剪切环境的影响，设计出一套针对动态油水两相流的阻抗谱测量系统，致力于提高实际工程中原油含水率计量的准确性及实效性。
8.可选地，所述旋转升降平台和所述水浴槽设置在转矩流变仪工作台上，并通过所述转矩流变仪工作台上的转子带动所述旋转升降平台旋转和上下移动。
9.可选地，所述内电极为直径41.6mm，高度55.0mm的钛合金实心圆柱。
10.可选地，所述外电极为内径43.2mm，外径45.2mm，高度75.0mm的钛合金空心圆筒。
11.可选地，所述绝缘密封底座的直径为45.2mm，高度为8.5mm。
12.可选地，所述辅助测量电路包括参考电阻r和两个测试端口，其中：第一测试端口ch1与所述外电极连接，且通过所述参考电阻r连接所述频率分析仪的接地端；第二测试端口ch2与所述内电极连接且通过导线连接所述频率分析仪的交流信号输出端，所述频率分析仪在1hz～5
×
105hz范围内按照扫频方式输出交流正弦电压，上位机通过采集和测量第一测试端口ch1和第二测试端口ch2之间的电压和相角信息得到阻抗谱数据，并提取阻抗特征频率。
13.本发明提出的第二个技术方案是，一种管输原油含水率测量方法，利用前文所述的管输原油含水率测量系统，其关键在于：包括如下步骤：
14.s1、将所述外电极通过所述绝缘密封底座固定在所述水浴槽内，并通过上位机控制所述水浴槽达到预设温度t；
15.s2：将所述内电极通过连接杆与旋转升降平台连接，打开上位机，对旋转升降平台进行高度的校正和调零；
16.s3：将待测原油溶液缓慢倒入外电极内部，并恒温静置15min，使其温度与水浴温度保持一致；
17.s4：控制旋转升降平台带动内电极下降到设定位置，再调控旋转升降平台按设定转速带动内电极旋转，用于提供稳定剪切场；
18.s5：停止调控旋转升降平台转动，通过辅助测量电路和频率分析仪重复测量待测原油溶液的阻抗频响数据；
19.s6：根据提取的阻抗特征频率和预测模型计算待测原油溶液含水率。
20.可选地，当内外电极间距为0.8mm，待测原油溶液容量为40ml时，所述预测模型为：
[0021][0022]
其中：t为预设温度，fs为阻抗特征频率，225.997，2.325及4.685由前期测量数据计算所得模型参数，为预设温度t下的含水量。
[0023]
本发明所述的一种管输原油含水率测量系统及测量方法的有益效果是：
[0024]
本发明有效避免了电容及电导法在含水率测量范围上的局限性，实现全范围的含水率测量。本发明由旋转升降平台带动内电极旋转，为被测原油溶液提供稳定剪切场，模拟管输环境的剪切环境中流体经过阀门、泵以及流动过程中的剪切历史，实现动态原油的含水率测量，提高了含水率测量的准确性及实效性。本发明测量方法简单，成本低，可广泛应用于石油、能源输送等领域。
附图说明
[0025]
图1是本发明所述的内电极和外电极的结构示意图。
[0026]
图2是本发明具体实施例中辅助测量电路的连接示意图。
[0027]
图3是本发明具体实施例中油水混合体系等效电路模型；
[0028]
图4是本发明具体实施例中阻抗虚部及实际特征频率曲线。
具体实施方式
[0029]
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
[0030]
实施例1，参见图1和图2，一种管输原油含水率测量系统，包括内电极和外电极，外电极为中空圆筒型，底部通过绝缘密封底座固定在水浴槽内，所述内电极呈实心圆柱型，且同轴套设在所述外电极内部，在所述内电极与所述外电极之间预留有一定间隙，用于容置待测原油溶液；在所述内电极顶部设置有连接杆，所述连接赶通过树脂绝缘环与旋转升降平台相连，所述旋转升降平台由上位机控制并带动所述内电极旋转和上下移动，用于为待测原油溶液提供稳定剪切场，模拟管输原油的剪切环境，所述水浴槽由上位机控制水浴温度，用于模拟管输原油的温度环境，在所述内电极和所述外电极上还连接有辅助测量电路和频率分析仪，所述辅助测量电路用于测量阻抗普数据，通过提取阻抗特征频率实现管输原油含水率测量。
[0031]
具体实施时，旋转升降平台和水浴槽设置在转矩流变仪工作台上，并通过所述转矩流变仪工作台上的转子带动所述旋转升降平台旋转和上下移动，内电极为直径41.6mm，高度55.0mm的钛合金实心圆柱，外电极为内径43.2mm，外径45.2mm，高度75.0mm的钛合金空心圆筒，绝缘密封底座的直径为45.2mm，高度为8.5mm。内外电极间距为0.8mm，可完成对40ml容量的液体样品进行测量。
[0032]
本实施例中内电极与外电极构成同轴双圆柱电极，通过采用thermo scientific haake mars ii转矩流变仪工作站对所设计的同轴双圆柱电极进行固定。该工作台上端升降平台可通过连接杆固定内电极，下端平台具有圆柱凹槽，用于固定外圆柱电极。该装置可调控转子转动速率，为被测介质提供稳定剪切场，模拟管输环境的剪切环境，实现动态原油的含水率测量。下端平台内置有水浴环抱外电极固定槽，可以连接haake ac200 7water bath水浴温控系统对测试温度进行调控。
[0033]
通过图2可以看出，辅助测量电路包括参考电阻r和两个测试端口，其中：第一测试端口ch1与所述外电极连接，且通过所述参考电阻r连接所述频率分析仪的接地端；第二测试端口ch2与所述内电极连接且通过导线连接所述频率分析仪的交流信号输出端，所述频率分析仪在1hz～5
×
105hz范围内按照扫频方式输出交流正弦电压，上位机通过采集和测量第一测试端口ch1和第二测试端口ch2之间的电压和相角信息得到阻抗谱数据，并提取阻抗特征频率。
[0034]
实施过程中，可以应用psm1700频率响应分析仪及辅助测量电路，连接样品槽电极对样品溶液进行阻抗测量。图2所示的辅助测量电路中，中r为1kω的参考电阻。频率响应分析仪可输出+/-10v范围内的正弦波、方波及三角波等基本交流电压，通过仪器端设置起始频率、终止频率以及扫频点，完成10-5-106hz频率范围内的扫频测量。具有ch1和ch2两个测量端口，对端口电压、相角等数据进行测量和采集。测试数据可在显示屏中进行观测，也可
通过上位机将数据文件保存到指定位置。
[0035]
实施例2：
[0036]
本实施例提供一种管输原油含水率测量方法，利用实施例1所述的管输原油含水率测量系统，包括如下步骤：
[0037]
s1、将所述外电极通过所述绝缘密封底座固定在所述水浴槽内，并通过上位机控制所述水浴槽达到预设温度t；
[0038]
s2：将所述内电极通过连接杆与旋转升降平台连接，打开上位机，对旋转升降平台进行高度的校正和调零；
[0039]
s3：将待测原油溶液缓慢倒入外电极内部，并恒温静置15min，使其温度与水浴温度保持一致；
[0040]
s4：控制旋转升降平台带动内电极下降到设定位置，再调控旋转升降平台按设定转速带动内电极旋转，用于提供稳定剪切场；
[0041]
s5：停止调控旋转升降平台转动，通过辅助测量电路和频率分析仪重复测量待测原油溶液的阻抗频响数据；
[0042]
实施时，用导线连接其与psm1700频率响应分析仪。打开分析仪电源及上位机软件，设置仪器工作模式为fra(frequency response analysis)，输出电压为幅值2vpp的交流正弦电压，扫描起始频率为1hz，终止频率为5
×
105hz，扫描频率点为64，无偏置电压。从阻抗谱nyquist图中可提取出实际特征频率值，即阻抗虚部最大值所在频率fs，如图4所示；
[0043]
s6：根据提取的阻抗特征频率和预测模型计算待测原油溶液含水率。
[0044]
在本实施例中，由于内外电极间距为0.8mm，待测原油溶液容量为40ml时，通过测量数据得出预测模型为：
[0045][0046]
其中：t为预设温度，fs为阻抗特征频率，225.997，2.325及4.685由前期测量数据计算所得模型参数，为预设温度t下的含水量。
[0047]
测量完成后，通常还需要进行一些后期处理，包括：
[0048]
a.抬起装置的上端平台，从中取下内电极，并从下端平台中取出外电极，并将内、外电极清理干净；
[0049]
b.关闭固定装置的控制台和上位机软件，关闭测试系统并整理好辅助测量电路；
[0050]
c.关闭水浴循环系统，使其自然冷却至室温。
[0051]
本发明的工作原理为：
[0052]
在阻抗谱测量中，往往利用一定形状和结构的测量电极与测量介质表面接触，并在电极上施加一定频率范围的小幅值激励信号，如电压或电流。通过对体系在频变交流电场下的阻抗响应进行测量，得到其阻抗谱参数，分析得到有关介质的成分信息。
[0053]
一般地，系统产生的响应电压信号u(ω)
[0054]
u(ω)＝u0sin(ωt)
[0055]
其中，u0为激励电压，ω为信号的角频率(ω＝2πf，f为频率)，t为时间。则体系产生的响应电流信号为：
[0056]
i(ω)＝i0sin(ωt+θ)
[0057]
i(ω)响应信号，i0为电流幅值，θ为初相位。响应电压和电流具有相同的频率。基于欧姆定律，可得到体系的复阻抗为：
[0058][0059]
即阻抗的实部和虚部可通过阻抗的幅值和相角计算得到：
[0060]
z'＝|z|cosθ
[0061]
z"＝|z|sinθ
[0062]
其中，阻抗实部与介质的电导有关，可认为等效于介质电阻，由混合物的电导率决定，而阻抗虚部则与混合物的电容有关，由混合介电常数决定。因此，阻抗谱法能够避免应用电导法或者电容法在测量范围上的局限性。
[0063]
考虑油水混合物为两相混合体系，依据电阻抗谱理论构建等效电路模型分析阻抗响应特征，如图3所示。图3中，r
ce
为测量电极阻值，rs和cs为混合物体系电阻和电容，可以看出，系统特征频率由溶液电容及电阻决定：依据实验所测阻抗谱及等效电路，可拟合得到电性参数(rs/mω，cs/nf)，从而计算特征频率fs与含水率的关系为：
[0064][0065]
从阻抗谱nyquist图中可提取出实际特征频率值，即阻抗虚部最大值所在频率fs，如图4所示，按照计算可得到含水率。
[0066]
本发明避免了电容及电导法在含水率测量范围上的局限性，实现全范围的含水率测量，同时充分考虑管道运输环境剪切场的影响，提高含水率测量的准确性及实效性。
[0067]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种管输原油含水率测量系统，包括内电极和外电极，其特征在于：所述外电极为中空圆筒型，底部通过绝缘密封底座固定在水浴槽内，所述内电极呈实心圆柱型，且同轴套设在所述外电极内部，在所述内电极与所述外电极之间预留有一定间隙，用于容置待测原油溶液；在所述内电极顶部设置有连接杆，所述连接赶通过树脂绝缘环与旋转升降平台相连，所述旋转升降平台由上位机控制并带动所述内电极旋转和上下移动，用于为待测原油溶液提供稳定剪切场，模拟管输原油的剪切环境，所述水浴槽由上位机控制水浴温度，用于模拟管输原油的温度环境，在所述内电极和所述外电极上还连接有辅助测量电路和频率分析仪，所述辅助测量电路用于测量阻抗普数据，通过提取阻抗特征频率实现管输原油含水率测量。2.根据权利要求1所述的管输原油含水率测量系统，其特征子在于：所述旋转升降平台和所述水浴槽设置在转矩流变仪工作台上，并通过所述转矩流变仪工作台上的转子带动所述旋转升降平台旋转和上下移动。3.根据权利要求1所述的管输原油含水率测量系统，其特征子在于：所述内电极为直径41.6mm，高度55.0mm的钛合金实心圆柱。4.根据权利要求3所述的管输原油含水率测量系统，其特征子在于：所述外电极为内径43.2mm，外径45.2mm，高度75.0mm的钛合金空心圆筒。5.根据权利要求4所述的管输原油含水率测量系统，其特征子在于：所述绝缘密封底座的直径为45.2mm，高度为8.5mm。6.根据权利要求1-5任一所述的管输原油含水率测量系统，其特征子在于：所述辅助测量电路包括参考电阻r和两个测试端口，其中：第一测试端口ch1与所述外电极连接，且通过所述参考电阻r连接所述频率分析仪的接地端；第二测试端口ch2与所述内电极连接且通过导线连接所述频率分析仪的交流信号输出端，所述频率分析仪在1hz～5
×
105hz范围内按照扫频方式输出交流正弦电压，上位机通过采集和测量第一测试端口ch1和第二测试端口ch2之间的电压和相角信息得到阻抗谱数据，并提取阻抗特征频率。7.一种管输原油含水率测量方法，利用权利要求1-6任一所述的管输原油含水率测量系统，其特征在于：包括如下步骤：s1、将所述外电极通过所述绝缘密封底座固定在所述水浴槽内，并通过上位机控制所述水浴槽达到预设温度t；s2：将所述内电极通过连接杆与旋转升降平台连接，打开上位机，对旋转升降平台进行高度的校正和调零；s3：将待测原油溶液缓慢倒入外电极内部，并恒温静置15min，使其温度与水浴温度保持一致；s4：控制旋转升降平台带动内电极下降到设定位置，再调控旋转升降平台按设定转速带动内电极旋转，用于提供稳定剪切场；s5：停止调控旋转升降平台转动，通过辅助测量电路和频率分析仪重复测量待测原油溶液的阻抗频响数据；s6：根据提取的阻抗特征频率和预测模型计算待测原油溶液含水率。8.根据权利要求7所述的管输原油含水率测量方法，其特征在于：当内外电极间距为0.8mm，待测原油溶液容量为40ml时，所述预测模型为：
其中：t为预设温度，f
s
为阻抗特征频率，225.997，2.325及4.685由前期测量数据计算所得模型参数，为预设温度t下的含水量。

技术总结

本发明公开了一种管输原油含水率测量系统及测量方法；系统包括内电极和外电极；外电极为中空圆筒型，底部通过绝缘密封底座固定在水浴槽内，内电极呈实心圆柱型，且同轴套设在外电极内部，在内电极与外电极之间预留有一定间隙，用于容置待测原油溶液；在内电极顶部设置有连接杆，连接赶通过树脂绝缘环与旋转升降平台相连，旋转升降平台由上位机控制并带动内电极旋转和上下移动，用于为待测原油溶液提供稳定剪切场，模拟管输原油的剪切环境，水浴槽由上位机控制水浴温度，用于模拟管输原油的温度环境，在内电极和外电极上还连接有辅助测量电路和频率分析仪，辅助测量电路用于测量阻抗普数据，通过提取阻抗特征频率实现管输原油含水率测量。水率测量。水率测量。