CN105044153A - 一种原油含水率检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原油含水率检测装置及方法。包括：恒温缸、换热油、恒温缸温度传感器、样品换热缸、样品温度传感器、真空绝热缸、换热油温度传感器和主控单元；控制原油样品进入样品换热缸，贮存在样品换热缸内；在恒温缸中将换热油的温度处理到T_s；控制换热油从恒温缸中进入真空绝热缸中；待原油样品温度下降T_d时，读取换热油温度传感器读数T；计算原油样品的热容值，进而计算出原油样品的含水率；控制换热油从真空绝热缸中排出进入恒温缸中，同时监控恒温缸温度传感器的读数，将换热油的温度处理到T_s并保持恒定；更新样品换热缸内的原油样品；本发明成本低廉，可以直接测量出质量含水率，在理论上可以实现较高准确性的测量。

Description

一种原油含水率检测装置及方法

所属技术领域

本发明属于石油化工仪表领域，具体涉及一种原油含水率检测装置及方法。

背景技术

石油在开采、集输、计量、炼化等过程中，都要求检测石油的含水率。石油含水率的检测，对于确定油井出水、出油层位、估计原油产量、预测油井的开发寿命等，都具有很重要的意义。及时准确的原油含水率检测数据，不仅能够反映出油井的工作状态，而且对管理部门减少能耗，降低成本，实现油田自动化管理也起着重要的作用。

近几年，国内外已先后采用电容、超声波、微波、短波等方式，开发出了各种各样的石油含水率检测仪器。但由于这些测量方法都依赖测量原油的介电常数，而原油混合液的介电常数和原油质量含水率之间没有线性的比例关系，标定过程复杂，准确性差，这些检测仪器距离实际应用还存在着不少差距。

发明内容

针对现有方法存在的不足，本发明提出一种原油含水率检测装置及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种原油含水率检测装置，包括：恒温缸、换热油、恒温缸温度传感器、样品换热缸、样品温度传感器、真空绝热缸、换热油温度传感器和主控单元；其中：

恒温缸：用于容纳换热油，并保证换热油保持在设定温度附近；

恒温缸温度传感器：安装在恒温缸上，用于测量恒温缸内换热油的实时温度；

样品换热缸：置于真空绝热缸内，用于容纳原油样品；

样品温度传感器：安装在样品换热缸上，用于测量原油样品温度；

真空绝热缸：包围样品换热缸，用于从恒温缸中获得换热油进行贮存或者将其所贮存的换热油排出到恒温缸中；

换热油温度传感器：安装在真空绝热缸上，用于测量真空绝热缸内换热油的温度；

主控单元：用于控制原油样品进入样品换热缸中、原油样品从样品换热缸中排出、换热油从恒温缸中进入真空绝热缸中及换热油从真空绝热缸中排出进入恒温缸中；同时，采集换热油温度传感器反馈的恒温缸内换热油的实时温度数据、样品温度传感器反馈的原油样品温度数据和换热油温度传感器反馈的绝热缸内换热油的温度数据；根据换热油从恒温缸中进入真空绝热缸中与样品换热缸中的原油样品换热后的温度上升所需的热量约等于原油样品与真空绝热缸中的换热油换热后的温度下降而失去的热量，计算出原油样品的热容值，进而计算出样品的含水率。

根据所述的原油含水率检测装置，所述恒温缸和所述真空绝热缸均为不锈钢制成的真空缸体，缸体外包裹纳米微孔隔热材料，外表面再使用铝箔包裹。

根据所述的原油含水率检测装置，所述样品换热缸的缸体容积为1000ml。

根据所述的原油含水率检测装置，所述换热油为导热油。

采用所述的原油含水率检测装置检测原油含水率的方法，包括如下步骤：

步骤1：控制原油样品进入样品换热缸，贮存在样品换热缸内；

步骤2：使用样品温度传感器测量原油样品温度；

步骤3：根据原油样品温度，在恒温缸中对换热油进行调温处理，使得恒温缸中换热油的温度达到预设的换热油初始温度T_s，T_s应远小于原油样品温度；

步骤4：控制换热油从恒温缸中进入真空绝热缸中；

步骤5：在真空绝热缸内的换热油与样品换热缸内的原油样品进行换热的过程中，实时监控样品温度传感器的温度读数，待其温度下降至T_d时，读取换热油温度传感器读数T_o；

步骤6：根据换热油由温度上升而得到的热量约等于原油样品由温度下降而失去的热量，通过式(7)计算出原油样品的热容值，进而根据式(5)计算出原油样品的含水率；

C_m＝(T_o-T_s)M_hC_h/T_dM(7)

C_m＝C_o+(C_w-C_o)X(5)

其中C_m为原油混合液的比热容，C_o、C_w分别为原油混合液中油的比热容、水的比热容；X为原油混合液的质量含水率；M_h为换热油质量；C_h为换热油比热容；T_s为换热油初始温度；T_o为换热油结束温度；T_d为原油样品下降的温度；

步骤7：控制换热油从真空绝热缸中排出进入恒温缸中，同时监控恒温缸温度传感器的读数，将换热油的温度处理到T_s并保持恒定；

步骤8：更新样品换热缸内的原油样品，转去执行步骤2。

根据所述的原油含水率检测方法，原油样品温度高于50℃，换热油初始温度T_s设定为10℃，原油样品下降温度T_d设定为10℃。

本发明的有益效果是：本发明通过研究和实验提出的通过测量比热容来测量原油含水率的检测装置及方法，理论依据充分，具有如下优点：

(1)不同于市面上常用的通过测量介电常数来测含水率的方法，被测量油水混合物的比热容和原油质量含水率之间存在线性的比例关系，使得本方法在理论上可以实现较高准确性的测量。

(2)设备的主要传感器为温度传感器，成本低廉。

(3)本发明的原油含水率检测装置可以直接测量出质量含水率，不同于市面上其它仪器需要用体积含水率换算质量含水率。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的原油含水率检测装置结构示意图；

图2为本发明一种实施方式的原油含水率检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本实施方式的原油含水率检测装置，如图1所示，包括：恒温缸1、换热油2、恒温缸温度传感器3、进样阀4、样品换热缸5、排样阀6、样品温度传感器7、进油泵8、真空绝热缸9、换热油温度传感器10、排油泵11和主控单元12；其中：恒温缸1：用于盛装换热油2，并保证换热油2保持在设定温度附近；恒温缸温度传感器3：安装在恒温缸1上，用于测量恒温缸1内换热油的实时温度；样品换热缸5：置于真空绝热缸9内，用于盛装原油样品；样品温度传感器7：安装在样品换热缸5上，用于测量原油样品温度；真空绝热缸9：包围样品换热缸5，用于从恒温缸1中获得换热油进行盛装或者将其所盛装的换热油排出到恒温缸1中；换热油温度传感器10：安装在真空绝热缸9上，用于测量真空绝热缸9内换热油的温度；主控单元12：用于控制原油样品进入样品换热缸5中、原油样品从样品换热缸5中排出、换热油从恒温缸1中进入真空绝热缸9中及换热油从真空绝热缸9中排出进入恒温缸1中；同时，采集换热油温度传感器10反馈的恒温缸1内换热油的实时温度数据、样品温度传感器7反馈的原油样品温度数据和换热油温度传感器10反馈的绝热缸内换热油的温度；根据换热油从恒温缸1中进入真空绝热缸9中与样品换热缸5中的原油样品换热后的温度上升所需的热量约等于原油样品与真空绝热缸9中的换热油换热后的温度下降而失去的热量，计算出原油样品的热容值，进而计算出原油样品的含水率；

本实施方式的恒温缸1和真空绝热缸9均采用不锈钢制成真空缸体，外包裹NWX-1000-ALU型纳米微孔隔热材料，外表面再使用铝箔包裹，隔热性能是传统材料的3至4倍，耐1000度高温，铝箔具有一定反射红外线、防水防尘功能，整体导热系数小于0.022W/mK。

本实施方式的样品换热缸5采用导热性能较好的铜作为缸体材料，缸体容积1000ml，缸体容积过高则原油样品降温过程缓慢，过少则不能满足误差精度的需要，1000ml为实验得出的一个较佳取值，并且方便计算。

本实施方式的换热油2采用长城牌L-QB300导热油，比热容高，热传导性能好，低温流动性好，与其接触到的材料相容性好，不腐蚀，密度868.5kg/m³。

本实施方式的温度传感器均采用快速插入式0-200度热敏电阻PT100温度隔离变送器，高精度，0.1％级；低温漂，最大耐温范围-40～+85度。

本实施方式的进油泵8、排油泵11采用的是YB1-10型定量叶片泵，排量10ml/r，转速1450r/min，容积效率≥88ηv％。

本实施方式的主控单元12采用的是型号为STC89C51的单片机主控单元。

采用本实施方式的原油含水率检测装置检测原油含水率的方法，包括如下具体步骤：

步骤1：通过STC89C51型单片机控制进样阀4打开，使温度高于50℃的原油样品进入样品换热缸5，样品换热缸5充满后，利用STC89C51型单片机关闭进样阀4和排样阀6，使得原油样品盛装在样品换热缸5内；

步骤2：使用样品温度传感器7测量原油样品温度；

步骤3：根据原油样品温度，在恒温缸1中采用冷却与加热设备对换热油温度进行调节，使得恒温缸1中换热油的温度达到预设的换热油初始温度T_s，T_s应远小于原油样品温度；

步骤4：通过STC89C51型单片机控制进油泵8将换热油从恒温缸1中抽入到真空绝热缸9中；

步骤5：真空绝热缸9内的换热油2与样品换热缸5内的原油样品进行换热的过程中，监控样品温度传感器7的温度读数，待其温度下降至T_d时，读取换热油温度传感器10的读数T_o；

步骤6：根据换热油由温度上升而得到的热量约等于原油样品由温度下降而失去的热量，通过式(7)计算出原油样品的热容值，进而根据式(5)计算出原油样品的含水率；

通用混合物的比热容公式如式(1)所示：

c＝ΣC/ΣM＝(m1c1+m2c2+m3c3+…)/(m1+m2+m3+…)(1)

其中c为混合物的比热容；c1、c2、c3分别为混合物中成分1的比热容、成分2的比热容、成分3的比热容；m1、m2、m3分别为混合物中成分1的质量、成分2的质量、成分3的质量。

根据式(1)，原油混合液的比热容可以由式(2)表示：

C_m＝(C_oM_o+C_wM_w+C_gM_g)/(M_o+M_w+M_g)(2)

其中C_m为原油混合液的比热容，C_o、C_w和C_g分别为原油混合液中油的比热容、水的比热容和气的比热容；M_o、M_w和M_g分别为原油混合液中油的质量、水的质量和气的质量。

因为气的质量极小，即M_g≈0，因此式(2)可以表示为式(3)；

C_m≈(C_oM_o+C_wM_w)/(M_o+M_w)(3)

设原油混合液总质量M＝M_o+M_w，则式(3)可以表示为式(4)；

C_m≈(C_oM_o+C_wM_w)/M＝(C_o(M-M_w)+C_wM_w)/M＝C_o-C_oM_w/M+C_wM_w/M＝C_o+(C_w-C_o)M_w/M(4)

设原油混合液的质量含水率为X，X＝M_w/M，则式(4)可以表示为式(5)；

C_m＝C_o+(C_w-C_o)X(5)

其中C_o、C_w在一定的温度压力下为一常数，以常压25℃为例：C_o为2220J/(kg·K)；C_w为4186J/(kg·K)；

所以原油混合液的质量含水率正比于混合液的热容，可以通过测量混合液的热容来测量混合液的含水率。

比热容的计算公式一般如式(6)所示：

$c=\frac{Q}{m(t_2-t_1)}---\left(6\right)$

其中c为比热容；Q为热量；m为物体质量；t2为物体末温度；t1为物体初温度；

考虑到原油混合液的温度一般都较高，我们使用降温的方法，取一定质量的原油样品，使其在真空绝热缸9中与一种换热油进行换热，原油样品温度下降T_d。

设Q_s为样品失去的热量，则有：

Q_s＝C_mT_dM

设换热油初始温度为T_s，换热结束温度为T_o，设换热油得到的热量为Q_o，则有：

Q_o＝(T_o-T_s)M_hC_h

式中C_h为换热油比热容，M_h为换热油质量。

换热油得到的热量约等于样品失去的热量，即Q_o≈Q_s，也即(T_o-T_s)M_hC_h＝C_mT_dM，进而得到由式(7)表示的原油混合液的比热容；

C_m＝(T_o-T_s)M_hC_h/T_dM(7)

由式(8)和(7)得出：

C_o+(C_w-C_o)X＝(T_o-T_s)M_hC_h/T_dM

X＝((T_o-T_s)M_hC_h-C_oT_dM)/(T_dM(C_w-C_o))

其中只有T_o-T_s为变量，即换热油增加的温度，设为Y，其它量都是常数，则有：

X＝(YM_hC_h-C_oT_dM)/(T_dM(C_w-C_o))(8)

其中C_m为原油混合液的比热容，C_o、C_w分别为原油混合液中油的比热容、水的比热容；X为原油混合液的质量含水率；M_h为换热油质量；C_h为换热油比热容；T_s为换热油初始温度；T_o为换热结束温度；T_d为原油样品下降的温度；

本实施方式中换热油的质量M_h设定为1kg，换热油比热C_h设定为2.1kJ/(kg﹡K)，换热油初始恒定温度T_s设定为10℃；样品质量M在进样前使用质量流量计测得；原油样品温度下降T_d设定为10℃；原油混合液中油的比热C_o；原油中水的比热C_w，针对不同产区的油样进行测量得出。

步骤7：通过STC89C51型单片机控制排油泵11，将换热油从真空绝热缸9中抽入到恒温缸1中，同时恒温缸1具有的冷却与加热装置对抽入到恒温缸1中的换热油进行实时温度调节，监控恒温缸温度传感器3的读数，将换热油的温度处理到T_s并保持恒定；

步骤8：更新样品换热缸5内的原油样品，利用STC89C51型单片机打开排样阀6，将样品换热缸5中的原油样品排出后，利用STC89C51型单片机打开进样阀4使新的原油样品流入样品换热缸5中，执行步骤2。

Claims (6)

1.一种原油含水率检测装置，其特征在于，其包括：恒温缸、换热油、恒温缸温度传感器、样品换热缸、样品温度传感器、真空绝热缸、换热油温度传感器和主控单元；其中：

恒温缸：用于容纳换热油，并保证换热油保持在设定温度附近；

恒温缸温度传感器：安装在恒温缸上，用于测量恒温缸内换热油的实时温度；

样品换热缸：置于真空绝热缸内，用于容纳原油样品；

样品温度传感器：安装在样品换热缸上，用于测量原油样品温度；

真空绝热缸：包围样品换热缸，用于从恒温缸中获得换热油进行贮存或者将其所贮存的换热油排出到恒温缸中；

换热油温度传感器：安装在真空绝热缸上，用于测量真空绝热缸内换热油的温度；

主控单元：用于控制原油样品进入样品换热缸中、原油样品从样品换热缸中排出、换热油从恒温缸中进入真空绝热缸中及换热油从真空绝热缸中排出进入恒温缸中；同时，采集换热油温度传感器反馈的恒温缸内换热油的实时温度数据、样品温度传感器反馈的原油样品温度数据和换热油温度传感器反馈的绝热缸内换热油的温度数据；根据换热油从恒温缸中进入真空绝热缸中与样品换热缸中的原油样品换热后的温度上升所需的热量约等于原油样品与真空绝热缸中的换热油换热后的温度下降而失去的热量，计算出原油样品的热容值，进而计算出样品的含水率。

2.根据权利要求1所述的原油含水率检测装置，其特征在于：所述恒温缸和所述真空绝热缸均为不锈钢制成的真空缸体，缸体外包裹纳米微孔隔热材料，外表面再使用铝箔包裹。

3.根据权利要求1所述的原油含水率检测装置，其特征在于：所述样品换热缸的缸体容积为1000ml。

4.根据权利要求1所述的原油含水率检测装置，其特征在于：所述换热油为导热油。

5.采用权利要求1所述的原油含水率检测装置检测原油含水率的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：控制原油样品进入样品换热缸，贮存在样品换热缸内；

步骤2：使用样品温度传感器测量原油样品温度；

步骤3：根据原油样品温度，在恒温缸中对换热油进行调温处理，使得恒温缸中换热油的温度达到预设的换热油初始温度T_s，T_s应远小于原油样品温度；

步骤4：控制换热油从恒温缸中进入真空绝热缸中；

步骤5：在真空绝热缸内的换热油与样品换热缸内的原油样品进行换热的过程中，实时监控样品温度传感器的温度读数，待其温度下降至T_d时，读取换热油温度传感器读数T_o；

步骤6：根据换热油由温度上升而得到的热量约等于原油样品由温度下降而失去的热量，通过式(7)计算出原油样品的热容值，进而根据式(5)计算出原油样品的含水率；

C_m＝(T_o-T_s)M_hC_h/T_dM(7)

C_m＝C_o+(C_w-C_o)X(5)

其中C_m为原油混合液的比热容，C_o、C_w分别为原油混合液中油的比热容、水的比热容；X为原油混合液的质量含水率；M_h为换热油质量；C_h为换热油比热容；T_s为换热油初始温度；T_o为换热油结束温度；T_d为原油样品下降的温度；

步骤7：控制换热油从真空绝热缸中排出进入恒温缸中，同时监控恒温缸温度传感器的读数，将换热油的温度处理到T_s并保持恒定；

步骤8：更新样品换热缸内的原油样品，转去执行步骤2。

6.根据权利要求5所述的原油含水率检测方法，其特征在于：原油样品温度高于50℃，换热油初始温度T_s设定为10℃，原油样品下降温度T_d设定为10℃。