油水兩相螺旋流狀態(tài)下射頻法測量原油含水率的方法

張振遠(yuǎn) 張興凱 王文雄 古永紅 廖銳全

1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院 2.長江大學(xué)-中石油多相管流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.長慶油田分公司油氣工藝研究院 4.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室

原油含水率作為一項(xiàng)基礎(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在采油工程、儲(chǔ)運(yùn)工程、石油化工中都具有重要的作用。含水率的精確數(shù)值直接影響到油田生產(chǎn)的多個(gè)方面，如試井生產(chǎn)管理、原油運(yùn)輸管道、多相流測量、原油分析系統(tǒng)等[1]，是制訂合理的開采方案和提高開發(fā)管理水平的重要依據(jù)。此外，對原油含水率實(shí)時(shí)測量，也是實(shí)現(xiàn)油田數(shù)字化和智能化管理的必然要求。原油含水率的計(jì)量屬于多相流計(jì)量的技術(shù)范疇。對于多相流體，由于輕質(zhì)相與重質(zhì)相流體的物理性質(zhì)差異，導(dǎo)致復(fù)雜的混合流體相間滑脫特性及界面效應(yīng)，即體積分相含率與流量分相含率并不相等，難以準(zhǔn)確測量其流動(dòng)參數(shù)，這些問題也決定了含水率是個(gè)“難測量”的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)階段的原油含水率測量主要分為離線測量法和在線測量法。離線測量法常用的方法主要有蒸餾法、卡爾費(fèi)休法和電脫法。離線測量方法隨機(jī)性大、取樣不及時(shí)、連續(xù)性差、勞動(dòng)強(qiáng)度大[2]。油田生產(chǎn)過程中自動(dòng)化程度不斷提高，需要與之相匹配的自動(dòng)化測量儀表，而含水率直接影響到油井的產(chǎn)能、開發(fā)方式，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)值能使油井更高效地開發(fā)，為設(shè)計(jì)合理的開采方案提供重要依據(jù)，因此在線測量方法將成為一種趨勢。目前，國內(nèi)外原油含水率在線測量法常用的方法包括:密度法、電導(dǎo)法、電容法、射頻法、微波法、射線法等[3-5]。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：電導(dǎo)法易受油水分布的影響[6-7]；微波法受壓力、溫度的影響[8-9]；射線法成本較高且污染環(huán)境[10-11]；電容法因與原油直接接觸容易結(jié)垢[11]；密度法受氣體和砂質(zhì)因素的影響[10-11]。

對于本研究所使用的射頻法，Heron Eduardo de Limavila等提出一種將金屬諧振腔管道置于高頻(150～300 MHz)射頻場中，通過建立阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)放大信號衰減，反射損耗隨含水率的變化而變化[12]。此方法在高含水率時(shí)具有較好的測量效果，含水率較低時(shí)則會(huì)受混合物分布不均勻、含水過低等的影響，造成誤差明顯增加。Muhammad Akram Karimi等提出的高頻(90～190 MHz)動(dòng)態(tài)含水率測量儀，在垂直和水平方向都有較好的性能，對含水率變化體現(xiàn)出較大的偏移特性[13]，但是該儀器不能直接用于金屬管道，需使用聚醚醚酮(PEEK)、玻璃纖維等耐高溫耐高壓材料制成的非金屬管道，這些材料在國內(nèi)尚未得到廣泛應(yīng)用，且無金屬罩屏蔽的射頻信號接收器易受外界電磁波干擾[14]。C.S.Oon等論證了電磁波柱形空腔傳感器檢測兩相流含水率的可行性，分析表明含水率的變化與損耗后電磁波的振幅呈線性關(guān)系，波峰不隨溫度變化而產(chǎn)生位移，由此證明水的溫度不會(huì)對射頻法測量含水率造成影響[15]。

本研究使用射頻法對旋流狀態(tài)下的油樣進(jìn)行檢測，油水兩相流經(jīng)過旋流之后消除了混合物不均勻分布的影響，產(chǎn)生的油水分層有利于圓柱形電容的區(qū)分和計(jì)算，使測量結(jié)果更加精確。且將天線置于管道內(nèi)部，外側(cè)覆有防腐蝕塑料外殼，與油品非接觸測量，不會(huì)因腐蝕造成天線的損壞和影響測量結(jié)果的問題。外側(cè)管壁均為金屬材質(zhì)，消除了外界電磁干擾。通過實(shí)驗(yàn)的模擬和研究，達(dá)到了預(yù)期的效果。

1 測量裝置結(jié)構(gòu)

油水兩相螺旋流狀態(tài)下射頻法含水率測量結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。鋼制套管一端與旋流器水平連接，另一端與垂直導(dǎo)管相連接。套管的直徑為25.4 mm，左接旋流器，根據(jù)所需性能選取不同規(guī)格的旋流器。套管上部設(shè)置有射頻信號處理模塊和通信電線保護(hù)罩，通信電線保護(hù)罩通過內(nèi)部電線對射頻信號處理模塊供電及信號傳輸，射頻信號處理模塊的具體尺寸根據(jù)選取的通信模塊來決定。其中,射頻天線從鋼制套管右側(cè)的螺紋口旋入，通過固定器固定在套管的軸心處。射頻天線全長210 mm，由外到內(nèi)的結(jié)構(gòu)為聚四氟乙烯天線保護(hù)罩、鍍銀銅芯，射頻天線的一端設(shè)有外螺紋基座，用于給射頻天線供電及外接射頻信號源。

待測油品從左側(cè)經(jīng)過如圖1的旋流器后進(jìn)入套管，套管內(nèi)部設(shè)置有與射頻信號處理模塊連接的射頻天線，射頻天線通過發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的固定頻率電磁波穿透待測介質(zhì)，套管外部設(shè)置有射頻信號處理模塊，接收射頻信號并將其轉(zhuǎn)換為電壓水平信號，再經(jīng)過AD采樣后輸出至單片機(jī)，經(jīng)處理后得到數(shù)據(jù)結(jié)果。

射頻信號處理模塊包括嵌入式單片機(jī)、信號源發(fā)生器、信號放大器、數(shù)據(jù)檢測模塊和數(shù)據(jù)采集卡，如圖2、圖3所示。射頻信號處理模塊由嵌入式單片機(jī)STM32F407作為核心，搭載信號源模組AD9851作為信號源發(fā)生器，通過AD8310信號放大器進(jìn)行信號對數(shù)放大，給射頻天線提供0～70 MHz的輸出頻率。同時(shí)，在接收器電路中添加信號放大器和數(shù)據(jù)采集卡，作用是檢測射頻傳出信號的數(shù)據(jù)并輸出直流電壓，并記錄數(shù)據(jù)。

2 測量原理

油水兩相螺旋流狀態(tài)下射頻法含水率測量原理示意圖如圖4所示。圖4中的正中心圓為射頻天線，天線外側(cè)由油層包裹，油層外界面與管內(nèi)壁之間為純水層。

如圖4所示，將射頻天線外界面至油水界面、油水界面至管道內(nèi)壁，視為兩個(gè)不同的圓筒式電容。

含水率、管道整體液體截面面積、環(huán)狀油截面面積的計(jì)算式如下：

(1)

S液=πR2-S天=π(R2-r2)

(2)

S油=S液-S水=(1-D)S液

(3)

式中：D為含水率，%；S液為管道整體液體截面面積，m2；S油為環(huán)狀油截面面積,m3;S水為環(huán)狀水截面面積，m3；S天為天線截面面積，m3；V水為管內(nèi)純水體積，m3；V液為管內(nèi)所有液體體積，m3；l管為測量儀管道長度，m。

根據(jù)圓環(huán)面積計(jì)算方法可得：

(4)

根據(jù)式(2)～式(4)可得：

(5)

根據(jù)圓筒電容計(jì)算公式可得：

(6)

(7)

式中：C天線-油為天線與油水分界面之間的電容，F(xiàn)；C油-水為油水分界面與管道內(nèi)壁之間的電容，F(xiàn)；L天為天線長度，m；ε0為真空介電常量，取近似值為8.854 187 817×10-12F/m；ε油為油的介電常量，F(xiàn)/m；ε水為水的介電常量，F(xiàn)/m。

兩電容內(nèi)外結(jié)合，可視為串聯(lián)電容，總電容計(jì)算如式(8)：

(8)

當(dāng)射頻信號穿透該介質(zhì)時(shí)，總系統(tǒng)阻抗為：

(9)

式中：C為總電容，F(xiàn)；Z為總系統(tǒng)阻抗，Ω；R接為接收傳感器等效電阻，Ω；f為射頻天線發(fā)射頻率，MHz；J為虛數(shù)因子。

當(dāng)系統(tǒng)阻抗確定時(shí)，接收器中的電流為：

(10)

式中：I為接收器中的電流，A；U為整體電壓，V。

添加測量電阻后，測量電阻兩端的電壓為：

U測=IR測

(11)

式中：U測為測量電阻兩端電壓，V；R測為測量電阻，Ω。

由于含水率不同，經(jīng)旋流后油水分層，油截面半徑發(fā)生改變，從而導(dǎo)致兩部分圓筒式電容改變，總電容改變，因此接收器中的系統(tǒng)電流發(fā)生變化。由于射頻天線的頻率、長度均為常數(shù)，射頻發(fā)生器和接收器電壓固定，從式(10)、式(11)得出測量電阻兩端的電壓與使用油品含水率存在線性關(guān)系。通過AD采樣標(biāo)定調(diào)整系數(shù)，得出含水率與測量電壓的關(guān)系。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 射頻天線頻率確定

本測量系統(tǒng)是根據(jù)油水混合物使固定頻率下電磁波發(fā)生的衰減程度來確定的，因此天線的頻率選擇十分重要。極性分子(純水)在射頻狀態(tài)下產(chǎn)生馳豫現(xiàn)象，在馳豫頻率范圍內(nèi)，介質(zhì)對電磁波損耗最大，據(jù)此來確定最佳的測量油水混合物含水率的工作頻率。

具體頻率選擇需建立測量系統(tǒng)，通過對純油和純水施加不同頻率的射頻信號，觀察傳感器的電壓變化，從而確定適用的頻率。利用射頻模擬信號發(fā)生器設(shè)定不同頻率來對天線進(jìn)行激勵(lì)，在不同射頻條件下測量純油、純水中所接受到的電壓峰值并作差(見表1)。

表1 測量系統(tǒng)頻率確定頻率/MHz水中電壓/mV油中電壓/mV電壓差值/mV252282764827264284-2029224264-403130424460353282181103732815217639384136248415121183944375212063245672156516476402124284953626027651400234166

油水混合物的介電常數(shù)與純油純水在當(dāng)前頻率下的介電常數(shù)有關(guān)，只有當(dāng)兩者介電常數(shù)均為最大值時(shí)才能使測量數(shù)據(jù)較易觀察。不同頻率下純油和純水的介電常數(shù)見表2[16]。

表2 不同頻率下純油、純水介電常數(shù)頻率/MHz純油介電常數(shù)純水介電常數(shù)102.3281.56202.2881.35302.2580.97402.3181.70502.3781.30602.3378.56702.2375.84802.0973.34

從表1與表2可以看出，在40～50 MHz頻段時(shí)，純油、純水的電壓差值區(qū)分最大，介電常數(shù)均為最大，因此系統(tǒng)天線頻率折中確定為45 MHz。

3.2 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)方法

如圖5所示，利用同心放置的塑料筒狀物來模擬油管內(nèi)部旋流狀態(tài)下的油水兩相流，其內(nèi)部為裝滿油的塑料筒，外側(cè)為裝滿水的金屬材質(zhì)筒狀物。內(nèi)側(cè)塑料筒對射頻信號的損耗可忽略不計(jì)，而外側(cè)利用金屬的屏蔽性降低外界輻射對射頻信號的影響，從而達(dá)到模擬實(shí)際環(huán)境的效果。通過更換不同直徑的內(nèi)側(cè)塑料筒，使截面的油水比例產(chǎn)生變化，從而模擬含水率的對應(yīng)變化，使用測量儀進(jìn)行測量以對靜態(tài)油品的含水率進(jìn)行標(biāo)定。

具體操作步驟如下:

(1) 將測量儀的射頻發(fā)射天線端放入內(nèi)側(cè)塑料筒中，且天線振子部分完全浸沒于油中。

(2) 射頻天線在信號發(fā)生器和放大器作用下產(chǎn)生45 MHz的射頻信號，作用在模擬旋流狀態(tài)下的兩相流上。

(3) 信號處理模塊中的接收傳感器獲取衰減后的射頻信號并產(chǎn)生相應(yīng)電壓。

(4) 使用不同內(nèi)徑的塑料筒裝滿純油進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，將測量的電壓值與已知原油含水率建立對應(yīng)關(guān)系，擬合出含水率預(yù)測曲線。

(5) 將得到的擬合曲線編入控制器源程序中，使測量的含水率通過程序?qū)崟r(shí)顯示。

3.3 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置與方法

油水兩相流含水率測量實(shí)驗(yàn)在長江大學(xué)-中石油多相管流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，系統(tǒng)流程如圖6所示。實(shí)驗(yàn)段包括水平實(shí)驗(yàn)段和垂直實(shí)驗(yàn)段。實(shí)驗(yàn)過程中的油相流量通過美國艾默生Micro Motion科里奧利力質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測量，水相流量通過日本Yokogawa 公司的AE-115MG型電磁流量計(jì)進(jìn)行測量。根據(jù)流量范圍不同，油水兩路各設(shè)計(jì)了兩種不同尺寸規(guī)格的管道。壓差通過日本Yokogawa 公司的EJA110A壓差傳感器進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用美國NI公司生產(chǎn)的6225E高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集和處理，采樣頻率可達(dá)200 kHz。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 靜態(tài)標(biāo)定

如前文所述，本次實(shí)驗(yàn)使用了不同含水率的油品進(jìn)行多次測量，不同的油核與水環(huán)截面積比得到不同的含水率樣品。對每個(gè)油品進(jìn)行4次測量取平均值，所得含水率與電壓關(guān)系見表3。

表3 靜態(tài)標(biāo)定測量結(jié)果含水率/%電壓/V第1次第2次第3次第4次平均值01.01 0.97 1.02 0.98 1.00 101.18 1.21 1.23 1.20 1.21 201.50 1.48 1.49 1.50 1.49 301.74 1.74 1.70 1.72 1.72 401.96 1.89 1.88 1.87 1.90 502.15 2.18 2.17 2.19 2.17 602.34 2.34 2.36 2.38 2.36 702.62 2.62 2.64 2.64 2.63 802.83 2.84 2.83 2.86 2.84 903.04 3.08 3.12 3.03 3.07 1003.33 3.30 3.29 3.32 3.31

由C.S.Oon等的論證可知，含水率的變化率與電磁波損耗后的振幅呈線性關(guān)系[15]，且根據(jù)前述推導(dǎo)，電磁波的振幅與被測電阻兩端電壓的變化呈正相關(guān)，因此設(shè)定此系統(tǒng)的線性關(guān)系式為：

D=b+B1·x

(12)

式中：D為含水率，%；x表示所測電壓值，V；b和B1為多項(xiàng)式方程常數(shù)。

利用軟件Origin進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，從而得出式(12)中的各常數(shù)項(xiàng)(見表4)。

表4 五階多項(xiàng)式數(shù)據(jù)擬合方程次數(shù)bB1D=b+B1·x第1次1.000 80±0.032 300.016 49±0.007 83第2次0.966 45±0.032 090.026 13±0.007 78第3次1.020 53±0.028 020.021 71±0.006 79第4次0.966 32±0.042 490.030 94±0.010 30

使用調(diào)整后擬合程度最高一組數(shù)據(jù)作為參考，得到數(shù)據(jù)擬合曲線如圖7所示。最終整理所得多項(xiàng)式方程常數(shù)為b=1.020 53，B1=0.021 71。將擬合好的方程輸入信號處理模塊，即可通過含水率測量儀進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。

4.2 動(dòng)態(tài)測量

由于垂直管中油水兩相存在滑脫效應(yīng)，對測量會(huì)產(chǎn)生較大誤差，因此動(dòng)態(tài)測量均在水平管中完成。實(shí)驗(yàn)時(shí)打開電源，開啟油泵和水泵，通過兩路的主閥和旁路調(diào)節(jié)閥將油水兩路流量調(diào)至所需值。待油路渦輪流量計(jì)和水路電磁流量計(jì)示數(shù)穩(wěn)定，并且管路內(nèi)兩相流體流動(dòng)也達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對各個(gè)傳感器輸出的電壓信號進(jìn)行記錄。

將采集到的電壓信號通過式(12)換算得出含水率，與入口油和水的流量比值進(jìn)行比較并進(jìn)行誤差分析，分析結(jié)果見表5。

表5 油水兩相流含水率測量總流量/ (m3·h-1)油流量/(m3·h-1)水流量/(m3·h-1)流量計(jì)算含水率/%測量截面含水率/%測量誤差(絕對值)/%1.100.320.7870.9194.2023.291.190.420.7764.7182.3017.591.260.151.1188.1095.507.401.330.241.0981.9584.002.051.430.740.6948.2571.1022.851.440.271.1781.2590.208.951.470.750.7248.9870.9021.921.480.680.854.0576.7022.651.500.501.0066.6791.8025.131.560.511.0567.3184.3016.991.560.441.1271.7987.4015.611.790.771.0256.9877.7020.721.790.771.0256.9877.7020.721.810.820.9954.7078.5023.801.880.900.9852.1376.1023.972.181.230.9543.5868.0024.42

從表5可以看出，儀器測量的動(dòng)態(tài)含水率與實(shí)際入口油和水流量的比值所計(jì)算得出的含水率存在較大誤差，這是由于截面動(dòng)態(tài)含水率并不等于真實(shí)油水混合物的含水率。按定義，混合流體的真實(shí)含水率為：

(13)

式中:ψ為油水兩相流的真實(shí)含水率，%；Q為兩相流通過某一截面的總流量，m3/h；Q1為水相流體的體積流量，m3/h。

如圖8所示，兩相流在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于油和水的密度、黏度以及表面張力等性質(zhì)的不同，水相和油相之間存在滑移速度。因此，水相和油相流體通過某一截面的流量比并不等于它們靜止時(shí)的體積比。由此，射頻法所直接測出的是截面動(dòng)態(tài)含水率，需要用兩相流速度滑移模型對測量結(jié)果進(jìn)一步修正，才能得到真實(shí)含水率。

當(dāng)油滴直徑大于0.1 cm時(shí)，油相和水相之間的滑移速度為[17]：

(14)

式中：Δv為油水之間的滑移速度，m/s；Δρ為油水兩相流與純油相之間的密度差，kg/m3；d為油滴的直徑，m；η為油水兩相流的黏度，Pa·s；g為重力加速度，m/s2。

當(dāng)油滴直徑小于0.1 cm時(shí)，油相和水相之間的滑移速度為[17]：

(15)

式中：σ為油滴的表面張力，N/m；ρ為油水兩相流的密度，kg/m3。

由圖8可知，水相的體積流量為：

Q1=φ水Q-S水Δvφ油

(16)

φ水=1-φ油

(17)

式中：φ水為測量截面含水率，%；φ油為測量截面含油率，%。

將式(16)帶入式(13)，并用油水兩相流的總截面積S同除分子和分母可得：

(18)

由式(18)可見，油水兩相流的真實(shí)含水率受油相和水相之間的滑移速度和兩相流的平均速度影響。實(shí)驗(yàn)裝置所用鋼管直徑為25.4 mm。因此，根據(jù)管道的截面積，將流量轉(zhuǎn)換為流速后對測量結(jié)果進(jìn)行修正，得到的修正后測量結(jié)果及誤差見表6。

表6 使用速度滑移模型修正后的測量結(jié)果總流量/(m3·h-1)平均流速/ (m·s-1)測量截面含水率/%修正后測量截面含水率/%流量計(jì)算含水率/%測量誤差(絕對值)/%1.100.6095.5088.1688.100.061.190.6584.3063.4167.313.901.260.6987.4070.9971.790.801.330.7386.4069.8171.892.081.430.7870.9043.8148.985.171.440.7990.2078.6781.252.581.470.8171.1044.8548.253.401.480.8176.1053.0252.130.891.500.8287.2073.2368.394.841.560.8682.3064.7664.710.051.560.8695.8090.9689.291.671.790.9877.7059.5256.982.541.790.9877.7059.5256.982.541.810.9978.5060.9954.706.291.881.0376.7058.8554.054.802.181.2068.0049.2643.585.68

從表6可以看出，含水率在43.81%以上時(shí)，測量最大誤差為6.29%。由于射頻天線是由管中心放置的實(shí)心硬棒引出，有可能對中間油核造成分散，導(dǎo)致各方向上的覆蓋油膜長度各異，從而造成測量截面含水率與流量計(jì)算含水率存在差異。

5 結(jié)論

(1) 油水兩相螺旋流狀態(tài)下利用射頻法測量含水率的方法滿足原油含水率在線測量需要，消除了油水混合物分布不均勻的影響。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)建立了含水率與測量的電壓信號之間的線性關(guān)系式。

(2) 室內(nèi)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測量模型的適用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過兩相流速度滑移模型對測量結(jié)果進(jìn)行修正后，在入口油水兩相混合流速為0.60～1.20 m/s，且含水率高于43.81%時(shí)，利用該方法測量油水兩相含水率的誤差在6.29%以內(nèi)。