原油含水率作为一项基础生产数据，在采油工程、储运工程、石油化工中都具有重要的作用。含水率的精确数值直接影响到油田生产的多个方面，如试井生产管理、原油运输管道、多相流测量、原油分析系统等[1]，是制订合理的开采方案和提高开发管理水平的重要依据。此外，对原油含水率实时测量，也是实现油田数字化和智能化管理的必然要求。原油含水率的计量属于多相流计量的技术范畴。对于多相流体，由于轻质相与重质相流体的物理性质差异，导致复杂的混合流体相间滑脱特性及界面效应，即体积分相含率与流量分相含率并不相等，难以准确测量其流动参数，这些问题也决定了含水率是个“难测量”的数据。
现阶段的原油含水率测量主要分为离线测量法和在线测量法。离线测量法常用的方法主要有蒸馏法、卡尔费休法和电脱法。离线测量方法随机性大、取样不及时、连续性差、劳动强度大[2]。油田生产过程中自动化程度不断提高，需要与之相匹配的自动化测量仪表，而含水率直接影响到油井的产能、开发方式，实时准确的数值能使油井更高效地开发，为设计合理的开采方案提供重要依据，因此在线测量方法将成为一种趋势。目前，国内外原油含水率在线测量法常用的方法包括: 密度法、电导法、电容法、射频法、微波法、射线法等[3-5]。这些方法各有优缺点：电导法易受油水分布的影响[6-7]; 微波法受压力、温度的影响[8-9]; 射线法成本较高且污染环境[10-11]; 电容法因与原油直接接触容易结垢[11]; 密度法受气体和砂质因素的影响[10-11]。
对于本研究所使用的射频法，Heron Eduardo de Lima Ávila等提出一种将金属谐振腔管道置于高频(150~300 MHz)射频场中，通过建立阻抗匹配网络放大信号衰减，反射损耗随含水率的变化而变化[12]。此方法在高含水率时具有较好的测量效果，含水率较低时则会受混合物分布不均匀、含水过低等的影响，造成误差明显增加。Muhammad Akram Karimi等提出的高频(90~190 MHz)动态含水率测量仪，在垂直和水平方向都有较好的性能，对含水率变化体现出较大的偏移特性[13]，但是该仪器不能直接用于金属管道，需使用聚醚醚酮(PEEK)、玻璃纤维等耐高温耐高压材料制成的非金属管道，这些材料在国内尚未得到广泛应用，且无金属罩屏蔽的射频信号接收器易受外界电磁波干扰[14]。C.S. Oon等论证了电磁波柱形空腔传感器检测两相流含水率的可行性，分析表明含水率的变化与损耗后电磁波的振幅呈线性关系，波峰不随温度变化而产生位移，由此证明水的温度不会对射频法测量含水率造成影响[15]。
本研究使用射频法对旋流状态下的油样进行检测，油水两相流经过旋流之后消除了混合物不均匀分布的影响，产生的油水分层有利于圆柱形电容的区分和计算，使测量结果更加精确。且将天线置于管道内部，外侧覆有防腐蚀塑料外壳，与油品非接触测量，不会因腐蚀造成天线的损坏和影响测量结果的问题。外侧管壁均为金属材质，消除了外界电磁干扰。通过实验的模拟和研究，达到了预期的效果。
油水两相螺旋流状态下射频法含水率测量结构模型如图 1所示。钢制套管一端与旋流器水平连接，另一端与垂直导管相连接。套管的直径为25.4 mm，左接旋流器，根据所需性能选取不同规格的旋流器。套管上部设置有射频信号处理模块和通信电线保护罩，通信电线保护罩通过内部电线对射频信号处理模块供电及信号传输，射频信号处理模块的具体尺寸根据选取的通信模块来决定。其中, 射频天线从钢制套管右侧的螺纹口旋入，通过固定器固定在套管的轴心处。射频天线全长210 mm，由外到内的结构为聚四氟乙烯天线保护罩、镀银铜芯，射频天线的一端设有外螺纹基座，用于给射频天线供电及外接射频信号源。
待测油品从左侧经过如图 1的旋流器后进入套管，套管内部设置有与射频信号处理模块连接的射频天线，射频天线通过发射经过调制的固定频率电磁波穿透待测介质，套管外部设置有射频信号处理模块，接收射频信号并将其转换为电压水平信号，再经过AD采样后输出至单片机，经处理后得到数据结果。
射频信号处理模块包括嵌入式单片机、信号源发生器、信号放大器、数据检测模块和数据采集卡，如图 2、图 3所示。射频信号处理模块由嵌入式单片机STM32F407作为核心，搭载信号源模组AD9851作为信号源发生器，通过AD8310信号放大器进行信号对数放大，给射频天线提供0~70 MHz的输出频率。同时，在接收器电路中添加信号放大器和数据采集卡，作用是检测射频传出信号的数据并输出直流电压，并记录数据。
油水两相螺旋流状态下射频法含水率测量原理示意图如图 4所示。图 4中的正中心圆为射频天线，天线外侧由油层包裹，油层外界面与管内壁之间为纯水层。
如图 4所示，将射频天线外界面至油水界面、油水界面至管道内壁，视为两个不同的圆筒式电容。
含水率、管道整体液体截面面积、环状油截面面积的计算式如下：
式中：D为含水率，%; S液为管道整体液体截面面积，m2; S油为环状油截面面积, m3; S水为环状水截面面积，m3; S天为天线截面面积，m3; V水为管内纯水体积，m3; V液为管内所有液体体积，m3; l管为测量仪管道长度，m。
根据圆环面积计算方法可得：
根据式(2)~式(4)可得：
根据圆筒电容计算公式可得：
式中：C天线-油为天线与油水分界面之间的电容，F; C油-水为油水分界面与管道内壁之间的电容，F; L天为天线长度，m; ε0为真空介电常量，取近似值为8.854 187 817×10-12 F/m; ε油为油的介电常量，F/m; ε水为水的介电常量，F/m。
两电容内外结合，可视为串联电容，总电容计算如式(8)：
当射频信号穿透该介质时，总系统阻抗为：
式中：C为总电容，F; Z为总系统阻抗，Ω; R接为接收传感器等效电阻，Ω; f为射频天线发射频率，MHz; J为虚数因子。
当系统阻抗确定时，接收器中的电流为：
式中：I为接收器中的电流，A; U为整体电压，V。
添加测量电阻后，测量电阻两端的电压为：
式中：U测为测量电阻两端电压，V; R测为测量电阻，Ω。
由于含水率不同，经旋流后油水分层，油截面半径发生改变，从而导致两部分圆筒式电容改变，总电容改变，因此接收器中的系统电流发生变化。由于射频天线的频率、长度均为常数，射频发生器和接收器电压固定，从式(10)、式(11)得出测量电阻两端的电压与使用油品含水率存在线性关系。通过AD采样标定调整系数，得出含水率与测量电压的关系。
本测量系统是根据油水混合物使固定频率下电磁波发生的衰减程度来确定的，因此天线的频率选择十分重要。极性分子(纯水)在射频状态下产生驰豫现象，在驰豫频率范围内，介质对电磁波损耗最大，据此来确定最佳的测量油水混合物含水率的工作频率。
具体频率选择需建立测量系统，通过对纯油和纯水施加不同频率的射频信号，观察传感器的电压变化，从而确定适用的频率。利用射频模拟信号发生器设定不同频率来对天线进行激励，在不同射频条件下测量纯油、纯水中所接受到的电压峰值并作差(见表 1)。
油水混合物的介电常数与纯油纯水在当前频率下的介电常数有关，只有当两者介电常数均为最大值时才能使测量数据较易观察。不同频率下纯油和纯水的介电常数见表 2[16]。
从表 1与表 2可以看出，在40~50 MHz频段时，纯油、纯水的电压差值区分最大，介电常数均为最大，因此系统天线频率折中确定为45 MHz。
如图 5所示，利用同心放置的塑料筒状物来模拟油管内部旋流状态下的油水两相流，其内部为装满油的塑料筒，外侧为装满水的金属材质筒状物。内侧塑料筒对射频信号的损耗可忽略不计，而外侧利用金属的屏蔽性降低外界辐射对射频信号的影响，从而达到模拟实际环境的效果。通过更换不同直径的内侧塑料筒，使截面的油水比例产生变化，从而模拟含水率的对应变化，使用测量仪进行测量以对静态油品的含水率进行标定。
具体操作步骤如下:
(1) 将测量仪的射频发射天线端放入内侧塑料筒中，且天线振子部分完全浸没于油中。
(2) 射频天线在信号发生器和放大器作用下产生45 MHz的射频信号，作用在模拟旋流状态下的两相流上。
(3) 信号处理模块中的接收传感器获取衰减后的射频信号并产生相应电压。
(4) 使用不同内径的塑料筒装满纯油进行重复试验，将测量的电压值与已知原油含水率建立对应关系，拟合出含水率预测曲线。
(5) 将得到的拟合曲线编入控制器源程序中，使测量的含水率通过程序实时显示。
油水两相流含水率测量实验在长江大学-中石油多相管流重点实验室进行，系统流程如图 6所示。实验段包括水平实验段和垂直实验段。实验过程中的油相流量通过美国艾默生Micro Motion科里奥利力质量流量计进行测量，水相流量通过日本Yokogawa公司的AE-115MG型电磁流量计进行测量。根据流量范围不同，油水两路各设计了两种不同尺寸规格的管道。压差通过日本Yokogawa公司的EJA110A压差传感器进行测量。实验数据利用美国NI公司生产的6225E高速数据采集卡进行采集和处理，采样频率可达200 kHz。
如前文所述，本次实验使用了不同含水率的油品进行多次测量，不同的油核与水环截面积比得到不同的含水率样品。对每个油品进行4次测量取平均值，所得含水率与电压关系见表 3。
由C.S. Oon等的论证可知，含水率的变化率与电磁波损耗后的振幅呈线性关系[15]，且根据前述推导，电磁波的振幅与被测电阻两端电压的变化呈正相关，因此设定此系统的线性关系式为：
式中：D为含水率，%; x表示所测电压值，V; b和B1为多项式方程常数。
利用软件Origin进行数据拟合，从而得出式(12)中的各常数项(见表 4)。
使用调整后拟合程度最高一组数据作为参考，得到数据拟合曲线如图 7所示。最终整理所得多项式方程常数为b=1.020 53，B1=0.021 71。将拟合好的方程输入信号处理模块，即可通过含水率测量仪进行实时测量。
由于垂直管中油水两相存在滑脱效应，对测量会产生较大误差，因此动态测量均在水平管中完成。实验时打开电源，开启油泵和水泵，通过两路的主阀和旁路调节阀将油水两路流量调至所需值。待油路涡轮流量计和水路电磁流量计示数稳定，并且管路内两相流体流动也达到稳定时，应用数据采集系统对各个传感器输出的电压信号进行记录。
将采集到的电压信号通过式(12)换算得出含水率，与入口油和水的流量比值进行比较并进行误差分析，分析结果见表 5。
从表 5可以看出，仪器测量的动态含水率与实际入口油和水流量的比值所计算得出的含水率存在较大误差，这是由于截面动态含水率并不等于真实油水混合物的含水率。按定义，混合流体的真实含水率为：
式中: ψ为油水两相流的真实含水率，%; Q为两相流通过某一截面的总流量，m3/h; Q1为水相流体的体积流量，m3/h。
如图 8所示，两相流在运动时，由于油和水的密度、黏度以及表面张力等性质的不同，水相和油相之间存在滑移速度。因此，水相和油相流体通过某一截面的流量比并不等于它们静止时的体积比。由此，射频法所直接测出的是截面动态含水率，需要用两相流速度滑移模型对测量结果进一步修正，才能得到真实含水率。
当油滴直径大于0.1 cm时，油相和水相之间的滑移速度为[17]：
式中：Δv为油水之间的滑移速度，m/s; Δρ为油水两相流与纯油相之间的密度差，kg/m3; d为油滴的直径，m; η为油水两相流的黏度，Pa·s; g为重力加速度，m/s2。
当油滴直径小于0.1 cm时，油相和水相之间的滑移速度为[17]：
式中：σ为油滴的表面张力，N/m; ρ为油水两相流的密度，kg/m3。
由图 8可知，水相的体积流量为：
式中：φ水为测量截面含水率，%; φ油为测量截面含油率，%。
将式(16)带入式(13)，并用油水两相流的总截面积S同除分子和分母可得：
式中：φ水=S水/S; v为油水两相流的平均速度，m/s，v=Q/S。
由式(18)可见，油水两相流的真实含水率受油相和水相之间的滑移速度和两相流的平均速度影响。实验装置所用钢管直径为25.4 mm。因此，根据管道的截面积，将流量转换为流速后对测量结果进行修正，得到的修正后测量结果及误差见表 6。
从表 6可以看出，含水率在43.81%以上时，测量最大误差为6.29%。由于射频天线是由管中心放置的实心硬棒引出，有可能对中间油核造成分散，导致各方向上的覆盖油膜长度各异，从而造成测量截面含水率与流量计算含水率存在差异。
(1) 油水两相螺旋流状态下利用射频法测量含水率的方法满足原油含水率在线测量需要，消除了油水混合物分布不均匀的影响。静态实验建立了含水率与测量的电压信号之间的线性关系式。
(2) 室内动态实验验证了测量模型的适用性。实验结果表明，经过两相流速度滑移模型对测量结果进行修正后，在入口油水两相混合流速为0.60~1.20 m/s，且含水率高于43.81%时，利用该方法测量油水两相含水率的误差在6.29%以内。
2021, Vol. 50 Issue (1): 101-107, 118
2021, Vol. 50 Issue (1): 101-107, 118