含水率分析儀礦化度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟 敏，李自成，袁 園，王澤來(lái)

（1.江蘇麥赫物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司，無(wú)錫 214063；2.武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430205；3.大慶油田設(shè)計(jì)院，大慶 163114）

原油含水量是石油化工行業(yè)一個(gè)重要的參數(shù)，在原油開(kāi)采、脫水、處理、集輸計(jì)量、儲(chǔ)運(yùn)銷售及石油煉制等過(guò)程中受到普遍關(guān)注。其中原油含水率的實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量對(duì)油田開(kāi)發(fā)越來(lái)越重要，在優(yōu)化油田生產(chǎn)計(jì)劃、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率及延長(zhǎng)油田開(kāi)發(fā)壽命等方面有著重要意義。實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量各個(gè)層段油井的含水率，對(duì)不同礦化度自動(dòng)標(biāo)定、減少人力成本、精確測(cè)量結(jié)果、提高油田開(kāi)采效率，且對(duì)油田開(kāi)發(fā)有著重要的意義。目前國(guó)內(nèi)原油含水率檢測(cè)的常用方法包括電容法[1]、介電常數(shù)法[2]、電導(dǎo)法[3-5]、同軸相位法[6]、射頻法[7]、取樣式電容液位法[8]以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在含水測(cè)量中的應(yīng)用[9]等。不管采用什么辦法，由于原油中礦物的存在，會(huì)對(duì)含水率測(cè)量結(jié)果有很大的影響[10]。當(dāng)溫度條件發(fā)生變化，部分礦物電導(dǎo)率也會(huì)發(fā)生大幅度變化，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。對(duì)于油水混合物來(lái)說(shuō)，礦物質(zhì)一般溶解于水中，因此高含水的原油更容易受礦化度的影響。在含水率分析儀的研制過(guò)程中，通過(guò)對(duì)各種礦化度、各種溫度條件下的水介質(zhì)的標(biāo)定，是一種常用的補(bǔ)償?shù)V化度影響的手段。本文提出一種含水率分析儀礦化度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，對(duì)原油中礦物的影響進(jìn)行抑制，適用于全范圍尤其是高含水率的原油含水率測(cè)量，降低原油中礦物對(duì)含水率檢測(cè)結(jié)果的影響，對(duì)于提高檢測(cè)精度，校正檢測(cè)誤差具有重要的意義以及較好的發(fā)展前景。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 含水率檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在電場(chǎng)研究中，遵循Maxwell 理論可知，油水混合物在交變電場(chǎng)作用下，其內(nèi)部形成的電流與原油介質(zhì)的介電常數(shù)、電導(dǎo)率有著單調(diào)變化關(guān)系，因此可以將介電常數(shù)和電導(dǎo)率稱之為混合液的電學(xué)特性。對(duì)于目前常見(jiàn)的電導(dǎo)率法或者電容法來(lái)說(shuō)，都是通過(guò)這樣或者類似的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)含水率檢測(cè)的。

如圖1所示，電容法測(cè)量含水率，一般采用同軸環(huán)形電容，使被測(cè)介質(zhì)從環(huán)形空間流過(guò)。

圖1 電容法測(cè)量含水率Fig.1 Measurement of water content by capacitance method

內(nèi)外電極之間，等效電路如圖2所示。

圖2 電容法等效電路Fig.2 Equivalent circuit of capacitance method

其中Cx是內(nèi)外電極之間的電容值，跟內(nèi)外電極之間的距離、面積以及介質(zhì)介電常數(shù)有關(guān)。Rx跟介質(zhì)的電導(dǎo)率有關(guān)。輸入輸出的等效阻抗公式為

當(dāng)被測(cè)介質(zhì)含水率低時(shí)，Rx值很大，系統(tǒng)等效阻抗主要取決于Cx。如果含水率高，Rx值很小，電導(dǎo)率1/Rx值很大，等效阻抗主要取決于電導(dǎo)率。如圖3所示，一般來(lái)說(shuō)，原油的礦化度高，電導(dǎo)率也高，因此用電容法測(cè)含水率，受介質(zhì)礦化度高低的影響，尤其是高含水范圍內(nèi)，受礦化度影響非常大。

圖3 礦化度和電導(dǎo)率的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Relationship between salinity and electrical conductivity

含水率分析儀在研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中，為了減少礦化度對(duì)含水率檢測(cè)的影響，需要在不同礦化度和溫度的條件下進(jìn)行礦化度的標(biāo)定。由于礦化度變化范圍大，如果采用人工配置礦化度的方法標(biāo)定，工作量非常大。因此有必要建立一個(gè)礦化度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，對(duì)被標(biāo)定儀器進(jìn)行不同礦化度和溫度環(huán)境下的自動(dòng)標(biāo)定。系統(tǒng)整體框圖如圖4所示。

圖4 含水率檢測(cè)控制系統(tǒng)Fig.4 Moisture content detection and control system

上位機(jī)處理系統(tǒng)利用標(biāo)定軟件，通過(guò)RS485 通訊口接收含水率儀實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，控制溫控器以及泵控制器切換不同的標(biāo)定環(huán)境。

1.2 礦化度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦化度是指水中含鈉、鈣、鎂、鋁和錳等金屬的碳酸鹽、氯化物以及各種鈉鹽等的總和。研究表明原油中礦物質(zhì)會(huì)使原油具有較高的電導(dǎo)率，為了消除礦化度的影響，傳統(tǒng)方法是在儀器生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行不同溫度條件下，不同礦化度的標(biāo)定，一方面檢測(cè)儀器性能，一方面補(bǔ)償?shù)V化度的影響，提高含水率分析儀的精度。

一般來(lái)說(shuō)，原油的礦化度從5000 mg/L 到250000 mg/L 不等，而且溫度越高對(duì)含水率檢測(cè)的影響也越大，如果對(duì)每種不同的溫度和礦化度條件都進(jìn)行標(biāo)定，工作量巨大，而且會(huì)造成標(biāo)定液浪費(fèi)。

針對(duì)以上情況，本文設(shè)計(jì)含水率分析儀礦化度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 含水率分析儀礦化度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structure block diagram of automatic salinity calibration system for moisture content analyzer

步驟1啟動(dòng)溫控器，將水浴恒溫槽內(nèi)水溫加熱到第一個(gè)設(shè)定溫度，并恒溫；

步驟2啟動(dòng)第一個(gè)標(biāo)定液儲(chǔ)存罐的泵控制器，控制其對(duì)應(yīng)的雙向蠕動(dòng)泵正轉(zhuǎn)，將標(biāo)定液抽取到標(biāo)定筒；

步驟3計(jì)算機(jī)與含水率分析儀通訊，讀取該溫度以及該礦化度條件下的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并記錄顯示；

步驟4該項(xiàng)標(biāo)定結(jié)束后，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)泵控制器，控制雙向蠕動(dòng)泵反轉(zhuǎn)，將標(biāo)定筒內(nèi)的標(biāo)定液抽取到標(biāo)定液儲(chǔ)存罐；

步驟5計(jì)算機(jī)啟動(dòng)下一個(gè)標(biāo)定液的標(biāo)定，重復(fù)步驟2至步驟4；

步驟6完成全部標(biāo)定液儲(chǔ)存罐標(biāo)定液的標(biāo)定后，設(shè)置溫控器進(jìn)入下一個(gè)恒溫點(diǎn)，并重復(fù)進(jìn)行步驟2至步驟5的過(guò)程；

步驟7完成全部溫度點(diǎn)的標(biāo)定后，形成標(biāo)定數(shù)據(jù)報(bào)表，取下所標(biāo)定的含水率分析儀，待降溫后進(jìn)行下一臺(tái)儀器的標(biāo)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

自動(dòng)標(biāo)定過(guò)程完成后，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析工作和標(biāo)定圖版生成輸入工作，最終達(dá)到盡量消除礦化度溫度對(duì)含水率檢測(cè)影響的目的。

2.1 標(biāo)定數(shù)據(jù)分析

一般來(lái)說(shuō)，自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)需要完成在不同礦化度和溫度條件下的標(biāo)定，得到在這些條件下的實(shí)測(cè)含水率，根據(jù)實(shí)際值和實(shí)測(cè)值之間的誤差，通過(guò)數(shù)據(jù)分析來(lái)解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

2.1.1 判斷被標(biāo)定儀器是否工作正常

礦化度對(duì)含水率儀有一定的影響，但是也應(yīng)該是在一定范圍內(nèi)。如果在標(biāo)定過(guò)程中，儀器數(shù)據(jù)超出了正常范圍，可以分析判斷儀器是否出現(xiàn)了故障導(dǎo)致工作不正常。

2.1.2 判斷儀器是否達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)

通過(guò)標(biāo)定數(shù)據(jù)的分析，不僅可以判斷儀器是否滿足一般測(cè)量要求，還可以進(jìn)一步的分析判斷是否還有提升空間，是否能進(jìn)一步提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性。通過(guò)調(diào)整后，使儀器達(dá)到更理想的狀態(tài)。

2.1.3 通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型

礦化度和溫度對(duì)含水率測(cè)量的影響，涉及的因素很多，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算公式來(lái)實(shí)現(xiàn)不太現(xiàn)實(shí)。如果獲取了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方式，能夠建立起比較合適的數(shù)據(jù)模型。

2.2 生成標(biāo)定圖版

通過(guò)自動(dòng)標(biāo)定裝置得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，肯定是與實(shí)際值有一定誤差的數(shù)據(jù)。譬如礦化度為0的純水，測(cè)量值應(yīng)該是100%，但是含有一定礦化度的水，測(cè)量值根據(jù)不同儀器有不同的測(cè)量值。如圖6所示，是一臺(tái)含水率分析儀在20～50℃不同的溫度條件下，礦化度從10000 mg/L 到110000 mg/L 標(biāo)定點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，溫度越高，實(shí)測(cè)含水率越低，同時(shí)礦化度越高，實(shí)測(cè)含水率也偏低。

圖6 礦化度溫度標(biāo)定圖版Fig.6 Salinity and temperature calibration diagram

得到這個(gè)標(biāo)定圖版后，把對(duì)應(yīng)的設(shè)置值下載到含水率分析儀內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)含水率分析儀的自動(dòng)補(bǔ)償修正，達(dá)到不同礦化度和溫度條件下的自動(dòng)檢測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)礦化度在含水率檢測(cè)方法中的影響，設(shè)計(jì)了上述含水率分析礦化度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)。解決了礦化度對(duì)于原油電導(dǎo)率的影響，能夠自動(dòng)進(jìn)行不同溫度不同礦化度條件下的自動(dòng)標(biāo)定，大大降低成本，節(jié)約標(biāo)定時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠較好的抑制礦化度的影響，適應(yīng)我國(guó)大部分油田的生產(chǎn)狀況，有較好的發(fā)展前景。